川西丰谷构造上三叠统须四段特低渗储层成岩储集相与成岩演化序列

林 煜,徐樟有,吴胜和,倪玉强,郁 智

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京昌平 102249; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京昌平 102249; 3.吉林油田分公司勘探开发研究院,吉林松原 138000)

川西丰谷构造上三叠统须四段特低渗储层成岩储集相与成岩演化序列

林 煜1,2,徐樟有1,2,吴胜和1,2,倪玉强1,2,郁 智3

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京昌平 102249; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京昌平 102249; 3.吉林油田分公司勘探开发研究院,吉林松原 138000)

川西拗陷丰谷构造上三叠统须家河组四段储层属致密的低孔、特低渗储层.在分析化验资料的基础上,对该段储层的成岩作用、成岩阶段、成岩储集相及其成岩演化序列进行研究,探讨须四段优质储层成因机制.结果表明:须四段储层成岩储集相可以划分成4类,即弱压实强溶蚀残余粒间孔-溶孔成岩储集相、压实溶蚀溶孔成岩储集相、中强压实弱溶蚀溶孔-微孔隙成岩储集相和强压实致密成岩储集相.由于不同的储层成岩储集相经历了不同的成岩演化序列,使得储层中的残余原生粒间孔和次生溶孔的形成条件各不同,储层中孔隙的发育程度主要决定于岩石的组分、孔隙的压实、自生矿物的充填以及多期溶蚀作用等因素,并与酸性流体的注入有紧密联系.

川西拗陷;丰谷构造;须四段;特低渗储层;成岩储集相;成岩演化

成岩储集相是指描述影响储层性质的某种或某几种成岩作用和特有的储集空间的组合[1].这一概念最早出现在“枣园油田枣南孔一、孔二段储集层综合评价”和“枣园油田油藏精细描述与储集层综合评价研究”报告中.在10多年的发展过程中,不同的学者针对不同地区的地质特点,从不同角度开展了卓有成效的研究[2-7].目前成岩储集相的划分主要是根据储层岩石学特征和成岩作用类型的描述,以及视压实率、视胶结率、成岩综合系数和物性的定量分析.笔者根据川西拗陷丰谷构造须家河组四段储层低孔、特低渗的特点,在分析化验资料的基础上,对储层经历过的成岩作用类型、特征及其对储层性质的改造机理进行研究,进而划分储层成岩储集相类型,分析不同成岩储集相的演化过程和演化序列,探讨须四段优质储层成因机制,其成果可为该区须四段优质储层的分布预测奠定基础.

1 地质概况

丰谷构造位于川西拗陷中段孝泉-新场-合兴场-丰谷NEE向继承性隆起带的东端(见图1),现今地表为一近NEE向的鼻状构造.钻井资料表明丰谷构造地层齐全,地表为第四系覆盖,钻遇地层由上至下分别为白垩系剑门关组;侏罗系上统蓬莱镇组、遂宁组,中统沙溪庙组、千佛崖组,下统自流井组;上三叠统须家河组(须二段、须三段、须四段、须五段)[8].须家河组各段储层发育程度不同,其中须四段是目前丰谷构造主要产气层段之一,也是本次研究的目的层段.按照旋回对比,分级控制的原则,须四段可进一步细分为上中下3个亚段、11个砂组和22个小层.

2 储层特征

2.1 岩石类型

依据钻井取心井岩心分析资料对储层的岩性进行综合分析.须四段储层的岩石类型有砾岩、砂岩和粉砂岩,其中砂岩含量占绝对优势,颜色为灰白、浅灰、深灰和灰绿,见平行层理、斜层理、植物碎片、泥砾等,层理面炭屑、白云母富集.按碎屑组分的不同,砂岩可进一步细分为钙屑砂岩(质量分数为39.5%)、岩屑砂岩(质量分数为29.9%)、长石岩屑砂岩(质量分数为5.2%)和岩屑石英砂岩(质量分数为25.4%).

图1 丰谷构造区域位置

2.2 储集空间类型

须四段孔隙空间类型包括残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、晶间微孔及微裂缝.其中残余粒间孔多呈三角形、长条形,孔径为0.03～0.20 mm,在钙屑砂岩中发育(见图2),粒间溶孔由粒间方解石胶结物和颗粒边缘溶蚀形成,是粒间孔的溶蚀扩大,也主要发育在钙屑砂岩中(见图2(a));粒内溶孔为碎屑颗粒内部遭受溶蚀形成的孔隙,被溶蚀的颗粒主要是长石和酸性喷出岩岩屑(见图2(b));晶间微孔孔径小于0.01 mm,主要为黏土杂基(伊利石、绿泥石)、自生高岭石以及石英加大和自生石英等晶体之间的微孔隙(见图2(c));微裂缝为由构造应力或成岩作用形成的,呈细密分布,缝宽为0.01～0.02 mm(见图2(d)).

