成都氣田蓬萊鎮(zhèn)組儲層特征與成巖作用

寧萌萌, 楊豫川, 李鳳杰

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊，成都 610213；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 二零七地質(zhì)隊，四川 樂山 614000)

川西成都氣田包括成都凹陷區(qū)的什邡、廣漢及新都等氣區(qū)，侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組是其主要含氣目的層，開發(fā)潛力較大。成都氣田蓬萊鎮(zhèn)組由于埋藏深，經(jīng)歷的構(gòu)造運動復(fù)雜，受到多期成巖作用的改造，儲層成因復(fù)雜。郝強等[1]對川西蓬萊鎮(zhèn)組儲層特征及主控因素進行了分析，但并未對成巖作用展開研究；陳佩佩等[2]對川西拗陷蓬萊鎮(zhèn)組儲層成巖相類型進行了劃分，并根據(jù)成巖相類型對儲層進行了分類，但對儲層發(fā)育的特征及成巖相對儲層的影響未進行討論；曾小英[3]認為蓬萊鎮(zhèn)組天然氣的聚集和分布特征主要受控于成巖作用，并對成巖相類型及分布特征進行了研究，但對儲層特征及成巖序列未進行討論。雖然學者們對川西蓬萊鎮(zhèn)組的儲層特征及成巖作用做了較多的研究工作，但研究結(jié)果不具有統(tǒng)一性，且對成都氣田蓬萊鎮(zhèn)組整體的儲層及成巖作用研究較少，部分研究尚停留在定性分析上。本文結(jié)合巖心觀察、鑄體薄片、X射線衍射、掃描電鏡分析等手段，對川西成都氣田蓬萊鎮(zhèn)組砂巖儲層巖石學、物性及儲集空間特征進行研究，在此基礎(chǔ)上分析儲層成巖作用類型及成巖序列，并對儲層致密化過程進行定量解剖，最終分析蓬萊鎮(zhèn)組致密砂巖成巖相類型及其對儲層的影響，以指導(dǎo)該區(qū)下一步的勘探開發(fā)工作。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

成都氣田位于成都與德陽之間，面積近750 km2；構(gòu)造變形較強，整體呈現(xiàn)“一隆兩凹一坡”的復(fù)雜構(gòu)造格局(圖1)[4-5]。由于受到不同構(gòu)造運動的影響，研究區(qū)內(nèi)不同期次的斷層較發(fā)育，斷層的性質(zhì)差異較大，對天然氣成藏及運移起到了重要作用。蓬萊鎮(zhèn)組自下而上可分為4段，分別簡稱為蓬一段、蓬二段、蓬三段及蓬四段，整體巖性以粉砂巖和細砂巖為主[6]。其中蓬一段為三角洲平原亞相，蓬二段到蓬四段分別為三角洲前緣亞相、前三角洲亞相及三角洲平原沉積[7]，地層厚度穩(wěn)定，巖相變化不大。

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic divisions of the study area

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學特征

通過對研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組60塊薄片進行觀察和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，儲層碎屑成分主要由石英、長石和巖屑組成，還含有少量的云母和重礦物。整體上蓬萊鎮(zhèn)組砂巖成分成熟度偏低。按砂巖成分成因三角圖分類，蓬萊鎮(zhèn)組砂巖主要為巖屑砂巖及巖屑石英砂巖，長石石英砂巖及巖屑長石砂巖較少。砂巖顆粒分選性較好，磨圓度較差。顆粒接觸類型主要為點線接觸或點接觸，其次為線接觸。顆粒間填隙物由雜基和膠結(jié)物組成。泥質(zhì)雜基中黏土礦物以伊利石為主，其體積分數(shù)為45%；其次是伊蒙混層，體積分數(shù)為37%；含有少量的綠泥石(圖2)。膠結(jié)類型以孔隙膠結(jié)為主，其次為薄膜-孔隙膠結(jié)。

