川东北元坝地区上二叠统长兴组优质储层形成机制

李昌峰，侯明才，张小青，李国蓉

(1.成都理工大学沉积地质研究院，成都610059;2.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，成都610051 3.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;4.成都理工大学能源学院，成都610059)

0 引言

川东北元坝气田构造位置位于四川盆地川北坳陷与川中低缓构造带的结合部，西北与九龙山背斜构造带相接，东北与通南巴构造带相邻，南部与川中低缓构造带相连。该气田是中国石化继普光气田之后，在四川盆地发现的又一个千亿立方储量的大型海相气田。元坝气田目的层为上二叠统长兴组白云岩储层，已提交探明含气面积242.14 km2，储量1880.98×108m3，气藏埋深6240～6950 m，平均埋深6675 m，钻井均为超深井，实施的水平井水平段均在800 m以上，是目前国内发现的最深的海相气田。

长兴组的储层岩性主要为溶孔、残余生屑溶孔白云岩，储层储集空间类型主要有粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间孔、晶间溶孔等。储层孔隙度介于0.79% ～24.65%之间，平均为5.27%;渗透率介于0.0028×10-3～1720.7190×10-3μm2之间，几何平均值 0.61×10-3μm2，主峰值范围0.002 ×10-3～0.250 ×10-3μm2，物性变化大，非均质性强。

在如此超深层条件下，发育这么好的储层，突破了通常情况下人们对深埋条件下储层的认识。为此，许多学者从储层发育的沉积相类型、白云岩化作用和构造破裂作用对储层的改善等方面探讨了川东北元坝地区长兴组优质储层的主控因素及成因［1～4］。这些工作主要集中在某一个或几个方面地质现象的描述和基于与储层发育空间关系的定性推断，而在深层—超深层条件下，从沉积微相类型、成岩作用和构造破裂作用的关联关系出发，深入开展优质碳酸盐岩储层成因机制的研究鲜见报道。然而，揭示深层—超深层条件下碳酸盐岩的形成机制对有效开展储层预测和拓展海相碳酸盐岩的勘探开发领域具有重大指导意义。因此，本文从储层岩石学特征、沉积微相类型、成岩环境和构造破裂作用的关联关系开展研究，进一步诠释川东北元坝气田上二叠统长兴组优质储层形成的机制。

1 储层岩石学特征

长兴组储层可分为上、下2段。下段岩性主要为细晶溶孔白云岩、(含)生屑粉—细晶白云岩、灰质白云岩、残余生屑白云质灰岩等，其中溶孔白云岩、(含)生屑粉—细晶白云岩物性最好;上段岩性以 (溶孔)中粗晶白云岩、残余生屑 (粒屑)溶孔白云岩、(溶孔)细粉晶云岩、残余生屑白云岩为主，其次为灰质白云岩、生屑灰岩、微晶灰岩等。不同类型白云岩的物性特征见表1。

表1 长兴组白云岩类储层物性特征Table 1 Dolomite reservoir properties in the Changxing Formation

2 沉积微相特征

岩心、测井及地震资料综合分析显示，研究区长兴组气藏发育碳酸盐缓坡和碳酸盐台地2种沉积背景，存在深缓坡、浅缓坡、台地边缘生物礁、台地边缘浅滩等亚相以及生屑滩、滩间、生物礁 (礁基、礁核、礁盖)、礁间等多种微相类型 (见图1)。

2.1 生屑滩

该区生物滩十分发育，类型较多，可以识别出台地边缘滩、开阔台地台内滩、局限台地台内滩及缓坡高能带上的颗粒滩。根据滩体部位的不同，进一步划分为滩核和滩缘。生物碎屑较发育，最主要的碎屑类型是有孔虫，其次为珊瑚、蜓类、腕足等。生物碎屑间胶结主要为亮晶方解石，局部为藻粘结结构。生物滩灰岩的白云化程度不同，从完全到未白云化均有。

从测井曲线分析，生屑滩白云岩层段自然伽玛值低、密度与电阻率较低、声波时差较大;生屑滩灰岩层段自然伽玛值低、声波时差较小、密度较大、电阻率较高 (见图1a)。

2.2 生物礁

图1 YB-XA井长兴组下段浅缓坡生屑滩及滩间沉积剖面图Fig.1 Sedimentological section showing carbonate rampbioclastshoal and inter-shoal facies in the Lower Member of the Changxing Formation in the Well YB-XA

