四川盆地川西坳陷須家河組砂巖致密化研究

李 嶸，張 娣，朱麗霞

(成都地質礦產研究所，成都 610081)

1 基本地質特征

四川盆地川西坳陷是指彰明—關口斷裂以東，龍泉山前陸隆起帶以西的區域(Ⅳ)(圖1)[1]。該地區上三疊統須家河組蘊藏有豐富的天然氣資源，目前已經在新場、大邑等地區發現須家河組氣藏，顯示其巨大的勘探潛力。

川西坳陷晚三疊世為大陸邊緣盆地和前陸盆地沉積階段[2-4]，以陸相沉積為主，主要發育湖泊、三角洲、河流沉積，其中三角洲沉積砂體構成研究區主要的儲集體。川西坳陷上三疊統須家河組(T3x)埋深一般大于3 000 m，自下而上主要發育4套地層(須家河組二段、三段、四段、五段)。其中，須家河組二段(T3x2)和四段(T3x4)為主要的含氣層段，砂體單層厚度及累厚大，分布穩定。

須家河組砂巖經歷了漫長、持續的埋藏過程(圖2)。其中，可見2期快速沉降過程(晚三疊世217～208 Ma，晚侏羅世156～144 Ma)，并在晚白堊世末期達到最大埋深，隨后由于喜山運動的影響，地層發生抬升剝蝕。盆地熱演化史以及有機質生、排烴模擬結果(圖2)表明，作為須二段和須四段主要烴源巖的馬鞍塘—小塘子組(T3m+t)和須三段(T3x3)具有連續生、排烴的特點。其中，烴源巖在中侏羅世沙溪廟期和晚侏羅世蓬萊鎮期具最高的生、排烴速率，表明中侏羅世—早白堊世為須家河組氣藏主要的成藏時期。

圖1 川西地區構造分區[1]Ⅰ．松潘—甘孜褶皺帶，構造轉換帶；Ⅱ. 龍門山逆沖推覆構造帶；Ⅲ．龍門山滑覆—推覆構造帶；Ⅳ．前陸坳陷；Ⅳ1.安縣—鴨子河—大邑斷褶帶；Ⅳ2.成都凹陷；Ⅳ3.孝泉—豐谷低緩斷褶帶；Ⅳ4.梓潼凹陷；Ⅳ5.知新場—石泉場斷褶帶；F1.茂縣—汶川斷裂；F2.北川—映秀斷裂；F3.彰明—關口斷裂Fig.1 Structural units of Western Sichuan Depression

須家河組砂巖埋深大，持續埋藏時間長，普遍經歷了復雜的成巖改造，造成儲層致密—超致密，并具極強的非均質性。砂巖孔隙度普遍小于4%， 滲透率小于0.1×10-3μm2，屬于典型的不具備天然氣儲集能力的超致密儲層。但在實際勘探開發中，在這些超致密儲層中獲得了工業氣流，在部分鉆井甚至獲得高產工業氣流。控制須家河組天然氣成藏和富集的一個關鍵因素是儲層質量[5-6]。因此，為了對須家河組超致密砂巖的勘探潛力進行分析，研究儲層質量及其影響因素，對有利儲層預測至關重要。其中，砂巖致密化進程研究又是研究孔隙演化、儲層縱橫向非均質性以及有利儲層分布的一個重點。前人針對川西坳陷須家河組儲層成巖作用以及相對優質儲層發育主控因素已經開展了大量的研究工作[7-11]，但對造成砂巖成巖過程差異的因素，包括沉積相、礦物組成、砂巖組構、盆地熱演化史、有機質成熟史等研究較少，導致難以對不同成巖事件在砂巖致密化過程中所起作用進行準確評價。本研究從巖石學特征、成巖作用特征、儲集空間類型、砂巖致密化進程等幾個方面對須二段和須四段砂巖分別進行研究，同時結合盆地模擬的結果確定油氣充注時間以及主要成巖事件對應的時間及溫度，為有利儲層預測提供依據。

