致密砂巖儲(chǔ)層成巖相及孔隙演化過(guò)程
——以川中北部地區(qū)沙二1亞段為例

朱訊，馮林杰，呂樂(lè)，蔣裕強(qiáng)，王小娟，李明秋，李雪松

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610000；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000；4.中國(guó)石油西南油氣田公司川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

川中北部地區(qū)沙溪廟組是中國(guó)陸相致密砂巖氣藏勘探的重點(diǎn)層系，2019年以來(lái)，針對(duì)沙二1亞段致密河道砂巖氣藏部署鉆井40余口，累計(jì)測(cè)試產(chǎn)量超過(guò)770×104m3，縱向非均質(zhì)性極強(qiáng)，單井產(chǎn)能差異明顯。前人研究認(rèn)為致密砂巖的“甜點(diǎn)”的形成受控于沉積組構(gòu)、成巖相及演化歷程[1-3]等因素，四川盆地在該方面的研究?jī)H限于川西及川東北須家河組[4-7]，雖然有研究者對(duì)該區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)層成巖相的類(lèi)型及演化歷程進(jìn)行了初步研究[8]，但依然存在成巖相劃分方案較籠統(tǒng)、劃分依據(jù)闡述不足、成巖演化序列未完善等問(wèn)題。本次研究利用鑄體薄片鑒定、掃描電鏡觀察等實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)川中北部地區(qū)沙二1亞段儲(chǔ)層特征、成巖作用類(lèi)型及時(shí)序進(jìn)行研究，引入成巖強(qiáng)度參數(shù)制定相應(yīng)的成巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討不同巖相中砂體孔隙經(jīng)歷的演化歷程，以期為該區(qū)后期儲(chǔ)層甜點(diǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)工作提供參考。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于中國(guó)西南部，隸屬于揚(yáng)子板塊西緣，其內(nèi)部可細(xì)分出6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，即川西坳陷帶、川北低陡褶皺帶、川中低緩褶皺帶、川西南低陡褶皺帶、川南低陡褶皺帶和川東高陡構(gòu)造帶。研究區(qū)位于川中低緩褶皺帶西北部與川北低陡褶皺帶西南部交會(huì)部位，西鄰川西坳陷（見(jiàn)圖1）。

圖1 四川盆地構(gòu)造分區(qū)及研究區(qū)位置示意

中侏羅世，該區(qū)發(fā)育干旱氣候背景下的曲流河沉積，形成了以紫紅色泥巖為主，夾灰色、灰綠色砂巖的紅色地層，即沙溪廟組。其內(nèi)部以葉肢介頁(yè)巖為界，自下而上劃分為沙一段和沙二段，沙二段內(nèi)部根據(jù)基準(zhǔn)面升降，又可自下而上細(xì)分出沙二1、沙二2、沙二3及沙二4共4個(gè)亞段。沙二1亞段發(fā)育4套砂組，砂組內(nèi)部具有多期正粒序單砂體疊置、沖刷接觸的特征，單砂體底部常見(jiàn)紫紅色或灰綠色泥巖礫石，反映出河道遷移頻繁，短期廢棄的特征。

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

鏡下鑄體薄片鑒定結(jié)果表明：沙二1亞段儲(chǔ)集巖類(lèi)型主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖（見(jiàn)圖2），骨架組分具有長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，石英及巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的特點(diǎn)。膠結(jié)物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.8%，可見(jiàn)碳酸鹽、硅質(zhì)、綠泥石、伊/蒙混層以及伊利石等多種類(lèi)型。砂巖粒徑以中粒為主，其次是細(xì)粒，分選中等—好，顆粒多呈次棱角狀，并以點(diǎn)-線狀態(tài)相接觸。

圖2 川中北部沙二1亞段儲(chǔ)層巖石分類(lèi)三角投點(diǎn)圖

2.2 物性特征

常壓孔滲測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：沙二1亞段儲(chǔ)層孔隙度介于2.3%～15.9%，平均9.5%；滲透率介于0.005×10-3～96.200×10-3μm2，平均 2.200×10-3μm2，孔滲總體有正相關(guān)性（見(jiàn)圖3）。根據(jù)SY/T6285—2011《油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法》，沙二1亞段發(fā)育的儲(chǔ)層主要為低—特低孔、超低滲。

