南山坪古油藏燈影組白云巖儲層成巖作用研究

田少亭，張雄華

（中國地質大學（武漢）地球科學學院，湖北武漢 430074）

南山坪地理位置位于湖南省張家界市慈利縣內，構造位置位于揚子板塊中部，處于江南隆起帶西部雪峰－武陵山隆起的北部邊緣，以慈利－保靖斷裂為界，與八面山褶皺帶的桑植－石門復向斜相鄰，屬于剪刀寺－車家峪斷褶帶［1］。南山坪地區褶皺與斷裂構造發育，呈北東向展布，而在區內的主要構造為南山坪復式背斜，在該背斜的核部燈影組白云巖中發現大量的瀝青。研究認為，在地質歷史時期南山坪地區曾有過油氣聚集，后受構造運動的影響，油氣圈閉被打破，油氣散失，形成現今的南山坪古油藏［2］。南山坪古油藏是典型的南方海相隆起帶邊緣的后期被破壞的油氣藏，前人雖然對南山坪古油藏的形成演化及破壞已經做過較多工作，在南山坪古油藏的的熱演化歷史及烴源巖判定分析等方面取得了一系列的科研成果，但對南山坪古油藏的儲集層上震旦統燈影組白云巖的相關分析研究相對卻較少。

1 古油藏儲層瀝青特征

南山坪古油藏上震旦統燈影組白云巖儲層主要發育臺地邊緣淺灘－灘間沉積相［3］，巖性以白云巖為主，約占80%，而其中大部分為細粉晶白云巖及泥晶白云巖，其次為鮞粒白云巖。受古巖溶作用及構造作用明顯，其中受震旦紀末桐灣運動地殼抬升影響，與上覆地層表現為平行不整合。儲集空間主要為細粉晶白云巖、鮞粒白云巖及上部角礫白云巖的溶蝕孔，粒間孔和構造裂縫，屬于孔隙－裂縫型儲層，儲集性能良好。南山坪燈影組上段粉細晶白云巖的面孔率（不包括裂縫）一般為3%～6%，高者可達8%以上；裂縫密度一般為2%～5%，高者可達20%以上。孔隙型儲層在南山坪沉積區最厚為211 m［4］。

1.1 孔隙型原生油氣藏殘留瀝青特征

原生孔隙型油氣藏的構造圈閉為受加里東構造運動影響在斜坡帶形成的寬緩古背斜和燈影組頂古巖溶體所控制的地層構造復合圈閉［3］。據田海芹、金強（2001）通過微量元素及稀土元素進行的油源對比分析［5］，這類殘留于白云巖成巖早中期溶蝕孔中的瀝青所代表的原生孔隙型油氣藏來源于寒武系牛蹄塘組海相滯留型黑色碳質泥頁巖及石煤層。

通過對儲層瀝青的分布、類型及成因的研究分析，可以幫助我們進一步了解油氣藏的規模、演化歷史等［6］。原生孔隙型油氣藏殘留的的瀝青為儲層瀝青，主要分布在燈影組上部的古巖溶帶中，瀝青充填的有效面孔率達10%～20%，局部甚至達到25%～30%。瀝青充填的孔、洞、縫類型多樣，大小懸殊，分布不均勻，并且呈網絡狀相互連接，而通過野外及室內顯微鏡下觀察，瀝青主要以五種方式產出。①溶孔型：肉眼于野外觀察瀝青呈粉末狀、殘渣狀、結晶塊狀（部分具有亮煤光澤）充填于晶間溶孔（如圖1中A和B）、粒內溶孔等。瀝青鏡下呈粒狀、球狀及斑狀充填于暗色白云巖溶孔及亮晶白云石膠結物晶間晶內溶孔之中（如圖2中A和D），粒度變化范圍通常較大。該類型瀝青約占總數的60%；②孔隙型：野外可觀察到白云巖的部分鮞粒中充填有瀝青［7］，而在鏡下也可見瀝青充填于白云石晶間原生孔隙中，少量屬一期充填，大多數為二期充填［3］，約占總數的15%；③溶縫型：呈脈狀、網狀、不規則帶狀充填，主要見于白云巖溶蝕縫和巖溶垮塌形成的不規則縫中（如圖2中B和C），往往相互連接或與次生脈中產出的較大塊體碳瀝青相連接，與其它產出類型瀝青構成網絡狀，含量約為20%；④浸染型：野外可見部分白云巖鮞粒重充填有瀝青，鏡下可見呈微粒浸染狀充填于白云巖、泥質白云石顆粒間的微孔隙或包裹在泥質基質中，這類瀝青含量相對較少；⑤順層型：在燈影組上部發現瀝青順層分布，部分充填有方解石脈，瀝青層厚2～4cm，在顯微鏡下還可以觀察到沿層理縫方向連續分布的原生微縫瀝青。

