須家河組須4段致密砂巖儲(chǔ)層成巖相類型及測(cè)井研究

羅 龍 孟萬(wàn)斌 馮明石 孫 茹 肖春暉

(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059)

成巖相是沉積物在一定沉積、構(gòu)造和成巖環(huán)境下經(jīng)歷一系列成巖作用及演化階段而成的產(chǎn)物，具有巖石顆粒、膠結(jié)物、組構(gòu)、孔洞縫等綜合特征。它是現(xiàn)今儲(chǔ)層特征的直接反映，是表征儲(chǔ)層性質(zhì)、類型和優(yōu)劣的成因性標(biāo)志［1-3］。通過(guò)成巖相分析，可以研究獲得儲(chǔ)集體形成機(jī)理、有利儲(chǔ)層的空間分布，并以此進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。目前對(duì)于油氣砂巖儲(chǔ)層的成巖相研究主要采用巖心樣品的相關(guān)測(cè)試分析方法，尤其是能夠反映巖心樣品微觀特征的掃描電鏡、鑄體薄片、陰極發(fā)光等分析方法［4-8］。這種常規(guī)方法除了存在取樣成本高、耗時(shí)長(zhǎng)及巖心薄片資料有限等不足外，更重要的是無(wú)法反映成巖相在空間上的連續(xù)變化，給儲(chǔ)層預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)帶來(lái)很大困難。近年來(lái)已有研究者嘗試?yán)脺y(cè)井資料進(jìn)行成巖相分析［8-9］，但研究仍處于起步階段，其可行性和可靠性還需要更多實(shí)例來(lái)驗(yàn)證。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

新場(chǎng)構(gòu)造帶位于四川省德陽(yáng)市以北，呈東西走向分布在成都凹陷向斜和梓潼凹陷之間，西南邊與龍門山斷裂相接，東南面與知興場(chǎng) — 龍寶梁構(gòu)造北端相連，主要由孝泉、新場(chǎng)、合興場(chǎng)、高廟子、豐谷等局部構(gòu)造帶組成(圖1)。

本研究區(qū)為須家河組須4段，從T3X104砂組至T3X14砂組沉積相由辮狀河三角洲平原向辮狀河三角洲前緣轉(zhuǎn)變。合興場(chǎng) —豐谷地區(qū)經(jīng)歷了由前三角洲沉積→水下分流河道→河口壩→水下分流河道沉積的過(guò)程，物源供給來(lái)自北東向區(qū)域。孝泉—新場(chǎng)地區(qū)則經(jīng)歷了由砂礫質(zhì)河道、砂質(zhì)河道→遠(yuǎn)砂壩→水下分流河道→河口壩、遠(yuǎn)砂壩的沉積過(guò)程，其物源供給主要來(lái)自北部區(qū)域。研究區(qū)須4段厚度一般為536～610 m，其中上亞段主要由3套砂巖夾泥頁(yè)巖組成，中亞段以泥頁(yè)巖為主，夾薄鈣屑砂巖，下亞段主要由礫巖、砂礫巖組成，夾少量的頁(yè)巖和砂巖。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)及成巖作用特征

2.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

根據(jù)約3 000個(gè)薄片鑒定統(tǒng)計(jì)結(jié)果和部分薄片觀察資料，判定新場(chǎng)地區(qū)須4段致密砂巖儲(chǔ)層主要的巖石類型為巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，其中巖屑砂巖分布最多。砂巖成分成熟度較低，膠結(jié)物以碳酸鹽(方解石和白云石)為主，含少量自生石英和黏土礦物(伊利石和高嶺石為主)。砂巖粒度以粗—中粒和細(xì)—中粒為主，分選度較好，磨圓中等—較差，膠結(jié)類型為孔隙式或孔隙—壓結(jié)式。

圖1 新場(chǎng)構(gòu)造帶位置圖

2.2 儲(chǔ)層成巖作用特征

薄片鑒定、掃描電鏡、巖心觀察、陰極發(fā)光等分析結(jié)果表明，研究區(qū)須4段致密砂巖主要成巖作用類型為壓實(shí)-壓溶作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、破裂作用，壓實(shí)-壓溶作用、膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙起破壞作用，包溶蝕作用和破裂作用是須4段致密砂巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的重要成巖作用。

