川南地区中二叠统茅口组碳酸盐岩储层孔隙特征与储层成因

2021-07-30任梦怡汪泽成江青春胡光义范廷恩范洪军

东北石油大学学报 2021年3期

任梦怡，汪泽成，江青春，胡光义，范廷恩，范洪军

(1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083 )

0 引言

古老碳酸盐岩储层经历多重成岩作用改造，孔隙结构复杂多样，导致储层渗流能力和油气藏产能存在差异分布[1]。中二叠统茅口组作为四川盆地中部和南部的重点勘探层系，在断裂发育的构造高部位发现一批小规模的“缝洞型”气藏。近年来，老井复查发现川南天然气富集不完全受构造和裂缝带控制，证实茅口组储层具有连片分布的特征[2]。黄士鹏等[3]、郭旭升等[4]分析川南茅口组储层，细化茅口组储集层类型划分方案，提出茅口组发育除受裂缝—岩溶控制的缝洞型和裂缝型储层外，还发育受岩溶和生屑滩控制的孔隙—孔洞型储层。目前，四川盆地缝洞体测井识别和地震预测研究较多，缺乏碳酸盐岩储层微观特征和储集性能的研究。明确储层微观孔隙特征，研究孔隙—孔洞型储层的储集性能，对茅口组油气勘探开发具有重要意义。

储层微观表征的主要内容是定量描述储集岩的孔隙和喉道大小、形状、连通性、空间分布特征[5-6]。二维表征技术主要基于岩心观察、薄片鉴定和扫描电镜图像分析，岩心观察不能识别微米级孔隙及岩心内部孔隙特征，薄片鉴定对小于10 μm的微孔隙识别能力差，扫描电镜分析只能反映二维微孔的形状和孔喉大小。随CT技术的发展，孔隙结构研究逐渐从二维空间演变到三维空间。CT扫描可以观测岩石的孔隙结构、矿物与流体的分布状态，构建描述岩石真实孔隙空间的三维数字岩心，但分辨率有限(最高分辨率为30 nm)，不能对大量发育的纳米级孔隙三维进行表征[1,7]。聚焦离子束扫描电镜(Focused Ion Beam—Scanning Electron Microscope，FIB—SEM)技术提供一种研究纳米级复杂孔隙结构的方法，不仅具有较高的分辨率，还避免制样过程中产生人造孔隙，能够真实还原纳米级孔隙的三维结构特征[8]，可以应用于致密油、致密气、页岩油储层及烃源岩研究[9]。碳酸盐岩储层非均质性强，发育溶蚀孔洞等孔隙结构，孔隙直径范围跨度大，采用FIB—SEM技术可以研究碳酸盐岩微米级复杂孔隙，为探究储层孔隙特征提供方法。

笔者利用FIB—SEM三维成像技术，结合岩心观察、薄片鉴定和扫描电镜等技术，分析四川盆地川南地区中二叠统茅口组的碳酸盐岩样品孔隙结构；通过孔隙系统三维重构及孔隙空间分形研究，刻画微米—纳米尺度的碳酸盐岩储层空间结构，为评价川南地区碳酸盐岩储层的储集性能和确定下一步勘探方向提供支持。

1 地质背景

四川盆地是扬子地台西北部的NE向菱形沉积盆地，面积约为18×104km2。根据区域构造及地层岩性特征等，可划分为米仓山—大巴山前缘褶皱带、川西坳陷带、川中低缓构造带、川东高陡构造带、川西南古中斜坡低褶带和川南古坳中隆低陡穹形带[10-13]。研究区主要位于川西南古中斜坡低褶带和川南古坳中隆低陡穹形带(见图1(a))。

图1 川南地区区域构造和地层柱状图Fig.1 Regional tectonicl position and stratigraphic histogram of the Southern Sichuan Basin

