滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M煤系致密砂巖儲層特征

楊甜甜，張曉麗，何金先，師帥，曹文杰，謝瑩

（1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552）

我國非常規(guī)油氣資源豐富，僅致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣等技術(shù)可采儲量就達(dá)34 000×108m3［1］。研究致密儲層的微觀結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育特征、致密成因是非常規(guī)油氣勘探的熱點(diǎn)［2］。受美國皮申斯盆地、澳大利亞蘇拉特盆地和我國的鄂爾多斯盆地等地區(qū)煤層氣、致密砂巖氣合采試驗(yàn)成功的啟示［3-6］，加之我國海陸過渡相地層廣泛分布，使烴源巖之上的致密砂巖儲層漸成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)對象［7-15］。滇東地區(qū)煤系地層形成于海陸過渡相沉積，砂巖、泥頁巖和煤層等互層頻繁，旋回性極強(qiáng)［16］，具有致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣“三氣”合采的先天條件。為此，本文根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及剖面測量，采用X射線能譜儀及掃描電鏡對滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙及組分進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，探討了構(gòu)造背景、儲層沉積環(huán)境及成巖類型對儲層物性的控制作用，以進(jìn)一步深化對該地區(qū)致密砂巖儲層的認(rèn)識［17］。

1 地質(zhì)概況

滇東及鄰區(qū)于基底峨眉山玄武巖組之上沉積了龍?zhí)督M煤系地層，具有極為豐富的煤層氣資源，且海陸交互相沉積了較厚的砂巖。研究區(qū)地處滇東北部褶皺束的東段，北接四川盆緣凹陷，南接會澤臺褶皺束，東接畢節(jié)東西向構(gòu)造帶，西與康滇地軸連接。研究區(qū)位于兩大構(gòu)造單元交界處，褶皺斷裂發(fā)育，構(gòu)造走向?yàn)楸睎|向和北北東向，斷裂以逆斷裂為主，傾向南東。地區(qū)性的南北向擠壓作用，使復(fù)向斜、背斜成為隔擋型褶皺，主要向斜包括新莊向斜和石坎向斜等（見圖1）。

2 儲層巖石學(xué)特征

巖石樣品取自威信縣高田鄉(xiāng)實(shí)測剖面，坐標(biāo)為北緯27°55′56″、東經(jīng)105°7′21″。龍?zhí)督M與下伏茅口組不整合接觸，與上覆長興組整合接觸。剖面向北發(fā)育茅口組石灰?guī)r，厚度超過15.0 m，為碳酸鹽巖臺地沉積；向南沉積約90.0 m厚的龍?zhí)督M含煤地層，巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤為主。龍?zhí)督M早期為潟湖、潮坪沉積，隨著海退轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵蕹练e；至龍?zhí)督M晚期快速海侵，沉積了厚度約40.0 m的長興組石灰?guī)r夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。龍?zhí)督M中部發(fā)育一層約0.5 m厚的石灰?guī)r，可將其作為龍?zhí)督M上、下段分界標(biāo)志層［19-20］（見圖2）。

利用X射線能譜及掃描電鏡分析點(diǎn)位反映的樣品化學(xué)成分特征表明，威信地區(qū)龍?zhí)督M砂巖以石英砂巖、長石石英砂巖和長石砂巖為主，石英和長石是主要的碎屑顆粒，綠泥石和高嶺石等黏土礦物為主要填隙物（見圖3。其中：X射線能譜圖縱軸代表X射線強(qiáng)度，強(qiáng)度越大，說明原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高；掃描電鏡照片紅十星處為分析點(diǎn)位）。

圖3 研究區(qū)致密砂巖不同礦物X射線能譜分析及掃描電鏡照片

3 孔裂隙類型與物性特征

與滇東地區(qū)同屬海陸過渡相沉積的黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖物性分析結(jié)果顯示，其孔隙度介于0.30%～11.10%，均值為5.86%，滲透率在2.80×10-3～4.42×10-3μm2，均值為6.50×10-3μm2，屬于特低孔、超低滲儲層［21］。薄片和掃描電鏡分析結(jié)果表明，研究區(qū)砂巖儲層致密，具有較發(fā)育的次生孔隙——長石溶蝕孔，存在少量的粒間孔、晶間孔和有機(jī)質(zhì)微孔等原生孔隙，大量的蜂窩狀黏土礦物微孔及局部較發(fā)育的微裂縫（見圖4）。相對而言，龍?zhí)督M上段砂巖（以S4—S11為代表）的各類孔隙及微裂隙發(fā)育程度，較下段砂巖（以S2，S3為代表）高。

