川東南地區燈影組儲層特征及其控制因素研究

施澤進 彭 俊 王 勇

(“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

川東南地區位于四川盆地川東高陡構造帶和川南中低緩構造帶,包括涪陵區塊、綦江區塊、赤水外圍等區塊(圖1)[1]。該區油氣地質條件優越,是四川盆地有利的天然氣富集帶。但迄今為止,該區域內的燈影組油氣勘探進展甚少,其主要原因之一是區內地層時代古老,成巖作用和儲層分布規律復雜[2,3]。因此,開展該區燈影組儲層特征及儲層控制因素研究,分析其沉積相、成巖作用和構造演化特征,有助于了解燈影組白云巖儲層演化機理,認識儲層分布規律,從而指導該區油氣勘探。

1 燈影組地層特征

川東南地區震旦系燈影組主要為潮坪相沉積的藻白云巖、粒屑白云巖、微晶白云巖和粉-細晶白云巖等,其藻黏結結構、藻紋層結構和疊層石發育。區內燈影組可分為四段,即下貧藻層燈一段、中富藻層燈二段及上貧藻層燈三段和燈四段。震旦紀末發生的桐灣運動使區內燈影組上部地層廣遭剝蝕,如遵義松林地區,下寒武統牛蹄塘組直接覆于燈二段部分地層之上,不整合面下喀斯特作用發育。

2 儲層特征

2.1 儲層物性特征

根據丁山1井、習水大巖剖面、遵義松林剖面和重慶石柱剖面的213塊樣品分析,白云巖基質孔隙度平均為1.83%?？紫抖戎饕植荚?%～2%之間(占62.4%),而孔隙度大于5%的樣品僅占1%左右(圖2)。滲透率也比較低,據194塊樣品統計,滲透率主要集中在(0.01～0.2)×10-3μ m2(占76.3%,圖2),反映川東南地區燈影組儲層是低孔低滲型儲層。在基質孔隙度和滲透率都很低的情況下,燈影組儲層只有配合溶蝕作用和構造作用形成的孔、洞、縫,才能成為有效的儲層。

一般認為,孔隙型儲層的滲透率往往隨著孔隙度的增大而增大,且具有良好的相關性;而裂縫型儲層往往不具有相關性[4～7]。對丁山1井部分巖心孔隙度與滲透率相關性分析發現(圖3),大部分樣品(B區)孔滲相關性不明顯,其孔隙度增加而滲透率沒有明顯的變化,這可能是后期成巖作用產生了大量的溶蝕孔洞,但連通性不好,導致高孔隙低滲透。另一部分(A區)具有高孔隙高滲透的樣品可能是在相對高能相帶發育的具粒屑結構的白云巖,裂縫很好地溝通了其孔洞縫系統?？诐B間非線性的變化,表明儲層發育裂縫,但具有一定的非均質性,屬裂縫-孔洞型儲層。

圖1 四川盆地構造圖Fig.1 The structural diagram of Sichuan Basin

圖2 川東南地區燈影組儲層孔隙度與滲透率頻率分布圖Fig.2 Distribution of porosity and permeability in the Dengying Formation reservoir,Southeast Sichuan

圖3 丁山1井燈影組儲層孔隙度與滲透率相關性分布圖Fig.3 Porosity-permeability relationship in the Dengying Formation reservoir of Well Dingshan 1

