岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (4): 1295-1304   PDF    
川东北二叠系长兴组碳酸盐岩深埋成岩过程及其意义
张单明1,2, 刘波2, 秦善1, 田永净3, 张学丰2, 郭荣涛1,2     
1. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
2. 北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871;
3. 中联煤层气有限责任公司, 北京 100011
摘要: 上二叠统长兴组储层是川东北地区主力产层之一,储层岩性主要为结晶白云岩、残余生屑/砂屑白云岩、生物礁白云岩和亮晶生屑灰岩,储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主,生物体腔孔、残余粒间孔次之,溶洞和裂缝少量发育。长兴组优质储层主要分布于台地边缘生物礁、台地边缘滩等沉积相带,该相带发育大量原生孔隙,易遭受大气淡水溶蚀改造。原生孔隙的发育为白云岩化流体与岩石相互作用提供空间,早期孔隙演变为晶间孔。白云岩抗压实能力较强,有利于高孔隙白云岩的保存。早三叠世快速深埋使长兴组迅速进入中深埋藏,深埋阶段,裂缝少量发育,部分被方解石充填,对储层贡献有限。晚三叠世油气充注隔绝了岩石与地层水的接触,抑制了孔隙内白云石的溶蚀和沉淀,储层先存孔隙得到较好的保存。快速深埋使孔隙迅速被埋藏封闭,深埋阶段水-岩反应处于近封闭的平衡状态,溶蚀-沉淀现象有限,深埋藏环境主要是储层孔隙保存和调整的场所,孔隙空间的位置可能重新分配。
关键词: 川东北     长兴组     碳酸盐岩     深埋     孔隙保存    
Deeply buried diagenetic process and its significance for the carbonate of Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin
ZHANG ShanMing1,2, LIU Bo2, QIN Shan1, TIAN YongJing3, ZHANG XueFeng2, GUO RongTao1,2     
1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871, China;
3. China United Coalbed Methane Corporation, Ltd, Beijing 100011, China
Abstract: The Upper Permian Changxing Formation, one of the main reservoirs in the northeastern Sichuan Basin is made up of crystalline dolomite, residual bioclastic/sand-clastic dolomite, biohermal dolomite and sparry bioclastic limestone. Observations on the thin sections display that the reservoir space is mainly made up of intercrystalline pore and intercrystalline solution pore, followed by biological cavity pore and residual intergranular pore, with a few caves and fractures. The high quality reservoir of Changxing Formation mainly develops in the platform margin reef facies and shoal facies which prefer to develop abundant primary pores and suffer meteoric dissolution first. The primary pores provide space for the interaction between the dolomitization fluid and carbonate during diagenetic process. The eogenetic pores transform into intercrystalline pores. Dolomite is more likely to preserve high porosity for its high anti-compaction feature. Fast deeply buried in the Early Triassic makes Changxing Formation reach the middle-deep burial stage quickly. During the deep burial stage, fractures are less developed in the study area, which has a minor effect on Changxing Formation. Hydrocarbon emplacement in the Late Triassic isolates the contact between the carbonate and the pore fluid, which restrains the dissolution and cementation of the dolomite within the pores. The pre-existed pores are well preserved. Early fast deeply buried makes the early pores get into the closed system in a short time. The carbonate-fluid reaction reaches an equilibrium state in a nearly closed system in the deep burial stage, resulting in limited dissolution and cementation. Deep burial environment is the setting for porosity modification and preservation. It is just a redistribution of the pore space.
Key words: Northeastern Sichuan Basin     Changxing Formation     Carbonate     Deep burial     Pore preservation    
1 引言

