天然气地质学

川中南部下二叠统栖霞组白云岩储层特征及主控因素

  • 唐思哲 , 1, 2 ,
  • 谭秀成 , 1, 2 ,
  • 李明隆 1, 2 ,
  • 倪佳 3 ,
  • 耿超 3 ,
  • 胡罗嘉 1, 2, 4 ,
  • 张照坤 1, 2 ,
  • 肖笛 1, 2 ,
  • 杨文杰 1, 2
展开
  • 1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学,四川 成都 610500
  • 2. 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川 成都 610500
  • 3. 中国石油西南油气田分公司蜀南气矿,四川 泸州 646001
  • 4. 中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,四川 成都 610041
谭秀成(1970-),男,四川南充人,教授,博士生导师,主要从事碳酸盐岩沉积学与储层地质学研究.E-mail:.

唐思哲(1998-),男,重庆人,硕士研究生,主要从事储层地质学研究.E-mail:.

收稿日期: 2022-08-10

  修回日期: 2022-10-08

  网络出版日期: 2023-03-23

Characteristics and main controlling factors of dolomite reservoirs in the Lower Permian Qixia Formation in south of central Sichuan Basin

  • Sizhe TANG , 1, 2 ,
  • Xiucheng TAN , 1, 2 ,
  • Minglong LI 1, 2 ,
  • Jia NI 3 ,
  • Chao GENG 3 ,
  • Luojia HU 1, 2, 4 ,
  • Zhaokun ZHANG 1, 2 ,
  • Di XIAO 1, 2 ,
  • Wenjie YANG 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
  • 2. CNPC Key Laboratory of Carbonate Reservoirs Southwest Petroleum University Division,Chengdu 610500,China
  • 3. Shunan Gas Mine,PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company,Luzhou 646001,China
  • 4. Research Institute of Petroleum Exploitation and Development,PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company,Chengdu 610041,China

Received date: 2022-08-10

  Revised date: 2022-10-08

  Online published: 2023-03-23

Supported by

The PetroChina-Southwest Petroleum University Innovation Consortium Science and Technology Cooperation Project(2020CX010000)

the China National Petroleum Corporation Upstream Basic Forward-looking Project(2021DJ0501)

the General Project of National Natural Science Foundation of China(42172166)

本文亮点

针对川中南部下二叠统栖霞组台内白云岩储层特征及控储因素不清的科学问题,通过岩心观察、薄片鉴定、孔渗和地球化学测试以及测井资料等综合分析,取得以下地质认识:①白云岩类主要发育于栖二a、栖二b段的上部,并以晶粒化颗粒云岩和豹斑状云质灰岩或灰质云岩为主;储集空间主要为晶间(溶)孔、溶洞,辅以裂缝;晶粒云岩平均孔隙度和渗透率分别为3.16%和0.137×10-3 μm2;而豹斑状云质灰岩或灰质云岩则分别为3.4%和0.383 7×10-3 μm2,总体具有低孔低渗特点;与岩心、成像测井及生产曲线一起揭示储层主要为裂缝—孔隙型和裂缝—孔洞型2类。②储层主控因素分析表明,台内生屑滩沉积是储层形成的物质基础,2类白云岩均发育于向上变浅序列上部的滩相颗粒岩中;准同生期白云石化作用交代滩相颗粒岩形成的2类白云岩,提供了晶间孔和抗压骨架,δ13C、δ18O数据指示栖霞组准同生期白云石化可能与海水有关;向上变浅序列顶部常具有暴露面、溶洞等早成岩期暴露岩溶特征,且早期白云岩受到岩溶组构切割形成小型溶洞,表明早成岩期岩溶是栖霞组白云岩储层形成的关键,并揭示台内白云岩的形成时间早于早成岩期岩溶或近同期;后期晚二叠世峨眉山玄武岩浆广泛活动有关的热液侵位,导致白云石重结晶和孔洞充填鞍状白云石,结合地球化学成果反映了栖霞组白云岩储层在埋藏期受到高温热液的影响和改造,但对成储贡献有限。综上所述,提出台内栖霞组两类白云岩的准同生期“相—云—溶”三元成储模式,指示这类白云岩储层很大程度受规模微地貌高地相关的有利沉积相带控制,因此勘探思路可能需要往“沉积期控储”方向转变。

本文引用格式

唐思哲 , 谭秀成 , 李明隆 , 倪佳 , 耿超 , 胡罗嘉 , 张照坤 , 肖笛 , 杨文杰 . 川中南部下二叠统栖霞组白云岩储层特征及主控因素[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(3) : 388 -401 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.005

