林良彪,余 瑜,高 健,郝 強(qiáng),黃棋棽
(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都610059)
川南地區(qū)位于四川盆地南部,西起犍為縣,東至重慶江津市,北抵安岳縣,南至川滇、川黔省界,勘探面積約50×103km2,跨越四川盆地川西南低緩構(gòu)造區(qū)、川南低陡構(gòu)造區(qū)及川中低平構(gòu)造區(qū)三大構(gòu)造單元[1-4](圖1)。對(duì)川南地區(qū)的油氣勘探開始于20世紀(jì)50年代末,但長久以來,主要以二疊系茅口組和下三疊統(tǒng)嘉陵江組為主要勘探層,并取得了較好的成效;而對(duì)于上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)碎屑巖層系的勘探力度比較薄弱。川南須家河組至今已發(fā)現(xiàn)多個(gè)含油氣構(gòu)造,如安岳、荷包場、觀音場、瓦市、界市場等;21世紀(jì)以來,川南地區(qū)須家河組數(shù)個(gè)井位獲得油氣顯示,如威東9井、潼南1井、潼南2井、潼南6井、麻5井、音27井等,其中安岳氣田和合川—潼南氣田探明儲(chǔ)量>0.1×1012m3,顯示出川南地區(qū)須家河組較為優(yōu)異的勘探開發(fā)潛力,但目前看來勘探力度和尺度并不高[5-7]。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位置示意圖[8]Fig.1 Geological structure location of study area
川南地區(qū)須家河組為一套碎屑巖沉積,大部分地區(qū)厚度為400~650m,在北部平泉地區(qū)厚達(dá)1km。須家河組底部假整合于中三疊統(tǒng)侵蝕面之上,上覆下侏羅統(tǒng)自流井組(圖2)。須家河組僅局部出露地表,大部分地區(qū)埋藏于地腹,自下而上可劃分為6段,其中須二、須四、須六段主要為淺灰色塊狀細(xì)、中粒砂巖,夾少量灰黑色頁巖;須一、須三、須五段在大部分地區(qū)以黑色、灰黑色頁巖為主,夾灰色砂巖與薄煤層,局部相變?yōu)樯皫r[9]。筆者在前人研究基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)川南地區(qū)須二、須四、須六段儲(chǔ)集層的儲(chǔ)層特征和主控因素進(jìn)行研究。
根據(jù)薄片鑒定結(jié)果,依據(jù)曾允孚的砂巖分類標(biāo)準(zhǔn)(圖3)[10],川南須家河組儲(chǔ)層長石巖屑砂巖(圖4-A)最多,其次為巖屑長石砂巖、巖屑砂巖(圖4-B)、巖屑石英砂巖。石英含量相對(duì)較高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%~69%,平均為63.98%;長石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~18%,平均為13.78%;巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%~26%,平均為22.23%。
對(duì)川南地區(qū)46口井總共3 116個(gè)巖心樣品進(jìn)行分析(表1),須家河組儲(chǔ)層的平均孔隙度(q)為7.06%,分布范圍為0.98%~18.87%;平均滲透率(K)為 0.265×10-3μm2,分 布 范 圍 為0.000 4×10-3~30.22×10-3μm2:屬于典型的低孔低滲儲(chǔ)層。
表1 川南須家河組各儲(chǔ)層段物性特征Table 1 Physical properties of each reservoir section of Xujiahe Formation in South Sichuan
