深层—超深层碳酸盐岩储层受沉积环境影响明显，且在埋藏期遭受多期流体溶蚀，从而导致优质碳酸盐岩储层的影响因素复杂^[1]。众多学者针对碳酸盐岩储层主控因素的讨论重点集中于颗粒滩叠加准同生溶蚀作用^[2]、开放体系的暴露及淡水溶蚀作用^[3]、埋藏^[4]及热液溶蚀作用等方面^[5-7]，并就埋藏条件下能否形成规模性优质储层以及孔洞保存等问题进行了深入分析^[8-10]。围绕碳酸盐岩储层影响因素的探讨，实际是研究不同流体-岩石耦合作用的响应过程。针对多期流体作用下的岩石-流体作用的研究需落实流体来源、温度及成分等^[11-13]，以揭示流体对规模化白云岩的控制及改造效应^[14-15]。流体作用过程及效果是目前白云岩储层研究亟待解决的关键问题，其本质是矿物交代-溶蚀-沉淀的动态平衡过程^[16-17]。

以往研究人员对川西地区二叠系栖霞组中上部的沉积环境、白云石化成因及储层特征等开展了较为详尽的研究^[18-19]，为落实储层形成机理提供了重要指导^[20-21]。野外资料研究表明，川西南宝兴地区栖霞组一段发育晶粒白云岩储层，可能为潜在油气勘探层段。该套储层孔洞充填复杂，其能否具备油气勘探潜力取决于储集空间在埋藏过程中的保存度，而目前针对该类特殊的白云岩储层在埋藏过程中的岩石-流体作用的研究相对较少。基于此，本文结合典型野外露头观察及取样分析对岩石学及流体包裹体展开详细研究，以期落实储层历经流体作用期次，并揭示流体对储层的复合改造效应。

研究区位于川西南雅安市宝兴县，构造上位于映秀—五龙断裂与小关子断裂之间，受茂汶—陇东韧性剪切构造带及宝兴杂岩推覆构造带影响（图 1a）。研究区历经加里东运动后，沉积下二叠统梁山组（P₁l）碎屑岩及中二叠统栖霞组（P₂q）、茅口组碳酸盐岩。海西早期东吴运动导致宝兴地区地壳隆起、张裂，产生大量断层及裂缝，同时沿基底断裂大规模喷出岩浆岩，形成规模庞大的峨眉山大火成岩省。后期历经印支、喜山等多期构造运动叠加，发育北东—南西向大断裂及伴生北西—南东向张扭性断层。栖霞组地层厚126 m，为海进—海退旋回控制下的浅水碳酸盐沉积物，自下而上可划分为栖一段和栖二段；主要由浅灰—深灰色薄—中层泥晶生物/生屑灰岩、厚层块状亮晶生屑灰岩及晶粒白云岩组成，含薄层深灰色生屑钙质泥岩夹层，自下而上泥质含量逐渐减小，局部见眼球/似眼球状生屑泥晶灰岩及含陆源石英碎屑的生屑泥晶灰岩，偶见燧石条带/结核；生物化石含量丰富，以䗴类、腕足、棘皮等为主。研究区碳酸盐岩储层主要位于栖一段中部及栖二段顶部^[22]（图 1b）。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 川西南雅安宝兴地区构造区划（a）及中二叠统栖霞组岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Tectonic zoning(a)and stratigraphic column of Middle Permian Qixia Formation(b)in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