Highlights

Aiming at the scientific problem of unclear characteristics and reservoir control factors of dolomite reservoir in the Lower Permian Qixia Formation platform in south of central Sichuan Basin, this paper obtained the following geological understanding through the comprehensive analysis of core observation, thin section identification, pore permeability and geochemical testing and logging data. (1) The dolomites are mainly developed in the upper part of the Qi II A and B members, and mainly consist of grainy granular dolomite and leopard porphyritic limestone or calcareous dolomite; the main reservoir spaces are inter-crystalline (dissolved) pores and karst caves supplemented by fractures.The average porosity and permeability are 3.16% and 0.137×10-3 μm2,respectively. The values of leopard porphyritic limestones and calicitic limestones were 3.4% and 0.383 7×10-3 μm2, respectively, with low porosity and low permeability. Together with core, imaging logs and production curves, it revealed that the reservoir is mainly divided into two types:Fracture-pore type and fracture-cave type.(2) The analysis of the main controlling factors of the reservoir shows that the internal clastic bank deposition is the material basis for the formation of the reservoir, and the two kinds of dolomites are developed in the shoal facies granular rocks in the upper part of the upward shallow sequence. Two kinds of dolomites formed from beach facies granulocyte metasomatised by dolomitization during the quasi-syngenetic period provide intercrystalline pores and compressive framework. The δ13C and δ18O data indicate that the quasi-syngenetic dolomitization in the Qixia Formation may be related to seawater. The top of the upward shallower sequence often has the characteristics of exposed karst in early diagenesis, such as exposure surface and karst cave, and the early dolomite is cut by karst fabric to form small karst cave, which indicates that the early diagenesis karst is the key to the formation of the dolomite reservoir in Qixia Formation, and the formation time of the dolomite in the platform is earlier than the early diagenesis karst or near the same period. The hydrothermal emplacement related to the extensive activity of the basaltic magma in the Late Permian of Emei Mountain resulted in dolomite recrystallization and saddle-shaped dolomite filling in the pores. Combined with the geochemical results, the dolomite reservoirs in Qixia Formation were influenced and transformed by high temperature hydrothermal during the burial period, but their contribution to reservoir formation was limited. In conclusion, the “quasi-syngenetic facies, dolomitization and dissolution” three-unit reservoir model of the two types of dolomites in Qixia Formation is proposed, which indicates that this kind of dolomite reservoir is largely controlled by favorable sedimentary facies zones related to large-scale microgeomorphic highland. Therefore, the exploration idea may need to change to the direction of “reservoir control in sedimentary period”.

0 引言

四川盆地下二叠统栖霞组沉积期川西台缘的提出,揭开了台缘带勘探的序幕1-2,并发现川西北双鱼石气田和川西南平探1气藏,展示了台缘带白云岩巨大的勘探潜力3。目前,针对台缘带中粗晶白云岩成因争议,从早期的混合水白云石化4-5、埋藏白云石化6-7、玄武岩淋滤8、热次盆9、热对流10及构造—热液白云石化6-11多样化模式,逐渐发展到宏观—微观—地球化学证据链完整的准同生期海水循环热液叠合的蒸发浓缩—回流渗透白云石化模式12-13,并提出了早成岩期相控岩溶成储、准同生期白云石化控保的观点,指出台缘和台内相对坡折附近及地貌高地是有利云化的滩相发育区1014,这些认识也逐渐为勘探所证实。而对于栖霞组广大的台内地区,随着高石梯—磨溪地区的磨溪117、磨溪42、高石18等井钻遇厚度不等的薄层白云岩,且在磨溪31X1、高石18等井分别试获70.87×104 m3/d、41.74×104 m3/d的高产工业气流,展示了台内薄层白云岩类储层仍具有巨大的勘探潜力。台内地区白云岩因其规模更小、横向变化更大而难以预测,因此不能简单地套用台缘带白云岩的理论指导台内地区的油气勘探,需要对台内地区白云岩的发育控制因素进行更系统地研究。鉴于此,本文以川中南部地区为例,基于取心井宏微观及地球化学资料,分析不同白云岩类储层特征、稀土配分模式和碳氧同位素,进而对台内白云岩类储层发育主控因素进行分析研究,从而支撑台内地区栖霞组白云岩薄储层勘探和分布预测研究。

1 区域地质概况

研究区主体位于川中南部的威远—高石梯地区,地理位置东至大足,南达富顺,西到荣县,北抵安岳。面积约为1.3×104 km2。区域构造位置隶属四川盆地川南中隆低陡构造区和川中平缓构造区南翼[图1(a)]。
图1 川中南部地质概略图

