川 西 拗 陷 须 家 河 组 第 四 段致密砂岩孔隙演化定量研究

李晔寒,林良彪,余 瑜,卓俊驰,王亚男,郭 炎

(1.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；2.中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院，成都 610041)

致密砂岩一般是指孔隙度(q)<10%、渗透率(K)<1.0×10-3μm2的砂岩。川西拗陷发育丰富的致密砂岩气，储层以低孔低渗为特征[1-3]。致密砂岩气藏又分为“先成型”与“后成型”2种，前者为储层先致密化后才发生油气聚集，后者为储层先发生大规模油气运移，后期的成岩作用和构造运动等导致储层致密化[4]。全球目前有 70 多个盆地发现有致密砂岩气，主要分布于北美、欧洲和亚太地区[5]，中国四川、鄂尔多斯、准噶尔等区域均发育有致密砂岩气藏[6]。由于地史时间长、构造期次多、成岩作用复杂等因素，导致致密砂岩油气藏成藏机理研究困难。在成藏过程中孔隙度是控制油气运移的关键因素[7-9]，且孔隙演化又是油气成藏机理研究的重点与难点[10]。因此，储层孔隙度演化规律是油气成藏机理研究的基础，也是储层评价工作的重要参考。

近年来，国内外学者提出的孔隙度演化研究方法多样。有的以孔隙度与深度为切入点，建立孔隙度随深度和时间的演化关系，结合埋藏史可得任意地史时期的储层孔隙度；但此方法没有考虑成岩作用的影响。有的是结合孔隙度特征、成岩作用分析和岩石薄片观察来建立孔隙度与矿物成分、地温地压之间的关系，以进行砂岩孔隙度钻前预测[11-16]；但该方法对于油藏孔隙度演化来说精度不够。也有学者运用广义回归神经网络模型对一些未取心井区致密砂岩储层孔隙进行预测[17-18]。潘高峰等[11]运用数值模拟研究砂岩孔隙演化，以地史时间为主线，提出孔隙的减小是从沉积作用开始就进行至今的，并且受埋深和时间的影响。孔隙的增大则主要受到古地温变化的影响。冯旭等[10]针对碎屑岩孔隙演化定量计算方法进行了改进，并认为在恢复孔隙度时，将面孔率与孔隙度混用、将压实损孔全归为成岩早期、不考虑岩石表观体积的变化等，会导致计算的压实损失孔隙度偏小，因此，研究孔隙演化时还需要考虑岩石表观体积变化，并考虑各期成岩作用中压实作用损失的孔隙度。

对川西拗陷孔隙演化或储层致密化的研究多以须家河组第二段、雷口坡组、沙溪庙组等为对象，而对上三叠统须家河组第四段(T3x4，简称“须四段”)孔隙演化的研究相对缺乏。

须四段岩性较为复杂，且具埋藏深度较大、非均质性强和成岩作用强烈等特点。本文应用岩石薄片、孔渗分析、扫描电镜等测试手段研究须四段致密砂岩储层的成岩作用，结合埋藏史和自生矿物的包裹体测温，建立成岩演化序列，并对须四段致密砂岩储层孔隙的定量演化进行精细刻画。

1 地质概况

川西拗陷位于四川盆地西部，包括龙门山构造带以东、川中平缓褶皱带以西区域，向东北方向展布，其中须家河组蕴藏有丰富的天然气[19]。川西拗陷北邻秦岭造山带，西邻青藏高原构造带，加上上扬子地块自身挤压，于晚三叠世后形成了北西-南东向、南北向和东西向三大动力系统交汇叠加的局势[20-22]，依次发育上三叠统、侏罗系、白垩系、古近系和新近系。研究区须家河组与香溪群相对应,须一段与香一段上部的碎屑岩部分对应，须五段与香五段对应,统一命名为须家河组,共分为5段。须一段至须三段往东(至川中及川东地区)逐渐变薄、缺失。须家河组富含动植物化石，主要发育冲积扇、湖泊、湖相三角洲、海相三角洲、滨岸和海湾等沉积相，经历了海相→海陆过渡相→陆相的环境转变。其中，须四段主要发育三角洲沉积环境，包括西北方的三角洲前缘及东南方的水下分流河道(图1)，岩性主要为砾岩、含砾砂岩、岩屑砂岩夹砂质泥岩,偶见煤线[23-27](图2)，且从西南到东北方向有砂体厚度逐渐增大的趋势，在储层划分中T3x4-1-T3x4-3砂组为上亚段、T3x4-4-T3x4-6砂组为中亚段，T3x4-7-T3x4-9砂组为下亚段。

