四川盆地須家河組二段儲(chǔ)集體非均質(zhì)性特征及其成因

摘 要

摘要：四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組二段砂巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，為分析其特征和成因，基于前人在構(gòu)造演化、沉積背景及其演化和成巖作用等方面的研究成果，利用須二段野外露頭120個(gè)砂礫巖樣
摘要：四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組二段砂巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，為分析其特征和成因，基于前人在構(gòu)造演化、沉積背景及其演化和成巖作用等方面的研究成果，利用須二段野外露頭120個(gè)砂礫巖樣品、井下160個(gè)巖屑樣品和150個(gè)巖心樣品，開(kāi)展了巖石粒度、成分和重礦物分析及鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞和核磁共振等儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室綜合分析。結(jié)論認(rèn)為：該砂巖儲(chǔ)集體非均質(zhì)性較強(qiáng)，表現(xiàn)為巖石組構(gòu)的非均質(zhì)性明顯，層內(nèi)和層間滲透率變異系數(shù)高，中高孔滲砂體側(cè)向連通程度低以及滲透率分布在河道部位的方向性等；特定構(gòu)造和沉積背景以及水道多期遷移為須二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性的形成奠定了地質(zhì)條件，河道粗粒砂巖、綠泥石襯邊和堿性長(zhǎng)石等經(jīng)歷的建設(shè)性成巖作用是儲(chǔ)集體非均質(zhì)性形成的關(guān)鍵要素。
關(guān)鍵詞：四川盆地；晚三疊世；低孔隙度低滲透率；儲(chǔ)集體；非均質(zhì)性；成因；建設(shè)性成巖作用；構(gòu)造
    四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組砂巖氣藏儲(chǔ)集體規(guī)模大，普遍低孔低滲且非均質(zhì)性較強(qiáng)。前人對(duì)須家河組的研究主要集中在構(gòu)造演化、沉積背景和沉積體系及其成巖作用、儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)等方面[1～10]，筆者基于前人研究認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)層非均質(zhì)性及其成因研究，以便為相對(duì)中-高孔滲儲(chǔ)集體的預(yù)測(cè)和致密砂巖氣藏的高效勘探和開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
1 地質(zhì)概況
   四川盆地須家河組自下而上分為6段，其中須二、須四、須六段主要發(fā)育一套以灰色中-細(xì)砂巖為主夾薄層泥巖的大型辮狀河(扇)三角洲沉積，砂巖大面積分布，但普遍低孔低滲，為盆地主要儲(chǔ)氣段；須一、須三、須五段發(fā)育一套以黑色頁(yè)巖和泥巖沉積為主夾粉(細(xì))砂巖、煤層或煤線的含煤沉積建造，為主要烴源巖和蓋層。須一、須三、須五段含煤泥巖與須二、須四、須六段的砂巖交互疊置，形成的“三明治結(jié)構(gòu)”為須家河組大規(guī)模天然氣成藏創(chuàng)造了有利條件(圖1)。

2 儲(chǔ)集體非均質(zhì)性特征
    須二段砂巖主要發(fā)育多期進(jìn)退交替的辮狀河(扇)三角洲沉積，其儲(chǔ)集體由多期砂體疊置、切割或搭橋組成的砂體群組成，規(guī)模較大，非均質(zhì)性較強(qiáng)，突出表現(xiàn)為巖石組構(gòu)分布不均，層內(nèi)或?qū)娱g非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層側(cè)向連通程度差及中高孔滲帶平面分布方向性明顯等。
2.1 巖石組構(gòu)的非均質(zhì)性特征
