川東北普光氣田下三疊統飛仙關組儲層成巖作用研究

王恕一，蔣小瓊，管宏林，鮑云杰

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151)

普光氣田位于四川盆地東北部宣漢—達縣地區黃金口構造雙石廟—普光構造帶，為一構造—巖性復合型大型氣藏[1]。主要含氣層段為下三疊統飛仙關組和上二疊統長興組。川東北地區飛仙關組氣藏分布明顯受沉積相控制，優質儲層多為臺地邊緣鮞灘沉積[2-7]。但勘探證明，并非所有鮞灘沉積都能成為優質儲層[8-10]，成巖作用等多種地質因素在儲層形成過程中也起到了重要的控制作用。因此，深入研究普光氣田飛仙關組儲層成巖作用，可以為碳酸鹽巖油氣勘探儲層預測提供更充分可靠的依據。本文主要通過對普光氣田普光2井成巖作用的詳細研究，探討飛仙關組儲層成巖作用特征以及優質儲層的形成過程。

1 儲層成巖作用類型及特征

普光氣田飛仙關組儲層主要為臺地邊緣鮞灘沉積[1,11-15]，巖性以白云巖為主，巖石類型主要有：鮞粒白云巖、含礫屑鮞粒白云巖、幻影鮞粒白云巖、含砂屑泥晶白云巖、含生屑白云巖、結晶白云巖、白云質灰巖等。其中，鮞粒白云巖(包括礫屑鮞粒白云巖)和結晶白云巖(包括幻影鮞粒結晶白云巖)是最重要的2種儲集巖類型。兩者次生溶孔發育，前者以粒內溶孔為主，后者以晶間溶孔為主，之間存在一些過渡類型。野外描述的糖粒狀白云巖，是結晶較粗(以中—粗晶為主)、晶間溶孔極發育的結晶白云巖和幻影鮞粒結晶白云巖。儲層物性以中孔中滲、高孔高滲儲層為主，儲集性較好[1,11]。

普光氣田飛仙關組儲層經歷了海底、大氣淡水、淺埋到中深埋藏的漫長過程，成巖作用類型多、成巖過程復雜，主要成巖作用敘述如下：

1.1 泥晶化作用

沉積物沉積后，在海底環境,藍綠藻和細菌常沿顆粒邊緣鉆孔生長，使顆粒邊緣泥晶化，形成泥晶套。普光氣田飛仙關組鮞灘儲層中常見多晶鮞，就是在泥晶套保護下鮞粒內部早期溶蝕形成負鮞，后來又被粒狀方解石充填形成的。

1.2 壓實、壓溶作用

壓實、壓溶作用主要發生在中成巖階段(埋藏期)由基質支撐的巖石中，表現為壓溶縫合線。在由顆粒支撐的巖石中表現為顆粒間的點接觸、鑲嵌接觸。研究層段以鮞粒白云巖為主，由于早期膠結，壓實作用弱，顆粒多呈漂浮狀。飛三段和飛二段上部由基質支撐的巖石中壓實作用較強烈。

1.3 膠結充填作用

飛仙關組儲層發生過多期膠結作用，按其成巖階段及成巖環境可分為3期。

1.3.1 早期海底膠結

早期海底膠結以纖狀膠結物為主，圍繞顆粒沉淀，充填粒間孔。局部還見懸垂狀膠結物，纖狀懸垂膠結物發育于海水滲流環境。其次為泥晶膠結物，原始粒間孔中的泥晶膠結物與藍綠藻生長有關，藍綠藻粘結顆粒，吸附泥晶方解石并充填孔隙。

1.3.2 大氣淡水—淺埋階段的粒狀膠結物

早成巖期，隨著海平面的升降，沉積物常暴露地表，經大氣淡水滲入發生溶解，同時CaCO3過飽和溶液向下滲透產生粒狀膠結物，充填粒間剩余孔隙和之前形成的溶蝕孔隙。部分剩余孔隙則在淺埋藏期被粒狀膠結物充填，經過海底膠結及大氣淡水—淺埋藏期膠結，沉積物已固結成巖，原生粒間孔及早期淡水溶蝕孔幾乎全部消失[16]。

1.3.3 后期充填膠結

充填礦物為白云石、硅質(石英)和方解石。

白云石多沿溶孔邊緣生長充填，一般為細—粗晶、自形，常見菱形環邊。至少有2期，早期充填的白云石邊緣有瀝青襯邊，有的可見后期溶蝕現象，流體包裹體均一溫度為121.6～152.5 ℃；晚期充填的白云石晶體邊緣無瀝青，流體包裹體均一溫度大于180 ℃。

