构造作用约束下的川中龙女寺地区茅口组白云岩储层成因分析

方 进 张连进 郑斌嵩 李 顺 刘芳兰 梁新玉 彭 军

1.中国石油西南油气田公司川中油气矿 2.西南石油大学地球科学与技术学院

0 引言

四川盆地中二叠统茅口组油气勘探始于20 世纪50 年代，先后经历了三个时期[1-5]：①2004 年以前，主要采用“占高点、沿长轴”的勘探思路和布井原则，以蜀南—川东高陡构造带裂缝型灰岩储集体为目标，发现了蜀南气田群，共获茅口组工业气井422 口、气藏325 个，累计探明储量近千亿立方米；②2010 年前后，针对茅口组顶部古岩溶面，围绕泸州古隆起，以古岩溶高地和岩溶斜坡为勘探目标，先后在蜀南—川东地区获大量工业气流井，发现大批岩溶缝洞型天然气藏，其间以双鱼石构造为代表，在川西北地区还发现多个石灰岩裂缝型气藏；③近十年以来，孔隙型白云岩储层成为勘探的主流，包括热液白云岩和主要分布在台地边缘的滩相白云岩两种类型，其中前者主要受控于基底断裂带的展布，后者主要受古地理背景的控制，在四川盆地分布较为广泛，目前已在川中—川北地区获多口高产工业气流井，显示出广阔的勘探前景。

随着勘探程度的提高，实际工作中发现各类储层空间分布的不均一性较强，在缺乏取心井控制的地腹区进行储层预测较为困难，主要的原因有3点[6]：①储层孔渗普遍较低，同时储层岩性和物性的空间各向异性较强，且与围岩差异较小，难以依照邻区取心井进行准确标定，导致单一测井曲线识别难度较大；②地层埋藏深，地震波能量衰减快，信噪比低、连续性差，地震资料成像品质低；③单一白云岩储层厚度较薄，对应储层段地震波反射特征不明显。

川中龙女寺地区作为四川盆地具有辉煌历史的老油气区，近年来在龙女寺地区茅口组二段获多口工业气流井，部分高产，显示出极大的勘探潜力。其中，2022 年龙女寺构造磨溪145 井区茅口组二段提交天然气控制地质储量608.9×108m3，含气面积685.7 km2，有力地支撑了安岳气田的持续规模上产需求。然而，尽管区内测井和地震资料丰富，但茅口组取心井较少，多为早期的岩屑井。因此，目前尚缺乏针对龙女寺地区茅口组储层基本地质特征的细致研究。另一方面，在实际工作中，依据测井和地震资料，区内茅口组二段储层多被解释为白云岩储层，但仍然缺乏针对储层成因的综合研究，极大地制约了龙女寺地区茅口组气藏的滚动勘探。考虑到无论是台地边缘滩相白云岩还是热液白云岩，其发育都与同沉积期或沉积期后的构造作用可能存在密切关系。因此，本研究从构造的角度出发，综合运用测井、岩心、岩屑、地表露头和地震解释等资料，在详细表征龙女寺地区茅口组白云岩储层特征的基础上，通过探讨构造运动对盆地沉积—古地理背景以及断裂—热液活动的控制作用，对白云岩储层的成因进行了约束。通过上述研究，本研究提出中二叠世末发生的峨眉地幔柱隆升、华南北缘板块俯冲以及印支期华南周缘发生的广泛的板块碰撞事件在川中龙女寺地区茅口组二段白云岩储层的形成过程中起到了关键的控制作用。

1 地质背景

受加里东运动和云南运动的影响，四川盆地经历长期隆升剥蚀，形成西南高、东北低的准平原化的古地貌，其后随着中二叠世的持续海侵，在此基础上沉积形成中二叠统栖霞组和茅口组碳酸盐岩[7-8]。中二叠世末期，在华南西南缘峨眉地幔柱隆升以及北部勉略洋俯冲消减的控制下[9-11]，四川盆地构造格局和古地理面貌发生了显著转变，主要表现在三个方面[4,8,12-19]：①大量基底断裂活化，为热液活动提供了通道；②受基底断裂活化的控制，形成北西—南东向台内盆地和洼地，并在大型台盆边缘形成礁滩相储层有利相带（图1a）；③茅口组沉积末期，四川盆地广泛抬升成陆地并接受风化岩溶作用，造成茅口组顶部地层缺失，并形成广布于四川盆地的古岩溶风化壳。四川盆地现今褶皱构造则主要是古近纪—新近纪早喜马拉雅运动期形成[7]。