2 储层特征

储层物性是构造格局、沉积环境、成岩作用等因素共同控制的结果，其中沉积作用对碎屑岩矿物成分、结构、分选性、磨圆度和杂基含量等都有明显的控制作用，它们对储层物性具有不同程度的影响[28-29]。

研究区须四段储层岩石碎屑组分包括长石、岩屑和石英，长石质量分数(w)平均为2.89%，石英质量分数平均为59.77%，岩屑质量分数平均为40.52%；将3 524个样品的成分数据投到三角形分类图中(图3-A)，有岩屑砂岩、岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩等；岩屑类型大多是沉积岩和变质岩碎屑，少见火山岩碎屑。据薄片资料，该储层多为中粒砂岩，其次为细-中粒砂岩，有少量粗砂岩；颗粒主要为次棱角状，其次是次棱角-次圆状，有少数次圆状，总体上分选性较好；填隙物中杂基主要为泥质，胶结物主要为碳酸盐、硅质及自生黏土矿物。据全岩X射线衍射分析结果(图3-B)，碳酸盐矿物主要为方解石(平均质量分数为5%)及白云石(平均质量分数为1.8%)，黏土矿物平均质量分数约为17.6%，除少量黄铁矿(平均质量分数为0.4%)外，还含少量菱铁矿(平均质量分数为0.3%)及硬石膏(平均质量分数为0.3%)。

研究区须四段储层孔隙度(q)为0.02%～13.6%，平均为5.61%；渗透率(K)为(0.00～1 070.34)×10-3μm2。由于存在裂缝，导致渗透率突然增大，平均值为1.38×10-3μm2，排除最大渗透率后平均渗透率为0.7×10-3μm2。用于测试孔隙度的样品1 936个，用于测试渗透率的样品1 560个，样品来自研究区所有钻井，数据全面，可见该区储层为典型的致密砂岩(图3-C、D)。一般地，分选较好的中粒砂岩具有较好的孔隙性，孔隙度值分布较为集中，在4%～8%，渗透率>0.1×10-3μm2的岩样占主体，多数为相对优质储层。

图1 川西拗陷须四段构造分区及沉积相简图Fig.1 Structural division and sedimentary facies for the T3x4 reservoir in the western Sichuan Depression

图2 德阳1井须四段沉积相综合柱状图Fig.2 Composite histogram of sedimentary phase for the T3x4 reservoir of the Well Deyang-1

通过对岩石薄片及扫描电镜资料的研究，发现须四段主要发育溶蚀作用产生的次生孔隙(图4-H、K)和次生裂缝(图4-L)，原生孔隙较少(图3-E)。其中次生溶蚀孔包括粒间溶蚀孔及粒内溶蚀孔，且以粒内溶蚀孔为主(图3-F)，它们大多由长石颗粒被有机液体溶蚀后而形成。

3 成岩作用与成岩演化

对致密砂岩储层而言，强烈的成岩作用致使岩石中微观孔隙类型变得更加复杂，也使砂岩储层的致密化成为一个非常复杂的过程，往往要受到很多因素的影响[31-34]，这些因素对储层孔隙的形成、破坏、改造等起到非常关键的作用。在成岩过程中，压实压溶作用、胶结作用和溶蚀作用是影响储层形成的关键因素，它们共同控制着储层孔隙的发育[35-37]。本文在大量镜下资料中挑选了现象明显且具有代表性的12个岩石薄片或电镜照片(共8口井)对研究区成岩作用进行说明。

