川西坳陷飛仙關組三段鮞灘儲層特征與成巖作用研究

摘 要

摘要：對川西坳陷下三疊統飛仙關組的天然氣勘探一直未獲得突破，但在該區野外露頭發現了鮞粒灘相沉積，顯示飛仙關組三段(簡稱飛三段)有可能成為該區重要的潛在海相儲層。為此，利用
摘要：對川西坳陷下三疊統飛仙關組的天然氣勘探一直未獲得突破，但在該區野外露頭發現了鮞粒灘相沉積，顯示飛仙關組三段(簡稱飛三段)有可能成為該區重要的潛在海相儲層。為此，利用野外露頭樣品，通過普通薄片、鑄體薄片、陰極發光薄片觀察及樣品掃描電鏡觀察，結合部分樣品的物性、微量元素分析測試結果，對該區飛三段鮞粒碳酸鹽巖的儲層特征、成巖作用進行了研究。結果顯示，漢旺野外露頭剖面飛三段下亞段鮞粒灰巖以海底成巖作用為主，兩期膠結作用強烈，而不完全的埋藏白云巖化未能有效增加孔隙空間，使得最終孔隙度較小；漢旺剖面的飛三段上亞段及大飛水剖面飛三段鮞粒白云巖則主要以埋藏成巖作用為主，次生孔隙發育，埋藏白云巖化與溶蝕作用是孔隙發育的關鍵。研究結果表明，成巖作用是造成川西坳陷飛三段鮞粒碳酸鹽巖樣品物性差異的關鍵因素。
關鍵詞：川西坳陷；漢旺剖面；大飛水剖面；早三疊世；鮞粒碳酸鹽巖；成巖作用；白云石化；巖溶作用
    下三疊統飛仙關組三段(以下簡稱飛三段)是四川盆地重要的儲集層段之一，如在該盆地東北部(川東北)普光、河壩地區及川西北九龍山、河灣場、射箭河地區的飛三段鮞粒碳酸鹽巖沉積中，均發現了良好的儲層及油氣顯示[1～7]。顯然，這些地區儲層的發育受高能沉積微相(鮞粒灘相)的控制。盡管在川西坳陷飛三段一直未獲得突破，但野外露頭觀察顯示：川西坳陷北段南部的讓水、通口、漢旺、茶坪、龍王廟以及南段的大飛水等剖面，均發現了飛三段鮞粒灘沉積，具備形成優質儲層的基礎。但物性分析結果卻顯示，這些剖面采集樣品的孔隙度值相差很大，較強的非均質性進一步增加了該區油氣勘探的難度。相對于碎屑巖儲層，碳酸鹽巖儲集巖在孔隙演化過程中更易受成巖作用的改造，導致原生孔隙不再是流體的主要儲集空間和運移通道，而產生的次生孔隙往往具有更重要的意義[8～9]。因此，筆者通過詳細的巖石學觀察、地球化學分析，結合物性分析結果，對川西坳陷飛三段鮞粒碳酸鹽巖儲層特征及成巖作用進行研究，目的是理解成巖過程對儲層發育的影響，總結其控制因素，從而進一步指導川西海相地層油氣勘探。
1 地質背景及儲層巖性、物性特征
1.1 地質背景
四川盆地西部以北川-映秀斷裂為界，向東依次可劃分為川西坳陷、川中平緩構造帶及川東中-高陡構造帶等一級構造單元。川西坳陷大致呈東北向展布，是四川盆地重要的油氣勘探區，區域上根據印支期以來構造活動強度、期次的差異，大至以綿竹新場和成都大邑為界，可將川西坳陷進一步劃分為北段、中段和南段(圖1)，構造強度由北向南逐漸增強，北段屬印支構造帶，中段屬燕山構造帶，南段屬喜山構造帶[10～11]。
 

