微生物碳酸盐岩孔隙研究进展

屈海洲，周子坤，张云峰，陈薇，张正红，罗新生，马超，谭飞，朱玉环

1.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500 2.西南石油大学 中国石油碳酸盐岩重点实验室沉积—成藏研究室，成都 610500 3.中国石油杭州地质研究院，杭州 310023 4.中国石油塔里木油田公司，新疆库尔勒 841000

0 引言

微生物碳酸盐岩是底栖微生物(细菌、真菌、小型低等藻类及部分小型原生动物)的生长、新陈代谢等过程引发碳酸盐沉淀、自身发生钙化或者产生细胞外聚合物质(Excellular Polymeric Substances, EPS)黏结捕获周围的碎屑颗粒而形成的[1-5]，这些微生物固着于底质形成生物膜，在层理面上形成纹层时就构成了微生物席生态系[6]。Riding[2]依据宏观组构将微生物碳酸盐岩划分为叠层石、凝块石、树形石、均一石四类；梅冥相[7]补充了核形石和纹理石；针对宏观组构模糊、难以归为上述类型者，韩作振等[8]补充了附枝菌格架岩类型。微生物碳酸盐岩不仅是研究古环境古气候和地质历史事件的重要材料[9-20]，还是潜在的油气储集层[21-28]。

微生物碳酸盐岩主要组分包括钙化微生物、泥晶方解石、微亮晶和亮晶方解石、碎屑颗粒及孔隙[2]。微生物功能群既能对地质环境变化产生响应，又可通过元素循环或矿物转变等反馈方式影响环境。微生物碳酸盐岩有34.5亿年历史[29]，通过沉积岩石学、地层古生物学、地球化学、地球生物学等研究手段，剖析泥晶方解石、微亮晶和亮晶方解石、碎屑颗粒组分中赋存的生物圈演化信息及经济价值的研究成果较丰富[30-52]。例如，近年来，在全球尤其是在南大西洋边缘的微生物碳酸盐岩中，油气勘探不断取得突破[21,23,26]。美国石油地质学家协会先后在2010年、2013年出版的专刊中，突出了裂谷盆地中湖相微生物碳酸盐岩的储层岩石学、孔隙特征及地质建模等研究[21]。2013年，伦敦地质学会组织针对性更强的会议，探讨了微生物碳酸盐岩的时空分布及在全球油气勘探开发中的应用[23]。2014年6月，巴西近海的桑托斯盆地下白垩统微生物碳酸盐岩中获得超过50万桶/天的高产原油，石油地质储量超过500亿桶。2015年，伦敦地质学会出版专辑“微生物碳酸盐岩的时空分布”，除了重点展示桑托斯盆地的湖相微生物碳酸盐岩储层地质的认识，还分时代对全球不同地区的微生物碳酸盐岩沉积、成岩、孔隙等进行了阐述[26]。我国学者对微生物碳酸盐岩的成因及地质意义研究较多，而对其应用价值，尤其是在石油勘探与开发方面提及较少。因此，笔者拟总结微生物碳酸盐岩孔隙研究进展，并就其发展趋势与应用提出一些拙见。

1 孔隙类型

孔隙受到沉积作用、成岩作用及构造破裂作用等共同影响[53]。基于不同油气地质研究需要，Archie[54]、Choquetteetal.[55]、Lucia[56-58]、Lønøy[59]等对碳酸盐岩孔隙进行了分类(表1)。微生物碳酸盐岩形成包括微生物捕获黏结碎屑、生物诱导或影响的沉淀作用、非生物成因沉淀作用等三个过程，这些过程可以形成具有组构选择性的孔隙以及大量微米—亚毫米级微孔隙，例如粒间(溶)孔、晶间(溶)孔、遮蔽孔、鸟眼孔、晶洞、粒内孔及铸模孔、晶模孔等等(图1)。受微生物群落类型及沉积环境等因素影响，不同沉积过程可以形成不同的孔隙类型。例如微生物捕获黏结碎屑颗粒，以粒间孔、粒内孔及铸模孔为主，而微生物诱导及影响的沉淀过程，如微生物自身钙化、微生物席内细菌诱导的沉淀作用等，容易形成格架孔、遮蔽孔及粒内孔等，而无生物参与的物理化学沉淀作用则可以形成晶间孔、粒内孔及泡状孔等。此外，受到沉积期、早成岩期的近地表成岩作用，还可以发育洞穴、裂缝及孔洞等非组构选择性孔隙。因而Choquette和Pray的孔隙分类方案[55]被广泛应用。随着微生物碳酸盐岩研究的深入，基于Riding[3,60]将微生物成因沉积物分为微生物岩、填隙沉积物和周围沉积物，Corbettetal.[61]依据孔隙赋存的沉积物类型，将微生物碳酸盐岩中孔隙分为生物建造内孔隙、生物建造间孔隙和周围沉积物孔隙等，并以叠层石建造内孔隙为例，解剖了孔隙纵向形态变化等特征。这种基于微生物成因的针对性孔隙分类设想值得肯定，但仍需大量深入的探索。