圖1 野外瀝青照片

1.2 裂隙型次生混源油氣藏殘留瀝青特征

次生裂隙型混源油氣藏的構造圈閉為受印支、燕山構造運動控制影響的斷控半背斜構造圈閉［3］。而通過對裂縫性瀝青的飽和烴色譜分析，飽和烴中萜烷的含量組成與寒武系牛蹄塘組碳質泥巖接近［2］，而甾烷的分布及含量與下志留統龍馬溪組碳質頁巖接近，由此可以認為這類裂縫性瀝青所代表的油氣藏是來源于原生油氣藏殘留烴二次降解和寒武系牛蹄塘組碳質頁巖及志留系龍馬溪組碳質頁巖的混源油氣藏。

次生裂隙型混源油氣藏所殘留的瀝青主要以構造裂縫充填為主（如圖1中C和D），共兩組方向，132°和225°，少量孔隙型瀝青分布于碎裂巖和糜棱巖化的巖石中，大多以填滿式充填于寬裂縫中呈塊狀產出，還有一部分以薄膜狀賦存于裂縫壁上和充填在小裂縫及微裂縫中［8］。

圖2 鏡下瀝青照片

2 儲層演化

受沉積物的礦物成分、孔隙流體的化學成分和沉積物所受的埋藏－抬升運動等的影響，南山坪燈影組白云巖儲層在其發育及演化過程中經歷了一系列階段性的變化，根據沉積作用、埋藏深度、成巖作用、成巖環境及構造運動等特征（如圖3），將儲層演化劃分為六個階段，依次為：①沉積階段：成巖早期填積壓實作用；②第一次淺埋階段：膠結作用及白云石化→早期硅化及重結晶；③表生階段：構造抬升→表生巖溶作用；④第二次淺埋階段：壓實變形作用→重結晶作用和硅化作用；⑤深埋階段：深埋溶蝕作用→壓溶作用和充填作用；⑥構造運動階段：構造破裂。

2.1 沉積階段

沉積環境是控制碳酸鹽巖儲集層形成的基本因素，它控制了儲集巖的空間分布規模，沉積物的礦物組成、結構、構造以及原生孔隙特征等的發育，形成了儲集巖進一步演化的物質基礎［9－10］。南山坪古油藏燈影組白云巖儲集巖的的沉積條件為淺水高能環境的臺地邊緣淺灘－灘間相，水體淺、風和波浪作用強，易于顆粒的形成和灰泥基質的帶出，是形成分選、磨圓較好的灘體沉積的有利地帶。

在同生－準同生期，南山坪地區在沉積過程中為地貌上的隆起區，沉積水體較淺，在頻繁海平面升降或灘體加積作用的影響下，白云石化不徹底的白云巖及灰質白云巖處于大氣淡水和海水的混合帶，發生混合水白云石化作用，同時發生混合水溶解作用，形成小規模的溶蝕孔隙。由于強烈的蒸發作用，海水的鹽度升高從而使鈣質沉積物發生準同生白云石化作用，發育了細粉晶白云巖。由于藻類的腐爛造成了一定程度的酸性環境，因此形成的白云石又發生硅化作用，形成了硅質白云巖［10］；同時發生纖維狀白云巖發生膠結作用，充填在溶蝕孔隙的內環周邊。

