川东南地区灯影组储层特征及其控制因素研究

施泽进 彭 俊 王 勇

(“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

川东南地区位于四川盆地川东高陡构造带和川南中低缓构造带,包括涪陵区块、綦江区块、赤水外围等区块(图1)[1]。该区油气地质条件优越,是四川盆地有利的天然气富集带。但迄今为止,该区域内的灯影组油气勘探进展甚少,其主要原因之一是区内地层时代古老,成岩作用和储层分布规律复杂[2,3]。因此,开展该区灯影组储层特征及储层控制因素研究,分析其沉积相、成岩作用和构造演化特征,有助于了解灯影组白云岩储层演化机理,认识储层分布规律,从而指导该区油气勘探。

1 灯影组地层特征

川东南地区震旦系灯影组主要为潮坪相沉积的藻白云岩、粒屑白云岩、微晶白云岩和粉-细晶白云岩等,其藻黏结结构、藻纹层结构和叠层石发育。区内灯影组可分为四段,即下贫藻层灯一段、中富藻层灯二段及上贫藻层灯三段和灯四段。震旦纪末发生的桐湾运动使区内灯影组上部地层广遭剥蚀,如遵义松林地区,下寒武统牛蹄塘组直接覆于灯二段部分地层之上,不整合面下喀斯特作用发育。

2 储层特征

2.1 储层物性特征

根据丁山1井、习水大岩剖面、遵义松林剖面和重庆石柱剖面的213块样品分析,白云岩基质孔隙度平均为1.83%。孔隙度主要分布在1%～2%之间(占62.4%),而孔隙度大于5%的样品仅占1%左右(图2)。渗透率也比较低,据194块样品统计,渗透率主要集中在(0.01～0.2)×10-3μ m2(占76.3%,图2),反映川东南地区灯影组储层是低孔低渗型储层。在基质孔隙度和渗透率都很低的情况下,灯影组储层只有配合溶蚀作用和构造作用形成的孔、洞、缝,才能成为有效的储层。

一般认为,孔隙型储层的渗透率往往随着孔隙度的增大而增大,且具有良好的相关性;而裂缝型储层往往不具有相关性[4～7]。对丁山1井部分岩心孔隙度与渗透率相关性分析发现(图3),大部分样品(B区)孔渗相关性不明显,其孔隙度增加而渗透率没有明显的变化,这可能是后期成岩作用产生了大量的溶蚀孔洞,但连通性不好,导致高孔隙低渗透。另一部分(A区)具有高孔隙高渗透的样品可能是在相对高能相带发育的具粒屑结构的白云岩,裂缝很好地沟通了其孔洞缝系统。孔渗间非线性的变化,表明储层发育裂缝,但具有一定的非均质性,属裂缝-孔洞型储层。

图1 四川盆地构造图Fig.1 The structural diagram of Sichuan Basin

图2 川东南地区灯影组储层孔隙度与渗透率频率分布图Fig.2 Distribution of porosity and permeability in the Dengying Formation reservoir,Southeast Sichuan

图3 丁山1井灯影组储层孔隙度与渗透率相关性分布图Fig.3 Porosity-permeability relationship in the Dengying Formation reservoir of Well Dingshan 1

2.2 储集空间及类型

川东南地区灯影组储层储集空间类型以次生溶蚀孔、洞、缝体系为主,原生孔隙大多被破坏。现将各类储集空间类型特征描述如下。

a.粒间孔及粒间溶孔：灯影组发育由藻团块和藻屑颗粒支撑形成的粒间孔,具藻黏结结构,但多已被白云石胶结物充填。在准同生期和成岩过程中,由于大气水淋滤和酸性流体的影响,颗粒间的胶结物或基质被溶蚀形成粒间溶孔(图4-A),是研究区主要孔隙类型之一。

b.晶间孔及晶间溶孔：晶间孔主要指白云石晶间的剩余孔隙。在成岩过程中酸性流体沿白云石晶间孔隙运移,从而使晶间孔具有溶蚀扩大现象,形成晶间溶孔(图4-B),亦是区内有效的储集空间类型之一。