图2 须四段储层储集空间类型

2.3 物性特征

通过对676个样品点进行物性分析,发现须四段储层孔隙度介于0.66%～13.96%之间,平均为5.47%,渗透率介于(0.000 8～70.8)×10-3μm2之间,平均为1.131×10-3μm2,孔隙度与渗透率相关性整体较好(见图3).按我国储层划分标准,属致密-超致密型储层,但部分钙屑砂岩及少量岩屑砂岩孔渗相对较好,为近致密或低渗透储层,即相对优质储层.

图3 须四段储层孔隙度与渗透率关系

2.4 沉积微相类型

在须家河组四段沉积时丰谷地区主要发育辫状河三角洲沉积,以水下分流河道广泛发育和砂质沉积作用非常活跃为主要特征[8].本次研究根据区域沉积背景、岩心描述、薄片观察及砂体测井曲线形态分析等,在须四段识别出水下分流河道、水下分流河道间、河口坝、远砂坝、水下天然堤和辫状河前三角洲泥6种沉积微相.

3 成岩作用类型及特征

丰谷构造须四段储层埋藏深度大(3 500～4 000 m),储层砂岩经历了复杂和强烈的成岩变化,演化程度深.主要成岩作用类型有压实压溶作用、各种自生矿物的胶结充填作用和溶蚀作用.析出的自生矿物主要为碳酸盐矿物、硅质,其次为自生黏土矿物,以及少量的盐类矿物.

3.1 压实和压溶作用

机械压实作用开始时间早且持续时间长,从沉积物堆积下来后即已开始,随埋藏深度和上覆地层压力的不断增加,沉积物被压实,原生孔隙不断被破坏,并可进一步发展为压溶作用[9-10].

岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩的机械压实作用表现在:(1)碎屑颗粒接触紧密,多呈线-凹凸接触,甚至呈缝合接触;(2)刚性碎屑颗粒的破碎;(3)塑性颗粒变形、扭曲及其假杂基化;(4)原生粒间孔损失殆尽.细粒的钙屑砂岩压实作用也较强烈,颗粒多呈线-凹凸接触,原生孔隙完全被破坏,只有极少量的残余粒间孔.粗、中粒的钙屑砂岩压实作用强度相对较弱,残余粒间孔较发育.主要原因有:(1)结构成熟度较高,泥质杂基含量低;(2)方解石早期胶结,有效抵抗压实作用;(3)烃类早期充注原生粒间孔,减缓了压实作用.压溶作用在石英含量高的岩屑砂岩、岩屑石英砂岩中表现较明显,发生在石英颗粒接触处,颗粒接触由点接触演化到线接触、凹凸接触,直至缝合接触.在石英集中处呈缝合接触,表明其受到较强的压溶作用.

3.2 充填胶结作用

丰谷构造须四段砂岩常见的胶结物类型主要有碳酸盐矿物、硅质、各种自生黏土矿物及少量盐类矿物(石盐、石膏和钙芒硝).

(1)碳酸盐胶结物.可分为早期及晚期碳酸盐胶结物,早期碳酸盐胶结物以亮晶方解石为主,均为无铁方解石(见图4(a)),主要形成于沉积早期及压实作用较弱的早成岩期.晚期碳酸盐胶结物主要为含铁方解石、白云石和铁白云石(见图4(b)).

(2)硅质胶结.二氧化硅主要以石英颗粒的次生加大边和自生石英晶体的形式产出.石英加大常形成平整的自形晶面(见图4(c)),并与压溶作用伴生.自生石英多充填于粒间,呈不规则粒状,晶粒大小不一,也可交代黏土杂基.

(3)黏土矿物充填胶结.本区黏土矿物主要为绿泥石、伊利石、伊/蒙混层和高岭石,分布较为普遍,但绝对含量较低.绿泥石主要充填孔隙(见图4(d)),部分分布于粒表;伊利石多充填孔隙或呈桥接式,部分呈薄的孔隙衬里(或颗粒包膜)的形式存在(见图4(e));富伊利石层在形态上接近伊利石的不规则片状,富蒙脱石层主要为皱纹状薄膜和蜂窝状薄膜,其上具一些刺状的突起;高岭石分布较局限,在钙屑砂岩中常见,晶体呈假六方片状(见图4(f)).

