陳 剛，林良彪，王 威，陳洪德，郭彤樓

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059;2.中國石化 勘探南方分公司，成都 610041)

元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組為一套辮狀河三角洲相沉積，儲層主要發(fā)育在須二段、須三段和須四段。須二段的巖石類型主要為石英砂巖、巖屑砂巖，須三段主要為鈣屑砂巖，須四段則為長石巖屑砂巖及巖屑砂巖。由于元壩地區(qū)須家河組沉積時期構(gòu)造運(yùn)動頻發(fā)，研究區(qū)地層成巖作用非常復(fù)雜，砂巖經(jīng)成巖演化后，原生孔隙和次生孔隙都受到一定影響，原生孔隙基本被破壞殆盡[1－3］。元壩地區(qū)須家河組砂巖儲層儲集空間類型以次生孔隙(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和粒間微孔)和微裂縫為主，面孔率多小于2%，孔隙大小以微孔隙和小孔隙為主，儲層致密化程度較高。因此，本文對須家河組砂巖成巖作用及孔隙演化進(jìn)行詳細(xì)研究，旨在為今后該地區(qū)的儲層綜合評價和預(yù)測提供理論支持。

1 成巖作用

通過對研究區(qū)取心井普通及鑄體薄片、掃描電鏡、X－衍射等分析化驗(yàn)資料的研究，元壩地區(qū)須家河組砂巖儲層主要發(fā)育壓實(shí)壓溶、膠結(jié)、交代、溶蝕及破裂作用等成巖作用類型。

1.1 壓實(shí)壓溶作用

元壩地區(qū)須家河組埋深普遍超過4 000 m，強(qiáng)烈的壓實(shí)作用是該區(qū)須家河組儲集砂巖孔隙度和滲透率降低的主要原因，是元壩地區(qū)重要的破壞性成巖作用之一。元壩地區(qū)須家河組砂巖中由于強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，剛性顆粒發(fā)生破裂現(xiàn)象十分常見，顆粒之間以線接觸和凹凸接觸為主。由于須家河組砂巖中塑性顆粒和雜基含量較高，常常由于強(qiáng)烈的壓實(shí)作用導(dǎo)致流體無法進(jìn)入砂巖儲層中，形成低孔低滲的致密砂巖層。

根據(jù)鏡下觀察，元壩地區(qū)須家河組壓實(shí)作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面:塑性顆粒(如千枚巖巖屑和板巖巖屑)的塑性變形構(gòu)成假雜基，石英、長石等一些剛性顆粒的破裂與錯位，云母類等片狀礦物的變形破裂等，隨著埋藏深度的增加，顆粒之間接觸強(qiáng)度增加，由點(diǎn)接觸變?yōu)榫€接觸及凹凸接觸(圖1a)，在研究區(qū)還可發(fā)現(xiàn)有一些重礦物(如電氣石、綠簾石等)被壓裂的現(xiàn)象。

在研究區(qū)，對儲層影響較大的壓溶作用主要為石英顆粒的壓溶作用。隨著埋藏深度的增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，石英顆粒由于受到擠壓體積減小，顆粒之間從線接觸至縫合接觸，壓溶出的SiO2等組分在顆粒周圍沉淀下來，充填于粒間孔隙，降低了孔隙空間[4－6］。元壩地區(qū)須二段石英砂巖儲層中石英次生加大現(xiàn)象普遍，在顆粒間也常可看到自生石英充填粒間孔隙現(xiàn)象，這是造成石英砂巖中石英含量高而孔隙度卻不高的重要原因之一[7］。

圖1 元壩地區(qū)須家河組砂巖巖石薄片F(xiàn)ig.1 Thin sections of sandstones in Xujiahe Formation，Yuanba area

1.2 膠結(jié)作用

根據(jù)顯微鏡下薄片觀察，元壩地區(qū)須家河組砂巖膠結(jié)物主要為硅質(zhì)、碳酸鹽(主要為方解石)及黏土礦物(主要為綠泥石)，膠結(jié)作用一般呈多期次出現(xiàn)，成巖早期在顆粒表面形成綠泥石環(huán)邊，表現(xiàn)為抗壓實(shí)，有效保護(hù)了原生粒間孔;中后期石英次生加大，方解石充填于原生殘余粒間孔內(nèi)，對孔隙物性破壞極大。

