川中合川地區(qū)二疊系茅二段白云巖儲(chǔ)層特征與成因分析

孫 靜

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712）

長(zhǎng)期以來(lái)，四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組茅二段白云巖儲(chǔ)集層的的成因認(rèn)識(shí)有很多。最早張萌本認(rèn)為以混合水成因?yàn)橹鱗1]、王振宇等認(rèn)為早期白云石化具有埋藏成因[2]，近年來(lái)舒曉輝、汪華等發(fā)現(xiàn)大量以構(gòu)造熱液成因[3]熱水沉積成因[4]為主的白云石以及金振奎進(jìn)一步認(rèn)為玄武巖淋濾成因[5]等。筆者利用川中合川地區(qū)A4井巖芯樣品分析巖石結(jié)構(gòu)、同位素地球化學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)茅二段白云巖化作用較徹底的儲(chǔ)集層主要與后期熱液白云石化和淺埋藏白云石化雙重作用有關(guān)，其中熱液作用較為徹底地掩蓋了早期埋藏白云石化作用；白云石化不徹底的儲(chǔ)層具有早期淺埋藏白云石化作用留下泥晶白云巖及殘余泥晶灰?guī)r。合川地區(qū)茅二段白云巖儲(chǔ)層發(fā)育分布受沉積相和斷裂雙重控制，這一認(rèn)識(shí)希望對(duì)下部油氣勘探具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

合川地區(qū)位于川中古隆起東南部，整體為向東南方向下傾的單斜構(gòu)造（圖1a）。茅口組早期繼承了棲霞組晚期斜坡地形，海水由東南方向進(jìn)入發(fā)生較大規(guī)模海侵，合川地區(qū)整體為較深水的外緩坡沉積環(huán)境（圖1b）。在早二疊世末，受東吳運(yùn)動(dòng)影響，盆地內(nèi)部沿基底斷裂拉張形成開(kāi)江—梁平海槽及篷溪—武勝臺(tái)凹，盆地北部發(fā)育沿儀隴—營(yíng)山臺(tái)緣北西向展布的斜坡[6]。合川地區(qū)處于其以南近臺(tái)內(nèi)部位，平行斜坡展布方向廣泛發(fā)育生屑灘和顆粒灘，灘體在工區(qū)中部及東北部規(guī)模大，向西南部過(guò)渡為低能灘及灘間（圖1c）。根據(jù)巖石學(xué)特征，自下而上可分為四段:茅一段:灰黑色中層狀泥質(zhì)泥晶生屑灰?guī)r，可見(jiàn)“眼球狀”構(gòu)造，發(fā)育有腕足、介形蟲(chóng)、綠藻等，茅二段:深灰色細(xì)—粉晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r夾薄層細(xì)—中晶白云巖，有孔蟲(chóng)、蜓類、介形蟲(chóng)等生物繁盛[7]。茅三段:灰色泥晶生屑灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r，生物以有孔蟲(chóng)、紅藻為主。區(qū)內(nèi)茅三段遭受剝蝕與上覆龍?zhí)督M呈假整合接觸。區(qū)內(nèi)多口井鉆井揭示，茅二段厚度約90～110m,二段中上部薄層狀白云巖發(fā)育，累計(jì)厚度約15m,部分見(jiàn)裂縫、溶蝕孔洞和溶縫發(fā)育。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置和沉積相圖

2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)茅二段巖性以泥晶生屑灰?guī)r、豹斑白云巖和晶粒白云巖為主，白云巖細(xì)分為細(xì)晶自形白云巖、細(xì)—中晶自形—半自形白云巖和鞍狀白云巖3類。

（1）泥晶生屑灰?guī)r。茅二段整體為一個(gè)向上變淺的沉積旋回，研究區(qū)臺(tái)內(nèi)低能灘沉積厚層泥晶生屑灰?guī)r，顯微鏡下見(jiàn)生屑碎屑約占50%，可見(jiàn)棘皮，有孔蟲(chóng)等，生物碎屑保存較完整，偶被白云石交代（圖2a）。

圖2 研究區(qū)茅二段白云石顯微特征

（2）豹斑白云巖。深灰色云巖局部見(jiàn)斑狀灰色灰?guī)r，呈薄層狀發(fā)育在泥晶生屑灰?guī)r中。顯微鏡下白云巖晶形好，晶面平直，晶間孔不發(fā)育（圖2b），多被殘余灰泥充填，偶見(jiàn)生屑碎屑。

