屈海洲，周子坤，張云峰，陳薇，張正紅，羅新生，馬超，譚飛，朱玉環(huán)

1.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500 2.西南石油大學 中國石油碳酸鹽巖重點實驗室沉積—成藏研究室，成都 610500 3.中國石油杭州地質研究院，杭州 310023 4.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

0 引言

微生物碳酸鹽巖是底棲微生物(細菌、真菌、小型低等藻類及部分小型原生動物)的生長、新陳代謝等過程引發(fā)碳酸鹽沉淀、自身發(fā)生鈣化或者產(chǎn)生細胞外聚合物質(Excellular Polymeric Substances, EPS)黏結捕獲周圍的碎屑顆粒而形成的[1-5]，這些微生物固著于底質形成生物膜，在層理面上形成紋層時就構成了微生物席生態(tài)系[6]。Riding[2]依據(jù)宏觀組構將微生物碳酸鹽巖劃分為疊層石、凝塊石、樹形石、均一石四類；梅冥相[7]補充了核形石和紋理石；針對宏觀組構模糊、難以歸為上述類型者，韓作振等[8]補充了附枝菌格架巖類型。微生物碳酸鹽巖不僅是研究古環(huán)境古氣候和地質歷史事件的重要材料[9-20]，還是潛在的油氣儲集層[21-28]。

微生物碳酸鹽巖主要組分包括鈣化微生物、泥晶方解石、微亮晶和亮晶方解石、碎屑顆粒及孔隙[2]。微生物功能群既能對地質環(huán)境變化產(chǎn)生響應，又可通過元素循環(huán)或礦物轉變等反饋方式影響環(huán)境。微生物碳酸鹽巖有34.5億年歷史[29]，通過沉積巖石學、地層古生物學、地球化學、地球生物學等研究手段，剖析泥晶方解石、微亮晶和亮晶方解石、碎屑顆粒組分中賦存的生物圈演化信息及經(jīng)濟價值的研究成果較豐富[30-52]。例如，近年來，在全球尤其是在南大西洋邊緣的微生物碳酸鹽巖中，油氣勘探不斷取得突破[21,23,26]。美國石油地質學家協(xié)會先后在2010年、2013年出版的?？校怀隽肆压扰璧刂泻辔⑸锾妓猁}巖的儲層巖石學、孔隙特征及地質建模等研究[21]。2013年，倫敦地質學會組織針對性更強的會議，探討了微生物碳酸鹽巖的時空分布及在全球油氣勘探開發(fā)中的應用[23]。2014年6月，巴西近海的桑托斯盆地下白堊統(tǒng)微生物碳酸鹽巖中獲得超過50萬桶/天的高產(chǎn)原油，石油地質儲量超過500億桶。2015年，倫敦地質學會出版專輯“微生物碳酸鹽巖的時空分布”，除了重點展示桑托斯盆地的湖相微生物碳酸鹽巖儲層地質的認識，還分時代對全球不同地區(qū)的微生物碳酸鹽巖沉積、成巖、孔隙等進行了闡述[26]。我國學者對微生物碳酸鹽巖的成因及地質意義研究較多，而對其應用價值，尤其是在石油勘探與開發(fā)方面提及較少。因此，筆者擬總結微生物碳酸鹽巖孔隙研究進展，并就其發(fā)展趨勢與應用提出一些拙見。