1.2.1 環(huán)邊綠泥石膠結(jié)作用

環(huán)邊綠泥石以等厚環(huán)邊方式膠結(jié)顆粒形式產(chǎn)出，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，綠泥石主要以片狀形式在顆粒表面生長，形成葉片狀、花瓣狀等形態(tài)充填于粒間孔隙(圖1b)。鱗片間緊密結(jié)合，一般只有一個圈層，厚度約為0.02 mm。環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物的形成需要豐富的 Fe、Mg、Al2O3、SiO2成分，早成巖階段A期埋藏深度不大，為弱還原環(huán)境，孔隙水呈弱堿性，孔隙水中含豐富的Fe、Mg離子，為綠泥石的形成提供了條件[8］。在儲層發(fā)育過程中，研究區(qū)環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物的存在對儲層孔隙發(fā)育的影響是有利的。主要表現(xiàn)在兩方面，一方面砂巖儲層中綠泥石的出現(xiàn)在一定程度上可以增強(qiáng)巖石的抗壓實(shí)能力，起到保護(hù)孔隙的作用[9－10］。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠泥石含量為1%～4%時有利于原生孔隙的保存，此時主要表現(xiàn)為增強(qiáng)抗壓實(shí)能力;當(dāng)綠泥石含量大于5%時不利于原生粒間孔的保存，主要表現(xiàn)為占據(jù)孔喉、降低砂巖滲透率。元壩地區(qū)須家河組綠泥石含量一般小于4%，有利于原生粒間孔的保存。另一方面，環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物在一定程度上能夠隔斷孔隙水與石英顆粒的接觸關(guān)系，阻止石英顆粒自生加大，從而抑制相對晚期成巖階段石英的膠結(jié)作用，有利于孔隙的保存。

1.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)作用

在元壩地區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)普遍較發(fā)育，主要表現(xiàn)為石英次生加大(圖1c)。石英次生加大邊一般在石英顆粒邊緣有空間的地方生長，與石英顆粒之間常有塵環(huán)線或黏土薄膜。元壩地區(qū)須二段砂巖中經(jīng)?？梢娛⒌拇紊哟筮吪c高嶺石一起出現(xiàn)，硅質(zhì)膠結(jié)物來源可能為石英顆粒壓溶作用或黏土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的SiO2[10］。元壩地區(qū)石英次生加大程度差異較大，加大邊寬度從0.01～0.04 mm不等，反映了石英次生加大的強(qiáng)弱在不同區(qū)域具有不一致性。石英次生加大邊的出現(xiàn)減少了儲層的儲集空間，堵塞喉道，使砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響了流體的滲流能力，是研究區(qū)儲層致密化的主要因素之一[11］。

1.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)在元壩地區(qū)較為普遍，可分為早晚兩期。由于研究區(qū)為煤系地層背景，因此局部地區(qū)發(fā)育早期碳酸鹽膠結(jié)。其中，早期的碳酸鹽膠結(jié)物主要是泥晶和亮晶的無鐵方解石，多以孔隙式充填。隨著埋深增加，發(fā)育晚期碳酸鹽膠結(jié)，主要為含鐵方解石和含鐵白云石，晶體較粗大，多為嵌晶或連晶狀充填于次生粒間孔隙內(nèi)(圖1d)，對儲層具有較大的破壞作用[12－15］。

