川西坳陷中江氣田沙溪廟組致密砂巖次生孔隙形成機制

蔡李梅，閻麗妮，南紅麗

（中國石化西南油氣分公司 勘探開發研究院，四川成都 610041）

次生孔隙是低孔、低滲儲集層重要的油氣儲集空間及滲濾通道，但其成因機制復雜，正確認識次生孔隙的形成機制是評價低孔、低滲油氣藏儲集層的重要工作之一[1]，對于明確優質儲層分布規律以及儲層綜合評價至關重要．前人對次生孔隙形成機制已經開展了大量的研究工作[2-5]，不同學者通過模擬實驗和地質分析綜合認為：有機質演化[6-9]、大氣淡水[8,10]、地表水滲濾和深部地質活動[7,11]，這些地質作用過程形成的含有有機酸、無機酸、堿性[7,9,12,]的流體作用是控制次生孔隙形成的主要因素．

位于川西坳陷的中江氣田，其重要儲集層段為中侏羅統沙溪廟組砂巖，為典型的低孔、特低滲致密砂巖儲層，次生孔隙是這套儲層重要的儲集空間類型．筆者選取此套儲集層為研究對象，利用巖石薄片觀察、掃描電鏡、電子探針、陰極發光、X 射線衍射等分析測試手段，對沙溪廟組儲層的巖石學特征、物性特征、孔隙構成及成巖演化進行綜合研究，探討儲集層中次生孔隙的形成機制及分布規律，以期為有利目標油氣層的勘探提供科學依據．

1 地質背景

中江氣田位于川西坳陷東斜坡地區，東臨川中古隆起，西臨成都凹陷，南接龍泉山構造帶，北接梓潼凹陷，區內整體構造形態為“三隆夾一凹”特征，總面積達2 350 km2（圖1）．區內中侏羅統沙溪廟組蘊藏有豐富的天然氣，被分為沙溪廟組上段和沙溪廟組下段，地層現今埋深2000～3000 m 左右，厚度800～950 m，巖性為淺綠灰色中、細粒巖屑長石砂巖，長石巖屑砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖與棕色泥巖、粉砂質泥巖不等厚互層．其下伏地層為中侏羅統千佛崖組（J2q），上覆地層為上侏羅統遂寧組（J3sn）和蓬萊鎮組（J3p）（圖1）．沙溪廟組氣藏屬于下生上儲遠源氣藏，天然氣主要來自下伏上三疊統須家河組五段(T3x5)，天然氣運移進入沙溪廟組的主要時期是晚白堊世（100 Ma）[13]．中江氣田受到多期次不同主應力方向的構造運動影響，發育不同規模、不同期次、不同級別的斷裂共90 余條，主要集中在工區中西部知新場-石泉場構造附近，斷裂走向主要為NE 和SN向，工區東部幾乎不發育斷層（圖2）．

圖1 川西坳陷中江氣田巖性剖面柱狀圖Fig.1 Triassic to Cretaceous stratigraphic framework of the Zhongjiang gas field in western Sichuan basin

圖2 川西坳陷中江氣田構造位置圖Fig.2 Structural map of the Zhongjiang gas field in western Sichuan basin

2 儲層特征

根據中江氣田上、下沙溪廟組2 400余塊巖石薄片鑒定統計結果，砂巖類型分類方案按照SY/T 5368-2016 的規定執行，儲層巖石類型以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，占總樣品數的90.4%（圖3）．碎屑礦物組分中石英（Q）含量最高，一般為45%～55%，其次為長石（F），一般為25%～30%．其中，上沙溪廟組碎屑組分中石英、長石及巖屑平均含量分別為51%、29%、20%，成分成熟度為1.02；下沙溪廟組碎屑組分中石英、長石及巖屑平均含量分別為53%、25%、22%，成分成熟度為1.13．自生礦物主要是方解石、自生石英及黏土礦物．從中江氣田沙溪廟組115 個X 衍射分析結果統計可知，上、下沙溪廟組黏土礦物平均含量分別為12.57%、8.27%，均以綠泥石為主，其次為伊利石和高嶺石（見表1）．

表1 中江氣田沙溪廟組X衍射全巖及黏土分析結果統計數據Table 1 X-ray diffraction analysis data for rocks of the Zhongjiang gas field in Jurassic Shaximiao formation

