四川盆地西南部沙溪庙组致密砂岩低渗储层特征及形成机理

唐大海， 王旭丽*， 曾琪， 李梅， 尹宏， 刘柏， 杨涛， 汤潇， 黄嵌， 梁庆韶， 余瑜

(1.中国石油西南油气田公司川西北气矿， 江油 621700； 2.成都理工大学沉积地质研究院， 成都 610059)

随着油气资源的勘探向着深层-超深层、非常规发展，致密砂岩油气作为非常规油气资源之一，已成为油气增储上产的重点领域和亮点类型[1-2]。四川盆地致密砂岩气是中国非常规油气资源的典型代表，近年来包括上三叠统须家河组和中侏罗统沙溪庙组等在内的碎屑岩层系均获得了致密砂岩气的巨大突破，显示出优异的勘探潜力[3-14]。“十二五”以来，在八角场、金秋区块等远离须家河组生烃凹陷的川中区域，沙溪庙组致密砂岩气取得了新突破,累计测试日产量超过百万立方米[14]；而位于须家河组生烃凹陷的川西南地区沙溪庙组致密砂岩储层勘探相对滞后。唐大海等[14]指出有利的储层是沙溪庙组天然气成藏的基础，因此寻找优质储层是沙溪庙组致密砂岩地质勘探的关键。前人针对川西坳陷、川中-川西过渡带和川中地区的沙溪庙组的沉积特征、储层特征及主控因素和成藏条件等进行了大量研究[3，6，12-16]。林小云等[3]认为川西坳陷沙溪庙组砂岩经历过3期油气成藏活动，主成藏期为早-中白垩世；韦滕强等[13]结合岩心沉积特征、钻井和地震等数据分析秋林地区沙溪庙组储层的储集差异性，认为沉积作用是储层差异性的主控因素。然而，针对川西南地区沙溪庙组的研究较少，一定程度上制约了川西南沙溪庙组的地质勘探。因此，现开展川西南地区沙溪庙组致密砂岩的储层特征研究，明确储层形成机理，将有助于川西南地区沙溪庙致密砂岩的下一步地质勘探，明晰优质储层的分布规律。

1 地质背景

四川盆地位于中国西南部，是国内主要的产气盆地之一[17]。从构造上来说，四川盆地属于上扬子地区，盆地结晶基地形成于8亿年前的晋宁运动[17]。研究区位于四川盆地的西南部(图1)，西接龙门山构造带，南边是大凉山构造带。四川盆地侏罗系主要为一套内陆淡水湖相碎屑岩沉积，总厚度一般在2 500～4 000 m，由上而下可划分为下、中、上3个统，其中含油层段主要发育在中统和下统各层段，从下至上依次为下侏罗统珍珠冲段、下侏罗统东岳庙段、下侏罗统大安寨段、中侏罗统凉高山组和中侏罗统沙溪庙组五套含油层系(图2)。

图1 研究区区域位置及井位分布图Fig.1 Regional location and well location distribution map of the study area

图2 四川盆地侏罗系地层综合柱状图[18-19]Fig.2 Comprehensive column of Jurassic stratigraphy in the Sichuan Basin[18-19]

沙溪庙组岩性为黄灰，紫灰色长石石英砂岩与紫红、紫灰色泥(页)岩不等厚韵律互层。依据砂岩发育特征，沙溪庙组由下自上划分为沙一段和沙二段。沙一段为褐灰色、绿灰色厚层状砂岩、灰绿色、棕红色粉砂岩、泥岩构成的几个较大韵律岩性组合为特征。沙二段岩性与沙一段相似，主要区别为灰绿色泥岩夹层减少、砂岩层增厚、地层厚度大。地层厚度450～2 100 m，有北厚南薄、东厚西薄特点。其底界以底部或近底部的厚层块状“嘉祥寨砂岩”底或“叶肢介页岩”为界(顶或底)，川中地区钻井多采用“叶肢介页岩”为界(顶或底)。“嘉祥寨砂岩”为粗粒长石石英砂岩夹薄层紫红色泥岩，厚度一般为10～40 m，向川东、川东北增厚至50～80 m，局部达150 m。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

川西南沙溪庙组186个岩石薄片鉴定数据表明砂岩分选中等，磨圆为次棱角-次圆状。参考文献[20]砂岩三角分类，砂岩的成分成熟度较低[图3(a)]，其中石英含量介于35%～60%，长石含量介于25%～45%，岩屑含量介于9%～54%。长石砂岩是沙溪庙组最为主要的岩石类型，其次是岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩。沙溪庙组砂岩中填隙物以碳酸盐胶结物含量最高，达7.26%，其次为绿泥石、高岭石和杂基，硅质和伊利石含量最低[图3(b)]。

图3 川西南沙溪庙组砂岩类型及填隙物含量Fig.3 Sandstone type and interstitial material content of the Shaximiao Formation in southwest Sichuan Basin

