川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育影響因素分析

川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育影響因素分析

1儲(chǔ)集層結(jié)構(gòu)特征四川盆地經(jīng)歷了早古生代盆地的前高和構(gòu)造高度剝削階段。中三疊紀(jì)華南板塊碳酸鹽巖沉積后，受秦嶺海岸帶和太平洋板塊地質(zhì)影響，在四川形成了瀘州-開江老拱。川中地區(qū)位于該古隆起的西北翼,自晚三疊世開始形成以來(lái),在長(zhǎng)達(dá)約150Ma的陸相沉積過(guò)程中,盡管經(jīng)歷了多期次、多方向的構(gòu)造擠壓作用,但由于其結(jié)晶基底固化程度高,構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)平靜。在始新世中、晚期,由于受到華北構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,四川盆地總體上發(fā)生了強(qiáng)烈隆升和地層剝蝕,川中地區(qū)也從此進(jìn)入了以地層抬升和剝蝕為主的演化階段。川中地區(qū)須家河組發(fā)育大量褶皺構(gòu)造,主干河道疊置發(fā)育帶有利構(gòu)造、巖性圈閉普遍發(fā)育。須家河組共分為6段,須一段、須三段、須五段沉積期,盆地周緣山系處于相對(duì)平靜期,物源供給速率小,盆地以湖泊相沉積為主,泥頁(yè)巖相對(duì)發(fā)育,砂巖較少;須二段、須四段、須六段沉積期為構(gòu)造活躍期,盆地周邊物源區(qū)向盆內(nèi)提供了大量沉積物,在盆地內(nèi)緣沉積了較厚砂巖。須家河組鏡質(zhì)體反射率Ro值在1.0%～1.6%,總體上處于成熟—高成熟階段,烴源巖厚度大,暗色泥巖總厚度為110～280m,炭質(zhì)泥巖厚5～30m,煤層厚5～15m,煤系有機(jī)質(zhì)豐度高,為天然氣的大量生成奠定了很好的基礎(chǔ)。儲(chǔ)集層主要分布在須六段和須四段,須二段儲(chǔ)集層發(fā)育條件較差,而且須六段儲(chǔ)集層主要集中分布在須六下亞段中上部。須六段氣藏平均埋深在2000m左右,屬中淺層巖性氣藏。研究區(qū)位于川中地區(qū),主要包括廣安和南充的部分區(qū)域(見(jiàn)圖1)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)須家河組儲(chǔ)集層段樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,儲(chǔ)集層巖性以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主,其次為巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖,石英含量一般30%～70%,最低15%,最高88%,平均57.97%;長(zhǎng)石含量一般1%～15%,最低0,最高16%,平均7.74%;巖屑含量一般8%～60%,最低0,最高79%,平均21.62%。巖屑組分以火成巖為主,火成巖又以凝灰?guī)r和酸性噴出巖居多,變質(zhì)巖屑以千枚巖和板巖為主,沉積巖屑以碳酸鹽巖屑為主。壓實(shí)作用、膠結(jié)作用使各儲(chǔ)集層段原生孔隙幾乎完全損失,大部分樣品沒(méi)有或只有少量殘余原生孔隙,主要以粒間、粒內(nèi)溶孔為主(見(jiàn)圖2)。橫向上,儲(chǔ)集層分布較穩(wěn)定,面積較大,目前勘探開發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題是“砂中找砂”,即在砂巖儲(chǔ)集層中尋找高孔滲的有利目標(biāo),因而,研究次生孔隙發(fā)育的影響因素和影響規(guī)律,對(duì)尋找有利儲(chǔ)集帶具有重大意義。通過(guò)對(duì)須家河組儲(chǔ)集層樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),沉積相對(duì)儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性能具有明顯控制作用。