川東南志留系小河壩組致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)

王良軍, 張文凱, 胡曉文, 羅彥萍, 程立雪

(1.中國(guó)石化勘探分公司，成都 610041；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

自20世紀(jì)50年代以來，海相致密碎屑巖儲(chǔ)層一直是研究的熱點(diǎn)，并在油氣勘探開發(fā)上取得了豐碩的成果[1-3]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[3]，國(guó)外勘探2.55萬個(gè)油氣田中，海相碎屑巖油氣田有1.16萬個(gè)，占總數(shù)量的45%。中國(guó)海相碎屑巖在各大盆地中廣泛分布，發(fā)育層系主要為晚奧陶世-志留紀(jì)、晚泥盆世-石炭紀(jì)、早二疊世和晚二疊世[4-6]，并且在塔里木盆地、鄂爾多斯盆地古生代深層海相碎屑巖中均獲得了油氣勘探成果，其中哈德遜油田探明儲(chǔ)量達(dá)億噸級(jí)[7-10]。

川東南地區(qū)下志留統(tǒng)小河壩組為一套典型的海相致密碎屑巖，縱向上夾持于上覆韓家店組厚層泥巖與下伏志留系龍馬溪組炭質(zhì)泥頁巖之間，形成了良好的生儲(chǔ)蓋組合[11-12]。四川盆地油氣勘探過程中，在小河壩組中見到了不同的油氣顯示[13]。因此，一直以來對(duì)于小河壩組的研究持續(xù)不斷，研究工作主要針對(duì)其沉積體系[14-16]、物質(zhì)來源[17-18]、層序格架[19-20,13]、烴源巖演化及儲(chǔ)層基本特征[21-23]等展開，研究結(jié)果表明小河壩組為一套海相三角洲沉積體系，儲(chǔ)層物性致密，儲(chǔ)層質(zhì)量受沉積微相、烴源生烴、成巖作用等控制[16]。

近年來，非常規(guī)油氣勘探發(fā)展迅速，在川東南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中的勘探取得了重大突破，建立了中國(guó)第一個(gè)頁巖氣藏。四川盆地深層非常規(guī)油氣藏的勘探突破，一方面導(dǎo)致致密砂巖氣、頁巖氣的儲(chǔ)集層孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)成為了研究的熱點(diǎn)；另一方面再次激起了對(duì)龍馬溪組上覆小河壩組致密海相碎屑巖勘探潛力的思考。為此，筆者利用鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡、電子探針、高壓壓汞及恒速壓汞等技術(shù)手段，對(duì)川東南地區(qū)小河壩組海相致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征進(jìn)行研究，以期為四川盆地海相致密碎屑巖油氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 基本特征

川東南地區(qū)構(gòu)造位置為揚(yáng)子板塊中南部、黔中隆起北緣及川中隆起以西的上揚(yáng)子前陸盆地中部區(qū)域，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，齊岳山斷裂帶穿越而過[24-25](圖1)。小河壩組沉積于早志留世晚期，受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，華南板塊自南東往北西擠壓拼接，揚(yáng)子板塊整體緩慢抬升，小河壩組沉積中心逐漸向西北遷移，水體向上變淺，形成了一套三角洲沉積[17]。川東南地區(qū)小河壩組沉積厚度較大，現(xiàn)今地層厚度可達(dá)200～300 m，砂地比為0.03～0.91，平均值為0.42。小河壩組縱向上夾持于龍馬溪組炭質(zhì)泥頁巖與韓家店組厚層頁巖之間，既有充足的烴源巖作為物質(zhì)保障，又有巨厚的頁巖作為封堵蓋層，構(gòu)成了良好的生、儲(chǔ)、蓋組合(圖1)，因而成為了川東南地區(qū)油氣勘探的重要層位。

