川西坳陷須四段上亞段致密砂巖巖石物理相劃分

徐 晨 ，陳洪德 ，劉佳庚 ，劉 通 ，林良彪 ，余 瑜

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室成都理工大學，四川成都610059；2.成都理工大學沉積地質研究院，四川成都610059；3.東營市智信達石油科技有限公司，山東東營257000；4.中國石化勝利石油管理局有限公司運輸分公司，山東東營257000）

隨著油氣勘探向著深層、超深層發(fā)展，近年來致密砂巖儲層成為油氣勘探的重點，但由于經(jīng)歷了復雜的成巖作用和構造改造，該類儲層通常具有物性差、孔隙結構復雜等特點［1-5］。須家河組為四川盆地碎屑巖層系天然氣勘探的主要目的層位［6-9］，近年來，國內同行通過地質、地球化學方法，對川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組超大埋深、超致密砂巖的致密化成因、儲層孔隙演化歷史等進行了較為系統(tǒng)的研究。然而由于其儲層年代相對較老、埋藏深、成巖演化歷史復雜，對有利儲層的形成及識別研究較少［10-16］。研究表明，致密儲層形成的優(yōu)質儲層，在優(yōu)質沉積相帶、良好成巖相帶及裂隙發(fā)育帶之間存在良好的耦合關系，這就需要對沉積、成巖及裂縫等影響因素及其耦合關系的形成機理進行研究，以尋求有效儲層的表征方法。

儲層巖石物理相的概念是熊琦華等提出的，是基于儲層的宏觀巖性特征、微觀孔隙和孔喉結構特征等，并結合后期構造作用來表征儲層特征［17］。隨后眾多學者對巖石物理相進行了定義，有的以物性特征為標準［18］，有的以孔隙幾何學特征為依據(jù)［19］。巖石物理相首先是一個含有地質相概念的成因單元，不是單因素控制的結果，而是沉積、成巖和后期構造等多種因素耦合的結果，可以通過巖石巖性、成分、結構和構造體現(xiàn)出所劃分的各巖石物理相之間的性質差異預測有利儲層。為此，以川西坳陷須四段上亞段為研究對象，綜合分析沉積、成巖及構造因素等對儲層的影響，對致密砂巖儲層進行巖石物理相劃分，以期為研究區(qū)優(yōu)質儲層預測提供基礎地質資料。

1 區(qū)域地質概況

四川盆地位于四川省東部，盆地四周皆為高大山脈，其西南為大涼山，北為大巴山，西為龍門山，在這些山脈的環(huán)抱下，呈顯著的構造盆地特征［20］。川西坳陷位于四川盆地西部，晚三疊世后形成，西部緊鄰龍門山造山帶，北東方向與昆侖-秦嶺構造帶相接，南部與康滇構造帶相鄰，東連川中隆起，面積約為5×104km2，規(guī)模較大，也被稱為龍門山前陸盆地［21-22］。川西坳陷與特提斯洋和華北地塊臨近，構造活動強烈。

川西坳陷須家河組四段為一個三級層序，進一步劃分為低位、湖侵和高位體系域，主要發(fā)育沖積扇-沖積平原-三角洲-湖泊沉積體系，其中低位體系域和高位體系域時期沉積相展布規(guī)律相似，以三角洲前緣沉積為主體，水下分流河道砂體大面積連片分布；湖侵體系域時期三角洲前緣延伸范圍變小，以濱淺湖沉積為主。

2 沉積相特征

川西坳陷須家河組為三角洲沉積體系，須四段上亞段主要發(fā)育湖相三角洲沉積體系，沉積微相以水下分流河道、河口壩、分流間灣及席狀砂為主（圖1）。

圖1 川西坳陷須四段上亞段沉積微相平面分布Fig.1 Sedimentary microfacies of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in the western Sichuan Depression