(1)壓實(shí)作用。塑性巖屑和云母發(fā)生彎曲變形，部分泥巖巖屑呈假雜基，壓實(shí)作用導(dǎo)致碎屑顆粒間呈線接觸至線 — 凹凸接觸，化學(xué)壓實(shí)表現(xiàn)為石英顆粒間壓溶形成的凹凸—縫合線接觸。薄片鑒定顯示，須4段以點(diǎn) — 線接觸和點(diǎn)接觸為主，可見(jiàn)少量凹凸接觸，膠結(jié)類型主要為孔隙式和孔隙 —接觸式，須4下亞段甚至可見(jiàn)凹凸 — 縫合線接觸，說(shuō)明下亞段壓實(shí)作用強(qiáng)于上段和中亞段。

(2)膠結(jié)作用。新場(chǎng)地區(qū)膠結(jié)作用類型以碳酸鹽、硅質(zhì)和黏土礦物等膠結(jié)作用為主，其中碳酸鹽膠結(jié)物占膠結(jié)物總量的73.8%，主要類型為方解石，其次為白云石。大多數(shù)方解石的鐵含量較低，沒(méi)有構(gòu)成鐵方解石，存在強(qiáng)陰極發(fā)光現(xiàn)象。硅質(zhì)膠結(jié)物主要為次生加大石英和孔隙充填的自生石英。自生黏土礦物主要包括伊利石、高嶺石和綠泥石，另外局部可見(jiàn)蒙脫石。

(3)溶蝕作用。研究區(qū)的溶蝕作用主要表現(xiàn)為長(zhǎng)石和結(jié)晶巖屑被溶蝕而形成粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？?，并構(gòu)成研究區(qū)須4段的主要儲(chǔ)集空間。

(4)破裂作用。須4段裂縫發(fā)育較差，主要發(fā)育在下亞段的T3X94和T3X104砂組，主要類型包括低角度裂縫、高角度裂縫和網(wǎng)狀裂縫。

3 新場(chǎng)構(gòu)造帶須4段成巖相類型及特征

3.1 主要成巖相類型

關(guān)于成巖相的分類命名，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的側(cè)重點(diǎn)和劃分標(biāo)準(zhǔn)各有不同，但基本依據(jù)都是成巖礦物、成巖事件、成巖環(huán)境、地震和測(cè)井資料［1，10-11］。鄒才能等人將成巖相劃分為9類擴(kuò)容性成巖相和7類致密化成巖相，提出了“孔滲級(jí)別+巖石類型+成巖作用類型”的成巖相命名方案［1］。應(yīng)鳳祥等人根據(jù)成巖環(huán)境和成巖類型劃分出5個(gè)主要成巖相及16 個(gè)亞相［12］。

大部分成巖相分類劃分方法考慮的因素和參數(shù)較多，種類復(fù)雜，不利于在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣。為便于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用推廣，本次研究采用單因素成巖相劃分方案，從控制儲(chǔ)層形成和演化的角度，將某一砂體的主要成巖作用或其組合作為成巖相類型。根據(jù)此原則，在對(duì)研究區(qū)須4段致密砂巖儲(chǔ)層巖石學(xué)分析的基礎(chǔ)上，主要通過(guò)鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光和巖心觀測(cè)等分析手段，并參考物性測(cè)試、錄井顯示、測(cè)井解釋、沉積相、生產(chǎn)測(cè)試等資料，將須4段成巖相類型分為碳酸鹽膠結(jié)相、溶蝕相、壓實(shí)相、破裂相等主要成巖相，以及溶蝕—壓實(shí)相、膠結(jié)—壓實(shí)相和溶蝕—膠結(jié)相等過(guò)渡類型。

3.2 主要成巖相基本特征

成巖相基本特征包括壓實(shí)相、溶蝕相、碳酸鹽膠結(jié)相和破裂相。表1為主要成巖相的巖石學(xué)和物性特征，圖2為各成巖相類型巖心、巖石薄片和掃描電鏡特征。

(1)壓實(shí)相。壓實(shí)相主要發(fā)育在軟性巖屑、云母和雜基等含量較高的砂巖中，碎屑組分分選度和磨圓度較差，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低。在較強(qiáng)壓力作用下砂巖中顆粒緊密接觸，接觸關(guān)系以線狀和凹凸?fàn)顬橹?，部分塑性巖屑和云母發(fā)生彎曲變形，可見(jiàn)假雜基，溶蝕孔很少，面孔率小于1%。成巖作用以壓實(shí)作用為主，壓溶作用、膠結(jié)作用相對(duì)較弱，物性測(cè)試顯示儲(chǔ)集性能較差 。在石英等剛性顆粒含量較高的砂巖中，壓實(shí)相進(jìn)一步發(fā)育形成壓實(shí)—壓溶相，強(qiáng)壓實(shí)作用使部分碎屑顆粒發(fā)生壓溶作用，顆粒呈凹凸?fàn)睢p合線狀接觸，基本沒(méi)有孔隙。

