蔣 威，譚先鋒,2，王 佳,2，付明慶，陳 青,2，吳康軍,2，冉 天

(1.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安 710100)

龍女寺東端須家河組致密砂巖成巖作用及儲層形成機理

蔣 威1，譚先鋒1,2，王 佳1,2，付明慶3，陳 青1,2，吳康軍1,2，冉 天1

(1.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安 710100)

致密砂巖作為非常規(guī)油氣的重要載體，對其致密化成因及儲層形成機理研究具有重要意義。利用鉆井巖心、薄片觀察、陰極發(fā)光和流體包裹體等手段，對川中地區(qū)龍女寺東端須家河組致密砂巖的成巖作用及儲層形成機理進行研究。結(jié)果表明：龍女寺東端須家河組遭受了機械壓實-壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用，機械壓實作用和膠結(jié)作用是導致砂巖致密化的主要因素，溶蝕作用和破裂作用是儲層形成的主要因素；須家河組目前處于中成巖A-B期，經(jīng)歷的流體活動主要有同生成巖期地表水沉淀早期方解石膠結(jié)和綠泥石薄膜，早成巖B期壓溶作用控制石英Ⅰ期次生加大形成與孔隙流體溶解黏土礦物、長石和易溶巖屑等，中成巖A期大量油氣充注促進石英Ⅱ、Ⅲ期次生加大與少量方解石溶解，中成巖B期燕山/喜山運動促進儲層形成；儲層形成機理主要涵蓋殘余原生孔的保存和次生孔的形成，有利的沉積環(huán)境、溶蝕作用、異常高壓和構(gòu)造破裂作用共同控制儲層形成，有利的沉積環(huán)境、溶蝕作用和異常高壓主要是保護殘余原生孔和形成次生孔，構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生大量微裂縫，提高儲層滲流能力，并為形成溶蝕擴大孔提供條件。

致密砂巖；成巖作用；儲層；須家河組；龍女寺東端

0 引 言

致密砂巖是指滲透率≤0.1×10-3μm2，孔隙度≤10%的砂巖[1-2]。美國首先提出致密砂巖的概念，美國對致密砂巖氣的勘探開發(fā)技術(shù)在1970年已趨于成熟[3]。我國開始研究致密砂巖是在四川盆地中壩致密砂巖氣田勘探成功后，雖起步晚于美國，但對致密砂巖的研究進程卻快于美國，1995年以來國內(nèi)開始重視致密砂巖的研究，2013年致密砂巖氣的年產(chǎn)量已超過300億m3，占全國天然氣總產(chǎn)出的1/3[4]。2007年世界石油委員會報告中指出致密砂巖氣資源量占全球非常規(guī)資源量的70%，致密砂巖作為致密砂巖氣的唯一載體，對其儲層進行研究具有重要的意義?？v觀前人研究發(fā)現(xiàn)，砂巖致密化成因解釋較多，主要觀點為構(gòu)造因素、沉積成因及成巖作用影響，對預測有效儲層的作用不大[5]。鄒才能等認為砂體最終是否能形成致密砂巖，機械壓實作用是主要因素之一，能否形成有效儲層主要依靠后期成巖作用對原生孔隙的改造[6]。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組作為致密砂巖氣研究的重要層位之一，不少學者對其致密砂巖成因及儲層特征進行過探討[7-9]，形成了一些比較好的認識和結(jié)論，而綜合利用成巖流體、地溫梯度及膠結(jié)物等對其致密化成因機理進行研究較少。龍女寺東端須家河組沉積儲層有須二、須四和須六段，砂巖致密化程度較高，探索其致密化成因及儲層形成機理研究具有重要的意義。本文利用薄片鑒定、測井曲線分析、流體包裹體測試、陰極發(fā)光和鏡質(zhì)體反射率(Ro)計算等實驗手段，系統(tǒng)分析龍女寺東端須家河組成巖流體、地溫梯度及膠結(jié)物等對砂巖致密化的影響，深入探討其致密砂巖成因及儲層形成機理，為龍女寺東端須家河組油氣勘探提供可靠的理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川省武勝、岳池、廣安等縣市境內(nèi)，東以華鎣山斷裂為界，北含廣安構(gòu)造，西鄰李渡構(gòu)造，南鄰合川一帶。研究區(qū)范圍為龍女寺東—白廟—華鎣西，控制面積約1 750 km2，區(qū)域構(gòu)造位置的西部與四川中部古隆中斜平緩帶相連(圖1)，東部與四川東部古斜中隆高陡斷褶帶相交，南部與川南古坳中隆低陡穹形帶和華鎣山構(gòu)造帶相鄰，北部緊鄰廣安-南充構(gòu)造區(qū)；四川盆地具有以川中古隆起為中心，被渝東-川東南坳陷帶、川西坳陷帶和川東北坳陷帶半包圍的“三坳圍一隆”構(gòu)造格局[10-12]。在須四及須二段頂面構(gòu)造略圖上可以看出，研究區(qū)主要是向北傾斜的平緩構(gòu)造，零星分布局部小潛高、排狀鼻突及陡緩變異帶。

圖1 研究區(qū)地理位置及區(qū)域構(gòu)造略圖Fig.1 Location of study area and regional tectonic sketch

