沉積與成巖特點以及對儲集層的控制論文
引言下三疊統飛仙關組是川東北地區油氣勘探的重要目的層，也是該地區主要的儲集層。飛仙關組儲集層主要發育在鮞灘地層中，沿開江—梁平陸棚兩側的臺地邊緣分布，層位主要集中在飛一段和飛二段。前人對飛仙關組鮞灘的層序地層、沉積相展布、成巖作用、成巖演化等都進行過研究[1-10]，但主要針對的是陸棚東側的普光地區，而對位于陸棚西側的元壩地區研究較少。雖然普光地區和元壩地區具有相同的沉積背景，但其鮞灘的沉積特征、成巖作用差異卻很大。本文以普光和元壩地區的鮞灘為研究對象，對比分析陸棚兩側鮞灘的沉積、成巖特征，并初步探討它們對儲集層的控制作用。
1 地質背景
川東北地區位于四川盆地東北部(見圖 1)，長興組—飛仙關組沉積時期該地區屬于碳酸鹽臺地的一部分[11]。受北部廣旺臺盆的形成演化、米倉山與大巴山構造帶及“峨眉地裂”運動的共同影響[2-3，5，12]，晚二疊世早期該地區處于拉張狀態，沿開江—梁平一線形成了局部凹陷。這一局部凹陷即為長興組—飛仙關組沉積時期的開江—梁平陸棚。開江—梁平陸棚的形成和演化對川東北地區沉積相帶展布具有一定的控制作用。飛一段沉積期，沿開江—梁平陸棚兩側分別發育臺地邊緣斜坡相、臺地邊緣相和臺地相沉積。隨著相對海平面的下降，飛二段沉積期，陸棚兩側的沉積相帶均有向陸棚方向遷移的趨勢，其中陸棚西側的沉積相帶遷移距離較長，而陸棚東側的沉積相帶遷移距離較短，東側的臺地相演化為局限臺地—蒸發臺地相，沉積了大量的膏云巖和膏巖。飛三段沉積期，川東北地區進入快速沉積階段，沉積物基本填平了陸棚。飛四段沉積期，全區除普光 6井附近發育少量局限臺地外，其余大部分地區均為蒸發臺地。飛仙關組處于三級相對海平面的下降半旋回，飛仙關組沉積末期相對海平面下降到最低(見圖 2)，鮞灘地層主要發育在飛一段頂部和飛二段。
2 鮞灘沉積
碳酸鹽巖鮞灘沉積主要分布在臺地邊緣或海水能量較高的內緩坡，臺地內部只發育一些規模較小的點灘。鮞灘沉積受海水的深度、能量條件、化學組成等因素的影響，并隨相對海平面變化而遷移。川東北地區飛仙關組鮞灘主要沿開江—梁平陸棚兩側的臺地邊緣分布，普光和元壩地區分別位于陸棚的東側和西側(見圖 3)，兩個地區在鮞灘的宏觀分布和內部沉積特征上存在較大差異。
2.1 鮞灘宏觀分布
普光與元壩地區的鮞灘在垂向疊置和橫向遷移上具有不同的特征。普光地區鮞灘沉積厚度大，不同層段垂向疊置(見圖 4)。飛一段沉積期，普光 2 井區鮞灘厚度最大，是鮞灘的主體。飛二段沉積期，隨著相對海平面的下降，鮞灘開始朝陸棚方向遷移，但遷移距離不長，整體上表現為垂向疊置的關系，普光 6 井區和普光 4 井區鮞灘厚度最大。與普光地區相比，元壩地區的鮞灘分布規律明顯不同，總體表現出沉積厚度小、分布面積廣、遷移距離長的特點(見圖 4)。飛一段沉積期，鮞灘僅在元壩 2 井區飛一段頂部有分布。飛二段沉積期，鮞灘向陸棚方向有較大距離的遷移，一直延伸到元壩 4 井附近，形成了大范圍的鮞灘沉積;灘體較薄，垂向疊置不明顯。飛三段沉積期，元壩地區僅元壩 4 井附近沉積了一套厚 6 m 的鮞灘地層。地震和鉆井資料揭示，飛仙關組沉積期，普光與元壩地區的古地形存在較大差異[13]，普光地區臺地邊緣較陡，坡度約為 15°，而元壩地區坡度較小，約為 7°。此外，飛二段沉積期，相對海平面有一次較大幅度的下降。根據鮞灘的沉積厚度和遷移規律，推斷古地形差異和海平面變化共同導致了兩地區鮞灘沉積在宏觀分布上的差異。