野外观察表明，川西南宝兴地区栖一段（P₂q¹）下部以深灰色薄—中层眼球/似眼球状含生屑泥晶灰岩与灰黑色薄层钙质泥岩互层为主，中部以灰色中—厚层泥晶生屑/生物灰岩、厚层块状亮晶生物灰岩为主，其次为深灰色薄—中层波状及浅灰色厚层块状白云岩，上部以厚层生物灰岩与薄层钙质泥岩互层为主，含少量中—厚层白云岩。自下而上单层厚度逐渐变大，反映沉积期水体逐渐变浅、水动力逐渐变强。栖一段中部白云岩发育带状高角度断层/裂缝（图 2a），局部见顺层断裂/裂缝被巨晶方解石脉体（宽10~15 cm）充填。高角度裂缝/断层断距不明显，但明显可见白云岩沿断层两侧分布，部分区域在栖霞组底部向上3~5 m断裂发育处可见晶粒白云岩及白云质灰岩，远离断裂处白云石化现象逐渐减弱，岩性渐变为生屑泥晶灰岩。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 川西南宝兴地区中二叠统栖一段白云岩储层露头照片 （a）沿断裂发育的白云岩及构造角砾白云岩，上部为薄—中层生屑石灰岩，黄色虚线为断层或微断裂，断层附近发育斑马构造白云岩，见构造角砾岩及方解石脉体充填，栖一段中上部；（b）石灰岩基质被交代为细晶白云岩，与层面呈低角度相交的斑马构造发育，栖一段中部；（c）厚层块状晶粒白云岩，见断面擦痕，溶蚀孔洞发育，未充填或被白云石及方解石半充填，栖一段中部；（d）具生物残余组构的晶粒白云岩发育斜交缝，见残余溶蚀孔隙及溶洞，栖一段中下部；（e）白云岩中发育斑马纹构造及网状裂缝（黄色线），缝洞中被鞍状白云石近全充填，见残余溶孔，栖一段中部；（f）灰色含残余生物组构的晶粒白云岩，溶洞被鞍状白云石、石英及方解石半充填，栖一段中下部。 Fig. 2 Outcrop photos of dolomite reservoirs of the first member of Middle Permian Qixia Formation in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

宝兴地区栖一段斑马构造白云岩发育，由深色（暗带基质）和浅色（亮带胶结物）2部分组成，形成亮、暗带交替出现的韵律旋回。暗带多为半自形细晶白云石，见残余生物生屑组构；亮带为半自形中晶白云石或粗晶鞍状白云石，可见半充填—近全充填斑马纹（图 2b），偶见顺层亮带内部充填粒状方解石，残余溶蚀孔洞相对发育。斑马纹呈条带状、波状斜交—近水平状分布（图 2b），与层面夹角多小于30°，斑马构造横向延伸为厘米级至分米级、部分断续延伸至数米，部分斑马纹被微裂缝（厘米至分米级）错断。

栖一段中部厚层块状晶粒白云岩中，可见断面擦痕及白云石、方解石半充填的溶蚀孔洞（图 2c）。构造角砾白云岩及角砾基质中含小型斑马构造，角砾间胶结物与斑马纹亮带中均发育残余溶蚀孔洞。发育斑马构造的晶粒白云岩与见残余生物组构的晶粒白云岩组合，多形成蜂窝状溶蚀孔洞（图 2c，2d）。白云岩中微裂缝呈网状发育，多垂直层面分布，粗晶鞍状白云石呈弥散状沿裂缝及层面分布，半充填—近全充填（图 2e），可见部分溶洞被鞍状白云石及晶簇状石英半充填（图 2f）。

