元坝地区须家河组砂岩成岩作用与孔隙演化

陈 刚，林良彪，王 威，陈洪德，郭彤楼

(1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059;2.中国石化 勘探南方分公司，成都 610041)

元坝地区上三叠统须家河组为一套辫状河三角洲相沉积，储层主要发育在须二段、须三段和须四段。须二段的岩石类型主要为石英砂岩、岩屑砂岩，须三段主要为钙屑砂岩，须四段则为长石岩屑砂岩及岩屑砂岩。由于元坝地区须家河组沉积时期构造运动频发，研究区地层成岩作用非常复杂，砂岩经成岩演化后，原生孔隙和次生孔隙都受到一定影响，原生孔隙基本被破坏殆尽[1－3］。元坝地区须家河组砂岩储层储集空间类型以次生孔隙(粒间溶孔、粒内溶孔和粒间微孔)和微裂缝为主，面孔率多小于2%，孔隙大小以微孔隙和小孔隙为主，储层致密化程度较高。因此，本文对须家河组砂岩成岩作用及孔隙演化进行详细研究，旨在为今后该地区的储层综合评价和预测提供理论支持。

1 成岩作用

通过对研究区取心井普通及铸体薄片、扫描电镜、X－衍射等分析化验资料的研究，元坝地区须家河组砂岩储层主要发育压实压溶、胶结、交代、溶蚀及破裂作用等成岩作用类型。

1.1 压实压溶作用

元坝地区须家河组埋深普遍超过4 000 m，强烈的压实作用是该区须家河组储集砂岩孔隙度和渗透率降低的主要原因，是元坝地区重要的破坏性成岩作用之一。元坝地区须家河组砂岩中由于强烈的压实作用，刚性颗粒发生破裂现象十分常见，颗粒之间以线接触和凹凸接触为主。由于须家河组砂岩中塑性颗粒和杂基含量较高，常常由于强烈的压实作用导致流体无法进入砂岩储层中，形成低孔低渗的致密砂岩层。

根据镜下观察，元坝地区须家河组压实作用主要表现在以下几个方面:塑性颗粒(如千枚岩岩屑和板岩岩屑)的塑性变形构成假杂基，石英、长石等一些刚性颗粒的破裂与错位，云母类等片状矿物的变形破裂等，随着埋藏深度的增加，颗粒之间接触强度增加，由点接触变为线接触及凹凸接触(图1a)，在研究区还可发现有一些重矿物(如电气石、绿帘石等)被压裂的现象。

在研究区，对储层影响较大的压溶作用主要为石英颗粒的压溶作用。随着埋藏深度的增加，压实作用增强，石英颗粒由于受到挤压体积减小，颗粒之间从线接触至缝合接触，压溶出的SiO2等组分在颗粒周围沉淀下来，充填于粒间孔隙，降低了孔隙空间[4－6］。元坝地区须二段石英砂岩储层中石英次生加大现象普遍，在颗粒间也常可看到自生石英充填粒间孔隙现象，这是造成石英砂岩中石英含量高而孔隙度却不高的重要原因之一[7］。

图1 元坝地区须家河组砂岩岩石薄片Fig.1 Thin sections of sandstones in Xujiahe Formation，Yuanba area

1.2 胶结作用

根据显微镜下薄片观察，元坝地区须家河组砂岩胶结物主要为硅质、碳酸盐(主要为方解石)及黏土矿物(主要为绿泥石)，胶结作用一般呈多期次出现，成岩早期在颗粒表面形成绿泥石环边，表现为抗压实，有效保护了原生粒间孔;中后期石英次生加大，方解石充填于原生残余粒间孔内，对孔隙物性破坏极大。

