四川盆地川东地区须家河组缺失须一段和须二段, 主要储集层发育在须四段和须六段。在前人研究的基础上, 参考沉积背景资料, 依据野外露头剖面观察和详细的岩心描述, 确定须四段为辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘沉积, 须六段为辫状河三角洲前缘沉积。在须四段的底部发育一套厚度约40 m的灰色细砂岩、灰色泥质粉砂岩、灰色粉砂质泥岩和灰黑色泥岩不等厚互层沉积。灰色细砂岩中发育板状和楔状交错层理, 局部细砂岩层具有向上变粗的反韵律。灰黑色泥岩中发育水平层理。由此可见, 须四段下部为一套三角洲前缘沉积, 其中发育水下分流河道、河口砂坝、席状砂和支流间湾微相。须四段中上部发育厚度180~200 m的厚层灰白色粗砂岩和含砾粗砂岩, 局部夹薄层粉砂质泥岩和泥质粉砂岩, 垂向上组成2~3个不完整的河流“ 二元结构” 。粗砂岩和含砾粗砂岩中发育模糊交错层理、槽状交错层理、平行层理、泥砾定向排列和冲刷充填构造等。细粒岩性中可见煤线定向排列, 发育碳质泥岩。粒度概率曲线反映为牵引流的两段式沉积。因此推测须四段的中上部为辫状河三角洲平原沉积, 在三角洲平原中以辫状河河道微相最发育, 河道间的溢岸沉积不发育。须六段为厚度约40 m的2套厚层砂岩夹灰色泥岩的沉积, 砂岩中发育交错层理, 局部见变形构造, 泥岩发育水平层理, 下部砂岩具向上变细的正旋回特征, 上部砂岩为向上变粗的反旋回特征, 因此, 须六段为典型的辫状河三角洲前缘沉积, 下部为水下分流河道沉积, 上部为河口砂坝沉积, 中部夹薄层支流间湾沉积(图 2)。

图2

Fig.2

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	图2 四川盆地建南地区建平1井须家河组沉积相分析图Fig.2 Sedimentary facies analysis of the Xujiahe Formation of Well Jianping 1 in Jiannan area, Sichuan Basin

根据四川盆地川东建南地区须家河组须四段、须六段野外露头剖面观察、9口钻井岩心描述和150余片普通薄片镜下鉴定分析, 将研究区目的层段砂岩岩石类型划分为4类; 其中以岩屑砂岩为主, 占70.2%; 次为长石质岩屑砂岩, 占14.6%; 其他类型的砂岩数量较少, 岩屑质石英砂岩占9.2%, 长石岩屑质石英砂岩仅占6%。

研究区砂岩的碎屑颗粒主要包括石英、长石和岩屑, 石英整体含量较高, 且因为岩石类型的不同含量差异较大(图3)。须六段的长石质岩屑砂岩中石英含量最低, 为44.2%。石英含量最高的是须四段的岩屑质石英砂岩, 为75.9%, 碎屑石英主要由单晶石英组成, 少量燧石岩屑。石英颗粒一般呈次棱角— 次圆状, 分选中等偏好, 常具次生加大边, 部分岩石受强压实作用, 石英呈破裂状。

图3

Fig.3

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	图3 建南地区须家河组储集层砂岩成分三角图Fig.3 Triangle diagram of reservoir sandstone of the Xujiahe Formation in Jiannan area

该区须四段、须六段砂岩中长石含量较少, 一般在5%~8%, 最高达11.2%。长石主要以钾长石为主, 其次为聚片双晶斜长石, 另含少量的微斜长石和条纹长石。常见长石被方解石选择性交代。砂岩中岩屑的含量比较高, 最高含量为45.1%, 一般在20%~45%之间。岩屑组分较复杂, 以沉积岩岩屑和变质岩岩屑为主, 泥岩岩屑和千枚岩岩屑最常见。

建南地区须家河组砂岩结构成熟度中等, 以中粒岩屑砂岩最为发育, 具有低长石、高石英、高岩屑的碎屑组合特点, 成分成熟度低, 结构成熟度中等。根据镜下统计, 建南地区须家河组砂岩颗粒分选以较差— 中等为主, 部分样品分选较好。圆度主要以次棱角状为主, 碎屑普遍为颗粒支撑, 颗粒间多为线接触和点— 线接触, 说明砂岩受压实作用的改造明显, 压实作用较强。在平面上, 岩石的成分成熟度和结构成熟度呈现由北向南逐渐变高的趋势。

