四川盆地新场地区三叠系须家河组二段致密砂岩 有利岩石相表征及油气地质意义

刘君龙，刘忠群，肖开华，黄彦庆，金武军

（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

四川盆地是中国天然气增储上产的重点地区，川西坳陷三叠系须家河组是四川盆地陆相领域的重要勘探开发对象[1-3]，其资源量巨大，但动用率低，储量升级难度大。截至2019 年底，川西地区须家河组累计提交三级地质储量7 379.8×108m3，其中新场地区须家河组二段（须二段）累计提交探明储量1 250.44×108m3，控制储量1 104.65×108m3，动用储量77.39×108m3，整体动用率较低，仅为6.39%。前期勘探实践证实[4-6]，裂缝发育程度是气井高产的主要因素，基质储集层品质是中产稳产井的主要控制因素。前期研究工作主要针对靠近断层的裂缝型储集层展开，落实了一批高产稳产井。随着勘探开发的不断深入，相对远离断裂、裂缝较发育、基质储集层品质好的裂缝-孔隙型储集层成为了下一步科研生产攻关的重点。而评价裂缝-孔隙型储集层和储量可动用性的关键在于对岩石相的认识程度。

岩石相的概念最早由Miall 在1977 年提出[7]，根据河流相沉积体系划分了18 种岩石相和9 种主要的构型要素[8]，并于2006 年和2014 年对其进行补充和完 善[9-10]。岩石相是在一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合，它是沉积相的主要组成部分[7,11-12]，通过岩石相的研究，可以很好地反映沉积原始水动力、能量及成岩作用等对储集层的影响[13-14]。前期研究认为，新场地区须二段主要沉积微相为水下分流河道[15-16]，不同河道、同一河道不同部位的储集层品质差异大，需要在沉积微相基础上，进一步刻画更为精细的岩石相。研究区发育多种裂缝形态，其中低角度裂缝多受岩石相控制，与沉积作用有关，这种低角度裂缝在地下为张开缝，对产能有一定贡献，为了研究这种类型的地质目标，需要开展岩石相研究。此外，研究区地质储量大，动用率低，产能差异大，沉积物岩石相是决定产能差异的物质基础[17-18]。因此，基于寻找有利岩石相思路的优质储集层评价研究非常有意义。本文对四川盆地新场地区须二段岩石相进行研究，建立了有利岩石相的识别标准和评价体系，明确其平面分布规律，探讨产能主要控制因素，为新场地区须二段气藏有效动用提供了有力支撑。

1 区域地质概况

川西坳陷位于龙门山冲断带与龙泉山隆起带所限定的四川盆地西部（见图1a），是晚三叠世以来形成的叠覆型盆地[19-21]。研究区新场构造带位于川西坳陷中石化探区中北部，北以绵阳为界，南至德阳一线，勘探面积约为3 000 km2。区内目前钻遇/钻揭须二段的井位有44 口，其中取心井30 口，分析测试资料相对齐全，三维地震资料覆盖全区（见图1b）。

图1 川西坳陷新场构造带地质概况图

1.1 构造特征

新场构造带是一个北东东—南西西向长轴复式背斜，发育多个构造高点，主体发育东西和南北两组断裂，其中东西向断裂控制了背斜形态，为三级断裂，南北向断裂控制了背斜内部构造高低，为四级断裂，也是新场须二段气藏的主要控产断裂。新场构造带的形成时间一直存在争议[22-23]，本文更倾向于其主体形成于侏罗系沉积之后，因为在侏罗纪，整个川西坳陷存在近南北向长轴物源[24-26]，新场构造带为一个相对平坦的地形（见图2a），沉积物可以越过这一地区向坳陷中间推进。

1.2 沉积环境

新场须二段是本次研究的目的层，自下而上可以划分下亚段、中亚段和上亚段3 个亚段（见图2b），根据高分辨率层序地层学理论，其内部可细分为10 个砂层组（T—T），每个砂层组对应于1～2 个短期旋回。新场须二段沉积期，主要沉积相类型为辫状河三角洲前缘水下分流河道，不同时期河道相互叠置， 形成纵向叠置、平面连片的砂体发育特征。须二段中亚段沉积时期水体能量最强，其次为须二段上亚段，须二段下亚段沉积时期水体能量最弱。须二段岩性主要为中—厚层灰白色岩屑砂岩、长石砂岩夹薄层黑色泥岩，中粗粒砂岩主要分布在中、上亚段，进一步验证了须二段中、上亚段沉积期水体能量较强。

