四川盆地东北部地区长兴组碳酸盐岩成岩作用及储层孔隙演化

王春连， 刘成林， 龙胜祥， 吴世祥， 李宏涛， 张军涛， 柳智利

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083 3.西南石油大学，四川成都 610500)

0 引言

成岩作用指松散沉积物脱离沉积环境而被固结成岩石时期所发生的作用(Bathurst，1971;James，1974;Calvet et al.，1991)。特点是本层物质的迁移产生重新分配组合为主，没有或很少有外来物质参加(Badiozamani，1973;Wilson，1975;Lloyd，1977);沉积物与底层水隔绝，厌氧细菌大量存在，硫酸根离子转化为硫化氢，pH＞9，处于还原环境;发生压实－脱水作用，孔隙变小;发生胶结－孔隙水中因压实沉淀出新矿物(Longman，1980;Tucker et al.，1990; Mazzullo，1992)。

成岩作用是碳酸盐岩储层岩石学研究的重点，碳酸盐岩有效储集空间好坏，主要取决于各种成岩作用形成的有效孔隙(Tucker，2001;马永生，2007;黄思静等，2009)。由于碳酸盐岩矿物本身的化学性质活泼，所以碳酸盐岩的成岩演化过程中各种成岩作用很发育，其原始面貌经常是大为改观(郑荣才等，2007)。长兴组储层经历多种成岩环境及其变化也呈多期次、多类型的长期叠加，其结果大大改变了原岩内部结构，其原始成分、原生结构以及储层性质，都发生了很大的变化(雷卞军等，1990;POMAR，1999;朱光有等，2006)。本文以普通显微镜薄片和铸体薄片观察为基础，借助于X－衍射分析、电子探针分析等实验方法，本文对长兴组所经历的成岩作用类型及特征和成岩演化序列都进行了全面的分析，并对成岩作用及储层孔隙发育和演化的关系进行了研究。前人对碳酸盐岩的成岩作用与储层演化的关系只是单一或几种成岩作用与储层发育及孔隙的关系进行研究(张连昌等，2001;黄思静等，2006)，而本文是通过压实压溶作用、胶结作用、充填作用、交代作用、白云化作用、重结晶作用、溶蚀作用、破裂作用等成岩作用的共同作用研究其对储层发育和孔隙的关系。

1 区域地质背景

本文研究区为四川盆地东北部地区(图1)，研究区北起南江，南到达县，西自阆中，东至万源。面积3.0万km2。研究层位为上二叠统长兴组。

研究区位于四川盆地东北部川中平斜褶皱带，属于扬子板块北缘，北邻米仓山－大巴山造山带，东南接川东断褶带，研究区位于川中平斜褶皱带北部，靠近川东断褶带(王一刚等，2009)。北起南江，南到达县，西自阆中，东至万源，为一系列北北东－北东向背斜构造，包括毛坝场，普光场等主要构造。

2 储层主要成岩作用类型及特征

通过对元坝101、元坝102、元坝2、普光2、普光5、普光6、普光8、普光9、毛坝3、河坝1井等钻井岩芯和野外露头剖面观察及岩石薄片观察可知，研究区长兴组碳酸盐岩常见有压实压溶作用、胶结作用、充填作用、交代作用、白云化作用、重结晶作用、溶蚀作用等成岩作用。其中对储层孔隙发育影响较大的主要是胶结作用、溶蚀作用、充填作用、白云化作用和重结晶作用。

2.1 压实压溶作用

研究区长兴组碳酸盐岩中，压实作用主要有两种表现形式，一是颗粒密集填积的机械压实作用，这种压实作用在研究区中表现不明显，通常认为碳酸盐岩固结成岩较早，机械压实作用不明显，而以缝合线形式存在的化学压实作用比较常见。另外一种是以缝合线形式存在的化学压实作用(图2a)，这种化学压实作用在研究区表现比较明显，也可能为晚期碳酸盐岩成岩胶结物提供了物质来源;部分缝合线构造，有机质富集，也可能是油气运移的通道。

