川中地区中二叠统栖霞组优质白云岩储层特征及发育模式

2024-03-15徐会林罗文军杨东凡兰雪梅杨亚男闫梦楠唐思哲

天然气勘探与开发 2024年1期

徐会林罗文军杨东凡兰雪梅杨亚男闫梦楠付蕾唐思哲

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院四川成都 610041

0 引言

近年来，四川盆地中二叠统栖霞组不断获得勘探新发现和新苗头，展现出良好的天然气勘探前景，被认为是四川盆地二叠系勘探的重要领域。四川盆地西部地区栖霞组气藏勘探开发上已经取得了显著的成效，特别是在川西北双鱼石地区天然气三级储量超千亿立方米、已建成年产天然气20×108m3的产能规模。近年来四川盆地中部地区（简称“川中地区”）也相继在MX42井、MX31X1井、GS18井等钻遇白云岩储层并连获高产工业气流，特别是GS001-X45井测试获得天然气产量162×104m3/d，揭示了川中地区栖霞组也具有巨大的勘探开发潜力。但由于川中地区栖霞组薄层白云岩储层预测难度大，制约了川中高石梯-磨溪区块栖霞组气藏效益开发。因此，厘清川中地区栖霞组白云岩储层发育主控因素是预测研究区白云岩薄储层分布的关键。

学者们针对四川盆地栖霞组白云岩储层的成因进行了大量研究工作，关于白云岩成因模式主要存在以下几种观点。金振奎[1]等研究认为白云岩的成因主要为玄武岩淋滤作用，黄思静[2]、陈轩[3]等研究成果认为构造—热液白云石化为白云岩储层的主要成因，江青春[4]等认为中—粗晶云岩为埋藏期白云石化作用形成，杨光[5]等认为白云岩的成因以混合水白云石化为主，白晓亮[6]等认为川西地区白云岩成因为埋藏期热液成因。这些前人的研究成果多为盆地尺度或集中于川西台缘带地区，而对于广大台内川中地区的栖霞组相关研究相对较少，研究程度低。因此，笔者以川中地区栖霞组为研究对象，通过对研究区实钻井的岩心观察、薄片鉴定、成像测井、阴极发光和地球化学分析等方法，对白云岩储层特征及成因模式进行了研究，分析了薄层白云岩基本特征，建立白云岩成因发育模式，为加快川中地区栖霞组气藏的效益开发奠定基础。

1 区域地质背景

位于川中古隆起南部高石梯—磨溪地区，其地层展布和沉积格局受古隆起影响较大[7-10]。四川盆地为经历了6大沉积构造旋回的多期构造叠合盆地，其中加里东旋回晚期挤压隆升—海西中晚期裂陷运动过程对四川盆地油气成藏具有重要的控制作用。受加里东构造运动影响使四川盆地表现为局部隆升，形成了川中古隆起。川中高石梯—磨溪区块二叠系与下伏的震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、石炭系（泥盆系普遍缺失）呈角度不整合接触。二叠系上统包括龙潭组、长兴组，中统包括梁山组、栖霞组、茅口组。研究区的目的层栖霞组与梁山组、茅口组之间均呈整合接触关系。

四川盆地内川西台缘和川中古隆起高带控制了高能滩体的分布和优质储层规模发育，形成盆地内“一缘一环带”规模滩相白云岩分布的格局，川西海盆边缘和川中地区环古隆起周缘发育了规模分布的台缘滩和环带状台内滩，滩体规模大、分布范围广，白云岩储层发育[11-13]。研究区位于川中地区高石梯—磨溪区块，构造位置处于四川盆地中部，川中古隆起中斜平缓构造带（图1）。川中地区栖霞组厚度介于90～120 m，为开阔台地相沉积环境，处于台内颗粒滩发育的有利相带，岩性以石灰岩为主，局部发育薄层白云岩[14-15]。

图1 研究区地理位置及地层综合柱状图

2 层序地层格架建立

精细的等时层序格架建立可为川中地区栖霞组白云岩储层的形成与展布特征确定地层框架的约束，进而能够在等时层序格架内探讨有利储层的发育和分布规律[16]。目前国内学者们对四川盆地栖霞组的层序划分存在差异，且大多以川西台缘带为研究对象，针对川中地区栖霞组精细的层序地层特征研究相对较少。

综合野外及钻井岩石学特征、电性特征、地球化学特征，可将川中地区栖霞组划分为SQ1、SQ2两个三级层序，SQ2可进一步划分为两个四级层序。栖霞组整体电性特征表现为从下到上GR曲线值下降特征。底部的高GR、低电阻率段从取心井的岩性观察和薄片鉴定上看，为深灰色泥晶灰岩，代表一种深水低能沉积环境，在区域上可横向追踪对比(图2-b、c)。SQ2段的GR曲线值及泥质含量明显变低，代表沉积水体能量变强，岩性以相对高能的亮晶颗粒灰岩沉积为主（图2-d、e）。因此，可以将栖霞组划分为栖一段和栖二段。

