林 煜,徐樟有,吳勝和,倪玉強,郁 智

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院,北京昌平 102249; 2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京昌平 102249; 3.吉林油田分公司勘探開發(fā)研究院,吉林松原 138000)

川西豐谷構造上三疊統(tǒng)須四段特低滲儲層成巖儲集相與成巖演化序列

林 煜1,2,徐樟有1,2,吳勝和1,2,倪玉強1,2,郁 智3

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院,北京昌平 102249; 2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京昌平 102249; 3.吉林油田分公司勘探開發(fā)研究院,吉林松原 138000)

川西拗陷豐谷構造上三疊統(tǒng)須家河組四段儲層屬致密的低孔、特低滲儲層.在分析化驗資料的基礎上,對該段儲層的成巖作用、成巖階段、成巖儲集相及其成巖演化序列進行研究,探討須四段優(yōu)質儲層成因機制.結果表明:須四段儲層成巖儲集相可以劃分成4類,即弱壓實強溶蝕殘余粒間孔-溶孔成巖儲集相、壓實溶蝕溶孔成巖儲集相、中強壓實弱溶蝕溶孔-微孔隙成巖儲集相和強壓實致密成巖儲集相.由于不同的儲層成巖儲集相經(jīng)歷了不同的成巖演化序列,使得儲層中的殘余原生粒間孔和次生溶孔的形成條件各不同,儲層中孔隙的發(fā)育程度主要決定于巖石的組分、孔隙的壓實、自生礦物的充填以及多期溶蝕作用等因素,并與酸性流體的注入有緊密聯(lián)系.

川西拗陷;豐谷構造;須四段;特低滲儲層;成巖儲集相;成巖演化

成巖儲集相是指描述影響儲層性質的某種或某幾種成巖作用和特有的儲集空間的組合[1].這一概念最早出現(xiàn)在“棗園油田棗南孔一、孔二段儲集層綜合評價”和“棗園油田油藏精細描述與儲集層綜合評價研究”報告中.在10多年的發(fā)展過程中,不同的學者針對不同地區(qū)的地質特點,從不同角度開展了卓有成效的研究[2-7].目前成巖儲集相的劃分主要是根據(jù)儲層巖石學特征和成巖作用類型的描述,以及視壓實率、視膠結率、成巖綜合系數(shù)和物性的定量分析.筆者根據(jù)川西拗陷豐谷構造須家河組四段儲層低孔、特低滲的特點,在分析化驗資料的基礎上,對儲層經(jīng)歷過的成巖作用類型、特征及其對儲層性質的改造機理進行研究,進而劃分儲層成巖儲集相類型,分析不同成巖儲集相的演化過程和演化序列,探討須四段優(yōu)質儲層成因機制,其成果可為該區(qū)須四段優(yōu)質儲層的分布預測奠定基礎.

1 地質概況

豐谷構造位于川西拗陷中段孝泉-新場-合興場-豐谷NEE向繼承性隆起帶的東端(見圖1),現(xiàn)今地表為一近NEE向的鼻狀構造.鉆井資料表明豐谷構造地層齊全,地表為第四系覆蓋,鉆遇地層由上至下分別為白堊系劍門關組;侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組,中統(tǒng)沙溪廟組、千佛崖組,下統(tǒng)自流井組;上三疊統(tǒng)須家河組(須二段、須三段、須四段、須五段)[8].須家河組各段儲層發(fā)育程度不同,其中須四段是目前豐谷構造主要產氣層段之一,也是本次研究的目的層段.按照旋回對比,分級控制的原則,須四段可進一步細分為上中下3個亞段、11個砂組和22個小層.

2 儲層特征

2.1 巖石類型

依據(jù)鉆井取心井巖心分析資料對儲層的巖性進行綜合分析.須四段儲層的巖石類型有礫巖、砂巖和粉砂巖,其中砂巖含量占絕對優(yōu)勢,顏色為灰白、淺灰、深灰和灰綠,見平行層理、斜層理、植物碎片、泥礫等,層理面炭屑、白云母富集.按碎屑組分的不同,砂巖可進一步細分為鈣屑砂巖(質量分數(shù)為39.5%)、巖屑砂巖(質量分數(shù)為29.9%)、長石巖屑砂巖(質量分數(shù)為5.2%)和巖屑石英砂巖(質量分數(shù)為25.4%).

