川西拗陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組致密砂巖成巖相

趙 爽 王琨瑜 鄧虎成,3

1. 中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院 2. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院 3. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

我國致密砂巖氣藏資源豐富，川西探區(qū)陸相致密砂巖天然氣地質(zhì)資源量在2016年底已形成每年8×108m3的生產(chǎn)能力。中侏羅統(tǒng)沙溪廟組氣藏是川西地區(qū)第二大中淺層氣藏，具有較大的勘探開發(fā)潛力。由于河道狹窄、砂體薄、非均質(zhì)性強(qiáng)、含水飽和度高的特點(diǎn)導(dǎo)致單井產(chǎn)能低、遞減快、氣水分布異常復(fù)雜等問題[1]，勘探開發(fā)難度大于一般致密砂巖氣藏。Railsback[2]提出了“成巖相”的概念。成巖相反映儲(chǔ)層物性，影響著“甜點(diǎn)”發(fā)育與分布規(guī)律。通過對在復(fù)雜成巖作用影響下的致密儲(chǔ)層成巖相研究，將有助于展開有利儲(chǔ)層預(yù)測，更有效地指導(dǎo)油氣勘探和開發(fā)[3-6]。然而以往的研究綜合成巖礦物、成巖事件、成巖環(huán)境等方面對成巖相進(jìn)行分類和命名，近年來，地震、測井等方法也應(yīng)用于定性識別描述不同類型成巖相[7-10]。蔣裕強(qiáng)等[11]、余瑜等[12]對四川盆地上三疊統(tǒng)須家河砂巖儲(chǔ)層引入成巖系數(shù)定量分析和劃分成巖相并選出勘探有利區(qū)。目前對研究區(qū)沙溪廟組致密砂巖成巖作用特征的研究主要基于定性描述，對于成巖相的多參數(shù)定量劃分研究較少[13]，而使川西疊覆型致密砂巖氣區(qū)的評價(jià)與勘探受到影響。根據(jù)不同成巖作用以及主要礦物，定性描述不同成巖相的特征及差異，并對應(yīng)多參數(shù)定量確定成巖相類型，為該區(qū)有利儲(chǔ)層預(yù)測和高效開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

川西拗陷位于揚(yáng)子地塊西北緣，呈現(xiàn)“三隆兩凹一坡”的構(gòu)造格局，即龍門山前構(gòu)造帶、新場構(gòu)造帶、成都凹陷、梓潼凹陷、知新場構(gòu)造帶和中江斜坡[14]（圖1）。研究區(qū)位于川西拗陷中段東部斜坡，屬于川西拗陷東部的一個(gè)次級構(gòu)造單元。沙溪廟組屬于河控三角洲沉積體系，砂體沉積微相以三角洲平原、前緣的（水下）分流河道為主[15]。總體物性較差且致密，孔隙度在0.9%～15.33%間，平均為8.66%；滲透率在0.000 8～1 910 mD間，平均為2.15 mD。沙溪廟組是氣田主力產(chǎn)層，截至目前，研究區(qū)侏羅系沙溪廟組共有完鉆井189口，提交探明儲(chǔ)量218.96×108m3，控制儲(chǔ)量 697.33×108m3，預(yù)測儲(chǔ)量 1 005.21×108m3。

圖1 川西拗陷中江氣田構(gòu)造地質(zhì)背景圖（據(jù)文獻(xiàn)[14，16]修改）

2 成巖作用

研究區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖過程，主要成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用以及少量交代作用，其中前兩種成巖作用是導(dǎo)致研究區(qū)儲(chǔ)層致密化的主要因素。

通過巖石薄片鏡下觀察，研究區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)層機(jī)械壓實(shí)作用明顯，未達(dá)到壓溶作用階段，云母等塑性顆粒受擠壓變形強(qiáng)烈（圖2a），或形成定向、半定向排列，擠壓變形填入孔隙，造成原始儲(chǔ)集空間逐漸縮小，孔滲變差。長石等剛性礦物顆粒發(fā)生變形，顆粒間接觸關(guān)系由點(diǎn)接觸發(fā)育到凹凸—縫合接觸（圖2b-c），甚至斷裂（圖2d）。若裂縫與孔隙連通，則提高儲(chǔ)層物性。但當(dāng)大量填隙物充填孔隙時(shí)，增加巖石的抗壓程度，這時(shí)膠結(jié)作用成為破壞儲(chǔ)層質(zhì)量的重要成巖作用。

