祝海華 鐘大康 李其榮 杜本強(qiáng) 隆 輝 馬彥良 吳連波 姜 楠

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249;3.西南油氣田分公司蜀南氣礦 四川瀘州 646001;4.西南石油大學(xué) 成都 610500)

研究區(qū)地理位置橫跨川南宜賓—江津地區(qū)，構(gòu)造上位于川東南中隆高陡構(gòu)造群西南部，西北為華鎣山大斷裂，東為婁山關(guān)褶皺帶，南至梁董廟構(gòu)造，是川東平行褶皺帶向西南延伸的低緩構(gòu)造群的一部分，面積約10 000 km2(圖1)。研究區(qū)須家河組屬于一套辮狀河三角洲平原沉積［1～4］，其砂體縱向厚度大，橫向分布穩(wěn)定，泥巖發(fā)育少，多以?shī)A層形式出現(xiàn)。巖性以巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖、巖屑質(zhì)石英砂巖為主。前人對(duì)須家河組儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)多集中于川西地區(qū)，其次為川中地區(qū)，而對(duì)蜀南地區(qū)研究少，對(duì)須家河組儲(chǔ)層低孔低滲成因、物性控制因素研究程度低。前人的研究普遍認(rèn)為須家河組低孔低滲的主要原因是強(qiáng)烈成巖作用的結(jié)果，尤其是壓實(shí)—壓溶作用、膠結(jié)作用影響最大［5～8］。但是目前研究區(qū)須家河組埋深較淺，甚至出露地表，最深才至2 673 m，大部分地區(qū)埋深均小于2 000 m，為什么在較淺埋藏條件下會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的壓實(shí)—壓溶作用，什么因素導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓實(shí)作用?相對(duì)于我國(guó)東部、西部其他盆地埋藏更深的碎屑儲(chǔ)層，研究層段物性為何要差許多?構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、埋藏過(guò)程等其他因素對(duì)儲(chǔ)層物性是否有影響?前人的研究幾乎都沒(méi)有對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深層次的探討。

本文從巖石學(xué)特征出發(fā)，分析儲(chǔ)層的成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而研究成巖作用特征，分析不同成巖作用所代表的成巖環(huán)境，對(duì)孔隙演化的影響，然后確定成巖序列。最后結(jié)合大地構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、目的層埋藏過(guò)程系統(tǒng)地分析儲(chǔ)層孔隙演化的控制因素，提出研究區(qū)須家河組低孔低滲儲(chǔ)層的形成機(jī)理。

1 巖石學(xué)特征

根據(jù)巖芯和薄片觀察，研究區(qū)須家河組儲(chǔ)層為一套中—低成分成熟度和中等結(jié)構(gòu)成熟度的砂巖。巖芯上整體呈現(xiàn)暗灰色，黃褐色，巖屑含量較高。根據(jù)7口井400余張鏡下薄片分析，認(rèn)為儲(chǔ)層總體上以中粒、中細(xì)粒巖屑砂巖為主，以中粒巖屑砂巖最為發(fā)育，其次為中粒長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖、中細(xì)粒巖屑質(zhì)石英砂巖、少量細(xì)粒鈣質(zhì)砂巖以及少量粉砂巖(圖2)。大部分樣品巖屑含量為20% ～40%，而且類型豐富，最常見(jiàn)為泥巖、千枚巖、板巖和石英巖巖屑(圖4a，b)。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Location and structural outline map of the study area

根據(jù)鏡下統(tǒng)計(jì)，須家河組80%以上是中粒和細(xì)粒砂巖，分選中—低，磨圓度以次棱角狀、次棱角—次圓狀為主，平面上在靠近物源方向的梁董廟地區(qū)分選、磨圓明顯變差，向盆內(nèi)方向分選變好，次棱角—次圓狀顆粒也有所增加。

圖2 須家河組儲(chǔ)層巖石組分三角圖Fig.2 Composition plot of the 4th member of Xujiahe Formation(Q-quartz，F(xiàn)-fledspar，R-lithic)

2 主要成巖作用類型及特點(diǎn)

通過(guò)大量的巖石薄片和掃描電鏡分析，認(rèn)為研究區(qū)須家河組在埋藏過(guò)程中經(jīng)歷的主要成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用及交代作用，其中前三種成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性影響最大。

