沉積與成巖特點(diǎn)以及對(duì)儲(chǔ)集層的控制論文
引言下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組是川東北地區(qū)油氣勘探的重要目的層，也是該地區(qū)主要的儲(chǔ)集層。飛仙關(guān)組儲(chǔ)集層主要發(fā)育在鮞灘地層中，沿開(kāi)江—梁平陸棚兩側(cè)的臺(tái)地邊緣分布，層位主要集中在飛一段和飛二段。前人對(duì)飛仙關(guān)組鮞灘的層序地層、沉積相展布、成巖作用、成巖演化等都進(jìn)行過(guò)研究[1-10]，但主要針對(duì)的是陸棚東側(cè)的普光地區(qū)，而對(duì)位于陸棚西側(cè)的元壩地區(qū)研究較少。雖然普光地區(qū)和元壩地區(qū)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(qū)的鮞灘為研究對(duì)象，對(duì)比分析陸棚兩側(cè)鮞灘的沉積、成巖特征，并初步探討它們對(duì)儲(chǔ)集層的控制作用。
1 地質(zhì)背景
川東北地區(qū)位于四川盆地東北部(見(jiàn)圖 1)，長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組沉積時(shí)期該地區(qū)屬于碳酸鹽臺(tái)地的一部分[11]。受北部廣旺臺(tái)盆的形成演化、米倉(cāng)山與大巴山構(gòu)造帶及“峨眉地裂”運(yùn)動(dòng)的共同影響[2-3，5，12]，晚二疊世早期該地區(qū)處于拉張狀態(tài)，沿開(kāi)江—梁平一線形成了局部凹陷。這一局部凹陷即為長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組沉積時(shí)期的開(kāi)江—梁平陸棚。開(kāi)江—梁平陸棚的形成和演化對(duì)川東北地區(qū)沉積相帶展布具有一定的控制作用。飛一段沉積期，沿開(kāi)江—梁平陸棚兩側(cè)分別發(fā)育臺(tái)地邊緣斜坡相、臺(tái)地邊緣相和臺(tái)地相沉積。隨著相對(duì)海平面的下降，飛二段沉積期，陸棚兩側(cè)的沉積相帶均有向陸棚方向遷移的趨勢(shì)，其中陸棚西側(cè)的沉積相帶遷移距離較長(zhǎng)，而陸棚東側(cè)的沉積相帶遷移距離較短，東側(cè)的臺(tái)地相演化為局限臺(tái)地—蒸發(fā)臺(tái)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(qū)進(jìn)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(qū)除普光 6井附近發(fā)育少量局限臺(tái)地外，其余大部分地區(qū)均為蒸發(fā)臺(tái)地。飛仙關(guān)組處于三級(jí)相對(duì)海平面的下降半旋回，飛仙關(guān)組沉積末期相對(duì)海平面下降到最低(見(jiàn)圖 2)，鮞灘地層主要發(fā)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(tái)地邊緣或海水能量較高的內(nèi)緩坡，臺(tái)地內(nèi)部只發(fā)育一些規(guī)模較小的點(diǎn)灘。鮞灘沉積受海水的深度、能量條件、化學(xué)組成等因素的影響，并隨相對(duì)海平面變化而遷移。川東北地區(qū)飛仙關(guān)組鮞灘主要沿開(kāi)江—梁平陸棚兩側(cè)的臺(tái)地邊緣分布，普光和元壩地區(qū)分別位于陸棚的東側(cè)和西側(cè)(見(jiàn)圖 3)，兩個(gè)地區(qū)在鮞灘的宏觀分布和內(nèi)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(qū)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(qū)鮞灘沉積厚度大，不同層段垂向疊置(見(jiàn)圖 4)。飛一段沉積期，普光 2 井區(qū)鮞灘厚度最大，是鮞灘的主體。飛二段沉積期，隨著相對(duì)海平面的下降，鮞灘開(kāi)始朝陸棚方向遷移，但遷移距離不長(zhǎng)，整體上表現(xiàn)為垂向疊置的關(guān)系，普光 6 井區(qū)和普光 4 井區(qū)鮞灘厚度最大。與普光地區(qū)相比，元壩地區(qū)的鮞灘分布規(guī)律明顯不同，總體表現(xiàn)出沉積厚度小、分布面積廣、遷移距離長(zhǎng)的特點(diǎn)(見(jiàn)圖 4)。飛一段沉積期，鮞灘僅在元壩 2 井區(qū)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(qū)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(guān)組沉積期，普光與元壩地區(qū)的古地形存在較大差異[13]，普光地區(qū)臺(tái)地邊緣較陡，坡度約為 15°，而元壩地區(qū)坡度較小，約為 7°。此外，飛二段沉積期，相對(duì)海平面有一次較大幅度的下降。根據(jù)鮞灘的沉積厚度和遷移規(guī)律，推斷古地形差異和海平面變化共同導(dǎo)致了兩地區(qū)鮞灘沉積在宏觀分布上的差異。
