南山坪古油藏灯影组白云岩储层成岩作用研究

田少亭，张雄华

（中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北武汉 430074）

南山坪地理位置位于湖南省张家界市慈利县内，构造位置位于扬子板块中部，处于江南隆起带西部雪峰－武陵山隆起的北部边缘，以慈利－保靖断裂为界，与八面山褶皱带的桑植－石门复向斜相邻，属于剪刀寺－车家峪断褶带［1］。南山坪地区褶皱与断裂构造发育，呈北东向展布，而在区内的主要构造为南山坪复式背斜，在该背斜的核部灯影组白云岩中发现大量的沥青。研究认为，在地质历史时期南山坪地区曾有过油气聚集，后受构造运动的影响，油气圈闭被打破，油气散失，形成现今的南山坪古油藏［2］。南山坪古油藏是典型的南方海相隆起带边缘的后期被破坏的油气藏，前人虽然对南山坪古油藏的形成演化及破坏已经做过较多工作，在南山坪古油藏的的热演化历史及烃源岩判定分析等方面取得了一系列的科研成果，但对南山坪古油藏的储集层上震旦统灯影组白云岩的相关分析研究相对却较少。

1 古油藏储层沥青特征

南山坪古油藏上震旦统灯影组白云岩储层主要发育台地边缘浅滩－滩间沉积相［3］，岩性以白云岩为主，约占80%，而其中大部分为细粉晶白云岩及泥晶白云岩，其次为鲕粒白云岩。受古岩溶作用及构造作用明显，其中受震旦纪末桐湾运动地壳抬升影响，与上覆地层表现为平行不整合。储集空间主要为细粉晶白云岩、鲕粒白云岩及上部角砾白云岩的溶蚀孔，粒间孔和构造裂缝，属于孔隙－裂缝型储层，储集性能良好。南山坪灯影组上段粉细晶白云岩的面孔率（不包括裂缝）一般为3%～6%，高者可达8%以上；裂缝密度一般为2%～5%，高者可达20%以上。孔隙型储层在南山坪沉积区最厚为211 m［4］。

1.1 孔隙型原生油气藏残留沥青特征

原生孔隙型油气藏的构造圈闭为受加里东构造运动影响在斜坡带形成的宽缓古背斜和灯影组顶古岩溶体所控制的地层构造复合圈闭［3］。据田海芹、金强（2001）通过微量元素及稀土元素进行的油源对比分析［5］，这类残留于白云岩成岩早中期溶蚀孔中的沥青所代表的原生孔隙型油气藏来源于寒武系牛蹄塘组海相滞留型黑色碳质泥页岩及石煤层。

通过对储层沥青的分布、类型及成因的研究分析，可以帮助我们进一步了解油气藏的规模、演化历史等［6］。原生孔隙型油气藏残留的的沥青为储层沥青，主要分布在灯影组上部的古岩溶带中，沥青充填的有效面孔率达10%～20%，局部甚至达到25%～30%。沥青充填的孔、洞、缝类型多样，大小悬殊，分布不均匀，并且呈网络状相互连接，而通过野外及室内显微镜下观察，沥青主要以五种方式产出。①溶孔型：肉眼于野外观察沥青呈粉末状、残渣状、结晶块状（部分具有亮煤光泽）充填于晶间溶孔（如图1中A和B）、粒内溶孔等。沥青镜下呈粒状、球状及斑状充填于暗色白云岩溶孔及亮晶白云石胶结物晶间晶内溶孔之中（如图2中A和D），粒度变化范围通常较大。该类型沥青约占总数的60%；②孔隙型：野外可观察到白云岩的部分鲕粒中充填有沥青［7］，而在镜下也可见沥青充填于白云石晶间原生孔隙中，少量属一期充填，大多数为二期充填［3］，约占总数的15%；③溶缝型：呈脉状、网状、不规则带状充填，主要见于白云岩溶蚀缝和岩溶垮塌形成的不规则缝中（如图2中B和C），往往相互连接或与次生脉中产出的较大块体碳沥青相连接，与其它产出类型沥青构成网络状，含量约为20%；④浸染型：野外可见部分白云岩鲕粒重充填有沥青，镜下可见呈微粒浸染状充填于白云岩、泥质白云石颗粒间的微孔隙或包裹在泥质基质中，这类沥青含量相对较少；⑤顺层型：在灯影组上部发现沥青顺层分布，部分充填有方解石脉，沥青层厚2～4cm，在显微镜下还可以观察到沿层理缝方向连续分布的原生微缝沥青。

