四川盆地西南部沙溪廟組致密砂巖低滲儲層特征及形成機理

唐大海， 王旭麗*， 曾琪， 李梅， 尹宏， 劉柏， 楊濤， 湯瀟， 黃嵌， 梁慶韶， 余瑜

(1.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦， 江油 621700； 2.成都理工大學沉積地質研究院， 成都 610059)

隨著油氣資源的勘探向著深層-超深層、非常規發展，致密砂巖油氣作為非常規油氣資源之一，已成為油氣增儲上產的重點領域和亮點類型[1-2]。四川盆地致密砂巖氣是中國非常規油氣資源的典型代表，近年來包括上三疊統須家河組和中侏羅統沙溪廟組等在內的碎屑巖層系均獲得了致密砂巖氣的巨大突破，顯示出優異的勘探潛力[3-14]?！笆濉币詠?，在八角場、金秋區塊等遠離須家河組生烴凹陷的川中區域，沙溪廟組致密砂巖氣取得了新突破,累計測試日產量超過百萬立方米[14]；而位于須家河組生烴凹陷的川西南地區沙溪廟組致密砂巖儲層勘探相對滯后。唐大海等[14]指出有利的儲層是沙溪廟組天然氣成藏的基礎，因此尋找優質儲層是沙溪廟組致密砂巖地質勘探的關鍵。前人針對川西坳陷、川中-川西過渡帶和川中地區的沙溪廟組的沉積特征、儲層特征及主控因素和成藏條件等進行了大量研究[3，6，12-16]。林小云等[3]認為川西坳陷沙溪廟組砂巖經歷過3期油氣成藏活動，主成藏期為早-中白堊世；韋滕強等[13]結合巖心沉積特征、鉆井和地震等數據分析秋林地區沙溪廟組儲層的儲集差異性，認為沉積作用是儲層差異性的主控因素。然而，針對川西南地區沙溪廟組的研究較少，一定程度上制約了川西南沙溪廟組的地質勘探。因此，現開展川西南地區沙溪廟組致密砂巖的儲層特征研究，明確儲層形成機理，將有助于川西南地區沙溪廟致密砂巖的下一步地質勘探，明晰優質儲層的分布規律。

1 地質背景

四川盆地位于中國西南部，是國內主要的產氣盆地之一[17]。從構造上來說，四川盆地屬于上揚子地區，盆地結晶基地形成于8億年前的晉寧運動[17]。研究區位于四川盆地的西南部(圖1)，西接龍門山構造帶，南邊是大涼山構造帶。四川盆地侏羅系主要為一套內陸淡水湖相碎屑巖沉積，總厚度一般在2 500～4 000 m，由上而下可劃分為下、中、上3個統，其中含油層段主要發育在中統和下統各層段，從下至上依次為下侏羅統珍珠沖段、下侏羅統東岳廟段、下侏羅統大安寨段、中侏羅統涼高山組和中侏羅統沙溪廟組五套含油層系(圖2)。

圖1 研究區區域位置及井位分布圖Fig.1 Regional location and well location distribution map of the study area

圖2 四川盆地侏羅系地層綜合柱狀圖[18-19]Fig.2 Comprehensive column of Jurassic stratigraphy in the Sichuan Basin[18-19]

沙溪廟組巖性為黃灰，紫灰色長石石英砂巖與紫紅、紫灰色泥(頁)巖不等厚韻律互層。依據砂巖發育特征，沙溪廟組由下自上劃分為沙一段和沙二段。沙一段為褐灰色、綠灰色厚層狀砂巖、灰綠色、棕紅色粉砂巖、泥巖構成的幾個較大韻律巖性組合為特征。沙二段巖性與沙一段相似，主要區別為灰綠色泥巖夾層減少、砂巖層增厚、地層厚度大。地層厚度450～2 100 m，有北厚南薄、東厚西薄特點。其底界以底部或近底部的厚層塊狀“嘉祥寨砂巖”底或“葉肢介頁巖”為界(頂或底)，川中地區鉆井多采用“葉肢介頁巖”為界(頂或底)?！凹蜗檎皫r”為粗粒長石石英砂巖夾薄層紫紅色泥巖，厚度一般為10～40 m，向川東、川東北增厚至50～80 m，局部達150 m。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

