四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組儲層成巖改造作用與儲層物性特征

四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組儲層成巖改造作用與儲層物性特征

沉積作用和巖相作用是控制油氣儲層性質(zhì)的兩大基本因素。儲層性質(zhì)的質(zhì)量取決于這兩個因素之間的組合關(guān)系。迄今為止，對四川盆地徐家河群及其沉積系統(tǒng)和成巖作用進(jìn)行了大量研究，但從沉積-成巖組合關(guān)系的角度來看，很少有關(guān)于儲層物理限制因素的報告。對不同類型的沉積—成巖相組合的分布、物性及顯微特征等深入的分析,不僅對油氣的勘探開發(fā)具有重要的實(shí)踐意義,而且對拓寬儲層物性預(yù)測研究的新思路、新方法具有重要的理論價值。本文對制約須家河組儲層物性的沉積—成巖因素做了探討,同時結(jié)合大量的實(shí)測儲層物性參數(shù),弄清建設(shè)性和破壞性的沉積—成巖組合類型在縱向上的分布特征,并建立典型組合類型的分布模式。1儲層巖石及雜基研究區(qū)構(gòu)造位置跨越兩個二級構(gòu)造單元,西南端為川中古隆中斜平緩帶,南接川南古坳中隆低陡穹形帶,東部為川東古斜中隆高陡斷褶帶(圖1)。河包場區(qū)塊須家河組為一套砂、泥(頁)巖地層,厚為510～630m。自下而上分為6段,其中須一、須三和須五段處于湖侵時期,大范圍為湖泊沉積,水動力能量低,儲集砂體不發(fā)育,砂巖粒度細(xì),雜基含量多,儲層物性差,以灰、黑色泥(頁)巖為主夾薄層灰色砂巖及煤層;須二、須四和須六段則處于湖退時期,大范圍為三角洲沉積,水動力能量高,儲集砂體發(fā)育,砂巖粒度較粗,雜基含量少,儲層物性好,為淺灰、灰白色砂巖夾薄層黑色泥(頁)巖,須二段砂巖厚度為50～70m,須四段與須六段砂巖厚度為100～130m,砂地比高,一般在70%以上,為研究區(qū)主要儲集層。儲層巖石類型分為:石英砂巖、巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖以及長石巖屑砂巖。其中,須二段以細(xì)粒、細(xì)—中粒長石石英砂巖或細(xì)粒巖屑長石砂巖為主。須四段以中—粗粒、分選中等的石英砂巖或巖屑石英砂巖為主。須六段多為中、粗粒級長石石英砂巖或巖屑石英砂巖,當(dāng)粒級變細(xì)時多以巖屑砂巖或巖屑石英砂巖為主。膠結(jié)物以方解石和白云石為主,其次為石英次生加大、長石類膠結(jié)物和黏土礦物膠結(jié)物;膠結(jié)物含量變化較大,一般為2%～18%。雜基含量一般為2%～8%,成分為黏土礦物和云母碎片。儲層孔隙類型以殘余原生粒間孔隙和次生溶蝕孔隙(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？住①N粒溶縫、雜基溶孔、粒內(nèi)解理縫)為主,另外可見少量的微裂縫。2分流河道砂體及儲層物性研究區(qū)須家河組屬于三角洲—湖相沉積環(huán)境,根據(jù)測井和巖心剖面資料,結(jié)合水動力條件,可以將研究區(qū)的沉積相劃分為三角洲前緣、前三角洲以及半深湖—深湖相。須家河組前三角洲、半深湖—深湖相以暗色泥巖為主,夾薄層粉砂巖,可見滑塌濁積巖透鏡砂體,在研究區(qū)屬非儲集體。三角洲前緣是須家河組儲層的主體,由水下分流河道、河口壩、遠(yuǎn)砂壩以及前緣席狀砂等沉積微相組成,其中以水下分流河道和河口壩為主。根據(jù)水動力條件的不同,水下分流河道又分為高位進(jìn)積型分流河道、水進(jìn)積型分流河道、低位下切型分流河道、高位下切水道、下切分流河道5種類型。水下分流河道區(qū)別于三角洲平原分流河道,是三角洲平原分流河道向湖內(nèi)的延伸部分。巖性以砂、粉砂為主,泥質(zhì)含量低,為多層小正韻律砂巖疊置而成。發(fā)育交錯層理、波狀層理及沖刷—充填構(gòu)造,并可見層內(nèi)變形構(gòu)造。主要發(fā)育在須二、須四、須六段,以包淺001-16井為例,分流河道砂體厚度分別占到須二、須四、須六段地層厚度的42%、49.1%和45.7%。