林良彪，余 瑜，南紅麗，陳洪德，劉 磊，吳 冬，王志康

(1.成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.成都理工大學 沉積地質研究院，四川 成都 610059；3.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

隨著油氣勘探逐步由常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣資源拓展，致密砂巖受到越來越多的重視[1]。一般來說，致密砂巖是指孔隙度低于10%、滲透率低于0.1×10-3μm2的砂巖[2-3]。2016年致密砂巖氣占據了美國天然氣總量的20%[2]，同年中國致密砂巖氣產量達到330×108m3，占天然氣產量的四分之一[4]。相比常規(guī)砂巖儲層，致密砂巖儲層具有埋藏深度大、儲層物性質量差、成巖作用強度高且復雜、強非均質性等特點[5-6]。致密砂巖儲層的形成受物質來源、沉積環(huán)境及成巖作用等多方面因素的影響[6-9]，其中成巖作用對致密儲層的形成起著決定作用。

四川盆地是中國主要的產氣盆地之一[10]。從20世紀70年代開始，川西坳陷須家河組成為了致密砂巖氣勘探的重點層位，先后發(fā)現(xiàn)了包括新場、中壩、平落壩等多個大、中型氣田[11-12]。隨著勘探的深入，川西坳陷致密砂巖氣的成藏特征成為了勘探過程中需要解決的關鍵問題。前人對川西坳陷須家河組氣藏的成藏特征、成藏模式研究頗多[12-19]，但目前對須家河組致密砂巖儲層的致密化過程與成藏的耦合關系尚有爭議，形成了先成藏后致密型、先致密后成藏型及邊致密邊成藏型等不同氣藏類型的觀點[12，15-16，19]。本文以川西坳陷須家河組致密砂巖主力產氣層之一的須家河組四段(須四段,T3x4)為研究目的層位，綜合運用多種測試分析技術，在有效地劃分須四段致密砂巖儲層類型的基礎上，分析儲層的致密化過程，并與油氣成藏史相結合，揭示須四段不同類型儲層的成藏模式及與致密化過程的耦合關系，為川西坳陷下一步的致密砂巖氣的地質勘探提供依據。

1 地質背景

四川盆地位于中國的西南部，面積超過18×104km2。四川盆地在大地構造上歸屬于上揚子地區(qū)，盆地周緣為山脈和斷褶帶所包圍(圖1)[20-21]。四川盆地是典型的多旋回沉積盆地，盆地的結晶基底形成于850 Ma前的晉寧運動，之后盆地的沉積蓋層經過了震旦紀—中三疊世的海相碳酸鹽巖沉積階段、晚三疊世—始新世的陸相湖盆演化階段[22-24]。川西坳陷位于四川盆地西部，西以龍門山斷褶帶為界[25]，研究區(qū)位于川西坳陷中段，可劃分為多個次級構造帶，包括龍門山前構造帶、梓潼凹陷、成都凹陷、孝泉-豐谷構造帶和知新場-龍寶梁構造帶等(圖1)。研究區(qū)經過數(shù)十年的地質勘探發(fā)現(xiàn)了孝泉-新場、合興場-高廟、大邑、豐谷、鴨子河、洛帶和石泉場等多個須家河組氣藏(圖1)。

圖1 川西坳陷構造分區(qū)(a)及須家河組井位分布(b)(據文獻[20-21]修改)

川西坳陷須家河組按照巖性特征可劃分為五段(須一段—須五段，須六段被剝蝕)[26]。須一段、須三段和須五段以細粒沉積物為主，巖性主要為暗色泥頁巖、粉砂巖，夾有細砂巖、煤線發(fā)育。須二段和須四段是須家河組主要的儲集層段，須四段巖性以灰色、灰白色細粒至中粒砂巖為主，夾有薄層狀黑色泥巖、煤線，在須四段底部發(fā)育有礫巖、含礫砂巖，在研究區(qū)內厚度介于450～700 m。

