沉積與成巖特點以及對儲集層的控制論文

　　引言下三疊統(tǒng)飛仙關組是川東北地區(qū)油氣勘探的重要目的層，也是該地區(qū)主要的儲集層。飛仙關組儲集層主要發(fā)育在鮞灘地層中，沿開江—梁平陸棚兩側的臺地邊緣分布，層位主要集中在飛一段和飛二段。前人對飛仙關組鮞灘的層序地層、沉積相展布、成巖作用、成巖演化等都進行過研究[1-10]，但主要針對的是陸棚東側的普光地區(qū)，而對位于陸棚西側的元壩地區(qū)研究較少。雖然普光地區(qū)和元壩地區(qū)具有相同的沉積背景，但其鮞灘的沉積特征、成巖作用差異卻很大。本文以普光和元壩地區(qū)的鮞灘為研究對象，對比分析陸棚兩側鮞灘的沉積、成巖特征，并初步探討它們對儲集層的控制作用。

　　1 地質背景

　　川東北地區(qū)位于四川盆地東北部(見圖 1)，長興組—飛仙關組沉積時期該地區(qū)屬于碳酸鹽臺地的一部分[11]。受北部廣旺臺盆的形成演化、米倉山與大巴山構造帶及“峨眉地裂”運動的共同影響[2-3，5，12]，晚二疊世早期該地區(qū)處于拉張狀態(tài)，沿開江—梁平一線形成了局部凹陷。這一局部凹陷即為長興組—飛仙關組沉積時期的開江—梁平陸棚。開江—梁平陸棚的形成和演化對川東北地區(qū)沉積相帶展布具有一定的控制作用。飛一段沉積期，沿開江—梁平陸棚兩側分別發(fā)育臺地邊緣斜坡相、臺地邊緣相和臺地相沉積。隨著相對海平面的下降，飛二段沉積期，陸棚兩側的沉積相帶均有向陸棚方向遷移的趨勢，其中陸棚西側的沉積相帶遷移距離較長，而陸棚東側的沉積相帶遷移距離較短，東側的臺地相演化為局限臺地—蒸發(fā)臺地相，沉積了大量的膏云巖和膏巖。飛三段沉積期，川東北地區(qū)進入快速沉積階段，沉積物基本填平了陸棚。飛四段沉積期，全區(qū)除普光 6井附近發(fā)育少量局限臺地外，其余大部分地區(qū)均為蒸發(fā)臺地。飛仙關組處于三級相對海平面的下降半旋回，飛仙關組沉積末期相對海平面下降到最低(見圖 2)，鮞灘地層主要發(fā)育在飛一段頂部和飛二段。

　　2 鮞灘沉積

　　碳酸鹽巖鮞灘沉積主要分布在臺地邊緣或海水能量較高的內緩坡，臺地內部只發(fā)育一些規(guī)模較小的點灘。鮞灘沉積受海水的深度、能量條件、化學組成等因素的影響，并隨相對海平面變化而遷移。川東北地區(qū)飛仙關組鮞灘主要沿開江—梁平陸棚兩側的臺地邊緣分布，普光和元壩地區(qū)分別位于陸棚的東側和西側(見圖 3)，兩個地區(qū)在鮞灘的宏觀分布和內部沉積特征上存在較大差異。

　　2.1 鮞灘宏觀分布

　　普光與元壩地區(qū)的鮞灘在垂向疊置和橫向遷移上具有不同的特征。普光地區(qū)鮞灘沉積厚度大，不同層段垂向疊置(見圖 4)。飛一段沉積期，普光 2 井區(qū)鮞灘厚度最大，是鮞灘的主體。飛二段沉積期，隨著相對海平面的下降，鮞灘開始朝陸棚方向遷移，但遷移距離不長，整體上表現(xiàn)為垂向疊置的關系，普光 6 井區(qū)和普光 4 井區(qū)鮞灘厚度最大。與普光地區(qū)相比，元壩地區(qū)的鮞灘分布規(guī)律明顯不同，總體表現(xiàn)出沉積厚度小、分布面積廣、遷移距離長的特點(見圖 4)。飛一段沉積期，鮞灘僅在元壩 2 井區(qū)飛一段頂部有分布。飛二段沉積期，鮞灘向陸棚方向有較大距離的遷移，一直延伸到元壩 4 井附近，形成了大范圍的鮞灘沉積;灘體較薄，垂向疊置不明顯。飛三段沉積期，元壩地區(qū)僅元壩 4 井附近沉積了一套厚 6 m 的鮞灘地層。地震和鉆井資料揭示，飛仙關組沉積期，普光與元壩地區(qū)的古地形存在較大差異[13]，普光地區(qū)臺地邊緣較陡，坡度約為 15°，而元壩地區(qū)坡度較小，約為 7°。此外，飛二段沉積期，相對海平面有一次較大幅度的下降。根據(jù)鮞灘的沉積厚度和遷移規(guī)律，推斷古地形差異和海平面變化共同導致了兩地區(qū)鮞灘沉積在宏觀分布上的差異。