图2 川西坳陷新场构造带构造地层特征

2 岩石相类型及特征

新场地区须二段砂体叠置连片、厚度大，根据目前钻井揭示其平均累计厚度约为420 m。多口井为大段测试，平均射孔段厚度约为41.7 m，最大射孔段厚度为489 m。如何明确大段厚层砂体中真正产气的储集层类型及特征十分关键。前人研究主要聚焦在须二段沉积微相和砂体展布上，而对沉积微相内部的储集层构型单元研究较少。通过开展岩石相研究，一方面加深了对地下地质体的认识精度，另一方面对开发评价目标优选和井位部署具有很好的指导意义。

2.1 岩石相类型及划分原则

通过对8 口井须二段岩心观察，共识别出12 种岩石相（见表1、图3），分别为“千层饼”状中粗砂岩、平行层理中粗砂岩、块状中粗砂岩、含泥砾中粗砂岩、含炭屑中粗砂岩、斜层理中粗砂岩、斜层理细砂岩、煤层、波状层理粉砂岩和炭质泥岩等。其中中亚段以发育“千层饼”状中粗砂岩为特征，区别于上亚段。岩石相类型的划分主要依据沉积岩的粒度、沉积构造等（见表1），对岩石相的命名参考了Miall 对岩石相的认识[7-8]。此外，考虑到成岩作用的影响，同时将胶结程度等纳入岩石相类型的划分依据。

不同岩石相一般以一定组合形式出现在不同微相中（见表2）。水下分流河道微相中，一般自下而上逐渐发育含炭屑/含煤中粗砂岩、“千层饼”/平行层理中粗砂岩、斜层理中粗砂岩、块状层理中粗砂岩、波状层理中粗砂岩等岩石相，指示水动力由强变弱的过程。分流间湾一般发育在分流河道中间，主要由波状层理粉细砂岩、泥岩、炭质泥岩、薄煤层等岩石相组成。河口坝主要发育在河道分叉部位，经过波浪长期淘洗作用，一般粒度为中细粒，以斜层理细砂岩、波状层理粉砂岩等岩石相为主。

2.2 岩石相特征

2.2.1 中—粗粒岩石相

“千层饼”状中粗砂岩岩石相（见图3a、图4）主要为灰白色中粗粒砂岩，沉积构造上表现为高密度（约为数十条/米）、低角度的平行层理和槽状层理，呈“酥饼”状。石英含量较高，储集层物性好，渗透率为（2.3～33.2）×10−3µm2，平均值为15.4×10−3µm2。“千层饼”中粗砂岩岩石相成因在学术界尚有争议，本文认为，这种类型层理主要为沉积层理缝，一般为平行层理或者槽状交错层理的中粗砂岩，由于应力变化而导致了 这种类型裂缝的形成。平行层理中粗砂岩岩石相（见图3b、图4）主要为灰白色中粗粒砂岩，沉积构造上为平行层理，与“千层饼”状中粗砂岩岩石相对比，层理密度低，岩心未沿层理面裂开。储集层物性较好，平均孔隙度为5.6%，最高可达9.0%。“千层饼”状中粗砂岩和平行层理中粗砂岩岩石相在研究区一般多出现在中亚段，以砂层组最为典型。

表1 新场地区须二段岩石相类型划分表

图3 新场须二段典型岩石相岩心照片

表2 新场须二段沉积微相与岩石相组合对应表

图4 新场须二段岩石相类型及典型岩心柱状图

块状层理中粗砂岩岩石相（见图3c、图4）主要为灰白色中粗粒砂岩，沉积构造上为块状，没有明显沉积构造，一般发育在河道砂体中部。其储集层物性较好，孔隙度为1%～12%，平均值为5.1%。斜层理中粗砂岩岩石相（见图3d）沉积构造上主要发育不同规模的斜层理，与块状层理相似，一般出现在河道砂体的中下部，其储集层物性较好，孔隙度为2.2%～11.8%，平均值为4.0%。含炭屑中粗砂岩岩石相（见图3e、图4）沉积构造上发育薄层炭屑，一般出现在河道砂体底部，其储集层物性较好，孔隙度平均值为3.8%。含泥砾中粗砂岩岩石相（见图3f）沉积构造上为发育大量泥砾，呈撕裂状，一般出现在河道砂体底部，其储集层物性中等，孔隙度为0.4%～6.8%，平均值为2.1%。此4种类型岩石相在研究区中、上亚段均有发育，如、、砂层组等。

