合川氣田須二段儲層成巖與孔隙演化定量分析

劉翔，丁熊 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

楊家靜 （西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都610041）

唐青松 （西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧629000）

近20年來，國內(nèi)外學(xué)者加強了對砂巖儲層成巖作用及其與孔隙演化之間定量關(guān)系的研究[1～4]，體現(xiàn)了砂巖儲層成巖作用及其與孔隙演化之間定量的研究，對于砂巖油氣儲層勘探、開發(fā)工作所具有的重要意義。

四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組 （T3x）天然氣勘探進(jìn)展顯著，先后發(fā)現(xiàn)了廣安、合川、安岳等大型巖性氣藏[5]。以控制儲層發(fā)育的成巖因素為主線，結(jié)合埋藏史、儲層演化史以及烴源巖演化史的時空配置關(guān)系，筆者著重分析合川氣田須家河組二段 （T3x2）砂巖儲層的成巖與孔隙演化的定量關(guān)系，旨在為合川氣田T3x2氣藏開發(fā)目標(biāo)評價井、開發(fā)井部署以及天然氣產(chǎn)能建設(shè)提供有益的參考。

1 地質(zhì)背景

合川氣田構(gòu)造位置隸屬于川中古隆中斜平緩帶的東北部 （圖1），勘探前景廣闊，T3x2為主力產(chǎn)層之一[5]。研究區(qū)T3x2地層分布比較穩(wěn)定，由下至上可細(xì)分為T3x12、T3x22和T3x32共3個亞段，厚度70～140m，巖性以灰白色、淺灰色細(xì)－中粒砂巖為主，局部夾泥頁巖及泥質(zhì)砂巖。有關(guān)四川盆地T3x沉積相，至今依然存在分岐，已提出了包括河流、三角洲、湖泊、灘壩、近海潮汐等多種不同的沉積相解釋方案[6，7]。根據(jù)40多口探井的巖性、沉積構(gòu)造、沉積序列、測井響應(yīng)等沉積特征和指相標(biāo)志的綜合分析，結(jié)合區(qū)域沉積地質(zhì)背景資料，研究區(qū)T3x2以發(fā)育富砂的辮狀河三角洲前緣亞相為特征，主要包括水下分流河道、河口壩、遠(yuǎn)砂壩、前緣席狀砂、水下決口扇、水下天然堤以及分流間灣等微相，其中的水下分流河道砂體為最有利的儲集微相類型，其次是河口壩微相。研究區(qū)T3x2砂巖儲層主要位于水下分流河道和河口壩微相的砂體中。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 砂巖物性特征

根據(jù)巖心描述、物性測試、鑄體薄片鏡下鑒定以及掃描電鏡下觀察，T3x2砂巖儲層的巖屑和長石含量較高，巖性主要為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖；粒度以中粒為主，其次為細(xì)粒，分選中等～好，多呈孔隙式膠結(jié)；儲集空間類型以殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主，其次為鑄模孔、雜基微孔以及少量微裂縫等。

通過800余件砂巖樣品實測的孔滲數(shù)據(jù)表明，孔隙度分布范圍0.15%～17.68%，平均孔隙度為6.65%；滲透率分布范圍0.0002～14.30mD，平均值為0.473mD。T3x12巖心孔隙度有68.03%的樣品分布于6%～12%之間，平均值為10.40%；T3x22巖心孔隙度分布于6%～12%之間的樣品占46.05%，平均值為8.81%；T3x32巖心孔隙度有28.58%的樣品分布于6%～12%之間，平均值為6.59%。因此T3x2砂巖儲層總體上表現(xiàn)出低孔、低滲的特征。