四川盆地茅口组为碳酸盐岩缓坡沉积，根据岩性、电性及生物化石等特征，自下而上划分为4个层段(茅一—茅四段)(见图1(b))。茅一段沉积期，四川盆地发生中二叠世最大规模的海侵事件，主要发育灰黑色厚层—块状泥灰岩和泥晶灰岩[14-15]。茅二—茅三段沉积期，川南地区处于开阔海沉积背景，茅二段主要岩性为泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩和白云质灰岩，普遍发育介形虫、苔藓虫、有孔虫和腹足类等生物化石；茅三段以亮晶生屑灰岩为主，生物碎屑类型主要为有孔虫、钙藻、腕足和介形虫等，颗粒体积分数较高，局部地区发生白云石化作用。中二叠世末，受东吴运动抬升作用影响，茅口组遭受不同程度的剥蚀，以灰色生屑泥晶灰岩为主的茅四段在局部地区得以保存；经历7～8 Ma的沉积间断，大气淡水淋滤溶蚀作用在茅二—茅三段形成大面积层控古岩溶和溶蚀缝洞[16-17](见图2)。

2 样品及实验

4块碳酸盐岩灰岩样品来自川南地区茅口组。利用铸体薄片鉴定和扫描电镜分析，确定样品岩石学特征和基本孔隙结构与类型。采用分辨率更高的FIB—SEM三维成像技术，根据样品储集空间的三维结构，确定孔隙类型、大小及展布特征，分析不同类型孔隙对油气储集的贡献程度，明确有利储层。

图2 川南地区茅口组岩石样品镜下照片Fig.2 Microscopic photos of cores from Maokou Formation in Southern Sichuan Basin

样品B20-66为茅二段白云质灰岩，溶蚀孔洞充填方解石(见图3(a))。样品B35-45为茅三段泥晶生屑灰岩，粒间主要为泥晶基质，生物碎屑可见介形虫、有孔虫等，溶蚀孔隙充填方解石或有机质(见图3(b))。样品B30-8为茅三段亮晶生屑灰岩，可见有孔虫等生物化石，方解石体积分数高(见图3(c))。样品Y12-14为茅三段亮晶生屑灰岩，可见较明显的白云石化，有机质体积分数高，生屑体腔边缘与晶间孔可见有机质充填(见图3(d))。

2.1 岩相学分析

铸体薄片观察在中国石油勘探开发研究院完成，分析仪器为OLYMPUS公司BX51偏光显微镜，岩石鉴定及观察根据SY/T 5368—2000《岩石薄片鉴定》完成。扫描电镜分析测试在中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室完成，分析测试仪器为FEI Quanta 450 FEG场发射环境扫描电镜，测试过程根据GB/T 18295-2001《油气储层砂岩样品扫描电子显微镜分析方法》完成[18]。

2.2 储集性能评价

FIB—SEM三维表征是多尺度数字岩心技术分辨率方法之一，广泛应用于泥页岩、碳酸盐岩、致密砂岩等细粒沉积岩的粒间填充物三维表征[19]。FIB—SEM三维表征测试在中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室完成。将切割、机械磨平后的碳酸盐岩样品进行氩离子抛光，在样品表面喷涂金层，增加样品的导电性。氩离子抛光利用Leica EM RES 102型仪器完成，FIB—SEM的切割与成像测试利用FEI Helios 650型聚集离子束扫描电镜完成。FIB—SEM三维表征：首先，利用镓离子束对样品连续切割，根据电子束成像得到二维切片，在微米级分辨率下，观察与分析碳酸盐岩孔隙显微形貌，真实还原纳米级别孔隙的三维结构特征[20]；然后，将FIB—SEM二维切片导入Avizo®软件进行三维重构；最终，获得样品的孔隙、有机质、微裂缝和不同物相的三维结构特征，以及孔径分布、孔隙连通性等参数，为储集性能评价提供依据。

图3 川南地区茅二—茅三段碳酸盐岩样品镜下照片Fig.3 Microscopic photos of experimental samples of carbonate from Mao 2 to Mao 3 Members in Southern Sichuan Basin