經(jīng)過對(duì)區(qū)內(nèi)不同巖石類型的孔隙度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),長石石英砂巖平均孔隙度最高,達(dá)到9.5%;其次是巖屑石英砂巖,平均孔隙度為8.75%;然后是巖屑長石砂巖(平均孔隙度為6.48%)和長石巖屑砂巖(平均孔隙度為6.17%);孔隙度最低的是巖屑砂巖,平均孔隙度為2.8%(圖5)。
圖2 川南地區(qū)川峰188井須家河組沉積相綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of sedimentary facies of Xujiahe Formation of Well Chuanfeng-188in South Sichuan
圖3 川南地區(qū)須家河組巖石類型三角投點(diǎn)圖Fig.3 Plot of Q,F(xiàn),R of the Xujiahe Formation rock types in South Sichuan(1 418個(gè)砂巖薄片鑒定結(jié)果)
川南地區(qū)須家河組砂巖儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育具多樣性,孔隙類型主要有原生孔隙、次生溶孔(包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄??祝┖臀⒘芽p,其他孔隙如晶間微孔(圖6-A)對(duì)儲(chǔ)層孔隙度貢獻(xiàn)較小。
原生孔隙主要是粒間孔隙,為沉積時(shí)形成的碎屑顆粒之間的孔隙。川南地區(qū)須家河組儲(chǔ)層砂巖中原生粒間孔分布較廣泛,巖石中原生粒間孔一般呈分散狀分布,顆粒邊緣可見環(huán)邊綠泥石或混層黏土(圖6-B、C、D)。
次生溶孔是須家河組儲(chǔ)層巖石的主要儲(chǔ)集孔隙,主要為長石、巖屑(主要是長石含量較高的中酸性火成巖碎屑)和填隙物經(jīng)溶蝕作用而形成的次生孔隙(圖6-D、E、F、G)。
圖4 川南須家河組儲(chǔ)層砂巖主要類型Fig.4 Main types of the Xujiahe Formation reservoir sandstones in South Sichuan
圖5 不同類型的巖石孔隙度柱狀圖Fig.5 Column of porosity for different types of sandstone
微裂縫由破裂縫、粒緣縫和溶縫組成。破裂縫一般是由構(gòu)造作用引起的機(jī)械破裂產(chǎn)生的裂縫孔隙空間,能切割顆粒延伸,常見成組分布,局部見充填碳酸鹽礦物、硅質(zhì)和有機(jī)物等。粒緣縫的形成有2個(gè)因素,一是在巖石壓溶作用下形成的,強(qiáng)烈的壓溶作用使得顆粒間填隙物產(chǎn)生溶蝕;二是由于顆粒收縮形成,如川南須六段中,可見長石蝕變形成高嶺石而形成的粒緣縫。溶縫是在構(gòu)造裂縫、壓溶縫、成巖壓裂縫等部位溶蝕擴(kuò)大形成(圖6-E、H、I)。
川南須家河組儲(chǔ)層經(jīng)歷了較為復(fù)雜的成巖作用,包括壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用。
1.4.1 壓實(shí)壓溶作用
川南地區(qū)壓實(shí)作用較為強(qiáng)烈(圖6-J),壓實(shí)作用使砂巖的原生孔隙大量減少,通過薄片鏡下觀察,可見碎屑顆粒緊密堆積,碎屑之間以線接觸為主,部分塑性巖屑、云母發(fā)生彎曲變形甚至形成假雜基。壓溶作用的常見現(xiàn)象包括顆粒凹凸鑲嵌接觸及縫合線接觸,是沉積物埋深增加致使碎屑顆粒接觸處溶解度增高而發(fā)生溶解作用引起的,壓溶作用也是導(dǎo)致石英加大的主要因素,這一現(xiàn)象在川南須家河組儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育。
1.4.2 膠結(jié)作用