石英充填也有2期，早期石英為他形，有的具明顯交代；晚期石英為自形晶體。包裹體均一溫度前者為132～147 ℃，后者為176～>191.1 ℃。

方解石充填膠結至少有2期，第一期充填于早期張裂隙，流體包裹體均一溫度為111～155 ℃，飛仙關組中這類方解石脈較少見；第二期為晚期方解石充填溶孔，晶體粗大，流體包裹體均一溫度大于191.3 ℃，說明比自形石英膠結稍晚。

1.4 白云巖化作用

白云巖化作用為普光氣田最重要的成巖作用之一，對改善儲集巖孔隙具有重要意義。飛仙關組儲層白云巖化作用主要發生在準同生期(早成巖期早期)。白云巖主要呈現2種不同標型特征。

1.4.1 白云巖結構與白云石標型特征

一種白云巖保持原巖結構特征，繼承原巖方解石晶體大小，白云石晶體較細，主要以微泥晶及粉晶為主，泥微晶組成鮞粒圈層、泥晶基質及砂屑。白云巖化后一世代膠結物仍繼承了纖狀結構，粒狀膠結物常保留向心增大的特征(圖版1)。

另一種白云巖為幻影結構。常見原巖結構幻影，白云石晶體較粗，多以細—粗晶為主，自形—半自形，呈鑲嵌結構，霧心亮邊特征少見，局部具環帶構造(圖版2)。部分白云巖中幻影已消失，晶粒則多呈細—中晶或中—粗晶，發育晶間孔及晶間溶孔。

兩類白云巖間發育一系列過渡類型，例如以第一類特征為主的亮晶鮞粒白云巖中局部呈結晶較粗的幻影結構；以第二類特征為主的幻影亮晶白云巖中局部存在由泥微晶組成同心層的鮞粒(圖版3)。

上述2類不同白云巖可能是由于重結晶作用強弱不同造成的，其演變次序為：保持原結構白云巖→重結晶→幻影狀白云巖→無幻影的結晶白云巖[17]。

1.4.2 白云石有序度分析

普光2井飛仙關組儲層白云石有序度(巖樣分析)與白云巖結構密切相關。保持原結構的亮晶鮞粒白云巖，有序度與微泥晶白云巖相似，一般為0.55～0.66。隨著重結晶作用增強，幻影結構增加(白云石粒度增大)，有序度增高。以幻影結構為主的白云巖(一般細—粗晶)，有序度達0.81～1.00。反映了隨重結晶作用增強，有序度增大的變化關系(圖1)[17]。

1.4.3 白云巖碳氧同位素分析

研究層段白云巖δ18OPDB為-3.18‰～-5.86‰，δ13CPDB為1.97‰～3.19‰(圖2)。

圖1 川東北普光2井飛仙關組白云巖有序度與巖石結構關系[17]

1.微、泥晶白云巖；2.亮晶鮞粒云巖，圈層以微泥晶為主；3.亮晶鮞云巖，圈層以微泥晶為主，局部幻影；4.幻影亮晶鮞粒云巖，粉細晶為主，多數圈層保存好；5.幻影亮晶鮞粒云巖，細中晶為主，少量圈層或基質呈微泥晶；6.幻影亮晶鮞粒云巖，粗晶為主

Fig.1 Relationship between order degree and lithological characteristics of dolomite of Feixianguan Formation in Well PG2, Northeast Sichuan

圖2 川東北普光2井飛仙關組白云巖碳、氧同位素分布

δ18O和δ13C值除了受流體鹽度影響(鹽度越高，δ18O和δ13C值越大)外，δ18O值隨溫度升高而降低，δ13C值受溫度影響較小。因此δ13C值也能較好地指示流體性質，流體鹽度越高，δ13C值越高。根據三疊系海相碳酸鹽巖和化石δ13C值，測定三疊系海水δ13CPDB值為0～0.5‰[18]。普光2井飛仙關組白云巖δ13CPDB值均大于當時海水的δ13C值，表明白云巖化流體比當時正常海水咸化。

把δ18O和δ13C值結合起來計算[19]，用于指示流體古鹽度，即：

Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

式中：Z為鹽度指數。Z值越大，流體鹽度越高，大于120，為海水；小于120，為淡水。準同生白云化流體鹽度高，因而Z值大于120；混合水白云化流體有大氣淡水混入，鹽度低，因而Z值小于120。

