中上扬子地区龙王庙组储层特征及白云石化作用

2021-01-27钟晓勤姜黎明赵强先张永浩

西安石油大学学报（自然科学版） 2021年1期

韩波，李新，钟晓勤，姜黎明，赵强先，张永浩，刘鹏，李兵

(1.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安 710077； 2.中国石油集团测井重点实验室，陕西西安 710077； 3.中国石油长庆油田勘探开发研究院，陕西西安 71077)

引言

碳酸盐岩中的油气储量约世界油气储量的38%，其中，大型油气田中海相碳酸盐岩的油气储量约占60%。近15年来，中国海相领域油气勘探进入储量快速增长期，相继探明塔河、普光、靖边、安岳等一批大型—特大型油气田。在四川盆地的川中地区，特别是2012年安岳气田磨溪8井龙王庙组试油获气，测试日产气量107.18×104m3，使得磨溪区块龙王庙组成为我国最大的海相单体整装气藏，揭开了寒武系龙王庙组气藏勘探开发的序幕。

随着四川盆地安岳气田的成功勘探开发，寒武系龙王庙组储层成因与分布成为学界关注的热点问题。对于该层系的储层成因存在不同意见，严重制约着后续勘探推进。此次研究以中上扬子地区为研究对象，地理位置跨越川、黔、滇、湘、渝、鄂、陕等省市，北部以汉中—郧西为界，南部以大方—湄潭—怀化为界，东部以神农架—宜昌—石门为界，西部以泸定—西昌为界，其地理坐标介于27°～33°N，102°～111°E，面积约35×104km2。构造位置属于扬子准地台的次级构造单元，位于地台西北部，盆地内部的现今构造可划分为川西北断褶带、川中台隆带和川东南坳褶带[1-2](图1)。

图1 中上扬子地区构造及剖面位置分布Fig.1 Structure and section location distribution in Middle and Upper Yangtze region

选取贵州金沙岩孔、贵州习水土河、湖北宣恩高罗、湖南慈利南山坪、重庆秀山溶溪、四川南江沙滩、咸丰庙梁子等野外剖面以及一口钻井YD2井，利用野外露头及钻井岩心资料，通过岩心观察、镜下薄片鉴定，结合阴极发光、全岩X衍射、碳氧锶同位素、微量元素以及稀土元素等地球化学分析手段，对储层特征以及白云石化作用的类型进行分析研究，探讨储层成因机理。

1 实验部分

对从野外剖面采集的样品进行白云石有序度、碳氧同位素、稀土元素和锶含量等地球化学实验。

首先对研究区所选120块样品进行全岩X衍射，用以确定白云石和方解石的含量，为后续实验提供岩石矿物组分支持。取样后在玛瑙研钵内将样品磨成200目粉末，用背压法制片后进行测量，检测依据和方法为EJ/553-91《矿物晶胞参数的确定粉末X射线衍射法》。仪器为Panalytiacal X’Pert PRO X射线衍射仪，编号为8649。

挑选42块白云岩样品进行白云石有序度测试，将所选白云岩样品用牙钻取样后在玛瑙研钵中研磨成200目粉末(全部粒径过200目筛)，送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行测试，仪器为Panalytiacal X’ Pert PRO X射线衍射仪，编号为8649，检测依据和方法同上。

选取83块样品进行碳、氧同位素研究，取样后在玛瑙研钵内将样品磨成200目粉末，送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行测试，测试依据为DZ/T 0184.17-1997《碳酸盐岩矿物或岩石中碳氧同位素组成的磷酸法测定》。仪器为MAT 253，编号为8633。

对58块灰岩和白云岩样品进行稀土元素和锶含量测试。测试前先将样品研磨成200目左右的粉末，实验在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，仪器为ELEMENT XR 等离子体质谱仪，测试依据为GB/T 1450630-2010《硅酸盐岩石化学分析方法：44个元素测定》。仪器编号为9443，测试温度为22.6 ℃，相对湿度为32.36%。

