四川盆地龙岗气田三叠系飞仙关组储集层特征及成因机理*
祝海华1,2, 钟大康1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

通讯作者简介: 钟大康,男,1961年生,博士,教授,现主要从事沉积学与储集层研究。联系电话:010-89733322;E-mail:Zhongdakang@263.net

第一作者简介: 祝海华,男,1987年生,中国石油大学(北京)地球科学学院博士研究生,主要从事沉积学与储集层研究。E-mail:retinaabcd@163.com

摘要

根据岩心、岩石铸体薄片、岩石物性分析化验资料并结合测井资料,对四川盆地龙岗气田三叠系飞仙关组碳酸盐岩储集层特征进行了研究。结果表明,研究区飞仙关组孔隙较发育、物性较好、能作为优质储集层的基本上都是白云岩类,尤其是鲕粒白云岩。初步认为这类鲕粒白云岩的形成主要与早期白云化作用(可能为混合水白云化)有关。结合区域地质背景,认为飞仙关期相对海平面呈振荡下降,其对早期白云化有重要控制作用,并在垂向上形成飞三 1、飞二 1两个白云化旋回,而优质储集层主要发育于这两个旋回中。

关键词: 四川盆地; 龙岗气田; 飞仙关组; 白云岩; 成岩作用
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)02-0275-08
Characteristics and formation mechanism of the Triassic Feixianguan Formation reservoir in Longgang Gas Field,Sichuan Basin
Zhu Haihua1,2, Zhong Dakang1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;

About the corresponding author: Zhong Dakang,born in 1961, is a professor of China University of Petroleum(Beijing).Now he is mainly engaged in researches of sedimentology and reservoir.Tel: 010-89733322;E-mail:Zhongdakang@263.net.

About the first author: Zhu Haihua,born in 1987,is a Ph.D.candidate of China University of Petroleum(Beijing).Now he is mainly engaged in researches of sedimentology and reservoir.

Abstract

Based on analyses of the cores,casting thin sections,porosity and permeability data as well as log data,this work summarises the carbonate reservoir characteristics of the Triassic Feixianguan Formation in Longgang Gas Field,Sichuan Basin.The research shows porous and permeable reservoirs are mainly dolostones,especially oolite dolostone,which are preliminary considered to be formed by dolomitization short after deposition(supposedly dorag dolomitization).Combined with regional geology data,the research suggests that the relative sea level fell in oscillation during the Feixianguan Age,which had important control on early stage dolomitization and two cycles of dolomitization formed in the perpendicular direction: each lower part of the Member 2 and 3 of Feixianguan Formation,where reservoirs with high quality developed.

Key words: Sichuan Basin; Longgang Gas Field; Feixianguan Formation; dolostone; diagenesis
1 概述

近年来在川东北地区三叠系飞仙关组碳酸盐岩中发现了大量的天然气, 如普光气田和龙岗气田等, 但对其有效储集层的成因目前却有多种观点。马永生等(2007)认为, 普光气田三叠系飞仙关组储集层的形成是在有利沉积相带基础上多种因素共同作用的结果, 其中硫酸盐热化学还原作用(TSR)产生的埋藏溶蚀和有机质成熟产生的超压起了重要作用, 赵文智等(2006)具有类似的观点。王一刚等(2002, 2007)、魏国齐等(2005)认为三叠系飞仙关组优质储集层的形成与早期暴露过程中引起的淡水— 海水混合白云化作用有关, 且前者认为其内的孔隙是埋藏晚期由于硫酸盐热化学还原作用(TSR)产生的CO2(而非H2S)引起的溶蚀所形成。黄思静等(2006)、高梅生等(2007)、郑荣才等(2008b)、强子同等(2012)根据同位素分析认为川东北地区飞仙关组白云岩是成岩期多期埋藏白云化作用的结果, 白云化流体来自浓缩的海源地层水。陈更生等(2005)认为川东北地区飞仙关组白云化主要是混合水白云化, 其次还有渗透回流白云化和埋藏白云化。因此对该地区碳酸盐岩优质储集层的成因机理与分布规律研究就尤为重要。

龙岗气田位于四川盆地北部(图 1), 早三叠世该地区以开江— 梁平海槽为中心, 两侧分布碳酸盐岩台地(王一刚等, 2009; 魏国齐等, 2004)。海槽区发育泥晶灰岩和泥灰岩沉积, 是重要的烃源岩。海槽两侧的台地边缘发育生物碎屑滩和鲕粒滩, 为碳酸盐岩优质储集层的形成奠定了沉积基础。文中根据岩心、岩石铸体薄片及岩石物性分析化验资料, 并结合测井资料, 对四川盆地龙岗气田三叠系飞仙关组碳酸盐岩储集层特征进行了研究, 探讨了优质储集层的成因机理与分布规律。

