顏其彬，陳培元，楊輝廷，楊新濤，何超紅，劉欣

(1. 西南石油大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都，610500；2. 中石化中原油田分公司 勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽，457001)

儲層是儲集石油天然氣的空間場所和油氣藏勘探開發(fā)研究的主要對象，始終是油氣藏研究的核心。近年來，隨著常規(guī)天然氣資源的開采逐漸枯竭，開發(fā)和利用非常規(guī)天然氣資源，尤其是致密砂巖天然氣資源顯得十分迫切[1-2]。中國的致密砂巖氣藏勘探領(lǐng)域廣闊，四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼斷陷帶等廣泛分布的致密砂巖中蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源，其遠(yuǎn)景資源量達(dá)12×1012m3，占天然氣總資源量的1/5 以上[3]。其中四川和鄂爾多斯盆地的致密砂巖氣較為豐富[4]。目前，隨著在四川盆地川中、川東北、川南以及川西南須家河組先后發(fā)現(xiàn)氣藏，致密砂巖氣藏在盆地勘探中的地位也日趨重要。研究和開發(fā)實踐證明，砂巖儲層除受沉積相帶、成巖作用以及巖石粒度等因素影響外，黏土礦物以及膠結(jié)物的種類和產(chǎn)狀也是導(dǎo)致砂巖儲層低孔低滲的重要因素之一[5]。黏土礦物的數(shù)量、種類、分布以及膠結(jié)物在孔隙中的位置均對儲層物性具有較強(qiáng)的影響和控制作用，同時也影響著油藏開發(fā)后期的生產(chǎn)動態(tài)[6-7]。鑒于此，本文作者以川東北普光氣田須家河組為例，借助常規(guī)薄片觀察、X 線衍射、陰極發(fā)光以及掃描電鏡，對黏土礦物種類、產(chǎn)狀及膠結(jié)物特征進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上分析了其對儲層發(fā)育的影響，為今后研究區(qū)致密砂巖儲層的研究提供經(jīng)驗積累。

1 地質(zhì)概況和須家河組儲層基本特征

普光地區(qū)位于四川盆地東北部，隸屬四川省達(dá)州市宣漢縣、達(dá)縣，構(gòu)造上介于大巴山推覆帶前緣褶斷帶與川中平緩褶皺帶之間[8]。東北部緊靠鐵山坡氣田，東南部距渡口河約17.5 km，距羅家寨約26.5 km(圖1)。普光地區(qū)自志留系沉積以來，經(jīng)歷了加里東、昆明、川黔、印支、燕山及喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動，特別是后期燕山期、喜山期構(gòu)造活動，控制了普光地區(qū)構(gòu)造的形成，形成了北東向和北西向2 種不同方向的構(gòu)造體系[9-10]。

本區(qū)陸相沉積同四川盆地基本相似，屬于四川前陸盆地的一部分，位于前緣隆起帶[8]。陸相地層自上而下大致可劃分為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組和三疊系須家河組。其中，須家河組厚446～800 m，與下伏中三疊統(tǒng)雷口坡組海相碳酸鹽巖呈不整合接觸。根據(jù)區(qū)域地層特征可分為6 個巖性段。其中，須一、須三、須五段及須六段上部主要為暗色泥巖夾煤層，須二、須四段及須六段下部主要為砂巖(圖1)。區(qū)域上，須家河組巖性特征與川東北地區(qū)一致，產(chǎn)Pterophyllum sp.，Ptilozamites chinensis.，Dictyophyllum nathorsti.，Nilssonia sp.植物化石，縱向上存在3 個沉積旋回(須二-須一、須四-須三、須六-須五)，橫向上具有自南向北、自西向東沉積厚度呈逐漸減薄趨勢。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及須家河組地層剖面圖Fig.1 Tectonic location of study area and stratigraphic section of Xujiahe Formation

須家河組主要發(fā)育辮狀河三角洲相，進(jìn)一步可劃分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲三類亞相[11]。儲層以細(xì)—中粒巖屑砂巖為主，其次為長石巖屑砂巖，巖芯物性分析結(jié)果表明，研究區(qū)須家河組儲層整體上物性較差，孔喉結(jié)構(gòu)為小孔-細(xì)喉型和微孔-微喉型，屬典型的特低孔-特低滲儲層。

