Properties and Influencing Factors of Eogenetic Karst Reservoirs from Formation Micro-scanner Imagery Facies Analysis: A case study of the Fourth member of the Dengying Formation

岩溶型储层是碳酸盐岩油气储层重要类型之一^[1⁃2],我国西部海相盆地的许多碳酸盐岩型大规模油气田的主力油气产层属于岩溶型储集层,如塔里木盆地奥陶系良里塔格组^[3]、四川盆地二叠系茅口组^[4]和寒武系龙王庙组^[5]以及鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组等^[6]。岩溶作用可按其发生阶段^[1]、出露情况^[7]、埋藏部位^[8]、岩溶发育形态^[9]等多种依据进行划分。其中岩溶作用按照发生阶段可划分为同生期岩溶、准同生期岩溶、表生岩溶和埋藏岩溶。在同生期—准同生期,生物礁（丘）和颗粒滩等浅水碳酸盐岩沉积易由小规模海平面下降导致短暂暴露,发生大气淡水影响的早成岩期岩溶作用,对碳酸盐岩储层的早期形成和改善起到重要作用^[10]；此外,表生期地层接受大气淡水淋滤,对早期孔洞进行扩溶,并进行非组构性溶蚀形成大量次生孔洞,是储层改造的重要因素^[11]。前人对岩溶作用开展了大量研究,对优质岩溶储层进行了预测开发,但岩溶类型划分与储层发育关系尚未明确。

四川盆地川中地区灯影组发育颗粒滩、微生物丘型岩溶储层,是安岳特大气田的主要天然气产层^[12]。大量研究表明,灯影组岩溶储层的发育受沉积相、构造运动及海平面变化等因素的综合控制,特别是受桐湾运动影响的两期岩溶作用受到普遍关注^[13⁃14]。前人对灯影组沉积相和层序进行了大量的研究,认为层序上部发育大套厚层丘滩相,易形成优质储层^[15⁃17],然而关于岩溶作用与沉积和层序的关系研究不够深入。此外,溶蚀作用是灯影组四段储层发育的关键,整体上发育同生期—准同生期层间岩溶作用、表生期岩溶作用、埋藏期有机酸溶蚀和热液溶蚀作用^[13⁃14],但是关于岩溶环境和岩溶期次等还存在争议。

地层微电阻率扫描成像测井（FMI）能够全井段采集地层电阻率信息并以图像化形式呈现^[18⁃20],在研究沉积时代较老、埋藏较深、岩溶改造复杂且取心较少的地层时具有明显的优势。因此,本文主要利用川中地区灯影组四段的FMI资料,结合连续取心段、盆地周缘相关剖面和常规测井资料综合分析,开展岩溶相识别划分和不同期次岩溶储层特征研究,分析丘滩相岩溶型储层的成因机制及控制因素。研究结果将有助于深入理解岩溶储层的发育机制,并为区内有利储层预测提供依据。

研究位于四川盆地中部（图1a）,构造位置上处于高石梯—磨溪古隆起核部,该古隆起形成于震旦纪—早寒武世,是面积约2.7×10⁴ km²的大型统一隆起构造^[21]。灯影组沉积期,古隆起主要发育稳定的台地沉积,其中灯二段、灯四段广泛发育生物礁（丘）和颗粒滩沉积^[22]。受桐湾运动作用,灯二段、灯四段被抬升暴露,遭受表生岩溶作用,黔中南麻江基东剖面和南江县光雾山映水坝剖面等呈现出区域不整合面和褐红色风化面等特征^[23⁃24]。

Figure 1.  Location of the study area and composite stratigraphic section of Fourth member of the Dengying Formation

研究区灯四段与其下伏灯三段地层呈整合接触,与上覆下寒武统筇竹寺组页岩呈不整合接触,界限明显^[25]。灯四段地层厚度介于200~350 m,以台地边缘和局限台地沉积为主,发育藻丘、颗粒滩、滩间海等微相^[26]（图1b,c）。颗粒滩发育于构造高点,具有相对高能的开阔的水体环境,主要岩性为颗粒云岩,其中藻砂屑为主要颗粒,原生孔隙发育,见针孔、晶间孔和粒间孔（图2a,c）。藻丘的沉积水动能条件略低于颗粒滩,岩性以藻云岩为主,藻纹层发育,见晶间孔、窗格孔（图2d,e）。滩间海水动力条件差,为深水低能沉积,岩性为泥晶云岩、含泥（泥质）云岩等,岩性致密（图2f）。颗粒滩和藻丘具有良好的原生孔隙,有利于后期溶蚀改造（图2a,d）,易形成良好储层。前人针对灯影组层序结构开展了大量研究^[27⁃28],灯四段划分了5个层序（sq1~sq5）,层序上部发育生物丘和颗粒滩沉积,层序下部主要为滩间海沉积^[15,29]（图1c）。