图1 四川盆地龙岗气田位置及井位分布Fig.1 Location and well distribution of Longgang Gas Field, Sichuan Basin

图2 龙岗气田三叠系飞仙关组碳酸盐岩储集层岩石类型
a— 泥晶鲕粒灰岩, 粒间孔被泥晶方解石全部胶结, 孔隙不发育, 单偏光, 龙岗17井, 5823.0 m; b— 细晶砂屑灰岩, 单偏光, 龙岗39井, 6409.0 m; c— 亮晶白云化(质)鲕粒灰岩, 单偏光, 龙岗19井, 5688.5 m; d— 鲕粒白云岩, 溶蚀孔隙发育, 单偏光, 龙岗21井, 5649.0 m; e— 铸模孔白云岩, 单偏光, 龙岗21井, 5644.5 m; f— 细晶白云岩, 白云石晶间孔极发育, 有溶蚀扩大特征, 单偏光, 龙岗28井, 5763.0 m
Fig.2 Petrological types of carbonate reservoir of the Triassic Feixianguan Formation in Longgang Gas Field

图3 龙岗气田三叠系飞仙关组碳酸盐岩储集层孔隙类型(照片内蓝色铸体为孔隙)
a— 亮晶鲕粒灰岩, 见原生鲕粒间孔, 亮晶方解石胶结, 与鲕粒内溶孔伴生, 单偏光, 龙岗22井, 5510.5 m; b— 亮晶鲕粒灰岩, 见鲕粒内溶孔及鲕粒溶模孔, 单偏光, 龙岗22井, 5510.5 m; c— 生屑鲕粒白云岩, 生物碎屑溶蚀及溶模孔发育, 单偏光, 龙岗21井, 5644.5 m; d— 中细晶白云岩, 见白云石晶间孔, 有溶蚀扩大特征, 单偏光, 龙岗28井, 5763.0 m
Fig.3 Pore(filled with blue resin)types of carbonate reservoir of the Triassic Feixianguan Formation in Longgang Gas Field

2 岩石学特征

对龙岗气田三叠系飞仙关组20口井294块岩石薄片观察发现, 三叠系飞仙关组发育灰岩、白云岩以及两者的过渡岩类共3类碳酸盐岩。灰岩类包括鲕粒灰岩(图2-a)、生物碎屑灰岩、砂屑灰岩(图2-b)和砾屑灰岩等, 它们分别具有泥晶和亮晶两种胶结, 另外还有藻灰岩和泥晶灰岩。白云岩主要为鲕粒白云岩(图2-d, 2-e)和晶粒白云岩(图2-f), 其中晶粒白云岩结构包括泥晶、粉晶、细晶、中晶结构。过渡岩类有白云化(质)鲕粒灰岩(图2-c)和白云化(质)砂屑灰岩、灰质鲕粒白云岩。

3 储集空间类型及物性特征

通过镜下铸体薄片观察和扫描电镜分析, 认为飞仙关组储集层储集空间类型从成因上分为原生和次生两种, 以次生为主。原生孔隙主要见于鲕粒灰岩、砂屑灰岩(图 2-b; 图3-a), 为方解石胶结残余孔, 孔隙较小, 且分布局限。次生孔隙包括各种溶孔、溶洞、晶间孔和裂缝, 且以鲕粒间方解石胶结物溶孔、鲕粒内溶孔、鲕粒溶模孔、生屑砂屑溶孔、白云石晶间溶孔、白云石晶间孔(图 3-b, 3-c, 3-d)最为发育。根据岩心物性分析, 飞仙关组储集层孔隙度为2%~20%, 平均为4.7%, 渗透率为0.001× 10-3~100× 10-3 μ m2, 平均为1× 10-3 μ m2

4 主要成岩作用类型及特征

研究区储集层成岩作用以胶结作用、溶蚀作用和白云化作用为主, 其次是压实作用、去白云化作用和重结晶作用。

4.1 胶结作用

以亮晶方解石胶结为主, 常具多个世代(图 3-a, 3-b; 图4-a), 部分泥晶方解石胶结(图 2-a), 胶结物在后期可发生重结晶作用, 与颗粒间界限模糊。此外还有少量的石膏、硬石膏以及硅质胶结物。