根據碳氧同位素計算,普光2井飛仙關組Z值為128.76～131,均大于120,表明其白云巖化流體為咸水。

從上述白云石的標型特征、有序度以及碳氧同位素特征分析，普光2井飛仙關組儲層白云巖形成于高鹽度流體、快速結晶成巖環境，是準同生期滲透回流白云化的產物。

1.5 新生變形和重結晶作用

早期成巖階段由于淡水作用，不穩定的文石、高鎂方解石逐漸轉化為低鎂方解石，局部泥晶基質及組成鮞粒圈層的泥晶方解石重結晶(濕轉變)成微晶，即發生新生變形作用。之后白云石交代方解石。隨著埋藏深度的增加，溫度升高、壓力增大，同時，在構造應力作用下，巖石普遍發生重結晶作用，重結晶過程中白云石晶粒變粗，原巖結構逐漸消失，成為幻影鑲嵌結構或細—粗晶鑲嵌結構白云巖。

1.6 溶蝕作用

溶蝕作用是普光氣田最重要的成巖作用之一。主要經歷了3期溶蝕作用，形成了豐富的儲集空間。其中，埋藏溶蝕孔隙是現今儲層的主要有效孔隙。

1.6.1 第一期溶蝕作用(早期大氣淡水溶蝕作用)

發生于早成巖期，由于海平面頻繁升降，灘相沉積物常暴露于大氣水環境，大氣淡水對鮞粒中的不穩定礦物進行選擇性溶蝕，形成各種鮞?？?負鮞)、鮞粒內溶孔，有的溶孔中發育滲濾砂。該期溶孔大部分已被膠結物充填，未充填的孔隙在后期擠壓構造應力作用下變形、消失，同時，原顆粒也被壓碎、變形。

1.6.2 第二期溶蝕作用(I期埋藏溶蝕作用)

發生于中成巖早期埋藏階段—構造擠壓之后、大量石油充注之前。由于構造擠壓作用形成裂隙及碎粒，富含有機酸的流體沿裂隙及碎粒間進入，巖石發生非選擇性溶蝕作用，形成了豐富的晶間和粒內溶孔、溶洞及溶縫。該期溶蝕孔、洞、縫未見明顯變形，表明形成于擠壓構造運動之后。隨后大量石油充注，由于后期石油熱演化，現今這些溶孔、溶洞、裂縫(溶縫)中普遍賦存瀝青，在一些較大的溶孔中，瀝青呈襯邊和球狀產出(圖版4)。

1.6.3 第三期溶蝕作用(Ⅱ期埋藏溶蝕作用)

發生于中成巖晚期埋藏階段—油聚集并演化為瀝青之后(干氣階段)。該期溶孔主要為晶間溶孔和粒內溶孔，有時發育成超大孔隙或寬大的溶縫。溶孔、溶縫異常干凈，一般沒有瀝青充填，常見孔隙周圍白云石晶體被強烈溶蝕。與I期埋藏溶蝕孔、洞一樣，由于形成于擠壓構造運動之后，常常見到同一薄片中碎裂發育，而孔隙基本沒有變形。該期溶孔是現今儲層中的主要有效孔隙[16]。

Ⅰ期和Ⅱ期埋藏溶蝕作用均發生在擠壓構造作用之后。重結晶強烈的幻影白云巖及結晶白云巖中，以晶間溶孔為主；而重結晶較弱、顆粒保存較完整的巖石中，則以鮞?？?、粒內溶孔為主，這些粒內溶孔常常呈定向的新月形(圖版5)、半圓形和環狀孔隙。前人認為這種具方向性的鮞粒內溶孔和鮞?？资酋b灘早期暴露于大氣淡水，經選擇性溶蝕的產物。

研究表明，普光氣田下三疊統飛仙關組鮞粒白云巖中確實存在早期大氣淡水環境形成的鮞?？?、粒內溶孔。但是，這些早期溶蝕孔多已被充填。如鮞粒內同心層圈消失，由較粗的白云石晶體充填形成多晶鮞，以及鮞粒內局部被結晶白云石充填?？赡苡猩倭吭缙诹热芸孜幢辉缙谀z結充填，但這些孔隙在后期的構造擠壓中已變形消失，巖石中零星分布的塌陷變形鮞粒就是這些殘余早期溶孔曾經存在的證據。

