黔北金沙岩孔地区灯影组储层特征与成岩作用

王 旭,付小东,徐国盛,林雪梅,颜瑞晶,曹子颜

(1.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; 2.中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023)

黔北地区及其相邻的四川盆地东南缘震旦系灯影组(Z2dn)目前是南方油气“下组合”天然气勘探的重要目的层[1]。1964年，首次在四川盆地震旦系发现威远大气田，后于乐山龙女寺古隆起的龙女寺、安平店、高石梯等构造高部位的震旦系获得产能，但均未获得大的勘探成果。直到2012年，高石梯-磨溪地区高石1井的灯影组第二段测试获得日产天然气1.07×106m3高产气量[2]，使得四川盆地及其周缘震旦系的研究有了突破，展示了巨大的勘探潜力[3-5]，为四川盆地及其周缘地区震旦系的勘探奠定了基础，引发了更多学者去关注和研究古老碳酸盐岩地层[6]。

四川盆地灯影组储层形成时代老、埋藏深、演化历史长，且受多期成岩作用和构造活动的改造，使得对于灯影组储层的研究较为困难[7-8]。单秀琴等[9]和杨威等[10]认为四川盆地灯影组白云岩储层具有相控型岩溶储层的特点。张得彦等[11]认为晚期构造作用形成的裂缝为黔北金沙县岩孔地区现今储集岩提供了良好的渗流通道和储集空间。林孝先等[12]和郝毅等[13]认为灯影组第二段的“葡萄花边”白云石是在原岩已存在的缝、洞中生长的胶结物。前人针对灯影组储层多类型、多期次的成岩作用与储集性能关系的研究认识不统一，对于黔北地区灯影组白云岩储层的研究也较少。本文以黔北金沙县岩孔地区灯影组野外露头为基础，结合岩石薄片显微鉴定、储集岩物性分析、阴极发光以及原位激光微区痕量元素分析等手段，研究四川盆地南缘岩孔地区灯影组储层特征以及成岩作用特征，为盆内灯影组天然气勘探提供借鉴。

1 研究区构造及沉积背景

黔北地区经历了都匀运动、广西运动、印支运动及燕山运动4个主要的构造运动阶段，这一系列构造运动以及地质演化规律直接影响了黔北地区的构造形态及地层展布，并且对盆地性质的变迁和构造变形的特点起着强烈的控制作用。区域内发育多条褶皱，并且伴有剧烈的断层活动。岩孔剖面处于黔北地区黔北斜坡金沙凸起松林-岩孔背斜上(图1)，该背斜在平面上较为开阔，走向上呈“S”形分布，发育多条北东走向的高角度逆断层。褶皱和断裂的发育是黔北地区主要的特征之一，而且对于该地区的地层展布有明显的控制作用[14]。其中背斜核部出露最老地层是灯影组，周围分布寒武系等多套地层。黔北地区灯影组时期主要发育浅水碳酸盐台地沉积，为局限台地沉积相带，这为后期油气的储集提供了良好的物质条件[15-20]。

2 储层特征

2.1 储层岩石学特征

通过对岩孔剖面野外勘探以及剖面实测可知，灯影组主要为一套潮坪-灰泥丘-台内滩的局限台地沉积[21]，与下伏地层陡山沱组(Z2ds)不整合接触，与上覆地层寒武系筇竹寺组(C-1q)黑色页岩为不整合接触。该剖面出露地层为灯影组第二段(简称“灯二段”)、灯影组第三段(简称“灯三段”)和灯影组第四段(简称“灯四段”)，实测厚度为276.6 m(图2)。灯二段(未见底)为一套以藻粘结白云岩、葡萄花边状白云岩、藻砂屑白云岩为主的台内滩-潮坪-灰泥丘沉积(图3-A、B、D、E、F)，厚度为233.8 m；灯三段为一套以泥粉晶白云岩为主的潮坪沉积(图3-G)，厚度为18.0 m；灯四段为一套以残余藻砂屑粉晶白云岩、残余砂砾屑粉晶白云岩、藻粘结白云岩为主的台内滩沉积(图3-C、H、I)，厚度为24.8 m。

