川北寒武系碳酸盐岩压溶作用的影响因素

胡力文，邹华耀，杨伟强，黎 霆，邓成昆，程忠贞，诸丹诚，陈星岳

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)

0 引 言

截至2015年，塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地和渤海湾盆地等陆上海相盆地已累计探明石油地质储量29.34×108t，天然气地质储量3.37×1012m3，石油资源探明率8.6%，天然气探明率13.87%，勘探潜力较大[1]。随着理论的发展和钻采技术的进步，由中浅层向深层勘探已成为趋势，而且现今深层、超深层油气勘探在全球范围内已经取得了重要的发现[2]。四川盆地、塔里木盆地等中国重要含油气盆地已将超深层油气藏设为主要勘探目标。对于四川盆地，寒武系是深层碳酸盐岩油气资源勘探的主力层位。

压溶作用对深层和超深层孔隙的发育和保存起到重要影响[3]，可能导致碳酸盐岩厚度损失高达34%[4]。2000年Heydari通过定量分析密西西比Black Creek油田现今埋深在6 km的侏罗系Smackover组孔隙度接近于零的鲕粒灰岩，发现在原有40%的孔隙度中，机械压实损失了32.5%，压溶降低了37.5%，压溶引起的胶结破坏了30%[5]。碳酸盐岩中的压溶现象比砂岩中更为突出，比如缝合线[4，6]。Alsharhan和Sadd[7]使用简单的分类，将缝合线分为矩形或高振幅、缝合或波状缝合线、束状缝合线或马尾状缝合线。国内学者通过对缝合线的成因研究，将缝合线分为原生缝合线和次生缝合线两大类[8-13]。本文采用Koehn等将缝合线分为矩形层型、地震锯齿型、缝合/尖峰型和简单波状型4种的分类方法[14]。对压溶作用的影响包括岩石性质(内因)和外部环境因素(外因)。岩石性质包括：(1)原始矿物成分，(2)不溶残余物含量，(3)粒度和颗粒表面性质，(4)白云石含量，(5)黏土矿物含量。总而言之，岩石非均质性越强，压溶作用越强，即缝合线愈发育[12，15-16]。环境因素包括：(1)埋藏深度，普遍认为压溶作用主要发生在埋深大于1000 m的深度[17-18]；(2)孔隙流体性质与油气充注，可以降低地层水含量及其流动性可抑制压溶和矿物沉淀[18-21]。前人描述了一系列压溶的现象，普遍缺乏对缝合线内因控制因素定量评价：比如早期的白云岩化，使得白云岩比灰岩发育更少的缝合线[22-24]，但仅是观察描述，并未定量统计。另外，观察到泥-粉晶白云岩普遍发育缝合线构造[25-27]，多采用描述，并未定量统计。因此本文选取四川盆地寒武系仙女洞组(川深1井、天星1井)、龙王庙组(五探1井、磨溪11井、磨溪12)和洗象池组(东溪1井、马深1井)的岩石薄片以及岩心资料，利用Adobe Photoshop统计不同结构组分含量，对各井岩心的岩性特征以及缝合线特征进行描述。

本文定量统计缝合线的特征(幅度、密度)、碳酸盐岩矿物成分和结构组分，并定量分析缝合线特征与岩石性质的相关性，分析不同类型的碳酸盐岩抗压溶的能力，以揭示缝合线形成与分布的控制因素，为川北地区深层至超深层碳酸盐岩储层分布预测提供一些科学依据。

