巴中地区须四段致密砂岩钙质夹层识别及成因

蒲　勇　王　威　黎承银

（中国石油化工股份有限公司勘探分公司，四川　成都　610041）



巴中地区须四段致密砂岩钙质夹层识别及成因

蒲勇王威黎承银

（中国石油化工股份有限公司勘探分公司，四川成都610041）

摘要综合利用岩心观察、X衍射、普通薄片、铸体薄片、常规测井和成像测井等资料，对川东北巴中地区须四段砂岩钙质夹层特征和成因进行分析。研究表明：巴中地区须四段砂岩钙质夹层在测井曲线上表现为低自然伽马、低声波时差、高密度、低中子和高电阻率值的特征。在成像测井上表现为呈亮带状分布的影像特征。钙质夹层主要分布在三角洲前缘水下分流河道砂体的下部或裂缝发育部位。钙质夹层主要形成于深埋中—晚成岩时期，钙质夹层对储层性质和油气分布有负面影响，其分布受沉积微相和断层的控制，射孔应避开钙质夹层段。

关键词致密储层钙质夹层成岩作用巴中地区

0　引言

致密砂岩储集性能受多种因素控制，不仅受原始沉积条件的影响，对于埋藏深度较大的地层，后期埋藏过程中成岩作用的影响显得尤为重要［1-4］。钙质夹层是指在砂体内部形成的碳酸盐岩胶结砂岩段，岩性致密，渗透性极差。川东北巴中地区须家河组四段砂岩钙质夹层发育，研究钙质夹层的特征、分布规律及其成因机制对于该区勘探部署具有重要意义。

巴中地区位于四川盆地东北部，构造位置位于四川盆地川北坳陷通江凹陷及通南巴背斜带的南部，南部与川中低缓构造带相连。须四段以辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积为主，砂岩岩石类型主要为灰色细—中粒长石岩屑砂岩。

1　基本特征

1.1岩性

钙质夹层是指砂岩内部被碳酸盐胶结形成的砂岩段，其岩性主要为灰白色钙质胶结细砂岩、中砂岩、粗砂岩等。根据岩心观察，钙质胶结并不是在砂岩中均匀分布，而是在某些部位集中发育，钙质夹层段与其他砂岩段颜色差异不大（图1），但通过滴酸实验可以将钙质夹层段与普通砂岩段砂岩进行区分，钙质夹层滴酸有气泡产生。对研究区4口井的钙质夹层厚度进行统计发现，钙质夹层厚度变化较大，一般为几十厘米至数米不等，平均厚度为0.56 m，夹层最小厚度为0.1 m，最大厚度可达1.9 m。

图1　钙质夹层岩心照片图

薄片鉴定表明，巴中地区须四段岩石类型主要为中—细粒长石岩屑砂岩，分选较好，磨圆为次棱角—次圆状，颗粒支撑，颗粒间多为点—线接触，胶结类型以孔隙式胶结为主，可见镶嵌式胶结。石英含量为28%～73%，平均为54%，长石含量为10%～26%，平均为15%，岩屑含量为11%～40%，平均为21%，以沉积岩岩屑和变质岩岩屑为主，黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层、绿泥石及部分高岭石。储层储集空间类型主要为长石溶解形成的粒内孔隙和粒间孔隙。

从研究区取心井薄片来看，钙质夹层的岩性相对较粗，主要为中—粗粒长石岩屑砂岩（图2C、图2D），细砂岩、粉砂岩出现钙质夹层频率较低。钙质胶结物的主要成分为方解石，少量的白云石胶结物。钙质胶结物含量一般为9%～22%，平均为13.9%，主要以充填粒间孔隙和交代颗粒出现，胶结类型以孔隙型为主（图2A、图2B），这种胶结物是由成岩作用形成的。

图2　巴中地区须四段钙质夹层镜下照片图

1.2结构

研究区须四段砂岩钙质夹层中胶结物成分主要为方解石，普通薄片、铸体薄片及阴极发光照片显示，方解石晶体较为粗大，染色后呈红色，一般呈长条状、三角锥状或多边形状（图3），多为孔隙式胶结，方解石胶结物主要以两种方式产出，一是方解石多充填粒间孔隙（图3A、图3B），二是方解石以充填粒间、粒内溶蚀孔隙或交代长石颗粒等其他碎屑颗粒出现（图3C、图3D），颗粒分选较好，大部分颗粒为线接触关系，少量颗粒为点接触。

