生物扰动指生物对其周围沉积颗粒进行搅动、混合和破坏形成的沉积构造,包括可以鉴定和无法鉴定的潜穴、钻孔、足迹和移迹等^[1],属于遗迹化石的一种。生物扰动作用既可破坏储层岩石层理及粒序结构,降低储层物性,又能改善储层微观孔隙结构,大幅提高储层渗透率^[2-3]。生物扰动具有发育环境广泛、扰动样式随机、多期扰动叠加及充填物质多样等特征,对储层的改造关系复杂^[4-8]。前人研究表明:与生物扰动相关的白云化作用可显著改善储层渗透率,且生物扰动程度增加,储层物性越好^[9-10];与生物扰动相关的白云化作用受有机质丰度、微生物丰度,氧化还原环境、云化流体的供应、通道的渗流特征等因素控制^{[1 1-12]};X射线成像、点渗透率测试、岩心螺旋CT测试、数值模拟等是研究生物扰动有效的技术手段, 3ds Max软件、AdobePhotoshopCS6软件、交叉网格技术等均可有效定性或定量表征生物扰动^[13-17];现有表征方法多依靠高精尖仪器,技术复杂,受样品分析成本等约束,缺乏适合野外露头及岩心的快速判别方法,对生物扰动对环境的选择、充填物质的成因机制、生物扰动对储层物性的改造机制等研究程度较低。以伊拉克M油田Mishrif组碳酸盐岩储层为例,基于岩心和铸体薄片资料,明确生物扰动作用优势发育环境,合理表征扰动作用强度,厘清生物扰动其对储层的改造机制,深化储层非均质性认识。

1 生物扰动环境

M油田位于伊拉克东南部巴士拉以北,构造上位于米索不达米亚盆地构造前缘带^[18],为巨型碳酸盐岩油田,主力油藏为白垩系Mishrif组生物碎屑灰岩。储层结构组分复杂,生物种类多样。白垩纪伊拉克地区一直保持浅海碳酸盐岩台地环境^[19],M油田Mishrif组为缓坡-弱镶边台地,主要为内缓坡沉积环境, 包括潮坪、潟湖、台内滩、滩后、潮道、台缘滩、滩前等沉积相。根据岩心资料和铸体薄片分析,在潟湖、台内滩、滩后、台缘滩和滩前沉积环境中均识别出生物扰动迹象。潟湖环境中,生物扰动最为发育,样品占潟湖样品总数的48.5%,其次为藻屑滩,扰动样品百分比为28.1%。台缘滩环境、台内滩和滩后生物扰动现象较少,滩前生物扰动发育程度最低(图1)。

潟湖通常是低等安静的水体环境,而台地边缘和滩前通常是水体动荡,能量较高的沉积环境。总体来看,生物扰动作用倾向于在低能安静的水体环境中发育。潟湖位于浪基面之下,水体较深,水动力较弱,适宜于底栖生物生存。岩石泥质含量高,有机质丰富, 为生物提供了丰富的营养物质,泥质沉积物硬度较低、生物容易发生掘穴,且后期破坏作用较小,生物扰动痕迹容易被保存下来。台缘滩和滩前等高能沉积环境位于浪基面之上,水体能量强,不利于底栖生物生存,生物碎屑多为固着类硬质生物,岩石类型多为富含生屑的颗粒灰岩,生物掘穴困难,部分钻孔生物虽可形成扰动痕迹,但强烈的水动力容易将生物扰动作用产物破坏,且高能沉积环境多位于构造高部位, 海平面下降更易发生暴露溶蚀,生物扰动痕迹遭受破坏,难以保存。