圖4 研究區(qū)石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖孔裂隙特征

3.1 孔隙

3.1.1 原生孔隙

龍?zhí)督M致密砂巖中的脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低［21］，導(dǎo)致壓實(shí)作用強(qiáng)、巖性致密、原生孔隙少，僅有少量的原生粒間孔存在，且一般形成于剛性顆粒與塑性顆粒的交界處——如石英與黏土礦物之間（見圖4a）；同時(shí)，顯微鏡下可以觀察到黏土礦物晶間孔［22］（見圖4b）。按孔徑劃分，1～10μm的孔隙屬于微孔，小于1μm屬于微孔喉。綠泥石膜呈片狀，具有“襯墊”作用，對提高氣體的流動能力有一定的貢獻(xiàn)。

3.1.2 次生孔隙

隨深度增加，龍?zhí)督M砂巖由于溫度、壓力升高，不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕，從而產(chǎn)生次生孔隙，對致密砂巖儲層有一定的影響。本區(qū)龍?zhí)督M砂巖以沿長石解理縫發(fā)育的粒內(nèi)溶蝕孔為主，這些孔隙不規(guī)則分布，通常為長條形。一些長石溶蝕后被方解石充填（見圖4c），也有溶蝕后未被方解石充填的（見圖4d）。因被方解石充填的程度不同，在掃描電鏡下可以看到長石被溶蝕呈蜂窩狀（見圖4e）。長石被溶蝕后形成孔隙（見圖4f），而所溶蝕的物質(zhì)就近沉淀形成了高嶺石（見圖4f）。

3.2 微裂隙

龍?zhí)督M砂巖在多期次構(gòu)造活動作用下，形成了大量分布不均勻、延伸長度大的微裂隙［23-25］（見圖4g，4h）。微裂隙能提高儲層的滲流能力，因此龍?zhí)督M砂巖在低孔隙度下仍然具有良好的滲透性［21］。龍?zhí)督M砂巖中的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在高溫、高壓作用下，黏土礦物中的有機(jī)質(zhì)會產(chǎn)生大量烴類，并在一定條件下形成圓形或橢圓形、大小在幾納米至幾微米的有機(jī)質(zhì)孔隙（見圖3i），而大部分有機(jī)質(zhì)孔隙間不連通，可以增加儲層容量，但對提高滲流能力的作用很小。

3.3 面孔率

本文在樣品中選取73張掃描電鏡照片，運(yùn)用Image-Pro Plus軟件定量提取樣品不同類型的孔隙分布。圖5為石坎向斜龍?zhí)督M部分致密砂巖面孔率二值化（黑白化）處理結(jié)果。圖5a，5b，5c為從上述掃描電鏡照片中選出的孔隙大小不一的3張，照片呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，與之分別對應(yīng)的圖5d，5e，5f，是對孔隙進(jìn)行色彩（紅色）充填后的效果。

圖5 研究區(qū)石坎向斜龍?zhí)督M部分致密砂巖面孔率二值化處理結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，樣品面孔率介于4.8%～20.2%，略高于實(shí)測平均孔隙度，但分布趨勢與孔隙度基本一致（見圖6）。個(gè)別樣品平均孔隙度與面孔率大于12.0%，視為常規(guī)砂巖儲層，但總體上研究區(qū)龍?zhí)督M儲層為致密砂巖儲層。

圖6 研究區(qū)致密砂巖樣品實(shí)測平均孔隙度與面孔率擬合交會

4 成巖作用及其對儲層的影響

成巖作用控制儲層物性演化，對孔隙類型、數(shù)量和連通性產(chǎn)生影響，決定儲層物性的優(yōu)劣［26-27］。研究區(qū)龍?zhí)督M儲層成巖作用較為復(fù)雜，主要為壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。

