引用本文
叶禹, 李峰峰, 宋新民, 郭睿. 生物扰动与成岩作用耦合对泥质碳酸盐岩改造机理——以中东美索不达米亚盆地白垩系为例[J]. 石油勘探与开发, 2021,48(6): 1187-1201.
YE Yu, LI Fengfeng, SONG Xinmin, GUO Rui. Transformation mechanism of argillaceous carbonate rock by the coupling of bioturbation and diagenesis: A case study of the Cretaceous System of the Mesopotamia Basin in the Middle East[J]. Petroleum Exploration & Development, 2021,48(6): 1187-1201.  
Doi: 10.11698/PED.2021.06.10
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生物扰动与成岩作用耦合对泥质碳酸盐岩改造机理——以中东美索不达米亚盆地白垩系为例
叶禹1,2, 李峰峰1, 宋新民1, 郭睿1
1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2.中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206
联系作者简介：李峰峰（1990-）,男,山东日照人,中国石油勘探开发研究院工程师,主要从事碳酸盐岩储集层与沉积方面研究。地址：北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院中东研究所,邮政编码：100083。E-mail: lff1522188426@petrochina.com.cn

第一作者简介：叶禹（1988-）,男,福建南平人,中国石油集团工程技术研究院有限公司工程师,现为中国石油勘探开发研究院在读博士研究生,主要从事开发地质方面研究。地址：北京市昌平区黄河街5号院1号楼,中国石油集团工程技术研究院有限公司,邮政编码：102206。E-mail: yeyu01@cnpc.com.cn

收稿日期: 2021-02-25 修回日期: 2021-09-23
基金项目: 国家科技重大专项“伊拉克大型生物碎屑灰岩油藏注水开发关键技术研究与应用”（2017ZX05030-001）
摘要

以中东美索不达米亚盆地白垩系为例,基于岩心、铸体薄片及物性数据分析,研究生物扰动与成岩作用耦合对泥质碳酸盐岩的改造机理。研究表明,生物改造岩石的方式有3种：①生物机械改造地层,使岩石结构变得松散,增加粒间孔隙数量;②潜穴形成后回填粗粒碎屑,准同生期不饱和流体渗入发生溶蚀作用;③废弃潜穴发生化学蚀变,白云石化作用形成大量的晶间孔隙。生物扰动与溶蚀作用的耦合主要发生在准同生期,受岩石类型、海平面下降幅度、潜穴密度、充填物和水体环境等因素影响。潜穴物性优于基底,流体优先沿潜穴运移,潜穴溶蚀扩大后基底也会发生溶蚀。生物扰动与白云石化作用的耦合主要发生在埋藏阶段,潜穴中富集的有机质和还原细菌为白云石化提供了物质基础、还原条件和碱性环境。准同生期白云石化作用对潜穴物性的影响较小,当潜穴脱离沉积界面,封闭环境下发生交代,形成自形细晶白云石,发育晶间孔隙。生物对泥质碳酸盐岩的改造程度受岩石类型、潜穴密度和连通性、潜穴充填物和潜穴结构等因素控制。泥质组分含量增加,生物扰动对岩石物性的改善效果愈加凸显,当潜穴充填粗粒碎屑或细晶白云石,潜穴密度越大、连通性越高,迂曲度越低,泥质碳酸盐岩储集层物性越好。图11表1参44

关键词: 生物扰动; 泥质碳酸盐岩; 美索不达米亚盆地; 白垩系; 成岩作用; 溶蚀作用; 白云石化作用
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A
Transformation mechanism of argillaceous carbonate rock by the coupling of bioturbation and diagenesis: A case study of the Cretaceous System of the Mesopotamia Basin in the Middle East
YE Yu1,2, LI Fengfeng1, SONG Xinmin1, GUO Rui1
1. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China
2. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China
Abstract

The transformation mechanism of joint bioturbation and diagenesis was studied based on core, cast thin section and physical property data of Cretaceous strata in the Mesopotamia Basin, the Middle East. There are 3 ways of biological transformation of rocks: (1) The living creatures transformed formations mechanically to make the rocks looser and intergranular pores increase. (2) After formation, burrows were backfilled with coarse-grained debris, and then unsaturated fluid infiltrated into the burrows during the penecontemporaneous period, resulting in dissolution. (3) Chemical alteration occurred in abandoned burrows and dolomitization produced a large number of intercrystalline pores. The coupling of bioturbation and dissolution occurred mainly in the penecontemporaneous phase, and was controlled by rock type, sea level decline, burrow density, infillings, and water environment etc. As the burrows had better physical properties than the substrate, unsaturated fluid preferentially migrated along the burrows, leading to dissolution expansion of the burrows first and then dissolution of the substrate. The coupling of bioturbation and dolomitization occurred mainly in the burial phase. The rich organic matter and reducing bacteria in the burrow provided material basis, reducing conditions and alkaline environment for dolomitization. The metasomatism in the penecontemporaneous period had little effect on the physical properties of the burrows. When the burrows were separated from the deposition interface, equimolar metasomatism occurred in the burrows in a closed environment, forming euhedral fine-crystalline dolomite with intercrystalline pores. The transformation degree of bioturbation to argillaceous carbonate reservoir depends on rock type, density, connectivity, infillings and structure of the burrows. With the increase of the clay content, the improvement to rock physical properties by bioturbation becomes more prominent. When the burrows are filled with coarse-grained debris or fine-crystalline dolomite, the greater the density, the higher the connectivity, and the lower the tortuosity of burrows, the better the physical properties of the argillaceous carbonate rocks are.