岩性分布明显受沉积微相的控制, 须四段高能辫状河道的心滩微相砂岩中的石英含量最高, 可见岩屑质石英砂岩。其他相带主要发育岩屑砂岩和长石质岩屑砂岩。

通过对建南地区2条露头剖面和30余口井的样品物性资料的统计分析可知, 须四段孔隙度主要分布在5%~10% 之间(占总数的62.3%), 为低孔隙度, 次要分布在2%~4%, 为特低孔隙度, 须六段孔隙度集中在2%~5%之间(占总数的76.4%), 孔隙度较低, 渗透率多小于0.1× 10^-3μ m²。具有明显的低孔低渗特征(图 4, 图5)。

图4

Fig.4

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	图4 四川盆地建南地区徐家河组储集层样品孔隙度分布柱状图Fig.4 Distribution histogram of porosity of the Xujiahe Formation reservoir in Jiannan area, Sichuan Basin

图5

Fig.5

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	图5 四川盆地建南地区须家河组渗透率分布柱状图Fig.5 Distribution histogram of permeability of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

根据铸体薄片及扫描电镜观察, 四川盆地建南地区三叠系须家河组砂岩中孔隙不发育, 可见剩余原生粒间孔和次生孔隙。次生孔隙以粒间溶孔、粒内溶孔和晶间微孔为主, 局部可见少量微裂缝和铸模孔(表 1, 图6)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 四川盆地建南地区徐家河组储集层孔隙类型及分布特征 Table 1 Reservoir pore types and distribution of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin 孔隙类型 形成机理 孔隙基本特征 出现程度及所占比例 剩余原生粒间孔 沉积作用 三角状、多边状 常见, 须四、六段都可见, 孔隙度一般为2%~3% 粒间溶孔 溶蚀作用 受层段控制, 形状不规则 常见, 孔隙度为1.5%~3.2% 粒内溶孔 溶蚀作用 形态多样, 蜂窝状或零星分布, 多为长石溶孔, 也可见岩屑粒内溶孔 常见, 主要发育在须四段辫状河道内及须六段水下分流河道内, 孔隙度一般小于1% 晶间微孔 重结晶作用 扫描电镜下可见, 黏土矿物间小孔隙。粒间泥质杂基中 扫描电镜下常见 微裂缝 构造作用 不规则弯曲状, 切割颗粒 局部, 少见 铸模孔 溶蚀作用 主要为长石颗粒全被溶蚀留下的空间。孔隙较大 少见

表1 四川盆地建南地区徐家河组储集层孔隙类型及分布特征 Table 1 Reservoir pore types and distribution of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

图6

Fig.6

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	图6 四川盆地建南地区须家河组储集层孔隙类型Fig.6 Types of reservoir pore of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

综合岩石铸体薄片、毛细管压力曲线资料, 将建南地区须家河组砂岩储集层孔隙结构划分为3种类型。Ⅰ 类:毛管压力曲线具有较低排驱压力和饱和度中值压力, 高汞饱和度(超过85%), 曲线上可见明显平坦段; Ⅱ 类, 毛管压力曲线具较低排驱压力, 较高的饱和度中值压力, 中等压汞饱和度(65%~85%), 曲线上见低角度段, 近似于钝角三角形; Ⅲ 类, 毛管压力曲线具中等排驱压力, 中等压汞饱和度(50%~65%), 喉道宽度为中— 小喉, 少平坦段或低角度段, 分选差(图 7)。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 四川盆地建南地区须家河组储集层3种压汞曲线类型Fig.7 Three types of mercury injection pressure curve of the Xujiahe Formation reservoirs in Jiannan area, Sichuan Basin

通过大量的岩石薄片和扫描电镜的分析, 认为建南地区须家河组的成岩作用主要有压实压溶作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。其中前3种成岩作用对储集层物性影响较大。

2.5.1 压实压溶作用

建南地区须家河组砂岩的碎屑颗粒以点— 线接触为主, 部分为凹凸接触。常见的压实现象有:片状、长条状矿物的顺层分布; 千枚岩、板岩和泥页岩等塑性颗粒的变形与假杂基化; 云母类片状矿物的弯曲变形、破裂和褶皱(图 8-A)。须家河组广泛的石英加大及自生石英充填与压溶作用直接有关, 较常见的压溶现象有石英颗粒的凹凸状及缝合状接触(图 8-B)。

图8

Fig.8

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	图8 四川盆地建南地区须家河组储集层典型成岩现象Fig.8 Typical diagenetic types of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