(4)盐类矿物充填胶结.个别样品在扫描电镜下见到少量盐类矿物,主要有石盐、石膏和钙芒硝,含量低且分布局限.

3.3 溶蚀作用

丰谷构造须四段溶蚀作用主要有碎屑颗粒的溶蚀、胶结物和杂基的溶蚀.碎屑颗粒中灰岩岩屑、长石(见图4(g))和火山岩岩屑(见图4(h))较易发生溶蚀,而石英、石英岩岩屑、片岩岩屑、白云岩岩屑不易发生溶蚀.粒间方解石胶结物溶蚀形成粒间溶孔(见图4(i)),粒间由火山灰蚀变而成的杂基溶蚀形成杂基内溶孔.

3.4 破裂作用

破裂作用形成的各种裂缝可以改善储层的渗透性[11].本区破裂作用分2种类型:一是与构造活动有关的微裂缝;二是与压碎作用有关的压碎缝.构造缝的特点是边缘平直,延伸远,切割力强,破坏岩石原始结构,具有一定方向性,成组分布.压碎缝一般延伸近,仅限岩石的碎屑颗粒内而不穿切颗粒,其应力可来自构造应力上覆地层岩柱压力等各种成岩过程中产生的应力,在显微镜下常见石英表面的压裂纹,云母因受力而明显弯曲.

图4 丰谷构造须四段储层成岩作用类型

4 成岩储集相及其演化序列

4.1 成岩作用阶段

成岩作用阶段划分的主要依据:(1)岩石的结构、构造特点.须四段储层碎屑颗粒接触紧密,多呈线-凹凸接触,甚至呈缝合接触,石英次生加大较强烈,粒间溶孔中见自生石英晶体生长,颗粒呈镶嵌状接触.(2)自生矿物分布、组合和形成顺序.须四段储层发育晚期含铁碳酸盐矿物,如含铁方解石、铁白云石.(3)黏土矿物组合、伊利石/蒙皂石(I/S)混层黏土矿物的转化.扫描电镜下黏土矿物以伊利石为主,含少量伊/蒙混层.(4)包裹体均一温度.由丰谷21井须四段钙屑砂岩中自生石英中包裹体均一温度测定可知,均一温度大多在85～100℃之间,说明自生石英主要形成于中成岩A期.

须四段储层所经历的成岩阶段有同生成岩阶段、早成岩阶段A期(T3x5～J1,埋深<2 000 m,古地温为古常温～65℃,镜质体反射率小于0.35%)和B期(J2,埋深为2 000～3 100 m,古地温为65～85℃,镜质体反射率为0.35%～0.50%)、中成岩阶段A期(J3～K1,埋深为3 100～6 000 m,古地温为85～130℃,镜质体反射率为0.50%～1.30%)和B期(K2～E,最大埋深为6 000 m,后抬升至3 500～4 000 m,古地温为130～150℃,镜质体反射率为1.30%～2.00%)(见图5).

图5 须四段储层埋藏史及成岩阶段划分

4.2 成岩储集相类型及特征

成岩储集相发育的主要控制因素包括沉积环境、盆地构造背景、盆地充填史和成岩序列、成岩条件(主要指成岩环境介质性质、温度、压力、酸碱度和氧化还原条件及其变化,以及有机质演化的影响)、成岩作用类型和强度、成岩时限和过程.根据岩石学特征、沉积微相、成岩作用类型、视压实率、视胶结率、储集空间组合及孔隙度和渗透率等,将丰谷地区须四段划分4类成岩储集相,见表1.

4.3 成岩储集相成岩演化序列

成岩作用发生的时间既有先后顺序,又相互叠加.须四段成岩演化基本序列为:机械压实→无铁方解石胶结→压溶作用→硅质次生加大→黏土矿物向伊/蒙混层矿物和伊利石转变→溶蚀作用→高岭石结晶→晚期石英次生加大→含铁碳酸盐胶结.各类成岩储集相成岩演化又有所不同.

4.3.1 A相-弱压实强溶蚀残余粒间孔-溶孔成岩储集相

弱压实强溶蚀残余粒间孔-溶孔成岩储集相发育在中粒钙屑砂岩中,主要的成岩作用为溶解作用,储渗空间组合为粒间溶孔+残余粒间孔+岩屑溶孔+裂缝(见图6).

表1 丰谷构造须四段储层成岩储集相类型及特征

图6 须四段A类成岩储集相成岩演化序列

早成岩A期:这一时期地层孔隙水主要受煤系沉积环境控制,水介质偏酸性,胶结作用弱,胶结物为粒间方解石,局部见石膏和钙芒硝等盐类矿物.沉积物呈弱固结-半固结,粒间孔减少,孔隙度降到30%.

