中江氣田河道砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層特征及主控因素

王勇飛，衡 勇

中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都610041

引言

低滲-致密砂巖氣藏儲(chǔ)層通常具有低孔、低滲且非均質(zhì)性強(qiáng)的特征。在儲(chǔ)層物性普遍較差的背景下，相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是控制油氣富集高產(chǎn)的主要因素之一[1]。前人針對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層開展了大量研究，結(jié)果表明，沉積是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的前提和基礎(chǔ)[2]，溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的重要原因[3-4]，埋藏方式[5]、異常高壓[6]及早期油氣充注[7-8]等均是影響優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的重要因素。除此之外，早期形成的綠泥石襯墊能夠抑制石英次生加大[9-10]，保護(hù)儲(chǔ)層原生孔隙。不同區(qū)域不同層位砂巖氣藏優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制存在一定的差別，如長(zhǎng)期淺埋藏導(dǎo)致的弱壓實(shí)作用和弱膠結(jié)作用是黃河口凹陷北緣沙河街組物性較好的主要因素[5]，而長(zhǎng)石溶蝕作用和綠泥石膜膠結(jié)作用是馬嶺地區(qū)長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵因素[10]。前人針對(duì)低滲-致密砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制的研究多集中于川西須家河組[11-12]和鄂爾多斯石盒子組[13-14]等深層致密砂巖，中淺層（埋深<3 000 m）低滲砂巖氣藏優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制的研究相對(duì)較弱。

沙溪廟組河道砂巖儲(chǔ)層是中江氣田主力產(chǎn)層之一，自2013 年大規(guī)模開發(fā)以來，已累計(jì)產(chǎn)氣約60×108m3，但采收率僅在40%左右，該氣藏仍具有巨大的開發(fā)潛力。隨著氣藏勘探開發(fā)的不斷深入，前期預(yù)測(cè)的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層已基本動(dòng)用，氣藏開發(fā)難度越來越大。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是油氣聚集的主要場(chǎng)所，開展河道砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層特征及主控因素研究有利于進(jìn)一步明確優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的展布規(guī)律，確保沙溪廟組氣藏的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)和采收率的提高。本文以大量薄片、掃描電鏡、物性分析和X 衍射資料為基礎(chǔ)，對(duì)中江氣田沙溪廟組河道砂巖氣藏優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層特征及主控因素進(jìn)行了分析，可為沙溪廟組河道砂巖相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供支撐。

1 地質(zhì)概況

中江氣田位于四川盆地西部，西鄰成都凹陷，北接梓潼凹陷，向東為川中隆起（圖1）。研究區(qū)內(nèi)部整體呈“三隆夾一凹”的構(gòu)造格局，西部為受龍門山推覆作用影響形成的知新場(chǎng)—合興場(chǎng)構(gòu)造帶，南部為龍泉山斷裂作用導(dǎo)致的中江 回龍構(gòu)造，北部為受區(qū)域性剪切構(gòu)造力改造形成的高廟 豐谷鼻狀構(gòu)造帶[15]。中江氣田主力產(chǎn)層沙溪廟組埋藏深度較淺，在1 700～2 800 m，為淺水三角洲平原—前緣沉積體系，主要發(fā)育多期（水下）分流河道微相，河道多為NE—SW 走向，總體上河道具有數(shù)量多、寬度窄的特征（圖2），河道寬度在0.3～0.8 km，儲(chǔ)層厚度為5～30 m[16]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景Fig.1 Structural background of the study area

2 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層特征

2.1 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層定義及物性特征

研究區(qū)沙溪廟組砂巖儲(chǔ)層孔隙度在0.90%～15.52%，平均8.07%；滲透率在0.001～1 910.000 mD，平均1.890 mD；基質(zhì)滲透率在0.001～3.804 mD，平均0.200 mD；含裂縫巖樣占比0.09%?？紫抖群蜐B透率呈一定的指數(shù)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較低（圖3），表明研究區(qū)儲(chǔ)層以孔隙性儲(chǔ)層為主，但（微）裂縫也較為發(fā)育。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是一個(gè)相對(duì)概念，是低孔隙度、低滲透率砂巖中物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層，不同層位優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)存在差別[16]。本次研究根據(jù)沙溪廟組儲(chǔ)層物性特征、試氣和生產(chǎn)情況，將孔隙度大于9%且滲透率大于0.140 mD 的儲(chǔ)層定義為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

