川东北普光气田下三叠统飞仙关组储层成岩作用研究

王恕一，蒋小琼，管宏林，鲍云杰

(中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214151)

普光气田位于四川盆地东北部宣汉—达县地区黄金口构造双石庙—普光构造带，为一构造—岩性复合型大型气藏[1]。主要含气层段为下三叠统飞仙关组和上二叠统长兴组。川东北地区飞仙关组气藏分布明显受沉积相控制，优质储层多为台地边缘鲕滩沉积[2-7]。但勘探证明，并非所有鲕滩沉积都能成为优质储层[8-10]，成岩作用等多种地质因素在储层形成过程中也起到了重要的控制作用。因此，深入研究普光气田飞仙关组储层成岩作用，可以为碳酸盐岩油气勘探储层预测提供更充分可靠的依据。本文主要通过对普光气田普光2井成岩作用的详细研究，探讨飞仙关组储层成岩作用特征以及优质储层的形成过程。

1 储层成岩作用类型及特征

普光气田飞仙关组储层主要为台地边缘鲕滩沉积[1,11-15]，岩性以白云岩为主，岩石类型主要有：鲕粒白云岩、含砾屑鲕粒白云岩、幻影鲕粒白云岩、含砂屑泥晶白云岩、含生屑白云岩、结晶白云岩、白云质灰岩等。其中，鲕粒白云岩(包括砾屑鲕粒白云岩)和结晶白云岩(包括幻影鲕粒结晶白云岩)是最重要的2种储集岩类型。两者次生溶孔发育，前者以粒内溶孔为主，后者以晶间溶孔为主，之间存在一些过渡类型。野外描述的糖粒状白云岩，是结晶较粗(以中—粗晶为主)、晶间溶孔极发育的结晶白云岩和幻影鲕粒结晶白云岩。储层物性以中孔中渗、高孔高渗储层为主，储集性较好[1,11]。

普光气田飞仙关组储层经历了海底、大气淡水、浅埋到中深埋藏的漫长过程，成岩作用类型多、成岩过程复杂，主要成岩作用叙述如下：

1.1 泥晶化作用

沉积物沉积后，在海底环境,蓝绿藻和细菌常沿颗粒边缘钻孔生长，使颗粒边缘泥晶化，形成泥晶套。普光气田飞仙关组鲕滩储层中常见多晶鲕，就是在泥晶套保护下鲕粒内部早期溶蚀形成负鲕，后来又被粒状方解石充填形成的。

1.2 压实、压溶作用

压实、压溶作用主要发生在中成岩阶段(埋藏期)由基质支撑的岩石中，表现为压溶缝合线。在由颗粒支撑的岩石中表现为颗粒间的点接触、镶嵌接触。研究层段以鲕粒白云岩为主，由于早期胶结，压实作用弱，颗粒多呈漂浮状。飞三段和飞二段上部由基质支撑的岩石中压实作用较强烈。

1.3 胶结充填作用

飞仙关组储层发生过多期胶结作用，按其成岩阶段及成岩环境可分为3期。

1.3.1 早期海底胶结

早期海底胶结以纤状胶结物为主，围绕颗粒沉淀，充填粒间孔。局部还见悬垂状胶结物，纤状悬垂胶结物发育于海水渗流环境。其次为泥晶胶结物，原始粒间孔中的泥晶胶结物与蓝绿藻生长有关，蓝绿藻粘结颗粒，吸附泥晶方解石并充填孔隙。

1.3.2 大气淡水—浅埋阶段的粒状胶结物

早成岩期，随着海平面的升降，沉积物常暴露地表，经大气淡水渗入发生溶解，同时CaCO3过饱和溶液向下渗透产生粒状胶结物，充填粒间剩余孔隙和之前形成的溶蚀孔隙。部分剩余孔隙则在浅埋藏期被粒状胶结物充填，经过海底胶结及大气淡水—浅埋藏期胶结，沉积物已固结成岩，原生粒间孔及早期淡水溶蚀孔几乎全部消失[16]。

1.3.3 后期充填胶结

充填矿物为白云石、硅质(石英)和方解石。

白云石多沿溶孔边缘生长充填，一般为细—粗晶、自形，常见菱形环边。至少有2期，早期充填的白云石边缘有沥青衬边，有的可见后期溶蚀现象，流体包裹体均一温度为121.6～152.5 ℃；晚期充填的白云石晶体边缘无沥青，流体包裹体均一温度大于180 ℃。