石灰岩经早期白云石化作用或晚期热液作用改造后，多形成相对优质的白云岩储层^[23-25]。研究区栖一段底部眼球状泥晶灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩及粉晶白云岩均较致密，几乎未见储集空间。栖一段中部细—中晶白云岩储集空间相对较发育（图 3a），而中—粗晶白云岩孔隙较差。基质白云岩晶间孔或晶间溶孔多被细—中晶白云石半充填，顺层亮带裂缝多被中晶白云石充填，顺层亮带溶洞多被粗晶鞍状白云石半充填（图 3b），可见粗晶白云石充填物被晚期裂缝切穿，且晶体边缘见少量沥青浸染。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 川西南宝兴地区中二叠统栖一段白云岩储层及充填序列微观特征 （a）具残余生物组构的粉—细晶白云岩，被裂缝切穿并被鞍状白云石半充填—全充填，铸体，单偏光；（b）具残余生物组构的粉晶白云岩，晶间（粒间）孔被亮晶白云石半充填，铸体，单偏光；（c）白云岩溶洞中被粗晶—巨晶鞍状白云石半充填，铸体，单偏光；（d）基质为粉晶白云岩，溶洞中被粗晶—鞍状白云石半充填—近全充填，鞍状白云石具生长环边及波状消光，正交偏光；（e）粉晶白云岩，白云石内部见方解石残余或被晚期部分去白云石化，粒间为粗晶方解石胶结，单偏光，茜素红染色；（f）基质为见残余生屑组构粉—细晶白云岩，缝洞中被自形—半自形中—粗晶白云石充填，残余缝洞被巨晶方解石充填；单偏光，茜素红染色；（g）基质为具残余生屑组构的粉晶白云岩，溶蚀孔洞中被鞍状白云石充填，鞍状白云石被后期硅质交代，见鞍状白云石港湾状溶蚀边白云石-方解石残余；石英内部裂缝被晚期方解石充填，最晚期被粗晶—巨晶方解石充填，见残余溶孔，正交偏光；（h）为图（g）中红色矩形框部分的放大照片，缝洞中充填的鞍状白云石边缘破碎残余明显，白云石被硅质流体未完全交代，正交偏光；（i）溶洞中充填的石英及方解石，石英晶体内部含大量流体包裹体、晶内裂缝发育且被方解石脉充填，正交偏光。 Fig. 3 Photomicrographs of dolomites and infillings of the first member of Middle Permian Qixia Formation in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

总体来看，研究区栖一段白云岩储集空间类型以残余晶间孔、残余晶间溶孔及溶蚀缝为主，其次为扩溶缝及晶洞（图 3c）。宏观及微观分析表明，未白云石化的灰岩及未完全白云石化的灰质白云岩或白云质灰岩储层不发育，粉晶白云岩及中—粗晶白云岩储层总体以孤立的晶间孔为主，细—中晶白云岩（尤以斑马构造发育）储层相对发育，孔隙度一般为1%~4%。

交代作用、重结晶作用、溶蚀作用及充填作用均对碳酸盐岩储层具有较大影响。充填作用在川西南宝兴地区中二叠统栖一段主要表现为：白云岩储层以中—粗晶鞍状白云石及亮晶方解石充填为主（图 3d，3e），其次为少量石英充填，局部见中—粗晶白云石呈带状与方解石共同分布于裂缝中（图 3f），总体显示为粗晶鞍状白云石→石英→方解石典型矿物充填序列。重结晶作用：基质白云岩晶体边缘多被溶蚀并被粗晶鞍状白云石充填，粗晶鞍状白云石晶粒较大，多具波状消光，晶体内部略显“雾心亮边”特征，指示其快速形成并历经后期缓慢结晶生长过程。鞍状白云石具环带状结构、生长环边富含包裹体，且鞍状白云石内部及边缘被后期流体溶蚀明显，晶面多呈港湾状与晚期方解石或石英接触，溶洞中充填的鞍状白云石部分破碎、溶蚀明显，偶见被石英及方解石交代后的残余假象，指示多期流体溶蚀-交代作用（图 3g，3h）。部分自形石英被粗—巨晶方解石包裹，且自形石英内部含大量流体包裹体，贯穿石英的裂缝被方解石充填，表明石英形成时间早于巨晶方解石（图 3i）。栖一段方解石多以2种形态赋存：①亮晶充填于斑马纹构造的白云岩顺层缝中，多形成基质白云岩→粗晶鞍状白云石→亮晶方解石充填序列；②自形巨晶充填于残余溶洞中，多形成基质白云岩→粗晶鞍状白云石→方解石→石英→巨晶方解石充填序列。前者主要形成于近同时或稍晚于热液白云石沉淀的较早期，后者多属晚期成因。