圖3 中江氣田沙溪廟組孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity and permeability of Shaximiao Formation in Zhongjiang Gas Field

2.2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

巖芯和薄片觀察表明，沙溪廟組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層巖石類型以中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主，見少量長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖（圖4）。巖石骨架組分中石英、長(zhǎng)石、巖屑平均含量分別為45.27%、31.19%和10.41%。膠結(jié)物以方解石膠結(jié)為主，平均含量為4.23%，其次為黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)物，平均含量為2.93%和1.04%；巖石顆粒分選以好為主，中等分選次之；磨圓度較差，以次棱角狀為主；膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主；巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低。

圖4 中江氣田沙溪廟組巖石類型三角圖Fig.4 Triangulation of rock types of Shaximiao Formation in Zhongjiang Gas Field

2.3 儲(chǔ)集空間特征

受強(qiáng)壓實(shí)作用影響，深層致密砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層孔隙類型通常以次生孔隙為主，剩余粒間孔相對(duì)較少[17]，而中江氣田優(yōu)質(zhì)河道砂巖儲(chǔ)層的孔隙類型以粒間溶孔和剩余粒間孔為主，其次為粒內(nèi)溶孔，可見少量晶間微孔和微裂縫（圖5）。剩余粒間孔多呈三角形和不規(guī)則多邊形（圖5a），大小在0.03～0.15 mm，孔內(nèi)可見自生石英和黏土礦物等充填；粒間溶孔主要為港灣狀和長(zhǎng)條狀，大小為0.05～0.20 mm（圖5b，圖5c）；粒內(nèi)溶孔主要沿長(zhǎng)石解理和易溶巖屑發(fā)育，大小在0.02～0.10 mm（圖5d，圖5e，圖5f）；晶間微孔主要為綠泥石、伊利石和高嶺石晶體之間的微小孔隙（圖5g，圖5h，圖5i）。研究區(qū)非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的孔隙類型以粒內(nèi)溶孔和微孔隙為主，偶見粒間孔和粒間溶孔，孔隙欠發(fā)育（圖5d，圖5e）。

圖5 儲(chǔ)層孔隙類型鑄體薄片及掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 Cast thin sections and scanning electron microscopy of reservoir pore types

3 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主控因素分析

優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵在于原生孔隙的保存和次生孔隙的形成，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層受沉積作用、成巖作用和構(gòu)造作用共同控制，其中，沉積作用是基礎(chǔ)，成巖作用是關(guān)鍵[18]。

3.1 主分流河道沉積是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)

沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件決定著沉積碎屑的組分、粒度、分選以及磨圓度等因素，而這些因素不僅決定著巖石原始孔隙的大小，同時(shí)，也影響著后期的成巖作用。水動(dòng)力條件越強(qiáng)，沉積物顆粒越大，泥質(zhì)含量越少，儲(chǔ)層的物性越好。

研究區(qū)發(fā)育主分流河道和次分流河道，主分流河道水動(dòng)力條件強(qiáng)，砂體厚度大于15 m，測(cè)井曲線以箱形為主，地震響應(yīng)上表現(xiàn)為低頻、強(qiáng)振幅、高連續(xù)性特征；次分流河道水動(dòng)力條件較弱，砂體厚度在5～15 m，測(cè)井曲線以箱形為主，地震響應(yīng)上表現(xiàn)為低頻、中弱振幅和中低連續(xù)性的特征（表1）。

表1 主分流河道和次分流河道特征Tab.1 Main distributary channel and secondary distributary channel characteristics