2 储层特征

2.1 储层岩石类型

对除磨溪—高石梯地区的中上扬子其他地区进行研究发现，储层岩石类型与磨溪—高石梯地区十分相似，同样以颗粒白云岩、晶粒白云岩为主，其次为颗粒云质灰岩。(1)颗粒白云岩的类型有鲕粒、砂屑等，鲕粒大多呈圆形，少数因压实作用发生变形，粒径0.3 ～ 0.5 mm(图2(a))，鲕粒内部既有泥晶白云石，也有粉晶白云石；砂屑白云岩多呈圆形—次圆形，部分砂屑后期发生强烈的重结晶作用和白云化作用，导致颗粒结构基本消失，形成具有残余砂屑结构的粉细晶白云岩(图2(b))。(2)晶粒白云岩主要是粉晶、细晶白云岩，也可见少量中晶白云岩，白云化作用比较彻底，早期溶孔及裂缝被沥青充填(图2(c))；细晶白云岩的白云石晶粒中心比较污浊，晶间孔发育，孔隙内可见沥青充填，视孔隙度高达15% ～ 20%(图2(d))，这些晶粒白云岩有些残存有颗粒幻影，有些被后期改造已完全无法辨认原岩结构。(3)颗粒云质灰岩，也可称为斑状灰岩，在研究区主要是指发生不规则白云化作用的灰质白云岩或白云质灰岩，斑块一般指白云质部分，基质指斑块以外的灰质部分。斑块常呈浅黄—深灰色，抗风化能力较基质强，因此，凸出岩石表面。云斑在新鲜断面上可见闪亮的白云石晶面，比基质灰岩晶粒粗大(图2(e))。斑块与基岩的接触方式有两种，一种是渐变式接触，另一种是缝合线作为边界接触(图2(f))。

图2 中上扬子地区龙王庙组储层岩石类型Fig.2 Reservoir rock types of Longwangmiao Formation in Middle and Upper Yangtze region

2.2 储集空间特征

川西磨溪—高石梯地区是龙王庙组目前已勘探开发的主力产区，由于为川中古隆起区，在加里东期受表生溶蚀形成了一些大的溶孔溶洞，所以储集空间比较发育。而中上扬子其他地区储集空间类型主要为粒间溶孔、粒内溶孔、晶间孔、晶间溶孔及微裂缝等。粒间溶孔发育于砂屑白云岩和鲕粒白云岩中，孔隙呈不规则多边形，多与早期组构选择性溶蚀有关(图3(a)—图3(b))。粒内溶孔在研究区也有发育，多与相对海平面下降导致的大气淡水淋滤溶蚀作用有关(图3(b))。晶间孔发育在晶粒白云岩中，应该是白云石化作用对早期孔隙系统进行改造而形成的(图3(c))。对于晶粒较粗大的白云岩(如粉—细晶白云岩和中晶白云岩)要重点强调早期孔隙系统的重要性。如果没有早期孔隙系统，则无法发生化学水—岩反应，则白云石化作用很难进行。这些孔隙经后期溶蚀改造又会形成晶间溶孔(图3(d))。常见的微裂缝有两种，一种是与构造活动有关的构造缝，另一种是与成岩作用有关的缝合线。龙王庙组储层发育多期构造缝，且多期裂缝相互切割(图3(e)—图3(f))。构造缝虽然储集能力有限，但对提高渗透率却有极其重要的意义。有些裂缝被后期的方解石、白云石或者沥青充填而物性降低。

2.3 储层物性特征

川中地区磨溪—高石梯区块龙王庙组储层研究程度较高，前人分析该区7口井共计655块样品的常规物性[3]认为龙王庙组储层孔隙度分布在0.8%～11.6%。其中，孔隙度在2%～ 4%的样品占全部样品数量的40%，小于2%的样品占全部样品数量的32%；渗透率分布在(0.001～100.000)×10-3μm2，主要集中在(0.001～ 0.100)×10-3μm2，占全部样品数量的71%。

图3 中上扬子地区龙王庙组储层储集空间类型Fig.3 Reservoir space types of Longwangmiao Formation in Middle and Upper Yangtze region