2 樣品與方法

共采集研究區(qū)3011-5 井須家河組巖石樣品66 塊、普陸1 井須家河組樣品86 塊、回注1 井須家河組巖石樣品54 塊(樣品涉及須家河組須二段-須六段，由于須一段主要巖性致密，未進(jìn)行取樣)，分別用于常規(guī)薄片、掃描電鏡、X 線衍射以及陰極發(fā)光分析。常規(guī)薄片、掃描電鏡以及X 線衍射在中石化中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院完成。其中，巖石薄片采用透射偏光顯微鏡XP-200 觀測。掃描電鏡樣品取自巖石的新鮮斷面，首先將巖樣破碎成小樣，同時在樣品的表面鍍金，減少電子束對樣品的損傷作用，然后采用XL30 掃描電鏡儀研究樣品的礦物成分、結(jié)構(gòu)以及孔隙特征，檢測溫度為20 ℃，濕度為45%。X 線能譜儀943003040001，檢測溫度為20 ℃，濕度為45%。陰極發(fā)光在中石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院試驗中心完成，CLB200 MK5 陰極發(fā)光顯微鏡，檢測溫度為20 ℃，濕度為30%。

3 黏土礦物及膠結(jié)物類型

3.1 黏土礦物特征

樣品中黏土礦物以自生黏土礦物為主，主要有伊利石、綠泥石、高嶺石以及少量的伊蒙混層、綠蒙混層，觀察統(tǒng)計伊利石、高嶺石及綠泥石體積分?jǐn)?shù)見表1。

高嶺石集合體主要分布于須家河組須四至須六段，巖石樣品中高嶺石集合體分布廣泛，含量最高達(dá)17%(體積分?jǐn)?shù))，作為主要黏土礦物類型產(chǎn)出，隨著井深的增加，高嶺石集合體含量呈遞減趨勢，其中須三段與須二段僅在個別巖石樣品中可見。高嶺石呈書頁狀集合體充填于粒間孔隙中，集合體受壓實作用影響，晶體間呈鑲嵌狀，晶間微孔隙消失(圖2(a))；受溶蝕作用影響，片狀高嶺石晶體邊緣呈鋸齒狀、港灣狀，隨著井深的增加，高嶺石溶蝕作用呈逐漸增加的趨勢，高嶺石晶體被強(qiáng)烈溶蝕，片狀高嶺石晶體發(fā)生卷曲，晶體邊緣絲縷化(圖2(a))，部分高嶺石晶體轉(zhuǎn)化為片絲狀伊利石，片絲狀伊利石集合體中仍可見部分高嶺石集合體特征。

伊利石分布廣泛，但含量較低，絕大多數(shù)樣品中體積分?jǐn)?shù)小于5%，只有個別樣品中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)8%，其中，須三段僅在極個別樣品中見伊利石發(fā)育，隨井深增加，伊利石含量呈遞減趨勢。伊利石呈片絲狀集合體充填于顆粒之間的粒間孔隙中，或呈薄膜結(jié)構(gòu)覆蓋于碎屑顆粒表面(圖2(b))，片絲狀伊利石交代碎屑顆粒邊緣現(xiàn)象普遍。須六段、須五段片絲狀伊利石集合體中保留部分高嶺石集合體特征。須四段與須二段伊利石形態(tài)與須六、須五段片絲狀伊利石不同，呈絲帶狀、毛發(fā)狀(圖2(c))，伊利石常與綠泥石混雜共同充填于顆粒之間的孔隙中或附著于顆粒表面。

綠泥石主要發(fā)育在須四段、須三段以及須二段巖石樣品中，并且為該段巖石樣品中的主要黏土礦物種類，其體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)15%，須六段、須五段巖石樣品中基本上未觀察到綠泥石。隨井深的增加，綠泥石呈遞增趨勢，綠泥石集合體逐漸成為巖石中的主要黏土礦物類型。須三段與須二段巖石樣品中綠泥石形態(tài)呈片狀、葉片狀集合體，表面潔凈，屬于自生綠泥石，常與次生石英晶體及次生鈉長石晶體共生充填于顆粒之間的粒間孔隙中(圖2(d))，或呈薄膜結(jié)構(gòu)附著于顆粒表面，部分樣品中見綠泥石交代碎屑顆粒邊緣或表面(圖2(d))。須四段巖石樣品中綠泥石大部分由片狀云母蝕變形成，仍保持片狀云母的部分形態(tài)特征。