2 生物扰动程度

生物扰动程度是用来表征储层被改造的强度。前人对生物扰动程度已做过分级,其中Taylor提出生物扰动指数应用最为广泛,将生物扰动划分为7个等级(0~6) ^[20-21],该方案需要综合考虑沉积构造界面的可识别度、遗迹化石的密度和清晰度、生物潜穴的分异度和叠加程度等,识别分类过程和级次划分过于繁琐,不同级次间扰动特征差异不明显。齐永安等^[22-23]提出利用岩石切面上遗迹化石所占面积百分比来表征生物扰动丰度,该方法简单易行,适宜野外露头和岩心观察,然而岩石切面面积没有规定统一标准,且生物扰动遗迹并非均可肉眼识别,后期的破坏和成岩作用可造成扰动区域与基质性质趋同,尤其是对扰动强烈的储层样品,肉眼难以识别扰动边界,且分类中只体现了扰动数量的差异,而不能反映不同类型中的连通性差异。基于M油田Mishrif组生物扰动特征,利用铸体薄片和岩心资料,将生物扰动划分为4个等级:Ⅰ级斑状扰动、Ⅱ级纹层状扰动、Ⅲ级迷宫状扰动和Ⅳ级层状扰动(图2)。该分类通过岩心和铸体薄片相互验证,确定生物扰动面积,避免遗漏肉眼不能识别的扰动遗迹。根据扰动面积与岩心切面面积比值,以20%、50%和80%为界,将生物扰动分为4级,简化了Taylor的7级分类,提高了不同扰动级次的区分性。分类中加入了描述性的术语,反映了扰动的强度和连通性。需要说明的是,该方案中级次和描述语可以交叉应用,提高分级的适用性,如扰动面积为30%,但扰动区域均为孤立分布,则扰动级次可以定为Ⅱ级斑点状扰动。

Ⅰ级斑状扰动:岩心上扰动部分所占面积百分比小于20%,扰动处为深棕黄色,呈孤立的斑点状或斑块状,扰动区边界清晰,连通性差,沉积物改造程度低,扰动叠加程度弱(图2(a))。

Ⅱ级纹层状扰动:岩心上扰动部分所占面积百分比介于20%~50%,扰动区呈暗棕黑色,呈脉络条带状,不同的扰动通道边界清晰,通常以点状接触, 扰动处具有一定的连通性,沉积物改造程度中等,扰动叠加程度弱(图2(b))。

Ⅲ级迷宫状扰动:岩心上扰动部分所占面积百分比介于50%~80%,扰动处呈浅黄—暗黄色,扰动通道为线状接触,扰动通道边界模糊、呈迷宫状,连通性较高,未扰动部分呈白色斑状或条带状随机分布,沉积物扰动强度大,扰动叠加程度中等(图2(c))。

Ⅳ级层状扰动:岩心上扰动部分所占面积百分比大于80%,扰动区颜色为浅黄白色和深棕黄色, 呈厚层状,扰动部分呈体状接触,难以识别具体生物扰动边界,Ⅳ级扰动生物扰动鉴定需要结合铸体薄片,薄片上通常是自形程度较高的白云石颗粒。扰动通道连通程度较高,沉积物改造程度强,扰动叠加程度强(图2(d))。

3 充填物质

扰动程度控制了储层改造的强度,而扰动通道中的充填物则控制了储层改造的方向。不同充填物对储层物性影响具有明显的差异,且随着扰动程度的增加,充填物对储层物性的影响越显著。基于薄片观察,M油田Mishrif组生物扰动通道中发育3种充填物质:同生碎屑颗粒、白云石和方解石。

