川北地区栖霞组白云岩储层特征及主控因素

翟常博

(中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 102206)

中二叠统栖霞组和茅口组是四川盆地海相碳酸盐岩重要的天然气勘探层系[1-3]。早期中二叠统的油气地质勘探集中于川南地区，以茅口组岩溶型储层为主[1]。近年来，随着涪陵地区、双鱼石构造多口钻遇中二叠统白云岩的钻井获得了高产工业气流[1,4-5]，显示四川盆地中二叠统孔隙(洞)型白云岩储层具有巨大的油气资源潜力。

随着油气资源的勘探向深层(>4.5 km)、超深层(>6.0 km)推进，作为深埋藏条件下仍能发育的优质储集体之一，白云岩储层的成因受到了广泛关注[6]。白云岩的流体来源、成因机理影响着规模型白云岩储层的分布规律。对于四川盆地栖霞组白云岩，前人的研究主要集中于白云岩的成因机理、流体性质等基础地质问题上，提出了混合白云石化[7-8]、玄武岩淋滤[9]、埋藏成因[10-13]、热液成因[14-17]、埋藏白云石化与热液流体叠加作用[18-21]等。但对于川北地区栖霞组白云岩储层的分布规律及特征的研究相对缺乏，尤其是影响白云岩储层的时空分布规律的因素较多，且伴有较强的非均质性。基于此，为了深化川北地区栖霞组白云岩储层的认识，本文在岩石学特征的基础上，对不同类型白云岩储层进行分类，并进行储层特征分析和评价，结合地层和沉积相，分析白云岩储层的分布规律和主控因素，以期为四川盆地的深层碳酸盐岩油气藏的勘探开发提供地质依据。

1 区域地质背景

四川盆地位于中国西南部，面积超过 180 000 km2，盆地西缘以龙门山断裂带为界，北至米仓山、大巴山，东抵齐岳山，南达大凉山(图1)。四川盆地的结晶基底形成于700 Ma前的澄江运动[22]，加里东运动使得泥盆系和石炭系大面积缺失，中、晚三叠世的印支运动结束了四川盆地的海相沉积，使得盆地进入陆相湖盆演化阶段[23]；燕山运动使得盆地周缘开始褶皱，形成了菱形外形并保存至今[22]；喜马拉雅运动使得盆地整体抬升[22]。四川盆地的沉积盖层经历了3个演化阶段：震旦纪至中三叠世，四川盆地总体上是在拉张环境下形成的地台层序，以海相碳酸盐沉积为主；晚三叠世至始新世，在挤压环境下形成了前陆盆地，以陆相沉积为主，发育河流相、三角洲相和湖泊相砂泥岩；在喜马拉雅运动的影响下，渐新世以来以褶皱隆升为主[24]。

图1 四川盆地构造分区及研究区井位分布图Fig.1 Tectonic division of the Sichuan Basin and distribution map of drilling wells

四川盆地二叠系包括下统的梁山组、中统的栖霞组和茅口组、上统的龙潭组(相变为吴家坪组、宣威组)和长兴组(相变为大隆组)[25]。梁山组与栖霞组呈假整合接触，是海陆过渡环境下形成的一套含煤的细粒沉积物。随着海平面的上升，中二叠世栖霞期在研究区内发育开阔台地—台地边缘沉积，在开阔台地内发育有多个不同规模的台内滩沉积，盆地西北部位于台地边缘，发育台地边缘滩相[13,26]。本文研究区位于四川盆地北部，大地构造上位于扬子地台西北缘(图1)。研究区内栖霞组厚度为70～140 m，北部地层厚度更大。根据岩性，栖霞组可划分为两段，分别简称为“栖一段”和“栖二段”。栖一段岩性为深灰色中、厚层状灰色、深灰色泥晶灰岩、生屑灰岩，局部地区发育白云岩；栖二段岩性为灰白色厚层-块状生屑白云质灰岩、白云岩(图2)。