2.2 儲層物性特征

根據(jù)42口井1 738個巖心樣品分析結(jié)果可知，蓬萊鎮(zhèn)組砂巖孔隙度主要在4%～16%，平均為8.67%；滲透率主要在(0.04～1.25)×10-3μm2，平均為0.68×10-3μm2(圖3)。蓬萊鎮(zhèn)組不同層段物性也有一定的差異，其中蓬二段、蓬三段儲層物性相對較好，蓬一段及蓬四段物性較差。整體上研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組屬于中低孔近致密儲層，且儲層連通性差、非均質(zhì)性強。

圖2 蓬萊鎮(zhèn)組砂巖中伊利石和綠泥石掃描電鏡特征Fig.2 Scanning electron microscope images of illite and chlorite(A)粒表分布伊利石，SF9-4井,深度1 071.2 m; (B)粒表分布綠泥石，GJ5-6井，深度1 012.4 m

圖3 蓬萊鎮(zhèn)組儲層孔隙度、滲透率分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of porosity and permeability of Penglaizhen Formation

2.3 儲集空間特征

通過掃描電鏡資料和鑄體薄片資料分析可知，研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組儲層具有粒間溶孔為主、次生粒內(nèi)溶孔為輔的特點；面孔率平均值為7.4%，殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔(包括鑄模孔)、晶間微孔及微裂縫等孔隙類型發(fā)育。粒間溶孔是最主要的儲集空間，粒內(nèi)溶孔次之，孔徑平均值為16.26 μm。原生粒間孔和溶蝕粒間孔也有不同程度的發(fā)育(圖4-A、B)。粒內(nèi)溶孔以長石和巖屑顆粒的溶孔較常見，石英粒內(nèi)溶孔較為少見。當溶蝕較強烈時，可觀察到碎屑顆粒呈蜂巢狀或殘骸狀(圖4-C、D)。微裂縫也較常見，它顯著提高了儲層的滲透率。

3 成巖作用類型

研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組砂巖儲層在沉積以后經(jīng)歷了壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、交代作用、重結(jié)晶作用等不同成巖作用的改造。其中壓實作用、膠結(jié)作用、溶解或溶蝕作用對氣藏聚集的影響最大，本文著重對此三種成巖作用類型進行分析。

3.1 儲層物性特征

蓬萊鎮(zhèn)組儲層壓實作用強烈，在一定程度上減小了儲層的孔隙度，屬于破壞性成巖作用，是研究區(qū)砂巖儲層致密化的重要因素之一[8-9]。壓實作用表現(xiàn)形式有二：一為顆粒接觸界面上的壓溶、線狀-縫合狀等接觸關(guān)系，二是顆粒本身的破碎、折斷、裂開、彎曲、定向排列、固結(jié)等接觸關(guān)系。蓬萊鎮(zhèn)組砂巖顆粒以線接觸為主，壓實作用較強，原生孔隙所剩較少，顆粒壓溶與定向特征明顯(圖5-A、B)。碎屑顆粒之間多呈線狀-縫合狀接觸、壓溶，白云母、黑云母及巖屑等塑性顆?；虻V物發(fā)生彎曲變形、定向分布(圖5-C、D)。

圖4 蓬萊鎮(zhèn)組儲層儲集空間類型Fig.4 Microphotographs showing reservoir space types of Penglaizhen Formation(A)溶蝕粒間孔發(fā)育，MP75井，深度1 406.73 m; (B)原生粒間孔，連通性好，XP105井，深度1 161.36 m；(C)長石粒內(nèi)溶孔，XP105井，深度1 168.4 m; (D)石英粒內(nèi)溶孔，MP36井，深度1 840.7 m