水下分流河道 水下分流河道作為三角洲平原分流河道的水下延伸部分，由多個自下而上變細的沉積旋回組成，見明顯的沖刷面。巖性以砂巖、粉砂巖為主，含有少量泥巖；交錯層理、波狀層理發(fā)育。

河口壩 河口壩是在河口處由于河流攜帶的砂泥等物質因流速降低堆積而產(chǎn)生的。沉積物主要由砂和粉砂組成，一般分選較好；主要發(fā)育楔狀層理、平行層理、逆粒序層理等［20］。自下而上聲波時差幅度由中幅變?yōu)楦叻凝X化箱形、漏斗形，反映出下細上粗的逆粒序剖面結構特征。

分流間灣 水下分流河道之間與湖水相通的低洼地帶即為分流間灣。巖性主要為泥巖、粉砂質泥巖，含有少量粉砂巖或泥質粉砂巖；發(fā)育小型交錯層理、浪成沙紋層理、水平層理。

席狀砂 河口壩及遠砂壩在側向遷移過程中，在湖浪作用改造下形成位于其前方的席狀砂體，稱為席狀砂。常垂直于河流流向和平行湖岸線分布，沉積物粒度細、分選好、分布面積廣，厚度較薄，砂質較純。自然伽馬曲線表現(xiàn)為低幅度的微齒化。

3 成巖相特征及分類

3.1 儲層特征

3.1.1 巖石學特征

通過觀察巖心及2 260個砂巖薄片鑒定，并對陰極發(fā)光照片和掃描電鏡數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)川西坳陷須四段上亞段儲層巖性以巖屑砂巖為主，巖屑石英砂巖、長石巖屑砂巖次之（圖2）。須四段填隙物含量平均約為11%，主要為碳酸鹽膠結物，方解石含量平均為5.48%；雜基以泥質為主，含量平均為4.37%；還有少量有機質等。

圖2 川西坳陷須四段上亞段砂巖成分三角圖Fig.2 Triangular diagram of sandstone composition in the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in the western Sichuan Depression

3.1.2 巖石結構特征

研究區(qū)須四段上亞段顆粒磨圓度普遍較好。碎屑顆粒主要為中粒、細粒、中-細粒結構，可見小部分粗粒與不等粒結構。其中顆粒分選為較好-中等，磨圓度為中等-較好，次棱角-次圓狀；膠結類型以孔隙式、孔隙鑲嵌式及鑲嵌式膠結為主。砂巖顆粒以點接觸、點-線接觸為主，凹凸接觸較少，膠結類型以孔隙-接觸式及孔隙式為主。

3.2 成巖作用

分析巖心、鑄體/普通薄片、X衍射、陰極發(fā)光及掃描電鏡等資料，發(fā)現(xiàn)經(jīng)長時間地質運動后，川西坳陷須四段上亞段儲層遭受破壞性與建設性成巖作用，部分經(jīng)歷了影響程度較低的交代作用，使原生孔隙的保持與破壞和次生孔隙的形成、保持及破壞均受到較大影響。

3.2.1 壓實作用

以化學壓實及機械壓實作用為主。其中，機械壓實作用包括：①剛性碎屑顆粒和骨架顆粒重新排序；②塑性巖屑變形以假雜基定向排列為主；③云母類片狀礦物出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象?；瘜W壓實主要表現(xiàn)為石英顆粒之間進行壓溶，產(chǎn)生點-線接觸、點接觸為主，凹凸接觸較少；膠結類型以孔隙式及孔隙-接觸式為主（圖3a，3b）。

3.2.2 膠結作用

研究區(qū)以碳酸鹽、硅質及黏土礦物膠結作用為主。

碳酸鹽膠結作用 分析研究區(qū)須四段上亞段669塊樣品填隙物含量可知，碳酸鹽膠結物含量為5.96%，占膠結物總量的81.31%。碳酸鹽膠結物在自生礦物中含量最多，大部分是方解石及白云石（圖3c）。

