成都气田蓬莱镇组储层特征与成岩作用

宁萌萌, 杨豫川, 李凤杰

(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；2.四川省地质矿产勘查开发局 区域地质调查队，成都 610213；3.四川省地质矿产勘查开发局 二零七地质队，四川 乐山 614000)

川西成都气田包括成都凹陷区的什邡、广汉及新都等气区，侏罗系蓬莱镇组是其主要含气目的层，开发潜力较大。成都气田蓬莱镇组由于埋藏深，经历的构造运动复杂，受到多期成岩作用的改造，储层成因复杂。郝强等[1]对川西蓬莱镇组储层特征及主控因素进行了分析，但并未对成岩作用展开研究；陈佩佩等[2]对川西拗陷蓬莱镇组储层成岩相类型进行了划分，并根据成岩相类型对储层进行了分类，但对储层发育的特征及成岩相对储层的影响未进行讨论；曾小英[3]认为蓬莱镇组天然气的聚集和分布特征主要受控于成岩作用，并对成岩相类型及分布特征进行了研究，但对储层特征及成岩序列未进行讨论。虽然学者们对川西蓬莱镇组的储层特征及成岩作用做了较多的研究工作，但研究结果不具有统一性，且对成都气田蓬莱镇组整体的储层及成岩作用研究较少，部分研究尚停留在定性分析上。本文结合岩心观察、铸体薄片、X射线衍射、扫描电镜分析等手段，对川西成都气田蓬莱镇组砂岩储层岩石学、物性及储集空间特征进行研究，在此基础上分析储层成岩作用类型及成岩序列，并对储层致密化过程进行定量解剖，最终分析蓬莱镇组致密砂岩成岩相类型及其对储层的影响，以指导该区下一步的勘探开发工作。

1 区域地质背景

成都气田位于成都与德阳之间，面积近750 km2；构造变形较强，整体呈现“一隆两凹一坡”的复杂构造格局(图1)[4-5]。由于受到不同构造运动的影响，研究区内不同期次的断层较发育，断层的性质差异较大，对天然气成藏及运移起到了重要作用。蓬莱镇组自下而上可分为4段，分别简称为蓬一段、蓬二段、蓬三段及蓬四段，整体岩性以粉砂岩和细砂岩为主[6]。其中蓬一段为三角洲平原亚相，蓬二段到蓬四段分别为三角洲前缘亚相、前三角洲亚相及三角洲平原沉积[7]，地层厚度稳定，岩相变化不大。

图1 区域构造图Fig.1 Tectonic divisions of the study area

2 储层特征

2.1 储层岩石学特征

通过对研究区蓬莱镇组60块薄片进行观察和统计发现，储层碎屑成分主要由石英、长石和岩屑组成，还含有少量的云母和重矿物。整体上蓬莱镇组砂岩成分成熟度偏低。按砂岩成分成因三角图分类，蓬莱镇组砂岩主要为岩屑砂岩及岩屑石英砂岩，长石石英砂岩及岩屑长石砂岩较少。砂岩颗粒分选性较好，磨圆度较差。颗粒接触类型主要为点线接触或点接触，其次为线接触。颗粒间填隙物由杂基和胶结物组成。泥质杂基中黏土矿物以伊利石为主，其体积分数为45%；其次是伊蒙混层，体积分数为37%；含有少量的绿泥石(图2)。胶结类型以孔隙胶结为主，其次为薄膜-孔隙胶结。

2.2 储层物性特征

根据42口井1 738个岩心样品分析结果可知，蓬莱镇组砂岩孔隙度主要在4%～16%，平均为8.67%；渗透率主要在(0.04～1.25)×10-3μm2，平均为0.68×10-3μm2(图3)。蓬莱镇组不同层段物性也有一定的差异，其中蓬二段、蓬三段储层物性相对较好，蓬一段及蓬四段物性较差。整体上研究区蓬莱镇组属于中低孔近致密储层，且储层连通性差、非均质性强。