4.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)龍?zhí)督M碎屑巖屬含煤巖系，沉積速率很高［28］，壓實(shí)作用較強(qiáng)，在薄片下可見云母顆粒受壓發(fā)生彎曲及少量泥質(zhì)軟巖屑變形（見圖7a），顆粒間以線接觸為主。顆粒邊緣廣泛分布綠泥石膜（見圖7b，7c），顆粒間廣泛分布以孔隙環(huán)邊襯里產(chǎn)出的綠泥石膠結(jié)物（見圖7d）。在沉積早期，有機(jī)物產(chǎn)生的有機(jī)酸使長石發(fā)生溶蝕，溶蝕產(chǎn)生的大量溶解組分形成綠泥石膠結(jié)物并充填在原生孔隙中，阻礙了壓實(shí)作用的進(jìn)一步進(jìn)行［29-30］。

圖7 研究區(qū)石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖成巖作用特征

4.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)物在儲層中占有一定的孔隙，膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層孔隙度下降的主要原因之一［31］。龍?zhí)督M砂巖中石英、黏土礦物、方解石、白云石和菱鐵礦等礦物在孔隙中形成堵塞，從而減少了原生孔隙的空間［32-34］。通過薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，龍?zhí)督M致密砂巖以黏土礦物膠結(jié)為主，局部有白云石、方解石和菱鐵礦等。研究區(qū)膠結(jié)方式按膠結(jié)物成分不同，可分為硅質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)和碳酸鹽礦物膠結(jié)。

對研究區(qū)進(jìn)行的全巖數(shù)據(jù)分析可以看出，樣品礦物組分以黏土礦物和石英為主，長石（斜長石）、方解石和銳鈦礦次之，個(gè)別樣品含少量黃鐵礦（見表1）。

表1 研究區(qū)龍?zhí)督M樣品全巖定量分析

4.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物普遍存在。當(dāng)有環(huán)邊綠泥石沉淀時(shí)，硅質(zhì)膠結(jié)物以它形石英形式充填于孔隙中，綠泥石薄膜對硅質(zhì)與石英顆粒的共軸生長起抑制作用（見圖7e），細(xì)粒的石英顆粒往往包裹碎屑表面，充填粒間孔，降低儲層物性。

4.2.2 黏土礦物膠結(jié)

黏土礦物主要為綠泥石和高嶺石，伊/蒙混層和綠/蒙混層次之，含少量伊利石和蒙皂石。綠泥石在砂巖中多呈孔隙襯邊產(chǎn)出，對儲層物性具有不利影響；但也具有積極作用的一面，如綠泥石附著在顆粒表面及顆粒周圍形成包膜（見圖7c，7d），可有效防止壓實(shí)作用對碎屑顆粒造成的影響，保護(hù)原生孔隙，且作為黏土礦物包裹體，可以有效地抑制石英次生加大邊的發(fā)育［21］——這也是研究區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M砂巖石英次生加大不明顯和物性較好的主要原因。區(qū)內(nèi)高嶺石多見晶形良好，集合體呈片狀、書頁狀，堆積松散，發(fā)育大量晶間孔。掃描電鏡下常見高嶺石充填于長石次生溶蝕孔（見圖7f）和粒間孔（見圖7g），有效抑制了硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物在溶蝕孔中成核和結(jié)晶，有利于孔隙保留。

4.2.3 碳酸鹽礦物膠結(jié)

研究區(qū)常見的碳酸鹽膠結(jié)礦物以方解石居多。方解石包括無鐵方解石和含鐵方解石2種類型，經(jīng)茜素紅和鐵氰化鉀的復(fù)合染色劑染色后，無鐵方解石為紅色，含鐵方解石為紫紅色［35］。區(qū)內(nèi)方解石膠結(jié)物或呈顆粒狀充填于粒間孔和長石次生溶蝕孔中（見圖7h），或呈不規(guī)則狀附著于碎屑顆粒邊緣（見圖7i）。方解石分布于綠泥石包殼和綠泥石團(tuán)塊外部（見圖7j），偶見充填于長石溶蝕孔中——說明方解石結(jié)晶于綠泥石結(jié)晶和長石溶蝕之后。