根据胶结特征可把胶结作用划分为早期正常海底胶结和准同生— 浅埋藏期胶结。正常海底成岩阶段胶结物为纤维状、叶片状的文石和高镁方解石环边栉壳状胶结, 泥晶结构; 准同生— 浅埋藏阶段以粒状方解石充填剩余的原生粒间孔隙为特点, 与纤维状方解石形成世代胶结。

4.2 溶蚀作用

溶蚀作用常与白云化作用伴生, 在鲕粒白云岩、晶粒白云岩和白云质鲕粒灰岩中最常见, 溶蚀对象主要为鲕粒和生屑中的文石和高镁方解石及颗粒间的方解石胶结物。溶蚀作用在鲕粒白云岩中形成了大量的鲕粒内溶孔和溶模孔、生屑溶孔与溶模孔、砂屑溶孔及白云石晶间溶孔(图3-b, 3-c, 3-d)。

图4 龙岗气田三叠系飞仙关组碳酸盐岩的溶蚀作用
a— 亮晶鲕粒灰岩, 早期选择性溶蚀作用发育, 单偏光, 龙岗22井, 5510.5 m; b— 鲕粒铸模孔白云岩, 早期溶蚀形成鲕模孔, 龙岗21井, 5644.5 m; c— 中细晶白云岩, 晚期埋藏溶蚀作用发育, 龙岗26井, 单偏光, 5559.0 m; d— 具鲕粒幻影晶粒白云岩, 晚期埋藏溶蚀 作用发育, 单偏光, 龙岗26井, 5626.0 m
Fig.4 Dissolution of carbonate rocks of the Triassic Feixianguan Formation in Longgang Gas Field

根据镜下岩石中被溶成分的结构特征, 溶蚀作用可分为准同生— 浅埋藏期和埋藏期两个阶段。在准同生— 浅埋藏阶段, 溶蚀对象为文石质和高镁方解石质的鲕粒、生屑(图 4-a, 4-b)等。由于相对海平面发生多次的升降, 碳酸盐沉积物遭受间歇性暴露, 受大气淡水影响, 颗粒内部发生选择性溶蚀, 而颗粒间胶结物不溶。准同生— 浅埋藏阶段溶蚀作用常与白云化作用同时进行, 因此在鲕粒选择性溶蚀形成的溶孔中, 常见白云石晶体。

埋藏期溶蚀发育于地层埋深较大的情况下, 镜下这种溶孔具有3个特征:(1)溶孔的直径常常大于白云石晶体粒径; (2)孔隙边缘不规则, 具有溶蚀扩大的特征; (3)溶孔表面常包裹沥青膜。因此根据溶孔特征, 溶蚀作用应该发生于烃类充注之前, 溶蚀对象为鲕粒白云岩中鲕粒间或晶粒白云岩晶粒间的方解石胶结物, 形成的溶孔多为鲕粒间溶孔和白云石晶间溶孔(图 4-c, 4-d)。埋藏溶蚀作用的流体一般认为是海槽相烃源岩热演化过程中形成的有机酸性水(曾伟等, 2006)。

4.3 白云化作用

4.3.1 早期白云化

根据飞仙关组沉积时的古气候、古地貌特征及岩心的镜下和纵向变化特征, 认为研究区白云化作用主要为早期白云化。

1)镜下观察发现白云化常具有选择性(图 5-a, 5-b), 其最先从鲕粒核心开始, 伴随着鲕粒内部不稳定矿物(如文石、高镁方解石)的溶蚀。鲕粒间的方解石胶结物白云化程度弱。如果白云化主要发生于晚期, 白云化作用就不会有明显的选择性。

2)在研究区飞仙关组不发育石膏和岩盐等蒸发岩, 也未见鸟眼构造和干裂等潮上暴露标志, 至飞仙关组沉积晚期及嘉陵江期才出现了石膏沉积, 说明飞仙关组是在相对海平面下降背景下沉积的, 前期(飞一段至飞三段沉积时期)海平面相对较高, 气候湿润, 不利于发生与蒸发浓缩有关的白云化作用。

3)纵向上, 在龙岗001-2、龙岗3、龙岗22和龙岗9等多口井多井段中均见非常明显的从上往下白云化逐渐增强的现象(图 6左图), 说明孔隙流体成分和离子浓度在纵向上逐渐变化。同时与白云化伴生的鲕粒选择性溶蚀说明存在大气淡水的影响。因此早期白云化很可能为受大气淡水影响的混合水白云化, 但仍需地球化学资料进一步证实。