1.2.1 环边绿泥石胶结作用

环边绿泥石以等厚环边方式胶结颗粒形式产出，镜下观察发现，绿泥石主要以片状形式在颗粒表面生长，形成叶片状、花瓣状等形态充填于粒间孔隙(图1b)。鳞片间紧密结合，一般只有一个圈层，厚度约为0.02 mm。环边绿泥石胶结物的形成需要丰富的 Fe、Mg、Al2O3、SiO2成分，早成岩阶段A期埋藏深度不大，为弱还原环境，孔隙水呈弱碱性，孔隙水中含丰富的Fe、Mg离子，为绿泥石的形成提供了条件[8］。在储层发育过程中，研究区环边绿泥石胶结物的存在对储层孔隙发育的影响是有利的。主要表现在两方面，一方面砂岩储层中绿泥石的出现在一定程度上可以增强岩石的抗压实能力，起到保护孔隙的作用[9－10］。统计发现，当绿泥石含量为1%～4%时有利于原生孔隙的保存，此时主要表现为增强抗压实能力;当绿泥石含量大于5%时不利于原生粒间孔的保存，主要表现为占据孔喉、降低砂岩渗透率。元坝地区须家河组绿泥石含量一般小于4%，有利于原生粒间孔的保存。另一方面，环边绿泥石胶结物在一定程度上能够隔断孔隙水与石英颗粒的接触关系，阻止石英颗粒自生加大，从而抑制相对晚期成岩阶段石英的胶结作用，有利于孔隙的保存。

1.2.2 硅质胶结作用

在元坝地区硅质胶结普遍较发育，主要表现为石英次生加大(图1c)。石英次生加大边一般在石英颗粒边缘有空间的地方生长，与石英颗粒之间常有尘环线或黏土薄膜。元坝地区须二段砂岩中经常可见石英的次生加大边与高岭石一起出现，硅质胶结物来源可能为石英颗粒压溶作用或黏土矿物转化产生的SiO2[10］。元坝地区石英次生加大程度差异较大，加大边宽度从0.01～0.04 mm不等，反映了石英次生加大的强弱在不同区域具有不一致性。石英次生加大边的出现减少了储层的储集空间，堵塞喉道，使砂岩孔隙结构发生变化，影响了流体的渗流能力，是研究区储层致密化的主要因素之一[11］。

1.2.3 碳酸盐胶结作用

碳酸盐胶结在元坝地区较为普遍，可分为早晚两期。由于研究区为煤系地层背景，因此局部地区发育早期碳酸盐胶结。其中，早期的碳酸盐胶结物主要是泥晶和亮晶的无铁方解石，多以孔隙式充填。随着埋深增加，发育晚期碳酸盐胶结，主要为含铁方解石和含铁白云石，晶体较粗大，多为嵌晶或连晶状充填于次生粒间孔隙内(图1d)，对储层具有较大的破坏作用[12－15］。

1.3 交代作用

元坝地区须家河组砂岩中常见的交代作用为碳酸盐与其他矿物的交代作用及黏土矿物之间的交代作用(图1e)。

碳酸盐交代作用主要表现为对长石、石英及岩屑颗粒的交代，这类交代作用对储层物性产生了一定程度的影响。须家河组为煤系地层，碳酸盐矿物容易被酸性水溶蚀而形成次生孔隙。在显微镜下可观察到碳酸盐对长石颗粒的交代作用，表现为长石交代的幻影和残留结构，碳酸盐对石英的交代作用表现为石英颗粒边缘呈锯齿状、港湾状等形态。方解石对长石的交代作用可能与方解石含量有关，含有一定浓度的Ca2+、的流体对长石晶格有破坏能力，当孔隙流体含有一定浓度的HCO3－时，长石便容易被方解石交代[12－13］。晚成岩期，流体性质由酸性向碱性转化，形成大量的含铁碳酸盐胶结物，主要以充填粒间孔和交代早期沉积成岩组分的形式产出。早期的碳酸盐化对储层的次生孔隙形成具有一定的积极意义，但晚期的碳酸盐化往往对储层起破坏性作用。

1.4 溶蚀作用

元坝地区须家河组经历了强烈的破坏性成岩作用，溶蚀作用是研究区形成次生孔隙、发育有效储层的重要成岩作用类型。研究区沉积岩岩屑、变质岩岩屑含量较高，在强烈的破坏性成岩作用(压实和胶结作用)下原生孔隙基本耗尽。通过显微镜及扫描电镜观察，须家河组溶蚀对象主要为长石、岩屑和黏土矿物等。在煤系地层背景下，烃源岩生、排烃过程中产生的有机酸通过对易溶组分的溶蚀，形成大量粒间和粒内溶孔，从而改善了储层的孔隙度和渗透率。通过镜下观察，可看到部分长石和岩屑颗粒被溶蚀成蜂窝状或麻点状，有些颗粒甚至被全部溶蚀形成残余状或铸模孔[14－15］。在研究区，颗粒之间的填隙物溶蚀也比较普遍，如溶蚀杂基、绿泥石等组分，常形成贴粒缝和黏土杂基微孔。元坝地区须家河组长石及易溶矿物含量不高，早期经历了强烈的破坏性成岩作用，使得酸性流体缺乏渗滤空间和通道，溶蚀作用整体上在元坝地区须家河组并不十分发育，仅在局部地区局部层位发育有粒内和粒间溶孔。