早成岩B期:此阶段有机质半成熟,烃类充注粒间孔.烃类的存在一方面阻止了胶结物的大量生成(阻碍水岩作用),另一方面极大地减弱了快速压实阶段强压实作用的发生,至J2沉积期末,仍保留20%的孔隙度.

中成岩A期:随着埋深增加,地温进一步升高,烃源岩进入成熟高峰期,大量有机酸生成,使粒间方解石胶结物、碳酸盐岩屑颗粒边缘以及酸性喷出岩岩屑发生溶解,形成粒间溶孔和粒内溶孔.这一期溶蚀作用的时间长、规模大,为主要的次生孔隙形成期.石英次生加大和自生石英、高岭石、含铁白云石充填部分次生孔隙.燕山早期构造运动形成部分构造裂缝,使储渗性能改善.

中成岩B期:含铁方解石和铁白云石充填部分次生孔隙.燕山晚期构造运动和喜山期运动形成构造裂缝,使储集性能改善,最终形成孔隙-裂缝型储层.

4.3.2 B相-压实溶蚀溶孔成岩储集相

压实溶蚀溶孔成岩储集相主要发育在中粒长石岩屑砂岩和(含砾)岩屑石英砂岩中,主要的成岩作用为溶蚀作用,储渗空间组合为粒内(粒间)溶孔+裂缝(见图7).

图7 须四段B类成岩储集相成岩演化序列

早成岩A期:孔隙水偏酸性,胶结作用较弱,胶结物为少量粒缘绿泥石薄膜、粒间菱铁矿、方解石,局部见石盐.沉积物呈弱固结-半固结,杂基充填作用及压实作用使粒间孔隙缩小,孔隙度降至20%.

早成岩B期:有机质半成熟,酸性孔隙水溶蚀形成少量粒内和粒间溶孔,局部发生少量方解石胶结和石英次生加大.沉积物进入快速压实阶段,孔隙度降至6.5%,储层发生致密化.

中成岩A期:主要的次生孔隙形成期.烃源岩进入成熟高峰期,大量有机酸生成,部分长石、岩屑和杂基发生溶解,形成粒内溶孔.伊/蒙混层转化、伊利石沉淀及伊利石的溶解形成伊利石晶间微孔和溶孔.石英次生加大、自生石英、少量含铁方解石和铁白云石充填部分次生孔隙.燕山早期构造运动形成部分构造裂缝,使储渗性能改善.

中成岩B期:含铁方解石和铁白云石发生充填和交代,原生孔隙破坏殆尽.燕山晚期构造运动和喜山期运动形成构造裂缝,使储集性能改善,最终形成孔隙-裂缝型储层.

4.3.3 C相-中强压实弱溶蚀溶孔-微孔隙成岩储集相

中强压实弱溶蚀溶孔-微孔隙成岩储集相主要发育在中粒岩屑砂岩中,主要的成岩作用为溶蚀作用,储渗空间组合为溶孔+微孔+裂缝(见图8).

图8 须四段C类成岩储集相成岩演化序列

早成岩A期:沉积物弱固结-半固结.杂基充填作用及压实作用使粒间孔隙缩小.

早成岩B期:沉积物进入快速压实阶段,由于岩屑砂岩塑性组分和杂基含量高,压实作用增强,塑性碎屑假杂基化,使粒间孔完全破坏而致密化,孔隙度降至5%.局部发生少量方解石胶结和石英次生加大.

中成岩A期:烃源岩进入成熟高峰期,有机酸生成.少量长石、岩屑发生微弱溶解,形成少量粒内溶孔.伊/蒙混层转化、伊利石沉淀及伊利石的溶解形成伊利石晶间微孔和溶孔.压实作用增强,颗粒呈线-凹凸接触.燕山早期构造运动形成的构造裂缝不发育.

中成岩B期:含铁方解石和铁白云石充填和交代,原生孔隙破坏殆尽.燕山晚期构造运动和喜山期运动产生少量构造裂缝,形成部分裂缝型储层.

4.3.4 D相-强压实致密成岩储集相

强压实致密成岩储集相主要发育在细粒钙屑砂岩和细粒岩屑砂岩中,主要的成岩作用为压实作用,储渗空间组合为少量微孔隙(见图9).

早成岩A期:沉积物弱固结-半固结.杂基充填作用及压实作用使粒间孔隙减少.

早成岩B期:沉积物进入快速压实阶段,由于细粒钙屑砂岩和细粒岩屑砂岩粒度细,压实作用和方解石胶结作用使粒间孔完全破坏而致密化.局部发育少量方解石胶结和石英次生加大.

