川東北元壩地區(qū)須家河組石英砂巖沉積與儲層特征

陳 波 沈均均 郝景宇 杜文拓

(1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 湖北荊州 434023;2.遼河油田勘探開發(fā)研究院 遼寧盤錦 124010)

川東北元壩地區(qū)須家河組石英砂巖沉積與儲層特征

陳 波1沈均均1郝景宇1杜文拓2

(1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 湖北荊州 434023;2.遼河油田勘探開發(fā)研究院 遼寧盤錦 124010)

在川東北元壩及周邊地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)純凈的石英砂巖沉積,石英砂巖厚度10～15 m左右。研究表明,石英砂巖主要以夾層形式出現(xiàn)在須一、二段,但沉積環(huán)境相當(dāng)特殊,主要為海泛或湖泛早期沉積的灘壩砂體,不屬于須家河組廣泛發(fā)育的三角洲沉積體系,石英砂體呈近東西向展布,明顯受到米倉山-大巴山前陸前淵帶的控制。石英砂巖以粉-細砂為主,分選好,磨圓度高,雜基含量低,具有較高的成熟度,與其它地區(qū)不同,研究區(qū)石英砂巖具有良好的儲集性能,其主要原因是由于石英砂巖中石英顆粒內(nèi)具有高密度原生微裂縫,這些原生裂縫在沉積后成巖過程中可能閉合,但在后期的構(gòu)造擠壓背景下石英砂巖的脆性特性及破碎顆粒容易導(dǎo)致大量裂縫發(fā)育,裂縫的發(fā)育同時促進原生裂縫充填物和粒間填屑物的溶蝕,形成以裂縫為主的孔隙性儲層。在研究區(qū)具有裂縫的石英顆粒并不局限在石英砂巖,我們推測具有裂縫的石英與物源有關(guān)。

川東北地區(qū) 須家河組 灘壩微相 石英砂巖 裂縫型儲層

川東北元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組是四川盆地天然氣重要產(chǎn)出層位,元壩地區(qū)由于目的層埋藏深,局部構(gòu)造不發(fā)育,早期對其勘探的投入較少。近年來隨著勘探投入加大,在元壩除深層碳酸巖儲層外,須家河組陸相碎屑巖儲層也獲得重大突破,發(fā)現(xiàn)多個以巖性或低幅度構(gòu)造控制的氣藏,并首次在須家河組發(fā)現(xiàn)以石英砂巖為儲層的氣藏,在多口井的測試中獲得高產(chǎn),顯示出良好的勘探潛力。因此對石英砂巖的沉積、分布及儲層形成機理和控制因素的研究,對研究區(qū)及其它地區(qū)的勘探無疑具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 元壩地區(qū)工區(qū)位置圖Fig.1 Locationmap of the study area of Yuanba

元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)沉積是在中、下三疊統(tǒng)碳酸鹽巖之上沉積的一套以砂、泥巖為主的陸源碎屑“煤系地層”。工區(qū)構(gòu)造上處于龍門山北段前緣,米蒼山-大巴山前陸構(gòu)造帶以南,地理上屬于四川盆地北部的中、高山區(qū)[1,2](圖1)。印支運動以來,在秦嶺、松潘-甘孜造山帶與四川盆地之間,發(fā)育了北東向的龍門山和北西向的米倉山-大巴山兩個巨型推覆構(gòu)造帶,形成了造山帶-盆緣推覆山系-盆地組合格局。在這一復(fù)雜的組合格局中,研究區(qū)中、新生代陸相地層沉積厚度均在4 000 m以上,上三疊統(tǒng)須家河組至侏羅系的沉積層序完整,不僅為研究中、新生代陸相地層的理想地區(qū),而且賦存有豐富的石油和天然氣資源。近年來公開發(fā)表眾多有關(guān)須家河組區(qū)域或局部構(gòu)造、地層、沉積和儲層方面的文獻[3～6],但這些文獻中均沒有涉及到石英砂巖沉積儲層方面的報道,因此我們無法知道在其它地區(qū)是沒有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模石英砂巖沉積還是把石英砂巖與其它巖性合并在一起進行了研究。