圖3 膠結(jié)物占全巖含量的分布比例Fig.3 Distribution of total amount of cement mineral

2.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)須家河組砂巖在埋藏過(guò)程中遭受強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，顆粒之間以線接觸、凹凸接觸為主。以塑性巖屑?jí)簩?shí)變形最為常見(jiàn)，常形成假雜基。石英、巖屑及長(zhǎng)石等脆性顆粒常破裂形成粒內(nèi)縫。

2.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)須家河組膠結(jié)作用常見(jiàn)，但是膠結(jié)物(硅質(zhì)、鈣質(zhì)及黏土礦物)總含量較少(圖3)，平均為5.8%。膠結(jié)類型包括硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)、黏土膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)。其中硅質(zhì)膠結(jié)最為常見(jiàn)。

圖4 研究區(qū)須家河組典型的成巖現(xiàn)象Fig.4 Typical diagenetic types of Xujiahe Formation in the study area

(1)硅質(zhì)膠結(jié)作用

硅質(zhì)膠結(jié)或者石英次生加大幾乎在所有的鏡下薄片中均有發(fā)育，含量2.0% ～14.3%，平均4.0%，加大級(jí)次為Ⅱ-Ⅲ級(jí)。

根據(jù)特征可分為壓溶前和壓溶石英次生加大。前者發(fā)生于淺埋期，石英顆粒在未被完全壓實(shí)之前發(fā)生次生加大，因此顆粒常呈點(diǎn)—線接觸。而壓溶成因石英次生加大發(fā)生時(shí)期較晚，為石英顆粒因壓溶作用發(fā)生溶解、轉(zhuǎn)移、再沉淀而成，此時(shí)粒間孔隙基本因壓實(shí)作用而消失殆盡，因此顆粒常呈線—凹凸接觸，研究區(qū)的石英加大多為壓溶成因。

(2)碳酸鹽膠結(jié)作用

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)現(xiàn)象常見(jiàn)，但含量較少，大部分含量小于2.5%，個(gè)別可達(dá)28%，平均1.6%。膠結(jié)物類型包括方解石膠結(jié)、鐵方解石膠結(jié)和白云石膠結(jié)。早期為基底式方解石膠結(jié)，晚期為孔隙式方解石膠結(jié)、含鐵方解石膠結(jié)和白云石膠結(jié)。根據(jù)鏡下薄片統(tǒng)計(jì)，85%的薄片見(jiàn)到了碳酸鹽膠結(jié)，其中14%為基底式膠結(jié)，86%為孔隙式膠結(jié)，這說(shuō)明大部分的碳酸鹽膠結(jié)發(fā)生于晚期(圖4b)。

垂向上，由砂—泥巖界面向砂巖內(nèi)部，碳酸鹽膠結(jié)逐漸減少，變化規(guī)律明顯。在砂—泥巖界面處常發(fā)生基底式方解石膠結(jié)，發(fā)育巖性為細(xì)粒、中細(xì)粒巖屑砂巖。在砂層內(nèi)部發(fā)育孔隙式碳酸鹽膠結(jié)，發(fā)育巖性以中粒巖屑砂巖為主，但偶爾也見(jiàn)薄層的細(xì)粒巖屑砂巖發(fā)生基底式方解石膠結(jié)。

與石英次生加大對(duì)孔隙破壞不同，碳酸鹽膠結(jié)不但會(huì)充填原生粒間孔隙，對(duì)早期形成的粒內(nèi)溶孔也具有破壞作用，這些早期的溶孔常被碳酸鹽礦物充填殆盡。但由于儲(chǔ)集砂體碳酸鹽膠結(jié)物含量少，因此碳酸鹽膠結(jié)并非破壞孔隙的主要因素。

(3)黏土膠結(jié)作用

須家河組砂巖的黏土膠結(jié)作用中等—弱，根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果，黏土礦物含量不超過(guò)2.5%，平均含量1.39%(表1)。黏土礦物類型為伊利石和綠泥石膠結(jié)，未見(jiàn)高嶺石。伊利石膠結(jié)物通常呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式出現(xiàn)，掃描電鏡下發(fā)育蜂窩狀狀、發(fā)絲狀(圖4d)。綠泥石膠結(jié)物則以孔隙襯邊形式出現(xiàn)(圖4c)，掃描電鏡下呈絨球狀、玫瑰花狀集合體，具有多期生長(zhǎng)的特征。

