劉四兵，沈忠民，呂正祥，宋榮彩，王 鵬

油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室/成都理工大學，成都 610059

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川西新場氣田上三疊統(tǒng)須二、須四段相對優(yōu)質(zhì)儲層成因差異性分析

劉四兵，沈忠民，呂正祥，宋榮彩，王 鵬

油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室/成都理工大學，成都 610059

川西新場地區(qū)須家河組儲層埋藏深度大、成巖作用復雜、致密化程度高，但在整體超致密背景下，局部仍發(fā)育較多的相對優(yōu)質(zhì)儲層。相對優(yōu)質(zhì)儲層在埋深較大的須二段，往往發(fā)育較多的原生孔隙，和相對次要的次生孔隙；而埋深較小的須四段儲層，次生孔隙占絕對優(yōu)勢，原生孔隙發(fā)育較少。造成這一現(xiàn)象的主要原因是須二、須四段原生孔隙保存和次生孔隙發(fā)育機制上的差異。須二段儲層中較多剛性顆粒的存在和較為發(fā)育的包膜綠泥石是原生孔隙得到較好保存的主要原因；而其較大的單砂層厚度和較少的泥巖發(fā)育則導致了有機酸性流體的注入量較少，長石溶蝕有限。須四段塑性巖屑含量明顯較高，儲層原生孔隙在壓實作用下幾乎消失殆盡，但較薄的單砂層厚度和較多泥巖的疊置發(fā)育使長石在有機酸性流體作用下得到了充分溶蝕；這是須四段儲層次生孔隙相對發(fā)育、長石含量很低、同時還有自生高嶺石沉淀的主要原因。

致密砂巖；相對優(yōu)質(zhì)儲層；須家河組；新場氣田

0 引言

壓實作用是碎屑巖儲層原生孔隙損失的主要機制，而溶蝕作用則是改善儲層物性的重要機制。通常情況下，砂巖的原生孔隙度是隨著埋深(上覆載荷)增加而逐漸減少的，部分學者認為它們之間是一個相對明確的函數(shù)關(guān)系[1-3]。然而，砂巖的壓實作用并非如此簡單，在不同骨架顆粒組成的砂巖中，壓實作用對原生孔隙的影響有明顯的差異。有關(guān)研究表明：對于干凈、分選好、富石英的砂巖而言，在不考慮沉積期后水巖相互作用的情況下，在埋深6 km附近的砂巖的粒間體積仍然保持在20%以上[4-7]，也就是說，如果沒有其他成巖作用的摻和，壓實作用很難完全破壞剛性顆粒砂巖原生孔隙的保存，砂巖中仍然可以具有較高的原生孔隙度。而對于存在較多塑性顆粒的砂巖儲層來說，儲層原生孔隙度的變化不僅與塑性顆粒的含量多少有關(guān)，同時也與塑性顆粒的性質(zhì)有關(guān)[8]。大量研究證實，深埋藏條件下異常高孔隙度段往往伴隨自生綠泥石包膜的發(fā)育[9-10]，包膜綠泥石主要通過抑制自生石英生長和提高顆粒的抗壓性能，從而起到保存儲層原生孔隙的作用。

很多碎屑巖儲層，尤其是深埋藏砂巖儲層次生孔隙與長石等鋁硅酸鹽礦物的溶解有關(guān)，而長石溶解是一個十分復雜的過程，涉及到不同化學反應間的相互作用、與長石溶解過程有關(guān)的自生礦物的沉淀、系統(tǒng)的開放性和封閉性、元素的帶進帶出以及流體性質(zhì)等多種因素[11]。

新場地區(qū)須家河組儲層屬于典型的超低孔、低滲致密砂巖儲層，但在整體致密的背景下，在部分砂巖中仍發(fā)育較多的相對優(yōu)質(zhì)儲層。這些儲層在須家河組不同層段的發(fā)育特征差異明顯：在埋深較大的須家河組二段(以下簡稱須二段)，相對優(yōu)質(zhì)儲層中往往發(fā)育較多的原生孔隙，和相對次要的次生孔隙，而在埋深較小的須家河組四段(以下簡稱須四段)，即使是相對優(yōu)質(zhì)儲層中，原生孔隙也幾乎消失殆盡，次生孔隙占絕對優(yōu)勢。由此，兩個問題值得我們思考：一是有關(guān)埋深較大的須二段儲層原生孔隙的保存機制問題；二是同為煤系地層，須四段次生孔隙相對于須二段明顯更為發(fā)育的原因？