圖1 豐谷構造區(qū)域位置

2.2 儲集空間類型

須四段孔隙空間類型包括殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔、晶間微孔及微裂縫.其中殘余粒間孔多呈三角形、長條形,孔徑為0.03～0.20 mm,在鈣屑砂巖中發(fā)育(見圖2),粒間溶孔由粒間方解石膠結物和顆粒邊緣溶蝕形成,是粒間孔的溶蝕擴大,也主要發(fā)育在鈣屑砂巖中(見圖2(a));粒內溶孔為碎屑顆粒內部遭受溶蝕形成的孔隙,被溶蝕的顆粒主要是長石和酸性噴出巖巖屑(見圖2(b));晶間微孔孔徑小于0.01 mm,主要為黏土雜基(伊利石、綠泥石)、自生高嶺石以及石英加大和自生石英等晶體之間的微孔隙(見圖2(c));微裂縫為由構造應力或成巖作用形成的,呈細密分布,縫寬為0.01～0.02 mm(見圖2(d)).

圖2 須四段儲層儲集空間類型

2.3 物性特征

通過對676個樣品點進行物性分析,發(fā)現(xiàn)須四段儲層孔隙度介于0.66%～13.96%之間,平均為5.47%,滲透率介于(0.000 8～70.8)×10-3μm2之間,平均為1.131×10-3μm2,孔隙度與滲透率相關性整體較好(見圖3).按我國儲層劃分標準,屬致密-超致密型儲層,但部分鈣屑砂巖及少量巖屑砂巖孔滲相對較好,為近致密或低滲透儲層,即相對優(yōu)質儲層.

圖3 須四段儲層孔隙度與滲透率關系

2.4 沉積微相類型

在須家河組四段沉積時豐谷地區(qū)主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積,以水下分流河道廣泛發(fā)育和砂質沉積作用非?；钴S為主要特征[8].本次研究根據(jù)區(qū)域沉積背景、巖心描述、薄片觀察及砂體測井曲線形態(tài)分析等,在須四段識別出水下分流河道、水下分流河道間、河口壩、遠砂壩、水下天然堤和辮狀河前三角洲泥6種沉積微相.

3 成巖作用類型及特征

豐谷構造須四段儲層埋藏深度大(3 500～4 000 m),儲層砂巖經(jīng)歷了復雜和強烈的成巖變化,演化程度深.主要成巖作用類型有壓實壓溶作用、各種自生礦物的膠結充填作用和溶蝕作用.析出的自生礦物主要為碳酸鹽礦物、硅質,其次為自生黏土礦物,以及少量的鹽類礦物.

3.1 壓實和壓溶作用

機械壓實作用開始時間早且持續(xù)時間長,從沉積物堆積下來后即已開始,隨埋藏深度和上覆地層壓力的不斷增加,沉積物被壓實,原生孔隙不斷被破壞,并可進一步發(fā)展為壓溶作用[9-10].

巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑石英砂巖的機械壓實作用表現(xiàn)在:(1)碎屑顆粒接觸緊密,多呈線-凹凸接觸,甚至呈縫合接觸;(2)剛性碎屑顆粒的破碎;(3)塑性顆粒變形、扭曲及其假雜基化;(4)原生粒間孔損失殆盡.細粒的鈣屑砂巖壓實作用也較強烈,顆粒多呈線-凹凸接觸,原生孔隙完全被破壞,只有極少量的殘余粒間孔.粗、中粒的鈣屑砂巖壓實作用強度相對較弱,殘余粒間孔較發(fā)育.主要原因有:(1)結構成熟度較高,泥質雜基含量低;(2)方解石早期膠結,有效抵抗壓實作用;(3)烴類早期充注原生粒間孔,減緩了壓實作用.壓溶作用在石英含量高的巖屑砂巖、巖屑石英砂巖中表現(xiàn)較明顯,發(fā)生在石英顆粒接觸處,顆粒接觸由點接觸演化到線接觸、凹凸接觸,直至縫合接觸.在石英集中處呈縫合接觸,表明其受到較強的壓溶作用.