Keyword: bioturbation; argillaceous carbonate rocks; Mesopotamia Basin; Cretaceous; diagenesis; dissolution; dolomitization
0 引言

泥质碳酸盐岩沉积水体能量较低, 包括深水环境和局限环境, 岩石类型泛指泥灰岩、含粒泥灰岩、粒泥灰岩和泥粒灰岩, 填隙物为灰泥或泥晶。中东地区油气多产自白垩系高能的礁滩相, 泥质碳酸盐岩储集层受到的关注较少, 油田开发中通常将其作为隔夹层或差储集层[1, 2, 3, 4]。然而, 巨厚层泥质碳酸盐岩中蕴含规模可观的储量, 可作为油田开发上产或稳产的重要支撑资源, 在伊拉克东南部已有油田开发泥质碳酸盐岩储集层。中东白垩纪处于温暖湿润的热带气候, 生物群落繁多, 沉积地层中生物扰动现象普遍。生物扰动指生物对其周围沉积颗粒所进行搅动、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、足迹和遗迹等[5]。早期研究对生物扰动取得了众多突破性认识：生物扰动发育环境宽泛, 风暴沉积中亦可见[6, 7, 8, 9], 但在低能环境中最为发育; 生物潜穴和基底具有双重物性, 两者渗透级差最大超两个数量级[10], 通常情况下, 生物扰动与储集层物性呈正相关, 生物扰动越强烈, 储集层物性越好[11, 12]; 对储集层物性的影响取决于生物作用方式和潜穴充填物[13, 14]。此外, 基底与潜穴的渗透率级差、潜穴连通程度和密度等也影响储集层物性[15]; 溶蚀作用可显著提高潜穴渗透率[14], 白云石化形成大量的晶间孔, 渗透率可提高2~4个数量级[16]; 连通的潜穴可形成高渗透条带, 注水开发中造成无效水循环[15]。然而, 针对生物扰动作用, 仍存在以下问题认识不清：①生物对泥质碳酸盐岩的改造方式; ②生物扰动与准同生溶蚀耦合作用机理; ③潜穴中白云石化作用模式及演化; ④生物扰动对泥质碳酸盐岩物性的主控因素。本文以伊拉克东南部A油田、H油田、M油田、W油田和R油田白垩系为例, 探讨生物扰动与成岩作用耦合对泥质碳酸盐岩的改造机制。

1 研究区概况

本文研究区位于美索不达米亚盆地构造前缘带, 是中东地区重要的产油气区（见图1）。研究区白垩系岩心上生物扰动现象普遍发育, 尤其在中白垩统Mishrif组和上白垩统Khasib组。Mishrif组为浅水碳酸盐台地环境沉积[17], 早期以开阔浅海为主, 随着全球海平面的下降, 逐渐演化为台地边缘, 沉积的厚层厚壳蛤礁滩体阻碍了水体的正常循环, 在Mishrif组沉积晚期, 伊拉克东南部以局限海环境为主[18]。Khasib组沉积期整体处于全球海平面上升时期, 岩石泥质含量较高。

图1 研究区构造位置和美索不达米亚盆地白垩系地层柱状图

本文研究基于5个油田15口典型取心井资料, 岩心累计长度2 403.39 m, 取样频率1~8个/m, 包含了1 085块铸体薄片和4 848块物性分析样品。基于遗迹学、岩石学、沉积学和层序地层学地质理论, 通过岩心与薄片相结合, 准确识别生物扰动构造, 对比扰动区与非扰动区岩石物理特征, 恢复潜穴中成岩演化, 探究生物扰动对岩石物性的改造机制。

2 生物扰动特征
2.1 潜穴特征及强度

中东地区白垩系生物扰动主要发育在潟湖、滩间、中缓坡、外缓坡和深水盆地等。生物通常建造规律性的分枝状或圆柱形潜穴, 垂向上与沉积界面相连, 可呈密集的离散状、间隔很宽的离散状及强烈扰动的厚层状等[19, 20], 未被生物扰动、保留了原始沉积结构的岩层称为基底。中东地区白垩系潜穴产状多样, 岩心上, 基底呈灰白色或黄白色致密状, 而潜穴通常呈深褐色、棕色或深灰色（见图2）。根据潜穴产状分为斑点状、斑块状、粗枝状、脉络状、迷宫状和厚层状。斑点状和斑块状潜穴孤立分布, 与基底的界限清晰; 粗枝状和脉络状潜穴呈点状接触, 具有一定连通性; 迷宫状潜穴的连通程度较高, 与基底的界限不明显; 厚层状潜穴轮廓模糊, 基底特征被覆盖, 厚层状扰动主要是潜穴发生强烈溶蚀所致。斑点状、斑块状特征指示了水体深度较大, 生物种群密度小或生物的活跃度低, 海侵体系域上部和高位体系域下部最为发育; 粗支状、脉络状和迷宫状指示水体深度较浅, 生物种群密度较大, 且生物活跃度较高, 通常发育在海平面下降时期, 而厚层状通常反映了地层暴露溶蚀, 主要分布在低位体系域。

