四川盆地中部中二叠统热液白云岩储渗空间类型及成因

蒋裕强 谷一凡 李开鸿 李 顺 罗明生 何 冰

近年来，四川盆地川西北地区多口钻井在中二叠统栖霞组、茅口组中钻遇大套优质的白云岩储层，获得了高产气流，展现出该层系巨大的天然气勘探潜力[1-2]，在川中地区钻达中二叠统的40余口井中有28口井存在气侵、气测异常等良好显示，试油的10口井中，获工业气井4口，低产井3口，也显示出川中地区中二叠统较好的勘探潜力。因此，针对中二叠统优质储层成因研究，已成为多方持续关注热点。很多学者认为“东吴运动”造成的表生期古岩溶作用是形成优质储层的关键[3-5]，也有学者认为白云石化作用是优质储层形成的关键，提出了混合水成因说[6-7]、埋藏成因说[8]、玄武岩淋滤成因说[9]、多期流体叠合说[10]、构造—热液成因说[11-16]等，对此一直未达成共识。笔者根据川中地区中二叠统高产井岩心样品的岩相学特征和地球化学特征，认为白云岩储层段发育有热液白云岩储集相，即热液流体对致密基质灰岩（宿主岩）进行改造后形成的白云岩储渗体。本文充分利用岩心及相关配套分析化验资料，阐明川中地区中二叠统热液白云岩储集相基本特征，分析其成因和控制因素，为油气勘探提供理论依据。

1 研究区地质背景

研究区位于四川盆地中部，构造分区属川中平缓构造带。四川盆地内部及周缘发育多条基底断裂[17-19]，本次研究区临近华蓥山断裂带与梓潼—邻水断裂带的交叉区域西南侧[2]。本区栖霞组下部主要为深灰色薄层泥质灰岩与中薄层生屑泥晶灰岩，上部为灰色中厚层生屑灰岩，局部地区见白云石化，厚度约为100 m。茅口组分为四段，下部茅一段和中部茅三段多发育灰黑色中薄层生屑灰岩及含泥质灰岩、泥岩和页岩，见眼球状构造；茅二段和茅四段以厚层—块状生屑灰岩为主，有时可见斑块灰岩和白云岩，该区茅四段被剥蚀[20-22]。茅口组总体厚度介于190～250 m（图1）。

2 热液作用证据

2.1 岩相学证据

在未受后期成岩作用改造前，区内中二叠统基质岩由泥晶生屑灰岩、泥晶灰岩、亮晶生屑灰岩构成，前两者由晶粒小于30 μm的泥晶方解石和/或生屑组成，后者被方解石完全胶结，导致基质岩岩性致密，不具备储渗能力。针对4口取心井岩心观察，结合薄片观察，认为中二叠统地层中存在MVT（Mississippi Valley Type）型热液矿物：①鞍状白云石（SD），宏观上白云石为巨晶级，晶面具马鞍状弯曲现象（图2-a），表明形成温度至少大于白云石临界粗糙温度（CRT），被认为是从热液流体中直接沉淀出来[23]。基于这些特征，Davies和Smith Jr等在讨论热液白云岩时，认为“鞍状白云石是热液背景指示者（剂）”[24]。同时也可观察到热液活动的典型代表——膨胀角砾结构中鞍状白云石半充填于膨胀角砾之间（图2-b）；②萤石（Fl），微观上呈暗黄色，主要充填在溶孔中（图2-c）；③天青石（Cls），正交光下呈蓝灰色，可见两组完全解理（图2-d）。

图1 研究区地理位置及地层柱状示意图（地层柱状图据刘建强等[2]，有修改）

图2 研究区中二叠统热液矿物类型

2.2 地球化学证据

2.2.1 C、O同位素

本次研究碳、氧同位素测试结果表明：中二叠统泥晶生屑灰岩δ13C均为正值且较为接近，分布范围介于1.62 ‰～3.26 ‰（PDB），平均值为2.67 ‰；细—中晶云岩的δ13C分布范围介于2.87 ‰～3.74 ‰，平均值为3.22 ‰；鞍状白云石的δ13C分布范围介于3.06 ‰～3.78 ‰，平均值为3.37 ‰。泥晶生屑灰岩的氧同位素值分布范围介于－7.14 ‰～－2.77 ‰，平均值为－5.04 ‰；细—中晶云岩的δ18O分布范围介于－9.45 ‰～－4.08 ‰，平均值为－6.38 ‰；鞍状白云石的δ18O分布范围介于－8.27 ‰～－7.37 ‰，平均值为－7.86 ‰（表1）。