基于川東南地區(qū)志留系秀山、小河、雙流壩等7條野外剖面290件樣品薄片觀察及分析，川東南地區(qū)小河壩組巖石類型以長(zhǎng)石石英砂巖為主，巖屑石英砂巖次之，含少量的石英砂巖(圖2)。石英以單晶石英為主，部分巖石中出現(xiàn)次生加大石英(圖2-C)，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為74%～97%，平均為87.39%；長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%，平均為7.62%，以鉀長(zhǎng)石為主，其次為斜長(zhǎng)石；巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～16%，平均為4.99%，主要為黑云母和白云母，偶見千枚巖和黏土碎屑。填隙物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.65%，以泥質(zhì)雜基為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.53%； 其次為碳酸鹽膠結(jié)物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.19%；硅質(zhì)膠結(jié)物含量較低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%左右。粒度分析表明，主要為細(xì)粉砂和粗粉砂級(jí)，少量達(dá)到細(xì)砂級(jí)；磨圓度較差，多為次圓-次棱角狀；顆粒接觸緊密，以線-凹凸接觸為主；膠結(jié)類型主要為孔隙式-鑲嵌式膠結(jié)，偶見基底式膠結(jié)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of research area (據(jù)文獻(xiàn)[26]修改)

圖2 研究區(qū)小河壩組致密砂巖類型Fig.2 Triangle diagram for classification of tight sandstones of Xiaoheba Formation in research area

川東南地區(qū)小河壩組290件樣品的孔滲測(cè)試分析顯示(圖3)，孔隙度(q)為0.6%～17.3%，平均為3.1%，其中q<10%的樣品占89.3%；滲透率(K)分布范圍較大，為(0.003～9.1)×10-3μm2，平均為0.18×10-3μm2，其中K<0.1×10-3μm2的樣品占77.1%：屬于典型的低孔-低滲致密儲(chǔ)層[27-28]。

2 孔隙特征

2.1 孔隙類型

根據(jù)鑄體薄片與場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果，將研究區(qū)小河壩組致密儲(chǔ)層孔隙分為5類：粒間孔、粒內(nèi)溶孔、雜基孔、晶間孔和微裂縫。

a.粒間孔，主要由粒間溶孔組成，是碳酸鹽膠結(jié)物和黏土雜基被選擇性溶蝕形成的。此類孔隙伴隨相鄰碎屑顆粒溶蝕后，形成粒間溶蝕擴(kuò)大孔(圖4-A)，孔隙半徑一般為50～200 μm。此外，還發(fā)育少量的原生粒間孔(圖4-B)，后期又被部分充填，填隙物主要為黏土雜基、次生石英及鐵質(zhì)顆粒，原生粒間孔多呈角孔或不規(guī)則多邊形孔，孔隙半徑較大，一般在50～120 μm，個(gè)別可達(dá)150 μm左右?？傮w上粒間孔表現(xiàn)為微米級(jí)孔隙，半徑為50～300 μm，平均面孔率為1.47%，在總面孔率中所占比例為37.03%(表1)。

圖3 川東南地區(qū)小河壩組砂巖物性分布直方圖Fig.3 Histogram of distribution of physical properties for Xiaoheba Formation sandstone in research area

圖4 研究區(qū)小河壩組致密砂巖儲(chǔ)層典型孔隙類型Fig.4 Typical pore types in Xiaoheba Formation tight sandstone reservoirs (A)掃描電鏡下石英顆粒邊緣溶蝕，形成港灣狀粒內(nèi)溶孔和溶蝕擴(kuò)大孔，回龍場(chǎng)剖面; (B)單偏光下原生粒間孔隙，雙流壩剖面; (C)掃描電鏡下長(zhǎng)石沿解理溶蝕形成槽狀微孔，雙流壩剖面; (D)掃描電鏡下長(zhǎng)石強(qiáng)烈溶蝕破碎雜基化，形成鑄模微孔，回龍場(chǎng)剖面; (E)掃描電鏡下泥質(zhì)雜基溶孔，浩口剖面; (F)掃描電鏡下片絲狀伊利石層間微縫，雙流壩剖面; (G)掃描電鏡下片狀綠泥石晶間角形微孔，箕溪剖面;(H)掃描電鏡下伊蒙混層集合體蜂巢狀晶間微孔，冷水溪剖面; (I)掃描電鏡下微裂縫，小河剖面