1 地质背景

四川盆地的发育受周缘地块的裂解和基底构造运动的控制[28]。印支期时盆地的雏形已经基本形成，经过喜山期强烈的压扭性断褶活动后，现代盆地面貌基本形成。寒武纪之前，受桐湾运动的影响，部分地区的灯影组因抬升而遭受风化剥蚀，总体上形成了自西北向东南方向逐渐低缓倾斜的古地貌特征[28-30]。本文的研究区包括四川盆地北部及中部(图1)。寒武系沉积演化主要受古陆陆源碎屑和海平面变化的控制[31]。早寒武世，早期的拉张构造开始转换为挤压构造，上扬子西部边缘开始形成汉南古陆，受兴凯运动的影响，形成绵阳—长宁裂陷槽[29]，由于海平面的下降，摩天岭古陆、汉南古陆面积扩大，古陆成为四川盆地北部碎屑沉积的主要物源区[32]。筇竹寺组、仙女洞组和阎王碥组沉积时期裂陷槽填平补齐，龙王庙组沉积时期在相对平坦的地势上形成一个以碳酸盐岩沉积为主的缓坡沉积环境[32-33]。受郁南运动的影响，研究区西北部遭受不同程度的剥蚀，洗象池组整体表现为西北薄、东南厚的地层特征，与上覆地层奥陶系呈不整合接触。

图1 研究区位置及地层柱状图

2 取样和分析

本研究样品取自7口井岩心(磨溪12、磨溪11、高石10、五探1、川深1、马深1、天星1)和4个风化较弱的新鲜露头(大两会、贵民、巴山、修齐镇)。对岩性和露头的厚度、岩性、颜色和沉积构造及相关特征详细描述。从露头和岩心共采集了714个未风化样品。在中国石油大学(北京)油气资源与勘探国家重点实验室完成薄片的制备和描述工作，共制备371个普通薄片和343个铸造薄片。用茜素红S染色，尼康Eclipse LV100N POL偏光显微镜下观察并拍照。

缝合线参数的统计包括缝合线的密度和平均振幅。对于岩心，缝合线的密度为每米岩心的缝合线数目，平均振幅为每米岩心的累积振幅。对于薄片，在镜下定量统计不同矿物成分、结构组分的含量。

采用图像分析方法对岩石薄片进行定量研究。使用Adobe Photoshop软件对结构组分进行快速、详细、准确的定量研究。利用Adobe Photoshop软件的选择功能来选择碳酸盐岩的结构组分(颗粒、胶结物和基质)。每个成分的含量百分比是根据所选区域的像素值与总像素值的比值来确定的[34]。对来自寒武系的252个碳酸盐岩样品进行了颗粒、胶结物和基质百分含量统计。

3 碳酸盐岩层位岩石类型

本次主要针对寒武系碳酸盐岩地层进行研究，包括仙女洞组、龙王庙组、洗象池组。结合野外露头、钻井岩心描述、岩屑录井和测井解释成果等资料，对研究区内7口井、4个野外露头岩性进行统计，结果表明研究区仙女洞组岩性主要为颗粒灰岩、泥晶灰岩，龙王庙组岩性主要为晶粒白云岩、颗粒白云岩，洗象池组主要为大套厚层块状泥粉晶白云岩。

3.1 仙女洞组

(1)颗粒灰岩。

岩性主要为(残余)鲕粒灰岩，可见(残余)鲕粒含云灰岩、生物灰岩和砂屑灰岩。鲕粒灰岩一般为灰色中-厚层，鲕粒含量(面积分数)大都在55%左右，鲕粒粒径较小，分布在0.1～0.4 mm之间，多为同心放射鲕。鲕粒多被压碎、重结晶、泥晶化、溶解等作用所破坏，局部可见鲕粒压溶现象(图2(a))，部分薄片下可以看到少量鲕粒被选择性白云岩化(图2(b))，少量鲕粒壳层和核心被溶解，后期被亮晶方解石所充填。部分薄片中可以观察到生物碎屑，主要为古杯生物，生物表层被泥晶化，生物内部被亮晶胶结物充填(图2(c))，结构保存完整，生物碎屑含量(面积分数)在65%左右。砂屑灰岩砂屑含量(面积分数)在60%左右，有少量的砾屑(图2(d))，砾屑含量不超过10%，混入少量陆源石英，石英磨圆分选较好，含量(面积分数)不超过5%。颗粒支撑，颗粒间为亮晶方解石胶结，可识别出1～3期胶结物。