1 石英砂巖在地層中分布

研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育上三疊統(tǒng)須家河組,地層特征與其它地區(qū)相似,須一、須三和須五段以細粒沉積為主,須二、須四以粗粒沉積為主,不同之處在于須二段由三個亞段組成,上下亞段為粗粒砂巖沉積,中段為泥頁巖、碳質(zhì)頁巖沉積等細粒沉積,分布穩(wěn)定,缺少須六段地層。石英砂巖沉積主要分布在須一段底部和須二段中亞段(俗稱“腰帶子”),須三段也局部分布。研究區(qū)砂巖主要為石英和巖屑砂巖,巖屑砂巖填屑物含量較高或巖屑具有放射性,GR值較高,純凈石英砂巖泥質(zhì)含量極少,具有極低的GR值,接近碳酸鹽巖,與其它砂巖巖性特征明顯不同(圖2),因此在本研究區(qū)石英砂巖較易識別。

須一段石英砂巖分布:圖3是川西、元壩和通南巴地區(qū)三口典型井組成的連井剖面圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn)馬鞍塘組僅在川西地區(qū)發(fā)育,須一段地層從川西到川東北元壩地區(qū)均有發(fā)育,向東到通南巴須一段厚度逐漸減薄直至尖滅,這些地層的變化特征顯示出沉積古地形呈東高西低構(gòu)造格局,反映了早期龍門山造山帶與米倉山-大巴山造山帶對該地區(qū)具有不同的影響。元壩地區(qū)須一段巖性整體變化不大,巖性以灰色細-粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖與深灰色泥巖和深灰色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層為主,石英砂巖主要出現(xiàn)在不整合面或鄰近不整合面之上,局部含礫石英砂巖。薄片資料顯示石英砂巖以粉砂巖為主且致密,在平面上呈條帶狀分布,可能與早期海侵作用有關(guān)。

圖2 Y4井須一段-須三段地層綜合柱狀圖Fig.2 Layer composite columnar section of section one to section three of Xujiahe Formation ofWell Y4

須二段石英砂巖分布:川東北元壩地區(qū)須二段由3個巖性段組成,即上下砂巖段與中部泥巖段(俗稱“腰帶子”)。下砂巖段由川西地區(qū)至川東北地區(qū)厚度逐漸減薄直至尖滅,至通南巴地區(qū)可能已經(jīng)不再發(fā)育須二段下砂巖地層(圖3)。本區(qū)須二段下砂巖巖性變化特征不大,主要以灰色細砂巖為主,夾有薄層的泥巖。須二段中段“腰帶子”從川西地區(qū)至川東北地區(qū)都有發(fā)育,在區(qū)域上具有一定可對比性,在川西凹陷附近“腰帶子”沉積最厚,由川西地區(qū)至川東北地區(qū)厚度是逐漸減薄的,巖性變化特征不大,主要以深灰色泥巖為主夾有薄層的細砂巖和煤線,石英砂巖主要分布在該段底部,有人把石英砂巖劃分在下砂巖亞段,而我們認(rèn)為石英砂巖與下部巖屑砂巖具有明顯不同的沉積環(huán)境,應(yīng)該與腰帶子沉積環(huán)境一致。須二段“腰帶子”石英砂巖在GR曲線上表現(xiàn)為極低值,呈東西向展布(與須一段石英砂巖展布方向類似),主要與湖(海)侵作用有關(guān)。須二段上砂巖由西向東沉積厚度逐漸增大,在靠近盆地內(nèi)部的元壩地區(qū),主要以灰色細砂巖沉積為主并夾有薄層的泥巖。在該段頂部局部也發(fā)育純凈石英砂巖,以前也將其劃分在須二段上砂巖亞段,現(xiàn)歸位須三段,但在現(xiàn)有鉆井資料中少見。

圖3 C1井-Y2井-M1井須一段-須二段層序地層對比圖(東西向剖面)Fig.3 Sequence stratigraphic contrast profile of section one to section two of Xujiahe Formation of C1Well-Y2Well-M1Well(Latitudinal Section)