2.2 储集空间特征

通过岩石薄片观察发现，研究区灯影组主要的储集空间类型有：晶间孔、粒内溶孔、藻格架(溶)孔等。灯二段葡萄花边状白云岩及泡沫绵层白云岩中多发育藻格架溶孔(图4-A、B)，但孔隙一般较小，这类晶间孔的面孔率为1%～2%。灯四段中的残余藻砂屑粉晶白云岩以及含砾屑砂屑白云岩中发育粒内溶孔(图4-C、D)、晶间溶孔(图4-E)、藻粘结白云岩中发育藻格架残余孔(图4-F)，面孔率可达8%～10%，孔隙连通性好，少有裂缝；碎屑颗粒第一次遭受溶蚀后被白云石矿物充填，之后再遭受第二次溶蚀，易形成粒内溶孔或者铸模孔。

2.3 储层物性特征

选取36块灯二段、灯三段、灯四段的野外岩石样品进行孔隙度测试，结果表明灯影组储层孔隙度(q)范围为1.56%～11.94%，平均孔隙度为4.55%，90%的样品孔隙度都大于2%，仅有10%左右的样品孔隙度大于8%(图5)。分析不同岩性的平均孔隙度可知(表1)，葡萄花边状白云岩、藻团块白云岩以及藻粘结白云岩孔隙度相对较高，泥粉晶白云岩孔隙度相对较低。对11块样品进行了渗透率测试，渗透率(K)范围为(0.005～1.981)×10-3μm2，平均渗透率为0.226×10-3μm2，且绝大多数样品渗透率小于1.00×10-3μm2，半数以上样品渗透率小于0.01×10-3μm2(图6)，表明该地区灯影组储层岩石渗透率低、孔隙连通性差。总体上，研究区的储层物性表现为低孔低渗的特点，且非均质性强。

表1 岩孔剖面灯影组不同岩性不同层位孔隙度统计Table 1 Statistics of porosity in different lithologies and different horizons of Dengying Formation in Yankong section

3 主要成岩作用类型

3.1 压实、压溶作用

压实、压溶作用贯穿于该地区碳酸盐岩成岩的全部过程中。在颗粒碳酸盐岩中，压实作用表现为颗粒的破裂和重新排列，颗粒的接触方式由漂浮状变为点接触-线接触。随压实强度的增大，会发生压溶作用，产生缝合线。研究区灯影组埋藏深度一般>6 km，在如此深的埋藏过程中会受到较强的压实作用，在经历压实、压溶作用后，岩石原生孔隙大量减少。

3.2 胶结充填作用

储层孔、缝、洞中胶结充填的矿物特征可以用于指示相应的地质事件，矿物的胶结充填序列则指示对应地质事件发生的相对时序。碳酸盐岩储层胶结充填矿物的发育期次往往可以根据不同成岩环境和成岩阶段的特征来进行识别[22]，碳酸盐岩胶结物及充填物的阴极发光特性则为成岩环境和成岩矿物期次的识别提供了重要依据[23]。研究区灯二段的葡萄花边状白云岩、藻粘结白云岩中藻格架孔非常发育。早期形成的孔洞都被不同期次的白云石胶结物充填。通过孔洞中充填的白云石胶结物的形态、大小、阴极发光特征以及原位激光微区痕量元素分析，将孔洞中充填的白云石胶结物分为3个世代。

第一世代为海底环境白云石，形态以纤柱状、叶片状、马牙状为主，是沿着藻格架窗格孔或者泥晶颗粒孔边缘生长的环带状胶结物，晶体的长轴一般<0.5 mm，这一类胶结的白云石是原生格架孔洞减少的主要原因之一(图7-A)。这一世代白云石的痕量元素数据(表2)表明，Na、K、Ba含量较其他胶结物要高，Fe、Mn含量较低，Fe/Mn含量比值较高，在阴极射线下不发光(图7-B)，说明纤柱状胶结物可能形成于盐度较高的水体环境中，依然保持着原始海水的信息，是海底环境下的产物。

第二世代为浅埋藏期的粉晶粒状白云石，这类白云石以等轴粒状的形态形成于纤柱状、叶片状白云石之后的藻格架孔洞中，或直接以粉-细晶粒状充填于较小的藻格架孔中，晶体较为干净，晶粒一般<0.1 mm(图7-C)。这类胶结物在颗粒岩中较为发育，可能由于开放的孔隙系统和较强的水动力条件不利于海底胶结物生长，更有利于浅埋藏期的胶结物发育。该期白云石Na含量相对于海底胶结物有明显减少，K、Ba含量减少不明显，但又高于第三世代埋藏期白云石，Fe、Mn含量明显增加，Fe/Mn含量比值降低，在阴极射线下发暗红色光(图7-D)。因此，该世代白云石可能形成于封闭在地层中的海水和下渗的大气淡水的混合水环境中，是浅埋藏成岩环境下的产物。