1.2 儲層巖性、物性特征
    對川西坳陷西側邊緣多個野外露頭剖面點進行了仔細的沉積特征、巖性觀察，并采集了部分鮞粒碳酸鹽巖樣品進行仔細的室內巖石學觀察及分析測試，野外露頭剖面如圖1所示。
    觀察結果顯示，根據巖性特征的差異，川西坳陷北段南部的漢旺剖面大致可以分為2個亞段，下亞段見黃灰色厚層狀砂屑鮞粒灰巖發育，砂屑、鮞粒核心常被半自形粒狀白云石交代，厚度叮超過20m，夾紫紅色泥質石灰巖及紫紅色泥巖，總體上，由數個向上變淺的旋回組成；而上亞段發育有黃灰色中厚層狀鮞粒云巖，累計厚度超過15m，夾紫紅色粉砂質石灰巖及薄層狀泥巖。漢旺剖面周圍的茶坪、龍王廟、曉壩、通口、香水、讓水等剖面的飛三段也發育了較多的亮晶鮞粒灰巖，部分為云質鮞粒灰巖(圖2-a)，這些剖面的沉積、巖性特征與漢旺剖面下亞段相似，主要為臺內或臺緣鮞粒灘夾少量潮坪相沉積。

    南段的大飛水剖面也可見厚度超過10m的粉細晶白云巖，粉細晶白云石半自形-他形粒狀，鑲嵌狀分布，部分集合體似鮞狀，隱約可見同心層，由鮞粒重結晶而成(圖2-b)，含少量介形蟲、腕足等生屑，已白云巖化，夾少量鈣質細粒長石砂巖等碎屑巖沉積，總體上為局限臺地鮞粒灘海陸過渡相混積潮坪交互沉積。
    對上述8個剖面(圖1)的飛三段35個砂屑鮞粒結構石灰巖(白云巖)樣品的孔隙度進行了測試。結果顯示，孔隙度平均值為2.39%(圖3)，高于四川盆地碳酸鹽巖有效儲集巖評價標準的孔隙度下限值(下限值為2%，參照SY/T 6110-2002碳酸鹽儲集巖級別劃分和四川碳酸鹽巖儲集巖分類方法)，暗示該區飛三段砂屑鮞粒碳酸鹽巖為重要的潛在儲集巖。然而，孔隙度范圍變化較大(0.18%～16.98%)，顯示樣品的非均質性較強，如北段南部通口等剖面的砂屑鮞粒碳酸鹽巖孔隙度平均值多低于1%(圖3)，孔隙結構為小孔微喉或微孔微喉型組合，毛細管壓力曲線特征顯示出細-極細歪度，分選差極差(圖4)，顯微鏡下觀察也顯示，這些剖面樣品的亮晶方解石膠結作用非常發育，應是孔隙度降低的重要原因；而在漢旺剖面飛三段上亞段，見有粒間溶孔發育的鮞粒白云巖，孔隙度最大值可達16.71%，孔隙結構為大孔中粗喉，毛細管壓力顯示出略粗歪度，分選差的特征(圖4)，可能為不均勻溶蝕作用的結果；南段大飛水剖面的4個樣品孔隙度平均為8.23%(圖3)，巖性為重結晶殘余砂屑鮞粒細晶白云巖，孔隙類型主要為白云石晶間(溶)孔，孔隙結構為中孔細喉，毛細管壓力曲線顯示出分選好，細歪度的特征(圖4)，儲集性能為中等-差。
 