龍女寺東端須家河組自下而上具有6段，底部與海相沉積的雷口坡組碳酸鹽巖接觸，頂部與下侏羅統(tǒng)自流井組珍珠沖段(Jl-zh)相連。(1)須一段與下伏雷口坡組呈不整合接觸，巖性為灰褐色泥巖、頁巖，湖泊環(huán)境形成的高伽馬、高電阻的頁巖及泥巖相，部分井區(qū)缺失須一段，如華西1、華西2井就缺少須一段的地層；(2)須二段巖性為灰白色的細砂巖、中砂巖和粗砂巖分布，伽馬測井曲線呈箱狀，為三角洲環(huán)境的沉積序列；(3)須三段為湖侵作用形成的泥巖，具有高伽馬，且伽馬呈現(xiàn)鋸齒狀的特征，須二/須三界面為湖侵-湖退旋回形成的巖性轉(zhuǎn)換面；(4)須四段為區(qū)域性分布的灰白色中細砂巖和粗砂巖，個別井段還可以看到含礫砂巖；(5)須五段/須四段界面為淺湖相與三角洲相相互交替的沉積界面，界面之下為三角洲環(huán)境下形成的砂巖，界面之上為湖泊相沉積的頁巖或泥巖，但研究區(qū)也還有水體沒有完全侵入的環(huán)境，砂體較為發(fā)育，為湖泊的灘壩環(huán)境；(6)須六段與須五段為整合接觸關(guān)系，須六段為三角洲沉積環(huán)境，底部多以砂巖分布為主，是由湖泊環(huán)境逐漸向三角洲環(huán)境過渡，巖性表現(xiàn)為由泥巖或頁巖逐漸向砂巖過渡，頂部與下侏羅統(tǒng)珍珠沖段(Jl-zh)整合接觸?？傮w上須一段、須三段和須五段屬于湖泊相沉積，須二段、須四段和須六段屬于三角洲相沉積。

2 成巖作用特征

成巖作用在控制儲層質(zhì)量上起主要作用，對儲層顆粒接觸方式、膠結(jié)類型和膠結(jié)方式等有重要影響，同時成巖作用流體受制于儲層的原始沉積環(huán)境，儲層的原始沉積環(huán)境對儲層巖性、雜基含量和膠結(jié)物類型起至關(guān)重要的影響。根據(jù)儲層巖石薄片觀察、陰極發(fā)光和流體包裹體測試分析，龍女寺東端地區(qū)須家河組在漫長的埋藏史中經(jīng)歷了機械壓實-壓溶作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用等一系列成巖作用，從而形成現(xiàn)今復雜的非均質(zhì)性和致密-超致密特點。

2.1 巖石微觀組構(gòu)

圖2 龍女寺東端須家河組四段和六段砂巖組成Fig.2 The fourth and the sixth section sandstones in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvsi

龍女寺東端須家河組儲層巖性主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，包含少許巖屑石英砂巖和巖屑長石砂巖(圖2)。研究區(qū)內(nèi)所含巖屑包括巖漿巖巖屑、沉積巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑，巖屑所占比例為2%～36%，平均25.6%；長石占7%～25%，鉀長石居多，斜長石較少，平均14.1%；含有石英41%～70%，平均60%，普遍發(fā)育次生加大邊，局部區(qū)域石英受強壓實作用具裂紋；須六段具石英含量中等、長石含量相對較低和巖屑含量(Q59F13.2R27.6)相對較高，須四段與須六段具有相似的特征(Q61F14.9R23.7)，據(jù)Dickinson三角圖解分析表明其具有再旋回造山帶物質(zhì)來源[13]。砂巖粒度以中粒、中-粗粒結(jié)構(gòu)為主，顆粒接觸關(guān)系少見凹凸接觸，常見縫合線接觸，雜基較少(通常<2%)，膠結(jié)物較多，主要包括硅質(zhì)膠結(jié)物、環(huán)邊綠泥石膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)物，局部見黏土礦膠結(jié)物和少量菱鐵礦膠結(jié)物。碳酸鹽膠結(jié)物充填于原生粒間孔和次生溶蝕孔，包含類型有早期泥晶方解石、連晶方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石；硅質(zhì)膠結(jié)物主要為自生石英和次生加大邊，硅質(zhì)膠結(jié)物與碳酸鹽膠結(jié)物和自生綠泥石呈負相關(guān)[8]；黏土礦物包括伊利石、高嶺石、伊/蒙混層和綠泥石，其中自生綠泥石產(chǎn)出類型主要為三類：環(huán)邊綠泥石膠結(jié)、黏土礦物綠泥石化和充填孔隙的綠泥石[14]。分選中等-差，成分成熟度中等，磨圓度以次棱-次圓為主，結(jié)構(gòu)成熟度中等，主要為顆粒支撐，膠結(jié)方式主要是基底式膠結(jié)，見局部有礦物和巖屑強烈變形，膠結(jié)物具明顯交代、穿插現(xiàn)象，因此，砂巖在埋藏過程中遭受強烈機械壓實作用與晚期膠結(jié)作用，總體上表現(xiàn)比較致密(圖3(A))。

2.2 成巖作用微觀表征

2.2.1 機械壓實-壓溶作用

研究區(qū)最重要的成巖作用是機械壓實-壓溶作用，貫穿于整個成巖演化過程，是導致本區(qū)砂巖致密化的主要因素之一。機械壓實作用開始于成巖作用早期，使軟沉積物脫水，粒間孔減小，硬度密度增大[15]；機械壓實作用隨埋藏加深不斷增強，并不斷改變顆粒接觸關(guān)系，最終形成線接觸-縫合線接觸、凹凸接觸(圖3(B))，并有部分礦物顆粒破裂現(xiàn)象(圖3(E))，主要現(xiàn)象有以下5個方面：(1)以縫合線接觸為主的顆粒接觸關(guān)系，部分為凹凸接觸；(2)云母片被壓彎，巖屑顆粒發(fā)生塑性形變(圖3(C))；(3)雜基較少(通常<2%)，顆粒支撐，膠結(jié)物較多，基底式膠結(jié)占主要，粗碎屑顆粒、小孔隙、細吼道結(jié)構(gòu)較常見；(4)石英顆粒與云母片發(fā)生穿插接觸(圖3(D))，云母片被壓斷；(5)隨埋深增加砂巖孔滲參數(shù)呈下降趨勢，表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性，對儲層物性起破壞性作用[16]。壓溶作用通常發(fā)生在深埋藏環(huán)境，龍女寺東端須四段壓溶作用主要表現(xiàn)在石英次生加大方面，并發(fā)現(xiàn)石英Ⅲ期次生加大現(xiàn)象，由于石英次生加大較發(fā)育，這與壓溶作用密不可分。

