巴中地區(qū)須四段致密砂巖鈣質(zhì)夾層識別及成因

蒲　勇　王　威　黎承銀

（中國石油化工股份有限公司勘探分公司，四川　成都　610041）

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巴中地區(qū)須四段致密砂巖鈣質(zhì)夾層識別及成因

蒲勇王威黎承銀

（中國石油化工股份有限公司勘探分公司，四川成都610041）

摘要綜合利用巖心觀察、X衍射、普通薄片、鑄體薄片、常規(guī)測井和成像測井等資料，對川東北巴中地區(qū)須四段砂巖鈣質(zhì)夾層特征和成因進(jìn)行分析。研究表明：巴中地區(qū)須四段砂巖鈣質(zhì)夾層在測井曲線上表現(xiàn)為低自然伽馬、低聲波時差、高密度、低中子和高電阻率值的特征。在成像測井上表現(xiàn)為呈亮帶狀分布的影像特征。鈣質(zhì)夾層主要分布在三角洲前緣水下分流河道砂體的下部或裂縫發(fā)育部位。鈣質(zhì)夾層主要形成于深埋中—晚成巖時期，鈣質(zhì)夾層對儲層性質(zhì)和油氣分布有負(fù)面影響，其分布受沉積微相和斷層的控制，射孔應(yīng)避開鈣質(zhì)夾層段。

關(guān)鍵詞致密儲層鈣質(zhì)夾層成巖作用巴中地區(qū)

0　引言

致密砂巖儲集性能受多種因素控制，不僅受原始沉積條件的影響，對于埋藏深度較大的地層，后期埋藏過程中成巖作用的影響顯得尤為重要［1-4］。鈣質(zhì)夾層是指在砂體內(nèi)部形成的碳酸鹽巖膠結(jié)砂巖段，巖性致密，滲透性極差。川東北巴中地區(qū)須家河組四段砂巖鈣質(zhì)夾層發(fā)育，研究鈣質(zhì)夾層的特征、分布規(guī)律及其成因機(jī)制對于該區(qū)勘探部署具有重要意義。

巴中地區(qū)位于四川盆地東北部，構(gòu)造位置位于四川盆地川北坳陷通江凹陷及通南巴背斜帶的南部，南部與川中低緩構(gòu)造帶相連。須四段以辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積為主，砂巖巖石類型主要為灰色細(xì)—中粒長石巖屑砂巖。

1　基本特征

1.1巖性

鈣質(zhì)夾層是指砂巖內(nèi)部被碳酸鹽膠結(jié)形成的砂巖段，其巖性主要為灰白色鈣質(zhì)膠結(jié)細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖等。根據(jù)巖心觀察，鈣質(zhì)膠結(jié)并不是在砂巖中均勻分布，而是在某些部位集中發(fā)育，鈣質(zhì)夾層段與其他砂巖段顏色差異不大（圖1），但通過滴酸實驗可以將鈣質(zhì)夾層段與普通砂巖段砂巖進(jìn)行區(qū)分，鈣質(zhì)夾層滴酸有氣泡產(chǎn)生。對研究區(qū)4口井的鈣質(zhì)夾層厚度進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)夾層厚度變化較大，一般為幾十厘米至數(shù)米不等，平均厚度為0.56 m，夾層最小厚度為0.1 m，最大厚度可達(dá)1.9 m。

圖1　鈣質(zhì)夾層巖心照片圖

薄片鑒定表明，巴中地區(qū)須四段巖石類型主要為中—細(xì)粒長石巖屑砂巖，分選較好，磨圓為次棱角—次圓狀，顆粒支撐，顆粒間多為點—線接觸，膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主，可見鑲嵌式膠結(jié)。石英含量為28%～73%，平均為54%，長石含量為10%～26%，平均為15%，巖屑含量為11%～40%，平均為21%，以沉積巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑為主，黏土礦物主要為伊利石、伊蒙混層、綠泥石及部分高嶺石。儲層儲集空間類型主要為長石溶解形成的粒內(nèi)孔隙和粒間孔隙。