b.粒內(nèi)溶孔，主要發(fā)育在長(zhǎng)石顆粒中，長(zhǎng)石沿解理面部分溶蝕，形成網(wǎng)狀、槽狀孔隙(圖4-C)，孔隙長(zhǎng)軸與解理面近似平行，長(zhǎng)軸直徑一般為30 μm左右，短軸直徑一般為0.5 μm左右。此外，部分長(zhǎng)石顆粒被完全溶蝕形成鑄模孔(圖4-D)，半徑一般為30～50 μm。研究區(qū)粒內(nèi)孔隙受巖性影響，在長(zhǎng)石含量高的砂巖中，粒內(nèi)微孔比較發(fā)育，孔隙形態(tài)取決于長(zhǎng)石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，孔隙半徑為0.5～50 μm，屬于微米-納米級(jí)孔隙，平均面孔率為1.39%，占總面孔率的比例為35.01%(表1)。

c.雜基微孔，是黏土雜基被選擇性溶蝕而形成的。研究區(qū)砂巖雜基含量普遍較高，雜基溶孔較為發(fā)育，孔隙形態(tài)各異，孔徑相差懸殊，半徑為幾百納米至數(shù)十微米(圖4-E)；平均面孔率接近0.5%，占總面孔率的比例為11.84%(表1)。

表1 研究區(qū)小河壩組致密砂巖孔隙類型統(tǒng)計(jì)Table 1 Pore type statistics for Xiaoheba Formation tight sandstones

d.黏土礦物晶間微孔，分布于長(zhǎng)石溶蝕和黏土雜基重結(jié)晶形成的黏土礦物間的空間。研究區(qū)成巖演化已進(jìn)入中-晚成巖階段，發(fā)育的黏土礦物主要為伊利石，其次為伊蒙混層和綠泥石。受晶體形態(tài)影響，伊利石中微孔隙多呈定向排列的順層微縫和一些不規(guī)則孔隙(圖4-F)，片狀綠泥石中孔隙主要呈角形微孔(圖4-G)，伊蒙混層晶間孔主要表現(xiàn)為蜂窩狀微孔(圖4-H)。晶間孔半徑較小，屬于納米級(jí)孔隙，但發(fā)育數(shù)量較多，對(duì)總面孔率的貢獻(xiàn)為7.81%(表1)。

e.微裂縫，在研究區(qū)較為發(fā)育，多呈樹枝狀展布(圖4-I)，縫寬幾百納米，個(gè)別可達(dá)幾微米，微裂縫在總孔隙中的比例為8.31%(表1)。微裂縫對(duì)儲(chǔ)層增孔效應(yīng)有限，但改善了儲(chǔ)層的連通性，為有機(jī)酸性流體運(yùn)移提供了通道。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)

2.2.1 孔喉分布特征

對(duì)80件樣品進(jìn)行高壓壓汞測(cè)試(表2)，結(jié)果表明：最大進(jìn)汞飽和度差異較大，分布范圍為32.12%～94.87%，平均為75.14%；退汞效率較低，主要為2.3%～39.86%，平均為15.71%：說明小河壩組致密砂巖儲(chǔ)集性能相對(duì)非均質(zhì)性強(qiáng)，滲流能力較差，大量的汞因復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和細(xì)小的喉道而殘留在孔隙中。高壓壓汞參數(shù)表明，樣品孔喉半徑為0.01～1.26 μm，半徑>0.1 μm的喉道控制的孔隙體積<15%；而掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果顯示致密砂巖樣品中存在較多半徑>1.26 μm的孔喉(圖4)，說明高壓壓汞表征的孔喉分布僅是樣品中相對(duì)細(xì)小的那部分孔喉，而屏蔽了孔徑相對(duì)較大的孔喉組合。

表2 研究區(qū)小河壩組致密砂巖高壓壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experiment parameters of high pressure mercury injection of tight sandstone in Xiaoheba Formation

研究致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，一種方法難以將儲(chǔ)層中不同級(jí)別孔喉完全表征，通常高壓壓汞僅能表征孔徑較小的孔喉，無法準(zhǔn)確表征半徑>40 μm的孔喉組合[29]。為此，利用恒速壓汞正好彌補(bǔ)了高壓壓汞的不足，更重要的是它能夠在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)儲(chǔ)層孔隙、喉道、孔喉半徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小及分布特征進(jìn)行定量表征。對(duì)研究區(qū)6件典型樣品恒速壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)(表3)，結(jié)果表明：小河壩組儲(chǔ)層孔隙半徑為40～260 μm，主要為微米級(jí)孔隙；喉道半徑為0.1～2.7 μm，主要為微細(xì)喉道；總進(jìn)汞飽和度中等，為31.49%～58.55%，平均為42.4%；而喉道進(jìn)汞飽和度較低，平均值僅為15%左右：表明喉道普遍偏細(xì)，所占的體積有限。

