川东北地区二叠-三叠系深层礁滩储层发育机理

段金宝, 季春辉, 张学丰

(1.中国石化勘探分公司,成都 610041; 2.北京大学 石油与天然气研究中心,北京 100871)



川东北地区二叠-三叠系深层礁滩储层发育机理

段金宝1, 季春辉1, 张学丰2

(1.中国石化勘探分公司,成都 610041; 2.北京大学 石油与天然气研究中心,北京 100871)

探讨川东北地区二叠-三叠系礁滩相储层孔隙形成过程与保存机理，通过对普光、元坝气田礁滩相优质储层的岩石学特征、储集空间类型、物性特征以及储层发育机理的研究，运用统计学分析手段，结果表明：①四川盆地东北部二叠-三叠系礁滩相储集岩性以残余生屑结晶白云岩、残余生物礁结晶白云岩、礁灰岩、残余鲕粒结晶白云岩为主，糖粒状白云岩及粉细晶白云岩次之，亮晶鲕粒灰岩最少。储层类型以孔隙型为主，裂缝-孔隙型次之，Ⅱ、Ⅲ类储层居多，Ⅰ类储层较少。②礁滩优质储层受沉积环境的控制，早期暴露溶蚀、白云岩化作用为储层基质孔隙发育奠定基础，后期烃类充注为储层孔隙保存提供保障，晚期裂缝改善储层的渗透性。③川东北礁滩型储层孔隙以原生孔隙和早期次生溶孔为主，早期成岩作用贡献大，快速埋藏及烃类及时充注，使得储层孔隙得到很好的保存。构造应力缝及液态烃深埋裂解形成的超压缝，改善了储层渗透性。

礁滩储层；储层特征；孔隙保存机理；成岩作用；孔隙演化

近年来，随着元坝、普光、龙岗等海相大型礁滩气田的发现，四川盆地碳酸盐岩油气勘探逐步向深层转移，储层埋藏深度可达7～8 km。四川普光气田主力储层埋深>5 km，元坝气田埋深可达7 km左右。这些储层平均孔隙度(q)约为8%，最大超过30%；渗透率(K)最大可达9 664×10-3μm2[1-3]。深部碳酸盐岩优质储层的发育对传统认识提出了挑战，深层碳酸盐岩储层孔隙保存及储层成因成为石油勘探研究的焦点。本文从储层基本特征、储层发育机理及孔隙形成与演化3个方面，对深部碳酸盐岩优质储层发育及保存机理进行分析。

1　储层特征

1.1储层岩石类型

四川盆地东北部长兴-飞仙关组礁滩相储层岩石类型可分为白云岩与灰岩两大类[4](图1)。长兴组生物礁储层主要以残余生屑结晶白云岩、残余生物礁结晶白云岩、礁灰岩为主；飞仙关组滩相储层主要为残余鲕粒结晶白云岩、糖粒状白云岩、粉细晶白云岩、亮晶鲕粒灰岩。

1.2储层空间类型

储集空间是油气聚集的重要空间，好的储集空间类型是油气获得高产的基础[5]。通过岩心描述和薄片观察，礁滩储层储集空间以晶间溶孔及粒间溶孔为主，粒内溶孔、晶间孔、鲕模孔、生物体腔溶孔及溶洞次之，裂缝较少(图2)，总体来看，储层类型以孔隙型为主，裂缝-孔隙型次之。

1.3储层物性特征

礁滩储层岩性主要分为白云岩与灰岩2大类。为了探讨灰岩与白云岩储层物性特征的区别，将长兴组-飞仙关组中的所有灰岩归为一类，将所有白云岩也归为一类，分别总结两者储层物性特征。以元坝地区为例，根据统计研究表明(表1)，白云岩平均孔隙度为7.56%，平均渗透率为60.119×10-3μm2，以形成Ⅰ类及Ⅱ类孔隙型储层为主；灰岩平均孔隙度为2.97%，平均渗透率为12.83×10-3μm2，渗透率明显好于孔隙度，以形成Ⅲ类裂缝-孔隙复合型及裂缝型储层为主。总之，白云岩物性远好于灰岩，寻找优质储层以寻找白云岩为主。