本次研究在大量分析數(shù)據(jù)的支撐下，有針對性地對上述問題進行了探討，以期為研究區(qū)須家河組相對優(yōu)質(zhì)儲層的預測提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

新場氣田位于四川德陽新場地區(qū)，是一個多層氣藏疊置的大型氣田[12]。區(qū)域構(gòu)造上，新場地區(qū)位于四川盆地川西坳陷中段綿竹-鹽亭北東東向大型隆起帶中部[13]。研究區(qū)基底為中三疊統(tǒng)海相灰?guī)r，自晚三疊世后，川西地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e，其上依次充填上三疊統(tǒng)須一段海陸過渡相地層、須二段、須三段、須四段和須五段陸相碎屑及煤系地層(表1)，以及侏羅系至白堊系陸相紅層。其中，須一段、須三段和須五段以發(fā)育烴源巖為主，須二段和須四段是新場氣田的主產(chǎn)層。其中:須四段埋深為3 100～4 150 m，發(fā)育有明顯較多的泥頁巖，縱向上主要表現(xiàn)為較薄的砂巖、泥巖互層的特征，砂泥比為1∶1左右；須二段埋深為4 500～5 300 m，發(fā)育較多厚度較大的砂巖，縱向上表現(xiàn)為厚層砂巖和薄層泥巖互層的特征，砂泥比為3∶1左右(表1)。

2 問題的提出

新場地區(qū)須家河組儲層由于埋深大、埋藏時間長、所經(jīng)歷的成巖作用復雜等多種原因，現(xiàn)今儲層非常致密。3 700余個物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，須四段儲層孔隙度分布在0.33%～12.71%，平均孔隙度5.84%，須二段儲層孔隙度分布在0.44%～16.38%，平均值僅為3.92%，屬于典型的致密砂巖儲層(圖1)。依據(jù)研究區(qū)須家河組相對優(yōu)質(zhì)儲層的定義[9]，須四段超過50%的儲層孔隙度大于6%，須二段有40%左右的儲層孔隙度大于4%，顯示研究區(qū)須家河組儲層在整體致密的背景下，仍有較多相對優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育。

圖1 新場地區(qū)須二、須四段儲層物性分布特征Fig.1 Pattern of physical property in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

Table 1 Simple list of stratum development of Xujiahe Formation in Xinchang

2.2 儲集空間特征及差異

研究區(qū)須二、須四段儲層孔隙類型總體以次生孔隙為主(圖2)，尤其是須四段儲層，相對優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育段幾乎均由次生孔隙構(gòu)成(圖2a，b)，而長石溶蝕孔則是次生孔隙中最主要的孔隙類型。相對來說，須二段相對優(yōu)質(zhì)儲層段儲層孔隙類型中則有更多的原生孔隙發(fā)育，長石溶蝕孔隙較少，大量長石保存完整(圖2c)。

在孔隙類型的總體構(gòu)成上：須二段儲層原生孔隙平均值在0.84%左右(圖3)，且有較多樣品原生面孔率超過5%(圖4a)，如新場7井5 190～5 192 m段，儲層以原生粒間孔為主，體積分數(shù)基本在5%以上，個別樣品高達8%(圖4a)；須四段儲層原生孔隙平均值則在0.58%左右(圖3)，樣品原生面孔率基本在4%以下(圖4a)。埋深較大的須二段儲層反而具有較高的原生孔隙度，這是研究區(qū)須家河組儲層的一個重要特征。與之相反，相對于須二段，須四段儲層中次生孔隙明顯較為發(fā)育，其次生面孔率平均值達3.49%(圖3)，大量樣品次生面孔率分布在5%～10%(圖4b)。如川孝560井3 514～3 524 m段，儲層次生面孔率基本分布在6.0%～8.5%，平均次生面孔率達7%。而須二段儲層次生面孔率平均值僅為0.79%，且絕大部分樣品的次生面孔率都在5%以下(圖3，圖4b)。

圖3 新場地區(qū)須二、須四段儲層不同類型孔隙統(tǒng)計直方圖Fig.3 Statistical histogram of different types of pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

圖4 新場地區(qū)須二、須四段儲層孔隙縱向分布特征Fig.4 Longitudinal distribution feature of pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