圖5 蓬萊鎮(zhèn)組砂巖壓實特征Fig.5 Compaction characteristics of Penglaizhen Formation sandstone(A)白云母壓實變形，SF3井，深度1 535.2 m; (B)塑性顆粒壓實變形，SF5井，深度1 499.7 m; (C)細粒巖屑砂巖壓溶縫合線，顆粒溶蝕后被褐鐵礦充填，SF6井，深度1 668.6 m;(D)細粒巖屑砂巖，泥巖片發(fā)生塑性變形并定向分布，SF3井，深度1 387.35 m

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)礦物對地質(zhì)事件具有較好的指示作用[10-11]。蓬萊鎮(zhèn)組砂巖膠結(jié)作用與充填作用程度中等，但膠結(jié)物及充填物成分及產(chǎn)狀多樣。自生礦物成分主要有方解石、次生石英、黏土礦物等；產(chǎn)狀主要包括環(huán)邊或包覆、襯墊或鑲嵌、溶洞內(nèi)充填、次生加大、自生礦物析出等。方解石膠結(jié)最常見，可分兩期：一期是成巖早期的方解石膠結(jié)，呈襯墊或鑲嵌式分散產(chǎn)于粒間孔內(nèi)，局部與灰?guī)r或白云巖碎屑相連而形成“連晶”方解石，并交代長石、石英等碎屑顆粒；另一期是晚成巖期B的方解石膠結(jié)物，常充填于早期形成的鑄模孔及晚期溶蝕孔洞內(nèi)(圖6-A)。還可見石英膠結(jié)，主要有兩種賦存形式：一種是以石英次生加大邊的形式環(huán)繞于石英顆粒四周，形成于早成巖期、晚成巖期B，但石英次生加大的程度并不十分強烈(圖6-B)；另一種是石英表現(xiàn)為自形石英晶體形式，并充填于溶蝕孔洞及裂縫內(nèi)，形成時期相對較晚，多在早成巖期B與晚成巖期A之間。

綠泥石和伊利石主要形成于晚成巖期，多以襯墊式、網(wǎng)狀形式或包覆式產(chǎn)于粒間孔及顆粒表面(圖6-C)。蒙脫石較多，但多形成于抬升剝蝕后的晚成巖期B(圖6-D)。蓬萊鎮(zhèn)組儲層可見大量網(wǎng)狀黏土充填孔隙的現(xiàn)象，充填的黏土堵塞了儲層喉道，從而導(dǎo)致滲透率及產(chǎn)能極大地降低。此外，赤鐵礦多半形成于同生與早成巖期A；褐鐵礦充填于壓溶縫合線中，形成于晚成巖期B。

3.3 溶解溶蝕作用

蓬萊鎮(zhèn)組儲層的碎屑顆粒中長石和巖屑較為常見[12-13]。儲層中鑄模孔發(fā)育，這些鑄模孔大多是碎屑顆粒被溶蝕而形成的，此外還可見到較多擴溶孔(圖7-A)。根據(jù)微觀照片，長石常沿其內(nèi)部的解理縫或顆粒的邊緣發(fā)生溶蝕，弱溶蝕較為普遍，可呈長石殘骸鑄模[14](圖7-B)。巖屑往往是其中的易溶組分被選擇性溶蝕[15](圖7-C)。也多見裂縫發(fā)生擴溶孔，其中部分被石英充填，仍形成良好的次生孔隙(圖7-D)。

4 成巖作用序列

在上述成巖作用類型的基礎(chǔ)上，根據(jù)成巖作用過程中的各類自生礦物的包裹、交代、交切等共生關(guān)系，確定礦物生長順序，分析礦物生長順序與成巖作用階段的關(guān)系，從而判別成巖作用序列。同樣的方法可應(yīng)用于溶解作用、裂縫作用中的交切關(guān)系及其充填礦物上(圖8)。