1.3 交代作用

元壩地區(qū)須家河組砂巖中常見的交代作用為碳酸鹽與其他礦物的交代作用及黏土礦物之間的交代作用(圖1e)。

碳酸鹽交代作用主要表現(xiàn)為對長石、石英及巖屑顆粒的交代，這類交代作用對儲層物性產(chǎn)生了一定程度的影響。須家河組為煤系地層，碳酸鹽礦物容易被酸性水溶蝕而形成次生孔隙。在顯微鏡下可觀察到碳酸鹽對長石顆粒的交代作用，表現(xiàn)為長石交代的幻影和殘留結(jié)構(gòu)，碳酸鹽對石英的交代作用表現(xiàn)為石英顆粒邊緣呈鋸齒狀、港灣狀等形態(tài)。方解石對長石的交代作用可能與方解石含量有關(guān)，含有一定濃度的Ca2+、的流體對長石晶格有破壞能力，當(dāng)孔隙流體含有一定濃度的HCO3－時，長石便容易被方解石交代[12－13］。晚成巖期，流體性質(zhì)由酸性向堿性轉(zhuǎn)化，形成大量的含鐵碳酸鹽膠結(jié)物，主要以充填粒間孔和交代早期沉積成巖組分的形式產(chǎn)出。早期的碳酸鹽化對儲層的次生孔隙形成具有一定的積極意義，但晚期的碳酸鹽化往往對儲層起破壞性作用。

1.4 溶蝕作用

元壩地區(qū)須家河組經(jīng)歷了強(qiáng)烈的破壞性成巖作用，溶蝕作用是研究區(qū)形成次生孔隙、發(fā)育有效儲層的重要成巖作用類型。研究區(qū)沉積巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑含量較高，在強(qiáng)烈的破壞性成巖作用(壓實(shí)和膠結(jié)作用)下原生孔隙基本耗盡。通過顯微鏡及掃描電鏡觀察，須家河組溶蝕對象主要為長石、巖屑和黏土礦物等。在煤系地層背景下，烴源巖生、排烴過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸通過對易溶組分的溶蝕，形成大量粒間和粒內(nèi)溶孔，從而改善了儲層的孔隙度和滲透率。通過鏡下觀察，可看到部分長石和巖屑顆粒被溶蝕成蜂窩狀或麻點(diǎn)狀，有些顆粒甚至被全部溶蝕形成殘余狀或鑄?？譡14－15］。在研究區(qū)，顆粒之間的填隙物溶蝕也比較普遍，如溶蝕雜基、綠泥石等組分，常形成貼?？p和黏土雜基微孔。元壩地區(qū)須家河組長石及易溶礦物含量不高，早期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的破壞性成巖作用，使得酸性流體缺乏滲濾空間和通道，溶蝕作用整體上在元壩地區(qū)須家河組并不十分發(fā)育，僅在局部地區(qū)局部層位發(fā)育有粒內(nèi)和粒間溶孔。

1.5 破裂作用

元壩地區(qū)須家河組砂巖儲層為致密砂巖儲層，裂縫是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。由破裂作用形成的裂縫可以溝通獨(dú)立的孔隙，從而改善儲層物性。裂縫既可以作為滲濾通道，也是重要的儲集空間[16－18］。顯微鏡觀察顯示，元壩地區(qū)裂縫寬度主要在0.01～0.04 mm之間，少許裂縫寬度在 0.04 ～0.1 mm 之間，不同裂縫差異較大。微裂縫之間有相互穿插和切割現(xiàn)象，微裂縫的延長方向上可看到分叉現(xiàn)象(圖1f)，在裂縫的兩側(cè)可觀察裂縫有溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象，說明微裂縫對次生溶孔形成也有一定貢獻(xiàn)。

總體來說，研究區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的破壞性成巖作用，壓實(shí)作用、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)作用均占據(jù)了原生孔隙，大大降低了研究區(qū)的孔隙度和滲透率，對儲層主要起破壞性作用;而綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用使原生孔隙抗壓實(shí)，抑制后期石英次生加大，溶蝕作用會形成次生孔隙，破裂作用則產(chǎn)生裂縫提高孔隙的物性，均屬于建設(shè)性的成巖作用[16－17］。

2 砂巖成巖演化階段

圖2 元壩地區(qū)須家河組包裹體均一溫度分布Fig.2 Homogenization temperatures of inclusions in Xujiahe Formation，Yuanba area