2.3 溶蝕作用

須家河組溶蝕作用總體較弱，溶蝕對(duì)象主要以長(zhǎng)石和巖屑為主(圖4e，f)，其次是少量雜基及膠結(jié)物，因溶蝕作用而增加的溶蝕孔隙度一般小于3%，但最高也可達(dá)5%。根據(jù)溶蝕特征可以識(shí)別出早晚兩期的溶蝕作用，其中早期溶蝕作用以原生孔隙作為溶蝕流體通道，形成的粒內(nèi)溶孔多被方解石充填;晚期溶蝕以微裂縫作為通道，溶蝕孔隙未被充填，且常沿微裂縫分布(圖4f)。

3 孔隙類型和物性特征

3.1 孔隙類型

根據(jù)鏡下50塊鑄體薄片觀察，須家河組砂巖孔隙總體不發(fā)育，孔隙類型包括原生粒間孔、雜基微孔、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔、鑄?？?圖4c，e，f)。由于后期未能發(fā)生大規(guī)模的溶蝕作用，孔隙類型以原生粒間孔為主，其次是粒內(nèi)溶孔和雜基微孔(圖5)。原生粒間孔一般具有綠泥石環(huán)邊，常見(jiàn)少量磁鐵礦充填。粒內(nèi)溶孔多形成于晚期，沿裂縫分布，溶蝕對(duì)象為長(zhǎng)石和巖屑。受辮狀河水動(dòng)力條件不穩(wěn)定的影響，須家河組含較多雜基，因此雜基微孔也是重要孔隙類型，但由于孔喉細(xì)小，一般小于0.005 mm，對(duì)物性貢獻(xiàn)較小。

3.2 物性特征

根據(jù)2 030個(gè)巖芯樣品的孔隙度和滲透率測(cè)試數(shù)據(jù)表明:研究區(qū)須家河組砂巖巖芯孔隙度最大為12.5%，最小為0.08%，平均4.64%，大部分集中于2% ～8%(占82%)。滲透率最小0.003×10-3μm2，最大為7.05×10-3μm2，平均0.147 ×10-3μm2。具有明顯的低孔低滲特征。

表1 研究區(qū)部分井砂巖X射線衍射分析黏土礦物含量Table 1 Clay mineral content from the X-ray diffraction analysis in sandstone from wells in the study area

圖5 研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙類型及比例Fig.5 Porosity categories and proportion of reservoir in the study area

平面上，研究區(qū)的東南部靠近物源，物性最差，平均孔隙度為1.63%，平均滲透率0.014×10-3μm2，向盆地內(nèi)部，物性變好，平均孔隙度可達(dá)8.53%，平均滲透率可達(dá)1.65×10-3μm2。

4 儲(chǔ)層物性控制因素和低孔低滲形成機(jī)理

儲(chǔ)層的物性受多種因素的影響，包括沉積條件、成巖作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、油氣充注、異常高壓等，其中沉積條件和成巖作用是最主要的影響因素［9～12］。而不同地區(qū)主控的影響因素也不同，有的主要受沉積條件控制，有的主要受后期成巖作用改造影響［13～15］。

對(duì)研究區(qū)須家河組而言，沉積條件和成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性都有影響，而成巖作用是造成低孔低滲的主要原因。

不同沉積微相砂體物性有所差異(圖6)。研究區(qū)須家河組砂體主要為辮狀河三角洲平原的主分流河道、次級(jí)分流河道及前緣的水下分流河道沉積。根據(jù)鏡下觀察，沉積水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)的砂體如主河道砂體粒度粗于水動(dòng)力弱的沉積砂體，分選也較好，因此物性略好。但不同河道砂體物性差別較小，平均孔隙度差異＜1.7%，平均滲透率差異0.1×10-3μm2。這說(shuō)明原始沉積條件對(duì)儲(chǔ)層物性的影響隨著后期的埋藏演化而被削弱。