图2 生物扰动岩心特征

2.2 潜穴充填物

潜穴充填物包含4大类：①颗粒组分, 与基底同时期形成, 基底呈泥粒结构, 砂屑充填物呈颗粒支撑结构（见图3a）。②同生碎屑, 指潜穴形成过程中或废弃后, 潜穴再次充填的沉积物, 包括以下几类：含生物碎屑泥灰岩, 与基底类似, 潜穴边界模糊（见图3b）; 粒泥灰岩, 与基底区别明显, 潜穴边界清晰, 生物碎屑以似球粒和底栖有孔虫类为主（见图3c）; 泥粒灰岩, 潜穴中生物碎屑发生溶蚀, 形成次生溶孔（见图3d）; 孔隙可被再次充填, 生物碎屑包括底栖有孔虫、似球粒、双壳类和少量棘皮类（见图3e）; 颗粒灰岩, 潜穴呈亮晶支撑结构, 生物碎屑被方解石致密充填（见图3f）。③方解石, 成岩作用的产物, 可将整个潜穴致密充填, 或在潜穴中部残留孔隙（见图3g）。④白云石, 成岩作用的产物, 根据白云石的粒径和晶形可分为3类：微晶白云石, 通常呈离散状分布于潜穴中（见图3h）; 细晶— 中晶白云石, 晶体自形程度较高, 可见交代残留的生物碎屑或灰泥（见图3i）, 灰泥或生物碎屑组分可被溶蚀, 与未被溶蚀区域形成明显对比（见图3j）; 半自形镶嵌状白云石, 白云石呈线状接触, 晶间孔减少（见图3k）, 或白云石完全占据晶间孔隙（见图3l）。总体而言, 只有当潜穴中充填了颗粒组分、粗粒同生碎屑和细晶— 中晶自形白云石等, 生物扰动才对岩石物性具有建设性作用。

图3 生物潜穴中充填物照片
（a）A油田, A16井, 2 665.40 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为泥质砂屑灰岩, 潜穴为砂屑颗粒灰岩; （b）W油田, W-17井, 2 470.70 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底和潜穴均为含生物碎屑泥灰岩; （c）M油田, M-46井, 2 939.26 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴为生物碎屑泥晶灰岩; （d）M油田, M-46井, 2 981.32 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴为泥晶生物碎屑灰岩; （e）M油田, M-46井, 2 937.65 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥灰岩, 潜穴中为泥晶生物碎屑灰岩; （f）M油田, M-46井, 2 938.15 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴中为亮晶生物碎屑灰岩; （g）H油田, M316井, 2 914.13 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥灰岩, 潜穴中为方解石; （h）W油田, W-17井, 2 438.59 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴中为含云生物碎屑泥晶灰岩; （i）W油田, W-2井, 2 234.55 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴为含生物碎屑灰质云岩; （j）M油田, M-46井, 2 876.84 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 潜穴溶蚀区为细晶云岩, 未溶蚀区为泥质细晶云岩; （k）M油田, M-46井, 2 875.39 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 基底为泥晶生物碎屑灰岩, 潜穴为含泥细晶云岩; （l）M油田, M-46井, 2 969.75 m, 单偏光, 染色, 铸体薄片, 基底为含生物碎屑泥灰岩, 潜穴为镶嵌状细晶云岩

3 生物改造方式

生物通过倒置、压缩、混合、挖掘、回填沉积物、再矿化、化学蚀变等多种方式, 改变原始沉积物的组分和结构, 一般潜穴充填物比围岩更加疏松, 成岩流体的运移更加方便[21, 22]。泥质碳酸盐岩中存在离散的、管状的、粗颗粒填充的潜穴, 在浅海和渗流带中经过溶蚀可形成大孔隙, 显著提高岩层有效渗透率[21]。如M油田潟湖相中, 未扰动岩层的孔隙度平均值为6.0%, 渗透率平均值为0.3× 10-3 μm2, 被扰动岩层的孔隙度平均值为12.8%, 渗透率平均值为3.1× 10-3 μm2, 岩心上生物潜穴含油级别较高。总体上, 生物扰动改善岩石物性主要通过3种方式：①生物机械改造地层, 使岩石结构变得松散, 提高岩石的渗流性能; ②生物潜穴回填粗粒碎屑, 并发生溶蚀作用; ③生物潜穴发生化学蚀变、白云石化作用形成晶间孔隙。

3.1 生物机械改造

生物改造岩屑、矿物颗粒和有机质, 从而改变沉积物的原始物理结构[23]。泥质沉积物经历弱压实后呈现致密状, 孔喉较小, 流体难以渗入。生物活动破坏了基底的致密结构, 潜穴沉积物变得松散, 渗透性得到改善, 粒间填隙物会遭受水体冲刷, 并逐渐形成粒间孔。潜穴中的充填物与基底是同期沉积的, 后期水体物理冲刷使其与基底具有不同的结构。在A油田Khasib组中, 基底为泥质生物碎屑砂屑灰岩, 呈浅白色致密状, 肉眼难见到孔隙（见图4a— 见图4c）, 基底渗透率小于1× 10-3 μm2, 潜穴与基底结构不同, 两者界面明显（见图4d）, 潜穴中结构疏松, 颗粒比较洁净, 发育粒间孔隙, 渗透率为（10~100）× 10-3 μm2（见图4e）。

图4 中东A油田A-12-8井Khasib组2 665.40 m井深铸体薄片照片及素描示意图
（a）铸体薄片全景扫描, 左边红色部分染色, 右边白色部分未染色; （b）潜穴与基底特征差异示意图; （c）图a中Ⅰ 视域, 未染色, 单偏光, 视野范围内为基底, 为泥质生物碎屑砂屑灰岩, 生物碎屑主要为底栖有孔虫类; （d）图a中Ⅱ 视域, 未染色, 单偏光, 视野范围内基底和潜穴各占一半, 两者界限明显, 岩石结构差异显著, 潜穴中为颗粒支撑结构, 基底为泥粒结构; （e）图a中Ⅲ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内为潜穴, 为生物碎屑砂屑灰岩, 呈颗粒支撑结构, 粒间孔发育