　　2.2 鮞灘內部沉積

　　普光與元壩地區(qū)的鮞灘在內部沉積特征上也存在較大差異。這主要體現(xiàn)在鮞灘內部的沉積旋回上，普光地區(qū)鮞灘內部單個沉積旋回厚度大，而元壩地區(qū)鮞灘內部單個沉積旋回厚度小，旋回頻率高。

　　2.2.1 普光地區(qū)鮞灘內部沉積旋回

　　普光 2 井是普光地區(qū)的代表井，鮞灘主要分布在飛一段和飛二段的中下部。普光 2 井飛二段的鮞灘由多個向上變淺的沉積旋回組成，每個旋回下段為泥晶白云巖，上段為鮞粒白云巖，表現(xiàn)出從泥灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥�；�?guī)r到顆�；�?guī)r的變化(見圖 5)。單個沉積旋回厚度大，約為 2~26 m。受相對海平面變化影響，灘體遷移距離小，使得鮞粒白云巖垂向疊加，單層厚度大。飛一段和飛二段沉積期，普光地區(qū)位于坡度較陡的臺地邊緣，高能海水對鮞灘沉積的影響主要體現(xiàn)在巖石結構在垂向上的差異。

　　2.2.2 元壩地區(qū)鮞灘內部沉積旋回

　　飛一段、飛二段沉積期，元壩地區(qū)地勢較平坦，受海平面變化影響，鮞灘橫向上遷移變化明顯，灘體內部沉積旋回頻率高，單個沉積旋回厚度小且?guī)r石結構呈漸變發(fā)育。以元壩 27 井為例，鮞灘主要發(fā)育在飛二段，內部由多個向上變淺的沉積旋回組成，單個旋回巖性的'變化大致為由泥晶灰?guī)r到鮞粒灰?guī)r再到豆�；�?guī)r，顆粒逐漸變粗。在 6 120.0~6 136.3 m 的巖心段上發(fā)育 8 個沉積旋回，最大旋回厚度為 4.4 m，最小旋回厚度僅有 0.7 m，沉積旋回發(fā)育的頻率明顯高于普光地區(qū)(見圖 6)。在單個沉積旋回中，還可以根據(jù)鮞粒的粒徑劃分出多個由鮞粒到豆粒的次一級沉積旋回。

　　3 成巖作用

　　碳酸鹽沉積物形成后，受海水、大氣淡水以及埋藏過程中孔隙流體的影響，發(fā)生壓實、膠結、溶解、礦物的多相轉變、白云石化、重結晶等多種成巖作用，最終固結成巖[14]。成巖作用決定了不同類型碳酸鹽巖最終的巖石結構。

　　3.1 成巖作用差異

　　普光地區(qū)鮞灘經歷了多種成巖作用。成巖階段早期，由于大氣淡水的滲流溶蝕作用，形成了豐富的粒內孔、粒間孔以及鑄模孔(見圖 7a、7b);發(fā)生了大范圍的白云石化作用(見圖 5)，目前對于普光地區(qū)白云巖的成因仍然存在爭議，認為主要的成因模式有蒸發(fā)模式、混合水模式、滲透回流模式、埋藏模式以及熱液模式[10， 15-25];還經歷了不同期次的膠結作用，膠結類型有櫛殼狀膠結、柱狀膠結和粒狀膠結。成巖階段中期，發(fā)生了壓實、壓溶、重結晶作用。在壓實作用下，鮞粒緊密排列，發(fā)生擠壓變形，甚至發(fā)生壓溶作用，形成了顆粒之間的縫合線接觸。普光地區(qū)鮞灘的重結晶作用較強烈，鮞粒的原始結構被破壞，鮞粒結構轉變?yōu)榫Я＝Y構，但仍可見殘留的鮞粒輪廓(見圖7c)。成巖階段晚期，發(fā)生了埋藏溶蝕和破裂作用，形成了一些港灣狀的晶間溶孔、粒間溶孔和裂縫。元壩地區(qū)的鮞灘經歷了較強的壓實、壓溶作用，鮞粒發(fā)生變形，且形成了大量的縫合線，縫合線主要發(fā)育在顆粒較小的巖層或巖石結構發(fā)生變化的界面處。由于溶蝕作用，形成了一些鑄�？缀土�內孔(見圖 7d、7e)，鑄模孔主要發(fā)育在沉積旋回的中上部，這可能是遭到暴露溶蝕或大氣淡水與海水共同溶蝕造成的。在成巖過程中，烴類充注、裂解，在孔隙中殘留有瀝青，后來瀝青又被片狀亮晶方解石膠結(見圖 7d、7e)。晚期在構造作用下發(fā)生了破裂作用，裂縫切割鮞粒和片狀方解石，裂縫未充填，增加了巖石的孔隙度。元壩地區(qū)鮞灘重結晶作用強度不大，并未造成鮞粒結構的消失。普光和元壩地區(qū)鮞灘的成巖作用既有共性，也存在較大差異。兩個地區(qū)都發(fā)生了壓實、壓溶、早期膠結、溶蝕以及重結晶作用;但普光地區(qū)鮞灘還發(fā)生了大規(guī)模的白云石化作用，元壩地區(qū)鮞灘的壓實、壓溶作用強度更大，晚期還經歷了一次較強的埋藏膠結作用。此外，普光地區(qū)鮞灘各類成巖作用在垂向上的連續(xù)性明顯好于元壩地區(qū)鮞灘，元壩地區(qū)鮞灘不同巖層成巖類型差異很大(見圖 6、圖 7)。

