四川新场地区须四段相对优质储层特征及孔隙演化

刘四兵, 沈忠民, 吕正祥, 王 鹏

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

深埋藏条件下碎屑岩储层往往以低孔隙度、低渗透率砂岩的发育为主。但在整体低孔低渗背景下，有时也会发育一定的相对优质储层，油气也往往主要储集在这些相对优质储层中。因此，在低孔隙低渗透率背景上寻找相对好的优质储层已成为地质学家特别关注的研究课题[1]。

“优质储层”是一个相对的概念，在致密砂岩领域，是指在普遍低孔隙度、低渗透率储层中发育的物性相对较好的有效储层。优质储层的孔隙度和渗透率值没有一个固定范围，一般根据具体储层中含油气性及产油气状况而定。在川西拗陷深层须家河组，相对优质储层在须二段中一般指孔隙度>4%、基质渗透率>0.06×10-3μm2的砂岩，须四段中则将孔隙度>6%、基质渗透率>0.06×10-3μm2的储层称之为相对优质储层[2]。

新场地区位于四川盆地川西拗陷中段绵竹—盐亭北东东向大型隆起带中部[3]，基底为中三叠统海相灰岩。自晚三叠世后，川西地区逐渐转变为陆相沉积，其上依次充填上三叠统须一段(T3x1)海陆过渡相地层、须二段(T3x2)、须三段(T3x3)、须四段(T3x4)和须五段(T3x5)陆相碎屑岩及煤系地层，以及侏罗系至白垩系陆相红层[4,5]。其中，须一段、须三段和须五段以发育烃源岩为主，须二段和须四段是新场气田的主产层。须二段发育海相三角洲沉积，形成了巨厚的砂体；须四段则为一套粗粒的冲积扇-辫状河三角洲沉积[6]。

新场地区须四段储集砂岩是川西致密砂岩气区重要的天然气储层。该套储层埋深大，现今埋深普遍在3.5～4 km之间，由于复杂的成岩作用导致储层高度致密化；但在整体致密的背景下，仍发育有较多的相对优质储层，是油气聚集的主要场所。本文在大量数据的支撑下，利用显微镜观察、阴极发光分析以及扫描电镜分析等手段，系统研究了新场地区须四段相对优质储层特征，并通过压实作用损失孔隙度、胶结作用损失孔隙度和溶蚀作用增加孔隙度的研究，探讨了须四段相对优质储层的孔隙演化过程。

1 相对优质储层特征

1.1 储层物性特征

新场地区须四段储层孔隙度在0.33%～12.71%之间，平均值在5.84%左右；渗透率在(0.001～180.212)×10-3μm2之间，平均值为0.408×10-3μm2左右(图1)：属于典型的致密砂岩储层[2]。但储层孔渗分布情况显示，研究区须四段储层中，仍发育有较多的相对优质储层(图1)。在孔渗分布直方图上，孔隙度>6%的样品占总样品数的52%，渗透率>0.06×10-3μm2的样品占总样品数的55%以上(图1)。按研究区有关相对优质储层的定义[2,7]，须四段半数以上的样品属于相对优质储层。这些物性相对较好的优质储层孔隙度平均值在8.10%左右，是须四段油气聚集的主要场所。

1.2 岩石结构特征

1.2.1 分选

颗粒分选与砂岩孔隙度具有比较明显的关系，颗粒分选越好，砂岩的孔隙性越好。从新场地区须四段砂岩孔隙度与分选关系图来看(图2)，分选好的砂岩孔隙性明显较好，孔隙度主要在5.20%～8.60%之间，平均为7.01%，分选中等砂岩孔隙性变差，孔隙度主要在1.30%～6.20%范围，平均为3.73%，分选差的砂岩孔隙度平均值仅为1.52%左右。可见，研究区须四段相对优质储层主要发育在分选性较好的砂岩中。

图1 新场地区须四段储层孔渗分布直方图Fig.1 Porosity and permeability distribution histogram in the T3x4 reservoir of the Xinchang area

图2 新场地区须四段砂岩孔隙度与分选、粒度关系Fig.2 Relationship between porosity and sorting & particle size of the sandstone in the T3x4 reservoir of the Xinchang area

1.2.2 粒度

砂岩的粒度是另一个对储层物性具重要影响的岩石结构参数。研究区须四段砂岩整体上以中粒砂岩为主，其次为细-中粒砂岩和细粒砂岩，粗粒砂岩较少。其中，中粒砂岩具有相对最好的孔隙性，孔隙度值较为集中，主要在6.30%～8.40%的范围内，平均为7.73%，大部分相对优质储层发育在中粒砂岩中；粗粒砂岩孔隙度值范围较大，总体孔隙性较好，但样品总数较少，相对优质储层分布局限；细-中粒砂岩同样具有较好的孔隙性，孔隙度主要为3.30%～7.80%，平均为6.42%，发育一定的相对优质储层；其他粒级砂岩储集性都较差，以发育致密砂岩为主(图2)。

