川西新场地区须家河组第二段优质储层主控因素

王志康, 林良彪, 余 瑜, 吴 冬, 刘 磊

(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)

致密砂岩气是指覆压基质渗透率<0.1×10-3μm2的砂岩类气层，只有在一定的经济或技术措施下才能获得工业产能[1]。自1927年在美国圣胡安盆地发现致密砂岩气以来，全美已发现900个致密砂岩气田[2]。虽然中国致密砂岩气勘探开发较晚，但近年来勘探开发成果丰硕，相继在四川盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地发现了45个致密砂岩气田(藏)[3]。优质储层预测是致密砂岩储层研究的核心内容[4-5]，而致密砂岩储层致密、非均质性强等特点导致了储层预测的困难[6]。四川盆地新场地区上二叠统须家河组第二段(简称“须二段”， T3x2)埋藏深度4.6～5.3 km，在经历了复杂的成岩演化后已普遍致密，属超低孔、超低渗型致密砂岩储层[1,7]，但在砂体致密的背景下，仍发育部分物性较好的优质储层，因此，对须二段开展储层控制因素研究对储层预测意义重大。

前人对新场地区须二段优质储层控制因素做了大量研究，早期绿泥石[8-13]、溶蚀作用[8-9,11-13]及破裂作用[8-9,11-13]导致深埋藏条件下砂岩具有异常高的孔隙度及渗透率，烃类充注[9,11,13]、异常高压[11]、渗透性屏障[13]也有利于砂岩孔隙的保存；此外，吕正祥等[13]认为高能沉积环境下砂岩分选系数好，杂基含量少，因此砂岩的初始孔隙度较高；郭迎春等[11]认为须二段优质储层发育在分流河道、河口坝微相中。综合来看，前人对须二段储层的研究集中在成岩作用方面，但对沉积作用的研究较为薄弱。沉积微相不仅控制了砂岩的粒度、沉积构造，导致储层的物性差异，还会影响早期成岩作用[5],因此，还需进一步探讨其对储层的影响；此外，溶蚀过程中矿物溶蚀作用的强弱还需进一步明确。

本文以新场构造带新场12井及其周边(图1)须二段为研究重点，运用岩石薄片、压汞曲线、扫描电镜等测试分析方法研究须二段的储层特征，在此基础上重点研究沉积微相、溶蚀作用对须二段优质储层的控制作用，以期为研究区的油气地质开发提供参考。

1 地质背景

川西拗陷隶属于四川盆地的次一级构造单元，其形成演化主要受控于龙门山上冲推覆带的不断发展[14-18]。小塘子期龙门山北段开始隆升[19-20]，须二期龙门山北段开始上冲推覆并为川西提供部分物源[16-17,19,21]，须三末期的安县运动后，龙门山上冲推覆带已经形成[22]；须二期米仓山-大巴山处于低幅隆升状态，须四期米仓山-大巴山才开始强烈隆升并上冲推覆[21,23]。总而言之，龙门山与米仓山-大巴山的差异隆升造成研究区须二段物源多样。川西拗陷中段的新场构造带是一个形成于须三末期的西高东低的鼻状古隆起[24](图1)。研究区须家河组下伏地层为中三叠统雷口坡组的海相碳酸盐岩(局部区域为上三叠统马鞍塘组)，上覆地层为下侏罗统白田坝组陆相碎屑岩，自下而上发育须一段(小塘子组)至须五段，其中须一、须三、须五段为烃源层，须二、须四段是主要储气层段[9-13]。须二段层厚超过500 m，埋深超过4.6 km，以大套砂岩为主夹薄层泥、页岩[14-15]，发育上、中、下3个亚段和T3x2-2-T3x2-10共9套砂组(T3x2-1砂组不发育)，又以中亚段含气最为丰富[25]。新场地区须二段处于海陆过渡环境，发育近源辫状河三角洲沉积体系[14-15,19,23,25]，钻井揭示须二段沉积环境主要为辫状河三角洲前缘，并以辫状河三角洲前缘水下分流河道及河口坝沉积为主(图2)。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