采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范》(SY/T5477—2003)，利用孢粉顏色、包裹體溫度、黏土礦物、膠結(jié)物類型及顆粒接觸關(guān)系等綜合研究認(rèn)為，研究區(qū)須家河組成巖演化階段已到達(dá)中成巖A期，局部達(dá)中成巖B期[19］。其主要特征為:①孢粉顏色主要為桔黃色和棕色，有機(jī)質(zhì)處于成熟階段;②砂巖流體包裹體均一溫度檢測，研究區(qū)均一溫度分布范圍主要在90～150℃之間(圖2);③黏土礦物的X－衍射表明，成分以伊利石為主，其次為綠泥石，有少量的伊/蒙混層黏土礦物，為有序混層帶;④在須二段的砂巖儲層中，碳酸鹽多以交代形式出現(xiàn)，局部含鐵碳酸鹽含量較高，顆粒之間以線接觸為主，局部凹凸接觸。

2.1 早成巖A期

古地溫在65℃以內(nèi)，此時有機(jī)質(zhì)仍未成熟，鏡質(zhì)體反射率Ro小于0.35%，機(jī)械壓實(shí)作用開始凸顯，顆粒之間以點(diǎn)接觸為主，原生孔隙發(fā)育，巖石弱固結(jié)—固結(jié)之間，成巖礦物主要有高嶺石、蒙脫石、少量泥晶菱鐵礦等，一般無石英次生加大。有少量纖維狀早期泥晶方解石膠結(jié)于顆粒間。

2.2 早成巖B期

古地溫范圍約在65～85℃之間，Ro值為0.35%～0.5%，有機(jī)質(zhì)處于半成熟階段，塑性顆粒壓實(shí)變形，開始出現(xiàn)壓溶作用。有機(jī)酸產(chǎn)生，成巖環(huán)境向較強(qiáng)酸環(huán)境轉(zhuǎn)變，長石、巖屑等顆粒開始出現(xiàn)溶蝕，第一期的硅質(zhì)膠結(jié)開始產(chǎn)生，早期碳酸鹽膠結(jié)繼續(xù)進(jìn)行。顆粒之間以點(diǎn)接觸或點(diǎn)—線接觸為主，依然保留有原生粒間孔隙。

2.3 中成巖A期

古地溫約為85～140℃之間，Ro值在0.5% ～1.3%之間，此時巖石已經(jīng)固結(jié)，有機(jī)質(zhì)處于成熟階段，顆粒間以點(diǎn)—線接觸或線接觸為主。隨著成巖作用的增強(qiáng)，黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化頻繁，硅質(zhì)膠結(jié)物大量產(chǎn)生。同時由于埋藏深度的進(jìn)一步增加，由于有機(jī)質(zhì)羧酸作用產(chǎn)生的有機(jī)酸對長石、巖屑等組分的溶蝕作用加強(qiáng)，形成粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔等次生孔隙。

2.4 中成巖B期

古地溫約為140～175℃，Ro值在1.3% ～2.0%之間，部分井X－衍射分析I/S含量為10%，方解石交代較為強(qiáng)烈，含鐵方解石、含鐵白云石出現(xiàn)并堵塞殘余粒間孔隙，這些特征表明元壩地區(qū)須家河組已達(dá)到中成巖B期。

通過顯微鏡下對各種成巖現(xiàn)象的觀察，結(jié)合自生礦物的相互關(guān)系，詳細(xì)分析了元壩地區(qū)須家河組的成巖序列。研究區(qū)成巖演化序列為壓實(shí)作用→早期方解石膠結(jié)和環(huán)邊綠泥石膠結(jié)→壓溶作用→早期石英次生加大→黏土礦物相互轉(zhuǎn)化→長石、富長石巖屑、膠結(jié)物等組分的溶蝕作用→晚期硅質(zhì)膠結(jié)→晚期碳酸鹽膠結(jié)(圖3)。