表1 須家河組黏土礦物體積分?jǐn)?shù)(據(jù)鏡下觀察統(tǒng)計)Table 1 Content of clay minerals of Xujiahe Formation

圖2 須家河組黏土礦物及膠結(jié)物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron microscope images of clay minerals and cements of Xujiahe Formation

3.2 膠結(jié)物特征

研究區(qū)除發(fā)育大量的自生黏土礦物外，還發(fā)育硅質(zhì)膠結(jié)物與碳酸鹽類膠結(jié)物，菱鐵礦晶體、黃鐵礦晶體、硬石膏晶體及石鹽晶體零星出現(xiàn)。

硅質(zhì)膠結(jié)物在須家河組各段巖石中均有發(fā)育，較為普遍，包括石英次生加大、自生石英晶體和微晶硅質(zhì)，石英次生加大充填了部分孔隙，見石英次生加大晶體間呈鑲嵌狀(圖2(e))；次生石英晶體、自生石英晶體和微晶硅質(zhì)均以膠結(jié)物形式產(chǎn)出，充填于粒間孔隙中；微晶硅質(zhì)通常與片狀伊利石、綠泥石及片狀云母碎片混雜充填于粒間孔隙中。硅質(zhì)發(fā)育使巖石膠結(jié)作用強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)較為致密，是巖石結(jié)構(gòu)致密，孔隙少見的重要原因之一。

碳酸鹽類膠結(jié)物在須家河組各段巖石樣品中均有發(fā)育。其類型有：方解石晶體、鐵方解石晶體、白云石晶體及鐵白云石晶體，碳酸鹽膠結(jié)物晶體均呈微晶結(jié)構(gòu)。碳酸鹽膠結(jié)物晶體充填于粒間孔隙中，膠結(jié)作用較為強(qiáng)烈。部分碳酸鹽膠結(jié)物晶體晶形較好，見較為自形的白云石及鐵白云石晶體(圖2(f))，碳酸鹽膠結(jié)物與碎屑顆粒間呈緊密鑲嵌狀接觸，碳酸鹽巖膠結(jié)物的出現(xiàn)加強(qiáng)了巖石的膠結(jié)作用，填充堵塞了粒間孔隙。

菱鐵礦晶體、黃鐵礦晶體以及硬石膏晶體僅在須家河組個別巖石樣品中可見。菱鐵礦呈棱角狀菱形晶體，自形良好。黃鐵礦呈球狀集合體充填于孔隙中，或呈星點(diǎn)狀散布與顆粒表面(圖2(g))。硬石膏晶體呈細(xì)柱纖維狀，附著于顆粒表面(圖2(h))。

石鹽晶體作為膠結(jié)物產(chǎn)出，在須家河組各層段均有發(fā)育。石鹽晶體呈立方體狀，個別巖石樣品中立方體石鹽晶體完整(圖2(i))，大部分巖石樣品中石鹽晶體被部分溶解，呈骨骸狀或枝狀(圖2(i))。石鹽晶體集合體充填于粒間孔隙中或附著于顆粒表面，粒間孔隙中的石鹽集合體常與綠泥石等黏土礦物混雜共同填充粒間孔隙。