2.2.2 膠結(jié)作用

2.2.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)物可分為方解石、白云石、菱鐵礦、鐵方解石和鐵白云石。方解石可呈鑲嵌狀、粒狀和襯邊狀產(chǎn)出；呈自形晶的白云石通常形成于粒間溶孔，或呈薄膜狀膠結(jié)碎屑顆粒；菱鐵礦在砂巖中表現(xiàn)為由分散凝膠集形成的球粒狀(圖3(G))。碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于同生期和中成巖晚期，同生期的膠結(jié)物呈隱晶-微晶，結(jié)晶程度較差，中成巖晚期的膠結(jié)物常見粉晶-粗晶，結(jié)晶程度較好。方解石和白云石常形成于早成巖期，鐵白云石和鐵方解石常形成于中成巖晚期。成巖早期(鋁)硅酸鹽礦物的水-巖相互作用對連晶方解石的沉淀起到重要影響。水-巖相互作用能使長石表面發(fā)生絹云母化、各種暗色礦物褪色，并使成巖早期孔隙流體酸堿度由中性或中偏堿性向堿性轉(zhuǎn)變，同時產(chǎn)生K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Fe2+等游離的金屬離子，為連晶方解石的沉淀提供物質(zhì)來源，除此之外，為同生-早成巖階段菱鐵礦的形成提供了物質(zhì)來源[10]。

龍女寺地區(qū)須家河組中常發(fā)育一些灰質(zhì)砂巖夾層，連晶方解石充填原生孔隙，具有較高的負膠結(jié)物孔隙度，見含少量泥質(zhì)填隙物，未見石英加大邊等膠結(jié)物；據(jù)全區(qū)5口井30個灰質(zhì)砂巖樣品統(tǒng)計，灰質(zhì)含量在14.8%～35.3%之間，平均為23.16%，灰質(zhì)含量高的樣品多集中在礫巖、碳酸巖屑含量高的中-粗砂巖粉及細砂巖中，因此方解石膠結(jié)物含量與巖屑成分和粒度關(guān)系較大。

2.2.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)

圖3 龍女寺東端須家河組四段成巖現(xiàn)象鏡下特征Fig.3 Microscopic features of diagenetic phenomena of the fourth section sandstone in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvsi(A)中粒長石巖屑砂巖全貌，致密膠結(jié)，廣安127井，須四段，2 297.87 m，10×5(+)；(B)中粒長石巖屑砂巖全貌，顆粒縫合線接觸，廣安127井，須四段，2 297.18 m，10×5(+)；(C)云母片被壓彎，巖屑塑性變形，廣安127井，須四段，2 297.18 m，10×10(+)；(D)云母片與石英顆粒穿插接觸，方解石膠結(jié)，廣安127井，須四段，2 297.48 m，10×10(+)；(E)云母片被壓斷，強烈壓實作用，廣安127井，須四段，2 297.48 m，10×10(+)；(F)石英次生加大，廣安127井，須四段，2 297.48 m，10×10(+)；(G)菱鐵礦膠結(jié)，廣安127井，須四段， 2 297.87 m，10×20(+)；(H)石英Ⅲ期加大，廣安127井，須四段，2 298.42 m，10×20(+)；(I)綠泥石環(huán)邊,廣安127井，須四段，2 299.05 m，10×20(-);(J)方解石交代長石，廣安127井，須四段，2 299.05 m，陰極發(fā)光；(K)方解石交代石英顆粒，廣安127井，須四段，2 298.07 m，10×20(+)；(L)白云石交代長石顆粒，廣安127井，須四段，2 298.07 m，10×20(+)；(M)長石絹云母化，廣安127井，須四段，2 297.18 m，10×10(+)；(N)有機質(zhì)充填粒間縫，廣安127井，須四段，2 298.42 m，10×20(+)；(O)石英顆粒裂縫，指示構(gòu)造活動，方解石膠結(jié)，廣安127井，須四段，2 297.18 m，10×10(+)

自生石英和石英次生加大邊是硅質(zhì)膠結(jié)的表現(xiàn)形式。石英次生加大在研究區(qū)普遍發(fā)育，鏡下表現(xiàn)為鑲嵌狀或自形晶面(圖3(F))，通常次生加大邊厚度為0.05～0.3 mm，是成巖過程中常見的自生礦物，且具期次性。第Ⅰ期石英加大邊被環(huán)邊綠泥石包裹，只在少數(shù)石英顆粒表面發(fā)育自形晶面或薄的次生加大邊，故第Ⅰ期石英加大邊應屬于早成巖階段B期的成巖壓實作用階段產(chǎn)物，由原巖中的石英壓溶提供物質(zhì)來源，且不甚發(fā)育；中成巖期形成第Ⅱ、Ⅲ期石英次生加大邊，發(fā)育于綠泥石包殼之外，來源于長石的溶解，因此較為發(fā)育，第Ⅲ期自生石英主要占據(jù)粒內(nèi)溶孔和少量粒間溶孔，能擴展的空間很小，由此生長出它形晶面，呈凹凸接觸和縫合線接觸(圖3(H))。

須家河組的石英次生加大通常伴有長石的強烈溶蝕現(xiàn)象，其原因為須家河組內(nèi)近源泥巖層在生烴階段使有機物進入砂巖儲集層與孔隙流體混合成有機酸流體，有機酸流體通過孔隙或裂縫運移過程中與長石發(fā)生化學反應，促使長石溶解的有機絡合物鋁硅酸鹽發(fā)生遷移，不僅加快溶解長石的進程，同時溶解長石析出的過量SiO2還以石英膠結(jié)物形式沉淀下來[10]。由于該凹陷斜長石含量較高，所以這是Ⅱ、Ⅲ期石英次生加大的主要物質(zhì)來源。