3 孔隙類型及孔隙演化特征

3.1 孔隙類型

元壩地區(qū)須家河組砂巖儲層儲集空間類型非常復(fù)雜，通過對研究區(qū)取心井巖心、薄片、掃描電鏡等分析化驗(yàn)資料的統(tǒng)計分析，須家河組砂巖儲層儲集空間以次生孔隙為主，次生孔隙類型主要為粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔、黏土微孔、粒緣縫和破裂縫(圖4)。面孔率多小于2%，孔隙大小以微孔隙和小孔隙為主。研究區(qū)裂縫的發(fā)育對產(chǎn)能的影響較大，裂縫的發(fā)育雖然對孔隙度的增加貢獻(xiàn)不大，但其發(fā)育程度對滲透率的增加特別明顯，是評價須家河組砂巖儲層儲集條件的重要因素。

3.2 孔隙演化特征

孔隙演化與各種成巖作用關(guān)系密切，通過對研究區(qū)須家河組低孔低滲砂巖各類成巖作用特征的詳細(xì)分析及對成巖演化的研究，總結(jié)出了元壩地區(qū)須家河組砂巖儲層的孔隙演化模式(圖3)。早成巖A期，元壩地區(qū)須家河組砂巖埋藏較淺，成巖作用類型主要為壓實(shí)作用，膠結(jié)作用此時較弱，由于壓實(shí)作用使孔隙度降低至10% ～20%，損失孔隙度約為20%～30%。早成巖B期主要以碳酸鹽膠結(jié)物充填及壓實(shí)作用為主，隨后早期硅質(zhì)膠結(jié)物開始沉淀，原生粒間孔隙減少至1% ～5%，孔隙類型以殘余原生粒間孔為主。進(jìn)入中成巖A期后，隨著埋深增加，大量有機(jī)質(zhì)已成熟，大量有機(jī)酸生成，有機(jī)酸將長石、巖屑、填隙物等溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔，增加次生面孔率可達(dá)4% ～12%;黏土礦物中伊/蒙混層轉(zhuǎn)化，伊利石形成，黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化可形成部分黏土礦物微孔隙。這些微孔隙的形成在一定程度上可作為儲集空間，增加了砂巖儲層的孔隙度。同時，由于強(qiáng)烈的壓溶作用，第二世代硅質(zhì)膠結(jié)沉淀，充填在粒間孔隙中，由于石英次生加大而損失的粒間孔隙量約為5% ～10%[20－23］。元壩地區(qū)須家河組在中成巖 B期只發(fā)育在早期階段，顆粒之間接觸關(guān)系主要為線接觸、凹凸接觸，晚期碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀膠結(jié)使孔隙度進(jìn)一步損失，碳酸鹽膠結(jié)物充填孔隙和交代顆粒，原生孔隙基本被破壞，部分次生孔隙遭到破壞。

圖3 元壩地區(qū)須家河組成巖階段自生礦物與孔隙演化模式Fig.3 Authigenic minerals in diagenetic stages and porosity evolution model of Xujiahe Formation，Yuanba area

圖4 元壩地區(qū)須家河組孔隙類型Fig.4 Pore types of Xujiahe Formation，Yuanba area

4 結(jié)論

(1)元壩地區(qū)須家河組砂巖在成巖演化過程中經(jīng)歷的成巖作用類型主要為壓實(shí)壓溶、膠結(jié)、交代、溶蝕和破裂等。其中壓實(shí)壓溶、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)為破壞性成巖作用類型，是研究區(qū)砂巖原生孔隙度大大降低的主要因素;而綠泥石環(huán)邊膠結(jié)、溶蝕和破裂作用則保護(hù)和改善了孔隙物性。

(2)元壩地區(qū)須家河組砂巖目前已達(dá)中成巖階段A期，一些地區(qū)已經(jīng)達(dá)中成巖B期。儲層經(jīng)歷強(qiáng)烈的成巖作用后原生孔隙基本被破壞，孔隙類型主要為次生孔隙(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和粒間微孔)并伴生裂縫?？紫堆莼?jīng)歷了早成巖期的原生孔隙被破壞、中成巖期原生孔隙繼續(xù)被破壞以及次生孔隙形成等多個階段。

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