对磨溪12、磨溪13和磨溪17井的262块样品分别进行了小样物性(n=226)和全直径物性(n=36)测试(图4)。小样物性测试结果显示：孔隙度为2%～6%的样品占全部样品数量的54%，孔隙度小于2%的样品占38%，平均孔隙度为3.11%；渗透率范围为(0.010～ 10.000)×10-3μm2的样品占49%，平均渗透率5.204×10-3μm2。全直径物性测试结果显示：孔隙度为2%～ 6%的样品占全部样品数量的72%，平均孔隙度为5.32%；渗透率为(0.010～10.000)×10-3μm2的样品占72%，平均渗透率为30.408×10-3μm2。磨溪—高石梯地区储层总体表现为中低孔—低渗的特征，而全直径物性明显优于小样物性，显示储层非均质性较强。

图4 磨溪—高石梯地区龙王庙组岩心孔渗物性分布[4]Fig.4 Core porosity and permeability distribution of the Longwangmiao Formation in Moxi-Gaoshiti region

对中上扬子地区其他区域龙王庙组的6条基干剖面(习水土河剖面(XS)、宣恩高罗剖面(GL)、金沙岩孔剖面(YK)、慈利南山坪剖面(NSP)、南江沙滩剖面(NJ)和秀山溶溪剖面(RX))的91块柱塞样品进行孔隙度测试，发现其孔隙度分布范围与磨溪地区极为相似。测试结果显示，龙王庙组孔隙度在0.4%～11.7%，平均3.6%。其中：XS剖面选取15块样品，孔隙度为1.6%～7.9%，平均3.3%；GL剖面选取9块样品，孔隙度为2.3%～7.8%，平均4.4%； YK剖面选取18块样品，孔隙度为0.4%～8.9%，平均3.8%；NSP剖面选取13块样品，孔隙度分布范围为1.1%～11.7%，平均3.2%；NJ剖面选取21块样品，孔隙度为0.55%～11.2%，平均3.0%；RX剖面选取14块样品，孔隙度为0.69%～3.5%，平均1.8%(图5)。另外，川东北地区北城口杨寺桥和巫溪徐家坝剖面由于主要发育灰岩，孔隙度整体较差，平均值小于1%。可见，虽然每个剖面的分布位置不同，但是平均孔隙度较为接近，而且每个剖面都存在孔隙度较好的层位，也反映储层在整个中上扬子地区分布的普遍性。

图5 龙王庙组不同基干剖面岩样孔隙度分布Fig.5 Porosity distribution of different profiles in Longwangmiao Formation

此外，鄂西渝东地区YD2井的储集物性更好，对储层段的30块铸体薄片进行面孔率统计，分布范围在3%～21%，平均孔隙度高达10.5%。

研究发现，岩性不同，其孔隙度存在较大差别。对川中磨溪—高石梯地区来说，其岩性主要为颗粒白云岩和晶粒白云岩，以颗粒白云岩为主(前已述及晶粒较粗大的粉-细晶白云岩和细晶白云岩经沉积恢复后都是由颗粒灰岩发生白云石化作用而形成的，所以说晶粒白云岩也是颗粒滩相沉积)。分析龙王庙组样品不同岩性与孔隙度关系(图6)可以看出：物性最好的是颗粒白云岩，其次是粉晶白云岩和细晶白云岩，颗粒灰岩的物性与白云化作用有关，发生白云石化的部分具有一定的储集性能，而未发生白云石化的部分通常比较致密；泥晶白云岩和泥晶灰岩物性最差，几乎不能成为储层。

图6 龙王庙组不同岩石类型与孔隙度的关系Fig.6 Porosity distribution of different rock types in Longwangmiao Formation

3 储层白云石化作用

自然界中绝大多数白云岩都是次生交代成因的。四川盆地东缘龙王庙组沉积期为炎热干旱气候条件[4-6]，该条件下的白云石化作用主要有两种模式：蒸发浓缩白云石化作用和回流渗透白云石化作用。干旱炎热的气候使得沉积物底部的海水因毛细管作用不断浓缩，Mg2+、Ca2+含量不断升高，导致沉积物中方解石或文石发生蒸发浓缩而白云石化。随着蒸发作用的不断进行，海水盐度逐渐增大，这种富含Mg2+的重盐水向下渗透并向海方向回流，发生渗透回流白云石化作用[7]。