不同相帶的儲(chǔ)集層次生孔隙發(fā)育差異明顯,水下分流河道、河口壩和水上分流河道為最好,其平均孔隙度一般在7%以上,平均滲透率在0.1×10-3μm2以上,以水下分流河道物性最好(見(jiàn)圖3)。分流河道間、三角洲前緣遠(yuǎn)砂壩、席狀砂、砂泥坪物性較差,湖沼、砂泥坪為不利于儲(chǔ)集層發(fā)育的微相。因而,研究沉積相對(duì)次生孔隙發(fā)育的影響有利于預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層帶,提高勘探開發(fā)成功率。2孔隙水動(dòng)力條件以往對(duì)儲(chǔ)集層次生孔隙的研究只注重了成巖過(guò)程各因素的作用,而忽略了早期沉積環(huán)境和層序地層學(xué)等因素的影響。Amthor等通過(guò)研究認(rèn)為,儲(chǔ)集層成巖作用受沉積環(huán)境等因素的影響,沉積環(huán)境影響次生孔隙的發(fā)育。Khidir等把次生孔隙發(fā)育受沉積環(huán)境影響歸結(jié)于成巖早期孔隙水是開放性的,孔隙水的成分和性質(zhì)受當(dāng)時(shí)的氣候和沉積環(huán)境影響,從而影響了次生孔隙的發(fā)育。Dolbier和Pape等通過(guò)研究認(rèn)為次生孔隙分布受到沉積相的影響,主要是由于水動(dòng)力條件的不同導(dǎo)致了粒度差異造成的,在低能環(huán)境下,沉積物顆粒較細(xì),孔隙度、滲透率低,而高能環(huán)境下,沉積物較粗,孔隙度、滲透率較高,與外界流體流通性好,從而導(dǎo)致了次生孔隙的差異。Morad等認(rèn)為沉積環(huán)境影響次生孔隙,是由于大氣水對(duì)長(zhǎng)石的淋濾程度與沉積相有關(guān),如淋濾作用多發(fā)生在淺水相,如潮道、濱岸,使得這些相帶次生孔隙發(fā)育,而在大陸架、瀉湖、潮坪相,淋濾作用不常見(jiàn),致使次生孔隙相對(duì)不太發(fā)育。本文從受沉積環(huán)境控制的骨架顆粒的粒度、物理化學(xué)性質(zhì)以及自生礦物的析出和溶蝕出發(fā),研究這些因素與次生孔隙的關(guān)系,探討沉積環(huán)境對(duì)次生孔隙發(fā)育的影響機(jī)理。2.1粗骨架顆粒砂巖顆粒間溶蝕孔結(jié)構(gòu)表征骨架顆粒粒度作為研究沉積環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)而被廣泛研究,骨架顆粒粒度受沉積環(huán)境特別是水動(dòng)力條件所控制,水動(dòng)力越強(qiáng),沉積物粒度往往越粗。以廣安101井為例對(duì)須家河組儲(chǔ)集層砂巖進(jìn)行平均粒徑與孔隙度的相關(guān)性分析(見(jiàn)圖4,圖5)。由圖可見(jiàn)平均粒徑與孔隙度呈較好正相關(guān)關(guān)系,尤以中砂巖物性最佳,而且隨著深度的增加,砂巖粒徑與孔隙度的相關(guān)性變差。礫巖物性較差,是因?yàn)榈[巖儲(chǔ)集層往往分選差,雜基含量高,從而導(dǎo)致次生孔隙不發(fā)育。薄片觀察顯示粗骨架顆粒砂巖粒間溶蝕孔更為發(fā)育(見(jiàn)圖6a),以長(zhǎng)石、巖屑次生孔為主,殘余粒間孔也占有一定比例;細(xì)粒骨架砂巖粒間溶孔發(fā)育較差(見(jiàn)圖6b)。究其原因,認(rèn)為粗顆粒砂巖經(jīng)過(guò)壓實(shí)后,殘余孔隙較大,為次生溶蝕作用的發(fā)生提供了通道,溶蝕性流體容易進(jìn)入,從而使得次生孔隙較為發(fā)育。2.2結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟對(duì)次生殖部的影響沉積環(huán)境對(duì)儲(chǔ)集層的結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度也具有一定的影響,而結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度通過(guò)機(jī)械壓實(shí)差異和化學(xué)溶蝕差異影響次生孔隙發(fā)育。