2 石英砂巖沉積相微相特征

通過對元壩地區(qū)鉆井資料的詳細研究,我們發(fā)現(xiàn)元壩地區(qū)石英砂巖沉積微相主要有5個方面的特征。

2.1 石英砂巖具有高成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度

石英砂巖中石英含量達90%以上,含極少量的長石及巖屑。顆粒分選好,次棱-次圓狀,顆粒呈緊密的凹凸接觸,雜基含量低,膠結(jié)物以石英次生加大為主,與下伏的巖屑砂巖在巖石成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度上具有明顯的區(qū)別(圖4),顯示出石英砂巖與巖屑砂巖沉積環(huán)境具有明顯不同。研究區(qū)距物源較近,巖屑砂巖主要為辮狀河三角洲分流河道沉積,上下不同巖性地層出現(xiàn)明顯不同的結(jié)構(gòu)特征顯示出沉積環(huán)境存在明顯差異。

2.2 沉積水動力學(xué)特征

純凈的石英砂巖具有高成分的成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度,多形成于有障壁或無障壁的濱岸沉積環(huán)境中[7,8],易受雙向水流的影響。本研究區(qū)石英砂巖段粒度概率曲線類型主要為“高斜兩跳一懸式”,即發(fā)育兩個跳躍次總體和一個懸浮總體,缺少滾動總體(圖5)。跳躍總體的含量較高,為70%～80%,說明沉積水動力較強,發(fā)育兩個跳躍次總體則說明可能受到了雙向水流的影響,而跳躍段的斜率也較高則說明沉積的砂巖具有較高的成熟度,由此可推測本區(qū)須一段與須二段所沉積的石英砂巖主要發(fā)育于沉積水動力較強且易受雙向水流影響的濱岸沉積環(huán)境中。

圖4 石英砂巖與巖屑砂巖對比Fig.4 Contrast of quartz sandstone and lithic sandstone

圖5 須一段與須二段石英砂巖粒度累計概率曲線圖Fig.5 Grain size accumulation curve of quartz sandstone in section one and section two of Xujiahe Formation

2.3 產(chǎn)出層位特別

通過對現(xiàn)有鉆井資料研究發(fā)現(xiàn),元壩地區(qū)須家河組石英砂巖的分布層位具有明顯的特殊性(圖2),須一段石英砂巖主要分布在須家河組底部不整合面或鄰近不整合面之上,其上覆為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,石英砂巖在須一段只出現(xiàn)一層,說明與早期不整合面上發(fā)生的海泛有關(guān),部分井石英砂巖含有燧石或石英礫,其特征與海侵砂礫巖相似。須二段出現(xiàn)的石英砂巖也與之類似,下伏為巖屑砂巖或薄層泥巖,GR呈漸變過渡特征,但GR值比巖屑砂巖明顯要小;上覆為泥頁巖或碳質(zhì)泥頁巖,在GR曲線上與上覆泥頁巖形成明顯的分界,所以前期分層多將其歸位于下伏砂巖段,但其巖性特征與下覆砂巖段明顯不同,這同樣反應(yīng)了石英砂巖沉積處于沉積環(huán)境的突變位置。

2.4 石英砂巖平面分布特征

根據(jù)元壩地區(qū)井資料的控制,分別編制了須一段、須二段石英砂巖厚度分布圖:

(1)須一段石英砂巖厚度分布圖

須一段底部石英砂巖主要以粉-極細砂巖為主,較為致密。其測井曲線GR值極低(與碳酸鹽巖相似),說明砂巖成熟度極高,幾乎不含泥質(zhì),從現(xiàn)代沉積觀察,產(chǎn)生這種高成熟度石英砂巖的主要原因是河流入海(湖)后,在岸線附近沉積下來的砂巖受波浪、潮汐或湖浪的長時間的分選和淘洗,從而形成分選好、穩(wěn)定重礦物富集、顆粒磨圓較好的高成熟度石英砂巖。須一段石英砂巖在研究區(qū)分兩個區(qū)域沉積(圖6),砂體呈條帶狀沿東西向上分布,存在兩個較厚的沉積中心,一個是位于Y14井以東,另一個沉降中心位于Y9井以南,沉積的最大厚度均超過15 m。從圖6上可見砂體南北寬度有井控制,東西方向是否連片還無法確定。