表1 T3x2砂巖實測孔隙度和滲透率統(tǒng)計表

3 成巖作用及其對砂巖儲層孔隙度的影響

圖2 T3x2成巖階段與成巖事件分布圖

通過大量的巖石薄片和鑄體薄片的鏡下鑒定，結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡等測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)T3x2砂巖儲層的成巖變化十分豐富（圖2）。按照對儲層孔隙演化和物性變化的不同影響，成巖作用可以簡單地分為：①導(dǎo)致儲層孔隙度降低的破壞性成巖作用，主要以壓實、膠結(jié)作用為代表；②增加儲層孔隙度的建設(shè)性成巖作用，主要為溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用。根據(jù)成巖階段劃分的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并參考 “含油氣區(qū)碎屑巖成巖階段劃分及鑒定標(biāo)志”，研究區(qū)T3x2砂巖自沉積后先后經(jīng)歷了同生成巖階段、晚三疊世至晚侏羅世的早成巖階段以及白堊紀(jì)以來的晚成巖階段，現(xiàn)今主要處于晚成巖A－B期。在這一漫長 （約230Ma）的成巖過程中，成巖作用對砂巖的物性、結(jié)構(gòu)乃至成分都會產(chǎn)生深刻的影響，其中最突出的是壓實、膠結(jié)、溶蝕等作用使砂巖的孔滲性及孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。下面分別描述這3種成巖作用的主要特征并定量計算對砂巖孔隙度的影響。

3.1 壓實作用及其對砂巖孔隙度的影響

壓實作用是使巖石密度增大、原生孔隙度大幅降低的主要成巖作用類型。壓實作用的強弱主要與巖石埋深、地溫及碎屑礦物組分等有關(guān)，淺埋藏時以機械壓實作用為主，隨著埋深加大代之而發(fā)育壓溶作用。研究區(qū)T3x2砂巖中，石英含量相對較低，其體積分?jǐn)?shù)平均為63.31%，而抗壓實性能力較弱的長石、巖屑等塑性碎屑顆粒含量較高，這在很大程度上導(dǎo)致了較為強烈的壓實作用，主要表現(xiàn)為：①云母、長石等片狀和柱狀礦物明顯的定向排列；②云母等塑性碎屑發(fā)生彎曲變形、波狀不均勻消光；③長石雙晶紋彎曲、斷裂、錯位；④少量云母擠入碎屑顆粒間形成假雜基；⑤顆粒間普遍呈線接觸 （圖3（a）），部分碎屑顆粒呈鑲嵌接觸或凹凸接觸。

圖3 T3x2砂巖成巖特征的顯微照片

為了闡明壓實作用對砂巖孔隙度的影響，采用Beard等[8]提出的計算式進(jìn)行砂巖原始孔隙度 （1）恢復(fù)：

式中：1為原始孔隙度，%；So為Trask分選系數(shù)和P75分別為累計曲線上的25%和75%處對應(yīng)的顆粒直徑，mm）。

T3x22中18塊砂巖樣品的平均So為1.33，代入式 （1）計算，得出T3x22砂巖的1為38.13%。再采用Houseknecht等[9]提出的計算壓實率的方法對T3x22砂巖因壓實作用而損失的孔隙度（2）進(jìn)行定量計算，其公式如下：式中：2為壓實作用而損失的孔隙度，%；V（粒間）（包含膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)）＝100%－顆粒體積分?jǐn)?shù)，%。

T3x22中18塊砂巖樣品的顆粒體積分?jǐn)?shù)平均為86.14%，代入式 （2）計算，得出壓實作用造成T3x22砂巖孔隙度的損失量為24.27%。即單純的壓實作用可使T3x22砂巖的1從38.13%降低到13.86%，即砂巖的1在埋藏過程中的損失量有2/3左右是壓實作用造成的。因此，壓實作用是導(dǎo)致T3x2砂巖儲層孔隙度降低的最主要因素。

3.2 膠結(jié)作用及其對砂巖孔隙度的影響

膠結(jié)作用是碎屑物質(zhì)沉積后因自生礦物在孔隙中的沉淀而導(dǎo)致沉積物固結(jié)成巖的作用。對砂巖儲層而言，它是一種極其重要的破壞性成巖作用。研究區(qū)T3x2砂巖膠結(jié)作用類型較多且比較強烈。

