多期次構造運動對不同物源成分砂巖控制作用

王 愛，鐘大康 ，王 威，周志恒，唐自成

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 海淀 100083；2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 昌平 102249；3.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 昌平 102249；4.中國石化勘探分公司，四川 成都 610041

引言

近年來，致密砂巖氣已經成為中國天然氣探明儲量的主要增長點[1-2]。通過勘探實踐和理論研究，在四川盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了有利的致密砂巖氣目標[3-4]。盆地東北部的須家河組元壩西地區(qū)的須二段和須三段、巴中地區(qū)的須四段和馬路背地區(qū)均有高產井，其中，元壩西地區(qū)元壩22 井須二段獲得工業(yè)氣流，元壩西地區(qū)元陸7 井和元陸12 井須三段分別累產氣7 700×104m3和8 100×104m3，巴中地區(qū)元陸17 井須四段累產氣1 300×104m3，馬路背地區(qū)馬103 井和馬101 井的須家河組分別累產氣2.66×108m3和1.52×108m3，這些實際的產量數(shù)據(jù)都顯示了巨大的勘探潛力[5]，但是在不同地區(qū)不同層段的儲層產能差異明顯。前期研究還發(fā)現(xiàn)，川東北須家河組是典型的致密砂巖儲層[5]，儲層的平均孔隙度都在2.0%左右，這不僅比四川盆地內部其他山前構造帶（以及川中地區(qū)）的孔隙度都要低，也比中國其他盆地的致密砂巖乃至世界上其他盆地的典型致密砂巖的孔隙度低。此外，前人對川東北地區(qū)須家河組的物源及其經歷的構造運動已經進行了詳細研究，但對川東北地區(qū)須家河組儲層的研究僅限于單個區(qū)塊的單個層位[6-11]，并未將整個川東北地區(qū)須家河組儲層整合在一起，研究多期次構造運動影響下不同物源成分儲層的特征及其控制因素。

因此，本文利用川東北地區(qū)90 余口鉆井取芯的普通薄片和鑄體薄片的孔滲測試、陰極發(fā)光、X 衍射分析和壓汞測試等數(shù)據(jù)，分析川東北地區(qū)須家河組（元壩西須二段、元壩西須三段、巴中須四段和馬路背須家河組）砂巖的巖石學特征、成巖作用、孔隙類型、物性特征、成巖演化和孔隙演化，研究多期次構造運動對不同物源致密砂巖儲層產能的控制作用。這不僅能在實際生產工作中為四川盆地山前帶的油氣勘探開發(fā)提供指導方案，在理論研究上也是對砂巖致密化機理的進一步補充完善。

1 地質背景

研究區(qū)在構造上位于四川盆地東北部，西部、北部和東北部分別與龍門山構造帶、米倉山隆起構造帶和大巴山逆沖推覆帶相鄰[12-19（]圖1）。本次研究的目的層段須家河組（元壩西須二段、元壩西須三段、巴中須四段和馬路背須家河組）發(fā)育在晚印支期（圖1）[12]，這一時期整個四川盆地正在完成由海相沉積向陸相沉積環(huán)境的轉變[20-21]，研究區(qū)周緣3個造山帶（龍門山造山帶、米倉山造山帶和大巴山造山帶）經歷的多期次構造運動和盆山耦合過程造成了元壩地區(qū)和通南巴地區(qū)須家河組物源供給的差異和沉積構造格局（圖2）[6]。從大巴山前陸擠壓帶向盆地內由近及遠依次發(fā)育通南巴背斜構造帶的馬路背強變形區(qū)，通江凹陷的巴中中等變形區(qū)，蒼溪—巴中低緩構造帶的元壩西部弱變形區(qū)。研究區(qū)整體的沉積環(huán)境為陸相湖泊相和辮狀河三角洲相[22-25]。

圖1 研究區(qū)構造位置及須家河組巖性組合特征Fig.1 Tectonic location of the study area and Characteristics of Xujiahe Formation

圖2 研究區(qū)構造發(fā)育特征[13]Fig.2 Structural development characteristics of the study area

2 巖石學特征

圖3 為川東北地區(qū)須家河組巖石成分三角圖，可以看出，元壩西須二段和元壩西須三段主要發(fā)育巖屑砂巖，巴中須四段主要發(fā)育巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑砂巖，馬路背須家河組主要發(fā)育巖屑砂巖、巖屑石英砂巖及少量的石英砂巖。

圖3 川東北地區(qū)須家河組巖石成分三角圖Fig.3 Detrital composition of sandstones in Xujiahe tight sandstones of Northeastern Sichuan Basin