中成岩A期:烃源岩进入成熟高峰期,有机酸生成.此时储层已致密化,仅有少量长石、岩屑发生微弱溶解,形成少量粒内溶孔.仅存不可压缩的黏土矿物微孔.燕山早期构造运动形成的构造裂缝不发育.

中成岩B期:少量含铁方解石和铁白云石充填和交代.燕山晚期构造运动和喜山期运动形成的构造裂缝不发育.

图9 须四段D类成岩储集相成岩演化序列

5 结论

(1)丰谷构造须四段储层经历的成岩作用主要有压实压溶作用、充填胶结作用、溶蚀作用和破裂作用.储层中原生粒间孔大多被破坏,仅保留部分残余粒间孔.其他粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔等次生溶孔是在酸性水介质条件下溶蚀形成的,以碳酸盐胶结物溶蚀为主,其次是长石和火山岩岩屑的溶蚀.此外,储层中还发育少量由构造应力或成岩作用形成的微裂缝.这是优质储层形成的主要原因.

(2)须四段储层中大量次生溶孔的形成,必须满足3个条件:一是岩石中有可溶物质,如碳酸盐矿物、铝硅酸盐矿物、岩屑等;二是岩石没有因为早期压实和胶结作用而致密化,原始孔渗性相对较好,孔隙流体能在其孔隙体系中流动;三是有充足的酸性流体流过岩石,将溶蚀物质带走而不在其孔隙中沉淀.

(3)须四段储层成岩储集相可划分4种,即弱压实强溶解残余粒间孔-溶孔成岩储集相、压实溶解溶孔成岩储集相、中强压实弱溶蚀溶孔-微孔隙成岩储集相和强压实致密成岩储集相.其中,形成优质储层的成岩储集相只有2种,即弱压实强溶蚀残余粒间孔-溶孔成岩储集相和压实溶蚀溶孔成岩储集相.

(4)须四段储层所经历的成岩阶段有同生成岩阶段、早成岩阶段A期和B期、中成岩阶段A期和B期.成岩演化基本序列为:机械压实→无铁方解石胶结→压溶作用→硅质次生加大→黏土矿物向伊/蒙混层矿物和伊利石转变→溶蚀作用→高岭石结晶→晚期石英次生加大→含铁碳酸盐胶结.不同成岩储集相的成岩演化又有所不同.

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Diagenetic reservoir faciesand diagenetic evolutionary sequences of extra-low permeability reservoir in Xu4 Formation of Fenggu Structure in western Sichuan/2011,35(2):1-8

L IN Yu1,2,XU Zhang-you1,2,WU Sheng-he1,2,N I Yu-qiang1,2,YU Zhi3
(1.College of Geosciences,China University of Petroleum,Changping,Beijing 102249,China;2.State Key L aboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Changping,Beijing 102249,China;3.Research Institute of Exp loration and Development of Jilin Oilfield,PetroChina,Songyuan,Jilin 138000,China)

The reservoir of Xu4 Formation in Fenggu Structure of western Sichuan Dep ression belongs to the low po rosity and extra-low permeability reservoir.Research has been carried out about the reservoir’s diagenesis,diagenesis stage,diagenetic reservoir facies and diagenetic evolution sequence on the basis of analysis assay data.The diagenetic-reservoir facies are divided into 4 types,namely,the residual intergranular pores-dissolved pores diagenetic reservoir facies w ith w eak compaction and strong dissolution,the dissolved po res diagenetic reservoir faciesw ith compaction and dissolution,the dissolved po resmicroporosity diagenetic reservoir faciesw ith middle to strong compaction and weak dissolution and the tight diagenetic reservoir faciesw ith strong disso lution.The fo rmation conditionsof the relic p rimary intergranular pores and secondary dissolution pores in the reservoirsare different due to their different diagenetic evo lutionary sequences.The p reservation of po res in reservoir is mainly controlled by the rock components,compaction of pores,the filling of authigenic minerals and themulti-stages dissolution,as w ell as the injection of acid fluid.

western Sichuan Dep ression;Fenggu structure;Xu4 Formation;low permeability reservoir;diagenetic reservoir facies;diagenesis evolution

TE121.3

A

1000-1891(2011)02-0001-08

2010-12-16;审稿人:付 广;编辑:陆雅玲

国家科技重大专项(2008ZX05017-001-01-03HZ);中国石油科技中青年创新基金项目(07E1002)

林 煜(1985-),男,博士生,主要从事精细油藏描述及开发地质方面的研究.