从研究区龙王庙组不同岩性与物性特征分析结果来看，白云岩储集性能明显优于灰岩，储层多发育在白云岩含量较高的层段。对于研究区内不均匀白云石化的斑状灰岩进行普通薄片和扫描电镜观察(图7)，云斑部分(黄色方框1)在扫描电镜下可以看到白云石晶间孔十分发育，而基质灰岩部分(黄色方框2)则比较致密。微观孔隙结构也揭示了粉细晶白云岩发育晶间孔，储集物性明显优于灰岩。因此，储层发育的优劣与白云石化作用密切相关[8]。

图7 下寒武统斑状灰岩微观孔隙结构特征Fig.7 Micro pore structure characteristics of Lower Cambrian leopard limestone

3.1 白云石化作用的地化特征

3.1.1 白云石有序度

有序度反映矿物形成的物理、化学环境，是判断白云石结晶程度好坏的重要标志[9-10]。对42块白云岩样品进行有序度测试，其中有13块泥粉晶白云岩、12块粉晶白云岩、11块粉-细晶白云岩和6块细晶白云岩，测试结果见表1。

测试结果显示：泥粉晶白云岩有序度为0.46～0.70，平均0.58；粉晶白云岩有序度为0.52～0.82，平均0.68；粉-细晶白云岩有序度为0.66～0.95，平均0.76；细晶白云岩有序度为0.74～0.83，平均0.77(图8)。这表明泥粉晶白云岩结晶速度较快，具有准同生期白云岩的特征，属于近地表蒸发浓缩白云石化作用模式。虽然晶粒稍大的粉-细晶白云岩和细晶白云岩与泥粉晶、粉晶白云岩相比，有序度偏高，但总体来说，有序度仍偏低，表明白云石结晶速度中等，属于浅埋藏回流渗透白云石化作用模式。偏低的白云石序度说明白云岩形成时间较早，主要为准同生期或早期成岩阶段。

3.1.2 碳、氧同位素

首先对需要测试的白云岩样品进行牙钻微区取样，取样后在玛瑙研钵内将样品磨成200目粉末，分为两部分，一份用于X衍射，一份用于碳、氧同位素研究，测试方法同上。这样可以保证选取的白云岩样品中白云石的体积分数全部高于50%。测试结果显示：δ13C值为-2.8‰～2.8‰，平均0.1‰；δ18O值为-9.5‰～-5‰，平均-7.1%。与早寒武世海水(δ13C值为-2‰～0‰，δ18O值为-9‰～-7‰)相比，具有相似的海源流体性质(图9)。

图9 龙王庙组白云岩样品碳、氧同位素值交会图Fig.9 Cross-plot of carbon and oxygen isotope values of dolomite samples from Longwangmiao Formation

在上述实验数据中，分析发现氧同位素δ18O值与白云石体积分数具有正相关关系，且δ18O值在均值线以下，白云石含量相对较低；δ18O值在均值线以上，白云石含量较高(图10(a))，这表明白云石化作用与海水咸化浓缩有关。

但在白云石体积分数高达95%附近有些数据点明显偏负，很可能受到后期成岩作用改造的影响。因为成岩过程中的重结晶作用、白云石化作用和淡水淋滤作用都会使δ18O值发生较大变化，如：大气淡水的注入会引起水体介质盐度降低，使得δ18O值减小；温度升高，也会使得δ18O值降低[11-13]。选取δ18O值偏负的样品进行镜下观察(图10(b))，发现样品点1：YK-7-2有陆源石英，存在陆源淡水混入；样品点2：XS-4-(5)为中-粗晶白云岩，且在正交光下具有鞍状结构，推测受到热水事件影响；样品点3：YD2-ε1-36具有粒间溶孔，可能也受到大气淡水影响；样品点4：YD2-ε1-24发生组构选择性溶蚀而形成粒间溶孔，同时也发现部分鲕粒内部发生溶蚀形成粒内溶孔，推测也受到大气淡水影响。因此，除去这些受到后期大气淡水或者热水事件的影响，可以看出大部分样品的δ18O值与白云石含量仍具有明显的正相关关系。