表3 研究區(qū)小河壩組致密砂巖恒速壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experiment parameters of constant speed mercury injection of tight sandstone in Xiaoheba Formation

從6塊樣品孔隙半徑分布曲線可以看出(圖5-A)，滲透率不同的樣品，其孔隙半徑曲線形態(tài)都接近單峰正態(tài)分布，且分布區(qū)間基本相同，為40～260 μm；峰值半徑大致相近，約為145 μm；單一孔徑的孔隙分布比例最高不超過60%。而喉道半徑分布曲線形態(tài)表現(xiàn)出較大差異(圖5-B)，當(dāng)樣品滲透率<0.5×10-3μm2時(shí)，喉道半徑分布區(qū)間較集中，為0.1～0.7 μm，單一半徑的喉道分布比例差異較大，峰值比例最高可達(dá)75%；當(dāng)滲透率>0.5×10-3μm2且逐漸增大時(shí)，喉道半徑分布區(qū)間變大，為0.1～2.7 μm，單一半徑的喉道分布比例明顯降低，峰值比例不足10%，且峰值半徑不斷右移，說明滲透率較大的樣品，喉道分布較為均勻，且以相對(duì)較粗的喉道為主，其中有效滲流通道增多，儲(chǔ)層滲流能力逐漸變好。

圖5 小河壩組致密砂巖孔隙半徑、喉道半徑及孔喉半徑比分布曲線Fig.5 Distribution curve of pore-throat radius of Xiaoheba Formation tight sandstones

從孔喉半徑比分布曲線中同樣可以看出(圖5-C)，滲透率較大的樣品，孔喉分布較為均勻，當(dāng)滲透率<0.5×10-3μm2時(shí)，孔喉半徑比總體較大，分布范圍為420～1 500 μm，說明樣品孔隙半徑相對(duì)較大，喉道半徑相對(duì)較小，孔喉均勻程度較差，樣品滲流能力受控于細(xì)小喉道，滲透率總體較小，如a、b、c、d四件樣品；當(dāng)滲透率>0.5×10-3μm2且逐漸增大時(shí)，孔喉半徑比明顯變小，分布區(qū)間也比較集中，為20～600 μm，說明喉道半徑逐漸增大，孔喉差異相對(duì)變小，孔喉分布較為均勻，如e和f兩件樣品。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性關(guān)系

圖6 小河壩組致密砂巖有效孔喉半徑加權(quán)平均值與物性關(guān)系Fig.6 Relation between weighted average of efficient pore-throat radius and physical properties of Xiaoheba Formation tight sandstone

當(dāng)前恒速壓汞測(cè)試最高進(jìn)汞壓力為6.2 MPa，對(duì)應(yīng)的喉道半徑為0.12 μm。已有研究表明，將喉道半徑>0.12 μm的孔喉體系稱為有效孔喉組合[30]。分析6件樣品有效孔隙半徑、有效喉道半徑及有效孔喉半徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性的關(guān)系(圖6)，結(jié)果表明：有效孔隙半徑加權(quán)平均值與物性有較差的相關(guān)性(圖6-A)，說明有效孔隙半徑加權(quán)平均值對(duì)物性影響較弱；有效喉道半徑加權(quán)平均值與孔隙度具有較弱的相關(guān)性(圖6-B)，而與滲透率則有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94，說明樣品物性，尤其是滲透率受喉道半徑影響較為顯著；有效孔喉半徑比加權(quán)平均值與滲透率具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6-C)，與孔隙度的相關(guān)性則較弱，說明孔喉半徑比對(duì)孔隙度的影響較弱，而對(duì)滲透率的影響更為顯著，即孔喉比越大，孔隙半徑和喉道半徑差異越大，樣品滲流能力受控于相對(duì)細(xì)小的喉道，喉道半徑相對(duì)越小，滲透率也越小。