2.2 胶结(充填)作用

研究区碳酸盐岩的胶结作用可以明显区分出成岩早期和成岩中晚期胶结。成岩早期的胶结分为两种情况，一种为粒间充填的灰泥基质，可能为海底沉积环境中沉淀出的高镁方解石或文石泥，这种灰泥重结晶显示为粒状方解石(或白云石)胶结，不显世代结构;另一种由CaCO3过饱和孔隙水化学沉淀方解石胶结(可云化)，常围绕颗粒生长形成栉壳状、马牙状、晶粒状环边，向孔隙中心晶粒加大，显所谓世代结构，通常称为淀晶胶结，一般常见于高能环境颗粒结构的碳酸盐岩中。

图1 四川盆地东北部位置图Fig.1 Map showing location of the northeastern Sichuan basin1－钻井;2－城市;3－勘查区块1－borehole;2－city;3－exploration blocks

还有一种胶结作用主要表现在对已形成孔隙的充填作用，包括亮晶方解石和鞍状白云石(图2b)，应该是中晚期成岩作用的特征。

2.3 溶蚀作用

研究区长兴组台地边缘礁滩相带是溶蚀作用发生的主要地带。通过岩心和显微薄片仔细观察，可见长兴组溶蚀作用主要表现在成岩早期和成岩中晚期的溶蚀作用。成岩早期的溶蚀现象主要表现在，发育于礁滩相带的鲕粒灰岩可能随海平面的周期性下降而暴露于大气水成岩环境，遭受淡水淋滤，不稳定的矿物组分文石、高镁方解石被溶解，因而，孔隙特征往往具有选择性溶蚀的特征，形成铸模孔(图2c)。而成岩中晚期，由于文石、高镁方解石已经被低镁方解石化，形成稳定的矿物组分，溶蚀不再具有选择性，因而，成岩中晚期的溶蚀作用常表现为非选择性的粒(晶)间溶孔、溶洞及溶蚀沟、缝等。

2.4 交代作用

薄片观察显示，白云岩仍是区内有利储层发育的重要岩石类型，在区内白云岩主要发育于台地边缘生物礁、滩相中，常见生物碎屑、鲕粒残余结构的白云岩(图2d)，部分交代成因的白云石晶粒因交代的残余，而具有明显混浊的特征，这些显然为交代成因白云岩化的重要证据。与白云岩化交代作用相比，其它交代作用对储层孔隙发育无明显的影响，故为比较次要的成岩作用。

就目前所知，绝大多数古代和现代白云岩都是次生交代成因的，特别是具有经济意义的大型白云岩体更是如此(王瑞华等，2006;黄思静等，2007)。研究区长兴组组储层以白云岩占绝对优势，其特征如下:

(1)白云石的结构特征

研究区长兴组储层中白云石按晶体大小可分为微－粉晶、细－中晶和粗晶;按晶形可分为它形、半自形和自形晶，此外局部还可见到为数不多具特殊构造的白云石晶体，如环带构造和雾心亮边白云石。本次工作对钻井剖面长兴组不同晶粒大小和形态的白云石进行了统计，列于表1。

以上数据表明:

①长兴组礁间和礁后潮坪相带微－粉晶白云石占有显著优势，统计主体台缘生物礁微相带微－粉晶白云石亦占有一定优势。

②以它形晶白云石为主，半自形－自形晶白云石不足总体的5%。总体上微－粉晶结构的白云石略占优势，细－中晶白云石仅次于微－粉晶白云石占有较大比例;不同层位、不同相带的白云石结构有比较明显的差异，低能环境的白云岩微－粉晶白云石优势明显;雾心亮边白云石总的含量不高，局部可见相对集中;偶见具环带构造白云石(图2e)。

表1 长兴组白云石类型统计表Table 1 Statistics of dolomite types for the Changxing Formation

(2)白云石有序度

到目前为止，普遍认为白云石主要为交代成因，白云石为钙镁碳酸盐矿物，白云石交代方解石实质上就是原方解石中的部分钙离子被镁离子取代，理论上原方解石内50%的Ca2+可以被Mg2+取代，即理论计量的白云石Ca2+/Mg2+为1∶1。但实际岩石中的白云石并非全都符合理论计量的白云石，利用X－衍射分析白云石的有序度就是反映实际岩石中的白云石与理论计量白云石的符合程度。研究区长兴组的白云石有序度(表2)。从表中可以看出:

①长兴组白云岩的白云石有序度变化在0.57～0.90之间，平均值为0.73;