3 储层孔隙结构重建

3.1 孔径分布特征

孔隙结构和孔隙体积是评价储层储集物性的重要参数，碳酸盐岩储层孔喉分布跨度较大，存在纳米尺度到微米尺度的孔隙。利用Avizo®软件对4个碳酸盐岩样品的二维切片进行三维重构，提取孔径分布数据。4个碳酸盐岩样品提取的孔隙数量差别较大，其中白云质灰岩样品B20-66提取识别孔隙17.157×103个，泥晶生屑灰岩样品B35-45提取识别孔隙50.803×103个，亮晶生屑灰岩样品B30-8提取识别孔隙551个，亮晶生屑灰岩样品Y12-14提取识别孔隙8.136×103个。白云质灰岩和泥晶生屑灰岩的孔隙数量明显高于亮晶生屑灰岩的。

白云质灰岩样品B20-66孔隙分布范围较广，以大孔—介孔为主，介孔数占总孔隙数的57.5%，大孔数占42.5%，主要孔径分布在30.53～63.50 nm之间，孔径中位数为44.03 nm，平均孔径为55.66 nm，分形维数(D)为1.322 2(见图4(a、e))；泥晶生屑灰岩样品B35-45孔隙在4个样品中相对最小，以大孔—介孔为主，介孔数占总孔隙数的80.0%，大孔数占20.0%，孔径最为集中，主要分布在24.23～44.03 nm之间，孔径中位数为30.53 nm，平均孔径为41.28 nm，分形维数为1.146 0(见图4(b、e))；亮晶生屑灰岩样品B30-8孔隙数最少，大孔数占总孔隙数的69.9%，介孔数占30.1%，孔径分布范围较大，主要孔径分布在44.03～95.39 nm之间，孔径中位数为63.51 nm，平均孔径为94.03 nm，分形维数在4个样品中最高，为1.595 2(见图4(c、e))；亮晶生屑灰岩样品Y12-14介孔数占总孔隙数的69.6%，大孔数占30.4%，孔径主要分布在24.23～55.47 nm之间，孔径中位数为34.95 nm，平均孔径为50.14 nm，分形维数为1.283 4(见图4(d、e))。

图4 川南地区茅口组碳酸盐岩样品孔径分布

4个碳酸盐岩样品孔隙以大孔—介孔为主，泥晶生屑灰岩样品B35-45孔隙最多，孔隙分布范围最集中，平均孔径最小；亮晶生屑灰岩样品B30-8大孔占比最高，平均孔径最大。根据分形维数信息，亮晶生屑灰岩样品B30-8孔隙结构的复杂程度最高；泥晶生屑灰岩样品B35-45孔隙结构均质性最高，分形维数最低。

3.2 孔隙形态及类型

茅口组碳酸盐岩孔隙类型多样，基于SEM图像(见图5)，碳酸盐岩发育粒间孔、粒内孔、晶间孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝。

图5 川南地区茅口组碳酸盐岩样品背散射图像Fig.5 Backscatter image of carbonate samples from Maokou Formation in Southern Sichuan Basin

3.2.1 粒间孔

粒间孔是沉积时各颗粒之间支撑作用形成的粒间孔隙。粒间孔是研究区的主要孔隙类型(见图5(a-b))。黏土颗粒粒间孔隙多呈长轴状，孔径以中孔为主；黏土矿物与矿物颗粒间孔隙结构复杂、孔径变化大；白云石、方解石和石英等矿物颗粒粒间孔隙形态多样，孔径相对较大。

3.2.2 粒内孔

粒内孔指石英、长石、碳酸盐等易溶矿物，经过酸性流体的溶蚀作用而在颗粒内及颗粒表面产生的溶蚀孔隙[21]。粒内孔多呈椭圆状或不规则形状，平均孔径小，粒径在5 nm～10 μm之间(见图5(a-b))。粒内孔成因有原生与次生两种[22]，样品中大部分粒内孔是在生烃过程中产生的有机酸对不稳定矿物的溶蚀作用而形成的。