    巖石組構(gòu)非均質(zhì)性主要指巖石組成成分、粒度和孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。前人研究成果顯示，四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積時(shí)期存在6大物源方向(圖1)和2種物源類(lèi)型(造山帶物源、古陸物源)，發(fā)育多期進(jìn)退交替的大型辮狀河(扇)三角洲沉積體系[1～2]。
    筆者針對(duì)須二段野外露頭120個(gè)砂礫巖樣品、井下160個(gè)巖屑樣品和150個(gè)巖心樣品，開(kāi)展巖石粒度、成分和重礦物分析以及鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞和核磁共振等儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室綜合分析研究，其分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，川東南或北部以及川西北或南部等不同地區(qū)的須二段砂巖儲(chǔ)集體在巖石組成成分、粒度和孔隙結(jié)構(gòu)等方面存在明顯的分區(qū)或非均質(zhì)性特征。
2.1.1川西北部龍門(mén)山和大巴山前緣一帶
    川西北部龍門(mén)山和大巴山前緣一帶須二段沉積物源屬于造山帶物源，巖石顆粒粒度大小不等，磨圓和分選差；巖石類(lèi)型主要為巖屑砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，石英和長(zhǎng)石含量很低，巖屑含量較高，平均達(dá)30%，巖屑中以千枚巖、片麻巖、粉砂巖、泥粉晶灰?guī)r為主，雜基含量較低；孔隙類(lèi)型以基質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔為主，發(fā)育少量粒內(nèi)孔和裂縫，平均面孔率為3.47%，孔隙結(jié)構(gòu)以小孔細(xì)喉型為主，局部發(fā)育大孔細(xì)喉型。
2.1.2川西南部
    川西南部須二段沉積物源以古陸物源為主，含少量造山帶物質(zhì)，巖石顆粒粒度以中粗粒為主，夾雜細(xì)粒沉積，磨圓和分選較差；巖石類(lèi)型以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，其次為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，石英、長(zhǎng)石和巖屑含量平均分別為64.46%、8.66%和16.13%，巖屑中以石英巖、泥頁(yè)巖為主，含少量花崗巖屑；孔隙類(lèi)型主要為粒間和粒內(nèi)溶孔以及石英次生加大后形成的殘余粒間孔，微裂縫多見(jiàn)，面孔率約為6.73%，孔隙結(jié)構(gòu)屬于中孔細(xì)喉和小孔細(xì)喉型。
2.1.3川中及川中-蜀南過(guò)渡帶
    川中及川中-蜀南過(guò)渡帶須二段巖石類(lèi)型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖，含少量巖屑砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖，石英和巖屑含量中等，長(zhǎng)石含量相對(duì)較高，分別平均為61.45%、1.97%和10.51%；其砂巖孔隙類(lèi)型主要為粒間、粒內(nèi)溶孔、綠泥石襯邊的溶蝕孔和石英次生加大后的殘余粒間，以及少量雜基孔和微裂縫，面孔率約為10.73%，孔隙結(jié)構(gòu)以中孔細(xì)喉為主，局部發(fā)育小孔細(xì)喉和大孔細(xì)喉型組合。大量須二段巖心壓汞分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖2)，須二段砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，喉道直徑分布在0～2μm，變化范圍較大，其中直徑小于0.5μm的微孔喉和小孔喉體積分別占總體積的75%左右，大孔喉發(fā)育較少，并且當(dāng)孔喉直徑小于0.5μm時(shí)，滲透率隨孔喉直徑變化呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)滲透率的影響較為敏感。
 

   上述分析表明，須二段砂巖儲(chǔ)層在巖石成分和孔隙結(jié)構(gòu)等方面的非均質(zhì)性較強(qiáng)。
2.2 層內(nèi)或?qū)娱g非均質(zhì)性特征
