川西拗陷中侏罗统沙溪庙组致密砂岩成岩相

赵 爽 王琨瑜 邓虎成,3

1. 中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 2. 成都理工大学能源学院 3. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室

0 引言

我国致密砂岩气藏资源丰富，川西探区陆相致密砂岩天然气地质资源量在2016年底已形成每年8×108m3的生产能力。中侏罗统沙溪庙组气藏是川西地区第二大中浅层气藏，具有较大的勘探开发潜力。由于河道狭窄、砂体薄、非均质性强、含水饱和度高的特点导致单井产能低、递减快、气水分布异常复杂等问题[1]，勘探开发难度大于一般致密砂岩气藏。Railsback[2]提出了“成岩相”的概念。成岩相反映储层物性，影响着“甜点”发育与分布规律。通过对在复杂成岩作用影响下的致密储层成岩相研究，将有助于展开有利储层预测，更有效地指导油气勘探和开发[3-6]。然而以往的研究综合成岩矿物、成岩事件、成岩环境等方面对成岩相进行分类和命名，近年来，地震、测井等方法也应用于定性识别描述不同类型成岩相[7-10]。蒋裕强等[11]、余瑜等[12]对四川盆地上三叠统须家河砂岩储层引入成岩系数定量分析和划分成岩相并选出勘探有利区。目前对研究区沙溪庙组致密砂岩成岩作用特征的研究主要基于定性描述，对于成岩相的多参数定量划分研究较少[13]，而使川西叠覆型致密砂岩气区的评价与勘探受到影响。根据不同成岩作用以及主要矿物，定性描述不同成岩相的特征及差异，并对应多参数定量确定成岩相类型，为该区有利储层预测和高效开发提供参考。

1 地质概况

川西拗陷位于扬子地块西北缘，呈现“三隆两凹一坡”的构造格局，即龙门山前构造带、新场构造带、成都凹陷、梓潼凹陷、知新场构造带和中江斜坡[14]（图1）。研究区位于川西拗陷中段东部斜坡，属于川西拗陷东部的一个次级构造单元。沙溪庙组属于河控三角洲沉积体系，砂体沉积微相以三角洲平原、前缘的（水下）分流河道为主[15]。总体物性较差且致密，孔隙度在0.9%～15.33%间，平均为8.66%；渗透率在0.000 8～1 910 mD间，平均为2.15 mD。沙溪庙组是气田主力产层，截至目前，研究区侏罗系沙溪庙组共有完钻井189口，提交探明储量218.96×108m3，控制储量 697.33×108m3，预测储量 1 005.21×108m3。

图1 川西拗陷中江气田构造地质背景图（据文献[14，16]修改）

2 成岩作用

研究区沙溪庙组储层经历了复杂的成岩过程，主要成岩作用包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用以及少量交代作用，其中前两种成岩作用是导致研究区储层致密化的主要因素。

通过岩石薄片镜下观察，研究区沙溪庙组储层机械压实作用明显，未达到压溶作用阶段，云母等塑性颗粒受挤压变形强烈（图2a），或形成定向、半定向排列，挤压变形填入孔隙，造成原始储集空间逐渐缩小，孔渗变差。长石等刚性矿物颗粒发生变形，颗粒间接触关系由点接触发育到凹凸—缝合接触（图2b-c），甚至断裂（图2d）。若裂缝与孔隙连通，则提高储层物性。但当大量填隙物充填孔隙时，增加岩石的抗压程度，这时胶结作用成为破坏储层质量的重要成岩作用。

研究区沙溪庙组的胶结作用类型多样，主要有方解石胶结、硅质胶结以及绿泥石胶结（图2e-j）。按照方解石胶结物的类型、形成时间和产状可将方解石胶结类型可分为早期方解石胶结与晚期铁方解石胶结。早期方解石胶结物呈基底式充填原生孔隙，碎屑颗粒呈点或悬浮状分布（图2e）。晚期方解石胶结物常呈斑块状充填于粒间孔隙和溶蚀孔隙，而且很难被有机酸溶解（图2f）。孔隙度与碳酸盐岩胶结物含量呈指数负相关关系，即随着碳酸盐岩胶结物增多孔隙度减小[16]。早期连晶状方解石胶结和晚期铁方解石胶结对砂岩储层的破坏作用仅次于压实作用，甚至可导致孔隙完全消失[17]。

