沉積相和成巖作用對生物礁儲層成因的控制研究

徐維勝，何川，秦關，2

（1.北京大學石油與天然氣研究中心，北京 100871；2.懷俄明大學，美國 懷俄明 WY82071）

沉積相和成巖作用對生物礁儲層成因的控制研究

徐維勝1，何川1，秦關1，2

（1.北京大學石油與天然氣研究中心，北京 100871；2.懷俄明大學，美國 懷俄明 WY82071）

上二疊統長興組臺地邊緣生物礁之所以是普光氣田的重要儲集層，主要受到沉積相和成巖作用的控制，而碳酸鹽巖臺地沉積格局、造礁生物的廣泛發育和有利的古氣候條件是生物礁發育的前提條件。生物礁在海洋環境、地表暴露環境和埋藏環境中主要經歷了膠結、壓實、溶蝕、白云石化、重結晶等成巖作用的改造，導致了生物礁巖性和物性的巨大改變。生物礁石灰巖上部由于白云石化作用的改造，巖性由石灰巖轉變成白云巖，從上往下呈現白云巖、灰質白云巖、白云質灰巖和石灰巖的巖性序列。膠結和壓實作用極大地破壞了生物礁石灰巖的原生孔隙，而白云石化、溶蝕、重結晶作用的改造產生了大量的次生孔隙，成為重要的儲集空間。

生物礁；儲層；沉積相；成巖作用

1 區域概況

普光氣田屬于川東斷褶帶東北段雙石廟—普光NE向構造帶上的一個鼻狀構造，被普光3斷層分割為普光2和普光3兩個斷塊，含氣層位為三疊系飛仙關組和二疊系長興組［1-2］。長興組臺地邊緣生物礁相發育于上二疊統長興組上亞段，是重要的天然氣儲集層。生物礁經歷了由沉積、固結成巖、埋藏到一定規模抬升的漫長地質演化過程，成巖作用呈多期次、多類型的長期疊加［3-5］。儲層巖性主要為生物礁白云巖，而生物礁石灰巖物性較差，幾乎不能作為儲層。臺地邊緣生物礁從沉積、成巖改造到形成優質儲層的綜合研究，對我國南方古生界碳酸鹽巖油氣勘探具有重要意義。文中以普光氣田某井典型生物礁儲層為例進行研究。該井生物礁沉積位于5 352.6～5 398.7 m，上部生物礁白云巖厚度約32.6 m，下部生物礁石灰巖厚度約13.5 m，中間夾很薄的過渡巖性，分別為灰質白云巖和白云質灰巖。

2 沉積相的控制作用

2.1 沉積環境

晚二疊世長興期，川東北地區平面上呈現“三凹兩隆”的沉積格局（見圖1），北部為廣元—旺蒼海槽，東部為鄂西—城口海槽，中間由開江—梁平陸棚將元壩、通南巴和普光構造分割［6-7］。沉積環境為開闊臺地、臺地邊緣臺前斜坡、淺水陸棚、深水陸棚等，成熟的碳酸鹽巖臺地為生物礁發育提供了優越的環境條件［8］。另外，在二疊世，川東北地區屬于低緯度熱帶—亞熱帶氣候區［9-11］，鈣質海綿、鈣藻、水螅、苔蘚蟲等造礁生物發育［12-13］，為生物礁沉積提供了廣泛的物源基礎。

圖1 長興期沉積格局示意

2.2 沉積物特征

晚二疊世長興期，研究區內向陸棚方向依次發育有局限臺地相、開闊臺地相、臺地蒸發巖相、臺地邊緣淺灘相、臺地邊緣生物礁相、臺前斜坡相及陸棚相等，相帶展布與經典的威爾遜相模式十分相似。長興組生物礁、礁后淺灘和下三疊統飛仙關組飛一、飛二段鮞粒灘的垂向加積形成川東北典型的鑲邊臺地，臺地邊緣生物礁發育于長興組一段上亞段。

該地區高分辨率層序地層學和同沉積時期露頭生物礁的分析研究發現［14-16］，生物礁對應于高頻海平面波動經歷了6個生長旋回。巖性為海綿骨架巖、海綿障積巖和海綿黏結巖，并發育大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內孔隙。地震剖面上，生物礁形態為透鏡狀，具有透鏡體-中強變振幅-雜亂反射的影像特征。