3.1 成岩作用

3.1.1 压实压溶作用

由于川西拗陷须四段埋藏较深，导致须四段储层砂岩经历的压实压溶作用强度较大，主要表现在抗压实能力弱的岩屑，如云母、泥岩碎屑等塑性颗粒被挤压变形，形成假杂基堵塞孔隙，以及碎屑颗粒接触方式表现为镶嵌接触或凹凸接触；此外还有压溶作用造成石英颗粒接触处的石英溶解，产生的硅质再沉淀形成的石英次生加大边(图4-A、B)。

3.1.2 胶结作用

研究区须四段砂岩储层中胶结物成分大多为碳酸盐、硅质、黏土矿物及少量黄铁矿。其中，前3类胶结物与储层孔隙紧密相关，严重影响着储层质量。碳酸盐胶结是须四段砂岩中含量最高的胶结物，根据矿物的不同可分为方解石胶结与白云石胶结。岩石薄片中方解石胶结多于白云石胶结，且方解石胶结充填了大量的原生粒间孔隙，呈连晶状，为早期方解石胶结。根据镜下观察，碳酸盐胶结在成岩演化过程中发育有2期(图4-C、D、E、F)。须四段砂岩中自生硅质胶结普遍发育，含量仅次于碳酸盐胶结。硅质胶结发育有2期，第一期以次生加大边的形式产于石英颗粒的边缘(图4-G)，第二期呈自形粒状充填于粒间或粒内孔隙中(图4-H)，但以第一期次生加大为主。黏土矿物胶结的矿物主要为绿泥石、高岭石及伊利石。绿泥石呈叶片状或针状，围绕颗粒垂直生长，形成环边绿泥石(图4-I)；自生伊利石呈毛发状充填于粒间孔隙，镜下可见环边伊利石发育。

图3 川西拗陷须四段储层综合特征Fig.3 Synthetic characteristics of the T3x4 reservoir in western Sichuan Depression(A)砂岩分类及岩屑类型图(共3 524个样品，划分标准据曾允孚等[30]); (B)全岩X射线衍射分析图; (C)孔隙度分布直方图; (D)渗透率分布直方图; (E)储层储集空间总体特征; (F)次生孔隙主要类型

图4 川西拗陷须四段砂岩储层微观特征Fig.4 Microscopic features of the T3x4 reservoir sandstones in western Sichuan Depression(A)石英具次生加大边，颗粒间镶嵌接触或凹凸接触，广汉2井，深度3 923.1 m，单偏光; (B)泥岩杂基压实变形，广汉2井，深度3 919.7 m，正交偏光; (C)晚期方解石胶结物充填于粒间孔隙，广汉2井，深度3 923.8 m，单偏光; (D)长石溶蚀之后大量方解石胶结物沉淀，德阳1井，深度4 198.3 m，单偏光; (E)晚期方解石交代长石，高庙3井，深度3 784.2 m，正交偏光; (F)晚期方解石胶结和白云石胶结，新盛1井，深度3 507.9 m，单偏光; (G)硅质胶结以次生加大边产于石英颗粒边缘，广汉2井，深度4 013.4 m，正交偏光; (H)粒内溶孔，可见长石溶蚀后残留，自生石英呈自形粒状，充填于粒内溶孔，新856井，深度3 464 m，单偏光; (I)绿泥石围绕颗粒生长形成环边绿泥石，川丰563井，深度3 886.6 m，单偏光; (J)高岭石充填孔隙，川绵39井，深度3 180.7 m，单偏光; (K)长石晶体被强烈溶蚀淋滤形成窗格状粒内次生溶蚀孔隙，川丰563井， 深度3 886.7 m， 扫描电镜; (L)长石晶体被溶蚀形成粒内次生溶孔，见粒内次生裂缝，马深1井，深度4 590.9 m，扫描电镜