（3）晶粒白云巖。深灰色云巖，局部見(jiàn)溶蝕孔洞，孔洞內(nèi)壁可見(jiàn)乳白色砂糖狀鞍狀白云石顯微鏡下基質(zhì)白云巖以細(xì)—中晶為主，晶體大小100～300μm,晶形以自形—半自形為主，局部發(fā)育晶間孔（圖2c）、晶間溶孔及溶縫，縫壁及部分溶孔內(nèi)可見(jiàn)鞍狀白云石（圖2d）。溶蝕孔洞、溶縫周邊白云石晶體變大，呈半自形—他形鑲嵌狀，晶面非平直，這類細(xì)—中晶白云石受高溫流體影響明顯，偶見(jiàn)生屑碎屑幻影。

3 白云巖地球化學(xué)特征

3.1 陰極發(fā)光

茅二段細(xì)晶白云巖（圖3a）整體發(fā)暗紅色光，成巖環(huán)境相對(duì)封閉，含鐵量高，抑制了晶體發(fā)光性，主要形成于埋藏階段。中晶白云巖（圖3B）非平直晶面陰極射線下整體發(fā)紅色光，可見(jiàn)亮紅色環(huán)帶結(jié)構(gòu)，中—細(xì)白云巖后期受到了高溫流體的改造。粗—中晶鞍狀白云石充填在構(gòu)造縫及膨脹角礫之間，正交光下呈波狀消光（圖3C），整體發(fā)亮紅色光（圖3D），白云巖后期受到了改造。

圖3 研究區(qū)茅二段白云巖顯微特征及其陰極發(fā)光照片

3.2 碳、氧同位素

研究區(qū)在晚古生代處于有機(jī)碳的相對(duì)高速埋藏時(shí)期，二疊紀(jì)的δ13C具有連續(xù)的正偏移[8]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，合川地區(qū)茅二段細(xì)晶白云巖δ13C（3.62‰PDB～4.19‰PDB）（圖4）在同期海相方解石δ13C 的變化范圍內(nèi)（3.5‰PDB～5.9‰PDB）[11]，研究區(qū)白云巖δ13C 平均值為3.96‰PDB，說(shuō)明白云巖為交代成因，碳的主要來(lái)源是原始圍巖灰?guī)r。

圖4 研究區(qū)茅二段A4井樣品碳、氧同位素交會(huì)圖

白云巖中氧同位素組成受溫度、鹽度及白云巖化流體性質(zhì)影響顯著。利用白云巖中碳氧同位素特征有效判別成巖環(huán)境。本文分別測(cè)試了合川茅二段泥晶生屑灰?guī)r、細(xì)晶白云巖與中晶白云巖氧同位素(見(jiàn)表1)，與原始泥晶灰?guī)rδ18O（-5.72‰PDB～-6.65‰PDB）相比，細(xì)晶白云巖氧同位素值明顯偏負(fù)（δ18O 為-7.77‰PDB～-6.44‰PDB），表明白云巖成巖過(guò)程地層溫度上升，熱分餾作用使得δ18O減少。中晶白云巖氧同位素值更偏負(fù)（δ18O為-7.94‰PDB～-7.06‰PDB），其中鞍狀白云石氧同位素值更偏負(fù)（δ18O 為-7.46‰PDB～-6.71‰PDB），表明后期熱液流體首先對(duì)具有滲透性基質(zhì)白云巖或灰?guī)r進(jìn)行溶蝕和云化改造，然后發(fā)生在溶蝕孔洞縫內(nèi)鞍狀白云石沉淀充填。研究區(qū)北部GC2井茅口組熱液成因白云巖的δ18O 為高負(fù)值，為-9.00‰PDB～-6.50‰PDB[9]，與研究區(qū)中晶白云巖的δ18O值相當(dāng)。

表1 研究區(qū)茅二段灰?guī)r白云巖碳氧同位素、溫度、鹽度值

依據(jù)區(qū)域相似性及盡量減少泥晶生屑灰?guī)r樣品因?yàn)槟甏?yīng)而造成氧同位素值的偏差，筆者按照邵龍義對(duì)四川盆地西南地區(qū)晚二疊世灰?guī)r的氧同位素值的校正方法[10]，用Δδ18O=2.69‰PDB 來(lái)校正泥晶生屑灰?guī)r樣品的δ18O 測(cè)試結(jié)果為-3.41‰PDB。利用Schachleton（1975）等提出計(jì)算公式計(jì)算古海水溫度：8℃～52.42℃，平均值49.05℃。假設(shè)地表溫度為24.00℃，當(dāng)時(shí)地溫梯度為2.60℃/100m,推算合川地區(qū)茅二段白云巖形成時(shí)埋藏深度為831～1137m,平均為1001m。結(jié)果表明，古海水溫度為17.91℃，細(xì)晶白云石的形成溫度介于44.7℃屬于淺埋藏成巖環(huán)境（500～1000m）。白云巖化流體鹽度為26.814‰～28.308‰，平均為27.471‰，低于現(xiàn)在海水正常值35.000‰，表明該成巖流體主要為同時(shí)期海水。