阴极发光分析表明，基质粉—细白云岩多见残余生物/生屑组构，被交代后多见颗粒边缘的溶蚀现象或破碎现象，基质白云岩发暗红色光，基质白云岩晶粒（颗粒）边缘多发亮红色光（图 4a—4c），总体指示基质白云岩形成期Fe²⁺和Mn²⁺的含量均较低，属早期成因。细—中晶具斑马构造的白云岩基质（暗带）发暗红—红色光，半充填顺层亮带的中—粗晶鞍状白云石发暗红—红色光，生长环边发亮红色光（图 4d—4f），反映基质是受亮带白云石形成过程中的同源流体改造所致，属浅—中埋藏期成因。构造角砾白云岩基质发光暗淡，角砾间缝洞中充填的粗晶鞍状白云石发红色光，指示基质白云岩为早期交代成因，粗晶鞍状白云石为浅埋藏期成因，与斑马构造白云岩的亮带具相似成因；晚期裂缝贯穿基质白云岩，裂缝被白云石充填，晚期裂缝中充填的白云石阴极发光暗淡，指示其形成于深埋藏期（图 4g—4i）。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 川西南宝兴地区中二叠统栖一段白云岩阴极发光特征 （a）晶粒白云岩，基质为见残余生屑组构的半自形细晶白云岩，栖一段中下部，单偏光；（b）照片（a）对应的正交偏光照片；（c）照片（a）对应阴极发光，基质白云石发暗红色光，裂缝充填白云石发红色光；（d）具斑马构造的粉—细晶白云岩，白云石晶面较脏，偶见残余生物或生屑组构，顺层缝中充填粗晶白云石，见残余溶孔，栖一段中部，单偏光；（e）照片（d）对应的正交偏光照片，粗晶白云石呈半自形、略显波状消光，正交偏光；（f）照片（d）对应的阴极发光照片，基质发暗红色光，充填白云石发红色光，生长环边发亮红色光，残余孔隙不发光；（g）构造破碎的晶粒白云岩，缝洞中充填亮晶白云石，栖一段中部，单偏光；（h）照片（g）对应的正交偏光照片；（i）照片（g）对应的阴极发光照片，充填白云石发暗红色光，生长环边发红色光。 Fig. 4 Cathodoluminescence characteristics of dolomites of the first member of Middle Permian Qixia Formation in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

对川西南宝兴地区中二叠统栖一段鞍状白云石、石英及方解石中双相流体包裹体进行测试，基质石灰岩、基质白云岩、交代重结晶的白云石及孔隙内细—中晶白云石内未见可测包裹体。鞍状白云石内部包裹体较小（直径2~6 μm），多呈规则椭球状分布于白云石解理缝及次生加大边内，平均气液比小于0.10 %；石英内部包裹体较大，多呈规则球状平行于晶体边缘分布，可见流体包裹体群，平均气液比小于0.08 %；方解石内部包裹体大，呈椭球—球状孤立或带状发育于晶格内部，平均气液比小于0.15%（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 川西南宝兴地区中二叠统栖一段流体包裹体微观特征（a，d，g）、均一温度直方图（b，e，h）及激光拉曼特征（c，f，i） Fig. 5 Micrographs(a, d, g), histogram of homogenization temperatures(b, e, h)and Laman spectra(c, f, i))of fluid inclusions of the first member of Middle Permian Qixia Formation in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

包裹体测温分析结果表明，粗晶鞍状白云石包裹体均一温度为144.7~255.6 ℃，平均为195.3 ℃；石英包裹体均一温度为162.3~243.8 ℃，平均为208.3 ℃；方解石包裹体均一温度为135.6~164.4 ℃，平均为164.4 ℃。从流体包裹体激光拉曼位移分析结果来看，鞍状白云石及生长环边捕获包裹体多为盐水包裹体，内部含丙烷；石英包裹体内以苯、环烷烃中环—环六烃为主，含少量乙烯、碳酸氢根及二氧化硫；方解石包裹体以水、二氧化碳和甲烷为主，含正构烷烃（图 5）。