3.1 同生碎屑颗粒

同生碎屑颗粒指在沉积时期扰动通道中形成的碎屑充填,这些碎屑是沉积成因的,一定程度上保留了与原沉积物相似的化学组分特征,由于与底质沉积环境不同而表现出明显的结构组分差异(图3)。同生碎屑颗粒最大的特征是物理成因的,其岩石特征受沉积环境的影响。扰动底质和扰动通道中通常发育不同的岩石类型,如图3( a) 和图3( b),扰动底质为泥晶灰岩,扰动通道中充填了具泥粒结构的泥晶生屑灰岩,而图3( c) 中扰动底质为具泥粒结构的泥晶藻屑灰岩,扰动通道中充填了含藻屑泥晶灰岩。结构组分的改变影响了储层整体物性的变化,若扰动通道中充填了粗粒碎屑,泥质含量降低,则有利于提高储层整体物性;若通道中充填了细粒结构组分,泥质含量增加,则不利于改善储层整体物性。扰动通道中发生的成岩作用对储层物性有重要影响,若发生非选择性溶蚀作用,则会形成大量的粒间孔及粒间溶孔,有效提高储层物性(图3( d)~( f));若碎屑颗粒性质差异较大,发生选择性溶蚀,形成大量的铸模孔或生物体腔孔,可有效提高储层孔隙度,但对渗透率影响较小;溶蚀作用后若发生强烈的胶结作用,胶结物充填孔隙体积,严重降低储层物性。如图3( a)中的碎屑颗粒,经历了选择性溶蚀和胶结作用,颗粒先被溶蚀而后被致密充填,已无法鉴定生屑颗粒类型。图3( b) 中碎屑颗粒多为棘屑和似球粒,抗溶蚀能力强,颗粒保存完整,但碎屑颗粒间却被方解石致密胶结。

3.2 白云石

白云化作用是与生物扰动相伴生的重要成岩作用,生物扰动不但改变了沉积物结构组分和构造形态,也改变了沉积物的地球化学环境。白云化作用需要具备充足的Mg²⁺和适宜物理化学环境,而生物扰动有利于白云化作用的发生,与扰动底质相比,生物扰动通道在沉积物结构和化学环境上均存在显著差异。沉积物结构上,若生物扰动造成岩石颗粒粒径变大,可有效提高通道中的渗流能力,为白云化流体提供了渗流通道,若生物扰动造成沉积物颗粒粒径变小,可增加颗粒与流体的接触面积,亦有利于白云化作用^[11]。

化学环境上,相比基质围岩,生物扰动通道中地球化学环境存在显著差异:

(1)氧化-还原环境。生物扰动通道以还原环境为特征,白云化作用倾向于发生在还原环境,氧化环境中富CO₂ 和含SO ^2- ₄ 易将Mg²⁺绑定,抑制白云石的沉淀, CO₂ 的增加促使碳酸盐岩的溶解, 使Mg²⁺/Ca²⁺降低,难以云化^[11]。

(2)有机质丰度。生物扰动通道中有机质丰度较高,这些有机质以生物黏液或排泄物的形式富集^[11],有机物的分解会导致化学环境在厘米尺度上的微小差异。

(3)微生物和细菌富集。扰动通道中有机质的富集为微生物和细菌的繁殖提供物质基础。还原细菌能够去除绑定Mg²⁺的SO ^2- ₄ ,释放出Mg²⁺,促进白云化作用^[6,12]。

(4)pH环境。扰动通道中尽管也富集CO₂,但NH₃ 含量也比较高,NH₃ 与水分子反映形成碱性环境,造成扰动通道中孔隙流体pH值升高,高pH增加了HCO ^3-的活性,直接促进了白云石的沉淀^[11]。

(5)离子浓度。生物扰动通道中,SO ^2- ₄ 被硫酸盐还原细菌消耗或被移除,造成通道中SO ^2- ₄ 浓度较低。 M油田Mishrif组发育3种与生物扰动相关白云石。

3.2.1 微晶离散状白云石

微晶离散状白云石晶体比较洁净,晶体粒度较小,通常小于50 μm,且扰动通道中仍以灰质充填物为主,白云石离散分布其中(图4( a)和( b)),该类白云石颗粒可能形成于准同生期早成岩阶段,生物扰动形成的通道为海水提供了渗流通道,为白云石化提供了丰富的Mg²⁺,白云石与方解石发生等体积交代,白云化作用时间较短,导致晶体颗粒自形程度差,晶体粒径较小。