生物礁可进一步细分为礁基、礁核及礁盖微相。生物礁微相造礁骨架生物主要为海绵，礁灰岩主要表现为骨架岩和障积岩。骨架岩造礁骨架生物含量较高，围绕造礁生物有藻包覆层发育，骨架间孔洞内皮壳状方解石生长充填特征清楚，也可为微晶方解石及生物碎屑堆积，代表了能量较高的生物礁环境。岩性为灰色含云生屑灰岩、云质生屑灰岩、生屑砂屑灰岩、浅灰色溶孔白云岩、溶孔砂屑白云岩、含灰云岩、含云灰岩等。

礁盖表现出疏松多孔的测井响应特征，如密度、电阻率值下降，声波、中子孔隙度上升等 (见图1b)，地层微电阻率扫描成像 (FMI)为暗色厚层状，反映溶孔发育;礁基、礁核在电测曲线上表现为低伽马、极高电阻，自然伽马表现为平直的低值特征 (见图1b)，指示礁灰岩整体岩性较纯，FMI为亮色块状特征。

3 成岩作用

长兴组储层成岩作用类型主要有白云石化作用、压实压溶作用、胶结 (充填)作用、溶蚀作用、构造破裂作用等。

3.1 白云石化

统计研究区12口钻井部分白云石样品的碳氧稳定同位素分析结果 (见表2)，总结其碳氧稳定同位素组成特征。

表2 元坝地区长兴组白云石碳氧稳定同位素部分样品分析结果统计Table 2 Carbon and oxygen isotopic analysis of dolomites in the Changxing Formation in Yuanba area

从表2中可以看出:

①长兴组白云石的δ13C值普遍较高，δ13C值均为正值，平均值3.95‰，主要在3‰～5‰区间;长兴组正常海相微晶灰岩的δ13C值在2.35‰～4.22‰，平均值3.52‰。白云石的δ13C值与同时期的正常海相灰岩背景值较为接近或略高，揭示了白云石的碳来源于长兴组时期的正常 (或高盐度)海水，或者来源于长兴组海相碳酸盐岩地层本身。

②长兴组白云石的δ18O值总体较高，δ18O平均值-5.19‰，多数为-3.32‰～5.82‰;正常灰岩的δ18O平均值为-5.68‰，多数为-4.79‰～6.30‰。白云石δ18O值与同时期的正常灰岩背景值非常接近，说明白云石形成与正常海水、高盐度海水有关。对白云石的δ18O值进行成岩温度计算，形成温度在29.4～41.8℃范围内，说明白云石形成温度不高，白云石化发生在地表或者非常浅的埋藏环境中。长兴组白云岩的碳、氧同位素分析结果Z值计算，值在128.5～136.0之间，且均大于120，说明成岩流体为海水或与海水性质相似的地层水。

③不同类型白云石的δ18O值略有差异，呈现有规律的变化。微晶白云石为主的样品δ18O值最高，其次为粉—细晶它形脏白云石为主的样品，而粉—细晶自形白云石为主的样品δ18O值最低。这一结果表明微晶白云石是在蒸发条件下盐度更高的环境中形成;粉—细晶它形脏白云石、粉—细晶自形白云石在盐度正常或略高的环境中形成，是沉积埋藏过程中连续白云石化作用造成的。

研究区长兴组白云石是在正常海水、浓缩海水环境 (或与正常海水相似的地层水环境)中形成的，形成后遭受过热液地质作用的改造［6～8］。长兴组的白云石化系埋藏成岩环境下，在成岩压实过程中，沉积物中富镁流体向周边或上覆沉积物运移，从而引起碳酸钙沉积物发生白云石化，其中包括白云石的交代和白云石的重结晶作用，形成晶粒较粗的白云岩 (见图2)。因此，粉—细晶自形白云石是成岩早期浅埋藏状态下地层水白云石化作用的产物，粉—中晶级它形脏白云石是同生期回流渗透白云石化作用的产物，异形白云石是成岩晚期热液白云石化作用的产物，微晶白云石主要是同生期蒸发泵白云石化作用的产物。

图2 长兴组埋藏白云石化作用模式Fig.2 Schematic diagram showing the burial dolomitization in the Changxing Formation