圖6 蓬萊鎮(zhèn)組的不同膠結(jié)作用Fig.6 Different types of cementation in Penglaizhen Formation(A)細粒巖屑砂巖，方解石膠結(jié)，XP2-04井，深度1 261.2 m; (B)石英次生加大，SF21井，深度1 343.1 m; (C)粗粉粒巖屑砂巖，網(wǎng)狀泥質(zhì)包覆膠結(jié)，孔隙差(紅色為染色方解石)，MJ101-04井，深度1 436.7 m; (D)顆粒表面普遍膠結(jié)黏土礦物蒙脫石，SF20井，深度1 126.4 m

圖7 蓬萊鎮(zhèn)組的溶蝕溶解作用類型Fig.7 Dissolution types of Penglaizhen Formation(A)細粒巖屑砂巖，長石鑄?？着c粒間擴溶孔，XP105-43井，深度1 326.9 m; (B)細粒巖屑砂巖，長石粒內(nèi)溶蝕孔，SF2-06井,深度1 643.8 m; (C)中細粒巖屑砂巖，白云石晶體被溶蝕，SF20-03井，深度1 154.2 m; (D)粉粒巖屑砂巖，裂縫擴溶孔與石英部分充填， SF9-02井，深度1 534.8 m

將研究區(qū)成巖作用劃分為4個階段，分別為早成巖期A、早成巖期B、晚成巖期A、晚成巖期B。其中壓實作用在早成巖期A及早成巖期B較強烈，在晚成巖期A及晚成巖期B較弱。膠結(jié)作用在晚成巖期B較為強烈。其中方解石膠結(jié)在早成巖期B及晚成巖期A均有發(fā)生但較弱，在晚成巖期B方解石充填強烈，這也是目前蓬萊鎮(zhèn)組儲層致密化的主要原因。通過分析膠結(jié)作用可知其在晚成巖期B作用最為強烈。長石和巖屑溶蝕規(guī)律大致相同，在早成巖期B及晚成巖期B溶蝕作用較弱，而在晚成巖期A溶蝕作用較強。因此在晚成巖期A有較多的次生孔隙產(chǎn)生。晚成巖期A也是蓬萊鎮(zhèn)組的生氣高峰[16]。

圖8 蓬萊鎮(zhèn)組的成巖作用序列Fig.8 Diagenetic sequence of Penglaizhen Formation

根據(jù)侏羅系地層相關(guān)成巖階段的劃分標志，結(jié)合《成巖階段劃分方案及其標志(SY/T5477-2003)》[17](表1)及測試結(jié)果，對蓬萊鎮(zhèn)組的成巖階段進行劃分。如蓬二段第3砂組(J3p2-3)儲層是以細粒巖屑砂巖為主的碎屑巖儲層，巖石膠結(jié)致密，顆粒以次棱狀為主，局部次圓狀，分選性中等-差，顆粒呈大量的線狀、少量的點狀接觸；粒間主要有方解石膠結(jié)，其體積分數(shù)為2%～35%，平均為10%；偶見少量的鐵白云石。儲層中黏土礦物組合為I/S混層、伊利石、綠泥石、高嶺石。對4個樣品進行測試，伊利石相對含量為37%～55%，平均為49%，隨深度增加有漸增趨勢；I/S混層相對含量為29%～51%，平均為37%，多為有序混層，混層比平均為25%，隨深度增加有減小趨勢。掃描電鏡下見伊利石呈絲狀與彎片狀分布，自生蒙脫石呈卷片狀分布，鈉長石次生加大Ⅰ級，局部見硬石膏充填粒間孔；石英Ⅰ-Ⅱ級次生加大，局部達Ⅲ級，加大邊寬度一般為3～6 μm。古地層溫度呈雙峰式，即90.5 ℃、149.4 ℃。根據(jù)以上定性、定量成巖標志，認為蓬二段第3砂組儲層成巖作用階段屬于晚成巖期B。

5 成巖作用與儲層致密化

利用P.D.Lundegard[18]提出的方法，對蓬萊鎮(zhèn)組增減孔進行定量估算，其中計算壓實作用產(chǎn)生的孔隙度損失公式為

(1)