研究區(qū)沙溪廟組的膠結(jié)作用類型多樣，主要有方解石膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)以及綠泥石膠結(jié)（圖2e-j）。按照方解石膠結(jié)物的類型、形成時(shí)間和產(chǎn)狀可將方解石膠結(jié)類型可分為早期方解石膠結(jié)與晚期鐵方解石膠結(jié)。早期方解石膠結(jié)物呈基底式充填原生孔隙，碎屑顆粒呈點(diǎn)或懸浮狀分布（圖2e）。晚期方解石膠結(jié)物常呈斑塊狀充填于粒間孔隙和溶蝕孔隙，而且很難被有機(jī)酸溶解（圖2f）?？紫抖扰c碳酸鹽巖膠結(jié)物含量呈指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著碳酸鹽巖膠結(jié)物增多孔隙度減小[16]。早期連晶狀方解石膠結(jié)和晚期鐵方解石膠結(jié)對砂巖儲(chǔ)層的破壞作用僅次于壓實(shí)作用，甚至可導(dǎo)致孔隙完全消失[17]。

根據(jù)硅質(zhì)礦物的類型、產(chǎn)狀及形成時(shí)間，可將本區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)類型的劃分為石英加大邊（圖2g）與自生石英充填孔隙兩種類型。次生加大占據(jù)孔隙空間，使得膠結(jié)致密，粒間孔喉大大減少。通常第一期石英加大發(fā)育不明顯，易在表面形成綠泥石膠結(jié)。接著在綠泥石外延發(fā)育第二期石英加大，其表面不見綠泥石薄膜，堵塞孔隙。自生石英發(fā)生在綠泥石膜膠結(jié)之后，孔隙內(nèi)發(fā)育自形的石英顆粒（圖2h）。在充填孔隙的同時(shí)，膠結(jié)作用也堵塞喉道，對孔隙度、滲透率均具有破壞作用。

將沙溪廟組綠泥石膠結(jié)劃分為兩種形式：綠泥石環(huán)邊襯邊膠結(jié)及綠泥石薄膜膠結(jié)。綠泥石膠結(jié)對孔隙具有雙重影響[18-20]。當(dāng)綠泥石呈襯邊狀（圖2i），起到阻止自生石英在碎屑石英表面成核的作用，抑制石英次生加大，孔內(nèi)不見綠泥石膠結(jié)，從而保存原生孔隙[21]，為溶蝕成巖作用提供了空間。當(dāng)綠泥石發(fā)育到一定程度，搭橋作用會(huì)徹底堵死喉道，使砂巖儲(chǔ)層的孔滲降低（圖2j）。

圖2 沙溪廟組不同成巖作用典型薄片鏡下特征圖

溶蝕作用是改善儲(chǔ)層物性最主要因素，不論粒間溶解還是粒內(nèi)溶解，不僅提高孔隙度，也提高顆粒之間的連通性來提高滲透率。本區(qū)溶蝕作用的溶蝕礦物主要為長石。在偏光鏡下，隨著溶蝕作用增強(qiáng)，長石從邊緣溶蝕成港灣狀，到顆粒蜂窩狀、殘縷狀，到完全溶蝕后形成鑄?？紫禰22]。少量巖屑等填隙物常常溶解形成巖屑內(nèi)鑄模孔和粒內(nèi)溶孔（圖2k-l）。溶蝕作用主要發(fā)生在早成巖階段B期至中成巖階段A期，正處于有機(jī)質(zhì)釋放出有機(jī)酸的時(shí)期，使孔隙的流體環(huán)境變?yōu)樗嵝裕偈归L石顆?；驇r屑中的不穩(wěn)定礦物在此環(huán)境下發(fā)生溶蝕，形成了次生溶孔，包括粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔，有效改善了砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能[7]。

綜上，成巖作用對儲(chǔ)層有三個(gè)表現(xiàn)：破壞作用，改善作用及保護(hù)作用。壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對儲(chǔ)層產(chǎn)生破壞作用，其中破壞能力由強(qiáng)到弱為壓實(shí)作用＞方解石膠結(jié)作用＞硅質(zhì)膠結(jié)作用＞綠泥石搭橋＞綠泥石充填。溶解作用改善儲(chǔ)層，其中長石溶解＞方解石膠結(jié)物的溶解＞巖屑溶解＞填隙物溶解＞巖石破裂形成裂縫。綠泥石膠結(jié)（綠泥石襯邊）則對孔隙的保護(hù)作用。

