川中地區寒武系洗象池組白云巖儲層成巖作用及孔隙演化

李璐萍，梁金同，2，劉四兵，3，郭艷波，李堃宇，和 源，金九翔

（1.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610059；3.成都理工大學能源學院，成都 610059；4.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；5.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041；6.中國石油大港油田分公司對外技術服務公司，天津 300280）

0 引言

近年來，隨著四川盆地川中古隆起區震旦系—寒武系的勘探與研究，洗象池（群）組白云巖逐漸成為盆地內油氣資源勘探的潛在層系［1-2］。目前，川中地區鉆遇洗象池（群）組的探井共計70 余口，多口井在該層系的測試均獲得了工業氣流，表明洗象池（群）組具有一定的勘探潛力。由于地層的劃分與命名方案存在差異，四川盆地寒武系第三統中上部—芙蓉統地層曾被不同學者命名為洗象池群［1-3］、洗象池組［4-6］和婁山關群［7-8］等，并采用三分法［9］、四分法［10-11］以及五分法［12］對其內部地層進行細分。為避免歧義，本文采用川西—川中小區地層的劃分與命名方案，將川中地區該套地層命名為洗象池組。眾多學者已針對洗象池組層序地層、巖相古地理、成巖作用和儲層特征及其主控因素等方面進行了大量研究，認為四川盆地洗象池期主要發育碳酸鹽巖局限臺地相［3，13-14］，臺內灘亞相為有利儲集相帶，其發育受海平面變化與古隆起影響［4，15-17］；洗象池組儲層縱向上發育于地層旋回上部［5］，儲集巖性以顆粒白云巖為主，儲集空間以溶蝕孔洞為主，總體具有“低孔低滲”、孔滲相關性差等特征［4，6］；在儲層發育主控因素方面，現有研究認為儲層發育主要受沉積相發育［6，18］和溶蝕作用控制［19-23］。然而，洗象池組白云巖成巖作用多樣、儲層成因復雜，尤其是白云化作用和破裂作用對優質儲層的形成具有重要意義。

針對四川盆地洗象池組白云巖成巖作用與演化序列的研究仍有諸多不足。因此，有必要針對儲層孔隙演化開展深入研究，為洗象池組優質儲層的形成機理提供依據。本文旨在通過對川中地區及鄰區典型鉆井巖心與薄片觀察，結合物性特征分析，明確該區儲層成巖作用特征與成巖演化，進一步探討成巖作用對儲層孔隙演化的影響。

1 地質概況

四川盆地是揚子準地臺的一個次級構造單元，可進一步劃分為6 個構造分區（圖1a），研究區位于四川盆地中部，屬于川中古隆起平緩構造區，位于樂山—龍女寺古隆起東南部。受樂山—龍女寺同沉積古隆起的影響［24］，川中地區洗象池組地層普遍遭受剝蝕，頂部洗三段缺失，與上覆奧陶系呈不整合接觸，地層厚度介于0～400 m，表現為由北西向東南增厚的趨勢；結合巖性和電性特征，川中地區洗象池組地層可細分為洗一1 段、洗一2 段、洗二1段和洗二2 段（圖1b）。洗象池組沉積期，四川盆地基本繼承了龍王廟期和高臺期的古地理格局，總體具有西陸東海的沉積背景［25］，為鑲邊臺地沉積，自西向東依次發育混積潮坪、云坪、臺地、臺地邊緣和斜坡—盆地［5］，其中川中地區洗象池組為局限臺地沉積，可劃分為臺坪和顆粒灘等亞相［17，26］。洗象池期，四川盆地處于一個海侵—海退旋回背景下，在合川—廣安與南川—石柱一帶古地貌高部位顆粒灘發育［5］，與龍王廟期同為四川盆地寒武紀臺地灘相儲集體發育的關鍵時期［3，27］。洗象池組白云巖先后經歷了包括郁南運動、都勻運動和廣西運動等多期構造抬升運動［28-29］，為巖溶儲層和構造裂縫的發育創造了條件。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