(a)鲕粒灰岩，压溶，仙女洞组，大两会剖面，单偏光，普通薄片；(b)残余含云鲕粒灰岩，仙女洞组，大两会剖面，单偏光，铸体薄片；(c)生物灰岩，古杯生物，仙女洞组，大两会剖面，单偏光，铸体薄片；(d)砂屑灰岩，可见砾屑，仙女洞组，大两会剖面，单偏光，普通薄片；(e)泥晶灰岩，孔隙不发育，仙女洞组，镇巴巴山，单偏光，普通薄片；(f)钙质砂岩，仙女洞组，大两会剖面，正交光，普通薄片；(g)砂屑白云岩，可见砾屑，龙王庙组，大两会剖面，单偏光，铸体薄片；(h)残余颗粒白云岩，龙王庙组，大两会剖面，垫纸增强光，单偏光，铸体薄片；(i)残余鲕粒白云岩，可见鲕粒轮廓，龙王庙组，大两会剖面，单偏光，铸体薄片；(j)泥晶白云岩，发育缝合线，龙王庙组，南江杨坝剖面，单偏光，普通薄片；(k)云质砂岩，龙王庙组，大两会剖面，单偏光，普通薄片；(l)云质砂岩，龙王庙组，大两会剖面，正交光，普通薄片；(m)砂屑白云岩，洗象池组，马深1井，单偏光，普通薄片；(n)粉晶白云岩，洗象池组，大两会剖面，单偏光，普通薄片；(o)泥晶白云岩，发育缝合线，洗象池组，大两会剖面，单偏光，普通薄片；(p)砂质白云岩，洗象池组，大两会剖面，单偏光，普通薄片

(2)泥晶灰岩。

泥晶碳酸盐岩主要发育在水体能量相对较弱、较为安静的沉积环境，一般为灰色中薄层状。研究区岩性主要为泥晶灰岩(图2(e))，晶粒较小，在5 μm左右，可见泥晶白云岩，部分泥质含量较高，形成泥质白云岩；混有少量陆源石英，含量(面积分数)不超过5%，石英颗粒较小，粒径在0.05～0.1 mm之间，磨圆分选都较好。

(3)混积岩。

混积岩指同一层内陆源碎屑与碳酸盐岩组分混合[35]。川北受摩天岭、汉南等古陆的影响，仙女洞组中下部发育有混积岩。研究区主要岩性为砂质鲕粒灰岩和含砂鲕粒灰岩，可见钙质砂岩(图2(f))。砂质鲕粒灰岩和含砂鲕粒灰岩一般为灰色中厚层状，鲕粒颗粒含量(面积分数)大都在55%左右，鲕粒粒径较小，在0.1～0.4 mm之间，多为同心放射鲕。石英颗粒粒径大都在0.1～0.3 mm之间，陆源石英含量(面积分数)在15%～50%之间，充填在鲕粒颗粒之间，孔隙不发育，整体岩性较致密。

3.2 龙王庙组。

(1)颗粒白云岩。

研究区寒武系龙王庙组颗粒白云岩较为发育，颗粒类型有砾屑、砂屑、粉砂屑、鲕粒、生物碎屑，以砂屑为主(图2(g))。研究区颗粒原始结构受白云岩化、重结晶、溶蚀作用破坏，形状模糊，边界不清(图2(h))，在镜下可以看到颗粒幻影，垫纸增强光后可见颗粒形态。岩性以残余颗粒白云岩为主，可见生物碎屑、砂屑，混入少量陆源石英，含量(面积分数)不超过5%，砂屑含量(面积分数)多在70%左右，由粉细晶白云石构成，陆源碎屑含量较少，不到5%，发育少量孔隙，有沥青充填(图2(h))。研究区可见鲕粒颗粒，鲕粒原始结构不清(图2(i))，鲕粒含量(面积分数)最大可到60%，粒径大小在0.3～1.2 mm之间，粒径跨度较大，鲕粒颗粒多由粉-细晶白云石构成，鲕粒间为亮晶白云石胶结，可见粒间孔、粒内孔，被白云石、沥青充填。