3.2 压实压溶作用

压实压溶作用以各种类型的缝合线为典型标志 (见图3):微缝合线于压实压溶初期形成，往往不规则密集发育分布，与部分白云石化斑块的发育有密切关系;平行层面缝合线是通常见到的缝合线，主要与上覆静压力作用下的压溶作用相联系;斜交或垂直层面缝合线与构造应力作用下的压溶作用相联系。压溶缝合线的起伏幅度可大可小，差别较大。缝合线内可为泥质，也可为有机质 (沥青)，还可以是两者一起赋存。

3.3 胶结 (充填)作用

胶结物成分有方解石、白云石、沥青、石英、石膏，以白云石为主，沥青及方解石次之，石英、石膏、黄铁矿很少。

图3 压实压溶作用特征Fig.3 Microphotograph and core photo showing mechanical compaction and pressure dissolution

研究区胶结作用主要分为4期。第1期为海底胶结作用。第2、第3期胶结作用发生于浅—中埋藏阶段，属中成岩胶结作用。第2期胶结作用是在烃类进入之前或同时，形成半自形粒状白云石或方解石晶体充填溶孔、溶洞及裂缝，晶体表面常有沥青膜 (见图4a);第3期胶结作用表现为沥青充填晶间孔、晶间溶孔及粒间溶孔 (见图4b)。第4期胶结作用表现为粗—巨晶方解石、白云石充填溶孔、裂隙 (图4c、4d)，大多晚于沥青侵位，形成于气烃阶段，晚期的方解石充填是储层丧失各类孔隙的主要原因，其分布表现出较明显的非均质性。

3.4 溶蚀作用

岩心及薄片观察表明，研究区长兴组溶蚀作用较为发育，主要划分为3期和2种类型:

第1期准同生—同生期大气水溶蚀作用，主要表现在部分生屑或砂屑颗粒具粒内溶孔、铸模溶孔，溶蚀作用较弱 (见图5)。

第2期早成岩晚期—中成岩中期埋藏溶蚀作用在本区较普遍，以白云石晶间孔、晶间溶孔发育为特征，普遍具沥青充注，溶蚀作用较强 (见图6)。

第3期晚成岩期埋藏溶蚀作用以溶蚀孔洞发育、沿缝溶蚀、裂缝或缝洞方解石溶蚀、具粒状亮晶自形白云石生长、缺乏沥青充填物为特征，是液态石油进入并裂解成天然气后形成(见图6)。

第2期和第3期进一步溶蚀，局部溶蚀扩大孔洞并被气烃充注，形成了较多的有效储集空间，是优质储层发育的关键。

3.5 破裂作用

岩心及薄片观察揭示，区内大部分井长兴组均发育有破裂作用和裂缝，见1期成岩缝洞和3期构造裂缝 (见图7)，破裂作用及裂缝发育特征如下:

图4 长兴组储层充填胶结作用Fig.4 Microphotograph showing diagenetic cementation in the Changxing Formation

5 大气水溶蚀作用特征Fig.5 Microphotograph showing meteoric dissolution

①成岩缝洞:与失水收缩作用有关，裂缝或缝洞具有不规则、延伸短、无组系、方解石完全充填的特征，可被缝合线及白云石化作用改造。

②第1期构造裂缝:可能与印支期构造应力作用有关，裂缝往往以高角度斜交层面发育、缝壁较平直、平行或雁列式排列展布、方解石完全充填为特征，可被缝合线切割改造，限定了它是第1期破裂作用的产物。

图6 长兴组储层两期溶蚀作用特征 (左为中期，右为晚期;10倍，单偏光)Fig.6 Microphotograph showing two-stage dissolution occurred in the Changxing Formation

图7 元坝地区长兴组岩心的多期构造裂缝Fig.7 Core photo showing multi-history tectonic-related fracture

③第2期构造裂缝:可能与燕山期构造应力作用有关，裂缝以高角度斜交层面或不规则展布、裂缝面较平直、延伸较远。裂缝宽度变化较大，细裂缝内为方解石完全充填，宽裂缝内可为碳酸盐岩角砾及方解石充填。裂缝明显切割改造缝合线、改造有机质侵染斑块，限定了它是第2期构造裂缝，形成于压溶缝合线及液态烃类进入之后。

④第3期构造裂缝:与喜马拉雅期构造应力作用有关，裂缝以高角度斜交或垂直层面，裂缝面平直，平行排列展布，延伸远，宽度小，未充填，可切割改造第2期构造裂缝方解石。

4 优质储层形成机制

元坝地区长兴组优质储层是在多因素综合作用和配置情况下形成的，发育的基础是有利沉积相控制有利的储层岩石组合类型与展布，具有建设性成岩作用的白云石化进一步提高岩石孔隙度，构造活动形成多期裂缝提高了储层渗流性能。

