構造作用約束下的川中龍女寺地區茅口組白云巖儲層成因分析

方 進 張連進 鄭斌嵩 李 順 劉芳蘭 梁新玉 彭 軍

1.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦 2.西南石油大學地球科學與技術學院

0 引言

四川盆地中二疊統茅口組油氣勘探始于20 世紀50 年代，先后經歷了三個時期[1-5]：①2004 年以前，主要采用“占高點、沿長軸”的勘探思路和布井原則，以蜀南—川東高陡構造帶裂縫型灰巖儲集體為目標，發現了蜀南氣田群，共獲茅口組工業氣井422 口、氣藏325 個，累計探明儲量近千億立方米；②2010 年前后，針對茅口組頂部古巖溶面，圍繞瀘州古隆起，以古巖溶高地和巖溶斜坡為勘探目標，先后在蜀南—川東地區獲大量工業氣流井，發現大批巖溶縫洞型天然氣藏，其間以雙魚石構造為代表，在川西北地區還發現多個石灰巖裂縫型氣藏；③近十年以來，孔隙型白云巖儲層成為勘探的主流，包括熱液白云巖和主要分布在臺地邊緣的灘相白云巖兩種類型，其中前者主要受控于基底斷裂帶的展布，后者主要受古地理背景的控制，在四川盆地分布較為廣泛，目前已在川中—川北地區獲多口高產工業氣流井，顯示出廣闊的勘探前景。

隨著勘探程度的提高，實際工作中發現各類儲層空間分布的不均一性較強，在缺乏取心井控制的地腹區進行儲層預測較為困難，主要的原因有3點[6]：①儲層孔滲普遍較低，同時儲層巖性和物性的空間各向異性較強，且與圍巖差異較小，難以依照鄰區取心井進行準確標定，導致單一測井曲線識別難度較大；②地層埋藏深，地震波能量衰減快，信噪比低、連續性差，地震資料成像品質低；③單一白云巖儲層厚度較薄，對應儲層段地震波反射特征不明顯。

川中龍女寺地區作為四川盆地具有輝煌歷史的老油氣區，近年來在龍女寺地區茅口組二段獲多口工業氣流井，部分高產，顯示出極大的勘探潛力。其中，2022 年龍女寺構造磨溪145 井區茅口組二段提交天然氣控制地質儲量608.9×108m3，含氣面積685.7 km2，有力地支撐了安岳氣田的持續規模上產需求。然而，盡管區內測井和地震資料豐富，但茅口組取心井較少，多為早期的巖屑井。因此，目前尚缺乏針對龍女寺地區茅口組儲層基本地質特征的細致研究。另一方面，在實際工作中，依據測井和地震資料，區內茅口組二段儲層多被解釋為白云巖儲層，但仍然缺乏針對儲層成因的綜合研究，極大地制約了龍女寺地區茅口組氣藏的滾動勘探?？紤]到無論是臺地邊緣灘相白云巖還是熱液白云巖，其發育都與同沉積期或沉積期后的構造作用可能存在密切關系。因此，本研究從構造的角度出發，綜合運用測井、巖心、巖屑、地表露頭和地震解釋等資料，在詳細表征龍女寺地區茅口組白云巖儲層特征的基礎上，通過探討構造運動對盆地沉積—古地理背景以及斷裂—熱液活動的控制作用，對白云巖儲層的成因進行了約束。通過上述研究，本研究提出中二疊世末發生的峨眉地幔柱隆升、華南北緣板塊俯沖以及印支期華南周緣發生的廣泛的板塊碰撞事件在川中龍女寺地區茅口組二段白云巖儲層的形成過程中起到了關鍵的控制作用。

