党录瑞 郑荣才 郑超 文其兵 陈守春 廖军

1.中国石油西南油气田公司重庆气矿 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

川东地区长兴组白云岩储层成因与成岩系统

党录瑞1郑荣才2郑超1文其兵1陈守春1廖军1

1.中国石油西南油气田公司重庆气矿 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

对于川东地区上二叠统长兴组礁滩相白云岩储层的成因一直存在争议，为此，对该区白云岩成因类型、地球化学特征（铁、锰、锶微量元素，碳、氧、锶稳定同位素）及流体包裹体特征进行了综合研究。从成岩流体性质和产物的组合特征出发，按“水文体制”将长兴组白云岩划分为准同生阶段海源同生卤水、早成岩阶段源于飞仙关组地层封存热卤水、中—晚成岩阶段复合源混合热卤水、构造隆升阶段有深部热液参与的混合热液4个成岩系统。各系统成岩流体性质虽有不同，但对多期次的埋藏白云岩化作用和白云岩储层的形成、演化与分布都有重要的继承性控制作用：准同生阶段一般不具备储集意义；早成岩阶段是储层发育的基础阶段；中—晚成岩阶段扩大了储层分布范围和发育规模；构造隆升阶段是提高储层质量的关键时期，也是控制优质白云岩储层在区域上沿构造活动带分布的主要因素，可作为预测优质白云岩储层的重要依据。

川东地区 晚二叠世 白云岩 储集层成因 地球化学特征 成岩流体 成岩系统 长兴组 流体包裹体

四川盆地东部地区（以下简称川东）上二叠统长兴组是海相碳酸盐岩油气勘探获得重大突破的地区之一，已发现一系列大、中型礁滩相气田，勘探的核心任务之一是寻找优质礁滩相白云岩储层［1－6］。有关长兴组礁滩相白云岩储层的成因一直存在争议［1－12］，多数研究者将其确定为渗透回流和混合水成因，以混合水白云岩成因模式占主导位置，早期仅由雷卞军和强子同等人提出埋藏成因观点［7］。笔者依据岩石结构，微量元素、稳定同位素及流体包裹体地球化学特征，探讨了各成岩阶段白云岩化流体性质和水—岩反应过程，进一步论证了长兴组礁滩相白云岩储层为埋藏成岩过程中多期次、多阶段热液白云岩化作用产物，并将白云岩化过程划分为相对独立的但又继承性发展演化的4个成岩系统，探讨了成岩系统与白云岩储层的关系。

1 地质背景

该区属于川东弧形褶皱带东北缘，区内上二叠统长兴组与下伏上二叠统龙潭组和上覆下三叠统飞仙关组都呈平行不整合接触关系，可划分为台内海槽（盆地）、台地前缘缓斜坡、台地边缘生物礁和台地边缘浅滩及开阔台地、局限台地和蒸发台地等沉积相类型［13－15］，岩性以石灰岩为主，其次为白云岩，偶夹薄层状泥页岩，储层岩性主要为发育于台地边缘和台内的礁、滩相颗粒白云岩、礁白云岩和晶粒白云岩等［16］。

2 白云岩成因特征

2.1 白云岩成因类型

2.1.1 准同生白云岩

泥—微晶白云岩是长兴组白云岩的主要类型之一（图1－a），泥—微晶级的白云石多为他形—半自形晶体，常见条带状、鸟眼、膏盐假晶、钙结壳和藻纹层—藻团粒结构等显示有潮汐和暴露作用的成因标志，主要发育于有间歇暴露蒸发作用的礁、滩顶部或受障壁保护的澙湖—潮坪等萨布哈环境，用蒸发泵白云岩化模式解释其成因迄今为止没有争议。此类白云岩由于非常致密，一般不具备储集意义。