2.2 鮞灘內部沉積
普光與元壩地區的鮞灘在內部沉積特征上也存在較大差異。這主要體現在鮞灘內部的沉積旋回上，普光地區鮞灘內部單個沉積旋回厚度大，而元壩地區鮞灘內部單個沉積旋回厚度小，旋回頻率高。
2.2.1 普光地區鮞灘內部沉積旋回
普光 2 井是普光地區的代表井，鮞灘主要分布在飛一段和飛二段的中下部。普光 2 井飛二段的鮞灘由多個向上變淺的沉積旋回組成，每個旋回下段為泥晶白云巖，上段為鮞粒白云巖，表現出從泥灰巖、粒泥灰巖、泥粒灰巖到顆粒灰巖的變化(見圖 5)。單個沉積旋回厚度大，約為 2~26 m。受相對海平面變化影響，灘體遷移距離小，使得鮞粒白云巖垂向疊加，單層厚度大。飛一段和飛二段沉積期，普光地區位于坡度較陡的臺地邊緣，高能海水對鮞灘沉積的影響主要體現在巖石結構在垂向上的差異。
2.2.2 元壩地區鮞灘內部沉積旋回
飛一段、飛二段沉積期，元壩地區地勢較平坦，受海平面變化影響，鮞灘橫向上遷移變化明顯，灘體內部沉積旋回頻率高，單個沉積旋回厚度小且巖石結構呈漸變發育。以元壩 27 井為例，鮞灘主要發育在飛二段，內部由多個向上變淺的沉積旋回組成，單個旋回巖性的'變化大致為由泥晶灰巖到鮞粒灰巖再到豆粒灰巖，顆粒逐漸變粗。在 6 120.0~6 136.3 m 的巖心段上發育 8 個沉積旋回，最大旋回厚度為 4.4 m，最小旋回厚度僅有 0.7 m，沉積旋回發育的頻率明顯高于普光地區(見圖 6)。在單個沉積旋回中，還可以根據鮞粒的粒徑劃分出多個由鮞粒到豆粒的次一級沉積旋回。
3 成巖作用
碳酸鹽沉積物形成后，受海水、大氣淡水以及埋藏過程中孔隙流體的影響，發生壓實、膠結、溶解、礦物的多相轉變、白云石化、重結晶等多種成巖作用，最終固結成巖[14]。成巖作用決定了不同類型碳酸鹽巖最終的巖石結構。
3.1 成巖作用差異
普光地區鮞灘經歷了多種成巖作用。成巖階段早期，由于大氣淡水的滲流溶蝕作用，形成了豐富的粒內孔、粒間孔以及鑄模孔(見圖 7a、7b);發生了大范圍的白云石化作用(見圖 5)，目前對于普光地區白云巖的成因仍然存在爭議，認為主要的成因模式有蒸發模式、混合水模式、滲透回流模式、埋藏模式以及熱液模式[10， 15-25];還經歷了不同期次的膠結作用，膠結類型有櫛殼狀膠結、柱狀膠結和粒狀膠結。成巖階段中期，發生了壓實、壓溶、重結晶作用。在壓實作用下，鮞粒緊密排列，發生擠壓變形，甚至發生壓溶作用，形成了顆粒之間的縫合線接觸。普光地區鮞灘的重結晶作用較強烈，鮞粒的原始結構被破壞，鮞粒結構轉變為晶粒結構，但仍可見殘留的鮞粒輪廓(見圖7c)。成巖階段晚期，發生了埋藏溶蝕和破裂作用，形成了一些港灣狀的晶間溶孔、粒間溶孔和裂縫。