石英充填也有2期，早期石英为他形，有的具明显交代；晚期石英为自形晶体。包裹体均一温度前者为132～147 ℃，后者为176～>191.1 ℃。

方解石充填胶结至少有2期，第一期充填于早期张裂隙，流体包裹体均一温度为111～155 ℃，飞仙关组中这类方解石脉较少见；第二期为晚期方解石充填溶孔，晶体粗大，流体包裹体均一温度大于191.3 ℃，说明比自形石英胶结稍晚。

1.4 白云岩化作用

白云岩化作用为普光气田最重要的成岩作用之一，对改善储集岩孔隙具有重要意义。飞仙关组储层白云岩化作用主要发生在准同生期(早成岩期早期)。白云岩主要呈现2种不同标型特征。

1.4.1 白云岩结构与白云石标型特征

一种白云岩保持原岩结构特征，继承原岩方解石晶体大小，白云石晶体较细，主要以微泥晶及粉晶为主，泥微晶组成鲕粒圈层、泥晶基质及砂屑。白云岩化后一世代胶结物仍继承了纤状结构，粒状胶结物常保留向心增大的特征(图版1)。

另一种白云岩为幻影结构。常见原岩结构幻影，白云石晶体较粗，多以细—粗晶为主，自形—半自形，呈镶嵌结构，雾心亮边特征少见，局部具环带构造(图版2)。部分白云岩中幻影已消失，晶粒则多呈细—中晶或中—粗晶，发育晶间孔及晶间溶孔。

两类白云岩间发育一系列过渡类型，例如以第一类特征为主的亮晶鲕粒白云岩中局部呈结晶较粗的幻影结构；以第二类特征为主的幻影亮晶白云岩中局部存在由泥微晶组成同心层的鲕粒(图版3)。

上述2类不同白云岩可能是由于重结晶作用强弱不同造成的，其演变次序为：保持原结构白云岩→重结晶→幻影状白云岩→无幻影的结晶白云岩[17]。

1.4.2 白云石有序度分析

普光2井飞仙关组储层白云石有序度(岩样分析)与白云岩结构密切相关。保持原结构的亮晶鲕粒白云岩，有序度与微泥晶白云岩相似，一般为0.55～0.66。随着重结晶作用增强，幻影结构增加(白云石粒度增大)，有序度增高。以幻影结构为主的白云岩(一般细—粗晶)，有序度达0.81～1.00。反映了随重结晶作用增强，有序度增大的变化关系(图1)[17]。

1.4.3 白云岩碳氧同位素分析

研究层段白云岩δ18OPDB为-3.18‰～-5.86‰，δ13CPDB为1.97‰～3.19‰(图2)。

图1 川东北普光2井飞仙关组白云岩有序度与岩石结构关系[17]

1.微、泥晶白云岩；2.亮晶鲕粒云岩，圈层以微泥晶为主；3.亮晶鲕云岩，圈层以微泥晶为主，局部幻影；4.幻影亮晶鲕粒云岩，粉细晶为主，多数圈层保存好；5.幻影亮晶鲕粒云岩，细中晶为主，少量圈层或基质呈微泥晶；6.幻影亮晶鲕粒云岩，粗晶为主

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

图2 川东北普光2井飞仙关组白云岩碳、氧同位素分布

δ18O和δ13C值除了受流体盐度影响(盐度越高，δ18O和δ13C值越大)外，δ18O值随温度升高而降低，δ13C值受温度影响较小。因此δ13C值也能较好地指示流体性质，流体盐度越高，δ13C值越高。根据三叠系海相碳酸盐岩和化石δ13C值，测定三叠系海水δ13CPDB值为0～0.5‰[18]。普光2井飞仙关组白云岩δ13CPDB值均大于当时海水的δ13C值，表明白云岩化流体比当时正常海水咸化。

把δ18O和δ13C值结合起来计算[19]，用于指示流体古盐度，即：

Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

式中：Z为盐度指数。Z值越大，流体盐度越高，大于120，为海水；小于120，为淡水。准同生白云化流体盐度高，因而Z值大于120；混合水白云化流体有大气淡水混入，盐度低，因而Z值小于120。