2.1.2 成岩期埋藏白云岩

长兴组成岩期埋藏交代成因的礁、滩相白云岩类型丰富，按原始结构保存状况、晶粒大小和结晶程度，可细分为如下4种与各成岩阶段相对应的、连续演化的结构—成因类型：①早成岩阶段，原始结构保存基本完好的颗粒或礁白云岩（图1－b），保存有少量原生粒间孔和生物体腔孔；②中成岩阶段，原始结构被不同程度破坏的残余颗粒或礁白云岩（图1－c）及细—中晶白云岩（图1－d），白云石具半自形—自形晶和雾心亮边结构，以发育晶间孔和晶间溶孔为主；③晚成岩阶段，原始结构几近消失的中—粗晶白云岩（图1－e），较粗粒的白云石自形晶具雾心亮边结构和强烈重结晶，发育较多晶间孔、晶间溶孔和超大溶孔，孔内往往充填有碳化沥青、马鞍状异形白云石和高富锶的热液方解石；④构造隆升阶段，原始结构完全被破坏的碎裂化白云岩（图1－f），溶蚀作用强烈，以广泛发育溶裂缝和超大溶孔为显著特征，溶孔中充填有碳化沥青、异形白云石和热液方解石，局部充填有更晚期的自生石英。

2.2 长兴组白云岩地球化学特征

对各成岩阶段白云岩的铁、锰、锶微量元素和碳、氧、锶稳定同位素分析结果由表1所示，地球化学特征研究分析如下。

2.2.1 铁、锰、锶微量元素地球化学特征

62件样品中54件为白云岩，5件为正常海相泥—微晶石灰岩，3件为热液方解石。分析结果显示各类白云岩的Fe、Mn、Sr含量非常近似，都具有Fe、Sr较高而Mn很低的特点，特别是充填各成岩阶段溶蚀孔、洞的热液方解石具有很高的Sr含量。这一Fe、Mn、Sr组成特征可说明如下几个问题：①白云岩具有较高的Fe、Sr含量、低的Mn含量，Mn／Sr比值介于0.036～1.544，说明成岩流体缺乏大陆淡水影响和具有较强还原性［17］；②Fe、Sr、Mn在各类白云岩中含量近似的分布特征，说明各阶段成岩流体性质非常相似，流体来源的主体应该是同源的；③充填各成岩阶段白云岩溶蚀孔、洞的热液方解石的Sr含量平均值高达0.112 2%，属于高富Sr方解石，依据开放条件下的流体不允许高富Sr方解石沉淀的原理［18］，反映成岩流体经历了Sr富集过程，说明埋藏白云岩化发生在封闭成岩体系中。

2.2.2 碳、氧同位素地球化学特征

60件样品的碳、氧同位素地球化学特征有如下几个基本特点：

1）δ13C（PDB标准，下同）变化范围为－0.647‰～4.847‰，平均值以海相泥—微晶石灰岩最高（3.156‰），各类颗粒、晶粒和礁白云岩及碎裂化白云岩平均值较高且基本一致，变化于2.36‰～2.833‰，准同生白云岩和热液方解石都较低，平均值分别为1.98‰和1.278‰。据Kump（1999）统计，成岩期交代成因的埋藏白云石δ13C介于1.0‰～2.0‰，风化带白云石约为0，变质和火山成因的白云石约为－5.0‰，生物成因的白云石多为高负值。按此统计规律，长兴组各类颗粒白云岩、礁白云岩、晶粒白云岩和碎裂化白云岩的碳同位素组成都属于成岩期交代成因的埋藏白云岩。

表1 长兴组各成岩阶段白云岩的铁、锶、锰含量和碳、氧、锶同位素组成特征表

2）在δ13C与δ18O关系图中（图2），δ18O组成了随成岩强度加大而负偏值加大的演化趋势，其中以准同生白云岩负偏值最小，平均值为－4.045‰，热液方解石负偏移最大，平均值为－6.969‰，其余各类成岩期埋藏白云岩介于两者之间，亦显示了埋藏交代成因特征。