2 儲層巖石學特征

2.1 碎屑組分

須家河組砂巖儲層主要由巖屑石英砂巖和巖屑砂巖組成，包含部分長石石英砂巖、長石巖屑砂巖和少量巖屑長石砂巖(圖3)[12]。巖相分析(根據Dickinson三角圖解[13])表明其具有再旋回造山帶物質來源。

圖2 川西坳陷埋藏史—熱史古熱流模型的建立基于盆地的構造演化以及實測Ro值與根據Sweeney&Burnham Easy% Ro算法計算Ro值的標定結果。Fig.2 Burial and thermal histories of Western Sichuan Depression

圖3 川西須家河組二段和四段砂巖碎屑組成根據Folk命名[12]。Fig.3 Detrital composition of Xujiahe sandstones in western Sichuan

須二段砂巖具相對較高的石英和長石含量(Q77.1F6.2R16.7)， 以巖屑石英砂巖、巖屑砂巖和長石石英砂巖為主，成分成熟度較高；須四段砂巖具有較高的巖屑含量以及較低的長石、石英含量(Q48.7F2.3R49.0)，主要為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖(圖3,表1)。石英以單晶石英為主。長石主要為斜長石和鉀長石，含量一般在2.2%～8.1%之間，長石含量超過10%的砂巖主要分布在須二中、下亞段。須四段廣泛發育以碳酸鹽巖巖屑為主的鈣屑砂巖(巖屑含量平均為78%)；須二段巖屑含量相對較低(平均為14%)，以變質巖巖屑為主，并見部分火山巖巖屑和少量沉積巖巖屑。

2.2 成巖礦物

須家河組砂巖中主要的成巖礦物包括碳酸鹽膠結物、粘土礦物和自生硅質。

碳酸鹽膠結物主要為較晚期的連晶方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石等。須四段鈣屑砂巖以及須二段細粒砂巖具有較高的碳酸鹽膠結物含量(表1)。

粘土礦物主要為伊利石、綠泥石以及局部發育的高嶺石。粘土礦物含量普遍較低，相對而言，須二段具有較高的粘土礦物含量。

自生硅質含量普遍較低(痕量～10%)，含量較高者主要集中在須二段中—粗粒砂巖中。

2.3 砂巖結構特征

須家河組砂巖主要以中粒、細粒、中—細粒、細—中粒結構為主，少部分為中—粗粒、粗粒和不等粒。顆粒分選較好—中等，磨圓度中等—較差。膠結類型多為孔隙式、壓結式和孔隙—壓結式。砂巖顆粒接觸關系主要為線—凹凸接觸，其次為線接觸，并見少量點—線和凹凸—縫合線接觸。

3 成巖作用特征

川西坳陷須家河組砂巖在漫長的埋藏過程中經歷了復雜的成巖改造，進一步加劇了儲層空間分布上的不均一性。圖4為須家河組砂巖主要成巖事件共生序列。須家河組砂巖經歷的早期成巖作用包括機械壓實作用、破裂作用、早期溶蝕作用、粘土礦物的析出和充填作用以及石英次生加大和粘土襯邊的形成；晚成巖階段須家河組砂巖經歷的主要成巖改造包括化學壓實作用、高嶺石等粘土礦物向伊利石、綠泥石轉化、鋁硅酸鹽礦物的繼續溶解、自生石英以及晚期方解石和鐵白云石的沉淀、自生綠簾石和榍石的產出。

3.1 壓實作用

由于須家河組砂巖在不同層段碎屑組分、巖屑類型、碳酸鹽膠結物含量、自生石英含量、分選以及粒度存在差異，壓實作用表現出較強的不均一性。

發生在早成巖階段的機械壓實作用導致了砂巖的初期致密化：1)碎屑顆粒重排；2)剛性骨架顆粒和部分重礦物中微細裂隙形成；3)軟性變質巖、火山巖和沉積巖巖屑壓扁拉長呈定向排列或變形呈假雜基。總的來說，軟性顆粒較多的巖石所經歷的機械壓實作用較強，原始孔隙在這些層段無法較好保存。