埋深較大的須二段儲層孔隙度更低的特征符合正常的儲層孔隙演化規(guī)律。然而，其發(fā)育更高的原生孔隙度又表明，須二、須四段儲層孔隙度上的差別，不能簡單地歸結(jié)于壓實作用的強弱，須四段儲層物性較好的原因主要是其次生孔隙更為發(fā)育。因此，對于研究區(qū)須家河組儲層來說，如下兩個問題值得討論：1)須二段儲層原生孔隙更為發(fā)育的原因是什么？須二、須四段儲層原生孔隙保存機制有何差異？2)須四段儲層次生孔隙更為發(fā)育的原因是什么？須二、須四段儲層次生孔隙發(fā)育機制有何差異？

3 討論

3.1 原生孔隙保存機制的差異

對于深埋藏砂巖來說，巖石的骨架顆粒構(gòu)成對于儲層原生孔隙的保存至關(guān)重要。在砂巖的骨架顆粒構(gòu)成中，石英和長石作為重要的剛性顆粒，具有較強的抗壓性能，因此，石英和長石含量往往與儲層孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，而巖屑則主要表現(xiàn)為塑性性質(zhì)，其抗壓性能往往較差，一般與儲層孔隙度呈負相關(guān)。

實際上，從新場地區(qū)儲層石英體積分數(shù)與孔隙度關(guān)系(圖5)也可看出:兩者呈較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，儲層孔隙度大于6%的樣品中,石英體積分數(shù)基本分布在55%～85%;巖屑體積分數(shù)與儲層孔隙度呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，巖屑體積分數(shù)超過40%的樣品，儲層孔隙度基本在4%以下，而巖屑體積分數(shù)低于30%時，較多樣品儲層孔隙度超過8%。

蘇州大學教育學院馬忠虎教授在《基礎(chǔ)教育新概念家校合作》中指出，“家校合作是指對學生最具影響的家庭和學校形成合力對學生進行教育?！?/p>

圖5 新場地區(qū)儲層石英、巖屑含量與孔隙度關(guān)系Fig.5 Relationship of content of quartz and debris with porosity in Xinchang

從新場地區(qū)須二段和須四段儲層骨架顆粒的構(gòu)成(圖6)來看，兩者具明顯差異:須二段儲層石英體積分數(shù)較高，基本分布在40%以上，平均體積分數(shù)65.8%，須四段儲層石英體積分數(shù)則較低，平均體積分數(shù)僅為52.2%[14]；長石顆粒體積分數(shù)差異更為明顯，須二段儲層中長石平均體積分數(shù)在7.7%左右，較多樣品長石體積分數(shù)在10%以上，而須四段儲層中長石平均體積分數(shù)僅為1.16%，僅有很少量樣品長石體積分數(shù)超過10%，較多剛性顆粒的存在是須二段儲層保存較多原生孔隙的關(guān)鍵;與之對應，須四段儲層中巖屑體積分數(shù)則明顯較高，平均體積分數(shù)達37.06%，而須二段儲層中，巖屑平均體積分數(shù)為19.93%[14]。

顯然，巖石中明顯較高的石英體積分數(shù)和明顯較低的巖屑體積分數(shù)是造成埋深更大的須二段儲層發(fā)育更多原生孔隙的重要原因;須四段儲層中較多塑性巖屑的存在是其原生孔隙基本消失殆盡的重要原因。然而，石英體積分數(shù)的高低并非造成二者原生孔隙出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象的唯一原因，因為，在研究區(qū)須家河組儲層中，同樣存在大量樣品石英體積分數(shù)很高，而儲層孔隙度較低的情況(圖5)。說明對于研究區(qū)須家河組儲層來說，還有其他因素對原生孔隙的保存起到了明顯影響。大量的研究[15-19]證實，孔隙襯里綠泥石的存在能抑制自生石英的生長，同時提高巖石的抗壓性能，從而對儲層原生孔隙的保存起到積極作用。

對于新場地區(qū)須家河組儲層來說，鑄體薄片鏡下特征顯示，原生孔隙較為發(fā)育的儲層砂巖中，除了較多剛性顆粒存在外，還往往發(fā)育較多的孔隙襯里自生綠泥石，這些自生綠泥石有效地抑制了自生石英的增生，對儲層原生孔隙的保存具有重要影響(圖2)。實際上，從已有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況來看，二者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，尤其是自生綠泥石體積分數(shù)超過2%時，儲層原生孔隙度增加明顯；若原生孔隙體積分數(shù)超過4%，自生綠泥石體積分數(shù)基本都在3%以上，說明自生綠泥石對儲層原生孔隙的保存具明顯作用(圖7)。

