川西拗陷中侏羅統沙溪廟組致密砂巖成巖相

趙 爽 王琨瑜 鄧虎成,3

1. 中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院 2. 成都理工大學能源學院 3. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室

0 引言

我國致密砂巖氣藏資源豐富，川西探區陸相致密砂巖天然氣地質資源量在2016年底已形成每年8×108m3的生產能力。中侏羅統沙溪廟組氣藏是川西地區第二大中淺層氣藏，具有較大的勘探開發潛力。由于河道狹窄、砂體薄、非均質性強、含水飽和度高的特點導致單井產能低、遞減快、氣水分布異常復雜等問題[1]，勘探開發難度大于一般致密砂巖氣藏。Railsback[2]提出了“成巖相”的概念。成巖相反映儲層物性，影響著“甜點”發育與分布規律。通過對在復雜成巖作用影響下的致密儲層成巖相研究，將有助于展開有利儲層預測，更有效地指導油氣勘探和開發[3-6]。然而以往的研究綜合成巖礦物、成巖事件、成巖環境等方面對成巖相進行分類和命名，近年來，地震、測井等方法也應用于定性識別描述不同類型成巖相[7-10]。蔣裕強等[11]、余瑜等[12]對四川盆地上三疊統須家河砂巖儲層引入成巖系數定量分析和劃分成巖相并選出勘探有利區。目前對研究區沙溪廟組致密砂巖成巖作用特征的研究主要基于定性描述，對于成巖相的多參數定量劃分研究較少[13]，而使川西疊覆型致密砂巖氣區的評價與勘探受到影響。根據不同成巖作用以及主要礦物，定性描述不同成巖相的特征及差異，并對應多參數定量確定成巖相類型，為該區有利儲層預測和高效開發提供參考。

1 地質概況

川西拗陷位于揚子地塊西北緣，呈現“三隆兩凹一坡”的構造格局，即龍門山前構造帶、新場構造帶、成都凹陷、梓潼凹陷、知新場構造帶和中江斜坡[14]（圖1）。研究區位于川西拗陷中段東部斜坡，屬于川西拗陷東部的一個次級構造單元。沙溪廟組屬于河控三角洲沉積體系，砂體沉積微相以三角洲平原、前緣的（水下）分流河道為主[15]。總體物性較差且致密，孔隙度在0.9%～15.33%間，平均為8.66%；滲透率在0.000 8～1 910 mD間，平均為2.15 mD。沙溪廟組是氣田主力產層，截至目前，研究區侏羅系沙溪廟組共有完鉆井189口，提交探明儲量218.96×108m3，控制儲量 697.33×108m3，預測儲量 1 005.21×108m3。

圖1 川西拗陷中江氣田構造地質背景圖（據文獻[14，16]修改）

2 成巖作用

研究區沙溪廟組儲層經歷了復雜的成巖過程，主要成巖作用包括壓實作用、膠結作用、溶蝕作用以及少量交代作用，其中前兩種成巖作用是導致研究區儲層致密化的主要因素。

通過巖石薄片鏡下觀察，研究區沙溪廟組儲層機械壓實作用明顯，未達到壓溶作用階段，云母等塑性顆粒受擠壓變形強烈（圖2a），或形成定向、半定向排列，擠壓變形填入孔隙，造成原始儲集空間逐漸縮小，孔滲變差。長石等剛性礦物顆粒發生變形，顆粒間接觸關系由點接觸發育到凹凸—縫合接觸（圖2b-c），甚至斷裂（圖2d）。若裂縫與孔隙連通，則提高儲層物性。但當大量填隙物充填孔隙時，增加巖石的抗壓程度，這時膠結作用成為破壞儲層質量的重要成巖作用。

研究區沙溪廟組的膠結作用類型多樣，主要有方解石膠結、硅質膠結以及綠泥石膠結（圖2e-j）。按照方解石膠結物的類型、形成時間和產狀可將方解石膠結類型可分為早期方解石膠結與晚期鐵方解石膠結。早期方解石膠結物呈基底式充填原生孔隙，碎屑顆粒呈點或懸浮狀分布（圖2e）。晚期方解石膠結物常呈斑塊狀充填于粒間孔隙和溶蝕孔隙，而且很難被有機酸溶解（圖2f）。孔隙度與碳酸鹽巖膠結物含量呈指數負相關關系，即隨著碳酸鹽巖膠結物增多孔隙度減小[16]。早期連晶狀方解石膠結和晚期鐵方解石膠結對砂巖儲層的破壞作用僅次于壓實作用，甚至可導致孔隙完全消失[17]。