表1 川西坳陷須家河組砂巖組分Table 1 Average compositions of Xujiahe sandstones in western Sichuan

圖4 川西坳陷須家河組砂巖主要成巖事件共生序列Fig.4 Diagenetic history of Xujiahe sandstones in western Sichuan

壓溶作用在石英含量高的石英砂巖、長石石英砂巖和巖屑石英砂巖中較為普遍(圖5a)。特別是當砂巖中石英顆粒多被伊利石包裹或(和)具有較少顆粒間支撐碳酸鹽膠結物時，化學壓實作用較為常見(表2)。而在綠泥石襯邊相對發育層段，壓溶作用明顯減弱，碎屑顆粒間呈點—線或線接觸，壓溶作用導致的自生石英明顯減少(圖5b,表2)。

表2 川西坳陷須家河組不同接觸強度砂巖中石英次生加大以及綠泥石含量Table 2 Contents of quartz overgrowth and chlorite in Xujiahe sandstones withdifferent levels of compaction, Western Sichuan Depression

3.2 破裂作用

須家河組段砂巖中裂縫較為發育，且種類較多，主要包括粒內縫、粒緣縫和穿粒縫等3種類型。部分縫段見有溶蝕擴大現象。裂縫中常完全或不完全充填瀝青質、粘土質等。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用普遍發育，主要表現為格架顆粒，特別是長石的溶蝕。長石主要沿顆粒邊緣或解理溶蝕，在部分層段長石被溶蝕成蜂窩狀，直至形成鑄模孔。巖屑的溶蝕則主要為巖屑中的易溶礦物(如長石等)遭受選擇性溶蝕形成粒內溶孔。

圖5 川西坳陷須家河組砂巖顯微照片Fig.5 Photomicrographs of Xujiahe sandstones in western Sichuan

3.4 粘土礦物的析出和充填作用

須家河組砂巖中常見的自生粘土礦物包括伊利石、綠泥石和高嶺石。

伊利石：為砂巖中最常見的粘土礦物，一般占粘土礦物總量的85%以上。主要為早期鋁硅酸鹽礦物溶蝕析出的產物以及高嶺石、粒間雜基等蝕變產物。伊利石常充填孔隙、堵塞通道，對砂巖的儲集性和連通性主要起到破壞作用。

綠泥石：自生綠泥石主要以孔隙襯墊和孔隙充填2種形式產出(圖5b)，主要形成于早成巖階段。綠泥石與自生硅質間呈明顯負相關。

高嶺石：為早期鋁硅酸鹽礦物溶蝕的產物，僅在部分井段見有保留。薄片觀察可見高嶺石普遍晶形較好，多呈書頁狀、蠕蟲狀充填于粒間孔隙中，晶間孔普遍較發育。

3.5 石英次生加大和硅質充填作用

自生石英主要以石英次生加大和自生石英膠結物2種形式產出，在高碎屑石英、貧碳酸鹽膠結物、貧綠泥石砂巖中含量最高。

碎屑石英次生加大較普遍，多處于加大Ⅱ—Ⅲ階段(圖5c)。含量一般小于2%，在部分須二段砂巖中含量可高達10%。

粒間充填自生硅質較少見，多以較小的硅質顆粒形式充填粒間或粒內溶蝕孔隙中。

3.6 碳酸鹽礦物的充填和交代作用

碳酸鹽礦物的充填和交代在須家河組砂巖中較為普遍，主要為較晚期的連晶方解石(圖5d)、鐵方解石、白云石、鐵白云石等。在部分井段見連晶形式產出的碳酸鹽廣泛充填粒間孔隙或交代顆粒，含量最高可達40%以上。早期碳酸鹽膠結物少見，表明早成巖階段為開放的淡水、酸性水介質環境。總體上，碳酸鹽膠結物主要發育在須四段鈣屑砂巖以及須二段細粒砂巖中。碳酸鹽膠結物少見被溶蝕現象，它們對孔隙的充填極大地破壞了砂巖的儲集性。