4.3 溶蝕作用

研究區(qū)內(nèi)長石和巖屑溶蝕廣泛發(fā)育，溶蝕程度較高。由于長石溶蝕的部位不同，其孔隙的形狀也不相同——在顆粒的邊緣發(fā)生溶蝕時(shí)，會形成一個(gè)港灣狀的溶蝕邊（見圖7k）；沿晶面溶蝕時(shí)，在晶面形成剝蝕痕（見圖7f）；沿解理縫溶蝕時(shí)，則會形成順解理縫方向的線狀溶蝕痕（見圖7l），在掃描電鏡下可見溶孔沿解理面呈櫛齒狀排列（見圖7m）；當(dāng)溶蝕程度更高時(shí)，長石礦物顆粒幾乎完全溶蝕，并被后期沉淀的礦物充填，僅保留原來長石顆粒的寬板狀礦物輪廓（見圖7n）。而高嶺石在長石溶蝕孔隙間或殘留的長石顆粒中普遍存在，說明它們存在著明顯的共生關(guān)系（見圖7j）。薄片觀察可知，研究區(qū)龍?zhí)督M中巖屑組分主要為輝長巖巖屑，被溶蝕改造強(qiáng)烈，僅可見發(fā)生溶蝕后保留的輝長結(jié)構(gòu)殘影（見圖7o，7p）。

4.4 成巖演化序列

龍?zhí)督M為海陸過渡相沉積。其中10個(gè)砂巖樣品（S2—S11）礦物組分中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，介于27.10%～63.70%，平均為42.51%，其次為石英與斜長石；有6個(gè)樣品含有方解石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.60%～18.30%，平均為9.05%；5個(gè)樣品含有銳鈦礦，質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于11.50%～16.60%，平均為14.42%（見圖8）。黏土礦物中，綠泥石相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，介于21.0%～85.0%，平均為53.4%，其次是高嶺石，伊利石相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低（見圖9）。研究區(qū)蒙皂石混層帶向伊利石帶轉(zhuǎn)化，伊/蒙混層比平均約為24.9%。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定研究區(qū)龍?zhí)督M主要處于中成巖早期。

圖8 石坎向斜龍?zhí)督M樣品礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖9 石坎向斜龍?zhí)督M樣品黏土礦物組分相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)

5 結(jié)論

1）研究區(qū)砂巖巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和煤為主，龍?zhí)督M沉積早期為潟湖、潮坪沉積，砂巖厚度大，隨著海退轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵蕹练e，沉積石灰?guī)r夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。龍?zhí)督M中部發(fā)育一層約0.5 m厚的石灰?guī)r，可將其作為龍?zhí)督M上、下段分界標(biāo)志層。

2）掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，威信地區(qū)龍?zhí)督M砂巖孔隙包括原生孔隙和次生孔隙，以次生孔隙為主。原生孔隙包括較多的黏土礦物晶間孔、較少的原生粒間孔；次生孔隙主要包括溶蝕孔、微裂隙和有機(jī)質(zhì)孔，其中溶蝕孔和微裂隙對砂巖孔隙空間有一定貢獻(xiàn)。

3）對面孔率的計(jì)算結(jié)果表明，面孔率的定量分析與樣品平均孔隙度的實(shí)測結(jié)果成正比，能夠?yàn)檠芯繀^(qū)砂巖儲層特征的研究提供理論和實(shí)驗(yàn)支撐。

4）龍?zhí)督M砂巖以石英、長石為主，其次為綠泥石、高嶺石等黏土礦物。大部分的長石已被溶解，并被高嶺石半充填或全充填；在礦物的表層與孔隙中分布綠泥石、高嶺石。黏土礦物的種類表明，龍?zhí)督M砂巖處于中成巖階段早期。

5）基于對石坎向斜致密砂巖樣品的測試分析，闡明了致密砂巖的儲層特征，得出了龍?zhí)督M上段由三角洲沉積的致密砂巖儲層物性總體要優(yōu)于下段由潟湖、潮坪沉積的致密砂巖儲層的結(jié)論。