2.2 鮞灘內(nèi)部沉積
普光與元壩地區(qū)的鮞灘在內(nèi)部沉積特征上也存在較大差異。這主要體現(xiàn)在鮞灘內(nèi)部的沉積旋回上，普光地區(qū)鮞灘內(nèi)部單個(gè)沉積旋回厚度大，而元壩地區(qū)鮞灘內(nèi)部單個(gè)沉積旋回厚度小，旋回頻率高。
2.2.1 普光地區(qū)鮞灘內(nèi)部沉積旋回
普光 2 井是普光地區(qū)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(gè)向上變淺的沉積旋回組成，每個(gè)旋回下段為泥晶白云巖，上段為鮞粒白云巖，表現(xiàn)出從泥灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥�；�?guī)r到顆粒灰?guī)r的變化(見(jiàn)圖 5)。單個(gè)沉積旋回厚度大，約為 2~26 m。受相對(duì)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(qū)位于坡度較陡的臺(tái)地邊緣，高能海水對(duì)鮞灘沉積的影響主要體現(xiàn)在巖石結(jié)構(gòu)在垂向上的差異。
2.2.2 元壩地區(qū)鮞灘內(nèi)部沉積旋回
飛一段、飛二段沉積期，元壩地區(qū)地勢(shì)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(nèi)部沉積旋回頻率高，單個(gè)沉積旋回厚度小且?guī)r石結(jié)構(gòu)呈漸變發(fā)育。以元壩 27 井為例，鮞灘主要發(fā)育在飛二段，內(nèi)部由多個(gè)向上變淺的沉積旋回組成，單個(gè)旋回巖性的'變化大致為由泥晶灰?guī)r到鮞�；�?guī)r再到豆�；�?guī)r，顆粒逐漸變粗。在 6 120.0~6 136.3 m 的巖心段上發(fā)育 8 個(gè)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(fā)育的頻率明顯高于普光地區(qū)(見(jiàn)圖 6)。在單個(gè)沉積旋回中，還可以根據(jù)鮞粒的粒徑劃分出多個(gè)由鮞粒到豆粒的次一級(jí)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(guò)程中孔隙流體的影響，發(fā)生壓實(shí)、膠結(jié)、溶解、礦物的多相轉(zhuǎn)變、白云石化、重結(jié)晶等多種成巖作用，最終固結(jié)成巖[14]。成巖作用決定了不同類型碳酸鹽巖最終的巖石結(jié)構(gòu)。
3.1 成巖作用差異
普光地區(qū)鮞灘經(jīng)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(nèi)孔、粒間孔以及鑄�？�(見(jiàn)圖 7a、7b);發(fā)生了大范圍的白云石化作用(見(jiàn)圖 5)，目前對(duì)于普光地區(qū)白云巖的成因仍然存在爭(zhēng)議，認(rèn)為主要的成因模式有蒸發(fā)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(jīng)歷了不同期次的膠結(jié)作用，膠結(jié)類型有櫛殼狀膠結(jié)、柱狀膠結(jié)和粒狀膠結(jié)。成巖階段中期，發(fā)生了壓實(shí)、壓溶、重結(jié)晶作用。在壓實(shí)作用下，鮞粒緊密排列，發(fā)生擠壓變形，甚至發(fā)生壓溶作用，形成了顆粒之間的縫合線接觸。普光地區(qū)鮞灘的重結(jié)晶作用較強(qiáng)烈，鮞粒的原始結(jié)構(gòu)被破壞，鮞粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＝Y(jié)構(gòu)，但仍可見(jiàn)殘留的鮞粒輪廓(見(jiàn)圖7c)。