3.2.2 自形细晶状白云石

自形细晶状白云石晶体比较污浊,颗粒自形程度高,粒度较大,晶体粒径介于100~200 μm(图4(c)和( d))。该类白云石可能形成于埋藏成岩环境,白云石与方解石发生等物质的量交代形成的,由于Mg²⁺离子的半径较小, 所以白云石的摩尔体积比方解石或文石都要小,因此方解石或文石被白云石交代之后, 会使晶体体积减小, 导致孔隙体积变高^[24]。然而,等物质的量交代的前提条件是成岩作用发生在封闭的环境中,但封闭的环境是否能满足白云化作用所需的大量的Mg²⁺ 值得验证。自形细晶状白云石更有可能是扰动通道早期为开放环境, 外来流体提供了大量的Mg²⁺,自形白云石形成后, 扰动通道转变为封闭环境。

3.2.3 自形—半自形镶嵌状白云石

该类白云石晶体为浑浊色,晶体呈自形—半自形,晶体粒径介于120~250 μm,颗粒呈线状镶嵌式接触,对孔隙充填程度较高(图4(e) 和(f)),白云石主要是由于过白云化作用形成的,在开放的体系中,外来的白云岩流体的加入,持续不断提供CO ^2- ₃和Mg²⁺时,导致原始灰岩发生过白云岩化^[24],白云化作用初期岩石体积减小,孔隙体积增大,而后期白云化作用持续,白云石晶体持续沉淀并逐渐充填孔隙体积。储层孔隙度呈现先增大后减小的变化趋势。过白云岩化前期可能处于封闭的环境中,后期由于裂缝等原因造成体系开放,白云石逐渐占据晶间孔隙体积。

3.3 方解石

生物扰动通道后,若体系处于开放环境中,外来的大量富含Ca²⁺的饱和流体充填扰动通道,较低的Mg²⁺/Ca²⁺抑制了白云化作用,饱和流体持续发生沉淀,形成的方解石颗粒不断充填孔隙(图5)。若体系处于封闭环境,难以有充足的Ca²⁺供应,方解石不能完全充填孔隙,可形成少量的残余孔隙。生物通道中充填的方解石可能形成于深埋藏成岩环境,颗粒较大,粒径通常大于500 μm,方解石呈线状镶嵌式接触。方解石形成后增加了岩石抗压实强度,可有效抵抗压实作用对储层孔隙的破坏,若埋藏后期体系开放,不饱和流体可溶蚀方解石,增加岩石孔隙体积。

4 生物扰动模式

基于岩心和铸体薄片资料,综合沉积物岩石学特征、生物扰动程度、充填物质差异及对储层物性影响等因素,建立了M油田Mishrif组生物扰动模式(图6)。

研究区孔隙型储层中生物碎屑具有多样性,包含底栖有孔虫类、双壳类、棘皮类、厚壳蛤、介形虫、腹足类、海绵骨针、苔藓类和海绵类。扰动底质主要以生物碎屑灰岩为主,包含泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩、泥晶生屑灰岩、生屑颗粒灰岩等。基于薄片统计分析,生物扰动更倾向于发生在低能安静的水体环境中,且低能环境生物扰动痕迹保存程度较好,因此生物扰动在泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩及生屑泥晶灰岩中更易见,白云岩主要是生物扰动发生白云化作用的结果。

模式中以扰动通道的数量、规模和连通性反映生物扰动强度,随着扰动程度的增加,储层的改造越明显。 I级斑状扰动中,扰动通道以孤立分布为特征,扰动现象少,深度浅、规模小(图6( a))。 Ⅱ级纹层状扰动中,扰动深度和规模增加,扰动通道连通性也得到改善,扰动通道多以点状接触为主(图6(b))。 Ⅲ级迷宫状扰动中,以普遍的线接触和较好的连通性为特征,扰动通道从数量上和规模上均具有显著的增加,Ⅲ级迷宫状扰动中对原沉积物改造程度较强,扰动区域相互接触连通,通道呈现迷宫状(图6( c))。 Ⅳ级层状扰动已完全改变原岩特征, 难以识别原岩石类型,扰动区连接成片,以难以分辨具体扰动通道为特征(图6( d)),Ⅳ级层状扰动通道数量最多,规模最大,连通程度最高,通常是多种生物多期次、高强度作用结果。

