川西龙门山前带雷口坡组四段古表生期大气水溶蚀作用对储集层的影响

李 勇，邓美洲，李国蓉，高恒逸，王琼仙,何 赛

(1.中国石化 西南油气分公司 勘探开发研究院,成都 610041；2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610059)

近年来，中国石油化工股份有限公司西南油气分公司在四川盆地西部中三叠统雷口坡组天然气勘探中取得了重要进展[1-3]。2014年1月，位于川西龙门山前带金马构造的A4井测试获天然气日产量121.05×104m3。随后实施了A3、A2、A1、A5 和A6 等5口滚动评价井，对气藏展开评价，提交预测储量和控制储量都超过千亿立方米，龙门山前带雷口坡组四段已成为中国石化“十三五—十四五”天然气增储上产的重点领域。该地区属于新型潮坪相储层，地层岩性组合多样，埋深近6 000 m的井段仍发育平均孔隙度为5.1%的优质储层[4-5]。

碳酸盐岩溶蚀作用期次、识别标志及相关成储机制，已成为当今碳酸盐岩领域最前沿的研究热点和困扰油气勘探开发实践活动的重要问题[6-10]。针对整个四川盆地及川西地区雷口坡组储层，众多学者进行了大量研究，取得了丰硕成果，从层序、沉积、白云化作用、胶结作用的角度分析了其对储层发育的控制作用[11-14]，认为雷口坡储层发育受沉积相带、高频层序、准同生白云化作用、多期次溶蚀作用等几个因素控制，而就溶蚀作用期次、每期溶蚀形成孔隙的差异、哪期次的溶蚀作用为主的研究较少。笔者有针对性地采样，并做相应测试分析，利用岩心、普通薄片、铸体薄片、阴极发光、扫描电镜等资料，以期还原该套白云岩储层地质历史中所经历的溶蚀流体及过程，弄清该套白云岩储层的成储机制，为气藏开发提供依据。

1 地质背景

龙门山前构造带位于四川盆地西缘，山前带中段自西南至东北依次发育石羊场、金马、鸭子河3个局部构造，整体为一个受彭县断裂、关口断裂夹持的断背斜构造(图1a)[4]。川西坳陷中三叠世雷口坡期主要为局限或蒸发台地沉积，该地区雷口坡组沉积时，伴随着局部区域的构造升降及干旱、潮湿气候的交替出现，海水频繁进退，形成了石膏—白云岩—石灰岩的沉积旋回组合。雷口坡组自下而上按照岩性差异划分为雷一、雷二、雷三、雷四等4段。雷四时早期，蒸发作用最为强烈，在川西坳陷一带形成了一个大盐湖，以厚大膏盐沉积为主，夹部分深色微晶白云岩；雷四时中晚期，蒸发作用逐渐减弱，迎来了雷口坡期最后一次海侵，海水逐渐淡化，以潟湖、潮坪、藻砂屑滩等亚相沉积为主，由膏盐岩—微晶白云岩互层组合向上变化为以微晶白云岩为主，偶夹膏岩，再向上为微晶白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩、(藻屑)砂屑灰岩组合。雷四段又可进一步细分为上、中、下3个亚段(图1b)：下亚段以膏岩为主，夹白云岩；中亚段膏岩和白云岩互层；上亚段下部以藻云岩、晶粒云岩互层(文中称“下储层段”)，上亚段上部以灰岩沉积为主，夹一套微晶白云岩(文中称“上储层段”)。主要含气层位在雷四上亚段，该段沉积相带为潮坪相，包括潮上带、潮间带和潮下带，储层发育的有利相带为潮间带的云坪、藻云坪微相。受控于印支运动，雷口坡组顶部形成了区域性的不整合面，雷四段遭受不同程度的剥蚀，地层剥蚀量自西向东增加[11]。