3.1.3 溶蚀作用

次生溶孔包括粒内溶孔(图4-H)、粒间溶孔、铸模孔及岩屑微孔。研究区的溶蚀作用主要形成粒内溶孔，其中发生溶蚀的颗粒主要为长石，大量长石颗粒的溶蚀导致须四段砂岩总体上长石含量极低。铸体薄片镜下观察发现须四段砂岩中至少存在2期溶蚀作用，雾状高岭石充填于粒内溶孔，说明溶蚀作用早于胶结物的沉淀(图4-J)。

3.2 成岩阶段划分与成岩演化

本文利用镜质体反射率(Ro)、黏土矿物中伊/蒙混层(I/S)及古地温等方法进行成岩阶段划分，划分标准根据 《中华人民共和国石油天然气行业标准：碎屑岩成岩阶段划分》(SY/T 5477-2003) 。随机抽取研究区须四段的洛深1、马深1、丰谷21等钻井，其Ro值为1.1～1.56，为中成岩B期；随机抽取须四段若干口井的砂岩黏土矿物X射线衍射分析结果，可见伊/蒙混层比多数为5%～20%，大部分砂岩样品的伊/蒙混层比<15%，也表明其处于中成岩B期。

同沉积阶段成岩作用主要为强烈的压实作用造成原生孔隙的减少，同时也发生铝硅酸盐类矿物的水化作用。

早成岩A期须四段上亚段(T3x4-1—T3x4-5砂组)在湖平面快速下降时部分受到大气淡水淋虑的影响，且富煤系的地层进入埋藏阶段可产生酸性水。大气淡水和煤系酸性水作用于长石类矿物颗粒发生第一期溶蚀作用，产生溶蚀孔隙，并形成高岭石、硅质和少量的碳酸盐矿物。在pH值较高的成岩环境中，发生早期方解石胶结作用，大量自生方解石胶结物充填粒间孔隙形成连晶式方解石胶结，且环边绿泥石开始形成。蒙脱石不断地向伊/蒙混层转化的同时产生自生黄铁矿。

早成岩B期蒙脱石持续向伊/蒙混层转化，出现自生硅质和少量的碳酸盐胶结物，石英次生加大形成。铝硅酸盐矿物继续溶蚀形成次生孔隙。压实作用使原生孔隙进一步减少。

中成岩A期古地温升高，有机质大量成熟，在未受大气淡水淋虑的岩石中发生第二期溶蚀作用。长石和岩屑发生溶蚀并沉淀出自生硅质，部分充填于粒间孔隙中。蒙脱石向伊/蒙混层转化加快。晚期碳酸盐胶结物沉淀并充填孔隙。

中成岩B期古地温持续升高，有机质进入高成熟阶段，有机酸减少。高岭石转化为伊利石或绿泥石。

4 孔隙演化定量计算

砂岩储层的原始孔隙度与其分选性密切相关，可以通过其分选系数近似恢复砂岩储层的初始孔隙度(q0)。根据Housekencht等[38]的研究可知

q0=20.91+(22.90/s0)

(1)

4.1 储层减孔成岩效应

须四段的减孔作用主要是压实作用与胶结作用。压实作用主要是由于须四段被深埋，表现为碎屑颗粒的凹凸接触，使石英形成次生加大边以及云母等塑性颗粒变形等。压实作用从同沉积阶段开始在各成岩阶段均有发育，早成岩A末期到中成岩A中期最为强烈。研究区须四段以碳酸盐胶结为主，硅质为次，以石英次生加大边的形式出现，早成岩A期胶结作用最为强烈。研究区砂岩流体包裹体均一温度为54～184℃，平均为99.46℃(图5)；包裹体温度绝大多数为60～120℃，>140℃或<60℃的极少。包裹体的出现表明储层孔隙开始减小。

参考前人的公式[38-39]，可量化压实作用对孔隙演化的影响

(2)

压实损孔=初始孔隙度×压实系数

(3)