圖3 川中北部沙二1亞段砂巖滲透率與孔隙度交會(huì)圖

3 成巖作用及成巖序列

3.1 成巖作用類(lèi)型

3.1.1 壓實(shí)作用

沙二1亞段經(jīng)歷了以機(jī)械壓實(shí)為主導(dǎo)的中等強(qiáng)度的壓實(shí)作用，鏡下可見(jiàn)片狀礦物被壓彎變形（見(jiàn)圖4a）、顆粒長(zhǎng)軸定向排列以及塑性組分假雜基化等現(xiàn)象（見(jiàn)圖4b），但顆粒間仍以點(diǎn)-線接觸為主，壓溶作用幾乎不發(fā)育。壓實(shí)作用造成沙二1亞段孔隙的損失率大于50%，是儲(chǔ)滲性降低的首要原因。

在小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力是一項(xiàng)重要的教學(xué)任務(wù)，探究式的閱讀教學(xué)不但可以充分發(fā)揮學(xué)生課堂主體的作用，引發(fā)學(xué)生的探究式思考，還可以營(yíng)造活躍的課堂氛圍，提升閱讀教學(xué)的效率。因此，教師應(yīng)結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，充分的考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況進(jìn)行不斷的調(diào)整與探索，找到最高效的小學(xué)語(yǔ)文探究式閱讀教學(xué)的方法，來(lái)提升學(xué)生的閱讀能力。

圖4 川中北部沙二1亞段砂巖成巖特征

3.1.2 溶蝕作用

溶蝕作用在本區(qū)砂巖中發(fā)育較為普遍，具有明顯的物性改善效果。長(zhǎng)石是主要的溶蝕物質(zhì)，多沿解理溶蝕，從而形成網(wǎng)格狀粒內(nèi)溶孔（見(jiàn)圖4c）。沙溪廟組氣藏作為遠(yuǎn)源次生氣藏[9]，其溶蝕作用的發(fā)育，與烴類(lèi)充注活動(dòng)密切相關(guān)。韋騰強(qiáng)等[10]通過(guò)包裹體測(cè)溫等手段判斷本區(qū)沙二段在距今85～68 Ma發(fā)生一期天然氣充注，該期天然氣充注帶來(lái)的有機(jī)酸是儲(chǔ)層中溶蝕作用發(fā)育的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.1.3 黏土礦物膠結(jié)

本區(qū)沙二1亞段儲(chǔ)層中發(fā)育的黏土礦物類(lèi)型主要為伊/蒙混層、伊利石以及綠泥石3類(lèi)。伊/蒙混層是埋藏成巖過(guò)程中蒙皂石伊利石化的中間產(chǎn)物，呈蜂窩狀薄膜覆蓋顆粒表面（見(jiàn)圖4d），一般對(duì)儲(chǔ)層物性無(wú)明顯影響，但轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放出的鐵、鎂、鈣離子以及硅質(zhì)，是后期多種自生膠結(jié)物形成的基礎(chǔ)。伊利石多以絲縷狀或搭橋狀充填于粒間（見(jiàn)圖4e），使得孔隙通道彎曲度大幅增加，顯著降低了巖石的滲透率。該類(lèi)產(chǎn)狀伊利石多是通過(guò)高嶺石-鉀長(zhǎng)石自發(fā)反應(yīng)形成[11-12]。綠泥石具有薄膜狀及玫瑰花狀2類(lèi)產(chǎn)狀，薄膜狀綠泥石生長(zhǎng)于同生期—早成巖期，可能直接從富含鐵、鎂離子的偏堿性流體中析出；玫瑰花狀綠泥石多形成于伊/蒙混層表面，伊/蒙混層形成過(guò)程中產(chǎn)生的鐵、鎂離子直接為其形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。綠泥石的發(fā)育對(duì)儲(chǔ)層的效應(yīng)至今仍有一定爭(zhēng)議，但大多數(shù)學(xué)者已認(rèn)為薄膜狀綠泥石的發(fā)育有利于保持流體環(huán)境偏堿性，在一定程度上抑制了酸性環(huán)境膠結(jié)物的發(fā)育，從而對(duì)儲(chǔ)層起到一定的保護(hù)作用[13]。

