川西新场气田上三叠统须二、须四段相对优质储层成因差异性分析

刘四兵，沈忠民，吕正祥，宋荣彩，王 鹏

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



川西新场气田上三叠统须二、须四段相对优质储层成因差异性分析

刘四兵，沈忠民，吕正祥，宋荣彩，王 鹏

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

川西新场地区须家河组储层埋藏深度大、成岩作用复杂、致密化程度高，但在整体超致密背景下，局部仍发育较多的相对优质储层。相对优质储层在埋深较大的须二段，往往发育较多的原生孔隙，和相对次要的次生孔隙；而埋深较小的须四段储层，次生孔隙占绝对优势，原生孔隙发育较少。造成这一现象的主要原因是须二、须四段原生孔隙保存和次生孔隙发育机制上的差异。须二段储层中较多刚性颗粒的存在和较为发育的包膜绿泥石是原生孔隙得到较好保存的主要原因；而其较大的单砂层厚度和较少的泥岩发育则导致了有机酸性流体的注入量较少，长石溶蚀有限。须四段塑性岩屑含量明显较高，储层原生孔隙在压实作用下几乎消失殆尽，但较薄的单砂层厚度和较多泥岩的叠置发育使长石在有机酸性流体作用下得到了充分溶蚀；这是须四段储层次生孔隙相对发育、长石含量很低、同时还有自生高岭石沉淀的主要原因。

致密砂岩；相对优质储层；须家河组；新场气田

0 引言

压实作用是碎屑岩储层原生孔隙损失的主要机制，而溶蚀作用则是改善储层物性的重要机制。通常情况下，砂岩的原生孔隙度是随着埋深(上覆载荷)增加而逐渐减少的，部分学者认为它们之间是一个相对明确的函数关系[1-3]。然而，砂岩的压实作用并非如此简单，在不同骨架颗粒组成的砂岩中，压实作用对原生孔隙的影响有明显的差异。有关研究表明：对于干净、分选好、富石英的砂岩而言，在不考虑沉积期后水岩相互作用的情况下，在埋深6 km附近的砂岩的粒间体积仍然保持在20%以上[4-7]，也就是说，如果没有其他成岩作用的掺和，压实作用很难完全破坏刚性颗粒砂岩原生孔隙的保存，砂岩中仍然可以具有较高的原生孔隙度。而对于存在较多塑性颗粒的砂岩储层来说，储层原生孔隙度的变化不仅与塑性颗粒的含量多少有关，同时也与塑性颗粒的性质有关[8]。大量研究证实，深埋藏条件下异常高孔隙度段往往伴随自生绿泥石包膜的发育[9-10]，包膜绿泥石主要通过抑制自生石英生长和提高颗粒的抗压性能，从而起到保存储层原生孔隙的作用。

很多碎屑岩储层，尤其是深埋藏砂岩储层次生孔隙与长石等铝硅酸盐矿物的溶解有关，而长石溶解是一个十分复杂的过程，涉及到不同化学反应间的相互作用、与长石溶解过程有关的自生矿物的沉淀、系统的开放性和封闭性、元素的带进带出以及流体性质等多种因素[11]。

新场地区须家河组储层属于典型的超低孔、低渗致密砂岩储层，但在整体致密的背景下，在部分砂岩中仍发育较多的相对优质储层。这些储层在须家河组不同层段的发育特征差异明显：在埋深较大的须家河组二段(以下简称须二段)，相对优质储层中往往发育较多的原生孔隙，和相对次要的次生孔隙，而在埋深较小的须家河组四段(以下简称须四段)，即使是相对优质储层中，原生孔隙也几乎消失殆尽，次生孔隙占绝对优势。由此，两个问题值得我们思考：一是有关埋深较大的须二段储层原生孔隙的保存机制问题；二是同为煤系地层，须四段次生孔隙相对于须二段明显更为发育的原因？