图2 蓬莱镇组砂岩中伊利石和绿泥石扫描电镜特征Fig.2 Scanning electron microscope images of illite and chlorite(A)粒表分布伊利石，SF9-4井,深度1 071.2 m; (B)粒表分布绿泥石，GJ5-6井，深度1 012.4 m

图3 蓬莱镇组储层孔隙度、渗透率分布直方图Fig.3 Distribution histogram of porosity and permeability of Penglaizhen Formation

2.3 储集空间特征

通过扫描电镜资料和铸体薄片资料分析可知，研究区蓬莱镇组储层具有粒间溶孔为主、次生粒内溶孔为辅的特点；面孔率平均值为7.4%，残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔(包括铸模孔)、晶间微孔及微裂缝等孔隙类型发育。粒间溶孔是最主要的储集空间，粒内溶孔次之，孔径平均值为16.26 μm。原生粒间孔和溶蚀粒间孔也有不同程度的发育(图4-A、B)。粒内溶孔以长石和岩屑颗粒的溶孔较常见，石英粒内溶孔较为少见。当溶蚀较强烈时，可观察到碎屑颗粒呈蜂巢状或残骸状(图4-C、D)。微裂缝也较常见，它显著提高了储层的渗透率。

3 成岩作用类型

研究区蓬莱镇组砂岩储层在沉积以后经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用、交代作用、重结晶作用等不同成岩作用的改造。其中压实作用、胶结作用、溶解或溶蚀作用对气藏聚集的影响最大，本文着重对此三种成岩作用类型进行分析。

3.1 储层物性特征

蓬莱镇组储层压实作用强烈，在一定程度上减小了储层的孔隙度，属于破坏性成岩作用，是研究区砂岩储层致密化的重要因素之一[8-9]。压实作用表现形式有二：一为颗粒接触界面上的压溶、线状-缝合状等接触关系，二是颗粒本身的破碎、折断、裂开、弯曲、定向排列、固结等接触关系。蓬莱镇组砂岩颗粒以线接触为主，压实作用较强，原生孔隙所剩较少，颗粒压溶与定向特征明显(图5-A、B)。碎屑颗粒之间多呈线状-缝合状接触、压溶，白云母、黑云母及岩屑等塑性颗粒或矿物发生弯曲变形、定向分布(图5-C、D)。

图4 蓬莱镇组储层储集空间类型Fig.4 Microphotographs showing reservoir space types of Penglaizhen Formation(A)溶蚀粒间孔发育，MP75井，深度1 406.73 m; (B)原生粒间孔，连通性好，XP105井，深度1 161.36 m；(C)长石粒内溶孔，XP105井，深度1 168.4 m; (D)石英粒内溶孔，MP36井，深度1 840.7 m

图5 蓬莱镇组砂岩压实特征Fig.5 Compaction characteristics of Penglaizhen Formation sandstone(A)白云母压实变形，SF3井，深度1 535.2 m; (B)塑性颗粒压实变形，SF5井，深度1 499.7 m; (C)细粒岩屑砂岩压溶缝合线，颗粒溶蚀后被褐铁矿充填，SF6井，深度1 668.6 m;(D)细粒岩屑砂岩，泥岩片发生塑性变形并定向分布，SF3井，深度1 387.35 m

3.2 胶结作用

胶结矿物对地质事件具有较好的指示作用[10-11]。蓬莱镇组砂岩胶结作用与充填作用程度中等，但胶结物及充填物成分及产状多样。自生矿物成分主要有方解石、次生石英、黏土矿物等；产状主要包括环边或包覆、衬垫或镶嵌、溶洞内充填、次生加大、自生矿物析出等。方解石胶结最常见，可分两期：一期是成岩早期的方解石胶结，呈衬垫或镶嵌式分散产于粒间孔内，局部与灰岩或白云岩碎屑相连而形成“连晶”方解石，并交代长石、石英等碎屑颗粒；另一期是晚成岩期B的方解石胶结物，常充填于早期形成的铸模孔及晚期溶蚀孔洞内(图6-A)。还可见石英胶结，主要有两种赋存形式：一种是以石英次生加大边的形式环绕于石英颗粒四周，形成于早成岩期、晚成岩期B，但石英次生加大的程度并不十分强烈(图6-B)；另一种是石英表现为自形石英晶体形式，并充填于溶蚀孔洞及裂缝内，形成时期相对较晚，多在早成岩期B与晚成岩期A之间。