图1　礁滩储层岩石类型Fig.1　The lithological types of reef reservoir(A)残余生物礁结晶白云岩，Pg9井，P3ch；(B)残余生物礁结晶白云岩，Pg9井，P3ch; (C)糖粒状白云岩，Pg2井， T1f1-2；(D)粉细晶白云岩，Yb9井，T1f1-2；(E)亮晶鲕粒岩，Yb27井，T1f2；(F)生物礁灰岩，Lg11井， P3ch

图2　礁滩储层空间类型Fig.2　Types of reef reservoir space(A)晶间溶孔，Lg26井，P3ch；(B)粒间及粒内溶孔，Mb 4井，T1f1；(C) 晶间孔，Pg9井，T1f1-2；(D)鲕模孔，Pg9井，T1f1-2；(E)生物体腔溶孔，体腔被溶蚀形成，Yb9井，P3ch；(F)网状裂缝，没有充填，Lg39井，P3ch

q/%K/10-3μm2最小值最大值平均值最小值最大值平均值样品数灰 岩0.5919.552.970.0021348.2040.10181045白云岩0.8224.657.560.0032385.4831.2770350

2　储层发育机理

超深层碳酸盐岩储层在埋藏过程中经历了复杂的成岩环境，从而影响到储层孔隙空间的发育、改造和保存过程。优质储层发育机理及分布预测是制约超深层领域勘探的重要瓶颈之一[6-8]。近年来利用龙门山前、米仓山-大巴山前露头及元坝地区钻井岩心系统开展储层岩石学、成岩孔隙演化、碳氧同位素研究，以及碳酸盐岩溶蚀动力学实验模拟等分析，揭示了超深层礁滩优质储层形成的机理[3,6,8]。

2.1沉积环境控制优质储层内部结构和分布范围

沉积相是控制储层形成的主要因素之一，而沉积微相又是优质储层发育的物质基础。台地边缘生物礁滩相一般形成于浪基面附近，水动力相对较强，具有良好的分选性、磨圆度，沉积体粒间孔隙发育。由于其沉积水体相对较浅，在频繁海平面升降的影响下，往往形成较多的溶蚀孔、晶间溶孔，为后期成岩作用过程中白云岩化及溶蚀扩大奠定了基础[9,10]。

通过对川东北礁滩样品对比分析(表2)，储层物性与沉积相带有明显的相关性，相带不同储层物性有所差别。相对而言，台地边缘礁滩相岩石孔隙度是最高的，碳酸盐台地居次，斜坡-陆棚相最差。而渗透率值的测定因为受孔隙度、孔喉类型及裂缝发育情况等诸多因素的影响，并没有明显的规律性；但台缘礁滩相较台地相岩石渗透率值明显高于台地、斜坡-陆棚相[11]。岩石密度(ρ)方面，台地边缘礁滩相最小，碳酸盐台地相次之，斜坡-陆棚相最大。

总之，储层物性对比研究表明，台地边缘礁滩相岩石储层物性最好，碳酸盐台地相次之，斜坡-陆棚相最差。因此，要寻找优质储层，首先要寻找有利于形成优质储层的台地边缘礁滩相带。

表2　四川盆地东北部二叠-三叠系不同沉积相带岩石物性特征[11]Table 2　Petrophysical characteristics of different sedimentary facies of the Permian and Triassic strata in Northern Sichuan Basin

2.2早期暴露溶蚀、白云岩化为基质孔隙发育奠定基础

通过对礁滩相储层岩石薄片的观察并结合Photoshop软件完成岩石组分结构的定量分析，进而利用Excel软件的数据统计、分析功能，可以直观地统计出不同类型孔隙在整个储层中所占比例[12]。用不同类型孔隙比例分析，结合不同类型成岩作用与孔隙形成之间的相互联系，可以明确不同类型成岩作用对储层孔隙的改造程度。

由图3可知，川东北地区礁滩型储层以生物体腔孔/铸模孔、粒内孔、晶间孔为主，与之对应的成岩作用为早期大气淡水溶蚀和早期白云岩化；此外，裂缝与溶洞以及非选择性溶蚀孔也占一定比例。通过对比孔隙类型的构成特征，可知对普光和元坝地区礁滩型储层，早期成岩作用如早期大气淡水溶蚀、早期白云岩化作用对储层孔隙贡献分别超过50%和90%，早期成岩作用对储层形成有重要的控制作用。运用水热金刚石压腔(HDAC)仪器模拟地下半封闭-封闭的温压环境，来观测水或其他流体与地质物质之间的相互作用，发现储层进入深埋阶段，流体与碳酸盐岩的反应微弱，对储层物性影响有限，储层封闭埋藏是对孔隙的保存。早期长兴组和飞仙关组的快速深埋使储层迅速进入封闭环境，深部优质储层可能来源于对早期孔隙的继承和保存[13]。