图1 野外沥青照片

1.2 裂隙型次生混源油气藏残留沥青特征

次生裂隙型混源油气藏的构造圈闭为受印支、燕山构造运动控制影响的断控半背斜构造圈闭［3］。而通过对裂缝性沥青的饱和烃色谱分析，饱和烃中萜烷的含量组成与寒武系牛蹄塘组碳质泥岩接近［2］，而甾烷的分布及含量与下志留统龙马溪组碳质页岩接近，由此可以认为这类裂缝性沥青所代表的油气藏是来源于原生油气藏残留烃二次降解和寒武系牛蹄塘组碳质页岩及志留系龙马溪组碳质页岩的混源油气藏。

次生裂隙型混源油气藏所残留的沥青主要以构造裂缝充填为主（如图1中C和D），共两组方向，132°和225°，少量孔隙型沥青分布于碎裂岩和糜棱岩化的岩石中，大多以填满式充填于宽裂缝中呈块状产出，还有一部分以薄膜状赋存于裂缝壁上和充填在小裂缝及微裂缝中［8］。

图2 镜下沥青照片

2 储层演化

受沉积物的矿物成分、孔隙流体的化学成分和沉积物所受的埋藏－抬升运动等的影响，南山坪灯影组白云岩储层在其发育及演化过程中经历了一系列阶段性的变化，根据沉积作用、埋藏深度、成岩作用、成岩环境及构造运动等特征（如图3），将储层演化划分为六个阶段，依次为：①沉积阶段：成岩早期填积压实作用；②第一次浅埋阶段：胶结作用及白云石化→早期硅化及重结晶；③表生阶段：构造抬升→表生岩溶作用；④第二次浅埋阶段：压实变形作用→重结晶作用和硅化作用；⑤深埋阶段：深埋溶蚀作用→压溶作用和充填作用；⑥构造运动阶段：构造破裂。

2.1 沉积阶段

沉积环境是控制碳酸盐岩储集层形成的基本因素，它控制了储集岩的空间分布规模，沉积物的矿物组成、结构、构造以及原生孔隙特征等的发育，形成了储集岩进一步演化的物质基础［9－10］。南山坪古油藏灯影组白云岩储集岩的的沉积条件为浅水高能环境的台地边缘浅滩－滩间相，水体浅、风和波浪作用强，易于颗粒的形成和灰泥基质的带出，是形成分选、磨圆较好的滩体沉积的有利地带。

在同生－准同生期，南山坪地区在沉积过程中为地貌上的隆起区，沉积水体较浅，在频繁海平面升降或滩体加积作用的影响下，白云石化不彻底的白云岩及灰质白云岩处于大气淡水和海水的混合带，发生混合水白云石化作用，同时发生混合水溶解作用，形成小规模的溶蚀孔隙。由于强烈的蒸发作用，海水的盐度升高从而使钙质沉积物发生准同生白云石化作用，发育了细粉晶白云岩。由于藻类的腐烂造成了一定程度的酸性环境，因此形成的白云石又发生硅化作用，形成了硅质白云岩［10］；同时发生纤维状白云岩发生胶结作用，充填在溶蚀孔隙的内环周边。

2.2 第一次浅埋阶段

成岩作用是控制储层形成的关键因素。随着沉积物的堆积，底部沉积物进入了第一次浅埋阶段，成岩作用以压实作用、充填作用和胶结作用为主，并伴有较弱的溶解作用和白云石化作用。压实作用使原岩经历一系列的物理和化学变化，其中包括脱水，孔隙度降低，沉积物的颗粒和沉积构造的变形及重组，而在一些孔隙发育的部位发生了一程度的细粉晶白云石胶结［9，11］。

图3 南山坪储层演化示意图

2.3 表生阶段

在表生阶段，溶解作用占主导地位。震旦纪末期，由于桐湾运动抬升作用影响，灯影组白云岩储层暴露于地表，处于表生成岩环境，受到风化剥蚀和淡水溶蚀作用，形成高低不平的古岩溶地貌，水向下淋滤溶解，形成岩溶孔洞及溶塌角砾岩，由于第一次浅埋阶段白云岩发生的硅化作用对古岩溶作用的继续向下渗透起到了一定阻碍作用，因此古岩溶作用主要发生在灯影组的顶部，在灯影组顶部形成了古岩溶风化壳［12］。除了溶解作用外，还发生一定的胶结作用和文石及高镁方解石向低镁方解石的矿物转变作用［9］。