薄片觀察和統(tǒng)計結果（圖4，圖5，表1）表明，元壩西須二段巖屑砂巖中的高含量的變質巖巖屑（12.0%）主要由龍門山淺變質巖母巖提供[7]。變質巖巖屑中以板巖和千枚巖巖屑為主，發(fā)生了明顯的假雜基化（圖5a）。元壩西須三段的巖屑砂巖中的巖屑主要為碳酸鹽巖巖屑（66.9%），主要由來自龍門山二疊系和三疊系碳酸鹽巖母巖提供[7]（圖5b，圖5c），因此，須三段的巖屑砂巖也被稱為鈣屑砂巖。與元壩西須二段和元壩西須三段相比，巴中地區(qū)須四段砂巖碎屑組分中的長石含量明顯增加，含量在2.3%～27.0%，平均值為14.7%，長石含量的升高與大巴山快速隆起提供大量巖漿巖物源有關[7]（圖5d）。與元壩西須二段巖屑砂巖相比，馬路背須家河組的巖屑砂巖具有更高含量的巖屑（圖5e）。極其富巖屑和貧長石是馬路背須家河組砂巖骨架顆粒構成的主要特征，反映了快速、風化、短距離搬運和快速埋藏的沉積成巖條件，同時也反映其物源區(qū)主要是一個貧長石（非花崗巖、花崗片麻巖）物源區(qū)。此外，馬路背須家河組還發(fā)育少量的細粒石英砂巖（圖5f），這些也都反映其物源主要來自大巴山的淺變質巖和巖漿巖母巖[7]。

圖4 川東北地區(qū)須家河組砂巖巖石成分餅狀圖Fig.4 Pie chart of sandstone rock composition of Xujiahe tight sandstones of Northeastern Sichuan Basin

圖5 川東北地區(qū)須家河組砂巖巖石學特征Fig.5 Lithological characteristics of Xujiahe tight sandstones of Northeastern Sichuan Basin

整體上，川東北地區(qū)須家河組致密砂巖結構特征主要表現(xiàn)為中粒度（其次為細粒度）（表1），中等分選，次棱—次圓狀磨圓。

表1 川東北地區(qū)須家河組巖石成分統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of rock composition of Xujiahe tight sandstones of Northeastern Sichuan Basin

因此，結合前人對研究區(qū)的構造背景和物源的研究可知，在印支晚期，研究區(qū)盆緣造山活動的強弱控制了須家河組物源供給和物源區(qū)母巖類型的差異（圖6）[7]，形成了不同類型的砂巖。須二期，龍門山北段開始隆起，元壩西須二段主要發(fā)育由龍門山淺變質巖供源的巖屑砂巖；須三期，龍門山全面隆起，元壩西須三段主要發(fā)育由龍門山二疊系和三疊系碳酸鹽巖母巖供源的細中粒巖屑（鈣屑）砂巖，巴中須四段主要發(fā)育大巴山巖漿巖供源的巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑砂巖，馬路背須家河組受大巴山淺變質巖和巖漿巖母巖影響，主要發(fā)育巖屑砂巖、巖屑石英砂巖及少量的石英砂巖。

圖6 川東北地區(qū)須家河組沉積物源示意圖[7]Fig.6 Schematic diagram of sediment source of Xujiahe Formation in the Northeastern Sichuan Basin

3 成巖-孔隙演化過程

通過普通薄片和鑄體薄片觀察及相關的巖礦鑒定數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將研究區(qū)不同物源成分砂巖的成巖作用特征參數(shù)總結在表2 中。不同物源成分砂巖經歷了不同的成巖-孔隙演化過程（圖7）。

圖7 川東北須家河組不同物源成分砂巖成巖過程與孔隙演化Fig.7 Diagenesis process and porosity evolution of tight sandstones of of Xujiahe Formation in the Northeastern Sichuan Basin

表2 研究區(qū)不同物源成分砂巖成巖作用特征參數(shù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of diagenesis of characteristic and its parameters of sandstones in the study area

元壩西須二段巖屑砂巖受到早期埋藏壓實作用的影響，原生孔隙度快速降低，總的壓實減孔量為23.3%，到中成巖期有機質生烴作用產生有機酸，對巖屑砂巖中的板巖千枚巖巖屑中的鋁硅酸鹽礦物和碎屑長石顆粒進行溶蝕，根據(jù)文獻[26]，鋁硅酸鹽礦物或者長石溶蝕過程中存在以下反應

