川西雷口坡组四段上亚段储层特征及成因机理
2023-12-06宫晗凝蒋小琼潘文蕾汪远征杜崇娇李龙龙
徐 康,宫晗凝,蒋小琼,潘文蕾,汪远征,杜崇娇,李龙龙
(1.中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126; 2.中国石化油气成藏重点实验室,江苏 无锡 214126)
引言
中三叠统雷口坡组是四川盆地油气勘探的重要层位[1-3],近年来,多口探井喜获高产工业气流。实践证实雷口坡组具备良好的勘探潜力[4-7]。川西地区雷口坡组储层非均质性较强、成因复杂[8-12],前人从储层特征[13-15]、岩溶作用[16-18]、储层成因[19-23]等多方面开展过相关研究,但储层特征及分布规律还需进一步细化,成因机理上仍存在诸多分歧。总体来说,针对川西雷口坡组储层特征及成因机理的研究还需进一步深入。本文系统分析了川西雷口坡组四段上亚段(以下简称雷四3)储层的岩石学、物性、储集空间、成岩作用及孔隙演化等特征,归纳储层的成因机理,以期为川西雷口坡组下步油气勘探提供有力支撑。
1 地质概况
中三叠世雷口坡期上扬子地区总体处于“东挤西张”的构造背景,东南部右江拗拉槽转化为前陆盆地,雪峰山一带隆起造山,北部南秦岭海槽自东向西呈剪刀式关闭,而扬子西缘受甘孜—理塘一带由裂谷演化而来的洋盆强烈扩张的影响发生拉张沉降。在此背景下,四川盆地区处于上扬子克拉通内拗陷沉积区,并在周缘造山隆起、龙门山一带台缘障壁岛及台内隆起围限作用下形成广阔的半封闭陆表海沉积环境(图1(a))。根据区域构造和沉积背景,早、中三叠世全球海洋处于微生物大爆发时期并发生广泛白云岩沉积事件,当时扬子陆块处于古特提斯洋域,在北纬0～20°之间,属于热带气候,这些背景造就了四川盆地雷口坡组广泛发育有与微生物有关的碳酸盐岩。雷口坡组各段均发育微生物岩,以雷四段最为发育,川西钻井揭示主力含气层雷四上亚段藻类微生物白云岩占地层厚度的3/4,且微生物原生结构保存较好。川西雷四3亚段是在雷四段中、下亚段蒸发台地(潮上膏云坪-膏质泻湖)基础上接受再一次海侵形成的局限台地,区内以潮坪、泻湖沉积为主,其上、下储层段属于潮间带沉积,受雷末四川盆地区域抬升剥蚀影响而未见潮上带沉积。纵向上雷四3亚段经历了一次海侵-海退沉积旋回(相当于一个四级层序),最大海侵期对应中部灰岩隔层段(图1(b))。
图1 四川盆地及周缘雷口坡期构造及地层柱状图
2 沉积特征
2.1 地层特征
雷口坡组在川西自下而上可分为4段,其中雷四段可分为上、中、下3个亚段。川西雷四3亚段可划分为上、下两个储层段,中间夹一套灰岩隔层。受印支早期古构造控制,地层总体呈现由龙门山前向川西凹陷东斜坡逐步减薄至削截尖灭的分布特征,尖灭线大致在龙泉驿—金堂—合兴场—罗江—绵阳一线以西(图2)。其中,下储层段以大套白云岩沉积为主,龙门山前钻遇厚度70～100 m,斜坡带钻遇厚度0～60 m,纵向上可进一步划分为两个小层,分别称为雷四3-3小层和雷四3-4小层。上储层段主要岩性为灰岩,山前带钻遇厚度30～50 m,斜坡带0～20 m,其在山前带亦可明显分为2个小层,分别称为雷四3-1小层和雷四3-2小层。下部以灰岩、云质灰岩夹灰质云岩为特征,上部以藻灰岩、藻砂屑灰岩和泥晶灰岩为主要特征。上、下储层段之间的灰岩隔层在川西有较稳定的分布,为重要的标志层,以箱形高电阻率为典型标志,岩性以灰岩、藻灰岩、含云灰岩夹藻砂屑灰岩为主要特征,山前带厚25～35 m,斜坡带厚5～25 m。
