蜀南觀音場地區(qū)須家河組砂巖致密化與成藏匹配關(guān)系

張 翔，田景春，杜本強，夏吉文，古 娜，林小兵，鄧飛涌，梁宇晨

(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.中國石油 西南油氣田分公司 蜀南氣礦勘探開發(fā)研究所，四川 瀘州 646001)

圖1 觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層巖石學(xué)圖版Fig.1 Reservoir petrology chart of the Xujiahe Formation in Guanyinchang areaa. 細粒泥質(zhì)長石巖屑砂巖，石英次生加大，音23井，2 232.5 m，T3x4(+)b.巖屑砂巖，巖屑絹云母化,音23井，2 085.9 m, 巖屑石英砂巖，長石高嶺石化，音23井，2 309.11 m,T3x2(+)

蜀南地區(qū)須家河組經(jīng)過40余年的勘探，對儲集砂巖的沉積相特征、儲層特征和成藏條件有較為深入的認識[1-10]。對研究區(qū)須家河組致密砂巖儲層致密化原因及致密化時間的研究成果比較少，現(xiàn)有研究成果主要集中于川西地區(qū)砂巖儲層致密化成因分析[11-22]。同時，研究區(qū)以往勘探主要針對構(gòu)造區(qū)，非構(gòu)造巖性區(qū)鉆井少，對河道砂巖致密時間與天然氣成藏時間的先后關(guān)系(先致密后成藏、先成藏后致密)認識不統(tǒng)一，制約了研究區(qū)須家河組的勘探部署。本文對砂巖儲層致密化原因、致密化時間與成藏期次匹配關(guān)系開展研究，確定致密化時間與成藏期次之間的關(guān)系。

1 致密砂巖巖石學(xué)特征

對觀音場構(gòu)造音23井、音24井、音36井須家河組巖心觀察和薄片鑒定分析，觀音場地區(qū)須家河組砂巖以長石巖屑砂巖、巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主(圖1)，砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度中等。根據(jù)音23井、音24井、音36井3口井100余張薄片鑒定、統(tǒng)計分析，顆粒中石英含量分布于60%～75%，石英顆粒以單晶石英為主，燧石和復(fù)石英含量少。長石一般在5%～15%之間，以正長石為主，斜長石和微斜長石含量少。巖屑含量在20%～30%之間，以泥巖、粉砂巖等沉積巖巖屑為主，變質(zhì)巖巖屑為千枚巖和板巖。砂巖填隙物中硅質(zhì)膠結(jié)物相對含量在0.5～12%，平均為6%。鈣質(zhì)膠結(jié)物在大部分薄片中未見，其含量分布于0.5～2.5%之間，平均為1.4%。填隙物中泥質(zhì)雜基含量高，水云母化現(xiàn)象明顯，相對含量達5%～20%。

2 成巖作用類型及特征

在對研究區(qū)須家河組砂巖儲層微觀巖石學(xué)特征研究基礎(chǔ)上，根據(jù)音23井、音24井、音36井3口取心井巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡等分析，研究區(qū)須家河組砂巖經(jīng)歷了壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶蝕作用、重結(jié)晶等多種成巖作用。

2.1 壓實、壓溶作用

觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層總體上壓實中等-強，顆粒以線接觸為主，接觸緊密?？梢姷巾搸r、粉砂巖及千枚巖和云母等塑性顆粒變形(圖2a,b)，石英壓溶次生加大等現(xiàn)象(圖2c,d)。強烈的壓實作用造成原生粒間孔隙的大量損失。

2.2 膠結(jié)作用

觀察分析研究區(qū)須家河組砂巖儲層的薄片和掃描電鏡資料，研究區(qū)砂巖儲層的膠結(jié)作用包括硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽巖膠結(jié)，研究區(qū)以硅質(zhì)膠結(jié)為主。硅質(zhì)膠結(jié)表現(xiàn)為Ⅱ-Ⅲ級石英次生加大作用(圖2c,d)。本區(qū)石英次生加大發(fā)生時期較晚，形成的埋藏深度較大。硅質(zhì)膠結(jié)物來源于石英壓溶、轉(zhuǎn)移、再沉淀而成。研究區(qū)鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象不發(fā)育，60%的薄片見到鈣質(zhì)膠結(jié)，且膠結(jié)物含量小于2%。

2.3 溶蝕作用

須家河組砂巖溶蝕作用較弱，溶蝕對象主要為長石、巖屑和雜基中的易溶組分。研究區(qū)的溶蝕作用分為兩期，早期受大氣降水淋濾作用影響，長石溶蝕形成的一些孔隙。生排烴時期，受含煤巖系酸性流體影響，易溶組分發(fā)生溶蝕，粒內(nèi)溶孔發(fā)育，為研究區(qū)主要的儲集空間。