2.2 儲集空間及類型

川東南地區燈影組儲層儲集空間類型以次生溶蝕孔、洞、縫體系為主,原生孔隙大多被破壞?，F將各類儲集空間類型特征描述如下。

a.粒間孔及粒間溶孔：燈影組發育由藻團塊和藻屑顆粒支撐形成的粒間孔,具藻黏結結構,但多已被白云石膠結物充填。在準同生期和成巖過程中,由于大氣水淋濾和酸性流體的影響,顆粒間的膠結物或基質被溶蝕形成粒間溶孔(圖4-A),是研究區主要孔隙類型之一。

b.晶間孔及晶間溶孔：晶間孔主要指白云石晶間的剩余孔隙。在成巖過程中酸性流體沿白云石晶間孔隙運移,從而使晶間孔具有溶蝕擴大現象,形成晶間溶孔(圖4-B),亦是區內有效的儲集空間類型之一。

c.粒內溶孔及鑄?？祝褐饕l育在藻白云巖、砂屑白云巖中,為選擇性溶蝕碎屑顆粒而形成的孔隙。當顆粒的外部輪廓保存較好時,則稱為鑄?？?圖4-C)。研究區內粒內溶孔較少,為次要的儲集類型;而鑄?？纵^常見,為有效的儲集空間類型之一。

d.裂縫：裂縫作為一種特殊的孔隙類型,同時起到了儲集空間和滲濾通道兩種作用。燈影組儲層中裂縫較發育,大部分被白云石全充填或局部半充填(圖4-D),是區內重要的儲集空間類型之一。

2.3 儲層孔隙結構

壓汞分析結果(圖5)表明,川東南地區燈影組白云巖基質孔喉結構差,喉道中值半徑小,平均值只有0.022 μ m;喉道分選差,分選系數 2.03;歪度系數-0.79,屬于細歪度;總體上排驅壓力大(均值為7.6 MPa)：說明燈影組儲層致密,連通性差,孔隙結構為細孔-微喉型。

3 儲層發育的主要控制因素

川東南地區燈影組儲層的孔隙發育主要受沉積相及成巖后生作用、表生作用的影響,喀斯特作用、后期構造裂縫的發育程度直接決定了儲層儲集性能的好壞。

3.1 沉積相及其對儲層發育的影響

沉積相是儲層形成的基礎和先決條件,主導著巖性、巖相的分布。形成的巖石類型是后期成巖改造的物質基礎,控制著有利儲層在區域上的走向及展布[8,9]。

晚震旦世時期,川東南地區燈影組地層處于碳酸鹽局限臺地沉積環境中。根據重慶石柱實測剖面,燈影組沉積相主要為潮下亞相、潮間亞相、潮上亞相和潟湖相。

圖4 川東南地區燈影組儲層儲集空間類型Fig.4 Reservoir space types of Dengying Formation in Southeast Sichuan

圖5 川東南地區燈影組典型毛細管壓力曲線Fig.5 Typical capillary pressure cure of Dengying Formation in Southeast Sichuan

從川東南地區不同沉積微相的孔隙度和滲透率分布圖(圖6,表1)中可以看出,潮上帶白云巖最高孔隙度為5.59%,最低孔隙度為0.7%,平均孔隙度為2.01%;潮間帶最高孔隙度為8.35%,最低孔隙度為0.59%,平均孔隙度為1.72%;潟湖相白云巖最高孔隙度為4.58%,最低孔隙度為1.06%,平均孔隙度為2.4%;潮下帶晶粒白云巖最高孔隙度為3.52%,最低孔隙度為0.58%,平均孔隙度為1.91%;淺灘相顆粒白云巖最高孔隙度為1.77%,最低孔隙度為1.34%,平均孔隙度為1.74%。因此,川東南地區燈影組潟湖相地層孔隙發育較好,潮上及潮下次之,潮間及淺灘較差,反映燈影組儲層物性在一定程度上受沉積相帶的控制。

表1 川東南地區燈影組不同微相孔隙度(φ/%)Table 1 The porosity statistics of different sedimentary facies of Dengying Formation in Southeast Sichuan