图2 川西雷四3亚段地层厚度分布
2.2 沉积相类型及特征
基于10余口钻井岩心观察和岩石薄片鉴定,在岩石类型和沉积构造综合分析基础上,认为川西地区雷口坡组四段上亚段主要为局限台地潮坪相沉积,潮坪相可分为潮间下、潮间上及潮下带3个亚相,并进一步识别出了若干微相(表1、图3)。主要微相的标志特征如下:
表1 川西雷四3亚段主要沉积相类型及特征
图3 川西雷四3亚段沉积模式
(1)(藻)云坪:处于潮间带上部,水动力条件较弱,水体较浅,是潮汐作用造成浅水地带间歇性暴露的宽阔潮坪。以发育灰、褐灰色溶孔晶粒白云岩(图5(g))和藻白云岩为主,偶见白云质灰岩,可见藻纹层(图5(f))、藻叠层构造。同时,由于海平面升降变化频繁,导致潮坪经常暴露于海平面之上,鸟眼、窗格孔、干裂等暴露标志发育。此微相在雷四段上亚段下部广泛发育。
(2)云灰质泻湖:处于潮间相对低洼沉积区,水动力条件总体较弱,周期性暴露于大气环境之下,准同生期的毛细管浓缩作用有助于白云石化发生,但白云石化作用并不彻底。岩性以白云质灰岩、灰质白云岩为主,由于蓝藻较发育,还可见少量藻凝块灰岩、藻纹层灰岩等。可见波状层理、藻叠层、藻纹层及鸟眼构造等。该微相主要发育于雷四段上亚段中上部。
(3)(藻)砂屑滩:主要发育于潮间带至潮下环境中,由于海平面变化频繁,在水动力较强时期,波浪和潮汐作用形成内碎屑颗粒,并进一步改造形成席状滩,岩性以砂屑白云岩为主,其内碎屑主要成分由藻砂屑、砂屑组成。该微相主要发育于雷四段上亚段上部。
(4)(藻)灰坪:常见于潮下环境,长期处于水下,以灰色泥—微晶灰岩(图5(a))、(含) 藻灰岩沉积为主,水动力条件较弱。该微相主要发育于雷四段上亚段上部。
2.3 沉积相展布特征
下储层段:纵向上呈水体加深的沉积演化特征,其下部以大套白云岩夹藻白云岩沉积为主,上部白云岩中灰岩夹层沉积明显增多。下储层段下部以潮间上云坪、藻云坪沉积为主(图4),其中藻云坪发育于探区西南部山前和马井地区,新场至潼深1井区可见灰云质泻湖及藻砂屑滩沉积,反映该区处于潮间洼地,为泻湖主要发育区。潮间下沉积在川西仅见于邑深1井,结合雾1井资料推测大邑以西地区处于潮间下—潮下带。下储层段上部,受海平面上升影响,潮间下的沉积范围明显由山前向东扩展,马井—新场地区受先前处于潮间低洼区影响而发育含灰云坪与云灰质泻湖。孝深1、川科1等井可见下储层段上部白云岩中发育泻湖沉积。马井地区因紧邻新场地区发育含灰藻云坪沉积,该区处于泻湖环抱藻云坪的沉积格局,为斜坡区岩性圈闭的形成提供了有利条件。潮间上沉积主要分布于广汉斜坡南部和汉旺—绵阳一带。潮下带主要分布于大邑1井以西地区。
上储层段:该段以大套云质灰岩、藻灰岩、泥晶灰岩、藻砂屑灰岩和底部薄层不稳定分布白云岩为主要沉积特征,平面上沉积相带大致以金马—鸭子河—石羊镇—邑深1井一线为界,以西主要为潮下带,以东为潮间带。现今斜坡带除安阜1井以东、新场以北地区以白云岩沉积占优外,其他地区以藻云灰坪、(含)灰云坪沉积为主,主要处于潮间下带。龙门山前金马—鸭子河构造带则处于潮间下—潮下带上部交互沉积环境。上储层段白云化程度总体较低,从构造演化推测,可能主要与此期龙门山一带持续沉降导致区内沉积地形坡度增大、潮间带变窄有关。该段沉积微相纵横向变化大,其储层在沉积微相控制下具有纵横向非均质性强的发育特点。