2 成巖作用研究
    以上巖性、物性分析結果顯示，盡管均發育于高能砂屑、鮞粒灘沉積相帶，但鮞粒碳酸鹽巖儲集物性變化很大。鏡下觀察發現，成巖作用是控制儲集物性變化的關鍵。由于川西坳陷北段南部的砂屑鮞粒碳酸鹽巖的沉積、巖性特征與漢旺剖面下亞段相似，暗示這些剖面經歷了相似沉積、成巖環境，而與南段的大飛水剖面明顯不同。因此，下面主要以漢旺剖面和大飛水剖面為例，分別對北段南部、南段鮞粒碳酸鹽巖的成巖作用進行研究。
2.1 漢旺野外露頭剖面成巖現象
2.1.1漢旺剖面飛三段下亞段威巖作用觀察
顯微鏡下觀察顯示，漢旺剖面的下亞段，鮞粒灰巖中的鮞粒呈定向排列，略具有伸長狀，以及鮞粒內部見有放射狀微小裂紋(圖5-a、b)，表明經歷了較強壓實作用。膠結物普遍發育，鮞粒間有2個世代膠結：第一世代為櫛殼狀或者馬牙狀(圖5-b)，為海底成巖作用的特征產物[12～13]，在全片穩定分布，具有較亮陰極發光(圖5-d)，表明其形成于相對比較還原富錳的成巖流體環境[14]，Mn微量元素分析顯示含量達973μg/g，證實了以上推測。而這種成巖流體可能主要繼承于沉積環境，主要表現在鮞粒及生物碎屑顆粒也發比較明亮的陰極發光(圖5-d)；第二世代膠結物主要晶粒狀方解石膠結、充填余下的孔隙空間(圖5-b、d)，在陰極發光下，呈略昏暗發光的特征，可能是在較氧化的海底成巖環境中膠結形成的，但更可能是在較還原的埋藏成巖環境中富Fe2+流體并入成巖流體中的結果。
 
    泥晶鮞粒中心常可見含有半自形-自形的粉細晶白云石(圖5-a、b、c)且該白云石切割方解石充填的微裂縫(圖5-b)，表明該微裂縫形成于白云巖化之前，為早成巖期的產物。而縫合線切割顆粒和膠結物(圖5-a)則表明縫合線形成較晚，沿縫合線也常見有晶粒白云石分布，表明白云巖化應與埋藏壓溶作用有關。鮞粒中心及沿縫合線分布的白云石晶粒在陰極發光薄片下不發光或昏暗發光，應是白云石含鐵的結果[15]。后期構造裂縫切割縫合線，顯示構造裂縫形成時期較晚，然而它被典型的海水成巖環境形成的放射纖維束狀碳酸鹽膠結物膠結(圖5-c)[13]，表明該區后期可能經歷了大規模的抬升后，該處的成巖流體受到海水侵入的影響。經過上述強烈的壓實、膠結作用，該區孔隙不發育，僅發育少量的溶孔及未被充填的裂縫。
2.1.2漢旺剖面上亞段
    漢旺剖面上亞段鮞粒碳酸鹽巖的成巖現象與下亞段存在明顯的差異，上亞段的鮞粒結構巖性以白云巖為主，鮞粒間縫合接觸且部分鮞粒具有塑性變形，膠結物不發育(圖6-a)，可能是早期的膠結作用較弱，后期壓實、壓溶作用較強造成的。鮞粒白云巖重結晶明顯，白云石主要呈不規則微一粉晶結構，非選擇性粒間溶蝕孔較發育(圖6-a、b)，部分溶蝕孔隙中殘留自生石英及黏土礦物(圖6-c)。因此，溶蝕孔隙的發育可能與酸性大氣水流體的溶蝕有關[13]。成巖晚期，在構造作用的控制下，還可見構造裂縫切割鮞粒。
2.2 大飛水剖面成巖現象
    大飛水剖面飛三段以白云巖為主，部分白云巖顯微鏡下觀察顯示，細晶白云石半自形他形粒狀，鑲嵌狀分布(圖6-d、e)，顯示為埋藏白云巖化的特征[16]，部分集合體似鮞狀，隱約可見似同心層，殘余鮞粒結構(圖6-f)，重結晶強烈，陰極發光薄片下，白云石晶體僅發陰暗的陰極發光，而不呈明暗相間的環帶結構，并且鍶含量(127μg/g)較低，顯然是重結晶作用的特征，形成于較開放的成巖體系[17]。
    鮞粒間縫合接觸或凹凸接觸(圖6-f)，表明經歷了一定的壓實作用。方解石主要是以交代白云石、硅質或以膠結物的形式出現，如方解石交代白云石，而以等軸晶粒白云石的晶形出現，或者方解石交代沿裂縫分布的硅質充填物，而使硅質呈被交代的港灣狀(圖6-d)，方解石的交代作用可能是與沿縫合線方解石膠結同期；另外一期方解石是以連晶的方式膠結(圖6-f)，應該是成巖晚期的產物。此后應該還存在另外一期的溶蝕作用及破碎作用，導致早先方解石膠結的溶蝕孔洞部分被溶蝕，并發育溶蝕溝、縫(圖6-e)。
2.3 成巖作用區域變化特征及控制因素
根據以上成巖現象觀察、描述，以及成巖現象的先后順序、自生礦物(膠結物)、縫合線、裂縫之間的穿插、切割關系，溶蝕、膠結等成巖作用發育的期次，對川西地區北段南部與南段飛三段的成巖序列進行了總結，成巖序列如圖7所示。
 