2.2.2 细粒及钙质胶结岩石相

除了中粗粒岩石相类型，研究区还可识别出粒度较细或钙质胶结强的岩石相类型。斜层理细砂岩岩石相（见图3g）主要为灰白色细粒砂岩，沉积构造上主要发育斜层理，其储集层物性较差，平均孔隙度为2.5%，渗透率为（0.001～2.800）×10−3µm2。波状层理粉砂岩岩石相（见图3h）主要为灰黑色粉砂岩，沉积构造上主要发育波状层理和砂纹层理，其储集层物性差，平均孔隙度为1%。钙质胶结斜层理中粗砂岩岩石相（见图3k）主要为斜层理中粗砂岩岩石相的钙质胶结段，滴酸起泡强烈。钙质胶结斜层理中粗砂岩岩石相主要为灰白色中粗粒砂岩，沉积构造上主要发育斜层理，其储集层孔隙度较低，为1.7%～2.5%。钙质胶结块状层理中粗砂岩岩石相（见图3l）主要为块状层理中粗砂岩岩石相的钙质胶结段，其储集层物性也较差，孔隙度为0.5%～4.3%。由于成岩作用的差异性，钙质胶结砂岩岩石相较容易出现在水-岩反应明显的砂体中，如河道中下部靠近泥岩位置。

3 有利岩石相识别与分布

在岩石相岩心描述基础上，结合分析测试资料，优选不同砂层组有利岩石相。本文论述的有利岩石相泛指物性好、含气性高、对产能有一定贡献的岩石相类型。结合测井资料，建立不同砂层组有利岩石相识别标准，明确有利岩石相空间分布特征。通过对有利岩石相的识别，对新场须二段气藏有利开发目标区优选及井位部署具有一定指导意义。

3.1 有利岩石相优选

通过对新场须二段不同岩石相岩性、物性、电性和含气性的“四性”关系分析，重点考虑储集层物性、含气性和成岩作用等参数，本文开展了有利岩石相优选。总体分析结果显示，粒度较粗、物性较好、指示强水动力的层理较发育的岩石相是新场须二段的有利岩石相。由于中、上亚段沉积时期水动力不同，其有利岩石相发育类型也有所差异，中亚段以发育“千层饼”平行层理中粗砂岩岩石相区别于上亚段。

以须二段中亚段（见图5）为例，“千层饼”状平行层理中粗砂岩、平行层理中粗砂岩、块状层理中粗砂岩、斜层理中粗砂岩和含炭屑中粗砂岩5 种岩石相为有利岩石相。理由如下：①在物性方面，此5 种岩石相的孔隙度均大于4%，渗透率均大于0.1×10−3µm2，在所有岩石相中位于前5 位；②在含气性方面，平行层理中粗砂岩、块状层理中粗砂岩和斜层理中粗砂岩岩石相的含气性均大于25%，在所有岩石相中位于前3位；③“千层饼”状平行层理中粗砂岩、斜层理中粗砂岩和含炭屑中粗砂岩岩石相的石英和长石含量均较高；④此5 种岩石相在电性方面具有低自然伽马、低电阻率、低中子孔隙度的特征，指示储集层物性和含气性较好。

图5 须二段中亚段不同岩石相孔隙度（a）、渗透率（b）统计直方图（n—样品数）

3.2 有利岩石相识别标准

在岩心分析基础上，根据粒度和矿物成分测井识别结果，本文开展了新场须二段有利岩石相的测井识别。以须二段中亚段为例，其有利岩石相主要为“千层饼”状平行层理中粗砂岩、平行层理中粗砂岩、块状层理中粗砂岩、斜层理中粗砂岩和含炭屑中粗砂岩等，这些岩石相具有物性好、含气性高、储集层品质优越的特点，本文综合应用自然伽马、中子孔隙度、声波时差、电阻率等曲线对其进行识别。前人基于测井方法已开展过大量成岩石相方面的工作[27-29]，为本文有利岩石相测井识别提供了很好的借鉴。在须二段中亚段的有利岩石相中，“千层饼”/平行层理中粗砂岩为所有岩石相中最为有利的岩石相，本文对其进行了精细识别。识别过程主要基于“好中选优、逐步递进”的思路进行，首先去掉所有岩石相中粉砂质、细粒的岩石相类型（去“细粉”），然后在中粗粒岩石相中筛选有利的岩石相（筛“有利”），最后在有利岩石相中优选更为优质部分，即优质岩石相（选“优质”），详述如下。

