川东南南川地区茅口组一段碳酸盐岩储层特征及富集模式

孙 斌，张培先，高全芳，蔡 潇

(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司 勘探开发研究院，南京 210011)

四川盆地下二叠统茅口组和栖霞组是天然气的重要产层，自1955年开始，历经65年的勘探，在板桥、卧龙河、九龙山以及老关庙等地区发现大量气藏。根据中国石油第4次油气资源评价结果显示，四川盆地下二叠统天然气资源总量为15 059.39×108m3，探明储量为852.03×108m3，资源探明率仅为5.66%，因此该区域仍有巨大的天然气勘探潜力[1-4]。前期的研究主要集中在二叠系茅口组二段(茅二段)—茅口组三段(茅三段)白云岩储层，对于四川盆地东南缘茅口组一段(茅一段)储层认识程度较低。关于二叠系茅二段—茅三段白云岩储层，前人通过研究一般认为茅口组发育裂缝型储层，栖霞组发育白云岩储层，而白云岩成因则具有较多不同观点及论述，未能达成一致[5-6]。对茅一段储层研究相对较少，张培先[7]和夏威[8]等人认为储集空间可分为有机质孔、无机孔和微裂缝3类。目前盆地内不同区块茅口组勘探程度差异较大，其中川南地区勘探程度较高，储层类型以岩溶型为主，川西及川北地区勘探程度较低，储层类型复杂多样[9]。中国石油化工股份有限公司华东油气分公司2011年开始在南川地区进行实质性勘探工作，2018年在平桥背斜部署实施了茅口组探井DS1井。在茅口组底部采用裸眼封隔器井底支撑方式进行中途测试，采用6 mm油嘴测试产量5.4×104m3/d，压力9.5 MPa，水平井试获22.55×104m3/d，实现了茅口组新类型勘探突破。2019—2020年部署实施了2口探评井，相继获得(8.37～8.66)×104m3/d商业气流，证实茅口组—栖霞组具有较好的勘探开发潜力。

1 地质背景

四川盆地东南块体大部为由板溪群浅变质灰岩系构成，由于形成时代相对较晚，硬化程度较低，使得川西—川中块体从震旦纪开始到早—中志留世，在柳江运动及云南运动的影响下，发生交替性的低幅沉降与隆升。中志留世结束后，构造运动逐渐增强，剧烈的构造抬升形成了川中加里东古隆起，并遭受剥蚀，直至“准平原化”基底形成。二叠纪构造演化逐渐平缓，盆地范围内在连续稳定的沉降作用下形成碳酸盐岩海侵沉积[10]。

根据刘宝珺编制的中国南方早二叠世茅口组岩相古地理图，渝东南地区二叠系茅口组总体为碳酸盐缓坡台地沉积模式，如图1所示[11-12]。依据前人研究成果二叠系茅口组可识别出3种沉积亚相，分别是浅水缓坡台地亚相(内缓坡)、台内滩亚相(中缓坡)以及深水缓坡台地亚相(外缓坡)。研究区位于川东南地区，如图2所示，其地表主要出露地层为三叠系，向东南依次出露二叠系、志留系。研究区茅二段—茅四段主要发育浅水缓坡台地相，茅一段在沉积相带上属于深水缓坡台地亚相。深水缓坡台地亚相位于深水低能环境，一般含有多样正常海生物化石群，相较于浅水缓坡台地亚相泥质含量增加，与浅水缓坡台地多数具有继承关系[13]，由于波浪作用较弱或极弱，生物分异度较高。

图2 研究区位置图Fig.2 Location map of the study area

四川盆地茅口组地层厚度一般为180～320 m，研究区位于川东南地区(如图1所示)，研究区内茅口组厚度为240～300 m，茅口组可划分为4段(茅一段、茅二段、茅三段和茅四段)，在岩-电特征方面，各地层段有着明显的区分，如图3所示。茅四段岩性主要为石灰岩、泥质灰岩，自然伽马曲线(GR)呈锯齿状，起伏较大，深侧向电阻率曲线(LLD)呈微齿状，为中高值。茅二段—茅三段岩性以石灰岩、生屑石灰岩和泥质石灰岩为主，自然伽马曲线呈微幅锯齿状，起伏较小，深侧向电阻率曲线呈微齿状，电阻率值较高。茅三段自然伽马相较茅二段低15～20。