(a)研究区位置图;(b)二叠系沉积前古地质图15;(c)下二叠统地层柱状剖面示意图

Fig. 1 Outline geological map of South of central Sichuan Basin

石炭纪末期,四川盆地由于受云南运动影响,抬升剥蚀,从而准平原化。进入二叠纪,四川盆地沉降,发生大规模海侵,二叠系不整合沉积在下伏志留系、奥陶系等地层上[图1(b)]。早二叠世梁山组—栖霞组沉积初期,首先沉积了滨岸—沼泽相的梁山组砂泥岩,并随海侵范围扩大,逐渐相变为栖霞组的碳酸盐岩台地沉积体系14-15,整体为半局限台地沉积16。研究区地处台地内部,区内下二叠统栖霞组自下而上进一步细分为栖一、栖二b和栖二a段[图1(c)]。
栖一段以10~26 m厚的灰黑色泥晶生屑灰岩、生屑泥晶灰岩和泥灰岩为主;栖二段厚度约在74.5~97 m之间,灰色、深灰色亮晶生屑灰岩、泥晶生屑灰岩较为发育,生屑泥晶灰岩、泥晶灰岩发育频率较低,是栖霞组主要成滩期的沉积产物,发育多套向上变浅的沉积旋回,呈现滩相生屑灰岩与反映低能环境的泥晶灰岩的不等厚互层,旋回上部常发育晶粒白云岩、豹斑状灰质云岩和云质灰岩,可细分为栖二a和栖二b段,厚度分别为30~70 m和38~60 m。栖霞组沉积末期,海平面相对下降,栖霞组碳酸盐岩受到大面积的岩溶改造,并且与上覆茅口组不整合接触。茅口组由于受到快速海侵的影响,底部发育灰岩—泥灰岩韵律层17-18

2 储层特征

2.1 储集岩类型与特征

根据岩心观察和岩石薄片鉴定,研究区栖霞组碳酸盐岩主要为泥—亮晶生屑灰岩、泥晶生屑灰岩、生屑泥晶灰岩、泥晶灰岩、泥灰岩、晶粒云岩以及豹斑状灰质云岩/云质灰岩。据418件岩心样品的孔渗测试结果,可见白云岩及云质岩类的储集性能明显优于灰岩(表1)。晶粒云岩平均孔隙度为3.16%,平均渗透率为0.127×10-3 μm2,灰质云岩/云质灰岩平均孔隙度为3.40%,平均渗透率为0.383 7×10-3 μm2,而灰岩类的平均孔隙度普遍小于2%,平均渗透率多数小于0.05×10-3 μm2。下文主要介绍2种主要储集岩类特征。
表1 研究区栖霞组不同岩类物性参数统计

Table 1 Petrophysical parameter in different rock types of Qixia Formation in study area

物性 岩性 孔隙度/%

样品数

/件

渗透率/(10-3 μm2

样品数

/件

平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值
石灰岩 泥晶生屑灰岩 1.10 8.6 0.09 74 0.180 0 3.55 0.000 11 47
泥晶灰岩 0.56 1.28 0.27 19 0.000 34 0.000 58 0.000 1 7
亮晶生屑灰岩 0.97 2.14 0.12 151 0.038 9 0.98 0.000 03 38
生屑泥晶灰岩 0.7 2.08 0.21 99 0.019 0.362 0.000 09 30
云质岩类 晶粒云岩 3.16 6.89 0.81 31 0.137 2.65 0.000 48 28
灰质云岩/云质灰岩 3.4 8.84 0.87 44 0.383 7 1.88 0.000 06 11

2.1.1 晶粒云岩

研究区内晶粒云岩单层厚度可从数十厘米到数米不等,最厚可达6 m左右,多分布在栖二a段顶部和栖二b段中部的向上变浅序列中上部[图2(a)]。宏观上呈浅灰—灰白色,层状—块状,发育针孔和1~20 mm溶洞[图2(h)]。镜下白云石为细—中晶,自形—半自形状[图2(b)],单偏光下部分白云石晶体发生微弱重结晶,具有雾心亮边特征,中晶白云石粒径介于200~600 μm之间,细晶白云石粒径小于200 μm,局部可见生屑残余和颗粒幻影,发育晶间(溶)孔,孔洞边缘为鞍形白云石或渗流粉砂半充填—全充填[图2(c),图2(g)],部分可见具有溶蚀特征的残余白云石晶体。
图2 川中南部栖霞组储集岩宏微观特征

(a)针孔状白云岩,磨溪117井,4 601.69 m,岩心;(b)针孔状细—中晶白云岩,可见晶间孔和晶间溶孔,磨溪117井,4 601.69 m,蓝色铸体薄片,单偏光;(c)小型洞穴中半充填鞍形白云石及渗流粉砂,磨溪117井,4 603.99 m,岩心薄片,正交偏光;(d)斑状云质灰岩(宏观),磨溪117井,4 578.3~4 578.42 m,岩心;(e)细—中晶云斑状灰岩,发育晶间(溶)孔,磨溪117井,4 608.17 m,岩心薄片,单偏光;(f)晶间孔,家45井,2 897.29 m,岩心薄片,单偏光;(g)中晶白云岩的晶间(溶)孔,半充填渗流粉砂,磨溪117井,4 600.99 m,蓝色铸体薄片,单偏光;(h)溶洞,可见渗流砂及鞍形白云石充填,磨溪117井,4 603.71~4 603.86 m,岩心;(i)裂缝,磨溪117井,4 611 m,岩心薄片