從研究區(qū)取心井薄片來看，鈣質(zhì)夾層的巖性相對較粗，主要為中—粗粒長石巖屑砂巖（圖2C、圖2D），細(xì)砂巖、粉砂巖出現(xiàn)鈣質(zhì)夾層頻率較低。鈣質(zhì)膠結(jié)物的主要成分為方解石，少量的白云石膠結(jié)物。鈣質(zhì)膠結(jié)物含量一般為9%～22%，平均為13.9%，主要以充填粒間孔隙和交代顆粒出現(xiàn)，膠結(jié)類型以孔隙型為主（圖2A、圖2B），這種膠結(jié)物是由成巖作用形成的。

圖2　巴中地區(qū)須四段鈣質(zhì)夾層鏡下照片圖

1.2結(jié)構(gòu)

研究區(qū)須四段砂巖鈣質(zhì)夾層中膠結(jié)物成分主要為方解石，普通薄片、鑄體薄片及陰極發(fā)光照片顯示，方解石晶體較為粗大，染色后呈紅色，一般呈長條狀、三角錐狀或多邊形狀（圖3），多為孔隙式膠結(jié)，方解石膠結(jié)物主要以兩種方式產(chǎn)出，一是方解石多充填粒間孔隙（圖3A、圖3B），二是方解石以充填粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙或交代長石顆粒等其他碎屑顆粒出現(xiàn)（圖3C、圖3D），顆粒分選較好，大部分顆粒為線接觸關(guān)系，少量顆粒為點接觸。

1.3物性

從須四段方解石膠結(jié)物含量與砂巖實測孔隙度、滲透率的關(guān)系圖來看（圖4），方解石膠結(jié)物含量與儲層孔隙度和滲透率為負(fù)相關(guān)關(guān)系。鈣質(zhì)夾層段與其他砂巖段相比，其物性具有明顯降低的趨勢。究其原因，方解石膠結(jié)物充填在砂巖孔隙內(nèi)（圖3），堵塞喉道，使砂巖孔隙度和滲透率都大大降低，使分選良好的砂巖成為致密砂巖，是造成研究區(qū)須四段砂巖儲層致密的重要原因。

圖3　巴中地區(qū)須四段鈣質(zhì)夾層方解石膠結(jié)物結(jié)構(gòu)特征圖

圖4　巴中地區(qū)須四段取心段物性與方解石膠結(jié)物含量關(guān)系圖（紅色點為鈣質(zhì)夾層段砂巖樣品，藍(lán)色點為其他砂巖段樣品）

2　測井響應(yīng)特征

前已述及，利用巖心、薄片及分析化驗資料能夠識別出鈣質(zhì)夾層，但由于研究區(qū)取心資料有限，利用測井資料對鈣質(zhì)夾層進(jìn)行識別更有普遍意義。通過對元陸17井、元陸172井、元陸173井等3口井取心段鈣質(zhì)夾層段的測井曲線分析，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)夾層具有獨特的測井響應(yīng)特征（圖5）：① 低自然伽馬值（20～40 API），自然電位曲線無明顯變化，井徑曲線無擴(kuò)徑，鉆時值為高值；② 深淺側(cè)向電阻率值較其他砂巖段高；③ 聲波時差值表現(xiàn)為明顯低值，一般低于53 μs/ft；④ 密度測井為高值，鈣質(zhì)夾層段平均值為2.62 g/cm3；⑤ 中子測井為低值，一般為4%～6.7%；⑥ 微電極成像測井表現(xiàn)的影像特征為淺黃色，呈亮帶狀分布。因此，利用鈣質(zhì)夾層的這些測井響應(yīng)特征可以較好地識別鈣質(zhì)夾層。

圖5　巴中地區(qū)須四段鈣質(zhì)夾層典型測井響應(yīng)特征圖

3　成因

眾多學(xué)者分析總結(jié)了鈣質(zhì)夾層的特征和成因［5-9］。根據(jù)巴中地區(qū)須四段鈣質(zhì)夾層的礦物巖石學(xué)特征及其分布特征，結(jié)合區(qū)域沉積、成巖特征，認(rèn)為它的形成是在沉積成巖過程中，受溶解作用、蝕變作用和膠結(jié)作用共同作用形成的。