2.4 自生粘土礦物充填

粘土礦物是碎屑巖中較重要的填隙物，本區(qū)粘土礦物充填中等-弱，以綠泥石和伊利石膠結(jié)為主(圖2e,f)。綠泥石多呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式產(chǎn)出，形成于早成巖A階段。伊利石為成巖過程中由其他粘土礦物轉(zhuǎn)變而來，形成于中成巖的A階段。

圖2 觀音場地區(qū)須家河組砂巖成巖作用圖版Fig.2 Photomicrographs of diagenesis types in sandstone reservoir of Xujiahe Formation in Guanyinchang areaa.泥巖巖屑巖石變形，音23井，硅質(zhì)中-粗粒長石巖屑砂巖，石英加大(+);b.云母被壓彎-壓實作用，音23井，2 213.7 m，細-中粒泥質(zhì)巖屑石英砂巖(+);c.石英次生加大，音23井，細-中粒泥質(zhì)長石巖屑砂巖，(+);d.石英次生加大，音23井，硅質(zhì)中-粗粒長石巖屑砂巖，(+);e.綠泥石，音23井，綠泥石的晶間孔隙一般較發(fā)育;f.被粘土礦物全充填的粒間孔形貌，伊利石為主，有少量綠泥石，音23井，

2.5 交代作用

研究區(qū)須家河組砂巖儲層發(fā)生的交代作用包括方解石交代長石和石英、絹云母交代長石、粘土礦物交代長石以及泥質(zhì)雜基水云母化等多種類型。交代作用對孔隙的改善意義不大，主要表現(xiàn)為新的物質(zhì)占據(jù)原有物質(zhì)的空間。

3 砂巖致密化原因及致密化時間討論

3.1 砂巖致密化原因

觀音場地區(qū)須家河組沉積以來經(jīng)歷了壓實作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、自生礦物的沉淀作用，上述成巖作用的成巖物質(zhì)不同程度地占據(jù)粒間孔隙，均是降低砂巖儲層儲集性能的原因。而沉積作用、壓實作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用是造成本區(qū)須家河組儲層致密化最為重要的原因。

1) 沉積時水動力強弱決定了分流河道砂體儲集性能的好壞。

根據(jù)音23井、音36井須六段雜基含量與孔隙度相關(guān)性分析(圖3)，表明：泥質(zhì)雜基與孔隙度之間呈負相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)雜基相對含量分布于1.2%～20%，平均為8.5%，占據(jù)原生粒間孔隙，因此，雜基是造成初始孔隙度降低的原因之一。若須家河組分流河道砂巖沉積時水動力強，則碎屑顆粒中泥質(zhì)雜基含量低，原生粒間孔保留多；若水動力條件弱，碎屑顆粒與泥質(zhì)雜基混雜堆積，雜基含量高，原生孔隙保留少，儲集空間小。因此，須家河組砂巖沉積時的水動力強弱，是分流河道砂體儲集性能好壞的先天條件。

圖3 觀音場地區(qū)須家河組砂巖雜基含量及與孔隙度相關(guān)性Fig.3 Correlation between porosity and matrix content of the Xujiahe Formation in Guanyinchang area

2) 強烈的機械壓實作用是原生孔隙大量損失的主要原因。

觀音場地區(qū)須家河組砂巖中頁巖、粉砂巖、板巖等塑性巖屑含量高，成巖階段經(jīng)歷強烈的壓實作用。根據(jù)負孔隙度含量與膠結(jié)物含量交會圖(圖4)分析，絕大多數(shù)樣品點都投點左下部，表明壓實作用是孔隙大量損失的主要原因。經(jīng)歷強烈壓實作用的砂巖原生孔隙已大量損失，僅能見少量的粒間孔。

圖4 觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層膠結(jié)減孔和壓實減孔效應(yīng)相關(guān)性Fig.4 Correlation of cementation-related and compaction-related porosity reduction in the Xujiahe Formation in Guanyinchang area

3) 成巖期石英次生加大是儲層致密的關(guān)鍵因素。

隨著埋藏深度的增加，雖然壓實作用不斷增強，但受各種膠結(jié)作用的支撐作用，壓實作用對砂巖物性的影響逐漸減弱，本階段充填孔隙的主要因素是各種膠結(jié)作用。

研究區(qū)須家河組砂巖經(jīng)歷壓實作用后，剩余的原生孔隙又受到石英次生加大、碳酸鹽礦物及部分粘土礦物的充填作用進一步損失孔隙。觀音場地區(qū)須家河組儲集砂巖中，硅質(zhì)膠結(jié)最為明顯，鈣質(zhì)膠結(jié)在大部分層段不發(fā)育。因此，造成本區(qū)砂巖儲層致密的最主要原因是石英次生加大。根據(jù)薄片鑒定統(tǒng)計分析，砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)物相對含量在5%～15%，占據(jù)剩余粒間孔。因此，觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層致密的關(guān)鍵原因是石英次生加大形成的膠結(jié)物。