3 储层发育特征
3.1 储层岩石学特征
川西雷四3储层岩性以白云岩为主。其中,上储层段以泥晶灰岩(图5(a)—(c))、云质灰岩、灰质云岩为主,下储层段以含灰白云岩(图5(d))、微粉晶白云岩(图5(g)(h))和各种藻结构(藻球粒、藻凝块、藻纹层和藻黏结)白云岩(图5(e)(f)(i))为主。下储层段的藻结构较上储层段丰富。从斜坡带南、北部向中部来看,雷四3上、下储层段白云岩占比逐渐减少,对应的灰岩占比相对升高,尤其是下储层段该变化趋势更为明显。对于上储层段来说,斜坡区的灰质质量分数较山前带的要少(山前带灰岩占40.57%,斜坡区31.31%);而下储层段,斜坡区的白云岩质量分数较山前带的要少(山前带白云岩占73.29%,灰质云岩占15.99%;斜坡区白云岩占69.3%,灰质云岩占19.19%)。
3.2 储层物性特征
川西雷四311口钻井652件样品的孔渗测试结果统计显示,孔隙度在0.07%～23.7%,平均3.70%,渗透率分布在(0.000 73～1 050)×10-3μm2,平均9.31×10-3μm2(表2)。岩性上以微粉晶白云岩和藻纹层白云岩最为有利,构成川西雷口坡组雷四3亚段的主要储集岩类型。纵向上,上储层段(3-1小层+3-2小层)孔隙度为0.10%～23.70%,平均2.20%(256件),渗透率(0.000 98～83.5)×10-3μm2,平均2.02×10-3μm2;下储层段(3-3小层+3-4小层)孔隙度为0.07%～20.21%,平均4.67%(396件),渗透率(0.000 73～1 050)×10-3μm2,平均14.02×10-3μm2。总体来看,下储层段物性明显好于上储层段。
3.3 储集空间特征
川西雷四3储集空间可分为4种类型(表3)。沉积-早期成岩组构溶蚀孔洞(图6(b)—(e))主要包括粒间孔、晶间孔、粒内孔、窗格孔、铸模孔及与藻(微生物)相关的各类孔隙。成岩期组构-非组构溶蚀孔洞(图6(a))主要包括生物钻孔、遗迹、潜穴及部分晶间溶孔或溶模孔等。非组构溶蚀及裂隙(图6(f)(g))主要包括张/扭裂隙、压剪共轭、剪切(雁行)、溶扩等。定义微孔隙为<10 μm的孔隙,包括方解石或白云石内微孔隙(图6(h)(i))、微生物岩微孔隙等。以彭州103井为例,由压汞法得出上储层段孔径集中在2～20 nm,而下储层段孔径集中范围为0.1～10.0 μm,差异比较明显。平面上,山前带上储层段微孔隙孔径一般集中在2～20 nm,下储层段微孔隙孔径主要分布在0.1～10 μm。斜坡区上储层段微孔隙孔径一般<100 nm,下储层段微孔隙孔径主要分布在0.05～10.00 μm。
表3 川西雷四3亚段储集空间类型
图6 川西雷四3主要孔隙类型
3.4 成岩作用及孔隙演化
3.4.1 成岩作用特征
川西雷四3成岩作用主要包括早期近地表成岩作用、浅埋藏成岩作用、与断裂或不整合面有关的表生岩溶作用和深埋藏成岩作用。
(1)早期成岩作用
