川中地区寒武系洗象池组白云岩储层成岩作用及孔隙演化

李璐萍，梁金同，2，刘四兵，3，郭艳波，李堃宇，和 源，金九翔

（1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；3.成都理工大学能源学院，成都 610059；4.中国石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400021；5.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610041；6.中国石油大港油田分公司对外技术服务公司，天津 300280）

0 引言

近年来，随着四川盆地川中古隆起区震旦系—寒武系的勘探与研究，洗象池（群）组白云岩逐渐成为盆地内油气资源勘探的潜在层系［1-2］。目前，川中地区钻遇洗象池（群）组的探井共计70 余口，多口井在该层系的测试均获得了工业气流，表明洗象池（群）组具有一定的勘探潜力。由于地层的划分与命名方案存在差异，四川盆地寒武系第三统中上部—芙蓉统地层曾被不同学者命名为洗象池群［1-3］、洗象池组［4-6］和娄山关群［7-8］等，并采用三分法［9］、四分法［10-11］以及五分法［12］对其内部地层进行细分。为避免歧义，本文采用川西—川中小区地层的划分与命名方案，将川中地区该套地层命名为洗象池组。众多学者已针对洗象池组层序地层、岩相古地理、成岩作用和储层特征及其主控因素等方面进行了大量研究，认为四川盆地洗象池期主要发育碳酸盐岩局限台地相［3，13-14］，台内滩亚相为有利储集相带，其发育受海平面变化与古隆起影响［4，15-17］；洗象池组储层纵向上发育于地层旋回上部［5］，储集岩性以颗粒白云岩为主，储集空间以溶蚀孔洞为主，总体具有“低孔低渗”、孔渗相关性差等特征［4，6］；在储层发育主控因素方面，现有研究认为储层发育主要受沉积相发育［6，18］和溶蚀作用控制［19-23］。然而，洗象池组白云岩成岩作用多样、储层成因复杂，尤其是白云化作用和破裂作用对优质储层的形成具有重要意义。

针对四川盆地洗象池组白云岩成岩作用与演化序列的研究仍有诸多不足。因此，有必要针对储层孔隙演化开展深入研究，为洗象池组优质储层的形成机理提供依据。本文旨在通过对川中地区及邻区典型钻井岩心与薄片观察，结合物性特征分析，明确该区储层成岩作用特征与成岩演化，进一步探讨成岩作用对储层孔隙演化的影响。

1 地质概况

四川盆地是扬子准地台的一个次级构造单元，可进一步划分为6 个构造分区（图1a），研究区位于四川盆地中部，属于川中古隆起平缓构造区，位于乐山—龙女寺古隆起东南部。受乐山—龙女寺同沉积古隆起的影响［24］，川中地区洗象池组地层普遍遭受剥蚀，顶部洗三段缺失，与上覆奥陶系呈不整合接触，地层厚度介于0～400 m，表现为由北西向东南增厚的趋势；结合岩性和电性特征，川中地区洗象池组地层可细分为洗一1 段、洗一2 段、洗二1段和洗二2 段（图1b）。洗象池组沉积期，四川盆地基本继承了龙王庙期和高台期的古地理格局，总体具有西陆东海的沉积背景［25］，为镶边台地沉积，自西向东依次发育混积潮坪、云坪、台地、台地边缘和斜坡—盆地［5］，其中川中地区洗象池组为局限台地沉积，可划分为台坪和颗粒滩等亚相［17，26］。洗象池期，四川盆地处于一个海侵—海退旋回背景下，在合川—广安与南川—石柱一带古地貌高部位颗粒滩发育［5］，与龙王庙期同为四川盆地寒武纪台地滩相储集体发育的关键时期［3，27］。洗象池组白云岩先后经历了包括郁南运动、都匀运动和广西运动等多期构造抬升运动［28-29］，为岩溶储层和构造裂缝的发育创造了条件。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