鈣質(zhì)夾層是含碳酸鹽膠結(jié)物的砂巖，其形成離不開Ca2+、Mg2+、HCO3-等生成鈣質(zhì)礦物的離子的參與［7］46。無論是不穩(wěn)定組分的溶解和蝕變作用，還是碳酸鹽膠結(jié)作用，都與酸性水有關(guān)。同時需要孔隙水的不斷滲流和交替，否則溶解和膠結(jié)作用很快將處于相對平衡狀態(tài)而停止繼續(xù)進(jìn)行下去［9］77。前人研究認(rèn)為，酸性水的來源主要有大氣酸性水、地層水及有機(jī)質(zhì)在成巖演化過程中形成的酸性水。

研究區(qū)鈣質(zhì)夾層主要以兩種產(chǎn)狀產(chǎn)出，第一種是以充填原生粒間孔隙的方式產(chǎn)出（圖2A），另一種主要是以充填粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙或交代長石等其他顆粒產(chǎn)出（圖2C）。以充填原生粒間孔隙方式產(chǎn)出的方解石膠結(jié)物主要是淺埋藏階段在淡水作用下，含鈣碎屑沉積物溶蝕形成的鈣離子和碳酸根離子進(jìn)入孔隙水，導(dǎo)致局部碳酸鈣過飽和從而形成鈣質(zhì)膠結(jié)物。研究區(qū)須四段的孔隙特征、黏土礦物類型，組合特征及成巖演化特征表明，在沉積成巖過程中，須四段砂巖發(fā)生了強(qiáng)烈的溶解和交代作用。

以充填粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙或交代長石等其他顆粒產(chǎn)出的方解石膠結(jié)物主要是在深埋藏還原環(huán)境下形成的。在深埋藏條件下，由于酸性水的作用，黏土雜基向高嶺石轉(zhuǎn)化，長石、巖屑等不穩(wěn)定礦物及早期形成的碳酸鹽礦物發(fā)生了溶解和蝕變作用，生成了Ca2+、Mg2+等離子，為碳酸鹽膠結(jié)作用和鈣質(zhì)夾層的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［9］76。從鏡下觀察也可以發(fā)現(xiàn)粒間和粒內(nèi)溶孔被方解石充填，方解石交代長石或巖屑，方解石交代粒間黏土礦物等現(xiàn)象（圖3），說明研究區(qū)須四段砂巖先發(fā)生了黏土雜基的高嶺石化及長石、巖屑等不穩(wěn)定礦物的蝕變與溶解作用，進(jìn)而發(fā)生了碳酸鹽膠結(jié)作用和鈣質(zhì)夾層的形成。

研究區(qū)須四段在深埋藏條件下，其烴源巖（須三段、須五段煤系地層）排烴過程中形成的有機(jī)酸［10］為形成鈣質(zhì)夾層的酸性水的主要來源。同時，研究區(qū)斷裂發(fā)育，順斷層活動的地層水也可能是酸性水來源之一。須四段儲層主要處于晚成巖階段，有機(jī)質(zhì)處于高成熟階段，有機(jī)質(zhì)演化過程中，由于埋深的增加，溫度和壓力升高，有機(jī)質(zhì)熱演化并釋放大量的CO2，所產(chǎn)生的CO2水溶液進(jìn)入砂巖與Ca2+、Mg2+結(jié)合，在適當(dāng)?shù)膒H值和Eh值條件下，碳酸鹽礦物發(fā)生沉淀，形成鈣質(zhì)夾層［4］78。

4　分布特征

利用須四段鈣質(zhì)夾層測井響應(yīng)，對巴中地區(qū)4口井鈣質(zhì)夾層的解釋及分布特征進(jìn)行研究。研究表明，平面上，巴中地區(qū)已完鉆的4口井均發(fā)育一定數(shù)量的鈣質(zhì)夾層，平面上、縱向上具零星分布特征，橫向上連續(xù)性差，厚度變化較大，一般為幾十厘米至數(shù)米不等。綜合研究表明，鈣質(zhì)夾層分布受到沉積相帶和斷裂聯(lián)合控制。