自然伽馬和自然電位曲線在強(qiáng)能量河道時表現(xiàn)為箱形,隨著河道能量減弱逐漸演變?yōu)閹т忼X的箱形或鐘形。須家河組河口壩包括完整河口壩和殘余河口壩(上殘)兩種類型。巖性為細(xì)—粉砂巖,分選好,發(fā)育交錯層理、流水及浪成波痕。可見氣脹構(gòu)造和底辟構(gòu)造,具有向上變粗的反韻律層序。主要發(fā)育于須二段和須四段,約占須二段和須四段地層厚度的20%。測井曲線自然伽馬和自然電位則主要以漏斗形為主,反映物源供應(yīng)充足,水動力逐漸加強(qiáng)的沉積過程。前緣席狀砂是三角洲前緣的河口壩、遠(yuǎn)砂壩經(jīng)海水沖刷作用使之再分布于其側(cè)翼而形成的薄而大的砂層。砂層分選好,砂質(zhì)純,見平行層理和浪成砂紋交錯層理,化石少,形成于波能較高的環(huán)境,是一類較理想的儲層。須二、須四、須六段均有發(fā)育,但單層厚度比較薄,一般在5～10m。儲層物性明顯受沉積相帶的控制,尤其與滲透率的相關(guān)性更明顯。通過對比不同微相儲層物性數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),分流河道由于具有相對較粗的粒度,泥質(zhì)等細(xì)組分含量少,剛性組分含量高,物性明顯好于河道間沉積,以包淺001-16井為例,水下分流河道孔隙度大于10%,滲透率為0.37×10-3μm2;河口壩、前緣席狀砂、水進(jìn)積型分流河道、高位進(jìn)積型分流河道、高位下切水道、下切分流河道以及低位下切型分流河道等砂體次之,孔隙度一般為5%～10%,滲透率為(0.1～0.24)×10-3μm2;決口扇、前三角洲微相及前緣末端微相砂體物性最差,孔隙度一般小于5%,滲透率小于0.1×10-3μm2(表1和圖2)。3成巖相的劃分鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的成巖作用類型較多,但具有代表性和普遍意義的主要有壓實(shí)作用、晚期碳酸鹽巖膠結(jié)交代作用、綠泥石黏土膜沉淀作用和石英溶蝕作用4類。由此劃分出強(qiáng)壓實(shí)相、晚期碳酸鹽膠結(jié)交代相、綠泥石膠結(jié)相和石英溶蝕相4種典型的成巖相。其中前兩種為破壞性成巖作用,后兩種為建設(shè)性成巖作用。其與不同沉積相的組合關(guān)系,決定了現(xiàn)今儲層物性特征分布的面貌和格局。3.1砂巖碎屑顆粒間接觸關(guān)系埋深引起的壓實(shí)作用是儲層與輸導(dǎo)砂體物性的主導(dǎo)因素,砂巖的巖石結(jié)構(gòu)特征及膠結(jié)物含量與壓實(shí)作用的強(qiáng)弱有密切關(guān)系。薄片中可見云母強(qiáng)烈彎曲變形、顆粒呈定向排列、泥屑或巖屑被壓碎或壓扁、剛性顆粒產(chǎn)生壓裂縫、碎屑顆粒接觸緊密、石英波狀消光普遍等現(xiàn)象[圖3(a)和圖3(b)。鏡下薄片觀察顯示,須家河組砂巖碎屑顆粒間接觸關(guān)系呈緊密的線接觸、凹凸接觸乃至縫合接觸。壓實(shí)作用對原生孔隙產(chǎn)生不可逆的破壞,經(jīng)薄片統(tǒng)計表明,包淺001-16井三疊系儲層由于壓實(shí)作用而損失的原生孔隙為14%～26%。須家河組砂巖孔滲參數(shù)隨埋深增加總體呈下降趨勢,但均有較寬的分布范圍,說明儲層非均質(zhì)性較強(qiáng),這與研究區(qū)在晚三疊紀(jì)盆地的演化過程中,處于淺海臺地轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆的階段,具有碎屑成分復(fù)雜、物源豐富、橫向變化大的特征有關(guān)。3.2膠結(jié)物及結(jié)晶須家河組膠結(jié)物以碳酸鹽巖膠結(jié)物為主,礦物組成主要為方解石、(含)鐵方解石及鐵白云石等;在產(chǎn)狀上主要呈粒間孔隙充填物或交代物,按結(jié)晶程度可分為泥晶、亮晶粒狀和微晶集合體狀膠結(jié)物[圖3(c)。硅質(zhì)膠結(jié)物分布較普遍,但含量低(±1%～3%),主要以石英次生加大和自形石英晶體產(chǎn)出在碎屑石英顆粒表面、粒間孔壁和粒內(nèi)溶孔中[圖3(d)。