1 地質背景

受加里東運動和云南運動的影響，四川盆地經歷長期隆升剝蝕，形成西南高、東北低的準平原化的古地貌，其后隨著中二疊世的持續海侵，在此基礎上沉積形成中二疊統棲霞組和茅口組碳酸鹽巖[7-8]。中二疊世末期，在華南西南緣峨眉地幔柱隆升以及北部勉略洋俯沖消減的控制下[9-11]，四川盆地構造格局和古地理面貌發生了顯著轉變，主要表現在三個方面[4,8,12-19]：①大量基底斷裂活化，為熱液活動提供了通道；②受基底斷裂活化的控制，形成北西—南東向臺內盆地和洼地，并在大型臺盆邊緣形成礁灘相儲層有利相帶（圖1a）；③茅口組沉積末期，四川盆地廣泛抬升成陸地并接受風化巖溶作用，造成茅口組頂部地層缺失，并形成廣布于四川盆地的古巖溶風化殼。四川盆地現今褶皺構造則主要是古近紀—新近紀早喜馬拉雅運動期形成[7]。

圖1 四川盆地茅口組沉積期沉積相展布及龍女寺地區研究資料點分布和茅口組二段測試日產量圖

四川盆地茅口組自下而上可細分為四段[5]（圖2）。茅一段為深灰—灰黑色泥晶灰巖、有機質泥質灰巖夾黑色頁巖，眼球構造發育，局部見燧石結核，可作為茅口組近底部的標準層。茅一段自下而上可細分成茅一c亞段、茅一b亞段和茅一a亞段，各亞段在野外露頭剖面上難以區分，但電性特征差異明顯。茅二段由下至上細分成茅二c亞段、茅二b亞段和茅二a亞段；茅二c亞段為深灰—灰黑色泥晶灰巖，夾生物碎屑灰巖和黑色有機質泥巖薄層；茅二b亞段為灰—深灰色泥晶灰巖，白云石化普遍，見燧石結核；茅二a亞段為深灰—灰黑色泥晶灰巖，部分地區發育有細—粉晶白云巖和層狀硅質巖。茅三段以灰—深灰色泥晶—粉晶生屑灰巖為主，局部地區發育白云巖，少見燧石結核和條帶。茅四段主要為深灰—灰黑色泥晶灰巖。受東吳運動影響，茅三段和茅四段遭受不同程度剝蝕，在茅口組頂部形成巖溶風化殼。龍女寺地區位于川中平緩構造帶，區內茅口組均已剝蝕至茅三段，其茅口組二段頂界現今埋深約為3 750 ～4 500 m。截至2023 年6月，區內已有超過三十口過茅口組二段鉆井，多口獲工業氣流，測試日產量最高為磨溪145 井，高達212.26×104m3/d（圖1b）。

圖2 四川盆地茅口組柱狀圖（修改自本文文獻[5]）

茅二段—茅三段沉積期，研究區主體位于臺盆邊緣的高能淺灘相區，向西側逐漸過渡為臺內開闊臺地和臺洼相區（圖1a）。因此，研究區西側水深相對較大，以沉積泥—微晶灰巖和生屑泥—微晶灰巖為主，東側則在茅二a亞段至茅三段底部普遍發育厚約5 ～30 m 的灘相白云巖（圖3），構成了區內茅口組天然氣藏的主力產層，也是本研究的目標層位。

圖3 研究區東側茅二段—三段對比及白云巖儲層分布圖（鉆井位置見圖1a）

2 茅口組二段白云巖儲層特征

結合龍女寺地區及其周緣的大量巖心薄片、巖屑薄片、地表剖面以及測井解釋資料，本次研究對區內茅口組二段白云巖儲層的巖石學特征、儲集空間類型以及物性特征進行了詳細的研究。