主分流河道砂巖粒度粗，以中砂巖為主，泥質(zhì)含量較少，儲(chǔ)層孔隙度在4.00%～15.00%，平均9.82%；次分流河道水動(dòng)力條件弱，以細(xì)砂巖為主，孔隙度在0.50%～12.00%，平均7.83%。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育于水動(dòng)力條件較強(qiáng)的主分流河道和部分次分流河道中（圖6）。

圖6 不同沉積微相孔隙度和滲透率交會(huì)圖Fig.6 Crossplot of porosity and permeability of different sedimentary microfacies

3.2 弱壓實(shí)作用對(duì)原生孔隙的保存作用

薄片觀察表明，沙溪廟組儲(chǔ)層壓實(shí)作用中等，以點(diǎn)接觸或線接觸為主。國(guó)內(nèi)外常用視壓實(shí)率來定量表征壓實(shí)強(qiáng)度及其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響。

沙溪廟組儲(chǔ)層視壓實(shí)率在62%～82%，其中，非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的視壓實(shí)率在70%～82%，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的視壓實(shí)率在62%～77%（圖7）?？傮w來看，壓實(shí)作用導(dǎo)致的原生孔隙損失在23.56%～31.16%，是沙溪廟組儲(chǔ)層致密的主要因素，且優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的壓實(shí)強(qiáng)度略低于非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，弱壓實(shí)有利于原生孔隙保存，從而有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成。在埋藏深度、過程相近的情況下，壓實(shí)強(qiáng)度差異主要受控于碎屑顆粒大小、礦物組成和早期襯墊狀自生綠泥石發(fā)育情況。

圖7 視壓實(shí)率與孔隙度交會(huì)圖Fig.7 Crossplot of porosity and apparent compaction rate

3.3 溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的直接原因

溶蝕作用是改善儲(chǔ)層物性的主要因素之一，它能產(chǎn)生大量的次生孔隙。沙溪廟期，受來自川北地區(qū)的米倉(cāng)山、大巴山物源影響，研究區(qū)儲(chǔ)層具有富長(zhǎng)石、貧石英的特征[19]，而長(zhǎng)石易被溶蝕形成次生孔隙。沙溪廟組河道砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了至少兩期溶蝕作用，早期溶蝕作用發(fā)生在綠泥石襯墊形成之前，晚期溶蝕作用發(fā)生在綠泥石襯邊和自生石英加大之后[20]。早期主要為不穩(wěn)定長(zhǎng)石溶解，且溶蝕形成的次生孔隙往往被后期壓實(shí)和膠結(jié)作用破壞，晚期溶蝕孔隙保存相對(duì)較好，對(duì)現(xiàn)今孔隙度貢獻(xiàn)最大。

薄片及掃描電鏡分析表明，研究區(qū)溶蝕礦物主要為長(zhǎng)石，可見巖屑、方解石和石英溶蝕（圖8），表明溶蝕流體主要為有機(jī)酸，但沙溪廟組本身不具備大規(guī)模生烴的能力，有機(jī)酸主要來自于下伏烴源巖層，通過斷層和裂縫運(yùn)移至儲(chǔ)層中。

圖8 沙溪廟組溶蝕作用鑄體薄片及掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 Cast thin sections and scanning electron microscopy of dissolution in Shaximiao Formation

統(tǒng)計(jì)表明，沙溪廟組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中溶蝕孔孔隙度為0.64%～8.90%，平均4.43%，對(duì)總孔隙的貢獻(xiàn)在6.48%～77.12%，平均39.98%；非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層次生溶孔孔隙度為0.10%～4.00%，平均0.83%，對(duì)總孔隙的貢獻(xiàn)在2.15%～45.45%，平均僅10.73%；次生溶孔孔隙度與總孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系（圖9），表明溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的直接原因。