川西南沙溪廟組186個巖石薄片鑒定數據表明砂巖分選中等，磨圓為次棱角-次圓狀。參考文獻[20]砂巖三角分類，砂巖的成分成熟度較低[圖3(a)]，其中石英含量介于35%～60%，長石含量介于25%～45%，巖屑含量介于9%～54%。長石砂巖是沙溪廟組最為主要的巖石類型，其次是巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖。沙溪廟組砂巖中填隙物以碳酸鹽膠結物含量最高，達7.26%，其次為綠泥石、高嶺石和雜基，硅質和伊利石含量最低[圖3(b)]。

圖3 川西南沙溪廟組砂巖類型及填隙物含量Fig.3 Sandstone type and interstitial material content of the Shaximiao Formation in southwest Sichuan Basin

2.2 物性特征

川西南地區沙溪廟組砂巖998個樣品的物性測試結果表明孔隙度峰值為14%～16%(圖4)，占樣品總數接近20%，其次為12%～14%，占樣品總數16%左右，平均孔隙度為9.42%。滲透率峰值在0.01×10-3～0.1×10-3μm2(圖4)，占樣品總數超過40%，高于0.1×10-3μm2的樣品接近30%；滲透率平均值為0.282×10-3μm2，中位數為0.038×10-3μm2。沙溪廟組儲層整體為低孔-低滲、特低滲儲層，儲層孔隙度與滲透率呈現較好的線性關系，表明儲層受裂縫影響較小，以孔隙型儲層為主。

圖4 川西南沙溪廟組儲層孔隙度和滲透率投點圖與分布直方圖Fig.4 Plot of porosity and permeability and distribution histogram of Shaximiao Formation sandstone

2.3 儲集空間特征

川西南地區沙溪廟組砂巖儲集空間類型包括原生粒間孔隙及次生溶蝕孔兩大類型。原生粒間孔隙是經壓實和膠結等成巖作用改造后且未被充填的剩余孔隙[圖5(a)、圖5(b)]。原生孔孔隙在沙溪廟組分布廣泛，呈不規則多邊形或弧三角形，當壓實強烈時呈長條狀、線狀。在研究區可見原生孔隙邊緣為黏土(以綠泥石和伊利石為主)充填[圖5(b)]，導致孔徑變小。

圖5 川西南沙溪廟組儲集空間特征Fig.5 Pore space characteristics of Shaximiao Formation sandstone

次生孔隙是沙溪廟組另一類儲層孔隙類型。沙溪廟組儲層次生孔隙主要有碎屑顆粒的溶解及膠結物溶解或形成過程中產生的孔隙。碎屑顆粒溶解主要是長石和巖屑的溶解，在長石含量較高的砂巖中，常見長石常沿解理縫和雙晶面溶解呈蜂窩狀溶孔，形成長石粒內溶孔[圖5(a)]，且可完全溶解形成鑄?？譡圖5(d)]。在部分長石粒內溶孔中可見長石蝕變產物，包括自生石英和黏土礦物。膠結物次生孔隙主要包括黏土礦物的晶間孔[圖5(e)、圖5(f)]，具有孔徑小的特征，在沙溪廟組儲層中分布廣泛。

川西南沙溪廟組儲層的鑄體薄片數據顯示(圖6)，原生孔和巖石薄片的面孔率具有更好的正相關性，而次生孔與面孔率的正相關性相對較弱，說明在川西南沙溪廟組儲層中，原生孔的發育好壞對于儲層孔隙的發育有著更為直接的影響。

圖6 川西南沙溪廟組原生孔及次生孔與面孔率投點圖Fig.6 Plot of primary and secondary pores versus plane porosity of Shaximiao Formation sandstone

