生物成因诱导的非均质性及其对砂岩渗透率的影响：沙特阿拉伯西北部卡西姆组

《Journal of African Earth Sciences》：Biogenically Induced Heterogeneity and its Impact on Sandstone Permeability: Qasim Formation, Northwestern Saudi Arabia

　　

摘要

垂直与水平渗透率之比 (Kv/Kh) 是控制储层性能的关键因素，特别是在各向异性系统中。在大多数砂岩储层中，水平渗透率 (Kh) 高于垂直渗透率 (Kv)，但生物扰动在塑造这种关系中的作用尚未得到充分理解。生物扰动——即生物对沉积物的再加工——改变了孔隙度、渗透率和流体通道，因此对储层质量具有重大影响。本研究考察了生物扰动对阿拉伯板块上中晚奥陶世卡西姆组卡法层渗透率的影响，该层是一个重要的含水层和潜在的致密气储层。

沙特阿拉伯西北部的露头分析识别出波浪主导、受潮汐影响的河口系统中的五个相，从粉质泥岩到砂岩不等，生物扰动强度 (BI 0–3) 以及斯柯利托斯 (Skolithos)、克鲁西亚 (Cruziana)、塔尼底 (Taenidium) 和海林虫 (Ophiomorpha) 等遗迹化石。包括岩心段测量、岩石学、XRD、QEMSCAN 和高分辨率点渗透率测图在内的实验室调查表明，生物扰动显著改变了渗透率。未受生物扰动的砂岩显示出更高的渗透率（岩心段平均值 108 mD；点平均值 731.7 mD，中位数 702.9 mD）和更大的变异性，而受生物扰动的砂岩渗透率较低（岩心段平均值 32.6 mD；点值 72.7–492.4 mD）。这些差异在统计上是显著的（Mann–Whitney U 检验，p < 0.001）。岩石学证据表明，受生物扰动的样品含有更多的黏土矿物，集中在作为局部流动障碍的虫管壁和充填物中。尽管受生物扰动的砂岩记录显示孔隙度略高（23% 对比 18.2%），但其中大部分是黏土内的微孔隙，对流动无效。

值得注意的是，垂直虫管通过缩小 Kv/Kh 对比度降低了渗透率各向异性。总体而言，生物扰动通过黏土再分布降低了有效渗透率，这对储层表征、碳氢化合物采收率、CO₂ 封存和含水层管理具有重要意义。

引言

生物扰动是生物（如蠕虫、蛤蜊和其他穴居生物）通过物理和化学方式改变沉积物的过程。这些生物通过掘穴、觅食和排泄扰乱原始的沉积层理 (Shull, 2009)。这种活动可能导致沉积物物理和地球化学性质的显著变化 (Ruiz et al., 2023; Shull, 2009)。物理改造可能包括破坏原始沉积结构，导致颗粒重新排列、不同沉积层混合以及矿物成分的改变。这些过程可能导致各向异性沉积性质的发育，即岩石的物理性质根据测量方向而变化 (Ruiz et al., 2023; Shull, 2009)。此外，生物成因黏土（如源自黏液分泌物和粪便的物质）引入虫管中，可以显著改变周围沉积物的物理性质 (Baniak et al., 2022; Ben-Awuah and Eswaran, 2015)。先前的研究记录了生物扰动对沉积岩孔隙度和渗透率的显著影响 (Baniak et al., 2013; Baniak et al., 2022; Bashri et al., 2022; Ben-Awuah and Eswaran, 2015; Eltom et al., 2020; Eltom et al., 2025; Gingras et al., 2012; Gingras et al., 2004a; Golab et al., 2017; Jackson et al., 2013; La Croix et al., 2013; Salih et al., 2021; Saraih et al., 2024)。生物扰动还可能导致各向异性孔隙度和渗透率，即岩石性质根据方向而变化。这种各向异性可能显著影响储层性能和资源评估 (Pemberton and Gingras, 2005)。例如，当泥岩基质中存在充填砂的虫管时，沿虫管路径的渗透率可能显著高于周围泥岩的渗透率 (Eltom et al., 2021; Tonkin et al., 2010)。这种渗透率差异可能影响流体流动模式和碳氢化合物采收率。这种矿物学或岩石学成分的差异可能导致各向异性成岩效应。例如，与周围不透水的母岩相比，渗透性虫管可能优先发生白云岩化，导致孔隙度和渗透率的显著差异，这已在世界各地的不同地区得到报道 (Baniak et al., 2014; Corlett and Jones, 2012; Gingras et al., 2004b; Morrow, 1978; Rameil, 2008)。这可能产生复杂的孔隙网络并影响储层内的流体流动模式。

中晚奥陶世的卡西姆组代表沙特阿拉伯北部、西北部和中部的主要含水层之一 (Al-Aswad and Al-Bassam, 1997)。此外，在沙特阿拉伯北部的维迪扬盆地卡西姆组砂岩单元中发现了经济性的天然气聚集 (Cantrell et al., 2014; Ye et al., 2023)。此外，卡西姆组砂岩单元代表沙特阿拉伯适合 CO₂ 封存的地点 (Ye et al., 2023)。卡西姆组由两个向上变粗的硅质碎屑序列组成，以页岩/粉砂岩为基底，顶部为砂岩，显示出从伊拉克和叙利亚的露向更深部地下区域的显著厚度变化 (Senalp and Al-Duaiji, 2001)。这两个序列由四个层组成；哈纳迪尔层（富含页岩） – 卡法层（富含砂岩），以及 (2) 雷恩层（富含页岩） – 夸拉层（富含砂岩）。