3 成巖相劃分

成巖相是成巖作用、成巖礦物、成巖環(huán)境等的綜合[5]。沙溪廟組儲(chǔ)層為低孔、特低孔—超低滲儲(chǔ)層，因此，成巖作用對本區(qū)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能具有重要作用。以川西中江地區(qū)大量掃描電鏡和鑄體薄片資料為基礎(chǔ)，根據(jù)不同膠結(jié)作用的儲(chǔ)層孔滲性的明顯差異以及長石溶蝕作用對孔滲有顯著的改善作用，將研究區(qū)沙溪廟儲(chǔ)層成巖相劃分為建設(shè)性（綠泥石膠結(jié)-長石溶蝕相）、保存性（綠泥石膠結(jié)相）和致密性（方解石膠結(jié)相、硅質(zhì)膠結(jié)相）。不同成巖相中有多種成巖作用組合而成（表1）。

表1 不同成巖相的不同成巖作用組合表

方解石膠結(jié)相以中等壓實(shí)作用和弱—中等溶蝕作用為主，硅質(zhì)膠結(jié)較少。早期連晶方解石、晚期鐵方解石的基底式膠結(jié)導(dǎo)致儲(chǔ)層近乎致密，總體上孔隙欠發(fā)育，以粒內(nèi)溶孔和微孔隙為主，部分發(fā)育微溶縫。該類成巖相對應(yīng)較低孔隙度與滲透率，分別為3.69%～8.63%，0.034～0.944 mD，連晶方解石膠結(jié)為主的樣品孔滲最低。

硅質(zhì)膠結(jié)相發(fā)育中等壓實(shí)作用和中等溶蝕作用，較弱方解石膠結(jié)?？傮w上巖石孔隙欠發(fā)育，以粒內(nèi)溶孔為主，粒間孔次之。該類成巖相也對應(yīng)低的孔隙度3.96%～7.48%和低的滲透率0.035～0.666 mD。

綠泥石膠結(jié)相發(fā)育中等壓實(shí)作用和中等溶蝕作用，較弱的硅質(zhì)膠結(jié)作用和方解石膠結(jié)作用。由于綠泥石環(huán)邊發(fā)育，保存的孔隙類型以粒間孔、粒間溶孔為主。粒間孔受綠泥石薄膜影響，呈近三角形或不規(guī)則形，孔內(nèi)潔凈。該類成巖相對應(yīng)較高孔隙度5.6%～12.8%和較高滲透率0.059～2.45 mD?？紫抖群蜐B透率較小的樣品，綠泥石的堵塞孔隙作用為主。

綠泥石膠結(jié)—長石溶蝕相中等壓實(shí)作用，強(qiáng)溶蝕作用，長石溶蝕現(xiàn)象普遍，綠泥石膠結(jié)保存粒間孔?？紫遁^發(fā)育，分布較均勻，連通性較好，孔隙類型以粒間溶孔為主，次為粒內(nèi)溶孔。該類成巖相有極好的孔隙度（9.74%～13.26%）和滲透率（0.23～2.57 mD），溶蝕作用增加次生孔隙，綠泥石膠結(jié)保存原生孔隙，使得儲(chǔ)層物性很好。

4 成巖相定量劃分參數(shù)

4.1 成巖系數(shù)

為定量描述不同成巖作用對儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性能的綜合影響，采用成巖系數(shù)[23]，視壓實(shí)率、視膠結(jié)率、視微孔隙率[14]等參數(shù)，公式如下：

式中K表示成巖系數(shù)；φp表示面孔率；φco表示視壓實(shí)率 ；φce表示視膠結(jié)率 ；φm表示視微孔隙率 ；φo表示原始隙度；φn表示現(xiàn)今孔隙度；ω表示溶孔百分比；Ci表示粒間膠結(jié)物含量；φ表示孔隙度。