Figure 2.  Main lithologies in the Fourth member of the Dengying Formation, central Sichuan Basin

在前人研究基础上,主要依据钻井的FMI图像特征,结合岩心观察及薄片鉴定,在研究区灯四段识别出7种主要的岩溶相。对各相的FMI图像特征、发育岩性、分布及储层质量等描述见表1。

缝洞相（F1）、充填洞穴相（F2）、角砾岩相（F3）主要发育于灯四段顶部。F1以大量暗色低阻团块和暗色条带为特征,指示蜂窝状孔洞（图2a、图3a,b）和高角度裂缝（图3f）,易形成优质储层。当洞穴被泥质充填,FMI图像上呈现整体暗色,定义为充填洞穴相（F2）。F3中的亮色斑块指示不同形态的碳酸盐角砾,反映洞穴塌积或再沉积作用,砾间见泥质充填（图3d）；或指示表生岩溶作用残留的岩溶角砾。灯影组顶部受不整合相关的表生岩溶作用,长期持续的强烈溶蚀改,形成大量的蜂窝状孔洞,并进行非组构溶蚀,对裂缝进行溶蚀扩大,连通上下储层,使三种相在地层中多组合发育,如在高石18井5 161~5 176 m,发育两套溶洞及相关洞穴沉积,累计厚度约15 m（图4）。常规测井均显示具有较高的自然伽马（GR）和较低的电阻率值（图5）。洞穴底部大多发育角砾堆积和泥质充填（F2、F3）,向顶部过渡为厚层的发育高角度裂缝及充填物的洞穴围岩（F1）。

Figure 3.  Cores and thin sections showing typical karst facies, Fourth member of the Dengying Formation, central Sichuan Basin

Figure 4.  Characteristics of karst cavity and infill material in a selected section of the Fourth member of the Dengying Formation at well Gaoshi18, central Sichuan Basin

Figure 5.  Bar charts of conventional logging data for different karst facies

顺层孔洞相（F4）和分散孔洞相（F5）在FMI图像上共同表现为暗色斑点和斑块,其中F4中暗斑的分布具有成层性,指示层状分布的厘米级孔洞（图2d、图3e）,反映早成岩期大气淡水对颗粒滩和藻丘沉积顺层纹层溶蚀,易形成优质储层。F5中分散暗斑指示零星发育的孔洞（图3c）,反映溶蚀程度较低。F4、F5均具有较高的电阻率和较低的GR值（图5）。

高阻块状致密相（F6）和低阻层状致密相（F7）中溶蚀作用发育均较弱,为主要的隔层。F6以高电阻率和低GR为特征（图5）,无明显的层理构造；F7则相反,以低电阻率和高GR为特征（图5）,FMI动态图像中可见明显的纹层,反映了陆源黏土质纹层,为最大海泛期的沉积标志。

根据岩相及微相的垂向变化,结合测井曲线特征分析,可将灯四段划分为五个高频层序（sq1~sq5）。各层序内部由下至上通常依次发育滩间海、颗粒滩、藻丘等微相,在下部一些层序内,还可识别出以含泥（泥质）云岩沉积为特征的最大海泛沉积,主要表现出向上变浅的沉积旋回,这与前人沉积微相及高频层序的研究认识一致^[17]。基于成像测井资料开展的岩溶相研究表明,岩溶相和有利储层的分布与层序结构密切相关,且早成岩期岩溶作用和表生岩溶作用影响着岩溶相的发育,从而岩溶作用与层序是否也能建立相关联系?

以高石18井为例（图6）,该井灯四段底部层序（sq1）以致密的滩间海沉积为主（F6和F7）,仅在sq1顶部的小规模台内滩沉积中发育3层1~3 m厚的孔洞层（F4和F5）。层序sq2和sq3中丘滩体厚度变大,其中断续纹层和顺层孔洞发育较多（图7a）,识别出3层10~20 m的孔洞层（F4和F5）,平均面孔率为4.6％。灯四段上部层序（sq4和sq5）中蜂窝状溶洞、高角度裂缝和顺层孔洞均发育显著增多（图7b）,可划分出4套15~40 m厚的岩溶储层,其中缝洞相（F1）、充填洞穴相（F2）和顺层孔洞相交替组合发育（F4）,在顶部出现厚达40 m的缝洞层（F1；图7c,d）,灯四段上部丘滩体沉积面孔率通常介于6%~13%,平均可达8％。总体上,岩溶孔洞层（F4和F5）主要发育在高频层序上部的丘滩相地层中,发育厘米毫米级层状孔洞为特征,反映了四级层序海平面下降时发生的早成岩期岩溶对丘滩相进行组构性溶蚀；灯四段的上部孔洞层的厚度和层数增加,且出现厚层的缝洞层（F1）,溶蚀孔洞规模扩大,溶缝发育,反映三级层序界面附近持续强烈的表生期岩溶作用。