2.2.1早期暴露溶蚀作用

生物礁储层在大气淡水溶蚀作用中形成的孔隙类型存在较大差异，以元坝地区为例，长兴组生物礁早期暴露溶蚀作用主要形成组构选择性的粒内孔、生物体腔孔和非选择性的溶蚀孔洞。台地边缘生物礁是正地貌单元，在其生长、发育过程中，明显受控于海平面升降作用。当海平面上升时，可容纳空间增大，有利于生物礁的生长；而当海平面下降时，生物礁露出水面，开始接受大气淡水的影响[14]。海水成岩环境下沉淀的矿物主要为准稳定的文石和高镁方解石，在大气淡水淋滤作用下很容易产生孔隙，一方面形成粒内孔、体腔孔等组构选择性孔隙，另一方面产生非组构选择性的溶蚀洞。元坝地区大量岩心及镜下薄片都能观察到这2类孔隙。体腔孔、粒内孔主要发育在礁核、礁后滩相的海绵障积白云岩、生物礁白云岩及生屑白云岩中，溶洞主要发育在礁顶、礁间滩和礁后滩相。岩心观察发现，部分体腔孔和溶洞中见沥青贴边，说明其形成于油充注之前，且溶洞形态不规则，除洞壁因沥青污染而为黑色，还有少量白云石、方解石及石英等胶结物生长；但大部分未被充填，为储层有效的储集空间。长兴组生物礁体腔孔、粒内溶孔和溶洞发育具有旋回性特征，说

图3　普光地区与元坝地区礁滩型储层孔隙类型及所占比例Fig.3　The proportion of pore types in reef reservoir in the Puguang and Yuanba area(据马永生等[6]，有修改)

图4　长兴组生物礁暴露大气淡水溶蚀作用证据[17]Fig.4　Dissolution evidence of Changxing Formation reef exposed to atmosphere water

明长兴期礁滩经历了多期暴露溶蚀，这也是元坝地区长兴组生物礁储层具有厚度大、叠置连片发育的重要原因。

前人大量研究表明，岩心和露头上稳定同位素的垂直密集取样已经被用于检测地球化学梯度，以此反映渗流带和潜水面位置[15]。根据以上理论，对元坝地区长兴组台缘生物礁岩心进行了较为精细的C、O同位素分析，结果表明：在Yb2井、Yb101井、Yb102井长兴组顶部δ13C明显变小，δ18O明显变大[16]。同时，薄片鉴定也在生物礁顶部白云岩储层中，发现了渗流黏土等暴露环境的地球化学标志(图4)。这些地球化学数据可以与岩心和薄片中的地质现象对应起来，证实了元坝地区生物礁早期暴露大气淡水溶蚀作用的存在。在暴露溶蚀过程中形成的大量生物体腔孔、粒内溶孔及溶蚀洞，不仅能改善生物礁滩体储层的储集性能，同时也为后期白云岩化作用奠定基础。

2.2.2浅埋白云岩化作用

元坝地区长兴组台地边缘生物礁优质储层以白云岩为主，主要分布在生物礁滩高能相带淡水淋滤溶蚀基础上的云化带，两者具有较好的耦合关系。在台缘礁滩相主体部位，由于海平面下降过程中容易发生暴露溶蚀，所形成的溶蚀孔隙有利于白云岩化作用的流体输导和汇聚，白云岩化程度高，白云岩储层厚度大、物性好[17-20]；而在滩间、礁间等相对低能区，白云岩化程度低，白云岩与灰岩互层分布，储层发育程度差。优质白云岩储层主要为中细晶结构，多具有残余影像结构，生屑结构破坏严重，晶间孔多见沥青贴边发育，说明白云岩化时间早于烃类充注。