2.1 巖石學特征

川中龍女寺地區茅口組二段白云巖儲層主要發育細—中晶白云巖，白云石含量多大于90%，白云石晶體大小多在100 ～500 μm，主要呈他形—半自形狀，晶體間多呈鑲嵌狀接觸關系，貼合緊密，基質孔隙甚少發育（圖4a-c）。白云巖中因普遍可見殘余的顆?；糜岸拱自剖囡@示出“霧心亮邊”結構（圖4a-c），除鏡下可見藻屑幻影外，在巖心上尚可識別出棘皮類和有孔蟲類的生屑顆粒，表明其原巖主要為高能淺灘相顆?；規r，后經白云石化形成。鏡下可見大量非選擇性的溶蝕孔（洞）和裂縫的發育，其間可見三個世代的充填物，分別為具有波狀消光特征的鞍狀熱液白云石、瀝青和晚期方解石（圖4d-e）。在少數白云石自形程度較好的白云巖中，可見方解石充填晶間（溶）孔或交代白云石使之發生去白云石化（圖4f-g），指示晚期方解石充填裂縫和孔隙的同時還對白云石進行了交代。白云巖中局部發育結構致密的硅質團塊，由生屑灰巖經硅化形成，除分布少量未被硅化的自形粉—細晶白云石外，生屑和填隙物的硅化都較為徹底，主要由隱晶—微晶石英組成（圖4h-i），由于強烈的硅化導致巖石結構變得較為致密。同時，微晶石英在正交偏光鏡下可見波狀消光特征（圖4i），指示硅化來自硅質熱液的交代作用。

圖4 研究區茅口組二段白云巖儲層巖石學特征圖

2.2 儲集空間類型特征

龍女寺地區茅口組二段白云巖儲層的儲集空間類型包括熱液沖擊破裂孔洞和裂縫、非選擇性溶孔（洞）、溶縫、構造裂縫和晶間（溶）孔。熱液沖擊破裂孔洞和裂縫通常與白云巖角礫和熱液礦物相伴生，形成于與峨眉地裂運動有關的構造—熱液活動期，當產生的孔洞和裂縫未被熱液礦物以及晚期其他礦物完全充填時則保留下來形成儲集空間（圖5a），此現象在四川盆地棲霞組和茅口組熱液白云巖儲層中較為常見[10,20-21]。非選擇性溶孔（洞）在區內各鉆井巖心中均較為發育，且普遍可見被早期鞍狀白云石和晚期方解石不同程度充填（圖5b-e）。溶縫的形成主要來自熱液對熱液沖擊破裂縫或構造裂縫的溶蝕，而后又被鞍狀白云石和晚期方解石不同程度充填（圖5a-b，f-g）。在巖心中還可見許多高角度直劈縫，縫寬多小于1 mm，較為緊閉，多數不具有充填特征，并可見其切割先期縫洞及其充填物的現象（圖5h-i），指示其形成于與先期構造裂縫不同的時代和構造環境下。正是在多期次構造裂縫以及熱液的沖擊和溶蝕的聯合作用下，才最終形成了川中龍女寺地區茅口組二段孔滲條件較好的裂縫—孔洞型白云巖儲層。除了上述各種類型的儲集空間外，在部分鉆井（例如磨溪39 井）的部分層段還可見晶間（溶）孔的發育，主要見于白云石自形程度較好的白云巖中（圖5j），指示白云石化作用對儲層物性的改善具有直接的貢獻，屬于建設性成巖作用。由于上述各類型儲集空間的形成均不晚于川中地區茅口組油氣充注時期（見討論部分），因此上述各類型儲集空間均屬有效儲集空間。

圖5 研究區茅口組二段白云巖儲層儲集空間類型特征圖

除巖心觀察外，測井資料同樣指示川中龍女寺地區茅二段白云巖儲層主要的儲集空間類型為溶蝕孔洞和裂縫。以資料較為豐富的磨溪39 井為例，常規測井資料顯示茅二段白云巖儲層段（4 410 ～4 427 m）在聲波時差曲線上呈現出顯著的鋸齒狀變化特征并在雙側向電阻率測井曲線上顯示為鋸齒狀箱型的相對高值的特征，利用電成像測井技術在茅二段白云巖儲層段共識別出4 條裂縫且多數具有明顯的擴溶特征，此外在電成像測井圖上還可見大量的暗色斑塊，指示溶蝕孔洞較為發育（圖6）。核磁共振則指示孔隙結構以中孔為主，核磁有效孔隙度為1.5%～4.6%。