图1 四川盆地茅口组沉积期沉积相展布及龙女寺地区研究资料点分布和茅口组二段测试日产量图

四川盆地茅口组自下而上可细分为四段[5]（图2）。茅一段为深灰—灰黑色泥晶灰岩、有机质泥质灰岩夹黑色页岩，眼球构造发育，局部见燧石结核，可作为茅口组近底部的标准层。茅一段自下而上可细分成茅一c亚段、茅一b亚段和茅一a亚段，各亚段在野外露头剖面上难以区分，但电性特征差异明显。茅二段由下至上细分成茅二c亚段、茅二b亚段和茅二a亚段；茅二c亚段为深灰—灰黑色泥晶灰岩，夹生物碎屑灰岩和黑色有机质泥岩薄层；茅二b亚段为灰—深灰色泥晶灰岩，白云石化普遍，见燧石结核；茅二a亚段为深灰—灰黑色泥晶灰岩，部分地区发育有细—粉晶白云岩和层状硅质岩。茅三段以灰—深灰色泥晶—粉晶生屑灰岩为主，局部地区发育白云岩，少见燧石结核和条带。茅四段主要为深灰—灰黑色泥晶灰岩。受东吴运动影响，茅三段和茅四段遭受不同程度剥蚀，在茅口组顶部形成岩溶风化壳。龙女寺地区位于川中平缓构造带，区内茅口组均已剥蚀至茅三段，其茅口组二段顶界现今埋深约为3 750 ～4 500 m。截至2023 年6月，区内已有超过三十口过茅口组二段钻井，多口获工业气流，测试日产量最高为磨溪145 井，高达212.26×104m3/d（图1b）。

图2 四川盆地茅口组柱状图（修改自本文文献[5]）

茅二段—茅三段沉积期，研究区主体位于台盆边缘的高能浅滩相区，向西侧逐渐过渡为台内开阔台地和台洼相区（图1a）。因此，研究区西侧水深相对较大，以沉积泥—微晶灰岩和生屑泥—微晶灰岩为主，东侧则在茅二a亚段至茅三段底部普遍发育厚约5 ～30 m 的滩相白云岩（图3），构成了区内茅口组天然气藏的主力产层，也是本研究的目标层位。

图3 研究区东侧茅二段—三段对比及白云岩储层分布图（钻井位置见图1a）

2 茅口组二段白云岩储层特征

结合龙女寺地区及其周缘的大量岩心薄片、岩屑薄片、地表剖面以及测井解释资料，本次研究对区内茅口组二段白云岩储层的岩石学特征、储集空间类型以及物性特征进行了详细的研究。

2.1 岩石学特征

川中龙女寺地区茅口组二段白云岩储层主要发育细—中晶白云岩，白云石含量多大于90%，白云石晶体大小多在100 ～500 µm，主要呈他形—半自形状，晶体间多呈镶嵌状接触关系，贴合紧密，基质孔隙甚少发育（图4a-c）。白云岩中因普遍可见残余的颗粒幻影而使白云石多显示出“雾心亮边”结构（图4a-c），除镜下可见藻屑幻影外，在岩心上尚可识别出棘皮类和有孔虫类的生屑颗粒，表明其原岩主要为高能浅滩相颗粒灰岩，后经白云石化形成。镜下可见大量非选择性的溶蚀孔（洞）和裂缝的发育，其间可见三个世代的充填物，分别为具有波状消光特征的鞍状热液白云石、沥青和晚期方解石（图4d-e）。在少数白云石自形程度较好的白云岩中，可见方解石充填晶间（溶）孔或交代白云石使之发生去白云石化（图4f-g），指示晚期方解石充填裂缝和孔隙的同时还对白云石进行了交代。白云岩中局部发育结构致密的硅质团块，由生屑灰岩经硅化形成，除分布少量未被硅化的自形粉—细晶白云石外，生屑和填隙物的硅化都较为彻底，主要由隐晶—微晶石英组成（图4h-i），由于强烈的硅化导致岩石结构变得较为致密。同时，微晶石英在正交偏光镜下可见波状消光特征（图4i），指示硅化来自硅质热液的交代作用。