2 致密砂巖儲層特征

2.1 巖石學特征及儲層分類

鏡下薄片觀察結果表明研究區(qū)須四段砂巖儲層巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖為主(圖2a)[27]，組成砂巖的碎屑骨架顆粒中石英平均含量為57%、長石平均含量為3%、巖屑平均含量為40%，骨架顆粒表現(xiàn)為富巖屑、貧長石的特征(圖2a)。因須四段砂巖巖性組成復雜，不同類型砂巖的儲層致密化過程存在著不小的差異。本文采用葉素娟等[28]提出的川西坳陷須四段砂巖分類方案，將須四段砂巖相對有利儲層劃分為含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖：長石含量大于3%的為含長石砂巖(A)，長石含量低于3%的為貧長石砂巖(B)，極富碳酸鹽巖巖屑(鈣屑)的砂巖為鈣屑砂巖(C，巖屑含量大于75%)。XRD全巖礦物和粘土礦物相對含量分析表明(圖2b)，3類儲層砂巖的礦物組成差異明顯，含長石砂巖和貧長石砂巖的差異主要體現(xiàn)在長石礦物的含量上，且含長石砂巖的粘土礦物中伊利石和綠泥石占優(yōu)，而貧長石砂巖中除伊利石外，以高嶺石含量最高。鈣屑砂巖中碳酸鹽礦物含量最高。在平面分布上，含長石砂巖和鈣屑砂巖主要分布在研究區(qū)域的東部，貧長石砂巖分布于研究區(qū)域的西部，相對近物源區(qū)域；從縱向分布來說，鈣屑砂巖主要見于須四段中部，含長石砂巖主要分布于須四段上部和下部，而貧長石在整個須四段均有分布。

圖2 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段砂巖巖石學特征

2.2 物性及儲集空間特征

物性分析結果表明川西坳陷須四段砂巖具較大的孔隙度、滲透率分布范圍，孔隙度介于0.53%～13.6%，滲透率介于0.002×10-3～136.44×10-3μm2(圖3a)，屬于低孔、低滲-超低孔、低滲的致密砂巖儲層。貧長石砂巖具有最高的平均孔隙度為6.29%，滲透率中值為0.089×10-3μm2；其次為含長石砂巖，平均孔隙度為5.84%，滲透率中值為0.173×10-3μm2；鈣屑砂巖的平均孔隙度最低，為3.93%，滲透率中值為0.024×10-3μm2。

須四段砂巖儲集空間以次生孔隙為主，鑄體薄片結果顯示粒內溶蝕孔是須四段砂巖最為重要的儲集空間(圖3b)，包括了長石粒內溶孔、鑄?？椎取τ诤L石砂巖來說，儲集空間以長石粒內溶孔為主(圖3b)，貧長石砂巖除長石粒內溶孔外，還發(fā)育了粘土礦物晶間孔(圖3c)。原生孔隙發(fā)育較為局限，主要存在于鈣屑砂巖中，因為碳酸鹽巖巖屑具有較強的抗壓實能力(圖3d)。

2.3 儲層致密因素

2.3.1 壓實作用

壓實作用在須四段砂巖中的影響表現(xiàn)為碎屑顆粒呈線接觸、凹凸接觸(圖4a)，此外可見塑性巖屑被擠壓變形堵塞孔隙，致使原生孔隙大量損失。利用壓實系數(shù)量化壓實作用對儲層孔隙的影響，壓實系數(shù)=(初始孔隙-膠結物-面孔率)/初始孔隙度，其中

初始孔隙度(%)=20.91%+22.90So%

(1)

圖5 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段砂巖成巖系數(shù)分布頻率(a)及膠結物含量-粒間體積投點圖(b)

須四段強烈的壓實作用與其較大的埋藏深度有關，須四段在地質歷史時期最大埋深達到5 km，后抬升至現(xiàn)今的埋藏深度3～4 km，但壓實作用對孔隙的破壞影響是不可逆的。另一個不可忽視的因素是自晚三疊世開始劇烈擠壓的龍門山沖斷帶，劉殊等[30]研究認為龍門山沖斷帶的隆升擠壓在川西坳陷產生了北西至南東向的構造擠壓應力。來自側向的擠壓應力與上覆地層重力的疊加影響，是須四段乃至整個須家河組強烈壓實作用的根本原因。