图10 龙王庙组氧同位素值(δ18O)与白云石体积分数交会图Fig.10 Cross-plot of δ18O value and dolomite volume fraction in Longwangmiao Formation

3.1.3 稀土元素及微量元素

稀土元素是一种指示沉积物来源和成岩环境的一种重要的地球化学指标。对于稀土元素分析，前人大多用球粒陨石、北美页岩NASC或澳大利亚太古宙页岩PAAS进行标准化处理，然而，白云岩的形成与陨石、页岩没有任何内在联系，而与海水的成分却密切相关[14]。有不少学者利用海水对四川盆地和塔里木盆地典型白云岩样品进行标准化处理[15]，都取得了较好效果。因此，本次研究也采用海水的REE组成(Sw)对碳酸盐岩样品进行标准化处理。

泥晶白云岩通常认为是在潟湖、潮坪环境中由海水蒸发浓缩形成，稀土元素的配分模式也证实了泥晶白云岩的成因。泥晶白云岩的稀土元素配分模式(图11(b))与灰岩的配分模式(图11(a))基本一致，都表现出明显的Ce正异常，配分曲线整体右倾，显示轻稀土元素(LREE)较重稀土元素(HREE)富集，这些特征均与典型海水沉积物特征相同，反映其物质来源于海水。

图11 龙王庙组不同类型岩性稀土元素配分模式Fig.11 Distribution patterns of different lithologic rare earth elements in Longwangmiao Formation

晶粒白云岩主要有粉晶白云岩和细晶白云岩，是白云石化作用较为彻底的产物，综合分析认为，这类白云岩主要为浅埋藏环境下的回流渗透成因。粉晶白云岩和细晶白云岩的稀土配分模式(图11(c)—图11(d))与灰岩的配分模式也基本一致，都表现出明显的Ce正异常，无明显的Eu正异常，Eu/Eu*小于1，平均0.75，显示粉晶白云岩和细晶白云岩形成过程中流体来源没有发生根本性改变，也没有受到明显的后期热液影响。

微量元素中不同元素具有不同性质，单元素化学特性的差异可以指示不同的沉积环境。Ba的溶度积较小，淡水与海水混合时，淡水中的Ba2+与海水中的SO42-结合形成BaSO4沉淀，且Ba具有比Sr小的水合能，易于被黏土矿物和有机质等吸附，使得陆相和海陆过渡相沉积物中Ba含量较高，从而导致进入海洋的Ba减少，海洋沉积物中Ba的含量远低于Sr[16]，一般淡水沉积物中Sr/Ba值小于1，海相沉积物中Sr/Ba值大于1。因此，Sr/Ba值越大，代表海洋沉积中水体盐度越高；Sr/Ba值越小，则代表水体盐度越小[17-18]。Th不易发生迁移，以机械搬运为主，在地表常温环境中富集在抗风化矿物中，多富集在靠近物源的残积物、冲积物和滨海地区，因此，沉积物中Th含量与离岸距离成反比，可以反映海平面升降。海相自生U主要富集在缺氧盆地、富含有机质的大陆架和远离海岸的斜坡-盆地地区。因此，Th/U值能反映水体的深浅，Th/U值大代表水体较浅，为相对氧化环境，Th/U值小则代表水体较深，相对还原环境[19]。

检测龙王庙组灰岩与白云岩样品的地球化学特征，结果如表2所示。

表2 龙王庙组灰岩与白云岩稀土元素及微量元素地球化学参数Tab.2 Geochemical parameters of rare earth elements and trace elements in limestone and dolomite of Longwangmiao Formation