Fig.2 Macro and micro characteristics of Qixia Formation reservoir rocks in South of central Sichuan Basin

2.1.2 豹斑块状灰质云岩/云质灰岩

该储集岩类的岩性为灰岩与云岩之间的过渡类型,整体上为灰质云岩或云质灰岩,是研究区重要的储集岩类型。宏观上整体呈浅灰—深灰色,以发育斑块状构造为显著特征[图2(d)]。深色斑块主要由中—细晶白云岩组成,白云石呈自形—半自形状,发育晶间(溶)孔[图2(g)],孔洞边缘充填鞍形白云石,局部见未云化的生屑颗粒,晶粒间充填黑色泥质、有机质等;围岩颜色较深,相对较为致密,岩性主要为亮晶生屑灰岩、泥晶生屑灰岩,生屑颗粒多被泥晶化[图2(e)],颗粒间可见灰泥黏结组构。根据家45井、磨溪117井等资料显示,云质灰岩单层厚度在4~10 m不等,主要发育于栖一和栖二a、栖二b段中上部,单层储层厚度约为1~2 m。该储集岩类在研究区广为发育,尤其是在高石梯—资阳—威远和观音场—自贡—荷包场这2个区带。

2.2 储集空间类型

基于岩心和铸体薄片分析,栖霞组碳酸盐岩储集空间主要包括孔隙、洞穴和裂缝3种类型。
(1)孔隙。孔隙是威远—高石梯地区栖霞组最重要的储集空间。栖霞组白云岩主要发育晶间(溶)孔[图2(f), 图2(g)]。孔隙直径较小,部分孔隙由于早期溶蚀作用,会形成港湾状溶蚀边,从而形成晶间溶孔,孔隙边缘可见鞍形白云石或渗流粉砂充填—半充填,部分孔隙由于进一步的溶蚀而形成小型溶洞。
(2)洞穴。溶洞是指孔隙直径大于2 mm的溶蚀孔隙。研究区溶洞多分布于白云岩及其相关岩类之中,主要是先期孔隙的扩溶,从钻孔、岩心来看,栖霞组溶蚀孔洞较为发育,溶洞以中洞为主,其中洞径为2 mm~4 cm[图2(h)],且存在整体规模较小,洞中可见鞍形白云石晶粒充填。
(3)裂缝。裂缝在研究区栖霞组中普遍作为流体通道和储集空间发育 [图2(i)]。根据岩心、镜下观察,栖霞组裂缝总体比较发育;压溶缝主要发育在云质灰岩/灰质云岩之中;扩溶缝往往由构造缝扩溶形成,常与孔洞相连通;高角度构造缝为该地区构造运动和断层运动的主要产物。总体来说,裂缝作为研究区次要储集空间,起到连通主要储集空间并优化局部渗透率的作用。

2.3 储层电性特征

结合前人研究与研究区实际情况进行分析,研究区裂缝—孔洞型储层和裂缝—孔隙型储层电性响应特征(图3)与早年提出的认识具有一定的相似性19-21。研究区高石001-X45井栖霞组白云岩储层具有声波时差和补偿中子增大,自然伽马和电阻率下降,密度呈“锯齿状”跳跃的特点,成像测井上以暗色为主,为裂缝—孔洞型储层;高石1井储层具有补偿中子、声波时差和密度增大,自然伽马和电阻率减小的特点,成像测井上储层以小暗斑的形式呈现,具有裂缝—孔隙型的特点。
图3 研究区栖霞组储层电性特征