2.2.1塑性和半塑性顆粒骨架顆粒按其物理性質(zhì)可劃分為剛性、半塑性和塑性3種類型。剛性顆粒包括石英、長(zhǎng)石、燧石、石英巖屑和花崗巖屑等,這些顆粒由于其硬度大,抗壓實(shí)能力強(qiáng)而不易發(fā)生變形、碎裂,顆粒呈點(diǎn)、線接觸,這類顆粒含量高的巖石在壓實(shí)過(guò)程中原生孔隙損失小。塑性顆粒包括泥巖屑、千枚巖屑、板巖屑、云母類碎屑等,主要由黏土礦物組成,顆粒硬度低,塑性大,易被壓實(shí)而發(fā)生塑性變形,顆粒呈凸凹接觸(見(jiàn)圖6c),甚至充填在剛性顆粒組成的原生粒間孔中,形成所謂的假雜基,原生粒間孔損失迅速,使得溶蝕性流體不能進(jìn)入儲(chǔ)集層,次生孔隙不發(fā)育。半塑性顆粒主要為各種火山巖屑,如凝灰?guī)r屑、玄武巖屑及灰?guī)r屑等,抗壓能力位于二者之間。須家河組儲(chǔ)集層軟巖屑含量(主要包括千枚巖、云母片巖、陸源泥巖)與面孔率交會(huì)圖(見(jiàn)圖7)顯示,軟巖屑含量與面孔率呈負(fù)相關(guān),而抗壓顆粒(石英+長(zhǎng)石+石英巖)含量與面孔率呈正相關(guān)(見(jiàn)圖8)。軟巖屑含量高,則面孔率較低,軟巖屑含量低值時(shí),面孔率從低值到高值均有分布,指示軟巖屑含量是影響次生孔隙發(fā)育的一個(gè)重要因素,而非唯一因素。2.2.2最佳溶蝕劑為礦物充填材料骨架顆粒按化學(xué)性質(zhì)分為易溶顆粒和難溶顆粒2類。前者主要包括長(zhǎng)石、火山巖屑、碳酸鹽巖屑及云母類碎屑顆粒。這些骨架顆粒能夠被酸性溶液(包括大氣水、黏土轉(zhuǎn)化析出的水溶液、有機(jī)質(zhì)成熟所排出的有機(jī)酸等)溶蝕,是產(chǎn)生次生孔隙的物質(zhì)基礎(chǔ)。難溶顆粒主要為石英等硅質(zhì)巖類顆粒,這些顆粒化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,在一般條件下不易溶解形成次生孔隙。對(duì)須家河組砂巖薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn),成巖早期碳酸鹽膠結(jié)不發(fā)育,溶蝕作用主要的物質(zhì)對(duì)象是長(zhǎng)石。長(zhǎng)石含量和面孔隙交匯圖(見(jiàn)圖9)顯示,長(zhǎng)石含量很低時(shí),可被溶蝕的物質(zhì)少,孔隙度低,次生孔隙不發(fā)育,長(zhǎng)石含量很高時(shí),往往成分成熟度低,軟巖屑含量較高,次生孔隙也不太發(fā)育。長(zhǎng)石石英砂巖次生孔隙一般較為發(fā)育,物性好。總之,成分成熟度較高的砂巖,一般石英含量高,抗壓實(shí)能力較強(qiáng),含有適量的長(zhǎng)石礦物,早期孔隙度損失較小,更容易使得溶蝕性流體進(jìn)入,致使其最終物性較好。2.3最佳成巖環(huán)境及連接點(diǎn)膠結(jié)物是成巖過(guò)程中的產(chǎn)物,其種類、含量、產(chǎn)生期次不但受成巖環(huán)境的影響,而且還受沉積環(huán)境的影響,沉積環(huán)境還通過(guò)影響膠結(jié)物來(lái)影響次生孔隙的發(fā)育。研究區(qū)膠結(jié)作用不強(qiáng),填隙物總量主要在5%～6%。膠結(jié)物類型主要有石英次生加大、碳酸鹽、黏土礦物。從薄片觀察分析可以得出,本區(qū)主要的膠結(jié)物形成順序如下:一期石英加大→綠泥石薄膜→二期石英加大→碳酸鹽膠結(jié)、交代(見(jiàn)圖10),在成巖早期,壓實(shí)作用是孔隙損失的主要因素,碳酸鹽膠結(jié)物不發(fā)育,這是受沉積環(huán)境的影響所致,由于研究區(qū)須家河組整體處在潮濕環(huán)境,含煤地層發(fā)育,為弱酸性環(huán)境,使得早期碳酸鹽膠結(jié)物不發(fā)育。早成巖期到中成巖晚期,有兩次較重要的溶蝕作用,分別對(duì)應(yīng)于兩期石英加大。由于方解石形成較晚,沒(méi)有被大量溶蝕,次生孔隙主要來(lái)源于長(zhǎng)石的溶解(見(jiàn)圖6d,圖6e,圖6f)。