早期成岩作用主要包括海底胶结作用、大气水渗成岩作用(图7(a)(b))、准同生期白云化作用、微生物作用、 去白云化作用和去膏化作用。海底胶结作用的标志为泥晶套、泥晶化颗粒、泥晶壳、凝块和厚纤状环边。微生物作用的标志为硬化粪球粒、微生物球粒等。早期大气淡水溶蚀形成的孔隙包括铸模孔、膏模孔、粒间孔、粒内孔、藻纹层组构孔和微孔隙。部分孔隙与微生物、黏土和有机酸相互作用紧密相关。少量液态烃类充注或细菌作用也可发育早期成岩裂隙。微生物作用特征为发育大量残余藻纹层、球粒和凝块结构。白云石晶体大多为泥微晶或泥粉晶。在雷四下储层段泥晶云岩中,经常可见与硬石膏、天青石、萤石、重晶石甚至菱镁矿等矿物共生沉淀,反映浓缩盐水(卤水)沉积特点。大部或部分发育并保留了窗格孔、鸟眼孔、粒(晶)间孔、生物格架及遮蔽孔或微孔隙。
(2)浅埋藏成岩作用
该阶段成岩作用特征包括:a)残余地层流体或热卤水中的部分矿物沉淀作用。矿物类型包括部分天青石、菱镁矿、萤石、硬石膏和极少量的金红石、钾长石、钠长石、磷灰石、黄铁矿、黏土矿物等;b) 部分缝洞中有一些中细晶方解石、粉细晶白云石、硬石膏和烃类充填。雷四3-1小层、雷四3-3小层和雷四3-4小层孔洞中的平均δ18OPDB和δ13CPDB分别为-5.94‰和2.09‰、-6.03‰和1.60‰、-4.11‰和1.47‰。这种δ18OPDB负偏和δ13CPDB略有减小指示了浅埋藏作用的发生;c) 有机-无机相互作用。主要包括:微生物、黏土及有机酸的溶解作用(图7(d)),沿缝合线的白云岩化及溶蚀作用(图7(c)),还可见到一些具有残余藻结构的粉细晶云岩。
(3)与断裂或不整合面有关的表生岩溶作用
龙门山前雷四顶部与上覆马鞍塘组为平行不整合或整合接触,除了东部的回龙1井、丰谷1井缺少部分上覆地层,均具备陆上暴露的大气淡水成岩条件。雷三段至雷四段,尤其是在雷四3下储层段和雷四2亚段,普遍可见穿层渗流砂、部分角砾化、膏溶局部垮塌、去云化及去膏化作用现象。上述的渗流砂现象与早期大气淡水形成的有所差异,多与断裂-裂隙的扩溶非组构性溶蚀伴生,并发育中粗晶方解石、硅质、泥质、烃类水洗及降解沥青等。异常低的δ13CPDB由近地表或浅埋藏作用下有机酸或生物甲烷菌参与的溶蚀充填造成。大气淡水通过高部位不整合面-断裂-裂隙进行岩溶作用的产物也有明显的特征,如在雷四3-3小层和雷四3-4小层,δ18OPDB和δ13CPDB平均分别为-7.34‰和-1.14‰,而雷四2中δ18OPDB和δ13CPDB平均分别为-8.94‰和-1.27‰。新深1井(5 570.90 m)和羊深1井(6 208.05 m)中含H2O-CO2低温不混溶流体包裹体的存在,也指示出大气淡水潜流或渗流带的特征。
(4)深埋藏的成岩作用
深埋藏成岩作用与浅埋藏成岩作用一般情况下较难区分。由于深埋藏作用可跨越有机质成熟至烃类热降解这一时期,深部流体可能通过断裂-裂隙发生流体的混合或交代溶蚀作用。从现象看,可以产生树枝状“V”孔洞穴、晚期裂缝和构造缝合线。矿物组合表现为鞍形白云石、石英(图7(e)(f))、硬石膏、闪锌矿、方铅矿和磁黄铁矿等。烃类包裹体明亮发荧光,具有相对中高盐度和温度。雷四3深埋藏成岩作用主要特征如下:a)孔洞或剪切裂隙中发亮橙红色的方解石,扩溶缝洞充填物的再溶解及充填作用,溶蚀孔洞中发橙黄的方解石和孔洞中鞍形白云石去云化;b)重结晶作用(中等盐度和中高温,流体包裹体均一温度在122.5～143.1 ℃,盐度在13.18%～13.40%);c)有大量含烃包裹体或含烃不混溶包裹体;d)溶蚀孔洞、裂隙中充填物具有相对高负偏的δ18OPDB,如雷四3-4小层δ18OPDB平均-10.63‰,δ13CPDB平均1.11‰;e)孔洞中鞍形白云石的均一温度为162.0～170.5 ℃,石英平均Th为140.4 ℃,平均盐度为13.21%,反映出有两期以上的裂隙-孔洞石英充填作用;f)黏土的伊利石化和绿泥石化等。