2.3.2 膠結作用

碳酸鹽膠結物是須四段砂巖中占比最高的膠結物，包括了(鐵)方解石和(鐵)白云石。早期碳酸鹽膠結以自生方解石為主(圖4b)，充填原生孔隙，占據了較高的體積分數(shù)，在部分樣品中可占全巖20%以上，致使巖石孔隙幾乎不發(fā)育。晚期碳酸鹽膠結礦物包括方解石(圖4c，d)、白云石(圖4e)及含鐵碳酸鹽礦物，主要充填粒內溶孔、殘余粒間孔。碳酸鹽膠結物與儲層孔隙度呈現(xiàn)明顯的負相關性(圖6a)，而碳酸鹽膠結物與儲層滲透率存在較弱的負相關性(圖6b)，但在一些碳酸鹽膠結物含量較高(>20%)的砂巖中，因為微裂縫的存在，依然具有較高的滲透率。須四段砂巖中硅質膠結主要呈石英次生加大(圖4f)和自生石英(圖4g)。次生加大邊與其附著的石英礦物具有相同的消光位，厚度不等，介于20～50 μm，其形態(tài)與生長方向的空間大小有關。自生石英大小不一，直徑介于10～100 μm，呈孔隙充填，常與伊利石、高嶺石等粘土礦物共生。硅質膠結與儲層物性的關系相對復雜(圖6c，d)，但整體上表現(xiàn)為儲層孔隙度和滲透率隨著硅質膠結含量升高而降低的趨勢，這與硅質膠結的多源性有關，部分硅質膠結來源于長石礦物的溶解，是溶蝕作用的附產物；而粘土礦物轉化和石英顆粒壓溶作用形成的硅質膠結對儲層物性卻只有破壞作用。掃描電鏡觀察顯示伊利石呈毛發(fā)狀、纖狀(圖4g，h)，高嶺石主要呈書頁狀、蠕蟲狀分布于粒內孔或粒間孔隙，晶體間發(fā)育晶間微孔(圖4e，h)，綠泥石呈葉片狀，包裹顆粒生長(圖4i)。

圖6 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段砂巖膠結物與物性投點圖

各儲層類型的膠結物含量有所不同(表1)。鈣屑砂巖膠結物含量相對最高，達9.2%，且?guī)缀醪缓栀|膠結物，早期碳酸鹽膠結物含量達6.5%，晚期碳酸鹽膠結物含量為2.7%；貧長石砂巖膠結物總量為4.6%，碳酸鹽膠結物含量為3.8%，硅質膠結物含量為0.8%；含長石砂巖膠結物含量為4.2%，碳酸鹽膠結物含量為3.7%，硅質膠結物含量為0.5%。

表1 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段不同類型儲層膠結物體積分數(shù)

碳酸鹽膠結物和硅質膠結的包裹體分析表明(圖7)，包裹體主要呈獨立分布(圖7b，c)，形態(tài)多為不規(guī)則形，長軸粒徑主要分布于2～10 μm。碳酸鹽膠結物的包裹體均一溫度(Th/℃)分布范圍為42.5～126.2℃(圖7a)，峰值為80～120℃，硅質膠結物的沉淀溫度分布區(qū)間介于49.2～143.4℃(圖7a)，峰值為80～100℃，較大的溫度分布區(qū)間表明碳酸鹽膠結物與硅質膠結物的沉淀具連續(xù)性特征。

