白國帥，蔣有錄，趙承錦，劉明，王宇

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041）

0 引言

元壩地區(qū)是四川盆地的重點勘探區(qū)域，其中須二下亞段砂巖厚度較大，具有較大的勘探潛力。前人對研究區(qū)致密砂巖儲層特征及主控因素[1-3]、孔隙演化及致密化原因[4-7]等方面開展了大量工作，但是缺少對不同類型砂巖儲層致密化和天然氣充注關(guān)系的研究。早期綠泥石膜的發(fā)育抑制后期的成巖改造，儲層中綠泥石的存在對致密化過程具有重要影響[8]，進而影響儲層致密化與天然氣充注的關(guān)系。本研究綜合鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡及流體包裹體等分析測試方法，明確了不同類型砂巖儲層成巖演化和孔隙度演化過程，探討了不同類型砂巖儲層致密化與天然氣充注關(guān)系，以期為進一步探索研究區(qū)油氣富集規(guī)律和下一步的勘探部署提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

元壩地區(qū)位于廣元市旺蒼縣南部，巴中市西部，在構(gòu)造上位于四川盆地北部，北鄰米倉山和大巴山推覆構(gòu)造帶，西北側(cè)為龍門山造山帶[9]。元壩地區(qū)由九龍山背斜、池溪凹陷、通南巴背斜構(gòu)造帶、通江凹陷、蒼溪—巴中低緩構(gòu)造帶5個次級構(gòu)造單元組成[10]（見圖1a），整體上呈現(xiàn)西北高、東南低的構(gòu)造格局。元壩地區(qū)須二段以砂巖為主，發(fā)育辮狀河三角洲前緣和濱淺湖沉積，具有砂夾泥的巖性組合樣式[11]。在須二段中部發(fā)育一套灰黑色泥頁巖和煤層，以此為界可將須二段分為上亞段和下亞段，其中須二下亞段為本次研究的主要層位（見圖1b）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖

2 儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

元壩地區(qū)須二下亞段儲層巖石類型主要為巖屑砂巖，巖屑類型以變質(zhì)巖、沉積巖巖屑為主，含有少量巖漿巖巖屑。顆粒以細(xì)—中粒為主，結(jié)構(gòu)成熟度中等，顆粒分選中等—好，磨圓度為次棱角—次圓狀，顆粒之間接觸關(guān)系為點接觸和線接觸，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)。根據(jù)鏡下觀察和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計，可將研究區(qū)巖屑砂巖分為綠泥石襯里巖屑砂巖和強壓實巖屑砂巖（見圖2）。綠泥石襯里巖屑砂巖中，綠泥石占黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%，顆粒分選中等—好，顆粒之間接觸關(guān)系為點接觸和線接觸，膠結(jié)物主要為黏土礦物。強壓實巖屑砂巖中，綠泥石占黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為16%左右，顆粒分選中等，顆粒之間接觸關(guān)系主要為線接觸，膠結(jié)物主要為方解石。

圖2 元壩地區(qū)須二下亞段儲層巖石及儲集空間類型

2.2 儲集空間及物性特征

須二下亞段儲層儲集空間類型以殘余粒間孔為主，其次為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微裂縫（見圖2）。其中，綠泥石襯里巖屑砂巖儲集空間主要為殘余粒間孔，而強壓實巖屑砂巖則以粒間溶孔為主。

元壩地區(qū)須二下亞段砂巖樣品的物性數(shù)據(jù)表明，儲層孔隙度為1.24%～9.51%，平均5.35%，滲透率為0.015×10-3～0.090×10-3μm2，平均 0.043×10-3μm2，整體上綠泥石襯里巖屑砂巖物性好于強壓實巖屑砂巖（見圖3）。

圖3 不同類型巖屑砂巖的孔隙度與滲透率

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6832—2011《致密砂巖氣地質(zhì)評價方法》，須二下亞段儲層孔隙度小于10%為致密砂巖儲層。研究區(qū)孔隙度與滲透率相關(guān)性較好，隨著孔隙度增大，滲透率呈上升趨勢，具有孔隙型儲層的特點。