3.2 成巖作用及其對儲層發育的影響

碳酸鹽巖儲層的儲集性能除了受沉積環境的控制外,還與儲層所處的成巖演化階段密切相關[10～13]。區內燈影組巖石中不管是砂屑白云巖、藻白云巖還是晶粒白云巖,其基質孔隙度均很低。因此,在燈影組白云巖儲層的演化過程中,成巖作用對儲層儲集性能好壞起著決定性作用。對儲層儲集性能起破壞性的成巖作用主要有壓實作用、膠結作用、硅化作用等;建設性成巖作用主要有白云石化作用、溶蝕作用和構造破裂作用等。

3.2.1 破壞性成巖作用

a.壓實作用是指沉積物在上覆地層的負荷壓力下,發生脫水,孔隙度降低、體積縮小、顆粒趨向緊密排列的作用。隨著埋深進一步加大,壓實作用進一步加強,使沉積物顆粒或晶體接觸處物質溶解的作用為壓溶作用?？p合線即是壓溶作用的產物,呈鋸齒狀,內部多為泥質或有機質充填。壓實作用是燈影組儲層孔隙度和滲透率降低的主要原因。

圖6 川東南地區燈影組不同微相孔隙度分布圖Fig.6 The porosity distribution of different sedimentary facies of Dengying Formation in Southeast Sichuan

b.膠結作用是燈影組原生孔隙降低的主要成巖作用之一,它存在于整個成巖作用階段,不僅充填原生孔隙,而且對后期溶蝕作用和構造破裂作用產生的次生空間進行破壞,堵塞次生孔隙。燈影組中,膠結物主要為微-亮晶白云石,在砂屑白云巖和藻白云巖中較發育,膠結作用以世代膠結為主(圖7-A),第一世代膠結物通常呈纖狀細小晶粒,垂直顆粒表面生長,且沿孔洞邊緣呈近等厚單環帶分布,屬于準同生期海底潛流成巖環境的產物;第二世代膠結物在第一世代的基礎上呈等軸粒狀充填剩余孔洞,晶粒較第一世代大,屬粉-細晶結構,是淺埋藏環境下的產物;第三世代是粗晶白云石膠結物,僅分布在較粗大原生孔隙的中部,屬于中深埋藏環境下的產物。燈影組原生孔隙經過幾期膠結作用的改造后幾乎喪失殆盡,僅在局部可見少量粒間溶蝕孔洞。

c.硅化作用是區內普遍發育的交代成巖作用。根據硅化產物的不同,可分為兩種(圖7-B)：第一種為富藻屑層硅化帶,其原巖多為藻白云巖,沿藻紋層及富藻層強烈硅化,成巖組構具有明顯的選擇性,可能與準同生期藻類腐爛造成的酸性環境有關[14];第二種是局部硅化作用,以硅質脈形式產出,硅質沿后期裂縫進行交代和充填,是后生期的產物。硅化作用對白云巖儲層有極大的破壞性,一方面硅化作用使巖石結構更為致密,另一方面硅質的大量存在阻礙了后期溶蝕作用對儲層的改造。對區內8塊硅化白云巖樣品進行物性分析,其孔隙度值在0.7%～1.6%之間,平均值為1.2%,遠低于正常白云巖儲層平均孔隙度。

3.2.2 建設性成巖作用

a.白云石化作用。川東南地區燈影組巖性基本由白云巖組成,未見方解石痕跡。結合薄片鑒定、地球化學等資料認為,研究區燈影組白云石化作用主要有準同生白云石化作用和滲透回流白云石化作用兩種類型。準同生白云石化作用主要形成粉-微晶白云巖及藻白云巖,是川東南地區燈影組主要的白云石化作用。其碳、氧同位素值(表2中8～10號樣品)相對溶蝕孔洞內白云石碳氧同位素值較高,δ13C(PDB)為3.45‰～3.78‰,平均值 為 3.70‰;δ18O(PDB)為 -5.95‰ ～-8.36‰,平均值為-7.5‰：反映其成巖環境為水體淺、能量低的潮間-潮上沉積環境。滲透回流白云石化模式主要是蒸發濃縮作用形成的高Mg/Ca比值的孔隙水向下滲流使沉積物白云石化,所形成的白云巖一般晶粒較粗,主要為粉-細晶白云巖和顆粒白云巖(圖4-A),其碳氧同位素值(表2中9～15號樣品)較準同生白云巖較高,δ13C(PDB)為3.28‰～6.68‰,平均值為4.88‰;δ18O(PDB)為 -4.90‰～ -6.98‰,平均值為-6.15‰：反映了滲透回流白云石化作用較準同生白云石化作用有更為局限的環境,更加缺乏外來補給。由滲透回流白云石化作用形成的顆粒白云巖及細晶白云巖一般晶粒較粗,經過后期的溶蝕改造后,其孔隙度和滲透率都大幅度提高,具有較好的儲滲性能。