2.4 孔喉結構特征

對6件砂巖樣品進行壓汞分析，測得川西南地區沙溪廟組砂巖儲層巖石孔隙度介于4.02%～16.07%，滲透率為0.096×10-3～0.735×10-3μm2，孔隙喉道中值半徑介于0.019～0.364 μm(圖7、表1)。依據巖石喉道分類[20]，研究區沙溪廟組儲層以細喉為主，其次為微喉和中喉。沙溪廟儲層的門檻壓力介于 0.559～6.789 MPa(表1)，大部分樣品的門檻壓力介于0.5～1.0 MPa，表明沙溪廟組砂巖最大孔隙半徑較小、喉道較細。

圖7 川西南沙溪廟組砂巖儲層壓汞曲線特征及毛管半徑分布頻率圖Fig.7 Mercury injection curve characteristics and capillary radius distribution frequency of Shaximiao Formation sandstone

表1 川西南沙溪廟組儲層壓汞特征

3 儲層成巖作用特征

沙溪廟組成巖作用特征復雜多樣，包括壓實作用、膠結作用、溶蝕作用和破裂作用。川西南地區沙溪廟組現今埋藏深度為1 200～2 000 m，較淺的埋藏深度使得沙溪廟組的壓實作用強度整體表現為中等壓實，致使碎屑顆粒間以點-線接觸為主[圖5(b)、圖5(d)、圖5(f)]，這也是沙溪廟組儲集空間發育粒間孔類型的主要原因。沙溪廟組砂巖中膠結物種類較多，且分布廣泛，包括了方解石膠結、硅質膠結、自生長石、濁沸石膠結、黏土膠結(圖8)，這些膠結物嚴重地影響著儲層的物性質量。方解石膠結物是沙溪廟組砂巖中最常見的膠結物，充填于顆粒間孔或粒內溶孔[圖8(a)、圖8(b)]。濁沸石主要充填粒間孔，呈斑塊狀分布[圖8(b)、圖8(c)]。黏土膠結包括高嶺石、伊利石與綠泥石等黏土礦物。高嶺石由多晶體組成，呈蠕蟲狀或書頁狀充填粒間孔[圖5(e)]；綠泥石包裹顆粒生長[圖8(b)、圖8(d)]，推測綠泥石包膜形成時期相對較早，因為在膠結物的表面未見自生綠泥石的生長。石英膠結在沙溪廟組砂巖中含量較低，主要呈石英次生加大。破裂作用形成微米級別的微裂縫，一般可形成多條呈平行分布[圖8(f)]。

圖8 川西南沙溪廟組砂巖成巖作用特征Fig.8 Diagenesis characteristics of Shaximiao Formation sandstone

4 低滲儲層形成機理

4.1 沉積作用

沉積作用影響著沉積物的骨架顆粒、巖相構型乃至沉積初始水體性質等特征[21-22]。沉積作用對川西南沙溪廟組儲層的影響主要表現在兩個方面。川西南沙溪廟組整體呈現低砂地比特征，在研究區西側近龍門山一帶和研究區東側等砂地比值較高處，也僅為0.15～0.2，在造成了沙溪廟組儲層單層砂體厚度較薄、縱橫向分布不均勻的同時，對于儲層的物性也有著負面的影響。另一方面，沉積作用直接影響著儲層的巖石組構，沙溪廟組儲層砂巖整體以細粒砂巖為主，表明水動力條件整體較弱，粒度偏細。統計結果表明，粗-中粒砂巖物性最佳、其次為(細粒)-中粒砂巖和(中粒)-細粒砂巖，極細粒砂巖物性最差[圖9(a)]，說明砂巖粒度對儲層的物性有著明顯的正面影響。較弱的水動力可能也是造成沙溪廟組砂巖中云母礦物碎屑含量較高的重要原因，云母碎屑與儲層物性表現出明顯的負相關性[圖9(b)]。

圖9 砂巖粒度、云母含量與物性的關系分布圖Fig.9 Plot of sandstone grain size and mica content with physical properties