本次研究在大量分析数据的支撑下，有针对性地对上述问题进行了探讨，以期为研究区须家河组相对优质储层的预测提供依据。

1 区域地质背景

新场气田位于四川德阳新场地区，是一个多层气藏叠置的大型气田[12]。区域构造上，新场地区位于四川盆地川西坳陷中段绵竹-盐亭北东东向大型隆起带中部[13]。研究区基底为中三叠统海相灰岩，自晚三叠世后，川西地区逐渐转变为陆相沉积，其上依次充填上三叠统须一段海陆过渡相地层、须二段、须三段、须四段和须五段陆相碎屑及煤系地层(表1)，以及侏罗系至白垩系陆相红层。其中，须一段、须三段和须五段以发育烃源岩为主，须二段和须四段是新场气田的主产层。其中:须四段埋深为3 100～4 150 m，发育有明显较多的泥页岩，纵向上主要表现为较薄的砂岩、泥岩互层的特征，砂泥比为1∶1左右；须二段埋深为4 500～5 300 m，发育较多厚度较大的砂岩，纵向上表现为厚层砂岩和薄层泥岩互层的特征，砂泥比为3∶1左右(表1)。

2 问题的提出

新场地区须家河组储层由于埋深大、埋藏时间长、所经历的成岩作用复杂等多种原因，现今储层非常致密。3 700余个物性数据统计表明，须四段储层孔隙度分布在0.33%～12.71%，平均孔隙度5.84%，须二段储层孔隙度分布在0.44%～16.38%，平均值仅为3.92%，属于典型的致密砂岩储层(图1)。依据研究区须家河组相对优质储层的定义[9]，须四段超过50%的储层孔隙度大于6%，须二段有40%左右的储层孔隙度大于4%，显示研究区须家河组储层在整体致密的背景下，仍有较多相对优质储层的发育。

图1 新场地区须二、须四段储层物性分布特征Fig.1 Pattern of physical property in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

Table 1 Simple list of stratum development of Xujiahe Formation in Xinchang

2.2 储集空间特征及差异

研究区须二、须四段储层孔隙类型总体以次生孔隙为主(图2)，尤其是须四段储层，相对优质储层发育段几乎均由次生孔隙构成(图2a，b)，而长石溶蚀孔则是次生孔隙中最主要的孔隙类型。相对来说，须二段相对优质储层段储层孔隙类型中则有更多的原生孔隙发育，长石溶蚀孔隙较少，大量长石保存完整(图2c)。

在孔隙类型的总体构成上：须二段储层原生孔隙平均值在0.84%左右(图3)，且有较多样品原生面孔率超过5%(图4a)，如新场7井5 190～5 192 m段，储层以原生粒间孔为主，体积分数基本在5%以上，个别样品高达8%(图4a)；须四段储层原生孔隙平均值则在0.58%左右(图3)，样品原生面孔率基本在4%以下(图4a)。埋深较大的须二段储层反而具有较高的原生孔隙度，这是研究区须家河组储层的一个重要特征。与之相反，相对于须二段，须四段储层中次生孔隙明显较为发育，其次生面孔率平均值达3.49%(图3)，大量样品次生面孔率分布在5%～10%(图4b)。如川孝560井3 514～3 524 m段，储层次生面孔率基本分布在6.0%～8.5%，平均次生面孔率达7%。而须二段储层次生面孔率平均值仅为0.79%，且绝大部分样品的次生面孔率都在5%以下(图3，图4b)。

图3 新场地区须二、须四段储层不同类型孔隙统计直方图Fig.3 Statistical histogram of different types of pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

图4 新场地区须二、须四段储层孔隙纵向分布特征Fig.4 Longitudinal distribution feature of pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