硅質膠結作用 石英為研究區(qū)主要硅質膠結物。自生石英礦物包括石英自生加大與自生石英膠結物。塵線在石英次生加大部分發(fā)育，其中部分為無痕跡加大。另外，可見小部分自生石英礦物填隙物充填在孔隙之間，使孔隙度變小。

黏土礦物膠結作用 分析研究區(qū)全巖與黏土礦物顆粒中黏土礦物含量，發(fā)現(xiàn)伊利石在全巖與黏土礦物顆粒中占比分別為6.63%，40.92%；高嶺石在全巖中占比為2.55%，在黏土礦物顆粒中占比為15.77%；綠泥石在全巖中占比則為3.54%，而在黏土礦物顆粒中占比為21.86%。在黏土礦物顆粒中伊利石含量最高，其次為綠泥石，高嶺石較少見（圖3d，3e）。

3.2.3 溶蝕作用

溶蝕作用在研究區(qū)須四段上亞段儲層普遍發(fā)育但強度較弱。據(jù)巖石薄片、鑄體薄片及掃描電鏡分析，絕大部分骨架有被溶蝕的現(xiàn)象，特別是微斜長石、條紋長石和不穩(wěn)定巖屑溶蝕普遍，常以形成粒間、粒內溶孔為主，鑄?？住⒎涓C狀溶孔次之。溶蝕作用在縱、橫向發(fā)育不均勻：長石的溶蝕作用常沿邊部和雙晶面進行；填隙物中雜基、綠泥石被溶蝕成貼粒溶縫、粒間溶孔和雜基內溶孔；方解石膠結物一般溶蝕微弱，形成少量次生粒間溶孔；石英的溶蝕比較微弱，在掃描電鏡下，石英加大部分的表面存在一些大小不一的溶蝕坑，為后期水介質堿性化的產(chǎn)物。溶蝕作用微弱的主要原因有：①可溶碎屑貧乏，顯著貧長石是研究區(qū)須四段骨架顆粒構成的重要特征之一。②砂巖中塑性顆粒含量高，儲層受強烈壓實作用，致密化時間早，流體流動性差，難以對骨架顆粒形成有效溶蝕。

圖3 川西坳陷須四段上亞段成巖作用特征Fig.3 Diagenesis characteristics of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in western Sichuan Depression

3.2.4 交代作用

交代作用在研究區(qū)須四段上亞段較為少見，可見穩(wěn)定性非常低的長石沿其顆粒邊緣或者解理面被交代（圖3f）。

3.2.5 破裂作用

研究區(qū)須四段上亞段破裂作用能夠使致密砂巖產(chǎn)生裂縫，微裂縫能夠連通彼此獨立或者細小的孔隙，有效地提升砂體的滲透性，從而改善儲集性能，微裂縫的存在很大程度上改善烴類的運移。鏡下分析表明，研究區(qū)須四段上亞段裂縫發(fā)育一般，破裂作用強度低。

3.3 成巖相劃分

成巖相是成巖環(huán)境的一種物質表現(xiàn)，主要是在特殊環(huán)境中沉積物受成巖作用影響經(jīng)歷演化序列及成巖階段后的產(chǎn)物［23-24］。主要反映由于成巖環(huán)境的差異形成的各種成巖礦物組合，其影響因素包括組合特征及成巖作用［25-27］。成巖相劃分依據(jù)如下：①溶蝕相定名主要依據(jù)顯微薄片、掃描電鏡等有明顯的溶孔發(fā)育或顆粒具有溶蝕特征且膠結作用較為發(fā)育。對溶蝕作用中高嶺石、碳酸鹽等膠結物出現(xiàn)，將膠結物描述在名稱的前面，如碳酸鹽膠結-溶蝕相。②碳酸鹽膠結相的定名主要依據(jù)膠結物的總含量。③壓實相的定名主要依據(jù)砂巖中較低膠結物含量的總量且壓實作用較為發(fā)育，局部可見少量的溶蝕作用。④對于研究區(qū)砂巖不發(fā)育且砂地比小于40%的地區(qū)定名為非儲層。