2 孔隙成因分析

2.1 微生物沉积作用

2.1.1 微生物相关组构

微生物相关沉积可形成微型、中型、大型、巨型等不同规模的沉积组构[2,21,47]，这些组构影响了孔隙的大小及空间分布(表2)。真菌等组分的腐烂可以形成微孔隙[63]。核形石微生物作用形成致密包壳层后可阻止后期大气淡水等流体溶蚀核心，从而抑制铸模孔形成[21]。凝块石中凝块的大小、分选、排列等沉积结构的差异可导致不同凝块石孔隙度相差十余倍、渗透率相差两个数量级[65-66]。包壳状凝块石白云岩中可能以孤立溶孔为主、而泡沫绵层叠层石白云岩，则可能发育顺层分布的窗格孔[24]。巴西Campos盆地侏罗系和全新统中不规则凝块石结构，形成的孔隙形态复杂但连通性较高，而席状叠层石则具有简单孔隙形态和较低连通性，呈垂直结构分枝状叠层石孔隙形态简单但连通性中等—较低[65]；阿曼盐盆新元古界微生物岩平行层状构造是高渗孔隙带发育部位。

表1 可用于微生物碳酸盐岩孔隙的主要分类方案[3,54-61]

图1 微生物碳酸盐岩中孔隙类型a.凝块石的凝块结构(黄色箭头)之间发育大量粒间孔，孔隙内壁发育有等厚的亮晶胶结物，West Willow Creek油田，15-24B号岩芯，1 455.8 m[27]；b.微生物生长位置的晶模孔、铸模孔，周边为致密碳酸盐泥。孔隙被镶边状微生物组构部分充填或桥接(浅棕色)，灰泥沿着晶体生长面呈帘状分布，Skyline 16号岩芯，198.3 m[27]；c.白云石晶间孔和菱形晶模孔，Skyline 16号岩芯，198.3 m[27]；d.凝块石中发育的大量不规则窗格孔，整体呈层状分布，科罗拉多州Piceance盆地始新统Green River组[62]；e.细菌成因的丛状组构内的微米级微孔隙，意大利Bagni di Tivoli地区[63]；f.多面体状的粒内孔，欧洲西北部南二叠纪盆地Zechstein 2 层的WK-8井SK.XVII 0.2号样品，3 109 m[64]Fig.1 Various Types of Pores in Microbial Carbonates

表2 微生物相关沉积、成岩作用对孔隙的影响

2.1.2 微相叠置型式

微生物种属、生长方式、矿化和黏结捕获能力、水体能量、底质及颗粒类型等等多种因素影响了岩石微相类型及共生叠置型式。这种纵向变化特征影响了赋存于其中的孔隙类型、体积、分布及厚度规模等。美国阿拉巴马州西南部的Little Cedar Creek油田上侏罗统Smackover组大量孔隙发育在凝块石/微生物成因颗粒灰岩/泥粒灰岩的叠置组合中[67]，包括分布在沉积构造内的孔隙、孔洞及成岩改造孔隙等类型，孔隙度和渗透率最高可达20%、7 953×10-3μm2。欧洲(丹麦、德国、英格兰)上二叠统Zechstein 2(Z2)地层中平坦层状叠层石/含鲕粒波状叠层石/凝块石/核形石灰岩叠置组合的孔隙度可达12%[68]，微生物丝状体溶蚀形成的层状孔隙以及黏结捕获的颗粒的粒内孔、铸模孔是主要贡献者；至波兰西北部同样层位中，具缝合线、收缩缝和交错层理的叠层石/凝块石/鲕粒灰岩/核形石叠置组合的孔隙度最高仅为8%，而层状叠层石/凝块石/压扁构造的球粒白云岩的孔隙度小于2%。