圖7 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段膠結物包裹體測溫及鏡下特征

2.4 成巖演化序列

在川西坳陷須四段埋藏史的基礎上，結合須四段砂巖的成巖作用特征，建立須四段砂巖的成巖演化序列(圖8)。同沉積階段，沉積物質初始孔隙度為35%～40%，該階段的成巖作用主要為強烈的壓實作用，造成原生孔隙減少。隨著埋藏深度的加大，砂巖進入早成巖階段，機械壓實作用使得儲層原生孔隙進一步減少，早期溶蝕作用使得部分長石礦物溶蝕并形成了自生高嶺石，同時形成了早期的硅質膠結。早期碳酸鹽膠結物沉淀于碎屑顆粒間，堵塞原生孔隙。自生綠泥石分布較為局限，主要呈環(huán)邊綠泥石形態(tài)。進入中成巖階段，機械壓實作用轉變?yōu)閴喝茏饔?，使得顆粒接觸由點接觸變?yōu)榫€接觸、凹凸接觸。有機質在此階段開始大量成熟[28-29]，形成有機酸，產生了儲層的第二期溶蝕作用。這個階段的硅質膠結物和碳酸鹽膠結物充填粒間孔隙或粒內溶孔，進一步降低了儲層的孔隙度。蒙脫石向伊利石的轉化速度加快，形成了中間產物伊/蒙混層。當古地溫達到120℃時，有機質進入高成熟階段，形成的有機酸減少；此時，高嶺石開始變得不穩(wěn)定，在一定的條件下高嶺石可以向伊利石轉化。

圖8 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段砂巖成巖演化序列(據文獻[15]修改)

這3類儲層砂巖的成巖演化存在著不小的差異。粘土礦物X衍射表明含長石砂巖具有較高的綠泥石含量，這與這類砂巖相對的富長石礦物有關；而貧長石砂巖中高嶺石含量相對最高，這與早期的長石溶蝕有著緊密的聯(lián)系；鈣屑砂巖中粘土礦物含量最低，相關成巖演化較少。此外，雖然3類砂巖均發(fā)育有多期碳酸鹽膠結作用，但強度卻有所不同，鈣屑砂巖中碳酸鹽膠結作用最強。

中成巖階段是須四段儲層致密的關鍵階段，該階段沉淀的膠結物雖所占體積不及早成巖階段沉淀的膠結物，但依然是影響儲層孔隙演化的關鍵因素。當儲層孔隙度降至一定程度時，儲層中的成巖流體交換趨于停止，水巖作用難以繼續(xù)進行，儲層變得致密。

3 儲層致密化過程

3.1 孔隙演化定量模擬

1)壓實作用減孔定量分析

前人研究表明，因壓實作用導致的原生孔隙度的變化是一個受埋藏深度主導的函數(shù)[31]，公式如下：

Φ1=Φ0e-CZ

(2)

式中：Φ0為初始孔隙度，%；Φ1為剩余原生孔隙度，%；C為壓實因子；Z為沉積物的埋深，m。其中壓實因子介于0.000 33～0.000 40。為盡量精確刻畫原生孔隙度曲線，選取多個來自于不同井位、不同深度的樣品，在統(tǒng)計分析各樣品鑄體薄片鑒定結果的基礎上，獲取川西坳陷須四段不同類型儲層砂巖樣品現(xiàn)今的剩余原生孔隙度值，以此逆推研究區(qū)須四段的壓實因子值。

Φ1=ΦC+ΦP(ΦIP+ΦMP)/ΦTP

(3)

式中：ΦC為早期膠結物的體積分數(shù)，%；ΦP為樣品孔隙度，%；ΦIP為粒間面孔率，%；ΦMP為雜基、膠結物微孔面孔率，%；ΦTP為總面孔率，%。通過計算，鈣屑砂巖具有最小的壓實因子為0.000 32，這與鈣屑砂巖發(fā)育了較多的早期碳酸鹽膠結物有關，早期碳酸鹽膠結物一定程度上延緩了壓實作用對原生孔隙的破壞；含長石砂巖的壓實因子為0.000 36，貧長石砂巖壓實因子為0.000 37。壓實作用后原生孔隙度隨深度演化的趨勢如表2所示。

表2 川西坳陷須四段不同類型砂巖壓實作用后原生孔隙演化

2)膠結作用減孔定量分析

成巖期間形成的自生礦物對儲層孔隙的損失起到不小的影響，自生礦物包括多期次的碳酸鹽膠結物和硅質膠結物、粘土膠結物等。Φ2為儲層經壓實作用及膠結作用后剩余的孔隙度(%)。

Φ2=Φ1-ΦC

(4)