4 儲集特征及儲集空間類型

川西坳陷須家河組砂巖主要發育粒間充填剩余孔、粒間溶孔、粒內溶孔、鑄模孔、粘土礦物晶間孔和裂縫等幾種儲集空間類型。總體上，次生孔隙對儲集空間的貢獻大于原生孔，須四段次生孔隙的貢獻(68%)大于須二段(57%)。裂縫對須四段面孔率的貢獻較小，僅占儲集空間的3%，而須二段砂巖中裂縫較發育，對面孔率的貢獻可達10%～20%。

須二段孔隙度分布范圍窄，主要為2%～5%，平均為3.5%；滲透率主要為(0.02～0.2)×10-3μm2，平均為0.055×10-3μm2，其中75%的樣品滲透率低于0.1×10-3μm2。須四段砂巖孔隙度主要分布在2.3%～8%，平均為5.1%；滲透率主要為(0.02～0.3)×10-3μm2，平均0.066×10-3μm2，其中有80%的樣品滲透率低于0.2×10-3μm2。豐谷地區須家河組四段鈣屑砂巖具較高孔隙度和滲透率。總體上，須家河組儲層屬于低—特低孔、特低滲儲層，但在部分地區、井段，如豐谷地區須四段鈣屑砂巖以及川高561井區須二段砂巖，可見孔滲性較好的砂巖儲層。

5 儲層致密化進程

根據前述研究，須家河組砂巖的致密化過程可以表示如下：機械壓實作用—粘土襯邊形成—早期石英次生加大—化學壓實作用—晚期石英次生加大—晚期碳酸鹽礦物沉淀。其中，在淺埋藏早期和埋藏成巖期有2次溶蝕作用發生。

5.1 壓實作用

須家河組砂巖經歷較大埋深，且缺少早期碳酸鹽膠結物，壓實、壓溶作用較為強烈。機械壓實作用在塑性顆粒較發育的層段影響較強，壓溶作用在石英含量較高的石英砂巖、長石石英砂巖和巖屑石英砂巖中較為普遍。

根據砂巖粒間體積與膠結物交會圖(圖6)[13-15]，可以估算壓實作用和膠結作用對孔隙的破壞程度。對于須四段砂巖而言，壓實作用對非鈣屑砂巖的影響遠大于鈣屑砂巖。壓實作用對須四段不同粒度非鈣屑砂巖孔隙的破壞程度相似(占原始孔隙度的75%～80%)，而壓實作用導致的孔隙度損失在鈣屑砂巖中為50%左右(圖6a)。須二段砂巖碎屑組成差別不大，但是不同粒度砂巖表現出明顯不同的成巖特征(圖6b)。隨著粒度由細到粗，壓實作用的影響逐漸增強。壓實作用導致的孔隙度損失在細粒砂巖中平均為24%，占原始孔隙度的60%；在中粒砂巖中平均為29%，占原始孔隙度的72%；在粗粒砂巖中平均為33%，占原始孔隙度的83%(圖6b)。總體上，壓實作用對孔隙的破壞大于膠結作用，壓實是導致須家河組砂巖孔隙度降低的最主要因素。

眾所周知，砂巖的沉積環境及物源一方面可以控制其原始孔隙度和滲透率，另一方面，由沉積相和物源不同造成的砂巖在碎屑組成和結構上的差異又可以決定砂巖孔隙體系的演化[16]。剛性的石英、長石以及鈣質巖屑具有較強的力學穩定性，砂巖中較高石英、長石、鈣屑含量，較低軟性巖屑含量可以提高巖石抗機械壓實的能力，對原生孔隙的保存有利。須四段孔隙度與巖屑含量關系(圖7)顯示，鈣屑砂巖孔隙度與巖屑含量呈正相關關系，孔隙度大于5%的樣品其巖屑含量普遍大于90%。與此相反，非鈣屑砂巖孔隙度與巖屑含量呈負相關，孔隙度大于5%的樣品其巖屑含量普遍小于40%。