图2 矿2井栖霞组储层综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of Qiaxia Formation reservoir in Well Kuang 2

2 白云岩储层特征

2.1 岩石学特征

2.1.1 孔洞型白云岩储层

栖霞组孔洞型白云岩储层的岩性为溶孔白云岩(图3)。溶孔白云岩的原岩结构不可见，颜色呈灰白色或灰褐色，发育毫米级的溶孔和裂隙。岩心上可见溶孔白云岩呈斑块状或渣状(图3-A)，溶孔在靠近裂缝的位置更加发育(图3-A、B)，裂隙内充填暗色有机质或泥质。

图3 栖霞组白云岩特征Fig.3 Petrological characteristics of Qixia Formation dolomite in the northern Sichuan Basin(A)溶孔沿裂隙分布，矿2井，深度2 427.95 m; (B)粉晶白云岩，孔隙发育，沥青充填，矿2井，深度2 459.57 m; (C)细晶白云岩，晶间孔发育，有机质不均匀充填，矿2井，深度2 455.2 m; (D)中晶白云岩，双探9井，深度4 975.25 m; (E)残余结构白云岩，发育粒间孔，矿2井，深度2 433 m; (F)鞍状白云石，双探9井，深度7 752.4 m

2.1.2 孔隙型白云岩储层

a.晶粒白云岩

栖霞组晶粒白云岩包括粉晶白云岩(图3-B)、细-中晶白云岩(图3-C、D)。显微镜下观察薄片，该类白云岩具晶粒结构，主要成分为白云石与有机质，白云石体积分数为90%～95%。粉晶白云石晶体为他形至半自形，细-中晶白云石为半自形至自形，具平直晶面，晶体多具雾心亮边结构，黑色有机质充填晶间孔隙(图3-B、C)。

b.残余结构白云岩

残余结构白云岩是保留了原始颗粒灰岩结构的白云岩，具残余粒屑结构(图3-E)。残余结构白云岩主要由白云石和有机质组成，白云石晶体为中-粗晶，晶体表面较脏，晶体呈团块状或团簇状，具雾心亮边结构，多为半自形-自形晶粒状，有机质不规则充填粒间孔。残余结构白云岩中发育鞍状白云石(图3-F)，呈团块状，晶体直径较周围基质白云石大，晶面弯曲，呈阶梯状或镰刀状，在正交偏光下呈波状消光。鞍状白云石充填溶孔或裂缝。

2.2 储集空间类型

2.2.1 溶孔

栖霞组白云岩中溶孔大小为1～20 mm(图4-A)，主要见于溶孔白云岩。显微镜下可见溶孔大小为30～400 μm，总体呈不规则孔状，少数呈不规则长柱状，边缘呈现港湾状(图4-B)，主要见于粉晶白云岩以及细晶白云岩中。

图4 栖霞组白云岩储集空间特征Fig.4 Reservoir space characteristics of Qixia Formation dolomite in the northern Sichuan Basin(A)溶洞白云岩，发育1～3 cm大小的溶洞，矿2井，深度2 436.8 m; (B)细晶白云岩，晶间溶孔，矿2井，深度2 439.6 m; (C)残余粒屑白云岩，发育不规则粒间孔，双探8井，深度7 330.2 m; (D)细晶白云岩，发育溶缝，矿2井，深度2 415.62 m

2.2.2 粒间孔

栖霞组白云岩的粒间孔大小在50～150 μm，呈不规则圆孔状(图3-E、图4-C)，部分呈不规则长柱状，孔洞边缘总体较为平直。粒间孔呈零星分布，连通性较差，主要见于残余结构白云岩中。常见有机质充填粒间孔。