根据碳氧同位素计算,普光2井飞仙关组Z值为128.76～131,均大于120,表明其白云岩化流体为咸水。

从上述白云石的标型特征、有序度以及碳氧同位素特征分析，普光2井飞仙关组储层白云岩形成于高盐度流体、快速结晶成岩环境，是准同生期渗透回流白云化的产物。

1.5 新生变形和重结晶作用

早期成岩阶段由于淡水作用，不稳定的文石、高镁方解石逐渐转化为低镁方解石，局部泥晶基质及组成鲕粒圈层的泥晶方解石重结晶(湿转变)成微晶，即发生新生变形作用。之后白云石交代方解石。随着埋藏深度的增加，温度升高、压力增大，同时，在构造应力作用下，岩石普遍发生重结晶作用，重结晶过程中白云石晶粒变粗，原岩结构逐渐消失，成为幻影镶嵌结构或细—粗晶镶嵌结构白云岩。

1.6 溶蚀作用

溶蚀作用是普光气田最重要的成岩作用之一。主要经历了3期溶蚀作用，形成了丰富的储集空间。其中，埋藏溶蚀孔隙是现今储层的主要有效孔隙。

1.6.1 第一期溶蚀作用(早期大气淡水溶蚀作用)

发生于早成岩期，由于海平面频繁升降，滩相沉积物常暴露于大气水环境，大气淡水对鲕粒中的不稳定矿物进行选择性溶蚀，形成各种鲕模孔(负鲕)、鲕粒内溶孔，有的溶孔中发育渗滤砂。该期溶孔大部分已被胶结物充填，未充填的孔隙在后期挤压构造应力作用下变形、消失，同时，原颗粒也被压碎、变形。

1.6.2 第二期溶蚀作用(I期埋藏溶蚀作用)

发生于中成岩早期埋藏阶段—构造挤压之后、大量石油充注之前。由于构造挤压作用形成裂隙及碎粒，富含有机酸的流体沿裂隙及碎粒间进入，岩石发生非选择性溶蚀作用，形成了丰富的晶间和粒内溶孔、溶洞及溶缝。该期溶蚀孔、洞、缝未见明显变形，表明形成于挤压构造运动之后。随后大量石油充注，由于后期石油热演化，现今这些溶孔、溶洞、裂缝(溶缝)中普遍赋存沥青，在一些较大的溶孔中，沥青呈衬边和球状产出(图版4)。

1.6.3 第三期溶蚀作用(Ⅱ期埋藏溶蚀作用)

发生于中成岩晚期埋藏阶段—油聚集并演化为沥青之后(干气阶段)。该期溶孔主要为晶间溶孔和粒内溶孔，有时发育成超大孔隙或宽大的溶缝。溶孔、溶缝异常干净，一般没有沥青充填，常见孔隙周围白云石晶体被强烈溶蚀。与I期埋藏溶蚀孔、洞一样，由于形成于挤压构造运动之后，常常见到同一薄片中碎裂发育，而孔隙基本没有变形。该期溶孔是现今储层中的主要有效孔隙[16]。

Ⅰ期和Ⅱ期埋藏溶蚀作用均发生在挤压构造作用之后。重结晶强烈的幻影白云岩及结晶白云岩中，以晶间溶孔为主；而重结晶较弱、颗粒保存较完整的岩石中，则以鲕模孔、粒内溶孔为主，这些粒内溶孔常常呈定向的新月形(图版5)、半圆形和环状孔隙。前人认为这种具方向性的鲕粒内溶孔和鲕模孔是鲕滩早期暴露于大气淡水，经选择性溶蚀的产物。

研究表明，普光气田下三叠统飞仙关组鲕粒白云岩中确实存在早期大气淡水环境形成的鲕模孔、粒内溶孔。但是，这些早期溶蚀孔多已被充填。如鲕粒内同心层圈消失，由较粗的白云石晶体充填形成多晶鲕，以及鲕粒内局部被结晶白云石充填。可能有少量早期粒内溶孔未被早期胶结充填，但这些孔隙在后期的构造挤压中已变形消失，岩石中零星分布的塌陷变形鲕粒就是这些残余早期溶孔曾经存在的证据。