1.3 岩石骨架颗粒成分特征

砂岩的骨架颗粒成分对储层物性具有重要影响，这主要与不同骨架颗粒成分的抗压实性能有关。一般来说，石英和长石具刚性，抗压实性能较强，因此，往往与储层的孔隙呈正相关关系；而岩屑，尤其是沉积岩碎屑，往往表现为塑性，抗压性能较差，往往与储层物性呈负相关关系。

新场地区须四段储层主要的岩石类型为岩屑砂岩、石英岩屑砂岩和岩屑石英砂岩等富岩屑砂岩，极其贫长石和富岩屑是其骨架颗粒构成的重要特征[8]。由于较多塑性岩屑的存在，研究区须四段储层整体经历了很强的压实作用，其压实作用强度甚至超过了埋深比其大1 km以上的须二段储层[9]，因此，对于须四段相对优质储层来说，较多刚性颗粒的存在是其发育的基础。实际上，从研究区须四段储层孔隙度与砂岩碎屑组分含量的关系来看(图3)，储层孔隙度和石英含量、长石含量呈明显的正相关关系。石英的质量分数≥40%的储层，其孔隙度平均值达6.64%；而石英的质量分数<40%时，储层孔隙度平均值仅为1.89%。长石的质量分数大于和小于1%的两类储层的平均孔隙度也有明显差异，分别为7.17%和4.71%。岩屑总含量(包括沉积岩、变质岩和岩浆岩碎屑之和)和沉积岩碎屑含量则与储层呈负相关关系，当岩屑总质量分数≥30%时，储层物性往往较差，孔隙度平均值为4.70%；而岩屑的质量分数<30%时，储层孔隙度可达6.83%。沉积岩碎屑含量和物性也表现出类似的关系(图3)。

1.4 自生矿物特征

新场地区须四段主要的胶结作用包括碳酸盐矿物的充填、硅质胶结物沉淀以及自生高岭石充填。其中，碳酸盐胶结物是最主要的胶结物类型，是仅次于压实作用的另一种破坏性成岩作用。硅质胶结物和自生高岭石是建设性成岩作用的指示矿物，因此，往往与储层呈正相关关系。

从研究区须四段相对优质储层和较差储层自生矿物的含量对比情况来看(图4)，随着储层物性变好，胶结物总量和碳酸盐胶结物含量逐渐降低，而自生高岭石含量和硅质胶结物含量则明显升高。其中相对优质储层中胶结物总平均质量分数在5.57%左右，而较差储层中胶结物含量明显较高，平均质量分数达8.10%。两者胶结物含量的差异主要体现在碳酸盐胶结物含量上，相对优质储层碳酸盐胶结物平均质量分数在4.64%左右，而较差储层碳酸盐胶结物平均质量分数则高达7.93%，表明胶结物特别是碳酸盐胶结物充填孔隙，降低了储层的储集性能。

图3 新场地区须四段储层不同碎屑含量孔隙度对比Fig.3 Correlation of porosity with various clastic content in the T3x4 reservoir of the Xinchang area

图4 新场地区须四段相对优质储层与较差储层填隙物含量对比Fig.4 Correlation between interstitial material contents in the relatively high-quality reservoir and the poorer reservoir in the T3x4 reservoir of the Xinchang area

研究区须四段硅质胶结物和自生高岭石含量总体较低，其中，相对优质储层反而具有相对较高的高岭石含量和硅质胶结物含量(图4)，造成这一现象的原因与须四段储层自身特征有关。相关的研究表明，须四段储层由于埋深大，塑性沉积岩碎屑含量高，储层原生孔隙在压实作用下基本消失殆尽，现今储层孔隙以次生孔隙占绝对优势，次生孔隙对储层面孔率的贡献超过80%。这些次生孔隙主要由长石溶蚀形成[9]，而须四段储层自生石英和高岭石的来源则主要与这一过程有关(反应式①、②、③)。硅质胶结物和自生高岭石虽然也往往以占据孔隙空间的形式出现，但它们往往作为溶蚀作用的指示性矿物，因此，其含量越多，预示着溶蚀作用越强，储层的孔隙性能越好。

(反应①)

(反应②)

(反应③)