图1 川西龙门山前带钻井分布和地层综合柱状图

雷四上亚段上、下储层段均发育优质储层。上储层段的岩性主要为微(粉)晶云岩、含灰(灰质)微—粉晶云岩等，纵向上主要分布于该段的中下部，横向上分布稳定，而中上部则以石灰岩、云质灰岩为主，少量灰质云岩、白云岩；下储层段的岩性以微—粉晶晶粒白云岩、藻凝块白云岩、藻砂屑白云岩、藻纹层白云岩为主，夹白云质灰岩。上储层段以孔隙型储层为主，平均孔隙度8.28%，平均渗透率2.31×10-3μm2，储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主，孔喉细小，大小均一，分选好；下储层段以孔隙型储层为主、兼有裂缝—孔隙型储层，平均孔隙度5.03%，平均渗透率7.06×10-3μm2，下储层的Ⅰ类、Ⅱ类(孔隙度大于5%)储层储集空间以窗格孔、晶间溶孔为主，藻间溶孔次之，顺层、较均匀分布，镜下连通性较好(图2j，k)，Ⅲ类储层岩性以藻凝块白云岩、粉晶白云岩为主，储集空间以藻间溶孔、晶间溶孔为主，局部发育溶蚀孔、洞，且相对孤立存在，多见微裂缝，孔喉复杂，分选性中等—差[4-5]。

2 古表生期大气水溶蚀作用特征及证据

大量薄片、阴极发光资料统计表明，研究区存在3期溶蚀作用：准同生期大气水溶蚀、古表生期大气水溶蚀和埋藏期热液溶蚀。准同生期大气水溶蚀发生在沉积物进入浅埋藏之前，以滩相颗粒灰岩、颗粒云岩中粒内溶孔、颗粒铸模孔发育为标志，有学者研究表明它们都主要在川西地区雷口坡组一段、三段优势发育[6-7]；本次研究仅在个别井局部井段见到：A7井亮晶砂屑灰岩中见到颗粒内部多晶结构现象，这是同生期大气水作用的反映；前人层序研究表明，雷口坡组一段、三段处于有关2个三级层序的海侵时期[9]，雷四上亚段整体是干旱的气候环境，蒸发作用强烈。埋藏期热液溶蚀作用以沿裂缝、高角度缝合线的溶蚀孔洞发育为特征，溶蚀缝洞内有晶形较好的鞍状白云石与长柱状硅化石英晶体共生生长，为高温热液的产物，在本地区能够见到。但更多的岩心、实验分析资料表明古表生期大气水溶蚀、特别是该期次的膏溶解作用在这3期溶蚀作用中占主导地位。

2.1 古表生期大气水溶蚀作用识别标志

印支运动早期，研究区整体抬升，雷四段进入表生成岩环境[11-12]，这套含膏的白云岩地层接受强烈的大气水作用。在开放的裂缝发育区，这种溶蚀作用向下延伸数十米到一百多米，留下了深深的“地质烙印”。现今通过雷口坡组岩心及岩石薄片观察、矿物学及岩石学特征研究，可建立隆起区内雷口坡组印支期Ⅰ幕大气水作用的识别标志。

2.1.1 不规则网络状风化裂缝

在地表及近地表环境中，受温差影响，岩层面易形成网络状风化裂缝系统。在多口井的岩心中见不规则裂缝发育，似“龟背”状，不同于构造裂缝的平直形态；在普通薄片下可见裂缝内被暗色白云石泥所充填；阴极射线下，不规则裂缝内白云石泥发光较围岩部分略有增强，揭示大气水作用的离子交换改造作用较弱(图2a-c)。

图2 川西龙门山前带雷口坡组四段古表生期大气水溶蚀作用识别标志

2.1.2 岩溶及膏溶膏变角砾岩

进入地表及近地表环境，硬石膏会吸水转变为石膏并体积膨胀，导致围岩中裂缝及微裂缝发育，进一步的大气水作用导致石膏溶解，围岩则因为裂缝及微裂缝发育而难以支撑从而进一步垮塌形成角砾岩(图2d-f)。这些角砾内部见成岩缝，局部角砾间的方解石充填物与后文的去膏化方解石具有相似性，角砾间填积物受到浅埋藏粉—细晶自形白云石及中深埋藏鞍状白云石改造，还受到平行层面缝合线的改造。这些角砾岩形成于印支期第Ⅰ幕平行不整合面期间，是该期大气水作用的识别标志。