2.1.3 沉积环境及微地貌

微生物碳酸盐岩及共生岩性的沉积环境和沉积地貌的不同，海水或早成岩大气淡水环境溶蚀—胶结作用次序及程度的差异，会对孔隙的形成、改造、规模及分布等造成影响(表2)。微生物席可发育在深水海盆、斜坡、台地、缓坡、潮坪甚至是热泉、洞穴等极端环境中[19,69]，导致微生物岩横向分布及孔隙发育规律的复杂性。Sowakiewicz[64]发现Zechstein 2(Z2)地层的微生物碳酸盐岩中孔隙发育程度依次变差的相带为：斜坡上部、潮下—潮间带、台缘浅滩、斜坡脚及潟湖(图2)。即使是同一相带，受高频沉积旋回及微地貌起伏的影响，也会导致微生物碳酸盐岩发育分布的差异性、孔隙分布的非均质性[70-71]。相对海平面波动的幅度及频率差异，不同相带微生物碳酸盐岩及共生岩相所处海水或大气水环境也有差异，导致胶结、溶蚀作用次序及程度不同。台地浪基面之上的水体能量高，可沉积微生物碳酸盐岩、微生物包壳粒—生屑灰岩等单元，粒间孔、粒内孔等原生孔隙中难充填灰泥，易形成内衬于孔隙壁或组构边缘的多形态早期胶结物，一定程度上可抵抗压实作用，保存原生孔隙[72-73]。浪基面之下斜坡带微生物相关沉积物的纵向加积—横向进积也可形成较厚的顶平透镜状丘体，但是原生孔隙多被灰泥充填。在相对海平面下降幅度较小且湿润古气候条件下，台地浅水沉积物中的文石等不稳定矿物更易于发生选择性溶蚀而形成大量次生孔隙[26]。但是受大气水溶蚀作用较弱的斜坡带，次生孔隙则多是埋藏成岩时形成的裂缝及相关溶蚀孔隙[21,26]。美国阿拉巴马州Little Cedar Creek油田上侏罗统Smackover组处于建隆部位凝块石的孔隙形成优质储层，而建隆之间的致密凝块石则为隔夹层[67]。高分辨率地层格架中对比同一沉积相带内不同部位的微生物碳酸盐及相关微相组合，可以深化认识孔隙与微生物相关沉积关系。

图2 欧洲西北部南二叠纪盆地Zechstein 2碳酸盐岩沉积模式[64]几乎所有孔隙参数具有向盆地方向减小的趋势。Miów-1 和 Benice-1井的数据来自具有薄的层状和波状构造的微生物碳酸盐岩，不是来自储层中的颗粒灰岩或泥粒灰岩，而盆地相的数据来自浅水盆地(海湾)相。各相中简易符号代表不同的微生物碳酸盐岩Fig.2 Depositional model for the Zechstein 2 Carbonate (not to scale)[64]note that almost all petrophysical parameters decrease basinwards. Petrophysical data from wells Miów-1 and Benice-1 are derived from thin planar and crinkly microbialites, not from ooid grainstones or packstones which may represent reservoir facies. Note that the petrophysical data for basin-plain facies are derived from shallow-basin (embayment) facies. The schematic symbolsrepresent different kinds of microbialite

2.2 微生物相关成岩作用

2.2.1 微生物白云石化

2.2.2 微生物胶结作用

2.2.3 岩溶作用

微生物在大气水环境及埋藏环境中，均可以对碳酸盐岩或共生的硫酸盐岩的岩溶作用产生重要影响，进而有利于次生孔隙的形成(表2)。岩石微生物以相互协作或共生为主[105]，它们可以在岩石表面钻孔形成微米级的连通孔隙，有利于微生物的定植及扩张成生物膜甚至是微生物席，再通过生理活动，既可以产酸，还可以实现岩石与雨水、空气中碳、氮及土壤颗粒等物质的交换，导致岩石的溶解、破裂，形成土粒，直至风化成土[40,106-108]。此外，某些微生物如真菌菌丝的生长、钙化，或者吸收空气中的CO2，可以促进碳酸钙沉淀，充填孔隙。但是，总体而言，处于开放的大气成岩环境中的碳酸盐岩发生的岩溶作用，会显著增加洞穴、孔洞、裂缝等非组构选择性孔隙，而微生物起到促进作用。就封闭的埋藏成岩环境而言，与硫酸盐岩共生的碳酸盐岩层系中，微生物如细菌的硫酸盐还原作用及其驱动的硫酸盐岩溶解作用，可以促进硫酸盐岩岩溶的发育[109-112]，形成的硫化氢溶于水形成的氢硫酸，对碳酸盐岩有着强烈的溶蚀性，可以增加孔隙度并增强孔隙的连通性[113-116]。