溶蝕作用增加的孔隙度為3.0%，后期溶蝕產物會形成綠泥石膠結、硅質膠結和方解石膠結使得孔隙進一步損失，平均的膠結作用減孔為7.9%，現(xiàn)今的孔隙度為4.9%（圖8）。元壩西須二段砂巖儲層在本論文研究的幾個層段中孔隙度最好（圖9），這可能與其處于弱構造變形區(qū)（元壩西部弱變形區(qū)）構造擠壓弱有關（圖10）。同時，由于位于弱構造變形區(qū)，裂縫不太發(fā)育，規(guī)模小，角度低，切穿上覆須三段烴源巖的裂縫也少，因此，天然氣的產能低，最終形成現(xiàn)今元壩西須二段相對弱壓實、巖屑及長石溶孔的低孔低滲孔隙型儲層。

圖8 元壩西須二段巖屑砂巖成巖作用及孔隙類型典型特征Fig.8 Typical characteristics of diagenesis and pore type of Xu-2 tight sandstones of western Yuanba Area

元壩西須三段鈣屑砂巖盡管與元壩西須二段砂巖位于同一構造部位（圖10），并且在成因上也屬于陸源碎屑巖中的同一類砂巖（巖屑砂巖），但其高鈣屑含量的成分特殊性造成了其埋藏成巖特殊性以及孔隙演化的特殊性。早成巖期鈣屑砂巖發(fā)生強烈的方解石膠結（15.2%）導致其埋藏壓實作用相對較弱，原生粒間孔不發(fā)育。中成巖階段開始，發(fā)生有機酸的溶蝕，沿粒間孔發(fā)生一定程度溶蝕形成粒間溶孔，平均的溶蝕增孔量為0.3%；同時還有中后期泥晶藻屑砂屑發(fā)生強重結晶作用形成許多晶間微孔，晶間微孔隙提供的孔隙度為1.4%。盡管這些泥晶碳酸鹽礦物重結晶形成的晶間孔孔隙微小，但數(shù)量非常巨大（圖11）。在晚燕山運動和喜馬拉雅運動的持續(xù)的構造擠壓作用下，碳酸鹽鈣屑顆粒與膠結物的脆性特征決定其在弱變形區(qū)（元壩西部弱變形區(qū)）也易于破裂形成一定裂縫（圖11）；少量陸源石英與黏土易于產生壓溶，并且后期沿裂縫與縫合線發(fā)生少量溶蝕形成粒間溶孔以及伴隨裂縫及繞顆粒周緣的（壓）溶縫（圖11），最終由于構造作用產生裂縫增孔0.2%，現(xiàn)今的平均孔隙度為2.0%（圖9），形成須三段鈣屑砂巖弱壓實強膠結強重結晶的晶間微孔、粒間溶孔、殘余粒間孔及微裂縫溝通的裂縫-孔隙型儲層。

圖9 川東北地區(qū)須家河組砂巖儲層孔隙度滲透率交會圖Fig.9 Porosity and permeability relationship of in Xujiahe Formation in the Northeastern Sichuan Basin

圖10 川東北地區(qū)構造模式[6]（剖面位置見圖1）Fig.10 Construction mode of Northeastern Sichuan Basin（The positions of section is shown in Figure 1）

圖11 元壩西須三段鈣屑砂巖成巖作用及孔隙類型典型特征Fig.11 Typical characteristics of diagenesis and pore type of Xu-3 tight sandstones of western Yuanba Area