3 成巖作用及成巖演化序列

3.1 成巖作用

儲層埋藏演化過程中成巖作用對儲層的改造有至關(guān)重要的作用[12]。研究區(qū)普通薄片、鑄體薄片及掃描電鏡觀察結(jié)果表明，須二下亞段儲層成巖作用主要有機械壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用（見圖4）。

圖4 元壩地區(qū)須二下亞段儲層成巖作用特征

1）機械壓實作用。研究區(qū)須家河組埋藏深度達(dá)5 000 m，強烈的機械壓實作用是導(dǎo)致巖屑砂巖儲層致密化的關(guān)鍵因素。在鏡下可見碎屑顆粒之間呈線接觸或凹凸接觸、云母發(fā)生彎曲或斷裂（見圖4a，4b）；塑性巖屑發(fā)生擠壓變形，填充原生粒間孔導(dǎo)致儲層孔隙度大大降低。由于綠泥石膜具有抗壓實作用，綠泥石襯里巖屑砂巖相比強壓實巖屑砂巖遭受的壓實作用小。

2）膠結(jié)作用。巖屑砂巖的膠結(jié)物類型主要包括黏土質(zhì)膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)。黏土礦物膠結(jié)以針葉狀綠泥石為主（見圖4c），雖然占用部分儲集空間，但是綠泥石膜可增強巖石顆粒的抗壓能力，抑制晚期石英膠結(jié)，有明顯?？鬃饔肹13]。因此，相比強壓實巖屑砂巖，綠泥石襯里巖屑砂巖中自生硅質(zhì)膠結(jié)相對不發(fā)育，僅在綠泥石膜不連續(xù)的位置繼續(xù)生長（見圖4d）。碳酸鹽膠結(jié)以方解石為主（見圖4e），在陰極發(fā)光下主要呈現(xiàn)亮黃色光，以局部斑塊狀形式分布（見圖4f）。

3）溶蝕作用。巖屑砂巖中的溶蝕作用對致密砂巖孔隙度具有改善作用，2種巖屑砂巖的溶蝕程度差別不大。發(fā)生溶蝕的礦物主要為長石、巖屑和雜基，長石溶蝕主要發(fā)生在鉀長石中，大多是沿著顆粒邊緣和解理溶蝕，巖屑的粒內(nèi)溶孔較少，多呈斑點狀（見圖4g），平均溶蝕面孔率小于顆粒總面積的40%。溶蝕作用也會溶蝕顆粒邊緣和顆粒結(jié)合處形成粒間溶孔（見圖4h），或?qū)υ缙诹ｉg溶孔進行改造增加儲集空間體積。

3.2 成巖演化序列

成巖階段的劃分主要依據(jù)古地溫、有機質(zhì)熱演化參數(shù)、黏土礦物演化序列等[14-15]。結(jié)合前人研究成果[5]，研究區(qū)古地溫為140～200℃，有機質(zhì)鏡質(zhì)組反射率Ro大于2.0%，處于過成熟階段，黏土礦物主要為伊利石、綠泥石及伊/蒙混層，顆粒間呈線接觸或凹凸接觸。研究表明，元壩地區(qū)須二下亞段砂巖儲層整體已達(dá)到晚成巖階段。

成巖演化過程可依據(jù)不同自生礦物形成的先后順序和溶蝕充填關(guān)系進行分析[14-15]。通過薄片觀察和成巖特征研究，研究區(qū)自生礦物的先后順序和溶蝕充填關(guān)系具有以下特征：1）存在2期石英次生加大膠結(jié)，早期綠泥石以孔隙襯里的形式垂直生長于石英顆粒，在缺乏襯里的石英顆粒表面有少量石英加大現(xiàn)象，綠泥石襯里形成時石英顆粒之間未發(fā)生大規(guī)模線接觸，推斷綠泥石襯里形成于石英Ⅰ級次生加大之前；2）石英次生加大后發(fā)生了方解石膠結(jié)（見圖4e），陰極發(fā)光下橘黃色早期方解石經(jīng)有機酸溶蝕后，亮黃色晚期方解石充填其中（見圖4f），可見酸性流體的溶蝕晚于早期方解石；3）掃描電鏡下巖屑砂巖中的彎曲片狀伊利石多充填于長石、巖屑的粒間孔隙或者附著于顆粒表面（見圖4i），由鉀長石與早期形成的高嶺石通過伊利石化作用形成，或者由蒙皂石經(jīng)伊/蒙混層轉(zhuǎn)化而來[16]，因此推斷自生伊利石主要形成時期晚于自生高嶺石，與石英Ⅱ級加大近乎同時形成。