(2)須二段石英砂巖厚度分布圖

圖6 元壩地區(qū)須一段石英砂巖分布圖Fig.6 Distribution graph of quartz sandstone of stction one of Xujiahe Formation in Yuanba area

圖7 元壩地區(qū)須二段“腰帶子”石英砂巖分布預(yù)測圖Fig.7 Prognostic map of quartz sandstone of section two“Yaodaizi”of Xujiahe Formation

須二段石英砂巖主要以細砂巖為主。與須一段石英砂巖一樣,也具有極低的GR值,這說明砂巖成熟度極高,幾乎不含泥質(zhì),其形成的局部環(huán)境與須一段石英砂巖類似。根據(jù)井資料確定,其沉積厚度和沉積范圍較須一段有所擴大,砂體的連通性較須一段也有所增強,平面分布與須一段基本類似(圖7)。沉降中心位于研究區(qū)西南部,Y4井地區(qū),沉積的最大厚度超過30 m。

2.5 石英砂巖成因

從巖性、產(chǎn)出層位及分布特征可以看出,在研究區(qū)以三角洲分流河道沉積為主體的背景下還存在相對特殊的沉積背景,石英砂巖主要出現(xiàn)在海泛(或湖泛)作用的早期,原有沉積環(huán)境被改變,形成類似的濱岸環(huán)境,水動力以波浪或潮汐+波浪的作用對原有或搬運來到沉積物重新改造,從而形成研究區(qū)這種高成熟度的石英砂巖。

由于須一段沉積主要為海陸交互相,受地形影響,研究區(qū)處于河口灣沉積環(huán)境,石英砂巖屬于潮汐砂壩,發(fā)育于河口灣河口處,由于遭受潮汐與波浪的雙重改造,泥巖一般不存在,砂巖成熟度較高[9,10],一般形成大量質(zhì)純的石英砂巖砂壩體疊置連片分布。測井曲線形態(tài)多樣,其旋回性和波浪強度有關(guān),既有正旋回又有反旋回,發(fā)育板狀交錯層理、槽狀交錯層理和潮汐層理。石英砂巖在縱向上相互疊置,平面上呈條帶狀展布,與米倉山推覆帶形成的前淵走向一致,據(jù)此我們推測米倉山前淵凹陷與龍門山前淵凹陷可能相通,這一時期的海侵作用沿米倉山前淵向東推進較遠。

須二段腰帶子沉積是否受到海泛的影響,不同專家有不同看法,至少是一次湖泛沒有問題的。本區(qū)的灘壩沉積主要出現(xiàn)于須二段“腰帶子”的底部,巖性主要以灰色細砂巖為主,在基準(zhǔn)面上升早期,受到海泛(或湖泛)的影響,形成大面積淺灘或濱岸沉積環(huán)境,組成灘壩砂體的砂巖成熟度較高,具有波狀層理、平行層理、低角度交錯層理、浪成砂紋層理等。灘壩砂體的頂?shù)准瓤梢允菨u變的,也可以是突變的,在波浪或潮汐對原來沉積物或河道沉積物重新搬運、改造和再沉積,形成大量純石英砂巖灘壩體分布,測井曲線即有向上變細的正旋回也有向上變粗反旋回(圖8)。

3 石英砂巖的儲層特征

3.1 儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖8 元壩地區(qū)東西向上Y3井-Y6井-Y11井須一段-須二段沉積對比剖面圖Fig.8 Sedimentary contrast profile of section one to section two of Xujiahe Formation upwards from east to west Y3Well-Y6Well-Y11Well of Yuanba area