图2 栖一段和栖二段划分依据图

SQ2段可进一步划分为两个向上变浅的旋回：①电性标志：每段旋回电阻率自下而上逐渐变低，GR表现为箱状特征；②岩性标志：旋回界面岩性变化清楚；③地球化学特征：界面附近碳同位素和微量元素均具有突变特征，旋回界面岩性变化清楚（图3-a、b）。因此，可以将栖二段划分为栖二下亚段和栖二上亚段。

图3 SQ2四级层序划分依据图

3 储层基本特征

3.1 储集岩性与储集空间类型

通过对川中地区取心井大量岩心、薄片观察和实验分析表明，川中地区栖霞组储集岩性以细—中晶残余砂屑云岩为主。储集空间类型包括孔隙、溶洞和裂缝，其中孔隙类型主要为晶间（溶）孔、粒间溶孔，通过对7口井取心段的岩心统计，洞密度在2～32个/m之间，局部裂缝发育，缝密度1.67～2.96条/m（图4）。

3.2 储层物性特征

研究区7口取心井大量的岩心孔渗实验表明，川中地区栖霞组白云岩储层总体表现为低孔隙度、低渗透率的特征。其中，储层岩心柱塞样品孔隙度分布在2%～5%之间，中值4%，具有低孔特征，储层岩心柱塞样品渗透率分布在0.003～35.000 mD之间，中值0.100 mD，具有低渗透特征。

3.3 储层类型划分

根据岩心、薄片、成像测井资料，基于孔洞缝搭配关系及其成因等综合评价，将川中地区栖霞组白云岩储层划分为裂缝-孔洞型、孔洞型和孔隙型3种类型，其中，裂缝-孔洞型和孔洞型储层为相对优质储层（表1）。裂缝-孔洞型白云岩储层从岩心和成像测井图上溶蚀孔洞和裂缝均发育，常规物性孔隙度大于4%，渗透率大于1 mD，常规测井值为补偿中子大于2.3%，声波时差大于55 μs/ft；孔洞型白云岩储层溶蚀孔洞发育，常规物性孔隙度大于4%，渗透率介于0.1～1.0 mD，常规测井值为补偿中子大于2.3%，声波时差介于50～55 μs/ft；孔隙型白云岩储层溶蚀孔洞和裂缝均欠发育，常规物性孔隙度介于2%～4%，渗透率小于0.100 mD，常规测井值为补偿中子介于2.0%～2.3%，声波时差介于48～50 μs/ft。川中地区栖霞组优质白云岩储层为低孔低渗透、厚度薄且多层，非均质强的储层，优质储层单井累计厚度0.6～10.7 m，平均厚度仅5.8 m。

4 优质白云岩储层的主控因素与发育模式

通过对川中地区栖霞组沉积作用、岩溶作用、白云石化作用和构造作用的综合分析，认为有利沉积相带控制了研究区优质白云岩储层的展布，准同生期岩溶作用和准同生期白云石化作用控制了白云岩储层发育的规模，断裂叠加改造作用控制了白云岩储层品质，三者共同控制了优质储层的展布和品质。

4.1 沉积作用

通过对川中地区栖霞组7口取心井进行精细的岩心观察与描述，并结合岩性、测井曲线、成像测井等测井资料进行单井相研究。研究表明，川中地区栖霞组为开阔台地相沉积，可识别出3种亚相——台坪亚相、台内滩亚相以及台内缓坡亚相，4种微相——缓坡灰泥、滩间海、颗粒滩、潮坪，其中颗粒滩微相为有利沉积微相（表2），并建立起了川中地区栖霞组沉积演化模式（图5）。从沉积演化模式图可知：①栖一段沉积期为梁山组后规模海侵的低能泥晶灰岩沉积物，为梁山组之后的继续补偿沉积。②栖二下亚段沉积期，随着海平面下降高石梯高带（高地、次高）—上斜坡—下斜坡泥晶生屑灰岩沉积厚度逐级增厚；当海平面下降至适宜深度后，高带—上斜坡开始发育高能颗粒滩，但由于受海平面高频震荡影响，高地频繁接近海平面，不适宜滩体生长，滩体厚度薄，而微地貌次高、上斜坡在适宜深度发育厚度较厚的高能滩。③栖二上亚段沉积期，经历初期短暂海侵后，高带—上斜坡沉积可容纳空间有限而基本被填平，海平面整体较浅，不适宜滩体发育，滩体在下斜坡滩体开始生长，规模相对较小。