川中地區寒武系洗象池組巖性以中—厚層白云巖為主，西側受古陸碎屑輸入影響［5，30］，局部含少量陸源粉砂或砂（圖2a）。洗象池組白云巖類型多樣，結合顯微薄片觀察，具體可識別出顆粒白云巖（圖2b，2c）、殘余顆粒白云巖（圖2d）和晶粒白云巖（圖2e—2 h）等3 種主要的白云巖類，以及裂縫和溶蝕孔（洞）中充填的少量鞍狀白云石（圖2i）。洗象池組儲層主要發育在（殘余）顆粒白云巖和晶粒白云巖中。

顆粒白云巖是研究區洗象池組主要的儲集巖性之一，常以薄層狀產出。顆粒以泥晶白云石為主，主要包括砂屑（圖2b）和少量鮞粒（圖2c）以及粉屑等，顆粒間局部見世代膠結現象。區內亦可見原始組構保存不完整的殘余顆粒白云巖，具殘余顆粒結構（圖2d），根據膠結物的分布尚可辨別殘余顆粒的輪廓，一定程度上保留了其原始的微晶結構，屬于準同生白云石化的產物。

晶粒白云巖是洗象池組又一重要的儲集巖性，多以厚層—塊狀產出，可進一步細分為泥晶—細粉晶白云巖和粗粉—細晶白云巖。具體而言，前者中的白云石（圖2e，2f）晶體細小、自形程度差，常呈鑲嵌接觸，偶見黃鐵礦紋層；后者中的白云石晶體較粗、自形程度較好，結構較致密，晶面通常較臟，可見霧心亮邊結構（圖2g）與顆粒幻影或殘余顆粒結構（圖2h）。

2.2 儲集空間類型

鑄體薄片與掃描電鏡觀察結果顯示，區內洗象池組白云巖儲集空間類型以溶蝕孔（洞）（圖3a—3d）為主，同時發育（殘余）粒間孔（圖3e）、（殘余）晶間孔（圖3f）和微裂縫（圖3g—3i）。

溶蝕孔（洞）包括粒間溶孔、晶間溶孔和溶洞等，以表生期和成巖晚期非組構選擇性溶蝕為主，在巖心及剖面中常順層分布。粒間溶孔主要發育在砂屑白云巖、鮞粒白云巖與殘余顆粒白云巖中（圖3a）；晶間溶孔是晶體經酸性流體溶蝕改造所形成的，形狀通常不規則，主要發育在粗粉—細晶白云巖中（圖3b，3c）；溶洞主要由（殘余）顆粒白云巖中的粒間溶孔進一步擴大或晶粒白云巖沿裂縫發生溶蝕形成，洞徑一般大于2.00 mm，野外剖面中常受大氣淡水淋濾改造，呈蜂窩狀［6，31］（圖3d）。

粒間孔和晶間孔也是區內重要的儲集空間類型。粒間孔主要發育在（殘余）顆粒白云巖中，孔隙多呈不規則多邊形，在巖心和露頭中常呈針孔狀，孔隙直徑一般小于0.12 mm，局部見瀝青充填（圖3e）。晶間孔為白云石晶體之間的孔隙，主要出現在自形程度相對較好的粗粉—細晶白云巖中（圖3b，3f），孔隙直徑一般為0.001～0.200 mm，孔隙形態常呈多面體狀。

微裂縫主要包括構造縫、溶縫和縫合線。構造縫的形成與成巖過程與多期構造活動有關，縫寬一般小于0.01 mm（圖3g），可能被白云石或方解石（半）充填形成細脈，或被后期流體進一步溶蝕，形成溶縫（圖3h）。縫合線的發育與中—深埋藏條件下強烈的壓溶作用有關，可作為烴類運移的通道（圖3i）。微裂縫的儲集性能有限，但對改善滲流條件具有重要意義［32］。

2.3 物性特征

川中地區寒武系洗象池組白云巖孔隙度普遍小于10.0%，絕大多數樣品孔隙度低于2.0%，本文參考以往的儲層劃分標準［5，20-21］，將2.0%作為儲層孔隙度的下限。分析結果（圖4）表明，洗象池組白云巖儲層孔隙度為2.0%～10.2%，平均孔隙度為3.9%，滲透率為5.60×10-5～28.10 mD，平均滲透率為0.64 mD，總體反映了低—特低孔滲的儲層特征。盡管如此，部分樣品仍具較好的孔滲物性，以GT2井洗二1 段儲層為例，其平均孔隙度為4.5%，且孔隙度大于6.0%的樣品占比超過20%，說明在整體致密的背景下仍可發育一定的優質儲層。