4.2 成巖作用

碳酸鹽礦物對儲層的負面影響較大，與儲層孔隙度及滲透率均表現出較強的負相關性。硅質膠結物與儲層物性均呈現出一定的正相關性(圖10)，表明硅質膠結物的存在對沙溪廟組儲層來說并非是完全的負面影響。黏土膠結是除碳酸鹽膠結外沙溪廟組儲層中所占體積分數最大的自生礦物[圖3(b)]，不同類型黏土對儲層的負面影響有所差異。成巖過程中硅質膠結、高嶺石及伊利石的形成與長石的溶解緊密相關，鉀長石和鈉長石的溶解公式如下。

圖10 不同類型膠結物與儲層物性投點Fig.10 Plot of various types of cements and physical properties of reservoirs

Al2Si2O5(OH)4+2K++4H4SiO4+2CH3COO-

(1)

Al2Si2O5(OH)4+2Na++4H4SiO4+2CH3COO-

(2)

在沙溪廟組儲層中可以觀察到大量的高嶺石膠結和伊利石膠結常與溶蝕作用伴生[圖5(e)]。長石礦物的溶解，釋放出高嶺石、二氧化硅，當二氧化硅對于成巖流體不飽和時，大部分的二氧化硅隨著成巖流體排除成巖系統，而高嶺石膠結則沉淀下來；若在成巖系統中存在鉀離子(如鉀長石)，當溫度達到一定的程度時，高嶺石可轉換為伊利石[23]。因此對于儲層來說，硅質膠結、高嶺石和伊利石是長石溶蝕作用的產物，可指示溶蝕作用的發生，所以無論是高嶺石還是伊利石與儲層的物性均表現出正相關性(表2)。式(1)與式(2)表明長石溶解產生的二氧化硅體積分數應該是高嶺石的4倍，但鏡下薄片鑒定可以發現，儲層中高嶺石含量反而高于硅質膠結，這是因為長石溶解時成巖流體對于硅質膠結是不飽和的，長石溶解產生的大部分硅質隨著成巖流體排出成巖系統，而高嶺石留存了下來，這也說明長石礦物溶解的時期，沙溪廟儲層的成巖系統偏半開放。然而雖然整個溶蝕作用過程對于儲層的物性發育是有利的，但高嶺石和伊利石礦物的存在對于儲層的影響是負面的，主要體現在對孔喉結構的破壞上，黏土礦物細小的晶間孔使得孔隙半徑變小、提高了孔喉的非均質性。

前人研究認為早期綠泥石包膜對儲層的發育是具正面意義的[24-25]，但在研究區沙溪廟組砂巖中觀察到的結果并不支持這個觀點(表2)。沙溪廟組儲層中綠泥石膠結主要呈顆粒包膜附著于碎屑顆粒表面，鏡下薄片統計結果表明綠泥石含量與儲層孔隙度關系呈先升高后降低的趨勢(圖11)：當綠泥石含量小于3%時，綠泥石與儲層的孔隙度呈現出正相關的趨勢；而當綠泥石含量大于3%時，儲層的孔隙度隨著綠泥石含量的增加而降低。綠泥石對于儲層的滲透率的影響始終是負面的。

圖11 綠泥石與儲層物性投點Fig.11 Plot of chlorite cements with physical properties

沙溪廟組儲層中綠泥石包膜的厚度為5～15 μm，厚度最大可至20 μm，其圍繞顆粒生長從而使得粒間孔隙孔徑顯著縮小(圖12)，造成即便砂巖樣品的孔隙度達16.07%，但壓汞分析表明其孔隙中值半徑、門檻壓力和中值壓力等反映孔喉結構的關鍵數據僅與孔隙度為9.33%的不發育綠泥石的砂巖樣品相當(圖12)。另外，在發育綠泥石包膜的砂巖中，粒間孔隙發育普遍，但粒內溶孔發育程度較差。當然，對于碎屑巖儲層來說，粒間孔的發育對于儲層物性的正面意義要大于次生孔隙，原生粒間孔的連通性要好于次生孔隙[26]，但顆粒表面的綠泥石包膜的存在可能阻隔成巖流體與顆粒作用，降低溶解作用的發育程度，從而造成次生溶孔發育較差。因此，可以認為川西南地區沙溪廟組儲層中的綠泥石膠結物是造成低滲儲層形成的主要因素。