圖6 磨溪39 井茅二段白云巖儲層常規測井以及成像測井解釋結果圖

2.3 物性特征

從測井解釋和巖心樣品測試所獲得的白云巖儲層段物性數據來看（表1），各鉆井白云巖儲層孔隙度介于3.1%～10.1%之間，平均值為4.5%，滲透率介于0.095 mD ～2.208 mD 之間，平均值為0.672 mD，屬于典型的特低孔、低滲型儲層[22]。白云巖儲層孔滲條件最好的層段發育在研究區東北部的廣探2 井，該井茅二段白云巖儲層段孔隙度最大可達21%，孔隙度大于10%的白云巖儲層厚度約15 m；其茅二段白云巖儲層段滲透率最大可達7 mD，滲透率大于1 mD 的白云巖儲層厚度約10 m，表明川北臺盆邊緣茅二段灘相白云巖儲層具有極好的儲集性能，具有發育連片成規模的白云巖儲層的潛力，應當加大勘探力度。

表1 研究區茅口組二段白云巖儲層物性數據表

3 討論

依據構造控盆、盆地控相的思想，許多學者從斷裂活動控制古地貌以及熱液活動的角度探討了川中—川北臺盆邊緣灘相白云巖的成因[4,15-16,18-21,23]，且普遍認為斷裂上升盤古地貌高地所發育的灘相灰巖較好的原始孔隙度以及極易發生的淡水溶蝕作用為埋藏期的白云石化奠定了良好的基礎，熱液流體順斷裂上升進入灘體最終將灘相灰巖改造成了物性較好且分布廣泛的白云巖儲層。

裂縫是指巖石或地層中由變形作用或物理成巖作用所形成的破裂面，是儲層的重要儲集空間和滲流通道[22]。針對川中地區茅口組二段白云巖儲層，前人的許多研究已注意到裂縫較為發育，并認為裂縫是主要的儲集空間類型之一[1,5,10,16,20]，但對裂縫的成因、期次及其對儲層發育的控制作用的系統研究仍然缺乏。從研究區的白云巖儲層儲集空間特征可以看出，相較于各類孔洞，裂縫雖然對儲層孔隙度的貢獻相對較小，但他們卻是熱液白云石化以及熱液沖擊破裂和溶蝕作用發生的主要場所，在提高儲層的滲透率方面也起到了關鍵作用。此外，不同期次的構造裂縫緊閉程度、充填程度亦不相同，可能指示了不同的大地構造背景。因此，本研究將結合鉆井巖心、測井解釋和地震解釋資料，對區內白云巖儲層中構造裂縫的發育程度、期次及其與儲層的成因之間的關系進行約束，從而指出下一步滾動勘探方向。

3.1 斷裂空間分布及期次

依據地震解釋資料[24]，龍女寺地區主要發育三期斷裂（圖7）：

圖7 龍女寺地區南北向斷裂解釋地震剖面圖

①桐灣運動、加里東構造運動期，發育近東西向走向的張性斷裂，延伸遠，斷面高陡，震旦系、下寒武統斷距最大，代表本區主活動期；

②海西構造運動期，寒武系斷裂再次因拉張活動而活化，其活動多終止于上二疊統長興組前期或中—早期，主活動期為龍潭組早期。本期斷裂顯然是峨眉地裂運動的產物；

③印支期，在區域擠壓應力場作用下，發育北東向左行走滑斷裂系統，斷面呈高陡狀，多個花狀斷裂發育，形成龍女寺地區馬尾狀、Y 字形斷層平面展布格局。

經對龍女寺地區茅口組頂面斷層進行分級統計，共解釋斷層371 條（圖8），其中伸展斷層76 條，擠壓走滑斷層295 條。根據斷層發育規模、延伸長度劃分為II、III、IV 級，再根據斷層處于海西期或者印支期，共劃分為6 類，如海西期II、III、IV 級，印支期II、III、IV 級。統計海西期伸展斷層中II 級斷層22 條，III 級斷層16 條，IV 級斷層38 條。印支期走滑斷層中II 級斷層17 條，III 級斷層20 條，IV 級斷層258 條。