(2)晶粒白云岩。

研究区龙王庙组晶粒碳酸盐岩几乎被完全白云岩化，按晶粒大小可分为粉晶、细晶。其中，粉晶白云岩最为发育，可见生物碎屑。细晶白云岩中可见鲕粒的残余结构，鲕粒结构不清，只能识别出鲕粒的基本形态，可见少量方解石被茜红素染红，含量较低，可见微孔，面孔率不超过5%，说明部分晶粒白云岩原岩是颗粒碳酸盐岩(图2(i))。粉晶白云岩晶粒多小于0.1 mm，自形程度较差，多为它形-半自形，孔隙不发育，可见缝合线。

(3)泥晶白云岩。

研究区泥晶白云岩一般为灰色-浅灰色薄层状，晶粒细小，致密，孔隙不发育，可见裂缝，多被后期白云石、方解石、石英所充填，缝合线较为发育(图2(j))。部分含有泥质，形成泥质白云岩，可见少量砂屑、粉砂屑颗粒。少量陆源石英混入，含量(面积分数)在2%左右，石英粒径较小，粒径在0.05 mm左右。发育在水体能量较弱、安静的沉积环境。

(4)混积岩。

研究区混积岩以云质砂岩为主(图2(k))，可见砂质云岩、含云砂岩。云质砂岩一般为浅灰色中-厚层状，陆源石英粒径较大，粒径大都在0.15～0.4 mm之间，含量(面积分数)大都在50%～65%之间。颗粒间由泥粉晶白云石充填，岩石致密，孔隙不发育。砂质白云岩石英含量(面积分数)在25%～50%之间，以泥粉晶白云石为主，岩石整体致密，孔隙不发育。

3.3 洗象池组

(1)颗粒白云岩。

研究区洗象池组颗粒白云岩单层厚度薄，主要为(残余)砂屑白云岩(图2(m))，局部可见角砾白云岩。(残余)砂屑白云岩颗粒含量(面积分数)大都在60%～70%之间。颗粒支撑，偶见砾屑，颗粒间由白云石胶结。部分颗粒碳酸盐岩受重结晶和白云岩化作用的影响，颗粒原始结构不清，由粉细晶白云石构成。受古陆的影响，含有少量的陆源碎屑，陆源石英粒径变化较大，粒径在0.1～0.5 mm之间。

(2)晶粒白云岩。

研究区洗象池组晶粒白云岩按照晶粒大小可以分为细晶、粉晶，白云岩化程度高，粉晶白云岩最为发育(图2(n))，晶体直径小于0.1 mm，部分晶形较好，自形-半自形。岩石致密，可见少量晶间溶孔，孔隙不发育，孔隙度(面积分数)在1%左右，发育缝合线。部分晶粒白云岩中可见少量鲕粒和砂屑，砂屑结构被破坏，颗粒边界不清，说明部分晶粒白云岩原岩是颗粒碳酸盐岩。

(3)泥晶白云岩。

研究区泥晶碳酸盐岩以泥晶白云岩为主，一般为浅灰色-灰色中厚层块状，不含颗粒或颗粒含量较低，颗粒含量(面积分数)不超过30%。岩石致密，孔隙不发育，可见裂缝，后期被石英、白云石所充填，缝合线较发育(图2(o))。

(4)混积岩。

研究区混积岩主要岩性为砂质云岩(图2(p))，陆源石英的含量(面积分数)大都在10%～40%之间，粒径较小，粒径在0.05～0.3 mm之间，磨圆较好。可见云质砂岩、含砂颗粒云岩。云质砂岩中可见少量颗粒，颗粒含量(面积分数)在5%左右，颗粒由泥晶白云石构成。含砂颗粒云岩可见少量鲕粒颗粒，石英含量(面积分数)在15%左右，颗粒间由泥晶白云石充填，孔隙不发育。

