川中磨溪气田嘉陵江组“土黄色”粉晶云岩成因及其储集层形成机制

唐浩，谭秀成, ，刘宏，周彦，李凌，丁熊，唐青松，邹娟

（1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室；2. 西南石油大学地球科学与技术学院；3. 中国石油西南油气田公司川中油气矿；4. 中国石油西南油气田公司川西北气矿）

0 引言

四川盆地下三叠统嘉陵江组大型气藏发育一类独特的“土黄色”粉晶云岩储集层，近年来连续取得勘探发现，其白云岩成因和储集层形成机制引起了众多学者的关注。白云岩成因一直是地学界的研究难点与热点，前人提出了微生物[1]、萨布哈[2]、卤水渗透回流[3]、混合水[4]、压实驱动[5]、构造挤压[6]、地形补给[7]、热对流[8]、热液[9]等白云石化模式，以解释不同古水文、成岩、构造背景下的白云岩成因。目前，查明白云石化作用古水文背景[10]和利用地球化学方法示踪白云石化流体[11]是研究白云岩成因的主要手段。关于四川盆地下三叠统嘉陵江组“土黄色”粉晶云岩成因，李爱国等[12]通过对川东北嘉陵江组储集层的研究，发现“土黄色”粉晶云岩晶体粗大、自形程度高并经历大气淡水溶蚀作用，认为是混合水白云石化成因；刘宏等[13]通过对川西南嘉五段储集层的研究，提出嘉陵江组沉积期强蒸发局限环境促发准同生期白云石化导致“土黄色”粉晶云岩形成；王文之等[14]则根据川南丹凤—塘河嘉陵江组岩心及邻区地球化学资料，认为“土黄色”粉晶云岩形成于成岩期埋藏白云石化作用；黄文明等[15]通过对川中磨溪嘉二段储集层特征的研究，认为混合水白云石化和渗透回流白云石化作用共同形成“土黄色”粉晶云岩。

目前对于四川盆地嘉陵江组“土黄色”粉晶云岩储集层形成机制有不同认识，集中反映在储集层晶间溶孔成因上，如张本健等[16]基于川西南部嘉陵江组储集层研究，认为埋藏溶蚀是形成晶间溶孔的主要原因；丁熊等[17]通过对磨溪地区嘉二段储集层研究，认为同生期大气淡水淋溶才是储集层的主要形成机制。本文以盆地内典型嘉陵江组（T1j）“土黄色”粉晶云岩储集层——川中磨溪气田嘉陵江组二段2亚段B层（T1j22B）为例，通过分析白云岩体的宏观、微观地质特征，研究该类白云岩成因和储集层形成机制。

1 区域地质概况

磨溪气田位于川中古隆中斜平缓带东部（见图1），主体构造属乐山—龙女寺古隆起上的一个次级隆起[18-19]。区内嘉陵江组发育完整，与上下地层呈整合接触[20]。嘉陵江组自下而上分为5段，嘉二段（T1j2）为川中地区天然气主力产层之一[21]。通过海水咸化旋回、相对海平面变化旋回、古气候变化旋回沉积特征与成因分析，嘉二段可分为3个亚段，其中T1j22亚段可进一步细分为A、B、C层3个小层[22]，“土黄色”粉晶云岩储集层集中发育于T1j22B层中（见图1）。

图1 研究区构造位置、井位分布、连井剖面及T1j22B层地层剖面图[23]

研究区早三叠世嘉陵江组沉积期处于上扬子克拉通海盆中央的川中海域，受周缘古陆和水下隆起围限，嘉二段沉积期发育局限—蒸发海台地沉积[24]。其中T1j22B层 以发育蒸发潮坪和局限 潟 湖沉积为特征，根据岩性和沉积特征，可进一步识别出坪洼、云坪、膏云坪、膏坪、砂屑滩、云质 潟 湖等微相以及过渡类型[25]。