2.5.2 胶结作用

须家河组胶结作用较为复杂, 常见的胶结物主要有硅质、碳酸盐和黏土矿物。其中以硅质和碳酸盐胶结为主, 特别是石英次生加大最为常见。

1)硅质胶结作用。据150余薄片镜下观察统计, 硅质胶结是须家河组砂岩中较常见的胶结方式, 主要以石英次生加大的形式出现(图 8-C), 少数以自生石英的形式充填孔隙, 须家河组为一套煤系地层, 早期的水介质条件为酸性, 利于石英沉淀。因此, 在早成岩阶段, 可产生少量石英次生加大边, 此时石英颗粒的周围自由空间充分, 石英可以通过次生加大增生恢复晶体的自形, 这是早成岩期石英加大的特征(钱治家和钟克修, 2009)。

2)碳酸盐胶结作用。须家河组储集层碳酸盐胶结物主要为方解石, 另有少量铁方解石、白云石和菱铁矿, 方解石胶结为须家河组储集层中最主要的胶结物, 含量一般在1%~10%之间, 部分样品高达20%~40%, 可见基底式和孔隙式胶结两种胶结类型, 基底式胶结形成于成岩早期、储集层还未经强烈的压实作用时, 颗粒成漂浮状(图 8-D)。对比来说孔隙式碳酸盐胶结则发育得较晚。

3)黏土矿物胶结作用。胶结物以伊利石、绿泥石薄膜胶结为主, 少量高岭石胶结, 砂岩中的伊利石多呈不规则的细小晶片产出, 扫描电镜呈现蜂窝状和发丝状(图 9-A, 9-C)。绿泥石主要是以衬边的形式出现, 绿泥石多呈颗粒包壳或孔隙衬边的形式产出。自生绿泥石胶结物除了可以从孔隙水中沉淀外, 也可以由其他黏土矿物转化而来, 镜下呈颗粒边缘的灰色、灰绿色等厚亮边; 扫描电镜下呈绒球状、花朵状集合体(图 9-B)。高岭石在偏光显微镜下比较容易辨认, 呈假六边形晶片产出, 主要以孔隙充填或交代其他矿物的包体出现, 扫描电镜下特征明显, 呈书页状或蠕虫状(图 9-D)。

图9

Fig.9

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	图9 四川盆地建南地区须家河组黏土矿物胶结物扫描电镜特征Fig.9 Characteristics of clay mineral cement under scanning electron microscope of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

2.5.3 交代作用

建南地区须家河组砂岩发生的交代作用较普遍, 主要包括方解石交代长石和石英, 其次是长石和岩屑的高岭土化和绢云母化, 高岭土化后的长石颗粒表面多呈暗灰色, 而绢云母化的长石颗粒表面多呈亮黄色。交代作用对储集层孔隙的改善意义不大, 各个成岩期均有交代作用发生。

2.5.4 溶蚀作用

研究区溶蚀作用总体较弱, 根据铸体薄片观察, 因溶蚀作用增加的孔隙度平均为1%, 最高达2.5%, 组分主要是长石和岩屑(图 8-E), 其次是少量杂基及胶结物。由溶蚀作用形成的次生孔隙对改善储集层物性起到积极作用, 是决定须家河组储集层物性好坏的关键因素之一(戴朝成等, 2011)。根据大量的薄片观察, 须家河组储集层中的溶蚀作用较弱, 发育的孔隙有粒间溶孔、粒内溶孔, 被溶蚀的组分主要是长石及部分岩屑, 原则上长石含量越高, 溶蚀作用越强, 储集层孔隙越发育, 但本区储集层长石含量较低, 且岩屑和碳酸盐胶结物溶蚀孔也较少, 也是本区低孔低渗的主要原因之一。

2.5.5 破裂作用

破裂作用形成的裂缝(图 8-F)和微裂缝可以有效地改善致密砂岩的储集性能。须家河组沉积以来, 受到了多次构造运动的影响, 包括三叠纪末晚印支运动、侏罗纪— 白垩纪末的燕山运动和晚白垩世以来的喜马拉雅运动。其中对裂缝发育最有建设意义的是喜马拉雅运动, 前两者主要是抬升运动, 使部分地区须家河组和侏罗系遭受剥蚀, 而喜山运动使四川盆地地层全面褶皱抬升, 形成大量的背斜构造, 并因此产生构造裂缝(陈桂菊, 2007)。裂缝对孔隙度影响不大, 但是大大改善了储集层的渗透率。