對于儲層孔-滲相關性而言，川中地區寒武系洗象池組儲層部分樣品的滲透率雖然隨孔隙度的增加而增強，但二者整體相關性并不明顯，說明孔隙對滲透率的影響有限。由此可以推測，微裂縫對改善洗象池組白云巖儲層滲透率具有重要意義，即該區主要發育裂縫-孔隙型儲層，孔隙型儲層次之。

3 儲層成巖作用

川中地區洗象池組白云巖經歷了多期次、多類型的成巖作用改造，主要包括白云化作用、溶蝕作用、膠結充填作用、壓實壓溶作用、重結晶作用以及構造破裂作用，其中溶蝕作用和白云化作用是優質儲層形成的關鍵。

3.1 白云化作用

基于上述巖石學特征和薄片觀察，該區洗象池組白云化作用按形成環境不同可劃分為準同生白云化作用、混合水白云化作用和埋藏白云化作用。準同生白云化作用包括蒸發泵白云化和回流滲透白云化作用，前者形成的泥晶—細粉晶白云巖晶粒細小且自形程度差，發育水平紋層（圖5a）；后者形成的粉晶白云巖或亮晶粒屑白云巖常具殘余顆粒結構，白云石晶體多為細粉晶—粗粉晶。根據暗紅色、弱陰極發光特征，這2 種白云巖可能形成于近地表—淺埋藏的成巖環境（圖5b，5c）。（殘余）顆粒白云巖中亦可見纖狀和粒狀世代膠結現象，說明其成因也可能與淺灘暴露期間的混合水白云化作用有關。埋藏環境下的持續白云化作用疊加重結晶作用，使得白云石具霧心亮邊結構和環帶陰極發光特征（圖5d）。相較于準同生白云化形成的致密、低孔滲的白云巖而言，早期形成的顆粒白云巖孔隙度較大，后期疊加埋藏白云化作用形成的粗粉—細晶白云巖內孔隙較為發育，是重要的油氣儲集空間。

3.2 溶蝕作用

全球絕大多數的碳酸鹽巖都是在地表或近地表受到大氣淡水溶蝕作用的改造而成為良好的儲層［33］。對于研究區洗象池組儲層而言，溶蝕作用一定程度上可通過形成次生孔隙而改善儲層物性，是區內最重要的建設性成巖作用。根據溶蝕作用發生階段和環境的不同，該區白云巖儲層的溶蝕作用分為準3 期。

第Ⅰ期為準同生期大氣淡水溶蝕作用，形成于大氣淡水參與的相對開放環境，常具有組構選擇性；其發育分布與頻繁的短期海平面升降有關，其分布通常受控于短期層序界面［34］。這些溶蝕孔隙一般很快被方解石或白云石充填，如被充填的鳥眼孔（圖5e）等，未能形成有效儲集空間。

第Ⅱ期為表生溶蝕作用，與加里東期構造抬升所致的地層剝蝕密切相關，是區內巖溶儲層形成的主要時期［20］。洗象池組表生溶蝕（巖溶）和氧化作用強烈，形成粒間溶孔、晶間溶孔、溶縫和順層溶蝕孔（洞）（圖5f），局部見古巖溶角礫（圖5g），以及泥質或細碎屑物質充填的古風化縫。

第Ⅲ期為埋藏溶蝕作用，是指由中—深埋藏條件下地層壓釋酸性流體或有機酸溶蝕改造所形成的非選擇性溶孔，是對現有孔隙的擴容改造。洗象池組埋藏溶蝕孔隙以晶間溶孔、粒間溶孔和溶縫等為主，有機酸參與的埋藏溶蝕作用亦可見殘余瀝青［35］（圖5h），形成了研究區內又一重要的有效儲集空間類型。

3.3 膠結充填作用

膠結充填作用是降低研究區洗象池組儲層物性的主要因素之一，根據成巖環境和階段可分3期，即以纖狀膠結物為代表的第I期海底膠結作用、以粒狀膠結物為代表的第Ⅱ期大氣淡水—淺埋藏膠結作用和被（鞍狀）白云石、方解石及石英等充填的第Ⅲ期埋藏膠結作用。