对于胶结作用的定量化采用胶结系数概念，利用前人的公式[40-41]可得胶结系数和因胶结作用而减少的孔隙度

(4)

胶结损孔=压实后孔隙度×胶结系数

(5)

在研究区范围内均匀地抽取12口井(图1)进行统计计算，平均压实系数为0.68，压实损孔量为25.71%，由此可得经过压实作用后的平均剩余孔隙度为12.02%；平均胶结系数为0.55，则胶结作用损孔量为6.75%；计算所得经历压实作用与胶结作用后的平均剩余孔隙度为5.26%。

4.2 储层增孔成岩效应

溶蚀作用对改善储层的性能有着重要作用，主要是有机酸溶蚀长石颗粒。第一期溶蚀作用于早成岩A期出现，并伴生大量的胶结物；第二期溶蚀于中成岩A期出现，伴随少量胶结物。根据前人总结的公式[38-39]可计算溶蚀系数，带入公式(7)可大致恢复溶蚀作用带来的孔隙增加量

图5 川西拗陷须四段流体包裹体均一温度分布直方图Fig.5 Histogram showing homogenization temperature of the fluid inclusions from T3x4 reservoir in western Sichuan Depression

溶蚀系数=溶蚀孔隙度/初始孔隙度

(6)

溶蚀增孔=压实胶结后孔隙度×溶蚀系数

(7)

研究区在须四段开始沉积时压实作用较为强烈，几乎不发育原生孔隙，孔隙主要是溶蚀作用所形成的次生溶孔，所以计算溶蚀孔隙时可用“(次生孔隙/总孔隙)×面孔率”，计算得溶蚀孔隙度平均为3.19%，溶蚀系数平均为0.084，增孔量平均为0.44%，最终得出储层经历成岩作用后的平均孔隙度为5.71%(表1)。

通过定量计算，可知压实减孔量为25.71%，胶结减孔量为6.75%，溶蚀增孔量为0.44%。再一次验证了须四段溶蚀作用为其储层主要的增孔途径；造成储层致密化的关键原因为强烈的压实作用，其次是胶结作用。

由于物源与成岩过程具有一定的复杂性，自生黏土矿物与泥质在镜下不容易区分，在胶结物含量的统计计算中容易出现一定误差，测定颗粒直径和孔隙度时也可能存在人工误差。另外，由于研究区须四段存在2期溶蚀作用，溶蚀后出现的孔隙有可能被方解石、高岭石等矿物重新填充，所以计算溶蚀增孔的公式(6)和(7)并不能准确计算出实际增孔量；且由于数据的不完善，计算溶蚀孔隙时所用数据为研究区须四段整体的平均值。这些误差导致定量计算所得的储层孔隙度与测试所得孔隙度有一定差异；但总体来说计算所得结果与测试结果一致，证明该方法具有一定的合理性与可靠性。此次计算所用岩心样品或岩石薄片共102个，其中上亚段共31个，中亚段共35个，下亚段共36个，横向及纵向的抽取情况较为平均，基本可以代表研究区整体情况。

表1 川西拗陷须四段砂岩储层孔隙度演化定量计算结果Table 1 Quantitative calculation of porosity evolution for the T3x4 reservoir in western Sichuan Depression

4.3 孔隙演化过程

根据M.K.Hubbert等[42]，砂岩储层由于压实作用所剩余的孔隙度(q)

q=q0e-cz

(8)

式中:q0表示初始孔隙度；c表示压实因子；z表示埋藏深度。根据粒度分析、埋藏史等资料可知研究区须四段压实因子为 0.000 33～0.000 40，最大埋藏深度为5 km，计算得到各埋藏时期因压实作用所引起的孔隙变化(表2)。

表2 须四段砂岩储层由压实作用产生的孔隙度演化Table 2 Primary pore evolution due to compaction of the T3x4 reservoir sandstones in western Sichuan Depression