1 孔隙類型

孔隙受到沉積作用、成巖作用及構造破裂作用等共同影響[53]?；诓煌蜌獾刭|研究需要，Archie[54]、Choquetteetal.[55]、Lucia[56-58]、L?n?y[59]等對碳酸鹽巖孔隙進行了分類(表1)。微生物碳酸鹽巖形成包括微生物捕獲黏結碎屑、生物誘導或影響的沉淀作用、非生物成因沉淀作用等三個過程，這些過程可以形成具有組構選擇性的孔隙以及大量微米—亞毫米級微孔隙，例如粒間(溶)孔、晶間(溶)孔、遮蔽孔、鳥眼孔、晶洞、粒內(nèi)孔及鑄?？?、晶?？椎鹊?圖1)。受微生物群落類型及沉積環(huán)境等因素影響，不同沉積過程可以形成不同的孔隙類型。例如微生物捕獲黏結碎屑顆粒，以粒間孔、粒內(nèi)孔及鑄?？诪橹?，而微生物誘導及影響的沉淀過程，如微生物自身鈣化、微生物席內(nèi)細菌誘導的沉淀作用等，容易形成格架孔、遮蔽孔及粒內(nèi)孔等，而無生物參與的物理化學沉淀作用則可以形成晶間孔、粒內(nèi)孔及泡狀孔等。此外，受到沉積期、早成巖期的近地表成巖作用，還可以發(fā)育洞穴、裂縫及孔洞等非組構選擇性孔隙。因而Choquette和Pray的孔隙分類方案[55]被廣泛應用。隨著微生物碳酸鹽巖研究的深入，基于Riding[3,60]將微生物成因沉積物分為微生物巖、填隙沉積物和周圍沉積物，Corbettetal.[61]依據(jù)孔隙賦存的沉積物類型，將微生物碳酸鹽巖中孔隙分為生物建造內(nèi)孔隙、生物建造間孔隙和周圍沉積物孔隙等，并以疊層石建造內(nèi)孔隙為例，解剖了孔隙縱向形態(tài)變化等特征。這種基于微生物成因的針對性孔隙分類設想值得肯定，但仍需大量深入的探索。

2 孔隙成因分析

2.1 微生物沉積作用

2.1.1 微生物相關組構

微生物相關沉積可形成微型、中型、大型、巨型等不同規(guī)模的沉積組構[2,21,47]，這些組構影響了孔隙的大小及空間分布(表2)。真菌等組分的腐爛可以形成微孔隙[63]。核形石微生物作用形成致密包殼層后可阻止后期大氣淡水等流體溶蝕核心，從而抑制鑄模孔形成[21]。凝塊石中凝塊的大小、分選、排列等沉積結構的差異可導致不同凝塊石孔隙度相差十余倍、滲透率相差兩個數(shù)量級[65-66]。包殼狀凝塊石白云巖中可能以孤立溶孔為主、而泡沫綿層疊層石白云巖，則可能發(fā)育順層分布的窗格孔[24]。巴西Campos盆地侏羅系和全新統(tǒng)中不規(guī)則凝塊石結構，形成的孔隙形態(tài)復雜但連通性較高，而席狀疊層石則具有簡單孔隙形態(tài)和較低連通性，呈垂直結構分枝狀疊層石孔隙形態(tài)簡單但連通性中等—較低[65]；阿曼鹽盆新元古界微生物巖平行層狀構造是高滲孔隙帶發(fā)育部位。

表1 可用于微生物碳酸鹽巖孔隙的主要分類方案[3,54-61]

圖1 微生物碳酸鹽巖中孔隙類型a.凝塊石的凝塊結構(黃色箭頭)之間發(fā)育大量粒間孔，孔隙內(nèi)壁發(fā)育有等厚的亮晶膠結物，West Willow Creek油田，15-24B號巖芯，1 455.8 m[27]；b.微生物生長位置的晶模孔、鑄模孔，周邊為致密碳酸鹽泥。孔隙被鑲邊狀微生物組構部分充填或橋接(淺棕色)，灰泥沿著晶體生長面呈簾狀分布，Skyline 16號巖芯，198.3 m[27]；c.白云石晶間孔和菱形晶?？?，Skyline 16號巖芯，198.3 m[27]；d.凝塊石中發(fā)育的大量不規(guī)則窗格孔，整體呈層狀分布，科羅拉多州Piceance盆地始新統(tǒng)Green River組[62]；e.細菌成因的叢狀組構內(nèi)的微米級微孔隙，意大利Bagni di Tivoli地區(qū)[63]；f.多面體狀的粒內(nèi)孔，歐洲西北部南二疊紀盆地Zechstein 2 層的WK-8井SK.XVII 0.2號樣品，3 109 m[64]Fig.1 Various Types of Pores in Microbial Carbonates