2.2 第一次淺埋階段

成巖作用是控制儲層形成的關鍵因素。隨著沉積物的堆積，底部沉積物進入了第一次淺埋階段，成巖作用以壓實作用、充填作用和膠結作用為主，并伴有較弱的溶解作用和白云石化作用。壓實作用使原巖經歷一系列的物理和化學變化，其中包括脫水，孔隙度降低，沉積物的顆粒和沉積構造的變形及重組，而在一些孔隙發育的部位發生了一程度的細粉晶白云石膠結［9，11］。

圖3 南山坪儲層演化示意圖

2.3 表生階段

在表生階段，溶解作用占主導地位。震旦紀末期，由于桐灣運動抬升作用影響，燈影組白云巖儲層暴露于地表，處于表生成巖環境，受到風化剝蝕和淡水溶蝕作用，形成高低不平的古巖溶地貌，水向下淋濾溶解，形成巖溶孔洞及溶塌角礫巖，由于第一次淺埋階段白云巖發生的硅化作用對古巖溶作用的繼續向下滲透起到了一定阻礙作用，因此古巖溶作用主要發生在燈影組的頂部，在燈影組頂部形成了古巖溶風化殼［12］。除了溶解作用外，還發生一定的膠結作用和文石及高鎂方解石向低鎂方解石的礦物轉變作用［9］。

2.4 第二次淺埋階段

南山坪地區在寒武紀又開始接受沉積，燈影組儲層再次進入埋藏成巖環境。在第二次埋藏之初，主要以壓實壓溶作用和充填膠結作用為主。由于壓實作用的擠壓，大量孔隙被壓扁甚至消失。而壓溶作用使已經受過機械壓實作用的碳酸鹽巖的厚度再減小20%～35%［6］，而且還產生一系列的溶解結構，并為埋藏膠結作用提供大量CaCO3，這些沉淀出的CaCO3附著于碳酸鹽巖礦物顆粒表面或與這些顆粒構成同軸次生加大，膠結作用使碳酸鹽巖儲層的孔隙度進一步降低。

2.5 深埋階段

隨著埋深的增大，由于溫度升高而發生脫羧基作用從而形成有機酸，使得孔隙水變成富含二氧化碳的酸性溶液，這種具有侵蝕性的酸性溶液可對周圍碳酸鹽巖進行溶蝕［13］，孔洞縫中充填的粗晶粒狀、塊狀富鐵白云石及異形白云石被溶蝕成片狀、殘縷狀，形成白云石晶間晶內溶孔溶洞，甚至原來被膠結充填的孔隙被溶蝕復原。另外，在深埋環境中，由于Mg＋隨壓溶作用的進行而溶出，因此在壓溶縫附近也發生白云石化作用，鐵白云石和異形白云石膠結充填在壓溶縫和其它孔隙中［3］。

2.6 構造運動階段

構造運動對儲層的發育有重要的影響作用。南山坪地區燈影組白云巖普遍發育構造裂隙和微裂隙，裂隙不僅是十分重要儲集空間，而且裂隙具有溝通儲集空間、提高滲透率的作用，利于儲集層孔、滲條件的改善，形成裂隙孔滲系統［14－15］。南山坪地區的裂隙主要與斷層和褶皺有關。根據節理及斷層產狀統計，南山坪地區主要有兩組斷裂方向135°和225°，碎裂帶最寬可達5 m，帶內巖石多呈角礫狀，而且充填較多瀝青，次級斷裂發育，斷面清楚。而且在一些規模較小的北東向的背斜核部軸面劈理發育，破碎程度很高，在裂隙中也發與大量瀝青。最后，在中侏羅世末燕山運動主幕的強烈擠壓、褶皺作用下，南山坪地區抬升剝蝕，燈影組出露地表，油氣散失，油氣藏徹底破壞。