對研究區(qū)須家河組中出現(xiàn)的碳酸鹽巖膠結(jié)物類型統(tǒng)計分析結(jié)果表明,研究區(qū)主要以晚期成巖階段堿性成巖環(huán)境中的含(亞)鐵方解石或鐵方解石為主,同時可觀察到少量鐵白云石,結(jié)晶程度以代表晚期的細(xì)晶、亮晶為主。晚期碳酸鹽膠結(jié)物在須四段砂巖中比較常見[圖3(c),而代表早期堿性環(huán)境下形成的早期方解石膠結(jié)物含量較低,在須二、須四和須六段中均不發(fā)育,僅在個別薄片中可以觀察到(表2)。3.3須家河組早期自生綠泥石物質(zhì)來源綠泥石黏土膜的形成對須家河組儲層原生孔隙的保存起到了積極的作用。它主要通過增加巖石成巖強(qiáng)度來有效抵抗上覆巖層造成的機(jī)械壓實(shí)作用,其次通過抑制石英在顆粒表面成核的數(shù)量,來抑制硅質(zhì)膠結(jié)物在孔隙內(nèi)的生長[圖3(e)。須家河組早期自生綠泥石物質(zhì)來源主要有同沉積的富鐵沉積物的溶解、河流溶解鐵的絮凝沉淀以及相鄰泥巖壓釋水的貫入,主要以新生沉淀形式集中形成于同生期至早成巖早期。成巖中后期,由于下覆富鎂流體沿裂縫系統(tǒng)的持續(xù)進(jìn)入,須二段的自生綠泥石的繼續(xù)生長得到了充足的物質(zhì)來源,其MgO的含量隨地層深度明顯增加,而須四段后期再生長現(xiàn)象不明顯。如果綠泥石黏土膜生長過盛也會對儲層孔隙,特別是孔隙喉道造成損害,通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)綠泥石膜的合適厚度保持在5～8μm時,對儲層的保護(hù)最有效。3.4須片段砂巖中石英溶蝕須家河組砂巖中石英顆粒和石英次生加大邊溶蝕現(xiàn)象非常普遍,主要表現(xiàn)在石英顆粒邊緣呈溶蝕港灣狀[圖3(f)。同時晚期鐵方解石也強(qiáng)烈交代石英顆粒,使其形成殘骸狀或孤島狀分布特征。這種現(xiàn)象普遍出現(xiàn)說明砂巖目前主要處于堿性成巖環(huán)境中,因?yàn)閴A性環(huán)境下常見各種含亞鐵碳酸鹽巖膠結(jié)和交代物,如鐵方解石和鐵白云石。這種溶蝕作用在須六、須四、須三段砂巖中普遍出現(xiàn),但未對儲層形成有效的改造,砂巖中顆粒還是呈緊密的線接觸,晚期碳酸鹽充填了部分早期粒間孔和長石溶蝕孔隙。而在須二段砂巖中石英顆粒普遍發(fā)生溶蝕,形成大量連通性極好的特大溶蝕孔隙,顆粒之間多呈點(diǎn)接觸或未接觸狀,從而對須二段砂巖儲層的物性改造起到了決定性的意義,須二段砂巖平均孔隙度為9.28%,平均滲透率為0.21×10-3μm2,分別高于上覆須六、須四段的5.8%、0.15×10-3μm2和6.08%、0.18×10-3μm2。該段砂巖中可普遍觀察到石英溶蝕殘骸、港灣狀溶蝕邊緣、石英次生加大邊不發(fā)育等現(xiàn)象,晚期鐵方解石和鐵白云石共生的事實(shí)說明堿性流體對儲層進(jìn)行了強(qiáng)烈的改造。目前有關(guān)石英溶蝕現(xiàn)象已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注,在20世紀(jì)80～90年代,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了一系列有關(guān)石英溶解作用機(jī)理方面的論文,從中可以看出石英溶解作用在自然界中是普遍存在的,如在熔融的玄武巖漿中、堿性熱液交代過程中、頁巖成巖過程中、構(gòu)造剪切帶中以及海綿生命過程中等等,但針對油氣儲層石英溶解作用的研究成果報道較少。王順玉等人對須二段流體地球化學(xué)特征及流通性方面做了較深入的研究,但對須二段砂巖中石英溶蝕作用發(fā)生的特定地質(zhì)條件、溶蝕流體成分、溫度和對流循環(huán)機(jī)制等基礎(chǔ)問題還有待深入探討。通過大量的巖石薄片顯微觀察,結(jié)合其他成巖階段劃分的標(biāo)志,發(fā)現(xiàn)目前須家河組砂巖儲層整體處于晚成巖階段B期的堿性成巖環(huán)境中(圖4),壓實(shí)強(qiáng)度大、晚期碳酸鹽交代物發(fā)育是造成該區(qū)儲層特低孔特低滲面貌的重要原因。