四川盆地中江-蓬莱地区灯二段储层特征及优 质 储 层 成 因 机 制

张玺华, 李 勇, 张本健, 蒋 航, 彭瀚霖, 马 奎, 徐少立, 张 新

(中国石油西南油气田公司 勘探开发研究院,成都 610041)

震旦系灯影组是四川盆地时代最老,分布广泛的碳酸盐岩层系,也是油气勘探的重要层位。自20世纪60年代在古隆起高部位发现威远气田以来,之后的40年未取得重大勘探突破[1-2]。2011年,风险探井GS1井在灯影组获得102.15×104m3/d的高产工业气流,随后发现了安岳特大型气田,掀起了四川盆地震旦系-寒武系油气勘探的高潮[3-4]。与此同时,绵阳-长宁拉张槽的发现和理论提出[3],将四川盆地下组合的研究和勘探推向新的阶段,促进了勘探思路由早期沿古隆起轴部高部位向沿拉张槽两侧转变。高石梯-磨溪构造以北至旺苍地区之间区域为一向北倾覆的单斜构造,称为北斜坡(太和气区)。北斜坡大面积的台缘丘滩体为灯二段岩性圈闭的形成提供了良好的物质基础,预测其台缘带有利丘滩体面积可达10 144 km2[5-8]。近期,在北斜坡中江-蓬莱地区部署风险探井PT1井和ZJ2井,灯二段测试获产天然气分别为121.98×104m3/d和3.36×104m3/d,取得重大勘探突破,表明了北斜坡灯二段也具有良好的勘探潜力[5-7]。但目前对该区灯二段的沉积特征、储层特征以及储层主控因素仍不明确,这些问题严重阻碍了该地区灯二段的进一步勘探部署。因此,笔者主要从太和气区重要钻井岩心资料入手,对中江-蓬莱地区灯影组二段沉积特征和储层特征进行分析,探讨灯二段优质储层主控因素,以更好支撑该地区灯影组油气勘探。

1 区域地质背景

四川盆地是在元古代晋宁运动固结的扬子克拉通基础上形成的叠合盆地[9-10]。前寒武纪末期受罗迪尼亚超大陆裂解活动影响,扬子板块由边缘至内部整体处于拉张构造背景,使得埃迪卡拉纪末期川中地区发育近南北向裂陷槽[3,11-12]。与此同时,扬子板块发生幕式地壳上升运动,使得灯影组内部和顶部发育两个明显的区域性不整合[9]。研究区位于川中高石梯-磨溪地区北侧的中江-蓬莱地区(图1)[7-8];区域构造上,位于川中古隆起高部位向北倾覆的单斜构造----北斜坡,构造变形相对较弱[13-14]。研究区灯影组主要岩性为砂屑白云岩/藻白云岩/泥晶白云岩,根据岩性差异,自下而上可以划分为四段。其中灯一段以泥晶白云岩为主,夹藻白云岩;灯二段主要岩性为各种藻白云岩以及颗粒白云岩;灯三段主要发育碎屑岩沉积,岩性包含粉砂岩/泥岩以及砂质白云岩;灯四段主要岩性为泥粉晶白云岩/纹层状白云岩,硅化现象明显(图1)。由于拉张槽两翼向南侵蚀加重[12],太和气区灯影组常常剥蚀至灯二段,灯三和灯四段仅在研究区东侧局部地区保留有残留地层(图1)。

图1 研究区位置及灯影组地层格架[7]Fig.1 Location of study area and stratigraphic framework of Dengying Formation

2 储层特征

2.1 岩石学特征

中江-蓬莱地区灯二段储层岩石类型主要包括藻白云岩、颗粒白云岩。藻白云岩中常见藻纹层/叠层白云岩、泡沫绵层白云岩、凝块石白云岩和葡萄花边白云岩;颗粒白云岩中常见粉屑白云岩、砂屑/砾屑白云岩以及核形石白云岩。