圖7 新場地區(qū)須二、須四段儲層自生綠泥石體積分數(shù)與原生孔隙關(guān)系Fig.7 Relationship of authigenetic chlorite content with primary pore in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

而從新場地區(qū)須二、須四段儲層綠泥石的發(fā)育情況來看(圖8)，須四段儲層自生綠泥石體積分數(shù)相對于須二段儲層明顯較低，絕大部分樣品自生綠泥石體積分數(shù)在2%以下，平均體積分數(shù)僅為0.82%左右，而須二段則有較多樣品自生綠泥石體積分數(shù)在2%以上，部分樣品自生綠泥石體積分數(shù)超過3%(圖8)，平均體積分數(shù)在2.45%左右。顯然，須二段儲層中較多的自生綠泥石體積分數(shù)是其保存有較多原生孔隙的重要原因之一。

圖8 新場地區(qū)須二、須四段儲層自生綠泥石縱向分布特征Fig.8 Longitudinal distribution feature of authigenetic chlorite in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

3.2 次生孔隙發(fā)育機制的差異

由于原生孔隙保存機制方面的差異，新場地區(qū)須二段儲層相對于須四段儲層發(fā)育更多的原生孔隙，然而，須二段儲層物性和面孔率仍明顯低于須四段儲層，主要原因是二者次生孔隙體積分數(shù)上的差異(圖3)。

深埋藏條件下，有機酸性流體對鋁硅酸鹽礦物，尤其是長石和鐵鎂暗色礦物的溶解是次生孔隙形成的重要機制[11]。在研究區(qū)須家河組中，長石溶解在須四段中更為普遍，在部分層段，長石被溶解量超過5%，而須二段則大量長石保存完整，由長石溶解形成的次生孔隙不足1%(圖2)，這是研究區(qū)須四段更貧長石的重要原因[14]。同時，作為長石等鋁硅酸鹽礦物溶解的指示礦物----高嶺石，也僅僅分布在須四段中，須二段中高嶺石的體積分數(shù)為0(圖9)。

圖9 新場地區(qū)須二、須四段儲層自生高嶺石縱向分布特征Fig.9 Longitudinal distribution feature of authigenetic kaolinite in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation in Xinchang

對于長石的溶蝕來說，在有機酸性流體(H+)的作用下，將通過如下幾個反應生成高嶺石：

2KAlSi3O8+2H++H2O→

①

2NaAlSi3O8+2H++H2O→

②

CaAl2Si2O8+2H++H2O=

③

對于鉀長石溶解形成高嶺石的反應來說(反應①)，只要K+被不斷帶走，長石就可不斷溶解形成高嶺石。而在一定條件下，高嶺石將通過如下反應(反應④)向伊利石轉(zhuǎn)化：

3Al2Si2O5(OH)4+2K+=

④

而反應①和反應④可以合并為如下反應：

KAlSi3O8+Al2Si2O5(OH)4→

⑤

這樣，在封閉體系中，只要體系中仍有鉀長石和高嶺石同時存在，必然有持續(xù)的伊利石化，并且伴隨石英的增生，直到兩者或其中之一消失。

對于反應⑤來說，反應①是其H+的儲備反應(H+儲備在高嶺石中)。在深埋藏條件下，早期形成的次生孔隙往往對儲層物性的改善無實質(zhì)性作用，儲層物性的改善更多的依賴于較晚期次生孔隙的形成。然而，對于研究區(qū)須家河組儲層來說，此時儲層往往已進入致密階段，酸性流體難以進入致密砂巖對長石等骨架顆粒進行溶解；因此，晚期次生孔隙的形成將更多的依賴于埋藏早期自生高嶺石沉淀的多少，即與埋藏早期酸性流體注入的多少有關(guān)。