表2 川中地区栖霞组沉积相及对应岩电特征表

图5 川中地区栖霞组滩体沉积演化模式图

由于栖一段、梁山组均为低能沉积物，因此，可用“栖一段+梁山组”厚度间接反映栖二段沉积前古地貌，“栖一段+梁山组”厚度薄的地方为栖二段沉积前地貌高部位，“栖一段+梁山组”厚度厚的地方为栖二段沉积前地貌低部位。从沉积微相连井剖面可知（图6），颗粒滩发育受到“栖一段+梁山组”厚度的控制，主要发育在栖二下亚段顶部和栖二上亚段中部和上部。据栖一段和梁山组厚度可将栖二段沉积前古地貌划分为高地、次高、上斜坡、下斜坡4个微地貌单元（表3）。实钻井证实颗粒滩发育受地貌控制，滩体主要发育于次高、上斜坡区域，微地貌高地由于频繁接近海平面，不适宜滩体生长，滩体欠发育（图7）。同时，镜下岩心薄片可以观察到，高能滩环境下沉积的亮晶生屑、亮晶砂屑灰岩易遭受溶蚀，形成粒间溶孔。低能滩沉积环境下，以沉积泥晶颗粒灰岩、泥晶灰岩为主，岩性相对致密，沉积期处于相对低地貌，不易接受同生期、准同生期流体改造，导致后期溶蚀改造和次生孔隙的难以形成（图8）。

表3 古地貌单元划分表

图6 高石102—磨溪108井栖霞组沉积相剖面对比图

图7 栖一段+梁山组厚度与滩地比关系图

图8 不同沉积环境滩体孔隙发育特征图

4.2 准同生期岩溶作用和准同生期白云石化作用

在准同生期随着海平面下降，颗粒滩暴露接受大气淡水淋滤溶蚀作用，可使颗粒滩形成粒间溶孔、针状溶孔、毫米—厘米级孔洞，且由于微地貌的次高、上斜坡滩体沉积相对更厚，加之大气淡水水流方向向着次高、上斜坡流动，使得次高、上斜坡的溶蚀孔、洞更发育，形成优势的渗流通道。与此同时，富镁流体向下渗透回流，对先存孔洞的滩体进行白云石化，不仅增加基质孔隙（从镜下可以观察到溶蚀成因的孔隙边缘不规则，白云石化成因的孔隙在晶粒之间，且边缘规则），还增强岩石抗压性。从镜下薄片可以观察到细—中晶残余砂屑云岩为他形晶，以非平直晶面为主，晶面较脏，晶体形态和轮廓多不清晰，多具有波状消光的特点，偶见残余生物碎屑，阴极发光呈昏暗发光或不发光（图9）。通过对研究区稀土元素进行分析（图10），认为细—中晶残余砂屑云岩的稀土元素分配模式与石灰岩相似，说明白云岩继承了石灰岩特征，表明白云石化流体来源于海水，即富镁白云石化流体与海水环境中沉积的石灰岩具有同源性，白云石化作用发生于准同生期，此时白云石化流体供应充足，使白云石快速结晶，可见明显的残余颗粒幻影。

图9 准同生期大气淡水和白云石化特征图

图10 研究区栖霞组细—中晶、细晶白云岩与石灰岩稀土元素分配模式图

四川盆地二叠系的白云岩成因，大多数观点认为是由于二叠纪峨眉地裂运动引发的构造-热液作用形成的，本次研究认为川中地区高石梯—磨溪区块栖霞组白云岩形成主要受准同生期岩溶作用和准同生期白云石化作用而形成。

4.3 断裂叠加改造作用

近年对四川盆地中部地区走滑断裂研究表明，断层及周围裂缝可以有效提升储集的孔隙度和渗透率，也可沟通烃源岩与储层，起到聚气高产的作用[17-20]。研究区实钻井证实，在断裂附近裂缝及孔洞发育程度明显提高。部署的GS001-X45、GS045-H2等评价井位于断裂附近，结合成像测井可知，其裂缝及溶蚀孔洞发育，进一步证实了断裂在滩相储层发育基础上具有优储作用（图11）。

综上所述，颗粒滩是优质白云岩储层发育的物质基础，准同生期溶蚀作用和准同生期白云石化作用控制白云岩储层发育规模，埋藏期断裂在储层发育基础上具有进一步优储作用。即“滩体控有无、白云石化控规模、断裂控品质”的“三控”优质白云岩储层发育机理。

4.4 优质白云岩储层发育模式

根据实钻井分析，建立川中地区栖霞组优质白云岩储层发育模式。认为研究区主要存在2种优质白云岩储层发育模式：①高能滩相+准同生期岩溶作用和准同生期白云石化作用模式：颗粒滩暴露接受大气淡水溶蚀，受到溶蚀作用形成毫米—厘米级溶蚀孔洞及粒间溶孔，由于次高、上斜坡微地貌的高能滩体更厚，且大气水淋滤溶蚀更强，溶蚀孔、洞更发育；同时，富镁流体向下渗透回流，对先存孔洞的滩体进行白云石化，形成白云岩储层。②高能滩相+准同生期岩溶作用和准同生期白云石化作用+断裂叠加改造作用模式：在模式①基础上，断裂一方面增加岩层渗透性，另一方面进一步改造白云岩储层而形成更加优质的裂缝-孔洞型储层（图12）。