3.2.1 SiO2膠結(jié)作用

石英是砂巖中最常見的自生硅質(zhì)膠結(jié)物，或者以碎屑石英顆粒次生加大邊的形式產(chǎn)出 （圖3（a）），或者呈自生石英晶體產(chǎn)于粒間孔中 （圖3（b））。在偏光顯微鏡下，石英次生加大邊比母顆粒光潔明亮，兩者消光方位基本一致，但其間常夾有黏土膜，但有時分界線很難辨認(rèn)。在T3x2砂巖中，自生石英含量不高，體積分?jǐn)?shù)一般為1%～3%，多見Ⅰ～Ⅱ級次生加大邊，局部見Ⅲ級。石英次生加大邊的的終端或規(guī)則或不規(guī)則，加大強烈者可使顆粒間呈線接觸或縫合接觸。當(dāng)石英顆粒周圍自由空間充足時，石英顆粒通過共軸增生趨向于恢復(fù)其晶體的自形，這是成巖早期石英次生加大的特征。在成巖后期由于大量粒間孔隙體積縮小，并為膠結(jié)物所占據(jù)，石英的次生加大表現(xiàn)為充填剩余孔隙，這時石英邊緣會很不規(guī)則，甚至增生顆粒呈鑲嵌接觸，這種復(fù)雜的終端是由顆粒周圍的孔隙形態(tài)控制的。

3.2.2 黏土礦物膠結(jié)作用

圖4 T3x2砂巖黏土雜基體積分?jǐn)?shù)與孔隙度關(guān)系

根據(jù)顯微鏡和掃描電鏡下的鑒定，研究區(qū)T3x2砂巖中常見的黏土填隙物主要包括綠泥石、伊利石等，含量變化較大，平均體積分?jǐn)?shù)2.11%～10.48%。它們對砂巖物性的影響較為明顯，即砂巖孔隙度隨黏土雜基含量的增加而降低，兩者呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系 （見圖4）。

1）綠泥石環(huán)邊膠結(jié) 是指自生綠泥石環(huán)繞碎屑顆粒表面或者呈孔隙襯邊的薄膜式膠結(jié)，稱為綠泥石環(huán)邊膠結(jié)。它們在顯微鏡下一般表現(xiàn)為暗色線，掃描電鏡下清晰可見葉片狀集合體 （圖3（b）、（c））。環(huán)邊厚度一般為2～5μm。自生綠泥石可以從孔隙水中直接沉淀，也可以由其他黏土礦物轉(zhuǎn)化而來。隨著埋深增大、溫度升高，在有Fe2＋和Mg2＋離子存在的還原條件下，早期形成的高嶺石、蒙皂石、混層黏土礦物變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變成綠泥石，或者發(fā)生重結(jié)晶作用轉(zhuǎn)變成葉片狀晶體。根據(jù)產(chǎn)狀判斷，綠泥石膠結(jié)主要有早、晚兩期：早期綠泥石薄膜平行碎屑顆粒邊緣分布；晚期則多形成于石英次生加大之后，呈櫛殼狀環(huán)邊生長 （圖3（b））。

綠泥石的這種環(huán)邊膠結(jié)，一方面導(dǎo)致原生粒間孔縮小成殘余粒間孔，另一方面有效地阻止了石英次生加大的繼續(xù)進(jìn)行，使殘余粒間孔得以保存下來。研究表明，當(dāng)這種綠泥石薄膜的厚度大于3μm時，將有效地抑制石英、長石顆粒的次生加大，有利于保護(hù)孔隙。形成綠泥石環(huán)邊膠結(jié)的重要條件是砂巖的分選好，雜基少，原始孔隙度較高且連通性好，以及砂巖中孔隙水的含鐵量較高，這些條件有利于孔隙水的循環(huán)流動，促進(jìn)綠泥石自由地附著于顆粒表面生長。

在T3x2的中、粗粒巖屑石英砂巖、長石巖屑砂巖中，石英、硅質(zhì)巖屑等硬質(zhì)顆粒含量較高，原始粒間孔較發(fā)育，孔隙水流動性好，綠泥石環(huán)邊膠結(jié)較發(fā)育，殘余粒間孔保存較多。因此，T3x2的優(yōu)質(zhì)砂巖儲層一般發(fā)育于綠泥石環(huán)邊膠結(jié)較發(fā)育的層段，儲層物性較好，孔隙度一般為6%～15%，有的甚至更高。然而，當(dāng)砂巖中綠泥石的絕對體積分?jǐn)?shù)大于5%時，由于過多的綠泥石堵塞孔隙和喉道，砂巖孔隙度反而趨于降低。在含泥質(zhì)和軟質(zhì)巖屑較多的巖屑砂巖中，幾乎不發(fā)育綠泥石環(huán)邊膠結(jié)，殘余粒間孔也很少。