3.2 生物潜穴回填

潜穴若充填了粗粒碎屑, 则与基底具有双重渗透率, 两者渗透率级差可达8个数量级, 潜穴便成为了流体渗透到沉积物的重要途径[12, 14, 15, 24]。在碳酸盐沉积物-水界面以下几厘米范围内, 潜穴中可发生溶解、沉淀及孔隙水化学性质变化[24]。充填物被溶蚀后物性大幅提高, 从而增大了与基底的渗透率级差。但是, 潜穴中的孔隙在大气淡水潜流带或埋藏成岩环境会发生胶结充填。如M油田Mishrif组, 基底为含生物碎屑泥灰岩（见图5a— 图5c）, 充填物为亮晶生物碎屑灰岩, 生物碎屑包括底栖有孔虫、双壳类、厚壳蛤碎片、棘皮类和藻类, 还含有少量的似球粒（见图5d）, 生物碎屑溶蚀后又发生强烈的胶结作用, 孔隙被再次充填呈致密状（见图5e）, 肉眼难以观察到孔隙。

图5 中东M油田M-46井2 937.65 m井深Mishrif组铸体薄片照片及素描示意图
（a）铸体薄片全景扫描, 左边红色部分染色, 右边白色部分未染色; （b）潜穴与基底特征差异示意图; （c）图a中Ⅰ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内为基底, 为含生物碎屑泥晶灰岩, 生物碎屑主要为小栗虫; （d）图a中Ⅱ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内包含基底和潜穴, 两者界限明显, 岩石结构差异显著, 潜穴中为颗粒支撑结构, 颗粒组分为底栖有孔虫、双壳类和棘皮类生物碎屑, 含少量的似球粒, 基底为泥粒结构, 可见完整的小栗虫; （e）图a中Ⅲ 视域, 未染色, 单偏光, 视野范围内为潜穴, 为亮晶生物碎屑灰岩, 生物碎屑主要为双壳类、底栖有孔虫类和少量的似球粒和棘皮类, 胶结作用比较强烈, 肉眼难以看见孔隙

3.3 生物潜穴化学蚀变

潜穴中化学蚀变通常为白云石化作用, 细粒充填物和生物新陈代谢产生的有机质均可促进白云石化作用, 细粒物质增加了与白云化流体接触作用的表面积, 并在给定体积内提供更多的结晶核[25]。由于白云石比方解石体积小, 等物质的量的白云石交代方解石后会产生大量的晶间孔[26]。灰泥往往不透水, 生物在泥质碳酸盐岩掘穴, 沟通海水和基底, 成岩作用会首先改造潜穴, 并影响潜穴附近的基底[25, 27]。白云石化作用从潜穴向基底发生, 基底中的白云石与潜穴中晶体相似[25]。在M油田白垩系Mishrif组, 潜穴是以自形细晶白云石为主, 可见交代后的残余生物碎屑, 晶体比较污浊, 粒径大小为10~50 μm, 晶间孔连通性较好（见图6a— 图6c）。潜穴晕为潜穴与基底之间的过渡区, 宽度可达1 500 μm, 白云石粒径较小, 以基质微孔为主。潜穴晕的微孔是由于结构松散, 潜穴中流体扩溶所致。随着远离潜穴, 微孔和白云石的发育程度逐渐降低至消失（见图6d）。基底为泥灰岩, 肉眼难以观察到孔隙, 偶含介形虫和底栖有孔虫等生物碎屑（见图6e）。

图6 中东M油田M-46井2 868.78 m 深度Mishrif组铸体薄片照片及素描示意图
（a）铸体薄片全景扫描, 左边红色部分染色, 右边白色部分未染色; （b）潜穴与基底特征差异示意图; （c）图a中Ⅰ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内为基底, 为含生物碎屑泥晶灰岩, 生物碎屑为小栗虫和介形虫; （d）图a中Ⅱ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内包含基底、潜穴和潜穴晕, 潜穴中为白云石和残留生物碎屑, 潜穴晕中可见少量白云石和基质微孔; （e）图a中Ⅲ 视域, 染色, 单偏光, 视野范围内为潜穴, 以白云石为主, 可见交代残留的生物碎屑, 晶间孔比较发育

总体来看, 除生物机械改造外, 潜穴被回填和化学蚀变均与成岩作用密切相关。潜穴回填后发生溶蚀作用, 而化学蚀变主要为白云石化作用。在生物扰动现象普遍发育的地层中, 可见选择性溶蚀形成的铸模孔（见图7a）, 非选择性溶蚀形成的溶蚀孔洞（见图7b）, 还可见示顶底晶体粉砂（见图7c）, 均指示了暴露淋滤和渗流的成岩环境[28]。伊拉克南部在白垩纪构造稳定, 地层中断裂不甚发育, 埋藏环境难以发生大规模溶蚀, 强烈的溶蚀作用主要发生在早成岩阶段。白云石化作用从准同生期到埋藏期均有发育, 薄片中可见缝合线、粗晶含铁方解石等埋藏成岩环境指示标志, 且缝合线中发育细晶白云石（见图7d）, 粗晶含铁方解石将潜穴致密充填（见图7e）, 潜穴中粗晶含铁方解石与白云石共存（见图7f）, 均显示潜穴中主要发生埋藏白云石化。