续表2：

从表2来看，泥晶白云岩的Sr/Ba平均值为6.93，远高于灰岩的平均值4.49，显示其形成时具有很高的盐度；泥晶白云岩的Th/U值为2.11，与灰岩的Th/U值2.24接近，但高于粉晶白云岩和细晶白云岩的Th/U值，代表泥晶白云岩形成时水体较浅，处于相对氧化的环境，这些与其形成的浅水潟湖或潮坪环境相符合。而粉晶白云岩和细晶白云岩的Sr/Ba平均值分别为5.32和5.23，也高于灰岩的平均值4.49，同样显示出白云石化是在较高盐度环境下进行的；粉晶白云岩和细晶白云岩的Th/U平均值分别为1.71和1.39，稍低于灰岩和泥晶白云岩，显示其处于弱还原环境中，表明这类白云岩形成的深度较浅，为浅埋藏环境回流渗透白云石化作用的产物。

3.1.4 锶含量

锶同位素除了被用于确定海相沉积物的年代外，还是指示海平面升降的灵敏指示剂。在自然界诸多储库中，河流等地表水溶解元素和离子作为从陆相输入海相的最主要途径，是海洋中锶输入的最主要的来源储库[22]。海洋锶输入通量主要来自河水汇人海洋的通量(约60%)、地下水(约29%)和热液流体(约4%)，以及少部分大陆尘土、冰川土、雨水和海相沉积物溶解的输入[23]。

对龙王庙组采集的样品进行Sr体积分数的测试，测试前对样品进行全岩X衍射测定，绘制了Sr含量与白云石体积分数交会图(图12)，发现Sr体积分数与白云石体积分数呈负相关关系，随着白云石体积分数的增加，Sr体积分数呈现明显减小的趋势，表明白云石化作用与海平面下降有关，同样也指示为海水浓缩作用的产物。

图12 龙王庙组Sr体积分数与白云石体积分数交会图Fig.12 Cross-plot of volume fraction of Strontium and dolomite in Longwangmiao Formation

3.2 白云石化作用机理

中上扬子地区龙王庙组储层主要发育在白云石化程度较高的颗粒滩相，颗粒滩相沉积有利于孔隙的形成，具有较好的孔渗，而潮坪或潟湖环境沉积的泥粉晶白云岩和泥晶灰岩物性较差。研究区龙王庙组主要的白云石化作用为蒸发浓缩白云石化和回流渗透白云石化模式。在潟湖或云坪相中，海水不断蒸发浓缩，同时不断周期性补给，形成高盐度的蒸发浓缩海水，由于盐度较高，其中生物较少，早期潟湖或云坪中主要以无机化学沉淀作用的形式沉淀出文石及高镁方解石的灰泥层。因这种形式的碳酸盐岩的生产力有限，沉积的文石及高镁方解石厚度大多较薄。随着文石及高镁方解石的沉淀，钙离子被大量消耗，但镁离子消耗有限，导致Mg/Ca值增加，当Mg/Ca值增加到一定程度时，灰泥层开始发生白云石化，这种高镁盐水相对密度较大，必然会向下回流渗透，导致灰泥层下面的灰岩层发生白云石化。这种回流渗透白云石化的规模取决于灰泥层下的岩性及厚度。当其下地层较薄，且主要以渗透性较好的鲕粒灰岩、内碎屑灰岩及生屑灰岩为主时，整个岩层可能都会发生白云石化作用，川北及川中地区多属于此种情况；若地层较厚，下面的地层又有较多致密灰岩夹层隔档，则仅在上部发生较彻底的白云石化作用，厚度有限，川东及川南地区属于此类情况。

大致过程为在水动能较高的地区，沉积滩体，滩体沉积以后，紧随其后发生了一系列海底胶结作用，当海平面下降时，滩体短暂地暴露在水体之上，发生准同生期或与低级序层序界面相关的溶蚀作用，形成初始储集空间，这次溶蚀作用最为普遍。沉积物沉积不久，基本脱离沉积水体，进入不再受沉积水体影响的准同生成岩阶段，之后又由于海平面下降导致上覆地层的暴露，水体变浅，海水蒸发浓缩，发生准同生期—浅埋藏期的白云石化，保持和改善了初始的孔隙体系。