3.2 充填膠結作用

豐谷構造須四段砂巖常見的膠結物類型主要有碳酸鹽礦物、硅質、各種自生黏土礦物及少量鹽類礦物(石鹽、石膏和鈣芒硝).

(1)碳酸鹽膠結物.可分為早期及晚期碳酸鹽膠結物,早期碳酸鹽膠結物以亮晶方解石為主,均為無鐵方解石(見圖4(a)),主要形成于沉積早期及壓實作用較弱的早成巖期.晚期碳酸鹽膠結物主要為含鐵方解石、白云石和鐵白云石(見圖4(b)).

(2)硅質膠結.二氧化硅主要以石英顆粒的次生加大邊和自生石英晶體的形式產出.石英加大常形成平整的自形晶面(見圖4(c)),并與壓溶作用伴生.自生石英多充填于粒間,呈不規(guī)則粒狀,晶粒大小不一,也可交代黏土雜基.

(3)黏土礦物充填膠結.本區(qū)黏土礦物主要為綠泥石、伊利石、伊/蒙混層和高嶺石,分布較為普遍,但絕對含量較低.綠泥石主要充填孔隙(見圖4(d)),部分分布于粒表;伊利石多充填孔隙或呈橋接式,部分呈薄的孔隙襯里(或顆粒包膜)的形式存在(見圖4(e));富伊利石層在形態(tài)上接近伊利石的不規(guī)則片狀,富蒙脫石層主要為皺紋狀薄膜和蜂窩狀薄膜,其上具一些刺狀的突起;高嶺石分布較局限,在鈣屑砂巖中常見,晶體呈假六方片狀(見圖4(f)).

(4)鹽類礦物充填膠結.個別樣品在掃描電鏡下見到少量鹽類礦物,主要有石鹽、石膏和鈣芒硝,含量低且分布局限.

3.3 溶蝕作用

豐谷構造須四段溶蝕作用主要有碎屑顆粒的溶蝕、膠結物和雜基的溶蝕.碎屑顆粒中灰?guī)r巖屑、長石(見圖4(g))和火山巖巖屑(見圖4(h))較易發(fā)生溶蝕,而石英、石英巖巖屑、片巖巖屑、白云巖巖屑不易發(fā)生溶蝕.粒間方解石膠結物溶蝕形成粒間溶孔(見圖4(i)),粒間由火山灰蝕變而成的雜基溶蝕形成雜基內溶孔.

3.4 破裂作用

破裂作用形成的各種裂縫可以改善儲層的滲透性[11].本區(qū)破裂作用分2種類型:一是與構造活動有關的微裂縫;二是與壓碎作用有關的壓碎縫.構造縫的特點是邊緣平直,延伸遠,切割力強,破壞巖石原始結構,具有一定方向性,成組分布.壓碎縫一般延伸近,僅限巖石的碎屑顆粒內而不穿切顆粒,其應力可來自構造應力上覆地層巖柱壓力等各種成巖過程中產生的應力,在顯微鏡下常見石英表面的壓裂紋,云母因受力而明顯彎曲.

圖4 豐谷構造須四段儲層成巖作用類型

4 成巖儲集相及其演化序列

4.1 成巖作用階段

成巖作用階段劃分的主要依據(jù):(1)巖石的結構、構造特點.須四段儲層碎屑顆粒接觸緊密,多呈線-凹凸接觸,甚至呈縫合接觸,石英次生加大較強烈,粒間溶孔中見自生石英晶體生長,顆粒呈鑲嵌狀接觸.(2)自生礦物分布、組合和形成順序.須四段儲層發(fā)育晚期含鐵碳酸鹽礦物,如含鐵方解石、鐵白云石.(3)黏土礦物組合、伊利石/蒙皂石(I/S)混層黏土礦物的轉化.掃描電鏡下黏土礦物以伊利石為主,含少量伊/蒙混層.(4)包裹體均一溫度.由豐谷21井須四段鈣屑砂巖中自生石英中包裹體均一溫度測定可知,均一溫度大多在85～100℃之間,說明自生石英主要形成于中成巖A期.