一般認(rèn)為硅質(zhì)膠結(jié)物是在酸性環(huán)境下形成的。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),石英膠結(jié)物受沉積環(huán)境的影響,如Amthor、Khidir等研究發(fā)現(xiàn),在水面以下沉積的砂體(如河道砂體)和濕潤(rùn)氣候下沉積的砂體硅質(zhì)膠結(jié)物含量較高,而在干燥環(huán)境下沉積的砂體(如風(fēng)成沙丘)硅質(zhì)膠結(jié)物含量較低。本區(qū)自生石英多以次生加大方式沉淀。根據(jù)包裹體均一溫度測(cè)定,第二期石英次生加大溫度主要在90～120℃,反映主要形成于中成巖期。由于石英膠結(jié)形成較早,強(qiáng)烈的石英膠結(jié)使孔隙損失嚴(yán)重,阻礙了溶蝕性流體的進(jìn)入,不利于次生孔隙的發(fā)育,從石英膠結(jié)物含量和面孔率交會(huì)圖可以看出,隨著石英膠結(jié)物含量的增加,面孔率減少,二者呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)硅質(zhì)膠結(jié)物含量較低時(shí),多對(duì)應(yīng)方解石膠結(jié)嚴(yán)重,使得次生孔隙不發(fā)育,面孔率也較低(見(jiàn)圖11)。根據(jù)薄片觀察,由于河間湖沼、遠(yuǎn)沙壩等環(huán)境靠近煤層,石英膠結(jié)嚴(yán)重,物性較差。碳酸鹽膠結(jié)物形成的環(huán)境為堿性環(huán)境,酸性環(huán)境下易被溶蝕。碳酸鹽膠結(jié)物在本研究區(qū)分布不均勻,通常含量小于1%,個(gè)別可達(dá)40%以上。碳酸鹽膠結(jié)物以方解石為主,含少量白云石、菱鐵礦。在成巖早期,特別是高位體系域,煤層普遍發(fā)育,孔隙水呈酸性,碳酸鹽膠結(jié)物很少出現(xiàn),當(dāng)?shù)販剡_(dá)到120℃時(shí)(Ro值為1.0%～1.3%),有機(jī)質(zhì)開始進(jìn)入過(guò)成熟階段,生成豐富的凝析油和濕氣,有機(jī)質(zhì)脫羧基作用已經(jīng)很微弱,孔隙水介質(zhì)條件由酸性向堿性轉(zhuǎn)化,最終導(dǎo)致砂巖從酸性成巖環(huán)境進(jìn)入堿性成巖環(huán)境,在酸性成巖環(huán)境中非?；钴S的硅質(zhì)膠結(jié)、石英次生加大、各種溶蝕作用趨于停止。由于堿性成巖介質(zhì)中含豐富的CO32-,它與孔隙介質(zhì)中所攜帶的不同陽(yáng)離子進(jìn)行成巖反應(yīng)可以生成各種碳酸鹽礦物。這些碳酸鹽礦物可以強(qiáng)烈交代砂巖骨架顆粒及填隙物,充填早期形成的部分粒內(nèi)、粒間溶蝕孔隙和原生殘留孔隙,從而降低了砂巖的孔隙度和滲透率,使儲(chǔ)集層物性變差,因此屬于破壞性成巖作用。研究區(qū)須家河組儲(chǔ)集層面孔率與碳酸鹽含量交會(huì)圖(見(jiàn)圖12)顯示,碳酸鹽含量越高,面孔率越低,即二者之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明砂巖中碳酸鹽膠結(jié)(交代)物在未遭受溶蝕時(shí)主要起堵塞孔隙的作用,所以碳酸鹽的含量對(duì)儲(chǔ)集層質(zhì)量影響很大。對(duì)比其他膠結(jié)物,方解石膠結(jié)較次生石英等其他膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)集層物性破壞性更大。3層序界面上綠泥石形成與儲(chǔ)集層的關(guān)系雖然傳統(tǒng)觀點(diǎn)把成巖學(xué)和層序地層學(xué)看作獨(dú)立的學(xué)科分支,但是把二者結(jié)合起來(lái),卻可以更好地解釋和預(yù)測(cè)成巖作用的時(shí)空分布和演化規(guī)律。黃思靜等研究認(rèn)為,砂巖次生孔隙發(fā)育程度受層序界面的影響,層序界面上的砂體次生孔隙發(fā)育,孔滲值高,物性好;Dolbier通過(guò)對(duì)LowerCongo盆地AlbianPinda組砂巖儲(chǔ)集層研究認(rèn)為,海平面的變化引起孔隙流體條件的改變,從而導(dǎo)致次生孔隙的發(fā)育狀況與層序界面位置有關(guān)。