绿泥石和伊利石主要形成于晚成岩期，多以衬垫式、网状形式或包覆式产于粒间孔及颗粒表面(图6-C)。蒙脱石较多，但多形成于抬升剥蚀后的晚成岩期B(图6-D)。蓬莱镇组储层可见大量网状黏土充填孔隙的现象，充填的黏土堵塞了储层喉道，从而导致渗透率及产能极大地降低。此外，赤铁矿多半形成于同生与早成岩期A；褐铁矿充填于压溶缝合线中，形成于晚成岩期B。

3.3 溶解溶蚀作用

蓬莱镇组储层的碎屑颗粒中长石和岩屑较为常见[12-13]。储层中铸模孔发育，这些铸模孔大多是碎屑颗粒被溶蚀而形成的，此外还可见到较多扩溶孔(图7-A)。根据微观照片，长石常沿其内部的解理缝或颗粒的边缘发生溶蚀，弱溶蚀较为普遍，可呈长石残骸铸模[14](图7-B)。岩屑往往是其中的易溶组分被选择性溶蚀[15](图7-C)。也多见裂缝发生扩溶孔，其中部分被石英充填，仍形成良好的次生孔隙(图7-D)。

4 成岩作用序列

在上述成岩作用类型的基础上，根据成岩作用过程中的各类自生矿物的包裹、交代、交切等共生关系，确定矿物生长顺序，分析矿物生长顺序与成岩作用阶段的关系，从而判别成岩作用序列。同样的方法可应用于溶解作用、裂缝作用中的交切关系及其充填矿物上(图8)。

图6 蓬莱镇组的不同胶结作用Fig.6 Different types of cementation in Penglaizhen Formation(A)细粒岩屑砂岩，方解石胶结，XP2-04井，深度1 261.2 m; (B)石英次生加大，SF21井，深度1 343.1 m; (C)粗粉粒岩屑砂岩，网状泥质包覆胶结，孔隙差(红色为染色方解石)，MJ101-04井，深度1 436.7 m; (D)颗粒表面普遍胶结黏土矿物蒙脱石，SF20井，深度1 126.4 m

图7 蓬莱镇组的溶蚀溶解作用类型Fig.7 Dissolution types of Penglaizhen Formation(A)细粒岩屑砂岩，长石铸模孔与粒间扩溶孔，XP105-43井，深度1 326.9 m; (B)细粒岩屑砂岩，长石粒内溶蚀孔，SF2-06井,深度1 643.8 m; (C)中细粒岩屑砂岩，白云石晶体被溶蚀，SF20-03井，深度1 154.2 m; (D)粉粒岩屑砂岩，裂缝扩溶孔与石英部分充填， SF9-02井，深度1 534.8 m

将研究区成岩作用划分为4个阶段，分别为早成岩期A、早成岩期B、晚成岩期A、晚成岩期B。其中压实作用在早成岩期A及早成岩期B较强烈，在晚成岩期A及晚成岩期B较弱。胶结作用在晚成岩期B较为强烈。其中方解石胶结在早成岩期B及晚成岩期A均有发生但较弱，在晚成岩期B方解石充填强烈，这也是目前蓬莱镇组储层致密化的主要原因。通过分析胶结作用可知其在晚成岩期B作用最为强烈。长石和岩屑溶蚀规律大致相同，在早成岩期B及晚成岩期B溶蚀作用较弱，而在晚成岩期A溶蚀作用较强。因此在晚成岩期A有较多的次生孔隙产生。晚成岩期A也是蓬莱镇组的生气高峰[16]。