图2 川东地区长兴组各类碳酸盐岩和胶结物的δ13 C与δ18 O关系图

3）由碳、氧同位素组成随成岩强度加大而负偏值加大的变化趋势，可确定早成岩阶段埋藏白云岩化发生在低温流体中，而中、晚成岩阶段白云岩化和构造隆升期白云岩碎裂化和重结晶作用发生在温度逐渐升高的成岩流体中［19］。

2.2.3 锶同位素地球化学特征

图3 长兴组白云岩锶同位素变化范围及均值直方图

46件样品的锶同位素地球化学特征有如下基本特点：①正常海相泥—微晶石灰岩87Sr／86Sr比值为0.708 742～0.710 519，平均值为0.709 447，明显高于全球晚二叠世海水［17］和上扬子同期海相碳酸盐岩87Sr／86Sr比值［18］，原因可能与石灰岩中含有微量富87Sr的泥质组分有关，据其Mn／Sr比值仅为0.036，而Sr的平均丰度高达0.889‰，反映其未遭受较强的成岩蚀变作用，因此，这一较高的87Sr／86Sr比值仍可作为判断白云岩锶同位素地球化学特征的对比标准（图3）；②准同生白云岩87Sr／86Sr比值与泥—微晶灰岩较接近并显著地高于各成岩阶段埋藏白云岩（表1、图3），说明准同生白云岩化流体源于同期海源水；③长兴组成岩白云岩87Sr／86Sr比值远低于同期海相泥—微晶石灰岩，而与飞仙关组成岩白云岩相似且具有相同的分布规律，为确定长兴组成岩期埋藏白云岩化流体主要来源于飞仙关组封存的高Mg卤水提供了依据［18］；④在高Mg卤水交代长兴组海相石灰岩的白云岩化过程中，因长兴组海相石灰岩本身所具有相对较富87Sr的性质（与其含有微量富87Sr的泥质组分有关），致使交代成因的长兴组埋藏白云岩也具有比飞仙关组略高的87Sr／86Sr值，但随着交代过程中87Sr消耗量加大，流体中87Sr浓度逐渐降低，因而出现伴随成岩强度加大白云岩87Sr／86Sr比值在各成岩阶段中依次降低的变化趋势（图3）；⑤充填中、晚成岩阶段溶蚀孔、洞、缝的热液方解石87Sr／86Sr比值略低于海相泥—微晶石灰岩和准同生白云岩，但高于埋藏白云岩，并以其Sr含量很高和往往与更晚期的次生石英共生的特点，推断其为含有深部流体加入的混合热液沉淀物。

2.3 流体包裹体特征

根据对充填溶蚀孔洞的各成岩阶段3类13件次生矿物样品的流体包裹体测定结果（图4）：中成岩阶段天青石均一温度为110～136℃，平均值为127℃，盐度（NaCl质量分数，下同）变化范围为1.23%～8.68%，平均值为3.94%；中—晚成岩阶段异形白云石均一温度介于127～159℃，平均值为143℃，盐度变化范围为0.35%～11.93%，平均值为6.8%；晚成岩阶段热液方解石均一温度介于139～203.8℃，平均值为172℃，盐度变化范围为1.23%～15.67%，平均值为8.2%。显然，上述3类次生矿物都为温度和盐度逐渐升高的具热卤水性质的成岩流体沉淀物。

图4 流体包裹体均一温度与盐度关系图

3 白云岩成岩环境、成岩阶段和成岩相划分

3.1 成岩环境和成岩阶段划分

按长兴组白云岩结构和次生矿物组合特征，可划分为如下5个渐进的成岩环境和成岩阶段（图5）。

图5 川东地区长兴组成岩阶段划分和演化模式图

3.1.1 准同生期近地表成岩环境

成岩流体为近地表蒸发浓缩成因的海源高Mg卤水，产物为富含藻纹层和藻团粒的泥—微晶白云岩，岩性非常致密，与硬石膏等蒸发矿物共生，普遍发育有暴露标志，反映萨勃哈环境。