川中地区寒武系洗象池组岩性以中—厚层白云岩为主，西侧受古陆碎屑输入影响［5，30］，局部含少量陆源粉砂或砂（图2a）。洗象池组白云岩类型多样，结合显微薄片观察，具体可识别出颗粒白云岩（图2b，2c）、残余颗粒白云岩（图2d）和晶粒白云岩（图2e—2 h）等3 种主要的白云岩类，以及裂缝和溶蚀孔（洞）中充填的少量鞍状白云石（图2i）。洗象池组储层主要发育在（残余）颗粒白云岩和晶粒白云岩中。

颗粒白云岩是研究区洗象池组主要的储集岩性之一，常以薄层状产出。颗粒以泥晶白云石为主，主要包括砂屑（图2b）和少量鲕粒（图2c）以及粉屑等，颗粒间局部见世代胶结现象。区内亦可见原始组构保存不完整的残余颗粒白云岩，具残余颗粒结构（图2d），根据胶结物的分布尚可辨别残余颗粒的轮廓，一定程度上保留了其原始的微晶结构，属于准同生白云石化的产物。

晶粒白云岩是洗象池组又一重要的储集岩性，多以厚层—块状产出，可进一步细分为泥晶—细粉晶白云岩和粗粉—细晶白云岩。具体而言，前者中的白云石（图2e，2f）晶体细小、自形程度差，常呈镶嵌接触，偶见黄铁矿纹层；后者中的白云石晶体较粗、自形程度较好，结构较致密，晶面通常较脏，可见雾心亮边结构（图2g）与颗粒幻影或残余颗粒结构（图2h）。

2.2 储集空间类型

铸体薄片与扫描电镜观察结果显示，区内洗象池组白云岩储集空间类型以溶蚀孔（洞）（图3a—3d）为主，同时发育（残余）粒间孔（图3e）、（残余）晶间孔（图3f）和微裂缝（图3g—3i）。

溶蚀孔（洞）包括粒间溶孔、晶间溶孔和溶洞等，以表生期和成岩晚期非组构选择性溶蚀为主，在岩心及剖面中常顺层分布。粒间溶孔主要发育在砂屑白云岩、鲕粒白云岩与残余颗粒白云岩中（图3a）；晶间溶孔是晶体经酸性流体溶蚀改造所形成的，形状通常不规则，主要发育在粗粉—细晶白云岩中（图3b，3c）；溶洞主要由（残余）颗粒白云岩中的粒间溶孔进一步扩大或晶粒白云岩沿裂缝发生溶蚀形成，洞径一般大于2.00 mm，野外剖面中常受大气淡水淋滤改造，呈蜂窝状［6，31］（图3d）。

粒间孔和晶间孔也是区内重要的储集空间类型。粒间孔主要发育在（残余）颗粒白云岩中，孔隙多呈不规则多边形，在岩心和露头中常呈针孔状，孔隙直径一般小于0.12 mm，局部见沥青充填（图3e）。晶间孔为白云石晶体之间的孔隙，主要出现在自形程度相对较好的粗粉—细晶白云岩中（图3b，3f），孔隙直径一般为0.001～0.200 mm，孔隙形态常呈多面体状。

微裂缝主要包括构造缝、溶缝和缝合线。构造缝的形成与成岩过程与多期构造活动有关，缝宽一般小于0.01 mm（图3g），可能被白云石或方解石（半）充填形成细脉，或被后期流体进一步溶蚀，形成溶缝（图3h）。缝合线的发育与中—深埋藏条件下强烈的压溶作用有关，可作为烃类运移的通道（图3i）。微裂缝的储集性能有限，但对改善渗流条件具有重要意义［32］。

2.3 物性特征

川中地区寒武系洗象池组白云岩孔隙度普遍小于10.0%，绝大多数样品孔隙度低于2.0%，本文参考以往的储层划分标准［5，20-21］，将2.0%作为储层孔隙度的下限。分析结果（图4）表明，洗象池组白云岩储层孔隙度为2.0%～10.2%，平均孔隙度为3.9%，渗透率为5.60×10-5～28.10 mD，平均渗透率为0.64 mD，总体反映了低—特低孔渗的储层特征。尽管如此，部分样品仍具较好的孔渗物性，以GT2井洗二1 段储层为例，其平均孔隙度为4.5%，且孔隙度大于6.0%的样品占比超过20%，说明在整体致密的背景下仍可发育一定的优质储层。