3.4.2 孔隙演化特征
快速、广泛的海水胶结作用多出现在陡坡处或具湍流的上滨带环境。平坦的海底、泥质沉积物和低能条件均常阻碍海水胶结作用的进程。流体作用停滞、快速埋藏、非反应流体的运移以及海侵等因素的作用使岩石从浅地表成岩作用环境移动到埋藏较深的地下。成岩作用强度缓慢下降,孔隙有被保存下来的可能。在礁格架碳酸盐岩中,胶结作用(大气淡水潜流带+海水胶结)损失了约21%的原始孔隙(总孔隙度为38%左右),当埋藏至4 km,只损失了9%的孔隙,剩下的为粒内孔、生物潜穴以及铸模孔。以藻纹层-藻球粒含灰质泥粉晶云岩为例,其原始孔隙度为45%～50%,其中,海水胶结物减孔15%～20%,早期大气淡水胶结作用减孔10%～15%。各类与早期大气淡水淋溶有关的成岩作用增孔为10%～15%;准同生期云化可能会增加孔隙5%～10%。压实作用一般损失孔隙为35%～40%。压溶作用既有减孔作用也有增孔作用,但总孔隙可能减少15%～20%。构造期通过裂隙为主的表生大气水溶蚀可增孔5%～10%。晚期埋藏溶蚀与胶结既有减孔也有增孔效用,但总孔隙减少约5%,残余孔隙度约为2%～8%。综上所述,将川西雷四3亚段主要成岩序列及孔隙演化归纳如图8。
4 储层发育成因
(1)(藻)云坪微相是储层发育的物质基础
沉积作用是储层形成的先决条件。宏观上,沉积微相反映出一定时空范围内相对均一的岩石特征,决定储层的空间分布;微观上,沉积微相决定储层的矿物组成和原始孔隙结构,从而影响后期的成岩演化。川西地区雷四上亚段总体处于潮坪沉积环境,水体整体较浅,沉积期海水的升降与古地貌差异控制微相的分布。由于潮间带藻云坪、云坪微相在低海平面期容易暴露,有利于准同生期大气淡水淋滤溶蚀作用的发生,从而对含藻白云岩、晶粒白云岩进行改造,形成优质孔隙型储层。根据马井1井等川西6口钻井统计,云坪、藻云坪是优质储层发育的优势沉积微相。藻结构和晶粒结构均对储层有所影响。藻纹层、藻黏结及结晶程度较好的碳酸盐岩孔喉半径明显大于其他类型碳酸盐岩。
(2)准同生白云石化和岩溶作用是储层发育的关键
方解石型矿物中,Ca2+易被与其相似的较高离子势(或较小离子半径)的离子(Mn2+、Fe2+、Zn2+、Mg2+)类质同象替代。文石型矿物中,Ca2+易被与其相似的较低离子势(或较大离子半径)的离子(Sr2+、Pb2+、Ba2+)类质同象替代。可利用白云石中上述元素质量分数来判断白云石交代的前驱物的类型,进而推测其白云岩形成过程。从Mn2++Fe2++Zn2+与Sr2++Ba2+的质量分数平均值分析(表4):绝大多数样品Sr2++Ba2+
表4 川西雷四3亚段不同类型白云岩主量、微量元素质量分数均值
在海侵背景下,首先形成含藻类的富Ca2+碳酸盐岩沉积,之后发生2种白云化机理:蒸发泻湖渗透回流及蒸发泵白云化。前者发生的机理是蒸发泻湖中高盐度、高密度的海水或卤水提供的富Mg2+流体向高孔渗条件的灰岩渗透,取代原生孔隙水,从而发生白云化作用;后者则是由于海水蒸发浓缩过程中石膏沉淀使Ca2+质量分数减少,Mg2+/Ca2+增加,提高了Mg2+与碳酸根的碰撞几率,从而发生白云化作用。川西雷四3亚段白云岩规模与分布、岩石类型、微相组合和地球化学特征均表明其曾发生了渗透回流白云化及蒸发泵白云化作用。