王恕一等[20]研究認為，現今這些鮞?？缀投ㄏ蝓b粒內溶孔并非由早期淡水溶蝕形成，而是后期埋藏溶蝕的產物，證據如下：

1)在發育這些孔隙的薄片中，常見同時發育強烈的擠壓、碎裂和碎?；?，而孔隙仍較完整，未受擠壓變形(圖版6,7)，表明它們形成于構造擠壓之后；

2)相當一部分定向粒內溶孔和鑄?？字袥]有瀝青充填，而溶孔附近有瀝青分布(圖版8)，表明這些孔隙形成于進油之后。

那么，這種特殊產狀的溶孔是怎樣形成的呢？薄片觀察表明，這些溶孔常與壓性縫、碎裂和碎粒物伴生，定向孔常與鮞粒內環狀溶孔共生(沿鮞粒同心層發育的環狀溶孔)，這種環狀孔有的被瀝青充填，有的沒有；有的薄片中可以見到這類發育定向溶孔的鮞粒，與被構造應力撕裂的鮞粒共生，定向溶孔的頂端與鮞粒撕裂的方向一致(圖版9)。因此，我們認為這些溶孔與構造擠壓有關，其形成機理如下：

當構造擠壓應力作用于鮞粒白云巖時，由于鮞粒呈圓形，如果其中沒有明顯的孔隙，則不易塌陷、壓碎變形，應力首先作用于鮞粒中的結構薄弱點——同心圈層之間。當應力集中于鮞粒一端，使鮞粒該端沿同心層圈廣泛發育微裂縫，向下延伸，乃至沿同心圈層形成圓形“脫殼”裂縫。在后期酸性流體進入時，沿這些裂縫優先產生溶蝕，形成沿鮞粒一端發育的定向溶孔，沿同心層圈形成環狀溶孔或沿同心層圈向下溶蝕形成新月形溶孔。同心圈層之間產生更多裂縫或進一步溶蝕則形成鮞?？?。

1.7 構造破裂作用

普光2井受到的構造破裂作用大致可分為3期，表現為早期的張性裂縫、中期的構造擠壓作用和晚期的張性裂縫。

1.7.1 早期張性裂縫

早期張性裂縫均已被方解石和白云石充填。普光2井飛仙關組該期裂縫發育較差，飛二段上部較發育。

1.7.2 中期構造擠壓作用

普光2井飛仙關組儲層中普遍發育強烈的構造擠壓作用，形成于早期張性裂縫之后，宏觀上發育多處構造角礫巖和碎裂巖，以及沿層理方向的壓性縫、碎裂帶，反映構造擠壓作用沿層理面發生剪切應力，產生碎裂及碎粒。這些壓性縫及碎裂帶中充填的瀝青沿層理方向呈帶狀分布。溶蝕孔隙的發育也與這些碎裂帶密切相關。薄片中構造擠壓的微觀標志更加普遍。如：鮞粒被壓扁變形；鮞粒被錯動；形成網狀、窄細的裂隙，多被瀝青充填；巖石碎裂，形成角礫巖、碎裂巖；白云石晶體壓裂、粉碎，廣泛發育碎粒結構(圖版7,9-10)。其中，碎粒結構容易與滲流砂或基質相混淆，而兩者形成于截然不同的成巖環境和時期。因此，正確識別直接影響到成巖序列的確定，尤其是對孔隙形成期的判斷。

1.7.3 晚期張性裂縫

晚期張性裂縫未充填，為現今儲層中的流體有效通道及氣藏的儲集空間。該期裂縫穿插前述所有的成巖作用產物，形成時間最晚，對氣藏儲集空間的連通起到重要作用。

2 儲層成巖序列、環境及模式

2.1 成巖序列和成巖環境

普光2井飛仙關組成巖作用序列大致為：海底環境的藻粘結、泥晶化作用，形成泥晶環邊→一世代纖柱狀膠結→大氣淡水滲流帶的選擇性溶蝕、新生變形作用、滲濾砂充填→大氣淡水潛流帶的二世代粒狀膠結→白云巖化、新生變形作用→埋藏階段的壓溶→早期張裂縫→充填作用→構造擠壓作用、重結晶作用→I期埋藏溶蝕及充填作用→進油→油演化為瀝青→Ⅱ期埋藏溶蝕作用→晚期充填晚期張裂縫→進氣(圖3)。