通過X射線衍射、薄片鑒定,研究區(qū)內(nèi)膠結(jié)物類型主要為碳酸鹽、硅質(zhì)和黏土礦物。碳酸鹽膠結(jié)物常見為方解石,白云石和菱鐵礦含量較少。方解石膠結(jié)物可根據(jù)形成時(shí)期分為成巖早期和成巖中-晚期的方解石(圖6-K),前者分布層位較局限,往往成薄層狀,發(fā)育層位的孔隙度普遍小于2%;后者主要呈斑狀充填于粒間和溶蝕孔隙中。硅質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育與石英碎屑顆粒的含量有關(guān),在區(qū)內(nèi)較為常見,常以石英次生加大現(xiàn)象出現(xiàn)(圖6-L)。區(qū)內(nèi)常見黏土礦物包括綠泥石、高嶺石、伊利石和混層黏土等(圖6-M),主要以孔隙襯墊、孔隙填充和交代假象出現(xiàn)。
1.4.3 溶蝕作用
溶蝕作用在川南須家河組儲(chǔ)層中較為普遍,主要發(fā)生溶蝕的有長石、巖屑和雜基等,長石和巖屑溶蝕形成粒內(nèi)溶孔、鑄??祝▓D6-N),雜基形成雜基微孔。成巖早期形成的連晶式方解石也會(huì)發(fā)生溶蝕作用形成粒間溶孔。
1.4.4 構(gòu)造破裂作用
構(gòu)造破裂作用可形成構(gòu)造破裂縫,在須家河組儲(chǔ)層常見(圖6-H、O)。構(gòu)造作用形成的構(gòu)造微裂縫雖然增加的孔隙度不大,卻因?yàn)槟茉鰪?qiáng)獨(dú)立孔隙的連通性而很好地改善儲(chǔ)層的滲透率,使得孔隙度低的儲(chǔ)層形成裂縫-孔隙型儲(chǔ)層。
圖6 川南須家河組儲(chǔ)層孔隙類型與成巖作用Fig.6 Pore types and diagenesis of the Xujiahe Formation reservoir in the South Sichuan
通過對(duì)巖石薄片、掃描電鏡、巖心物性資料的研究,發(fā)現(xiàn)川南地區(qū)須家河組儲(chǔ)層巖石的物性特征明顯受到來自沉積作用和成巖作用等因素的影響。
沉積作用對(duì)儲(chǔ)層的影響包括巖石組分和沉積相對(duì)儲(chǔ)層的影響。
2.1.1 巖石組分
巖石組分主要包括碎屑顆粒和雜基(不包括成巖作用期間形成的黏土礦物)。由圖5可知,不同巖石類型的孔隙度的發(fā)育程度為:長石石英砂巖>巖屑石英砂巖>巖屑長石砂巖>長石巖屑砂巖>巖屑砂巖;石英含量:長石石英砂巖≈巖屑石英砂巖>巖屑長石砂巖≈長石巖屑砂巖≈巖屑砂巖;長石含量:巖屑長石砂巖>長石石英砂巖≈長石巖屑砂巖>巖屑石英砂巖≈巖屑砂巖。表明石英含量越高越有助于孔隙的發(fā)育;同時(shí)在石英含量大致相同的情況下,長石含量較多的巖石孔隙度更高,這與區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的長石溶蝕孔隙有關(guān)。而巖屑的含量明顯與孔隙度具有負(fù)相關(guān)性,因?yàn)閰^(qū)內(nèi)塑性巖屑含量相對(duì)較多,如泥巖碎屑、粉砂巖碎屑和云母等,塑性巖屑在較為強(qiáng)烈的壓實(shí)作用下,顆粒變形形成假雜基(圖6-J),堵塞有效孔隙。
雜基含量與成分成熟度有著密切的關(guān)系,雜基含量越高,說明沉積物質(zhì)沉積時(shí)水動(dòng)力條件較弱,往往會(huì)導(dǎo)致物性條件較差。對(duì)川南須家河組儲(chǔ)層巖石雜基含量(黏土礦物未計(jì)入)和孔隙度進(jìn)行分析(圖7),雜基含量和孔隙度呈明顯的負(fù)相關(guān)性。
2.1.2 沉積相
圖7 川南須家河組儲(chǔ)層雜基含量與孔隙度相關(guān)性Fig.7 Correlation of porosity and matrix content of the Xujiahe Formation reservoir in South Sichuan
沉積相不僅對(duì)砂體的展布有著影響,也與儲(chǔ)層的物性特征有著明顯的關(guān)系。不同相帶水動(dòng)力條件的不同影響著相應(yīng)的沉積物的粒度、分選、成分。川南須家河組儲(chǔ)層主要發(fā)育三角洲相,局部地區(qū)見湖相沉積,可進(jìn)一步劃分為三角洲前緣、三角洲平原、前三角洲和淺湖等亞相。單從亞相來說,三角洲前緣亞相的儲(chǔ)層物性特征發(fā)育相對(duì)最好,次之為三角洲平原,淺湖和前三角洲亞相的物性特征最差(圖8)。從沉積微相進(jìn)一步分析,水下分流河道微相的孔隙度相對(duì)最發(fā)育,次之為進(jìn)積灘壩、河口壩、平原分流河道等微相,水下分流河道和進(jìn)積灘壩微相的孔隙度發(fā)育接近,但進(jìn)積灘壩微相的分布范圍很小,僅于合川1井見到,故整體淺湖亞相的孔隙發(fā)育很低(圖9)。