圖7 小河壩組致密砂巖孔隙、喉道進(jìn)汞飽和度與物性關(guān)系Fig.7 Relation between pore-throat injection mercury saturation and physical properties of Xiaoheba Formation tight sandstone

有效孔隙體積、有效喉道體積及單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)是反映樣品孔喉結(jié)構(gòu)的另一組參數(shù)，利用恒速壓汞測(cè)試得到的孔隙、喉道進(jìn)汞飽和度可以定量反映有效孔隙、有效喉道體積。對(duì)比6件樣品孔隙進(jìn)汞飽和度、喉道進(jìn)汞飽和度與物性的關(guān)系(圖7-A、B)，結(jié)果表明：孔隙進(jìn)汞飽和度、喉道進(jìn)汞飽和度與孔隙度和滲透率都具有正相關(guān)關(guān)系，其中喉道進(jìn)汞飽和度與滲透率具有最好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.85，即隨著喉道進(jìn)汞飽和度增高，有效喉道體積明顯增加。而有效孔喉體積是有效孔喉半徑、長(zhǎng)度及孔喉個(gè)數(shù)的函數(shù)，且與這3個(gè)參數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系[31]。有效孔喉體積增大，說明樣品有效孔喉半徑變大，有效滲流通道增多，滲透率也隨之增大。對(duì)比樣品單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)與物性的關(guān)系(圖7-C)，結(jié)果表明：?jiǎn)挝惑w積有效孔隙個(gè)數(shù)與孔隙度和滲透率同樣具有正相關(guān)關(guān)系，且單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)與孔隙度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92，說明致密砂巖的物性尤其是孔隙度受單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)影響，單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)越多，有效孔隙體積越大，孔隙度隨之增大。

3 結(jié) 論

a.川東南小河壩組砂巖粒度普遍偏細(xì)，以粗-細(xì)粉砂級(jí)長(zhǎng)石石英砂巖為主；填隙物中泥質(zhì)雜基含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為11.5%；碳酸鹽膠結(jié)物和硅質(zhì)膠結(jié)物含量較低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.19%和3%。砂巖總體較為致密，孔隙度<10%的樣品占87.39%，平均孔隙度僅為3.1%；滲透率<0.1×10-3μm2樣品占77.1%，平均滲透率<0.2×10-3μm2。

b.砂巖孔隙類型主要為次生溶孔，占總孔隙的比例接近80%，其中以微米級(jí)(50～300 μm)粒間溶孔為主，微米-納米級(jí)(0.5～50 μm)粒內(nèi)溶孔次之，微米-納米級(jí)雜基溶孔相對(duì)最少。

c.高壓壓汞測(cè)試孔喉半徑范圍為0.01～1.26 μm，>0.1 μm的喉道所占比例<10%。恒速壓汞測(cè)試表明，砂巖孔隙半徑大小相對(duì)集中，主要為40～260 μm；喉道半徑范圍較大，為0.1～2.7 μm。高壓壓汞和恒速壓汞結(jié)合較為全面地表征了致密砂巖各孔徑級(jí)別的孔喉分布特征，孔喉半徑在0.01～260 μm。

d.致密砂巖中滲透率不同的樣品，其孔隙半徑大小和分布范圍相近，而喉道特征參數(shù)表現(xiàn)出較大的差異性，當(dāng)滲透率<0.5×10-3μm2時(shí)，喉道半徑集中在小值區(qū)間，喉道峰值比例較高；當(dāng)滲透率>0.5×10-3μm2且不斷增大時(shí)，喉道半徑范圍變寬，喉道峰值比例明顯降低，且孔喉半徑比也隨之降低，說明喉道半徑逐漸增大，孔喉差異逐漸減小，孔喉分布更加均勻。

e.致密砂巖儲(chǔ)集物性受單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)、有效孔隙體積、有效喉道半徑、有效孔喉半徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)共同影響，其中孔隙度主要受單位體積有效孔隙個(gè)數(shù)和有效孔隙體積影響，滲透率則受有效喉道半徑、有效孔喉半徑比及有效喉道體積等參數(shù)影響。