從新場地區(qū)須二、須四段沉積特征(表1)來看，須四段單砂層厚度較薄，泥巖更為發(fā)育，二者比例在1∶1左右，在縱向上疊置發(fā)育，這一發(fā)育特征有利于早期有機酸性流體的注入，從而有利于早期鋁硅酸鹽礦物的溶解和自生高嶺石的沉淀。而須二段單砂層的厚度明顯較厚，泥巖發(fā)育較少，二者比例在3∶1左右，較大的砂巖厚度使得有機酸性流體的注入難度變大，不利于長石的溶解，進而對自生高嶺石的儲備產(chǎn)生了影響。在其后的深埋藏過程中，早期自生高嶺石儲備上的差異對須二、須四段儲層長石的溶解和次生孔隙的形成產(chǎn)生了明顯影響：由于須四段儲層砂巖早期沉淀了較多的自生高嶺石，在深埋藏過程中，反應⑤得以持續(xù)向右進行，長石大量溶解，在部分砂巖段甚至消失殆盡，而高嶺石得以保存(圖9)，進而形成較多的次生孔隙，改善了儲層物性；而須二段儲層砂巖早期有機酸性流體進入較少，儲備的自生高嶺石有限，在晚期的深埋藏作用過程中，高嶺石很快消失殆盡(圖9)，而長石溶解有限，對儲層物性改善不明顯。

4 結(jié)論

1)新場地區(qū)須家河組儲層整體致密，但在局部仍發(fā)育有較多的相對優(yōu)質(zhì)儲層。在埋深較大的情況下，須二段儲層中原生孔隙反而更為發(fā)育，次生孔隙相對次要；而埋深較淺的須四段儲層原生孔隙發(fā)育較少，次生孔隙占絕對優(yōu)勢。

2)須二段儲層中較多剛性顆粒的存在和較為發(fā)育的包膜綠泥石存在，是其原生孔隙得到較好保存的主要原因，而其較大的單砂層厚度和較少的泥巖發(fā)育，則導致了有機酸性流體的注入量較少，長石溶蝕有限，次生孔隙欠發(fā)育。

3)而須四段儲層中塑性巖屑含量明顯較高，儲層原生孔隙在壓實作用下幾乎消失殆盡，但較薄的單砂層厚度和較多泥巖的疊置發(fā)育，使長石在有機酸性流體作用下得到了充分溶蝕，這是須四段儲層次生孔隙相對發(fā)育、長石含量很低，同時還有自生高嶺石沉淀的主要原因。

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Contributing Factor Divergence Analysis of Relative High Quality Reservoir of Upper Triassic in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation of Xinchang Gas Field in West Sichuan

Liu Sibing, Shen Zhongmin, Lü Zhengxiang, Song Rongcai, Wang Peng

StateKeyLabofOil-GasReservoirsGeologyandExploitation/ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Major relative high quality reservoirs are locally developed in the context of the entire super densified Xujiahe Formation in Xinchang in west Sichuan. They have a great burial depth, complicate diagenesis, and high density. The relative high quality reservoir is in the 2nd member of Xujiahe Formation with a big burial depth, which developed more primary pores than secondary pores; while the 4th member of Xujiahe Formation with small burial depth developed more secondary pores than primary pores. The main reason of this appearance is the divergent mechanisms of the primary pore conservation and secondary pore development of the 2nd and 4th member of Xujiahe Formation. The existence of the relatively developed encapsulating chlorite and the harsh particulates led to the well conservation of the primary pores in the 2nd member of Xujiahe Formation; while the single thick sand and the undeveloped mudstone layer cause the poor influx of organic acid fluid, so that the feldspar corrosion is limited. As for the 4th member of Xujiahe Formation, the plasticity of the rocks is relatively high; this, in turn, resulted in the disappearance of the primary pores under the diagenetic compaction, while the secondary pores are relatively popular with minor authigenic kaolinite sedimentated, multiple thin single sand and mudstone developed, and sufficient feldspar corroded by organic acid fluid.

tight sandstones; relatively high-quality reservoir; Xujiahe Formation; Xinchang gasfield

10.13278/j.cnki.jjuese.201504103.

2014-10-09

國家自然科學基金項目(41172119)；國家重點實驗室基金項目(PLC201101)

劉四兵(1981--)，男，講師，博士，主要從事油氣儲層地質(zhì)方面的研究，E-mail:lsbcdut@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504103

P618.13

A

劉四兵，沈忠民，呂正祥，等.川西新場氣田上三疊統(tǒng)須二、須四段相對優(yōu)質(zhì)儲層成因差異性分析.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(4):993-1001.

Liu Sibing, Shen Zhongmin, Lü Zhengxiang,et al. Contributing Factor Divergence Analysis of Relative High Quality Reservoir of Upper Triassic in the 2nd and 4th Member of Xujiahe Formation of Xinchang Gas Field in West Sichuan.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):993-1001.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504103.