圖7 川東南地區燈影組儲層成巖作用類型Fig.7 Diagenesis photos of the Dengying Formation reservoir in Southeast Sichuan

表2 川東南地區燈影組白云巖碳氧同位素特征Table 2 C-O isotopes character of dolomite in Dengying Formation,Southeast Sichuan

b.溶蝕作用是改善碳酸鹽巖儲層的主要成巖作用之一。本區燈影組儲層大致經歷了三期溶蝕作用：準同生期大氣淡水溶蝕作用、埋藏期溶蝕作用和表生成巖環境的喀斯特作用。

準同生期大氣水溶蝕作用發生在準同生期大氣水成巖環境中,對于易暴露的潮坪相和淺灘相沉積物,受到大氣水的淋濾后不穩定組分產生選擇性溶解,形成粒內孔、鑄模孔(圖 4-C)等。這類孔隙由于形成時間較早,歷經后期多種成巖作用改造,大多已被充填,儲集意義不大。

埋藏期溶蝕作用指發生在埋藏條件下,酸性地層流體對巖石的溶蝕作用。埋藏期溶蝕作用具有非組構選擇性,形成的溶蝕孔洞和溶縫的規模不大,主要是對早期形成的孔、洞、縫進行改造擴溶。通過薄片觀察,本區埋藏期溶蝕作用主要沿縫合線和晶間孔隙進行(圖7-C),形成晶間溶孔、粒間溶孔、裂縫溶蝕孔和縫合線溶蝕孔等,成為油氣運移通道和有效儲集空間。

表生期喀斯特作用：震旦紀末的桐灣運動使川東南地區燈影組抬升遭剝蝕,燈四段大多被剝蝕掉。這種大范圍的剝蝕作用必然使燈影組上部地層接受大氣水作用的改造,發生古喀斯特作用。對區內燈影組上部地層裂縫、溶蝕孔洞內的7塊白云石樣品進行碳氧同位素分析發現(表2中1～ 7號樣品),δ13C(PDB)為-0.01‰～ 2.46‰,平均值 為 1.28‰;δ18O(PDB)為 -9.56‰ ～-13.63‰,平均值為 -11.89‰;而圍巖的δ13C(PDB)和 δ18O(PDB)平均值分別為 4.44‰和-6.66‰。因此,縫洞內白云石δ13C呈低正值而δ18O呈低負值說明受大氣水影響較強。在不整合面以下一定深度范圍內,大氣水沿構造運動形成的大量斷裂和裂縫系統運移,對先前部分充填或完全充填的孔洞、裂縫進行溶蝕或擴溶改造,從而形成大量的溶蝕孔、洞、縫及喀斯特角礫間洞[15](圖7-D)。這些溶蝕孔洞經過后期的埋藏,遭受一系列成巖作用的改造,致使溶蝕孔洞多被充填;但未被充填的溶蝕孔洞仍是燈影組最為重要的儲集空間。