2.4 第二次浅埋阶段

南山坪地区在寒武纪又开始接受沉积，灯影组储层再次进入埋藏成岩环境。在第二次埋藏之初，主要以压实压溶作用和充填胶结作用为主。由于压实作用的挤压，大量孔隙被压扁甚至消失。而压溶作用使已经受过机械压实作用的碳酸盐岩的厚度再减小20%～35%［6］，而且还产生一系列的溶解结构，并为埋藏胶结作用提供大量CaCO3，这些沉淀出的CaCO3附着于碳酸盐岩矿物颗粒表面或与这些颗粒构成同轴次生加大，胶结作用使碳酸盐岩储层的孔隙度进一步降低。

2.5 深埋阶段

随着埋深的增大，由于温度升高而发生脱羧基作用从而形成有机酸，使得孔隙水变成富含二氧化碳的酸性溶液，这种具有侵蚀性的酸性溶液可对周围碳酸盐岩进行溶蚀［13］，孔洞缝中充填的粗晶粒状、块状富铁白云石及异形白云石被溶蚀成片状、残缕状，形成白云石晶间晶内溶孔溶洞，甚至原来被胶结充填的孔隙被溶蚀复原。另外，在深埋环境中，由于Mg＋随压溶作用的进行而溶出，因此在压溶缝附近也发生白云石化作用，铁白云石和异形白云石胶结充填在压溶缝和其它孔隙中［3］。

2.6 构造运动阶段

构造运动对储层的发育有重要的影响作用。南山坪地区灯影组白云岩普遍发育构造裂隙和微裂隙，裂隙不仅是十分重要储集空间，而且裂隙具有沟通储集空间、提高渗透率的作用，利于储集层孔、渗条件的改善，形成裂隙孔渗系统［14－15］。南山坪地区的裂隙主要与断层和褶皱有关。根据节理及断层产状统计，南山坪地区主要有两组断裂方向135°和225°，碎裂带最宽可达5 m，带内岩石多呈角砾状，而且充填较多沥青，次级断裂发育，断面清楚。而且在一些规模较小的北东向的背斜核部轴面劈理发育，破碎程度很高，在裂隙中也发与大量沥青。最后，在中侏罗世末燕山运动主幕的强烈挤压、褶皱作用下，南山坪地区抬升剥蚀，灯影组出露地表，油气散失，油气藏彻底破坏。

3 孔隙演化

南山坪古油藏储层在沉积过程中的原生孔隙非常发育，包括粒间孔和粒内孔，面孔率一般在20%～40%，而且孔隙的连通性也较好，易于后期白云化流体和溶蚀流体的通过，为次生溶孔的形成奠定了基础。在同生－准同生期由于接受大气淡水、混合水的改造，由溶蚀作用形成小规模的溶洞和晶间溶孔等。同时也发生白云石化作用，白云石晶体增大和趋于自形，开始起到支撑骨架的作用，抵制了压实作用，这样随着白云石化作用的加强，储层孔隙性提高，而且白云石化作用使原岩中孔隙网络得到调整，晶间孔之间相互连通，可以提高孔隙流体的渗透能力。而且白云岩的抗物理压实性和化学稳定性都要强于石灰岩，因此在埋藏过程中能更好的起到支架作用，使白云岩孔隙一般将免遭进一步的埋藏压实，孔隙度随深度的损失也较小［16－17］。同时，由于白云石密度较大，因此在白云石化过程中由于沉积物体积减小也会产生一定的晶间孔。

在第一次浅部埋藏过程中，早期沉积物以发生充填作用和压实压溶作用为主，压实作用使原岩经历一系列的物理和化学变化，其中包括脱水，孔隙度降低，沉积物的颗粒和沉积构造的变形及重组。而压溶作用使已经受过机械压实作用的碳酸盐岩的厚度再减小20%～35%，而且还产生一系列的溶解结构，伴随胶结作用的进行，孔隙度也进一步降低。

在表生阶段，由于受风化剥蚀淡水淋滤溶解作用，灯影组储层顶部形成古岩溶风化壳，淡水向下淋滤渗透，形成岩溶漏斗和岩溶角砾岩等，岩溶作用形成大量溶蚀孔洞，储层孔隙度显著提高。岩溶作用对储层储集性能的影响也具有双面性，因为在岩溶作用过程中同时发生沉积和充填作用，溶解在流体中的部分矿物部分会在已经形成的孔隙中沉积，从而充填一部分孔隙，而且岩溶储集层各段之间水动力联系较少，这些充填的孔隙往往会聚集在特定部位，由此会造成储层已形成的孔洞呈带状发育，而且带与带之间连通性较差，这样就会破坏储层的连续性，从而影响储层整体的渗透性［9］。