Figure 6.  Distribution of karst facies in the sequence framework of the Fourth member of the Dengying Formation at well Gaoshi18, central Sichuan Basin

Figure 7.  Description of karst reservoirs in mound⁃shoal facies and near the upper unconformity

基于多口钻井的高频层序及岩溶相分析发现,早成岩期岩溶作用溶蚀形成的顺层孔洞相（F4）和分散孔洞相（F5）经常组合发育构成孔洞型储层,在上部的层序中早成岩期岩溶叠加表生岩溶作用形成的缝洞相及溶洞相关的岩溶相（F1~F4）经常组合发育构成缝洞型储层。在此基础上,通过编制连井对比剖面,分析了高频层序地层格架内的岩溶相及两类储集层的分布规律。

内部5个高频层序及滩间海—丘滩体沉积旋回对比清晰（图8）。下部层序中,以发育多套薄层（2~8 m）孔洞型储层（以F4和F5为主）,向上部过渡为大套近厚层（10~40 m）缝洞型储层（F1~F4）。横向上,位于台地边缘的高石19和高石7两口钻井各发育10余套丘滩体和岩溶储层,单井的丘滩体和岩溶储层总厚度平均值分别为165.1 m与114.2 m；位于局限台地的高石18井仅发育8套丘滩体及岩溶储层,厚度分别为89.3 m和69.0 m。在台地边缘的丘滩体厚度大的钻井中,上部层序（sq1和sq2）中的缝洞型储层的比例介于60%~70%。反映研究区灯四段岩溶储层的发育及分布不仅受到高频层序的明显制约,而且在岩溶储层数量、单层及总厚度上,台地边缘相带好于台地内部。在灯四段顶部的厚层丘滩体中,缝洞型储层比例增加。

Figure 8.  Comparison of sedimentary facies and karst reservoir in the high⁃frequency sequence framework of the Fourth member, Dengying Formation

基于成像测井资料并结合岩心和薄片综合分析发现,灯四段不同微相的储层特征存在明显差异。薄片观察显示,灯四段颗粒云岩和藻云岩中发育少量基质孔,包括粒间孔、粒间溶孔和窗格孔等类型（图9a,b）,泥晶云岩几乎不发育基质孔,反映丘滩相沉积具有良好的原始孔隙。在岩心和成像测井图像上,藻云岩中常见连续密集的顺纹层发育的孔洞（图9c）,颗粒云岩中多见分散的孔洞（图9d）。这些孔洞的发育具有明显的沉积相选择性,并且与原始的沉积纹层密切相关,反映其形成于早成岩期的溶蚀作用^[18]。表生岩溶强烈作用下,大气淡水进入丘滩沉积,对早期孔隙进行溶蚀改造,而形成顺层的孔洞和分散的溶洞（图7a,b）,构成优质的孔洞型储层（F4和F5）。

Figure 9.  Characteristics of eogenetic karst reservoirs in a mound⁃shoal facies

通过对比高频层序格架内的岩溶相,发现灯四段岩溶储层的发育分布受层序的控制,不同级别的层序界面控制着岩溶作用类型和强度。浅水碳酸盐岩台地礁（丘）滩沉积通常发育高频层序,礁（丘）滩体在层序的上部发育规模变大^[8,15,30],是控制有利储层的物质基础。在高频层序顶部,海平面下降导致同生期—准同生期大气淡水成岩透镜体对丘滩体沉积发生溶蚀作用,是早成岩期岩溶储层发育的关键因素^[31]。基于多口钻井的高频层序及岩溶相分析发现,灯四段孔洞层（F4和F5）主要发育在高频层序界面附近的厚层丘滩体中。在灯四段内部,各层序中丘滩体的厚度及比例由下至上逐渐增大,岩溶储层的厚度也逐渐增加（图6）；在灯四段顶部,三级层序界面附近发生强烈的表生岩溶作用,形成大套厚约40 m的缝洞型储层,以密集孔洞和高角度溶蚀缝为特征（图6、图7d）,局部薄层的滩间海微相也可形成缝洞型储层（图7c、图9e）。