式中：T——古海水溫度，℃；

δ18Oc——校正后泥晶生屑灰?guī)rδ18O；

δ18Os——古海水δ18O（-2.80‰，SMOW標(biāo)準(zhǔn)）。

利用細(xì)—中晶白云巖樣品δ13C 和δ18O 可計(jì)算白云巖成巖環(huán)境溫度TD和鹽度SD:

TD=13.85-4.54δ18O+0.04(δ18O)2；SD=δ18O+34.754‰。

3.3 鹽水包裹體

局部鞍狀白云石發(fā)育少量鹽水包裹體，對(duì)其進(jìn)行均一溫度測(cè)試，包裹體均一溫度主要分布在123.1℃～134.5℃。鄰區(qū)GC2井、GT2井粗晶鞍狀白云石鹽水包裹體均一溫度分別為105.8℃～159.6℃、113.9℃～146.0℃[9]。從數(shù)據(jù)上看研究區(qū)鞍狀白云石溫度較高，形成環(huán)境具有一定埋深，成巖環(huán)境和成巖流體與細(xì)晶白云巖有明顯區(qū)別，為后期改造白云巖。

4 白云巖成因及意義

4.1 白云巖化作用中鎂離子來(lái)源

綜合目前巖芯定量分析，認(rèn)為至少有2期成巖流體參與到茅二段白云巖化作用過(guò)程中。一期是淺埋藏期為富含MgCO3的生物殼屑的地層自身供富鎂流體[11]。白云巖化作用交代對(duì)象為生屑顆粒及泥晶基質(zhì)，具有明顯相控特征。生屑顆粒灘中生屑顆粒及方解石膠結(jié)物均被較徹底交代，可見(jiàn)殘余顆粒幻影，殘余粒間孔發(fā)育（圖2d）。灘間交代對(duì)象為泥晶基質(zhì)，可見(jiàn)“霧心亮邊”交代殘余結(jié)構(gòu)（圖3a）。另一期是后期在構(gòu)造作用的驅(qū)動(dòng)下熱液流體，發(fā)生熱液白云石化，對(duì)早期白云石改造有重結(jié)晶為中粗晶白云巖，及在縫洞邊緣生長(zhǎng)為鞍狀白云石（圖2c）。

4.2 白云巖成因及意義

研究區(qū)中二疊統(tǒng)茅口期沉積環(huán)境主要為臺(tái)緣向臺(tái)內(nèi)緩坡，有利沉積相帶為中緩坡高能粒屑灘，原生孔隙發(fā)育，為后期白云巖化作用提供了先天基礎(chǔ)。茅口組進(jìn)入淺埋藏期后，富鎂流體沿層間微裂縫侵入到滲透性好的顆粒灰?guī)r中發(fā)生白云巖化作用。穩(wěn)定分布的灘相顆粒灰?guī)r地層可形成似層狀相控白云巖[11]。后期熱液流體在構(gòu)造作用的驅(qū)動(dòng)下，沿?cái)嗔押土芽p系統(tǒng)及早期發(fā)育的縫洞上升進(jìn)入茅二段且發(fā)生橫向運(yùn)移，導(dǎo)致淺埋藏期白云巖及泥晶灰?guī)r發(fā)生熱液白云石化[12]，形成中—粗晶白云石及鞍狀白云石，因此提出了合川地區(qū)茅二段白云石化模式（圖5）。

圖5 合川地區(qū)茅二段白云石化發(fā)育模式圖

5 結(jié)論

（1）川中合川地區(qū)二疊系茅二段白云巖以自形—半自形細(xì)—中晶白云巖主，成巖溫度低，埋藏淺，形成時(shí)間較早；

（2）研究區(qū)白云石陰極發(fā)光下可分辨3 類白云石，自形—半自形細(xì)—中晶白云石、中晶白云石及少量鞍狀白云石。自形—半自形細(xì)晶白云巖陰極射線下發(fā)暗紅色光，具δ13C 低正值δ18O 高負(fù)值，與同期海相方解石相當(dāng)，表明其形成于淺埋藏環(huán)境。中晶白云巖陰極射線下發(fā)紅色光，且δ18O更偏負(fù)值，與同期海相方解石相比，受高溫流體作用影響明顯，鞍狀白云石陰極射線下發(fā)亮紅色光，鞍狀白云巖晶面彎曲，呈波狀消光。說(shuō)明合川地區(qū)茅二段沉積后主要經(jīng)歷2期白云石化流體作用。

（3）淺埋藏白云石化及熱液白云石化作用在川中合川地區(qū)茅二段白云巖儲(chǔ)層的主要成巖方式，其中淺埋藏白云石化為最重要的成巖方式之一，為大規(guī)模儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)。