在第二次埋藏过程的初期，由于压实压溶作用和充填胶结作用，表生期形成的溶蚀孔洞遭到一定程度的破坏，孔隙度降低。但随着埋深增加，深埋溶蚀作用又产生大量溶蚀孔洞，并将早期形成的孔隙进行扩大和沟通，改善了储层的渗透性；同时与压溶作用有关的白云石作用和胶结作用充填了部分压溶缝和压溶缝附近的孔隙，降低了储层的孔隙性［18］。

4 结论

（1）南山坪古油藏具有两期成藏的特点，而残留的沥青也可以分为两大类，分别代表不同期次的原生孔隙型油气藏和次生裂隙型油气藏。原生孔隙型油气藏残留沥青主要以五种方式赋存在灯影组储层中，分别是溶孔型、孔隙型、溶缝型、侵染型和顺层型；次生裂隙型油气藏残留沥青主要赋存在构造裂缝和微裂缝中，还有一部分呈薄膜状赋存在裂缝壁上。

（2）南山坪古油藏的灯影组白云岩储层在漫长的地质时代中主要经历了六个成岩阶段：沉积阶段、第一次浅埋阶段、表生阶段、第二次浅埋阶段、深埋阶段、构造运动阶段。

（3）南山坪古油藏储层的储集性控制因素主要有沉积作用、成岩作用和构造作用，其中震旦纪末的表生岩溶作用对储层孔隙的发育和改造起到至关重要的作用，而桐湾运动对整个华南地区震旦系灯影组优良储层的形成也起到了一定的控制作用。

［1］戴俊生，马占荣，翼国盛，等.扬子板块中部南山坪背斜的形成与演化［J］.中国地质，2003，30（4）：367－371.

［2］赵宗举，冯加良，陈学时，等.湖南慈利灯影组古油藏的发现及意义［J］.石油与天然气地质，2001，22（2）：114－119.

［3］马力，陈焕疆，甘克文，等.中国南方大地构造和海相油气地质［M］.北京：地质出版社，2004：305－327，507－513.

［4］周锋.江南隆起北缘油气成藏带解剖及成藏规律探讨［D］.武汉：中国地质大学，2006：39－49.

［5］金强，田海芹，戴俊生.微量元素组成在固体沥青－源岩对比中的应用［J］.石油实验地质，2001，23（3）：285－290.

［6］张景廉，朱炳泉，徐湘材，等.关于沥青成因的讨论［J］.海相油气地质，1997，2（4）：53－57.

［7］刘运黎，沈忠民，丁道桂，等.江南－雪峰山推覆体前缘沥青古油藏及油源对比［J］.成都理工大学学报，2008，35（1）：34－37

［8］凡元芳，丰勇.南山坪古油藏的形成及破坏因素分析［J］.矿产与地质，2005，19（3）：296－298.

［9］马永生，梅冥相，陈小兵.碳酸盐岩储层沉积学［M］.北京：地质出版社，1999：25－69.

［10］刘新民，郭战峰，付宜兴，等.神农架地区灯影组储层成岩作用研究［J］.资源环境与工程，2007，21（3）：240－244.

［11］朱莲芳.中国天然气碳酸盐岩储层形成的成岩模式［J］.沉积学报，1995，13（2）：140－149.

［12］陈洪德，黄福喜，徐胜林，等.中上扬子地区碳酸盐岩储层发育分布规律及主控因素［J］.矿物岩石，2009，29（4）：7－15.

［13］明毅，朱忠德，郭成贤.中扬子地区海相碳酸盐岩储层类型和特征［J］.石油勘探与开发，1994，21（1）：106－115.

［14］康玉柱.中国古生代碳酸盐岩古岩溶储集特征与油气分布［J］.天然气工业，2008，28（6）：1－12.

［15］朱如凯，郭宏莉，高志勇，等.中国海相储层分布特征与形成主控因素［J］.科学通报，2007，52（增刊）：40－45.

［16］牛晓燕，李建明.中扬子西部地区灯影组白云岩储层控制因素分析［J］.石油地质与工程，2009，23（5）：33－35.

［17］王兴志，穆曙光，方少仙，等.四川盆地西南部震旦系白云岩成岩过程中的孔隙演化［J］.沉积学报，2000，18（4）：549－554.

［18］罗平，张静，刘伟，等.中国海相碳酸盐岩油气储层基本特征［J］.地学前缘，2008，15（1）：36－50.