2 储集层特征

2.1 岩石学特征

研究区“土黄色”粉晶云岩呈土黄色、褐黄色中厚层—块状，膏质团块、结核发育（见图2a）。偏光显微镜及扫描电镜下晶粒呈砂糖状、半自形—自形，多具溶蚀边（见图2b），粒径0.05～0.10 mm。

2.2 储集空间类型

研究区“土黄色”粉晶云岩储集空间类型以晶间溶孔（见图2c、2d）和晶间孔（见图2d、2e）为主，晶间孔由白云石晶粒相互支撑堆积形成，一般呈规则多边形，孔径0.01～0.03 mm，部分为连晶方解石、硬石膏胶结充填（见图2b、2f），分布广泛；晶间溶孔为晶间孔遭大气淡水溶蚀扩大形成，孔隙形态不规则，孔径0.01～0.50 mm不等，多为具溶蚀边的细小白云石碎屑和伊利石等溶蚀残余物质组成的渗流粉砂及自生石英所充填（见图2c），部分为连晶方解石（见图2b）和硬石膏胶结充填（见图2f）。

图2 “土黄色”粉晶云岩岩心照片与显微照片

2.3 孔隙结构

孔隙间喉道以片状为主（见图2e），排驱压力较低，为0.31～15.19 MPa，平均8.72 MPa；中值喉道半径较大，为0.33～8.82 μm，平均2.94 μm；退汞效率较高，为9.06%～49.09%，平均28.83%。压汞曲线表现为排驱压力较低、中值压力较低，呈凹型曲线形态特征（见图3）。由此可见，T1j22B层“土黄色”粉晶云岩储集层孔隙结构较好，孔喉配置较为有利。

图3 “土黄色”粉晶云岩储集层典型压汞曲线

2.4 孔渗特征

研究区16口井381个岩心样品孔渗分析表明，粉晶云岩平均孔隙度为 4.57%，平均渗透率为 3.07×10−3μm2。整套储集层非均质性较强，纵向上孔渗分布具有明显分带性。其中，上部储集层晶间孔、晶间溶孔发育，但多被石膏等充填，其孔隙度平均值为3.99%，渗透率平均值为1.34×10−3μm2；中部储集层晶间孔、晶间溶孔发育且保存较好，其孔隙度平均值为10.62%，渗透率平均值为0.54×10−3μm2；下部储集层仅发育晶间孔，其孔隙度平均值为 3.04%，渗透率平均值为0.01×10−3μm2。孔隙度大于 3%的样品渗透率为（0.011～215.000）×10−3μm2，其中，渗透率为（0.1～10.0）×10−3μm2的样品居多，呈“中孔低渗”特征（见图 4）。储集层样品孔渗关系总体上表现为随孔隙度增大渗透率缓慢增加的线性正相关（见图4）。此外，以晶间溶孔为主的优质粉晶云岩储集层样品孔隙度多大于12%（见表1）。

图4 “土黄色”粉晶云岩储集层孔渗散点图（N—样品数；

表1 以晶间溶孔为主的优质粉晶云岩储集层样品孔隙度统计表

3 白云岩成因

3.1 白云石化作用垂向演化特征

川中磨溪气田嘉陵江组二段2亚段B层为一向上变浅咸化旋回，其白云石化作用垂向演化具有明显的分带性。以磨13井为例（见图5），其序列底部自下而上依次为深灰色泥质灰岩、瘤状灰岩（见图6a）、泥晶灰岩、云质灰岩（见图6b）；序列中部自下而上依次为土黄色粉晶云岩（见图6b）、溶孔粉晶云岩、含膏质团块（泥）粉晶云岩；序列顶部为褐灰色膏溶角砾岩（见图6c）、膏质云岩、膏岩及泥晶云岩。总体表现为自上而下白云石化程度逐渐减弱。此外，在发生白云石化的序列中上部，白云石晶粒自上而下逐渐增大、自形程度逐渐变好、晶间孔隙也逐渐增多（见图6d—6f），表现为白云石化作用远端储集物性相对变好（见图5）。