   砂體層間非均質(zhì)性的強(qiáng)弱通常取決于小層間物性變化大小和隔層發(fā)育程度，而其層內(nèi)非均質(zhì)性強(qiáng)弱主要由單砂層內(nèi)沉積韻律、物性和夾層在垂向上的變化規(guī)律和差異程度決定。目前常以滲透率變異系數(shù)(Kv)或級(jí)差大小來(lái)表征砂體的層內(nèi)或砂層間非均質(zhì)性強(qiáng)弱。當(dāng)Kv＜0.5時(shí)，反映砂體層內(nèi)或砂層間非均質(zhì)程度較弱；Kv=0.5～0.7時(shí)，表示非均質(zhì)程度中等；當(dāng)Kv＞0.7時(shí)，說(shuō)明砂層非均質(zhì)性較強(qiáng)。
   通過(guò)建立四川盆地須家河組層序地層格架(圖1)，針對(duì)合川地區(qū)開(kāi)展須二段砂巖精細(xì)小層對(duì)比(自上而下劃為1～4個(gè)小層)和相控隨機(jī)模擬儲(chǔ)層預(yù)測(cè)綜合研究。研究成果顯示(圖3)，須二段各小層之間泥巖隔層不發(fā)育，主要發(fā)育含泥細(xì)粒粉砂質(zhì)物性隔層，其內(nèi)部大量致密砂巖分隔體(層)與中高孔滲砂體相互“滲透”和交叉分布。
   Kv計(jì)算結(jié)果顯示：4個(gè)小層之間的非均質(zhì)性較強(qiáng)，下部4小層和3小層之間的Kv為0.6，上部1和2小層之間的Kv為0.8，而2和3小層間的Kv高達(dá)0.9，中高孔滲層主要位于中下部的主河道、砂壩微相砂體中。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，須二段砂體中4個(gè)小層的層內(nèi)泥質(zhì)夾層不發(fā)育，發(fā)育含泥細(xì)粒粉砂巖夾層，說(shuō)明須二段砂體中4個(gè)小層的層內(nèi)非均質(zhì)性也較強(qiáng)，中高孔滲層主要位于河道砂體底部和砂壩頂部。

2.3 儲(chǔ)集體連通程度的非均質(zhì)性特征
    儲(chǔ)集體連通程度與儲(chǔ)集體形態(tài)、規(guī)模大小和井距有一定的關(guān)系。勘探地質(zhì)上通常采用某個(gè)砂體的鉆遇率或連通程度來(lái)表征。川中合川-潼南氣區(qū)近60口井砂體鉆遇率統(tǒng)計(jì)顯示，須二段砂體內(nèi)1～4小層的砂層鉆遇率和有效砂體(孔隙度大于6%的砂體)的鉆遇率差異明顯。
    下部4小層和3小層的砂層厚度多介于10～28m，平均鉆遇率高，為68%～80%，砂體連通程度介于45%～65%，但有效砂體的厚度多在0～15m，儲(chǔ)集體鉆遇率僅為28%～45%，連通程度介于0～45%。上部1小層和2小層的砂層厚度多為15～35m，平均鉆遇率介于55%～70%，砂體連通程度介于40%～55%，但有效砂體的厚度多在0～10m，儲(chǔ)集體鉆遇率僅為20%～40%，連通程度介于0～30%。綜上，須二段砂巖側(cè)向連續(xù)性較好，但大量為低孔、低滲的致密砂巖分隔體，孔隙度大于6%的中高孔滲有效儲(chǔ)集體僅呈彌散狀或孤立狀分布在大規(guī)模致密砂巖中，連通性較差，非均質(zhì)性較強(qiáng)(圖3)。
2.4 儲(chǔ)層平面物性的非均質(zhì)性特征
    儲(chǔ)層平面物性的非均質(zhì)性特征主要由孔隙度或滲透率宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的方向性所引起。四川盆地須二段近300個(gè)巖樣物性分析結(jié)果顯示，不同地區(qū)儲(chǔ)層物性差異明顯，如川西地區(qū)巖樣中有85%樣品的平均孔隙度小于5%，平均滲透率小于0.1mD，顯示物性較差；而大川中地區(qū)樣品中有48%的巖樣平均孔隙度大于10%和滲透率大于0.5mD，顯示物性較好。
    物性分析結(jié)果也顯示不同沉積微相的砂巖孔隙度和滲透率差異明顯(圖4)，河道微相和砂壩相砂體與溢流砂坪相砂體相比，其平均滲透率級(jí)差可為2～3倍。利用300個(gè)巖樣滲透率分析的結(jié)果，結(jié)合前人對(duì)須二段物性分析的成果，繪制須二段滲透率平面分布圖，發(fā)現(xiàn)中高孔滲帶(孔隙度大于8%、滲透率大于0.1mD)主要沿主河道或次水道的流向分布，其中滲透率介于1～10mD的儲(chǔ)層面積約占整個(gè)砂體平面分布12%，滲透率為1～0.1mD的儲(chǔ)層面積約占整個(gè)砂體平面分布65%，滲透率為0.1～0.01mD的儲(chǔ)層面積約占整個(gè)砂體平面分布15%，滲透率小于0.01mD的儲(chǔ)層面積約占整個(gè)砂體平面分布8%，以上說(shuō)明須二段儲(chǔ)層的平面非均質(zhì)性較強(qiáng)。