表2 不同世代白云石胶结物的原位激光微区痕量元素持征Table 2 In-situ laser micro-region microelement data of dolomite cement of different generations

测点位置为图7中红点位置。测试仪器为GeoLas-HD-ICP-MS;激光束直径为30 μm

第三世代为埋藏期的中-粗晶白云石，这一期白云石主要形成于前两个世代白云石之后的藻格架残余孔洞中，晶体明亮粗大，形态较规则，半自形-自形晶，晶粒大小0.1～1.5 mm(图7-E)，减少10%～50%的孔隙空间，对储层的破坏性较大，但也可见部分残余晶间孔。该期白云石的Na、K、Ba含量较前两期白云石明显减少，Fe、Mn含量大幅度增加，Fe/Mn含量比值<5，阴极射线下发红光(图7-F)，白云石中含有较多液态有机烃包裹体，均一温度较高[24]。该期白云石胶结物主要充填于与液烃伴随的有机酸溶蚀作用有关的溶孔洞、溶缝内，这说明该期白云石已经脱离海水，形成于盐度较低的水体环境中，是中-深埋藏环境下的产物。

3.3 白云石化作用

该地区灯影组的岩相基本表现为白云岩。前人研究表明，在灯影组沉积时，受蒸发作用影响，四川盆地灯影组发育较多的膏岩类蒸发矿物，并且在四川盆地南部长宁-甘洛一带，以及宁1井灯一段都发育大量的膏岩层[14]，表明灯影组在沉积时水体受限，盐度较高。该地区灯影组白云岩主要为泥-粉晶白云岩，白云岩的阴极发光普遍比较昏暗，多为暗红、褐红色(图8-A、B)，表明海源流体是白云石化的主导流体[25]。痕量元素分析表明(表3)，基质白云石中K、Na、Sr含量均较高，Fe、Mn含量较低，表明其形成于盐度较高的海源流体环境，白云岩的形成时间较早，对应于准同生期—早成岩阶段[26]。从孔洞海底胶结物的生长习性看，以纤状、叶片状和锥纤状为特征(图8-C)，其仍为文石后期云化的产物，非直接沉淀成因。从干净明亮的大气淡水白云石对基质白云石的交代来看(图8-D)，沉积物沉积时也并非是白云石。所以，灯影组沉积物形成时水体持续受限，海水盐度高，蒸发作用强烈，且由于灯影组大量繁殖菌藻类消耗Ca2+，导致Mg2+富集，灯影组海水演化为高镁高盐度的水体，在盐度梯度驱动下向下不断与早期沉积的灰泥或文石接触，最终沉积物发生回流渗透白云石化作用[27]。因此，研究区灯影组白云石化机理为微生物参与的蒸发海水回流渗透白云石化。

表3 泥晶白云石的原位激光微区痕量元素特征Table 3 Trace element data of in-situ laser micro-regions of mud crystal dolomite

测试仪器为GeoLas-HD-ICP-MS；激光束直径为30 μm

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用是酸性流体或大气降水使碳酸盐岩发生选择性或非选择性溶解作用，并产生孔洞的有利于储层发育的成岩作用。研究区灯影组储层经历的溶蚀作用可以划分成3个阶段：同生期溶蚀作用、表生期溶蚀作用、埋藏期溶蚀作用。

3.4.1 同生期溶蚀

由于在灯影组沉积时，该地区为潮坪环境，沉积水体较浅，加之丘滩复合体的生长速率较快，形成等效海退和早期暴露，大气淡水会选择性溶蚀早期颗粒及丘格架，从而形成粒内溶孔和铸模孔，但都被浅埋藏期白云石充填。丘滩体顶部有暴露干裂特征(图9-A)，海平面上升时，这些干裂缝又被海底纤状白云石和浅埋藏粒状白云石充填。干净明亮的大气淡水白云石胶结物的存在同样也是大气淡水作用的重要标志(图8-D)。

3.4.2 表生期溶蚀

震旦纪末期受到桐湾运动的影响，在灯二段/灯三段和灯四段/下寒武统之间形成2个不整合面，造成灯影组强烈、广泛的表生期溶蚀。研究区灯二段和灯四段中藻粘结白云岩中发育大量溶蚀孔洞，并且可见岩溶角砾，角砾内的孔洞也被后期白云石充填(图9-B)。研究区灯二段白云岩中发育大量葡萄花边状构造，发育较大的孔洞，但都被多期白云石、石英胶结充填(图9-C)。前人研究认为，“葡萄花边”构造的形成是与不整合面的淡水淋滤有着密不可分的关系[28-29]。