2.2 物性特征

川西南地区沙溪庙组砂岩998个样品的物性测试结果表明孔隙度峰值为14%～16%(图4)，占样品总数接近20%，其次为12%～14%，占样品总数16%左右，平均孔隙度为9.42%。渗透率峰值在0.01×10-3～0.1×10-3μm2(图4)，占样品总数超过40%，高于0.1×10-3μm2的样品接近30%；渗透率平均值为0.282×10-3μm2，中位数为0.038×10-3μm2。沙溪庙组储层整体为低孔-低渗、特低渗储层，储层孔隙度与渗透率呈现较好的线性关系，表明储层受裂缝影响较小，以孔隙型储层为主。

图4 川西南沙溪庙组储层孔隙度和渗透率投点图与分布直方图Fig.4 Plot of porosity and permeability and distribution histogram of Shaximiao Formation sandstone

2.3 储集空间特征

川西南地区沙溪庙组砂岩储集空间类型包括原生粒间孔隙及次生溶蚀孔两大类型。原生粒间孔隙是经压实和胶结等成岩作用改造后且未被充填的剩余孔隙[图5(a)、图5(b)]。原生孔孔隙在沙溪庙组分布广泛，呈不规则多边形或弧三角形，当压实强烈时呈长条状、线状。在研究区可见原生孔隙边缘为黏土(以绿泥石和伊利石为主)充填[图5(b)]，导致孔径变小。

图5 川西南沙溪庙组储集空间特征Fig.5 Pore space characteristics of Shaximiao Formation sandstone

次生孔隙是沙溪庙组另一类储层孔隙类型。沙溪庙组储层次生孔隙主要有碎屑颗粒的溶解及胶结物溶解或形成过程中产生的孔隙。碎屑颗粒溶解主要是长石和岩屑的溶解，在长石含量较高的砂岩中，常见长石常沿解理缝和双晶面溶解呈蜂窝状溶孔，形成长石粒内溶孔[图5(a)]，且可完全溶解形成铸模孔[图5(d)]。在部分长石粒内溶孔中可见长石蚀变产物，包括自生石英和黏土矿物。胶结物次生孔隙主要包括黏土矿物的晶间孔[图5(e)、图5(f)]，具有孔径小的特征，在沙溪庙组储层中分布广泛。

川西南沙溪庙组储层的铸体薄片数据显示(图6)，原生孔和岩石薄片的面孔率具有更好的正相关性，而次生孔与面孔率的正相关性相对较弱，说明在川西南沙溪庙组储层中，原生孔的发育好坏对于储层孔隙的发育有着更为直接的影响。

图6 川西南沙溪庙组原生孔及次生孔与面孔率投点图Fig.6 Plot of primary and secondary pores versus plane porosity of Shaximiao Formation sandstone

2.4 孔喉结构特征

对6件砂岩样品进行压汞分析，测得川西南地区沙溪庙组砂岩储层岩石孔隙度介于4.02%～16.07%，渗透率为0.096×10-3～0.735×10-3μm2，孔隙喉道中值半径介于0.019～0.364 μm(图7、表1)。依据岩石喉道分类[20]，研究区沙溪庙组储层以细喉为主，其次为微喉和中喉。沙溪庙储层的门槛压力介于 0.559～6.789 MPa(表1)，大部分样品的门槛压力介于0.5～1.0 MPa，表明沙溪庙组砂岩最大孔隙半径较小、喉道较细。

图7 川西南沙溪庙组砂岩储层压汞曲线特征及毛管半径分布频率图Fig.7 Mercury injection curve characteristics and capillary radius distribution frequency of Shaximiao Formation sandstone

表1 川西南沙溪庙组储层压汞特征

3 储层成岩作用特征

沙溪庙组成岩作用特征复杂多样，包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和破裂作用。川西南地区沙溪庙组现今埋藏深度为1 200～2 000 m，较浅的埋藏深度使得沙溪庙组的压实作用强度整体表现为中等压实，致使碎屑颗粒间以点-线接触为主[图5(b)、图5(d)、图5(f)]，这也是沙溪庙组储集空间发育粒间孔类型的主要原因。沙溪庙组砂岩中胶结物种类较多，且分布广泛，包括了方解石胶结、硅质胶结、自生长石、浊沸石胶结、黏土胶结(图8)，这些胶结物严重地影响着储层的物性质量。方解石胶结物是沙溪庙组砂岩中最常见的胶结物，充填于颗粒间孔或粒内溶孔[图8(a)、图8(b)]。浊沸石主要充填粒间孔，呈斑块状分布[图8(b)、图8(c)]。黏土胶结包括高岭石、伊利石与绿泥石等黏土矿物。高岭石由多晶体组成，呈蠕虫状或书页状充填粒间孔[图5(e)]；绿泥石包裹颗粒生长[图8(b)、图8(d)]，推测绿泥石包膜形成时期相对较早，因为在胶结物的表面未见自生绿泥石的生长。石英胶结在沙溪庙组砂岩中含量较低，主要呈石英次生加大。破裂作用形成微米级别的微裂缝，一般可形成多条呈平行分布[图8(f)]。