对于储层孔-渗相关性而言，川中地区寒武系洗象池组储层部分样品的渗透率虽然随孔隙度的增加而增强，但二者整体相关性并不明显，说明孔隙对渗透率的影响有限。由此可以推测，微裂缝对改善洗象池组白云岩储层渗透率具有重要意义，即该区主要发育裂缝-孔隙型储层，孔隙型储层次之。

3 储层成岩作用

川中地区洗象池组白云岩经历了多期次、多类型的成岩作用改造，主要包括白云化作用、溶蚀作用、胶结充填作用、压实压溶作用、重结晶作用以及构造破裂作用，其中溶蚀作用和白云化作用是优质储层形成的关键。

3.1 白云化作用

基于上述岩石学特征和薄片观察，该区洗象池组白云化作用按形成环境不同可划分为准同生白云化作用、混合水白云化作用和埋藏白云化作用。准同生白云化作用包括蒸发泵白云化和回流渗透白云化作用，前者形成的泥晶—细粉晶白云岩晶粒细小且自形程度差，发育水平纹层（图5a）；后者形成的粉晶白云岩或亮晶粒屑白云岩常具残余颗粒结构，白云石晶体多为细粉晶—粗粉晶。根据暗红色、弱阴极发光特征，这2 种白云岩可能形成于近地表—浅埋藏的成岩环境（图5b，5c）。（残余）颗粒白云岩中亦可见纤状和粒状世代胶结现象，说明其成因也可能与浅滩暴露期间的混合水白云化作用有关。埋藏环境下的持续白云化作用叠加重结晶作用，使得白云石具雾心亮边结构和环带阴极发光特征（图5d）。相较于准同生白云化形成的致密、低孔渗的白云岩而言，早期形成的颗粒白云岩孔隙度较大，后期叠加埋藏白云化作用形成的粗粉—细晶白云岩内孔隙较为发育，是重要的油气储集空间。

3.2 溶蚀作用

全球绝大多数的碳酸盐岩都是在地表或近地表受到大气淡水溶蚀作用的改造而成为良好的储层［33］。对于研究区洗象池组储层而言，溶蚀作用一定程度上可通过形成次生孔隙而改善储层物性，是区内最重要的建设性成岩作用。根据溶蚀作用发生阶段和环境的不同，该区白云岩储层的溶蚀作用分为准3 期。

第Ⅰ期为准同生期大气淡水溶蚀作用，形成于大气淡水参与的相对开放环境，常具有组构选择性；其发育分布与频繁的短期海平面升降有关，其分布通常受控于短期层序界面［34］。这些溶蚀孔隙一般很快被方解石或白云石充填，如被充填的鸟眼孔（图5e）等，未能形成有效储集空间。

第Ⅱ期为表生溶蚀作用，与加里东期构造抬升所致的地层剥蚀密切相关，是区内岩溶储层形成的主要时期［20］。洗象池组表生溶蚀（岩溶）和氧化作用强烈，形成粒间溶孔、晶间溶孔、溶缝和顺层溶蚀孔（洞）（图5f），局部见古岩溶角砾（图5g），以及泥质或细碎屑物质充填的古风化缝。

第Ⅲ期为埋藏溶蚀作用，是指由中—深埋藏条件下地层压释酸性流体或有机酸溶蚀改造所形成的非选择性溶孔，是对现有孔隙的扩容改造。洗象池组埋藏溶蚀孔隙以晶间溶孔、粒间溶孔和溶缝等为主，有机酸参与的埋藏溶蚀作用亦可见残余沥青［35］（图5h），形成了研究区内又一重要的有效储集空间类型。

3.3 胶结充填作用

胶结充填作用是降低研究区洗象池组储层物性的主要因素之一，根据成岩环境和阶段可分3期，即以纤状胶结物为代表的第I期海底胶结作用、以粒状胶结物为代表的第Ⅱ期大气淡水—浅埋藏胶结作用和被（鞍状）白云石、方解石及石英等充填的第Ⅲ期埋藏胶结作用。