綜合考慮儲層中自生礦物的共生組合關(guān)系，結(jié)合成巖作用順序分析，元壩地區(qū)須二下亞段巖屑砂巖儲層的成巖演化序列為：機械壓實作用—早期綠泥石襯里—石英Ⅰ級次生加大—早期方解石膠結(jié)—長石及巖屑溶解、高嶺石—伊利石、石英Ⅱ級次生加大—綠泥石膠結(jié)、晚期方解石—白云石。

4 儲層致密化與天然氣充注

4.1 儲層致密化過程

刻畫孔隙度演化過程首先明確原始孔隙度大小，砂巖原始孔隙度主要與顆粒的分選性有關(guān)，恢復(fù)原始孔隙度的常用方法為 Beard 經(jīng)驗公式[16-18]；然后通過大量鑄體薄片觀察和定量統(tǒng)計，結(jié)合現(xiàn)今實測孔隙度，采用反演回剝方法[19-20]獲取壓實作用減孔率、膠結(jié)作用減孔率、溶蝕作用增孔率和裂縫增孔率[21-22]。

通過孔隙度演化史（見圖5）可以看出，綠泥石襯里巖屑砂巖儲層原始孔隙度為40.8%。早成巖階段，壓實作用和綠泥石膠結(jié)作用使孔隙度降至21.4%。中成巖階段，壓實和膠結(jié)作用減孔率均為11.0%，由于有機酸流體的影響，長石、巖屑等易溶礦物發(fā)生溶解，溶蝕作用增孔率為0.4%。中成巖階段C期，隨著埋深繼續(xù)加深，壓實作用減孔率為2.1%，石英和伊利石膠結(jié)作用減孔率為0.8%。晚成巖階段（早白堊世晚期），碳酸鹽膠結(jié)作用減孔率為0.6%，儲層孔隙度降至7.3%。構(gòu)造抬升階段，構(gòu)造作用產(chǎn)生少量裂縫，裂縫增孔率為0.1%。因此，綠泥石襯里巖屑砂巖儲層最終孔隙度為7.4%，且在中成巖階段B期儲層孔隙度降到10.0%左右，儲層已經(jīng)致密，即致密化發(fā)生在晚侏羅世中期。

圖5 須二下亞段儲層成巖-成藏耦合關(guān)系

強壓實巖屑砂巖儲層原始孔隙度為38.1%，自沉積埋藏開始至中成巖階段B期，壓實作用使孔隙度降至31.4%，由于后期溶蝕作用增孔率為0.4%，至該階段末期，儲層孔隙度降至6.3%，此時儲層已經(jīng)致密。中成巖階段C期和晚成巖階段，壓實作用和膠結(jié)作用使孔隙度降至3.3%，構(gòu)造抬升階段裂縫增孔率為0.1%，但儲層物性并未得到改善。因此，強壓實巖屑砂巖最終孔隙度為3.4%，儲層致密化發(fā)生在早侏羅世晚期。