2.1.3 去膏化方解石

去膏化方解石是指岩石的成分原为石膏、硬石膏，现已变为方解石的一种成岩现象。虽成分为方解石，但具有石膏、硬石膏的晶体形态和分布特征，多表现为孤立状、板状或直角边形态，或为三者的集合体，有时还保留硬石膏的垂直解理特征。方解石晶体内部通常以粉—微晶白云石残余包裹物为识别标志。在阴极射线下，这些去膏化方解石多不发光，其内包裹的细粉—微晶白云石发暗玫瑰红色光(图2g-i)。

2.1.4 广泛发育的膏模孔、膏溶孔洞

实验分析表明雷四段储层溶蚀孔洞发育(图2j-k)；从岩心上看，这些溶蚀孔洞非均质性较强，虽密集，但分布较为孤立，多分布于岩心表层，显示出模孔的发育分布特征，并与鄂尔多斯盆地奥陶系岩心上观察到的盐膏模孔面貌、四川盆地嘉陵江组露头上的石膏斑点及膏溶孔洞面貌极其相似[15-16]；薄片观察表明这些溶蚀孔洞孤立分布、连通性较差，可破坏藻黏结结构，具有直角边形形态或直角边形集合体形态(图2l)；展现出这些溶蚀孔洞是石膏、硬石膏溶解形成的膏模孔及膏溶孔洞。

2.2 古表生期大气水溶蚀作用的地球化学特征与流体性质恢复

利用碳氧稳定同位素、锶同位素、微量元素含量、包裹体分析等地球化学测试分析资料，阐述古表生期(印支期Ⅰ幕)大气水作用的地球化学特征，进行流体性质恢复。

2.2.1 方解石碳氧稳定同位素组成特征及其流体性质指示

①灰岩方解石具有相对高的碳氧稳定同位素，其δ13CPDB值在0.69‰～1.18‰，平均值为0.94‰；δ18OPDB值在-5.48‰～-5.67‰，平均值为-5.58‰。②去膏化方解石具有相对低的碳氧稳定同位素，其δ13CPDB值在1.67‰～-1.07‰，平均值为0.60‰；δ18OPDB值在-6.23‰～-9.01‰，平均值为-7.75‰。③岩溶角砾岩角砾间连晶方解石及溶蚀缝孔洞方解石的碳氧稳定同位素亦较低，其δ13CPDB值在1.23‰～-2.30‰，平均值为-0.56‰；δ18OPDB值在-6.58‰～-8.86‰，平均值为-7.70‰。④印支期Ⅰ幕构造裂缝方解石具有相对高的碳氧稳定同位素组成，δ13CPDB值在1.11‰～1.86‰范围，平均值为1.45‰；δ18OPDB值在-5.00‰～-6.50‰，平均值为-6.01‰。⑤热液改造的构造裂缝方解石的碳氧稳定同位素值高，其δ13CPDB值为1.74‰，δ18OPDB值为-2.73‰(表1)。

印支期Ⅰ幕构造裂缝方解石碳氧稳定同位素组成与灰岩方解石相似，表明其成岩流体为雷口坡组沉积海水来源地层水，并形成于埋深极浅的低温条件下，这与印支期Ⅰ幕时期的地质条件相吻合。去膏化方解石及缝洞方解石的δ13C值域略宽一些，部分δ13C值为负值，可能揭示这两类物质形成过程中受到有机质氧化产生的轻CO2加入的影响；去膏化方解石及溶蚀缝洞方解石中含单相水溶液包裹体，指明其形成于低温条件，这些方解石的δ18O值明显偏低和偏负，则可能揭示成岩流体为δ18O值低的流体，指示了大气水的作用。