根據(jù)巖心觀察結(jié)果，鈣質(zhì)夾層在中—粗粒砂巖比較常見，在細(xì)砂巖及粉砂巖中相對少見。在斷裂發(fā)育的砂巖中鈣質(zhì)夾層相對較發(fā)育，如元陸173井第7次取心，從取心段巖心上可以識別出在4 545.5～4 546.2 m，4 546.2～4 547.8 m發(fā)育兩套鈣質(zhì)夾層，陰極發(fā)光照片顯示這一深度段方解石膠結(jié)強(qiáng)烈（圖6）。從該取心段的電阻率曲線及三孔隙度曲線可以看出，深度段約4 546.2～4 547.8 m為裂縫發(fā)育帶，在巖心照片上也可以看到這一深度段裂縫較為發(fā)育（圖6）。

這是因為在辮狀河三角洲前緣沉積環(huán)境，水下分流河道底部的砂體粒度相對較粗，泥質(zhì)含量少，孔隙相對較為發(fā)育，物性較好，孔隙水在孔隙條件較好的砂體中（水下分流河道底部）流動較為活躍，因此，碳酸鹽膠結(jié)物容易在水下分流河道的底部沉淀下來，形成鈣質(zhì)夾層。在平面上，沿斷層產(chǎn)狀延伸的區(qū)域鈣質(zhì)夾層相對較為發(fā)育，因為斷層往往是孔隙水流動的通道，流動的孔隙水對不穩(wěn)定組分溶蝕形成的Ca2+、Mg2+與HCO3-發(fā)生膠結(jié)作用，在靠近物性較好的地帶沉淀，形成鈣質(zhì)夾層。根據(jù)鈣質(zhì)夾層的巖心、薄片及測井響應(yīng)特征，對研究區(qū)4口井須四段的鈣質(zhì)夾層分布進(jìn)行了識別。

圖6　元陸173井鈣質(zhì)夾層分布與裂縫發(fā)育帶關(guān)系圖

通過研究區(qū)4口井地層連井對比與劃分發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)夾層可對應(yīng)砂組的界面，可利用鈣質(zhì)夾層的分布進(jìn)行高精度層序地層對比。根據(jù)鈣質(zhì)夾層易在水下分流河道底部形成的特征，可以將鈣質(zhì)夾層作為層組單元的界面對層組進(jìn)行識別。根據(jù)研究區(qū)須四段鈣質(zhì)夾層縱向上的分布特征，將須四段進(jìn)一步劃分了4個砂組（相當(dāng)于五級層序）。

鈣質(zhì)夾層的存在，對儲層性質(zhì)和油氣分布具有負(fù)面影響，因此在測試射孔時避開鈣質(zhì)夾層段。研究區(qū)須四段主要為辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積，縱向上水下分流河道多期疊置，平面上大面積展布。由于水下分流河道的侵蝕—沖刷作用，多期水下分流河道疊加部分的泥巖普遍遭受沖蝕，砂層組之間多為砂與砂的接觸關(guān)系，利用鈣質(zhì)夾層主要分布在三角洲前緣水下分流河道底部的特征，可據(jù)此建立高分辨率層序地層格架［8］34，指導(dǎo)開發(fā)。

5　結(jié)論與建議

巴中地區(qū)須四段砂巖鈣質(zhì)夾層巖性主要為灰色中砂巖，一般厚度較小。可通過巖心及電性特征相結(jié)合對鈣質(zhì)夾層進(jìn)行識別。須四段鈣質(zhì)夾層主要分布在辮狀河三角洲前緣水下分流河道的底部及裂縫發(fā)育部位，橫向連續(xù)性較差，其分布主要受沉積相帶和斷裂的控制。鈣質(zhì)夾層的存在對儲層主要起破壞作用，在油氣測試時應(yīng)避開鈣質(zhì)夾層段。可利用鈣質(zhì)夾層建立氣藏范圍內(nèi)的高分辨率層序地層格架，指導(dǎo)開發(fā)。

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（編輯：盧櫟羽）

修訂回稿日期：2016-05-12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0016-05

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.004

作者簡介：蒲勇（1965-），博士，高級工程師，從事油氣勘探綜合研究及管理工作。E-mail：puy.ktnf@sinopec.com。