2.3烃类充注为储层孔隙保存提供保障

早期暴露溶蚀及白云岩化作用所形成的大量基质孔隙，是否能在深埋过程中得以延续与保存，是超深层优质储层发育的关键问题。通过对大量岩心资料分析表明，川东北地区长兴组生物礁白云岩优质储层的发育，除浅埋白云岩的强抗压实能力外，烃类的及时充注是超深层优质储层孔隙得以保存的重要保障。川东北长兴组-飞仙关组埋藏史和油气充注期次研究发现(图5)，长兴组和飞仙关组沉积后经历快速沉降，短期内埋深达2.5 km左右；在晚三叠世须家河组沉积末期，上二叠统烃源岩埋藏深度达到3 km左右时，此时有机酸伴随烃类的大量充注。一方面，有机酸使孔隙流体呈弱酸性，抑制成岩胶结作用，有效地保存了孔隙，同时可使原生孔隙进一步溶蚀扩大形成次生孔隙；另一方面，原油裂解形成沥青充填于孔壁中，有效地抑制后期孔隙内部白云石的自形生长及重结晶作用，以及后期方解石及石英等颗粒的胶结，在一定程度上保护了储层[21]。当然，如果早期孔隙空间较小，沥青充填后未被后期流体搬运走，也会对储层孔隙空间形成一定的封堵。

图5　川东北地区长兴组和飞仙关组埋藏史曲线和油气充注期次Fig.5　Burial history and times of hydrocarbon charging of Changxing-Feixianguan Formation in Northern Sichuan Basin

2.4裂缝改善储层渗透性的关键

裂缝的发育在局部地区对储层物性有较强的贡献或改造作用，如川东北部分裂缝性灰岩储层的发育和较致密的均一性强的微晶-细晶白云岩。局部裂缝的发育形成了糖粒状白云岩，产生了储层物性最好的储集空间。

图6　元坝地区长兴组生物礁相储层孔渗关系图Fig.6　Diagram showing relationship of porosity-permeability for reef facies reservoir of Changxing Formation in Yuanba area

普光地区飞仙关组裂缝极为发育，储层渗透率普遍较高，而且增加了1%～2%的孔隙度，横向上遍布全区，局部形成典型的纯裂缝型储层，如毛坝1井。长兴组裂缝发育相对较少，对储集空间的直接贡献不大；但较少的裂缝对渗透性的改善应该起了明显的作用，也是渗透率普遍较高的原因之一。元坝地区生物礁储层具有较强的非均质性，裂缝是改善储层物性、提高储渗性能的关键因素。图6展示了元坝长兴组生物礁储层孔隙度、渗透率之间的复杂关系。对储层孔渗相关性分析表明，除孔隙度>8%的高孔储层具有高渗特征外，部分孔隙度为2%～8%的中低孔储层亦具有中高渗特征，反映该部分储层裂缝发育，极大地改善了储层渗透性。图7为Yb271井和Yb273井成像测井，可见溶孔及裂缝发育，这也是元坝超深层生物礁气田主体富集高产的关键。通过对裂缝特征研究发现，构造应力作用下的破裂缝及液态烃大量裂解成气，形成强超压，具有在区域应力背景下使岩石破裂、形成大量超压缝，不仅增加了储集空间，而且极大地改善了储层渗流条件。

图7　成像测井照片Fig.7　Photographs showing imaging logging

3　孔隙形成与演化

通过统计分析发现，原生孔隙和早期次生溶孔占据了储层储集空间的主要部分，这些孔隙与大气淡水溶蚀和早期浅埋白云岩化息息相关，早期成岩作用对储层物性具有重要的控制作用。

长兴组生物礁早期大气淡水溶蚀作用较强，形成了较多选择性的生物体腔孔和溶洞。正是由于这些孔隙的发育，造成之后的白云岩化流体得以进入储层，并在这些之前孔隙发育的层段形成白云岩，并形成晶间孔。压实、压溶作用对礁滩储层均造成了不同程度的破坏，尤以灰岩最为明显。在生物骨架发育的层段由于格架的支撑作用，压实、压溶较弱；但是由于上下层段压溶所产生的方解石在其中沉淀，造成部分层段胶结作用强烈。白云岩的形成，有效地保存了先前形成的孔隙，并为原油的充注提供了必要的空间。烃源岩成熟所形成的有机酸和原油沿着裂缝和晶间孔等有效输导通道到达储层，其中有机酸对储层孔隙有进一步的溶蚀扩大作用。原油充注之后，随埋藏而发生热演化，直至变为沥青并最终在储层孔隙中沉淀下来。原油的充注和沥青的形成，较好地保存了储层孔隙。之后的流体进入储层并形成了部分方解石、石英，对储层造成了部分破坏。晚期构造活动引起的断裂、裂缝及其相关的流体活动，形成了裂缝孔隙及沿这些裂缝分布的部分溶蚀孔洞，均未被充填。大气淡水溶蚀与胶结、白云岩化及之后的有机酸溶蚀和烃类的充注，基本控制了这类储层的最终孔隙大小。