研究区位于磨溪—高石梯古隆起核部^[22],灯影组碳酸盐岩沉积期一直处于构造高部位,受桐湾运动构造抬升影响,灯四段大面积暴露,形成区域性的剥蚀和不整合面,长期经历风化削蚀,形成高低起伏的岩溶地貌。不同古岩溶微地貌单元的水动力条件不同,影响岩溶水的补给条件和径流方式等,控制了表生岩溶作用的强度和作用范围,造成了不同地貌中岩溶储层的发育特征和溶蚀程度存在差异^[32⁃33]。

浅水碳酸盐岩台地中由于礁（丘）滩体的沉积速率相对较大,在沉积时易形成地貌高地,在海平面下降和构造抬升作用下,容易发生暴露溶蚀形成岩溶储层^[32,34]。研究区位于磨溪—高石梯古隆起核部^[22],灯影组碳酸盐岩沉积期一直处于构造高部位,对比发现台地上不同钻井间的灯四段丘滩体地层厚度具有显著差异（图8）。受桐湾运动构造抬升影响,灯四段沉积后受到暴露溶蚀,岩溶地貌控制着岩溶储层发育程度^[32⁃33]。

前人针对川中地区灯影组顶部古地貌恢复开展了大量研究^[35⁃36],通常将灯四段古地貌划分为岩溶台地、岩溶斜坡和岩溶洼地（图10a）,其中岩溶台地和岩溶斜坡等地貌带都可发育良好储层^[5]。基于区内钻井的岩溶相分析发现,不同微地貌的丘滩相岩溶储层质量存在较大差异,岩溶斜坡的储层质量明显优于岩溶台地（图10b）。研究区岩溶台地位于局限台地沉积区（图10a）,高石11井、高石18井、高石21井、高石103井等的岩溶储层总厚度介于62~69 m,（平均66.4 m）,单层厚度多分布在2~10 m,储层类型多为孔洞型储层（图6）,储能系数为0.78~2.26 m（平均1.59 m）。岩溶斜坡呈条带状分布于岩溶台地附近（图10a）,以台地边缘沉积为主,高石2井、高石7井、高石12井、高石19井等的研究表明岩溶储层总厚度介于101~119 m（平均111.4 m）,其中缝洞型储层（F1~F4）平均厚度为33.3 m,平均储能系数为2.62~4.77 m（平均3.71 m）。这种差异是由于各岩溶地貌具有不同的原始沉积相和水文条件造成的。台地边缘丘滩体厚度大（图8）,向西侧形成台缘斜坡,坡度大,在表生期易形成窄斗的岩溶斜坡,岩溶斜坡带岩溶水的流体势能强、流速大,对地层的溶蚀作用强烈,有利于优质储层的形成^[20,36]。台内带丘滩体发育较差,地形平缓（图8）,为岩溶水的补给区,岩溶水以水平径流状态进行运移流速较慢,表生岩溶作用强度较小,储层发育较差。

Figure 10.  Planar map of paleokarst landform and statistical chart of single⁃well reservoir types and storage coefficients

（1） 川中地区灯四段可识别出缝洞相（F1）、充填洞穴相（F2）、角砾岩相（F3）、顺层孔洞相（F4）、分散孔洞相（F5）、高阻块状致密相（F6）和低阻层状致密相等7种岩溶相。其中F4和F5发育厘米级层状溶蚀孔洞为特征,反映早成岩期岩溶的溶蚀；相比之下,F1、F2和F3具有更大规模的蜂窝状的溶蚀孔洞和高角度溶缝,指示表生岩溶叠加早期岩溶综合作用的结果。

（2） 孔洞型储层（F4和F5）主要发育于高频层序上部的丘滩相沉积；向灯四段的上部,孔洞型储层的厚度和层数增加,在灯四段顶部的厚层丘滩体中发育厚层的缝洞型储层（F1~F4）。

（3） 丘滩相沉积为早成岩期岩溶发育提供了物质基础,高频层序控制着丘滩体的沉积规模,影响着早成岩期岩溶储层的发育程度。三级层序界面附近,表生岩溶作用增强,并对早期溶孔进行扩溶改造,是灯四段形成优质储层的主要原因。

（4） 灯四段岩溶古地貌不同的水文条件影响着表生岩溶作用强度,是岩溶储层发育的控制因素。岩溶台地和岩溶斜坡是岩溶储层的有利发育区,其中岩溶斜坡区的储层在储层总厚度、储层类型、储能系数等方面均优于岩溶台地区的储层。