根據硅質礦物的類型、產狀及形成時間，可將本區硅質膠結類型的劃分為石英加大邊（圖2g）與自生石英充填孔隙兩種類型。次生加大占據孔隙空間，使得膠結致密，粒間孔喉大大減少。通常第一期石英加大發育不明顯，易在表面形成綠泥石膠結。接著在綠泥石外延發育第二期石英加大，其表面不見綠泥石薄膜，堵塞孔隙。自生石英發生在綠泥石膜膠結之后，孔隙內發育自形的石英顆粒（圖2h）。在充填孔隙的同時，膠結作用也堵塞喉道，對孔隙度、滲透率均具有破壞作用。

將沙溪廟組綠泥石膠結劃分為兩種形式：綠泥石環邊襯邊膠結及綠泥石薄膜膠結。綠泥石膠結對孔隙具有雙重影響[18-20]。當綠泥石呈襯邊狀（圖2i），起到阻止自生石英在碎屑石英表面成核的作用，抑制石英次生加大，孔內不見綠泥石膠結，從而保存原生孔隙[21]，為溶蝕成巖作用提供了空間。當綠泥石發育到一定程度，搭橋作用會徹底堵死喉道，使砂巖儲層的孔滲降低（圖2j）。

圖2 沙溪廟組不同成巖作用典型薄片鏡下特征圖

溶蝕作用是改善儲層物性最主要因素，不論粒間溶解還是粒內溶解，不僅提高孔隙度，也提高顆粒之間的連通性來提高滲透率。本區溶蝕作用的溶蝕礦物主要為長石。在偏光鏡下，隨著溶蝕作用增強，長石從邊緣溶蝕成港灣狀，到顆粒蜂窩狀、殘縷狀，到完全溶蝕后形成鑄模孔隙[22]。少量巖屑等填隙物常常溶解形成巖屑內鑄模孔和粒內溶孔（圖2k-l）。溶蝕作用主要發生在早成巖階段B期至中成巖階段A期，正處于有機質釋放出有機酸的時期，使孔隙的流體環境變為酸性，促使長石顆粒或巖屑中的不穩定礦物在此環境下發生溶蝕，形成了次生溶孔，包括粒內溶孔和粒間溶孔，有效改善了砂巖儲層的儲集性能[7]。

綜上，成巖作用對儲層有三個表現：破壞作用，改善作用及保護作用。壓實作用和膠結作用對儲層產生破壞作用，其中破壞能力由強到弱為壓實作用＞方解石膠結作用＞硅質膠結作用＞綠泥石搭橋＞綠泥石充填。溶解作用改善儲層，其中長石溶解＞方解石膠結物的溶解＞巖屑溶解＞填隙物溶解＞巖石破裂形成裂縫。綠泥石膠結（綠泥石襯邊）則對孔隙的保護作用。

3 成巖相劃分

成巖相是成巖作用、成巖礦物、成巖環境等的綜合[5]。沙溪廟組儲層為低孔、特低孔—超低滲儲層，因此，成巖作用對本區儲層的儲集性能具有重要作用。以川西中江地區大量掃描電鏡和鑄體薄片資料為基礎，根據不同膠結作用的儲層孔滲性的明顯差異以及長石溶蝕作用對孔滲有顯著的改善作用，將研究區沙溪廟儲層成巖相劃分為建設性（綠泥石膠結-長石溶蝕相）、保存性（綠泥石膠結相）和致密性（方解石膠結相、硅質膠結相）。不同成巖相中有多種成巖作用組合而成（表1）。

表1 不同成巖相的不同成巖作用組合表

方解石膠結相以中等壓實作用和弱—中等溶蝕作用為主，硅質膠結較少。早期連晶方解石、晚期鐵方解石的基底式膠結導致儲層近乎致密，總體上孔隙欠發育，以粒內溶孔和微孔隙為主，部分發育微溶縫。該類成巖相對應較低孔隙度與滲透率，分別為3.69%～8.63%，0.034～0.944 mD，連晶方解石膠結為主的樣品孔滲最低。

硅質膠結相發育中等壓實作用和中等溶蝕作用，較弱方解石膠結。總體上巖石孔隙欠發育，以粒內溶孔為主，粒間孔次之。該類成巖相也對應低的孔隙度3.96%～7.48%和低的滲透率0.035～0.666 mD。

綠泥石膠結相發育中等壓實作用和中等溶蝕作用，較弱的硅質膠結作用和方解石膠結作用。由于綠泥石環邊發育，保存的孔隙類型以粒間孔、粒間溶孔為主。粒間孔受綠泥石薄膜影響，呈近三角形或不規則形，孔內潔凈。該類成巖相對應較高孔隙度5.6%～12.8%和較高滲透率0.059～2.45 mD。孔隙度和滲透率較小的樣品，綠泥石的堵塞孔隙作用為主。