3.2 白云石化作用横向演化特征

选取区内磨16井等8口T1j22B层全取心井，建立横贯研究区的北东向连井对比剖面（见图7），对比剖面各井沉积微相，发现研究区东部以膏云坪、膏坪微相为主，向西逐渐过渡为膏坪、云坪、灰云质湖微相，至研究区西部则相变为砂屑滩和灰质湖微相，海域环境逐渐开阔，海水盐度逐渐降低。白云岩横向演化与之对应，表现为自东向西发育层位不断抬升，白云石化程度逐渐减弱。

3.3 对区内白云石化作用的讨论

膏盐岩和白云岩组合的蒸发相地层中，膏盐类矿物若遭受淡水溶解将导致岩层内部失稳，发生原地垮塌堆积，形成膏溶角砾岩[26]。而 T1j22B层顶部膏溶角砾岩中土黄色的泥—粉晶云岩角砾具有塑性变形特征（见图6c），说明石膏溶蚀时泥—粉晶白云岩尚未完全固结，区内膏溶角砾岩是准同生期暴露的产物。而膏溶角砾岩中角砾白云石化时间显然要早于角砾形成时间，因此白云石化作用应早于准同生期暴露。这也与晶间溶孔中渗流粉砂含有具溶蚀边的细小白云石碎屑（见图2c、6f）相吻合。

图5 磨13井T1j22B层沉积相综合柱状图

图7 研究区T1j22B层连井沉积微相、沉积古地貌综合对比剖面图（剖面位置见图1）[27-28]

白云岩在空间上与蒸发岩紧邻（见图7），“土黄色”粉晶云岩内部发育膏质团块（见图2a），均表明研究区白云石化作用与蒸发海水关系密切，而高镁卤水正是常见的白云石化流体类型[2-3,29-30]。

T1j22B层自上而下由膏质云岩、泥—粉晶云岩、粉晶云岩逐渐过渡为云质灰岩、泥晶灰岩，过渡部分完整、清晰（见图6b），很好地反映了白云石化流体自上而下不断消耗、导致序列下部白云石化作用减弱的过程；序列中上部的白云岩中，自上而下白云石晶粒自形程度变好、粒径相对增大、晶间孔隙增多。Saller等[29]认为这是一种过白云石化现象，即距离卤水源近的区域会沉淀更多的白云石，造成白云岩体物性变差，白云石晶粒自形程度降低。区内白云石化作用的这种垂向演化特征表明白云石化流体是自上而下流动的，序列顶部膏云坪等微相是重要的卤水来源。

白云石化作用横向演化特征进一步表明，随着与卤水源距离的增加，白云石化程度在不断减弱，表现为海域盐度最高的东部区域白云石化程度明显更强，白云石化发生时间也最早（见图7）。

3.4 白云石化作用模式

上述分析表明，研究区白云石化作用发生在准同生期暴露之前，富镁卤水是主要白云石化流体，白云石化作用随着远离卤水源而减弱。从现有的白云石化模式来看，卤水渗透回流模式与之最为相符。

渗透回流白云石化模式由Adams和Rhodes[3]首先提出，用以解释美国德克萨斯州西部二叠系障壁型盆地白云石化作用。此后渗透回流模式一度被广泛用来解释盆地级油气储集层白云石化作用，如美国东德克萨斯州上侏罗统 Smackover组[30]和二叠系瓜德鲁普统San Andres组的白云岩成因等。Warren[2]也认为古代盆内灰岩早期大规模白云石化通常与卤水渗透回流作用密切相关。Moore[31]指出古代渗透回流成因白云岩与蒸发岩地层在空间上关系密切，白云石化作用发生在成岩早期；白云石化程度随与卤水源距离的增大而减弱。

谭秀成等[24]认为研究区中部、东部沉积期微地貌较高，这与岩心观察中研究区中部—东部的磨13井—磨48井区T1j22B层顶部暴露溶蚀组构和膏溶角砾岩更为发育一致（见图 7）。区内 T1j22B层以发育膏云坪、坪洼、云坪等微相为主（见图 7），环境受限、蒸发作用强烈，因而容易在坪洼和云坪、膏云坪的岩石孔隙中形成重卤水，并在重力作用下向下部和侧向的微地貌低地回流，导致下伏及邻区地层白云石化（见图8）。随相对海平面的持续下降（见图 5），渗透白云石化作用由东至西逐渐发生，最终形成了层位稳定、分布广泛的“土黄色”粉晶云岩。