图4 研究区茅口组二段白云岩储层岩石学特征图

2.2 储集空间类型特征

龙女寺地区茅口组二段白云岩储层的储集空间类型包括热液冲击破裂孔洞和裂缝、非选择性溶孔（洞）、溶缝、构造裂缝和晶间（溶）孔。热液冲击破裂孔洞和裂缝通常与白云岩角砾和热液矿物相伴生，形成于与峨眉地裂运动有关的构造—热液活动期，当产生的孔洞和裂缝未被热液矿物以及晚期其他矿物完全充填时则保留下来形成储集空间（图5a），此现象在四川盆地栖霞组和茅口组热液白云岩储层中较为常见[10,20-21]。非选择性溶孔（洞）在区内各钻井岩心中均较为发育，且普遍可见被早期鞍状白云石和晚期方解石不同程度充填（图5b-e）。溶缝的形成主要来自热液对热液冲击破裂缝或构造裂缝的溶蚀，而后又被鞍状白云石和晚期方解石不同程度充填（图5a-b，f-g）。在岩心中还可见许多高角度直劈缝，缝宽多小于1 mm，较为紧闭，多数不具有充填特征，并可见其切割先期缝洞及其充填物的现象（图5h-i），指示其形成于与先期构造裂缝不同的时代和构造环境下。正是在多期次构造裂缝以及热液的冲击和溶蚀的联合作用下，才最终形成了川中龙女寺地区茅口组二段孔渗条件较好的裂缝—孔洞型白云岩储层。除了上述各种类型的储集空间外，在部分钻井（例如磨溪39 井）的部分层段还可见晶间（溶）孔的发育，主要见于白云石自形程度较好的白云岩中（图5j），指示白云石化作用对储层物性的改善具有直接的贡献，属于建设性成岩作用。由于上述各类型储集空间的形成均不晚于川中地区茅口组油气充注时期（见讨论部分），因此上述各类型储集空间均属有效储集空间。

图5 研究区茅口组二段白云岩储层储集空间类型特征图

除岩心观察外，测井资料同样指示川中龙女寺地区茅二段白云岩储层主要的储集空间类型为溶蚀孔洞和裂缝。以资料较为丰富的磨溪39 井为例，常规测井资料显示茅二段白云岩储层段（4 410 ～4 427 m）在声波时差曲线上呈现出显著的锯齿状变化特征并在双侧向电阻率测井曲线上显示为锯齿状箱型的相对高值的特征，利用电成像测井技术在茅二段白云岩储层段共识别出4 条裂缝且多数具有明显的扩溶特征，此外在电成像测井图上还可见大量的暗色斑块，指示溶蚀孔洞较为发育（图6）。核磁共振则指示孔隙结构以中孔为主，核磁有效孔隙度为1.5%～4.6%。

图6 磨溪39 井茅二段白云岩储层常规测井以及成像测井解释结果图

2.3 物性特征

从测井解释和岩心样品测试所获得的白云岩储层段物性数据来看（表1），各钻井白云岩储层孔隙度介于3.1%～10.1%之间，平均值为4.5%，渗透率介于0.095 mD ～2.208 mD 之间，平均值为0.672 mD，属于典型的特低孔、低渗型储层[22]。白云岩储层孔渗条件最好的层段发育在研究区东北部的广探2 井，该井茅二段白云岩储层段孔隙度最大可达21%，孔隙度大于10%的白云岩储层厚度约15 m；其茅二段白云岩储层段渗透率最大可达7 mD，渗透率大于1 mD 的白云岩储层厚度约10 m，表明川北台盆边缘茅二段滩相白云岩储层具有极好的储集性能，具有发育连片成规模的白云岩储层的潜力，应当加大勘探力度。

表1 研究区茅口组二段白云岩储层物性数据表

3 讨论

依据构造控盆、盆地控相的思想，许多学者从断裂活动控制古地貌以及热液活动的角度探讨了川中—川北台盆边缘滩相白云岩的成因[4,15-16,18-21,23]，且普遍认为断裂上升盘古地貌高地所发育的滩相灰岩较好的原始孔隙度以及极易发生的淡水溶蚀作用为埋藏期的白云石化奠定了良好的基础，热液流体顺断裂上升进入滩体最终将滩相灰岩改造成了物性较好且分布广泛的白云岩储层。

裂缝是指岩石或地层中由变形作用或物理成岩作用所形成的破裂面，是储层的重要储集空间和渗流通道[22]。针对川中地区茅口组二段白云岩储层，前人的许多研究已注意到裂缝较为发育，并认为裂缝是主要的储集空间类型之一[1,5,10,16,20]，但对裂缝的成因、期次及其对储层发育的控制作用的系统研究仍然缺乏。从研究区的白云岩储层储集空间特征可以看出，相较于各类孔洞，裂缝虽然对储层孔隙度的贡献相对较小，但他们却是热液白云石化以及热液冲击破裂和溶蚀作用发生的主要场所，在提高储层的渗透率方面也起到了关键作用。此外，不同期次的构造裂缝紧闭程度、充填程度亦不相同，可能指示了不同的大地构造背景。因此，本研究将结合钻井岩心、测井解释和地震解释资料，对区内白云岩储层中构造裂缝的发育程度、期次及其与储层的成因之间的关系进行约束，从而指出下一步滚动勘探方向。