生物扰动模式中,充填物的差异表现出对储层物性的差异影响。充填物包含同生碎屑颗粒、白云石和方解石3类。同生碎屑颗粒经选择性溶蚀可形成铸模孔或生物体腔孔,但对储层物性的影响通常较小。根据晶形和结构,模式中包含了3类白云石颗粒,白云石颗粒中可见交代残余的生物碎屑。准同生白云石晶体颗粒较小,对储层物性的影响不明显^[25];埋藏白云石对改善储层物性具有重要的影响,其形成的晶间孔和晶间溶孔有效提高储层孔隙度和渗透率。过白云化作用形成自形—半自形白云石,呈密集镶嵌状充填储层孔隙。过白云化作用早期也可形成自形白云石颗粒,发育大量的晶间孔隙, 与埋藏白云石不易区分。方解石对孔隙通常是致密充填,后期可发育溶蚀作用。

5 生物扰动意义

5.1 生物扰动对储层的改造

前人研究已证明生物扰动作用有利于改善储层物性,尤其是可有效提高储层渗透率^[7-9,26],但也有研究证实扰动通道被方解石胶结后会降低储层的物性,而且随着扰动程度增加,储层物性越差^[3]。生物扰动与储层物性关系控制因素较多,对储层的改造是多种因素多期作用叠加的结果。基于沉积环境、生物扰动程度、充填物质差异和后期成岩作用,建立了生物扰动与储层物性多因素体系(图7)。总体来说,沉积环境决定了生物扰动的底质和保存程度,生物扰动程度反映了储层改造强度,后期充填物质和成岩作用控制了储层改造性质。

不同沉积环境其岩石类型、生物类型和丰度及生物扰动方式等存在显著差异。高能沉积环境中岩石颗粒组分较多,泥质含量少,储层原始物性通常较好,而低能沉积环境沉积物泥质组分较高,储层原始物性通常较差,生物扰动发育环境比较宽泛,但在低能环境下扰动遗迹容易被保存下来,相比高能优质储层,其对低能差储层的改造作用更加明显,在研究区各沉积相中生物扰动作用对潟湖相储层物性具有重要的改善,而对其他类型储层的改善效果不明显, 如潟湖相储层未扰动部分孔隙度介于4.0%~8.6%,平均为6.0%,渗透率介于(0.01~1.8)×10^-3 μm ²,平均为0.3×10^-3 μm ²,经生物扰动改造的潟湖相储层孔隙度介于3.7%~28.1%,平均为12.8%, 渗透率介于(0.02~26)×10^-3 μm ²,平均为3.1×10^-3 μm ²。随着生物扰动程度的增加,储层物性改造效果更加明显,Ⅰ级斑状扰动孔隙度平均为8.49%, 渗透率平均为1.1×10^-3 μm ²;Ⅱ级纹层状扰动孔隙度平均为10.7%,渗透率平均为2.2×10^-3 μm ²;Ⅲ 级迷宫状扰动孔隙度平均为14.4%,渗透率平均为2.3×10^-3 μm ²;Ⅳ级层状扰动孔隙度平均为15.2%, 渗透率平均为4.7×10^-3 μm ²。

储层改造的性质取决于充填物质,扰动通道中通常充填自形细晶状白云石,物性最好,其次是同生粗粒碎屑(表1)。若扰动通道中被方解石致密充填,则储层整体物性降低,若方解石后期遭受溶蚀形成部分残余孔隙,则可提高储层孔隙度。