图8 “土黄色”粉晶云岩渗透回流白云石化作用模式

4 储集层形成机制

4.1 白云石化作用

小直径岩心储集层物性分析和配套镜下薄片观察发现，未见明显溶蚀现象的他形—半自形粉晶白云岩储集空间以晶间孔为主（见图 6e），其实测孔隙度为5.27%，但在晶间孔基础上扩溶形成的晶间溶孔却使储集层孔隙度大幅增加至12%左右（见表1），说明渗透回流白云石化形成的晶间孔为后期储集层的改造提供了优质渗流通道。

此外，过白云石化过程导致远离卤水源一侧粉晶云岩储集物性更好，主要表现为垂向上白云石晶粒自上而下自形程度变好、粒径相对增大、晶间孔隙增多。如磨13井T1j22B层顶部（3 100～3 104 m）白云岩中白云石颗粒为泥晶、他形，致密无孔（见图6d），测井孔隙度平均小于1%（见图5）；T1j22B层中部（3 104～3 112 m）则渐变为粉晶、自形—半自形，晶间孔、晶间溶孔发育（见图6e、6f），测井孔隙度平均为6%～8%（见图 5）。横向上，渗透回流白云石化作用远端的白云岩物性优于紧邻卤水源（膏坪、坪洼）白云岩。如磨24井—磨13井—磨151井区处于渗透回流白云石化作用远端，其白云岩测井孔隙度平均可达 7%～8%，而紧邻卤水源的磨45井—磨27井—磨48井区白云岩测井平均孔隙度仅 4%～5%（见图7）。渗透回流白云石化模式中过白云石化现象与卤水浓度和白云石化速率有关[32-34]。咸化序列上部卤水浓度较大，白云石化作用迅速进行，因此形成的晶粒细小、他形，储集物性较差；而序列中下部卤水浓度较小，白云石化作用相对缓慢，形成的晶粒较大、自形程度高，储集物性较好[32]。

另外，研究区中、东部微地貌高且受限，其内坪洼、膏云坪为重卤水源，不仅存在过白云石化，导致物性较差，而且由于膏岩相对较厚，后期准同生期暴露岩溶形成的溶孔可能为暴露溶解形成的过饱和流体胶结充填。云坪微相相对远离卤水源，处于渗透回流远端（见图 7、图 8），上覆的膏岩层较薄，后期暴露形成的溶孔充填较少，这也造成优质储集层更易发育于渗透回流白云石化作用远端。

4.2 早期喀斯特岩溶作用

受乐山—龙女寺古隆起演化控制，二叠纪—早三叠世川中磨溪构造为继承性水下隆起[19]。随沉积物的堆积，海平面相对变浅（见图 5），其上发育的微地貌高地极易暴露，并接受早期大气淡水的改造，形成相应岩溶组构。纵向剖面上，顶部的硬石膏岩层发生暴露溶蚀垮塌，形成膏溶角砾岩（见图 5），膏溶角砾中除表明其形成于准同生期的塑性变形角砾外（见图6c），角砾间的硬石膏充填还说明暴露时间较短；而膏溶角砾岩和硬石膏岩横向上仅分布于沉积期微地貌高地（见图 7），表明该期暴露规模不大，与相对海平面下降引起的局部高地暴露有关。暴露过程中，未饱和淡水沿晶间孔下渗，使下部粉晶云岩的晶间孔溶蚀扩大，形成晶间溶孔（见图6f），并产生具溶蚀边的白云石粉屑（见图2c）、伊利石（见图2c、2e）等，溶蚀残余物质组成的渗流粉砂粘附孔壁（见图2f），或半充填孔隙形成示顶底构造（见图6f）。同时，受早期大气淡水的影响，白云岩发生次生变化变为土黄色[33-34]。笔者曾在四川古宋剖面见深灰色泥晶云岩出露地表后，由于大气水沿晶间孔漫流，岩石逐渐变为土黄色（见图 9），粉晶云岩储集层土黄色的次生特征表明其形成与同生期喀斯特作用密切相关。