2.2.2.3 環(huán)邊綠泥石膠結(jié)

研究區(qū)沉積相由三角洲向內(nèi)陸湖盆轉(zhuǎn)變，是最適合環(huán)邊綠泥石發(fā)育的沉積環(huán)境，因此綠泥石膠結(jié)在研究區(qū)比較發(fā)育。從鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，綠泥石膠結(jié)主要具如下特點：(1)早期綠泥石呈薄膜狀分布于兩期硅質(zhì)膠結(jié)物之間，對中心顆粒進行包裹，包殼厚度相等(圖3(I))，在原有綠泥石表面繼續(xù)生長的綠泥石呈纖維狀垂直顆粒生長；(2)巖屑砂巖中在含火成巖屑較多的區(qū)域易形成綠泥石薄膜，因為火成巖屑蝕變能為綠泥石生長提供物源，同時火成巖屑抗壓能力強使粒間孔隙受壓實作用影響較??；(3)綠泥石包殼厚約3～5 μm，綠泥石薄膜出現(xiàn)在呈線接觸的碎屑顆粒之間，說明綠泥石薄膜形成于同沉積期，即壓實作用開始之前；(4)綠泥石薄膜發(fā)育程度受石英含量影響較大，綠泥石薄膜不發(fā)育是由石英含量過高導致，引起綠泥石薄膜沒有物質(zhì)來源；石英顆粒含量過低，巖石受壓實作用影響大，粒間孔隙損失較大，也會導致綠泥石包殼不發(fā)育。

2.2.3 交代作用

通過鏡下觀察，交代作用是須家河組常見的成巖作用。交代形式多樣，現(xiàn)象明顯，主要發(fā)育方解石交代長石現(xiàn)象(圖3(J))，方解石交代石英現(xiàn)象(圖3(K))，白云石交代長石現(xiàn)象(圖3(L))，長石的絹云母化(圖3(M))。交代作用具有以下特點：(1)這種交代現(xiàn)象占據(jù)了儲集空間，不利于儲層的發(fā)育；(2)說明方解石和白云石膠結(jié)物形成于長石溶蝕之后，是溶蝕作用后沉淀形成；(3)交代碎屑的碳酸鹽礦物可在晚期溶解，產(chǎn)生少量溶蝕孔。

2.2.4 溶蝕作用

溶蝕作用在研究區(qū)砂巖成巖過程中廣泛存在[17-18]，主要表現(xiàn)在須家河組儲層以次生孔為主，原生孔為輔，被溶蝕礦物主要為長石、易溶巖屑及碳酸鹽礦物，長石溶蝕和易溶巖屑溶蝕是改善儲集層物性主要途徑(圖4)。溶蝕作用分為埋藏期溶蝕作用和同生期溶蝕作用[19]。同生期沉積物遭受不飽和大氣淡水和混合水溶蝕作用，發(fā)生組構(gòu)溶解，形成粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔；埋藏期須家河組內(nèi)近源泥巖層的烴演化使有機組分進入砂巖層與孔隙流體形成有機酸流體，并溶蝕長石、易溶巖屑及碳酸鹽礦物，從而形成晶間孔和溶蝕擴大孔，長石溶蝕孔占次生孔隙的44%，根據(jù)圖3(N)的有機質(zhì)殘留物可推斷有機酸流體對溶蝕作用有較大建設性，因此顆粒和不穩(wěn)定組分的溶蝕與有機酸流體有著密不可分的關(guān)系，這也是形成硅質(zhì)膠結(jié)物的途徑。

圖4 須家河組儲集空間百分比分布直方圖Fig.4 Distribution histogram of reservoir space percentage in the Xujiahe Formation

2.2.5 構(gòu)造破裂作用

破裂作用包括構(gòu)造成因和非構(gòu)造成因，構(gòu)造成因是由構(gòu)造運動引起，非構(gòu)造成因主要為差異壓實作用引起，結(jié)果都是產(chǎn)生裂縫。受喜馬拉雅運動和龍門山抬升影響，研究區(qū)須家河組巖層在龍門山前陸沖斷帶內(nèi)發(fā)生強烈的側(cè)向擠壓變形，產(chǎn)生大量裂縫和斷裂[15,20-21]。圖3(O)由于強烈的側(cè)向擠壓使石英破裂形成裂縫，故須四段儲層中的裂縫主要為構(gòu)造裂縫。構(gòu)造成因縫對儲層物性具有建設性，為酸性流體提供運移通道，提高了儲層孔隙度、滲透率和孔隙連通性，并為油氣運移聚集提供了有利條件；但是強烈的構(gòu)造運動對儲層進一步壓實，造成部分原生孔和次生孔損失。

3 成巖流體活動及演化規(guī)律

3.1 成巖演化階段劃分

在碎屑巖成巖過程中，區(qū)域不同、構(gòu)造史不同、成巖階段不同都會出現(xiàn)不同成巖作用和不同自生礦物組合關(guān)系。通過對龍女寺東端須家河組綜合埋深、鏡質(zhì)體反射率(Ro)、自生礦物次序、巖石結(jié)構(gòu)和伊/蒙混層比研究，再根據(jù)應鳳祥的碎屑巖成巖階段劃分標準與標志[22]對龍女寺東端須家河組成巖階段進行劃分(圖5)。

圖5 龍女寺東端地區(qū)須家河組成巖順序及孔隙演化示意圖Fig.5 Sketch map of diagenetic sequence and pore evolution in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvsi

研究結(jié)果表明：(1)機械壓實、壓溶作用是早成巖階段的主要成巖作用，壓實作用隨著埋藏加深不斷增強，使顆粒由點接觸—線接觸—凹凸接觸變化，原始沉積環(huán)境處于內(nèi)陸湖泊向三角洲轉(zhuǎn)變階段，沉積水介質(zhì)為中性—堿性還原環(huán)境，故基底式膠結(jié)的泥晶方解石是最早形成的自生礦物；(2)石英Ⅰ期加大的物質(zhì)主要來源于壓溶作用，故石英Ⅰ期加大形成于泥晶方解石之后[10]；(3)圖3I顯示了綠泥石薄膜發(fā)育于石英Ⅰ期加大邊的外圍，且對石英Ⅰ期加大起抑制作用，故綠泥石薄膜形成于石英Ⅰ期加大之后；(4)黏土礦物轉(zhuǎn)化、有機酸流體對長石、巖屑和方解石進行溶解，為廣泛發(fā)育的石英Ⅱ、Ⅲ期加大提供主要物質(zhì)來源和孔隙空間，故長石、巖屑等溶解作用早于石英Ⅱ、Ⅲ期加大；(5)在喜山運動早期地表堿性水進入環(huán)邊綠泥石的剩余原生粒間孔中沉淀第二期連晶方解石膠結(jié)，故連晶方解石形成石英Ⅱ、Ⅲ期加大之后，受喜山運動影響，地殼抬升地溫下降，有機質(zhì)成熟熱演化受到破壞，富含Ca2+、Fe2+、Mg2+的酸性水向堿性水轉(zhuǎn)化，并析出(鐵)白云石、鐵方解石[23]；(6)構(gòu)造運動產(chǎn)生的大量裂縫由被晚期熱液流體析出的石英脈和方解石脈充填。據(jù)此，研究區(qū)自生礦物由早到晚形成的相對順序為:泥晶方解石→石英Ⅰ期加大→綠泥石薄膜→巖屑、長石溶解→石英Ⅱ期加大(充填粒間溶孔、剩余粒間孔)→石英Ⅲ期加大(充填粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔)→連晶方解石→(鐵)白云石→鐵方解石→后期溶蝕作用→方解石脈、石英脈形成。在廣安127井深度2 298.45 m處，能指示成巖階段的礦物特征有方解石交代長石與石英、云母片與石英顆粒穿插接觸、白云石交代長石等，孔隙類型以次生孔隙為主，原生孔隙為輔，有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率分布于1.3%～1.62%之間(圖6)，根據(jù)應鳳祥的碎屑巖成巖階段劃分標準與標志和自生礦物形成次序判斷廣安地區(qū)須家河組主要處于中成巖A-B期。龍女寺須家河組的有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率分布于1.24%～1.51%之間，再結(jié)合龍女寺東端地區(qū)須家河組伊/蒙混層比和巖石結(jié)構(gòu)特征(圖5)與成巖階段的關(guān)系推導出龍女寺東端目前主要處于中成巖A-B期，少數(shù)已進入晚成巖期。因此，龍女寺東端須家河組總體為中成巖A-B期。

圖6 研究區(qū)鏡質(zhì)體反射率特征Fig.6 Characteristics of the vitrinite reflectance of study area

3.2 成巖流體活動及成巖演化過程

研究區(qū)目前主要處于中成巖A-B期，其成巖演化經(jīng)歷了同生成巖期、早成巖A期、早成巖B期、中成巖A期和中成巖B期，在成巖演化過程中必然伴隨著成巖流體活動，且成巖流體活動又是該區(qū)砂巖致密化的重要因素之一，據(jù)此，在成巖演化過程中探討成巖流體活動對查明該區(qū)砂巖致密化成因具有重要意義(圖7)。

3.2.1 同生成巖階段

該階段原始沉積環(huán)境為內(nèi)陸湖盆向三角洲轉(zhuǎn)變，沉積顆粒較細小，沉積物在不斷沉淀的過程中，弱堿性-堿性的沉積水介質(zhì)為沉淀早期泥晶方解石提供了條件，上覆軟沉積物不斷增加，使下伏顆粒接觸變得緊密，原生粒間孔依然為主要孔隙類型。研究區(qū)分選性為中等，因原生孔隙與粒度無關(guān)，與分選性有關(guān)，故推測研究區(qū)同生期孔隙度為34%[10]。早期方解石膠結(jié)將獨立的碎屑顆粒固結(jié)起來形成巖石，局部可見泥晶-微晶菱鐵礦沉淀于粒間孔隙[24]。

鏡下薄片鑒定發(fā)現(xiàn)環(huán)邊綠泥石呈近等厚狀環(huán)繞在石英I期加大邊周圍，據(jù)姚涇利對延長組砂巖中綠泥石薄膜的形成機制研究發(fā)現(xiàn)第一世代環(huán)邊綠泥石屬于同沉積時期的產(chǎn)物[25]。姚涇利認為綠泥石薄膜是由同沉積時期黏土微粒吸附和后期富Fe離子流體作用共同形成，強水動力條件使黏土微粒無法沉淀，只能吸附于顆粒表面形成等厚薄膜，再被后期富Fe離子流體作用發(fā)生綠泥石化形成。這與黃思靜認為綠泥石薄膜是在沉積期后形成相反[14]。(1)若綠泥石薄膜形成于沉積期后，則不能滿足近等厚圓環(huán)的條件，因為沉積期后在壓實作用下顆粒之間緊密接觸，原生粒間孔減少，并出現(xiàn)顆粒周圍空間分布不均勻，因此不能達到近等厚的條件。(2)若綠泥石薄膜形成于同沉積期，由于石英Ⅰ期加大邊形成于壓溶作用之后，依據(jù)自生礦物組合關(guān)系，環(huán)邊綠泥石應形成于石英Ⅰ期加大邊之后，那么綠泥石薄膜又為什么形成于同沉積期呢？原因在于黏土微粒吸附在顆粒周圍，由于水動力強的原因，沉積顆粒粒度大小相近，吸附的黏土微粒量也相差不大，并一起沉積在原始石英顆粒周圍，經(jīng)過壓實作用形成近等厚狀，由于石英Ⅰ期加大邊的物質(zhì)主要來源于壓溶作用，故石英顆?？梢孕纬伞白援a(chǎn)自銷”的溶解-沉淀模式，既不干擾綠泥石薄膜，也為富Fe離子流體形成埋下伏筆，待石英Ⅰ期加大邊形成之后黏土膜緊接著發(fā)生綠泥石化。