Fig.3 Reservoirs electrical characteristics of Qixia Formation in study area

2.4 储层物性特征

通过对研究区7口井(家45、镇1、自6、威基、威阳25、磨溪108和磨溪117井)栖霞组418件小直径样品孔渗分析数据的处理(表1图4),灰岩样品孔隙度平均值为0.89%,最大值为8.6%,最小值为0.09%,孔隙度小于2%的样品占到总量的97.67%,而大于2%的样品只占1.75%;晶粒云岩孔隙度平均值为3.16%,最大值为6.89%,最小值为0.81%,孔隙度大于2%的样品占比为77.78%;云质灰岩孔隙度平均值为3.40%,最大值为8.84%,最小值为0.87%,孔隙度大于2%的样品占比为80.00%,孔隙度在2%~4%的样品数量最多,占整个云质灰岩的50.00%。灰岩渗透率平均值为0.086 19×10-3 μm2,最小值为0.000 03×10-3 μm2,最大值为3.55×10-3 μm2,渗透率小于0.001×10-3 μm2的灰岩样品占总数的59.84%,大于0.1×10-3 μm2的样品占9.84%;晶粒云岩渗透率平均值为0.137×10-3 μm2,最小值为0.000 48×10-3 μm2,最大值为2.65×10-3 μm2,79.17%的晶粒云岩样品渗透率值介于(0.001~0.1)×10-3 μm2之间;云质灰岩渗透率平均值为0.383 68×10-3 μm2,最小值为0.000 06×10-3 μm2,最大值为1.88×10-3 μm2,渗透率大于0.1×10-3 μm2的样品占全云质灰岩的42.86%。
图4 研究区栖霞组碳酸盐岩孔渗分布直方图

Fig.4 Histogram of pore and permeability distribution of Qixia Formation carbonate reservoir in study area

为探究研究区2种云岩的储集性能差异,以70个小直径样品的孔隙度和渗透率数据绘制孔渗交会图(图5)。由图5可知,岩心样品的孔渗数据点具有明显的分区分布特点。孔隙度小于2%,渗透率小于10×10-3 μm2的样品占比为67.14%,为低孔—低中渗储层;孔隙度为2%~4%,渗透率小于10×10-3 μm2的样品占比为15.71%,为中孔—低中渗储层;孔隙度大于4%,渗透率小于10×10-3 μm2的样品占比为17.14%,为高孔—低中渗储层。云岩及云质灰岩数据在图上都呈正相关性,且都优于灰岩。综上所述,研究区栖霞组云质岩类的整体物性优于灰岩。
图5 研究区栖霞组孔渗交会图

Fig.5 Pore-permeability intersection diagram of Qixia Formation in study area

2.5 储层纵横向特征

通过勾连磨溪117井—高石18井—高石001-X45井—家45井绘制储层连井图可以看出(图6),研究区储层在测井曲线、岩性和测井孔隙度上具有良好的相关性,在白云岩段,测井曲线表现出上文提到的储层电性特征,表明了白云岩为研究区主要储集岩类。在纵横向对比上,纵向上大致可分为两套白云岩储层,分别位于栖二a段顶部和栖二b段中部,栖一段不发育储层。横向上,栖二a段储层连续性较好,呈现带状分布,栖二b段储层发育相对独立,为小规模局部分布。总体上,白云岩储层在横向和纵向上均具有较良好发育。
图6 储层连井图(磨溪117井—高石18井—高石001井—X45井—家45井)

Fig.6 Reservoir well diagram (Wells MX117 -GS18 -GS001-X45 -J45)

2.6 储层类型

基于储集岩类型、储集空间类型与储层物性特征,再结合典型井储层段测井响应特征(图3)分析,认为威远—高石梯地区栖霞组主要发育裂缝—孔隙型储层,局部存在裂缝—孔洞型储层。
(1)裂缝—孔隙型。裂缝—孔隙型储层在电性上具有补偿中子和声波时差增大、自然伽马和电阻率减小的特征,由于白云岩本身的岩石骨架密度高于灰岩,会存在密度增大的情况(图3)。该类型储层晶间(溶)孔为主要的储集空间,裂缝则为次要的储集空间,主要起到提高渗滤能力与沟通各个储集体的作用,属于低孔—低中渗储层和中孔—低中渗储层(图6)。储层厚度相对较薄,单层厚度多集中在2 m左右,如高石18井栖霞组白云岩储层约为2 m。生产曲线上往往表现出长期持续稳产的特征(图7)。
图7 高石18井栖霞组生产曲线(裂缝—孔隙型储层)

Fig.7 Logging curve of Qixia Formation in Well Gaoshi 18(Fracture-pore type reservoir)

(2)裂缝—孔洞型。裂缝—孔洞型储层在电性上具有补偿中子和声波时差增大,密度、自然伽马和电阻率减小,深浅侧向差异较大的特征(图3)。该类型储层以晶间(溶)孔以及溶蚀所形成的各种尺寸的溶洞为主要的储集空间,裂缝则为次要的储集空间,连通单一储集体,属于高孔—低中渗储层(图6)。储层厚度较薄,多集中在5 m左右。生产曲线上往往表现出长期持续稳产的特征(图8)。
图8 自2井栖霞组生产测井曲线(裂缝—孔洞型储层)

Fig.8 Production log curve of Qixia Formation in Well Zi 2(Fracture-vug reservoir)