c.構造破裂作用形成的裂縫是改善儲層孔隙結構和物性特征的重要因素,裂縫對儲層孔隙度的貢獻較小,但對滲透率的改善顯著[16]。大部分裂縫是在構造微裂縫的基礎上溶蝕擴大而成,后又被白云石充填,具有雙重成因。根據裂縫、充填物及相互切割關系,區內燈影組裂縫發育大多分為兩期(圖7-D)：第一期裂縫切割基質、顆粒,縫寬0.1～1 mm,縫壁多呈溶蝕港灣狀,充填物為細粒白云石、泥質等;第二期裂縫切割基質、顆粒和第一期裂縫及其充填物,縫壁較平直,縫寬0.5～5 mm,充填物為細-中晶白云石。燈影組裂縫經過早期破裂-充填-溶蝕擴大-再充填等多期作用的改造后,大部分裂縫為充填-半充填狀態,連通性較好,如果后期烴類流體注入后,可進一步溶蝕改造,極大地改善儲層性能。

3.2.3 成巖過程中的孔隙形成與演化

結合上述不同成巖作用特征分析,可將川東南地區燈影組成巖作用、孔隙形成與演化過程分為以下幾個階段(圖8)。

a.同生成巖期：碳酸鹽巖沉積物在沉積之初,發育大量的粒間孔、藻黏結構架孔,孔隙度通常在50%以上。沉積之后,各種成巖作用如硅化、膠結、溶蝕等成巖作用相繼開始。經過早期的柱狀白云石膠結作用,通?？墒乖紫抖葥p失10%左右;而大氣淡水的溶蝕作用則可使孔隙度增加5%～20%;破裂作用產生的破裂縫對巖石的孔隙度影響不大。

圖8 川東南地區燈影組成巖作用類型及孔隙演化過程Fig.8 The diagenesis types and pore evolution in Dengying Formation,Southeast Sichuan

b.成巖早期 ：隨著上覆沉積物的堆積,機械壓實作用開始變得明顯,下部沉積物開始進入淺埋藏階段;同時,粒間孔隙和藻黏結孔隙開始第二次膠結作用,孔隙度開始急劇降低。在這一時期,盡管有重結晶作用產生了一部分有效孔隙,但在壓實和膠結作用下,使這一階段成為原生孔隙和次生孔隙損失的主要時期,巖石有效孔隙度驟降至10%以下。

c.成巖中期：這一時期,一方面重結晶作用持續進行,產生了少量的有效孔隙;另一方面壓實作用繼續加強,但由于此時巖石已經具有了一定的抗壓實能力,壓實損失的孔隙度有限。此外,由于有機質大量成熟,使得成巖環境變為強酸性,酸性流體沿裂縫或有效孔隙流動并大量溶蝕早期膠結充填物。酸性流體的溶蝕作用產生的孔隙約占8%;但因壓實和膠結作用的存在,這一時期產生的次生孔隙與壓實和膠結作用損失的孔隙度大致抵消,總的有效孔隙度沒有明顯的變化。

d.成巖晚期：沉積物埋藏深度超過4 km,有機質已經處于過成熟階段。該時期有機質的生烴排烴能力降低,酸性流體減少,溶蝕能力降低,主要的成巖作用為第三期粗晶白云石膠結及少量的硅質充填,白云石膠結物和硅質充填物幾乎占據所有剩余空間,使儲層孔隙度降至4%左右。

e.構造期：川東南地區燈影組構造期成巖作用可分為抬升和埋藏兩個階段。第一次抬升期發生在震旦紀末,桐灣運動使燈影組上部地層長期暴露于大氣淡水的溶蝕作用下,產生大量溶蝕孔洞。隨著地殼的下沉,燈影組地層再次被埋藏。直到第三紀中晚期,在喜馬拉雅運動的影響下,四川盆地開始抬升;同時在燈影組中形成較多高角度的裂縫,這些裂縫極大地改善了儲層的滲透性,但對儲層孔隙度的影響不大。構造期結束后,現今的燈影組儲層格局形成,有效孔隙度為5%左右。