成巖階段晚期，發(fā)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(qū)的鮞灘經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)、壓溶作用，鮞粒發(fā)生變形，且形成了大量的縫合線，縫合線主要發(fā)育在顆粒較小的巖層或巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的界面處。由于溶蝕作用，形成了一些鑄�？缀土�(nèi)孔(見(jiàn)圖 7d、7e)，鑄�？字饕l(fā)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(guò)程中，烴類充注、裂解，在孔隙中殘留有瀝青，后來(lái)瀝青又被片狀亮晶方解石膠結(jié)(見(jiàn)圖 7d、7e)。晚期在構(gòu)造作用下發(fā)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(qū)鮞灘重結(jié)晶作用強(qiáng)度不大，并未造成鮞粒結(jié)構(gòu)的消失。普光和元壩地區(qū)鮞灘的成巖作用既有共性，也存在較大差異。兩個(gè)地區(qū)都發(fā)生了壓實(shí)、壓溶、早期膠結(jié)、溶蝕以及重結(jié)晶作用;但普光地區(qū)鮞灘還發(fā)生了大規(guī)模的白云石化作用，元壩地區(qū)鮞灘的壓實(shí)、壓溶作用強(qiáng)度更大，晚期還經(jīng)歷了一次較強(qiáng)的埋藏膠結(jié)作用。此外，普光地區(qū)鮞灘各類成巖作用在垂向上的連續(xù)性明顯好于元壩地區(qū)鮞灘，元壩地區(qū)鮞灘不同巖層成巖類型差異很大(見(jiàn)圖 6、圖 7)。
3.2 成巖序列
成巖序列是根據(jù)碳酸鹽沉積物經(jīng)歷不同成巖作用后所保留下來(lái)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(fù)雜。普光地區(qū)的鮞灘成巖序列如圖 8a 所示。海底成巖階段，發(fā)生了多期膠結(jié)作用;由于微生物的活動(dòng)，在鮞粒周圍形成了泥晶套。淺埋藏階段，由于相對(duì)海平面下降，鮞灘遭受暴露溶蝕，形成了豐富的粒內(nèi)孔和鑄�？祝瑤r心觀察發(fā)現(xiàn)的暴露沖刷面也證實(shí)了這一點(diǎn)。此外，該成巖階段普光地區(qū)鮞灘還經(jīng)歷了大范圍的白云石化作用，白云石化發(fā)生的時(shí)間可根據(jù)縫合線的發(fā)育情況進(jìn)行判斷。縫合線是在埋藏過(guò)程中壓實(shí)作用達(dá)到極限所形成的化學(xué)溶解，一般認(rèn)為其發(fā)育的深度在500~830 m[26-27]。由于白云巖的抗壓實(shí)能力大于灰?guī)r，普光地區(qū)鮞灘中發(fā)育的縫合線明顯少于元壩地區(qū)，因此推斷普光地區(qū)鮞灘白云石化作用主要發(fā)生在鑄�？仔纬芍�、淺埋藏壓溶作用發(fā)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(shí)能力，鮞灘中的孔隙得以保留;烴類充注前期還發(fā)生了有機(jī)酸溶蝕作用，但溶掉的部分被流體帶走，不能定量地反應(yīng)有機(jī)酸溶蝕的貢獻(xiàn)。TSR 反應(yīng)(硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng))在深埋藏條件下進(jìn)行，溫度在 80~200 ℃，高含 H2S氣體及單質(zhì)硫的發(fā)現(xiàn)印證了 TSR 反應(yīng)的發(fā)生[28-29]。對(duì)于重結(jié)晶作用發(fā)生的深度一直沒(méi)有相關(guān)的研究，重結(jié)晶作用與溫度、壓力條件有關(guān)，一般認(rèn)為埋藏越深重結(jié)晶作用越強(qiáng)烈。元壩地區(qū)鮞灘的成巖序列如圖 8b 所示。海底成巖階段，發(fā)生了泥晶化作用和多期膠結(jié)作用。淺埋藏階段，溶蝕作用并不強(qiáng)烈，白云石化作用也很弱，成巖作用以壓實(shí)、壓溶和膠結(jié)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(jī)酸溶蝕為增加孔隙空間起到了一定的作用。在元壩地區(qū)鮞�；�?guī)r薄片中發(fā)現(xiàn)，瀝青并未貼合在孔隙內(nèi)壁，內(nèi)壁較干凈無(wú)污染(見(jiàn)圖 7f)，推斷深埋藏階段瀝青形成后又發(fā)生了一期埋藏溶蝕作用，溶蝕強(qiáng)度不大，溶蝕形成的空間在晚期膠結(jié)了亮晶方解石(見(jiàn)圖 9)。深埋藏階段，元壩地區(qū)鮞�；�?guī)r經(jīng)歷了一次埋藏膠結(jié)，發(fā)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(fā)生了重結(jié)晶作用。對(duì)比兩個(gè)地區(qū)灰?guī)r與白云巖重結(jié)晶的情況后發(fā)現(xiàn)，白云巖較灰?guī)r更容易發(fā)生重結(jié)晶作用。
