川东南志留系小河坝组致密砂岩储层孔隙结构

王良军, 张文凯, 胡晓文, 罗彦萍, 程立雪

(1.中国石化勘探分公司，成都 610041；2.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)

自20世纪50年代以来，海相致密碎屑岩储层一直是研究的热点，并在油气勘探开发上取得了丰硕的成果[1-3]。根据统计资料[3]，国外勘探2.55万个油气田中，海相碎屑岩油气田有1.16万个，占总数量的45%。中国海相碎屑岩在各大盆地中广泛分布，发育层系主要为晚奥陶世-志留纪、晚泥盆世-石炭纪、早二叠世和晚二叠世[4-6]，并且在塔里木盆地、鄂尔多斯盆地古生代深层海相碎屑岩中均获得了油气勘探成果，其中哈德逊油田探明储量达亿吨级[7-10]。

川东南地区下志留统小河坝组为一套典型的海相致密碎屑岩，纵向上夹持于上覆韩家店组厚层泥岩与下伏志留系龙马溪组炭质泥页岩之间，形成了良好的生储盖组合[11-12]。四川盆地油气勘探过程中，在小河坝组中见到了不同的油气显示[13]。因此，一直以来对于小河坝组的研究持续不断，研究工作主要针对其沉积体系[14-16]、物质来源[17-18]、层序格架[19-20,13]、烃源岩演化及储层基本特征[21-23]等展开，研究结果表明小河坝组为一套海相三角洲沉积体系，储层物性致密，储层质量受沉积微相、烃源生烃、成岩作用等控制[16]。

近年来，非常规油气勘探发展迅速，在川东南下志留统龙马溪组页岩中的勘探取得了重大突破，建立了中国第一个页岩气藏。四川盆地深层非常规油气藏的勘探突破，一方面导致致密砂岩气、页岩气的储集层孔隙类型及孔隙结构成为了研究的热点；另一方面再次激起了对龙马溪组上覆小河坝组致密海相碎屑岩勘探潜力的思考。为此，笔者利用铸体薄片、阴极发光、扫描电镜、电子探针、高压压汞及恒速压汞等技术手段，对川东南地区小河坝组海相致密砂岩储层微观孔隙特征进行研究，以期为四川盆地海相致密碎屑岩油气勘探开发提供地质依据。

1 基本特征

川东南地区构造位置为扬子板块中南部、黔中隆起北缘及川中隆起以西的上扬子前陆盆地中部区域，区内构造复杂，齐岳山断裂带穿越而过[24-25](图1)。小河坝组沉积于早志留世晚期，受加里东构造运动的影响，华南板块自南东往北西挤压拼接，扬子板块整体缓慢抬升，小河坝组沉积中心逐渐向西北迁移，水体向上变浅，形成了一套三角洲沉积[17]。川东南地区小河坝组沉积厚度较大，现今地层厚度可达200～300 m，砂地比为0.03～0.91，平均值为0.42。小河坝组纵向上夹持于龙马溪组炭质泥页岩与韩家店组厚层页岩之间，既有充足的烃源岩作为物质保障，又有巨厚的页岩作为封堵盖层，构成了良好的生、储、盖组合(图1)，因而成为了川东南地区油气勘探的重要层位。

基于川东南地区志留系秀山、小河、双流坝等7条野外剖面290件样品薄片观察及分析，川东南地区小河坝组岩石类型以长石石英砂岩为主，岩屑石英砂岩次之，含少量的石英砂岩(图2)。石英以单晶石英为主，部分岩石中出现次生加大石英(图2-C)，石英的质量分数(w)为74%～97%，平均为87.39%；长石的质量分数为2%～15%，平均为7.62%，以钾长石为主，其次为斜长石；岩屑的质量分数为1%～16%，平均为4.99%，主要为黑云母和白云母，偶见千枚岩和黏土碎屑。填隙物平均质量分数为19.65%，以泥质杂基为主，平均质量分数为11.53%； 其次为碳酸盐胶结物，平均质量分数为5.19%；硅质胶结物含量较低，平均质量分数为3%左右。粒度分析表明，主要为细粉砂和粗粉砂级，少量达到细砂级；磨圆度较差，多为次圆-次棱角状；颗粒接触紧密，以线-凹凸接触为主；胶结类型主要为孔隙式-镶嵌式胶结，偶见基底式胶结。

图1 研究区构造位置图Fig.1 Structural location of research area (据文献[26]修改)