图7 美索不达米亚盆地白垩系Mishrif组成岩环境判断标志照片
（a）H油田, M316井, Mishrif组, 2 951.20 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 生物碎屑被选择性溶蚀形成铸模孔; （b）M油田, M-46井, Mishrif组, 2 888.15 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 非选择性溶蚀形成溶蚀孔洞; （c）W油田, W-17井, Mishrif组, 2 436.50 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 示底晶体粉砂; （d）H油田, M316井, Mishrif组, 2 941.20 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 缝合线中发育细晶白云石; （e）H油田, M316井, Mishrif组, 2 943.20 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 潜穴中充填粗晶含铁方解石; （f）H油田, M316井, Mishrif组, 2 967.20 m, 单偏光, 未染色, 铸体薄片, 潜穴中存在自型细晶白云石与粗晶含铁方解石

4 潜穴回填与溶蚀作用
4.1 生物扰动与准同生溶蚀耦合类型

潜穴中富含的有机质氧化产生CO2与水反应形成弱酸性环境, 在早成岩环境中可促进充填物溶蚀, 潜穴溶蚀后可进一步拓宽, 使其具有比基底更高的渗透率[25]。米级旋回对沉积作用及早成岩环境具有重要的影响, 为探究早成岩环境下生物扰动与溶蚀作用的耦合关系, 以H油田Mishrif组MB1段为例开展研究。MB1段以潟湖为主, 根据岩性变化和组合特征, 识别出50个米级旋回, 旋回地层厚度为0.35~4.10 m, 平均值为2.00 m（见图8）。根据溶蚀强度、扰动程度及潜穴分布产状等因素, 将生物扰动和溶蚀作用耦合关系划分为7种类型。

图8 H油田M316井Mishrif组MB1段生物扰动与溶蚀作用关系

Ⅰ 类, 整个旋回均遭受强烈溶蚀, 以生物碎屑泥晶灰岩为主, 厚度为0.6~2.2 m, 平均值为1.34 m, 累计厚度为8.05 m。旋回底部偶含生物碎屑泥晶灰岩, 岩心呈深棕褐色, 潜穴轮廓模糊（见图9a）。Ⅰ 类耦合关系主要受海平面幅度影响。潟湖较低的沉积速率为生物提供了充足的扰动时间, 潜穴密度大且互相连通, 充填粗粒碎屑后潜穴渗透率显著提高, 海平面大幅下降, 地层处于大气淡水环境, 潜穴发生强烈溶蚀, 规模不断扩大。

图9 H油田M316井Mishrif组生物扰动与溶蚀作用耦合的岩心特征
（a）Ⅰ 型, H油田, M316井, 2 918.0~2 919.0 m, 全段溶蚀, 潜穴轮廓难以识别; （b）Ⅱ 型, H油田, M316井, 2 936.0~2 937.0 m, 全段发生弱溶蚀, 潜穴边界清晰, 呈迷宫状; （c）Ⅲ 型, H油田, M316井, 2 937.0~2 939.0 m, 上段发生溶蚀, 潜穴轮廓难以识别, 下段发生弱溶蚀, 潜穴边界清晰, 呈迷宫状, 溶蚀带与弱溶蚀带呈渐变; （d）Ⅳ 型, H油田, M316井, 2 880.0~2 880.5 m, 上段发生弱溶蚀, 潜穴边界清晰, 呈迷宫状, 下段未溶蚀, 潜穴呈斑点状或斑块状; （e）Ⅴ 型, H油田, M316井, 2 921.0~2 922.0 m, 上段发生溶蚀, 下段未发生溶蚀, 潜穴呈脉络状或迷宫状, 溶蚀带和未溶蚀带呈突变; （f）Ⅵ 型, H油田, M316井, 2 973.0~2 974.0 m, 上段发生溶蚀, 下段未被生物扰动, 岩心呈灰白色致密状; （g）Ⅶ 型, H油田, M316井, 2 914.0~2 914.4 m, 上段发生溶蚀, 下段未发生溶蚀, 潜穴呈斑点状, 中间为过渡带, 潜穴呈脉络状或迷宫状

Ⅱ 类, 整个旋回发生弱溶蚀, 以生物碎屑泥晶灰岩和含生物碎屑泥晶灰岩为主, 厚度为1.12~2.00 m, 平均值为1.58 m, 累计厚度为4.75 m。潜穴发生扩溶, 规模扩大, 但潜穴边界依旧可以识别（见图9b）。Ⅱ 类耦合关系主要受海平面下降幅度影响。生物扰动比较充分, 潜穴密度较大, 海平面下降幅度较小, 地层依旧处于海水成岩环境, 溶蚀作用较弱。

Ⅲ 类, 米级旋回上段溶蚀强烈, 下段弱溶蚀。旋回上段以泥晶生物碎屑灰岩和生物碎屑泥晶灰岩为主, 厚度为0.25~1.15 m, 平均值为0.73 m, 累计厚度为2.20 m, 潜穴边界不易识别, 下段以生物碎屑泥晶灰岩为主, 厚度为0.18~1.00 m, 平均值为0.56 m, 累计厚度为1.68 m, 潜穴边界清晰（见图9c）。Ⅲ 类耦合关系受控于海平面下降幅度和地层厚度。整个旋回的潜穴连通性较好, 海平面下降幅度较小, 仅地层顶部遭受大气淡水淋滤, 而旋回底部依旧处于海水成岩环境, 溶蚀作用较弱。地层厚度越大, 弱溶蚀带范围越大。

