四川盆地北部元壩地區(qū)雷四上亞段埋藏成巖作用分析

達(dá)麗亞 傅 恒, 李秀華 朱建敏 阮何文

(1．成都理工大學(xué)能源學(xué)院 2．“油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)3. 中海油天津分公司渤海研究院 4.中國(guó)石油青海油田公司采油二廠)

0 引言

埋藏成巖作用，指沉積物被埋藏到一定深度所發(fā)生的物質(zhì)再組成作用和一系列具成因聯(lián)系的無機(jī)-有機(jī)成巖反應(yīng)的總和(longman，1983)[1]。Mazzullo等(1992)對(duì)全球典型含油氣盆地中深埋藏碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，認(rèn)為碳酸鹽巖儲(chǔ)層深埋次生孔隙主要形成于成巖中-晚期階段，深度范圍為200m～9000m,并強(qiáng)調(diào)有機(jī)質(zhì)成熟和烴類熱降解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸及有關(guān)氣體在碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育中的意義[2]。近年來我國(guó)相繼在鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、陜甘寧盆地發(fā)現(xiàn)風(fēng)化殼儲(chǔ)層，許多學(xué)者往往將風(fēng)化殼儲(chǔ)層的形成全部歸因于表生成巖作用，忽視了埋藏成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)意義。筆者認(rèn)為，表生成巖作用對(duì)古風(fēng)化殼儲(chǔ)層的形成固然起著決定的作用，但各種埋藏成巖作用(尤其是埋藏溶蝕作用)對(duì)儲(chǔ)集空間的發(fā)育和保存也起著至關(guān)重要的作用。

四川盆地北部雷四上亞段古風(fēng)化殼儲(chǔ)層經(jīng)歷了較長(zhǎng)的古巖溶時(shí)期，形成了大量的巖溶孔洞縫，充填作用亦較強(qiáng)，致使眾多機(jī)械充填物及化學(xué)充填物堵塞儲(chǔ)集空間，古巖溶期后的埋藏溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層具有建設(shè)性影響。本文對(duì)四川盆地北部雷四上亞段古風(fēng)化殼儲(chǔ)層主要埋藏成巖作用的類型、特征、成因及對(duì)儲(chǔ)層的影響進(jìn)行了研究和探討。雷口坡組四段上亞段為風(fēng)化殼段，原始沉積的巖性以一套微晶白云巖和砂屑白云巖為主，夾薄層的微晶灰?guī)r和砂屑微晶灰?guī)r，與上覆須家河組一段底部黑色細(xì)粒石英砂巖、細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、黑色泥巖和黑色條帶泥質(zhì)石英砂巖不整合接觸(圖1)。

1 埋藏成巖作用

本區(qū)雷四上亞段風(fēng)化殼儲(chǔ)層經(jīng)歷的埋藏成巖作用主要類型包括：物理/化學(xué)壓實(shí)作用、破裂作用、膠結(jié)作用、埋藏溶蝕作用、新生礦物形成作用等。

1.1 壓實(shí)、壓溶作用

風(fēng)化殼經(jīng)歷了古巖溶作用后重新進(jìn)入埋藏階段，在上覆沉積物(巖)重壓力作用下，充填在風(fēng)化殼洞穴內(nèi)的松散沉積物發(fā)生壓實(shí)變形作用。如須家河組沉積時(shí)期充填在風(fēng)化殼孔洞縫內(nèi)的黑色砂泥質(zhì)巖在埋藏成巖過程中顆粒定向排列明顯，泥質(zhì)等軟組份因強(qiáng)壓實(shí)而變形呈紋層狀(圖2A)；巖芯上表現(xiàn)為深灰色巖溶角礫間的須家河組黑色砂泥質(zhì)充填物受擠壓變形形成紋層構(gòu)造(圖2B)。

1.2 破裂作用

裂縫在本區(qū)雷口坡組廣泛發(fā)育，以微裂縫為主，且多被白云石充填(圖3A)。陰極發(fā)光下，兩組共軛剪切縫發(fā)光性一致，均發(fā)紅色光(圖3 B)，表明白云巖內(nèi)兩組垂直脈體為同一時(shí)期形成。另外沿晚期高角度縫的再次溶蝕導(dǎo)致有效儲(chǔ)集空間的擴(kuò)大。