图2 研究区小河坝组致密砂岩类型Fig.2 Triangle diagram for classification of tight sandstones of Xiaoheba Formation in research area

川东南地区小河坝组290件样品的孔渗测试分析显示(图3)，孔隙度(q)为0.6%～17.3%，平均为3.1%，其中q<10%的样品占89.3%；渗透率(K)分布范围较大，为(0.003～9.1)×10-3μm2，平均为0.18×10-3μm2，其中K<0.1×10-3μm2的样品占77.1%：属于典型的低孔-低渗致密储层[27-28]。

2 孔隙特征

2.1 孔隙类型

根据铸体薄片与场发射扫描电镜观测结果，将研究区小河坝组致密储层孔隙分为5类：粒间孔、粒内溶孔、杂基孔、晶间孔和微裂缝。

a.粒间孔，主要由粒间溶孔组成，是碳酸盐胶结物和黏土杂基被选择性溶蚀形成的。此类孔隙伴随相邻碎屑颗粒溶蚀后，形成粒间溶蚀扩大孔(图4-A)，孔隙半径一般为50～200 μm。此外，还发育少量的原生粒间孔(图4-B)，后期又被部分充填，填隙物主要为黏土杂基、次生石英及铁质颗粒，原生粒间孔多呈角孔或不规则多边形孔，孔隙半径较大，一般在50～120 μm，个别可达150 μm左右。总体上粒间孔表现为微米级孔隙，半径为50～300 μm，平均面孔率为1.47%，在总面孔率中所占比例为37.03%(表1)。

图3 川东南地区小河坝组砂岩物性分布直方图Fig.3 Histogram of distribution of physical properties for Xiaoheba Formation sandstone in research area

图4 研究区小河坝组致密砂岩储层典型孔隙类型Fig.4 Typical pore types in Xiaoheba Formation tight sandstone reservoirs (A)扫描电镜下石英颗粒边缘溶蚀，形成港湾状粒内溶孔和溶蚀扩大孔，回龙场剖面; (B)单偏光下原生粒间孔隙，双流坝剖面; (C)扫描电镜下长石沿解理溶蚀形成槽状微孔，双流坝剖面; (D)扫描电镜下长石强烈溶蚀破碎杂基化，形成铸模微孔，回龙场剖面; (E)扫描电镜下泥质杂基溶孔，浩口剖面; (F)扫描电镜下片丝状伊利石层间微缝，双流坝剖面; (G)扫描电镜下片状绿泥石晶间角形微孔，箕溪剖面;(H)扫描电镜下伊蒙混层集合体蜂巢状晶间微孔，冷水溪剖面; (I)扫描电镜下微裂缝，小河剖面

b.粒内溶孔，主要发育在长石颗粒中，长石沿解理面部分溶蚀，形成网状、槽状孔隙(图4-C)，孔隙长轴与解理面近似平行，长轴直径一般为30 μm左右，短轴直径一般为0.5 μm左右。此外，部分长石颗粒被完全溶蚀形成铸模孔(图4-D)，半径一般为30～50 μm。研究区粒内孔隙受岩性影响，在长石含量高的砂岩中，粒内微孔比较发育，孔隙形态取决于长石内部结构，孔隙半径为0.5～50 μm，属于微米-纳米级孔隙，平均面孔率为1.39%，占总面孔率的比例为35.01%(表1)。

c.杂基微孔，是黏土杂基被选择性溶蚀而形成的。研究区砂岩杂基含量普遍较高，杂基溶孔较为发育，孔隙形态各异，孔径相差悬殊，半径为几百纳米至数十微米(图4-E)；平均面孔率接近0.5%，占总面孔率的比例为11.84%(表1)。

表1 研究区小河坝组致密砂岩孔隙类型统计Table 1 Pore type statistics for Xiaoheba Formation tight sandstones

d.黏土矿物晶间微孔，分布于长石溶蚀和黏土杂基重结晶形成的黏土矿物间的空间。研究区成岩演化已进入中-晚成岩阶段，发育的黏土矿物主要为伊利石，其次为伊蒙混层和绿泥石。受晶体形态影响，伊利石中微孔隙多呈定向排列的顺层微缝和一些不规则孔隙(图4-F)，片状绿泥石中孔隙主要呈角形微孔(图4-G)，伊蒙混层晶间孔主要表现为蜂窝状微孔(图4-H)。晶间孔半径较小，属于纳米级孔隙，但发育数量较多，对总面孔率的贡献为7.81%(表1)。

e.微裂缝，在研究区较为发育，多呈树枝状展布(图4-I)，缝宽几百纳米，个别可达几微米，微裂缝在总孔隙中的比例为8.31%(表1)。微裂缝对储层增孔效应有限，但改善了储层的连通性，为有机酸性流体运移提供了通道。