Ⅳ 类, 米级旋回上段弱溶蚀, 下段未溶蚀。弱溶蚀段主要为生物碎屑泥晶灰岩, 厚度为0.2~2.3 m, 平均值为1.1 m, 累计厚度为3.32 m, 潜穴边界模糊, 但依旧可以识别, 未溶蚀段主要为泥晶灰岩, 厚度为0.35~1.00 m, 平均值为0.62 m, 累计厚度为1.85 m, 潜穴保存完整, 孤立分布（见图9d）。Ⅳ 类耦合关系受海平面下降幅度、扰动强度和岩石类型控制。地层上部潜穴连通性较好, 且颗粒组分含量高于下部, 海平面下降的幅度较小, 海水成岩环境中溶蚀作用较弱。地层底部潜穴不连通, 溶蚀作用难以发生。

Ⅴ 类, 米级旋回上段溶蚀强烈, 下段未溶蚀。Ⅴ 类在MB1段最为发育, 溶蚀段厚度为0.25~3.60 m, 平均值为1.19 m, 累计厚度达32.10 m, 以生物碎屑泥晶灰岩和泥晶生物碎屑灰岩为主, 局部为含生物碎屑泥晶灰岩, 生物潜穴不易识别。未溶蚀段厚度为0.10~2.30 m, 平均值为0.56 m, 累计厚度达15.16 m, 以泥晶灰岩为主, 局部为含生物碎屑泥晶灰岩, 潜穴多为斑点状或斑块状。溶蚀段与未溶蚀段呈突变关系, 两者界限明显（见图9e）。该类型主要受控于海平面下降幅度、岩石类型和生物扰动强度。旋回上部颗粒组分含量较高, 大气淡水环境下可发生强烈溶蚀, 旋回底部潜穴连通性较差, 且岩石泥质组分含量较高, 成岩流体无法渗入, 未遭受溶蚀。

Ⅵ 类, 米级旋回上段溶蚀强烈, 厚度为1.4 m, 下段未扰动, 厚度为0.4 m, 岩心上米级旋回自顶向底溶蚀强度减弱, 未扰动带以泥晶灰岩为主, 岩心呈白色致密状（见图9f）。Ⅵ 类耦合关系主要受水体深度影响, 层序早期水体深度大, 不利于底栖生物生存, 地层未发生改造, 旋回上部水体变浅, 颗粒组分含量增多且潜穴发育, 海平面下降发生溶蚀作用。

Ⅶ 类, 米级旋回地层上段溶蚀强烈, 中间发育过渡带, 下段未溶蚀。强烈溶蚀段厚度为0.30~2.00 m, 平均值为0.88 m, 累计厚度为6.13 m, 以生物碎屑泥晶灰岩为主, 局部为含生物碎屑泥晶灰岩, 生物潜穴不易识别。过渡带厚度为0.35~0.95 m, 平均值为0.54 m, 累计厚度为3.78 m, 主要为生物碎屑泥晶灰岩, 底部潜穴边界易于识别, 随着溶蚀强度的增加, 顶部潜穴边界逐渐模糊。未溶蚀段厚度为0.45~0.90 m, 平均值为0.64 m, 累计厚度为4.50 m, 主要为泥晶灰岩, 潜穴呈斑点状或斑块状（见图9g）。Ⅶ 类耦合关系受海平面下降程度、潜穴连通程度及岩石类型控制。强烈溶蚀带颗粒组分含量高, 潜穴连通性好, 大气淡水环境下溶蚀强烈, 过渡带处于海水成岩环境, 潜穴连通性较好, 但溶蚀作用较弱, 旋回下部潜穴不连通, 且泥质组分含量较高, 难以发生溶蚀。

4.2 生物扰动与准同生溶蚀耦合序列

基于以上研究, 建立了生物扰动与溶蚀作用耦合序列（见图10）, 米级旋回自上而下发育溶蚀带、弱溶蚀带、过渡带、未溶蚀带和未扰动带, 单期旋回可发育一个或多个带。溶蚀带厚度为0.25~3.60 m, 平均为1.17 m, 通常位于米级旋回的顶部, 颗粒含量较高, 渗流性质较好, 海平面下降幅度决定了其是否处于大气淡水环境, 连通的潜穴回填粗粒碎屑促进溶蚀作用。弱溶蚀带厚度为0.18~2.30 m, 平均值为0.97 m, 岩石类型与溶蚀带类似, 潜穴连通程度较高, 流体溶蚀能力较弱, 形成弱溶蚀带, 海平面下降幅度是其主控因素, 地层通常处于海水成岩环境。过渡带厚度为0.35~0.95 m, 平均值为0.54 m, 主要为生物碎屑泥晶灰岩, 位于米级旋回中部, 上部通常发育溶蚀带, 过渡带的发育受海平面下降幅度和潜穴连通程度控制, 过渡带通常处于海水成岩环境, 上部溶蚀带富Ca2+流体向下运移, 流体的溶蚀能力较弱, 虽然潜穴连通性好, 但溶蚀作用不明显。未溶蚀带厚度为0.10~2.30 m, 平均值为0.54 m, 主要发育于米级旋回底部, 受岩石类型和潜穴连通程度控制, 未溶蚀带以泥晶灰岩为主, 渗透性较低, 潜穴通常为孤立的斑点状或斑块状, 成岩流体难以渗入。未扰动带受岩石类型和水体环境控制, 水体较深, 以泥晶灰岩为主, 且水体环境不利于底栖生物生存, 地层未被生物潜穴改造, 岩石保留了其原始致密结构。