    從成巖序列來看，川西坳陷北段南部與南段的成巖作用有明顯的差異，北段南部以海底成巖、淺埋成巖作用為主，而南段大飛水剖面以埋藏成巖作用為主，中、深埋藏成巖作用顯著。總體上，飛三段成巖作用在平面上由北向南，成巖作用由海底向埋藏成巖變化。北段南部(如漢旺剖面下亞段)經歷了明顯的海底成巖作用，纖維狀等厚環邊、粒狀方解石膠結普遍發育，這使原始粒間孔隙顯著減小。在埋藏成巖環境中，壓實、壓溶和膠結作用使孔隙度進一步降低，而鮞粒內及沿縫合線分布的白云巖化作用，對孔隙度影響較小，使最終孔隙度很低。漢旺剖面上亞段和南段(大飛水剖面)的成巖作用相似，埋藏期的壓實作用較強烈，白云巖化可能均為埋藏成因，重結晶現象較強烈且未發現同生成巖期大氣水溶蝕作用形成的鮞粒鑄模孔，表明可能與埋藏溶蝕作用有關，中-晚期溶蝕作用是孔隙發育的重要因素。
    沉積環境可能是造成這種成巖變化的因素，受康滇古陸的影響，飛仙關組由川西坳陷的西南向東北，海水不斷加深，且四川盆地飛三段總體而言是不斷海侵的過程，這導致北段南部的鮞粒灘沉積始終處于海水成巖環境，從而導致膠結作用非常發育；而南段水體較淺，主要處于局限臺地沉積環境，白云巖化作用更易發生，漢旺剖面的鮞粒白云巖也可能是飛三段沉積后期，沉積環境趨于局限的結果。
3 結論
    1) 川西坳陷西緣飛三段高能沉積相帶的鮞粒灘發育，具有形成顆粒灘型儲層的條件。成巖作用是控制該區鮞粒灘儲層的非均質性的重要原因，其中，海底成巖作用下的膠結，埋藏成巖環境下的壓實、壓溶是最重要的破壞性成巖作用，而埋藏成巖環境下的溶蝕、白云巖化則是孔隙發育的建設性成巖作用。
    2) 川西坳陷北段南部與南段飛三段的鮞粒碳酸鹽巖經歷了不同的成巖作用。漢旺剖面飛三段下亞段經歷了較長時間的海底成巖作用，纖維狀、粒狀方解石膠結物發育；埋藏成巖環境中，壓實、膠結作用使孔隙進一步降低。南段大飛水剖面飛三段與北段南部局部(如漢旺剖面飛三段上亞段)的鮞粒白云巖成巖作用相似，成巖中晚期白云巖化作用、溶蝕作用強烈，次生孔隙發育，為鮞粒灘儲層發育的有利區。
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(本文作者：李宏濤1，2 龍勝祥1 吳世祥1 陳純芳1 馮動軍1 1.中國石化石油勘探開發研究院；2.中國地質大學 北京)