圖8 不同沉積亞相的儲(chǔ)層孔隙度Fig.8 Poresity of different sedimentary subfacies
圖9 不同沉積微相的儲(chǔ)層孔隙度Fig.9 Poresity of different sedimentary microfacies
川南須家河組儲(chǔ)層成巖作用復(fù)雜,按照對(duì)儲(chǔ)層孔隙影響的不同分為建設(shè)性成巖作用和破壞性成巖作用。
2.2.1 建設(shè)性成巖作用
建設(shè)性成巖作用包括溶蝕作用、構(gòu)造破裂作用、環(huán)邊綠泥石膠結(jié)作用。區(qū)內(nèi)的次生溶孔是改善儲(chǔ)層的物性特征的主要因素,包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔和溶縫等都依賴于溶蝕作用。川南須家河組儲(chǔ)層溶蝕作用有2種類型,分別為靠近地表或不整合面附近儲(chǔ)層受到大氣淡水淋濾[11]及埋藏期有機(jī)質(zhì)成熟形成的有機(jī)酸,大氣淡水引起的溶蝕作用主要作用于須家河組頂部的須六段。須六段儲(chǔ)層砂巖長石含量極低,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)<4%,而高嶺石的含量卻較高,這與喜馬拉雅期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān),它使須家河組抬升至地表附近,發(fā)生大氣淡水的淋濾而引起溶蝕作用。而有機(jī)酸引起的溶蝕作用主要發(fā)生于成巖階段演化至中成巖A期的儲(chǔ)層,此時(shí)正是有機(jī)質(zhì)大量成熟的階段,產(chǎn)生的CO2使地層水成為酸性水,作用于顆粒和填隙物開始溶蝕作用。
川南地區(qū)須家河組沉積之后,經(jīng)歷過數(shù)次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),包括印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng),其中使全盆褶皺抬升并在川南地區(qū)形成大量背斜的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)對(duì)微裂縫的發(fā)育最具有建設(shè)意義。川南低陡構(gòu)造區(qū)和川西南低緩構(gòu)造區(qū)南部褶皺強(qiáng)度較高,而且砂泥比高,砂巖厚度大,剛性地層發(fā)育,在構(gòu)造作用影響下構(gòu)造裂縫發(fā)育,儲(chǔ)層以裂縫-孔隙型為主,孔隙型為輔[9]。
環(huán)邊綠泥石膠結(jié)作用主要發(fā)育于須二段和須四段(圖6-A、K)。因環(huán)邊綠泥石的發(fā)育,不僅增強(qiáng)了抗壓實(shí)的能力,而且將孔隙流體與顆粒隔開,防止次生加大作用發(fā)生,有效地保存了原生孔隙[12-15]。
2.2.2 破壞性成巖作用
破壞性成巖作用包括壓實(shí)壓溶作用和膠結(jié)作用。壓實(shí)壓溶作用使區(qū)內(nèi)原生孔隙大量喪失;碳酸鹽膠結(jié)作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用和黏土膠結(jié)作用充填原生孔隙和次生孔隙。