表1 研究区中二叠统不同岩石类型C、O同位素分析结果表

细—中晶云岩和鞍状白云石δ18O值均明显低于海相沉积石灰岩（宿主石灰岩）δ18O值，较为接近Geske等得到的热液白云岩δ18O值[25]，表明白云岩形成过程中受到的成岩改造作用相对较强，氧同位素存在明显的热力学分馏效应，推测其成因与较高的成岩环境温度密切相关（图3）。

图3 研究区中二叠统白云岩各岩石类型Sr同位素及C、O同位素交会图（部分数据引自陈轩等[12]）

2.2.2 Sr同位素

本区泥晶生屑灰岩87Sr/86Sr比值介于0.7070758～0.707 983 9，平均值为0.707 476 3；细—中晶云岩87Sr/86Sr比值介于0.707 745 0～0.707 992 3，平均值为0.707 823 6；鞍状白云石的87Sr/86Sr比值介于0.707737 6～ 0.709 386 1，平均值为0.708 386 2（表2）。通过与全球二叠世正常海水对比，发现泥晶生屑灰岩和泥晶灰岩87Sr/86Sr比值均落在二叠系正常海水范围内[26-27]，而细—中晶云岩和鞍状白云石87Sr/86Sr比值明显高于同期正常海水（图3）。由此可见白云岩和鞍状白云石的形成过程受外部流体影响。

表2 研究区中二叠统不同岩石类型Sr同位素分析结果表

2.2.3 包裹体均一化温度

选取该区GT2、MX42等井的岩心样品，对中二叠统鞍状白云石内共计43个原生包裹体进行测试，利用加热法使包裹体内回复单相均匀状态，测得均一化温度表明：茅口组鞍状白云石均一化温度分布范围介于73～146 ℃，平均值为115 ℃，主要分布区间介于110～130 ℃；栖霞组鞍状白云石均一化温度分布范围为98～143 ℃，平均值为123 ℃，主要分布区间介于120～140 ℃（图4）。

图4 研究区中二叠统鞍状白云石包裹体均一化温度分布图

本区中二叠统鞍状白云石包裹体盐度均较高，是同期海水的3～5倍[12]。前人研究成果表明，栖霞组、茅口组白云岩储层中普遍见沥青充填，或见烃类包裹体，表明白云岩形成的时间要早于油气大规模生成的时间；栖霞组、茅口组储层内油气充注时间为侏罗纪，因此综合构造活动和白云岩中含沥青或烃类包裹体这两个条件，基本可以确认栖霞组、茅口组白云岩形成时间上限为侏罗纪。侏罗纪之前，GC2井栖霞组、茅口组的最大埋藏深度介于2 200～2500 m，取平均地温梯度最大值4 ℃/100 m，那么侏罗纪时期埋藏地温介于88～100 ℃[2]。鞍状白云石形成时的流体温度要明显高于正常地温梯度下中二叠统的地层温度。因此为典型的热液流体成因。

3 储集相储渗空间类型

区域大地构造研究成果表明：中二叠世之后，四川盆地晚二叠世—晚三叠世的峨眉地裂运动表现为张性断裂活动，发育华蓥山区域性大断裂等基底断裂活动，体现在中二叠统白云岩地层中存在辉绿岩等浅层侵入岩体[28]；也可表现为华蓥山构造轴部及其附近的玄武岩喷溢[29]。基底断裂活动引起的热液流体沿拉张性基底断裂带及派生的裂隙系统向上移动，对致密基质灰岩地层进行改造形成多种储渗空间构成的热液白云岩储集相（表3）。

3.1 热液溶孔

川中地区中二叠统热液流体的异常高温（较地层温度高10～30 ℃）特征，会对基质灰岩发生强烈的溶蚀作用。具体表现为当深大基底断裂发生时，深部热液流体沿着拉张或者扭张性断层向上流动，先于热液流体存在的断裂/裂缝体系也可以为热液流体的运移提供很好的通道。区内热液溶孔一般具有不规则的“港湾状”溶蚀边缘，孔径介于200～2 000 μm（图5-a），面孔率可达8%，沿孔隙边缘可见鞍状白云石半充填，其在阴极射线下呈光亮发光，具环带结构（图5-b）。

3.2 热液扩溶缝

该类储集空间在区内岩心上较为常见，即在构造裂缝基础上，热液流体对其进行进一步溶蚀，缝宽扩大，最大可达8 mm（图5-c），沿缝壁普遍半充填或充填鞍状白云石（阴极射线下光亮发光，环带结构明显），但由于鞍状白云石晶体较大（一般介于200～1 200 μm）。因此晶体间的剩余空间仍可以作为有效的渗流通道（图5-d）。