4 黏土礦物及膠結(jié)物對儲層的影響

4.1 黏土礦物對儲層的影響

國內(nèi)外的研究表明，在沉積成巖條件大致相同的情況下，黏土礦物絕對含量越高，砂巖的孔隙度和滲透率越低，儲集性能越差，砂巖的黏土體積分?jǐn)?shù)為1%～5%時，為儲集性能較好的油氣層；當(dāng)黏土體積分?jǐn)?shù)超過10%時，一般為儲集性能較差的油氣層[12]。然而，由研究區(qū)黏土礦物含量與儲層物性的關(guān)系(圖3)可見：兩者之前不存在明顯的相關(guān)性。伏萬軍[13]認(rèn)為：黏土礦物對砂巖儲集性能的影響程度與砂巖本身的成熟度有關(guān)，當(dāng)砂巖的結(jié)構(gòu)和成分成熟度比較低時，黏土礦物對其儲集物性影響較小，而主要與巖石本身的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。由普陸1 井86 塊巖石薄片觀察統(tǒng)計其碎屑顆粒成分(表2)可知：須家河組砂巖結(jié)構(gòu)較致密，成巖作用強(qiáng)烈，巖屑含量較高，儲集層為一套成分成熟度低，結(jié)構(gòu)成熟度中等的陸源碎屑巖(圖4)。因此，可認(rèn)為研究區(qū)砂巖自身較低的成熟度是導(dǎo)致黏土礦物含量不能從根本上影響儲層物性的根本原因。

為了研究黏土礦物成分對儲層物性的影響，分別對高嶺石、伊利石以及綠泥石進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)高嶺石與伊利石與儲層物性之間不具有明顯的相關(guān)性，但綠泥石的含量與儲層物性之間整體上表現(xiàn)為儲層物性隨綠泥石含量的增加而增大(圖5)。且從整個須家河組實測物性來看(表3)，儲層物性縱向變化規(guī)律與綠泥石含量縱向變化規(guī)律一致。故認(rèn)為，綠泥石對研究區(qū)儲層的發(fā)育具有積極的一面。

圖3 須家河組黏土礦物體積分?jǐn)?shù)與孔隙度、滲透率關(guān)系Fig.3 Relationship of clay minerals content and physical properties of Xujiahe Formation

表2 普陸1 井碎屑顆粒成分(據(jù)鏡下觀察統(tǒng)計)Table 2 Statistics table of clastic particles of well Pulu1

圖4 普陸1 井須家河組巖石薄片顯微特征Fig.4 Thin section microscopic characteristics of Xujiahe Formation of well Pulu1

圖5 須家河組綠泥石體積分?jǐn)?shù)與儲層物性關(guān)系Fig.5 Relationship between chlorite content and reservoir physical properties of Xujiahe Formation

表3 須家河組孔隙度、滲透率縱向分布特征Table 3 Vertical distribution of porosity and permeability of Xujiahe Formation

關(guān)于綠泥石對儲層發(fā)育的積極性，主要是由于綠泥石環(huán)邊對石英的膠結(jié)的抑制作用，導(dǎo)致儲層的孔隙能夠得到有效的保護(hù)[14-19]。一般說來，作為孔隙襯里的環(huán)邊綠泥石是通過分隔孔隙水與石英顆粒的表面來阻止自生石英膠結(jié)物在碎屑石英表面成核的，從而導(dǎo)致在綠泥石發(fā)育的地方，很少有自生石英的生長現(xiàn)象[20]。自生石英產(chǎn)出形態(tài)多樣，其中石英顆粒的次生加大是一種重要的產(chǎn)出形式[21]。普陸1 井陰極發(fā)光顯示(圖6)，石英次生加大自上而下逐漸減弱，其中須六段普遍發(fā)育石英次生加大，至須二段基本不發(fā)育，而綠泥石含量自上而下逐漸增加，顯示了兩者之間具有明顯的相關(guān)性。因此，研究區(qū)綠泥石對儲層發(fā)育具有積極性的根本原因是由于綠泥石環(huán)邊抑制了石英的次生加大，從而使更多的原生粒間孔隙得以保存。

此外，黏土礦物的產(chǎn)狀是影響儲層物性的重要因素之一[22]。黏土礦物的產(chǎn)狀通?？梢苑譃榉稚①|(zhì)點(diǎn)式、薄膜式與搭橋式3 種類型[13]。通過對比3 口取芯井同一層段、孔隙度大致相同的幾個巖樣(表4)，可以發(fā)現(xiàn)儲層的滲透率按照分散質(zhì)點(diǎn)式→薄膜式→搭橋式的順序遞減，表明了搭橋式對儲層滲透率的影響最大，搭橋式的分布方式在一定程度上將粒間孔進(jìn)行分割成許多的微細(xì)孔隙，嚴(yán)重的降低了儲層的滲透率。