表2 微生物相關沉積、成巖作用對孔隙的影響

2.1.2 微相疊置型式

微生物種屬、生長方式、礦化和黏結捕獲能力、水體能量、底質及顆粒類型等等多種因素影響了巖石微相類型及共生疊置型式。這種縱向變化特征影響了賦存于其中的孔隙類型、體積、分布及厚度規(guī)模等。美國阿拉巴馬州西南部的Little Cedar Creek油田上侏羅統(tǒng)Smackover組大量孔隙發(fā)育在凝塊石/微生物成因顆?；?guī)r/泥粒灰?guī)r的疊置組合中[67]，包括分布在沉積構造內(nèi)的孔隙、孔洞及成巖改造孔隙等類型，孔隙度和滲透率最高可達20%、7 953×10-3μm2。歐洲(丹麥、德國、英格蘭)上二疊統(tǒng)Zechstein 2(Z2)地層中平坦層狀疊層石/含鮞粒波狀疊層石/凝塊石/核形石灰?guī)r疊置組合的孔隙度可達12%[68]，微生物絲狀體溶蝕形成的層狀孔隙以及黏結捕獲的顆粒的粒內(nèi)孔、鑄模孔是主要貢獻者；至波蘭西北部同樣層位中，具縫合線、收縮縫和交錯層理的疊層石/凝塊石/鮞?；?guī)r/核形石疊置組合的孔隙度最高僅為8%，而層狀疊層石/凝塊石/壓扁構造的球粒白云巖的孔隙度小于2%。

2.1.3 沉積環(huán)境及微地貌

微生物碳酸鹽巖及共生巖性的沉積環(huán)境和沉積地貌的不同，海水或早成巖大氣淡水環(huán)境溶蝕—膠結作用次序及程度的差異，會對孔隙的形成、改造、規(guī)模及分布等造成影響(表2)。微生物席可發(fā)育在深水海盆、斜坡、臺地、緩坡、潮坪甚至是熱泉、洞穴等極端環(huán)境中[19,69]，導致微生物巖橫向分布及孔隙發(fā)育規(guī)律的復雜性。Sowakiewicz[64]發(fā)現(xiàn)Zechstein 2(Z2)地層的微生物碳酸鹽巖中孔隙發(fā)育程度依次變差的相帶為：斜坡上部、潮下—潮間帶、臺緣淺灘、斜坡腳及潟湖(圖2)。即使是同一相帶，受高頻沉積旋回及微地貌起伏的影響，也會導致微生物碳酸鹽巖發(fā)育分布的差異性、孔隙分布的非均質性[70-71]。相對海平面波動的幅度及頻率差異，不同相帶微生物碳酸鹽巖及共生巖相所處海水或大氣水環(huán)境也有差異，導致膠結、溶蝕作用次序及程度不同。臺地浪基面之上的水體能量高，可沉積微生物碳酸鹽巖、微生物包殼?！蓟?guī)r等單元，粒間孔、粒內(nèi)孔等原生孔隙中難充填灰泥，易形成內(nèi)襯于孔隙壁或組構邊緣的多形態(tài)早期膠結物，一定程度上可抵抗壓實作用，保存原生孔隙[72-73]。浪基面之下斜坡帶微生物相關沉積物的縱向加積—橫向進積也可形成較厚的頂平透鏡狀丘體，但是原生孔隙多被灰泥充填。在相對海平面下降幅度較小且濕潤古氣候條件下，臺地淺水沉積物中的文石等不穩(wěn)定礦物更易于發(fā)生選擇性溶蝕而形成大量次生孔隙[26]。但是受大氣水溶蝕作用較弱的斜坡帶，次生孔隙則多是埋藏成巖時形成的裂縫及相關溶蝕孔隙[21,26]。美國阿拉巴馬州Little Cedar Creek油田上侏羅統(tǒng)Smackover組處于建隆部位凝塊石的孔隙形成優(yōu)質儲層，而建隆之間的致密凝塊石則為隔夾層[67]。高分辨率地層格架中對比同一沉積相帶內(nèi)不同部位的微生物碳酸鹽及相關微相組合，可以深化認識孔隙與微生物相關沉積關系。