圖8 龍女寺地區茅口組頂面斷裂分布及鉆井裂縫走向統計圖

3.2 裂縫發育特征

從研究區茅口組白云巖鉆井巖心上可以識別出兩期形成于不同時代和不同構造應力背景下的裂縫，分別為早于鞍狀白云石充填且開張度較大的早期張裂縫（圖5b,g）和切割先期縫洞充填物且較為緊閉的晚期高角度直劈縫（圖5h,i）。根據研究區斷裂發育特征，上述兩種類型的裂縫應分別形成于海西期拉張應力條件下和印支期擠壓應力條件下。此外，磨溪39 井和合深4 井成像資料統計表明，裂縫走向均以北西向為主，其次為北東向（圖8）。據此推測區內裂縫主要由海西期斷裂導致，其次是印支期斷裂。

除了依據成像測井資料研究和鉆井巖心觀察，本研究還借助AFE 疊后裂縫預測方法的預測成果[24]對龍女寺地區茅口組裂縫發育情況進行了研究。預測結果表明，研究區內茅二a亞段圍繞海西期和印支期各級斷裂發育大量裂縫，并且裂縫平面分布與斷裂的配置關系好，與鉆井的吻合率較高（圖8）。鑒于印支期正是川中地區茅口組油氣充注時期[20]，故上述兩期裂縫均屬有效儲集空間。因此，地震裂縫預測同樣表明大量構造裂縫的發育顯著改善了川中地區茅口組二段白云巖儲層的儲集性。

3.3 構造運動對川中地區茅口組白云巖儲層發育的控制

白云巖儲層成因涉及兩個問題，分別為白云石化機制和儲集空間的形成機制，二者都與構造作用關系密切。

3.3.1 白云石化機制

從地層對比可以清晰地看出自西向東研究區茅口組二段—三段白云巖儲層越來越發育，并且厚度逐漸增大（圖9），很好地匹配了峨眉地裂運動期控相基底大斷裂的發育區域（圖1a）。大量的前人研究指出，中二疊世晚期，在四川盆地西南部的峨眉地幔柱隆升以及北部勉略洋的北向俯沖的控制下，盆地內多條基底大斷裂發生活化[8,11]，誘發了四川盆地茅口組沉積中—晚期的構造—沉積分異作用，在川北儀隴—梁平一帶沿斷裂走向形成北西—南東向的深水臺內盆地，并在斷裂上升盤的臺盆邊緣古地貌高地形成高能淺灘相沉積[18]。這些位于古地貌高地的淺灘沉積既具有較好的原始孔隙度，也是在不同級次的相對海平面下降期遭受淡水淋濾的優先部位，同時活動的基底斷裂也為熱液進入灘體提供了通道?？偨Y前人研究成果發現，許多證據指示川中地區茅口組的白云石化受到了熱液的控制，包括：①同一薄片中相鄰的鞍狀白云石以及基質白云石具有相似的橙紅色陰極發光特征[10,20]，指示其成巖流體來自相似的還原性深部流體；②鞍狀白云石和基質白云石的氧同位素特征相似且與典型的熱液白云巖的氧同位素特征相近，而與同一鉆井中相鄰層位的灰巖的氧同位素特征存在明顯差別[20]；③鞍狀白云石和細—中晶基質白云石中包裹體的均一溫度均大于100℃[10,20]，而白云石U—Pb 測年指示川中地區茅口組的白云石化發生于中—晚二疊世[24-25]，其最大埋深不超過500 m，因此，即使以峨眉山玄武巖大規模噴溢時期6.5℃/hm 的古地溫梯度來計算[20]，該均一溫度仍然顯著大于圍巖溫度，指示熱液流體直接參與了白云石化過程。因此，本研究提出殘余在大量原生和次生孔隙中的海源流體和侵入的深部熱液為灘體的白云石化提供了較為豐富的鎂離子，而地幔柱活動所帶來的較高的古地溫梯度也有助于灘體在淺埋藏期即突破臨界溫度（約50℃[26]），從而造成了灘相灰巖廣泛的白云石化[4,10,16-21,23]。