图8 蓬莱镇组的成岩作用序列Fig.8 Diagenetic sequence of Penglaizhen Formation

根据侏罗系地层相关成岩阶段的划分标志，结合《成岩阶段划分方案及其标志(SY/T5477-2003)》[17](表1)及测试结果，对蓬莱镇组的成岩阶段进行划分。如蓬二段第3砂组(J3p2-3)储层是以细粒岩屑砂岩为主的碎屑岩储层，岩石胶结致密，颗粒以次棱状为主，局部次圆状，分选性中等-差，颗粒呈大量的线状、少量的点状接触；粒间主要有方解石胶结，其体积分数为2%～35%，平均为10%；偶见少量的铁白云石。储层中黏土矿物组合为I/S混层、伊利石、绿泥石、高岭石。对4个样品进行测试，伊利石相对含量为37%～55%，平均为49%，随深度增加有渐增趋势；I/S混层相对含量为29%～51%，平均为37%，多为有序混层，混层比平均为25%，随深度增加有减小趋势。扫描电镜下见伊利石呈丝状与弯片状分布，自生蒙脱石呈卷片状分布，钠长石次生加大Ⅰ级，局部见硬石膏充填粒间孔；石英Ⅰ-Ⅱ级次生加大，局部达Ⅲ级，加大边宽度一般为3～6 μm。古地层温度呈双峰式，即90.5 ℃、149.4 ℃。根据以上定性、定量成岩标志，认为蓬二段第3砂组储层成岩作用阶段属于晚成岩期B。

5 成岩作用与储层致密化

利用P.D.Lundegard[18]提出的方法，对蓬莱镇组增减孔进行定量估算，其中计算压实作用产生的孔隙度损失公式为

(1)

式中：q0为原始孔隙度或沉积期间的孔隙度；q1为压实作用减少的孔隙度；q2为无胶结孔隙度。

胶结作用损失的孔隙度计算公式为

q3=q0-q1-q4+q5

(2)

式中：q3为胶结作用减少的孔隙度；q4为实测孔隙度；q5为溶蚀作用增加的孔隙度。

假设其原始孔隙度变化范围为36%～40%，平均为38%，符合四川盆地及世界各地的实际情况。

根据蓬莱镇组167个薄片及扫描电镜的观察鉴定资料，开展成岩作用引起的增孔量估算，明确成岩作用增减孔所导致的储层致密化。蓬莱镇组目的层的压实减孔量最大为34.8%，最小为20.5%，平均为29.9%，胶结减孔量平均为7.38%，压实与胶结共同减孔37.28%，减孔量较大。而溶蚀增孔量平均为11.5%，相对较高。对不同产能井的增减孔量估算结果表明，溶蚀增孔量越高，且胶结物减孔量越低，则油气产能相对高。MP75试采井的减孔量平均为36.5%，导致储层大量损失孔隙并致密化，但溶蚀增孔量平均达11.8%(表2)。经过增减孔量的估算，说明次生溶孔的发育是蓬莱镇组成藏的关键。

根据上述估算及埋藏史分析(图9)，蓬莱镇组在早成岩期经历了大量的压实减孔和少量的胶结减孔，两者共同减孔量达15%～20%，到晚白垩世中期还保存孔隙度达13%～18%。燕山运动使上侏罗统抬升剥蚀，又经历了喜马拉雅运动，蓬莱镇组处于晚成岩期B。其中，晚成岩期A即到达晚白垩世末，有机、无机的酸性流体溶解产生的溶蚀增孔量一般为6%～8%，为油气藏的形成提供了储集空间；但晚成岩期B即古近纪开始后，大量的方解石充填或胶结减孔，形成现今的孔隙度7%～12%，导致储层致密化。同时，古近纪初期，须家河组的烃源岩处于主要生气期，此时是蓬二气藏形成的主要时期，即气藏是在储层致密化后或过程中形成的。由此看出，在储层致密化过程中，胶结减孔与压实减孔是蓬莱镇组储层致密化的二大主因。