3 儲(chǔ)集體非均質(zhì)性成因探討
3.1 特定構(gòu)造、沉積背景和水道多期遷移
    特定構(gòu)造和沉積背景以及水道多期遷移為須二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性的形成奠定了地質(zhì)條件。
    須家河組沉積期，四川盆地接受來(lái)自龍門(mén)山、大巴山和江南古陸等盆地周緣山系的充足繼承性物源，盆地西部及其西北部因幕式升降明顯，位于前陸擠壓沖斷帶和坳陷帶，沉積底形坡度大(平均坡度為6°～7°)，主要接受來(lái)自龍門(mén)山前造山帶物源，須一、須三段和須五段沉積時(shí)期因盆地構(gòu)造相對(duì)平靜期，基底穩(wěn)定，物源供給不足，發(fā)育淺水湖盆退積型辮狀河三角洲和沼澤沉積(圖1)。而須二、須四段和須六段因構(gòu)造活動(dòng)期，盆地基底沉降加快，可容納空間增加，物源供給增加，湖面下降，淺水(扇)三角洲砂體向湖盆內(nèi)推進(jìn)，發(fā)育進(jìn)積式大型辮狀河三角洲沉積體系，主要特點(diǎn)砂層厚度大，粒度粗，各類(lèi)巖屑(火山巖、變質(zhì)巖和沉積巖)含量高，而石英和長(zhǎng)石含量低，裂縫發(fā)育，縱向分布延伸距離短，平均為50～80km。
    川中及其東部地區(qū)位于前陸平緩帶和隆起帶，沉積底形坡度緩(平均坡度為1°～2°)，須家河組前期主要接受來(lái)自盆地東部或東北部的古陸物源，后期接受來(lái)自大巴山前的造山帶物源，發(fā)育因河道多期遷移擺動(dòng)的大型辮狀河三角洲沉積體系，其主要特點(diǎn)是砂層厚度相對(duì)薄，粒度以中細(xì)粒為主，長(zhǎng)石含量高，各類(lèi)巖屑和石英含量中等，局部井點(diǎn)微裂縫發(fā)育，沉積相帶分布范圍廣，三角洲平原相和三角洲前緣相分別延伸長(zhǎng)度為58～92km和121～140km(圖1)。綜上，四川盆地不同構(gòu)造背景和沉積背景下的沉積砂體在巖石成分、粒度和沉積特征上存在明顯差異，這種差異為砂巖巖石組構(gòu)的非均質(zhì)性創(chuàng)造了條件。
    鄧宏文教授等人[11～12]認(rèn)為基準(zhǔn)面變化過(guò)程中，A/S比值(可容納空間與沉積物補(bǔ)給量之比)變化是諸多控制沉積作用因素的綜合響應(yīng)，能夠決定可容納空間沉積物堆積速度、保存程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如堆積樣式)等，A/S比值變化趨勢(shì)決定砂體規(guī)模及其疊置樣式的變化規(guī)律，當(dāng)0＜A/S≤1時(shí)，河道以多期側(cè)向遷移的進(jìn)積作用為主，各期砂體間或搭接或切割或垂向加積，呈帶狀或?qū)捥籂钫共迹植济娣e廣。
    四川盆地上三疊統(tǒng)須一、三和五須段沉積時(shí)期，受物源供給不足和盆地不均衡沉降影響，其A/S比值變化主要表現(xiàn)為大于1和小于0的兩種狀態(tài)，主要接受退積式大型辮狀河(扇)三角洲沉積，三角洲前緣河道砂和席狀砂主要以下切或垂向加積為主，呈孤立狀或窄帶狀展布，分布范圍有限；當(dāng)須二、須四和須六段沉積時(shí)期，物源供應(yīng)充足，盆地A/S比值變化在0～1，主要接受進(jìn)積式大型辮狀河(扇)三角洲沉積，平緩背景下河道以多期側(cè)向遷移的進(jìn)積作用為主，不同期砂體之間相互搭接、切割或垂向加積形成大型復(fù)合體，其內(nèi)部砂體之間的巖石組構(gòu)、層內(nèi)層間非均質(zhì)性、連通程度和物性特征等相對(duì)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。故不同A/S比值下河道多期遷移擺動(dòng)加劇了須家河組不同時(shí)期砂體或儲(chǔ)層內(nèi)部的非均質(zhì)性。
3.2 建設(shè)性成巖作用
    河道粗粒砂巖、綠泥石襯邊和堿性長(zhǎng)石等經(jīng)歷的建設(shè)性成巖作用，是須二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性形成的關(guān)鍵要素。