3.1 断裂空间分布及期次

依据地震解释资料[24]，龙女寺地区主要发育三期断裂（图7）：

图7 龙女寺地区南北向断裂解释地震剖面图

①桐湾运动、加里东构造运动期，发育近东西向走向的张性断裂，延伸远，断面高陡，震旦系、下寒武统断距最大，代表本区主活动期；

②海西构造运动期，寒武系断裂再次因拉张活动而活化，其活动多终止于上二叠统长兴组前期或中—早期，主活动期为龙潭组早期。本期断裂显然是峨眉地裂运动的产物；

③印支期，在区域挤压应力场作用下，发育北东向左行走滑断裂系统，断面呈高陡状，多个花状断裂发育，形成龙女寺地区马尾状、Y 字形断层平面展布格局。

经对龙女寺地区茅口组顶面断层进行分级统计，共解释断层371 条（图8），其中伸展断层76 条，挤压走滑断层295 条。根据断层发育规模、延伸长度划分为II、III、IV 级，再根据断层处于海西期或者印支期，共划分为6 类，如海西期II、III、IV 级，印支期II、III、IV 级。统计海西期伸展断层中II 级断层22 条，III 级断层16 条，IV 级断层38 条。印支期走滑断层中II 级断层17 条，III 级断层20 条，IV 级断层258 条。

图8 龙女寺地区茅口组顶面断裂分布及钻井裂缝走向统计图

3.2 裂缝发育特征

从研究区茅口组白云岩钻井岩心上可以识别出两期形成于不同时代和不同构造应力背景下的裂缝，分别为早于鞍状白云石充填且开张度较大的早期张裂缝（图5b,g）和切割先期缝洞充填物且较为紧闭的晚期高角度直劈缝（图5h,i）。根据研究区断裂发育特征，上述两种类型的裂缝应分别形成于海西期拉张应力条件下和印支期挤压应力条件下。此外，磨溪39 井和合深4 井成像资料统计表明，裂缝走向均以北西向为主，其次为北东向（图8）。据此推测区内裂缝主要由海西期断裂导致，其次是印支期断裂。

除了依据成像测井资料研究和钻井岩心观察，本研究还借助AFE 叠后裂缝预测方法的预测成果[24]对龙女寺地区茅口组裂缝发育情况进行了研究。预测结果表明，研究区内茅二a亚段围绕海西期和印支期各级断裂发育大量裂缝，并且裂缝平面分布与断裂的配置关系好，与钻井的吻合率较高（图8）。鉴于印支期正是川中地区茅口组油气充注时期[20]，故上述两期裂缝均属有效储集空间。因此，地震裂缝预测同样表明大量构造裂缝的发育显著改善了川中地区茅口组二段白云岩储层的储集性。

3.3 构造运动对川中地区茅口组白云岩储层发育的控制

白云岩储层成因涉及两个问题，分别为白云石化机制和储集空间的形成机制，二者都与构造作用关系密切。

3.3.1 白云石化机制

从地层对比可以清晰地看出自西向东研究区茅口组二段—三段白云岩储层越来越发育，并且厚度逐渐增大（图9），很好地匹配了峨眉地裂运动期控相基底大断裂的发育区域（图1a）。大量的前人研究指出，中二叠世晚期，在四川盆地西南部的峨眉地幔柱隆升以及北部勉略洋的北向俯冲的控制下，盆地内多条基底大断裂发生活化[8,11]，诱发了四川盆地茅口组沉积中—晚期的构造—沉积分异作用，在川北仪陇—梁平一带沿断裂走向形成北西—南东向的深水台内盆地，并在断裂上升盘的台盆边缘古地貌高地形成高能浅滩相沉积[18]。这些位于古地貌高地的浅滩沉积既具有较好的原始孔隙度，也是在不同级次的相对海平面下降期遭受淡水淋滤的优先部位，同时活动的基底断裂也为热液进入滩体提供了通道。总结前人研究成果发现，许多证据指示川中地区茅口组的白云石化受到了热液的控制，包括：①同一薄片中相邻的鞍状白云石以及基质白云石具有相似的橙红色阴极发光特征[10,20]，指示其成岩流体来自相似的还原性深部流体；②鞍状白云石和基质白云石的氧同位素特征相似且与典型的热液白云岩的氧同位素特征相近，而与同一钻井中相邻层位的灰岩的氧同位素特征存在明显差别[20]；③鞍状白云石和细—中晶基质白云石中包裹体的均一温度均大于100℃[10,20]，而白云石U—Pb 测年指示川中地区茅口组的白云石化发生于中—晚二叠世[24-25]，其最大埋深不超过500 m，因此，即使以峨眉山玄武岩大规模喷溢时期6.5℃/hm 的古地温梯度来计算[20]，该均一温度仍然显著大于围岩温度，指示热液流体直接参与了白云石化过程。因此，本研究提出残余在大量原生和次生孔隙中的海源流体和侵入的深部热液为滩体的白云石化提供了较为丰富的镁离子，而地幔柱活动所带来的较高的古地温梯度也有助于滩体在浅埋藏期即突破临界温度（约50℃[26]），从而造成了滩相灰岩广泛的白云石化[4,10,16-21,23]。