图1 南川地区茅一段沉积相图Fig.1 Sedimentary facies diagram of Mao1 Member in Nanchuan Area

图3 南川地区茅口组地层对比图Fig.3 Stratigraphic correlation of Maokou Formation in Nanchuan Area

2 储层特征

2.1 储层岩石类型

研究区内茅一段岩心和薄片下多见有孔虫、介形虫等生物，岩石类型主要为纯灰岩(生屑灰岩和含生屑灰岩)、泥质灰岩/碳质泥岩以及云质灰岩/灰质白云岩，其岩心照片如图4所示，薄片照片如图5所示。茅一段整体岩性具有眼皮与眼球交互特征，属混杂岩性。眼皮部分岩性颜色较深，为深灰色/灰黑色泥质灰岩，泥质含量较高，成纹层状；眼球部分岩性颜色较浅，为灰色/深灰色灰岩，成分较单纯，似枕状、透镜状或瘤状。眼球部分产出形态主要分为3类：多为顺层断续串珠状和顺层连续串珠状，少量杂乱状[14]。图6和图7所示为“眼球”及“眼皮”部分典型薄片，通过对岩心薄片的进一步分析，“眼皮”及“眼球”部分具有不同的生物特征。“眼球”部分一般层理不发育，生物碎屑主要为藻类、腕足类、介形虫以及海百合等，磨蚀现象较少；“眼皮”部分生物碎屑特征与“眼球”部分较为相似，差异在于“眼皮”部分缺乏藻类，介壳类较为丰富。

图4 茅一段岩石岩心照片Fig.4 Photo of rock core of Mao1 Member

图5 茅一段岩石薄片照片Fig.5 Photo of rock slice of Mao1 Member

图6 “眼球”部分典型薄片Fig.6 Thin section characteristics in “eyeball” portion

图7 “眼皮”部分典型薄片Fig.7 Thin sections characteristics in “eyelid” portion

2.2 储集空间类型

四川盆地内茅口组按储集空间类型可划分为2大类：与裂缝相关的裂缝-孔洞型以及裂缝型储层和晶粒白云岩形成的孔隙型储层，其中白云岩孔隙型储层主要发育于茅口组二段和三段[5]，裂缝-孔洞型或裂缝型储层基质孔隙度和渗透率低，主要为低孔、低渗储层，在茅口组广泛分布。

茅一段与裂缝相关的储集空间主要是宏观裂缝及微观孔-缝。茅一段岩心观察表明宏观裂缝主要分为构造缝(高角度缝、水平缝和缝合线)和成岩缝(层理缝)2类，如图8所示。以张性裂缝为主，裂缝一般被方解石充填，岩心观察构造裂缝一般为小-中型裂缝。茅一段张性裂缝在燕山中晚期强烈的运动作用下，伴随着褶断的发生，在构造轴、顶部、断层沿线和陡缓转折段大量形成[15]。取心井位于背斜翼部，构造缝在纵向上呈现一定的规律性，自上而下呈现高角度缝相对减少，低角度缝相对增加的趋势，层理缝在茅一段均匀分布，如图9所示。

图8 茅口组岩心特征照片Fig.8 Photo of core features of the Maokou Formation

图9 A1井茅一段裂缝分布及物性柱状图Fig.9 Stratigraphic column of fracture distribution and physical properties in Mao1 Member well A1

在单偏光下可观察到大量的微裂缝及部分溶蚀孔(如图10所示)，利用扫描电镜可见黏土矿物晶间孔缝(伊利石、滑石晶间缝)、溶蚀孔(白云石、方解石表面)、粒缘缝(方解石、白云石粒间)，有机孔主要发育在茅一段底部TOC含量较高的泥岩段(如图11所示)。

图10 茅口组储集特征岩心薄片Fig.10 Thin sections of reservoir core of Maokou Formation

图11 茅口组储集特征扫描电镜Fig.11 Reservoir property of Maokou Formation by scanning electron microscope