3.2.2 早成巖階段

圖7 龍女寺東端須家河組砂巖成巖流體深化示意圖Fig.7 Sketch map of diagenetic fluid evolution of sandstones in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvis

早成巖A期主要以機械壓實作用為主，顆粒由點接觸—線接觸—凹凸接觸變化，原生粒間孔逐漸減少，在該階段同沉積時期形成的泥晶方解石、碎屑中的剛性顆粒石英及巖屑(特別是碳酸鹽巖屑)等為原生孔隙抵抗機械壓實作用做出了建設性作用，有效減少了儲層物性的損失，但原生孔隙度的減少是必不可免的，因此孔隙度由原來的34%降低到20%左右[24]。

水-巖相互作用也發(fā)生于早成巖B期，鋁硅酸鹽礦物與巖漿巖巖屑和成巖流體發(fā)生水-巖相互作用，該活動中有機酸使長石表面發(fā)生絹云母化、各種暗色礦物褪色等，并產(chǎn)生大量K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Fe2+等游離金屬離子，為黏土薄膜綠泥石化提供條件，也為后期連晶方解石和(鐵)白云石的形成提供物質(zhì)基礎。石英I期加大和綠泥石薄膜的形成占據(jù)了孔隙體積，長石、巖屑的溶蝕又產(chǎn)生了次生孔隙，該階段孔隙體積總體上減少到10%～15%，孔隙類型主要為剩余原生粒間孔。

3.2.3 中成巖階段

中成巖A期酸性流體的溶蝕作用為主要成巖作用，石英Ⅱ、Ⅲ期加大，長石、巖屑等易溶組分溶解為主要流體活動。該階段發(fā)育大量石英Ⅱ、Ⅲ期加大，據(jù)對深埋砂巖儲層中石英膠結(jié)作用和孔隙損失的動力學模擬認為，石英次生加大邊大量發(fā)育后，孔隙損失不再取決于壓實作用，而取決于石英加大的量[10]；該階段鏡質(zhì)體反射率值為0.5%～1.58%，表明有機質(zhì)進入生烴高峰期，但只見少數(shù)區(qū)域存在原油侵染的痕跡，多數(shù)有機質(zhì)包裹體都為純氣相包裹體(表2)，因此從這方面也能證明須家河組砂巖儲層比較致密，導致原油無法流動；石英Ⅱ、Ⅲ期加大過程中伴隨著有機質(zhì)包裹體與流體包裹體同幕形成的現(xiàn)象，并保存于Ⅱ、Ⅲ期加大的石英中。由表1可知，石英Ⅱ期加大的溫度范圍為122.6～134.6 ℃，平均124.7 ℃，平均鹽度11.8wt.%NaCl，石英Ⅲ期加大的溫度范圍134.6～144.4 ℃，平均142.0 ℃，平均鹽度17.47wt.%NaCl，并存在氣相包裹體與流體包裹體出現(xiàn)在同一石英晶體中的現(xiàn)象，故該階段酸性流體作為主要成巖流體對長石、巖屑等進行溶蝕，產(chǎn)生次生孔隙，酸性流體對碳酸鹽礦物的溶蝕較少見，蒙/伊轉(zhuǎn)化和長石溶解導致流體中SiO2含量持續(xù)上升并出現(xiàn)自生石英連續(xù)沉淀現(xiàn)象。石英Ⅱ、Ⅲ期加大使原生粒間孔降低至5%，并導致儲層孔喉變細，孔喉半徑在0.053 5～0.651 9 μm之間，平均0.330 6 μm，中值孔喉半徑在0.006 5～0.319 4 μm之間，平均0.060 2 μm，但溶蝕作用產(chǎn)生的次生溶孔將儲層孔隙度提升到10%左右。

表1 龍女寺東端須家河組巖心樣品包裹體均一溫度統(tǒng)計表

Table 1 Homogenization temperature of fluid inclusions of core samples in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvsi

序號井號深度/m鹽水包裹體均一溫度/℃換算鹽度平均值/wt%NaClTh1Th2Th3序號井號深度/m鹽水包裹體均一溫度/℃換算鹽度平均值/wt%NaClTh1Th2Th31合川3214371962122614381221411767廣安12122494112091230143134501902合川320745694312281417911921798廣安101228561077125814441091651983合川31907793912521427931531599合川31920594712331411911061794合川32078421024122814235614515410廣安1012276710621242144374461425廣安1212207131015134613467416616611合川3215104100612461436100491866廣安121221281104412451401965118912廣安101207659641228142632155179

表2 樣品流體包裹體測試分析及熒光觀察結(jié)果

中成巖B期受燕山-喜山運動影響，地殼抬升，地溫下降，有機質(zhì)熱演化受到抑制，有機酸流體不再持續(xù)注入，成巖流體由酸性向中性-堿性轉(zhuǎn)化，此時成巖流體處于飽和狀態(tài)，并停止對易溶組分的溶解，富K+、Mg2+、Fe2+和Ca2+堿性流體開始析出連晶方解石膠結(jié)物和(鐵)白云石沉淀，并發(fā)生方解石交代長石與石英和白云石交代長石等現(xiàn)象，大量碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀和各種交代作用使儲層孔隙度大大降低，從而出現(xiàn)次生孔隙為主原生孔隙為輔的局面；粒內(nèi)溶孔作為次生孔主要孔隙類型，孔喉通常小于0.04 mm，在須家河組致密砂巖儲層中該種孔隙通常占總孔隙的45%～60%，在喜山運動背景下儲層形成了大量微裂縫，并為儲層連通性和滲透率的提升做出了一定貢獻。