2.2.3 晶间孔

晶间孔的大小为20～300 μm，孔隙边缘较为平直，连通性较好(图3-C、D)。晶间孔主要见于晶粒白云岩，往往孔径随着晶体的增大而变大。

2.2.4 溶缝

溶缝的宽度从20 μm至毫米级，边缘因溶蚀作用呈现港湾状特征，溶缝两侧可观察到更加细小的溶缝延伸进入白云岩内部，部分边缘较为平直(图4-D)。溶缝连通性较好，在孔洞白云岩、残余结构白云岩和晶粒白云岩中均有发育。

2.3 储层物性特征

栖霞组储层物性分析显示，储层孔隙度(q)范围为0.23%～4.42%，平均为0.94%，主要分布在0.5%～1.5%(图5-A)。储层渗透率(K)范围为(0.001～53.4)×10-3μm2，总体平均为2.33×10-3μm2，中间值为0.103×10-3μm2，主要分布在(0.01～1.0)×10-3μm2， 渗透率>0.1×10-3μm2的样品占总数的54.55%(图5-B)。川北栖霞组白云岩储层总体以低孔、低渗为主，局部发育低孔-高渗型储层。

图5 栖霞组白云岩储层孔隙度、渗透率分布直方图Fig.5 Distribution histogram of porosity and permeability of Qixia Formation dolomite reservoir in the northern Sichuan Basin样品取自吴家1井、双探3井和西北乡剖面

2.4 主要成岩作用及成岩演化序列

2.4.1 白云石化作用

白云石化作用是川北地区栖霞组白云岩储层主要成岩作用之一，亦是影响储层物性质量的关键成岩作用。川北地区栖霞组的白云石化作用存在多期次、多成因的特点，梁茹等[27]通过岩石学和地球化学等分析认为栖霞组白云岩储层主体以浅埋藏成因为主，残余结构白云岩和晶粒白云岩后期受峨眉山玄武岩喷发的热液影响和改造，而鞍状白云石的形成与热液有关。白云石化作用对储层储集性能的改善体现在两个方面：一方面，在中、深层埋藏条件下，白云石的溶解速率要高于方解石，更易溶解形成次生孔隙，从而提高储层的储集性能[28]；另一方面，在深埋藏环境下，白云岩相比灰岩更具抗压实能力，白云岩的原生孔隙更易被保存[28-29]。因此，相对成岩早期形成的白云岩，如残余结构白云岩和晶粒白云岩均是对储层有利的(图3)；而因热液改造形成的鞍状白云石，对于储层确是有负面影响(图3-F)，通过占据白云岩的粒(晶)间孔或微裂缝，减小孔隙体积。

2.4.2 溶蚀作用

溶蚀作用是形成储层孔隙系统的重要成岩作用之一。川北栖霞组白云岩形成后发生溶蚀作用，溶孔呈不规则状，内有白云石残余(图4)。栖霞组白云岩溶蚀流体主要来源于有机质成熟后形成的有机酸，在部分溶孔白云石壁内残留黑色有机质(图6-A)。

图6 栖霞组白云岩成岩作用特征的显微照片Fig.6 Microphotographs showing the diagenetic characteristics of the Qixia Formation dolomite(A)残余结构白云岩发育溶孔，孔壁可见沥青，矿2井，深度为2 422.1 m; (B)破裂缝切穿缝合线，双探9井，深度7 742.77 m;(C)有机质部分充填缝，双探9井，深度7 731.11 m;(D)方解石充填孔隙，双探9井，深度7 708.6 m

2.4.3 破裂作用

川北栖霞组白云岩内发育大量充填和未被充填裂缝(图6-B、C)，可见裂缝切割缝合线现象，部分裂缝壁保留有黑色有机质。裂缝相互切割，表明发生过多期构造破裂作用，有效裂缝为相对晚期的裂缝。

2.4.4 充填作用

充填作用是指白云岩中发育的孔隙或裂缝在后期的成岩过程中被自生矿物所充填的作用。在栖霞组白云岩中，主要是白云石、方解石和有机质等矿物的充填(图6-D)。充填作用是不利于岩石孔隙的发育，对栖霞组白云岩储层的储集性能有负面影响。