3.1.2 早期浅埋藏成岩环境

随着沉积物脱离海水被埋入地下和埋藏深度增大，当其处在小于1 000 m的浅埋藏成岩环境时，虽经海底胶结和压实作用改造，但仍属礁、滩复合体的多孔系统，伴随上覆地层的沉积厚度加大和蒸发台地中封存的高Mg卤水排出，沿断裂带形成“压实排挤流”并倒灌进入长兴组礁、滩复合体［11－12］，出现最早期的埋藏白云岩化作用。

3.1.3 中期中—深埋藏成岩环境

处于埋深1 000～4 000 m的中—深埋藏成岩环境，伴随沿断裂带倒灌进入长兴组的热卤水成岩流体增量、增温和增压，导致更强烈的热液白云岩化和重结晶作用，以及相伴随的溶蚀作用和天青石化、硬石膏化等各类次生热液矿物的沉淀和充填胶结作用。

3.1.4 晚期深埋藏成岩环境

随埋藏深度进一步加大为4 000～6 000 m，甚至超过6 000 m的深埋藏成岩环境时，发生更强烈的热液白云岩化和重结晶作用，所形成的白云石具有更粗、更自形和更明亮的晶形。

依据微量元素和稳定同位素地球化学特征仍与前期相似的特点，可确定白云岩化流体仍以来源于飞仙关组压实排挤的高Mg热卤水占主导位置，但伴随地热增温和烃源岩成熟过程排出的有机［20］酸热液和烃类化合物向相邻的礁、滩复合体聚集成藏过程，同时出现与有机酸热液相关的深部溶蚀作用和异形白云石、高富锶热液方解石的沉淀作用，高富锶热液方解石中普遍发育有气—液二相有机包裹体的现象，为判断该成岩阶段有机酸热液进入成岩流体而具混合热卤水性质及初始油气聚集成藏的重要依据。伴随油、气聚集成藏和油、水分离，封存在油潴中的混合热卤水转化为油田卤水。

3.1.5 晚期构造隆升成岩环境

燕山—喜山早期构造运动使川东地区普遍发生褶皱、断裂与构造隆升，在长兴组埋藏深度逐渐变浅的隆升过程中，伴随有普遍的构造碎裂化作用，岩石被密集的网状构造裂缝分割成大小不均匀的碎块，沿构造裂缝发育带，在有深部流体参与的混合热液成岩流体中发生更强烈的热液白云岩化、重结晶、硫酸盐热化学反应（TSR）和溶蚀作用［21］，导致前期的岩石结构完全破坏，溶扩的前期孔、洞、缝和新形成的溶蚀孔、洞常充填有高富锶块状热液方解石、异形白云石、石英晶簇、大量碳化沥青和微量金属硫化物，以及次生热液矿物如热液方解石常含有大量的气—液二相、气相有机包裹体和固相沥青包裹体的现象，无疑为混合热液成岩流体中有深部流体参与和油气二次聚集成藏的证据。

3.2 长兴组成岩系统划分与储层发育关系

沉积盆地中流体来源、性质、流体与岩石相互作用过程、产物和成岩流体与储层的时—空耦合与匹配关系，是当今石油地质学界研究难度最大的前沿热点之一［19，21］。综合上述各成岩阶段白云岩的结构与微量元素、稳定同位素和流体包裹体特征所反映的成岩环境、成岩方式、成岩序列和成岩流体性质，从盆地大尺度的成岩作用研究角度出发，按“水文体制［20］”可将川东地区长兴组白云岩划分为4个相对独立的，但又继承性发展演化的成岩系统。