3.1.4 碳酸鹽礦物膠結(jié)

沙二1亞段中發(fā)育的碳酸鹽膠結(jié)物在陰極發(fā)光下均發(fā)亮紅色光（見(jiàn)圖4h），經(jīng)茜素紅溶液染色后呈紅色，其類(lèi)型均為方解石，具有連晶狀（見(jiàn)圖4i）以及晶粒狀（見(jiàn)圖4j）2種產(chǎn)狀。前者往往形成基底式膠結(jié)，對(duì)原生孔隙破壞極大，因此屬于早成巖期產(chǎn)物，泥質(zhì)在壓實(shí)過(guò)程中排出的富鈣釋壓流體是其主要物質(zhì)來(lái)源[14]；而后者多占據(jù)溶蝕孔隙，與長(zhǎng)石形成交代關(guān)系，這表明含鈣長(zhǎng)石溶蝕釋放的鈣離子為其提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.1.5 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)在儲(chǔ)層中具有次生石英加大（見(jiàn)圖4k）以及自生晶體（見(jiàn)圖4l）2種賦存狀態(tài)?？傮w來(lái)看，硅質(zhì)膠結(jié)在沙二1亞段發(fā)育程度很低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2%。其物質(zhì)來(lái)源主要有2種：一種是伊/蒙混層形成過(guò)程中產(chǎn)生的游離硅；另一種是硅鋁酸鹽礦物（主要是長(zhǎng)石）溶蝕過(guò)程中形成的硅離子。

3.2 成巖階段及演化序列

4 成巖相

成巖相是原始沉積物質(zhì)在埋藏期經(jīng)歷的一系列物理化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果[15]，區(qū)分時(shí)，要考慮成巖作用類(lèi)型、階段、環(huán)境、標(biāo)志性產(chǎn)物以及演化時(shí)序。由于研究側(cè)重點(diǎn)的不同以及實(shí)際地質(zhì)條件的差異，無(wú)法形成統(tǒng)一的成巖相劃分方案[15-18]。本次研究用定量參數(shù)對(duì)巖石經(jīng)歷的壓實(shí)、膠結(jié)以及溶蝕程度進(jìn)行表征，將“視壓實(shí)率、視膠結(jié)率、視溶蝕率”作為主要指標(biāo)[19]，通過(guò)式（1）—（3）計(jì)算，將成巖相劃分為強(qiáng)、中、弱3個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表1）。根據(jù)以上成巖相的劃分原則，將川中北部的沙二1亞段砂巖劃分為4類(lèi)成巖相（見(jiàn)圖5）。

表1 川中北部沙二1亞段砂巖成巖強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖5 川中北部沙二1亞段各成巖相特征

1）中等壓實(shí)-弱膠結(jié)-強(qiáng)溶蝕相（Ⅰ）多見(jiàn)于以粗—中粒為主的邊灘底部，分選較好，壓實(shí)率平均為64.0%。膠結(jié)物以薄膜狀綠泥石為主，視膠結(jié)率平均為14.9%。視溶蝕率較高，平均為30.1%。該類(lèi)成巖相骨架組分之間多以點(diǎn)-線方式接觸，殘余原生孔發(fā)育程度高，其次為長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔。

2）中等壓實(shí)-中等膠結(jié)-中等溶蝕相（Ⅱ）主要發(fā)育于以細(xì)—中粒為主的邊灘砂體中部，分選中等—好，壓實(shí)率平均為63.8%。膠結(jié)物類(lèi)型多樣，顆粒表面發(fā)育大量伊/蒙混層，晶粒狀方解石、自生石英微晶；石英加大邊質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，視膠結(jié)率平均為29.7%，溶蝕率較成巖相（Ⅰ）有所降低，平均為28.9%。該類(lèi)成巖相孔隙類(lèi)型與成巖相（Ⅰ）一致，但發(fā)育程度較低。