3 孔隙演化

南山坪古油藏儲層在沉積過程中的原生孔隙非常發育，包括粒間孔和粒內孔，面孔率一般在20%～40%，而且孔隙的連通性也較好，易于后期白云化流體和溶蝕流體的通過，為次生溶孔的形成奠定了基礎。在同生－準同生期由于接受大氣淡水、混合水的改造，由溶蝕作用形成小規模的溶洞和晶間溶孔等。同時也發生白云石化作用，白云石晶體增大和趨于自形，開始起到支撐骨架的作用，抵制了壓實作用，這樣隨著白云石化作用的加強，儲層孔隙性提高，而且白云石化作用使原巖中孔隙網絡得到調整，晶間孔之間相互連通，可以提高孔隙流體的滲透能力。而且白云巖的抗物理壓實性和化學穩定性都要強于石灰巖，因此在埋藏過程中能更好的起到支架作用，使白云巖孔隙一般將免遭進一步的埋藏壓實，孔隙度隨深度的損失也較小［16－17］。同時，由于白云石密度較大，因此在白云石化過程中由于沉積物體積減小也會產生一定的晶間孔。

在第一次淺部埋藏過程中，早期沉積物以發生充填作用和壓實壓溶作用為主，壓實作用使原巖經歷一系列的物理和化學變化，其中包括脫水，孔隙度降低，沉積物的顆粒和沉積構造的變形及重組。而壓溶作用使已經受過機械壓實作用的碳酸鹽巖的厚度再減小20%～35%，而且還產生一系列的溶解結構，伴隨膠結作用的進行，孔隙度也進一步降低。

在表生階段，由于受風化剝蝕淡水淋濾溶解作用，燈影組儲層頂部形成古巖溶風化殼，淡水向下淋濾滲透，形成巖溶漏斗和巖溶角礫巖等，巖溶作用形成大量溶蝕孔洞，儲層孔隙度顯著提高。巖溶作用對儲層儲集性能的影響也具有雙面性，因為在巖溶作用過程中同時發生沉積和充填作用，溶解在流體中的部分礦物部分會在已經形成的孔隙中沉積，從而充填一部分孔隙，而且巖溶儲集層各段之間水動力聯系較少，這些充填的孔隙往往會聚集在特定部位，由此會造成儲層已形成的孔洞呈帶狀發育，而且帶與帶之間連通性較差，這樣就會破壞儲層的連續性，從而影響儲層整體的滲透性［9］。

在第二次埋藏過程的初期，由于壓實壓溶作用和充填膠結作用，表生期形成的溶蝕孔洞遭到一定程度的破壞，孔隙度降低。但隨著埋深增加，深埋溶蝕作用又產生大量溶蝕孔洞，并將早期形成的孔隙進行擴大和溝通，改善了儲層的滲透性；同時與壓溶作用有關的白云石作用和膠結作用充填了部分壓溶縫和壓溶縫附近的孔隙，降低了儲層的孔隙性［18］。

4 結論

（1）南山坪古油藏具有兩期成藏的特點，而殘留的瀝青也可以分為兩大類，分別代表不同期次的原生孔隙型油氣藏和次生裂隙型油氣藏。原生孔隙型油氣藏殘留瀝青主要以五種方式賦存在燈影組儲層中，分別是溶孔型、孔隙型、溶縫型、侵染型和順層型；次生裂隙型油氣藏殘留瀝青主要賦存在構造裂縫和微裂縫中，還有一部分呈薄膜狀賦存在裂縫壁上。

（2）南山坪古油藏的燈影組白云巖儲層在漫長的地質時代中主要經歷了六個成巖階段：沉積階段、第一次淺埋階段、表生階段、第二次淺埋階段、深埋階段、構造運動階段。

（3）南山坪古油藏儲層的儲集性控制因素主要有沉積作用、成巖作用和構造作用，其中震旦紀末的表生巖溶作用對儲層孔隙的發育和改造起到至關重要的作用，而桐灣運動對整個華南地區震旦系燈影組優良儲層的形成也起到了一定的控制作用。

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