藻纹层白云岩/叠层白云岩以纹层叠层组构为主,一般呈亮暗相间结构,暗层是微生物菌落矿化后呈层状排列,其有机质含量较高,称为富藻层;亮层是微生物菌落通过障积、捕获或诱导碳酸盐矿物沉淀形成的晶粒,其有机质含量较低,称为贫藻层(图2-A、B)[15]。泡沫绵层白云岩是泡沫肾形菌矿化后形成,镜下表现为多个泡状体黏结形成,泡状体多呈椭圆、圆形或者不规则形态,泡状体边缘为暗色泥晶结构,内部被粉-细晶白云石充填(图2-C)[16]。凝块石白云岩以凝块组构为主,由附枝菌、肾形菌等球状蓝细菌微生物钙化后形成[17],凝块大小在1～3 cm不等,呈黑色圆形、斑块状或不规则等多种形状,在部分凝块中,还可以见到斑点状(图2-D、E)。葡萄花边白云岩通常由围岩、“葡萄花边”纹层和亮晶胶结物三部分组成[18],常与凝块石、纹层叠层石相伴生(图2-F、G)。粉屑白云岩、砂屑白云岩和砾屑白云岩中的颗粒组分含量通常大于50%,粉屑大小介于0.004～0.1 mm之间,砂屑直径大于或等于0.1 mm,且小于2 mm,砾屑通常大于2 mm(图2-H、I、J)。核形石白云岩中的核形石颗粒直径通常介于1～3 mm,其核心多为凝块,镜下表现为同心圈层结构,以亮暗相间的圈层或暗色泥晶结壳为主,同心圈层宽度多数小于核心部分宽度,局部呈断续状分布(图2-K)。研究区偶见重结晶现象,晶粒大小通常在0.004～0.25 mm,以自形-半自形为主,可保留原始组构及孔隙形貌(图2-L)[19]。

图2 中江-蓬莱地区灯二段储层岩性特征Fig.2 Petrological characteristics of the Zdn2 in Zhongjiang-Penglai area(A)藻纹层白云岩,顺层发育溶蚀孔洞被白云石半充填-充填,PT1;(B)藻纹层/叠层白云岩,顺层发育溶蚀孔洞,PT1;(C)泡沫棉层白云岩,发育粒间孔,PT1;(D)凝块石白云岩,发育凝块间溶孔,PT103; (E)凝块石白云岩, PT103; (F)葡萄花边白云岩,PT102; (G)葡萄花边凝块石白云岩,葡萄花白顺层发育,见溶蚀孔洞,PT1; (H)砾屑白云岩,发育粒间孔,PT101; (I)砂屑白云岩,粒间孔白云石充填, PT1; (J)砾屑白云岩,PT103; (K)核形石白云岩,粒间孔白云石充填, PT101; (L)粉晶白云岩,发育裂缝未充填, PT1;薄片均为单偏光拍摄

2.2 物性特征

通过系统采集PT102、PT101、PT1、ZJ2等钻井储层样品物性测试分析,发现灯二段储层基质孔隙度分布区间为0.07%～4.99%,平均为2.13%,基质渗透率分布区间为0.002～1.98×10-3μm2,平均为0.12×10-3μm2(图3)。基质孔隙度和渗透率分布和四川盆地其他地区的测试数据类似[20],表明太和气区灯二储层段总体为低孔低渗型,具极强的非均值性。部分样品具有相对较好的物性测试结果,指示有利储层发育层段。

2.3 储集空间特征

通过对灯二段岩心和薄片的详细观察,根据形态、大小、成因、及分布位置特征,将储集空间划分为以下几种:粒内孔、粒间孔、藻格架(溶)孔、葡萄花边孔、溶洞(直径≥2 mm)和溶(裂)缝[21-22]。

图3 灯二段储层物性特征分布频率直方图Fig.3 Frequency histogram of reservoir physical properties in the Zdn2(A)太和气区灯二段孔隙度分布频率直方图; (B)太和气区灯二段渗透率分布频率直方图