图10 米级旋回控制下生物扰动与溶蚀作用耦合改造序列

综上所述, 生物扰动与溶蚀作用的耦合关系主要受岩石类型、海平面下降幅度、潜穴密度、充填物和水体环境控制。岩石颗粒组分含量越高, 溶蚀作用对生物扰动的依赖性越低, 潜穴仅促进了岩石的溶蚀作用。米级旋回顶部沉积速率高, 生物扰动不充分, 而在旋回底部岩石泥质含量较高, 潜穴密度和连通性较高。只有地层处于大气淡水环境, 溶蚀作用才强烈。潜穴密度和充填物决定了生物扰动是否有效性, 只有潜穴互相连通且充填粗粒碎屑, 潜穴才能作为成岩流体的运移通道, 而水体环境控制了生物的种群密度和活动范围。

5 潜穴化学蚀变与白云石化作用
5.1 潜穴有利于白云石化作用

潜穴为白云石化流体提供了运移通道, 白云石化作用通常沿着潜穴轨迹发生[29]。潜穴中具备有利于发生白云石化的物质条件、氧化还原条件、酸碱环境。

①物质条件。潜穴中白云石化对Mg2+离子的需求量巨大, 唯一能够提供大量镁离子来源的依然为海水[30, 31]。海洋水中的镁及有机质中的金属导致潜穴中阳离子富集, 有助于白云石化[32]。裂缝或缝合线等连通潜穴与其他成岩系统, 提供外来的Mg2+离子。除此之外, 潜穴中硫酸盐还原菌将Mg2+离子从MgSO4中释放出来, 提高了游离的Mg2+离子含量[33, 34]。当潜穴处于地表氧化带时, 有机质氧化产生大量CO2, CO2发生水合作用形成H2CO3, 脱质子反应可形成CO32-离子, 有机碳被细菌矿化和pH值增加也有助于形成CO32-离子[34]。

②氧化还原条件。在氧化环境中, SO42-根离子绑定Mg2+离子, 降低了Mg2+离子含量, 抑制了白云石的沉淀[25]。白云石化倾向于在还原环境中发育, 潜穴会形成还原性的微环境[25]。现代环境中, 硫酸盐还原细菌在近地表温度下早期白云石沉淀中起着不可或缺的作用[34], 有机质的存在会产生硫酸盐还原细菌。潜穴中硫化物浓度升高[35], 硫酸盐还原发生在潜穴内或周缘[34]。

③酸碱环境。白云石化必要的地球化学条件包括去除SO42-离子、提高pH值、增加CO32-离子、二价阳离子富集和化学扩散梯度, 而潜穴的微环境恰好符合[36]。早成岩环境中, pH值的升高和SO42-离子的降低是白云石沉淀的主要原因[32]。潜穴中富含的NH3与水反应形成碱性环境, 高pH值可提高HCO3-离子的活性, 促进白云石的沉淀[25]。值得注意的是, 有机碳的氧化（或矿化）也可导致潜穴碱性增加, pH值可以提高2~5[34]。

5.2 潜穴白云石化演化模式

潜穴中白云石晶体形态多样, 白云石化作用具有连续和多阶段特征[37]。综合考虑沉积过程、氧化还原条件及成岩环境等建立了潜穴白云石化模式。适宜的温度、压力条件, 充足的作用时间、适量的白云石化流体供应及溶蚀作用有利于潜穴发育晶间孔隙[38]。

生物通常生存在有氧至轻度缺氧的环境中, 在较深的缺氧海水中, 海水能量、食物供给、水文和基底特征适宜的条件下也会发育[39]。潜穴开口处有机物氧化不利于白云石化。潜穴深处的有机质粒度较细, 渗透性较差, 流体对其改造较弱而得以保存（见图11a）。

图11 潜穴中白云石化作用演化模式图

潜穴上部有机质分解后回填同生粗粒碎屑, 渗透性改善。海水向潜穴提供大量Mg2+离子, 还原环境中, 微生物发酵产生的还原细菌促进白云石化作用, 生物沉淀物可充当结晶核[25, 36], 形成微晶白云石（见图11b）, 由于白云石化的反应时间较短, 白云石的粒径较小, 晶体自形程度较低, 离散分布于潜穴泥晶中。

随着沉积作用的持续, 潜穴逐渐脱离沉积界面, 处于封闭的浅埋藏环境, 潜穴向还原环境过渡, 海水中残留的大量Mg2+离子供白云石化作用持续进行, 微晶白云石含量不断增加（见图11c）。

随着埋藏深度的增加, 潜穴处于还原环境, 压实作用造成潜穴体积减小, 地层温度和压力升高有利于白云石化作用。由于反应时间比较充分, 晶体自形程度较高, 以细晶白云石为主, 晶体粒径为100~200 μm。邻近潜穴的基底中也会有少量的白云石析出, 形成潜穴晕, 潜穴晕的白云石粒径和含量均低于潜穴。该阶段潜穴处于封闭的成岩体系, 白云石化所需要的Mg2+依旧是早期残留的海水。白云石等交代泥晶方解石, 残留的不饱和流体会溶蚀泥晶基质, 形成晶间溶孔。沉积界面处又将形成新的潜穴, 经历相似的演化过程（见图11d）。

埋藏环境中地层可形成裂缝, 裂缝可连通外来流体, 使潜穴处于开放的成岩系统, 不饱和流体会溶蚀残留的泥质组分[26]（见图11e）。若溶蚀作用比较强烈, 潜穴边界、围岩及裂缝均会发生扩溶[26]。