图5 龙岗气田三叠系飞仙关组白云化作用及孔隙发育
a— 亮晶鲕粒灰岩, 早期白云化作用与选择性溶蚀作用伴生, 发育程度与鲕粒核心和砂屑成分有关, 白云化程度越高, 伴生的溶蚀作用越发育, 粒内溶孔越多, 单偏光, 龙岗22井, 5510.0 m; b— 亮晶鲕粒灰岩, 早期白云化作用, 单偏光, 龙岗21井, 5642.9 m; c— 中细晶白云岩, 埋藏白云化作用形成粗粉晶、细晶, 晶形完整, 白云石晶间溶孔和白云石晶间孔发育, 单偏光, 龙岗26井, 5564.0 m; d— 具鲕粒幻影晶粒 白云岩, 埋藏白云化作用, 鲕粒间发育孔径较大的粒间溶孔, 鲕粒内发育少量细小的白云石晶间孔, 单偏光, 龙岗26井, 5626.0 m
Fig.5 Dolomitization and pore development of the Triassic Feixianguan Formation in Longgang Gas Field

4)研究区在古地貌上处于碳酸盐岩台地边缘, 由于鲕粒滩的快速沉积, 因此在古地貌上常向上凸起为正地形。在海平面总体下降的背景下礁滩的快速堆积导致鲕粒滩和生屑滩的周期性暴露并遭受大气淡水影响, 为混合水白云化提供了条件。

4.3.2 埋藏白云化

埋藏白云化作用是在早期混合水白云化基础上的进一步加强或调整。当埋深达数千米时, 温度和压力均增加, 早期形成的白云岩或灰岩会继续发生白云化, 形成具有鲕粒幻影的粉晶— 细晶— 中晶白云岩(图 5-c, 5-d)。

在埋藏白云化过程中, 早期白云化的鲕粒发生重结晶作用, 鲕粒形态特征基本消失或残留幻影, 白云石晶体变粗, 晶形完整, 常见雾心亮边结构, 晶粒之间可以发育晶间孔。镜下可见白云石晶间孔与埋藏溶蚀孔隙常伴生发育于晶粒白云岩中(图 5-c), 与晚期溶蚀成因的粒间溶孔相比, 白云化形成的晶间孔更为细小, 孔隙形状也较规则, 但发育规模不如溶蚀成因的溶蚀孔隙。两种孔隙混合分布于白云岩中, 可能说明了埋藏白云化和埋藏溶蚀作用是伴生进行的(郑荣才等, 2008a)。

5 优质储集层形成机理讨论

通过大量的薄片观察发现, 研究区孔隙比较发育的岩性都是白云岩或灰质白云岩, 灰岩孔隙均不发育, 因此孔隙的形成与白云化有关, 即飞仙关组优质储集层主要是次生的, 原始孔隙发育的优质储集层很少。根据白云化的特征认为研究区白云化主要是早期白云化, 并形成大量鲕粒白云岩, 其次是埋藏白云化。

微观上, 早期白云化形成孔隙的机理可以解释为在白云石沉淀过程中, 伴随着文石和高镁方解石的溶蚀。因此白云化程度越高, 伴生的溶蚀作用越强烈, 孔隙也越发育, 而未发生白云化的灰岩几乎没有孔隙(图 6)。早期白云化形成的孔隙也是埋藏白云化和溶蚀作用的重要流体通道, 因此是决定储集层物性最重要的成岩作用。

图6 龙岗气田飞仙关组和长兴组白云化作用与孔隙发育关系
左图中龙岗22并飞仙关组白云化现象普遍, 孔隙度与白云化程度呈正相关, 储集层发育; 右图中龙岗19并长兴组灰岩未发生白云化作用, 孔隙不发育
Fig.6 Relationship between dolomitization and pore development of the Feixianguan and Changxing Formations in Longgang Gas Field

晶粒白云岩中的晶间孔则与埋藏白云化作用有关, 是早期白云化调整与加强的结果。埋藏溶蚀作用对鲕粒间及晶粒间方解石胶结物的溶蚀改造, 也是储集层形成的重要原因。

综上所述, 可得出优质储集层孔隙度和白云石含量呈正相关关系。纵向上, 随着白云化程度的增加, 孔隙度增加; 平面上, 台地边缘区的鲕粒滩最易发生白云化作用, 该相带储集层也最发育, 而台地内部及海槽区白云化作用很弱, 储集层不发育。

6 相对海平面变化与优质储集层分布关系

早期白云化过程中伴随鲕粒的选择性溶蚀, 溶蚀的程度与大气淡水影响有关, 而相对海平面的变化控制了鲕粒滩暴露与否。因此可以根据储集层的发育程度来反映相对海平面的变化。