4沉積—沉積—成巖作用關(guān)系分析將有利沉積相帶與有利成巖相帶結(jié)合來劃分有利的沉積—成巖相帶,可以將控制有利儲集層形成的主要因素均考慮進(jìn)去,以便更加客觀地評價和預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層。通過對研究區(qū)須家河組砂巖儲層主要沉積微相和典型成巖作用類型的研究,結(jié)合對不同類型砂巖儲層物性的實(shí)測資料,可以概括出建設(shè)性和破壞性的沉積—成巖相組合類型。一般情況下,高能環(huán)境下,水動力條件強(qiáng),床沙經(jīng)過強(qiáng)烈的篩選、磨蝕和搬運(yùn),形成結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較高的砂巖,這類砂巖通常黏土雜基含量低、不穩(wěn)定組分含量少,磨圓程度高、分選好,多形成中—細(xì)粒砂巖,因此,這類砂巖的初始孔隙度比較高,通常為40%。在研究區(qū)這類高能環(huán)境主要為不同類型的分流河道微相,如高位下切河道、水進(jìn)積型河道和下切分流河道以及河口壩等。而低能環(huán)境如決口扇、前緣席狀砂等環(huán)境,水動力條件相對較弱,沉積物顆粒細(xì)小,懸浮搬運(yùn)的黏土、云母類成分含量相對較高,一般為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖,因此砂巖初始物性一般較低,孔隙度通常在30%。這類砂巖在研究區(qū)分布相對較少。一般來說,初始物性比較好的砂巖一般在埋藏成巖改造后,也具有相對較高的物性參數(shù),即具有繼承性,除非遇到特殊的成巖改造作用,如強(qiáng)烈的晚期碳酸鹽充填作用。而初始物性本來就差的粉砂巖,經(jīng)過成巖改造后,物性相對也比較差,同樣具有繼承性,除非遇到強(qiáng)烈的溶蝕改造。通過綜合考慮不同沉積微相砂巖所經(jīng)歷的成巖改造作用類型及其儲層的響應(yīng)效應(yīng),根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況,歸納出6種沉積—成巖相組合類型(圖5),為了直觀識別和便于應(yīng)用,可以用沉積微相和成巖作用類型命名組合類型,并對這些組合類型的儲層效應(yīng)加以分析,這些沉積—成巖相組合類型包括:①進(jìn)積型分流河道—強(qiáng)壓實(shí)相,平均孔隙度4.52%,平均滲透率為0.09×10-3μm2。②下切型分流河道—強(qiáng)壓實(shí)相,平均孔隙度為6.34%,平均滲透率為0.25×10-3μm2。③分流河道—晚期碳酸鹽膠結(jié)交代相,平均孔隙度為4.52%,平均滲透率為0.09×10-3μm2。④分流河道—石英溶蝕相,平均孔隙度為11.24%,平均滲透率為0.18×10-3μm2。⑤河口壩—石英溶蝕相,平均孔隙度為10.23%,平均滲透率為0.25×10-3μm2。⑥分流河道—綠泥石膠結(jié)相,平均孔隙度為9.21%,平均滲透率為0.12×10-3μm2。其中前3種組合類型多構(gòu)成不利儲層的主體,為破壞性的組合類型,一般均為特低孔隙度和特低滲透率儲層,主要分布在須家河組的中上部砂巖中。而后3種組合類型為研究區(qū)比較有利的儲層,屬于建設(shè)性的組合類型,實(shí)測到的最大孔隙度為11.32%～19.42%,最大滲透率為(91.4～312)×10-3μm2,對儲層改善起決定性作用的是較強(qiáng)的堿性流體溶蝕石英顆粒,形成了大量連通性較好的粒間溶蝕孔隙,從而有效地改善了深部儲層物性。被溶蝕改造的地層主要集中在須家河組底部的須二段砂巖中。上述6種沉積—成巖相組合類型在研究區(qū)具有顯著的代表性,能夠反映沉積作用和成巖改造作用對須家河組砂巖物性影響的共同結(jié)果。5儲層類型及其儲層儲層(1)目前須家河組砂巖儲層整體處于晚成巖階段B期的堿性成巖環(huán)境中,壓實(shí)強(qiáng)度大、晚期碳酸鹽交代物發(fā)育是造成該區(qū)儲層特低孔隙度特低滲透率面貌的重要原因。(2)通過石英顆粒溶蝕作用,須二段不同