元壩地區的鮞灘經歷了較強的壓實、壓溶作用，鮞粒發生變形，且形成了大量的縫合線，縫合線主要發育在顆粒較小的巖層或巖石結構發生變化的界面處。由于溶蝕作用，形成了一些鑄模孔和粒內孔(見圖 7d、7e)，鑄模孔主要發育在沉積旋回的中上部，這可能是遭到暴露溶蝕或大氣淡水與海水共同溶蝕造成的。在成巖過程中，烴類充注、裂解，在孔隙中殘留有瀝青，后來瀝青又被片狀亮晶方解石膠結(見圖 7d、7e)。晚期在構造作用下發生了破裂作用，裂縫切割鮞粒和片狀方解石，裂縫未充填，增加了巖石的孔隙度。元壩地區鮞灘重結晶作用強度不大，并未造成鮞粒結構的消失。普光和元壩地區鮞灘的成巖作用既有共性，也存在較大差異。兩個地區都發生了壓實、壓溶、早期膠結、溶蝕以及重結晶作用;但普光地區鮞灘還發生了大規模的白云石化作用，元壩地區鮞灘的壓實、壓溶作用強度更大，晚期還經歷了一次較強的埋藏膠結作用。此外，普光地區鮞灘各類成巖作用在垂向上的連續性明顯好于元壩地區鮞灘，元壩地區鮞灘不同巖層成巖類型差異很大(見圖 6、圖 7)。
3.2 成巖序列
成巖序列是根據碳酸鹽沉積物經歷不同成巖作用后所保留下來的成巖特征而建立的，其中顆粒碳酸鹽巖成巖序列的建立最為復雜。普光地區的鮞灘成巖序列如圖 8a 所示。海底成巖階段，發生了多期膠結作用;由于微生物的活動，在鮞粒周圍形成了泥晶套。淺埋藏階段，由于相對海平面下降，鮞灘遭受暴露溶蝕，形成了豐富的粒內孔和鑄模孔，巖心觀察發現的暴露沖刷面也證實了這一點。此外，該成巖階段普光地區鮞灘還經歷了大范圍的白云石化作用，白云石化發生的時間可根據縫合線的發育情況進行判斷。縫合線是在埋藏過程中壓實作用達到極限所形成的化學溶解，一般認為其發育的深度在500~830 m[26-27]。由于白云巖的抗壓實能力大于灰巖，普光地區鮞灘中發育的縫合線明顯少于元壩地區，因此推斷普光地區鮞灘白云石化作用主要發生在鑄模孔形成之后、淺埋藏壓溶作用發生之前。中埋藏階段，由于白云石化作用增加了巖石的抗壓實能力，鮞灘中的孔隙得以保留;烴類充注前期還發生了有機酸溶蝕作用，但溶掉的部分被流體帶走，不能定量地反應有機酸溶蝕的貢獻。TSR 反應(硫酸鹽熱化學還原反應)在深埋藏條件下進行，溫度在 80~200 ℃，高含 H2S氣體及單質硫的發現印證了 TSR 反應的發生[28-29]。對于重結晶作用發生的深度一直沒有相關的研究，重結晶作用與溫度、壓力條件有關，一般認為埋藏越深重結晶作用越強烈。元壩地區鮞灘的成巖序列如圖 8b 所示。海底成巖階段，發生了泥晶化作用和多期膠結作用。淺埋藏階段，溶蝕作用并不強烈，白云石化作用也很弱，成巖作用以壓實、壓溶和膠結作用為主。淺埋藏階段形成的孔隙為烴類充注提供了空間，中埋藏階段有機酸溶蝕為增加孔隙空間起到了一定的作用。在元壩地區鮞粒灰巖薄片中發現，瀝青并未貼合在孔隙內壁，內壁較干凈無污染(見圖 7f)，推斷深埋藏階段瀝青形成后又發生了一期埋藏溶蝕作用，溶蝕強度不大，溶蝕形成的空間在晚期膠結了亮晶方解石(見圖 9)。深埋藏階段，元壩地區鮞粒灰巖經歷了一次埋藏膠結，發生在埋藏溶蝕作用之后，亮晶方解石被瀝青所包裹或少量充填于溶蝕形成的空間。晚期破裂作用形成的干縫切割了鮞粒、瀝青以及瀝青包裹的亮晶方解石(圖 7d、7e)。鮞灘也發生了重結晶作用。對比兩個地區灰巖與白云巖重結晶的情況后發現，白云巖較灰巖更容易發生重結晶作用。