3 生物礁成巖作用改造

生物礁沉積體主要經歷了海洋環境、蒸發環境、地表暴露環境和埋藏環境的成巖改造，成巖作用主要包括膠結、壓實、白云石化、重結晶和溶蝕作用［17-19］。膠結和壓實作用對生物礁的原生孔隙具有很大的破壞性，白云石化作用實現了原始生物礁巖性從石灰巖向白云巖的轉變，重結晶作用和溶蝕作用改變了生物礁灰巖的顆粒結構，這些改造作用產生了大量的次生孔隙。

3.1 蒸發回流白云石化作用

白云石化作用總的來說對儲層孔隙具有很大的建設性，在不同的成巖環境中，白云石化的機理也各不相同。混合帶白云石化作用對生物礁孔隙度具有一定的貢獻，由于地層流體鎂離子來源有限，埋藏白云石化作用的改造很小，而蒸發回流白云石化作用對儲層孔隙的建設作用更大。

晚二疊世長興期，川東北地區位于赤道附近，氣候炎熱潮濕［8］，臺地邊緣生物礁經歷了強蒸發海水和大氣淡水的多期改造。由于生物礁的快速生長，其高度明顯高于礁后淺灘，生物礁和礁后灘構成局限環境。在這一環境中，上層流入的正常海水不斷蒸發，海水密度不斷增大，同時伴隨有石膏和方解石等礦物的沉淀，導致Mg/Ca急劇升高。高鎂鹵水由于密度增大而下沉，并在水動力作用下沿底部向海方向回流（見圖2）。高鎂鹵水在回流過程中，一部分垂直向下滲流，另一部分向礁體滲流。由于生物礁體具有較好的原生孔隙，高鎂鹵水在生物礁發生廣泛的白云石化作用［20］。生物礁對應于高頻海平面波動經歷了6個生長旋回，局限蒸發環境周期性出現，蒸發回流白云石化作用也是周期性的發生。隨著交代作用的進行，向礁體內部滲流的海水的鎂離子濃度逐漸降低，交代作用能力逐漸減弱，而礁體底部沒有發生白云石化作用。生物礁上部36.2 m由于白云石化作用的改造，生物礁石灰巖轉變成白云巖，并發育大量的晶間孔隙。而生物礁下部厚度為13.5 m的石灰巖仍然保持其原始巖性特征。

圖2 蒸發回流白云石化作用原理

3.2 埋藏溶蝕作用

巖石薄片、沉積發育史和有機質熱演化史綜合分析表明，長興組生物礁經歷了早期大氣淡水的組構選擇性溶蝕和晚期埋藏階段的非組構選擇性溶蝕［21-22］。在中晚期埋藏成巖過程中，烴類有機質熱成熟過程中的脫羧作用產生大量的二氧化碳和有機酸，對生物礁具有溶蝕作用；烴類的熱降解和高溫TSR反應產生大量的H2S，H2S與水混合的酸性流體促進地層巖石溶蝕，從而改變生物礁的孔隙度和滲透率。該井的巖心和薄片觀測發現，生物礁儲層發育大量的粒間溶孔、粒內溶孔、晶間溶孔等，并且孔隙間連通性較好（見圖3）。

圖3 生物礁晚期溶蝕的主要孔隙類型

4 生物礁儲層特征

4.1 巖性特征

該井生物礁儲層的主要巖性為上部的生物礁白云巖和下部的生物礁石灰巖，中間夾薄層的灰質白云巖和白云質灰巖。生物礁白云巖以淺灰色生物障積礁白云巖為主，內部夾有灰白色微粉晶或細晶的白云巖和灰白色殘余生屑微粉晶云巖，晶間孔隙較為發育。生物礁石灰巖主要由生物礁骨架石灰巖和障積白云質石灰巖組成，白云石化作用、重結晶作用和溶蝕作用不明顯，壓實和膠結作用破壞了大量的原生孔隙，因此孔隙度和滲透率非常低。