1.3物性

从须四段方解石胶结物含量与砂岩实测孔隙度、渗透率的关系图来看（图4），方解石胶结物含量与储层孔隙度和渗透率为负相关关系。钙质夹层段与其他砂岩段相比，其物性具有明显降低的趋势。究其原因，方解石胶结物充填在砂岩孔隙内（图3），堵塞喉道，使砂岩孔隙度和渗透率都大大降低，使分选良好的砂岩成为致密砂岩，是造成研究区须四段砂岩储层致密的重要原因。

图3　巴中地区须四段钙质夹层方解石胶结物结构特征图

图4　巴中地区须四段取心段物性与方解石胶结物含量关系图（红色点为钙质夹层段砂岩样品，蓝色点为其他砂岩段样品）

2　测井响应特征

前已述及，利用岩心、薄片及分析化验资料能够识别出钙质夹层，但由于研究区取心资料有限，利用测井资料对钙质夹层进行识别更有普遍意义。通过对元陆17井、元陆172井、元陆173井等3口井取心段钙质夹层段的测井曲线分析，发现钙质夹层具有独特的测井响应特征（图5）：① 低自然伽马值（20～40 API），自然电位曲线无明显变化，井径曲线无扩径，钻时值为高值；② 深浅侧向电阻率值较其他砂岩段高；③ 声波时差值表现为明显低值，一般低于53 μs/ft；④ 密度测井为高值，钙质夹层段平均值为2.62 g/cm3；⑤ 中子测井为低值，一般为4%～6.7%；⑥ 微电极成像测井表现的影像特征为浅黄色，呈亮带状分布。因此，利用钙质夹层的这些测井响应特征可以较好地识别钙质夹层。

图5　巴中地区须四段钙质夹层典型测井响应特征图

3　成因

众多学者分析总结了钙质夹层的特征和成因［5-9］。根据巴中地区须四段钙质夹层的矿物岩石学特征及其分布特征，结合区域沉积、成岩特征，认为它的形成是在沉积成岩过程中，受溶解作用、蚀变作用和胶结作用共同作用形成的。

钙质夹层是含碳酸盐胶结物的砂岩，其形成离不开Ca2+、Mg2+、HCO3-等生成钙质矿物的离子的参与［7］46。无论是不稳定组分的溶解和蚀变作用，还是碳酸盐胶结作用，都与酸性水有关。同时需要孔隙水的不断渗流和交替，否则溶解和胶结作用很快将处于相对平衡状态而停止继续进行下去［9］77。前人研究认为，酸性水的来源主要有大气酸性水、地层水及有机质在成岩演化过程中形成的酸性水。

研究区钙质夹层主要以两种产状产出，第一种是以充填原生粒间孔隙的方式产出（图2A），另一种主要是以充填粒间、粒内溶蚀孔隙或交代长石等其他颗粒产出（图2C）。以充填原生粒间孔隙方式产出的方解石胶结物主要是浅埋藏阶段在淡水作用下，含钙碎屑沉积物溶蚀形成的钙离子和碳酸根离子进入孔隙水，导致局部碳酸钙过饱和从而形成钙质胶结物。研究区须四段的孔隙特征、黏土矿物类型，组合特征及成岩演化特征表明，在沉积成岩过程中，须四段砂岩发生了强烈的溶解和交代作用。

以充填粒间、粒内溶蚀孔隙或交代长石等其他颗粒产出的方解石胶结物主要是在深埋藏还原环境下形成的。在深埋藏条件下，由于酸性水的作用，黏土杂基向高岭石转化，长石、岩屑等不稳定矿物及早期形成的碳酸盐矿物发生了溶解和蚀变作用，生成了Ca2+、Mg2+等离子，为碳酸盐胶结作用和钙质夹层的形成提供了物质基础［9］76。从镜下观察也可以发现粒间和粒内溶孔被方解石充填，方解石交代长石或岩屑，方解石交代粒间黏土矿物等现象（图3），说明研究区须四段砂岩先发生了黏土杂基的高岭石化及长石、岩屑等不稳定矿物的蚀变与溶解作用，进而发生了碳酸盐胶结作用和钙质夹层的形成。