根据硅质矿物的类型、产状及形成时间，可将本区硅质胶结类型的划分为石英加大边（图2g）与自生石英充填孔隙两种类型。次生加大占据孔隙空间，使得胶结致密，粒间孔喉大大减少。通常第一期石英加大发育不明显，易在表面形成绿泥石胶结。接着在绿泥石外延发育第二期石英加大，其表面不见绿泥石薄膜，堵塞孔隙。自生石英发生在绿泥石膜胶结之后，孔隙内发育自形的石英颗粒（图2h）。在充填孔隙的同时，胶结作用也堵塞喉道，对孔隙度、渗透率均具有破坏作用。

将沙溪庙组绿泥石胶结划分为两种形式：绿泥石环边衬边胶结及绿泥石薄膜胶结。绿泥石胶结对孔隙具有双重影响[18-20]。当绿泥石呈衬边状（图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，孔内不见绿泥石胶结，从而保存原生孔隙[21]，为溶蚀成岩作用提供了空间。当绿泥石发育到一定程度，搭桥作用会彻底堵死喉道，使砂岩储层的孔渗降低（图2j）。

图2 沙溪庙组不同成岩作用典型薄片镜下特征图

溶蚀作用是改善储层物性最主要因素，不论粒间溶解还是粒内溶解，不仅提高孔隙度，也提高颗粒之间的连通性来提高渗透率。本区溶蚀作用的溶蚀矿物主要为长石。在偏光镜下，随着溶蚀作用增强，长石从边缘溶蚀成港湾状，到颗粒蜂窝状、残缕状，到完全溶蚀后形成铸模孔隙[22]。少量岩屑等填隙物常常溶解形成岩屑内铸模孔和粒内溶孔（图2k-l）。溶蚀作用主要发生在早成岩阶段B期至中成岩阶段A期，正处于有机质释放出有机酸的时期，使孔隙的流体环境变为酸性，促使长石颗粒或岩屑中的不稳定矿物在此环境下发生溶蚀，形成了次生溶孔，包括粒内溶孔和粒间溶孔，有效改善了砂岩储层的储集性能[7]。

综上，成岩作用对储层有三个表现：破坏作用，改善作用及保护作用。压实作用和胶结作用对储层产生破坏作用，其中破坏能力由强到弱为压实作用＞方解石胶结作用＞硅质胶结作用＞绿泥石搭桥＞绿泥石充填。溶解作用改善储层，其中长石溶解＞方解石胶结物的溶解＞岩屑溶解＞填隙物溶解＞岩石破裂形成裂缝。绿泥石胶结（绿泥石衬边）则对孔隙的保护作用。

3 成岩相划分

成岩相是成岩作用、成岩矿物、成岩环境等的综合[5]。沙溪庙组储层为低孔、特低孔—超低渗储层，因此，成岩作用对本区储层的储集性能具有重要作用。以川西中江地区大量扫描电镜和铸体薄片资料为基础，根据不同胶结作用的储层孔渗性的明显差异以及长石溶蚀作用对孔渗有显著的改善作用，将研究区沙溪庙储层成岩相划分为建设性（绿泥石胶结-长石溶蚀相）、保存性（绿泥石胶结相）和致密性（方解石胶结相、硅质胶结相）。不同成岩相中有多种成岩作用组合而成（表1）。

表1 不同成岩相的不同成岩作用组合表

方解石胶结相以中等压实作用和弱—中等溶蚀作用为主，硅质胶结较少。早期连晶方解石、晚期铁方解石的基底式胶结导致储层近乎致密，总体上孔隙欠发育，以粒内溶孔和微孔隙为主，部分发育微溶缝。该类成岩相对应较低孔隙度与渗透率，分别为3.69%～8.63%，0.034～0.944 mD，连晶方解石胶结为主的样品孔渗最低。

硅质胶结相发育中等压实作用和中等溶蚀作用，较弱方解石胶结。总体上岩石孔隙欠发育，以粒内溶孔为主，粒间孔次之。该类成岩相也对应低的孔隙度3.96%～7.48%和低的渗透率0.035～0.666 mD。

绿泥石胶结相发育中等压实作用和中等溶蚀作用，较弱的硅质胶结作用和方解石胶结作用。由于绿泥石环边发育，保存的孔隙类型以粒间孔、粒间溶孔为主。粒间孔受绿泥石薄膜影响，呈近三角形或不规则形，孔内洁净。该类成岩相对应较高孔隙度5.6%～12.8%和较高渗透率0.059～2.45 mD。孔隙度和渗透率较小的样品，绿泥石的堵塞孔隙作用为主。