准同生期溶蚀作用是川西雷四3次生孔隙形成的关键因素。在岩心和薄片的观察中见到大量准同生期溶蚀作用的标志,如平行于层面分布的溶蚀孔洞、具有组构选择性溶蚀的窗格孔和示顶底构造等。这些现象表明,藻砂屑云岩、藻纹层云岩等在准同生期随着潮湿与干旱气候的周期性交替变化、大气淡水淋滤以及藻纹层中有机质分解,形成白云石晶间溶孔、藻纹层格架孔和粒间溶孔。这种准同生期环境也促进了蒸发白云石化作用的发生,使优质储层得以发育。
(3)向上变浅高频旋回+藻云坪是储层发育的主要形式
潮坪沉积中,根据岩性、结构构造和古生物特征等,由深变浅,大致可划分出:a)潮下颗粒滩-滩间微生物丘(席);b)潮下上部的滩相与潮间的微生物席;c)潮下上部微生物滩与潮间白云岩;d)潮间颗粒滩与潮上白云岩;e)潮间颗粒滩与潮上含泥白云岩;f)潮间微生物丘滩与潮上白云岩;g)潮间微生物席、潮上膏岩与白云岩,因沉积间断与大气淡水作用而偶见泥裂;h) 潮间微生物丘滩与潮上含泥白云岩,因沉积间断与大气淡水作用而见钙化。
泻湖沉积主要分相对深水和蒸发浅水两种:相对深水泻湖主要发育微生物丘滩、泥晶灰岩和似球粒白云岩;蒸发浅水泻湖主要发育硬石膏、含膏白云岩和盐岩,见垮塌和泥裂现象。
海平面下降背景下的潮间上环境,每个旋回顶部的藻纹层白云岩因受短暂暴露易形成优质储层,纵向多层叠置可形成厚度较大的储层。优质储层多发育于旋回中上部。以鸭深1井5 774.70～5 798.32 m井段为例(图9),自下而上可划分为7个向上变浅的旋回,藻结构呈现藻凝块→藻球粒(藻砂屑)→藻纹层→纹层泥晶的规律性变化。每个旋回中上部藻纹层相对发育部位孔隙度更好。
图9 鸭深1井雷四3亚段沉积、储层综合柱状图
(4)有利储层分布
根据以上储层发育主控因素分析结果,储层发育主要受有利沉积微相、准同生白云石化和岩溶作用叠加控制,溶蚀作用以准同生溶蚀最为关键,另外,旋回位置也对储层发育有着明显影响。发育于雷四段上部的层间小断裂及裂缝是储层发生埋藏溶蚀的主要渗滤通道。因此,将以上主控因素有利区叠合,以确定川西雷四3亚段储层发育的有利区。研究区内雷四3亚段具有地层分布广泛、白云岩发育程度高、裂缝发育密集的特征,结合沉积微相展布、白云岩厚度、准同生溶蚀发育程度和裂缝发育程度,可划分出4类储层发育区带。其中,储层发育最有利区在川西中部,面积约 3 535 km2,呈北东—南西向展布(图10)。
5 结 论
(1)川西雷四3亚段可划分为上、下两个储层段,中间夹一套标志灰岩隔层。地层总体由龙门山前向川西凹陷东斜坡逐步减薄至削截尖灭。雷四3亚段纵向经历一次完整的海进-海退沉积旋回,上、下储层段主体属于潮间带沉积,以云坪、藻云坪、含灰云坪夹泻湖沉积微相为主。
(2)川西雷四3储层岩性以微粉晶白云岩和藻纹层白云岩最为有利。平均孔隙度3.7%,平均渗透率9.31×10-3μm2,下储层段物性明显好于上储层段。主要储集空间为沉积-早期成岩组构溶蚀孔洞(粒间孔、晶间孔、粒内孔、窗格孔、铸模孔等)。白云石化作用及组构选择性溶蚀等建设性成岩作用主要发生于沉积-成岩早期。
(3)川西雷四3储层发育受沉积、成岩两方面的因素控制。微生物碳酸盐岩占地层厚度的3/4。(藻)云坪是优质储层发育的有利沉积微相。准同生白云石化和岩溶作用是储层发育的关键,优质储层多发育在向上变浅高频旋回中上部藻纹层中。储层发育最有利区平面上在川西中部,呈北东—南西向展布。