3 储层发育主控因素

根据上述储层基本特征分析,结合储层沉积和成岩作用的研究,认为川中南部栖霞组白云岩成储主控因素包括沉积相、白云石化作用和早成岩期岩溶作用等。

3.1 台内生屑滩沉积是储层形成的物质基础

表1所示,研究区栖霞组储集性能最好的岩性主要为豹斑状云质灰岩、灰质云岩和晶粒云岩。根据岩心观察和显微镜下薄片鉴定(图2),不仅明显可见灰岩残余斑块,并且具有生屑残余和颗粒幻影结构,表明这些云质岩内的白云石属于交代成因。最近的研究指出,这些云质岩类的原岩主要为生屑滩相的颗粒灰岩22。以磨溪117井为例,通过精细刻画单旋回沉积特征(图9),发现研究区栖霞组沉积具有向上变浅的特点,单个向上变浅沉积旋回在岩性、岩相和岩溶组构上均有所不同。自下而上,当海侵开始时,海平面快速升高,台内地区普遍处于浪基面以下,旋回底部沉积低能泥晶灰岩[图9(e), 图9(f)];在海退初期,海平面相对下降,水下地貌高地逐渐位于浪基面与平均海平面之间,有利于滩体的发育和向上建造,旋回中部渐渐以开始沉积具有良好原生孔隙的粗结构台内滩体为特征,其沉积速率和沉积厚度均较相邻的滩间海和台内洼地大,进一步强化了地貌差异;至海退晚期,随着滩体的向上建造,海水逐渐变浅,上覆可容纳空间不足,导致滩体开始侧向生长和扩展,在旋回顶部形成大面积分布的亮晶生屑灰岩。旋回中上部原始孔渗性相对较好的滩相颗粒岩,为随后白云石化流体的侵入提供了有利的渗流通道,导致滩相沉积物优先被白云石化。
图9 磨溪117井栖霞组沉积单旋回特征

Fig.9 Characteristics of simple circle of sedimentation of Qixia Formation in Well MX117

由此可见,滩相石灰岩与白云岩均发育于向上变浅序列中上部,两者具有紧密的亲缘关系,由此形成的白云岩以具有明显的层控性和相控性为特征。因此滩相灰质沉积物是栖霞组滩相白云岩形成的物质基础。

3.2 准同生期白云石化作用提供晶间孔和抗压骨架

为帮助判断前述滩相白云石化作用的时间和流体来源,分别对栖霞组碳酸盐岩样品进行了稀土元素和碳氧稳定同位素分析。采自MX108-B1-B、MX108-4、MX109-1井的3个滩相白云岩样品的稀土元素检测结果如图10(a)所示,其稀土配分曲线整体表现为具有Ce的轻微负异常、轻稀土亏损和重稀土富集的“左倾”特点23-25,呈现出典型的具氧化性的海源流体特征,表明研究区栖霞组白云岩的形成主要与准同生期的海水有关1022。这与本文前一节中提到的海退晚期,滩体侧向迁移所造成的局部水体受限和盐度升高,导致发生准同生期白云石化作用的结果是一致的。
图10 研究区白云岩稀土元素配分特征与标准化稀土配分模式对比图

(a)研究区栖霞组白云岩样品稀土元素分配特征;(b)高温热液及海水稀土元素标准化分配模式27-28

Fig 10 Comparison of REE distribution patterns and standardized REE distribution patterns of dolomite in the study area

研究区栖霞组灰岩和早期云质岩类的碳氧同位素分析结果如图11所示,5个灰岩样品的投点基本处于早二叠世海相方解石δ13C、δ18O范围内;早期云质岩类投点部分在早二叠世海水范围内26,δ13C平均值与灰岩较为接近,为4.18‰,δ18O平均值相对灰岩偏低,为-7.96‰。这表明栖霞组白云石化可能与海水有关,而δ18O值偏低可能是受到大气淡水溶蚀作用和盐度升高叠合影响12。这也符合上述滩体侧向迁移压缩水体发生的准同生期白云石化和早成岩期岩溶作用结果。
图11 川中南部栖霞组碳酸盐岩碳氧同位素散点图

Fig.11 Scatter plot of carbon and oxygen isotopes in Qixia Formation, of South of Sichuan Basin