表1 成岩阶段划分方案及其标志[17]Table 1 Diagenetic stage division scheme and its marks

图9 蓬莱镇组成岩作用过程中的成岩作用与孔隙演化史及储层致密化Fig.9 Diagenesis, pore evolution history and reservoir densification in the process of diagenesis of Penglaizhen Formation

6 成岩作用对储层的影响

6.1 压实与胶结作用对储层的影响

研究表明，压实作用是导致马井-什邡地区蓬莱镇组储层孔隙度降低的主要因素之一，在成岩作用早期的时候更是如此。影响压实作用的因素主要包括埋深、刚性颗粒含量、岩屑类型及早期碳酸盐胶结物含量。岩屑含量高，且包含较多变质岩碎屑的砂岩经历了较强的压实改造；而早期碳酸盐胶结物发育的砂岩，压实作用影响较小。

尽管现今蓬莱镇组砂岩埋藏较浅，但它曾经达到了晚成岩期B阶段，有过中等-强烈的机械压实作用，颗粒间多呈线、或线-点、线-缝合接触。根据估算，该区压实作用造成的压实减孔量在蓬莱镇组第3砂组为29.9%，压实减孔的强度大于胶结减孔的强度。蓬莱镇组砂岩中自生矿物以碳酸盐胶结物为主(平均体积分数为7.1%)，包括少量硬石膏(平均体积分数为2.2%)和黏土矿物(平均体积分数为1.96%)。碳酸盐胶结物对蓬莱镇组砂岩孔隙具有明显的破坏作用，当碳酸盐胶结物的体积分数超过10%时，砂岩孔隙度一般小于10%。碳酸盐胶结物含量高的地区主要位于西部龙门山、孝泉地区，在拗陷内部地区可见局部高值区，由西北向东南呈现逐渐降低的趋势。

6.2 溶蚀作用对储层的影响

蓬莱镇组储集空间类型为次生溶蚀孔与剩余粒间孔。次生溶孔类型有粒间溶蚀孔、长石溶孔、岩屑溶孔、铸模孔，占总面孔率的75.9%，次生溶孔非常发育。镜下观察也发现砂岩中长石等骨架颗粒以及粒间碳酸盐胶结物的溶蚀现象较为普遍，对砂岩储集性的改善有重要的积极作用。此外，碳酸盐矿物如方解石充填先前的溶孔、洞的现象也可观，一般体积分数<10%，平均为3.53%，这部分溶孔、洞被方解石充填破坏了。

表2 蓬莱镇组第3砂组成岩作用增减孔估算Table 2 Estimation of increasing and decreasing pore volume in the third sand group of Penglaizhen Formation

对蓬莱镇组储层发育有利的因素是溶蚀增孔作用，不利于储层发育的是压实减孔作用与胶结减孔作用。在压实减孔作用与胶结减孔作用的强度差不多的情况下，水下分流河道中的溶蚀增孔作用发育程度是决定气井获产的主要因素之一。

7 结 论

a.蓬莱镇组储层以岩屑砂岩及岩屑质石英砂岩为主，成分成熟度偏低，分选性较好，磨圆度较差，胶结类型以孔隙胶结为主，泥质杂基中黏土矿物以伊利石为主，还含有伊蒙混层及绿泥石。储层属于中低孔近致密储层，非均质性强；主要发育的孔隙类型有残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、晶间微孔及微裂缝，其中粒间溶孔对储层储集性贡献最大，粒内溶孔次之。

b.蓬莱镇组的压实作用、胶结作用、溶解或溶蚀作用对气藏聚集影响较大。早成岩期压实作用强烈，并存在少量的胶结作用，减小了储层的孔隙度。晚成岩期B胶结作用及压实作用较强，是造成储层致密化的重要原因。

c.蓬莱镇组砂岩曾经达到晚成岩期B，气藏是在储层致密化后或致密化过程中形成的。在储层致密化过程中，胶结减孔与压实减孔是蓬莱镇组储层致密化的二大主因，不利于储层的发育。对蓬莱镇组储层发育有利的因素是溶蚀增孔作用，且次生溶孔的发育是蓬莱镇组成藏的关键。