一般來說，成巖系數(shù)值越大，說明成巖作用的綜合效應(yīng)使得儲(chǔ)集層物性更好，能夠有效地定量表征不同成巖相（表2）。視壓實(shí)率能夠一定程度上反映出壓實(shí)作用的強(qiáng)度對孔隙度大小的影響（式2）。從式3看出，視膠結(jié)率是膠結(jié)物含量與孔隙度的綜合度量，總體上視膠結(jié)率與孔隙度呈反比。但當(dāng)方解石膠結(jié)率低，則孔隙受壓實(shí)作用的影響較大；當(dāng)硅質(zhì)膠結(jié)受到溶蝕作用影響，產(chǎn)生的溶蝕孔隙使孔隙度增高。雖總體上孔隙度隨著綠泥石視膠結(jié)率增大而減少，但是孔隙度變化不大，綠泥石膠結(jié)仍有保存孔隙的作用。視微孔隙率表征難以滲流的儲(chǔ)集層微小的孔隙與裂縫含量，其值越大，說明微孔大量發(fā)育，大孔隙相對含量小，總體孔徑較小，導(dǎo)致儲(chǔ)層排驅(qū)壓力大、退汞效率低，儲(chǔ)集性能及滲流能力變差。

表2 川西坳陷沙溪廟組不同成巖相定量特征表

4.2 成巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)

由于成巖相為儲(chǔ)集層成巖作用改造以后其物性的定量表征，因此可建立成巖系數(shù)與儲(chǔ)集層物性的良好關(guān)系[24]?？傮w上，成巖系數(shù)越大，儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率均增大（圖3）。

圖3 成巖系數(shù)與成巖相物性關(guān)系圖

成巖系數(shù)通過測井曲線與成巖系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，建立測井識別模型。川西拗陷不同河道中，不同電性與成巖系數(shù)具有不同相關(guān)性（圖4）?？傮w來說，AC、GR與成巖系數(shù)具有較高相關(guān)性。AC越大，說明了儲(chǔ)層物性越好，成巖系數(shù)越高；GR越大，說明泥質(zhì)含量高，儲(chǔ)層質(zhì)量變差，成巖系數(shù)越小。CNL與成巖系數(shù)之間的關(guān)系在研究的井中并沒有明顯的規(guī)律，考慮是樣品點(diǎn)過少造成，故CNL不參與模型的建立。在某些河道樣品中，DEN越大，表示物性越差，但是成巖系數(shù)也越大，不符合地質(zhì)規(guī)律，建立模型時(shí)不考慮該參數(shù)。

綜上，以位于中江地區(qū)、高廟子地區(qū)的高廟101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道為例建立成巖系數(shù)識別模型，以便解釋成巖系數(shù)曲線，結(jié)合孔滲劃分成巖相，預(yù)測成巖相的分布。識別公式為：

式中Y表示成巖系數(shù)；γGR測井自然伽馬值，API；ΔtAC表示測井聲波時(shí)差數(shù)值，μs/ft；ρDEN表示測井巖石密度，g/cm3。

將上述公式應(yīng)用于高沙303井，有效劃分出方解石膠結(jié)相、綠泥石膠結(jié)相和綠泥石膠結(jié)長石溶蝕相，其中綠泥石膠結(jié)相和綠泥石膠結(jié)長石溶蝕相段薄片上孔隙類型以粒間溶孔為主，儲(chǔ)集能力好，且?guī)r心試氣顯示良好。

5 結(jié)論

1）川西拗陷沙溪廟組致密砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜多樣的成巖作用，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化的主要因素，其中方解石膠結(jié)作用對儲(chǔ)層物性破壞作用僅次于壓實(shí)作用，而綠泥石環(huán)邊膠結(jié)及溶蝕作用為建設(shè)性成巖作用。

2）結(jié)合以川西拗陷沙溪廟組大量薄片資料，根據(jù)不同膠結(jié)作用的明顯差異以及長石溶蝕作用對儲(chǔ)層質(zhì)量有顯著的改善作用，成巖相可以劃分為4類：綠泥石膠結(jié)—長石溶蝕相、綠泥石膠結(jié)相、方解石膠結(jié)相、硅質(zhì)膠結(jié)相。結(jié)合成巖系數(shù)、視壓實(shí)率、視膠結(jié)率等對各成巖相進(jìn)一步的定量分析，綠泥石膠結(jié)—長石溶蝕相是研究區(qū)物性最好的成巖相。

3）通過對自然伽馬、聲波時(shí)差、密度等測井曲線的分析選擇，選取靈敏性較高且符合地質(zhì)規(guī)律的測井曲線，對高廟101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道建立成巖系數(shù)識別模型。