3.2.1 准同生阶段海源同生卤水成岩系统与储层发育关系

准同生阶段白云岩化作用发育在干旱炎热气候条件下的礁、滩顶部或受障壁保护的澙湖—潮坪环境，由蒸发浓缩形成的海源同生高镁卤水交代灰泥引起准同生白云岩化（不排除微生物作用），产物主要为非常致密的、不具备储集意义含膏盐的泥—微晶白云岩（图1－a）。

3.2.2 早成岩阶段地层封存卤水成岩系统与储层发育关系

浅埋藏环境的早成岩阶段白云岩化，发育在流体源于上覆飞仙关组蒸发台地 “压实排挤”倒灌的地层封存高镁热卤水成岩系统中，产物主要为原始结构保存良好的颗粒白云岩和礁白云岩（图1－b）。由压实、压溶和胶结作用虽然使大部分原生孔隙遭到破坏而缩小，但大范围的早成岩阶段弥漫性埋藏白云岩化有利于晶间孔发育，出现伴随白云岩化强度加大逐渐有利于储层发育的成岩演化特点。

3.2.3 中—晚成岩阶段混合热卤水成岩系统与储层发育关系

中—深埋藏环境的中—晚成岩阶段白云岩化，发育在成岩流体仍以源于“压实排挤”倒灌的飞仙关组地层封存高镁卤水为主，部分来自深部烃源岩释放的有机酸热液组成的复合源混合热卤水成岩系统中，其中以中成岩阶段有较强烈的重结晶—溶蚀作用为主，形成具残余颗粒或礁结构的粉—细晶白云岩（图1－c），部分为原始结构基本消失的细—中晶白云岩（图1－d），溶孔常充填有异形白云石、天青石、石膏和热液方解石。至晚成岩阶段往往具有更强烈的重结晶—溶蚀作用，以形成原始结构几近完全消失的中—粗晶白云岩为主（图1－e），溶孔也常充填有异形白云石、热液方解石和碳化沥青等。

显然，该成岩系统非常有利于白云岩晶间孔和晶间溶孔发育，是长兴组白云岩储层的主要发育期，也是长兴组白云岩储层的油、气初始聚集成藏期和混合热卤水向油田卤水转化期。虽然由混合热卤水向油田卤水转化过程中沉淀的各类次生热液矿物的充填胶结作用很普遍，可使部分孔隙被缩减而使局部物性变差，但总体上这些对储层发育的影响并不很大。

3.2.4 构造隆升阶段混合热液成岩系统与储层发育的关系

喜山早期晚时长兴组构造隆升阶段的成岩作用，发生在以油田卤水为主，掺和有深部热液组成的混合热液成岩系统中，包括：沿断裂活动带发育的强烈构造碎裂化、热液白云岩化、重结晶、硫酸盐热化学反应（TSR）和溶蚀及次生矿物沉淀等作用，原始岩石结构经构造碎裂化和重结晶作用改造后完全消失（图1－f），在原有溶蚀孔、洞、缝的基础上进一步发生溶扩，被溶扩的孔、洞、缝中除了充填有少量异形白云石、石英晶簇、热液方解石及大量渣状碳化沥青，往往在较短时间内被二次运移聚集的油、气充注，因此多为有效孔隙，其中以裂缝对改善储层物性影响最大，即使是很致密的泥—微晶白云岩，在该成岩系统中由构造破裂和溶蚀作用的发育，也可形成有效的裂缝型储层。

4 结论

1）川东地区长兴组白云岩可划分为准同生白云岩和成岩埋藏白云岩2种成因类型，后者可进一步划分为结构特征各有差异的、但连续演化的4种类型，即原始结构保存完好的颗粒和礁白云岩、原始结构被破坏的残余粉—细晶颗粒和礁白云岩、原始结构消失的中—粗晶白云岩及碎裂化白云岩。

2）按“水文体制”可将长兴组白云岩化过程划分为准同生阶段卤水、早成岩阶段封存卤水、中—晚成岩阶段混合热卤水、构造隆升阶段混合热液4个成岩系统。各系统成岩流体来源、流体性质、流体物化条件和相对应的成岩组合，既有相对的独立性和差异性，又具备继承性发展演化的特点。