式中：q0為原始孔隙度或沉積期間的孔隙度；q1為壓實作用減少的孔隙度；q2為無膠結(jié)孔隙度。

膠結(jié)作用損失的孔隙度計算公式為

q3=q0-q1-q4+q5

(2)

式中：q3為膠結(jié)作用減少的孔隙度；q4為實測孔隙度；q5為溶蝕作用增加的孔隙度。

假設(shè)其原始孔隙度變化范圍為36%～40%，平均為38%，符合四川盆地及世界各地的實際情況。

根據(jù)蓬萊鎮(zhèn)組167個薄片及掃描電鏡的觀察鑒定資料，開展成巖作用引起的增孔量估算，明確成巖作用增減孔所導(dǎo)致的儲層致密化。蓬萊鎮(zhèn)組目的層的壓實減孔量最大為34.8%，最小為20.5%，平均為29.9%，膠結(jié)減孔量平均為7.38%，壓實與膠結(jié)共同減孔37.28%，減孔量較大。而溶蝕增孔量平均為11.5%，相對較高。對不同產(chǎn)能井的增減孔量估算結(jié)果表明，溶蝕增孔量越高，且膠結(jié)物減孔量越低，則油氣產(chǎn)能相對高。MP75試采井的減孔量平均為36.5%，導(dǎo)致儲層大量損失孔隙并致密化，但溶蝕增孔量平均達11.8%(表2)。經(jīng)過增減孔量的估算，說明次生溶孔的發(fā)育是蓬萊鎮(zhèn)組成藏的關(guān)鍵。

根據(jù)上述估算及埋藏史分析(圖9)，蓬萊鎮(zhèn)組在早成巖期經(jīng)歷了大量的壓實減孔和少量的膠結(jié)減孔，兩者共同減孔量達15%～20%，到晚白堊世中期還保存孔隙度達13%～18%。燕山運動使上侏羅統(tǒng)抬升剝蝕，又經(jīng)歷了喜馬拉雅運動，蓬萊鎮(zhèn)組處于晚成巖期B。其中，晚成巖期A即到達晚白堊世末，有機、無機的酸性流體溶解產(chǎn)生的溶蝕增孔量一般為6%～8%，為油氣藏的形成提供了儲集空間；但晚成巖期B即古近紀開始后，大量的方解石充填或膠結(jié)減孔，形成現(xiàn)今的孔隙度7%～12%，導(dǎo)致儲層致密化。同時，古近紀初期，須家河組的烴源巖處于主要生氣期，此時是蓬二氣藏形成的主要時期，即氣藏是在儲層致密化后或過程中形成的。由此看出，在儲層致密化過程中，膠結(jié)減孔與壓實減孔是蓬萊鎮(zhèn)組儲層致密化的二大主因。

表1 成巖階段劃分方案及其標志[17]Table 1 Diagenetic stage division scheme and its marks

圖9 蓬萊鎮(zhèn)組成巖作用過程中的成巖作用與孔隙演化史及儲層致密化Fig.9 Diagenesis, pore evolution history and reservoir densification in the process of diagenesis of Penglaizhen Formation

6 成巖作用對儲層的影響

6.1 壓實與膠結(jié)作用對儲層的影響

研究表明，壓實作用是導(dǎo)致馬井-什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組儲層孔隙度降低的主要因素之一，在成巖作用早期的時候更是如此。影響壓實作用的因素主要包括埋深、剛性顆粒含量、巖屑類型及早期碳酸鹽膠結(jié)物含量。巖屑含量高，且包含較多變質(zhì)巖碎屑的砂巖經(jīng)歷了較強的壓實改造；而早期碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育的砂巖，壓實作用影響較小。