茅口组储集空间非均质性较强，不同岩石类型发育不同的储集空间，以泥质灰岩为主的“眼皮”部分由于受到强成岩作用，发生强烈的滑石化、硅化、变晶及渗溶作用，储集类型主要为细微裂缝、收缩缝及层理缝，层理缝及细微裂缝一般被有机质及黏土矿物充填，在有机质富集部分发育有机孔，如图12所示；以纯灰岩、微晶灰岩为主的“眼球”部分一般成岩作用较弱，孔隙度较差，发育多期裂缝，主要充填方解石，见少量裂缝有机质充填，如图13所示。

图12 “眼皮”部分储集空间特征Fig.12 Storage space property of “eyelid”

图13 “眼皮”部分储集空间特征Fig.13 Storage space property of “eyeball”

2.3 物性特征

茅口组整体为低孔低渗储层，储层非均质性较强。根据JY205-2HF井斯伦贝谢测井解释成果，茅一段孔隙度为0.07%～5.70%，平均为1.90%，茅一段上部孔隙度较低，一般不超过2.00%，茅一段中下部孔隙度平均为2.51%；茅一段水平方向渗透率为0.011～0.093 mD，垂直方向渗透率为0.003～0.014 mD，水平方向渗透率是垂直方向渗透率的3.5～7.0倍(如图7所示)。相较于常规油气储层孔隙度多为10%～30%，渗透率多大于1 mD[16]，茅一段储层为低孔低渗致密储层。由于茅一段灰泥灰岩有机质丰富，一直以来被认为是一套碳酸盐岩烃源岩[17]，在茅一段丰富的黏土矿物晶间孔缝、溶蚀孔及微裂缝形成的储层内构建了良好的源储关系。

茅一段下部测井孔隙度平均为3.20%，水平渗透率为0.09 mD，明显高于其余层位，在岩心裂缝分布规律上表现为高角度缝与低角度缝均有发育。该井岩心实验结果同样反应出茅一段储层的不均一性，其表现在覆压孔隙度测试结果分布区间大，相邻样品测试结果差异大，全直径测试孔隙度分布区间更小，显示为茅一段碳酸盐岩具有较好的储集空间及导流能力，但是在不同尺度下碳酸盐岩物性差异较大。

岩心物性实验主要分为覆压孔隙度渗透率测试及全直径岩心孔隙度渗透率测试2类。覆压孔隙度渗透率测试仪测试结果显示茅口组上部孔隙度为0.15%～0.92%，茅一段孔隙度为0.47%～3.75%，平均为1.33%；全直径岩心孔隙度渗透率测试结果显示茅一段全直径样品孔隙度为1.67%～1.99%，平均为1.85%。全直径岩心孔隙度渗透率测试结果比覆压孔隙度渗透率测试结果分布范围小，样品孔隙度相近，茅一段孔隙度结果略大，如图14所示。2种孔隙度测试方法中传统覆压孔隙度渗透率测试所用样品为2.5 cm标准岩心，对于储层各向异性强、溶蚀孔及裂缝发育的岩心,标准岩心不能完全反映所对应深度段的真实情况。如图15所示，标准岩样A和标准岩样B均取自同一块取心样品，岩性为灰色泥质灰岩，薄片下可见微裂缝，在该种采样方式下，标准岩样A由于裂缝影响，测得的孔隙度及渗透率会高于标准岩样B所测得的孔隙度及渗透率。全直径岩心孔隙度渗透率测试所用样品为完整井下岩心，测得孔隙度及渗透率是基质储集空间叠加裂缝的综合响应，可以更真实地反应储层的物性特征。因此，利用全直径岩心对测井孔隙度进行校准，可以更好地表征茅一段储层物性[18]。

图14 2种测试方法孔隙度测试结果对比图Fig.14 Comparison of porosity test results by two test methods

图15 茅一段储层不均一性示意图Fig.15 Schematic diagram of reservoir heterogeneity in Mao1 Member

3 富集模式

通过对茅一段进行岩石薄片、扫描电镜、孔渗测试等相关分析，初步建立了南川地区茅一段孔隙网络模式。常规砂岩储层中，大量微米级粒间孔构成了油气运移的孔隙网络；泥页岩储层中丰富的有机质含量及其表面大量发育的有机质孔隙，通过页理或层理缝连接，形成孔隙网络；在南川地区茅一段碳酸盐岩储层中，以溶蚀孔为主的无机孔和有机质孔隙，通过大量发育的粒缘缝相互连通，形成了相对于泥页岩储层有着更好渗流能力的优质储集空间。