埋深较大的须二段储层孔隙度更低的特征符合正常的储层孔隙演化规律。然而，其发育更高的原生孔隙度又表明，须二、须四段储层孔隙度上的差别，不能简单地归结于压实作用的强弱，须四段储层物性较好的原因主要是其次生孔隙更为发育。因此，对于研究区须家河组储层来说，如下两个问题值得讨论：1)须二段储层原生孔隙更为发育的原因是什么？须二、须四段储层原生孔隙保存机制有何差异？2)须四段储层次生孔隙更为发育的原因是什么？须二、须四段储层次生孔隙发育机制有何差异？

3 讨论

3.1 原生孔隙保存机制的差异

对于深埋藏砂岩来说，岩石的骨架颗粒构成对于储层原生孔隙的保存至关重要。在砂岩的骨架颗粒构成中，石英和长石作为重要的刚性颗粒，具有较强的抗压性能，因此，石英和长石含量往往与储层孔隙度呈正相关关系，而岩屑则主要表现为塑性性质，其抗压性能往往较差，一般与储层孔隙度呈负相关。

实际上，从新场地区储层石英体积分数与孔隙度关系(图5)也可看出:两者呈较为明显的正相关关系，储层孔隙度大于6%的样品中,石英体积分数基本分布在55%～85%;岩屑体积分数与储层孔隙度呈明显的负相关关系，岩屑体积分数超过40%的样品，储层孔隙度基本在4%以下，而岩屑体积分数低于30%时，较多样品储层孔隙度超过8%。

苏州大学教育学院马忠虎教授在《基础教育新概念家校合作》中指出，“家校合作是指对学生最具影响的家庭和学校形成合力对学生进行教育。”

图5 新场地区储层石英、岩屑含量与孔隙度关系Fig.5 Relationship of content of quartz and debris with porosity in Xinchang

从新场地区须二段和须四段储层骨架颗粒的构成(图6)来看，两者具明显差异:须二段储层石英体积分数较高，基本分布在40%以上，平均体积分数65.8%，须四段储层石英体积分数则较低，平均体积分数仅为52.2%[14]；长石颗粒体积分数差异更为明显，须二段储层中长石平均体积分数在7.7%左右，较多样品长石体积分数在10%以上，而须四段储层中长石平均体积分数仅为1.16%，仅有很少量样品长石体积分数超过10%，较多刚性颗粒的存在是须二段储层保存较多原生孔隙的关键;与之对应，须四段储层中岩屑体积分数则明显较高，平均体积分数达37.06%，而须二段储层中，岩屑平均体积分数为19.93%[14]。

显然，岩石中明显较高的石英体积分数和明显较低的岩屑体积分数是造成埋深更大的须二段储层发育更多原生孔隙的重要原因;须四段储层中较多塑性岩屑的存在是其原生孔隙基本消失殆尽的重要原因。然而，石英体积分数的高低并非造成二者原生孔隙出现“倒挂”现象的唯一原因，因为，在研究区须家河组储层中，同样存在大量样品石英体积分数很高，而储层孔隙度较低的情况(图5)。说明对于研究区须家河组储层来说，还有其他因素对原生孔隙的保存起到了明显影响。大量的研究[15-19]证实，孔隙衬里绿泥石的存在能抑制自生石英的生长，同时提高岩石的抗压性能，从而对储层原生孔隙的保存起到积极作用。

对于新场地区须家河组储层来说，铸体薄片镜下特征显示，原生孔隙较为发育的储层砂岩中，除了较多刚性颗粒存在外，还往往发育较多的孔隙衬里自生绿泥石，这些自生绿泥石有效地抑制了自生石英的增生，对储层原生孔隙的保存具有重要影响(图2)。实际上，从已有数据的统计情况来看，二者呈明显的正相关关系，尤其是自生绿泥石体积分数超过2%时，储层原生孔隙度增加明显；若原生孔隙体积分数超过4%，自生绿泥石体积分数基本都在3%以上，说明自生绿泥石对储层原生孔隙的保存具明显作用(图7)。