4 致密砂巖的儲層形成機理

致密砂巖儲層形成機理主要包括殘余原生孔隙的保存和次生孔隙的形成兩個方面，然而它們并不由單一因素控制，而由多種因素共同控制?？刂浦旅苌皫r儲層形成的主要因素有原始沉積環(huán)境、古地溫、溶蝕作用和構(gòu)造背景，原始沉積環(huán)境和溶蝕作用從微觀上控制儲層形成，古地溫和構(gòu)造背景從宏觀上控制儲層形成。原始沉積環(huán)境影響顆粒粒度和早期膠結(jié)物的形成，溶蝕作用主要對不穩(wěn)定礦物進行溶蝕并為儲層的形成創(chuàng)造條件，古地溫通過影響有機質(zhì)演化對儲層形成提供途徑，構(gòu)造背景產(chǎn)生的裂縫快速提升儲層物性。

4.1 有利的沉積環(huán)境

不同的巖石結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的孔隙度差異[27]。研究區(qū)的原始沉積環(huán)境為內(nèi)陸湖盆向三角洲轉(zhuǎn)變，水動力較強，泥質(zhì)含量很少，顆粒粒度主要為中-粗粒，粒度較均一、分選較好，分選越好抗壓實能力越強，對原始孔隙保存越有利。該沉積環(huán)境水介質(zhì)為弱堿性-堿性，為早期方解石和環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物的形成提供條件，早期方解石以無鐵泥晶為主，以分布于骨架顆粒邊緣的形式出現(xiàn)在原生孔隙中，能夠提高骨架顆粒的抗壓實性，對原生孔隙起到一定的保護作用；環(huán)邊綠泥石形成于同生期-早成巖A期，即強機械壓實作用之前，不僅能增大巖石的抗壓實能力，還能阻止石英次生加大和晚期碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育，使部分殘余原生孔隙得以保存，甚至還可以促進溶蝕作用的發(fā)生[28]。研究區(qū)儲層中的火山巖巖屑、碳酸鹽巖巖屑和石英等剛性物質(zhì)也能夠增強巖石抗壓實能力，并能有效減少原生粒間孔的損失。

4.2 不穩(wěn)定礦物的溶蝕作用

溶蝕作用是對儲層具建設性的重要成巖作用，通常開始發(fā)生于早成巖B期。古地溫是影響?zhàn)ね恋V物轉(zhuǎn)化和有機酸流體形成的主要因素，黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機酸流體對長石、巖屑(特別是火成巖巖屑)等不穩(wěn)定礦物的溶蝕作用對致密砂巖儲層形成起重要作用。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，次生孔隙為研究區(qū)主要孔隙類型(圖4)，并且溶蝕作用是影響次生孔隙形成的主要作用，溶蝕作用主要表現(xiàn)為長石和不穩(wěn)定巖屑礦物的溶解，早期溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙會被后期壓實作用和膠結(jié)作用破壞，而后期不穩(wěn)定礦物溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙對致密砂巖儲層形成起主要作用。在地層酸性流體環(huán)境下，三種長石的穩(wěn)定性依次為鈣長石<鈉長石<鉀長石[29-30]，鈣長石首先發(fā)生溶解，產(chǎn)生伊利石或高嶺石，直至深埋藏階段消耗殆盡，產(chǎn)生的次生孔隙又被壓實作用和膠結(jié)作用破壞；而鉀長石主要在后期溶蝕，產(chǎn)生的次生孔隙基本不受壓實作用影響，是儲層孔隙度的絕對貢獻值。次生孔隙為研究區(qū)主要孔隙類型的原因有：(1)較多；(2)須家河組為煤系地層，有機酸流體含量豐富[27]；(3)長石、巖屑等不穩(wěn)定礦物遭受有機酸溶蝕時間較長，從早成巖B期一直作用到中成巖A期末。

4.3 異常高壓

據(jù)郝國麗等對川中-川南須家河組異常高壓的成因研究表明，須家河組存在異常高壓區(qū)，但其異常高壓的成因與川西不同，川西的異常高壓主要受構(gòu)造運動影響形成，而川中-川南由于構(gòu)造格局較平緩，其異常高壓并不受構(gòu)造運動影響形成，而是生烴作用和砂巖致密化共同影響形成[31-32]。隨著埋藏加深，古地溫逐漸升高，有機質(zhì)趨于成熟，干酪根在熱降解的過程中不僅生成烴類氣體，還生成非烴類氣體二氧化碳和水，由于須家河組為“三明治”式自生自儲的巖層，加上砂巖致密化，抑制流體活動，使生烴作用產(chǎn)生的高壓得以保存。異常高壓作為影響儲層形成因素之一主要有以下方面：(1)異常高壓可以減緩礦物的壓溶作用，并對抑制石英次生加大起一定作用[33]；(2)能有效增強巖石的抗壓實能力；(3)超壓為儲層后期次生孔隙發(fā)育創(chuàng)造了一定條件[34]。