图8 川西南沙溪庙组砂岩成岩作用特征Fig.8 Diagenesis characteristics of Shaximiao Formation sandstone

4 低渗储层形成机理

4.1 沉积作用

沉积作用影响着沉积物的骨架颗粒、岩相构型乃至沉积初始水体性质等特征[21-22]。沉积作用对川西南沙溪庙组储层的影响主要表现在两个方面。川西南沙溪庙组整体呈现低砂地比特征，在研究区西侧近龙门山一带和研究区东侧等砂地比值较高处，也仅为0.15～0.2，在造成了沙溪庙组储层单层砂体厚度较薄、纵横向分布不均匀的同时，对于储层的物性也有着负面的影响。另一方面，沉积作用直接影响着储层的岩石组构，沙溪庙组储层砂岩整体以细粒砂岩为主，表明水动力条件整体较弱，粒度偏细。统计结果表明，粗-中粒砂岩物性最佳、其次为(细粒)-中粒砂岩和(中粒)-细粒砂岩，极细粒砂岩物性最差[图9(a)]，说明砂岩粒度对储层的物性有着明显的正面影响。较弱的水动力可能也是造成沙溪庙组砂岩中云母矿物碎屑含量较高的重要原因，云母碎屑与储层物性表现出明显的负相关性[图9(b)]。

图9 砂岩粒度、云母含量与物性的关系分布图Fig.9 Plot of sandstone grain size and mica content with physical properties

4.2 成岩作用

碳酸盐矿物对储层的负面影响较大，与储层孔隙度及渗透率均表现出较强的负相关性。硅质胶结物与储层物性均呈现出一定的正相关性(图10)，表明硅质胶结物的存在对沙溪庙组储层来说并非是完全的负面影响。黏土胶结是除碳酸盐胶结外沙溪庙组储层中所占体积分数最大的自生矿物[图3(b)]，不同类型黏土对储层的负面影响有所差异。成岩过程中硅质胶结、高岭石及伊利石的形成与长石的溶解紧密相关，钾长石和钠长石的溶解公式如下。

图10 不同类型胶结物与储层物性投点Fig.10 Plot of various types of cements and physical properties of reservoirs

Al2Si2O5(OH)4+2K++4H4SiO4+2CH3COO-

(1)

Al2Si2O5(OH)4+2Na++4H4SiO4+2CH3COO-

(2)

在沙溪庙组储层中可以观察到大量的高岭石胶结和伊利石胶结常与溶蚀作用伴生[图5(e)]。长石矿物的溶解，释放出高岭石、二氧化硅，当二氧化硅对于成岩流体不饱和时，大部分的二氧化硅随着成岩流体排除成岩系统，而高岭石胶结则沉淀下来；若在成岩系统中存在钾离子(如钾长石)，当温度达到一定的程度时，高岭石可转换为伊利石[23]。因此对于储层来说，硅质胶结、高岭石和伊利石是长石溶蚀作用的产物，可指示溶蚀作用的发生，所以无论是高岭石还是伊利石与储层的物性均表现出正相关性(表2)。式(1)与式(2)表明长石溶解产生的二氧化硅体积分数应该是高岭石的4倍，但镜下薄片鉴定可以发现，储层中高岭石含量反而高于硅质胶结，这是因为长石溶解时成岩流体对于硅质胶结是不饱和的，长石溶解产生的大部分硅质随着成岩流体排出成岩系统，而高岭石留存了下来，这也说明长石矿物溶解的时期，沙溪庙储层的成岩系统偏半开放。然而虽然整个溶蚀作用过程对于储层的物性发育是有利的，但高岭石和伊利石矿物的存在对于储层的影响是负面的，主要体现在对孔喉结构的破坏上，黏土矿物细小的晶间孔使得孔隙半径变小、提高了孔喉的非均质性。

前人研究认为早期绿泥石包膜对储层的发育是具正面意义的[24-25]，但在研究区沙溪庙组砂岩中观察到的结果并不支持这个观点(表2)。沙溪庙组储层中绿泥石胶结主要呈颗粒包膜附着于碎屑颗粒表面，镜下薄片统计结果表明绿泥石含量与储层孔隙度关系呈先升高后降低的趋势(图11)：当绿泥石含量小于3%时，绿泥石与储层的孔隙度呈现出正相关的趋势；而当绿泥石含量大于3%时，储层的孔隙度随着绿泥石含量的增加而降低。绿泥石对于储层的渗透率的影响始终是负面的。