圖3 中江氣田上、下沙溪廟組砂巖巖石組分三角圖Fig.3 Clastic composition of sandstones of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

砂巖粒度以中、細粒為主，粗粒少量；膠結方式以接觸式、接觸-孔隙式為主；磨圓度以次棱角狀為主；顆粒分選好—中等．總體上，上、下沙溪廟組巖石學特征相差不大（如圖3）．

根據中江氣田上、下沙溪廟組3 490塊實測巖心物性分析，儲層孔隙度平均值分別為8.2%、8.8%，且均主要分布在9%～12%，分別占總樣品數的49%、58%．滲透率相差較明顯，上沙溪廟組儲層滲透率平均值為0.098 mD，大于0.1 mD 的樣品數占總數的46.4%；下沙溪廟組儲層滲透率平均值為0.234 mD，大于0.1 mD 的樣品數占總數的72.8%．可見，上、下沙溪廟組均以低孔-特低滲儲集層為主，儲集性能總體較差，但下沙溪廟組大孔隙度儲層相對更為發育，滲透性也比上沙溪廟組要好．

3 孔隙構成及分布特征

根據328 塊砂巖鑄體薄片和136 個樣品掃描電鏡觀察結果，中江氣田沙溪廟組砂巖儲集空間主要為殘余原生孔、粒間溶孔、粒內溶孔，其次為晶間微孔、微裂隙等（圖4）．上、下沙溪廟組原生孔隙和次生孔隙的比例及分布有差別，上沙溪廟組以殘余原生孔為主，下沙溪廟組以次生孔隙為主（如圖5）．

圖4 中江氣田沙溪廟組砂巖中的孔隙類型及自生礦物顯微照片Fig.4 Microscopic photographs showing characteristics of pore type and authigenic minerals of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

圖5 中江氣田上、下沙溪廟組孔隙構成及對總面孔率的貢獻圖Fig.5 Histograms of pore composition and contribution to total face rate of the upper and lower Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

原生孔隙主要指殘余原生孔，為原生孔遭受壓實、膠結作用之后剩余的孔隙，大小0.02～0.18mm，呈三角形或不規則多邊形，孔隙內壁發育綠泥石薄膜，孔內偶見自生石英，分布不均，連通性一般（圖4a）．殘余原生孔在上、下沙溪廟組均大量發育，統計結果表明，上、下沙溪廟組儲層平均面孔率分別為7.5%、8.3%，其中殘余原生孔分別為4.5%、3.3%，對面孔率的貢獻率分別為60%、40%．

次生孔隙包括粒間溶孔、粒內溶孔、晶間微孔及微裂縫等，其中粒間溶孔和粒內溶孔貢獻較大．

粒間溶孔：在殘余原生孔基礎上溶蝕擴大而成（圖4b、4c），溶蝕主礦物主要有長石（圖4d）、巖屑、碳酸鹽膠結物、沸石等易溶組分，大小0.10～0.45mm，孔內可見石英、方解石膠結物及黏土礦物充填，呈港灣狀、長條狀等，連通性較好（圖4b）．粒間溶孔含量分別為1.5%、3.7%，對上、下沙溪廟組面孔率的貢獻分別為20%、45%．

粒內溶孔：一般由碎屑顆粒遭受溶蝕形成，也可見方解石、沸石等膠結物內溶孔，局部顆粒已形成鑄模孔或與粒間溶孔連通形成超大孔. 一般呈蜂窩狀或串珠狀，連通性較差（圖4d）．粒內溶孔含量分別為1.5%、1.3%，對上、下沙溪廟組面孔率的貢獻分別為20%、15%．

晶間微孔：主要形成于綠泥石、高嶺石、伊利石等黏土礦物晶體間，在砂巖中普遍存在，對總孔隙的貢獻較小（圖4c）．

微裂縫：為成巖縫或解理縫，通常較為細小，寬度一般小于0.1mm，延伸短，大小與基質孔喉近似，發育不多見，對總孔隙的貢獻較小（圖5）. 微裂縫對孔隙的連通有貢獻，提高儲層的滲透性．