1.5 破裂作用

元坝地区须家河组砂岩储层为致密砂岩储层，裂缝是获得高产的关键因素。由破裂作用形成的裂缝可以沟通独立的孔隙，从而改善储层物性。裂缝既可以作为渗滤通道，也是重要的储集空间[16－18］。显微镜观察显示，元坝地区裂缝宽度主要在0.01～0.04 mm之间，少许裂缝宽度在 0.04 ～0.1 mm 之间，不同裂缝差异较大。微裂缝之间有相互穿插和切割现象，微裂缝的延长方向上可看到分叉现象(图1f)，在裂缝的两侧可观察裂缝有溶蚀扩大现象，说明微裂缝对次生溶孔形成也有一定贡献。

总体来说，研究区经历了强烈的破坏性成岩作用，压实作用、硅质胶结和碳酸盐胶结作用均占据了原生孔隙，大大降低了研究区的孔隙度和渗透率，对储层主要起破坏性作用;而绿泥石环边胶结作用使原生孔隙抗压实，抑制后期石英次生加大，溶蚀作用会形成次生孔隙，破裂作用则产生裂缝提高孔隙的物性，均属于建设性的成岩作用[16－17］。

2 砂岩成岩演化阶段

图2 元坝地区须家河组包裹体均一温度分布Fig.2 Homogenization temperatures of inclusions in Xujiahe Formation，Yuanba area

采用石油天然气行业标准《碎屑岩成岩阶段划分规范》(SY/T5477—2003)，利用孢粉颜色、包裹体温度、黏土矿物、胶结物类型及颗粒接触关系等综合研究认为，研究区须家河组成岩演化阶段已到达中成岩A期，局部达中成岩B期[19］。其主要特征为:①孢粉颜色主要为桔黄色和棕色，有机质处于成熟阶段;②砂岩流体包裹体均一温度检测，研究区均一温度分布范围主要在90～150℃之间(图2);③黏土矿物的X－衍射表明，成分以伊利石为主，其次为绿泥石，有少量的伊/蒙混层黏土矿物，为有序混层带;④在须二段的砂岩储层中，碳酸盐多以交代形式出现，局部含铁碳酸盐含量较高，颗粒之间以线接触为主，局部凹凸接触。

2.1 早成岩A期

古地温在65℃以内，此时有机质仍未成熟，镜质体反射率Ro小于0.35%，机械压实作用开始凸显，颗粒之间以点接触为主，原生孔隙发育，岩石弱固结—固结之间，成岩矿物主要有高岭石、蒙脱石、少量泥晶菱铁矿等，一般无石英次生加大。有少量纤维状早期泥晶方解石胶结于颗粒间。

2.2 早成岩B期

古地温范围约在65～85℃之间，Ro值为0.35%～0.5%，有机质处于半成熟阶段，塑性颗粒压实变形，开始出现压溶作用。有机酸产生，成岩环境向较强酸环境转变，长石、岩屑等颗粒开始出现溶蚀，第一期的硅质胶结开始产生，早期碳酸盐胶结继续进行。颗粒之间以点接触或点—线接触为主，依然保留有原生粒间孔隙。

2.3 中成岩A期

古地温约为85～140℃之间，Ro值在0.5% ～1.3%之间，此时岩石已经固结，有机质处于成熟阶段，颗粒间以点—线接触或线接触为主。随着成岩作用的增强，黏土矿物之间的转化频繁，硅质胶结物大量产生。同时由于埋藏深度的进一步增加，由于有机质羧酸作用产生的有机酸对长石、岩屑等组分的溶蚀作用加强，形成粒内溶孔、粒间溶孔等次生孔隙。