图11 绿泥石与储层物性投点Fig.11 Plot of chlorite cements with physical properties

沙溪庙组储层中绿泥石包膜的厚度为5～15 μm，厚度最大可至20 μm，其围绕颗粒生长从而使得粒间孔隙孔径显著缩小(图12)，造成即便砂岩样品的孔隙度达16.07%，但压汞分析表明其孔隙中值半径、门槛压力和中值压力等反映孔喉结构的关键数据仅与孔隙度为9.33%的不发育绿泥石的砂岩样品相当(图12)。另外，在发育绿泥石包膜的砂岩中，粒间孔隙发育普遍，但粒内溶孔发育程度较差。当然，对于碎屑岩储层来说，粒间孔的发育对于储层物性的正面意义要大于次生孔隙，原生粒间孔的连通性要好于次生孔隙[26]，但颗粒表面的绿泥石包膜的存在可能阻隔成岩流体与颗粒作用，降低溶解作用的发育程度，从而造成次生溶孔发育较差。因此，可以认为川西南地区沙溪庙组储层中的绿泥石胶结物是造成低渗储层形成的主要因素。

图12 川西南沙溪庙组储层发育绿泥石与未发育绿泥石镜下特征Fig.12 Microscopic characteristics of developed chlorite and undeveloped chlorite in the Shaximiao Formation

4.3 绿泥石形成机制

绿泥石与高岭石、伊利石之间的相关性均表现较差[图13(a)、图13(b)]，而后二者之间有着较强的正相关性[图13(c)]，表明绿泥石的来源及成岩演化途径与高岭石、伊利石有所差异。碎屑岩的自生绿泥石的物质来源多样，包括富铁岩屑的蚀变排出的铁离子[27-28]；河流汇入海洋/湖泊时，河水中铁离子形成的絮状沉淀[29]；泥岩排出富含铁、镁离子的压释水[30]。镜下薄片观察可以发现川西南沙溪庙组砂岩中长石、火成岩岩屑及云母等富铁镁矿物含量较多(图14)，且与绿泥石含量具有明显的正相关性，表明沙溪庙组砂岩中长石和火成岩岩屑是影响绿泥石发育与分布的主要因素。中基性物源提供的长石、火成岩岩屑等矿物在河流入湖处，溶解排除铁、镁离子，由于水体的pH、氧化还原电位及盐度等发生变化，在同沉积阶段形成了颗粒表面的绿泥石包膜。

图13 川西南沙溪庙组储层黏土矿物含量投点图Fig.13 Plot of clay minerals content of the Shaximiao reservoir in southwest Sichuan Basin

图14 大26井沙溪庙组储层柱状图Fig.14 Reservoir column of the Shaximiao Formation reservoir of Da26 well

川西南地区沙溪庙组中发育绿泥石黏土胶结为主的砂岩与发育高岭石与伊利石黏土胶结为主的砂岩在物质来源与成岩演化上存在差异，形成了不同的成岩演化途径，是由物源与成岩条件共同影响下造就的。

5 结论

(1)川西南沙溪庙组砂岩具较低成分成熟度，长石砂岩是最为主要的岩石类型；填隙物以碳酸盐矿物和黏土胶结为主。沙溪庙组储层孔隙度峰值为14%～16%，平均值为9.42%；渗透率平均值为0.282×10-3μm2，中位数为0.038×10-3μm2，整体表现为低孔-低渗、特低渗储层。

(2)沙溪庙组储层储集空间以原生粒间孔和次生孔隙为主，相对来说原生孔所占岩石体积分数更高，对于储层孔隙的发育优劣影响更大。压汞分析表明研究区沙溪庙组储层喉道以细喉为主，孔隙半径较小。沙溪庙组成岩作用特征复杂多样，包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和破裂作用。

(3)沉积作用与成岩作用是造成川西南沙溪庙组低渗-特低渗储层形成的重要原因。沉积作用对储层的影响表现在较弱的水动力条件造成沙溪庙储层以细粒砂岩为主，同时云母碎屑含量较高，造成储层物性偏低。高岭石胶结与伊利石胶结的存在指示长石溶蚀作用的发生，但对储层的孔喉结构有着负面影响。绿泥石胶结对储层的物性无明显促进作用，反而通过减小粒间孔隙孔径从而阻挡溶蚀作用的进行，造成储层的渗透率偏低乃至是造成低渗储层形成的主要因素。

(4)川西南地区沙溪庙组砂岩中长石和火成岩岩屑是影响绿泥石发育与分布的主要因素。沙溪庙组中发育绿泥石黏土胶结为主的砂岩与发育高岭石与伊利石黏土胶结为主的砂岩在物质来源与成岩演化上存在差异，形成了不同的成岩演化途径，是由物源与成岩条件共同影响下造就的。