4.2 成巖-成藏耦合關(guān)系

流體包裹體分析技術(shù)在成藏史研究方面應(yīng)用較為廣泛[23]。透射光及熒光薄片顯微觀察結(jié)果表明，研究區(qū)須二下亞段儲層中發(fā)育氣液烴包裹體、氣烴包裹體和鹽水包裹體，主要呈零星狀分布在石英顆粒內(nèi)，或呈帶狀分布在石英顆粒微裂縫和裂縫石英膠結(jié)物中。氣液烴包裹體和氣烴包裹體主要呈橢圓形，透射光下呈黑褐色，在熒光下呈弱熒光，直徑為 5～10 μm（見圖6）。結(jié)合烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度和鹽度的測試結(jié)果，以及研究區(qū)須家河組埋藏史和熱演化史（見圖5），須二下亞段天然氣具有2期充注的特征，第1期為中侏羅世—晚侏羅世（距今時間164～157 Ma），第2期為晚侏羅世—早白堊世（距今時間151～103 Ma）。

圖6 元壩地區(qū)須二下亞段儲層流體包裹體鏡下特征

在前人對致密砂巖氣藏類型研究的基礎(chǔ)上[24]，根據(jù)致密化過程和天然氣充注的耦合關(guān)系，將2種巖屑砂巖儲層劃分為邊致密邊成藏和先致密后成藏，具體特征及差異如下：

1）綠泥石襯里巖屑砂巖。中侏羅世之前，儲層遭受壓實作用和綠泥石膠結(jié)作用，孔隙度降低，但儲層并未發(fā)生致密化，烴源巖此時處于未成熟階段，未發(fā)生天然氣充注。中侏羅世—晚侏羅世，儲層繼續(xù)遭受壓實和膠結(jié)作用，由于綠泥石襯里具有一定的抗壓實作用，儲層并未致密；烴源巖進入成熟階段，生成的早期油氣和酸性流體進入儲層中對長石等礦物進行溶蝕，減緩儲層致密化速度，天然氣大量充注并聚集成藏。晚侏羅世—早白堊世，儲層已經(jīng)致密，烴源巖進入高成熟—過成熟階段，生烴產(chǎn)生的超壓驅(qū)動天然氣進入致密儲層中聚集成藏。晚白堊世之后，烴源巖排烴終止，構(gòu)造作用對早期天然氣藏進行調(diào)整改造。該類儲層致密化的距今時間約為156 Ma（晚侏羅世），天然氣充注時儲層尚未致密，整體表現(xiàn)為邊致密邊成藏。

2）強壓實巖屑砂巖。早侏羅世之前，儲層遭受強烈壓實作用，孔隙度降低，儲層發(fā)生致密化，烴源巖此時處于未成熟階段。中侏羅世—早白堊世，儲層已經(jīng)致密，烴源巖進入高成熟—過成熟階段，生烴產(chǎn)生的超壓驅(qū)動天然氣進入致密儲層并聚集成藏。晚白堊世之后，烴源巖排烴終止，構(gòu)造作用對早期天然氣藏進行調(diào)整改造。該類儲層致密化的距今時間約為178 Ma（早侏羅世），天然氣充注時儲層已經(jīng)致密，為先致密后成藏。

5 結(jié)論

1）元壩地區(qū)須二下亞段發(fā)育致密砂巖儲層，以巖屑砂巖為主，分為綠泥石襯里巖屑砂巖和強壓實巖屑砂巖。綠泥石襯里巖屑砂巖的儲集空間以殘余粒間孔為主，物性好于強壓實巖屑砂巖。

2）須二下亞段儲層經(jīng)歷了早期壓實作用及綠泥石膠結(jié)，中期石英、伊利石膠結(jié)和晚期碳酸鹽膠結(jié)等成巖演化過程。機械壓實作用是砂巖致密化的主要原因，由于早期綠泥石膜的?？鬃饔?，綠泥石襯里巖屑砂巖致密化的時間晚于強壓實巖屑砂巖。

3）須二下亞段天然氣在中侏羅世—晚侏羅世（距今時間164～157 Ma）和晚侏羅世—早白堊世（距今時間151～103 Ma）發(fā)生2期充注。綠泥石襯里巖屑砂巖儲層致密化的時間為晚侏羅世，天然氣充注時儲層尚未致密，具有邊致密邊成藏的特征。強壓實巖屑砂巖儲層致密化的時間為早侏羅世，天然氣充注時儲層已經(jīng)致密，具有先致密后成藏的特征。