3.2.1 去“细粉”

通过研究须二段中亚段不同岩石相的自然伽马和声波时差交会图版发现，细粒岩石相和粗粒岩石相区分比较明显（见图6a），以自然伽马值77 API 为界，可以将二者很好的分开。

图6 须二段中亚段不同岩石相测井参数交会图

在该图版中，有利岩石相具有低自然伽马、高声波时差的特征，点群主要分布在图版的下方，也有一部分数据分布在右下角。但是，当岩石相中含有泥砾和少量炭屑，也会导致自然伽马值增高，如含泥砾中粗砂岩和含炭屑中粗砂岩岩石相。“千层饼”/平行层理岩石相、炭质泥岩岩石相和含炭屑中粗砂岩岩石相在图版中声波时差值会增高，主要由岩心的层理缝和粒缘缝造成。

3.2.2 筛“有利”

利用自然伽马值小于77 API，去除了细粒的岩石相，而在相对较粗的岩石相中，其储集层特征也有很大差异。本文根据声波时差和电阻率曲线的交会（见图6b），首先去除钙质胶结岩石相，位于L2和L3的上方；然后，根据L1和L2中间的区域，识别出有利岩石相，如“千层饼”状、平行层理、块状层理、斜层理和含炭屑中粗砂岩岩石相等。

3.2.3 选“优质”

在有利岩石相中（见图6b，L1和L2中间区域），再叠加L3和L4，可以将“千层饼”/平行层理中粗砂岩岩石相识别出来，即图6b 中由L1、L2、L3、L4所共同限定的平行四边形区域。

3.3 有利岩石相分布特征

在有利岩石相岩心和测井识别基础上，本文分亚段开展了有利岩石相平面分布特征研究。

以中亚段Tx24砂层组为例（见图7），结果表明：①有利岩石相和优质岩石相展布趋势与砂体展布方向一致，为北东、北西等多个方向；②有利岩石相厚度为10～60 m，平均厚度为33 m，XC12、X856 井区为高值区，为30～60 m；③优质岩石相厚度为4～25 m，平均厚度为11 m，整体走向为北东、北西等方向，在X3 和L150 井区为高值区，约为22 m。

图7 须二段中亚段 砂层组岩石相平面分布图

通过X10—XC8—X601 井剖面研究表明（见图 8），在须二段中亚段，以“千层饼”为主的有利岩石相多呈条带状展布，多发育在砂体近底部或近泥岩处。

4 讨论

4.1 有利岩石相形成机制探讨

在实际生产中，岩石相作为油气储集的基础，一直以来是油气勘探学者研究的重点之一，如“千层饼”状/平行层理中粗砂岩岩石相，前人也称为“酥饼”状岩石相[23,30]，往往是勘探开发中的重要目标。而关于这些有利岩石相成因机制的探讨，前人鲜有报道。基于上述研究，本文认为新场须二段致密砂岩有利岩石相主要受控于沉积作用、成岩流体活动和后期构造作用等因素控制。

4.1.1 沉积过程、成岩流体及后期构造叠合控制了有利岩石相的形成

沉积作用（见图9a）决定了砂体空间展布，是有利岩石相形成的基础，也是最重要的一个因素。在高可容空间下，单期河道发育完整，孤立透镜状河道砂体与塑性泥岩层呈薄互层状，一般在河道砂体最底部发育“千层饼”状/平行层理中粗砂岩岩石相，向上逐渐过渡到斜层理、块状层理中粗砂岩岩石相，如Tx24砂层组；在低可容空间下，多期河道相互叠置，一套砂体底部和顶部靠近塑性泥岩部位多以“千层饼”状/平行层理岩石相为主，如Tx22砂层组。随着埋藏深度增加、成岩流体活动性增强（见图9b），在沉积体系的不同位置，后生成岩流体对有利岩石相的形成起到了差异化改造的作用。岩心观察发现，“千层饼”状中粗砂岩岩石相多为疏松状（见图3a），局部气侵明显，均表明经历过一定程度的流体改造。后期构造活动（见图9c）会使前期成岩流体改造后的地层局部发生顺层滑动，进而导致“千层饼”状中粗砂岩岩石相等形成裂缝，并均具有一定张开度。由于构造挤压，而砂泥 岩抗压强度不同，导致一套砂体在靠近塑性泥岩部位更容易形成裂缝。