2.5.6 成岩序列及孔隙演化

根据不同井岩心样品的镜质体反射率测定, 建南地区三叠系须家河组干酪根镜质体反射率在1.24%~1.45%, 平均为1.34%(建平1井), 有机质处于高成熟— 过成熟早期凝析油— 湿气阶段, 砂岩中石英次生加大为Ⅲ 级, 另外据石英胶结物流体包裹体特征分析, 建平1井包裹体样品均一温度数值分布区间为120~200 ℃, 据此推断建南地区须家河组主要处在中成岩B期— 晚成岩期。

从建南地区的上三叠— 下侏罗统埋藏史曲线(图10)可知, 上三叠统— 侏罗系沉积后进入缓慢沉降阶段, 经历了一期深埋作用, 深度一般2500~3500 m, 并且深埋时间长, 作用充分, 故储集层压实作用强。

图10

Fig.10

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	图10 四川盆地建南地区须家河组成岩阶段的划分及储集层孔隙演化模式图Fig.10 Diagenetic phases division and pore evolution model of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

研究区经历的成岩作用序列主要为埋藏压实作用→ 绿泥石环边胶结作用→ 绿泥石、伊利石胶结→ 硅质胶结作用 → 方解石胶结和交代→ 后期溶解破裂作用(图 10)。

早成岩阶段出现压实作用, 松散沉积物受到上覆岩层载荷逐渐增加, 从而产生碎屑颗粒较紧密接触, 而使原生粒间孔隙缩小, 孔隙度降低。早期碎屑以点— 线接触为主, 局部可有线接触, 原生粒间孔几乎损失80%以上。

中成岩阶段随着埋藏深度的加大, 碎屑颗粒间的关系基本固定, 压实作用减弱, 纤状绿泥石开始在孔隙中沉淀, 并形成孔隙衬里, 使岩石的抗机械压实能力进一步加强, 在环边绿泥石发育的层位, 较多的原生粒间孔隙得到保存。同时, 中成岩阶段是各种成岩作用最为发育的时期, 中成岩A 期, 泥岩中的有机酸已逐渐进入成熟阶段, 此时参与成岩反应的水介质具酸性, 长石的溶解以及蒙皂石向混层伊利石/蒙皂石的转化作用使孔隙介质中游离Si的浓度增加, 石英自生加大进一步发育, 达到Ⅱ — Ⅲ 级。同时, 铝硅酸盐骨架组分、杂基组解加强, 次生孔隙也大量形成, 且长石、岩屑粒内孔隙出现(余承玲, 2009)。

进入中成岩B期后, 有机质处于高成熟阶段, 地层产生有机酸的能力已减弱, 致使此阶段的地层水pH值上升, 由酸性变为碱性, 高岭石明显减少或缺失。富含Ca²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺的碱性水开始析出含铁方解石, 此时发生含铁碳酸盐胶结物的沉淀, 充填粒间孔及粒内溶孔使孔隙减小。硅质次生加大胶结, 同时黏土矿物继续向伊利石、绿泥石转变, 粒间孔隙中绿泥石、伊利石的沉淀, 部分交代长石碎屑, 这些出现对须家河组砂岩粒间孔起到堵塞破坏性作用。扫描电子显微镜下, 颗粒间石英自形晶体相互连接, 岩石致密, 有裂缝发育。

到晚成岩阶段, 岩石已很致密, 孔隙极少而有裂缝发育。砂岩和泥岩中代表性黏土矿物为伊利石和绿泥石。

沉积环境和沉积相类型影响着沉积物的结构, 即岩性组成、颗粒大小、分选情况及填集等方面的特点(朱国华, 1985; 梅志超等, 1988; 秦红等, 2006; 刘化清等, 2007; 李相博等, 2010)。由于结构决定沉积物原始孔隙度和渗透率特性(李胜利等, 2008; 李文厚等, 2009; 陈全红等, 2010), 对沉积物后期成岩作用的进程起决定性的作用(袁静和姜在兴, 2000)。因此沉积过程中形成的原始沉积物类型是形成储集层的物质基础。

建南地区须家河组主要发育滨浅湖和辫状河三角洲相, 沉积相的类型控制了砂体分布的范围, 砂体分布的范围和砂体横向纵向连通性直接控制了储集层的分布。从沉积微相与物性的关系(图11, 图12)可以看出, 辫状河三角洲平原水上分流河道和辫状河三角洲前缘水下分流河道、河口砂坝等相带储集层物性较好, 其中河口砂坝物性最好, 其次是水上分流河道和水下分流河道, 其平均孔隙度一般在4%以上, 平均渗透率一般在0.5× 10^-3μ m²以上(图 11, 图12)。支流间湾和越岸沉积由于粒度细, 物性最差。因为露头风化严重, 野外样品孔隙度、渗透率值较井下岩心偏大。