圖12 川西南沙溪廟組儲層發育綠泥石與未發育綠泥石鏡下特征Fig.12 Microscopic characteristics of developed chlorite and undeveloped chlorite in the Shaximiao Formation

4.3 綠泥石形成機制

綠泥石與高嶺石、伊利石之間的相關性均表現較差[圖13(a)、圖13(b)]，而后二者之間有著較強的正相關性[圖13(c)]，表明綠泥石的來源及成巖演化途徑與高嶺石、伊利石有所差異。碎屑巖的自生綠泥石的物質來源多樣，包括富鐵巖屑的蝕變排出的鐵離子[27-28]；河流匯入海洋/湖泊時，河水中鐵離子形成的絮狀沉淀[29]；泥巖排出富含鐵、鎂離子的壓釋水[30]。鏡下薄片觀察可以發現川西南沙溪廟組砂巖中長石、火成巖巖屑及云母等富鐵鎂礦物含量較多(圖14)，且與綠泥石含量具有明顯的正相關性，表明沙溪廟組砂巖中長石和火成巖巖屑是影響綠泥石發育與分布的主要因素。中基性物源提供的長石、火成巖巖屑等礦物在河流入湖處，溶解排除鐵、鎂離子，由于水體的pH、氧化還原電位及鹽度等發生變化，在同沉積階段形成了顆粒表面的綠泥石包膜。

圖13 川西南沙溪廟組儲層黏土礦物含量投點圖Fig.13 Plot of clay minerals content of the Shaximiao reservoir in southwest Sichuan Basin

圖14 大26井沙溪廟組儲層柱狀圖Fig.14 Reservoir column of the Shaximiao Formation reservoir of Da26 well

川西南地區沙溪廟組中發育綠泥石黏土膠結為主的砂巖與發育高嶺石與伊利石黏土膠結為主的砂巖在物質來源與成巖演化上存在差異，形成了不同的成巖演化途徑，是由物源與成巖條件共同影響下造就的。

5 結論

(1)川西南沙溪廟組砂巖具較低成分成熟度，長石砂巖是最為主要的巖石類型；填隙物以碳酸鹽礦物和黏土膠結為主。沙溪廟組儲層孔隙度峰值為14%～16%，平均值為9.42%；滲透率平均值為0.282×10-3μm2，中位數為0.038×10-3μm2，整體表現為低孔-低滲、特低滲儲層。

(2)沙溪廟組儲層儲集空間以原生粒間孔和次生孔隙為主，相對來說原生孔所占巖石體積分數更高，對于儲層孔隙的發育優劣影響更大。壓汞分析表明研究區沙溪廟組儲層喉道以細喉為主，孔隙半徑較小。沙溪廟組成巖作用特征復雜多樣，包括壓實作用、膠結作用、溶蝕作用和破裂作用。

(3)沉積作用與成巖作用是造成川西南沙溪廟組低滲-特低滲儲層形成的重要原因。沉積作用對儲層的影響表現在較弱的水動力條件造成沙溪廟儲層以細粒砂巖為主，同時云母碎屑含量較高，造成儲層物性偏低。高嶺石膠結與伊利石膠結的存在指示長石溶蝕作用的發生，但對儲層的孔喉結構有著負面影響。綠泥石膠結對儲層的物性無明顯促進作用，反而通過減小粒間孔隙孔徑從而阻擋溶蝕作用的進行，造成儲層的滲透率偏低乃至是造成低滲儲層形成的主要因素。

(4)川西南地區沙溪廟組砂巖中長石和火成巖巖屑是影響綠泥石發育與分布的主要因素。沙溪廟組中發育綠泥石黏土膠結為主的砂巖與發育高嶺石與伊利石黏土膠結為主的砂巖在物質來源與成巖演化上存在差異，形成了不同的成巖演化途徑，是由物源與成巖條件共同影響下造就的。