4 結論

a.川東南地區燈影組儲集巖主要為藻白云巖、晶粒白云巖,儲層基質孔隙度與滲透率都較低,為低孔低滲儲層,儲集空間主要為溶蝕作用及構造作用形成的孔、洞、縫,儲集類型為裂縫-孔洞型儲層。

b.川東南地區燈影組粉-微晶白云巖及藻白云巖以準同生白云石化作用為主,顆粒白云巖及細晶白云巖以滲透回流白云石化作用為主。

c.川東南地區燈影組儲層發育受沉積相及成巖作用的雙重影響。沉積相對儲層的形成起宏觀控制作用。成巖作用對燈影組儲層的形成與改善起著決定作用,壓實作用、膠結作用及硅化作用等破壞儲層的儲集性能;溶蝕作用,尤其是表生期喀斯特作用是儲層形成的重要機制,構造破裂作用形成的裂縫則有效溝通各溶蝕孔隙,極大地改善了儲層的儲集性能。

[1]汪澤成,趙文智,張林,等.四川盆地構造層序與大然氣勘探[M].北京：地質出版社,2002：10-12.

[2]劉樹根,馬永生,黃文明,等.四川盆地上震旦統燈影組儲集層致密化過程研究[J].天然氣地球科學,2007,18(4)：485-496.

[3]王興志,方少仙,侯方浩,等.四川盆地燈影組儲層原生孔隙內膠結物研究[J].西南石油學院學報,1998,20(3)：1-3.

[4]ESTEBAN M,TABERNER C.Secondary porosity development during late burial in carbonate reservoir as a result of mixing and/or cooling of brines[J].Journal of Geochemical Exploration,2003,78(3)：355-359.

[5]周彥,譚秀成,劉宏,等.四川盆地磨溪構造嘉二段孔隙型碳酸鹽巖儲層的評價[J].石油學報,2009,30(3)：372-377.

[6]郭戰峰,陳綿琨,付宜興,等.鄂西渝東地區震旦、寒武系天然氣成藏條件[J].西南石油大學學報：自然科學版,2008,30(4)：39-42.

[7]代宗仰,徐世琦,尹宏,等.樂山-龍女寺寒武和奧陶系儲層類型研究[J].西南石油大學學報,2007,29(4)：16-20.

[8]馬力,陳煥疆,甘克文,等.中國南方大地構造和海相油氣地質[M].北京：地質出版社,2004：305-310.

[9]江興福,楊雨,黃建章,等.川東北地區飛仙關期沉積相對儲層的控制作用[J].天然氣工業,2003,22(3)：140-143.

[10]王興志,穆曙光,方少仙,等.四川盆地西南部震旦系白云巖成巖過程中的孔隙演化[J].沉積學報,2000,18(4)：549-554.

[11]李愛國,易海永,劉超,等.川東北地區嘉陵江組嘉二段儲層特征研究[J].天然氣勘探與開發,2008,31(3)：1-5.

[12]EHRENBERG S N,EBERLI G P,KERAM ATI M,et al.Porosity-Permeability relationships in interlayered limestone-dolostone reservoirs[J].AAPG Bulletin,2006,(90)：91-114.

[13]SA LLER A H.Facies control on dolomitization and porosity in the Devonian Swan hills formation in the Rosevear area,Westcentral Alberta[J].Bulletin of Canada Petroleum Geology,2001,49(3)：458-471.

[14]翟永紅,郭成賢.中揚子臺地北緣燈影組碳酸鹽巖成巖作用序列及成巖模式[J].地質地球化學,1997,2(2)：45-52.

[15]范明,胡凱,蔣小瓊,等.酸性流體對碳酸鹽巖儲層的改造作用[J].地球化學,2009,38(1)：20-26.

[16]呂修祥,李建交,汪偉光.海相碳酸鹽巖儲層對斷裂活動的響應[J].地質科技情報,2009,28(3)：1-8.