圖1 元壩A井雷口坡組四段上亞段巖性柱狀圖

圖2 壓實(shí)作用

1.3 膠結(jié)作用

顯微薄片觀察識(shí)別出本區(qū)內(nèi)裂縫充填的次生礦物有鐵方解石、鐵白云石、螢石、重晶石、石英、天青石、以及黃鐵礦等，其中熱液礦物有螢石、重晶石、石英、天青石及異型白云石(鐵白云石)。次生熱液礦物共生組合形式多樣、分布廣泛。各次生熱液礦物形成大量脈體，或成分單一或組合形式多樣，其中復(fù)合成分脈體在本區(qū)8口單井內(nèi)均有不同程度的出現(xiàn)，說明本區(qū)經(jīng)歷的熱液水介質(zhì)類型豐富、影響范圍廣。根據(jù)不同熱液礦物組合在薄片下的晶形、大小，再結(jié)合元素kσ面分布可粗略劃分礦物膠結(jié)期次：第一期堿性熱液-第二期富含F(xiàn)-、Si4+、Sr2+等離子的酸性熱液。如：①異形白云石(鐵白云石)-石英脈(圖4A)：脈兩側(cè)由異形白云石(鐵白云石)貼壁生長(zhǎng)，脈中由它形、半自形、自形晶石英充填膠結(jié)。反映出先是由Mg2+、Ca2+、CO32-離子過飽和形成鐵白云石晶體，其次被富含SiO2的酸性熱液流體運(yùn)移充填剩余晶間孔并對(duì)早先形成的鐵白云石再度溶蝕。②鐵方解石-螢石-石英脈(圖4B)：鐵方解石緊貼圍巖壁生長(zhǎng)，為早期堿性熱液流體的產(chǎn)物。待鐵方解石沉淀之后又一期富含F(xiàn)-、Ca2+、Si4+等離子的熱液進(jìn)入脈體內(nèi)沉淀出螢石及石英。根據(jù)F離子的地球化學(xué)性質(zhì)，其在熱液中的濃度與溫度和含鹽度成正相關(guān)關(guān)系。F離子的存在有利于SiF4的形成，增加硅的溶解度。在高溫并且CO2分壓較高的條件下，富SiF4流體噴流而出，形成SiO2和CaF2沉積物。因此螢石常與石英相伴生[4，5]。

1.4 埋藏溶蝕作用

從裂縫內(nèi)膠結(jié)的次生熱液礦物及次生熱液礦物的再溶蝕現(xiàn)象分析，最終確定埋藏階段發(fā)生水-巖反應(yīng)的水介質(zhì)類型為熱液；從溶蝕介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)可分為酸性熱液和堿性熱液兩大類：其中酸性熱液溶蝕的主要對(duì)象為碳酸鹽膠結(jié)物(鐵方解石、鐵白云石等)，堿性熱液溶蝕的對(duì)象為石英顆粒[6]。本區(qū)內(nèi)識(shí)別出的溶蝕期次為4期，溶蝕先后順序依次為：第一期酸性熱液溶蝕；第二期堿性熱水；第三期酸性熱水；第四期堿性熱水。

圖3 破裂作用顯微及陰極發(fā)光照

圖4 膠結(jié)作用(元素kσ面分布)

A：鐵白云石-石英脈：A點(diǎn)富含O、Si元素，礦物類型為石英；B點(diǎn)(白色線區(qū)域)無任何元素分布，為孔隙；C點(diǎn)富含O、Mg、Ca及Fe元素，礦物類型為鐵白云石。

B：鐵方解石-螢石-石英脈：A點(diǎn)富含Ca、O元素，礦物類型為方解石；B點(diǎn)富含Ca、F元素，礦物類型為螢石；C點(diǎn)富含O、Si及少量F元素，礦物類型為石英。