Lefticariu研究認(rèn)為層序界面位置主要影響早期成巖作用,而在成巖晚期,次生孔隙主要受孔隙流體成分、骨架顆粒成分等因素的影響。Ketzer等研究認(rèn)為低位體系域砂巖成巖早期鈣質(zhì)膠結(jié)不強(qiáng),主要形成硅質(zhì)膠結(jié)以及伊利石和黃鐵礦,綠泥石主要形成于高位和海侵體系域。層序地層對(duì)成巖作用和次生孔隙影響的研究越來(lái)越受到學(xué)者的重視。國(guó)外研究者主要通過(guò)對(duì)海相地層研究認(rèn)為層序地層學(xué)與成巖作用有很好的相關(guān)性,而中國(guó)儲(chǔ)集層多為陸相,陸相儲(chǔ)集層的成巖作用與層序地層是否也有類似關(guān)系?目前中國(guó)國(guó)內(nèi)關(guān)于將成巖作用與層序地層學(xué)結(jié)合研究的報(bào)道還很少,筆者試圖進(jìn)行一些嘗試性研究,希望能夠起到拋磚引玉的作用。綠泥石多形成于高位和海侵體系域,低位體系域發(fā)育較少。大量薄片資料表明,須家河組儲(chǔ)集層中的綠泥石薄膜形成時(shí)間晚于第一期石英加大(見(jiàn)圖6g),包裹體測(cè)試顯示綠泥石形成溫度為90～120℃,為中成巖期的產(chǎn)物,并不是同沉積期形成的。由于綠泥石薄膜的形成晚于石英次生加大,所以并未抑制石英的次生加大,而且綠泥石含量與次生孔隙的發(fā)育并沒(méi)有直接的關(guān)系,因此,次生孔隙與層序地層的關(guān)系紐帶并非綠泥石。同時(shí),在一些物性好的砂巖中,綠泥石含量相對(duì)較高,這并不是因?yàn)榫G泥石抑制了石英的加大從而保存了孔隙,而是綠泥石發(fā)育說(shuō)明儲(chǔ)集層有(或曾經(jīng)有)較多孔隙,利于流體運(yùn)移,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的存在為綠泥石的形成提供了條件。以廣安101井為例(見(jiàn)圖13),在三級(jí)層序界面上的砂體,方解石膠結(jié)物不發(fā)育,儲(chǔ)集層呈高孔高滲,物性好。而四級(jí)層序界面上的砂體,膠結(jié)物以方解石為主,膠結(jié)物含量高,使得孔隙度低,儲(chǔ)集層物性較差(見(jiàn)圖6g)。造成這種差異的原因可能是由于三級(jí)層序界面之上的砂體呈大規(guī)模連片分布,連通性好,而且處在相對(duì)干旱的沉積環(huán)境,早期硅質(zhì)膠結(jié)不發(fā)育,加之長(zhǎng)期的淋濾作用使得早期鈣質(zhì)膠結(jié)也很缺乏,為后來(lái)有機(jī)質(zhì)成熟伴生的大規(guī)模酸性流體進(jìn)入和長(zhǎng)石顆粒溶蝕提供了條件,使得三級(jí)界面上砂體次生孔隙發(fā)育,膠結(jié)物含量低,儲(chǔ)集層物性好。而在四級(jí)層序界面之上的砂體由于連片規(guī)模和暴露接受淋濾作用的時(shí)間和程度遠(yuǎn)小于三級(jí)層序界面上的砂體,使得溶蝕性流體不能大規(guī)模進(jìn)入,砂體碳酸鹽膠結(jié)嚴(yán)重,次生孔隙不發(fā)育,物性差。同時(shí),砂巖層頂?shù)撞坑捎谂c泥巖毗鄰,泥巖受壓排出大量攜帶Ca2+等離子的流體進(jìn)入到砂巖中,使得砂巖頂?shù)赘浇妓猁}膠結(jié)強(qiáng)烈,形成“鈣帽”和“鈣底”,而在砂體中部,由于遠(yuǎn)離這些可以產(chǎn)生碳酸鹽膠結(jié)物的流體,使得膠結(jié)不強(qiáng)烈,因而砂巖厚度越大,則物性越好(見(jiàn)圖14)。此外,次生孔隙的發(fā)育還受體系域的影響,低位域時(shí),砂體發(fā)育,泥巖含量低,砂巖多呈厚層或相互切割狀,與泥巖直接接觸的砂體少,砂體內(nèi)部遠(yuǎn)離泥巖因而碳酸鹽膠結(jié)物含量較低,物性較好。再者,低位域時(shí)受大氣水淋濾作用相對(duì)較強(qiáng),這些因素使得低位域時(shí)溶蝕作用強(qiáng)烈,次生孔隙較為發(fā)育。在高位和海侵體系域,泥巖所占比例大,多為厚層大套泥巖夾薄層席狀砂