4.1 有利沉积微相

有利沉积相是控制储层的基本要素，在平面上控制了储层的发育范围。对19口钻井取心资料统计分析表明，台地边缘生物礁、滩相是储层发育最有利相带 (见图8)。

图8 元坝地区长兴组不同相带储层物征对比Fig.8 Histogram showing depositional facies and the variation of porosity

从礁相的发育特征看，纵向上可分为礁基-礁核-礁盖和礁核-礁盖两类成礁旋回 (见图9);从沉积微相与储层物性的关系来看，优质储层主要发育于礁盖，礁盖的平均孔隙度为5.2%(见表3)。平面上优质储层主要分布于礁顶，其次是礁后。礁前钻遇储层平均厚度33.3 m，Ⅰ+Ⅱ类储层11.3 m;礁顶钻遇储层平均厚度87.4 m，Ⅰ+Ⅱ类储层44.9 m;礁后钻遇储层平均厚度47.4 m，Ⅰ+Ⅱ类储层16.1 m。

图9 长兴组生物礁沉积模式Fig.9 Schematic diagram showing carbonate reef deposition occurred in the Changxing Formation

表3 生物礁不同位置钻遇储层参数统计Table 3 Parameters of the reservoirs in different locations of carbonate reef

缓坡和台地边缘与礁共生的碳酸盐岩颗粒滩是最有利的储层沉积相，其中的滩核厚度大、物性好，为储层最有利微相，滩缘储层逐渐变薄，滩间储层不发育。

优质储层之所以发育在台地边缘礁滩相中，是因为台地边缘礁滩的水动力条件强，有利于形成规模性的抗浪生物骨架岩 (礁)和贫灰泥的碳酸盐岩颗粒滩，其原生孔隙发育，形成了天然的优质储层。同时其沉积表面水体相对较浅，频繁的海平面升降，导致顶部短时间受到大气淡水的溶蚀，形成较多的溶蚀孔，而且为埋藏期成岩过程中白云石化及溶蚀作用奠定了基础。

4.2 建设性成岩作用进一步改善储层品质

建设性成岩作用会进一步提高岩石孔隙度。具有建设性的成岩作用主要为白云石化作用，构造活动形成多期裂缝提高了储层渗流性能。储层发育的好坏，还受成岩作用的强烈程度制约。YB2井长兴组岩心分析表明，储层物性的好坏与白云石化程度密切相关。当白云石含量大于90%时，样品的孔隙度大于5%，储层为Ⅰ、Ⅱ类;当白云石含量小于80%时，样品的孔隙度在4%以下，储层品质较差［12］。溶孔生屑白云岩、残余生屑白云岩平均孔隙度较高，其次为结晶白云岩。

准同生成岩阶段未固结或半固结的岩石遭受早期暴露溶蚀，形成了一些选择性孔隙，尽管被后期充填胶结得很完全，但还是容易遭受晚期的溶蚀，有利于大量溶孔的形成。随着埋深、温度、压力的增高，在构造活动和有机质成熟时释放的大量有机酸等热液的影响下，岩石发生了大规模新生变形作用和溶解作用。虽然晚期成岩阶段也有白云石、方解石对少量孔隙、裂缝空间的充填作用，造成了储层储集性被破坏，但是这种破坏性的作用远小于溶解作用和新生变形作用对储层储集性能的改造。

4.3 构造破裂作用改善了储层的渗透能力和连通性

构造破裂形成的裂缝对储集空间及渗透性的改善起到明显的作用，主要有两方面:一方面，油气或有机酸等流体以储层裂缝作为运移通道，对储层中白云石、方解石进行溶蚀，增加了储集空间，改善了渗透性;另一方面，储层以微、细喉道为主，由于裂缝的沟通，形成了统一的孔、洞、缝系统，使其渗透性得到明显改善。

5 结论

长兴组优质储层的形成机制与沉积微相、成岩作用、构造活动等密切相关。优质储层主要发育于礁盖，平面上优质储层主要分布于礁顶，其次是礁后;对储层发育具有建设性的成岩作用主要为白云石化作用和溶蚀 (大气水、埋藏)作用，液态烃充注和破裂也起到积极作用;构造破坏性成岩作用形成的裂缝可明显改善储集空间及渗透性。

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