　　3.2 成巖序列

　　成巖序列是根據(jù)碳酸鹽沉積物經歷不同成巖作用后所保留下來的成巖特征而建立的，其中顆粒碳酸鹽巖成巖序列的建立最為復雜。普光地區(qū)的鮞灘成巖序列如圖 8a 所示。海底成巖階段，發(fā)生了多期膠結作用;由于微生物的活動，在鮞粒周圍形成了泥晶套。淺埋藏階段，由于相對海平面下降，鮞灘遭受暴露溶蝕，形成了豐富的粒內孔和鑄�？�，巖心觀察發(fā)現(xiàn)的暴露沖刷面也證實了這一點。此外，該成巖階段普光地區(qū)鮞灘還經歷了大范圍的白云石化作用，白云石化發(fā)生的時間可根據(jù)縫合線的發(fā)育情況進行判斷。縫合線是在埋藏過程中壓實作用達到極限所形成的化學溶解，一般認為其發(fā)育的深度在500~830 m[26-27]。由于白云巖的抗壓實能力大于灰?guī)r，普光地區(qū)鮞灘中發(fā)育的縫合線明顯少于元壩地區(qū)，因此推斷普光地區(qū)鮞灘白云石化作用主要發(fā)生在鑄�？仔纬芍�后、淺埋藏壓溶作用發(fā)生之前。中埋藏階段，由于白云石化作用增加了巖石的抗壓實能力，鮞灘中的孔隙得以保留;烴類充注前期還發(fā)生了有機酸溶蝕作用，但溶掉的部分被流體帶走，不能定量地反應有機酸溶蝕的貢獻。TSR 反應(硫酸鹽熱化學還原反應)在深埋藏條件下進行，溫度在 80~200 ℃，高含 H2S氣體及單質硫的發(fā)現(xiàn)印證了 TSR 反應的發(fā)生[28-29]。對于重結晶作用發(fā)生的深度一直沒有相關的研究，重結晶作用與溫度、壓力條件有關，一般認為埋藏越深重結晶作用越強烈。元壩地區(qū)鮞灘的成巖序列如圖 8b 所示。海底成巖階段，發(fā)生了泥晶化作用和多期膠結作用。淺埋藏階段，溶蝕作用并不強烈，白云石化作用也很弱，成巖作用以壓實、壓溶和膠結作用為主。淺埋藏階段形成的孔隙為烴類充注提供了空間，中埋藏階段有機酸溶蝕為增加孔隙空間起到了一定的作用。在元壩地區(qū)鮞�；�?guī)r薄片中發(fā)現(xiàn)，瀝青并未貼合在孔隙內壁，內壁較干凈無污染(見圖 7f)，推斷深埋藏階段瀝青形成后又發(fā)生了一期埋藏溶蝕作用，溶蝕強度不大，溶蝕形成的空間在晚期膠結了亮晶方解石(見圖 9)。深埋藏階段，元壩地區(qū)鮞�；�?guī)r經歷了一次埋藏膠結，發(fā)生在埋藏溶蝕作用之后，亮晶方解石被瀝青所包裹或少量充填于溶蝕形成的空間。晚期破裂作用形成的干縫切割了鮞粒、瀝青以及瀝青包裹的亮晶方解石(圖 7d、7e)。鮞灘也發(fā)生了重結晶作用。對比兩個地區(qū)灰?guī)r與白云巖重結晶的情況后發(fā)現(xiàn)，白云巖較灰?guī)r更容易發(fā)生重結晶作用。