根據(jù)大量的鏡下觀察，低孔低滲是強(qiáng)烈破壞性成巖作用的結(jié)果，而在破壞性成巖作用中，壓實(shí)作用對(duì)孔隙的破壞要大于膠結(jié)作用。通過(guò)對(duì)粒間總孔隙度和膠結(jié)物含量的統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)所有的樣品都落入強(qiáng)壓實(shí)的范圍(圖7)。如果認(rèn)為原始孔隙度45%，壓實(shí)作用損失的孔隙度大部分集中于30%～40%。為何在淺埋條件(800～2 000 m)下會(huì)出現(xiàn)如此強(qiáng)烈的壓實(shí)作用?為何后期溶蝕作用的對(duì)儲(chǔ)層的改善不明顯?通過(guò)分析認(rèn)為須家河組強(qiáng)烈的成巖作用是大地構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、埋藏過(guò)程等多方面因素綜合作用的結(jié)果。

4.1 大地構(gòu)造背景控制了沉積環(huán)境和物源特征

區(qū)域構(gòu)造研究表明，三疊紀(jì)晚期，四川盆地的沉積中心位于川西地區(qū)，龍門山活動(dòng)較強(qiáng)烈，盆地自西向東構(gòu)造活動(dòng)逐漸減弱［17～23］。研究區(qū)位于四川盆地東南部，須家河組沉積時(shí)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，地勢(shì)較為平緩。這種寬緩穩(wěn)定的地質(zhì)條件有利于辮狀河及辮狀河三角洲的發(fā)育。

三疊紀(jì)末期四川盆地剛剛由海變陸，海水自東向西退出盆地［17］，盆地周緣早期沉積的海相地層在抬升后最先出露，為盆地提供了大量的沉積巖巖屑和淺變質(zhì)巖巖屑。根據(jù)鏡下觀察，沉積巖巖屑以泥巖為主，其次是碳酸鹽巖屑和砂巖巖屑;變質(zhì)巖巖屑以變質(zhì)程度較低的千枚巖巖屑為主，其次是中低級(jí)變質(zhì)程度的云母石英片巖、片麻巖、變質(zhì)砂巖巖屑，這些巖屑塑性均較強(qiáng)，容易壓實(shí)變形。

圖6 不同微相砂巖孔隙度和滲透率特征Fig.6 Physical properties of sandstones from different depositional microfacies

圖7 須家河組壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)孔隙度損失的比較Fig.7 Comparison of porosity reduction of Xujiahe Formation between compaction and cementation

4.2 辮狀河的沉積特征控制了儲(chǔ)層的組分特征

辮狀河相對(duì)近源，水動(dòng)力不穩(wěn)定，以沉積速率快，側(cè)向改道迅速為特征。因此河道間沉積的泥巖、粉砂巖常因河道改道而被沖蝕，形成大量的撕裂屑，同時(shí)也導(dǎo)致砂泥混雜沉積，分異程度差。鏡下觀察，須家河組砂巖中常含較多的網(wǎng)狀充填黏土雜基，含量5.0% ～14.5%，平均7.5%。同時(shí)由于相對(duì)近源，泥巖、千枚巖等塑性巖屑易被保存下來(lái)，含量普遍大于20%。這種雜基含量較高，含大量塑性巖屑的組分特征是導(dǎo)致強(qiáng)烈壓實(shí)的原因之一。

4.3 持續(xù)的埋藏最終導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓實(shí)作用

目前須家河組埋深普遍小于2 000 m，甚至出露地表，但根據(jù)對(duì)董11井、董15井、丹淺001-2井地層埋藏史的分析，須家河組在沉積之后發(fā)生了持續(xù)性的埋深，埋深過(guò)程一直持續(xù)到白堊紀(jì)末期，新生代以來(lái)才開始抬升。以董11井為例(圖8)，在晚三疊世須家河組沉積之后就經(jīng)歷了一期非常短期的約300 m的快速埋藏過(guò)程，此后在中侏羅世須家河組開始了長(zhǎng)期的持續(xù)性的埋藏過(guò)程:前期埋深了930 m，埋藏速率高達(dá)51.6 m/Ma;后期埋深了2 790 m，埋藏速率為29.7 m/Ma。持續(xù)性的埋藏不利于形成早期的碳酸鹽膠結(jié)，加之須家河組塑性巖屑和雜基含量高的組分特征最終導(dǎo)致了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用。因此強(qiáng)烈的壓實(shí)對(duì)原生孔隙的損失起到了決定性的作用。