圖2 歐洲西北部南二疊紀盆地Zechstein 2碳酸鹽巖沉積模式[64]幾乎所有孔隙參數(shù)具有向盆地方向減小的趨勢。Miów-1 和 Benice-1井的數(shù)據(jù)來自具有薄的層狀和波狀構造的微生物碳酸鹽巖，不是來自儲層中的顆?；?guī)r或泥?；?guī)r，而盆地相的數(shù)據(jù)來自淺水盆地(海灣)相。各相中簡易符號代表不同的微生物碳酸鹽巖Fig.2 Depositional model for the Zechstein 2 Carbonate (not to scale)[64]note that almost all petrophysical parameters decrease basinwards. Petrophysical data from wells Miów-1 and Benice-1 are derived from thin planar and crinkly microbialites, not from ooid grainstones or packstones which may represent reservoir facies. Note that the petrophysical data for basin-plain facies are derived from shallow-basin (embayment) facies. The schematic symbolsrepresent different kinds of microbialite

2.2 微生物相關成巖作用

2.2.1 微生物白云石化

2.2.2 微生物膠結作用

2.2.3 巖溶作用

微生物在大氣水環(huán)境及埋藏環(huán)境中，均可以對碳酸鹽巖或共生的硫酸鹽巖的巖溶作用產(chǎn)生重要影響，進而有利于次生孔隙的形成(表2)。巖石微生物以相互協(xié)作或共生為主[105]，它們可以在巖石表面鉆孔形成微米級的連通孔隙，有利于微生物的定植及擴張成生物膜甚至是微生物席，再通過生理活動，既可以產(chǎn)酸，還可以實現(xiàn)巖石與雨水、空氣中碳、氮及土壤顆粒等物質的交換，導致巖石的溶解、破裂，形成土粒，直至風化成土[40,106-108]。此外，某些微生物如真菌菌絲的生長、鈣化，或者吸收空氣中的CO2，可以促進碳酸鈣沉淀，充填孔隙。但是，總體而言，處于開放的大氣成巖環(huán)境中的碳酸鹽巖發(fā)生的巖溶作用，會顯著增加洞穴、孔洞、裂縫等非組構選擇性孔隙，而微生物起到促進作用。就封閉的埋藏成巖環(huán)境而言，與硫酸鹽巖共生的碳酸鹽巖層系中，微生物如細菌的硫酸鹽還原作用及其驅動的硫酸鹽巖溶解作用，可以促進硫酸鹽巖巖溶的發(fā)育[109-112]，形成的硫化氫溶于水形成的氫硫酸，對碳酸鹽巖有著強烈的溶蝕性，可以增加孔隙度并增強孔隙的連通性[113-116]。

3 孔隙的研究方法技術

樣品代表性及定性—定量數(shù)據(jù)的精度是孔隙研究的關鍵[64,117]。微生物碳酸鹽巖中孔隙直徑變化大，從納米—亞微米級微孔隙到洞穴等均可發(fā)育，且賦存于不同尺度的結構、構造中或與之密切相關[2,24,28,61,63-66,117-121]。例如，層狀疊層石內(nèi)各尺度孔隙均易呈似層狀分布，指狀—穹窿狀疊層石中—大孔隙多集中于指狀結構內(nèi)部，而微孔隙仍可能在指狀疊層石的紋層內(nèi)呈似層狀分布[27,61]。凝塊石內(nèi)凝塊結構發(fā)育部位可發(fā)育管穴狀中—大孔隙，不發(fā)育部位多為毫米—微米級微孔隙[24,27,63]。核形石的核心可能被溶蝕形成中—大孔，而包殼的暗層內(nèi)微生物降解則易形成微米級微孔隙[27]。微生物(如水下硫氧化細菌群落)定殖在碳酸鹽表面通過新陳代謝形成的硫酸促進地下喀斯特作用，對洞穴形成起到積極作用[118]。