2.2.2 方解石锶同位素组成特征及其流体性质指示

①灰岩方解石的锶同位素值为0.707 807 60～0.707 863 66，变化范围小，平均值为0.707 835 63。②去膏化方解石的锶同位素值为0.707 916 76～0.709 386 24，变化范围较大，平均值为0.708 407 64。③不规则缝洞方解石及岩溶角砾岩的锶同位素值为0.708 296 66～0.708 542 10，平均值为0.708 419 38。④构造裂缝方解石的锶同位素值为0.707 923 88～0.708 239 04，平均值为0.708 094 50(表1)。

表1 川西龙门山前带雷四段古岩溶产物地球化学特征

灰岩方解石的锶同位素值变化范围小，并与中三叠世大洋海水的锶同位素值极其相似，代表了区内中三叠世海水的锶同位素组成；印支期Ⅰ幕构造裂缝方解石的锶同位素值最为接近灰岩方解石，同样反映了雷口坡组海水来源地层水或雷口坡组碳酸盐岩地层本身控制了构造裂缝方解石的锶同位素组成，这与碳氧稳定同位素特征揭示的信息一致；去膏化方解石的锶同位素组成与岩溶缝洞方解石极其相似，明显高于灰岩方解石和前述构造裂缝方解石，也表明去膏化方解石及岩溶缝洞方解石的成岩流体不同于构造裂缝方解石，不是来源于雷口坡组地层内部的海水来源地层水，而是地层外部流体，很可能是受到了陆源物质影响的大气水，即为印支期Ⅰ幕不整合面时期产生。

2.2.3 方解石微量元素组成特征及其流体性质指示

①灰岩方解石Fe、Mn、Na、K含量较低，而Sr含量变化较大，K含量小于0.01 μg/g，Na含量达0.02 μg/g，Mn含量达23 μg/g，Fe含量可达0.01 μg/g，Sr含量为251～985 μg/g，平均值为618 μg/g。②去膏化方解石Fe、Mn、Na、K含量低，Sr含量变化较大；K含量小于0.01 μg/g；Na含量可达0.02～0.08 μg/g，平均值为0.042 μg/g；Mn含量在小于5～11 μg/g，平均值小于5.73 μg/g；Fe含量在<0.01～0.11 μg/g，平均值小于0.022 μg/g；Sr含量为81.9～972 μg/g，平均值为311.27 μg/g。③岩溶缝洞方解石亦Fe、Mn、Na、K含量低，Sr含量变化较大；K含量小于0.01 μg/g；Na含量可达0.01～0.03 μg/g，平均值为0.02 μg/g；Mn含量在7～11 μg/g，平均值为9 μg/g；Fe含量在小于0.01～0.01 μg/g，平均值小于0.01 μg/g；Sr含量为266～608 μg/g，平均值为437 μg/g。④构造裂缝方解石具有Fe、Mn、Na、K、Sr含量低且稳定的特征，K含量小于0.01 μg/g；Na含量达0.02～0.03 μg/g范围，平均值为0.023 μg/g；Mn含量在7～11 μg/g，平均值为8.339 μg/g；Fe含量为小于0.01 μg/g；Sr含量为244～271 μg/g，平均值为257.4 μg/g(表1)。

印支Ⅰ幕构造裂缝方解石K、Na、Mn、Fe、Sr含量较低，并与灰岩方解石微量元素组成较为接近；后期高角度构造裂缝方解石具有FeO含量较高、SrO含量高的特征，明显不同于海相灰岩方解石和印支Ⅰ幕构造裂缝方解石，指示成岩流体可能为雷口坡组地层外部热液流体；去膏化方解石与岩溶缝洞方解石在K、Na、Mn、Fe、Sr等微量元素组成上具有相似性，仍然指示两者在成岩流体性质上具有相似性，K、Na、Mn、Fe、Sr含量均较低，不同于雷口坡组海相灰岩方解石、印支Ⅰ幕构造裂缝方解石和后期高角度构造裂缝方解石，指示去膏化方解石及岩溶缝洞方解石的成岩流体来自于大气水。