晶间溶孔的空间分布规律则进一步表明早期喀斯特岩溶为“土黄色”粉晶云岩储集层主要溶蚀机制。平面上，晶间溶孔主要分布在磨24井—磨13井—磨151井等微古地貌高地，而磨16井—磨47井等微古地貌低地则不发育（见图 7），这与古地貌高地容易发生早期喀斯特岩溶作用相吻合。垂向上，晶间溶孔较稳定地分布在向上变浅序列的中上部（见图7），这也是早期喀斯特岩溶成因储集层的典型特征[35]。

图9 T1j22B层受大气淡水影响变色的泥晶云岩标本

图10 “土黄色”粉晶云岩储集层成因模式（以中部储集层为例）

为了定量表征早期喀斯特岩溶作用对储集层的影响，假定镜下未见明显溶蚀现象的他形—半自形粉晶白云岩的实测孔隙度（5.27%）代表白云石化后的原始孔隙度（见图 10a），镜下观察发现，早期喀斯特岩溶作用形成的溶孔主要为浅埋藏期石膏、硬石膏、方解石充填，其次为早期暴露阶段少量渗流粉砂和中深埋藏期痕量石英充填（见图2e），因而早期暴露岩溶增孔量近似等于φt+Sc−φi（φt为实测孔隙度，Sc为孔隙充填物含量，φi为原始孔隙度）。考虑到下部储集层并未受到大气淡水影响产生晶间溶孔，上部储集层形成的晶间（溶）孔又为石膏充填殆尽，因此以晶间（溶）孔发育的中部储集层为例，计算得出其早期喀斯特岩溶增孔量为4.35%～28.76%，平均为15.14%（见表1）。粉晶云岩优质储集层在经历早期喀斯特岩溶作用和充填后平均孔隙度变为16.73%（见图10b）。因此，早期喀斯特岩溶作用是粉晶白云岩优质储集层形成的根本原因，也即暴露的开放体系阶段是碳酸盐岩大规模增孔时期。

4.3 埋藏期胶结充填与岩溶作用

在浅埋藏阶段，受成岩环境区域地下水作用，连晶方解石（见图 2b）充填相对活跃，导致平均孔隙度缩减 4.14%（见图 10c），从而使浅埋藏阶段后粉晶云岩优质储集层平均孔隙度降为12.59%左右。

进入中深埋藏阶段后，区内构造相对稳定，深大断裂不发育[36]，以热流体为酸性流体载体的大规模埋藏溶蚀难以发生[37]。岩心和镜下观察也发现，研究区岩心中裂缝并不发育，且溶孔为渗流粉砂充填后，后期扩溶现象也不明显（见图6f），仅在少数薄片见有痕量自生石英，对储集层的影响不大（见图10d）。因此该阶段储集层孔隙度变化不明显，埋藏溶蚀对优质储集层形成贡献不大。

5 结论

川中磨溪气田嘉陵江组“土黄色”粉晶云岩储集空间以晶间孔和晶间溶孔为主，孔喉配置关系好、储集性能优良，为孔隙型储集层，是四川盆地碳酸盐岩优质储集层的重要类型。“土黄色”粉晶云岩为渗透回流白云石化成因，主要依据有：白云石化发生于成岩早期；其空间演化规律明显，垂向上自上而下白云石化程度逐渐降低，横向上随着远离卤水源白云石化程度逐渐减弱；存在过白云石化现象，渗透回流远端白云岩物性优于紧邻卤水源白云岩。“土黄色”粉晶云岩储集层形成于渗透回流白云石化和早期喀斯特岩溶的共同作用，其中，渗透回流白云石化形成的晶间孔为后期储集层的改造提供了优越的物质基础，而早期喀斯特岩溶作用对晶间孔的扩溶改造是储集层形成的根本原因。

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