3.2.3 晶间孔

晶间孔指组成碳酸盐岩中的矿物晶体(如黄铁矿、白云石、方解石、自生微晶石英和伊利石等)之间的孔隙[23]。白云质灰岩样品B20-66可见无定形白云石矿物晶间孔和窄缝状黏土矿物晶间孔，部分孔隙被有机质充填(见图5(c-e))。泥晶生屑灰岩样品B35-45可见黄铁矿晶间孔隙。

3.2.4 有机质孔

有机质孔是有机质热演化阶段形成的孔隙，实验样品中有机质孔形态不规则，常与黄铁矿伴生(可见霉菌状黄铁矿和草莓状黄铁矿)(见图5(a、e-f))。黄铁矿形成于还原环境，有机质及周边沉积物含有较多铁质，铁质在还原环境下结晶聚集而形成黄铁矿。黄铁矿常与有机质质量分数呈正相关关系，且黄铁矿和有机质之间易发育有机质边缘缝。

3.2.5 溶蚀孔

溶蚀孔指沉积过程及成岩作用后经过溶解作用而形成的孔隙[24]。茅口组碳酸盐岩样品溶蚀孔隙发育，主要为晶间溶孔和晶间溶蚀扩大孔(见图5(g-h))。晶间溶蚀扩大孔是白云石或方解石晶粒间孔隙经过溶蚀扩大而形成的，溶蚀孔多被沥青充填，部分被方解石充填。

3.2.6 微裂缝

微裂缝发育类型与骨架颗粒特征、成岩作用的关系密切[25]。微裂缝广泛存在于茅口组碳酸盐岩，改善储层微观储集性能。构造微裂缝(见图5(a、i))切穿白云石、方解石及石英等，构造缝多为未被完全充填的有效缝。

白云质灰岩样品B20-66孔隙类型以晶间孔和粒间孔为主，连通性最好，粒内孔和有机质边缘孔数较少；亮晶生屑灰岩样品B30-8主要孔隙类型为微裂缝和溶蚀孔，孔径相对较大，但孔隙数相对较少；亮晶生屑灰岩样品Y12-14有机质孔丰富，可见溶蚀孔和微裂缝，粒间孔体积分数相对较少；泥晶生屑灰岩样品B35-45孔隙最发育，粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔和微裂缝体积分数较高，但有机质孔的体积分数较少。

3.3 孔隙三维重构

利用FIB—SEM三维成像技术和Avizo®软件，对茅口组4个碳酸盐岩样品进行孔隙三维表征和重构提取，统计与计算孔隙体积和孔径，获得每个碳酸盐岩样品孔隙分形维数，结合样品的岩性特征，划分优质孔隙类型(见图6)。

白云质灰岩样品B20-66孔隙度为2.81%(见图6(a))。根据三维孔隙与分布特征，主要孔隙类型为白云石晶间孔和晶间溶蚀孔。晶间孔常随晶粒粒径的增大而变大，局部被灰泥充填。晶间溶蚀孔是晶间孔后期溶蚀扩大而形成的。晶间溶蚀孔可以增加有效孔隙度，提升储集性能。除晶间孔和晶间溶蚀扩大孔外，粒内孔在样品中有分布，对储层孔隙度的贡献有限。

图6 川南地区茅口组碳酸盐岩样品FIB—SEM图像及分类Fig.6 FIB-SEM image and classification of carbonate from Maokou Formation in Southern Sichuan Basin

泥晶生屑灰岩样品B35-45孔隙度为4.46%，孔隙分布集中，平均孔径小(见图6(b))。泥晶生屑灰岩的孔隙类型以粒间孔和粒内孔为主，孔隙体积相对平均，孔隙连通性好，可见少量有机质孔和晶间孔。相比于白云质灰岩，泥晶生屑灰岩孔隙度更高、连通性更好，有利于油气储存和运移。