表3 研究区中二叠统热液白云岩储集相特征表

图5 研究区热液白云岩储集相储渗空间类型

3.3 热液溶洞

热液溶洞构成了中二叠统另一类重要储集空间。与热液溶孔成因相同，均为热液流体对泥晶生屑灰岩、泥晶灰岩等基质灰岩溶蚀后的产物，但其大小一般介于2～10 mm，最大可超过20 mm，溶洞内可见鞍状白云石（图5-e）或后期方解石（Cal）半充填，常沿热液扩溶缝周缘分散状分布（图5-f）。

3.4 热液白云岩晶间孔

晶间孔是热液白云岩中较常见的一种孔隙类型。中二叠统基质灰岩通常由泥晶方解石（3～5 μm）构成，晶粒一般不超过10 μm。因此基质灰岩中晶间孔不发育。在热液流体的交代作用下，形成细—中晶云岩，自形—半自形白云石晶体（50～200 μm）间发育大量晶间孔。热液作用较强的区域，白云石晶粒可大于300 μm，甚至具有鞍状白云石的某些特性，如晶面发生明显弯曲、正交光下呈波状消光（图5-g）。

4 深大基底断裂对热液白云岩储集相发育的影响

Davies等首次提出热液白云岩储集相的概念时，认为其发育和分布受构造运动控制，即沟通盆地深部或基底的深大走滑（或伸展）断裂，能为深部热液流体的大规模运移提供流动通道[24]。由此引发的一系列地质作用一般集中在：①伸展（正）断层，特别是断层的上盘；②深大扭张（走滑拉分）断层，特别在释压断错处（releasing oあsets）；③上述断层（包括转换断层）的交汇处，尤其是走滑拉分断裂带，由于断层拆离造成的地层下沉作用，在岩层顶部，即“负花状”构造之上形成转换拉张塌陷（sag）[24]，在地震剖面上往往表现为“下凹”反射特征；当上述断裂活动发生时，伴生大量网状分布、产状平直的构造缝（图6），进一步扩展了热液流动通道，沿这些裂缝热液流体对致密基质灰岩进行成岩改造，包括溶蚀作用、交代作用（热液白云石化作用）等建设性成岩作用，形成多种储渗空间。诸如美国Trenton-Black River､Albion-Scipio等低孔隙低渗透石灰岩地层为主的油气田勘探过程中，这种“下凹”塌陷是热液流体改造的重点部位，其与热液白云岩储集相的相关性非常显著[24]。本区上覆上二叠统龙潭组致密泥页岩的封堵、下伏多套烃源岩的沟通、深部震旦系灯影组三段—南华系澄江组巨厚碎屑岩热液储库的有机组合[30-31]，都为热液白云岩储集相的发育提供了良好条件。在过GC2井和NJ井的茅口组白云岩段地震剖面上，均可见“下凹”地震反射特征[12]，进一步证实构造控制下热液白云岩储集相的存在（图6）。构造控制热液白云岩储集相的认识对深化川中地区乃至四川盆地中二叠统有利储层的成因及分布有借鉴作用。

5 结论

1）岩相学、地球化学证据表明，川中地区中二叠统茅口组、栖霞组石灰岩地层经历了构造控制热液活动，发育萤石、鞍状白云石、天青石的热液矿物组合和膨胀角砾结构；相比宿主石灰岩（包括泥晶灰岩、泥晶生屑灰岩等），细—中晶云岩、鞍状白云石均呈现出δ18O负偏移、87Sr/86Sr正偏移。

图6 研究区中二叠统热液白云岩储集相发育模式示意图（地震剖面图据陈轩等[12]）

2）因热液流体对致密基质灰岩改造，形成由热液溶孔、热液白云岩晶间孔、热液溶洞、热液扩溶缝4种储渗空间构成的热液白云岩储集相。其与表生岩溶储层区别在于，储渗空间内的充填物为鞍状白云石、萤石等热液矿物，而非岩溶角砾、铝土质黏土、煤块等。

3）受峨眉地裂运动主导的基底断裂活动（包括深大伸展断层和走滑断层）控制，热液白云岩储集相主要沿深大断裂及伴生裂缝系统呈“透镜状”分布，分布于具“下凹”或“负花状”地震反射特征的区域。下伏烃源岩和上覆龙潭组泥页岩封堵层与之形成有效组合，可以构成有利的勘探目标。

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