巴中地區(qū)須四段長石巖屑砂巖經歷的成巖作用和孔隙演化和元壩西須二段巖屑砂巖類似，但由于其位于巴中中等變形區(qū)，也有一些不同之處。早成巖階段，砂巖持續(xù)埋藏至2 500 m，主要是壓實作用減孔階段（圖12a），總的壓實減孔量為26.5%，發(fā)育少量早期方解石膠結；中成巖階段A 亞期（中侏羅世—中白堊世），隨著有機質成熟生烴，發(fā)生有機酸溶蝕作用（圖12b，圖12c），增加的孔隙度平均值為1.5%；溶蝕之后的物質在附近沉淀下來，依次發(fā)育綠泥石膜膠結、硅質膠結和方解石膠結（圖12c，圖12d）；總體膠結作用使儲層孔隙度平均下降了4.0%（圖9），但與川東北元壩西地區(qū)須二段儲層不同的是，川東北巴中須四段溶蝕對象主要為長石顆粒而非火山巖巖屑或千枚巖巖屑（圖12b，圖12c）；并且依據(jù)反應式（1），由于長石可以溶蝕不能提供鐵離子和鎂離子，巴中須四段砂巖中沒有發(fā)育比元壩西須二段砂巖更顯著的綠泥石膜膠結（圖8，圖12c）。燕山運動晚期和喜馬拉雅期主要對應于中成巖階段B 亞期和構造抬升階段。此時砂巖的孔隙度已經非常低（孔隙度為3.0%），膠結作用和溶蝕作用基本已經停止，最主要的成巖作用現(xiàn)象是構造壓實作用，體現(xiàn)為構造擠壓造縫（圖12a）。此外，由于強烈的構造擠壓作用（巴中中等變形區(qū)）（圖10），巴中須四段砂巖經歷了比元壩西須二段巖屑砂巖更為明顯的壓實作用，導致其壓實減孔高，粒間體積小，現(xiàn)今孔隙度低，但是其裂縫發(fā)育，規(guī)模大，角度大，傾角陡，溝通的孔隙多，切割的相鄰烴源巖層（須三段和須五段）的厚度大，因此產能高，并且最終形成中—強擠壓、長石溶蝕、裂縫溝通溶（微）孔的極低孔低滲裂縫—孔隙型儲層。

圖12 巴中須四段砂巖成巖作用及孔隙類型典型特征Fig.12 Typical characteristics of diagenesis and pore type of Xu-4 tight sandstones of Bazhong Area

馬路背須家河組石英砂巖早成巖階段，由于石英砂巖的粒度比較細，隨著埋藏的進行，石英砂巖的初始孔隙度很快損失，壓實減孔量約為26.0%，同時局部發(fā)育早期硅質膠結，平均膠結減孔1.0%左右。中成巖階段，由于石英砂巖中能夠被溶蝕的物質很少，有機酸溶蝕作用增加的孔隙度也少（溶蝕作用增加的孔隙度約為0.3%），孔隙度降低至現(xiàn)今的2.0%左右。構造抬升階段，石英砂巖在構造強擠壓下產生許多裂紋—微裂縫（圖13），很好地改善了儲層的滲透率。這些裂紋—微裂縫溝通了微孔，配合溝通了古生代海相烴源巖層和須家河組陸相烴源巖的各種規(guī)模斷層，形成超低孔低滲但產能巨大的儲層。這種宏觀與微觀裂縫溝通大量基質微孔的模式，形成馬101 井須二段石英砂巖的持續(xù)高產。

圖13 馬路背須家河組石英砂巖成巖作用及孔隙類型典型特征Fig.13 Typical characteristics of diagenesis and pore type of Xujiahe quartz sandstone of Malubei Area

馬路背地區(qū)須家河組巖屑砂巖在早成巖階段，由于快速埋藏的原因，以壓實作用為主，該階段為砂巖壓實減孔的最主要階段，壓實減孔量27.6%。部分巖屑砂巖中發(fā)育少量的早期硅質膠結和方解石膠結（圖14a，圖14b），晚印支運動結束時，砂巖的孔隙度在6.0%左右。早燕山期開始時由于砂巖已經非常致密，水巖反應非常微弱，各種膠結作用不太發(fā)育，早燕山期（199—100 Ma）的深埋藏壓實作用（最大埋深6 000～8 000 m）進一步導致孔隙度減少1.0%。由于石英等剛性顆粒接觸更加緊密，導致壓溶作用發(fā)生形成少量的硅質膠結作用，部分巖屑砂巖中發(fā)育少量方解石膠結，膠結作用減孔的平均值在2%左右。在晚燕山期和喜馬拉雅期，強烈的構造擠壓作用仍在持續(xù)（圖10），顆粒的抗壓能力達到極限，因此，石英等剛性顆粒中發(fā)育裂紋—微裂縫（圖14c，圖14d），它們與多期次構造運動疊加作用下發(fā)育的各種區(qū)域大規(guī)模宏觀斷層組合，形成一種特殊的低孔不低滲的“斷縫體”儲集單元。喜馬拉雅運動結束時，砂巖的孔隙度幾乎與現(xiàn)今的孔隙度一樣，為1.8%（圖9）。此外，區(qū)域的大斷裂溝通古生代海相烴源巖層和須家河組陸相烴源巖[6]，氣源充足產能巨大，最終形成馬路背地區(qū)深埋藏壓實與構造強擠壓、裂縫溝通微孔的超低孔低滲孔隙-裂縫型須家河組巖屑砂巖儲層。

圖14 馬路背須家河組巖屑砂巖成巖作用及孔隙類型典型特征Fig.14 Typical characteristics of diagenesis and pore type of Xujiahe lithic sandstone of Malubei Area