3.2 砂巖儲層致密化時間討論

根據(jù)沉積、成巖作用研究表明，影響研究區(qū)須家河組砂巖儲層的主要因素除了沉積環(huán)境能量因素之外，壓實作用是造成須家河組儲層致密化的主要原因，石英次生加大是儲層致密化的關(guān)鍵因素。因此，石英次生加大形成到結(jié)束的成巖演化階段即為儲層致密化階段，形成時間即為砂巖致密化時間。本文主要對音36井須二段、須四段、須六1亞段砂巖中石英加大邊的包裹體進行測試分析，對研究區(qū)須家河組砂巖儲層致密化過程和致密時間進行討論。

研究區(qū)須二段、須四段、須六1亞段砂巖中石英加大現(xiàn)象極為普遍，加大邊厚度為0.05～0.3 mm，可見到兩期自生石英發(fā)育。石英次生加大中包裹體的形態(tài)多呈不規(guī)則狀，包裹體大小在0.1～15 μm，一般為5～10 μm。包裹體以氣液兩相包裹體為主，少見純液相包裹體。對音36井砂巖中石英次生加大膠結(jié)物中的包裹體進行測溫，確定石英次生加大的時間：音36井須六1亞段2個砂巖石英膠結(jié)物包裹體溫度為82.5～123.5 ℃，主要集中在90～113 ℃；須四段3個樣品中數(shù)十個灰色中粒砂巖石英膠結(jié)物包裹體溫度集中在98.5～123.7 ℃，主要集中在105～120 ℃。須二段3個砂巖石英膠結(jié)物包裹體溫度集中在90.7～125.1 ℃，主要集中在100～115 ℃。

上述須家河組砂巖樣品石英次生加大邊包裹體溫度分布在82.5～125.1 ℃，集中在90～120 ℃，表明在這一溫度區(qū)間是石英次生加大主要生長期。最低溫度對應(yīng)于致密化開始時間，最高溫度代表致密化結(jié)束時間。在此溫度之后，石英次生加大不再明顯發(fā)育(圖5)。

觀音場地區(qū)須家河組古地溫梯度為3.74×10-2℃/m，地表年平均氣溫為18 ℃，按此推算，石英次生加大的最低溫度在82.5 ℃，則石英膠結(jié)物出現(xiàn)的起始深度為1 725 m，硅質(zhì)膠結(jié)物出現(xiàn)的最高溫度為125.1 ℃，須家河組砂巖硅質(zhì)膠結(jié)物出現(xiàn)的最大深度為2 864 m(圖6)，發(fā)生在燕山構(gòu)造活動期間。

4 儲層致密化過程與成藏匹配關(guān)系討論

4.1 儲層致密化過程

將研究區(qū)須家河組砂巖成巖演化過程與致密砂巖致密化時間相結(jié)合，討論須家河組砂巖的致密化過程。觀音場地區(qū)須家河組砂巖成巖作用強度大，經(jīng)歷了同生成巖階段、早成巖階段(A期和B期)和中成巖階段(A期)，目前主要處于中成巖階段A期(圖5)。

1) 同生期：須家河組沉積不久，埋藏深度淺，成巖作用不明顯。

2) 早成巖A-B階段：隨著上覆侏羅系不斷沉積，本階段須家河組砂巖經(jīng)歷強烈的機械壓實作用，孔隙度迅速降低，碎屑顆粒之間主要呈點接觸，纖狀綠泥石開始在孔隙中呈環(huán)邊狀定向生長，形成孔隙襯里(有利于孔隙保存)，粘土礦物主要為伊/蒙混層礦物。此階段壓實作用表現(xiàn)最為強烈，為壓實作用減孔階段，未經(jīng)歷明顯的膠結(jié)作用，顆粒間原生粒間孔隙依然可以保留。

3) 中成巖A階段：該階段早中期壓實作用不斷增強，顆粒之間呈線接觸，石英顆粒壓溶，硅質(zhì)膠結(jié)物充填在顆粒間，占據(jù)原生粒間孔，孔隙度降低。埋深3 000 m左右，受剛性顆粒支撐及膠結(jié)物支撐，壓實、壓溶作用減弱，至此受硅質(zhì)膠結(jié)物影響的儲層致密化階段結(jié)束。該時期剩余粒間孔進一步減小，砂巖儲層致密。硅質(zhì)膠結(jié)物占據(jù)殘余粒間孔，為儲層致密化的關(guān)鍵時期。后期-晚期，隨著埋藏深度進一步加大，煤系烴源巖進入大量生排烴階段，酸性流體對儲集砂巖中可溶組分溶蝕，粒間、粒內(nèi)次生溶孔發(fā)育，儲集空間增大，加上喜山期構(gòu)造裂縫的溝通，河道砂體儲集性能得以改善。