2）伊利石膠結(jié) 粒間孔中的伊利石膠結(jié)物常呈不規(guī)則的細(xì)小晶片產(chǎn)出，在掃描電鏡下多呈片狀、毛發(fā)狀或絲縷狀 （圖3（d））。根據(jù)伊利石膠結(jié)物往往產(chǎn)于粒間孔中心的產(chǎn)狀特征判斷，它的生成明顯晚于環(huán)邊膠結(jié)的綠泥石。一般認(rèn)為伊利石是由蒙皂石或伊－蒙混層黏土轉(zhuǎn)變而來的，所以隨埋藏深度的增加伊利石的含量也呈增加趨勢。在這種轉(zhuǎn)變過程中，多余的硅以石英晶體的形式析出，因此在粒間孔內(nèi)可以見到伊利石膠結(jié)物與晚期自生石英共生的現(xiàn)象 （圖3（c））。

3.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

根據(jù)顯微鏡下的薄片鑒定，研究區(qū)T3x2砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)物含量很低，平均體積分?jǐn)?shù)小于1.80%，主要包括方解石、（含）鐵方解石、白云石以及少量菱鐵礦等。它們常以孔隙式膠結(jié)類型出現(xiàn)。按照形成時間先后，方解石膠結(jié)物大致可分為早、晚兩期。早期方解石膠結(jié)物主要形成于早成巖期或淺埋藏期，多呈顆粒狀分布于碎屑顆粒之間，有時局部可呈連晶式膠結(jié) （圖3（e））。晚期方解石膠結(jié)物形成于淺埋藏晚期－深埋藏期的還原環(huán)境中，以生成含鐵方解石或鐵方解石為特征，一般呈中細(xì)晶它形粒狀，充填于粒間孔隙中，伴隨膠結(jié)過程常常交代碎屑顆粒及其次生加大邊，尤其易于交代斜長石。鏡下有時可見鐵方解石包圍無鐵方解石的現(xiàn)象，表明鐵方解石的生成晚于無鐵方解石。當(dāng)含鐵方解石膠結(jié)和交代作用強烈時，可形成假基底式膠結(jié)，大大降低孔隙度。

上述膠結(jié)作用對砂巖儲集性能的影響表現(xiàn)在破壞與建設(shè)兩個方面。早成巖期膠結(jié)作用對砂巖物性的影響，既有破壞性的一面又有建設(shè)性的一面。因為該期膠結(jié)物一方面由于占據(jù)了一部分粒間孔隙空間，導(dǎo)致原始孔隙、喉道遭受到不同程度的損害；另一方面，正是由于早期膠結(jié)物的形成而加強了巖石內(nèi)部的支撐性，因而在一定程度上抑制、減緩、削弱因隨埋藏加深而引起的強烈壓實作用對儲層的進(jìn)一步傷害，使部分原始孔隙得以保存并更有利于晚期孔隙的再改造。晚成巖期膠結(jié)作用對孔隙演化的影響，主要是對砂巖物性起破壞性作用。因為晚期膠結(jié)物被溶蝕形成次生孔隙的機會不多，反而對原生孔隙、次生孔隙造成傷害的機率增大，可使小孔以上的孔隙消失殆盡而殘留微孔，同時又可能因其堵塞喉道而使?jié)B透率急劇下降，形成低孔、低滲致密儲層甚至隔層。

采用Houseknecht等[9]提出的計算膠結(jié)率Kc方法，以T3x22為例計算砂巖因膠結(jié)作用而損失的孔隙占厚始孔隙的比例：

式中：V（膠結(jié)物）為膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)，%。

T3x22砂巖V（膠結(jié)物）平均為5.58%，代入式 （3）計算，得出T3x22砂巖的Kc為14.63%。就T3x22砂巖而言，膠結(jié)作用使原始孔隙度的損失量為5.58%左右，其中黏土礦物膠結(jié)損失孔隙度3.62%，自生石英引起的孔隙損失量大致為1.57%，碳酸鹽膠結(jié)失去孔隙度0.39%。