早期白云石化的发生受到了沉积相的控制。伴随着海退晚期滩体上部的可容纳空间不足时,滩体开始发生侧向迁移,使得水体受到限制,在一定的蒸发条件影响下,海水开始向云化流体转变,并与围岩发生准同生期白云石化作用。但由于水体受限程度不一样,在滩体顶部海水受限更强,形成的重卤水可以沿孔隙(洞)和岩溶通道向滩体深部发生更为彻底的白云石化作用,形成层状粉细晶白云岩,原生粒间孔转变为晶间孔;而滩体翼部水体较深,中等盐度海水使围岩云化不彻底,仅形成豹斑状云质灰岩;滩间海灰质沉积物基本不发生白云石化作用。
进一步研究发现,研究区栖霞组仅发育白云岩储层,如晶粒云岩、灰质云岩/云质灰岩等均有较好的孔隙发育,表明准同生期白云石化作用对于储层的贡献,不仅表现在岩性的转变,由原始沉积的、抗压实能力较弱的灰岩,在早期就转变成具有更强抗压实压溶能力的白云岩,而且还体现在形成了为数众多的、更有利于保持的白云石晶间孔。
由于方解石和白云石晶体本身性质的差异,导致石灰岩与白云岩的抗压实压溶能力的不同,通常表现为白云岩抗压实压溶能力远远强于灰岩。也正是由于白云岩具有这种抗压性较好的骨架,抵消了埋藏期孔隙的减小效应,使得先期形成的孔隙能够有效保存。

3.3 早成岩期岩溶作用是储层形成的关键

根据连井及岩心观察,发现栖霞组内部发育多套向上变浅沉积序列(图6),且部分沉积序列顶部发生暴露,从而发育明显的暴露侵蚀面[图12(a)],侵蚀面往往凹凸不平,且其上下岩性表现出陡然变化,侵蚀面之上以发育海侵初期低能含泥质灰岩和生屑泥晶灰岩为特征,而侵蚀面以下为遭大气淡水岩溶改造的颗粒岩沉积,这印证了栖霞组沉积期高频的海平面振荡旋回。就单个向上变浅沉积旋回而言(图8),岩溶作用在沉积旋回中上部白云岩段表现最为强烈,以发育明显的溶沟[图2(a)]、洞穴充填角砾[图12(b)]、溶洞充填渗流粉砂[图2(g)]和小型溶洞[图2(h)]为特征,向下岩溶作用程度逐渐减弱,旋回下部的低能泥晶灰岩往往难见岩溶改造特征[图9(e)]。值得说明的是,部分小型溶洞的形成是由于白云岩受到溶蚀作用影响,破碎而形成的,镜下能看到残余白云岩晶体,晶体保存不完好,晶体边缘呈不规则状[图12(c)],表明白云石化作用时间早于海平面升降驱动的暴露岩溶时间或近同期,也说明小型溶洞的形成受到早期暴露岩溶的影响。此外,对比云质岩类和灰岩的孔隙度发现,沉积旋回中上部遭受强烈岩溶改造的白云岩段孔隙度(表1),明显高于沉积旋回中下部的几乎未遭受岩溶改造或极少数遭受岩溶改造的泥晶岩类段,这表明岩溶作用程度越强,储层质量越好。对比白云岩和云质灰岩孔隙度(表1),云质灰岩发生不彻底白云石化,仅沿岩溶通道进行,使形成的溶蚀孔洞能有效保存下来[图9(b)],孔隙度与白云岩相近。由此可见,滩体作为研究区栖霞组有利相带,经过早成岩期岩溶作用改造可形成各式各样的溶蚀孔洞,是储层形成的关键,岩溶作用具有明显的增储效应。不过需要说明的是,在都发育岩溶改造的情况下,颗粒云岩的储集物性明显更好,而颗粒灰岩的增储效应并不明显,这主要与云岩、灰岩不同岩性在埋藏条件下的孔隙差异保存有关。
图12 研究区栖霞组储集层岩石学特征

(a)不规则暴露面,家46井,3 171.3~3 171.49 m,岩心; (b)洞穴充填角砾,磨溪117井,4 601.55~4 601.69 m,岩心;(c)岩溶切割白云石,磨溪117井,4 601.48 m,岩心薄片,单偏光; (d)鞍形白云石,家45井,2 899.03 m,岩心薄片,单偏光