3.4.3 埋藏期溶蚀

埋藏期溶蚀一般与有机酸和热液作用有关，埋藏过程中，有机质开始大规模成熟，此过程中形成的含大量有机酸、CO2等腐蚀性组分的酸性地层水，对碳酸盐岩进行溶蚀。研究区内溶蚀作用体现为优先溶解前期各种孔、洞、缝中的亮晶胶结物，部分恢复或扩大原来的储集空间，溶蚀孔洞中可见沥青(图9-D)。

3.5 硅质交代作用

在碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中，原来的矿物和组分被硅质矿物取代的作用称为硅质交代作用。研究区内硅质交代孔洞中的纤状白云石，并充填了原生孔洞，主要发生在早成岩阶段，该期石英充填可减少5%～10%的孔隙空间(图10-A)。

3.6 重结晶作用

重结晶作用是指在成岩过程中，矿物的晶体形状和大小发生变化而主要矿物成分不改变的作用。研究区内泥微晶白云石重结晶形成微亮晶白云石或细-中晶白云石，白云石晶体大，表面不光滑(图10-B)，可以形成少量晶间孔隙，应发生在埋藏成岩阶段。

4 成岩环境与成岩演化序列

研究区灯影组白云岩成岩作用复杂。压实、压溶作用，多期白云石胶结物充填作用以及硅质交代作用都导致孔隙空间大幅度减少；多期溶蚀作用又形成大量优质孔隙空间。研究区灯影组经历了多类型，多期次的成岩作用的改造和叠加，其成岩过程经历了(准)同生成岩阶段、早成岩阶段、表生成岩阶段、中-晚成岩阶段(图11)。

a.(准)同生成岩阶段。该阶段沉积物与沉积介质还保持着联系，在海底环境中准同生期白云石化作用形成了泥微晶白云岩，产生大量原生孔隙；第一世代纤柱状白云石的胶结充填将大量孔隙破坏；在大气水、混合水环境中，沉积物周期性暴露于海平面之上，受大气淡水影响，发生同生期的选择性溶蚀作用，形成粒内孔、铸模孔等。

b.早成岩阶段。随着上覆地层的沉积，下伏地层所承受的压力逐渐增大，开始发生强烈的压实、压溶作用，破坏了孔隙空间；同时在第二世代粉晶粒状白云石胶结充填作用以及硅质交代作用，进一步充填原生孔隙并且将同生期溶蚀形成的孔隙破坏。

c.表生成岩阶段。受灯影组末期的桐湾运动影响，研究区灯影组被抬升至地表，遭受大气淡水的淋滤改造，发生强烈的表生期溶蚀作用，形成大量溶蚀孔洞；同时这些孔洞也被葡萄花边状白云石以及岩溶角砾、渗流粉砂充填。

d．中-深埋藏阶段。三叠纪晚期，灯影组埋深逐渐增大，地层压力、温度不断升高，有机质开始大规模成熟，埋藏期溶蚀作用形成溶蚀孔洞，对孔隙进行调整改造，形成沥青残余，主要充填第三世代中-粗晶的白云石胶结物，重结晶作用也主要发生在该阶段。

5 结 论

a.岩孔地区出露灯影组第二段、第三段和第四段，主要发育葡萄花边状白云岩、藻粘结白云岩、泥粉晶白云岩、残余砂屑粉晶白云岩、残余藻砂屑粉晶白云岩等。研究区灯影组主要的储集空间类型为晶间孔、粒内溶孔、藻格架(溶)孔等，储层平均孔隙度为4.55%，平均渗透率为0.226×10-3μm2，属于非均质性强的低孔低渗储层。

b.研究区灯影组储层主要白云石化机理是微生物参与的蒸发海水回流渗透白云石化。该区白云岩经历了3个世代的白云石胶结充填作用，分别为：第一世代海底环境形成的纤状白云石、第二世代浅埋藏环境下的粒状白云石以及第三世代中-深埋藏环境下的中-粗晶白云石。同时，该区白云岩经历了3期溶蚀作用，分别为：同生期溶蚀作用、表生期岩溶作用及埋藏期溶蚀作用。

c.综合灯影组白云岩的岩石学特征以及地球化学特征认为，研究区灯影组经历了多类型、多期次的成岩作用的改造和叠加，其成岩过程经历了(准)同生成岩阶段、早成岩阶段、表生成岩阶段、中-晚成岩阶段。在此基础上建立了研究区灯影组成岩演化序列，可为今后四川盆地边缘和盆地内部的灯影组白云岩储层研究提供理论基础。