盡管現(xiàn)今蓬萊鎮(zhèn)組砂巖埋藏較淺，但它曾經(jīng)達到了晚成巖期B階段，有過中等-強烈的機械壓實作用，顆粒間多呈線、或線-點、線-縫合接觸。根據(jù)估算，該區(qū)壓實作用造成的壓實減孔量在蓬萊鎮(zhèn)組第3砂組為29.9%，壓實減孔的強度大于膠結(jié)減孔的強度。蓬萊鎮(zhèn)組砂巖中自生礦物以碳酸鹽膠結(jié)物為主(平均體積分數(shù)為7.1%)，包括少量硬石膏(平均體積分數(shù)為2.2%)和黏土礦物(平均體積分數(shù)為1.96%)。碳酸鹽膠結(jié)物對蓬萊鎮(zhèn)組砂巖孔隙具有明顯的破壞作用，當碳酸鹽膠結(jié)物的體積分數(shù)超過10%時，砂巖孔隙度一般小于10%。碳酸鹽膠結(jié)物含量高的地區(qū)主要位于西部龍門山、孝泉地區(qū)，在拗陷內(nèi)部地區(qū)可見局部高值區(qū)，由西北向東南呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

6.2 溶蝕作用對儲層的影響

蓬萊鎮(zhèn)組儲集空間類型為次生溶蝕孔與剩余粒間孔。次生溶孔類型有粒間溶蝕孔、長石溶孔、巖屑溶孔、鑄?？?，占總面孔率的75.9%，次生溶孔非常發(fā)育。鏡下觀察也發(fā)現(xiàn)砂巖中長石等骨架顆粒以及粒間碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕現(xiàn)象較為普遍，對砂巖儲集性的改善有重要的積極作用。此外，碳酸鹽礦物如方解石充填先前的溶孔、洞的現(xiàn)象也可觀，一般體積分數(shù)<10%，平均為3.53%，這部分溶孔、洞被方解石充填破壞了。

表2 蓬萊鎮(zhèn)組第3砂組成巖作用增減孔估算Table 2 Estimation of increasing and decreasing pore volume in the third sand group of Penglaizhen Formation

對蓬萊鎮(zhèn)組儲層發(fā)育有利的因素是溶蝕增孔作用，不利于儲層發(fā)育的是壓實減孔作用與膠結(jié)減孔作用。在壓實減孔作用與膠結(jié)減孔作用的強度差不多的情況下，水下分流河道中的溶蝕增孔作用發(fā)育程度是決定氣井獲產(chǎn)的主要因素之一。

7 結(jié) 論

a.蓬萊鎮(zhèn)組儲層以巖屑砂巖及巖屑質(zhì)石英砂巖為主，成分成熟度偏低，分選性較好，磨圓度較差，膠結(jié)類型以孔隙膠結(jié)為主，泥質(zhì)雜基中黏土礦物以伊利石為主，還含有伊蒙混層及綠泥石。儲層屬于中低孔近致密儲層，非均質(zhì)性強；主要發(fā)育的孔隙類型有殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間微孔及微裂縫，其中粒間溶孔對儲層儲集性貢獻最大，粒內(nèi)溶孔次之。

b.蓬萊鎮(zhèn)組的壓實作用、膠結(jié)作用、溶解或溶蝕作用對氣藏聚集影響較大。早成巖期壓實作用強烈，并存在少量的膠結(jié)作用，減小了儲層的孔隙度。晚成巖期B膠結(jié)作用及壓實作用較強，是造成儲層致密化的重要原因。

c.蓬萊鎮(zhèn)組砂巖曾經(jīng)達到晚成巖期B，氣藏是在儲層致密化后或致密化過程中形成的。在儲層致密化過程中，膠結(jié)減孔與壓實減孔是蓬萊鎮(zhèn)組儲層致密化的二大主因，不利于儲層的發(fā)育。對蓬萊鎮(zhèn)組儲層發(fā)育有利的因素是溶蝕增孔作用，且次生溶孔的發(fā)育是蓬萊鎮(zhèn)組成藏的關(guān)鍵。