圖5 觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層致密化階段演化Fig.5 Staged evolution of tight sandstone reservoir of the Xujiahe Formation in Guanyinchang area

圖6 觀音場地區(qū)須家河組砂巖儲層致密化過程與烴源巖生烴演化匹配關(guān)系Fig.6 Matching between sandstone tightening with hydrocarbon generating of Xujiahe Formation in Guanyinchang area

4.2 須家河組成藏期次

根據(jù)研究區(qū)須家河組熱演化特征，恢復(fù)須家河組生烴演化史，總體具3期生排烴期(圖6)，①晚侏羅世—早白堊世進入生烴門限：燕山早中期須家河組烴源巖進入生烴門限(地溫接近65 ℃，Ro接近0.5%)，在燕山運動中晚期開始排烴，此時Ro小于0.8%，該階段主要為早期煤系烴類，伴生的天然氣相對較濕。②中晚白堊世(100 Ma左右)進入主生氣期：燕山末期至喜山早期大量生烴(地溫接近120 ℃，Ro接近0.8%)，于晚白堊世末期達到最高熱演化程度(Ro介于1%～1.2%)。③晚白堊世末期油氣調(diào)整期：燕山-喜山期構(gòu)造抬升，上覆地層經(jīng)歷剝蝕作用，地層溫度逐漸降低，須家河組煤系有機質(zhì)生烴作用減弱，該時期主要是已經(jīng)成藏的油氣通過斷層垂向運移再分配。

4.3 砂巖儲層致密化過程與成藏匹配關(guān)系

根據(jù)研究區(qū)須家河組砂巖致密演化與成藏運聚期次分析，研究了兩者之間的匹配關(guān)系(圖6)。

1) 初次成藏期為中上侏羅統(tǒng)-白堊系沉積早期階段，砂體受硅質(zhì)膠結(jié)作用開始致密，但還未完全致密，初次成藏期生成的天然氣能夠在砂巖中橫向運移，由于烴源巖排烴強度弱、豐度低，不能大面積成藏。

2) 晚白堊世開始，砂體經(jīng)歷壓實、壓溶、硅質(zhì)膠結(jié)作用，在生排烴高峰期前砂體已致密，橫向非均質(zhì)性強，儲集砂體受成巖作用和巖性共同控制。進入生烴高峰期，天然氣不能在致密、非均質(zhì)性強的砂體中橫向大規(guī)模運移。此階段受有機酸溶蝕次生孔隙發(fā)育，河道不整合面及高壓開啟的微裂縫是天然氣主要運移通道，運移至巖性圈閉中成藏。

3) 喜馬拉雅期構(gòu)造隆升，構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉形成，構(gòu)造斷裂發(fā)育，聯(lián)通下伏氣藏或烴源層，下伏干氣向須家河組圈閉運移成藏。

總體上，須家河組在生排烴高峰期前砂體已經(jīng)致密化，為受成巖作用控制的巖性圈閉，油氣不能在河道砂體內(nèi)大規(guī)模橫向運移。天然氣主要以河道不整合面及高壓開啟的微裂縫作為運移通道，運移至巖性圈閉中成藏；經(jīng)歷喜山期天然氣調(diào)整階段后，定型為現(xiàn)今的構(gòu)造-巖性復(fù)合氣藏，氣藏受巖性、構(gòu)造共同控制，非均質(zhì)性強。

5 結(jié)論

1) 影響研究區(qū)須家河組致密砂巖儲層發(fā)育的主要因素為：沉積時水動力強弱決定了砂體儲集性能的好壞、強烈的機械壓實作用是原生孔隙大量損失的主要原因、成巖期石英次生加大是儲層致密的關(guān)鍵因素。

2) 對須家河組砂巖硅質(zhì)膠結(jié)物中包裹體分析，確定了砂巖儲層致密的深度開始于1 725 m，終止于2 864 m，發(fā)生在燕山構(gòu)造活動期間。

3) 研究區(qū)須家河組砂巖儲層致密前，為初次成藏期，天然氣在砂體中橫向長距離運移，但豐度低，不能大面積成藏；天然氣進入生烴高峰期前砂巖儲層已經(jīng)致密，受差異成巖作用影響，為成巖-巖性圈閉，圈閉非均質(zhì)性強，天然氣橫向運移受阻擋，以河道不整合面和高壓開啟的微裂縫作為有效運移通道，形成巖性氣藏。喜馬拉雅期構(gòu)造抬升作用，定型為現(xiàn)今巖性-構(gòu)造復(fù)合氣藏，氣藏受巖性、構(gòu)造共同控制，非均質(zhì)性強。

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