据砂岩三角分类投点图[26](图3)，须二段岩屑砂岩及长石岩屑砂岩含量最高，其次为岩屑长石砂岩、岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、长石砂岩，还含少量石英砂岩。须二段Q端元及R端元值较高，而F端元值较低(图3)，表明须二段具高石英、岩屑含量，低长石含量的特征。须二段石英主要为单晶石英(图4-A)；长石(表1)包括钾长石与斜长石2种类型；岩屑(表1)以变质岩碎屑为主(石英岩碎屑含量最高)，沉积岩碎屑次之(主要为黏土岩碎屑)，岩浆岩碎屑含量最低(多为火山岩碎屑)。杂基以黏土矿物为主，胶结物中碳酸盐胶结物含量最高，其次为硅质胶结物。须二段砂岩粒级主体为中粒级，还包括少量粗粒级、细粒级，颗粒分选性为中等-好，磨圆度较差(次棱角状)。

2.2 储集空间特征

2.2.1 储集空间类型及孔隙结构特征

须二段储层储集空间类型以次生孔隙为主，其次为原生孔隙。次生孔隙主要为粒内溶孔、粒间溶孔，杂基孔及微裂缝较少(表2)。粒内溶孔包括长石粒内溶孔及岩屑粒内溶孔两种类型，长石溶蚀后呈炭渣状(图4-B)，火山岩碎屑溶蚀是岩屑溶蚀的主要形式之一(图4-C)；粒间溶孔呈不规则多边形(图4-D)，边缘溶蚀现象明显，见片丝状伊利石(图4-E)；微裂缝呈枝丫状延伸(图4-F)，裂缝边缘具片状绿泥石集合体(图4-G)。原生粒间孔隙是原生孔隙的主要类型，孔隙周围绿泥石薄膜发育，孔隙保存较好，形态呈棱角分明的多边形，压实强烈时呈长条形(图4-H)，绿泥石薄膜断缺处充填次生石英(图4-H、I)。

表1 须二段碎屑组分含量(w/%)Table 1 Statistics of detrital component content of T3x2

表2 须二段各储集空间类型对面孔率的贡献值Table 2 Contribution of each reservoir space type to sectional porosity of T3x2

须二段储层毛细管压力曲线具有歪度偏细、分选适中、排驱压力偏大的特点(图5-A)。排驱压力为2～8 MPa，喉道平均半径(r)偏小，为0.08～0.45 μm，50%以上的孔喉半径>0.25 μm，总体上属极细-细孔喉；孔喉半径在0.1～1 μm时，对渗透率的贡献值最大(图5-B)。

2.2.2 孔隙度与渗透率的关系

孔隙度与渗透率分析结果表明：新场地区须二段砂岩样品孔隙度(q)在0.55%～10.37%，平均值为4.33%，集中分布在2%～4%(图6-A)；渗透率(K)介于(0.001～757)×10-3μm2，平均值为1.38 ×10-3μm2，主要分布在(0.02 ～0.04)×10-3μm2(图6-B)；属超低孔、超低渗型致密砂岩储层。须二段渗透率>0.1×10-3μm2的样品占15%(图6-B)，裂缝发育导致该部分样品渗透率较高，从而导致孔渗相关性变差。优质储层是个相对概念，并没有绝对的孔隙度及渗透率指标[27]，新场地区须二段优质储层孔隙度>4%，渗透率>0.06×10-3μm2[28]，研究区须二段优质储层样品占全部样品的29%(图6-C)。

3 优质储层控制因素

对新场地区须二段岩石薄片、扫描电镜及测井资料进行综合分析认为，须二段优质储层受沉积微相及成岩作用的控制。有利的沉积微相导致储层的原始物性较好，在有利的沉积微相基础上，加之溶蚀作用、裂缝等有利的成岩作用改造才能使研究区须二段在超低孔超低渗的背景下形成优质储层。

3.1 沉积微相

新场地区须二段发育辫状河三角洲前缘亚相，沉积微相主要包括水下分流河道、河口坝、分流河道间。水下分流河道微相的物性最好，次为河口坝微相，分流河道间微相的物性最差(图7)。为研究不同河道，或同一河道不同位置储层物性的差异，以新场12井须二段为例，通过岩心观察，识别出平行层理与块状层理两种沉积构造；再结合薄片及测井资料，基于沉积构造及粒度，将储层砂岩划分为5种岩相(表3)。