因此，若簡單地根據(jù)所做測試項目樣品的規(guī)格要求，采集的樣品可能沒有微生物沉積構造大，或者沒有覆蓋不同尺度沉積構造，導致數(shù)據(jù)無法反映不同尺度孔隙空間分布特征，難以解釋微生物相關作用對孔隙的影響，進而難以分析孔隙成儲機理。若全面研究不同尺度孔隙的類型、參數(shù)、分布及成因等特征，不僅需要采用露頭、巖芯、成像測井、鑄體薄片等定性—半定量技術手段，還應利用氦氣孔隙度、高壓壓汞、恒速壓汞、氣體吸附等方法技術，獲取孔隙度、滲透率及孔隙結構等定量數(shù)據(jù)。同時，應用掃描電鏡、氣體吸附、聚焦離子束電鏡(FIB-SEM)等可以對亞微米—納米級微孔隙進行表征。近年來，通過核磁共振成像、CT掃描等技術方法，不僅可以實現(xiàn)孔隙二—三維空間分布的直觀成像，還能對孔隙孔徑分布及對應孔隙度、孔喉結構等進行定量分析[117]。

4 應用實例

基于微生物沉積構造對孔隙影響的角度，Corbettetal.[61]以疊層石為例，提出典型單元體法(Representative Elementary Volume)。即采集含有完整微生物構造的典型疊層石樣品，它們代表了不同大小、形態(tài)及溶蝕膠結程度等。利用薄片、CT掃描、圖像分析等技術研究，可以研究疊層石內(nèi)孔隙類型、體積、空間分布及耦合特征等，進而能較好地分析整個疊層石巖層的孔隙特征，減小局部樣品測試帶來的誤差。運用醫(yī)用CT獲取8 cm×8 cm×4 cm巖樣的較低分辨率的圖像，在此基礎上選取1 cm×1 cm×3 cm巖樣，用微CT掃描獲取高分辨率圖像和數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)該地區(qū)疊層石灰?guī)r生物沉積結構影響了層狀分布的孔隙：底部生物層內(nèi)的“地窖式”孔隙，呈拉長撕裂狀，連通性最好；中部為“主廳式”孔隙，孔隙度最大，主要由枝狀遮蔽溶洞和鉆孔形成；上部“閣樓式”生物層內(nèi)原生孔，孔隙度明顯減少(圖3)。這些孔隙形態(tài)縱向演變特征，反映了生物結構不斷演化對孔隙的控制，而這些演化又受到沉積水體深度、水動力條件等沉積因素的影響。

Rezendeetal.[65]利用CT多次掃描微生物巖建造樣品的橫切面(間距1.22 mm)，得到了198張相當于“時間切片”的圖像(圖4)。每張圖像反映了該層內(nèi)部沉積組構和孔隙的分布及相互關系，對所有“時間切片”的連續(xù)分析可以探討它們的縱向演化過程，再結合巖石學、碳氧同位素、陰極發(fā)光、巖石物理測試等，將微生物建造的三維模型與沉積、地層和巖石物理模型相結合，有助于改善儲層孔隙模型質量，更好地表征儲層相關屬性，達到更完善開發(fā)資源的目的。

5 發(fā)展趨勢

運用多種技術方法，系統(tǒng)開展微生物碳酸鹽巖孔隙研究，重建沉積—成巖等地質因素的成孔過程，預測孔隙分布及規(guī)模等。目前對孔隙分類、成因及表征等有益的探索表明，通過合理配置測試樣品，綜合多種技術方法定性—定量表征多尺度孔隙的空間結構及參數(shù)配置等耦合特征是重要基礎。即應遵循宏觀到微觀的思路，保證樣品的空間配置合理，即通過巖芯描述、全直徑巖芯的工業(yè)CT掃描、核磁共振成像等測試，獲取中—大孔參數(shù)及分布，進而明確小柱塞樣品位置，應用微米/納米CT掃描、核磁共振、鑄體薄片等多種實驗手段，獲取中—微孔數(shù)據(jù)及分布，最后運用掃描電鏡、高壓壓汞等技術研究納米—亞微米等微孔隙。合理融合獲取的不同分辨率的孔隙參數(shù)數(shù)據(jù)，而不是簡單地拼合數(shù)據(jù)，進而提高表征精度[117]。在此基礎上，定性—定量探討沉積特征對孔隙的影響，分析成巖作用對孔隙的改造，重建孔隙演化過程。