依據(jù)為：①裂縫被次生熱液礦物膠結(jié)形成的脈體分布層段均為厚層溶蝕段，不與巖溶角礫巖相伴生，故用“古巖溶”解釋不合理，即為酸性熱液流體早先對(duì)泥晶白云巖或砂屑微晶白云巖溶蝕形成溶蝕縫；②熱液礦物共生組合形成熱液脈是由酸性與堿性兩期熱液共同作用的結(jié)果，不排除第二期酸性膠結(jié)物流體對(duì)第一期膠結(jié)物的再溶蝕；③巖芯塊上廣泛發(fā)育的石英晶洞內(nèi)生長(zhǎng)長(zhǎng)約1mm～3mm、寬約0.1mm～0.5mm自形程度較高的石英晶體附著體在超顯微鏡下可見石英晶面上呈溶蝕麻點(diǎn)，表明繼酸性熱液沉淀石英之后還有一期堿性熱液對(duì)其進(jìn)行溶蝕(圖5A)；④中-巨晶方解石脈穿切早期形成的異型白云石脈，這一期脈體成分單一(僅有含鐵方解石)，晶形粗大(圖5B)。同樣也證實(shí)了富含SiO2的酸性熱水活動(dòng)之后有一期富含F(xiàn)e、Ca離子的堿性熱水活動(dòng)，推測(cè)為最后一期熱液流體。

1.5 自生礦物形成

天青石集合體是本區(qū)埋藏環(huán)境下形成的主要熱水沉積物。儲(chǔ)層經(jīng)歷了風(fēng)化期后重新進(jìn)入埋藏環(huán)境，富含SO42-的熱液遇Sr2+元素結(jié)晶形成天青石集合體并呈扇狀附著在須家河組黑色砂泥質(zhì)洞穴(圖6AB)。前人分析成果指出，天青石是陸相低溫硫酸鹽型鹵水在埋藏環(huán)境下沉積形成[7]。

圖5 埋藏溶蝕顯微照片

圖6 自生礦物掃描電鏡照片

2 埋藏成巖作用及埋藏次生孔隙類型

本區(qū)雷四上亞段各井物性分析顯示：①A井、B井、C井各井孔隙度值(圖7A)均較低。C井孔隙度<=2的樣品數(shù)占總數(shù)的70%，而B井和A井孔隙度<=2的樣品分別占總樣品數(shù)的80%和90%；②A井、B井、C井各井滲透率(圖7B)均較低。元壩C井滲透率<1mD的樣品占總樣品的53%，而B井和A井的滲透率<1mD的樣品分別占總樣品數(shù)的89%和100%。總之，孔隙度滲透率分析表明，元壩地區(qū)雷四上亞段碳酸鹽巖基質(zhì)為低孔、低滲致密型。

另外，巖芯鑄體薄片統(tǒng)計(jì)的面孔率值也較低，以2%～3%為主，少部分井段可達(dá)6%，表明元壩地區(qū)雷四上亞段風(fēng)化殼儲(chǔ)層在經(jīng)歷風(fēng)化期時(shí)形成許多大小不等的溶蝕孔、洞、縫，但這些孔、洞、縫多被后期沉積物充填。風(fēng)化期后再疊加以壓實(shí)、壓溶等成巖作用，使古風(fēng)化期形成的有效孔、洞、縫喪失殆盡。儲(chǔ)層物性分析數(shù)據(jù)同樣證實(shí)了這一觀點(diǎn)，從全直徑孔隙率和滲透率數(shù)據(jù)上表明，即使在微裂縫發(fā)育層段孔隙度和滲透率增長(zhǎng)幅度不大。因此，形成現(xiàn)今雷口坡組上亞段風(fēng)化殼儲(chǔ)層有效儲(chǔ)集空間的主導(dǎo)因素為風(fēng)化期后的埋藏溶蝕作用，埋藏次生孔隙類型是風(fēng)化殼儲(chǔ)層的有效儲(chǔ)集類型(圖版1)。

根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)特征以及孔隙充填物類型，筆者將風(fēng)化殼儲(chǔ)層埋藏次生孔隙類型劃分為3大類、6亞類，詳見表1。