南川地区在燕山中晚期构造运动作用下形成东西分带、隆凹相间的构造格局，形成大量北东向逆断层，在上盘向上逆推过程中，受到强烈的挤压和搓碾，断裂附近的破碎岩块变为更加细碎的构造岩或糜棱岩，在泥质含量大于10%的情况下，经由后期的化学或机械填充，一些未被压实的孔缝可被胶结致密，成为封堵性较好的油气运移遮挡体[19]。茅一段顶部的茅二段致密灰岩-龙潭组灰岩、泥岩与底部栖霞组致密块状灰岩物性较差，可以作为茅一段的顶底板与盖层，与封堵性较好的逆断层一起形成了茅一段气藏的圈闭。背斜两翼逆断层附近，由于围岩应力集中及断层两盘的相互作用，会形成沿断层走向分布的诱导裂缝带[20]。

总而言之，茅口组储集空间以裂缝及孔隙型为主，在分布上茅一段地层普遍存在较好的微观储集网络，微裂缝、有机孔、无机孔均有发育，但依靠碳酸盐岩微观孔缝形成的储集体物性较差，且不均匀性较强，气藏富集受限于不同尺度裂缝沟通程度[7]。如图16所示，气体主要富集在断层诱导裂缝带及构造转折端，这是由于断层附近的诱导裂缝带及构造作用形成的构造裂缝为茅口组储层提供了额外的运移通道及储集空间，使各个储集体互相连通，并在正向构造高点聚集成藏。此外，诱导裂缝带的存在明显降低了酸化压裂施工改造的难度，增强了导流能力[21]。近年来，在以志留系为目的层系的钻探过程中，背斜核部多口井在茅一段泥页岩层系发现较好的气测显示，甚至发生溢流，节流点火火焰高达5～20 m，展现出较好的含气性(见表1)。综合评价认为南川地区茅一段气藏为裂缝连通性气藏，属于“裂缝-构造”双重控产气藏(如图16所示)。

图16 川东南地区茅一段富集模式图Fig.16 Accumulation pattern of Mao1 Member in southeast Sichuan

表1 南川地区茅口组部分钻井气测异常情况统计Table 1 Statistics of drilling gas anomalies in Maokou Formation in Nanchuan Area

在茅口组一段富集模式的指导下，通过对川东南南川地区茅一段沉积相及储层特征研究，结合区域连井剖面显示及地震属性预测，初步优选出南川地区平桥南背斜为茅一段碳酸盐岩勘探有利区。在平桥南背斜先后部署了2口探评井，获得了约8×104m3测试产量，套压10.0～10.4 MPa，实现了茅口组新类型勘探突破。

4 结论

1)南川地区茅一段为碳酸盐岩台地外缓坡相，水体相对较深，岩性以深灰色-灰黑色碳质泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩以及生屑灰岩为主，茅一段发育大量韵律成层的眼球状构造，“眼皮”部分岩性为深灰色-灰黑色泥质灰岩，呈纹层状，生屑碎裂、含量多、以介壳类为主；“眼球”部分岩性为灰色-深灰色石灰岩，层理不发育，生物碎屑主要为藻类、腕足类、介形虫和海百合等，磨蚀现象较少。

2)不同于常规碳酸盐岩储层，南川地区茅一段储集物性较差，属于低孔低渗储层，具有较强的不均匀性，纵向上茅一段底部孔隙度、渗透率均高于上部。以泥质灰岩为主的“眼皮”部分由于细微裂缝、收缩缝、层理缝及有机质孔发育，储层物性优于以纯灰岩、微晶灰岩为主的“眼球”部分。

3)南川地区茅一段碳酸盐岩储层中，以溶蚀孔为主的无机质孔和有机质孔隙，通过大量发育的粒缘缝相互连通，形成了孔-缝-网优质储层；诱导裂缝带及构造裂缝为茅口组储层提供了额外的运移通道及储集空间，有利于富集高产；茅一段为裂缝连通性气藏，富集主控因素为“构造-裂缝”双因素。