對不同時期膠結物的定量分析，主要根據已有的鑄體薄片分析數(shù)據，明確在各成巖階段形成的膠結物含量，而在相對缺失鑄體薄片數(shù)據的井位、層位，主要根據碳酸鹽膠結物、硅質膠結物的包裹體均一溫度分布比例對膠結物進行成巖階段的定量化。

3)溶蝕作用增孔定量分析

溶蝕作用形成的次生孔隙主要是長石粒內溶孔(Φdiss,%)和晶間孔(Φmicro,%)，因此模擬溶蝕作用增加孔隙度的定量分析主要是計算顆粒粒內溶孔、晶間孔隙的貢獻度。

Φ3=ΦP(Φdiss+Φmicro)/ΦTP

(5)

儲層現(xiàn)今孔隙度(Φ4)為

Φ4=Φ0e-CZ-ΦC+ΦP(Φdiss+Φmicro)/ΦTP

(6)

以廣漢2井須四上亞段的長石巖屑砂巖樣品為例(圖9)，其平均初始孔隙度經計算為37.4%，碳酸鹽膠結物平均含量為3.3%，自生硅質膠結含量為1.6%，現(xiàn)今平均孔隙度為5.25%。廣漢2井須四上亞段儲層現(xiàn)今埋藏深度為3 900～4 100 m，埋藏深度較大；發(fā)育有多期次的膠結作用，但膠結物總量含量偏低。當深度小于1 000 m時，溫度低于60℃，壓實作用破壞孔隙11.31%，早期膠結作用破壞0.5%；深度為1 000～2 000 m時，溫度在60～85 ℃，壓實作用破壞孔隙7.39%，膠結作用破壞1.20%，溶蝕作用增加1.00%；深度為2 000～4 000 m時，溫度在85～140 ℃，壓實作用破壞孔隙9.14%，膠結作用破壞2.30%，溶蝕作用增加2.50%；深度大于4 000 m時，溫度超過140 ℃，壓實作用破壞孔隙2.88%，膠結作用破壞0.90%。最終計算廣漢2井須四上亞段儲層的現(xiàn)今孔隙度為5.28%，與巖心物性分析得到的平均孔隙度5.25%相當。

圖9 川西坳陷廣漢2井上三疊統(tǒng)須四上亞段儲層孔隙定時-定量演化曲線

3.2 不同類型砂巖儲層致密化過程

須四段3類砂巖的因成巖作用造成的孔隙變化如表3和圖10所示。含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖具有近似的初始孔隙度，進入埋藏階段后，因壓實作用造成孔隙大量損失，其中貧長石砂巖在早成巖期A期遭受大氣淡水的淋濾影響，長石礦物部分或完全溶解，形成高嶺石，砂巖孔隙度小幅增加。鈣屑砂巖早期碳酸鹽膠結對原生孔隙起到了保存作用。進入早成巖B期晚期到中成巖階段，有機酸溶蝕長石礦物產生第二期溶蝕作用，但這個階段砂巖孔隙度相對較低，成巖系統(tǒng)開始變得封閉-半封閉，產生的碳酸鹽膠結物和硅質膠結物等也隨之沉淀下來，這是須四段儲層致密的關鍵因素。3類砂巖均在中成巖A期中晚期階段孔隙度降至10%左右，即儲層進入致密化階段。在含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖中，鈣屑砂巖因壓實作用損失的孔隙相對最少(表3)，這與碳酸鹽巖巖屑具有較強的抗壓實能力和該類砂巖發(fā)育了含量最多的碳酸鹽膠結物(尤其是早期碳酸鹽膠結物)有關。貧長石砂巖在成巖早期遭受了大氣淡水的淋濾，存在著兩期的溶蝕作用。含長石砂巖具最高的壓實減孔率和最低的膠結減孔率。若按照地質歷史時間換算，須四段含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖的致密時間為早白堊世，其中鈣屑砂巖最晚致密，但整體上來說相差不大。本次研究主要是注重須四段砂巖的相對優(yōu)質儲層的致密化過程，對于非優(yōu)質儲層來說，其致密時間肯定早于早白堊世，具體的致密時間與致密的關鍵因素有著緊密聯(lián)系。