表1 主要成巖相的巖石學(xué)和物性特征

圖2 各成巖相類型巖心、巖石薄片和掃描電鏡特征

(2)溶蝕相。溶蝕相主要發(fā)育在雜基、塑性巖屑、碳酸鹽巖屑的含量少，長(zhǎng)石含量高的較成熟砂巖中，被溶蝕礦物主要包括長(zhǎng)石和少量火山巖巖屑。巖石顆粒接觸關(guān)系主要為點(diǎn) — 線接觸，溶蝕作用相對(duì)發(fā)育，壓實(shí)作用為弱 — 中等，可見(jiàn)少量膠結(jié)物;溶蝕孔較發(fā)育，主要以粒內(nèi)溶蝕孔為主，殘余原生粒間孔和粒間溶孔次之，面孔率大于3%，物性測(cè)試孔隙度大于6%，滲透率為0.04×10-3～32×10-3μm2，滲透率平均值為 0.14 ×10-3μm2，儲(chǔ)集性好(參見(jiàn)表1)。

(3)碳酸鹽膠結(jié)相。碳酸鹽膠結(jié)相主要發(fā)育在細(xì)—中粒、中 — 粗粒巖屑砂巖、鈣屑砂巖或含鈣巖屑砂巖砂巖中，石英含量為20% ～71%，長(zhǎng)石含量為0～1%，巖屑含量為27% ～96%，物性測(cè)試孔隙度值小于1%，滲透率為0 ～0.04 ×10-3μm2，儲(chǔ)集性極差。膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主，局部為基底式膠結(jié)，膠結(jié)物含量一般大于10%。碳酸鹽膠結(jié)物平均含量約為5.89%，占膠結(jié)物總量的74%，所以本次研究以碳酸鹽膠結(jié)相代表膠結(jié)相。

(4)破裂相。破裂相在巖心上表現(xiàn)為低角度、高角度或網(wǎng)狀等宏觀破裂縫，薄片中則表現(xiàn)為各種形態(tài)的微裂縫，錄井顯示和測(cè)井解釋為裂縫性儲(chǔ)層，生產(chǎn)測(cè)試為氣層。物性測(cè)試孔隙度較小，但是滲透率較大，滲透率平均值約為 24.94×10-3μm2，儲(chǔ)集性好。破裂相主要通過(guò)巖心觀測(cè)和成像測(cè)井資料進(jìn)行識(shí)別。

4 成巖相測(cè)井及識(shí)別方法

測(cè)井技術(shù)獲取的地層信息主要是地層巖石各種宏觀物理性質(zhì)的反映，如密度、電阻率、含氫指數(shù)、聲波傳播速度、元素或礦物組分、與顆粒大小相關(guān)的泥質(zhì)含量等［8］。成巖作用使沉積物在粒度、形狀、表面結(jié)構(gòu)、取向、礦物成分、孔隙度、滲透率等方面發(fā)生變化，這些變化在常規(guī)測(cè)井及成像測(cè)井資料上都能得到響應(yīng)，而測(cè)井具有連續(xù)記錄鉆遇地層各種巖石物理信息的技術(shù)特點(diǎn)［13-16］，可以彌補(bǔ)薄片資料的局限性。

4.1 成巖相與測(cè)井響應(yīng)模型的建立

4.1.1 各成巖相的測(cè)井響應(yīng)特征

分析利用薄片鑒定、掃描電鏡、巖心觀察、陰極發(fā)光和成像測(cè)井等資料劃分的成巖相與測(cè)井曲線的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)常規(guī)測(cè)井曲線對(duì)不同成巖相具有一定的響應(yīng)特征。

圖3 各主要成巖相電性特征

主要成巖相電性特征圖顯示，對(duì)碳酸鹽膠結(jié)相、壓實(shí)相和溶蝕相最敏感的測(cè)井曲線為聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償密度(DEN)、真電阻率(RT)、測(cè)井有效孔隙度(PHIE)和測(cè)井滲透率(PERM_M)等。成巖相的差異導(dǎo)致測(cè)井曲線值明顯變化:聲波時(shí)差(AC)曲線在碳酸鹽膠結(jié)相呈現(xiàn)明顯的相對(duì)低值，在溶蝕相呈現(xiàn)明顯的相對(duì)高值，在壓實(shí)相呈相對(duì)中值;補(bǔ)償密度(DEN)隨著致密性的增強(qiáng)逐漸增高，因此碳酸鹽膠結(jié)相的補(bǔ)償密度明顯大于壓實(shí)相，壓實(shí)相大于溶蝕相。