須四段儲層所經(jīng)歷的成巖階段有同生成巖階段、早成巖階段A期(T3x5～J1,埋深<2 000 m,古地溫為古常溫～65℃,鏡質體反射率小于0.35%)和B期(J2,埋深為2 000～3 100 m,古地溫為65～85℃,鏡質體反射率為0.35%～0.50%)、中成巖階段A期(J3～K1,埋深為3 100～6 000 m,古地溫為85～130℃,鏡質體反射率為0.50%～1.30%)和B期(K2～E,最大埋深為6 000 m,后抬升至3 500～4 000 m,古地溫為130～150℃,鏡質體反射率為1.30%～2.00%)(見圖5).

圖5 須四段儲層埋藏史及成巖階段劃分

4.2 成巖儲集相類型及特征

成巖儲集相發(fā)育的主要控制因素包括沉積環(huán)境、盆地構造背景、盆地充填史和成巖序列、成巖條件(主要指成巖環(huán)境介質性質、溫度、壓力、酸堿度和氧化還原條件及其變化,以及有機質演化的影響)、成巖作用類型和強度、成巖時限和過程.根據(jù)巖石學特征、沉積微相、成巖作用類型、視壓實率、視膠結率、儲集空間組合及孔隙度和滲透率等,將豐谷地區(qū)須四段劃分4類成巖儲集相,見表1.

4.3 成巖儲集相成巖演化序列

成巖作用發(fā)生的時間既有先后順序,又相互疊加.須四段成巖演化基本序列為:機械壓實→無鐵方解石膠結→壓溶作用→硅質次生加大→黏土礦物向伊/蒙混層礦物和伊利石轉變→溶蝕作用→高嶺石結晶→晚期石英次生加大→含鐵碳酸鹽膠結.各類成巖儲集相成巖演化又有所不同.

4.3.1 A相-弱壓實強溶蝕殘余粒間孔-溶孔成巖儲集相

弱壓實強溶蝕殘余粒間孔-溶孔成巖儲集相發(fā)育在中粒鈣屑砂巖中,主要的成巖作用為溶解作用,儲滲空間組合為粒間溶孔+殘余粒間孔+巖屑溶孔+裂縫(見圖6).

表1 豐谷構造須四段儲層成巖儲集相類型及特征

圖6 須四段A類成巖儲集相成巖演化序列

早成巖A期:這一時期地層孔隙水主要受煤系沉積環(huán)境控制,水介質偏酸性,膠結作用弱,膠結物為粒間方解石,局部見石膏和鈣芒硝等鹽類礦物.沉積物呈弱固結-半固結,粒間孔減少,孔隙度降到30%.

早成巖B期:此階段有機質半成熟,烴類充注粒間孔.烴類的存在一方面阻止了膠結物的大量生成(阻礙水巖作用),另一方面極大地減弱了快速壓實階段強壓實作用的發(fā)生,至J2沉積期末,仍保留20%的孔隙度.

中成巖A期:隨著埋深增加,地溫進一步升高,烴源巖進入成熟高峰期,大量有機酸生成,使粒間方解石膠結物、碳酸鹽巖屑顆粒邊緣以及酸性噴出巖巖屑發(fā)生溶解,形成粒間溶孔和粒內溶孔.這一期溶蝕作用的時間長、規(guī)模大,為主要的次生孔隙形成期.石英次生加大和自生石英、高嶺石、含鐵白云石充填部分次生孔隙.燕山早期構造運動形成部分構造裂縫,使儲滲性能改善.

中成巖B期:含鐵方解石和鐵白云石充填部分次生孔隙.燕山晚期構造運動和喜山期運動形成構造裂縫,使儲集性能改善,最終形成孔隙-裂縫型儲層.

4.3.2 B相-壓實溶蝕溶孔成巖儲集相

壓實溶蝕溶孔成巖儲集相主要發(fā)育在中粒長石巖屑砂巖和(含礫)巖屑石英砂巖中,主要的成巖作用為溶蝕作用,儲滲空間組合為粒內(粒間)溶孔+裂縫(見圖7).