2.2 孔隙结构

2.2.1 孔喉分布特征

对80件样品进行高压压汞测试(表2)，结果表明：最大进汞饱和度差异较大，分布范围为32.12%～94.87%，平均为75.14%；退汞效率较低，主要为2.3%～39.86%，平均为15.71%：说明小河坝组致密砂岩储集性能相对非均质性强，渗流能力较差，大量的汞因复杂的孔隙结构和细小的喉道而残留在孔隙中。高压压汞参数表明，样品孔喉半径为0.01～1.26 μm，半径>0.1 μm的喉道控制的孔隙体积<15%；而扫描电镜观测结果显示致密砂岩样品中存在较多半径>1.26 μm的孔喉(图4)，说明高压压汞表征的孔喉分布仅是样品中相对细小的那部分孔喉，而屏蔽了孔径相对较大的孔喉组合。

表2 研究区小河坝组致密砂岩高压压汞实验参数Table 2 Experiment parameters of high pressure mercury injection of tight sandstone in Xiaoheba Formation

研究致密储层孔隙结构时，一种方法难以将储层中不同级别孔喉完全表征，通常高压压汞仅能表征孔径较小的孔喉，无法准确表征半径>40 μm的孔喉组合[29]。为此，利用恒速压汞正好弥补了高压压汞的不足，更重要的是它能够在动态条件下对储层孔隙、喉道、孔喉半径比等结构参数的大小及分布特征进行定量表征。对研究区6件典型样品恒速压汞测试数据分析统计(表3)，结果表明：小河坝组储层孔隙半径为40～260 μm，主要为微米级孔隙；喉道半径为0.1～2.7 μm，主要为微细喉道；总进汞饱和度中等，为31.49%～58.55%，平均为42.4%；而喉道进汞饱和度较低，平均值仅为15%左右：表明喉道普遍偏细，所占的体积有限。

表3 研究区小河坝组致密砂岩恒速压汞实验参数Table 3 Experiment parameters of constant speed mercury injection of tight sandstone in Xiaoheba Formation

从6块样品孔隙半径分布曲线可以看出(图5-A)，渗透率不同的样品，其孔隙半径曲线形态都接近单峰正态分布，且分布区间基本相同，为40～260 μm；峰值半径大致相近，约为145 μm；单一孔径的孔隙分布比例最高不超过60%。而喉道半径分布曲线形态表现出较大差异(图5-B)，当样品渗透率<0.5×10-3μm2时，喉道半径分布区间较集中，为0.1～0.7 μm，单一半径的喉道分布比例差异较大，峰值比例最高可达75%；当渗透率>0.5×10-3μm2且逐渐增大时，喉道半径分布区间变大，为0.1～2.7 μm，单一半径的喉道分布比例明显降低，峰值比例不足10%，且峰值半径不断右移，说明渗透率较大的样品，喉道分布较为均匀，且以相对较粗的喉道为主，其中有效渗流通道增多，储层渗流能力逐渐变好。

图5 小河坝组致密砂岩孔隙半径、喉道半径及孔喉半径比分布曲线Fig.5 Distribution curve of pore-throat radius of Xiaoheba Formation tight sandstones

从孔喉半径比分布曲线中同样可以看出(图5-C)，渗透率较大的样品，孔喉分布较为均匀，当渗透率<0.5×10-3μm2时，孔喉半径比总体较大，分布范围为420～1 500 μm，说明样品孔隙半径相对较大，喉道半径相对较小，孔喉均匀程度较差，样品渗流能力受控于细小喉道，渗透率总体较小，如a、b、c、d四件样品；当渗透率>0.5×10-3μm2且逐渐增大时，孔喉半径比明显变小，分布区间也比较集中，为20～600 μm，说明喉道半径逐渐增大，孔喉差异相对变小，孔喉分布较为均匀，如e和f两件样品。

2.2.2 结构参数与物性关系

图6 小河坝组致密砂岩有效孔喉半径加权平均值与物性关系Fig.6 Relation between weighted average of efficient pore-throat radius and physical properties of Xiaoheba Formation tight sandstone