4.4 構(gòu)造破裂作用

須家河組砂巖致密化使儲層具低孔低滲的特點，但受構(gòu)造運動影響產(chǎn)生了大量裂縫(以微裂縫為主，但不是主要儲集空間)，使孔隙間的連通性變好，并為成巖流體提供了有效的運移通道，同時烴類早期注入儲層能夠延緩或抑制膠結(jié)作用的進程[35]，為溶蝕擴大孔隙和裂縫提供條件，從而形成有效儲層。最早發(fā)現(xiàn)的裂縫形成于印支運動晚期，大多數(shù)被方解石脈和石英脈完全充填，燕山-喜山運動產(chǎn)生的裂縫多為有效縫，對油氣成藏起促進作用[36]。表3中須四段微裂縫發(fā)育比例較大，未充填和部分充填占較大比例，為儲層大多數(shù)封閉孔隙搭建了連通通道，使孔隙的有效率增高和儲層滲濾能力大幅度被改善，對儲層高產(chǎn)起關(guān)鍵性作用。

表3 須四段裂縫充填情況統(tǒng)計表

Table 3 Statistics of fracture filling condition of the fourth section sandstone in the Xujiahe Formation

井號完全充填/個部分充填/個未充填/個薄片總數(shù)/個微裂縫發(fā)育比例/%廣安1103940622286184廣安1215827172184679廣安128586001378613廣安1072069642516096匯總 1751961438346192

5 結(jié) 論

(1)須家河組砂巖儲層具低孔低滲的特點，分選中等-差，成分成熟度中等，磨圓度以次棱-次圓為主，結(jié)構(gòu)成熟度中等，主要為顆粒支撐，膠結(jié)方式主要是基底式膠結(jié)，總體上表現(xiàn)比較致密。

(2)龍女寺東端須家河組在地質(zhì)演化過程中經(jīng)歷了機械壓實-壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶蝕作用及構(gòu)造破裂作用，機械壓實作用和膠結(jié)作用對儲層具破壞性，使原生孔隙和次生孔隙遭到破壞，是導致砂巖致密化的主要因素；壓溶作用、溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用對儲層具建設性，使總孔隙度增大和儲層滲流能力提高，是儲層形成的重要因素。

(3)須家河組目前處于中成巖A-B期，孔隙演化和成巖流體演化關(guān)系密切，石英次生加大現(xiàn)象普遍，是砂巖致密化的主要因素之一；有機酸流體對砂巖儲層作用時間較長，導致長石和易溶巖屑等不穩(wěn)定礦物大量溶解，產(chǎn)生大量次生孔，為儲層形成做出重要貢獻；構(gòu)造抬升產(chǎn)生大量微裂縫，對連通孔隙起到重要作用，同時構(gòu)造抬升使地層流體由酸性向堿性轉(zhuǎn)變，并析出較多碳酸鹽膠結(jié)物。

(4)致密砂巖儲層的形成與原始沉積環(huán)境、溶蝕作用、大量生烴作用和構(gòu)造運動分不開，顆粒粒度、剛性礦物、水-巖相互作用、生烴作用和構(gòu)造運動為儲層總孔隙度和滲濾能力提升起到關(guān)鍵作用。

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Diagenesis of Tight Sandstones and Formation Mechanism of the Reservoir in the Xujiahe Formation, the Eastern Margin of Longnvsi

JIANG Wei1，TAN Xianfeng1,2，WANG Jia1,2，F(xiàn)U Mingqing3，CHEN Qing1,2，WU Kangjun1,2，RAN Tian1

(1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2.KeyLaboratoryofExplorationandDevelopmentofComplexOilandGasFieldsinChongqing，Chongqing401331，China；3.Xi’anInstituteofGeologicalandMineralExploration,Xi’an,Shaanxi710100，China)

Tight sandstones as an important carrier of unconventional oil and gas is great significance to study its densifying cause and formation of the reservoir.Through using drilling core, thin section observation, cathode luminescence and fluid inclusion, this article has researched diagenesis and the reservoir’s formation mechanism of tight sandstones in the Xujiahe Formation, the eastern margin of Longnvsi, Sichuan. The results show that the Xujiahe Formation of the eastern margin of Longnvsi suffered mechanical compaction, pressure solution, cementation, replacement, dissolution and fracture. Mechanical compaction and cementation are the main factors that lead to densification of sandstones. Dissolution and fracture are the main factors that lead to formation of the reservoir. At present,the Xujiahe Formation is in the middle diagenetic stage A-B. Main experienced fluid activities are early calcite cementation and chlorite film of surface water precipitation in syndiagenetic stage. Pressolution controls the formation of secondary quartz increase and pore fluid dissolution of clay minerals,feldspars,easily dissolved cuttings etc. in the early diagenetic stage B. A large number of oil and gas injecting promote secondary increase of quartz and dissolute a small amount of calcites in the middle diagenetic stage A. The formation of the Yanshan and Himalayan movement promote the formation of the reservoir in the middle diagenetic stage B. The formation mechanism of the reservoir is mainly covered by the preservation of the residual primary hole and the formation of the secondary pores. Formation of the reservoir is jointly controlled by favorable sedimentary environment, dissolution, abnormal high pressure and tectonic rupture. Favorable sedimentary environment, dissolution and abnormal high pressure are mainly to protect the primary hole and to form secondary pores. A large number of micro cracks are produced by tectonic disruption, not only improving seepage ability of the reservoir, also providing the conditions for forming the dissolution pores.

tight sandstone;diagenesis;reservoir;Xujiahe Formation;eastern margin of Longnvsi

2016-06-07；改回日期：2016-07-20；責任編輯：孫義梅。

國家自然科學基金項目(41202043); 中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2014D-5006-0108);重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ1401316); 重慶科技學院優(yōu)秀人才支持計劃(201502)。

蔣 威，男，學士，1995年出生，資源勘查工程專業(yè)，主要從事碎屑巖成巖作用研究。Email：529722086@qq.com。

譚先鋒，男，博士，副教授，1982年出生，地質(zhì)學專業(yè)，主要從事沉積地質(zhì)與古環(huán)境方面研究。

Email：xianfengtan8299@163.com。

TE122.2

A

1000-8527(2016)06-1348-13