粒内孔及铸模孔主要发育在亮晶藻砂屑白云岩和砂屑白云岩中,是早期选择性溶蚀藻砂屑或砂屑而形成的孔隙,孔径多在0.5～2 mm之间(图4-A、B)。这类孔隙是灯二段藻砂屑白云岩主要的储集空间。粒间孔是颗粒之间支撑形成原生孔隙,当粒间胶结物不发育或含量极少时,粒间孔隙得以保存,形成残余粒间孔(图4-C、D)。藻格架孔或格架间溶孔是灯二段微生物岩(凝块石和藻纹层/叠层)最常见的孔隙类型。微生物纹层及凝块之间的格架孔常有溶蚀扩大的现象,多被白云石、石英及沥青半充填或完全充填,充填后常常发育残留孔隙(图4-E、F)。葡萄花边孔洞是在葡萄花边构造形成中产生的孔洞和网状缝洞系统,多被亮晶白云石不同程度充填,充填后残余的孔隙为重要储渗空间(图4-G)。

图4 中江-蓬莱地区灯二段储集空间类型Fig.4 Reservoir space type of the Zdn2 in Zhongjiang-Penglai area(A)藻砂屑白云岩,颗粒被溶蚀形成粒内溶孔被亮晶白云石充填,MX148; (B)藻砂屑白云岩,颗粒被溶蚀,粒内溶孔及铸模孔发育,PT1; (C)砾屑白云岩,粒间溶孔白云石半充填,PT101; (D)砂屑白云岩,发育粒间溶孔,PT103; (E)凝块石白云岩,格架孔及溶蚀孔,PT101; (F)凝块石葡萄花边白云岩,格架孔,PT1; (G)凝块石葡萄花边白云岩,葡萄花边残余空隙,PT1; (H)凝块石白云岩,埋藏溶洞,PT101; (I)凝块石白云岩,埋藏溶洞,ZJ2; (J)凝块石葡萄花边白云岩,埋藏溶洞,MX135; (K)凝块石白云岩,裂缝沥青充填埋藏溶蚀孔缝,PT102; (L)凝块石白云岩。高角度溶缝沥青充填,PT1;薄片均为单偏光拍摄

太和气区灯二储层段溶缝(洞)极为发育,对储层的贡献最大。溶洞以毫米级和厘米级中小溶洞为主,其溶洞呈串珠状、蜂窝状或层状分布,也有围绕岩溶角砾分布,其形态有扁圆形、椭圆形、条带状、水滴形、裂隙形及不规则形状(图4-H～J)。部分溶洞进一步溶蚀扩大,相互连接形成网状溶缝,多被白云石、石英、沥青等半充填(图4-K、L)。溶缝洞均是以切穿葡萄花边为特征,表明其形成时间在葡萄花边充填(即准同生岩溶及后续的充填作用)之后(图4-I、J)。根据交切关系,这些岩溶缝(洞)可以归类为早期表生岩溶和晚期埋藏岩溶两种成因(见后文讨论)。由于多期岩溶及充填作用的叠加,有时难以区分这两期岩溶作用形成的缝洞系统。太和气区灯二段构造缝形成的裂缝较少,且多被白云岩、石英等完全充填对储层贡献有限。

2.4 储层分布特征

前已述及,中江-蓬莱地区灯二段储集岩主要为藻纹层/叠层白云岩、泡沫绵层白云岩、凝块石白云岩和葡萄花边白云岩,其主要为丘滩相沉积。通过对中江-蓬莱地区灯二段钻遇井的研究表明:中江-蓬莱地区灯二段储层具有明显的相控特征,储层主要发育于灯二段地层中上部(图5)。通过对PS3-PT1-PT101-GS1-MX8井连井可以看出,剥蚀台缘带地层厚度明显减薄,受表生岩溶作用较强,储层主要发育于槽内残丘,而同处台缘带的PT1井,PT101井未受剥蚀,具有滩体规模大,厚度大的特点,储层主要发育于地层中上部。对比台地内部GS1井与MX8井,储层厚度明显减薄,但仍然发育于地层中上部(图6)。

图5 PT101井灯二段沉积综合柱状图Fig.5 Stratigraphic column of the second member of Dengying Formation in Zhongjiang-Penglai area