图7 新场地区须二、须四段储层自生绿泥石体积分数与原生孔隙关系Fig.7 Relationship of authigenetic chlorite content with primary pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

而从新场地区须二、须四段储层绿泥石的发育情况来看(图8)，须四段储层自生绿泥石体积分数相对于须二段储层明显较低，绝大部分样品自生绿泥石体积分数在2%以下，平均体积分数仅为0.82%左右，而须二段则有较多样品自生绿泥石体积分数在2%以上，部分样品自生绿泥石体积分数超过3%(图8)，平均体积分数在2.45%左右。显然，须二段储层中较多的自生绿泥石体积分数是其保存有较多原生孔隙的重要原因之一。

图8 新场地区须二、须四段储层自生绿泥石纵向分布特征Fig.8 Longitudinal distribution feature of authigenetic chlorite in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

3.2 次生孔隙发育机制的差异

由于原生孔隙保存机制方面的差异，新场地区须二段储层相对于须四段储层发育更多的原生孔隙，然而，须二段储层物性和面孔率仍明显低于须四段储层，主要原因是二者次生孔隙体积分数上的差异(图3)。

深埋藏条件下，有机酸性流体对铝硅酸盐矿物，尤其是长石和铁镁暗色矿物的溶解是次生孔隙形成的重要机制[11]。在研究区须家河组中，长石溶解在须四段中更为普遍，在部分层段，长石被溶解量超过5%，而须二段则大量长石保存完整，由长石溶解形成的次生孔隙不足1%(图2)，这是研究区须四段更贫长石的重要原因[14]。同时，作为长石等铝硅酸盐矿物溶解的指示矿物----高岭石，也仅仅分布在须四段中，须二段中高岭石的体积分数为0(图9)。

图9 新场地区须二、须四段储层自生高岭石纵向分布特征Fig.9 Longitudinal distribution feature of authigenetic kaolinite in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

对于长石的溶蚀来说，在有机酸性流体(H+)的作用下，将通过如下几个反应生成高岭石：

2KAlSi3O8+2H++H2O→

①

2NaAlSi3O8+2H++H2O→

②

CaAl2Si2O8+2H++H2O=

③

对于钾长石溶解形成高岭石的反应来说(反应①)，只要K+被不断带走，长石就可不断溶解形成高岭石。而在一定条件下，高岭石将通过如下反应(反应④)向伊利石转化：

3Al2Si2O5(OH)4+2K+=

④

而反应①和反应④可以合并为如下反应：

KAlSi3O8+Al2Si2O5(OH)4→

⑤

这样，在封闭体系中，只要体系中仍有钾长石和高岭石同时存在，必然有持续的伊利石化，并且伴随石英的增生，直到两者或其中之一消失。

对于反应⑤来说，反应①是其H+的储备反应(H+储备在高岭石中)。在深埋藏条件下，早期形成的次生孔隙往往对储层物性的改善无实质性作用，储层物性的改善更多的依赖于较晚期次生孔隙的形成。然而，对于研究区须家河组储层来说，此时储层往往已进入致密阶段，酸性流体难以进入致密砂岩对长石等骨架颗粒进行溶解；因此，晚期次生孔隙的形成将更多的依赖于埋藏早期自生高岭石沉淀的多少，即与埋藏早期酸性流体注入的多少有关。

从新场地区须二、须四段沉积特征(表1)来看，须四段单砂层厚度较薄，泥岩更为发育，二者比例在1∶1左右，在纵向上叠置发育，这一发育特征有利于早期有机酸性流体的注入，从而有利于早期铝硅酸盐矿物的溶解和自生高岭石的沉淀。而须二段单砂层的厚度明显较厚，泥岩发育较少，二者比例在3∶1左右，较大的砂岩厚度使得有机酸性流体的注入难度变大，不利于长石的溶解，进而对自生高岭石的储备产生了影响。在其后的深埋藏过程中，早期自生高岭石储备上的差异对须二、须四段储层长石的溶解和次生孔隙的形成产生了明显影响：由于须四段储层砂岩早期沉淀了较多的自生高岭石，在深埋藏过程中，反应⑤得以持续向右进行，长石大量溶解，在部分砂岩段甚至消失殆尽，而高岭石得以保存(图9)，进而形成较多的次生孔隙，改善了储层物性；而须二段储层砂岩早期有机酸性流体进入较少，储备的自生高岭石有限，在晚期的深埋藏作用过程中，高岭石很快消失殆尽(图9)，而长石溶解有限，对储层物性改善不明显。