為定量壓實(shí)作用的強(qiáng)度,通過對(duì)川南須家河組砂巖鑒定報(bào)告的統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算川南須家河組儲(chǔ)層的壓實(shí)系數(shù)[壓實(shí)系數(shù)=(原始孔隙度—粒間孔隙度—膠結(jié)物含量)/原始孔隙度,原始孔隙度設(shè)定為40%]。川南地區(qū)須家河組儲(chǔ)層的壓實(shí)系數(shù)平均達(dá)到0.715,達(dá)到強(qiáng)壓實(shí)程度[16]。
川南須家河組儲(chǔ)層壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)孔隙均有著嚴(yán)重的破壞作用,通過建立負(fù)膠結(jié)物孔隙度-膠結(jié)物關(guān)系圖來判定壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)孔隙度減少的相對(duì)重要性[17,18]。結(jié)果顯示(圖10),大部分的點(diǎn)落在了圖中左下角,僅見極少數(shù)樣品位于中部和偏右上角,表明川南須家河組儲(chǔ)層壓實(shí)作用導(dǎo)致的孔隙度減少遠(yuǎn)勝于膠結(jié)作用。
圖10 負(fù)膠結(jié)物孔隙度-膠結(jié)物含量關(guān)系圖Fig.10 Relation betweem cement content and interstitial volume
對(duì)區(qū)內(nèi)須家河組儲(chǔ)層砂巖樣品進(jìn)行埋藏深度和孔隙度的分析(圖11),發(fā)現(xiàn)在1.5~2.5km深度范圍內(nèi),孔隙度大小范圍分布較大,為0%~18%;在2~2.5km深度內(nèi)還有孔隙度達(dá)到15%以上的儲(chǔ)層,這與儲(chǔ)層的巖石組分、沉積相和成巖作用有關(guān):說明壓實(shí)壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響程度相對(duì)較小。圖11-B為合川1井的巖屑長石砂巖,雜基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到1%,因?yàn)榄h(huán)邊綠泥石的發(fā)育原生孔隙得以較多的保存,中成巖A期,溶蝕作用使得粒內(nèi)溶孔大量形成,這些因素使得須二段孔隙度發(fā)育較好。而在深度>3km,孔隙度普遍為<10%;特別是當(dāng)深度>4km時(shí),孔隙度<5%。如圖11-A儲(chǔ)層砂巖,沉積、成巖因素和圖11-B砂巖類似,也為巖屑長石砂巖,雜基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右,顆粒邊緣可見混層黏土或環(huán)邊綠泥石;但因?yàn)閺?qiáng)烈的壓實(shí)壓溶作用,顆粒之間為線接觸—縫合線接觸,原生孔隙幾乎絕跡;同時(shí)由于埋藏較深,成巖階段演化已至中成巖B期,方解石等膠結(jié)物開始充填粒內(nèi)溶孔,僅剩余零星的粒內(nèi)溶孔呈斑狀分布,整體孔隙度<5%:表明在埋深>3km,即使有有利的沉積和成巖條件,也因?yàn)閴簩?shí)壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的破壞過于強(qiáng)烈,罕有高孔隙的儲(chǔ)層。
2.2.3 成巖作用下的孔隙演化
圖11 川南地區(qū)須家河組儲(chǔ)層埋藏深度與孔隙度發(fā)育的關(guān)系Fig.11 Relation between the burial depth and porosity of the Xujiahe Formation reservoir in South Sichuan