4.2 膠結(jié)物對儲層的影響

碳酸鹽類膠結(jié)物和硅質(zhì)膠結(jié)物是普光地區(qū)須家河組砂巖儲層中僅次于泥質(zhì)膠結(jié)物發(fā)育的膠結(jié)物類型，其含量和分布形式與儲層的儲集性能密切相關(guān)[23-24]。就碳酸鹽類膠結(jié)物而言，它的出現(xiàn)對儲層具有雙重的影響：一方面使原生孔隙大幅度減少，使儲層物性受到損害；另一方面可阻礙壓實作用的進(jìn)行，在合適的條件下發(fā)生的溶解作用可將占據(jù)的孔隙空間釋放出來[25-26]。普光地區(qū)須家河組碳酸鹽類膠結(jié)物種類多樣，以鐵方解石晶體、白云石晶體以及鐵白云石晶體為主，體積分?jǐn)?shù)為0～28.4%，碳酸鹽組分的含量與儲層物性整體上呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)(圖7(a))，即儲層孔隙度隨著碳酸鹽含量的增加而變小。呂成福等[27]認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物溶解的一個必要條件是儲層內(nèi)部發(fā)育流體運(yùn)移的通道。然而，研究區(qū)巖芯及成像測井資料顯示，須家河組儲層中裂縫不發(fā)育，僅局部偶見細(xì)小且極短的層內(nèi)微裂縫，且也都被干瀝青充填[28]，不能為酸性流體進(jìn)入儲層內(nèi)部提供了良好的運(yùn)移通道，那么就不能打破碳酸鹽礦物的化學(xué)平衡。導(dǎo)致碳酸鹽膠結(jié)物占據(jù)全部的儲集空間，從而對儲層物性具有極大的破壞性。

圖6 普陸1 井須家河組陰極發(fā)光特征Fig.6 Cathode luminescence feature of Xujiahe Formation of well Pulu1

表4 須家河組自生黏土礦物產(chǎn)狀與物性關(guān)系Table 4 Relationship between clay mineral occurrence and physical properties of Xujiahe Formation

圖7 須家河組碳酸鹽含量硅質(zhì)膠結(jié)物含量與孔隙度關(guān)系Fig.7 Relationship between carbonate cement and siliceous cement and physical properties of Xujiahe Formation

研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物主要以石英顆粒的加大邊形式出現(xiàn)，是本區(qū)儲層最為重要的堵塞孔隙礦物。通過對硅質(zhì)膠結(jié)物含量與儲集物性的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，儲層的物性隨著硅質(zhì)含量的增加而變小，尤其是當(dāng)硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于12%時，兩者之間具有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7(b))，表明當(dāng)硅質(zhì)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)小于12%時，對儲層的物性影響最大，是降低儲層孔隙度的最主要原因。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)黏土礦物主要發(fā)育高嶺石、伊利石和綠泥石；膠結(jié)物以泥質(zhì)膠結(jié)物為主，其次為硅質(zhì)膠結(jié)物與碳酸鹽類膠結(jié)物。

(2) 不同黏土礦物與膠結(jié)物縱向呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律：高嶺石、伊利石隨井深增加呈遞減趨勢，綠泥石隨井深增加呈遞增趨勢；硅質(zhì)膠結(jié)物隨井深增加呈遞減趨勢，碳酸鹽膠結(jié)物在須家河組各段均有發(fā)育。

(3) 研究區(qū)巖石成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較低，黏土礦物總含量不能從根本上改善儲層的物性，僅僅起到填隙的作用；但綠泥石對研究區(qū)儲層發(fā)育具有積極的一面，主要是由于綠泥石環(huán)邊抑制了石英的次生加大，使更多的原生孔隙得以保存。黏土礦物產(chǎn)狀對儲層儲集性能也有一定的影響，其中搭橋式對儲層滲透率影響最大。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物與硅質(zhì)膠結(jié)物與儲層物性呈明顯的負(fù)相關(guān)性，是須家河組巖石致密的主要因素之一。

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