川西南宝兴地区中二叠统栖一段具斑马构造的白云岩见残余生物组构，发育亮、暗带白云石及粗晶鞍状白云石，属热液改造型白云岩。热液改造型白云岩储层虽与全球典型热液白云岩储层在流体系统开放/封闭性、交代程度、热流体来源、分布等方面均存在较大差异^[26-27]，但多期矿物的充填较为完整地记录了储层在成岩演化中的流体作用过程，并指示了与烃源岩及油气成熟运移相关的流体事件。川西南二叠系烃源岩于三叠纪进入成油期，中侏罗纪末进入成油高峰期，晚侏罗纪末成油结束，白垩纪至今进入成油晚期及过成熟期，早期液态烃已全部热裂解为天然气，为主要生气时期。总体来看，川西南栖一段白云岩受早期成岩作用影响相对较弱，主要受中深埋藏期流体复合改造控制（图 6）。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 川西南中二叠统碳酸盐岩储层构造-成岩-成藏事件及孔隙演化配置综合图 Fig. 6 Comprehensive configuration of tectonic, diagenesis, hydrocarbon accumulation and porosity evolution of Middle Permian carbonate reservoirs in southwestern Sichuan Basin

研究区石英包裹体内以芳香烃的苯、环烷烃的中环—环六烃为主，含少量乙烯及甲烷，见部分碳酸氢根及碳酸根，表明该期热液作用伴随或稍晚于烃源岩成熟期，随后富硅热液进入地层对原储层进行复合改造。受燕山早期运动的持续影响，研究区持续抬升，深部产生的富含硅质的高盐度热流体充注孔洞，在充注过程中，流体中的硅质处于过饱和状态，沉淀形成石英晶体。白云石与富硅流体在温度为200 ℃（或大于100 ℃）时即可发生脱碳反应产生二氧化碳，富硅热液流体来源为火山岩侵入体、深部热对流大气水、变质脱挥作用或幔源流体^[28-29]。深部富硅热液沿基底断裂向上运移过程中，与白云岩反应后沉淀滑石等富镁硅酸盐矿物导致储集空间急剧减小，但二氧化碳在合适的地质条件下可溶蚀碳酸盐矿物，进而有利于深层碳酸盐岩储集孔洞的扩溶；石英多表现为充填残余溶蚀孔洞，未沿裂缝进行大范围充填且石英整体含量相对较低。显微观察亦可见典型晶洞中充填的粗晶白云石被交代后的残晶和白云石边缘溶蚀残边。研究表明，在脆韧性地壳应力为200~300 MPa及地温为200~350 ℃条件下，同构造期或构造后期富硅流体可快速运移，流体来不及在低温及低压环境内平衡，硅质溶解度随温度下降快速降低而沉淀亦可形成石英充填物^[30]。石英沿栖一段斑马纹发育部位的缝洞充填原因可能是硅质流体优先沿水力压裂缝运移，当孔隙流体压力低于岩石静压力时硅质流体的流动则被阻止，在脆-韧性转折区等可形成脉体或充填物；而水力压裂的压力则集中于其上部裂缝的尖端部位——流体超压形成的地方。

方解石包裹体以饱和烃直链正构环烷烃及非烃类卤族为主，其次为少量甲烷。根据方解石包裹体温度及盐度可划分出早期富二氧化碳热液及晚期富二氧化碳流体活动。其中，早期富二氧化碳热液为中温流体，晚期富二氧化碳流体为高温流体。结合热液作用、埋藏史及热演化史分析表明，方解石分别指示印支期热液沉淀作用、燕山运动晚期控制下流体幕式溶蚀-沉淀的动态过程。燕山构造抬升过程中，深埋藏环境下来自深部的含有机质（高—过成熟）热流体沿压力梯度降低的方向向上运移时导致方解石的沉淀。