不同成因的白云石颗粒对储层物性具有不同的影响,准同生白云化作用形成的微晶白云石对储层物性的影响较小。埋藏白云化和过白云化早期保留了大量的晶间孔和晶间溶孔,而过白云化作用对扰动通道的充填比较严重,严重降低了储层孔隙度。扰动通道若在沉积期充填碎屑颗粒,其对储层物性的影响取决于与底质组分的差异。若底质为粗粒沉积,而扰动通道充填细粒碎屑,则可降低储层整体物性;若底质为细粒沉积,而扰动通道中充填粗粒碎屑,则有利于提高储层物性;若基质与扰动通道具有相似的颗粒类型,则生物扰动对储层物性没有明显的影响。值得注意的是,溶蚀作用和胶结作用对通道物性影响较大,无论扰动通道中颗粒粒径大小,若发生强烈的溶蚀作用,可形成粒间孔、铸模孔或生物体腔孔等。溶蚀作用也可以发生在白云化之后,残留的灰质成分遭受外来不饱和流体的溶蚀,形成大量的次生晶间溶孔、生物体腔孔、基质微孔,有效提高储层物性。若溶蚀后又发生强烈的胶结作用,则可降低储层物性。相比灰岩储层,白云岩抗压实强度和抗溶蚀能力更强,白云岩地层更容易发生裂缝, 裂缝的形成可直接提高储层渗透率,溶蚀流体更容易沿裂缝进入地层,有利于溶蚀作用的进行。

5.2 生物扰动对沉积环境的指示意义

生物扰动底质反映了岩石古沉积环境,若生物扰动作用期间沉积环境稳定,且扰动通道中充填同沉积碎屑颗粒,则充填物与底质具有相似的化学组分或结构组分。因此扰动通道若充填同沉积碎屑颗粒,将扰动区物质恢复至初始成岩演化状态,若与底质存在明显的岩石特征差异,则可用于指示古沉积环境变化。若底质岩石为低能沉积,扰动通道为高能沉积,如图3(a)和(b),原始沉积环境为潟湖相, 沉积物为泥晶灰岩—含生屑泥晶灰岩,岩石呈泥晶结构,而扰动区充填物中则是泥晶生屑灰岩,生屑类型包括棘皮类、双壳类、藻类和似球粒等,岩石呈粒泥结构—颗粒结构。两者的差异反映了扰动通道形成后,沉积环境从潟湖相演变为了台内滩相或滩后相等,反映了水动力条件明显增强,海平面下降。若底质岩石为高能沉积,扰动通道为低能沉积,如图3(c)所示,底质沉积环境为藻屑滩,岩石为泥晶藻屑灰岩,呈泥粒结构,而扰动区为含藻屑泥晶灰岩,岩石结构为粒泥结构,反映了海平面上升,水动力减弱的沉积环境。

6 结论

(1)M油田Mishrif组潟湖相生物扰动作用最为发育,潟湖环境位于浪基面之下,水体较深,水动力扰动较弱,有机质丰度高,底栖生物发育,扰动底质硬度小,且后期破坏作用较小,扰动遗迹保存完整。相比高能的台地边缘滩体,生物扰动作用在低能安静的水体环境中更易常见。

(2)基于前人对扰动强度的表征方案,综合M油田Mishrif组生物扰动特征,提出了生物扰动四分方案,将生物扰动划分为Ⅰ级斑状扰动、Ⅱ级纹层状扰动、Ⅲ级迷宫状扰动和Ⅳ级层状扰动4个等级。简化了Taylor的7级分类,提高了不同级次的区分性,并在分类中结合铸体薄片资料精确标定岩石扰动区域,同时分类中将生物扰动的强度和连通性考虑在内,突出生物扰动与储层物性的改造关系。

(3)研究区生物扰动通道中发育同生碎屑颗粒、白云石和方解石3种充填物质。其中同生碎屑颗粒受沉积作用控制,属于沉积期的产物,而白云石和方解石为后期成岩作用的产物。白云石根据形态差异分为微晶离散状白云岩、自形细晶白云岩和自形—半自形镶嵌状白云岩,不同类型的白云石其形成环境、控制因素及对储层物性的影响存在显著差异。

(4)生物扰动与储层物性关系复杂,对储层的改造是多种因素多期作用叠加的结果。沉积环境决定了生物扰动的底质和保存程度,生物扰动程度反映了储层改造强度,后期充填物质和成岩作用控制了储层改造性质。潟湖相储层中,通常生物扰动强度越大,自形细晶白云石发育程度越高,溶蚀作用越强,则储层物性越好。

参考文献