3 优质储层成因

3.1 有利相带基础

本次研究通过详细的岩心和薄片观察发现,灯二段储集岩主要有藻白云岩、内碎屑白云岩两大类型。其中,藻白云岩、内碎屑白云岩均为典型的微生物丘滩沉积[23-24]。太和气区位于拉张槽东侧,灯二段沉积期处于台缘高部位,有利于台缘微生物丘滩的广泛发育[ 7-8,12]。台缘微生物丘滩相带的藻白云岩、内碎屑白云岩发育有大量的组构选择性孔隙如:藻格架(溶)孔、粒内孔、粒间孔,反映了原始岩石结构和相带对优质储层的控制作用。相比之下台内微生物丘滩相带位于局限台地内部,水动力较弱,形成的微生物丘滩厚度较薄,规模和建隆较小,原始孔隙度略小于台缘丘滩,因此发育的储层规模略小,物性条件略差[20]。而台坪、泻湖和混积潮坪相带处于低能环境,原始孔隙不发育,几乎不能形成有效的储层[25]。因此,太和气区灯二段优质储层的发育得益于广泛发育的台地边缘微生物丘滩相带。

3.2 准同生岩溶

准同生岩溶是指在沉积物形成不久后,还未完全脱离其沉积环境,被暴露在大气淡水中所发生的岩溶作用。研究区灯二段准同生期的典型标志为葡萄花边白云岩,葡萄花边附存的洞穴系统有复杂的管道系统,港湾状边界,洞穴角砾等现象(图7)。其洞穴系统切穿米级旋回,但达不到表生岩溶上百米的岩溶深度,是沉积后旋回组级别曝露的产物,并且第一期充填物与现今洞穴化学沉积物(石笋,石钟乳,洞穴爆米花)有类似的形态学特征(图7-B),说明葡萄花边白云岩形成时期为准同生期[26]。准同生期形成的孔隙大多被后期的葡萄花边充填,占现今有效孔隙比例较小。但是后期的溶缝(洞)常常与葡萄花边伴生(图4-I、J;图7-D),说明其残留的孔隙空间对后期流体的通过和岩溶作用有重要的贡献。

图7 中江-蓬莱地区灯二段准同生岩溶作用Fig.7 Para-syngenetic karstification in the Zdn2 in Zhongjiang-Penglai area(A)角砾状白云岩,岩溶角砾化及港湾状溶蚀边界,PT1; (B) 葡萄花边白云岩,发育洞穴爆米花,PT1; (C)葡萄花边白云岩充填孔洞,基质见港湾状边界及角砾化,PT102; (D)葡萄花边白云岩充填孔洞,基岩见岩溶角砾化。注意葡萄花边周缘发育溶蚀孔洞,PT103

3.3 表生岩溶

表生岩溶是在海平面相对下降时期,导致可溶性岩层出露于地表的大气水中,形成表生成岩环境[27]。研究区灯二段受桐湾运动Ⅰ幕的影响受到了表生岩溶作用的改造,在灯二段顶部形成风化面[23,7]。通过对研究区典型钻井岩心的观察和岩石薄片鉴定发现,表生岩溶作用以溶孔、溶洞、溶缝,并伴生溶塌角砾岩为特征(图8)。此外溶蚀作用具非组构选择性,常常形成高角度的溶缝、溶沟和溶洞,多被渗流粉砂、海侵沉积物和跨塌角砾全充填(图8)。在现今岩心中,仅有少量表生岩溶孔隙被保留下来。同准同生岩溶孔隙一样,表生岩溶形成的溶洞系统尽管几乎被跨塌角砾、渗流粉砂等充填殆尽,但是这些充填物常常发生进一步的溶蚀现象(图8),也说明其残留的孔隙空间对埋藏期岩溶作用有重要的贡献。

图8 中江-蓬莱地区灯二段表生岩溶及埋藏溶蚀作用Fig.8 Supergene and buried dissolution in the Zdn2 in Zhongjiang-Penglai area(A)凝块石白云岩,发育顺层拉长状溶蚀孔洞,PT102;(B)角砾状白云岩,沥青充填,PT101,单偏光; (C)砂屑粉晶白云岩,表生岩溶角砾及基质发生埋藏岩溶,孔洞发育,PT1,单偏光; (D)角砾状白云岩,表生岩溶形成的垮塌角砾,角砾和基质之上发育埋藏期岩溶孔缝,PT1