2.4.5 成岩演化序列

川北地区栖霞组沉积后即经历埋藏环境，在埋藏过程中盆地多次短暂发生抬升，其中受到峨眉山玄武岩喷发影响，发生热侵入改造事件；在晚印支期盆地进入抬升排烃阶段，发生以有机酸溶蚀为代表的第二次储层形成关键期。在这种特殊演化背景下，中二叠统白云岩地层亦经历了沉积→浅埋藏→抬升→再埋藏→再抬升等多个阶段(图7)。

图7 川北地区栖霞组成岩演化Fig.7 Diagenetic evolution of Qixia Formation in the northern Sichuan Basin(地层温度史资料据朱传庆等[30])

在准同生海水成岩阶段，海水环境沉积的各种灰岩经历压实作用，海水从孔隙中排出，原始孔隙度急剧降低，这一阶段主要成岩作用为压实作用，是灰岩孔隙度急剧降低的阶段。

浅埋藏热水成岩阶段，原始沉积灰岩进一步埋藏，该阶段发生了著名的峨眉山玄武岩喷发事件，使地层温度显著增加。岩浆活动一方面使已埋藏的地层在不同区域有不同程度抬升，产生裂缝；另一方面发生明显的热液事件，导致热液溶蚀、热液白云石化作用及热液改造白云石化作用等成岩事件发生。构造裂隙以及热液溶蚀、热液白云石化作用和热改造白云石化作用使得孔隙增加；特别是该时期发生白云石化作用对岩石孔隙保存起到关键作用，因此该阶段是储层孔隙形成的第一阶段。

进入中埋藏阶段，盆地沉降，有机质趋于成熟排烃。之后发生印支运动，盆地抬升，有机酸沿着原有孔隙系统充注孔隙，同时发生倒退溶蚀作用，在白云岩中见到港湾状溶孔壁残留有机质即为证据；同时有机质充注孔隙阻止自生矿物形成及白云石再生长，有利于孔隙系统保存。因此该阶段主要发生有机酸对原有孔隙系统的改造，成为储层形成的第二个关键时期。

燕山期-喜马拉雅期，深埋藏生烃成气、构造改造阶段，盆地持续发生埋藏，地层温度升高，有机质成熟生气，发生天然气充注、运移。复杂的构造作用使盆地内的地层产生大量裂隙，岩石薄片中见到的多期次裂隙切割即为这一阶段成岩产物，未被充填的裂隙成为有效孔隙。

3 白云岩储层分布特征

3.1 垂向分布特征

选取研究区内典型的钻井和野外剖面，详细解剖白云岩储层在垂向上的发育规律。矿2井栖霞组白云岩厚度共79 m(图2)，垂向分布主要有2段：第一段位于栖一段底部，厚度为22.9 m，岩性为浅灰色白云岩；第二段位于栖二段，厚度为56.1 m，岩性为浅灰色-灰白色粗晶白云岩。沉积相带均为发育在开阔台地相下的生屑滩亚相，显微镜下薄片中可见主要为残余结构白云岩。研究区南北向的西北乡剖面-矿2井-双探1井-关基井-永胜1井的连井相(图8-A)分析表明，栖霞组白云岩储层主要发育于研究区的北部和中部，而在南部几乎未见发育；此外，栖二段白云岩储层发育程度好于栖一段。研究区东西向的马儿岩剖面-矿2井-龙探1井-龙17井-河坝1井的连井相(图8-B)分析表明，栖一段白云岩储层在西部发育，中部和东部未发育；栖二段白云岩由西部到中部呈现出薄-厚-薄的变化趋势，东部未发育。总体而言，白云岩储层在栖霞组均有发育，但无论是储层厚度、分布范围和连续性，栖二段均好于栖一段。