亮晶生屑灰岩样品B30-8孔隙度为0.65%(见图6(c))；亮晶生屑灰岩样品Y12-14孔隙度为0.80%(见图6(d))。亮晶生屑灰岩的孔隙度是碳酸盐岩样品中最低的，主要孔隙类型为微裂缝、有机质孔和溶蚀孔。相比于白云质灰岩和泥晶生屑灰岩，亮晶生屑灰岩样品大孔占比较高，平均孔径较大，孔隙结构的复杂程度较高，孔隙数相对较少，孔隙连通性差，粒间孔体积分数相对较少。

4 建设性成岩作用

碳酸盐岩的成岩作用包括造成储层原生孔隙大量缩减、消失和致密化的压实—压溶、胶结和交代等破坏性成岩作用，以及在储层中新生成大量次生孔隙的埋藏(或热液)白云石化、溶蚀和破裂等建设性成岩作用[26-28]。成岩作用是决定碳酸盐岩有效孔隙最为关键的因素。四川盆地东南部地区古生界和二叠系海相碳酸盐岩经历复杂的成岩改造过程，其中在白云石化和溶蚀作用等关键建设性成岩作用影响下，形成的次生孔隙为油气储存和运移提供主要的空间和通道。

4.1 白云石化作用

白云岩和白云质灰岩是川南地区中二叠统茅口组茅二—茅三段的重要储层，白云石化作用在茅口组地层局部可见，主要孔隙类型为晶间孔和晶间溶蚀孔。镶嵌接触的自形—半自形粉晶白云石充填于溶蚀孔隙，晶间孔受较强烈的溶蚀改造而形成孔径较大的晶间溶蚀孔，沥青等有机质常充填于晶间孔。

茅口组经历复杂的成岩演化过程，任梦怡等[29]利用稀土元素、碳氧同位素及流体包裹体分析，提出茅口组经历“准同生—早成岩期混合水胶结→表生期大气淡水溶蚀→中—晚成岩期地层水胶结、交代与酸性流体溶蚀”的成岩演化过程，白云岩的形成为混合水白云石化作用和埋藏热液白云石化叠加作用的结果。早成岩期灰岩受大气淡水和富镁海水混合的影响而发生白云石化，形成大量晶间孔。随后富含CO2的大气淡水淋滤使碳酸盐岩发生选择性溶蚀，形成粒内溶孔，后期多被有机质填充。栖霞—茅口组白云岩(或白云石斑块)是构造热液蚀变作用产物[30]。早三叠世峨眉玄武岩喷发引起的异常热事件使志留系烃源岩成熟，原油沿断裂向上充注至茅口组，使茅口组发生短暂白云石化作用。酸性烃类流体与白云石化作用抑制地层水胶结作用，对茅口组储层起到建设性作用[31]。受白云石化作用热事件持续时间短的影响，形成部分稳定性较差的鞍形白云石。因此，茅口组白云石化作用为早成岩期的混合水白云石化作用，以及中成岩阶段川南地区埋藏热液白云石化作用的综合产物。

4.2 溶蚀作用

溶蚀作用是川南地区中二叠统茅口组碳酸盐岩最普遍的成岩作用，是形成优质储层的关键因素。根据溶蚀作用发生阶段和作用对象，茅口组溶蚀作用划分为3个阶段，分别为准同生—早成岩期大气淡水—海水混合、表生期大气淡水及中—晚成岩期埋藏溶蚀作用。

准同生—早成岩期碳酸盐岩受富含CO2的大气淡水的淋滤和海水混合作用影响，发生选择性溶蚀。在茅口组表现为茅二段颗粒灰岩粒内溶蚀孔隙的大量发育，粒内孔隙后期被有机质(沥青等)充填。表生期受东吴运动期抬升暴露剥蚀下的大气淡水溶蚀作用影响，中二叠统顶部古风化壳广泛发育溶蚀孔洞或溶蚀缝孔洞[32-33]。中—晚成岩期埋藏溶蚀作用是对储层贡献最大的建设性成岩作用。碳酸盐岩成岩作用晚期，有机质热成熟过程形成的酸性流体作用于方解石和白云石等碳酸盐矿物，产生大量的溶蚀孔。埋藏溶蚀作用沿裂缝和原生孔隙发生溶蚀，产生的孔隙类型多样。川南地区茅口组表现为白云质灰岩被溶蚀而形成晶间溶蚀孔和粒间溶蚀孔，亮晶颗粒灰岩方解石被溶蚀而形成溶蚀孔，泥晶灰岩和泥晶生屑灰岩被溶蚀而形成粒内孔和粒间孔等。