圖7 須四段B類成巖儲集相成巖演化序列

早成巖A期:孔隙水偏酸性,膠結作用較弱,膠結物為少量粒緣綠泥石薄膜、粒間菱鐵礦、方解石,局部見石鹽.沉積物呈弱固結-半固結,雜基充填作用及壓實作用使粒間孔隙縮小,孔隙度降至20%.

早成巖B期:有機質半成熟,酸性孔隙水溶蝕形成少量粒內和粒間溶孔,局部發(fā)生少量方解石膠結和石英次生加大.沉積物進入快速壓實階段,孔隙度降至6.5%,儲層發(fā)生致密化.

中成巖A期:主要的次生孔隙形成期.烴源巖進入成熟高峰期,大量有機酸生成,部分長石、巖屑和雜基發(fā)生溶解,形成粒內溶孔.伊/蒙混層轉化、伊利石沉淀及伊利石的溶解形成伊利石晶間微孔和溶孔.石英次生加大、自生石英、少量含鐵方解石和鐵白云石充填部分次生孔隙.燕山早期構造運動形成部分構造裂縫,使儲滲性能改善.

中成巖B期:含鐵方解石和鐵白云石發(fā)生充填和交代,原生孔隙破壞殆盡.燕山晚期構造運動和喜山期運動形成構造裂縫,使儲集性能改善,最終形成孔隙-裂縫型儲層.

4.3.3 C相-中強壓實弱溶蝕溶孔-微孔隙成巖儲集相

中強壓實弱溶蝕溶孔-微孔隙成巖儲集相主要發(fā)育在中粒巖屑砂巖中,主要的成巖作用為溶蝕作用,儲滲空間組合為溶孔+微孔+裂縫(見圖8).

圖8 須四段C類成巖儲集相成巖演化序列

早成巖A期:沉積物弱固結-半固結.雜基充填作用及壓實作用使粒間孔隙縮小.

早成巖B期:沉積物進入快速壓實階段,由于巖屑砂巖塑性組分和雜基含量高,壓實作用增強,塑性碎屑假雜基化,使粒間孔完全破壞而致密化,孔隙度降至5%.局部發(fā)生少量方解石膠結和石英次生加大.

中成巖A期:烴源巖進入成熟高峰期,有機酸生成.少量長石、巖屑發(fā)生微弱溶解,形成少量粒內溶孔.伊/蒙混層轉化、伊利石沉淀及伊利石的溶解形成伊利石晶間微孔和溶孔.壓實作用增強,顆粒呈線-凹凸接觸.燕山早期構造運動形成的構造裂縫不發(fā)育.

中成巖B期:含鐵方解石和鐵白云石充填和交代,原生孔隙破壞殆盡.燕山晚期構造運動和喜山期運動產生少量構造裂縫,形成部分裂縫型儲層.

4.3.4 D相-強壓實致密成巖儲集相

強壓實致密成巖儲集相主要發(fā)育在細粒鈣屑砂巖和細粒巖屑砂巖中,主要的成巖作用為壓實作用,儲滲空間組合為少量微孔隙(見圖9).

早成巖A期:沉積物弱固結-半固結.雜基充填作用及壓實作用使粒間孔隙減少.

早成巖B期:沉積物進入快速壓實階段,由于細粒鈣屑砂巖和細粒巖屑砂巖粒度細,壓實作用和方解石膠結作用使粒間孔完全破壞而致密化.局部發(fā)育少量方解石膠結和石英次生加大.

中成巖A期:烴源巖進入成熟高峰期,有機酸生成.此時儲層已致密化,僅有少量長石、巖屑發(fā)生微弱溶解,形成少量粒內溶孔.僅存不可壓縮的黏土礦物微孔.燕山早期構造運動形成的構造裂縫不發(fā)育.

中成巖B期:少量含鐵方解石和鐵白云石充填和交代.燕山晚期構造運動和喜山期運動形成的構造裂縫不發(fā)育.