若白云石化所需要的物质持续供给, 灰质成分被完全交代后, 发生过白云石化。只要形成的白云石间有一定的渗透率, 且有Mg2+供应, 就会发生新的白云石化[26], Mg2+来源于混合地下水和早期的白云石[25]。白云石充填早期形成的晶间孔和晶间溶孔, 由于生长空间不断减小, 晶体逐渐由自形— 半自形、点线接触转变为它形、凹凸接触[27], 晶体粒径为120~250 μm（见图11f）。

6 生物改造岩石物性的主控因素
6.1 岩石类型

泥质碳酸盐岩颗粒组分含量越高, 原始物性越好, 成岩改造越容易[40, 41], 对生物扰动的依赖性越低。岩石类型主要受沉积环境控制, 海平面下降过程中, 沉积水动力不断增强, 导致米级旋回的顶部颗粒组分含量较高, 且易暴露于大气淡水环境发生溶蚀。随着旋回顶部沉积速率的增加, 生物扰动程度也会降低。

6.2 潜穴密度和连通性

生物对泥质碳酸盐岩的改造受潜穴密度、潜穴连通性、充填物、潜穴结构等因素控制[12, 16]。沉积速率控制了生物的扰动强度, 缓慢的沉积速率是形成连通潜穴的必要条件。单一生物同一时期对沉积物的扰动深度有限, 厚层快速沉积一般比慢速沉积所含遗迹化石数量少, 薄层沉积物中生物扰动比厚层沉积物相对要强, 厚层的顶部几厘米内被广泛地改造, 而在岩层底部仅稍被改动[5]。对M油田生物扰动样品统计发现：Ⅰ 级斑状扰动几乎对岩石物性无影响, 随着扰动程度增强, 储集层微观孔喉、物性和含油性越好, Ⅳ 级厚层状扰动对岩石物性的改造最显著。此外, 随着扰动程度的增强, 细晶白云石的发育比例增高, 溶蚀作用也容易发生（见表1）。潜穴密度对于垂直渗透率具有重要影响, 当潜穴密度达50%时, 垂直渗透率将会显著增加[15]。潜穴密度越大, 可供流体流动的介质数量越多, 越容易形成连续流动路径, 越有利于成岩改造。

表1 M油田与生物扰动相关的储集层特征参数
6.3 充填物

当潜穴中充填粗粒碎屑和细晶白云石后, 潜穴物性会优于基底, 再叠加溶蚀作用, 泥质碳酸盐岩的物性会大幅提高, 这里不再赘述。废弃的潜穴被充填后, 其物性可能会与基底类似甚至差于基底。如灰泥可堵塞潜穴, 使岩石整体物性变差[13, 14, 27]; 镶嵌状方解石占据孔隙, 限制流体的运移, 导致生物扰动强度和岩石物性呈负相关[14, 42]。除此之外, 微晶白云石对潜穴物性影响较小, 过白云石化及重结晶作用造成白云石堵塞孔隙和喉道, 降低潜穴渗透率[26]。

6.4 潜穴结构

生物潜穴与围岩具有不同的迂曲度和分形特征, 迂曲度是影响多孔介质有效流动和传输特征的重要参数之一[43]。尽管生物扰动在米级别上相对均质, 但在分米级别上的非均质对流体性质和采收率具有重要影响[44]。潜穴或钻孔等遗迹分布规律性较弱, 且空间变化频繁, 如晴天环境下, 生物种类多样且多以觅食为主, 层状构造发育明显, 分布广泛, 滨岸带生物遗迹较少且以居住型生物为主, 风暴作用会限制生物种类的多样性[34]。同种生物具有不同的活动轨迹、不同生物具有不同的潜穴样式和习性、不同生物的潜穴互相叠加等因素, 造成潜穴具有复杂的迂曲度和渗流特征。通常情况下, 生物种类越多, 潜穴迂曲度越大, 流体渗流阻力会越大, 潜穴的渗流性质越差。

7 结论

生物通过机械改造、潜穴回填粗粒碎屑和化学蚀变3种方式改造泥质碳酸盐岩, 改造作用强度受岩石类型、潜穴密度和连通性、充填物和潜穴结构等因素控制。沉积速率越低, 生物扰动越充分, 潜穴密度和连通性越高。潜穴充填颗粒组分且迂曲度越小, 流体的渗流阻力越小, 越有利于改善泥质碳酸盐岩物性。

准同生期, 生物扰动与溶蚀作用耦合改造岩石物性, 改造作用强度受岩石类型、海平面下降幅度、潜穴密度、充填物和水体环境控制。随着颗粒组分含量的升高, 溶蚀作用对生物扰动的依赖性降低。米级旋回地层中, 不同带垂向上交替发育, 尽管溶蚀带和弱溶蚀带的物性最好、含油性较高、累计厚度较大, 但单层厚度较薄, 非均质性较强, 开发难度较大。

埋藏期, 生物扰动主要与白云石化作用耦合改造岩石物性, 只有封闭环境下发生充分的等物质的量交代, 潜穴中才会发育晶间孔。但白云石化改造岩石物性的能力有限, 且封闭的埋藏环境难以发生大规模溶蚀, 而开放的埋藏环境通常会发生过白云石化作用, 破坏早期形成的孔隙; 因此, 白云石化作用对泥质碳酸盐岩的影响有限, 难以形成规模储集层。

（编辑 黄昌武）

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