根據(jù)薄片鑒定及掃描電鏡等特征將川西坳陷須四段上亞段成巖相分為溶蝕相、碳酸鹽膠結-溶蝕相、高嶺石膠結-溶蝕相、碳酸鹽膠結相和壓實相5種類型（表1，圖4）。

表1 儲層成巖相劃分標準Table1 Division standard of reservoir diagenetic facies

圖4 川西坳陷須四段上亞段成巖相平面圖Fig.4 Diagenetic facies of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in the western Sichuan Depression

4 構造相劃分

區(qū)域構造背景及構造運動史均可以對儲層物性產(chǎn)生影響。微觀上，構造運動產(chǎn)生的構造應力容易使巖石破裂出現(xiàn)裂縫，而儲層的滲流能力因裂縫的作用得以改善，有利于孔隙流體流動和油氣運聚。宏觀上，構造運動控制著沉積物埋藏史和古地溫等，從而間接影響儲集物性。但對研究區(qū)須四段上亞段砂巖而言，裂縫是構造相對儲層物性影響的直觀表現(xiàn)（圖5），根據(jù)裂縫發(fā)育與否將研究區(qū)構造相分為裂縫相和無裂縫相。需要說明的是，研究區(qū)裂縫發(fā)育較少。由須四段上亞段構造相平面分布（圖6）可知，裂縫相主要發(fā)育在新場構造帶中部和龍泉山構造帶。

圖5 川西坳陷須四段上亞段裂縫發(fā)育特征Fig.5 Fracture characteristics of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in western Sichuan Depression

圖6 川西坳陷須四段上亞段構造相平面分布Fig.6 Plan view of the tectonic facies of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in the western Sichuan Depression

5 巖石物理相劃分及測井響應特征

5.1 巖石物理相劃分

巖石物理相的分類主要以成巖相劃分為主，沉積相和構造相為輔。沉積相決定儲層原始特征，構造相和成巖相綜合決定儲層分布及演化規(guī)律。在沉積相、成巖相和構造相劃分的基礎上，將三者進行疊加耦合可知，研究區(qū)須四段上亞段砂巖儲層共發(fā)育40種（4×5×2）巖石物理相類型，但儲層的巖石物理相分類不能僅依靠理論來進行劃分，因為其中會存在一些不合理的巖石物理相組合，例如：分流間灣-壓實相-裂縫相、分流間灣-碳酸鹽膠結相-裂縫相、分流間灣-溶蝕相-裂縫相、分流間灣-碳酸鹽膠結-溶蝕相-裂縫相、分流間灣-溶蝕相-無裂縫相、分流間灣-碳酸鹽膠結-溶蝕相-無裂縫相等組合，因此劃分巖石物理相時需排除這些不合理的組合。

通過巖石薄片和巖心觀察，將研究區(qū)須四段上亞段砂巖儲層巖石物理相共劃分為Ⅰ，Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅲ及Ⅳ共5類，Ⅰ類即高孔基質-裂縫型儲層，形成于水動力較強的高能環(huán)境，儲層受建設性成巖作用的影響，原生粒間孔和次生溶孔較為發(fā)育，裂縫發(fā)育，儲層物性好；Ⅱ1類即高孔基質型儲層，形成于水動力較強的高能環(huán)境，儲層受建設性成巖作用的影響，但由于沒有裂縫的發(fā)育使得滲透率大幅度降低，儲層物性較Ⅰ類巖石物理相較差；Ⅱ2類即低孔基質-裂縫型儲層，形成于水動力較強的高能環(huán)境，儲層受破壞性成巖作用的影響，雖受壓實作用和膠結作用影響，但裂縫發(fā)育，儲層物性相對較好；Ⅲ類即低孔基質型儲層，形成于水動力較強的高能環(huán)境，儲層受破壞性成巖作用的影響且不發(fā)育裂縫，不能為流體提供運移的通道，造成儲集物性較差；Ⅳ類即泥巖，本文主要描述致密砂巖，對泥巖不做詳細描述。