圖9 孔隙度和溶蝕孔隙度交會(huì)圖Fig.9 Crossplot of porosity and solution porosity

3.4 早期綠泥石膠結(jié)對(duì)原生孔隙的保存是關(guān)鍵

研究區(qū)沙溪廟組為氧化條件下形成的富含鐵和鎂離子的紅色地層[20]，在富鎂、鐵又偏堿性的條件下，早期容易形成綠泥石，而早期綠泥石能夠抑制石英次生加大，對(duì)于原生孔隙的保存具有積極作用。

3.4.1 抑制石英次生加大

前人研究認(rèn)為，早期形成的襯邊狀綠泥石可以抑制石英膠結(jié)，有利于原生孔隙的保存，但在抑制機(jī)理上卻存在分歧。一種觀點(diǎn)認(rèn)為早期自生綠泥石從空間上將顆粒表面與孔隙流體隔離，從而抑制次生石英的形成[9]；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為綠泥石是通過占據(jù)石英顆粒表面和保持孔隙流體的堿性條件來抑制石英次生加大[21]。

圖10 為研究區(qū)襯邊狀綠泥石及石英次生加大掃描電鏡照片，從圖中可以看出，綠泥石與自生石英成此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，綠泥石發(fā)育部位自生石英不發(fā)育或發(fā)育規(guī)模較??；而綠泥石欠發(fā)育區(qū)域自生石英較為發(fā)育（圖10），表明早期綠泥石能夠抑制自生石英的生長(zhǎng)。綠泥石晶體間發(fā)育著大量的微孔隙，無法將孔隙流體與顆粒完全隔離[22]，且在綠泥石表面可見晶形較好的自生石英雛形（圖10a），因此，研究區(qū)襯邊狀綠泥石是通過占據(jù)石英顆粒表面和保持孔隙流體的堿性條件來抑制石英次生加大的。研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層成巖相主要為綠泥石膠結(jié)和綠泥石膠結(jié)長(zhǎng)石溶蝕相（圖11），進(jìn)一步證實(shí)綠泥石膠結(jié)和溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵。

圖10 襯邊狀綠泥石及石英次生加大掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 Scanning electron microscopy of lining chlorite and quartz secondary enlargement

圖11 不同成巖相孔隙度和滲透率交會(huì)圖Fig.11 Crossplot of porosity and permeability of different diagenetic facies

3.4.2 提高儲(chǔ)層抗壓能力

襯邊狀綠泥石發(fā)育的樣品通常具有較低的顆粒接觸度[9]，襯邊狀綠泥石的發(fā)育一方面緩解了早期的壓實(shí)作用，另一方面使得碎屑顆粒間接觸面降低，抑制壓溶作用的發(fā)生，從而使得儲(chǔ)層原生孔隙得到很好的保存，為后期酸性流體提供了通道，促進(jìn)次生溶孔的形成[11，21]。

研究區(qū)沙溪廟組襯邊狀綠泥石形成于早成巖A 期巖石大量壓實(shí)階段[20]，綠泥石發(fā)育的儲(chǔ)層以點(diǎn)—線接觸為主，壓實(shí)強(qiáng)度低，原生孔隙保存好，綠泥石不發(fā)育的儲(chǔ)層普遍表現(xiàn)為凹凸的線—線接觸，壓實(shí)強(qiáng)度大，原生孔隙不發(fā)育（圖12）。值得注意的是，襯邊狀綠泥石存在著一種“最合適的厚度”，厚度較大時(shí)，可能占據(jù)原生孔隙，堵塞孔隙喉道，從而使得儲(chǔ)層物性變差。

圖12 襯邊狀綠泥石發(fā)育薄片及掃描電鏡照片F(xiàn)ig.12 Photograph of thin sections of lining chlorite and scanning electron microscopy