4 压溶作用的影响因素

4.1 缝合线类型

缝合线是压溶作用的识别标志，是在压力作用下局部颗粒压溶过程中形成的粗糙或波状溶蚀缝[36-38]。根据Koehn等[14]对缝合线的分类，将缝合线分为矩形层型、地震锯齿型、缝合/尖峰型和简单波状型。该方式将缝合线的生长方式利用缝合线类型更加明了的表现出来，并将岩石的压溶作用和渗透率变化联系起来，可以用来估计缝合线对岩石渗透性的影响。本文采用Koehn等[14]的分类方法，对缝合线进行分类。

研究区识别出三种缝合线类型：缝合/尖峰型、地震锯齿型和简单波状型(图3)。在岩心和镜下薄片中，均以缝合/尖峰型(图3(b)和(e))为主，缝合/尖峰型的增长是非线性的，因此用它来评估压溶非常不准确。简单波状型缝合线(图3(a)和(d))次之，该类没有展示出大的粗糙度，并且常常含有原始层的矿物，所以能很好地作为流体的屏障。但是，很难使用这种分类来进行压溶评估。地震锯齿型缝合线(图3(c)和(f))由不同大小的颗粒形成不同大小的齿状，大齿处呈线性增长，可以比较好的表现压溶作用的程度[39]。

(a)简单波状型，马深1井，岩心；(b)缝合/尖峰型，马深1井，岩心；(c)地震锯齿型，马深1井，岩心；(d)简单波状型，马深1井，镜下薄片，单偏光，普通薄片；(e)缝合/尖峰型，马深1井，镜下薄片，单偏光，普通薄片；(f)地震锯齿型，大两会剖面，镜下薄片，单偏光，普通薄片

4.2 影响因素

4.2.1 矿 物

选取研究区岩石类型中白云石、方解石和陆源碎屑3种含量占比较高的矿物组分，分析其与缝合线密度和振幅的相关性。

统计发现当研究区岩石中陆源碎屑(包括石英和长石)含量小于15%时，缝合线的密度和振幅随陆源碎屑含量的增加而增大，陆源碎屑含量为10%～15%的岩石中缝合线密度和幅度均是陆源碎屑含量小于10%时的2倍之多(图4)。常观察到的是，缝合线等压溶特征在碳酸盐岩中比在砂岩中更常见[4]。陆源碎屑(石英、长石)与方解石、白云石在硬度和晶体形状上均有差异，在压溶过程中陆源碎屑比白云石和方解石更难溶解。一定含量陆源碎屑(10%～15%)的参与，使得岩石的非均质性增强，有利于缝合线的形成。

图4 缝合线密度和幅度与陆源碎屑含量关系直方图

一些学者已经认识到，白云岩比灰岩更抗压溶[22，24]，这是因为白云石具有较高的物理强度和化学稳定性[39]，导致其缝合线数量更少[40]。镁的增加似乎降低了压溶作用的速率[41]。本项研究不仅发现纯白云岩(白云石含量大于99%)的缝合线密度和振幅低于纯灰岩(方解石含量大于99%)，而且岩石中不同含量的白云石和方解石缝合线密度和振幅也不同。当白云石含量小于80%时，缝合线的密度和振幅随白云石含量的增加而增大；当白云石含量高于80%时，缝合线的密度和振幅随白云石含量的增加而减小(图5)。当方解石含量小于50%时，缝合线的密度和振幅随方解石含量的增加而增大；当方解石含量高于50%时，缝合线的密度和振幅随方解石含量的增加而减小(图6)。岩性非均质性在压溶作用和形成缝合线中起着重要作用[37，42-45]，岩石的非均质性越强，越有利于缝合线的形成。白云石含量小于80%的岩相具有较大的非均质性，岩性主要表现为白云质灰岩和灰质白云岩，且方解石抗压溶能力较弱，更有利于缝合线的形成。当碳酸盐岩中白云石含量大于80%时，岩石的非均质性降低，表现出白云岩的特征，纯白云岩的抗压溶能力更强。