通常情況下,成巖作用較強的石英砂巖中填隙物少,石英顆粒不容易被溶蝕,次生加大強烈,原始孔隙幾乎完全消失,只存在極少量的剩余原生孔隙,很難成為有效儲層。研究發(fā)現(xiàn)須二段石英砂巖儲集性能較好,而須一段石英砂巖儲集性能較差。裂縫發(fā)育是須二段石英砂巖儲集性能好的主要原因。須二段石英砂巖儲層石英顆粒內(nèi)部裂縫發(fā)育,而須一段石英砂巖粒度較細,裂縫較為少見(圖9)。須一段石英砂巖儲集性能差的主要原因為石英砂巖粒度細,為粉砂巖、極細砂巖,可能是由粒度較粗的石英顆粒破裂后再經(jīng)過沉積改造形成。

圖9 須二段石英砂巖與須一段石英砂巖對比Fig.9 Contrast of quartz sandstone between section one with section two of Xujiahe Formation

圖10 砂巖內(nèi)部裂縫、裂痕發(fā)育Fig.1 0 Fissure and crack development in sandstone

須二段石英砂巖儲層孔隙的組合以裂縫為主,極少量的原生剩余粒間孔隙及少量粒內(nèi)溶孔(圖10)。石英砂巖中存在著極少量的原生粒間孔隙,當(dāng)裂縫溝通時利于流體的流通及溶蝕作用,石英砂巖中含少量的變質(zhì)巖巖屑,形成少量的粒內(nèi)溶孔,同時因為裂縫的存在,增大了孔隙的連通性,使得儲層物性好。

3.2 石英砂巖孔隙成因分析

通過對多口井的石英砂巖及巖屑砂巖的普通薄片及鑄體薄片的分析,發(fā)現(xiàn)巖石中不僅石英砂巖石英顆粒內(nèi)部裂縫較為發(fā)育(圖10a),巖屑砂巖中的石英顆粒內(nèi)部也發(fā)育(圖10b),顯然這些顆粒內(nèi)部的裂縫或裂痕不是沉積后形成,應(yīng)該與物源有關(guān),石英砂巖中裂縫裂紋發(fā)育程度要高于巖屑砂巖,可能與巖屑砂巖脆性弱,后期擠壓造成裂縫發(fā)育少有關(guān)。我們推測裂縫裂痕形成的原因與變質(zhì)母巖有關(guān),變質(zhì)石英為高溫下形成的β石英。在抬升剝蝕過程中β石英會轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦?轉(zhuǎn)變過程中石英晶體經(jīng)常發(fā)生破裂現(xiàn)象而形成原生裂縫。沉積后在成巖壓實作用原生裂縫可能封閉,由于石英砂巖性質(zhì)較脆,在構(gòu)造擠壓作用下容易形成裂縫,加之石英顆粒內(nèi)部裂縫的存在就更容易發(fā)生破裂,裂縫就更為發(fā)育。同時裂縫作為流體的通道,有利于對裂縫兩側(cè)的易溶組分進行溶蝕,擴大了孔隙空間。裂縫使得孔隙之間的連通性變好,從而使得石英砂巖儲層的儲集性能變好。

4 結(jié)論

(1)元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組所發(fā)育的石英砂巖以粉-細砂為主,分選好,磨圓度高,雜基含量低,具有較高的成熟度,石英砂體呈近東西向展布,明顯受到米倉山-大巴山前陸前淵帶的控制。

(2)石英砂巖主要以夾層出現(xiàn)在須一、二段,但沉積環(huán)境相當(dāng)特殊,主要為海泛或湖泛早期沉積的灘壩砂體,與研究區(qū)須家河組廣泛發(fā)育的三角洲沉積體有很大的不同。

(3)研究區(qū)石英砂巖具有良好的儲集性能,形成以裂縫為主的孔隙型儲層。這種裂縫的形成主要是由于在石英砂巖中石英顆粒內(nèi)具有高密度原生微裂縫,這些原生裂縫在沉積后成巖過程可能閉合,但在后期的構(gòu)造擠壓背景下石英砂巖的脆性特性及破碎顆粒容易導(dǎo)致大量裂縫發(fā)育,裂縫的發(fā)育同時促進原生裂縫充填物和粒間填隙物的溶蝕。

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Characteristics of Quartz Sandstones and Its Reservoir Significance of Xujiahe Formation in Yuanba Area,Northeastern Sichuan Basin