4 沉積、成巖對(duì)儲(chǔ)集層的控制
川東北地區(qū)飛仙關(guān)組鮞灘巖性油氣藏儲(chǔ)集層發(fā)育受沉積、成巖控制明顯。沉積作用控制了儲(chǔ)集層的分布和厚度，成巖作用決定了儲(chǔ)集層孔隙的形成與演化，并最終決定儲(chǔ)集層的優(yōu)劣。
4.1 儲(chǔ)集層的分布
對(duì)比普光、元壩地區(qū)的鮞灘發(fā)現(xiàn)，沉積作用不僅控制了鮞灘沉積的厚度、灘體內(nèi)部的巖石組合，還控制了儲(chǔ)集層的分布[30-31]。普光、元壩地區(qū)的鮞灘儲(chǔ)集層中，孔隙發(fā)育較好的儲(chǔ)集層段大多集中在沉積旋回的頂部或上部。鮞灘厚度大時(shí)，儲(chǔ)集層的厚度也較大。普光地區(qū)鮞灘整體厚度較大，單層鮞粒灰?guī)r(白云巖)也較厚，最終發(fā)育的儲(chǔ)集層厚度也較大。元壩地區(qū)鮞灘沉積旋回頻率高，儲(chǔ)集層總體厚度較小且在垂向上分布不連續(xù)(見(jiàn)圖 10)。
4.2 儲(chǔ)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(chǔ)集層的孔隙類型。普光地區(qū)，早期的溶蝕作用和白云石化作用決定了鮞灘儲(chǔ)集層以鑄模孔、粒內(nèi)孔、晶間孔及晶間溶孔為主，晚期發(fā)生的 TSR 溶蝕以及破裂作用進(jìn)一步增加了儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集空間。元壩地區(qū)，早期由于大氣淡水作用發(fā)生了選擇性溶蝕，孔隙類型以鑄模孔和粒內(nèi)孔為主。受壓實(shí)、壓溶作用影響，含鑄�？�、粒內(nèi)孔的鮞粒發(fā)生變形，甚至發(fā)生壓溶作用，儲(chǔ)集空間減少。晚期發(fā)生的埋藏膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)集層的破壞也很大。在不同的成巖作用下，兩個(gè)地區(qū)儲(chǔ)集層的孔隙度差別較大，普光地區(qū)發(fā)育高孔、高滲的Ⅰ類儲(chǔ)集層，孔隙度為 2.00%~28.86%，主要集中在 6%~12%[4];而元壩地區(qū)則以低孔、低滲的Ⅲ類儲(chǔ)集層為主，孔隙度為1.5%~9.0%，主要集中在 2%~5%(見(jiàn)圖 10)。
5 結(jié)論
普光與元壩地區(qū)從沉積相帶上看同屬于臺(tái)地邊緣相，但鮞灘的沉積特征差異很大。普光地區(qū)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(qū)鮞灘沉積厚度薄，橫向遷移距離長(zhǎng)，具有穿時(shí)性，且鮞灘內(nèi)部沉積旋回厚度薄，頻率高。兩個(gè)地區(qū)鮞灘的成巖作用類型及強(qiáng)度也存在較大差別。通過(guò)建立鮞灘的成巖演化序列發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)地區(qū)鮞灘早期成巖作用具有一定的相似性，均發(fā)生了壓實(shí)、多期膠結(jié)、溶蝕等作用。但普光地區(qū)鮞灘早期溶蝕作用較強(qiáng)，并且發(fā)生了大范圍的白云石化作用;元壩地區(qū)鮞灘壓實(shí)、壓溶作用較強(qiáng)，瀝青形成后還發(fā)生了一期埋藏溶蝕作用和一期埋藏膠結(jié)作用，埋藏膠結(jié)作用對(duì)孔隙破壞較大。造成兩個(gè)地區(qū)鮞灘沉積、成巖差異的主要原因是沉積時(shí)古地形差異和相對(duì)海平面變化。普光地區(qū)臺(tái)緣斜坡較陡，鮞灘沉積受海平面變化影響主要體現(xiàn)在垂向加積上;而元壩地區(qū)地勢(shì)較緩，受海平面變化影響較大，表現(xiàn)在鮞灘橫向遷移和高頻沉積旋回上。相對(duì)海平面升降影響了鮞灘的早期成巖環(huán)境，造成了早期成巖的巨大差異。普光、元壩地區(qū)鮞灘巖性油氣藏儲(chǔ)集層發(fā)育受沉積、成巖控制明顯，沉積作用控制了儲(chǔ)集層發(fā)育的分布和厚度，不同的成巖演化則決定了儲(chǔ)集層的優(yōu)劣。
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