    須二段大型復(fù)合砂體主要由4期河道遷移擺動(dòng)形成的砂體組成，縱向上不同時(shí)期沉積砂體之間或同期砂體內(nèi)部的沉積韻律、微相組合、膠結(jié)物類(lèi)型及其含量、成巖相類(lèi)型及其組合以及孔隙度和面孔率等存在明顯差異，非均質(zhì)性較強(qiáng)。圖5為潼南102井須二段復(fù)合砂體沉積微相、成巖相和孔隙度的縱向變化圖，可見(jiàn)河道滯留微相(A)和砂壩相砂體(B)主要由粗?；蛑辛Ｉ敖M成，發(fā)育強(qiáng)溶蝕成巖相(D1)和中溶蝕成巖相(D2和D3)，對(duì)應(yīng)的巖心孔隙度可超過(guò)7%，而溢流砂坪相砂層(C)及其上下地層由細(xì)粒粉砂和泥巖組成，常見(jiàn)機(jī)械壓實(shí)致密成巖相(Pc)和碳酸鹽充填成巖相(Cc)，對(duì)應(yīng)孔隙度在2%～5%，以上現(xiàn)象說(shuō)明沉積微相、成巖相和儲(chǔ)層物性三者之間的關(guān)系密切，儲(chǔ)層物性明顯受沉積微相和成巖相雙重控制，其中河道粗粒砂巖原生孔隙發(fā)育，有利于各類(lèi)溶蝕作用的產(chǎn)生，形成中低孔滲儲(chǔ)集體，造成儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。

    前人研究成果認(rèn)為[7,9～10]，須家河組砂巖是建設(shè)性和破壞性成巖作用的綜合結(jié)果，其中壓實(shí)和膠結(jié)充填等破壞性成巖作用是導(dǎo)致砂巖大面積致密化的主要因素，而各類(lèi)溶蝕作用和綠泥石襯邊等建設(shè)性成巖作用是造成致密砂巖內(nèi)中孔滲儲(chǔ)集體發(fā)育的主要因素。羅孝俊等人[13]認(rèn)為堿性長(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石)在較為酸性或較為堿性介質(zhì)中均易發(fā)育次生孔隙，斜長(zhǎng)石(近鈣長(zhǎng)石)在偏堿性介質(zhì)中才易發(fā)育次生孔隙。Pittman[14]認(rèn)為等厚連續(xù)黏土包殼可以抑制碎屑石英的成核作用，能夠抑制石英次生加大作用，避免因多期石英加大造成的孔隙減少。筆者通過(guò)觀察大量須二段巖心鑄體薄片和掃描電鏡資料(圖6)，發(fā)現(xiàn)殘余粒間孔或粒內(nèi)溶蝕孔隙在富含堿性長(zhǎng)石、火山巖屑和綠泥石膠結(jié)物的砂巖中相對(duì)發(fā)育，統(tǒng)計(jì)堿性長(zhǎng)石和綠泥石膠結(jié)物含量與孔隙度大小的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明煤系酸性成巖環(huán)境中，堿性長(zhǎng)石和綠泥石環(huán)邊膠結(jié)物分布及其含量是引起差異溶蝕作用的根本原因，也是造成須二段砂巖儲(chǔ)集體非均性強(qiáng)弱的關(guān)鍵要素。
4 結(jié)論
    1) 四川盆地上三疊統(tǒng)須二段儲(chǔ)集體非均質(zhì)性較強(qiáng)，表現(xiàn)為巖石結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性明顯，層內(nèi)和層間滲透率變異系數(shù)高，中高孔滲砂體的鉆遇率低和側(cè)向連通程度差，平面分布受主河道和河壩砂體控制明顯；
    2) 特定構(gòu)造和沉積背景以及水道多期遷移為須二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性的形成創(chuàng)造了地質(zhì)條件，河道粗粒砂巖、綠泥石襯邊和堿性長(zhǎng)石等經(jīng)歷的建設(shè)性成巖作用是儲(chǔ)集體非均質(zhì)性形成的關(guān)鍵要素。
    本文得到趙文智教授等專(zhuān)家多次指教和指導(dǎo)，也得到中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院、中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院地質(zhì)所各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和同行的協(xié)助，在此表示誠(chéng)摯感謝。
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(本文作者：徐安娜1 汪澤成1 趙文智2 卞從勝1 徐兆輝1 崔瑛1 武松濤1 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；2.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司)