圖3 低分辨率CT掃描圖像及高分辨率微CT圖像中疊層石灰?guī)r中孔隙特征[61]Fig.3 Pore characteristics of high-resolution micro-CT image nested within the low-resolution CT image[61]

圖4 微生物巖建造樣品的“時間切片”的系列圖像[65] Fig.4 “Time” Slice Series of Microbialite Buildup[65]

多學科結合，是準確評價微生物碳酸鹽巖孔隙形成儲集層的潛力的可靠途徑。巖石組分、結構等變化會使得所有尺度上對其巖石物理參數(shù)的觀測和測量產(chǎn)生一定的不可預測性，從而對勘探、儲量計算等工作帶來挑戰(zhàn)[122-123]，而微生物碳酸鹽巖內(nèi)生物結構的特殊性無疑增加了挑戰(zhàn)難度。如巖石密度、P波速度，電阻率及磁導率等均與沉積物、成巖演化過程等有關，而這些參數(shù)的準確性又影響孔隙度、滲透率甚至是儲集層厚度規(guī)模等計算結果。以巖石密度為例，與其他碳酸鹽巖不同，微生物自身降解可以使得微生物巖中產(chǎn)生大量微孔隙，會影響密度的準確測定及其他相關的巖石物理參數(shù)的準確計算。因此，在多尺度孔隙表征數(shù)據(jù)融合基礎上，運用不同訓練模型對測得巖石物理數(shù)據(jù)的分析，分別預測巖石類型，并與相應深度巖芯微相分析結果進行對比分析，計算各模型預測的精度，進而選取高精度模型，對未取芯層段的巖性，進行基于巖石物理數(shù)據(jù)的解釋，提高有利儲集相帶預測精度[124-128]，為后續(xù)儲層評價預測提供參考?？梢姡訌姷刭|學科與地球物理學科的結合，是推動微生物碳酸鹽巖油氣地質研究和勘探開發(fā)生產(chǎn)工作的重要途徑。

6 結語

(1) 微生物誘導或影響的礦化作用、對顆粒的捕獲黏結作用以及非生物沉淀作用等可形成粒間(溶)孔、晶間(溶)孔、遮蔽孔、鳥眼孔、晶洞、粒內(nèi)孔及鑄?？?、晶?？椎染哂薪M構選擇性的孔隙以及大量微米—亞毫米級微孔隙。針對微生物碳酸鹽巖孔隙分類主要依據(jù)其與微生物沉積結構的關系，仍需要大量深入的研究。

(2) 微生物碳酸鹽巖中孔隙受到微生物功能群落、相關沉積組構、微相疊置型式、沉積地貌及環(huán)境等微生物相關沉積過程及作用的影響，而微生物白云石化、膠結作用及巖溶作用等微生物相關的成巖作用，則對原生孔隙保存及改造形成的次生孔隙有積極意義。

(3) 微生物碳酸鹽巖孔隙具有從納米—亞微米級微孔隙到厘米甚至米級宏觀孔隙等多個尺度，且與多尺度沉積結構構造有一定的耦合關系，系統(tǒng)而準確地表征各尺度孔隙需要合理配置不同尺度樣品的空間分布，再運用多種方法技術進行綜合分析測試，并增強數(shù)據(jù)的融合。加強地質學科與地球物理學科的結合，是推動微生物碳酸鹽巖油氣地質研究和勘探開發(fā)生產(chǎn)工作的重要途徑。

致謝 感謝中石油勘探開發(fā)研究院羅平教授、西南石油大學陳景山教授、胡廣博士、李飛博士等在成文中給予的有益建議，感謝匿名審稿專家及編輯老師的寶貴意見。