结合原生孔隙演化埋藏史及须四段储层的物性、成岩资料(图6)可知：A点处为J1末期，此时须四段埋深约为1 km，属于早成岩A期；根据定量计算，参考表1可知该时期由于压实作用造成的减孔量为10.44%，J1末剩余孔隙度为27.3%；该阶段发育早期溶蚀作用与第一期胶结作用，溶蚀增孔量约为0.1%，第一期方解石胶结减孔量约为1.2%，即： J1末期孔隙度=J1末剩余孔隙度-早期方解石胶结减孔+早期溶蚀增孔=26.2%。

图6 川西拗陷须四段储层孔隙演化图Fig.6 Diagram illustrating the porosity evolution of the T3x4 reservoir in western Sichuan Depression(须四段埋藏史据冷济高等[43])

B点处于J2末期，须四段埋深约2 km，成岩阶段进入早成岩B期。该时期由于压实造成的减孔量为6.8%，J2末剩余孔隙度为19.4%；同时硅质胶结形成石英次生加大边，约减孔0.7%，即： J2末期孔隙度=J2末剩余孔隙度-早期硅质胶结减孔=18.7%。

据冷济高等[43-44]可知，研究区须四段成藏期为J1到J2早期，包裹体均一温度集中在80～120℃(图6)，对应的地质时间为J2末期(B点)，说明研究区须四段砂岩储层于J2中期(早成岩A中期)就开始致密化，从J2末期(早成岩B中期)后致密化开始加速。往后进入K1时期，包裹体含量急剧减少，证明此时期砂岩储层致密化速率开始逐渐变缓。

C点处于K1末期，成岩演化处于中成岩A期末尾，埋藏深度大约为4 km，较大的埋深使压实作用较前一阶段有所增强，压实损孔量约8.47%，剩余孔隙为10.23%；同时该阶段晚期溶蚀作用增孔量约0.36%，晚期硅质胶结损孔量约0.05%，晚期碳酸盐胶结损孔约4.9%，即： K1末期孔隙度=K1末期剩余孔隙-晚期硅质胶结减孔-晚期碳酸盐胶结减孔+晚期溶蚀增孔=5.64%

一般地，孔隙度<10%即为致密储层，须四段储层于早白垩世达到致密，可见须四段储层致密较晚，晚于天然气充注。

后来须四段进入中成岩B期，孔隙度变化虽趋于平稳，但还是会因仅存的少量有机酸及含铁碳酸盐胶结物影响储层孔隙度，使其发生轻微的变化，最终的孔隙度为5.12%～5.71%。

5 结 论

a.川西拗陷须四段主要发育岩屑砂岩与岩屑石英砂岩，孔隙度为5.61%，渗透率为1.38×10-3μm2；须四段广泛发育次生溶蚀孔隙，由于成岩初期强烈的压实使原生孔隙几乎不发育，整体为典型的低孔低渗砂岩储层。

b.研究区须四段以方解石胶结为主的碳酸盐胶结强烈；其次为硅质胶结，主要表现为石英次生加大；黏土胶结中含伊利石、高岭石及绿泥石，其中伊利石含量较多；此外胶结物还包括少量黄铁矿。溶蚀作用主要以溶蚀长石为主，是须四段孔隙的重要形成途径。研究区须四段砂岩目前已达到中成岩B期。孔隙演化经历了同沉积阶段的原生孔隙破坏、早成岩A期次生孔隙的形成、早成岩B期次生孔隙及原生孔隙破环及中成岩期的次生孔隙再次形成等多个阶段。

c.须四段储层因压实作用损孔25.71%，压实作用是导致储层致密的关键因素；胶结作用损孔6.75%，溶蚀作用增孔0.44%，定量计算储层孔隙度为5.71%，接近储层实际平均孔隙度5.12%。须四段储层孔隙整体上在早白垩世降至10%以下，形成致密砂岩储层，同沉积阶段储层孔隙度处于26.2%左右；早成岩A阶段和早成岩B阶段孔隙度演化为18.7%左右；中成岩A阶段和中成岩B阶段孔隙度演化为5.12%～5.71%。