c.粒内溶孔及铸模孔：主要发育在藻白云岩、砂屑白云岩中,为选择性溶蚀碎屑颗粒而形成的孔隙。当颗粒的外部轮廓保存较好时,则称为铸模孔(图4-C)。研究区内粒内溶孔较少,为次要的储集类型;而铸模孔较常见,为有效的储集空间类型之一。

d.裂缝：裂缝作为一种特殊的孔隙类型,同时起到了储集空间和渗滤通道两种作用。灯影组储层中裂缝较发育,大部分被白云石全充填或局部半充填(图4-D),是区内重要的储集空间类型之一。

2.3 储层孔隙结构

压汞分析结果(图5)表明,川东南地区灯影组白云岩基质孔喉结构差,喉道中值半径小,平均值只有0.022 μ m;喉道分选差,分选系数 2.03;歪度系数-0.79,属于细歪度;总体上排驱压力大(均值为7.6 MPa)：说明灯影组储层致密,连通性差,孔隙结构为细孔-微喉型。

3 储层发育的主要控制因素

川东南地区灯影组储层的孔隙发育主要受沉积相及成岩后生作用、表生作用的影响,喀斯特作用、后期构造裂缝的发育程度直接决定了储层储集性能的好坏。

3.1 沉积相及其对储层发育的影响

沉积相是储层形成的基础和先决条件,主导着岩性、岩相的分布。形成的岩石类型是后期成岩改造的物质基础,控制着有利储层在区域上的走向及展布[8,9]。

晚震旦世时期,川东南地区灯影组地层处于碳酸盐局限台地沉积环境中。根据重庆石柱实测剖面,灯影组沉积相主要为潮下亚相、潮间亚相、潮上亚相和潟湖相。

图4 川东南地区灯影组储层储集空间类型Fig.4 Reservoir space types of Dengying Formation in Southeast Sichuan

图5 川东南地区灯影组典型毛细管压力曲线Fig.5 Typical capillary pressure cure of Dengying Formation in Southeast Sichuan

从川东南地区不同沉积微相的孔隙度和渗透率分布图(图6,表1)中可以看出,潮上带白云岩最高孔隙度为5.59%,最低孔隙度为0.7%,平均孔隙度为2.01%;潮间带最高孔隙度为8.35%,最低孔隙度为0.59%,平均孔隙度为1.72%;潟湖相白云岩最高孔隙度为4.58%,最低孔隙度为1.06%,平均孔隙度为2.4%;潮下带晶粒白云岩最高孔隙度为3.52%,最低孔隙度为0.58%,平均孔隙度为1.91%;浅滩相颗粒白云岩最高孔隙度为1.77%,最低孔隙度为1.34%,平均孔隙度为1.74%。因此,川东南地区灯影组潟湖相地层孔隙发育较好,潮上及潮下次之,潮间及浅滩较差,反映灯影组储层物性在一定程度上受沉积相带的控制。

表1 川东南地区灯影组不同微相孔隙度(φ/%)Table 1 The porosity statistics of different sedimentary facies of Dengying Formation in Southeast Sichuan

3.2 成岩作用及其对储层发育的影响

碳酸盐岩储层的储集性能除了受沉积环境的控制外,还与储层所处的成岩演化阶段密切相关[10～13]。区内灯影组岩石中不管是砂屑白云岩、藻白云岩还是晶粒白云岩,其基质孔隙度均很低。因此,在灯影组白云岩储层的演化过程中,成岩作用对储层储集性能好坏起着决定性作用。对储层储集性能起破坏性的成岩作用主要有压实作用、胶结作用、硅化作用等;建设性成岩作用主要有白云石化作用、溶蚀作用和构造破裂作用等。