CHEN Bo1SHEN Jun-jun1HAO Jing-yu1DUWen-tuo2
(1.Geoscience School of Yangtze University,Jingzhou,Hubei 434023; 2.Institute of Exp loration and Development of Liaohe Oilfield,Panjin,Liaoning 124010)

In recent years,muchmore tight-gas of the late Triassic Xujiahe Formation are discovered in Yuanbawhich is located in the northeastern Sichuan foreland basin in China,Sichuan Basin is about1.9 X106km2that evolved into foreland basin from Paleozoic platform in late Triassic.The basin is surrounded by the Longmen thrust belt(west), Jiangnan uplift(east),Michang-Daba thrustbelt(north)and Kangdian uplift(south).he provenance of Yuanba sed-imentary rock come from Michang thrust belt,and themain sedimentary types are nonmarine braided delta and shallow lake Facies in Xujiahe Formation that can be divided into 5 rock section,T x1,T x3,T x5is shallow lakemud-siltstone and lateral continues,T x2,T x4are sandstones deposited by braided river delta.Braided channels sandstones are developed extremely and overlap each other in vertical and continuous distribution.These characters are similar to the other areas of Sichuan basin.

But quartz sandstones are found first in the upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan basin.Quartz sandstones are distributed at the bottom of T x1and interlayer T x2of Xujiahe in Yuanba,these quartz sandstones occurrence is particular that occur in unconformable surface of T x1and on the top of two layers lithic arenites of T x2that are composed of three rock section(T xsandstone,T xmud-siltstone and T xsandstone).esults of our study point out that quartz sandstones are different depositional environment from lithic sandstones below which belong to deltaic deposits widely in high-stand and early regressive systems tracts,whereas quartz sandstones are deposited in beach or tidal environmentwhen the sea level rise rapidly,our analysis shows thatquartz sandstones beach are long and narrow parallel to shoreline,and may be controlled by Michang Mount foredeep belt,but lithic sandstones braided delta below extend from north to south perpendicular to shoreline。

Quartz arenites are easily recognized with lower GR log than other sandstones,and mainly very fine sands(T x1) to fine sands(T x2)with little clay or matrix grains,and have mature compositional and textural maturity.Quartz sandstones thickness is about10 to 15 m in the study area。

Because of strong digenesis process(Mesogenesis to Telogenesis),Xujiahe sandstones are tight-gas reservoirwith porosity ranging from 5.0%～11.0%and average permeability 1.9 X 10-3μm2.ccording to much more casting thin-section,the primary pores little occur in all kinds of sandstones.The secondary pores aremajor pore types that come from dissolution ofminerals and fragments.Generally there are a few quartz sandstones reservoirs developed in Xujiahe Fm.but they have better reservoir conditions in Yuanba area because high density protogenetic fissure are developed in quartz grains of quartz sandstones,and these protogenetic fissuremay be closed in diagenetic processes after deposition.When tectonic extrusion stress occur,new much fissures are produced and old reopened in quartz sandstones because quartz sandstones with cracks are easily broken,and immensely increase cracks density.Meanwhile,these fissures also induce a lotof dissolution process that improve porosity and connectivity of quartz sandstones reservoirs.According to casting thin-sections,themain pore types of quartz sandstones are fissures that include long newborn cracks and short protogenetic cracks,and the secondly pore types are corrosion pores that distributed along fractures。

Our analysis shows quartz sandstones as reservoirs related to provenance come from Michang thrust belt,quartz grainswith cracks are not only in quartz sandstones,but also other kinds of sandstones for example lithic sandstones have quartzmineralwith cracks in Yuanba area,so crack quartzmaybe come from ancient source rocks。

Sichuan Basin;Xujiahe Formation;beach;quartz sandstone;fracture reservoir

陳波 男 1967年出生 教授 博士研究生導(dǎo)師 層序地層學(xué)與油藏描述 E-mail:rrshenhema@ 163.om

TE122.2+21

A

1000-0550(2012)01-0092-09

2010-10-21;收修改稿日期:2011-01-05