圖9 須四段D類成巖儲集相成巖演化序列

5 結論

(1)豐谷構造須四段儲層經(jīng)歷的成巖作用主要有壓實壓溶作用、充填膠結作用、溶蝕作用和破裂作用.儲層中原生粒間孔大多被破壞,僅保留部分殘余粒間孔.其他粒間溶孔、粒內溶孔、鑄?？椎却紊芸资窃谒嵝运橘|條件下溶蝕形成的,以碳酸鹽膠結物溶蝕為主,其次是長石和火山巖巖屑的溶蝕.此外,儲層中還發(fā)育少量由構造應力或成巖作用形成的微裂縫.這是優(yōu)質儲層形成的主要原因.

(2)須四段儲層中大量次生溶孔的形成,必須滿足3個條件:一是巖石中有可溶物質,如碳酸鹽礦物、鋁硅酸鹽礦物、巖屑等;二是巖石沒有因為早期壓實和膠結作用而致密化,原始孔滲性相對較好,孔隙流體能在其孔隙體系中流動;三是有充足的酸性流體流過巖石,將溶蝕物質帶走而不在其孔隙中沉淀.

(3)須四段儲層成巖儲集相可劃分4種,即弱壓實強溶解殘余粒間孔-溶孔成巖儲集相、壓實溶解溶孔成巖儲集相、中強壓實弱溶蝕溶孔-微孔隙成巖儲集相和強壓實致密成巖儲集相.其中,形成優(yōu)質儲層的成巖儲集相只有2種,即弱壓實強溶蝕殘余粒間孔-溶孔成巖儲集相和壓實溶蝕溶孔成巖儲集相.

(4)須四段儲層所經(jīng)歷的成巖階段有同生成巖階段、早成巖階段A期和B期、中成巖階段A期和B期.成巖演化基本序列為:機械壓實→無鐵方解石膠結→壓溶作用→硅質次生加大→黏土礦物向伊/蒙混層礦物和伊利石轉變→溶蝕作用→高嶺石結晶→晚期石英次生加大→含鐵碳酸鹽膠結.不同成巖儲集相的成巖演化又有所不同.

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Diagenetic reservoir faciesand diagenetic evolutionary sequences of extra-low permeability reservoir in Xu4 Formation of Fenggu Structure in western Sichuan/2011,35(2):1-8

L IN Yu1,2,XU Zhang-you1,2,WU Sheng-he1,2,N I Yu-qiang1,2,YU Zhi3
(1.College of Geosciences,China University of Petroleum,Changping,Beijing 102249,China;2.State Key L aboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Changping,Beijing 102249,China;3.Research Institute of Exp loration and Development of Jilin Oilfield,PetroChina,Songyuan,Jilin 138000,China)

The reservoir of Xu4 Formation in Fenggu Structure of western Sichuan Dep ression belongs to the low po rosity and extra-low permeability reservoir.Research has been carried out about the reservoir’s diagenesis,diagenesis stage,diagenetic reservoir facies and diagenetic evolution sequence on the basis of analysis assay data.The diagenetic-reservoir facies are divided into 4 types,namely,the residual intergranular pores-dissolved pores diagenetic reservoir facies w ith w eak compaction and strong dissolution,the dissolved po res diagenetic reservoir faciesw ith compaction and dissolution,the dissolved po resmicroporosity diagenetic reservoir faciesw ith middle to strong compaction and weak dissolution and the tight diagenetic reservoir faciesw ith strong disso lution.The fo rmation conditionsof the relic p rimary intergranular pores and secondary dissolution pores in the reservoirsare different due to their different diagenetic evo lutionary sequences.The p reservation of po res in reservoir is mainly controlled by the rock components,compaction of pores,the filling of authigenic minerals and themulti-stages dissolution,as w ell as the injection of acid fluid.

western Sichuan Dep ression;Fenggu structure;Xu4 Formation;low permeability reservoir;diagenetic reservoir facies;diagenesis evolution

TE121.3

A

1000-1891(2011)02-0001-08

2010-12-16;審稿人:付 廣;編輯:陸雅玲

國家科技重大專項(2008ZX05017-001-01-03HZ);中國石油科技中青年創(chuàng)新基金項目(07E1002)

林 煜(1985-),男,博士生,主要從事精細油藏描述及開發(fā)地質方面的研究.