图5 缝合线密度和幅度与白云石含量关系直方图

图6 缝合线密度和幅度与方解石含量关系直方图

4.2.2 结构组分

许多研究注重于缝合线的几何形态以及缝合线对流体的影响的研究，但从岩心观察到缝合线参数(幅度、密度)与不同结构组分含量(颗粒、胶结物、基质)之间定量关系的研究较少。本文通过面积法利用Adobe Photoshop定量统计岩石中不同结构组分的占比，分析其与缝合线的密度和幅度之间的相关性。

缝合线的密度和幅度随颗粒含量的增加而减小，低值出现在颗粒含量为50%～70%的范围内，当颗粒含量为50%～70%时，岩石具有较强的抗压溶性(图7)。根据前人研究发现，颗粒含量为60%、初始孔隙度为40%、分选良好的颗粒碳酸盐岩具有较强的抗压实能力和抗压溶性[46]，在岩石上表现出缝合线密度和幅度较低的现象。

图7 缝合线密度和幅度与颗粒含量关系直方图

缝合线的密度和幅度随胶结物含量的增加有减少的趋势(图8)。当胶结物含量大于25%时，缝合线的密度和振幅较低。胶结物含量为25%～30%时，缝合线密度和幅值最低。早期胶结增强了岩石抗压实压溶的能力[47]，较高的胶结含量有利于抑制后期压实和压溶[37]。

图8 缝合线密度和幅度与胶结物含量关系直方图

基质的存在通常被认为是造成缝合线不均匀和随后的粗化的主要原因[45，48-50]。基质尺寸虽较小(小于10 μm)，但比表面积大于颗粒，导致其更有利于压溶作用和缝合线的形成[47，51]。缝合线的密度和振幅随基质含量的增加而增大。基质含量为90%～100%的岩石缝合线的密度大约是0～10%时的3倍，而缝合线幅度随基质的变化相对较为缓慢(图9)。

图9 缝合线密度和幅度与基质含量关系直方图

4.2.3 岩 相

不同岩相中缝合线的发育分布存在差异，粒度、分选和组成是缝合线发育的关键岩性变量[50]。基于四川盆地洗象池组岩心缝合线的密度和幅度统计，定量分析不同岩性与缝合线特征之间的关系。

研究发现，同一井中洗象池组颗粒白云岩、混积岩、晶粒白云岩和泥晶白云岩的缝合线密度和振幅依次增大(图10)。泥晶白云岩中缝合线的密度和振幅是颗粒白云岩的两倍，说明颗粒白云岩具有较强的抗压溶能力，有利于孔隙的保存(图10)。

图10 缝合线密度和幅度与不同岩相关系直方图

此外，通过对2口井(马深1井、东溪1井)的对比，发现马深1井和东溪1井的缝合线幅度差别不大，但马深1井缝合线密度是东溪1井缝合线密度的2倍之多，说明压溶作用的复杂性。缝合线在不同井的同一类型岩相中密度和振幅的差异可能与不同地区沉积成岩演化序列的差异有关。

5 结 论

(1)研究区仙女洞组岩性主要为颗粒灰岩、泥晶灰岩，龙王庙组岩性主要为晶粒白云岩，颗粒白云岩，洗象池组主要为泥粉晶白云岩。研究区寒武系碳酸盐岩中识别出三种缝合线类型，缝合/尖峰型、地震锯齿型和简单波状型，其中以缝合/尖峰型为主。

(2)在压溶过程中，陆源碎屑的含量为10%～15%的岩石更容易形成缝合线。纯净白云岩(白云石含量大于99%)的缝合线密度和幅度低于纯灰岩(方解石含量大于99%)，岩石的非均质性越强，越有利于缝合线的形成。

(3)缝合线的密度和幅度随颗粒含量的增加而减小，当颗粒含量为50%～70%时，岩石具有较强的抗压溶性。缝合线的密度和幅度随胶结物含量的增加而减小，胶结物含量为25%～30%时，缝合线密度和幅度最低。缝合线的密度和幅度随基质含量的增加而增大。

(4)颗粒白云岩、混积岩、晶粒白云岩和泥晶白云岩的缝合线密度和幅度依次增大，颗粒白云岩具有较强的抗压溶能力，有利于孔隙的保存。