尽管卡西姆组的卡法层以前被 Powers et al. (1966) 称为“斯柯利托斯砂岩”，但尚未对这些砂岩单元进行全面研究以评估生物扰动对其渗透率的影响。鉴于该单元具有三重经济意义——作为沙特阿拉伯北部和中部的主要含水层之一 (Al-Aswad and Al-Bassam, 1997)、维迪扬盆地已探明的致密气储层 (Cantrell et al., 2014; Ye et al., 2023) 以及地质 CO₂ 封存的候选单元 (Ye et al., 2023)——这一缺口尤为显著。此外，大多数已发表的有关生物扰动控制储层质量的例子描述了泥质低渗透母沉积物中增强渗透率的充填砂虫管（例如 (Gingras et al., 2004a; La Croix et al., 2013; Pemberton and Gingras, 2005; Tonkin et al., 2010)）。相反的配置，即生物成因黏土矿物的再分布降低了原本干净、富含石英砂岩的渗透率，被记录的情况要少得多，其对渗透率各向异性 (Kv/Kh) 的后果仍然知之甚少。

为了填补这一知识空白，本研究基于沙特阿拉伯西北部出露良好的露头，调查了生物扰动在改变卡法层砂岩渗透率中的作用，跨度从非生物扰动层段（生物扰动指数，BI 0–1）到强烈生物扰动层段（BI: 3–4），遵循 Taylor 和 Goldring (1993) 的分类。具体目标是：(1) 记录研究地点卡法层的相和遗迹构造特征；(2) 在岩心段尺度和（在本单元中首次）点尺度上，量化受生物扰动与非受生物扰动砂岩的孔隙度、渗透率和渗透率各向异性——解析虫管充填物、虫管壁和母质组分的单独贡献；以及 (3) 确定生物扰动改变渗透率的矿物学和纹理机制，并评估其对卡西姆组及全球类似受生物扰动砂岩储层的储层表征、碳氢化合物采收率、CO₂ 封存和地下水管理的影响。本研究的发现提供了新的见解，揭示了生物扰动改变砂岩渗透率的沉积学和岩石物理机制。这些见解不仅与完善卡法层的储层表征有关，也为理解其他地质环境中类似的受生物扰动砂岩储层提供了更广泛的启示。

章节摘要

地质背景

沉积于中到晚奥陶世时期的卡西姆组代表了一个巨大的硅质碎屑堆积，厚度超过 1,220 米。其形成于一个平缓倾斜的海洋陆架上，位于古代冈瓦纳大陆边缘向东北倾斜的古特提斯洋边界 (Senalp and Al-Duaiji, 2001)。在沙特阿拉伯境内，该组与同时期的扎尔卡和萨拉哈组一起，后者有冰川或近冰川条件的证据，

方法

本研究侧重于三个露头剖面（图 1），以调查不同砂岩单元内的渗透率变化。我们的目标是了解各种生物扰动及其产生的虫管如何影响流体流动特征。选定的露头是逐层测量和描述的，记录了岩石学、沉积学和遗迹学特征。

岩石类型使用温特沃斯 (1922) 标尺进行分类，适用于硅质碎屑岩石。沉积学

沉积学与地层学

沙特阿拉伯西北部的卡西姆组卡法层揭示了一个复杂且动态的沉积历史，其特征是沉积和遗迹学特征存在显著变化。详细的露头研究确定了五个不同的相——一个粉质泥岩 (F1) 和四个砂岩单元 (F2-F5)——都指向波浪主导、受潮汐影响的河口系统中的沉积。

粉质泥岩相 (F1)，厚 0.5 到 2 米，显示出平面平行

讨论

本研究调查了生物扰动对奥陶纪卡西姆组卡法层砂岩单元渗透率的影响，这是理解这个重要的区域含水层和潜在致密气储层中流体流动的关键方面。我们的分析结合了露头观察与实验室测量，揭示了生物活动如何改变这些砂岩的岩石物理性质的重要见解。

结论

本研究提供了新的见解，揭示了生物扰动对沙特阿拉伯作为关键区域含水层和新兴致密气开发区的奥陶纪卡西姆组卡法层砂岩岩石物理性质的影响。我们结合详细露头观察、岩石学分析、矿物学定量（XRD、QEMSCAN）以及各种渗透率测量（基于岩心段和高分辨率点渗透率测定）的综合方法，阐明了机

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莫阿兹·萨利赫：写作 – 初稿，验证，资源，调查，形式分析，概念化。哈桑·埃尔托姆：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，资金支持

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致谢

我们衷心感谢为野外考察提供的后勤支持，以及 KFUPM-CPG 提供的分析工具。我们向地球科学系主席约翰·汉弗莱博士致以诚挚的谢意，感谢他持续的支持。特别感谢班达尔·阿勒欧塔伊比先生、阿萨姆·阿尔卡诺斯先生和哈比卜·阿勒阿巴斯先生在实验室分析方面的协助。我们还要感谢穆塔西姆·奥斯曼先生和阿卜杜勒拉齐格·埃尔托姆先生提供的宝贵支持

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