3.2.1 破坏性成岩作用

a.压实作用是指沉积物在上覆地层的负荷压力下,发生脱水,孔隙度降低、体积缩小、颗粒趋向紧密排列的作用。随着埋深进一步加大,压实作用进一步加强,使沉积物颗粒或晶体接触处物质溶解的作用为压溶作用。缝合线即是压溶作用的产物,呈锯齿状,内部多为泥质或有机质充填。压实作用是灯影组储层孔隙度和渗透率降低的主要原因。

图6 川东南地区灯影组不同微相孔隙度分布图Fig.6 The porosity distribution of different sedimentary facies of Dengying Formation in Southeast Sichuan

b.胶结作用是灯影组原生孔隙降低的主要成岩作用之一,它存在于整个成岩作用阶段,不仅充填原生孔隙,而且对后期溶蚀作用和构造破裂作用产生的次生空间进行破坏,堵塞次生孔隙。灯影组中,胶结物主要为微-亮晶白云石,在砂屑白云岩和藻白云岩中较发育,胶结作用以世代胶结为主(图7-A),第一世代胶结物通常呈纤状细小晶粒,垂直颗粒表面生长,且沿孔洞边缘呈近等厚单环带分布,属于准同生期海底潜流成岩环境的产物;第二世代胶结物在第一世代的基础上呈等轴粒状充填剩余孔洞,晶粒较第一世代大,属粉-细晶结构,是浅埋藏环境下的产物;第三世代是粗晶白云石胶结物,仅分布在较粗大原生孔隙的中部,属于中深埋藏环境下的产物。灯影组原生孔隙经过几期胶结作用的改造后几乎丧失殆尽,仅在局部可见少量粒间溶蚀孔洞。

c.硅化作用是区内普遍发育的交代成岩作用。根据硅化产物的不同,可分为两种(图7-B)：第一种为富藻屑层硅化带,其原岩多为藻白云岩,沿藻纹层及富藻层强烈硅化,成岩组构具有明显的选择性,可能与准同生期藻类腐烂造成的酸性环境有关[14];第二种是局部硅化作用,以硅质脉形式产出,硅质沿后期裂缝进行交代和充填,是后生期的产物。硅化作用对白云岩储层有极大的破坏性,一方面硅化作用使岩石结构更为致密,另一方面硅质的大量存在阻碍了后期溶蚀作用对储层的改造。对区内8块硅化白云岩样品进行物性分析,其孔隙度值在0.7%～1.6%之间,平均值为1.2%,远低于正常白云岩储层平均孔隙度。

3.2.2 建设性成岩作用

a.白云石化作用。川东南地区灯影组岩性基本由白云岩组成,未见方解石痕迹。结合薄片鉴定、地球化学等资料认为,研究区灯影组白云石化作用主要有准同生白云石化作用和渗透回流白云石化作用两种类型。准同生白云石化作用主要形成粉-微晶白云岩及藻白云岩,是川东南地区灯影组主要的白云石化作用。其碳、氧同位素值(表2中8～10号样品)相对溶蚀孔洞内白云石碳氧同位素值较高,δ13C(PDB)为3.45‰～3.78‰,平均值 为 3.70‰;δ18O(PDB)为 -5.95‰ ～-8.36‰,平均值为-7.5‰：反映其成岩环境为水体浅、能量低的潮间-潮上沉积环境。渗透回流白云石化模式主要是蒸发浓缩作用形成的高Mg/Ca比值的孔隙水向下渗流使沉积物白云石化,所形成的白云岩一般晶粒较粗,主要为粉-细晶白云岩和颗粒白云岩(图4-A),其碳氧同位素值(表2中9～15号样品)较准同生白云岩较高,δ13C(PDB)为3.28‰～6.68‰,平均值为4.88‰;δ18O(PDB)为 -4.90‰～ -6.98‰,平均值为-6.15‰：反映了渗透回流白云石化作用较准同生白云石化作用有更为局限的环境,更加缺乏外来补给。由渗透回流白云石化作用形成的颗粒白云岩及细晶白云岩一般晶粒较粗,经过后期的溶蚀改造后,其孔隙度和渗透率都大幅度提高,具有较好的储渗性能。