②按不同相带白云岩进行统计，结果显示，长兴组储层的主体－台缘生物礁微相带(6个样)的白云石有序度变化在0.57～0.90之间，平均值为0.70;局限台地潮坪微相带2个样的白云石有序度分别为0.64和0.84，平均值为0.74;礁后潮坪微相带仅1个样品，其有序度为0.82。

需要说明的是，这次X－衍射分析的是全岩样品，反映的是岩石经过复杂的成岩过程后的现状，现今分析白云石有序度并非单纯白云化作用的结果，可能还包含有重结晶作用、充填作用等成岩作用的影响，但白云化作用起主导作用和主要作用是勿庸置疑的。同时还必须明确，现今分析白云石有序度也非某期白云化作用所致，而可能是整个成岩过程中白云化作用的叠加。

此外，从化学成分的角度，白云石的理论成分MgO为21.86%，CaO为30.41%，CO247.73%。电子探针分析结果(表3)，无论细－中晶白云石和粗晶白云石，也不论镜下显示为自形晶白云石，还是它形晶白云石，其化学成分与白云石的理论成分都非常接近;经计算Mg2+/Ca2+在0.966～0.997之间，略微富钙。

(3)白云石的产状特征

研究区白云岩宏观上可归结为集中产出(完全白云化)的白云岩和分散产出(部分白云化)的、从含云灰岩到含灰云岩的所有过渡类型的灰、云岩。前者包括结构较为均匀的微－粉晶云岩、粉－细晶云岩、细－中晶云岩和不等晶云岩以及结构不均匀的斑杂状不等晶云岩等，主要产出于长兴组台地边缘礁滩相带;后者包括结构较均匀的含云灰岩、云质灰岩、灰质云岩和含灰云岩以及斑点、斑块状含云灰岩或云质灰岩等，主要产出于长兴组下部开阔台地亚相－台缘生物礁开始发育的下部。

研究区长兴组白云岩储层，白云石从结构到产状的多样性，反映了本区长兴组储层白云化作用的复杂性。对此必须有充分的认识。

2.5 重结晶作用

重结晶作用是指矿物成分不变，而矿物晶体大小发生改变的一种成岩作用。在研究区长兴组地层中，无论灰岩还是白云岩，也无论是晶粒结构，颗粒结构，还是生物礁，无一例外，普遍存在重结晶作用。从较轻微的选择性重结晶，到强烈的普遍重结晶都存在;局部还见白云化残余方解石重结晶呈连晶(巨晶)方解石，白云石嵌于其中。微晶灰岩中出现与之渐变过渡的粉－细晶或细－中晶斑块，通常视为重结晶作用的产物，在研究区内礁灰岩中也常出现此类重结晶现象。

表2 长兴组X－衍射分析结果Table 2 X－ray diffraction analysis results of the Changxing Formation

表3 长兴组白云石电子探针分析结果Table 3 Electron microprobe analysis results of dolomite from the Changxing Formation

3 四川盆地东北部长兴组成岩演化序列

上面总结了研究区长兴组成岩现象，然而，要了解储层样品成岩过程及孔隙演化规律，需要了解该区的成岩演化过程，即通过成岩序列的总结，探讨样品的孔隙形成过程。

长兴组下部岩性主要为亮晶生物灰岩，胶结作用有三期，早期为等厚环边纤维状的高镁方解石或文石胶结，已低镁方解石化;第二期为白云石胶结，看见明显的半自形－自形晶粒白云石，略具波状消光，应该是在中深埋藏条件下形成的，当然，这期胶结也有可能为白云岩化流体对早期胶结物的白云岩化作用造成的;最晚期胶结通常为亮晶方解石胶结，主要呈连晶状，常发生在第一期油气充注之后(在白云石和方解石胶结物之间常可看到沥青)。长兴组的第二期胶结是在埋藏成岩环境中形成的。然而，一些微亮晶生屑白云岩看不到这种世代结构，可能是海底成岩作用比较强烈，早期胶结物均为文石或高镁方解石泥，后期重结晶，所以难显世代胶结结构，由于胶结物的支撑作用，早期的机械压实作用不显著。本区的压实作用主要表现在化学压实缝合线上，缝合线的发育可能有两期，第一期缝合线在粒间胶结物间痕迹不明显，看上去被粒状胶结物所切割(图2a)，这可能是胶结物重结晶的结果;第二期缝合线则切割了方解石、白云石的胶结物，因而形成时间较晚。