3.4 埋藏溶蚀

埋藏溶蚀作用是在埋藏条件下,封闭到半封闭系统中,与有机质的成熟过程、与硫酸盐还原菌(BSR)、硫酸盐热化学还原反应(TSR)有关的酸性流体对碳酸盐岩的溶蚀作用[28]。埋藏期岩溶多延早期的孔洞发生溶蚀作用,形成溶蚀扩大孔、洞和缝,沿构造裂缝形成的裂缝型溶洞等(图4-K、L),未增加储集空间的总孔隙度,但是使孤立的溶孔和溶洞得到了有效的连通,发育大量顺层拉长状溶蚀孔洞(图8-A),并切穿早期孔隙,有效改善了储层渗透性能,增加储层的有效储集空间,在现今保留的孔隙中,薄片上表现出大量沥青充填并阻碍白云石重结晶(图8-B)。此外研究区灯二段颗粒白云岩和晶粒白云岩常常经历表生岩溶形成岩溶角砾后,再进一步在角砾和角砾间充填物上发育溶蚀孔洞,指示埋藏期非组构选择性溶蚀(图6)。这部分溶蚀孔洞极大程度的改善了岩石储集性。这些现象说明埋藏溶蚀对太和气区灯二段优质储层的形成有着最终决定作用。

3.5 储层发育模式

根据原始岩相、沉积环境及多期成岩作用的系统梳理,对太和气区灯二段的优质储层的形成提出了以下模式图(图9)。台地边缘微生物丘滩相带提供了太和气区灯二段优质储层形成的物质基础。在台地边缘的沉积背景下,太和气区灯二段广泛发育各种类型的藻白云岩和颗粒白云岩。这些藻白云岩和颗粒白云岩发育大量的原生孔隙(格架孔、粒间孔等),并经历同生期溶蚀作用,进一步发育大量的凝块间溶孔、粒间溶孔、粒内溶孔(图9-A)。这部分孔隙虽然经历早期胶结和充填,但残留的孔隙空间为随后的岩溶改造提供了流体通道,为准同生岩溶及表生岩溶提供基础。在准同生期及表生期,大气淡水顺先存残留孔洞运移,形成了强烈的岩溶作用,形成大量的岩溶孔洞(图9-B)。这部分岩溶孔洞虽然也被葡萄花边及渗流砂等进一步充填,但其残留的孔隙又为埋藏溶蚀奠定基础。

在埋藏初期,地层受到压实压溶作用影响,随后在流体的作用下,形成了粒状胶结物,对形成的孔洞产生了破坏,仅有部分得到保存。当上覆地层开始排出烃类流体的时候,部分的储集空间得到了有利的保存,在有机酸及TSR作用下,发生埋藏溶蚀作用(图9-C),最终形成了太和气区灯二段优质储层。

图9 太和气区灯二段优质储层成因模式图Fig.9 Genetic model of high-quality reservoir for the Zdn2 in Taihe gas area(A)同沉积期形成原生孔隙及组构选择性溶蚀孔隙; (B)准同生岩溶形成葡萄花边孔隙; (C)埋藏溶蚀进一步将原生及早期孔隙溶蚀扩大

4 结论

a.太和气区灯二段储层主要发育于藻白云岩、颗粒白云岩两种岩石类型中。其中,藻白云岩可划分为藻纹层白云岩/叠层白云岩、凝块石白云岩、泡沫绵层白云岩以及葡萄花边白云岩4个亚类;颗粒白云岩分为粉屑/砂屑白云岩、核形石白云岩以及砾屑白云岩4个亚类。

b.太和气区灯二段储层基质孔隙度为0.07%～4.99%,平均为2.13%,基质渗透率为(0.002～1.98)×10-3μm2,平均为0.12×10-3μm2,总体为低孔低渗型储层,具极强的非均值性。储集空间主要有粒内孔、粒间孔、藻格架(溶)孔、葡萄花边孔、溶洞(直径≥2 mm)和溶(裂)缝等6种类型。

c.台地边缘微生物丘滩相带提供了太和气区灯二段优质储层形成的物质基础,促使早期组构选择性孔隙(格架孔、粒间孔等)广泛发育。在早期组构选择性孔隙发育的基础上,准同生期及表生期溶蚀进一步改善了储集空间。尽管后续的充填和胶结作用对形成的孔洞产生了破坏作用,残留的孔隙为埋藏溶蚀作用提供流体通道,最终形成优质储层。