　　4 沉積、成巖對儲集層的控制

　　川東北地區(qū)飛仙關組鮞灘巖性油氣藏儲集層發(fā)育受沉積、成巖控制明顯。沉積作用控制了儲集層的分布和厚度，成巖作用決定了儲集層孔隙的形成與演化，并最終決定儲集層的優(yōu)劣。

　　4.1 儲集層的分布

　　對比普光、元壩地區(qū)的鮞灘發(fā)現(xiàn)，沉積作用不僅控制了鮞灘沉積的厚度、灘體內部的巖石組合，還控制了儲集層的分布[30-31]。普光、元壩地區(qū)的鮞灘儲集層中，孔隙發(fā)育較好的儲集層段大多集中在沉積旋回的頂部或上部。鮞灘厚度大時，儲集層的厚度也較大。普光地區(qū)鮞灘整體厚度較大，單層鮞粒灰?guī)r(白云巖)也較厚，最終發(fā)育的儲集層厚度也較大。元壩地區(qū)鮞灘沉積旋回頻率高，儲集層總體厚度較小且在垂向上分布不連續(xù)(見圖 10)。

　　4.2 儲集層的孔隙類型及孔隙度

　　成巖作用類型及成巖序列決定了儲集層的孔隙類型。普光地區(qū)，早期的溶蝕作用和白云石化作用決定了鮞灘儲集層以鑄�？�、粒內孔、晶間孔及晶間溶孔為主，晚期發(fā)生的 TSR 溶蝕以及破裂作用進一步增加了儲集層的儲集空間。元壩地區(qū)，早期由于大氣淡水作用發(fā)生了選擇性溶蝕，孔隙類型以鑄模孔和粒內孔為主。受壓實、壓溶作用影響，含鑄模孔、粒內孔的鮞粒發(fā)生變形，甚至發(fā)生壓溶作用，儲集空間減少。晚期發(fā)生的埋藏膠結作用對儲集層的破壞也很大。在不同的成巖作用下，兩個地區(qū)儲集層的孔隙度差別較大，普光地區(qū)發(fā)育高孔、高滲的Ⅰ類儲集層，孔隙度為 2.00%~28.86%，主要集中在 6%~12%[4];而元壩地區(qū)則以低孔、低滲的Ⅲ類儲集層為主，孔隙度為1.5%~9.0%，主要集中在 2%~5%(見圖 10)。

　　5 結論

　　普光與元壩地區(qū)從沉積相帶上看同屬于臺地邊緣相，但鮞灘的沉積特征差異很大。普光地區(qū)鮞灘沉積厚度大，單層鮞粒白云巖較厚，不同層段在垂向上相互疊置，橫向上遷移不明顯;而元壩地區(qū)鮞灘沉積厚度薄，橫向遷移距離長，具有穿時性，且鮞灘內部沉積旋回厚度薄，頻率高。兩個地區(qū)鮞灘的成巖作用類型及強度也存在較大差別。通過建立鮞灘的成巖演化序列發(fā)現(xiàn)，兩個地區(qū)鮞灘早期成巖作用具有一定的相似性，均發(fā)生了壓實、多期膠結、溶蝕等作用。但普光地區(qū)鮞灘早期溶蝕作用較強，并且發(fā)生了大范圍的白云石化作用;元壩地區(qū)鮞灘壓實、壓溶作用較強，瀝青形成后還發(fā)生了一期埋藏溶蝕作用和一期埋藏膠結作用，埋藏膠結作用對孔隙破壞較大。造成兩個地區(qū)鮞灘沉積、成巖差異的主要原因是沉積時古地形差異和相對海平面變化。普光地區(qū)臺緣斜坡較陡，鮞灘沉積受海平面變化影響主要體現(xiàn)在垂向加積上;而元壩地區(qū)地勢較緩，受海平面變化影響較大，表現(xiàn)在鮞灘橫向遷移和高頻沉積旋回上。相對海平面升降影響了鮞灘的早期成巖環(huán)境，造成了早期成巖的巨大差異。普光、元壩地區(qū)鮞灘巖性油氣藏儲集層發(fā)育受沉積、成巖控制明顯，沉積作用控制了儲集層發(fā)育的分布和厚度，不同的成巖演化則決定了儲集層的優(yōu)劣。

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