表3 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段不同類型儲層成巖作用造成的孔隙度變化

圖10 川西坳陷上三疊統(tǒng)須四段不同類型砂巖儲層致密化過程

4 儲層致密-成藏耦合關系

致密砂巖氣藏可根據烴類的充注時間和儲層的致密化時間劃分為先致密后成藏型和先成藏后致密型[32-33]。借助須四段儲層在成巖過程中形成的自生礦物的包裹體測溫和激光拉曼成分分析，可以有效地還原烴類充注歷史，與儲層致密化過程相結合，揭示須四段致密砂巖儲層的成藏模式、致密-成藏的耦合關系。

激光拉曼成分分析顯示含CH4的自生石英包裹體溫度分布范圍是65.8～130.8℃(圖11)，表現(xiàn)為持續(xù)的烴類充注的特征，成藏時間跨度較大，從早侏羅世持續(xù)至早白堊世中期。早期成藏發(fā)生在早侏羅世—中侏羅世，含甲烷包裹體的均一溫度低于80℃，表現(xiàn)為早期成藏特征；晚期成藏時期為晚侏羅世-早白堊世，為主成藏期，溫度分布范圍80～130℃，激光拉曼成分分析同時檢測到了CO2的存在(圖11)，表明了這個時期有機酸溶蝕的存在。早期的烴類的充注應與須四段下部的須三段烴源巖的熱成熟釋放的烴類有關，沈忠民等[34]對比了須四段天然氣輕烴和須四段烴源巖的有機地化特征，結果顯示二者具有很好的相似性，說明須四段的天然氣主要來源于其本身的烴源巖，但有少部分來自于須五段和須三段。埋藏深度更大的須三段烴源巖先于須四段自身的烴源巖進入成熟期、排出烴類，進入了須四段下部的砂巖中，促成了須四段的早期成藏。而須四段自身的烴源巖的成熟，造成了須四段烴類充注的主成藏期，也就是晚期的成藏。以儲層孔隙度低于10%為標準，川西坳陷含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖等砂巖儲層進入致密演化階段后，須四段的主成藏期(晚侏羅世—早白堊世)尚未結束，表明須四段儲層是“先致密后成藏”型儲層。當前的研究結論主要是基于整體須四段不同類型儲層分類的基礎上得到的，對于須四段上、中及下部等埋深有差異的儲層的成藏-儲層致密耦合關系還待下一步更加精細地研究。

圖11 川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須四段成藏時期與儲層致密時間關系

5 結論

1)川西坳陷須四段壓實作用使得大部分砂巖的孔隙度減少了70%～90%，少部分砂巖的壓實作用減孔率不到50%，與膠結作用有關。深埋藏過程引起的上覆地層重力與來自于龍門山沖斷帶隆升的構造應力的疊加影響，是須四段砂巖強烈的壓實作用的根本原因。碳酸鹽膠結作用與硅質膠結作用對儲層物性有著負面的影響，其中碳酸鹽膠結作用影響更大。碳酸鹽膠結物的包裹體均一溫度分布范圍為42.5～126.2℃，硅質膠結的沉淀溫度分布區(qū)間為49.2～143.4℃。

2)結合成巖演化和孔隙定量模擬，恢復不同類型儲層的致密化過程，認為3類砂巖均在中成巖A期中晚階段進入致密化階段，對應地質時期為早白堊世。儲層致密的關鍵因素均與半封閉的成巖系統(tǒng)下沉淀的膠結物(主要是碳酸鹽膠結物)有關。

3)包裹體及激光拉曼成分分析表明須四段具有兩個成藏時期，其中處于晚侏羅世—早白堊世的晚期成藏為主成藏期，該期成藏與須四段自身烴源巖的成熟有關。以儲層孔隙度低于10%為標準，川西坳陷含長石砂巖、貧長石砂巖和鈣屑砂巖等砂巖儲層進入致密演化階段時，須四段的主 成藏期(中侏羅世—晚侏羅世)尚未結束，表明須四段儲層是“先致密后成藏”型儲層。