川西南宝兴地区中二叠统栖一段碳酸盐岩受多期流体作用，流体期次、性质、路径及围岩岩性的差异导致白云岩储层改造效应及展布较为复杂（图 7）。栖一段沉积后受大气淡水淋滤溶蚀影响较小，与栖二段受表生期溶蚀影响差异明显；之后，孔隙受胶结作用及压实作用导致原生孔隙迅速缩减，至中三叠纪，受印支期热液影响导致孔洞溶蚀-充填复合改造明显，形成大量溶蚀孔洞的同时伴随鞍状白云石及早期方解石充填；后期受少量有机酸溶蚀改造及燕山期富硅热液充填、燕山晚期富二氧化碳热液导致的方解石沉淀等影响，最终形成相对致密的晶粒白云岩储层。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 川西南宝兴地区中二叠统栖霞组一段白云岩储层发育及分布特征 Fig. 7 Occurrence and distribution of dolomite reservoirs of the first member of Middle Permian Qixia Formation in Baoxing area, southwestern Sichuan Basin

从流体性质及路径来看，川西南宝兴地区栖霞组一段热液白云岩储层的定型可能与基底断裂相关的微断裂分支密切相关。研究区宝兴背斜西侧五龙冲断层沟通基底，其形成演化曾遭受早期张性断裂向晚期逆推覆的转换。印支构造运动期，高角度构造裂缝控制下的热卤水因断裂末梢多以汇聚为主（难以有效运移排出），导致对早期石灰岩或白云岩地层进行“靠断”及“顺层”改造，进而过度白云石化。该类白云岩储层属封闭体系下形成的储层，流体总体对其以充填效应为主。燕山运动期，强烈挤压推覆构造活动迫使富硅、富二氧化碳流体沿断层自西向东运移，导致石英及方解石的多期充填，这亦是储层相对致密的主要原因。从流体作用改造规模来看，区内热液白云岩储层横向分布70~100 m，垂向厚度为5~30 m。储层多呈“圣诞树”形态，横向上与石灰岩呈指状交叉接触（图 7a）。栖一段热液改造后的斑马构造发育的白云岩储层面孔率为1%~8%，实测平均孔隙度4.30%、平均渗透率为0.633 mD，总体为Ⅳ类储层（图 7b）。石灰岩及其他白云岩储层总体属Ⅴ类储层或非储层。此外，虽然下伏梁山组碎屑岩、栖一段薄—中层含生屑泥晶灰岩分别可作为多期热流体的运移层及封隔层，但区内热液白云岩发育规模与全球典型热液白云岩相比仍有较大差异^[31]。究其原因，可能主要受断裂或微断裂的发育情况（性质、规模及产状）及相对较高孔-高渗性的原岩发育的差异性控制，导致热流体对储层的顺层建设性改造作用不足且晚期流体对其强充填所致。

（1）川西南宝兴地区中二叠统栖一段白云岩主要由具残余生物组构的半自形中—粗晶白云岩组成，斑马构造及构造角砾白云岩发育，储集空间类型以裂缝及孔洞为主，其次为溶孔。白云岩储层孔洞内见鞍状白云石、石英及方解石充填，指示准同生期白云岩遭受深盆富镁卤水、富硅热液及多期富二氧化碳热液流体改造。多期热流体作用与印支构造运动及燕山构造/热事件相对应，表明构造/热流体事件对储层形成及演化起关键控制作用。

（2）宝兴地区栖一段白云岩储层发育程度受断裂性质及热液路径影响明显，规模性幕式流体沿断层运移至栖霞组渗透性地层并发生系列交代、溶蚀、充填等水岩反应。成岩改造作用以充填效应为主，储层发育规模受限，部分沟通断裂/裂缝的白云岩储层可形成孔隙-裂缝型储层，具一定勘探潜力。