圖7 雷四上亞段各井物性分析

圖版1 雷口坡組上亞段深埋藏次生孔隙類型圖版

1 A井深：4660.13m 泥晶白云巖中巨晶方解石脈，脈內(nèi)晶間孔(A)晶間溶孔發(fā)育(B) 對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(-)

2 A井深：4660.13m 泥晶白云巖中巨晶方解石脈，脈內(nèi)晶間孔(A)對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

3 B井深：4661.29m 砂屑微晶云巖中白云石脈內(nèi)晶間溶孔(白色箭頭指示)對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

4 A井深：4658.44m 微晶云巖中網(wǎng)狀破裂縫 碎基被不同程度溶蝕及交代(白色箭頭指示) 對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(-)

5 C井深度：4658.44m 微晶云巖中的網(wǎng)狀破裂縫(白色箭頭指示) 對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

6 B井深度：4658.44m 微晶云巖中的網(wǎng)狀破裂縫(白色箭頭指示) 對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

7 C井深度：4663.0m 熱水溶洞 洞內(nèi)充填黑色稠狀物(白色箭頭指示) 對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

8 D井深度：4664.17m 熱水溶洞 洞內(nèi)充填黑色稠狀物(白色箭頭指示) 對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-)

9 A井深度：4863.4m石英(白色箭頭指示)晶洞(超高倍顯微鏡)

從表中可看出，本區(qū)埋藏次生孔隙類型極其發(fā)育，且以非成巖組構(gòu)型為主：①雷四上亞段的泥晶白云巖中廣泛發(fā)育脈內(nèi)晶間孔、脈內(nèi)晶間溶孔，占次生孔隙總量40%～60%。此外，B井遭受表生巖溶作用強(qiáng)烈，角礫化程度較高，碎基碎斑發(fā)育，碎基內(nèi)溶孔亦往往同時(shí)發(fā)育，占深埋藏次生孔隙總量的5%～15%；②溶洞型儲(chǔ)集空間為深埋藏環(huán)境下經(jīng)熱液改造形成的溶洞，即石英晶洞和熱液溶蝕洞。溶洞占深埋藏次生孔隙總量的2%；③埋藏環(huán)境下溶蝕縫內(nèi)充填鐵方解石、鐵白云石及石英等晶體，后經(jīng)熱液溶蝕，可使溶縫進(jìn)一步擴(kuò)大。占次生孔隙總量15%～20%。

表1 埋藏次生孔隙類型

3 結(jié)論

(1)本區(qū)雷四上亞段埋藏成巖作用類型主要為壓實(shí)壓溶作用、破裂作用、膠結(jié)作用、埋藏溶蝕作用、自生礦物的形成等。

(2)裂縫內(nèi)充填的次生熱液礦物有鐵方解石、鐵白云石、螢石、重晶石、石英、天青石、以及黃鐵礦等，礦物膠結(jié)期次為第一期堿性熱液形成碳酸鹽巖礦物(鐵白云石、鐵方解石)—第二期富含F(xiàn)-、Si4+、Sr-等離子的酸性熱液。

(3)本區(qū)埋藏溶蝕水介質(zhì)類型主要為熱液，分為酸性熱液溶蝕和堿性熱液溶蝕兩大類，溶蝕先后順序依次為：第一期酸性熱液溶蝕—第二期堿性熱水—第三期酸性熱水—第四期堿性熱水。

(4)表生成巖作用對(duì)古風(fēng)化殼儲(chǔ)層的形成固然起著決定的作用，但各種埋藏成巖作用(尤其是埋藏溶蝕作用)對(duì)儲(chǔ)集空間的發(fā)育和保存也是不可忽視的。埋藏次生孔隙類型是雷四上亞段風(fēng)化殼儲(chǔ)層的有效儲(chǔ)集類型。其中脈內(nèi)晶間孔、脈內(nèi)晶間溶孔以及溶蝕縫占埋藏次生孔隙的主導(dǎo)地位。

1 覃建雄.鄂爾多斯盆地地下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖埋藏成巖事件研究[J].中國(guó)海上油氣(地質(zhì)).1994,8(l):45-54.

2 覃建雄，徐國(guó)盛，吳勇，等.鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖儲(chǔ)層深埋次生孔隙研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),1995:9-14.

3 范志偉.元壩地區(qū)雷口坡組風(fēng)化殼儲(chǔ)層的形成演化[J].天然氣技術(shù),2010:8-10.

4 趙澄林，朱筱敏.沉積巖石學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001:173-182,197-204.

5 王京,趙彥超,劉琨,等.鄂爾多斯盆地塔巴廟地區(qū)上古生界砂巖儲(chǔ)層“酸性+堿性”疊加溶蝕作用與儲(chǔ)層質(zhì)量主控因素[J].地球科學(xué):中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006,31(2): 221-228.

6 張建光,姚光慶,魏忠元,等. 伊通地塹鹿鄉(xiāng)斷陷致密儲(chǔ)層埋藏成巖作用與孔隙演化[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2009,28(2):81-86.

7 郭建華.塔北、塔中地區(qū)下古生界深埋藏古巖溶[J].中國(guó)巖溶，1996,15(3):207-216.