溶蚀作用本区可能有多期，成岩早期的大气水成岩环境、海底成岩环境的溶蚀作用长兴组较弱，但选择性溶蚀孔隙在长兴组也存在，如在样品中见到可能是成岩早期形成的示顶底构造(图2f)，底部为泥粉晶方解石，上部为亮晶方解石和自形白云石胶结。其它的选择性溶蚀作用，如生屑内部的骨内溶孔及白云石晶间溶孔，则也可能是在埋藏成岩时期形成的，因此，长兴组的溶蚀作用可能主要发生在埋藏成岩期，主要表现在溶蚀孔、溶蚀沟等非选择性溶蚀，一些溶蚀孔隙被晚期亮晶方解石胶结，尽管埋藏期的溶蚀时间还很难准确判断，然而，从一些溶蚀孔隙边缘含有沥青，一些则不含，显示至少存在两期以上的埋藏溶蚀作用，含有沥青的孔隙可能在油气充注之前就以形成，而不含有沥青的孔隙则可能是在最晚期的含气的储层中形成的。长兴组含有潮坪相白云岩地层，代表了一种蒸发的沉积环境，因而也是回流渗透白云岩化提供了有利条件。而埋藏时期的白云岩化对储层具有双重影响，储层主要岩石类型有细晶云岩、粉晶云岩、微晶云岩，细晶、粉晶云岩所占比例相对较大，常见沥青充填于细晶、粉晶白云岩的晶间孔或晶间溶孔，溶蚀孔隙也较发育，这是有利的一面;然而，在一些鲕粒铸模孔中常见深埋成岩期的鞍状白云石充填或半充填，降低了岩石的孔隙度。但总体来说，埋藏白云岩化对储层具有明显的改善。

图2 四川盆地东北部长兴组成岩作用显微照片Fig.2 Micrographs showing diagenesis of the Changxing Formation in the northeastern Sichuan basina－压溶缝合线构造，显示生物碎屑颗粒被压溶而呈现残缺的特征，Yb2，P2c;b－铸模孔部分白云石充填，具波状消光，染色玻片，Yb2，P2c;c－海绵障积礁云岩，灰泥充填骨架孔隙，PG6，P2c，5644m，(－);d－生屑白云岩，微亮晶胶结，Yb2，P2c;e－白云石的环带构造，PG6，P2c;f－方解石充填的裂缝沥青较多，并具有示顶底构造，顶为自生白云石和方解石，染色普片，Yb2，P2c。a－pressolution stylolitic structure shows bioclastic grains are pressolved with remaining fragments，Yb2，P2c;b－moldic pores are filled with dolomite，with undulatory extinction in stained thin section，Yb2，P2c;c－sponge binding reef dolomite.Lime mudstone filled the frame pore，PG6，P2c，5644m，monopolarizer，diagonalline is 3.75mm in length;d－bioclastic dolomite，microspar cement，Yb2，P2c;e－zonation of dolomite，PG6，P2c;fcalcite－filled fissure composes large amount of bitumen with showing sequence structure.On the top of the sequence is dolomite and calcite in stained thin section，Yb2，P2c.

裂缝可能是油气运移的通道，例如在方解石胶结的裂缝中，沥青分布明显较多(图2F)，而未被胶结的微裂缝中也常见沥青分布。在温度和压力随深度增大的埋藏环境中，亚稳定的碳酸盐矿物将转化为方解石，并伴随有明显的重结晶作用，常在棘屑边缘形成共轴交代的环边，因此，重结晶作用常形成于埋藏成岩环境，随着温度压力的进一步升高，重结晶作用更加强烈，常形成晶方解石晶粒间呈缝合状不规则接触，部分早期的泥晶白云岩在强烈重结晶作用下，而呈粉细晶结构。

根据以上成岩现象间的先后顺序以及矿物间的相互切割关系，研究区长兴组的成岩序列及孔隙的演化规律如图3所示。

4 成岩作用阶段与储层孔隙演化

长兴组礁滩组合储层主要发育泥晶灰岩、泥晶颗粒灰岩、亮晶颗粒岩、礁灰岩及礁白云岩等，由于物质成分的差异，其孔隙演化具有不同的特点。

(1)泥晶灰岩:同生期时疏松多孔，含大量孔隙水。通过成岩早期压实作用，孔隙水迅速排出，孔隙急剧降低，直到变成致密的泥晶灰岩。成岩中期白云石化和晚期的溶蚀、溶解作用对它毫无影响。