4.2 物性特征

生物礁白云巖和生物礁石灰巖的物性存在很大差異。通過該井的測井資料綜合評價和儲層巖心的實驗分析表明，生物礁白云巖以中、高孔隙度和中、高滲透率為主，生物礁石灰巖以低孔隙度低滲透率為主，具體的孔隙度和滲透率定量數據如表1所示。

表1 生物礁儲層物性特征統計

5 生物礁成巖作用與孔隙演化

該井生物礁在沉積過程中發育大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內孔隙等原生孔隙。在海底環境中受到藻類的黏結和方解石沉淀膠結，原生孔隙大部分消失，沉積物已經半固結。由于生物礁向上加積生長和高頻海平面的升降，生物礁周期性地處于蒸發環境和地表暴露環境，蒸發回流白云石化作用和混合帶白云石化作用使生物礁石灰巖轉化為白云巖，并產生大量的晶間孔隙。而生物礁底部由于白云石化作用很弱，保持了生物礁原始巖性特征，因此造成了生物礁上下部分巖性和物性的分異。在埋藏環境中，由于生物礁白云巖具有較好的抗壓實能力而使孔隙度得到了保持，下部生物礁灰巖在壓實作用孔隙度進一步減小。另外，富含有機酸物質和硫化氫的孔隙流體沿著孔隙和裂縫通道進入生物礁白云巖，發生非組構選擇性溶蝕，并產生大量的溶蝕孔隙，因此生物礁云巖成為很好的儲層。而底部的生物礁灰巖孔隙度較低，地層流體活動很弱，溶蝕作用的改造不明顯，因此生物礁灰巖物性很差，極少部分能夠成為三類儲層。

6 結論

1）川東北地區二疊紀長興期碳酸鹽巖臺地沉積格局、造礁生物的廣泛發育和有利的古氣候條件是生物礁普遍發育的前提。

2）生物礁石灰巖大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內孔隙等原生孔隙在膠結和壓實作用下很難保存下來，次生孔隙才是天然氣主要的存儲空間。

3）生物礁上部由于溶蝕、白云石化、重結晶作用的建設性改造，巖性從石灰巖轉變成白云巖，并發育了大量的次生孔隙，白云巖的抗壓實能力使次生孔隙較好地保存下來，為晚期的埋藏溶蝕提供了很好的條件。而生物礁底部沒有發生白云石化作用，原生孔隙由于膠結和埋藏壓實作用的破壞，并且次生孔隙不發育。

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（編輯 王淑玉）

Control of sedimentary facies and diagenesis on genesis of reef reservoir

Xu Weisheng1,He Chuan1,Qin Guan1，2
(1.Oil&Gas Research Center,Beijing University,Beijing 100871,China;2.University of Wyoming,WY82071,US)

Platform edge reefs of Upper Permian in Changxing Formation are important reservoirs in Puguang Gas Field due to the controlling mechanism of sedimentary facies and diagenesis,but the depositional pattern,prosperity of reef-building organisms and favorable paleoclimates of carbonate platform are the predominant conditions for reef development.Altered by diagenesis of cementation,compaction,dolomitization,recrystallization and denudation in marine,exposure and burial environments,the lithological features and physical properties of reef have been severely changed,resulting in a vertical lithology sequence of dolomite to limestone interpolated by limy dolomite and dolomitic limestone.Though the primary porosities are destructed by cementation and compaction,a huge abundance of secondary porosities are created by dolomitization,recrystallization and denudation to serve as gas accumulation space.

reef;reservoir;sedimentary facies;diagenesis

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“碳酸鹽巖礁灘相儲層建模及數值模擬方法研究”（2008ZX05017）

TE122.2+1

：A

1005-8907（2012）01-0051-04

2011-06-21；改回日期：2011-11-20。

徐維勝，男，1974年生，工程師，2009年畢業于中國地質大學（北京），博士，現于北京大學地球與空間科學學院地質學博士后流動站工作，從事石油與天然氣勘探開發研究。電話：（010）62758723，E-mail：xuweisheng2008@sina.com。

徐維勝，何川，秦關.沉積相和成巖作用對生物礁儲層成因的控制研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（1）：51-54. Xu Weisheng，He Chuan，Qin Guan.Control of sedimentary facies and diagenesis on genesis of reef reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（1）：51-54.