孔隙演化與成巖作用有著緊密聯(lián)系。通過對(duì)川南須家河組儲(chǔ)層砂巖各類成巖作用特征和成巖階段演化的研究,確定其成巖演化達(dá)到中成巖A期,局部達(dá)到中成巖B期。作者總結(jié)了川南地區(qū)須家河組砂巖在成巖作用下的孔隙演化模式(圖12)。早成巖A期,巖石呈弱固結(jié)—半固結(jié),強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)作用使得原生孔隙降低至15%~20%,部分儲(chǔ)集層段綠泥石在顆粒表面形成薄膜。早成巖B期巖石為半固結(jié)—固結(jié),壓實(shí)作用繼續(xù)進(jìn)行,降低原生孔隙,局部連晶式方解石呈薄層狀發(fā)育,致使原生孔隙幾乎被完全充填,發(fā)育層位孔隙度降至2%以下,石英次生加大開始出現(xiàn),堵塞原生粒間孔隙,原生孔隙降至5%~10%,溶蝕作用開始出現(xiàn)于部分長石中。中成巖A期,巖石已固結(jié),壓溶作用使石英加大作用大量產(chǎn)生,亮晶方解石、白云石開始充填孔隙;隨著有機(jī)質(zhì)成熟,大量有機(jī)酸進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層,長石和含長石類巖屑產(chǎn)生強(qiáng)烈溶蝕作用,開始大量出現(xiàn)長石、巖屑粒內(nèi)溶孔,次生溶孔達(dá)到3%~8%,原生孔2%~7%。中成巖B期,區(qū)內(nèi)部分埋藏較深的儲(chǔ)層達(dá)到此階段,凹凸接觸—縫合線接觸開始出現(xiàn),壓溶作用繼續(xù)進(jìn)行,硅質(zhì)膠結(jié)、鐵白云石充填原生孔和次生孔,溶蝕作用減弱;由于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響,構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生,形成構(gòu)造破裂縫,部分破裂縫因?yàn)槿芪g作用形成較大的溶縫。
圖12 成巖作用演化與孔隙演化圖Fig.12 The diagram of diagenetic stage and pore evolution
a.川南地區(qū)須家河組儲(chǔ)層巖石以巖屑長石砂巖最多,其次為巖屑長石砂巖、巖屑砂巖、巖屑石英砂巖,長石石英砂巖和長石砂巖較為少見。儲(chǔ)層平均孔隙度為7.06%,平均滲透率為0.265×10-3μm2,屬于典型的低孔低滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)集空間主要見有原生孔隙、次生孔隙(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄??祝┖臀⒘芽p。區(qū)內(nèi)成巖作用發(fā)育壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用。
b.石英含量越高越有助于儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育;同時(shí)在石英含量大致相同的情況下,長石含量較多的巖石孔隙度更高,而巖屑含量、雜基含量與孔隙度呈負(fù)相關(guān)性。區(qū)內(nèi)三角洲前緣亞相的物性特征最好,其次為三角洲平原亞相;而沉積微相中的水下分流河道物性特征最好,次之為進(jìn)積灘壩,但后者分布范圍小。
c.溶蝕作用是區(qū)內(nèi)最主要的改善儲(chǔ)層孔隙度的成巖作用,構(gòu)造破裂作用形成的裂縫孔隙度低,但是較好地提高了儲(chǔ)層的滲透性,環(huán)邊綠泥石膠結(jié)保存了大量的原生孔隙。壓實(shí)壓溶作用和膠結(jié)作用對(duì)孔隙度起破壞性作用,且壓實(shí)壓溶作用對(duì)孔隙度的減少大于膠結(jié)作用。在1.5~2.5km深度范圍內(nèi),埋藏深度對(duì)儲(chǔ)層物性特征影響較?。划?dāng)埋深>3km時(shí),埋藏深度的影響較大,壓實(shí)壓溶作用對(duì)孔隙破壞作用大為增強(qiáng),即便是具有較好的沉積、成巖因素,儲(chǔ)層物性特征也會(huì)極大地降低,特別是當(dāng)埋深>4km時(shí),罕有較好的儲(chǔ)層。
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