图7 川东南地区灯影组储层成岩作用类型Fig.7 Diagenesis photos of the Dengying Formation reservoir in Southeast Sichuan

表2 川东南地区灯影组白云岩碳氧同位素特征Table 2 C-O isotopes character of dolomite in Dengying Formation,Southeast Sichuan

b.溶蚀作用是改善碳酸盐岩储层的主要成岩作用之一。本区灯影组储层大致经历了三期溶蚀作用：准同生期大气淡水溶蚀作用、埋藏期溶蚀作用和表生成岩环境的喀斯特作用。

准同生期大气水溶蚀作用发生在准同生期大气水成岩环境中,对于易暴露的潮坪相和浅滩相沉积物,受到大气水的淋滤后不稳定组分产生选择性溶解,形成粒内孔、铸模孔(图 4-C)等。这类孔隙由于形成时间较早,历经后期多种成岩作用改造,大多已被充填,储集意义不大。

埋藏期溶蚀作用指发生在埋藏条件下,酸性地层流体对岩石的溶蚀作用。埋藏期溶蚀作用具有非组构选择性,形成的溶蚀孔洞和溶缝的规模不大,主要是对早期形成的孔、洞、缝进行改造扩溶。通过薄片观察,本区埋藏期溶蚀作用主要沿缝合线和晶间孔隙进行(图7-C),形成晶间溶孔、粒间溶孔、裂缝溶蚀孔和缝合线溶蚀孔等,成为油气运移通道和有效储集空间。

表生期喀斯特作用：震旦纪末的桐湾运动使川东南地区灯影组抬升遭剥蚀,灯四段大多被剥蚀掉。这种大范围的剥蚀作用必然使灯影组上部地层接受大气水作用的改造,发生古喀斯特作用。对区内灯影组上部地层裂缝、溶蚀孔洞内的7块白云石样品进行碳氧同位素分析发现(表2中1～ 7号样品),δ13C(PDB)为-0.01‰～ 2.46‰,平均值 为 1.28‰;δ18O(PDB)为 -9.56‰ ～-13.63‰,平均值为 -11.89‰;而围岩的δ13C(PDB)和 δ18O(PDB)平均值分别为 4.44‰和-6.66‰。因此,缝洞内白云石δ13C呈低正值而δ18O呈低负值说明受大气水影响较强。在不整合面以下一定深度范围内,大气水沿构造运动形成的大量断裂和裂缝系统运移,对先前部分充填或完全充填的孔洞、裂缝进行溶蚀或扩溶改造,从而形成大量的溶蚀孔、洞、缝及喀斯特角砾间洞[15](图7-D)。这些溶蚀孔洞经过后期的埋藏,遭受一系列成岩作用的改造,致使溶蚀孔洞多被充填;但未被充填的溶蚀孔洞仍是灯影组最为重要的储集空间。

c.构造破裂作用形成的裂缝是改善储层孔隙结构和物性特征的重要因素,裂缝对储层孔隙度的贡献较小,但对渗透率的改善显著[16]。大部分裂缝是在构造微裂缝的基础上溶蚀扩大而成,后又被白云石充填,具有双重成因。根据裂缝、充填物及相互切割关系,区内灯影组裂缝发育大多分为两期(图7-D)：第一期裂缝切割基质、颗粒,缝宽0.1～1 mm,缝壁多呈溶蚀港湾状,充填物为细粒白云石、泥质等;第二期裂缝切割基质、颗粒和第一期裂缝及其充填物,缝壁较平直,缝宽0.5～5 mm,充填物为细-中晶白云石。灯影组裂缝经过早期破裂-充填-溶蚀扩大-再充填等多期作用的改造后,大部分裂缝为充填-半充填状态,连通性较好,如果后期烃类流体注入后,可进一步溶蚀改造,极大地改善储层性能。