3.4 壓實壓溶作用

壓實壓溶作用主要發生在埋藏成巖環境中，以縫合線的出現為典型特征，在剖面露頭中常順層分布。縫合線雖使地層減縮，為方解石膠結作用提供物質來源［7］，但經后期溶蝕或構造作用可成為油氣運移通道和儲集空間，對于洗象池組儲層物性的影響具兩重性。

3.5 構造破裂作用

構造破裂作用是該區又一主要的建設性成巖作用，洗象池組白云巖中構造縫普遍發育，局部出現構造角礫白云巖（圖5i），二者均為構造破裂作用的產物。當破裂作用與大規模巖溶作用同時發生時可形成有效縫，進一步溶蝕后可形成溶縫，有效改善洗象池組儲層物性。

4 成巖序列與孔隙演化

洗象池組白云巖儲層的孔隙演化與成巖演化密切相關，根據川中地區寒武系洗象池組白云巖儲層成巖作用特征，總結出該區洗象池組顆粒白云巖（圖6a—6f）與晶粒白云巖（圖6g—6o）成巖演化經歷了海水、大氣淡水和埋藏成巖作用，成巖階段可劃分為同生—準同生階段、早成巖階段、表生成巖階段和晚成巖階段4 個階段。

4.1 同生—準同生階段

在早期淺海和地表滲流環境下，區內洗象池組碳酸鹽巖主要發生早期膠結作用、準同生白云化作用及大氣淡水溶蝕作用，部分溶蝕孔隙很快由于充填作用而消失。研究表明，碳酸鹽巖原生孔隙度可達40%～70%［38］，而同生—準同生階段膠結或充填作用可引發減孔效應，雖然膏模孔和膏溶孔一定程度上可改善儲層物性，但依據薄片中顆粒的接觸關系可以估算，該階段洗象池組儲層孔隙度仍明顯減少至不足15%。

4.2 早成巖階段

隨著埋深增加、溫度升高，洗象池組白云巖和孔隙水由開放進入半封閉—封閉的淺—中埋藏環境，早期形成的白云巖發生重結晶作用，部分形成結構較自形的粗粉—細晶白云巖，而大部分過度重結晶形成以半自形—他形結構為主的粗粉—細晶白云巖。該階段成巖作用主要包括壓實作用、重結晶作用、膠結充填作用與構造破裂作用，研究區洗象池組白云巖儲層孔隙度進一步降低至8%～10%。

4.3 表生成巖階段

加里東末期，樂山—龍女寺古隆起區域整體發生抬升，成巖環境相對開放。受到大氣淡水與地下水的共同作用，發生表生巖溶，洗象池組地層上部形成大量溶孔（洞）。同時，強烈的構造抬升使得大量構造裂縫發育，有利于后期流體運移而提高儲層滲透性。整體而言，該階段研究區洗象池組儲層孔隙度以增加為主，依據后期充填物含量可以估算，孔隙度為10%～12%。

4.4 晚成巖階段

處于中—深埋藏階段的洗象池組白云巖已基本脫離氧化環境，隨著埋深、溫度、壓力的升高，逐漸出現壓溶減孔現象。在中—深埋藏條件下，雖然地層酸性流體（如CO2、有機酸等）可通過形成溶孔和溶縫而改善儲層物性，但深部流體上移過程中會沉淀出方解石、（鞍狀）白云石和石英等熱液礦物而充填溶蝕孔隙（洞），使得薄片觀察到的孔隙度僅為3%～5%。

5 結論

（1）川中地區寒武系洗象池組有利儲集巖性以（殘余）顆粒白云巖和粗粉—細晶白云巖為主；儲集空間以溶蝕孔洞為主，包括粒間溶孔、晶間溶孔以及溶洞等，主要發育裂縫-孔隙型儲層。

（2）川中地區寒武系洗象池組碳酸鹽巖成巖演化經歷了海水、大氣淡水和埋藏成巖作用，成巖階段可劃分為同生—準同生階段、早成巖階段、表生成巖階段和晚成巖階段4 個階段。白云化作用和溶蝕作用是形成該區洗象池組優質儲層的關鍵因素，其中表生溶蝕（巖溶）和埋藏溶蝕作用對孔隙演化起決定性建設作用；膠結充填作用破壞了洗象池組儲層的大量原生孔隙和次生孔隙，降低了儲層物性。