圖6 川西須家河組砂巖粒間體積、膠結物交會圖采用Houseknecht[14] 和Ehrenberg[15]圖解Fig.6 Cross-plots of cement volume versus intergranular volume for Xujiahe sandstones in western Sichuan

圖7 川西須四段孔隙度與巖屑含量關系Fig.7 Cross-plot of porosity versus rock fragments for T3x4 sandstones in western Sichuan

5.2 膠結作用

須家河組砂巖中主要的自生礦物包括粘土礦物、碳酸鹽膠結物和部分硅質。

5.2.1 碳酸鹽膠結物

由圖6a可以看出，須四段鈣屑砂巖中膠結作用導致的原始孔隙度損失大于非鈣屑砂巖。同時，豐谷地區鈣屑砂巖中膠結作用的影響又小于其他地區鈣屑砂巖。壓實作用對豐谷地區須四段鈣屑砂巖和其他地區鈣屑砂巖的影響近似，但是豐谷地區鈣屑砂巖卻具有明顯較好的儲滲性，主要原因是其中較低的碳酸鹽膠結物含量(表1,圖6a)。根據研究，豐谷地區須四段鋁硅酸鹽巖屑和碳酸鹽巖巖屑的溶蝕發生較早，此時豐谷地區處于向南西傾斜大斜坡的較高部位，該古地貌為大氣淡水對儲層的作用創造了良好的勢能條件。一方面，溶蝕作用較易發生；另一方面，溶蝕產物易被帶走在低勢能區沉淀。此外，通過對比豐谷以及其他地區地層的砂巖含量，發現良好儲層發育區的砂/地比高，泥頁巖呈很薄的透鏡體分布于砂巖間，造成相對開放環境，為大氣淡水及含鈣流體提供滲流通道。而在砂/地比低、泥頁巖含量高的地區，砂巖處于相對封閉環境。一方面缺乏大氣淡水注入的通道；另一方面，外來的富鈣流體和部分本地碳酸鹽巖巖屑溶蝕形成的富碳酸鹽礦物的孔隙水很容易達到過飽和，從而導致廣泛的碳酸鹽膠結物的沉淀，致使巖石致密—超致密。豐谷地區鈣屑砂巖中碳酸鹽膠結物具有較低的Fe2+含量(0.059%)，也進一步證明其形成于相對開放的環境。

晚期碳酸鹽膠結物的充填也是導致須二段砂巖致密的主要因素之一。圖6b顯示，隨著砂巖粒度由細到粗，壓實作用的影響逐漸增強，在粗粒砂巖中破壞了33%左右的孔隙度，在細粒砂巖中破壞了24%左右的孔隙度。但是，細粒砂巖卻具有相對較低的孔隙度(平均為1.8%)，主要原因是細粒砂巖具有較高的碳酸鹽膠結物含量(表1)。在顆粒分選相似的情況下，細粒砂巖具有與中—粗粒砂巖相似的初始孔隙度，但初始滲透率卻遠低于中—粗粒砂巖(相差一個數量級)[17]。較細孔喉、較差滲濾能力導致細粒砂巖中較易形成碳酸鹽膠結物沉淀。須二段和須四段晚期方解石膠結物δ18O平均值為-14.11‰和-14.52‰，通過采用O’Neil公式[18]推測晚期方解石的形成溫度大約在90～100 ℃。根據川西坳陷埋藏史—熱史模擬結果(圖2)，須二段晚期方解石主要形成于須五(T3x5)末期，須四段晚期方解石形成于晚侏羅世蓬萊鎮期(J3p)早中期。相對古構造高部位通常具有較低的碳酸鹽膠結物含量，因此，T3x5末期以及J3p早中期古構造高位置分別有利于須二段和須四段儲層的發育。