4.4 中晚期的膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙繼續(xù)損失

低孔低滲的另一原因是經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈壓實(shí)作用后剩余的原生孔隙又受到石英次生加大和碳酸鹽膠結(jié)作用進(jìn)一步損失。

石英壓溶作用出現(xiàn)在壓實(shí)作用的中后期，溶解硅質(zhì)轉(zhuǎn)移至壓實(shí)殘余孔隙中沉淀形成硅質(zhì)膠結(jié)。巖屑砂巖中塑性巖屑、雜基含量較多，壓實(shí)之后剩余孔隙損失嚴(yán)重，因此石英次生加大規(guī)模較小。而在巖屑石英砂巖和長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖中由于塑性巖屑含量較少，石英的次生加大發(fā)育。石英次生加大之后，如果還有剩余孔隙，則還可以繼續(xù)發(fā)生碳酸鹽膠結(jié)繼續(xù)充填孔隙(圖4b)。總體來(lái)看，石英加大對(duì)孔隙的進(jìn)一步破壞要強(qiáng)于碳酸鹽膠結(jié)。

圖8 董11井須家河組埋藏史曲線圖Fig.8 Burial history of the 4th member of Xujiahe Formation of Well Dong11 in the study area

4.5 埋藏后期溶蝕作用弱次生孔隙不發(fā)育

須家河組整體溶蝕作用比較弱，溶蝕孔隙不發(fā)育，導(dǎo)致溶蝕作用弱的原因主要有3點(diǎn):(1)研究區(qū)遠(yuǎn)離沉積中心，缺少溶蝕酸性水;(2)早期致密化嚴(yán)重，流體進(jìn)入砂巖內(nèi)部困難;(3)缺少可溶組分，早期碳酸鹽膠結(jié)微弱。

區(qū)域位置上，研究區(qū)位于四川盆地南部，遠(yuǎn)離須家河組沉積時(shí)盆地的沉積中心，加之盆地中部構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，自三疊紀(jì)之后未發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，地層平緩，斷裂不發(fā)育［18～24］，因此盆地中心的酸性水很難經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離橫向運(yùn)移到達(dá)研究區(qū)對(duì)目的層段進(jìn)行溶蝕。

其次，須家河組在早期發(fā)生了持續(xù)快速埋深，加之塑性組分含量多，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，壓實(shí)剩余孔隙又被之后的石英次生加大所充填，所以埋藏至中晚期時(shí)，須家河組儲(chǔ)層已經(jīng)非常致密，有機(jī)質(zhì)成熟形成的酸性水很難進(jìn)入砂巖內(nèi)部進(jìn)行溶蝕。由于孔滲條件差，即使發(fā)生微弱的溶蝕之后，溶解物質(zhì)也很難被帶出，這就導(dǎo)致了先形成的溶蝕孔隙在后期抬升過(guò)程中因流體溫壓條件變化而被再次充填的現(xiàn)象。

缺少可溶組分也是須家河組溶蝕作用弱的另一原因?？扇芪镔|(zhì)如長(zhǎng)石顆粒、可溶性巖屑和碳酸鹽膠結(jié)物等是晚期溶蝕作用發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。須家河組碎屑顆粒主要為石英和巖屑，長(zhǎng)石含量少，普遍小于5%，巖屑類型多以泥巖、千枚巖等難溶巖屑為主，可溶性的巖屑如火山巖巖屑含量少，此外碳酸鹽膠結(jié)作用較弱，含量少(平均1.6%)，而且多形成于中晚期。這種組分特征不利于溶蝕作用的發(fā)生。

5 結(jié)論

綜上所述，蜀南地區(qū)須家河組低孔低滲砂巖的成因可以歸結(jié)為:在靠近物源而遠(yuǎn)離沉積中心的古地理背景下，辮狀河道沉積的須家河組砂巖含有大量的塑性巖屑，加之早期持續(xù)性的埋深導(dǎo)致強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)作用，原生粒間孔隙消失殆盡，殘余原生孔隙又被石英次生加大所占據(jù)。埋藏后期缺乏可溶礦物和溶蝕流體，溶蝕流體難以進(jìn)入已致密化的砂巖，導(dǎo)致后期溶蝕孔隙不發(fā)育，最終導(dǎo)致須家河組形成低孔低滲砂巖。

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