绿泥石胶结—长石溶蚀相中等压实作用，强溶蚀作用，长石溶蚀现象普遍，绿泥石胶结保存粒间孔。孔隙较发育，分布较均匀，连通性较好，孔隙类型以粒间溶孔为主，次为粒内溶孔。该类成岩相有极好的孔隙度（9.74%～13.26%）和渗透率（0.23～2.57 mD），溶蚀作用增加次生孔隙，绿泥石胶结保存原生孔隙，使得储层物性很好。

4 成岩相定量划分参数

4.1 成岩系数

为定量描述不同成岩作用对储集层的储集性能的综合影响，采用成岩系数[23]，视压实率、视胶结率、视微孔隙率[14]等参数，公式如下：

式中K表示成岩系数；φp表示面孔率；φco表示视压实率 ；φce表示视胶结率 ；φm表示视微孔隙率 ；φo表示原始隙度；φn表示现今孔隙度；ω表示溶孔百分比；Ci表示粒间胶结物含量；φ表示孔隙度。

一般来说，成岩系数值越大，说明成岩作用的综合效应使得储集层物性更好，能够有效地定量表征不同成岩相（表2）。视压实率能够一定程度上反映出压实作用的强度对孔隙度大小的影响（式2）。从式3看出，视胶结率是胶结物含量与孔隙度的综合度量，总体上视胶结率与孔隙度呈反比。但当方解石胶结率低，则孔隙受压实作用的影响较大；当硅质胶结受到溶蚀作用影响，产生的溶蚀孔隙使孔隙度增高。虽总体上孔隙度随着绿泥石视胶结率增大而减少，但是孔隙度变化不大，绿泥石胶结仍有保存孔隙的作用。视微孔隙率表征难以渗流的储集层微小的孔隙与裂缝含量，其值越大，说明微孔大量发育，大孔隙相对含量小，总体孔径较小，导致储层排驱压力大、退汞效率低，储集性能及渗流能力变差。

表2 川西坳陷沙溪庙组不同成岩相定量特征表

4.2 成岩相划分标准

由于成岩相为储集层成岩作用改造以后其物性的定量表征，因此可建立成岩系数与储集层物性的良好关系[24]。总体上，成岩系数越大，储层的孔隙度与渗透率均增大（图3）。

图3 成岩系数与成岩相物性关系图

成岩系数通过测井曲线与成岩系数的关系进行预测，建立测井识别模型。川西拗陷不同河道中，不同电性与成岩系数具有不同相关性（图4）。总体来说，AC、GR与成岩系数具有较高相关性。AC越大，说明了储层物性越好，成岩系数越高；GR越大，说明泥质含量高，储层质量变差，成岩系数越小。CNL与成岩系数之间的关系在研究的井中并没有明显的规律，考虑是样品点过少造成，故CNL不参与模型的建立。在某些河道样品中，DEN越大，表示物性越差，但是成岩系数也越大，不符合地质规律，建立模型时不考虑该参数。

综上，以位于中江地区、高庙子地区的高庙101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道为例建立成岩系数识别模型，以便解释成岩系数曲线，结合孔渗划分成岩相，预测成岩相的分布。识别公式为：

式中Y表示成岩系数；γGR测井自然伽马值，API；ΔtAC表示测井声波时差数值，μs/ft；ρDEN表示测井岩石密度，g/cm3。

将上述公式应用于高沙303井，有效划分出方解石胶结相、绿泥石胶结相和绿泥石胶结长石溶蚀相，其中绿泥石胶结相和绿泥石胶结长石溶蚀相段薄片上孔隙类型以粒间溶孔为主，储集能力好，且岩心试气显示良好。

5 结论

1）川西拗陷沙溪庙组致密砂岩储层经历了复杂多样的成岩作用，压实作用和胶结作用是导致储层致密化的主要因素，其中方解石胶结作用对储层物性破坏作用仅次于压实作用，而绿泥石环边胶结及溶蚀作用为建设性成岩作用。

2）结合以川西拗陷沙溪庙组大量薄片资料，根据不同胶结作用的明显差异以及长石溶蚀作用对储层质量有显著的改善作用，成岩相可以划分为4类：绿泥石胶结—长石溶蚀相、绿泥石胶结相、方解石胶结相、硅质胶结相。结合成岩系数、视压实率、视胶结率等对各成岩相进一步的定量分析，绿泥石胶结—长石溶蚀相是研究区物性最好的成岩相。

3）通过对自然伽马、声波时差、密度等测井曲线的分析选择，选取灵敏性较高且符合地质规律的测井曲线，对高庙101河道、高沙301河道、高沙304河道、中江河道建立成岩系数识别模型。