4 沉積、成巖對儲集層的控制
川東北地區飛仙關組鮞灘巖性油氣藏儲集層發育受沉積、成巖控制明顯。沉積作用控制了儲集層的分布和厚度，成巖作用決定了儲集層孔隙的形成與演化，并最終決定儲集層的優劣。
4.1 儲集層的分布
對比普光、元壩地區的鮞灘發現，沉積作用不僅控制了鮞灘沉積的厚度、灘體內部的巖石組合，還控制了儲集層的分布[30-31]。普光、元壩地區的鮞灘儲集層中，孔隙發育較好的儲集層段大多集中在沉積旋回的頂部或上部。鮞灘厚度大時，儲集層的厚度也較大。普光地區鮞灘整體厚度較大，單層鮞粒灰巖(白云巖)也較厚，最終發育的儲集層厚度也較大。元壩地區鮞灘沉積旋回頻率高，儲集層總體厚度較小且在垂向上分布不連續(見圖 10)。
4.2 儲集層的孔隙類型及孔隙度
成巖作用類型及成巖序列決定了儲集層的孔隙類型。普光地區，早期的溶蝕作用和白云石化作用決定了鮞灘儲集層以鑄模孔、粒內孔、晶間孔及晶間溶孔為主，晚期發生的 TSR 溶蝕以及破裂作用進一步增加了儲集層的儲集空間。元壩地區，早期由于大氣淡水作用發生了選擇性溶蝕，孔隙類型以鑄模孔和粒內孔為主。受壓實、壓溶作用影響，含鑄模孔、粒內孔的鮞粒發生變形，甚至發生壓溶作用，儲集空間減少。晚期發生的埋藏膠結作用對儲集層的破壞也很大。在不同的成巖作用下，兩個地區儲集層的孔隙度差別較大，普光地區發育高孔、高滲的Ⅰ類儲集層，孔隙度為 2.00%~28.86%，主要集中在 6%~12%[4];而元壩地區則以低孔、低滲的Ⅲ類儲集層為主，孔隙度為1.5%~9.0%，主要集中在 2%~5%(見圖 10)。
5 結論
普光與元壩地區從沉積相帶上看同屬于臺地邊緣相，但鮞灘的沉積特征差異很大。普光地區鮞灘沉積厚度大，單層鮞粒白云巖較厚，不同層段在垂向上相互疊置，橫向上遷移不明顯;而元壩地區鮞灘沉積厚度薄，橫向遷移距離長，具有穿時性，且鮞灘內部沉積旋回厚度薄，頻率高。兩個地區鮞灘的成巖作用類型及強度也存在較大差別。通過建立鮞灘的成巖演化序列發現，兩個地區鮞灘早期成巖作用具有一定的相似性，均發生了壓實、多期膠結、溶蝕等作用。但普光地區鮞灘早期溶蝕作用較強，并且發生了大范圍的白云石化作用;元壩地區鮞灘壓實、壓溶作用較強，瀝青形成后還發生了一期埋藏溶蝕作用和一期埋藏膠結作用，埋藏膠結作用對孔隙破壞較大。造成兩個地區鮞灘沉積、成巖差異的主要原因是沉積時古地形差異和相對海平面變化。普光地區臺緣斜坡較陡，鮞灘沉積受海平面變化影響主要體現在垂向加積上;而元壩地區地勢較緩，受海平面變化影響較大，表現在鮞灘橫向遷移和高頻沉積旋回上。相對海平面升降影響了鮞灘的早期成巖環境，造成了早期成巖的巨大差異。普光、元壩地區鮞灘巖性油氣藏儲集層發育受沉積、成巖控制明顯，沉積作用控制了儲集層發育的分布和厚度，不同的成巖演化則決定了儲集層的優劣。
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