须二段块状层理砂岩相(a、b、c)总厚度21.4 m，占76%；平行层理砂岩相(d、e)总厚度为6.9 m，占24%(图8)。块状层理砂岩相只有岩相b物性较好；岩相a平均孔隙度及平均渗透率分别低于4%及0.06 ×10-3μm2；岩相c平均孔隙度均>4%，但平均渗透率<0.06 ×10-3μm2。平行层理砂岩相(d、e)平均孔隙度>6%，平均渗透率>22×10-3μm2， 即平行层理砂岩相物性最好(表4)。平行层理砂岩相与块状层理砂岩相相

表3 须二段岩相划分标准Table 3 Criteria for lithofacies division of T3x2

比，孔隙度相差不大，但前者渗透率极高(表4)，可能有以下几方面原因：第一，平行层理砂岩相比块状层理砂岩相平均孔隙度更大(表4)，随着孔隙度升高，岩石强度降低，平行层理砂岩相更易破裂；第二，若岩相平均厚度=总厚度/该岩相个数，平行层理砂岩相平均厚度为1.7 m，而块状层理砂岩相平均厚度达5.4 m(图8)，即前者厚度更薄，更易通过自身层理的薄弱面发生破裂。因此，与块状层理砂岩相相比，平行层理砂岩相原始孔隙度大、平均厚度薄的特征使得其渗透率更高，表明须二段水下分流河道中平行层理砂岩相是最有利的岩相类型。

表4 不同岩相类型物性特征Table 4 Porosity and permeability of different lithofacies of T3x2

3.2 溶蚀作用

3.2.1 长石溶蚀

须二段成岩演化已至中成岩B期[8-9,25]，新场12井须二段溶蚀孔对面孔率的贡献值达94.1%，其中长石粒内溶孔达38.5%(表2)。热力学实验表明[31]：在一定温度(25～200℃)及压力(0.1～40 MPa)范围的酸性条件下，钙长石、钠长石、钾长石稳定性依次升高，长石更易生成伊利石而不是高岭石；动力学方面，长石生成伊利石还是高岭石取决于K+/H+活度比[31-35]。新场地区须二段高岭石生成[反应(1)、(2)、(3)]所需Al3+主要来自长石溶蚀[25,30-32]，酸性介质来自煤系地层酸性水或烃源层中的有机酸[31-32]。

2KAlSi3O8(钾长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2(硅质)+2K+

(1)

2NaAlSi3O8(钠长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(高岭石)+4SiO2(硅质)+2Na+

(2)

2CaAl2Si2O8(钙长石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(高岭石)+Ca+(3)

同生至埋藏成岩作用初期，煤系地层酸性水淋滤导致须二段不稳定长石(主要是钙长石)溶解生成高岭石，但产生的次生孔隙因压实作用很难保存至深埋藏阶段。受下伏马鞍塘组-小塘子组富钾海源流体及须二段砂体厚度大[10,32]的影响，K+大量保存，伴随压实作用释放的酸性水，流体K+/H+活度比较高，一方面，在开放-半开放体系即可发生高岭石的伊利石化[反应(4)，图9][32]；另一方面，高K+/H+活度比有利于钾长石保存[30-32]，因而钾长石保存至深埋藏阶段，钙长石因低温不稳定性，在深埋藏前已消耗殆尽，钠长石稳定性强于钙长石，部分钠长石溶蚀生成次生孔隙[反应(2)]并保存至深埋藏阶段。中成岩期，烃源层中有机质成熟，但因须二段储层致密[8,32]及单砂层厚度大而泥岩厚度较薄[10,32]，导致有机酸难以注入，钾、钠长石仅发生有限溶蚀。深埋藏封闭条件下，地温高于120℃时[31]，高岭石向伊利石转化[反应(4)]，该阶段有机酸已分解殆尽，钾长石溶解(图4-B)所需H+源自反应(4)，高岭石含量取决于深埋藏阶段前长石溶蚀生成量，二者可表示为反应(5)。

3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+2K+=

KAl3Si10(OH)2(伊利石)+2H++3H2O

(4)

KAlSi3O8(钾长石)+Al2Si2O5(OH)4(高岭石)=

KAl3Si10(OH)2(伊利石)+2SiO2+H2O

(5)