飞仙关组鲕粒滩早期遭受强烈的大气淡水溶蚀，形成了大量的粒内孔；之后在大规模白云岩化作用下，发生等摩尔交换或近等体积交代，产生了较多晶间孔并保留了原始鲕粒的外形，形成大量粒内孔(包括铸模孔)的残余结构白云岩，加上可能的有机酸溶蚀造成孔隙加强。而在沥青之后形成的非选择性孔隙较少，且晚期沥青、方解石、单质硫和少量石英的沉淀破坏了部分孔隙。总体上早期形成的孔隙越多，则现今孔隙越发育(图8)。

图8　川东北地区二叠-三叠系台缘礁滩孔隙度随埋深变化示意图Fig.8　Schematic diagram of changes in porosity with depth of platform margin reef of the Permian and Triassic in Northern Sichuan Basin

4　结 论

a.四川盆地东北部二叠-三叠系礁滩储层类型多为残余生屑结晶白云岩、残余生物礁结晶白云岩、礁灰岩、残余鲕粒结晶白云岩。储集空间类型以晶间溶孔及粒间溶孔为主，粒内溶孔、晶间孔、鲕模孔、生物体腔溶孔及溶洞次之，裂缝较少。储层类型以孔隙型为主，裂缝-孔隙型次之，Ⅱ、Ⅲ类储层居多，Ⅰ类储层较少。

b.礁滩优质储层受沉积环境的控制，早期暴露溶蚀、白云岩化作用为储层基质孔隙发育奠定基础，后期烃类充注为储层保存提供保障，晚期裂缝改善了储层的渗透性。

c.早期长兴组和飞仙关组的快速深埋使储层迅速进入封闭环境，烃类及时充注及构造应力缝、超压缝等均在一定程度上增加了孔隙，但深部优质储层可能更多来源于对早期孔隙的继承和保存。

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Development mechanism of reef reservoir of the Permian and Triassic strata in northern Sichuan Basin, China

DUAN Jin-bao1, JI Chun-hui1, ZHANG Xue-feng2

1.SouthernExplorationCompanyofSINOPEC,Chengdu610041,China;2.InstituteofOil&Gas,PekingUniversity,Beijing100871,China

The lithological characteristics, reservoir space types and physical properties of reef reservoir from the Permian and Triassic strata in northeast Sichuan Basin is studied by application of statistics so as to understand the formation process and preservation mechanism of the reservoir pores. It shows that the reservoir rocks mainly consist of residual bioclastic dolomite, residual reef dolomite, reef limestone, residual oolitic dolomite, with some sucrosic dolomite, crystal powder dolomite and with minor sparite oolitic limestone. Quality reservoir is controlled by depositional environment and the development of reservoir pores is resulted from the early dissolution due to exposure and shallow buried dolomitization, and the timely post hydrocarbon filling play an important role in the preservation of reservoir pore, while the late formed fractures improve the permeability of reservoir. It reveals that the reef-shoal reservoir pores in northeastern Sichuan Basin are mainly primary pore and early secondary solution pore, and the early diagenesis makes obvious contribution on the formation of pores. Quick burial and timely hydrocarbon filling are decisive factors for the preservation of pores. Cracks induced by tectonic stress and overpressure cracks induced by deep burial of liquid hydrocarbons greatly improve the permeability of reservoir.

reef reservoir; reservoir characteristics; porosity preservation mechanism; diagenesis; porosity evolution

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.04.05

1671-9727(2016)04-0423-08

2015-12-06。

国家科技重大专项 (2011ZX05005)；中国地质调查局项目(1212011220758)。

段金宝(1981-),男,高级工程师,从事油气地质综合研究工作, E-mail:duanjb.ktnf@sinopec.com。

TE122.21

A