研究区须四段在深埋藏条件下，其烃源岩（须三段、须五段煤系地层）排烃过程中形成的有机酸［10］为形成钙质夹层的酸性水的主要来源。同时，研究区断裂发育，顺断层活动的地层水也可能是酸性水来源之一。须四段储层主要处于晚成岩阶段，有机质处于高成熟阶段，有机质演化过程中，由于埋深的增加，温度和压力升高，有机质热演化并释放大量的CO2，所产生的CO2水溶液进入砂岩与Ca2+、Mg2+结合，在适当的pH值和Eh值条件下，碳酸盐矿物发生沉淀，形成钙质夹层［4］78。

4　分布特征

利用须四段钙质夹层测井响应，对巴中地区4口井钙质夹层的解释及分布特征进行研究。研究表明，平面上，巴中地区已完钻的4口井均发育一定数量的钙质夹层，平面上、纵向上具零星分布特征，横向上连续性差，厚度变化较大，一般为几十厘米至数米不等。综合研究表明，钙质夹层分布受到沉积相带和断裂联合控制。

根据岩心观察结果，钙质夹层在中—粗粒砂岩比较常见，在细砂岩及粉砂岩中相对少见。在断裂发育的砂岩中钙质夹层相对较发育，如元陆173井第7次取心，从取心段岩心上可以识别出在4 545.5～4 546.2 m，4 546.2～4 547.8 m发育两套钙质夹层，阴极发光照片显示这一深度段方解石胶结强烈（图6）。从该取心段的电阻率曲线及三孔隙度曲线可以看出，深度段约4 546.2～4 547.8 m为裂缝发育带，在岩心照片上也可以看到这一深度段裂缝较为发育（图6）。

这是因为在辫状河三角洲前缘沉积环境，水下分流河道底部的砂体粒度相对较粗，泥质含量少，孔隙相对较为发育，物性较好，孔隙水在孔隙条件较好的砂体中（水下分流河道底部）流动较为活跃，因此，碳酸盐胶结物容易在水下分流河道的底部沉淀下来，形成钙质夹层。在平面上，沿断层产状延伸的区域钙质夹层相对较为发育，因为断层往往是孔隙水流动的通道，流动的孔隙水对不稳定组分溶蚀形成的Ca2+、Mg2+与HCO3-发生胶结作用，在靠近物性较好的地带沉淀，形成钙质夹层。根据钙质夹层的岩心、薄片及测井响应特征，对研究区4口井须四段的钙质夹层分布进行了识别。

图6　元陆173井钙质夹层分布与裂缝发育带关系图

通过研究区4口井地层连井对比与划分发现，钙质夹层可对应砂组的界面，可利用钙质夹层的分布进行高精度层序地层对比。根据钙质夹层易在水下分流河道底部形成的特征，可以将钙质夹层作为层组单元的界面对层组进行识别。根据研究区须四段钙质夹层纵向上的分布特征，将须四段进一步划分了4个砂组（相当于五级层序）。

钙质夹层的存在，对储层性质和油气分布具有负面影响，因此在测试射孔时避开钙质夹层段。研究区须四段主要为辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积，纵向上水下分流河道多期叠置，平面上大面积展布。由于水下分流河道的侵蚀—冲刷作用，多期水下分流河道叠加部分的泥岩普遍遭受冲蚀，砂层组之间多为砂与砂的接触关系，利用钙质夹层主要分布在三角洲前缘水下分流河道底部的特征，可据此建立高分辨率层序地层格架［8］34，指导开发。

5　结论与建议

巴中地区须四段砂岩钙质夹层岩性主要为灰色中砂岩，一般厚度较小。可通过岩心及电性特征相结合对钙质夹层进行识别。须四段钙质夹层主要分布在辫状河三角洲前缘水下分流河道的底部及裂缝发育部位，横向连续性较差，其分布主要受沉积相带和断裂的控制。钙质夹层的存在对储层主要起破坏作用，在油气测试时应避开钙质夹层段。可利用钙质夹层建立气藏范围内的高分辨率层序地层格架，指导开发。

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（编辑：卢栎羽）

修订回稿日期：2016-05-12

文献标识码：B

文章编号：2095-1132（2016）03-0016-05

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.004

作者简介：蒲勇（1965-），博士，高级工程师，从事油气勘探综合研究及管理工作。E-mail：puy.ktnf@sinopec.com。