研究区须二段高岭石的质量分数为0%，而钾长石仍有剩余(7.3%)，说明深埋藏前高岭石储备相对不足，导致深埋藏阶段钾长石与高岭石反应后[反应(5)]钾长石仍有大量剩余(图9)。钾长石与溶蚀孔面孔率具有正相关关系(图10-A)，表明钾长石对次生溶孔的贡献可能有限；斜长石含量与溶蚀孔面孔率具有负相关关系(图10-B)，说明斜长石对次生溶孔的贡献较大。

3.2.2 岩屑溶蚀

新场12井须二段岩屑粒内溶孔对面孔率的贡献值达27.3%，仅次于长石粒内溶孔(表2)。火山岩碎屑溶蚀是须二段岩屑溶蚀的类型之一[8,13](图4-C)，须二段火山岩碎屑含量达4.2%(表1)。须二段火山岩碎屑、石英岩碎屑、碳酸盐岩碎屑以及黏土岩碎屑含量与溶蚀孔面孔率均具有一定的负相关关系(图10-C、D、E、F)，其中火山岩碎屑与溶蚀孔的负相关系数最高，表明火山岩碎屑是形成次生溶孔的主要岩屑类型(图10-C)。

3.3 绿泥石

目前对绿泥石能否抗压实及其抑制石英胶结的机理存在争议，但一般认为绿泥石对孔隙具保护作用[8-13,30,36]。研究区须二段绿泥石中铁离子来自岩浆岩碎屑[7]或火山凝灰质[35]，绿泥石产状为孔隙衬里，以绿泥石薄膜的形式出现在原生粒间孔隙边缘(图4-H、I)。绿泥石薄膜呈黑色，推测可能为原油浸染的结果，并且只出现在粒间孔隙边缘，在颗粒接触部位不发育，据此判断绿泥石薄膜形成于压实作用之后；此外，在绿泥石断缺处发育次生石英(图4-H、I)，表明绿泥石薄膜形成于该期石英次生加大之前。绿泥石含量与原生孔隙面孔率及总面孔率具正相关关系(图11)，但与原生孔隙的相关系数更高，说明新场地区须二段绿泥石对原生孔隙及次生孔隙均具保护作用，但主要保护原生孔隙。

3.4 裂缝

经过印支期、燕山期、喜马拉雅期第三幕和第四幕构造运动[38]，须二段形成了大量裂缝。须二段层理缝、层面缝及冲刷面缝占比达62%，构造缝占比为38%[11]，前者以水平缝与低角度缝为主，后者多为斜缝、高角度缝及立缝。层理缝、层面缝和冲刷面缝改善了储层渗透率，导致部分样品渗透率>0.1×10-3μm2(图6-C)；构造缝形成于喜马拉雅期，多数未充填[38]，对产能贡献极大，构造缝的数量与气井产能具有正相关关系(图11-C)。

4 结 论

a.新场地区须二段储层砂岩类型主要为岩屑砂岩和长石岩屑砂岩，其次为岩屑长石砂岩、岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、长石砂岩，还含少量石英砂岩。储集空间类型以次生孔隙为主，原生孔隙比较少。次生孔隙包括长石粒内溶孔、岩屑粒内溶孔、杂基孔、粒间溶孔及微裂缝，原生孔隙主要为原生粒间孔隙。储层孔喉半径偏细，属极细-细孔喉；孔隙度主要在2%～4%，渗透率主要为(0.02 ～0.04)×10-3μm2，属超低孔、超低渗型致密砂岩储层，但仍发育优质储层。

b.须二段优质储层形成的控制因素集中在沉积微相及成岩作用2个方面。与河口坝、分流河道间微相相比，水下分流河道微相的物性最好；水下分流河道微相中平行层理砂岩相的物性优于块状层理砂岩相，尤其是前者的渗透率更高。溶蚀作用是优质储层形成的关键因素。由于深埋藏前高岭石的储备不足，导致深埋藏阶段钾长石的消耗量有限，钾长石对次生溶孔的贡献要低于斜长石；火山岩碎屑、石英岩碎屑、碳酸盐岩碎屑以及黏土岩碎屑均有利于次生溶孔的形成，但火山岩碎屑对次生溶孔的贡献最大。绿泥石的发育对原生粒间孔隙的保存具有重要作用。须二段裂缝以层理缝、层面缝和冲刷面缝为主，其次为构造缝。层理缝、层面缝和冲刷面缝提高了储层渗透率，而构造缝越发育，单井产能越高。