3.4 压实压溶作用

压实压溶作用主要发生在埋藏成岩环境中，以缝合线的出现为典型特征，在剖面露头中常顺层分布。缝合线虽使地层减缩，为方解石胶结作用提供物质来源［7］，但经后期溶蚀或构造作用可成为油气运移通道和储集空间，对于洗象池组储层物性的影响具两重性。

3.5 构造破裂作用

构造破裂作用是该区又一主要的建设性成岩作用，洗象池组白云岩中构造缝普遍发育，局部出现构造角砾白云岩（图5i），二者均为构造破裂作用的产物。当破裂作用与大规模岩溶作用同时发生时可形成有效缝，进一步溶蚀后可形成溶缝，有效改善洗象池组储层物性。

4 成岩序列与孔隙演化

洗象池组白云岩储层的孔隙演化与成岩演化密切相关，根据川中地区寒武系洗象池组白云岩储层成岩作用特征，总结出该区洗象池组颗粒白云岩（图6a—6f）与晶粒白云岩（图6g—6o）成岩演化经历了海水、大气淡水和埋藏成岩作用，成岩阶段可划分为同生—准同生阶段、早成岩阶段、表生成岩阶段和晚成岩阶段4 个阶段。

4.1 同生—准同生阶段

在早期浅海和地表渗流环境下，区内洗象池组碳酸盐岩主要发生早期胶结作用、准同生白云化作用及大气淡水溶蚀作用，部分溶蚀孔隙很快由于充填作用而消失。研究表明，碳酸盐岩原生孔隙度可达40%～70%［38］，而同生—准同生阶段胶结或充填作用可引发减孔效应，虽然膏模孔和膏溶孔一定程度上可改善储层物性，但依据薄片中颗粒的接触关系可以估算，该阶段洗象池组储层孔隙度仍明显减少至不足15%。

4.2 早成岩阶段

随着埋深增加、温度升高，洗象池组白云岩和孔隙水由开放进入半封闭—封闭的浅—中埋藏环境，早期形成的白云岩发生重结晶作用，部分形成结构较自形的粗粉—细晶白云岩，而大部分过度重结晶形成以半自形—他形结构为主的粗粉—细晶白云岩。该阶段成岩作用主要包括压实作用、重结晶作用、胶结充填作用与构造破裂作用，研究区洗象池组白云岩储层孔隙度进一步降低至8%～10%。

4.3 表生成岩阶段

加里东末期，乐山—龙女寺古隆起区域整体发生抬升，成岩环境相对开放。受到大气淡水与地下水的共同作用，发生表生岩溶，洗象池组地层上部形成大量溶孔（洞）。同时，强烈的构造抬升使得大量构造裂缝发育，有利于后期流体运移而提高储层渗透性。整体而言，该阶段研究区洗象池组储层孔隙度以增加为主，依据后期充填物含量可以估算，孔隙度为10%～12%。

4.4 晚成岩阶段

处于中—深埋藏阶段的洗象池组白云岩已基本脱离氧化环境，随着埋深、温度、压力的升高，逐渐出现压溶减孔现象。在中—深埋藏条件下，虽然地层酸性流体（如CO2、有机酸等）可通过形成溶孔和溶缝而改善储层物性，但深部流体上移过程中会沉淀出方解石、（鞍状）白云石和石英等热液矿物而充填溶蚀孔隙（洞），使得薄片观察到的孔隙度仅为3%～5%。

5 结论

（1）川中地区寒武系洗象池组有利储集岩性以（残余）颗粒白云岩和粗粉—细晶白云岩为主；储集空间以溶蚀孔洞为主，包括粒间溶孔、晶间溶孔以及溶洞等，主要发育裂缝-孔隙型储层。

（2）川中地区寒武系洗象池组碳酸盐岩成岩演化经历了海水、大气淡水和埋藏成岩作用，成岩阶段可划分为同生—准同生阶段、早成岩阶段、表生成岩阶段和晚成岩阶段4 个阶段。白云化作用和溶蚀作用是形成该区洗象池组优质储层的关键因素，其中表生溶蚀（岩溶）和埋藏溶蚀作用对孔隙演化起决定性建设作用；胶结充填作用破坏了洗象池组储层的大量原生孔隙和次生孔隙，降低了储层物性。