4 结论

1)新场地区须家河组储层整体致密，但在局部仍发育有较多的相对优质储层。在埋深较大的情况下，须二段储层中原生孔隙反而更为发育，次生孔隙相对次要；而埋深较浅的须四段储层原生孔隙发育较少，次生孔隙占绝对优势。

2)须二段储层中较多刚性颗粒的存在和较为发育的包膜绿泥石存在，是其原生孔隙得到较好保存的主要原因，而其较大的单砂层厚度和较少的泥岩发育，则导致了有机酸性流体的注入量较少，长石溶蚀有限，次生孔隙欠发育。

3)而须四段储层中塑性岩屑含量明显较高，储层原生孔隙在压实作用下几乎消失殆尽，但较薄的单砂层厚度和较多泥岩的叠置发育，使长石在有机酸性流体作用下得到了充分溶蚀，这是须四段储层次生孔隙相对发育、长石含量很低，同时还有自生高岭石沉淀的主要原因。

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Contributing Factor Divergence Analysis of Relative High Quality Reservoir of Upper Triassic in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation of Xinchang Gas Field in West Sichuan

Liu Sibing, Shen Zhongmin, Lü Zhengxiang, Song Rongcai, Wang Peng

StateKeyLabofOil-GasReservoirsGeologyandExploitation/ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Major relative high quality reservoirs are locally developed in the context of the entire super densified Xujiahe Formation in Xinchang in west Sichuan. They have a great burial depth, complicate diagenesis, and high density. The relative high quality reservoir is in the 2nd member of Xujiahe Formation with a big burial depth, which developed more primary pores than secondary pores; while the 4th member of Xujiahe Formation with small burial depth developed more secondary pores than primary pores. The main reason of this appearance is the divergent mechanisms of the primary pore conservation and secondary pore development of the 2nd and 4th member of Xujiahe Formation. The existence of the relatively developed encapsulating chlorite and the harsh particulates led to the well conservation of the primary pores in the 2nd member of Xujiahe Formation; while the single thick sand and the undeveloped mudstone layer cause the poor influx of organic acid fluid, so that the feldspar corrosion is limited. As for the 4th member of Xujiahe Formation, the plasticity of the rocks is relatively high; this, in turn, resulted in the disappearance of the primary pores under the diagenetic compaction, while the secondary pores are relatively popular with minor authigenic kaolinite sedimentated, multiple thin single sand and mudstone developed, and sufficient feldspar corroded by organic acid fluid.

tight sandstones; relatively high-quality reservoir; Xujiahe Formation; Xinchang gasfield

10.13278/j.cnki.jjuese.201504103.

2014-10-09

国家自然科学基金项目(41172119)；国家重点实验室基金项目(PLC201101)

刘四兵(1981--)，男，讲师，博士，主要从事油气储层地质方面的研究，E-mail:lsbcdut@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504103

P618.13

A

刘四兵，沈忠民，吕正祥，等.川西新场气田上三叠统须二、须四段相对优质储层成因差异性分析.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):993-1001.

Liu Sibing, Shen Zhongmin, Lü Zhengxiang,et al. Contributing Factor Divergence Analysis of Relative High Quality Reservoir of Upper Triassic in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation of Xinchang Gas Field in West Sichuan.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):993-1001.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504103.