破裂相在薄片觀察中較少見(jiàn)，其類型主要根據(jù)成像測(cè)井解釋結(jié)果進(jìn)行劃分。在砂礫巖常規(guī)測(cè)井中聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償密度(DEN)、真電阻率(RT)等曲線表現(xiàn)出膠結(jié)相或者壓實(shí)相的特征，且│RT-RS│值較高，有效孔隙度(PHIE)呈現(xiàn)相對(duì)低值的同時(shí)滲透率(PERM_M)相對(duì)較高。

4.1.2 成巖相測(cè)井響應(yīng)模型

為了更加準(zhǔn)確地利用測(cè)井資料進(jìn)行成巖相劃分，需要統(tǒng)計(jì)不同類型的成巖相所對(duì)應(yīng)的相關(guān)測(cè)井值，對(duì)各成巖相的測(cè)井曲線響應(yīng)特征進(jìn)行定量化分析，從而建立成巖相劃分的測(cè)井相解釋模型。具體方法是:選擇各種巖心樣品分析資料較為完整并且測(cè)井資料可靠的已知成巖相井段，統(tǒng)計(jì)該井段的相關(guān)測(cè)井值，讀取其變化范圍并求取平均值。密度測(cè)井(DEN)、聲波時(shí)差(AC)、真電阻率(RT)和有效孔隙度(PHIE)對(duì)成巖相最敏感，成巖相測(cè)井解釋模板如表2所示。在此，據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)平均值繪制交會(huì)圖，分析其中分異性最好且具代表性的交會(huì)圖(圖4、圖5)。

表2 成巖相常規(guī)測(cè)井解釋模板

圖4 成巖相DEN—RT交會(huì)圖

圖5 成巖相DEN—AC交會(huì)圖

4.2 測(cè)井響應(yīng)模型可靠性驗(yàn)證

將豐谷23、新場(chǎng)22等井通過(guò)測(cè)井解釋模板劃分的成巖相與利用巖心樣品分析資料和錄井生產(chǎn)測(cè)試資料劃分的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)驗(yàn)證成巖相測(cè)井劃分方法的可靠性。

豐谷23井上亞段3 645—3 665 m井段，密度測(cè)井(DEN)值呈高值，平均為2.655 g/cm3;聲波時(shí)差(AC)呈低值，平均為187.66 μs/m;真電阻率(RT)呈高值，平均為1 560 Ω·m;有效孔隙度(PHIE)呈低值，平均為1.7% 。根據(jù)常規(guī)測(cè)井解釋模板可以劃分為碳酸鹽膠結(jié)相，3 658—3 662 m井段的巖心樣品測(cè)試資料確定為碳酸鹽膠結(jié)相，與常規(guī)測(cè)井解釋模板識(shí)別結(jié)果一致。

新場(chǎng)22井3 398—3 418 m井段，聲波時(shí)差(AC)呈相對(duì)高值，平均為 230.64 μs/m;真電阻率(RT)呈相對(duì)低值，平均為10.8 Ω·m;有效孔隙度(PHIE)呈相對(duì)高值，平均為8.97%。根據(jù)常規(guī)測(cè)井解釋模板將此井段劃分為溶蝕相，與對(duì)應(yīng)的巖心測(cè)試分析結(jié)果基本相同。

在成巖相劃分的研究當(dāng)中，測(cè)井解釋模板具有較高的可靠性和準(zhǔn)確度，可以作為成巖相劃分方法的重要補(bǔ)充內(nèi)容。

5 結(jié)語(yǔ)

研究區(qū)須4段致密砂巖所經(jīng)歷的破壞性成巖作用主要包括壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用等，建設(shè)性成巖作用主要包括溶蝕作用和破裂作用。研究區(qū)須4段的主要成巖相類型有碳酸鹽膠結(jié)相、壓實(shí)相、溶蝕相、破裂相以及它們的過(guò)渡類型溶蝕 — 膠結(jié)相、膠結(jié) — 壓實(shí)相和溶蝕 — 膠結(jié)相。密度測(cè)井(DEN)、聲波時(shí)差(AC)、真電阻率(RT)和有效孔隙度(PHIE)等測(cè)井曲線對(duì)不同的成巖相響應(yīng)較好，利用它們建立的測(cè)井成巖相解釋模型在非取心井段成巖相識(shí)別中效果顯著。利用各種巖心樣品測(cè)試資料和測(cè)井成巖相解釋模型建立的成巖相綜合判別標(biāo)準(zhǔn)可用于研究區(qū)的成巖相研究。

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