图8 栖霞组储层连井剖面对比图Fig.8 Profiles correlation of Qixia Formation reservoir

3.2 储层平面分布特征

川北地区栖霞组白云岩储层主要发育在研究区西北的广元及中部的阆中一带，略呈北西-南东向分布；储层厚度5～43 m不等，其中广元西北乡一带厚度相对较大，最厚可达43 m。在川北的马深1井、川中的磨溪区块、华蓥山-邻水等地白云岩储层有零星分布，厚度在5～20 m不等。白云岩储层的分布沿基底深大断裂两侧厚度递减、断续分布(图9),显示白云岩储层的平面展布特征受深大断裂控制；但并非所有的白云岩均沿断裂连续分布，表明还受其他地质因素影响，尤其是沉积相带的控制。

图9 川北地区栖霞组白云岩储层厚度分布图Fig.9 Thickness distribution of Qixia Formation dolomite reservoir in the northern Sichuan Basin(深部断裂资料据殷积峰等[31])

4 储层发育主控因素

4.1 先期沉积微相决定能否成为储层

中二叠统栖霞组储层主要发育在白云岩内，其中面孔率高、出现最频繁的储集岩石是残余粒屑白云岩，其次是晶粒白云岩。然而，晶粒白云岩的主要储集空间类型晶间孔、晶间溶孔的比率却相对较低(图10)，表明栖霞组白云岩储层的优劣与岩石类型有直接关系，残余粒屑白云岩相较晶粒白云岩是更加好的储层岩石类型。残余粒屑白云岩是形成于生屑滩的颗粒灰岩在埋藏成岩过程中经白云石化作用改造而成的，说明颗粒滩相是栖霞组白云岩储层发育的有利相带。当然并非所有的颗粒滩均能发育成白云岩储层，如广元西北乡栖二段(图11)整体沉积相带为生物碎屑滩，整段岩性以白云质灰岩为主，白云石化程度较低，孔隙发育较差，难以形成储层。

图10 栖霞组白云岩储层孔隙类型分布直方图Fig.10 Histogram of pore types of Qixia Formation dolomite reservoir

图11 西北乡剖面栖二段储层发育柱状图Fig.11 Column of reservoir development in the second Member of Qixia Formation in the Xibeixiang section

4.2 白云石化促进储层发育

白云石化作用是栖霞组白云岩储层形成的关键因素。同为颗粒滩相带产物的生物碎屑灰岩，矿2井栖霞组白云石化形成的残余白云岩构成了优质的储层；而西北乡栖霞组较弱的白云石化作用，对储层改造不够彻底，形成的白云质灰岩尚无法形成有效储层。

白云石化作用对储层的贡献还体现在对粒间孔隙的保存上。残余白云岩内粒间孔实质上是对原岩颗粒灰岩粒间孔隙的继承，这体现在现今的粒间孔隙分布在残余颗粒的周边而非内部，说明主要为继承性孔隙。研究表明[21]，栖霞组的残余结构白云岩的白云石化作用发生在较早的成岩阶段，得益于白云石较强的抗压实能力，在随后的埋藏阶段起到了保护孔隙的作用。对于晶粒白云岩来说，一方面白云石化过程中产生孔隙形成储层，另一方面具晶粒结构的白云岩的孔隙发育情况主要取决于白云岩自身的性质。若晶粒白云岩的白云石晶体分选较好，如细晶或中晶白云岩，则孔隙发育相对较好；但若由于不同重结晶程度形成了不等粒的晶粒白云岩则孔隙发育较差，甚至有可能不发育孔隙。

栖霞组对储层有利的白云石化的形成时期相对较早；而在成岩阶段较晚形成的白云石，如鞍状白云石或充填裂缝的脉状白云石，对于储层却有负面影响，由于占据粒(晶)间孔或微裂缝，导致孔隙体积变小。