近年来,四川盆地碳酸盐岩油气勘探逐步向深层转移,川东北长兴组储层埋深超过6500 m,甚至可达7500 m,是目前四川盆地已发现埋藏最深的气藏 (Chen et al., 2012;彭光明等, 2014)。这些储层平均孔隙度约8%,最大超过30%,渗透率最大可达9664 mD (Zhang et al., 2013; Li et al., 2015)。从储层成因角度来看,对长兴组储层形成机理存在诸多见仁见智的观点。一派学者认为储层在早期埋藏成岩过程中,原生孔隙和早期次生孔隙由于强烈的压实和胶结作用而呈现随深度增加而逐渐减少的趋势,在深埋阶段很难形成优质储层 (Schmoker and Halley, 1982; Ehrenberg and Nadeau, 2005; Ehrenberg et al., 2009),因此深部碳酸盐岩储层孔隙必然是在深埋条件下产生的,即所谓的“埋藏溶蚀”(郭彤楼, 2011;陈志勇等, 2007;李国蓉等, 2014; Cai et al., 2014)。另一派学者认为,深埋藏条件下,储层岩石处于封闭状态,深埋溶蚀所需的流体及其循环动力学条件均难以满足,因此深埋条件下必然难以有效新增大量孔隙,只可能在早期成岩作用形成孔隙的基础上发生“孔隙调整或转移”(Taylor et al., 2010; Ehrenberg et al., 2012, 2013; Bjrlykke, 2011, 2013; Bjrlykke and Jahren, 2012; Biehl et al., 2016),川东北长兴组深埋优质储层来源于对早期孔隙的继承和保存 (Tan et al., 2012;杨云坤等, 2014; Chen et al., 2014)。

本文在长兴组岩心及薄片资料的基础上,统计优质储层孔隙类型和分布,研究不同成岩阶段的成岩作用类型及特征,分析孔隙演化史,明确孔隙发育的主控因素,探讨深部孔隙形成机理,这对四川盆地深部碳酸盐岩油气勘探具有重要意义。

2 地质背景

川东北地区位于四川盆地东北部,北邻米仓山-大巴山造山带,东南接川东断褶带,西邻川西坳陷,南接川中平缓褶皱区 (图 1a)。根据沉积环境不同,将长兴组沉积相划分为开阔台地、台地边缘礁滩、台地边缘斜坡及陆棚,沉积厚度在100~300 m不等,其中礁白云岩及礁顶残余生屑白云岩储层物性最好,是长兴组储层最重要的相带 (余新亚等, 2014)。以元坝204井为例,根据岩性和沉积旋回将长兴组划分为长一段和长二段,长一段岩性以生屑灰岩和泥晶灰岩为主,生物礁发育较少,以生屑滩沉积为主。长二段岩石组合以生屑白云岩、礁灰岩、生屑灰岩为主,生物礁较发育,且具有多期性 (图 1b)。

图 1 研究区位置、区域构造 (a, 据谭秀成等, 2010;赫云兰等, 2012修改) 及长兴组地层剖面 (b) Fig. 1 Location, regional tectonic units of study area (a, after Tan et al., 2010; He et al., 2012) and stratigraphic section of Changxing Formation (b)
3 长兴组碳酸盐岩类型及特征 3.1 岩性及储集空间类型

川东北长兴组储层岩石类型主要为残余生屑白云岩、残余砂屑白云岩、结晶白云岩、生物礁白云岩和亮晶生屑灰岩,储集空间以晶间孔 (图 2a) 及晶间溶孔 (图 2b) 为主,生物体腔孔 (图 2c)、残余粒间孔 (图 2d) 次之,溶孔 (图 2e)、和裂缝 (图 2f) 少量发育。

图 2 川东北长兴组主要储集空间特征 (a) 细晶白云岩,白云石半自形-自形,雾心亮边,晶间孔发育,YB29,P2ch,6640.60 m;(b) 残余砂屑中-粗晶白云岩,白云石半自形-自形,晶间孔、晶间溶孔发育,沥青 (BF) 贴边分布,YB27,P2ch,6299.20 m;(c) 粉晶白云岩发育溶孔、生物体腔孔,YB271,P2ch,6324.40 m;(d) 亮晶砂屑细-中晶白云岩,发育残余粒间孔 (BP),沥青贴边分布,YB9,P2ch,6908.95 m;(e) 中晶白云岩,发育溶孔,YB27,P2ch,6301.32 m;(f) 残余砂屑白云岩,晚期未充填裂缝切穿早期方解石全充填的裂缝,YB11,P2ch,6910.25 m Fig. 2 The main characteristics of reservoir space of Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin

利用Photoshop定量化研究技术,基于碳酸盐岩铸体薄片,对长兴组储层成岩作用贡献进行定量统计,发现长兴组储层储集空间主要以晶间孔、晶间溶孔和早期大气淡水溶蚀形成的生物体腔孔、粒内孔为主,与构造作用和深部溶蚀相关的储集空间比例相对较低,早期大气淡水溶蚀和白云岩化是影响孔隙形成的最重要的成岩作用,储层形成主要受早期成岩作用控制 (马永生等, 2014)。

3.2 优质储层分布

川东北长兴组储层分布受沉积相控制,主要分布于台地边缘生物礁、台地边缘滩等沉积环境 (图 3)。对储层物性与沉积相带的关系统计发现,储层的发育受沉积相带控制明显,不同相带的储层孔隙度差异较大,台地边缘生物礁、台地边缘滩储层物性最好,开阔台地次之,而局限台地和斜坡陆棚相储层物性最差,优质储层主要发育在高能、且易于暴露溶蚀的沉积环境。同时储层受体系域控制明显,主要发育于两个Ⅲ级层序界面的上部。

图 3 川东北长兴组元坝224井-元坝22井-元坝271井-元坝204井连井剖面图 Fig. 3 Well correlation of well YB 224-YB 22-YB 271-YB204 of Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin

沉积相带对于储层的控制表现在两个方面,一方面沉积相带控制了原生孔隙的分布,高能沉积相带往往含有更多的原生孔隙;另一方面,受海平面升降的控制,在高位体系域,礁滩等相对高地形区易遭受大气淡水的溶蚀,形成的孔隙多是早期或原始残余的。

4 成岩作用

对长兴组储层而言,早期孔隙以及早期孔隙转化成的晶间孔、晶间溶孔是储层发育的基础,这些孔隙如何在长期的成岩作用过程中被保存下来是值得研究重要问题,深埋成岩过程对孔隙影响的研究就显得至关重要。

4.1 早期大气淡水溶蚀及浅埋藏白云岩化

长兴组有利的沉积相带发育了大量的原生孔隙,是后期流体活动的空间,近地表-浅埋藏阶段开放体系中碳酸盐岩能发生大量的溶蚀-沉淀,形成充填、半充填或未充填的溶蚀孔 (图 4a-c) 洞 (图 4d)。示顶底构造 (图 4a, c) 显示部分孔隙与大气淡水溶蚀相关,主要发生在生物礁礁盖、礁核、生屑滩以及砂屑滩微相,具有一定的正地形,这与生物礁均发育在沉积旋回的高水位体系域具有较好的一致性。在溶蚀作用的同时,亮晶方解石的沉淀也会占据一定孔隙,造成部分原生和次生孔隙被破坏 (图 4c, e)。沉淀物质主要来源于其余位置被溶解的碳酸盐岩,其结果造成岩石固体部分和孔隙部分的颠倒,即孔隙的反转。

图 4 川东北长兴组主要成岩作用特征 (a) 生物礁灰岩,海绵体腔溶蚀后被亮晶方解石充填,发育示顶底构造,早期大气淡水溶蚀形成早期溶孔,YB204,P2ch,6556.30 m;(b) 细晶白云岩,溶孔发育,YB11,P2ch,6908.95 m;(c) 生屑灰岩,生屑内部被方解石胶结,发育示顶底构造,早期大气淡水溶蚀形成的溶孔被早期胶结物充填,YB16,6959.95 m;(d) 生物礁灰岩,溶洞发育,YB204,P2ch,6553.20 m;(e) 生屑灰岩,早期胶结作用使原生孔隙被破坏,YB204,P2ch,6549.80 m;(f) 亮晶砂屑灰岩,压实、压溶作用形成的缝合线被后期沥青充填,YB27,P2ch,6293.60 m;(g) 扫描电镜观察到长兴组自形白云石 (D) 表面被沥青 (BF) 覆盖,白云岩化发生在油气充注之前,YB205,P2ch,6462.58 m;(h) 中晶白云岩,YB27,P2ch,6122.40 m;(i) 图h阴极发光特征,中晶白云岩,发育亮边、环带结构,白云石晚期发生重结晶作用;(j) 生物礁灰岩,发育微裂缝,被后期沥青充填,YB204,P2ch,6550.60 m;(k) 亮晶生屑灰岩,裂缝被方解石全充填,YB22,P2ch,6427.77 m Fig. 4 The main characteristics of diagenesis of Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin

川东北长兴组曾发生了大量的白云岩化,白云岩主要分布在长二段顶部礁盖、礁间滩、礁后滩等沉积相带 (田永净等, 2014),优质储层的分布也主要集中在这几个沉积环境中,白云岩化作用对优质储层的分布具有明显的控制作用。从发育阶段来看,白云岩周围被沥青包裹 (图 2b图 4g),白云岩化发生在油气充注之前,为浅埋藏白云岩化 (田永净等, 2014;孟万斌等, 2014),部分白云岩后期发生少量重结晶作用 (图 4h, i)。白云岩化作用对储层储集性的贡献主要是两个方面,首先白云岩化由于体积收缩可能新增一部分孔隙,但这不是绝对的,更重要的是原生孔隙为白云岩化流体活动提供空间,早期孔隙逐渐演变为晶间孔,白云石抗压实能力强 (Warren, 2000; Ehrenberg et al., 2006),有利于深埋阶段孔隙的保存,压实、压溶作用在灰岩中影响更大 (图 4f)。

4.2 中深成岩过程

长兴组储层在埋藏阶段经历了长期的复杂的中深埋藏过程,可识别出破裂、油气充注等成岩作用及埋藏封闭的体系变化。

4.2.1 破裂作用

岩心及薄片观察显示,长兴组发生了三期破裂作用,第一期破裂形成较早,在油气充注之前被亮晶方解石 (图 2f-1图 4k) 全充填,对储层影响不大;第二期裂缝呈网状,被沥青充填 (图 4j);第三期裂缝切穿第一期,未被充填 (图 2f-2),对储层形成有一定影响。川东北地区长兴组处于通南巴背斜带向川中平缓褶皱区的过渡带,构造作用较弱 (郭彤楼, 2010),裂缝不发育,部分被方解石全充填。成岩作用贡献统计显示,早期大气淡水溶蚀和浅埋藏白云岩化是控制储层孔隙形成的主要成岩作用 (马永生等, 2014),构造破裂对储层形成贡献不大。

4.2.2 油气充注

油气充注可减缓或阻止孔隙内自生胶结物的产生,有利于深埋环境储层孔隙的保存,这一观点已经被很多学者接受 (Melville et al., 2004;胡海燕, 2004;葛云锦等, 2009)。长兴组油气充注发生在白云岩化之后,先存孔隙为油气充注提供了空间,地层水被从孔隙中驱出,烃类覆盖在白云石表面 (图 2b图 4g),使岩石与地层水相隔离,物质交换的数量受到限制,阻止了成岩作用的继续进行,溶蚀-胶结作用停止,孔隙得以保存。显微观察发现,与沥青共存的白云石自形程度高,表面也未见明显的溶蚀作用 (图 4g),烃类充注对孔隙内的溶蚀-沉淀具有抑制作用,晶间孔隙被有效保存。如果孔隙空间较小,油气充注后未被后期流体带走,也会对储层孔隙空间形成一定的封堵。

4.2.3 埋藏封闭

晚三叠世,印支运动使长兴组被快速埋藏至3000 m深 (Ma et al., 2008),迅速进入中-深埋藏。前人研究发现,川东北地区大气淡水影响深度不超过700m (Shang et al., 2014),晚三叠世长兴组不受大气淡水影响,孔隙流体主要为地层水 (图 5)。深埋阶段孔隙流体流速异常缓慢,埋藏过程中如果没有断裂或热液流体的影响,地层水与围岩处于平衡状态,因此深层碳酸盐岩-地层水反应是一个近封闭体系中的平衡过程 (Bjrlykke and Jahren, 2012)。整体看,研究区区内构造活动相对较弱,裂缝不发育,使流体活动不畅。近地表-浅埋藏期快速深埋使储层迅速进入封闭体系。前人研究表明,封闭体系中平衡的碳酸盐岩-地层水反应随着埋深增加趋于少量沉淀,封闭体系中孔隙能被有效保存 (杨云坤等, 2014;张单明等, 2015;沈安江等, 2015)。显微观察显示,长兴组储层中白云石自形程度高 (图 2a图 4g),深埋阶段封闭体系中岩石未遭受明显溶蚀,至少未遭受晚期有机酸溶蚀,深部溶蚀对储层贡献不明显。深埋阶段碳酸盐岩-地层水反应处于平衡状态,深度的改变只能导致溶蚀-沉淀少量发生,中-深埋藏环境只是对孔隙的保存和调整 (Hao et al., 2015)。