3 孔隙的研究方法技术

样品代表性及定性—定量数据的精度是孔隙研究的关键[64,117]。微生物碳酸盐岩中孔隙直径变化大，从纳米—亚微米级微孔隙到洞穴等均可发育，且赋存于不同尺度的结构、构造中或与之密切相关[2,24,28,61,63-66,117-121]。例如，层状叠层石内各尺度孔隙均易呈似层状分布，指状—穹窿状叠层石中—大孔隙多集中于指状结构内部，而微孔隙仍可能在指状叠层石的纹层内呈似层状分布[27,61]。凝块石内凝块结构发育部位可发育管穴状中—大孔隙，不发育部位多为毫米—微米级微孔隙[24,27,63]。核形石的核心可能被溶蚀形成中—大孔，而包壳的暗层内微生物降解则易形成微米级微孔隙[27]。微生物(如水下硫氧化细菌群落)定殖在碳酸盐表面通过新陈代谢形成的硫酸促进地下喀斯特作用，对洞穴形成起到积极作用[118]。

因此，若简单地根据所做测试项目样品的规格要求，采集的样品可能没有微生物沉积构造大，或者没有覆盖不同尺度沉积构造，导致数据无法反映不同尺度孔隙空间分布特征，难以解释微生物相关作用对孔隙的影响，进而难以分析孔隙成储机理。若全面研究不同尺度孔隙的类型、参数、分布及成因等特征，不仅需要采用露头、岩芯、成像测井、铸体薄片等定性—半定量技术手段，还应利用氦气孔隙度、高压压汞、恒速压汞、气体吸附等方法技术，获取孔隙度、渗透率及孔隙结构等定量数据。同时，应用扫描电镜、气体吸附、聚焦离子束电镜(FIB-SEM)等可以对亚微米—纳米级微孔隙进行表征。近年来，通过核磁共振成像、CT扫描等技术方法，不仅可以实现孔隙二—三维空间分布的直观成像，还能对孔隙孔径分布及对应孔隙度、孔喉结构等进行定量分析[117]。

4 应用实例

基于微生物沉积构造对孔隙影响的角度，Corbettetal.[61]以叠层石为例，提出典型单元体法(Representative Elementary Volume)。即采集含有完整微生物构造的典型叠层石样品，它们代表了不同大小、形态及溶蚀胶结程度等。利用薄片、CT扫描、图像分析等技术研究，可以研究叠层石内孔隙类型、体积、空间分布及耦合特征等，进而能较好地分析整个叠层石岩层的孔隙特征，减小局部样品测试带来的误差。运用医用CT获取8 cm×8 cm×4 cm岩样的较低分辨率的图像，在此基础上选取1 cm×1 cm×3 cm岩样，用微CT扫描获取高分辨率图像和数据，分析发现该地区叠层石灰岩生物沉积结构影响了层状分布的孔隙：底部生物层内的“地窖式”孔隙，呈拉长撕裂状，连通性最好；中部为“主厅式”孔隙，孔隙度最大，主要由枝状遮蔽溶洞和钻孔形成；上部“阁楼式”生物层内原生孔，孔隙度明显减少(图3)。这些孔隙形态纵向演变特征，反映了生物结构不断演化对孔隙的控制，而这些演化又受到沉积水体深度、水动力条件等沉积因素的影响。

Rezendeetal.[65]利用CT多次扫描微生物岩建造样品的横切面(间距1.22 mm)，得到了198张相当于“时间切片”的图像(图4)。每张图像反映了该层内部沉积组构和孔隙的分布及相互关系，对所有“时间切片”的连续分析可以探讨它们的纵向演化过程，再结合岩石学、碳氧同位素、阴极发光、岩石物理测试等，将微生物建造的三维模型与沉积、地层和岩石物理模型相结合，有助于改善储层孔隙模型质量，更好地表征储层相关属性，达到更完善开发资源的目的。