4.3 有机质活动改善储层质量

栖霞组有机质活动对于储层质量的改善主要体现在两个方面。一方面是在埋藏阶段，烃类进入白云岩，占据了粒(晶)间孔(图6-A)，可以有效地阻止晚期自生矿物的生长(如鞍状白云石)，从而对孔隙起到保存作用。烃类的充注在栖霞组白云岩储层中表现为黑色有机质(沥青)充填粒(晶)间孔(图3-C、D，图6-A)，而且观察到有机质充填孔隙的白云岩的孔隙均较发育。另一方面是当达到一定温度时，有机质成熟形成的有机酸进入白云岩储层，造成了倒退溶蚀，形成溶蚀孔隙。溶孔呈不规则状，溶孔内有残余白云石，在孔隙边缘可见黑色有机质。溶蚀作用是形成白云岩储层孔隙系统的重要成岩作用之一。

4.4 断裂提供流体运移通道并且沟通孔隙系统

影响栖霞组白云岩储层发育的构造作用主要有两类，一类是深大断裂，另一类是晚期构造作用形成的构造裂缝。深大断裂主要是沿北西-南东向分布的深大断裂系(图9)，这些断裂在峨眉山玄武岩喷发时成为热液向上运移的通道。热液沿断裂两侧发生侵位，形成近玄武岩喷发期热液鞍状白云岩和与喷发核心区域较远的热改造白云岩，成为储层形成的关键事件之一。

除了深大断裂外，四川盆地在燕山期-喜马拉雅期产生多期次构造裂隙，这些裂隙多数被方解石或者白云石所充填，尚存的一些未被充填的裂隙成为栖霞组白云岩储层的孔隙系统重要组成，既可以成为地质流体运移通道，本身也是有效孔隙系统，起到沟通孔隙的作用。因此，无论是深大断裂还是晚期裂缝，对储层均有积极意义。

5 结 论

a.川北地区栖霞组白云岩储层可分为孔洞型和孔隙型。孔洞型白云岩储层主要发育溶孔白云岩，孔隙型白云岩储层主要发育晶粒白云岩和残余结构白云岩。晶粒白云岩具晶粒结构，由粉晶-中晶白云石组成。残余结构白云岩具残余粒屑结构，白云石晶体为中-粗晶，发育鞍状白云石，具波状消光特征，充填溶孔或沿裂缝充填。

b.川北地区栖霞组白云岩储集空间可分为溶孔(溶洞)、粒间孔、晶间孔、溶缝4种类型。溶孔白云岩储集空间以溶孔、溶洞为主，晶粒白云岩和残余结构白云岩的储集空间分别以晶间孔和粒间孔为主。储层物性分析显示，储层孔隙度为0.23%～4.42%，平均为0.94%；渗透率为(0.001～53.4)×10-3μm2，总体平均为2.33×10-3μm2，中间值为0.103×10-3μm2；白云岩储层总体以低孔、低渗为主，局部发育低孔-高渗型储层。栖霞组白云岩储层主要发育的成岩作用包括白云石化作用、溶蚀作用、破裂作用和充填作用。

c.川北栖霞组白云岩储层在厚度、分布范围和连续性方面，栖二段均好于栖一段。平面分布特征显示为白云岩储层沿基底深大断裂两侧厚度递减、断续分布，受深大断裂控制；但并非所有的白云岩均沿断裂连续分布，表明还受其他地质因素影响，尤其是沉积相带的控制。

d.川北栖霞组白云岩储层的发育受颗粒滩相、白云石化作用、有机质活动、断裂的综合控制。颗粒滩相是栖霞组白云岩储层发育的有利相带。白云石化作用是储层形成的关键因素，同时也为粒间孔隙的保存做出了贡献。在埋藏阶段，烃类进入白云岩，可有效阻止晚期自生矿物的生长(如鞍状白云石)，从而对孔隙起到保存作用；有机质成熟形成的有机酸可对白云岩起到溶蚀作用，形成溶蚀孔隙。盆地内的深大断裂为后期热液提供运移通道，改善储集性能；构造裂隙是有效孔隙系统，可以沟通孔隙，对储层也有积极意义。