茅口组白云石化和溶蚀作用是影响储层发育最关键的因素。早成岩期，在大气淡水淋滤与原生海水的混合作用下，碳酸盐岩发生白云石化，形成大量晶间孔和晶间扩大孔，受选择性溶蚀作用影响，碳酸盐岩颗粒形成粒内溶孔和铸模孔。表生期，受地层抬升暴露剥蚀溶蚀作用影响，茅口组发育大量溶蚀孔洞或溶蚀缝孔洞。中—晚成岩期，早三叠世峨眉玄武岩喷发引起异常热事件，导致茅口组发生短暂的白云石化作用，相比于埋藏溶蚀作用对提高储层孔渗能力程度有限。有机质热成熟过程产生有机酸及CO2形成的酸性水对碳酸盐岩产生非选择性溶蚀，形成大量粒内孔、粒间孔、晶间孔等，是提高储层储集物性重要的成岩阶段。

5 储集空间特征

5.1 储集空间组合

川南地区茅口组碳酸盐岩储集空间类型多样，根据孔隙的形态、连通性及孔隙结构等条件，将茅口组储集空间分为两类：一类储集空间包括粒间孔、晶间溶蚀孔和微裂缝；二类储集空间包括粒内孔、晶间孔、有机质孔和生物体腔溶孔等。

一类储集空间是茅口组最重要的孔隙类型组合，是构成良好储集体最基础的条件。茅口组粒间孔是生物碎屑、藻球粒或内碎屑颗粒被溶蚀而形成的次生孔隙[32]，孔隙数多、有效孔隙度大，主要受大气淡水淋滤和酸性流体的控制，是较好的储集空间。晶间溶蚀孔多为亮晶方解石或白云石晶间孔受溶蚀作用而扩大形成的，增加有效孔隙度，提高孔隙连通性。微裂缝是除粒间溶孔和晶间溶蚀扩大孔外不能忽略的储层空间类型，可以有效改善储层的渗透能力，使孤立的溶蚀孔洞连通。微裂缝常被方解石、白云石或沥青充填，是提高储层渗透性的重要储集空间。

二类储集空间是茅口组次要的孔隙类型。粒内孔分布相对独立，孔隙连通性较差；晶间孔常被灰泥和黏土矿物等充填，造成总孔隙度降低；有机质孔虽然在茅口组广泛发育，但无法形成规模性孔隙。因此，二类储集空间对于储集性能改善的作用有限，是次要的储集空间类型。

5.2 有利储层类型

根据不同类型孔隙在茅口组碳酸盐岩的分布，明确有利储层类型。泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩和白云质灰岩是川南地区茅口组主要的碳酸盐岩。其中，泥晶生屑灰岩(样品B35-45)主要孔隙类型为粒间孔和粒内孔，可见少量晶间孔和有机质孔。泥晶生屑灰岩孔隙之间连通性好，孔隙孔径相对集中，分形维数低，孔渗条件最好，以泥晶生屑灰岩为主的储集相带可以成为优质孔隙—孔洞型储层。白云质灰岩(样品B20-66)的晶间孔和晶间溶孔受白云石化和溶蚀作用的影响，孔隙分布具有明显的分区分带性，晶间溶蚀孔储集性能明显增强。亮晶生屑灰岩(样品B30-8和Y12-14)的孔隙类型多样，孔隙结构复杂，孔隙分形维数最大。亮晶生屑灰岩孔隙数和孔隙连通性相对较差，难以形成优质的孔隙—孔洞型储层，在孔隙与裂缝连通条件下形成裂缝—孔隙型储层。