图9 研究区东—西向茅二段—三段对比图（钻井位置见图1a）

3.3.2 各类储集空间的形成机制

研究区内茅口组白云岩储层的储集空间类型包括构造裂缝、扩溶缝、热液冲击破裂孔洞、非选择性溶蚀孔洞和晶间孔（图5）。其中，构造裂缝有两种类型且形成于两个时期，分别为海西期张裂缝和印支期紧闭裂缝。中—晚二叠世之交，华南西南部峨眉地幔柱的隆升以及华南北部勉略洋的北向俯冲使得四川盆地处于强烈的伸展拉张的构造体制下，这一阶段伴随了大量的断裂活动[11]，海西期张裂缝的形成显然是这一构造体制的产物（图10a）。印支期紧闭裂缝的形成所需要的挤压背景则可能来自于华南陆块与周围块体之间的碰撞作用，此时北部的华北陆块、西侧的松潘—甘孜地体以及南侧的思茅—印支陆块均与华南陆块之间发生陆—陆碰撞—挤压活动（图10b）[27-28]。

图10 研究区茅口组二段白云岩储层裂缝发育的构造背景约束图

前人研究资料表明，在断裂活动过程中，断裂带异常的高压将造成沿着断裂带运移的热液与围岩间存在较大的压力差，使得热液沿着与断裂伴生的裂缝对围岩进行冲击和破坏[29-30]；当破坏程度有限时，仅形成新的裂缝；当破坏程度较强时则使得围岩发生角砾化。海西期峨眉地幔柱的活动伴随了大量的热液活动[5]，在热液沿断裂运移过程中对围岩进行了不同程度的改造，最终形成了大量微裂缝、角砾以及角砾间的孔洞，从而显著改善了围岩的储集性能和渗流性能。另一方面，热液沿着各类裂缝和孔洞的运移将造成围岩的非选择性溶蚀，形成扩溶缝以及非选择性溶蚀孔洞。上述各类型裂缝以及溶蚀孔洞在经历充填后仍大量保留下来，是区内茅口组白云岩储层最主要的储集空间类型。

晶间孔的发育可能与白云石“等摩尔”交代方解石过程中发生的体积缩小有关[25]，但研究区内茅二段白云岩总体较为致密（图4a-c），晶间孔的发育仅见于少数钻井的部分井段，不是主要的储集空间类型。

综上所述，本研究认为川中地区茅口组白云岩储层主要的储集空间类型的形成均受构造作用的控制，与板块运动所诱发的断裂—裂缝—热液活动关系紧密。因此，下一步川中地区茅口组滚动勘探应当重视区内断裂集中分布区域。

4 结论

本研究针对川中龙女寺地区茅口组白云岩储层开展了大量岩心（屑）、地表露头观察以及镜下薄片鉴定，结合测井解释资料和地震解释资料，对白云岩储层特征及其成因进行了约束。

1）区内茅口组二段发育裂缝—孔洞型白云岩储层；其岩性主要为细—中晶白云岩，由滩相颗粒灰岩经白云石化形成；其主要的储集空间类型为热液冲击破裂孔洞和非选择性溶蚀孔洞，构造裂缝和溶缝作为次要的储集空间类型在热液运移和提高储层渗流方面起到了重要作用。

2）海西期峨眉地裂运动和勉略洋北向俯冲所控制的基底断裂活动诱发了中二叠世晚期台内盆地的形成，并控制了台盆边缘高能滩相颗粒灰岩的分布。在较高的古地温梯度、残余的海源流体和随断裂运移的热液流体所提供的丰富的镁离子的作用下，滩相颗粒灰岩被广泛白云石化。同时，海西期的断裂—裂缝—热液活动以及印支期的断裂—裂缝活动控制了区内茅口组白云岩储层各类储集空间的形成。因此，构造作用是川中地区茅口组白云岩储层形成的主要控制机制，下一步滚动勘探应当重视断裂集中分布区域。