4 不同構造部位對儲層的控制作用

構造部位控制了構造擠壓強弱與裂縫及斷層發(fā)育程度及規(guī)模，進而決定了原始孔隙與后期溶蝕孔隙保存程度以及孔隙的連通性，也控制了源儲關系與油氣充注程度，最終控制天然氣產能。

從粒間體積和膠結物的交會圖可以看到，元壩西的砂巖受到的壓實程度最弱，巴中為中等壓實，馬路背地區(qū)最強（圖15）。由于元壩地區(qū)受到的壓實作用最弱，早期的粒間孔隙保留下來的多，進而到了中成巖期有機酸能夠更加容易進入砂巖段發(fā)生溶蝕，溶蝕作用的強度也大，后期溶蝕產物沉淀，導致膠結減孔也越多，而馬路背地區(qū)的溶蝕作用和膠結作用均為最弱，巴中地區(qū)的須四段砂巖則介于兩者之間（表2）。

圖15 川東北地區(qū)砂巖粒間體積-膠結物體積交會圖Fig.15 Cross plot of intergranular volume and cement volume of sandstones in Northeastern Sichuan Basin

喜馬拉雅運動構造擠壓作用的最為強烈，不同構造部位的砂巖距離造山帶越近，構造壓實作用的特征越明顯，發(fā)育的裂縫也越多，溝通的粒間基質微孔也越多。從壓汞曲線得到的孔隙結構參數(shù)可知，須家河組砂巖中大量的微孔隙是溝通的（圖16），并且無論是中值喉道半徑還是最大喉道半徑，它們的大小關系都表現(xiàn)為元壩西須二段巖屑砂巖>巴中須四段長石巖屑砂巖>元壩西須三段鈣屑砂巖>馬路背須家河組石英砂巖和巖屑砂巖，這也在一定程度上反映了不同變形區(qū)（構造部位）壓實作用的強度（圖17）。元壩西須二段巖屑砂巖由于距離大巴山前陸擠壓帶較遠，受到喜馬拉雅期的構造擠壓作用最小，產生的裂縫少（圖17I 區(qū)）；而距離大巴山前陸擠壓帶最近的馬路背地區(qū)，構造擠壓最強，壓實減孔最多，孔隙度最低，但裂縫最為發(fā)育，并且產生了大規(guī)模斷層（圖17IV 區(qū)），很好地溝通了相鄰層位的須家河組陸相烴源巖甚至更深的海相烴源巖層系，氣源充足，產能巨大（圖17）。

圖16 川東北地區(qū)須家河組砂巖壓汞曲線喉道參數(shù)分布Fig.16 Distribution of throat parameters of sandstones in Northeastern Sichuan Basin

圖17 川東北地區(qū)不同構造變形區(qū)須家河組宏觀斷裂發(fā)育特征Fig.17 Characteristics of macro-fracture development of Xujiahe Formation in different structural deformation zones of Northeastern Sichuan Basin

5 結論

（1）印支晚期，川東北地區(qū)盆緣造山活動的強弱控制了須家河組物源供給和物源區(qū)母巖類型的差異，形成了不同類型的砂巖，元壩西須二段主要發(fā)育龍門山淺變質巖供源的巖屑砂巖，元壩西須三段主要發(fā)育龍門山二疊系和三疊系碳酸鹽巖母巖供源的鈣屑砂巖，巴中須四段主要發(fā)育大巴山巖漿巖供源的巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑砂巖，馬路背須家河組受大巴山淺變質巖和巖漿巖母巖影響，主要發(fā)育巖屑砂巖、巖屑石英砂巖及少量的石英砂巖。

（2）在燕山運動和喜馬拉雅運動的持續(xù)影響下，從大巴山前陸擠壓帶向盆地內由近及遠依次發(fā)育馬路背強變形區(qū)、巴中中等變形區(qū)和元壩西弱變形區(qū)，不同構造部位不同類型砂巖經歷了不同的成巖序列和孔隙演化過程，儲層發(fā)育模式差異明顯。

（3）川東北地區(qū)須家河組致密砂巖儲層受物源和構造背景雙重控制，構造作用為主控因素。物源控制砂巖成分，進而控制成巖過程；構造部位控制了構造擠壓強弱與裂縫及斷層發(fā)育程度及規(guī)模，進而決定了原始孔隙與后期溶蝕孔隙保存程度以及孔隙的連通性，也控制了源儲關系與油氣充注程度，最終控制天然氣產能。