綠泥石膠結—長石溶蝕相中等壓實作用，強溶蝕作用，長石溶蝕現象普遍，綠泥石膠結保存粒間孔。孔隙較發育，分布較均勻，連通性較好，孔隙類型以粒間溶孔為主，次為粒內溶孔。該類成巖相有極好的孔隙度（9.74%～13.26%）和滲透率（0.23～2.57 mD），溶蝕作用增加次生孔隙，綠泥石膠結保存原生孔隙，使得儲層物性很好。

4 成巖相定量劃分參數

4.1 成巖系數

為定量描述不同成巖作用對儲集層的儲集性能的綜合影響，采用成巖系數[23]，視壓實率、視膠結率、視微孔隙率[14]等參數，公式如下：

式中K表示成巖系數；φp表示面孔率；φco表示視壓實率 ；φce表示視膠結率 ；φm表示視微孔隙率 ；φo表示原始隙度；φn表示現今孔隙度；ω表示溶孔百分比；Ci表示粒間膠結物含量；φ表示孔隙度。

一般來說，成巖系數值越大，說明成巖作用的綜合效應使得儲集層物性更好，能夠有效地定量表征不同成巖相（表2）。視壓實率能夠一定程度上反映出壓實作用的強度對孔隙度大小的影響（式2）。從式3看出，視膠結率是膠結物含量與孔隙度的綜合度量，總體上視膠結率與孔隙度呈反比。但當方解石膠結率低，則孔隙受壓實作用的影響較大；當硅質膠結受到溶蝕作用影響，產生的溶蝕孔隙使孔隙度增高。雖總體上孔隙度隨著綠泥石視膠結率增大而減少，但是孔隙度變化不大，綠泥石膠結仍有保存孔隙的作用。視微孔隙率表征難以滲流的儲集層微小的孔隙與裂縫含量，其值越大，說明微孔大量發育，大孔隙相對含量小，總體孔徑較小，導致儲層排驅壓力大、退汞效率低，儲集性能及滲流能力變差。

表2 川西坳陷沙溪廟組不同成巖相定量特征表

4.2 成巖相劃分標準

由于成巖相為儲集層成巖作用改造以后其物性的定量表征，因此可建立成巖系數與儲集層物性的良好關系[24]。總體上，成巖系數越大，儲層的孔隙度與滲透率均增大（圖3）。

圖3 成巖系數與成巖相物性關系圖

成巖系數通過測井曲線與成巖系數的關系進行預測，建立測井識別模型。川西拗陷不同河道中，不同電性與成巖系數具有不同相關性（圖4）。總體來說，AC、GR與成巖系數具有較高相關性。AC越大，說明了儲層物性越好，成巖系數越高；GR越大，說明泥質含量高，儲層質量變差，成巖系數越小。CNL與成巖系數之間的關系在研究的井中并沒有明顯的規律，考慮是樣品點過少造成，故CNL不參與模型的建立。在某些河道樣品中，DEN越大，表示物性越差，但是成巖系數也越大，不符合地質規律，建立模型時不考慮該參數。

綜上，以位于中江地區、高廟子地區的高廟101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道為例建立成巖系數識別模型，以便解釋成巖系數曲線，結合孔滲劃分成巖相，預測成巖相的分布。識別公式為：

式中Y表示成巖系數；γGR測井自然伽馬值，API；ΔtAC表示測井聲波時差數值，μs/ft；ρDEN表示測井巖石密度，g/cm3。

將上述公式應用于高沙303井，有效劃分出方解石膠結相、綠泥石膠結相和綠泥石膠結長石溶蝕相，其中綠泥石膠結相和綠泥石膠結長石溶蝕相段薄片上孔隙類型以粒間溶孔為主，儲集能力好，且巖心試氣顯示良好。

5 結論

1）川西拗陷沙溪廟組致密砂巖儲層經歷了復雜多樣的成巖作用，壓實作用和膠結作用是導致儲層致密化的主要因素，其中方解石膠結作用對儲層物性破壞作用僅次于壓實作用，而綠泥石環邊膠結及溶蝕作用為建設性成巖作用。

2）結合以川西拗陷沙溪廟組大量薄片資料，根據不同膠結作用的明顯差異以及長石溶蝕作用對儲層質量有顯著的改善作用，成巖相可以劃分為4類：綠泥石膠結—長石溶蝕相、綠泥石膠結相、方解石膠結相、硅質膠結相。結合成巖系數、視壓實率、視膠結率等對各成巖相進一步的定量分析，綠泥石膠結—長石溶蝕相是研究區物性最好的成巖相。

3）通過對自然伽馬、聲波時差、密度等測井曲線的分析選擇，選取靈敏性較高且符合地質規律的測井曲線，對高廟101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道建立成巖系數識別模型。