图 5 影响川东北长兴组储层孔隙发育的主要成岩事件 空框矩形:有利于孔隙形成和保存的建设性成岩作用; 填充矩形:不利于孔隙形成和保存的破坏性成岩作用 Fig. 5 Major events affecting the development of porosity in Changxing Formation reservoirs in the northeastern Sichuan Basin Empty rectangle: positive diagenesis for porosity generation and preservation; Filled rectangle: negative diagenesis for porosity generation and preservation
4.3 成岩演化

根据川东北长兴组储层成岩作用特征,总结出储层成岩演化序列 (图 5),分析晶间孔形成演化过程。古新世以来的碳酸盐岩研究表明,颗粒岩的原始孔隙均十分发育,可达35%~45%(莫尔, 2008)。假设长兴组砂屑灰岩原始孔隙度为40%,为后期流体活动提供空间。近地表浅埋藏阶段,孔隙流体主要为可自由流动的海水、大气淡水或其混合水,高能沉积环境如台地边缘生物礁、台地边缘滩首先遭受暴露溶蚀,发育大量早期溶蚀孔隙。原生孔隙是白云岩化流体活动的空间,元坝地区长兴组地层可能在300~400 m的埋藏深度内已经完成了大规模白云岩化 (田永净等, 2014),大量早期孔隙逐渐演变为晶间孔 (图 6)。白云岩抗压实能力较强,为高孔隙白云岩在深部的保存奠定了基础。

图 6 川东北长兴组储层晶间孔演化模式图 Fig. 6 Sketch picture of intercrystalline pores evolution of Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin

中-深埋藏阶段,早期孔隙和晶间孔是油气充注的场所,烃类充注是油驱水过程,烃类贴边分布于晶间孔中 (图 6),隔绝了岩石与地层水的接触,使水-岩相互作用减弱,从而抑制孔隙内矿物的自形生长 (Melville et al., 2004;葛云锦等, 2009),孔隙得以保存。长兴组裂缝少量发育,大部分被方解石全充填,对储层贡献有限。深埋阶段,孔隙被埋藏封闭,长兴组碳酸盐岩-地层水反应处于近封闭的平衡状态,深度改变导致的溶蚀-沉淀现象有限,早期孔隙和早期孔隙演化成的晶间孔、晶间溶孔被保存至深部。断裂沟通的酸性流体可在局部增大孔隙度,根据物质守恒原理,溶蚀物质同时在邻区沉淀、胶结,孔隙空间增加有限,深埋环境仅仅是对孔隙的保存和调整。

5 川东北长兴组储层深埋阶段孔隙的保存与调整

统计发现,在没有异常压力和异常热源存在的条件下,一般碳酸盐岩孔隙度与埋藏深度呈负相关关系 (Schmoker and Halley, 1982),即埋深越大,孔隙度越低 (图 7a)。川东北长兴组储层孔隙度演化曲线显示,近地表-浅埋藏阶段,压实作用、胶结作用使孔隙度迅速降低。原生孔隙为后期流体活动提供空间,遭受早期大气淡水溶蚀调整,白云岩化使大量早期孔隙演变为晶间孔,近地表-浅埋藏过程主要是孔隙形成阶段,早期大气淡水溶蚀和白云岩化是关键的建设性成岩作用。从埋藏史来看,近地表-浅埋藏期是孔隙快速深埋的过程,早期形成的孔隙迅速进入中-深埋藏。