5.2.2 自生硅質

自生硅質在須四段砂巖中含量普遍較低(一般低于2%)，但在須二段中可見高含自生硅質樣品，這與須二段具有較高碎屑石英含量有關。須二段自生石英的物質來源與石英顆粒間壓溶有關，顆粒間具線—凹凸、凹凸—縫合線接觸的砂巖具有明顯較高的自生石英含量(表2)。自生硅質對須二段砂巖儲集性的影響較大，孔隙度大于6%的樣品中自生硅質含量普遍小于2%。

5.2.3 綠泥石

綠泥石形成于初始機械壓實之后、石英加大和主要碳酸鹽膠結物之前。圍繞顆粒生長的綠泥石環邊可以抑制石英加大的形成，從而阻止原始粒間孔隙的破壞[19-21]。此外，具有一定厚度的綠泥石襯墊包裹石英顆粒，可以減少化學壓實作用(石英顆粒間壓溶)的進行，一方面使部分粒間(溶)孔、粒內溶孔得以保存；另一方面可以阻斷形成自生硅質的物質來源，對儲層孔隙的保存具有雙倍積極作用[22-24]。須二段粗粒砂巖具有較高的石英和較低的巖屑含量(表1)，抗機械壓實能力相對較強。但是，因為粗粒砂巖中綠泥石、碳酸鹽膠結物含量低(表1,平均為0.08%和1.1%)，導致砂巖遭受較強的化學壓實作用。薄片觀察發現，具綠泥石襯邊的樣品顆粒間通常呈線或點—線接觸，粒間壓溶程度弱，且缺乏壓溶伴生的溶解硅(包括石英次生加大和自生石英)沉淀；而缺乏綠泥石襯邊的樣品則常表現為線—凹凸、凹凸—縫合線接觸，表現出較強的壓溶特征。須二段砂巖埋深大且具較高石英含量(表1)，受壓溶作用影響更大，因此對可以抑制化學壓實作用進行的綠泥石襯邊具有更大的依賴性。

5.3 烴類侵位

烴類的主要充注時間為中侏羅世—早白堊世，與晚成巖作用發生的時間基本一致。烴類侵位可以抑制晚期成巖作用的發生[25-26]。研究顯示，有機質與碳酸鹽膠結物和自生石英含量之間呈弱負相關，表明烴類存在對晚期碳酸鹽膠結物和自生石英的形成具有一定的抑制作用。同時，烴類注入造成的高壓有助于砂巖對壓實作用的抵抗。

6 結論

1)川西坳陷上三疊統須家河組砂巖具中等結構成熟度，中等—較低成分成熟度，主要發育巖屑砂巖和巖屑石英砂巖。從須二段到須四段，巖屑含量明顯增加，長石、石英含量明顯降低。

2)須家河組砂巖由于埋深大，經歷的成巖演化十分復雜，導致砂巖致密—超致密，非均質性極強。壓實作用是導致須家河組砂巖致密化的最主要因素，碳酸鹽膠結物以及自生石英對儲層孔隙具有明顯的破壞作用。

3)剛性的石英、長石以及鈣質巖屑具較強的物理穩定性，砂巖中較高的石英、長石、鈣屑含量以及較低的軟性巖屑含量可以提高巖石抗機械壓實的能力，對原生孔隙的保存有利。

4)碳酸鹽膠結作用對須四段鈣屑砂巖以及須二段細粒砂巖影響較大，相對開放環境(高砂/地比、中—粗粒)、T3x5末期以及J3p早中期古構造高位置不利于碳酸鹽膠結物的沉淀，分別對須二段和須四段儲層發育有利。

5)壓溶作用以及石英膠結作用在富碎屑石英及伊利石、貧碳酸鹽膠結物和綠泥石的砂巖中較為普遍。具一定厚度、連續性好的綠泥石襯墊可以抑制化學壓實作用的進行以及自生硅質的沉淀，對須家河組砂巖，特別是須二段孔隙保存具有明顯的積極作用。

6)烴類侵位可以抑制碳酸鹽膠結物和自生石英的沉淀。

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