2.2.4 方解石包裹体类型、温度特征及其流体性质指示

去膏化方解石均一法温度在113.4～130.1 ℃范围，平均值为121.98 ℃；冰点温度在-6.9～-10.6 ℃范围，平均值为-8.56 ℃，换算盐度为9.9%～14.6%，平均盐度为11.63%(表1)。包裹体观察指示，雷四段去膏化方解石通常含有单相水溶液包裹体，表明去膏化方解石形成于地表和近地表低温条件下。方解石虽然属于有解理矿物，矿物中原生包裹体易在后期受到渗入影响，均一法温度可能难以准确反映矿物的形成温度。但去膏化方解石的均一法温度明显较鞍状白云石低，后者均一法温度为137.5～165.5 ℃，平均值为147.65 ℃，这在一定程度上揭示去膏化方解石形成于低温环境。

3 古表生期大气水溶蚀作用对储层孔隙的影响

从储层发育岩性统计来看，藻黏结云岩膏溶孔洞型储层和粉—微晶云岩膏溶孔洞型储层出现频率分别达57.49%和26.95%，两者累加占84.44%；而颗粒云岩、颗粒灰岩膏溶孔洞型储层、微—细晶云岩溶蚀孔隙型储层的出现频率都很低，分别为7.19%，6.59%，1.80%，仅占15.58%。储层发育与藻黏结云岩、粉—微晶云岩密切相关，区内雷四上亚段白云石化及白云岩对储层的贡献在于同生期高盐度白云石化的优势发育形成了白云石类型储层的主体，奠定了储层发育的物质基础；这种白云石化发生于极度干旱气候背景下，可有大量石膏、硬石膏、石盐等蒸发盐矿物与此类白云石化伴生或共生，导致这些白云岩内部富含石膏、硬石膏、石盐矿物，它们在不整合面大气水作用下相对于碳酸盐矿物更加容易溶蚀，为后期溶蚀作用强烈发育和储渗空间形成创造了优越的物质条件。

从储集空间统计来看，雷四上亚段发育粒内溶孔、颗粒铸模孔、膏模孔、膏溶孔洞、溶蚀孔洞、窗状溶蚀孔洞、风化裂缝、构造裂缝等多种类型的储渗空间(图2)，但限于白云石化主要为同生期高盐度白云石化，埋藏白云石化欠发育或不强[1]，因此，晶间孔及晶间溶孔少见，统计显示膏模孔及膏溶孔洞是储层段的主要储渗空间。

从成岩演化[4]来看(图3)，雷四段经历了复杂的成岩演化过程，包括同生期海底胶结作用，其形成颗粒灰岩粒间孔隙、藻黏结灰岩窗状孔隙内的针柱状方解石等厚环边或粒状方解石胶结物；同生期高盐度白云石化作用，其形成粉—微晶白云石、粉—细晶他形脏白云石、粒间孔隙及窗状孔洞内针柱状白云石等厚环边或粒状白云石胶结物，同生期从高盐度海水中沉淀出石膏、硬石膏及萤石等；同生期大气水作用形成粒内溶孔、铸模孔；早成岩期及中晚成岩期压实压溶作用形成平行层面、斜交及垂直层面缝合线，早成岩期浅埋藏白云石化作用形成粉—细晶自形白云石、溶蚀孔洞边缘细晶自形白云石生长，中晚成岩期中深埋藏白云石化形成中—巨晶鞍状白云石斑块及缝孔洞内鞍状白云石，中晚成岩期热液作用形成裂缝内鞍状白云石、硅化石英及沉淀、沿缝的溶蚀孔洞，多期多类型破裂作用形成多期多类型裂缝及其充填。表生期大气水作用形成去膏化方解石、各种溶蚀孔隙及溶蚀孔洞。同生期及成岩早期大气水溶蚀作用偶有发生，储渗空间形成贡献非常有限，粒内溶孔及颗粒铸模孔作为这两个期次大气水溶蚀的识别标志，是基于沉积期及成岩早期它们还是性质不稳定的文石或高镁方解石，从而成为选择性溶解的对象，而在成岩期及之后，它们可能都转变成了稳定的低镁方解石；而石膏、硬石膏是可以长期存在的稳定矿物，因介质条件变化发生溶解形成膏模孔、膏溶孔洞，并非一定在同生期及成岩早期形成。中晚成岩期热液作用影响范围狭窄，对储渗空间的形成和保存影响有限，印支Ⅰ幕、喜马拉雅期破裂作用形成的裂缝对储层形成和储集性的改善有重要作用。