3）強(qiáng)壓實(shí)-弱膠結(jié)相（Ⅲ）主要發(fā)育于含泥礫的河床滯留沉積以及粉—細(xì)粒邊灘砂體頂部，分選較差，黏土雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且與碎屑顆粒緊密鑲嵌，壓實(shí)率平均為85.1%。膠結(jié)作用在該類(lèi)巖相中發(fā)育較弱，視膠結(jié)率平均13.0%。該類(lèi)巖相在鏡下肉眼可見(jiàn)的孔隙已較少，儲(chǔ)集空間以雜基孔、黏土礦物晶間孔為主。

4）弱壓實(shí)-強(qiáng)膠結(jié)相（Ⅳ）主要發(fā)育于泥巖段附近的巖層中，分選中等，視壓實(shí)率很低，平均為24.9%。大量連晶狀方解石膠結(jié)物的發(fā)育是其主要特征，視膠結(jié)率平均為88.5%。該類(lèi)成巖相在鏡下幾乎不發(fā)育肉眼可見(jiàn)的孔隙，僅發(fā)育少量的黏土礦物晶間孔。

5 孔隙演化分析

5.1 初始孔隙度恢復(fù)

根據(jù)Beard等[20]提出的未固結(jié)砂巖原始孔隙度模型，對(duì)砂巖初始孔隙度φ0進(jìn)行恢復(fù)，計(jì)算公式為

式中：S0為通過(guò)篩析法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；P25，P75分別對(duì)應(yīng)粒度概率累積值25%與75%的粒徑，mm。

根據(jù)粒度資料，Ⅰ—Ⅳ成巖相初始孔隙度分別取40.3%，38.1%，30.8%，33.7%。

5.2 孔隙度演化歷程

本次研究在初始孔隙度恢復(fù)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)埋藏曲線模擬壓實(shí)曲線，以鏡下估算得到的膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及溶孔貢獻(xiàn)量為依據(jù)，結(jié)合各類(lèi)膠結(jié)物沉淀與溶蝕作用發(fā)生的時(shí)間，反推相應(yīng)的減孔與增孔曲線，通過(guò)三者疊加得到不同巖相對(duì)應(yīng)的孔隙演化曲線。

5.2.1 成巖相Ⅰ

成巖相Ⅰ砂巖形成于水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境中，剛性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，在埋藏期始終保存數(shù)量較多的原生孔隙，流體交換順暢，薄膜狀綠泥石在同生期—早成巖早期大量發(fā)育，并對(duì)其他膠結(jié)物的發(fā)育起到一定抑制作用，經(jīng)過(guò)早成巖B期，壓實(shí)減孔23.7%；膠結(jié)減孔1.5%。進(jìn)入中成巖期，隨著天然氣充注發(fā)生，有機(jī)酸順利進(jìn)入巖層，對(duì)長(zhǎng)石等物質(zhì)造成較強(qiáng)烈溶蝕，但順暢的流體交換使得溶蝕產(chǎn)物能夠快速被運(yùn)移出儲(chǔ)層，中成巖期成巖相Ⅰ僅在局部見(jiàn)到少量自生石英晶體以及晶粒狀方解石發(fā)育。受中成巖期機(jī)械壓實(shí)影響，孔隙度進(jìn)一步損失5.8%，新增膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.7%左右，溶蝕增孔可達(dá)3.7%。經(jīng)過(guò)以上成巖演化過(guò)程，成巖相Ⅰ仍具有12.3%左右的孔隙度，物性在各類(lèi)成巖相中最優(yōu)，屬最有利成巖相（見(jiàn)圖6a）。