5 发展趋势

运用多种技术方法，系统开展微生物碳酸盐岩孔隙研究，重建沉积—成岩等地质因素的成孔过程，预测孔隙分布及规模等。目前对孔隙分类、成因及表征等有益的探索表明，通过合理配置测试样品，综合多种技术方法定性—定量表征多尺度孔隙的空间结构及参数配置等耦合特征是重要基础。即应遵循宏观到微观的思路，保证样品的空间配置合理，即通过岩芯描述、全直径岩芯的工业CT扫描、核磁共振成像等测试，获取中—大孔参数及分布，进而明确小柱塞样品位置，应用微米/纳米CT扫描、核磁共振、铸体薄片等多种实验手段，获取中—微孔数据及分布，最后运用扫描电镜、高压压汞等技术研究纳米—亚微米等微孔隙。合理融合获取的不同分辨率的孔隙参数数据，而不是简单地拼合数据，进而提高表征精度[117]。在此基础上，定性—定量探讨沉积特征对孔隙的影响，分析成岩作用对孔隙的改造，重建孔隙演化过程。

图3 低分辨率CT扫描图像及高分辨率微CT图像中叠层石灰岩中孔隙特征[61]Fig.3 Pore characteristics of high-resolution micro-CT image nested within the low-resolution CT image[61]

图4 微生物岩建造样品的“时间切片”的系列图像[65] Fig.4 “Time” Slice Series of Microbialite Buildup[65]

多学科结合，是准确评价微生物碳酸盐岩孔隙形成储集层的潜力的可靠途径。岩石组分、结构等变化会使得所有尺度上对其岩石物理参数的观测和测量产生一定的不可预测性，从而对勘探、储量计算等工作带来挑战[122-123]，而微生物碳酸盐岩内生物结构的特殊性无疑增加了挑战难度。如岩石密度、P波速度，电阻率及磁导率等均与沉积物、成岩演化过程等有关，而这些参数的准确性又影响孔隙度、渗透率甚至是储集层厚度规模等计算结果。以岩石密度为例，与其他碳酸盐岩不同，微生物自身降解可以使得微生物岩中产生大量微孔隙，会影响密度的准确测定及其他相关的岩石物理参数的准确计算。因此，在多尺度孔隙表征数据融合基础上，运用不同训练模型对测得岩石物理数据的分析，分别预测岩石类型，并与相应深度岩芯微相分析结果进行对比分析，计算各模型预测的精度，进而选取高精度模型，对未取芯层段的岩性，进行基于岩石物理数据的解释，提高有利储集相带预测精度[124-128]，为后续储层评价预测提供参考。可见，加强地质学科与地球物理学科的结合，是推动微生物碳酸盐岩油气地质研究和勘探开发生产工作的重要途径。

6 结语

(1) 微生物诱导或影响的矿化作用、对颗粒的捕获黏结作用以及非生物沉淀作用等可形成粒间(溶)孔、晶间(溶)孔、遮蔽孔、鸟眼孔、晶洞、粒内孔及铸模孔、晶模孔等具有组构选择性的孔隙以及大量微米—亚毫米级微孔隙。针对微生物碳酸盐岩孔隙分类主要依据其与微生物沉积结构的关系，仍需要大量深入的研究。

(2) 微生物碳酸盐岩中孔隙受到微生物功能群落、相关沉积组构、微相叠置型式、沉积地貌及环境等微生物相关沉积过程及作用的影响，而微生物白云石化、胶结作用及岩溶作用等微生物相关的成岩作用，则对原生孔隙保存及改造形成的次生孔隙有积极意义。

(3) 微生物碳酸盐岩孔隙具有从纳米—亚微米级微孔隙到厘米甚至米级宏观孔隙等多个尺度，且与多尺度沉积结构构造有一定的耦合关系，系统而准确地表征各尺度孔隙需要合理配置不同尺度样品的空间分布，再运用多种方法技术进行综合分析测试，并增强数据的融合。加强地质学科与地球物理学科的结合，是推动微生物碳酸盐岩油气地质研究和勘探开发生产工作的重要途径。

致谢 感谢中石油勘探开发研究院罗平教授、西南石油大学陈景山教授、胡广博士、李飞博士等在成文中给予的有益建议，感谢匿名审稿专家及编辑老师的宝贵意见。