图11

Fig.11

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	图11 四川盆地建南地区须家河组储集层孔隙度与沉积微相的关系(露头样品)Fig.11 Relationship between porosity and sedimentary microfacies(Outcrop samples) of the Xujiahe Formation reservoirs in Jiannan area, Sichuan Basin

图12

Fig.12

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	图12 四川盆地建南地区须家河组储集层渗透率与沉积微相的关系图(露头样品)Fig.12 Relationship between permeability and sedimentary microfacies(Outcrop samples) of the Xujiahe Formation reservoirs in Jiannan area, Sichuan Basin

总体上储集层物性以辫状河三角洲分流河道(水上、水下)及前缘河口砂坝最好, 辫状河三角洲平原河道间、三角洲前缘支流间湾等微相类型的储集层物性较差, 平均孔隙度在4.5% 以下, 平均渗透率在0.2× 10^-3μ m²~0.5× 10^-3μ m²之间, 可见沉积相及其微相在宏观上控制了储集层物性的好坏。三角洲分流河道、河口沙坝等微相是储集层发育的有利相带。

国内外众多学者研究了成岩作用对储集层的影响(Schmmugan, 1985; Scherer, 1987; Miass, 1989; Lomando, 1992; Haldorsen and Damsleth, 1993; 孟元林等, 2003; 黄思静和张萌, 2004; 钟大康和朱筱敏, 2007), 认为成岩作用在砂岩的埋藏演化过程中对于其孔隙度和渗透率的产生、破坏和改造起着关键作用。建安地区须家河组经历了复杂的成岩作用过程, 对低孔低渗储集层的形成起到了重要作用。

1)压实压溶作用。压实压溶作用是造成原生孔隙减少的主要原因之一。砂岩的压实作用较为强烈, 尤其对软质岩屑含量较高的岩屑砂岩, 通过镜下铸体薄片观察和储集层压实率的计算, 压实作用损失的孔隙度(压实减孔率)一般占孔隙损失的60%~85%。

2)胶结作用。研究区胶结作用类型主要是硅质胶结和方解石胶结, 根据储集层孔隙度和胶结物含量的分析, 绘制储集层压实作用和胶结作用对孔隙度的影响图(图 13), 表明须家河组须四段砂岩减孔效应其压实作用占主导作用。由于压实作用, 原生孔隙大量损失, 镜下仅能见少量的原生孔隙和少量的粒间溶孔、粒内溶孔。相比之下, 须六段则是胶结作用较强, 最高时胶结物含量达到粒间体积的70%, 这种情况下大大降低了储集层的孔隙度。从胶结物的含量看, 胶结物使孔隙减少12%~18%。

图13

Fig.13

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	图13 四川盆地建南地区须家河组砂岩压实作用和胶结作用对孔隙度的影响Fig.13 Influence of compaction and cementation on porosity of the Xujiahe Formation sandstone in Jiannan area, Sichuan Basin

3)溶蚀作用。溶蚀作用形成的次生孔隙能够很好地改善储集层物性, 但通过建南地区须家河组镜下薄片观察及分析化验资料显示, 须家河组储集层后期的溶蚀作用较弱, 局部发生长石、岩屑以及填隙物的微弱溶蚀, 镜下观察发现须家河组砂岩储集层因溶蚀作用为储集层提供的孔隙度平均为1%, 最高的可达2.5%, 可见其溶蚀作用之微弱(图 14), 这也是须家河组储集层低孔低渗的一个重要原因。

图14

Fig.14

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	图14 四川盆地建南地区须家河组储集层砂岩整体溶蚀作用微弱Fig.14 Sandstone weakly dissolved generally of the Xujiahe Formation in Jiannan area, Sichuan Basin

研究区储集层的溶蚀对象主要是长石和岩屑, 其次是少量杂基与胶结物, 造成储集层后期溶蚀作用弱的原因有以下几方面:(1)成岩早期压实作用强, 除了原生孔隙损失严重外, 还导致了颗粒排列紧密, 溶蚀流体流动不畅; (2)可溶物含量少, 根据前人对成岩作用理论的研究, 最容易溶蚀的是长石及碳酸盐矿物(祝海华等, 2013), 研究区目的层长石含量平均在5%~8%, 含量偏低; 碳酸盐胶结作用弱, 偶见方解石的基底式胶结和孔隙式胶结, 但后期未见较大规模的碳酸盐胶结; 以上导致储集层可溶性降低。