圖6 川中北部沙二1亞段各成巖相孔隙演化歷程

5.2.2 成巖相Ⅱ

成巖相Ⅱ砂巖沉積水動(dòng)力較成巖相Ⅰ有所減弱，分選相對(duì)變差，初始孔隙度有所降低，使得同生期—早成巖期孔隙流體交換受到一定限制，顆粒表面大量覆蓋以蒙皂石為主的早期黏土物質(zhì)，并隨著埋深增加逐漸演化為伊/蒙混層，至早成巖B期結(jié)束，壓實(shí)作用累計(jì)減孔24.0%，膠結(jié)減孔僅為0.9%。進(jìn)入中成巖期，有機(jī)酸對(duì)儲(chǔ)層造成一定溶蝕，但強(qiáng)度弱于成巖相Ⅰ。在流體進(jìn)出受到一定限制的情況下，自生石英晶體、石英加大邊、晶粒狀方解石均有發(fā)育。同時(shí)，隨著高嶺石和鉀長(zhǎng)石的自發(fā)反應(yīng)進(jìn)行，絲縷狀伊利石開(kāi)始充填孔喉，對(duì)儲(chǔ)層滲透率破壞嚴(yán)重。中成巖期壓實(shí)作用減孔量較低，僅為3.1%，可能是該階段發(fā)育的硅質(zhì)及方解石膠結(jié)物增強(qiáng)了一定的抗壓實(shí)性。該階段新增膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.2%，溶蝕增孔2.8%，保留的原生孔為9.7%左右，最終孔隙性仍較好，屬于次一級(jí)的成巖相（見(jiàn)圖6b）。

5.2.3 成巖相Ⅲ

成巖相Ⅲ由于雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且分選較差，因此，初始孔隙度較低，同時(shí)抗壓實(shí)性弱，在早成巖期被迅速壓實(shí)致密，至早成巖期結(jié)束，壓實(shí)減孔22.4%，膠結(jié)減孔僅0.6%。在該條件下，有機(jī)酸進(jìn)入巖層的難度比較大，因此，極少發(fā)生溶蝕作用，黏土礦物的轉(zhuǎn)化也相對(duì)比較困難，大多形成集合體。中成巖期壓實(shí)減孔3.8%，該時(shí)期膠結(jié)物的發(fā)育及溶蝕增孔均不明顯，仍殘余4.0%左右的孔隙度，但以雜基孔為主，屬于差成巖相（見(jiàn)圖6c）。

5.2.4 成巖相Ⅳ

成巖相Ⅳ砂巖的發(fā)育主要與臨近泥巖段有關(guān)，與本身沉積組分及結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。成巖早期由于大量的連晶狀方解石膠結(jié)形成，孔隙幾乎被消耗殆盡，壓實(shí)減孔僅8.4%，但膠結(jié)減孔達(dá)到22.4%，至早成巖A期已基本定型，后期改造不甚發(fā)育，最終殘留孔隙度在2.9%左右，主要來(lái)自黏土礦物晶間孔對(duì)孔隙度的貢獻(xiàn)。對(duì)該成巖相來(lái)說(shuō)，連晶狀方解石膠結(jié)作用對(duì)孔隙度造成的損失已超過(guò)壓實(shí)作用，且最終基本形成非儲(chǔ)層（見(jiàn)圖6d）。

6 結(jié)論

1）川中北部沙二1亞段發(fā)育河流相低—特低孔、超低滲致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)集巖以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖。

2）沙二1亞段砂巖成巖演化過(guò)程復(fù)雜，主要經(jīng)歷了機(jī)械壓實(shí)、有機(jī)酸溶蝕、碳酸鹽膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)以及綠泥石、伊利石、伊/蒙混層等黏土礦物膠結(jié)，當(dāng)前處于中成巖A期。

3）依據(jù)視壓實(shí)率、視膠結(jié)率以及視溶蝕率等3項(xiàng)定量成巖指標(biāo)，可對(duì)沙二1亞段砂巖成巖相進(jìn)行有效劃分。

4）通過(guò)增、減孔曲線疊加的方法可分別得到不同巖相孔隙演化曲線，成巖相Ⅰ為本區(qū)最有利成巖相，主要發(fā)育于邊灘砂體底部；成巖相Ⅱ?yàn)榇我患?jí)的優(yōu)質(zhì)成巖相，主要發(fā)育于邊灘中部；成巖相Ⅲ為不利成巖相，主要發(fā)育于邊灘頂部和河床滯留沉積中；成巖相Ⅳ基本屬于非儲(chǔ)層，主要發(fā)育于河漫泥巖段以及高泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)段附近。