图7 龙岗气田三叠系飞仙关组优质储集层分布及海平面变化特征Fig.7 Distribution of high quality reservoir and its relationship with sea level change during the Triassic Feixianguan Age in Longgang Gas Field

结合飞仙关组白云岩储集层分布, 认为相对海平面在飞仙关组沉积时呈下降趋势并具多个次级旋回(图 7):飞一段沉积时, 水体较深, 多发育致密灰岩; 至飞二1亚段沉积时, 海平面快速下降, 发生早期白云化作用, 储集层发育; 飞二2亚段沉积时, 海平面相对上升, 储集层发育程度降低; 飞三1亚段沉积时相对海平面再次下降, 白云岩储集层发育; 飞三2亚段沉积时水体变深; 到飞四段沉积之后海平面开始持续下降, 气候干燥, 出现膏盐沉积。因此飞仙关组沉积时, 共发生了2次相对海平面升降旋回, 储集层主要发育在海平面相对较低且具有较多大气降水的环境中。

7 结论

1)龙岗气田优质储集层为与白云化有关的鲕粒白云岩和晶粒白云岩, 主要的储集空间为鲕粒溶孔、白云石晶间孔和生物碎屑溶孔。

2)研究区主要成岩作用为胶结作用、白云化作用和溶蚀作用, 对于优质储集层的形成而言, 最重要的成岩作用为早期白云化作用。

3)相对海平面变化控制了早期白云化及伴生的选择性溶蚀作用, 因此储集层的分布可以反映海平面变化。飞仙关组沉积时, 相对海平面总体下降, 但其中包括了2个次级旋回, 优质储集层发育的飞三1和飞二1亚段沉积于次级旋回中相对海平面下降阶段。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
[1] 陈更生, 曾伟, 杨雨, . 2005. 川东北部飞仙关组白云石化成因探讨[J]. 天然气工业, 25(4): 40-41. [文内引用:1]
[2] 高梅生, 郑荣才, 文华国, . 2007. 川东北下三叠统飞仙关组白云岩成因[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 34(3): 297-304. [文内引用:1]
[3] 黄思静, Qing Hairuo, 裴昌蓉, . 2006. 川东三叠系飞仙关组白云岩锶含量、锶同位素组成与白云化流体[J]. 岩石学报, 22(8): 2123-2132. [文内引用:1]
[4] 马永生, 郭彤楼, 赵雪凤, . 2007. 普光气田深部优质白云岩储集层形成机制[J]. 中国科学(D辑), 37(): 43-52. [文内引用:1]
[5] 强子同, 曾德铭, 王兴志, . 2012. 川东北下三叠统飞仙关组鲕粒白云岩同位素地球化学特征[J]. 古地理学报, 14(1): 13-20. [文内引用:1]
[6] 王一刚, 刘划一, 文应初, . 2002. 川东北飞仙关组鲕滩储集层分布规律、勘探方法与远景预测[J]. 天然气工业, 22(): 14-18. [文内引用:1]
[7] 王一刚, 文应初, 洪海涛, . 2007. 四川盆地三叠系飞仙关组气藏储集层成岩作用研究拾零[J]. 沉积学报, 25(6): 830-839. [文内引用:1]
[8] 王一刚, 文应初, 洪海涛, . 2009. 四川盆地北部晚二叠世—早三叠世碳酸盐岩斜坡相带沉积特征[J]. 古地理学报, 11(2): 143-156. [文内引用:1]
[9] 魏国齐, 陈更生, 杨威, . 2004. 川北下三叠统飞仙关组“槽台”沉积体系及演化[J]. 沉积学报, 22(2): 254-260. [文内引用:1]
[10] 魏国齐, 杨威, 张林, . 2005. 川东北飞仙关组鲕滩储集层白云石化成因模式[J]. 天然气地球科学, 16(2): 162-166. [文内引用:1]
[11] 赵文智, 汪泽成, 王一刚. 2006. 四川盆地东北部飞仙关组高效气藏形成机理[J]. 地质学报, 52(5): 708-718. [文内引用:1]
[12] 郑荣才, 耿威, 郑超, . 2008 a. 川东北地区飞仙关组优质白云岩储集层的成因[J]. 石油学报, 29(6): 815-821. [文内引用:1]
[13] 郑荣才, 史建南, 罗爱君, . 2008 b. 川东北地区白云岩储集层地球化学特征对比研究[J]. 天然气工业, 29(11): 16-25. [文内引用:1]
[14] 曾伟, 黄先平, 杨雨, . 2006. 川东北地区飞仙关组储集层中的埋藏溶蚀作用[J]. 天然气工业, 26(11): 4-8. [文内引用:1]