3.3 溶蝕作用及其對砂巖孔隙度的影響

溶蝕作用是砂巖中非常普遍的一種成巖作用，也是次生孔隙形成的最主要因素之一。T3x2砂巖中溶蝕現(xiàn)象較為普遍，腐蝕性流體主要為埋藏期有機質(zhì)熱成熟過程中衍生的有機酸性水，溶蝕作用主要針對長石和巖屑等不穩(wěn)定組分，碳酸鹽膠結(jié)物被溶蝕的現(xiàn)象少見。在鏡下可見溶蝕作用主要沿長石的解理縫進(jìn)行，將長石顆粒溶蝕成蠕蟲狀或蜂窩狀的粒內(nèi)溶孔 （圖3（f）），在強烈溶蝕后，長石顆粒輪廓呈殘骸狀的鑄?？?（圖3（a））。溶蝕作用有強弱不等的早晚兩期。早期溶蝕作用形成的次生孔隙因后期膠結(jié)物的充填而基本上失去實際意義。發(fā)生在中～深埋藏階段與烴源巖有機質(zhì)成熟期相匹配的晚期溶蝕作用較為普遍，形成粒內(nèi)溶孔、鑄模孔、粒間溶孔為代表的次生孔隙，不僅新增加和擴大了孔隙空間，拓寬了孔隙和喉道，改善了砂巖的儲滲條件，而且由于與油氣運聚基本同步而成為有效孔隙。

T3x2砂巖由晚期溶蝕作用而增加的孔隙數(shù)量存在較大差異，根據(jù)鑄體薄片的顯微鏡下測定，各類溶蝕孔隙的面孔率一般為0.1%～6%不等，以粒內(nèi)溶孔和鑄?？诪榇淼男略鋈芪g孔隙的面孔率只有2%左右，計算得出的溶蝕增孔率僅為1%左右。這與許多學(xué)者對其他盆地、其他層系碎屑巖儲層次生孔隙的研究得出的數(shù)據(jù)相比明顯偏小。其原因可能是：四川盆地晚三疊世的古地溫梯度較低 （僅2.4℃/100m），導(dǎo)致烴源巖有機質(zhì)成熟及其伴生酸性水的時間延遲到晚侏羅世末，而此時T3x2砂巖的埋深已在3000m以下，因長期的壓實和膠結(jié)作用已經(jīng)變致密，影響了酸性水在砂體內(nèi)的滲透、擴散和流動，錯過了埋藏溶蝕作用的最佳時期，導(dǎo)致了次生溶蝕孔隙發(fā)育欠佳。另外，由于T3x烴源巖以生氣為主，伴生的有機酸相對較少，因此埋藏溶蝕作用的強度有限。

4 砂巖儲層孔隙度演變

依據(jù)上述方法，分別計算T3x2各亞段砂巖孔隙度的變化，其結(jié)果如表3所示。就研究區(qū)T3x2砂巖由成巖作用引起的孔隙度總體變化來看，其恢復(fù)的原始孔隙度平均為38.29%，由于壓實作用而損失的孔隙度為25.38%，因膠結(jié)作用而損失的孔隙度為5.73%，主要由埋藏溶蝕作用新增加的孔隙度大約為0.91%，最終使T3x2砂巖具有平均8.08%的孔隙度，大致代表了晚白堊世～古近紀(jì)進(jìn)入生氣高峰時砂巖所具有的孔隙度。在T3x2的3個亞段中，以T3x12砂巖的原始孔隙度和現(xiàn)今孔隙度為最高，這主要與T3x12砂巖的分選較好、膠結(jié)作用較弱以及埋藏溶蝕作用較強有關(guān)。

表2 合川氣田T3x2砂巖儲層孔隙度演變定量分析表

5 結(jié) 論

1）合川氣田T3x2現(xiàn)今主要處于晚成巖A－B期，壓實、膠結(jié)、溶蝕這3種成巖作用對砂巖儲層的影響最為顯著，其中壓實作用是造成T3x2砂巖儲層孔隙度降低的最主要因素。

2）合川氣田T3x2砂巖儲層中自生石英、黏土礦物、碳酸鹽等膠結(jié)作用的損孔量約為5.73%，但綠泥石環(huán)邊膠結(jié)在破壞孔隙的同時，也有利于砂巖儲層殘余粒間孔的保存。

3）合川氣田T3x2與烴源巖熱演化有關(guān)的埋藏溶蝕作用，為儲層提供不超過6%的次生溶蝕孔隙。

4）最終使合川氣田T3x2砂巖儲層一般具有5%～10%不等的平均孔隙度。

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