当前恒速压汞测试最高进汞压力为6.2 MPa，对应的喉道半径为0.12 μm。已有研究表明，将喉道半径>0.12 μm的孔喉体系称为有效孔喉组合[30]。分析6件样品有效孔隙半径、有效喉道半径及有效孔喉半径比等结构参数与物性的关系(图6)，结果表明：有效孔隙半径加权平均值与物性有较差的相关性(图6-A)，说明有效孔隙半径加权平均值对物性影响较弱；有效喉道半径加权平均值与孔隙度具有较弱的相关性(图6-B)，而与渗透率则有较强的正相关关系，相关系数高达0.94，说明样品物性，尤其是渗透率受喉道半径影响较为显著；有效孔喉半径比加权平均值与渗透率具有明显的负相关关系(图6-C)，与孔隙度的相关性则较弱，说明孔喉半径比对孔隙度的影响较弱，而对渗透率的影响更为显著，即孔喉比越大，孔隙半径和喉道半径差异越大，样品渗流能力受控于相对细小的喉道，喉道半径相对越小，渗透率也越小。

图7 小河坝组致密砂岩孔隙、喉道进汞饱和度与物性关系Fig.7 Relation between pore-throat injection mercury saturation and physical properties of Xiaoheba Formation tight sandstone

有效孔隙体积、有效喉道体积及单位体积有效孔隙个数是反映样品孔喉结构的另一组参数，利用恒速压汞测试得到的孔隙、喉道进汞饱和度可以定量反映有效孔隙、有效喉道体积。对比6件样品孔隙进汞饱和度、喉道进汞饱和度与物性的关系(图7-A、B)，结果表明：孔隙进汞饱和度、喉道进汞饱和度与孔隙度和渗透率都具有正相关关系，其中喉道进汞饱和度与渗透率具有最好的相关性，相关系数高达0.85，即随着喉道进汞饱和度增高，有效喉道体积明显增加。而有效孔喉体积是有效孔喉半径、长度及孔喉个数的函数，且与这3个参数具有正相关关系[31]。有效孔喉体积增大，说明样品有效孔喉半径变大，有效渗流通道增多，渗透率也随之增大。对比样品单位体积有效孔隙个数与物性的关系(图7-C)，结果表明：单位体积有效孔隙个数与孔隙度和渗透率同样具有正相关关系，且单位体积有效孔隙个数与孔隙度的相关性最好，相关系数高达0.92，说明致密砂岩的物性尤其是孔隙度受单位体积有效孔隙个数影响，单位体积有效孔隙个数越多，有效孔隙体积越大，孔隙度随之增大。

3 结 论

a.川东南小河坝组砂岩粒度普遍偏细，以粗-细粉砂级长石石英砂岩为主；填隙物中泥质杂基含量较高，质量分数约为11.5%；碳酸盐胶结物和硅质胶结物含量较低，平均质量分数分别为5.19%和3%。砂岩总体较为致密，孔隙度<10%的样品占87.39%，平均孔隙度仅为3.1%；渗透率<0.1×10-3μm2样品占77.1%，平均渗透率<0.2×10-3μm2。

b.砂岩孔隙类型主要为次生溶孔，占总孔隙的比例接近80%，其中以微米级(50～300 μm)粒间溶孔为主，微米-纳米级(0.5～50 μm)粒内溶孔次之，微米-纳米级杂基溶孔相对最少。

c.高压压汞测试孔喉半径范围为0.01～1.26 μm，>0.1 μm的喉道所占比例<10%。恒速压汞测试表明，砂岩孔隙半径大小相对集中，主要为40～260 μm；喉道半径范围较大，为0.1～2.7 μm。高压压汞和恒速压汞结合较为全面地表征了致密砂岩各孔径级别的孔喉分布特征，孔喉半径在0.01～260 μm。

d.致密砂岩中渗透率不同的样品，其孔隙半径大小和分布范围相近，而喉道特征参数表现出较大的差异性，当渗透率<0.5×10-3μm2时，喉道半径集中在小值区间，喉道峰值比例较高；当渗透率>0.5×10-3μm2且不断增大时，喉道半径范围变宽，喉道峰值比例明显降低，且孔喉半径比也随之降低，说明喉道半径逐渐增大，孔喉差异逐渐减小，孔喉分布更加均匀。

e.致密砂岩储集物性受单位体积有效孔隙个数、有效孔隙体积、有效喉道半径、有效孔喉半径比等结构参数共同影响，其中孔隙度主要受单位体积有效孔隙个数和有效孔隙体积影响，渗透率则受有效喉道半径、有效孔喉半径比及有效喉道体积等参数影响。