3.2.3 成岩过程中的孔隙形成与演化

结合上述不同成岩作用特征分析,可将川东南地区灯影组成岩作用、孔隙形成与演化过程分为以下几个阶段(图8)。

a.同生成岩期：碳酸盐岩沉积物在沉积之初,发育大量的粒间孔、藻黏结构架孔,孔隙度通常在50%以上。沉积之后,各种成岩作用如硅化、胶结、溶蚀等成岩作用相继开始。经过早期的柱状白云石胶结作用,通常可使原生孔隙度损失10%左右;而大气淡水的溶蚀作用则可使孔隙度增加5%～20%;破裂作用产生的破裂缝对岩石的孔隙度影响不大。

图8 川东南地区灯影组成岩作用类型及孔隙演化过程Fig.8 The diagenesis types and pore evolution in Dengying Formation,Southeast Sichuan

b.成岩早期 ：随着上覆沉积物的堆积,机械压实作用开始变得明显,下部沉积物开始进入浅埋藏阶段;同时,粒间孔隙和藻黏结孔隙开始第二次胶结作用,孔隙度开始急剧降低。在这一时期,尽管有重结晶作用产生了一部分有效孔隙,但在压实和胶结作用下,使这一阶段成为原生孔隙和次生孔隙损失的主要时期,岩石有效孔隙度骤降至10%以下。

c.成岩中期：这一时期,一方面重结晶作用持续进行,产生了少量的有效孔隙;另一方面压实作用继续加强,但由于此时岩石已经具有了一定的抗压实能力,压实损失的孔隙度有限。此外,由于有机质大量成熟,使得成岩环境变为强酸性,酸性流体沿裂缝或有效孔隙流动并大量溶蚀早期胶结充填物。酸性流体的溶蚀作用产生的孔隙约占8%;但因压实和胶结作用的存在,这一时期产生的次生孔隙与压实和胶结作用损失的孔隙度大致抵消,总的有效孔隙度没有明显的变化。

d.成岩晚期：沉积物埋藏深度超过4 km,有机质已经处于过成熟阶段。该时期有机质的生烃排烃能力降低,酸性流体减少,溶蚀能力降低,主要的成岩作用为第三期粗晶白云石胶结及少量的硅质充填,白云石胶结物和硅质充填物几乎占据所有剩余空间,使储层孔隙度降至4%左右。

e.构造期：川东南地区灯影组构造期成岩作用可分为抬升和埋藏两个阶段。第一次抬升期发生在震旦纪末,桐湾运动使灯影组上部地层长期暴露于大气淡水的溶蚀作用下,产生大量溶蚀孔洞。随着地壳的下沉,灯影组地层再次被埋藏。直到第三纪中晚期,在喜马拉雅运动的影响下,四川盆地开始抬升;同时在灯影组中形成较多高角度的裂缝,这些裂缝极大地改善了储层的渗透性,但对储层孔隙度的影响不大。构造期结束后,现今的灯影组储层格局形成,有效孔隙度为5%左右。

4 结论

a.川东南地区灯影组储集岩主要为藻白云岩、晶粒白云岩,储层基质孔隙度与渗透率都较低,为低孔低渗储层,储集空间主要为溶蚀作用及构造作用形成的孔、洞、缝,储集类型为裂缝-孔洞型储层。

b.川东南地区灯影组粉-微晶白云岩及藻白云岩以准同生白云石化作用为主,颗粒白云岩及细晶白云岩以渗透回流白云石化作用为主。

c.川东南地区灯影组储层发育受沉积相及成岩作用的双重影响。沉积相对储层的形成起宏观控制作用。成岩作用对灯影组储层的形成与改善起着决定作用,压实作用、胶结作用及硅化作用等破坏储层的储集性能;溶蚀作用,尤其是表生期喀斯特作用是储层形成的重要机制,构造破裂作用形成的裂缝则有效沟通各溶蚀孔隙,极大地改善了储层的储集性能。

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