图3 川西龙门山前带雷四段成岩演化序列

岩石中储渗空间发育具有强烈非均质性特点，这种非均质性在不同尺度都有体现，反映白云岩中石膏、硬石膏的发育状况是非均质的，它们的溶蚀导致了储渗空间发育分布具有非均质性，富含石膏、硬石膏斑点层段受溶蚀后可形成优质储层发育段，含膏少的白云岩段受溶蚀后形成储集性较差的储层段，缺乏石膏、硬石膏的白云岩段，缺乏溶蚀或强烈溶蚀改造，则可能成为白云岩中的非储层段。

综上所述，雷四段代表了极度干旱炎热气候(有些类似于今天的波斯湾)。区内雷四上亚段，含膏云岩相在一定程度上制约了白云岩储层、白云岩优质储层的发育分布。与印支Ⅰ幕不整合面有关的古表生期大气水膏溶作用是储渗空间形成的主要机制(图4)：主要的储集空间为膏模孔及膏溶孔洞，含溶蚀孔隙和溶蚀孔洞，它们往往与去膏化方解石现象伴生，并在印支Ⅰ幕不整合面之下及石膏硬石膏出现层之上连续分布，之间没有间夹含膏白云岩或含膏灰岩层段，揭示储层形成主要与印支Ⅰ幕不整合面控制的大气水岩溶作用有关，特别是与含膏白云岩层石膏及硬石膏溶解有关。

图4 川西龙门山前带雷四段古表生期(印支期Ⅰ幕)大气水溶蚀作用成储模式

龙门山前带雷四上亚段这套储层上下的地层叠置结构、储层发育模式与我国鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组风化壳储层[15]极为相似。马家沟组五段为一套灰岩、同生期高盐度白云岩、膏盐岩间互的地层，经历长时间加里东抬升暴露剥蚀岩溶的改造，形成了一套典型的岩溶风化壳储层，表现为：原膏盐岩层段膏变膏溶垮塌形成基质支撑角砾岩，储集性差；灰岩层段缺乏溶蚀改造，储渗空间不发育，往往构成非储层，具有隔层或隔水层作用；含膏白云岩层盐膏矿物被溶蚀，盐膏模孔发育，并且膏变过程中裂缝发育，构成风化壳储层储集性好的层段，也显示出含膏碳酸盐岩地层中含膏白云岩相在一定程度上控制优质储层发育分布是一个共性特征。

4 结论

(1)研究区雷四段存在3期溶蚀作用，分别是准同生期溶蚀、古表生期溶蚀和埋藏期溶蚀。印支期Ⅰ幕大气水作用的识别标志有因印支期Ⅰ幕不整合面导致的不规则网络状风化裂缝、岩溶及膏溶膏变角砾岩、保持石膏板状形态或直角边形态的去膏化方解石、广泛发育的膏模孔及膏溶孔洞。

(2)古表生期大气水溶蚀作用的产物具有相对低的碳氧稳定同位素组成，δ13CPDB平均值为0.60‰，δ18OPDB平均值为-7.75‰；其锶同位素值域变化较大，在0.707 916 76～0.709 386 24之间，平均值为0.708 407 64；具有Sr、Mn、Fe、 K、Na含量均低的微量元素特征；通常含有低温单相水溶包裹体。

(3)与印支Ⅰ幕不整合面有关的古表生期大气水膏溶作用是雷四段储渗空间形成的主要机制，即古表生期大气水对膏类矿物的溶解形成膏模孔、膏溶孔洞，构成了雷四段的优质储层。