3）在有利礁、滩相带控制储层区域分布的基础上，按各成岩系统与白云岩化作用的关系，可将成岩系统对白云岩储层的控制作用归结为如下4点：①准同生阶段近地表环境，海源同生卤水成岩系统准同生白云岩化作用的产物，一般不具备储集意义；②早成岩阶段浅埋藏环境，源于飞仙关组倒灌的地层封存卤水成岩系统的早期埋藏白云岩化作用的产物，是储层发育基础；③中—晚成岩阶段中—深埋藏环境，有机酸热液参与的混合热卤水成岩系统的中、晚期埋藏白云岩化作用，扩大了储层分布范围和发育规模；④构造隆升过程中有深部热液参与的混合热液成岩系统的碎裂化、白云石化和溶蚀作用（包括TSR）是提高储层质量的关键，也是控制优质白云岩储层在区域上沿构造活动带分布的主要因素，可作为预测优质白云岩储层的重要依据。

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Origins and diagenetic system of dolomite reservoirs in the Upper Permian Changxing Fm，eastern Sichuan Basin

Dang Lurui1，Zheng Rongcai2，Zheng Chao1，Wen Qibing1，Chen Shouchun1，Liao Jun1
（1.Geological Exploration and Development Research Institute of Southwest Petroleum University，PetroChina，Chongqing 401120，China；2.State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Ex ploitation／／Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 11，pp.47－52，11／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

There is much debate over the origins of dolomite reservoirs of reef－bank facies in the Upper Permian Changxing Fm in the eastern Sichuan Basin.In view of this，a comprehensive study is performed on the genetic types，geochemical behaviors（trace elements such as Fe，Mn and Sr，stable isotopes of C，O and Sr）and fluid inclusions of the dolomite in the study area.Based on the properties of diagenetic fluids and the assemblage features of their products，and according to"hydrological system"，four diagenetic systems are identified in the dolomite of the Changxing Fm，namely the marine－derived associated brine during the penecontemporaneous stage，the sealed hot brine derived from the Feixianguan Fm in the early diagenetic stage，the mixed hot brine during the middle－late diagenetic stage，and the mixed hydrothermal fluid involving deep thermal water during the tectonic uplift stage.Although their diagenetic fluid properties are different，they all have crucial inherited controls on the multi－stage burial dolomitization and the formation，evolution and distribution of the dolomite reservoirs.In the penecontemporaneous stage，reservoirs were generally poorly developed.In the early diagenetic stage，the development of reservoirs initiated.In the middle－late diagenetic stage，the scale of reservoirs enlarged.In the structural uplifting stage，the reservoir quality was improved.Structural uplifting is the major factor controlling the regional distribution of quality dolomite reservoirs along the active structural zone，thus it can be regarded as the important basis for the prediction of quality dolomite reservoirs.

Sichuan Basin，east，Late Permian，dolomite，reservoir genesis，geochemical behavior，diagenetic fluid，diagenetic system，Changxing Fm，fluid inclusion

党录瑞等.川东地区长兴组白云岩储层成因与成岩系统.天然气工业，2011，31（11）：47－52.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.012

国家自然科学基金（项目编号：41172120和40672073）。

党录瑞，1968年生，高级工程师；从事天然气勘探开发研究及管理工作。地址：（400021）重庆市江北区南桥寺中国石油西南油气田公司重庆气矿。E－mail：dang－lr＠petrochina.com.cn

（修改回稿日期 2011－09－19 编辑 罗冬梅）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.012

Dang Ruilu，senior engineer，born in 1968，is engaged in natural gas exploration.

Add：Nanqiaosi，Jiangbei District，Chongqing 400021，P.R.China

E－mail：dang－lr＠petrochina.com.cn