1.5 孔隙特征

显微镜下铸体薄片观察表明，新场地区须四段相对优质储层的储集空间以次生孔隙为主，残余粒间孔较少。次生孔隙主要由易溶的铝硅酸盐矿物溶解形成，其中尤以长石的溶解为主，包括作为骨架颗粒的长石和岩屑中的长石。在长石含量相对较高的砂岩中，长石溶解现象明显，形成粒内溶孔或铸模孔；在长石含量很少或无长石的砂岩中，可见结晶岩碎屑中的长石发生溶解，形成岩屑粒内孔。常见碳酸盐胶结物占据长石溶蚀空间，显示了碳酸盐胶结物主要沉淀于长石溶解之后(图5)。

总的来看，新场地区须四段相对优质储层具有如下特征：分选性中等-好,主要为中粒砂岩，岩屑尤其是塑性的沉积岩碎屑含量较少，刚性颗粒含量较高，胶结物总含量相对较低，尤其是碳酸盐胶结物含量相对较低，而硅质胶结物和自生高岭石含量则相对较高，储层的孔隙类型以长石溶蚀孔为主，原生粒间孔相对较少。

图5 新场地区须四段相对优质储层微观特征Fig.5 Microscopic features of the relatively high-quality reservoir in T3x4 of the Xinchang area(A)长石粒内溶孔(红色箭头所指)，川孝560井，深度3 520.25 m，须四段，铸体薄片，单偏光；(B)大量长石溶蚀，可见溶蚀残余(红色箭头所指)，局部可见少量原生粒间孔(白色箭头所指)，新场22井，深度3 412.08 m，须四段，铸体薄片，单偏光；(C)长石沿解理缝溶蚀，长石溶蚀残余清晰可见，新场23井，深度3 570 m，须四段，扫描电镜照片；(D)方解石胶结物占据长石溶蚀空间，一部分被溶长石的残晶具较强的蓝色阴极发光，新5井，深度3 661.4 m， 须四段，阴极发光照片

2 相对优质储层孔隙演化

对于砂岩储层孔隙演化，早期的研究认为，砂岩的孔隙度随着埋深(上覆载荷)增加而逐渐减少，两者之间为一个相对明确的函数关系[10-13]。这些孔隙度预测模型主要考虑了压实作用的影响，但对于深埋藏条件下的砂岩来说，现今储层孔隙度不仅仅取决于埋深的大小，还与砂岩埋藏过程中自生矿物的沉淀以及次生孔隙的增加有明显关系，而储层孔隙度与埋深的关系还与储层砂岩的分选、粒度以及刚性、塑性颗粒含量的多少有关，因此，对于深埋藏条件下砂岩储层孔隙演化的研究，需综合考虑储层孔隙的各种影响因素。本文在新场地区须四段相对优质储层的特征研究基础上，分别对储层初始孔隙度、压实作用损失孔隙度、溶蚀作用增加孔隙度以及胶结作用损失孔隙度进行了系统研究，恢复了须四段相对优质储层孔隙演化进程。

2.1 初始孔隙度恢复

未固结砂岩原始孔隙度(Φ1)估算，按照湿砂在地表条件下的分选系数与孔隙度的关系[13-15]

Φ1= 20.91+22.90 /S0

式中:S0为特拉斯克分选系数，S0=(Q1/Q3)1/2；Q1为第一四分位数，即相当于25%处的粒径大小；Q3为第三四分位数，即相当于75%处的粒径大小。

新场地区须四段相对优质储层砂岩颗粒整体分选较好，分选系数在1.08～1.25之间，平均为1.2左右，因此，该类型砂岩的初始孔隙度取值40%。

2.2 压实作用损失孔隙度

压实作用是大多数深埋藏砂岩孔隙损失的最重要原因。对于压实作用造成的孔隙损失，目前主要通过在显微镜下统计粒间胶结物含量和剩余原生粒间孔而获得。这一方法往往建立在较多铸体薄片系统统计的基础上，同时对于薄片鉴定人员的要求相对较高，尤其是对于研究区须四段这种大多数胶结物以充填次生孔的形式沉淀时，要完全区分粒间胶结物难度较大。Pittman(1991)通过物理模拟实验得出了不同刚性、塑性颗粒情况下储层砂岩孔隙的损失情况[16]，这一模拟实验同时考虑了不同性质塑性颗粒与压实作用的关系，因此，与实际条件下地下岩石的压实情况较为吻合。根据这一模拟实验结果，结合研究区须四段相对优质储层骨架颗粒的构成特征和地层埋藏史，可计算出原生孔隙的演化情况(表1)。

表1 新场地区须四段相对优质储层原生孔隙演化史Table 1 Primary porosity evolution history of the relatively high-quality reservoir in T3x4 of the Xinchang area

计算结果显示，须四段相对优质储层在压实作用的影响下，原生孔隙度在埋藏初期损失较大，到T3x5沉积末期下降至25.61%左右；在J3p沉积末期，原生孔隙度在12.82%左右；在最大埋深的K2沉积末期，原生孔隙度仍保持在11.72%左右。压实作用造成的原生孔隙损失率超过70%，是储层致密的第一重要因素。