图 7 川东北长兴组礁滩相储层平均孔隙度-埋深演化曲线 (a)和深埋阶段碳酸盐岩储层中孔隙调整 (b) 1-溶蚀区;2-沉淀区;3-未受流体影响区 Fig. 7 Average porosity-depth evolution curve of reef-shoal reservoir (a) and redistribution of pores in carbonate reservoirs in deep burial stage (b) in Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin 1-dissolution zone; 2-precipitation zone; 3-area that not affected by the fluid

中-深埋藏阶段,裂缝少量发育,可成为油气运移通道,对储层物性影响有限。快速深埋使孔隙被埋藏封闭,水-岩反应处于平衡状态。油气充注隔绝了地层水与岩石的接触,溶蚀和胶结现象有限,早期孔隙和其转化成的晶间孔得以保存,中-深埋藏环境主要是对孔隙保存和调整的场所,储层平均孔隙度趋于稳定,随着埋深增加变化不明显。无论是长兴组现今的埋藏深度A,还是最大埋藏深度B,其平均孔隙度基本相近 (图 7a)。

深埋阶段,如果将酸性流体影响范围的边界视为封闭体系的边界,在流体迁移过程中根据溶蚀-沉淀现象的变化可以分为几个区域 (图 7b):区域1-溶蚀区:有限的不饱和酸性流体,白云岩内溶孔发生部分非选择性溶蚀,孔隙度轻微升高。区域2-沉淀区:酸性流体经过一定距离运移后过饱和,1区溶蚀的白云岩被带到2区发生少量沉淀,孔隙内发生矿物自形生长,孔隙度少量降低。区域3未受流体影响,发育平均孔隙度。在流体影响的整个体系内储集空间重新分配,但1、2区的平均孔隙度与3区基本一致,总的储集空间变化不大。深埋阶段,长兴组碳酸盐岩成分趋于均一,流体活动受限,流体在运移过程中与围岩迅速达到平衡状态,溶蚀-沉淀规模远小于近地表环境。早期白云岩化和埋藏封闭将早期孔隙、晶间孔和晶间溶孔保存至深部,成为长兴组深部优质储层发育的基础。深埋阶段溶蚀-沉淀现象有限,储层孔隙空间没有明显增加,只是发生了空间上的重新分配。综上所述,对川东北长兴组储层而言,有利的沉积环境控制了原生孔隙的分布,原生孔隙为后期流体活动提供空间,遭受大气淡水和白云岩化流体改造,大量早期孔隙转化为晶间孔,埋藏封闭和早期白云岩化作用将孔隙保存至深部,最终形成深部优质储层。深埋阶段储层孔隙度变化不明显,只是内部储集空间的重新分配。

6 结论

(1) 川东北长兴组储层岩性以结晶白云岩、残余生屑/砂屑白云岩为主,生物礁灰岩次之,储层储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主,生物体腔孔、残余粒间孔等早期孔隙次之,溶洞和裂缝相对较少。平面上川东北长兴组储层主要发育在台地边缘生物礁、台地边缘滩等沉积相带中,垂向上储层集中分布在长兴组两个Ⅲ级层序的上部,易受大气淡水溶蚀的影响,孔隙形成主要与早期大气淡水溶蚀、早期白云岩化相关,早期成岩作用对孔隙发育有明显的控制作用。

(2) 水动力较强的长兴组生物礁、滩易形成大量的原生孔隙,为后期流体活动提供空间,近地表-浅埋藏阶段遭受大气淡水、白云岩化流体调整改造,大量早期孔隙转化为晶间孔,深埋阶段,白云岩比灰岩更易保存孔隙。早三叠世,印支运动使长兴组储层迅速进入中-深埋藏,水-岩反应处于近封闭的平衡状态,孔隙被埋藏封闭,使先存孔隙得以保存,成为深部优质储层形成的基础。破裂少量发育,对储层形成贡献有限。油气充注隔绝了岩石与地层水的接触,水-岩相互作用减弱,抑制溶蚀和胶结作用的发生。深埋阶段储层孔隙度相对稳定,只是内部孔隙空间位置的重新分配。

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