分析研究區(qū)須四段上亞段物性資料和壓汞曲線，表明不同巖石物理相其孔隙度和滲透率雖沒有明顯的分界，但總體上Ⅰ類巖石物理相對應發(fā)育層段的儲集物性和孔隙結構最好，具有孔隙度高且滲透率顯著增高的特征，主要是由于對應層段的儲集空間以原生孔隙為主。Ⅱ1，Ⅱ2類巖石物理相對應發(fā)育層段的儲集物性和孔隙結構較好。Ⅲ類巖石物理相對應發(fā)育層段的儲集物性和孔隙結構最差（圖7，圖8）。

圖7 巖石物理相類型與物性關系Fig.7 Relationship between petrophysical facies and physical properties

圖8 巖石物理相類型與孔隙結構關系Fig.8 Relationship between petrophysical facies and pore structure

表2 川西坳陷須四段上亞段儲層巖石物理相測井響應特征Table2 Petrophysical facies logging response characteristics of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in Western Sichuan Depression

圖9 川孝94井須四段上亞段儲層單井巖石物理相劃分Fig.9 Petrophysical faices division of the Upper 4th Member of Xujiahe Formation（Well Chuanxiao94）

圖10 川西坳陷須四段上亞段儲層巖石物理相平面分布Fig.10 Plane distribution of petrophysical facies in the Upper 4th Member of Xujiahe Formation in the western Sichuan Depression

5.2 巖石物理相測井響應特征

不同巖石物理相對應的沉積微相特征及成巖作用類型均有所不同，且通過電阻率等測井技術所得到的地層信息內容主要為物理性質，而巖石物理相不同，其在礦物學及巖石學特征等方面不同，會影響測井曲線，使之表現(xiàn)出的響應特征也有所區(qū)別，因此，能夠利用巖石物理相和測井響應2種數(shù)據(jù)間的關系，選取自然電位、自然伽馬、地層真電阻率、自然電位、補償密度5種測井曲線，建立更有效的巖石物理相評價方法與判別標準（表2）。

5.3 巖石物理相平面分布

利用上述巖石物理相測井響應特征，通過對研究區(qū)單井巖石物理相測井解釋和劃分，將研究區(qū)須四段上亞段巖石物理相類型識別出來（圖9）。最終通過由點及線，由線及面，實現(xiàn)巖石物理相平面分布預測（圖10）。

由巖石物理相平面分布可知，有利巖石物理相帶主要分布在川西坳陷東部，儲集物性及孔隙結構最好的Ⅰ類巖石物理相僅分布在新場構造帶，Ⅱ1類巖石物理相主要分布在成都凹陷東部和中江斜坡東部地區(qū)，Ⅱ2類巖石物理相主要分布于龍泉山構造帶。這也是優(yōu)質儲集體發(fā)育帶和研究區(qū)下一步尋找儲集體的主要目標區(qū)域。

6 結論

利用普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、電子探針和X衍射等資料，將川西坳陷須四段上亞段劃分為水下分流河道、河口壩、分流間灣和席狀砂4種沉積微相，溶蝕相、碳酸鹽膠結-溶蝕相、高嶺石膠結-溶蝕相、碳酸鹽膠結相和壓實相5種成巖相，裂縫相和無裂縫相2種構造相。根據(jù)沉積相、成巖相、構造相的疊加耦合將研究區(qū)須四段上亞段儲層劃分為Ⅰ，Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅲ及Ⅳ共5類巖石物理相，Ⅰ類為高孔基質-裂縫型儲層，Ⅱ1類為高孔基質型儲層，Ⅱ2類為低孔基質-裂縫型儲層，Ⅲ類為低孔基質型儲層，Ⅳ類為泥巖。其中Ⅰ類巖石物理相儲集物性最好，Ⅱ1和Ⅱ2類巖石物理相儲集物性較好。