圖9 研究區東—西向茅二段—三段對比圖（鉆井位置見圖1a）

3.3.2 各類儲集空間的形成機制

研究區內茅口組白云巖儲層的儲集空間類型包括構造裂縫、擴溶縫、熱液沖擊破裂孔洞、非選擇性溶蝕孔洞和晶間孔（圖5）。其中，構造裂縫有兩種類型且形成于兩個時期，分別為海西期張裂縫和印支期緊閉裂縫。中—晚二疊世之交，華南西南部峨眉地幔柱的隆升以及華南北部勉略洋的北向俯沖使得四川盆地處于強烈的伸展拉張的構造體制下，這一階段伴隨了大量的斷裂活動[11]，海西期張裂縫的形成顯然是這一構造體制的產物（圖10a）。印支期緊閉裂縫的形成所需要的擠壓背景則可能來自于華南陸塊與周圍塊體之間的碰撞作用，此時北部的華北陸塊、西側的松潘—甘孜地體以及南側的思茅—印支陸塊均與華南陸塊之間發生陸—陸碰撞—擠壓活動（圖10b）[27-28]。

圖10 研究區茅口組二段白云巖儲層裂縫發育的構造背景約束圖

前人研究資料表明，在斷裂活動過程中，斷裂帶異常的高壓將造成沿著斷裂帶運移的熱液與圍巖間存在較大的壓力差，使得熱液沿著與斷裂伴生的裂縫對圍巖進行沖擊和破壞[29-30]；當破壞程度有限時，僅形成新的裂縫；當破壞程度較強時則使得圍巖發生角礫化。海西期峨眉地幔柱的活動伴隨了大量的熱液活動[5]，在熱液沿斷裂運移過程中對圍巖進行了不同程度的改造，最終形成了大量微裂縫、角礫以及角礫間的孔洞，從而顯著改善了圍巖的儲集性能和滲流性能。另一方面，熱液沿著各類裂縫和孔洞的運移將造成圍巖的非選擇性溶蝕，形成擴溶縫以及非選擇性溶蝕孔洞。上述各類型裂縫以及溶蝕孔洞在經歷充填后仍大量保留下來，是區內茅口組白云巖儲層最主要的儲集空間類型。

晶間孔的發育可能與白云石“等摩爾”交代方解石過程中發生的體積縮小有關[25]，但研究區內茅二段白云巖總體較為致密（圖4a-c），晶間孔的發育僅見于少數鉆井的部分井段，不是主要的儲集空間類型。

綜上所述，本研究認為川中地區茅口組白云巖儲層主要的儲集空間類型的形成均受構造作用的控制，與板塊運動所誘發的斷裂—裂縫—熱液活動關系緊密。因此，下一步川中地區茅口組滾動勘探應當重視區內斷裂集中分布區域。

4 結論

本研究針對川中龍女寺地區茅口組白云巖儲層開展了大量巖心（屑）、地表露頭觀察以及鏡下薄片鑒定，結合測井解釋資料和地震解釋資料，對白云巖儲層特征及其成因進行了約束。

1）區內茅口組二段發育裂縫—孔洞型白云巖儲層；其巖性主要為細—中晶白云巖，由灘相顆?；規r經白云石化形成；其主要的儲集空間類型為熱液沖擊破裂孔洞和非選擇性溶蝕孔洞，構造裂縫和溶縫作為次要的儲集空間類型在熱液運移和提高儲層滲流方面起到了重要作用。

2）海西期峨眉地裂運動和勉略洋北向俯沖所控制的基底斷裂活動誘發了中二疊世晚期臺內盆地的形成，并控制了臺盆邊緣高能灘相顆?；規r的分布。在較高的古地溫梯度、殘余的海源流體和隨斷裂運移的熱液流體所提供的豐富的鎂離子的作用下，灘相顆?；規r被廣泛白云石化。同時，海西期的斷裂—裂縫—熱液活動以及印支期的斷裂—裂縫活動控制了區內茅口組白云巖儲層各類儲集空間的形成。因此，構造作用是川中地區茅口組白云巖儲層形成的主要控制機制，下一步滾動勘探應當重視斷裂集中分布區域。