3.5 構(gòu)造破裂作用對(duì)儲(chǔ)層物性的改善

中江氣田沙溪廟組儲(chǔ)層經(jīng)歷了燕山和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍影響，沙溪廟組儲(chǔ)層內(nèi)部構(gòu)造裂縫較為發(fā)育[23]，裂縫既可作為儲(chǔ)集空間，又能增加孔隙之間的連通性，使得滲透率大幅增加，但裂縫導(dǎo)致的孔隙度增加幅度較小，滲透率增加幅度極大（圖13），對(duì)裂縫發(fā)育樣品的滲透率與裂縫不發(fā)育樣品的滲透率的比值統(tǒng)計(jì)表明，裂縫可以使?jié)B透率提高30 倍以上。同時(shí)，裂縫與斷層相匹配成為天然氣和酸性流體充注的通道，使得裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層溶蝕作用進(jìn)一步發(fā)生，微裂縫的發(fā)育對(duì)于沙溪廟組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育具有促進(jìn)作用。

圖13 J32 井裂縫發(fā)育層段單井柱狀圖及鑄體薄片圖Fig.13 Log chart and cast thin sections of reservoir with fracture in Well J32

4 不同成巖階段孔隙特征

為系統(tǒng)分析研究區(qū)河道砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成主控因素，對(duì)不同河道的孔隙演化特征進(jìn)行了定量分析。研究區(qū)河道砂巖分選中等—好，粒度在0.25～0.50 mm，主分流河道砂的粒度略大于次分流河道，根據(jù)Sneider 圖版[24]，研究區(qū)主分流河道原始孔隙度取38%，次分流河道原始孔隙度取37%，河道砂巖沉積后，主要經(jīng)歷了壓實(shí)、早期膠結(jié)、溶蝕和后期膠結(jié)作用（圖14）。主分流河道水動(dòng)力條件較強(qiáng)，粒度大，泥質(zhì)含量少，原始孔隙大，在強(qiáng)水動(dòng)力條件下，細(xì)粒黏土礦物無法沉淀而吸附于顆粒表面，形成包裹顆粒且富含鎂鐵的黏土膜，隨著埋深增加，溫度升高，黏土膜發(fā)生溶解—重結(jié)晶作用逐漸轉(zhuǎn)化成襯邊狀綠泥石[25]，綠泥石能夠抑制石英次生加大，使得原生孔隙得到更好的保存，更有利于后期酸性流體的運(yùn)移，因此，主分流河道壓實(shí)作用孔隙度損失均小于次分流河道，如兩條典型主分流河道壓實(shí)作用的減孔率為66.01%和63.53%，而次分流河道壓實(shí)作用的減孔率分別為68.38%和71.62%。同時(shí)，溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵因素，部分長(zhǎng)石含量高的次分流河道砂可演變?yōu)閮?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，而長(zhǎng)石和綠泥石含量較低的主分流河道砂也可演變?yōu)榉莾?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層（圖14）。

圖14 不同成巖階段孔隙度特征Fig.14 Porosity evolution of different river channels

5 結(jié)論

1）研究區(qū)沙溪廟組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層長(zhǎng)石含量普遍大于30%，石英含量普遍小于50%，以中粒長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖為主?？紫额愋鸵粤ｉg溶孔和剩余粒間孔為主，其次為粒內(nèi)溶孔，見少量晶間微孔和微裂縫。

2）優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層巖石相以綠泥石膠結(jié)相和綠泥石膠結(jié)溶蝕相為主，早期襯邊狀綠泥石膠結(jié)和溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵，其中，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中次生溶孔對(duì)總孔隙的貢獻(xiàn)平均為39.98%。微裂縫能夠提高儲(chǔ)層滲流能力，促進(jìn)次生溶孔發(fā)育，對(duì)于儲(chǔ)層物性特別是滲透率具有一定的改善作用。

3）優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育于主分流河道和部分長(zhǎng)石含量較高的次分流河道微相中。主分流河道水動(dòng)力條件強(qiáng)、顆粒粒度大、泥質(zhì)含量少且早期綠泥石薄膜更為發(fā)育，大部分主分流河道的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用導(dǎo)致的孔隙度損失小于次分流河道，更有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成；長(zhǎng)石含量高的次分流河道次生溶孔發(fā)育，也可見優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。