图8 新场地区须二段砂体及有利岩石相连井对比剖面图（剖面位置见图7a）

图9 致密砂岩储集层有利岩石相成因机制

4.1.2 砂、泥岩构型样式决定了有利岩石相的发育位置

新场地区须二段气藏的有利岩石相多为中粗粒。粒度较粗的储集层，其在成岩过程中会保留更多的原生孔隙，因此，中粗粒的岩石相大多为有利岩石相。而同为中粗粒岩石相中，在中亚段，沉积水体水动力较强，发育平行层理、斜层理等沉积构造，在靠近泥岩部位（见图 4、图 9a），水-岩交互作用更容易发 生[31-33]，流体活动频繁形成的“千层饼”状/平行层理中粗砂岩岩石相最为有利；在上亚段，沉积水动力减弱，沉积构造以厚层快速堆积的块状层理为主，一般在一套砂体中间部位的块状层理中粗砂岩岩石相物性更好，是最为有利的岩石相。

4.2 有利岩石相对气井产能影响

通过将测试段内地质、地球物理、工程改造等参数与稳产段日产气、累产气拟合交会发现，有利岩石相厚度对气井稳产作用十分显著。通过对比研究发现，有利岩石相发育的地区，其储集层物性较好，以中粗粒砂岩为主，指示较强水动力条件下沉积的地质体。

为进一步明确有利岩石相与产能之间关系，本文基于新场须二段有利岩石相评价和预测结果，分层段对有利岩石相厚度进行统计，结合19 口典型井的动态产能数据，对测试段内有利岩石相厚度与气井稳产段累产气进行拟合（见图10）。结果表明，在须二段中上亚段，二者呈幂正相关关系，吻合度高，复相关系数为0.94。分析认为，在新场地区须二段气藏中，有利岩石相是评价气井稳产能力的一个关键参数，它在一定程度上反映了储集层粒度、物性等多方面信息，随着其厚度增加，气井稳产能力越强。

4.3 有利岩石相发育模式

图10 新场须二段中、上亚段有利岩石相厚度与稳产段 累产气交会图

本文基于有利岩石相岩心描述和测井识别评价，建立了新场地区须二段有利岩石相发育模式（见图11），其特点如下：①有利岩石相主要分2 种类型，分 别为以上亚段为典型的块状层理型和以中亚段为典型的“千层饼”/平行层理型；②有利岩石相分布规律受沉积砂体控制；③Tx24砂层组主要发育高能河道背景下“千层饼”、平行层理中粗砂岩岩石相；④Tx22砂层组主要发育中—低能河道背景下斜层理、块状层理中粗砂岩；⑤靠近断裂，“千层饼”等有利岩石相与高角度缝组合成网状缝，是气井高产主控因素。

图11 新场须二段有利岩石相发育模式图

5 结论

四川盆地新场须二段共发育12 种岩石相类型，其中“千层饼”状平行层理中粗砂岩、平行层理中粗砂岩、块状层理中粗砂岩和斜层理中粗砂岩为有利岩石相。新场须二段有利岩石相在电性上表现为“三低一高”的特征，即低伽马、低中子孔隙度、低电阻率、高声波时差。有利岩石相分布规律受沉积砂体控制，砂层组主要发育中—低能河道背景下斜层理、块状层理中粗砂岩，多发育在砂体中部；砂层组主要发育高能河道背景下“千层饼”、平行层理中粗砂岩岩石相，多发育在砂体近底部或近泥岩处。沉积作用决定了砂体空间展布，是有利岩石相形成的物质基础；后生成岩流体对有利岩石相的形成起到了差异性改造的作用；构造活动和深层异常地层压力使地层沿薄弱面发生顺层滑动，导致“千层饼”状中粗砂等岩石相形成裂缝，储集层渗透性得到有效改善。目前技术条件下，新场须二段气井稳产段生产能力主要受控于有利岩石相厚度。