王恕一等[20]研究认为，现今这些鲕模孔和定向鲕粒内溶孔并非由早期淡水溶蚀形成，而是后期埋藏溶蚀的产物，证据如下：

1)在发育这些孔隙的薄片中，常见同时发育强烈的挤压、碎裂和碎粒化，而孔隙仍较完整，未受挤压变形(图版6,7)，表明它们形成于构造挤压之后；

2)相当一部分定向粒内溶孔和铸模孔中没有沥青充填，而溶孔附近有沥青分布(图版8)，表明这些孔隙形成于进油之后。

那么，这种特殊产状的溶孔是怎样形成的呢？薄片观察表明，这些溶孔常与压性缝、碎裂和碎粒物伴生，定向孔常与鲕粒内环状溶孔共生(沿鲕粒同心层发育的环状溶孔)，这种环状孔有的被沥青充填，有的没有；有的薄片中可以见到这类发育定向溶孔的鲕粒，与被构造应力撕裂的鲕粒共生，定向溶孔的顶端与鲕粒撕裂的方向一致(图版9)。因此，我们认为这些溶孔与构造挤压有关，其形成机理如下：

当构造挤压应力作用于鲕粒白云岩时，由于鲕粒呈圆形，如果其中没有明显的孔隙，则不易塌陷、压碎变形，应力首先作用于鲕粒中的结构薄弱点——同心圈层之间。当应力集中于鲕粒一端，使鲕粒该端沿同心层圈广泛发育微裂缝，向下延伸，乃至沿同心圈层形成圆形“脱壳”裂缝。在后期酸性流体进入时，沿这些裂缝优先产生溶蚀，形成沿鲕粒一端发育的定向溶孔，沿同心层圈形成环状溶孔或沿同心层圈向下溶蚀形成新月形溶孔。同心圈层之间产生更多裂缝或进一步溶蚀则形成鲕模孔。

1.7 构造破裂作用

普光2井受到的构造破裂作用大致可分为3期，表现为早期的张性裂缝、中期的构造挤压作用和晚期的张性裂缝。

1.7.1 早期张性裂缝

早期张性裂缝均已被方解石和白云石充填。普光2井飞仙关组该期裂缝发育较差，飞二段上部较发育。

1.7.2 中期构造挤压作用

普光2井飞仙关组储层中普遍发育强烈的构造挤压作用，形成于早期张性裂缝之后，宏观上发育多处构造角砾岩和碎裂岩，以及沿层理方向的压性缝、碎裂带，反映构造挤压作用沿层理面发生剪切应力，产生碎裂及碎粒。这些压性缝及碎裂带中充填的沥青沿层理方向呈带状分布。溶蚀孔隙的发育也与这些碎裂带密切相关。薄片中构造挤压的微观标志更加普遍。如：鲕粒被压扁变形；鲕粒被错动；形成网状、窄细的裂隙，多被沥青充填；岩石碎裂，形成角砾岩、碎裂岩；白云石晶体压裂、粉碎，广泛发育碎粒结构(图版7,9-10)。其中，碎粒结构容易与渗流砂或基质相混淆，而两者形成于截然不同的成岩环境和时期。因此，正确识别直接影响到成岩序列的确定，尤其是对孔隙形成期的判断。

1.7.3 晚期张性裂缝

晚期张性裂缝未充填，为现今储层中的流体有效通道及气藏的储集空间。该期裂缝穿插前述所有的成岩作用产物，形成时间最晚，对气藏储集空间的连通起到重要作用。

2 储层成岩序列、环境及模式

2.1 成岩序列和成岩环境

普光2井飞仙关组成岩作用序列大致为：海底环境的藻粘结、泥晶化作用，形成泥晶环边→一世代纤柱状胶结→大气淡水渗流带的选择性溶蚀、新生变形作用、渗滤砂充填→大气淡水潜流带的二世代粒状胶结→白云岩化、新生变形作用→埋藏阶段的压溶→早期张裂缝→充填作用→构造挤压作用、重结晶作用→I期埋藏溶蚀及充填作用→进油→油演化为沥青→Ⅱ期埋藏溶蚀作用→晚期充填晚期张裂缝→进气(图3)。