2.3 溶蚀作用增加孔隙度

已有的研究表明，新场地区须四段次生孔隙的发育期次最少有两期，早期的溶蚀作用与钙长石的溶解有关[9]，但由于埋藏深度大、埋藏时间长，早期形成的次生孔隙可能早已破坏殆尽，对现今储层质量具有正面影响的次生孔隙主要为较晚一期的溶蚀作用。晚期次生孔隙的形成主要与钾长石的溶解有关，深埋藏条件下，导致钾长石溶蚀的理想温度大致在80～120℃之间[17,18]，对应的地质时期大致为中-晚侏罗世沉积时期，也即在这一时期，溶蚀作用对研究区须四段储层孔隙的贡献值在3.49%左右(图6)。

图6 新场地区须四段相对优质储层孔隙类型分布直方图Fig.6 Pore types distribution histogram of the relatively high-quality reservoir in T3x4 of the Xinchang area

2.4 胶结作用损失孔隙度

薄片观察和统计结果表明，新场地区须四段储层主要的胶结物类型有方解石、白云石、高岭石以及硅质等，碳酸盐胶结物是第一重要的胶结物类型，硅质胶结物次之，其他的胶结物含量总体较少，胶结物总质量分数在6.28%左右(图7)。

图7 新场地区须四段相对优质储层主要自生矿物含量统计直方图Fig.7 Major authigenic mineral content statistical histogram of the relatively high-quality reservoir in T3x4 of the Xinchang area

研究区须四段相对优质储层中，碳酸盐胶结物多数以充填长石溶蚀孔的状态赋存(图5)，显示了碳酸盐胶结物主要沉淀于长石溶蚀之后，对应的地质时期大致为中-晚侏罗世沉积时期。而研究区须四段自生石英和自生高岭石则主要来源于长石的溶蚀，因此其沉淀的时间也大致与长石的溶蚀时期一致。即对研究区须四段储层来说，由胶结作用造成的储层孔隙度损失主要发生在中-晚侏罗世。

2.5 孔隙演化过程

根据新场地区须四段储层初始孔隙度、压实作用损失孔隙度、溶蚀作用增加孔隙度以及胶结作用损失孔隙度的系统研究，明确了须四段相对优质储层的孔隙演化过程。储层孔隙在早期损失较大，主要由压实作用造成。虽然在早期存在钙长石的溶解，但这一期的次生孔隙由于后期胶结物的沉淀和压实作用而损失殆尽，因此，在J2q沉积末期，储层孔隙度下降到了19.50%左右。随后，由于储层砂岩中易溶矿物(如钾长石)的溶解，晚期次生孔隙开始形成。虽然压实作用仍持续进行，但储层孔隙度在J3sn沉积末期仍保持在18.70%左右；与此同时，晚期碳酸盐胶结物和硅质胶结物的沉淀使孔隙度迅速下降，在J3p沉积中期孔隙度下降至12.00%以下，储层进入致密化阶段。总之，在须四段储层埋藏过程中，压实作用造成的孔隙损失超过28%，溶蚀作用增加了3.49%左右的孔隙度，而胶结作用则导致了6.28%的孔隙度损失，最终，现今储层孔隙度在8.90%左右，与须四段相对优质储层现今孔隙度平均值(8.10%)较为接近(图8)。

图8 新场地区须四段相对优质储层孔隙演化模式图Fig.8 Porosity evolution pattern diagram of the relatively high-quality reservoir in T3x4 of the Xinchang area

3 结 论

a.须四段相对优质储层一般出现在分选性中等-好的中粒砂岩中，塑性的沉积岩碎屑较少，胶结物总含量尤其是碳酸盐胶结物含量相对较低，而硅质胶结物和自生高岭石含量则相对较高，储层的孔隙类型以长石溶蚀孔为主，原生粒间孔相对较少。

b.压实作用是须四段储层孔隙变差的第一重要因素，须四段相对优质储层在压实作用的影响下，原生孔隙度在T3x5沉积末期约为25.61%，至J3p沉积末期下降至12.82%；在最大埋深的K2沉积末期，原生孔隙度仍保持在11.72%左右。压实作用造成的储层原生孔隙损失率超过70%。

c.在须四段储层埋藏过程中，压实作用造成的储层孔隙度损失超过28%，溶蚀作用增加了3.49%左右的孔隙度，而胶结作用则导致6.28%的孔隙度损失，最终，现今储层孔隙度在8.90%左右，与须四段相对优质储层现今孔隙度平均值(8.10%)较为接近。

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