2.4 中成岩B期

古地温约为140～175℃，Ro值在1.3% ～2.0%之间，部分井X－衍射分析I/S含量为10%，方解石交代较为强烈，含铁方解石、含铁白云石出现并堵塞残余粒间孔隙，这些特征表明元坝地区须家河组已达到中成岩B期。

通过显微镜下对各种成岩现象的观察，结合自生矿物的相互关系，详细分析了元坝地区须家河组的成岩序列。研究区成岩演化序列为压实作用→早期方解石胶结和环边绿泥石胶结→压溶作用→早期石英次生加大→黏土矿物相互转化→长石、富长石岩屑、胶结物等组分的溶蚀作用→晚期硅质胶结→晚期碳酸盐胶结(图3)。

3 孔隙类型及孔隙演化特征

3.1 孔隙类型

元坝地区须家河组砂岩储层储集空间类型非常复杂，通过对研究区取心井岩心、薄片、扫描电镜等分析化验资料的统计分析，须家河组砂岩储层储集空间以次生孔隙为主，次生孔隙类型主要为粒内溶孔、粒间溶孔、黏土微孔、粒缘缝和破裂缝(图4)。面孔率多小于2%，孔隙大小以微孔隙和小孔隙为主。研究区裂缝的发育对产能的影响较大，裂缝的发育虽然对孔隙度的增加贡献不大，但其发育程度对渗透率的增加特别明显，是评价须家河组砂岩储层储集条件的重要因素。

3.2 孔隙演化特征

孔隙演化与各种成岩作用关系密切，通过对研究区须家河组低孔低渗砂岩各类成岩作用特征的详细分析及对成岩演化的研究，总结出了元坝地区须家河组砂岩储层的孔隙演化模式(图3)。早成岩A期，元坝地区须家河组砂岩埋藏较浅，成岩作用类型主要为压实作用，胶结作用此时较弱，由于压实作用使孔隙度降低至10% ～20%，损失孔隙度约为20%～30%。早成岩B期主要以碳酸盐胶结物充填及压实作用为主，随后早期硅质胶结物开始沉淀，原生粒间孔隙减少至1% ～5%，孔隙类型以残余原生粒间孔为主。进入中成岩A期后，随着埋深增加，大量有机质已成熟，大量有机酸生成，有机酸将长石、岩屑、填隙物等溶蚀，形成粒内溶孔和粒间溶孔，增加次生面孔率可达4% ～12%;黏土矿物中伊/蒙混层转化，伊利石形成，黏土矿物之间的转化可形成部分黏土矿物微孔隙。这些微孔隙的形成在一定程度上可作为储集空间，增加了砂岩储层的孔隙度。同时，由于强烈的压溶作用，第二世代硅质胶结沉淀，充填在粒间孔隙中，由于石英次生加大而损失的粒间孔隙量约为5% ～10%[20－23］。元坝地区须家河组在中成岩 B期只发育在早期阶段，颗粒之间接触关系主要为线接触、凹凸接触，晚期碳酸盐胶结物的沉淀胶结使孔隙度进一步损失，碳酸盐胶结物充填孔隙和交代颗粒，原生孔隙基本被破坏，部分次生孔隙遭到破坏。

图3 元坝地区须家河组成岩阶段自生矿物与孔隙演化模式Fig.3 Authigenic minerals in diagenetic stages and porosity evolution model of Xujiahe Formation，Yuanba area

图4 元坝地区须家河组孔隙类型Fig.4 Pore types of Xujiahe Formation，Yuanba area

4 结论

(1)元坝地区须家河组砂岩在成岩演化过程中经历的成岩作用类型主要为压实压溶、胶结、交代、溶蚀和破裂等。其中压实压溶、硅质胶结和碳酸盐胶结为破坏性成岩作用类型，是研究区砂岩原生孔隙度大大降低的主要因素;而绿泥石环边胶结、溶蚀和破裂作用则保护和改善了孔隙物性。

(2)元坝地区须家河组砂岩目前已达中成岩阶段A期，一些地区已经达中成岩B期。储层经历强烈的成岩作用后原生孔隙基本被破坏，孔隙类型主要为次生孔隙(粒间溶孔、粒内溶孔和粒间微孔)并伴生裂缝。孔隙演化经历了早成岩期的原生孔隙被破坏、中成岩期原生孔隙继续被破坏以及次生孔隙形成等多个阶段。

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