2.2 成岩作用模式

2.2.1 普光2井飞仙关组埋藏史及热演化史

中三叠世末期，川东北地区普遍抬升，转变为陆相沉积，沉积了上三叠统须家河组及侏罗系和白垩系。燕山运动晚期，本区褶皱变形，顶部被剥蚀，现今顶部残留地层为上侏罗统遂宁组。顶部剥蚀厚度约2 270 m，普光2井飞仙关组最大埋深达7 000余m。储层沥青主要源于志留系及二叠系烃源岩，大致在燕山早期进入生油高峰，并在飞仙关组储层中聚集成藏。随着地层进一步埋藏，大约至白垩纪，油藏热演化为沥青。

2.2.2 流体包裹体资料分析

进油前溶孔(早期埋藏溶孔)中充填的白云石流体包裹体均一温度为121.6～152 ℃，大致发生在中—晚侏罗世。晚期埋藏溶孔中充填的白云石流体包裹体均一温度大于180 ℃，自形石英中流体包体温度大于185.7 ℃，方解石流体包裹体均一温度大于191.3 ℃。晚期埋藏溶孔中的充填作用大致发生在燕山早期。

另外，早期石英充填物流体包裹体均一温度为132～147 ℃，早期张裂隙中充填的方解石中的流体包裹体均一温度为111～155℃，分别形成于晚三叠世晚期—早侏罗世早期(图3)。

图3 川东北普光2井飞仙关组储层成岩作用综合模式

上述流体包裹体资料与薄片中看到的成岩序列关系基本符合。

2.2.3 普光2井飞仙关组成岩作用综合模式

根据普光2井飞仙关组埋藏史、热演化史、流体包裹体资料及成岩序列，归纳其成岩作用模式于图3。

普光2井飞仙关组储层孔隙主要由埋藏溶蚀作用形成，孔隙形态多未变形，表明埋藏溶蚀作用发育于构造挤压作用之后。埋藏溶蚀孔隙大致可分为2期，早期埋藏溶孔中常有沥青充填，表明其发育于大量进油之前，结合流体包裹体资料，该期埋藏溶蚀作用发育于90～120 ℃，大致在中—晚侏罗世，溶蚀流体与有机质热演化过程中生成的有机酸和二氧化碳有关；晚期埋藏溶蚀作用发育于油热演化为沥青之后，充填矿物流体包裹体资料表明，该期埋藏溶蚀作用发育于160～180 ℃左右，溶蚀流体可能与TSR反应(硫酸盐热化学还原反应)及产生的硫化氢有关。这些埋藏溶蚀孔隙成为现今飞仙关组气藏的主要储集空间。

3 结论

1)普光2井飞仙关组储层鲕粒白云岩中白云石标型特征、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岩环境中发生的，主要是准同生期渗透回流交代白云岩。幻影鲕粒结晶白云岩及细—粗晶白云岩是鲕粒白云岩重结晶的产物。

2)早期淡水溶蚀曾经发生过，但多已被粒状胶结物充填。现今发育的鲕模孔、鲕粒内溶孔是埋藏溶蚀的产物，其形成机理为：构造挤压应力使鲕粒沿同心层纹发育微裂缝，酸性流体沿这些微裂缝渗入，发生溶解，形成溶孔。

3)现今储层孔隙主要为埋藏溶蚀孔隙，发育2期：早期埋藏溶蚀发育于有机质成熟期，溶蚀流体与有机质热演化过程中生成的有机酸和二氧化碳有关；晚期埋藏溶蚀作用发育于油热演化为沥青之后，溶蚀流体可能与TSR反应(硫酸盐热化学还原反应)及其产生的硫化氢有关。

4)构造挤压作用是控制埋藏溶蚀作用的重要因素之一，也是形成优质储层的重要决定因素之一。一方面，构造挤压作用有利于晶体重结晶，使晶间孔增大；另一方面，构造挤压作用产生碎裂和碎粒化，使岩石产生裂缝、晶体破碎(尤其是白云石性脆易碎)，为后期酸性流体进入提供重要通道，极大地增加了水—岩反应接触面积，促使溶蚀作用广泛发育。

致谢：研究中得到中国石油化工股份有限公司南方分公司和国土资源部成都地质矿产研究所的支持和帮助，特致谢忱！

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