(2)泥晶颗粒岩:同生期粒间灰泥多，孔隙较为发育，含孔隙水。成岩中期，压实作用孔隙水排出，孔隙变小，直至颗粒呈面接触时，溶液沿着其接触面流动溶蚀，形成压溶缝并在不同程度上接受成岩中期的白云石化，特别是生物碎屑颗粒易被白云石交代，变成自形晶粒白云岩，大大改善其孔隙性能。

(3)亮晶颗粒岩:粒间孔中没有或有很少的灰泥，充满大量的孔隙水。这些不仅颗粒有强抗压力，其孔隙水也具有承压性。到成岩早期压溶作用增强，打破其原有平衡，发育压溶缝，并为成岩中期白云石化铺平了道路，成为礁后浅滩中发育晶间孔、晶间溶孔和溶缝晶粒白云岩的主要类型。

(4)礁灰岩:其格架孔中充填的是大量灰泥及生物碎屑。成岩早期压实作用，变成了生屑泥晶灰岩结构，其孔隙被严重阻塞，以致影响其他压实流体的进入;中期白云石化影响极弱，成岩晚期溶蚀作用对它也无影响。

(5)礁白云岩:格架孔中充填了少量生屑和大量的孔隙水、成岩中期接收了来自低抗压组份(灰泥)中的源源不断的压实排泄流，并在礁体内沿造礁生物和生物碎屑边缘或晶间流动并溶蚀，形成网脉状溶解缝，为成岩中期白云石化的充分进行创造了条件。

图3 四川盆地东北部长兴组成岩序列及孔隙演化特征Fig.3 Diagenetic sequence and pore evolution characteristics of the Changxing Formation in the northeastern Sichuan basin

在同生成岩期，岩石结构疏松，孔隙水含量高，压实作用微弱，原生孔隙发育，包括粒内孔、粒间孔和骨架孔，同生白云岩化形成少量晶间孔。在成岩早期，压实作用增强，孔隙水迅速排出，原生孔隙明显减少;随着埋深增加，压实作用更强，并发生早期胶结作用，原生孔隙急剧降低甚至消失，这时粒间流体沿颗粒接触面溶蚀，形成一些压溶缝，矿物转化和重结晶作用形成部分晶间孔。成岩中期，白云石化发育，溶蚀作用增强，形成大量晶间孔和各种次生溶孔，包括粒间溶孔、粒内溶孔、晶内溶孔、海绵体腔溶孔等，形成了较好的储集空间。到成岩晚期，在早中期次生孔隙发育的基础上，进一步溶蚀扩大，形成一些铸模孔和超大孔;同时，多期叠加的构造缝发育，呈网脉状展布，最终形成高孔隙的礁白云岩(图4)。

5 结论

(1)四川盆地东北部长兴组碳酸盐岩主要成岩作用类型:压实压溶作用、胶结作用、充填作用、交代作用、白云化作用、重结晶作用、溶蚀作用、破裂作用。其中对储层孔隙发育影响较大的主要是胶结作用、溶蚀作用、充填作用、白云化作用和重结晶作用。

(2)根据成岩现象间的先后顺序以及矿物间的相互切割关系，总结出长兴组的成岩序列及孔隙的演化规律。

(3)长兴组礁滩组合储层主要发育泥晶灰岩、泥晶颗粒灰岩、亮晶颗粒岩、礁灰岩及礁白云岩等，由于物质成分的差异，其孔隙演化具有不同的特点。

(4)在同生成岩期，原生孔隙发育，同生白云岩化形成少量晶间孔。在成岩早期，原生孔隙明显减少;发生早期胶结作用，粒间流体沿颗粒接触面溶蚀，形成一些压溶缝，矿物转化和重结晶作用形成部分晶间孔。成岩中期，白云石化发育，溶蚀作用增强，形成大量晶间孔和各种次生溶孔，形成了较好的储集空间。到成岩晚期，进一步溶蚀扩大，形成一些铸模孔和超大孔;同时，多期叠加的构造缝发育，呈网脉状展布，最终形成高孔隙的礁白云岩。

［注释］

① 中石化股份有限公司南方勘探开发分公司.2004.川东北储层预测、评价及勘探目标优选研究［R］.

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