Fig. 12 Petrological characteristics of Qixia Formation reservoir in study area

3.4 后期热液改造对成储贡献不大

前人29-30研究指出,晚二叠世发生的强烈峨眉地裂运动和峨眉山玄武岩浆广泛的喷发活动,使四川盆地受到普遍和深刻的影响。这一构造和热事件,对研究区下二叠统栖霞组碳酸盐岩的影响主要表现在岩浆期后热液的侵位,导致发生热液白云石化作用和热液溶蚀作用。
基于岩心和薄片观察,推测热液沿着裂缝和早成岩期岩溶形成的孔隙网络向上运移,导致准同生期白云石化形成的粉—细晶白云岩有的受到了热液改造,重结晶或生长亮边形成中粗晶白云石,使白云石之间接触更为紧密;同时在孔洞中生长鞍形白云石胶结物充填孔隙。这种鞍形白云石的稀土元素具有明显的Eu正异常特征(δEu=1.99),类似于高温热液稀土元素标准化配分模式(图10)。7个鞍形白云石样品的碳氧同位素值分布于图11的左侧,δ18O值为明显负偏,小于-9.04‰,低于灰岩和早期白云岩的δ18O值。这些特征显然有别于前述准同生期白云岩的地球化学特征,反映了研究区栖霞组白云岩储层在埋藏期或多或少地受到高温热液的影响和改造1123。然而,值得指出的是,无论是原有白云石在热液作用影响下的再长大,还是孔洞内新生成的高温白云石充填物,都压缩了白云岩储层中原有的储集空间。因此,热液白云石化作用对成储来说也许不是一种建设性的作用。
晚期热液对碳酸盐岩的溶蚀是显而易见的。溶蚀现象不仅发生于早期形成的细晶白云岩中,晚期鞍形白云石也受到了溶蚀作用影响,边缘发育港湾状溶蚀特征[图13(d)],表明栖霞组白云岩储层晚期发生了热液溶蚀作用。进一步研究发现:一方面,孔洞中鞍形白云石整体保留较好的晶体结构,未发现较大的溶蚀残余物,反映溶蚀强度不大;另一方面,热液溶蚀的分布比较有限,主要沿裂缝及其附近原有的孔隙系统分布,而且随后又被晚期白云石充填。因此,晚期热液溶蚀作用对栖霞组白云岩成储贡献有限。
图13 栖霞组储层演化模式

Fig.13 The evolution model of Qixia Formation reservoir

4 储层演化模式

基于上述储层主控因素分析,提出研究区栖霞组如图13所示的四阶段储层演化模式。①台内滩沉积阶段[图13(a)]:研究区栖霞组沉积期整体为半局限台地沉积环境,微地貌高地由于波浪破碎的生屑颗粒等碎屑堆积形成台内生屑滩,发育亮晶生屑灰岩和泥晶生屑灰岩,并发育由颗粒支撑的粒间孔;微地貌低地发育生屑泥晶灰岩和泥晶灰岩,但由于岩性致密基本不发育孔隙。栖霞组沉积期海平面高频振荡,海退晚期滩体由于可容纳空间不足而发生侧向迁移,可使其规模增大。②准同生期白云石化阶段[13(b)]:在高频海平面相对下降的情况下,滩体因发生侧向迁移在局部微地貌高地水体受限程度相对最高,在蒸发作用下形成重卤水,并沿着滩体顶部先期形成的粒间孔隙以及岩溶通道向下渗流,通过回流渗透的方式对原有的滩相生屑灰岩进行较为彻底的白云石化交代作用,进而形成层状粉细晶白云岩;相较而言,在滩体翼部,水体受限程度相对较低,重卤水流体通量相对不足,加之该区域先期形成的孔隙发育以及岩溶改造程度也相对较弱,从而造成白云石化作用不彻底,以形成豹斑状云质灰岩为特征。③早成岩期岩溶阶段[图13(c)]:伴随高频海平面的相对下降,滩体顶部频繁暴露在大气环境中,遭受早成岩期大气淡水的淋溶改造,形成各式各样的溶蚀孔洞,优化储层储集空间,此时为栖霞组白云岩储层定型阶段。④后期热液改造阶段[图13(d)]:进入埋藏期,孔洞周围的白云石晶粒提供较强的抗压实压溶能力,使储集空间持续保存。晚二叠世早期,伴随岩浆活动的深部热液沿裂缝上涌进入栖霞组白云岩储层,发生热液白云石化作用和热液溶蚀作用的同时对储层进行有限改造。
综上所述,提出研究区栖霞组白云岩准同生期“相—云—溶”三元成储模式,即有利的台内生屑滩相带+准同生期白云石化+早成岩期岩溶三元联合叠加控储。这意味着栖霞组白云岩储层在很大程度上受规模有利沉积相带的控制,因此勘探思路可能需要往“沉积期控储”方向转变。

5 结论

(1)川中南部下二叠统栖霞组白云岩储层主要发育于栖二a段、栖二b段的上部,并以晶粒化颗粒云岩和豹斑状云质灰岩或灰质云岩为主,储集空间主要为晶间(溶)孔、溶洞,辅以裂缝,发育裂缝—孔隙型和裂缝—孔洞型储层,整体具有低孔—低渗和非均质性强的特点。
(2)储层主控因素分析表明,台内生屑滩沉积是储层形成的初始物质基础,以滩相颗粒岩为基础的准同生期白云石化作用提供了晶间孔和抗压骨架,早成岩期岩溶作用是储层形成的关键,后期热液改造对成储贡献有限。
(3)研究区栖霞组白云岩成储模式为有利的台内生屑滩相带+准同生期白云石化+早成岩期岩溶的“相—云—溶”三元联合叠加控储,据此建议勘探思路可以往“沉积期控储”方向转变。
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