2.2 成巖作用模式

2.2.1 普光2井飛仙關組埋藏史及熱演化史

中三疊世末期，川東北地區普遍抬升，轉變為陸相沉積，沉積了上三疊統須家河組及侏羅系和白堊系。燕山運動晚期，本區褶皺變形，頂部被剝蝕，現今頂部殘留地層為上侏羅統遂寧組。頂部剝蝕厚度約2 270 m，普光2井飛仙關組最大埋深達7 000余m。儲層瀝青主要源于志留系及二疊系烴源巖，大致在燕山早期進入生油高峰，并在飛仙關組儲層中聚集成藏。隨著地層進一步埋藏，大約至白堊紀，油藏熱演化為瀝青。

2.2.2 流體包裹體資料分析

進油前溶孔(早期埋藏溶孔)中充填的白云石流體包裹體均一溫度為121.6～152 ℃，大致發生在中—晚侏羅世。晚期埋藏溶孔中充填的白云石流體包裹體均一溫度大于180 ℃，自形石英中流體包體溫度大于185.7 ℃，方解石流體包裹體均一溫度大于191.3 ℃。晚期埋藏溶孔中的充填作用大致發生在燕山早期。

另外，早期石英充填物流體包裹體均一溫度為132～147 ℃，早期張裂隙中充填的方解石中的流體包裹體均一溫度為111～155℃，分別形成于晚三疊世晚期—早侏羅世早期(圖3)。

圖3 川東北普光2井飛仙關組儲層成巖作用綜合模式

上述流體包裹體資料與薄片中看到的成巖序列關系基本符合。

2.2.3 普光2井飛仙關組成巖作用綜合模式

根據普光2井飛仙關組埋藏史、熱演化史、流體包裹體資料及成巖序列，歸納其成巖作用模式于圖3。

普光2井飛仙關組儲層孔隙主要由埋藏溶蝕作用形成，孔隙形態多未變形，表明埋藏溶蝕作用發育于構造擠壓作用之后。埋藏溶蝕孔隙大致可分為2期，早期埋藏溶孔中常有瀝青充填，表明其發育于大量進油之前，結合流體包裹體資料，該期埋藏溶蝕作用發育于90～120 ℃，大致在中—晚侏羅世，溶蝕流體與有機質熱演化過程中生成的有機酸和二氧化碳有關；晚期埋藏溶蝕作用發育于油熱演化為瀝青之后，充填礦物流體包裹體資料表明，該期埋藏溶蝕作用發育于160～180 ℃左右，溶蝕流體可能與TSR反應(硫酸鹽熱化學還原反應)及產生的硫化氫有關。這些埋藏溶蝕孔隙成為現今飛仙關組氣藏的主要儲集空間。

3 結論

1)普光2井飛仙關組儲層鮞粒白云巖中白云石標型特征、有序度和碳氧同位素特征反映白云化是在咸化海水和快速成核的成巖環境中發生的，主要是準同生期滲透回流交代白云巖?；糜磅b粒結晶白云巖及細—粗晶白云巖是鮞粒白云巖重結晶的產物。

2)早期淡水溶蝕曾經發生過，但多已被粒狀膠結物充填?，F今發育的鮞?？?、鮞粒內溶孔是埋藏溶蝕的產物，其形成機理為：構造擠壓應力使鮞粒沿同心層紋發育微裂縫，酸性流體沿這些微裂縫滲入，發生溶解，形成溶孔。

3)現今儲層孔隙主要為埋藏溶蝕孔隙，發育2期：早期埋藏溶蝕發育于有機質成熟期，溶蝕流體與有機質熱演化過程中生成的有機酸和二氧化碳有關；晚期埋藏溶蝕作用發育于油熱演化為瀝青之后，溶蝕流體可能與TSR反應(硫酸鹽熱化學還原反應)及其產生的硫化氫有關。

4)構造擠壓作用是控制埋藏溶蝕作用的重要因素之一，也是形成優質儲層的重要決定因素之一。一方面，構造擠壓作用有利于晶體重結晶，使晶間孔增大；另一方面，構造擠壓作用產生碎裂和碎?；?，使巖石產生裂縫、晶體破碎(尤其是白云石性脆易碎)，為后期酸性流體進入提供重要通道，極大地增加了水—巖反應接觸面積，促使溶蝕作用廣泛發育。

致謝：研究中得到中國石油化工股份有限公司南方分公司和國土資源部成都地質礦產研究所的支持和幫助，特致謝忱！

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