4 次生孔隙形成機制

前人研究指出，次生孔隙主要是酸性流體對骨架顆粒及填隙物的溶解作用所產生的[14-16]．因此，有必要研究溶蝕作用發生的時期、酸性流體的來源、運移通道及溶蝕機理．

4.1 次生孔隙形成時期

從溶蝕孔的產狀可見溶蝕作用主要表現為兩期（圖4b）：早期發生于自生綠泥石襯墊形成之前，粒間溶蝕擴大孔和殘余原生孔被綠泥石襯墊包圍；晚期溶蝕作用發生于自生綠泥石襯墊形成之后，鏡下可見顆粒被溶部位的殘余綠泥石襯墊呈懸空狀，且仍保持了被溶顆粒的外形，而靠近溶蝕顆粒的溶蝕邊未見綠泥石襯墊發育．從儲層孔隙的顯微特征觀察可見，沙溪廟組儲層中發育大量的次生孔隙，其中早期溶蝕作用形成的次生孔隙約占65%，晚期溶蝕作用形成的次生孔隙約占35%，且兩期溶蝕孔后期均保存較好．

綜合巖石鑄體薄片、陰極發光和掃描電鏡分析，可以總結出研究區沙溪廟組砂巖的成巖作用相對順序，由早到晚可大致歸納為：壓實作用—早期方解石—早期溶蝕作用—自生綠泥石孔隙襯墊、自生石英、石英加大—晚期溶蝕作用—孔隙充填綠泥石、晚期方解石、晚期自生石英和高嶺石（圖6）．

圖6 中江氣田沙溪廟組砂巖成巖序列顯微照片Fig.6 Microscopic photographs showing diagenetic sequence of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

從成巖演化序列可以看到，兩期溶蝕作用之后都有自生石英的生成，可以用自生石英的形成時期來推測溶蝕作用的形成時期．自生礦物中包裹體的均一溫度可以有效地反映其形成時期．研究在自生石英中發現了兩相包體，測定了它們的均一化溫度，檢測方法和依據為EJ/T 1105-1999，檢測儀器為LINKAM THMS600 型冷熱臺，溫、濕度為25℃/40%．根據9 塊樣品46 個自生石英的均一溫度分布特征可見（圖7），包裹體均一溫度具有雙峰特征，表現為兩期，早期形成溫度大致為100～110℃，晚期形成溫度大致為130～140℃，結合區域構造演化資料綜合分析[17-18]，推測早期溶蝕作用形成時期大致為晚侏羅世末期-早白堊世早期，晚期溶蝕作用形成時期大致為晚白堊世中晚期．

圖7 中江氣田沙溪廟組儲層自生石英中流體包裹體均一溫度分布圖Fig.7 Homogeneous temperature distribution diagram of fluid inclusions in authentically quartz in Shaximiao formation,Zhongjiang gas field

4.2 酸性流體來源

溶蝕作用發生時期砂巖埋藏深度較大，此時并不發育斷至地表的斷層，缺乏大氣淡水的溶蝕作用，沙溪廟組本身也不具備大量產出酸性流體的能力，要形成廣泛發育的溶蝕作用，酸性流體最有可能來自于下伏烴源巖層中的有機酸．

結合中江地區的埋藏史研究（圖8），須五段烴源巖于中侏羅世進入快速沉降期，埋深逐漸增大，溫度不斷增高，熱降解作用使干酪根外部的含氧官能團（羧基、酮基和酚）脫離，從而形成大量的有機酸．在燕山中期—燕山晚期早期（對應晚侏羅世末期—早白堊世早期）埋深進入2000～3000m，溫度達到80～120℃，有機質達到低熟～成熟階段，有機酸開始進入生排高峰[19]．隨著埋深進一步加大，溫度進一步升高，生排烴高峰持續到晚白堊世末期，最高溫度達到150℃．當這些水溶性有機酸隨孔隙流體從生油巖中排出進入儲層砂巖之后，有機酸離解產生H+并溶蝕碎屑巖中的酸溶性組分．

圖8 中江氣田A5井埋藏史圖Fig.8 Burial history map of well A5 in Zhongjiang gas field

4.3 酸性流體運移通道

中江氣田處于川西坳陷到川中隆起的斜坡過渡帶上，區內發育多條烴源斷層，向下延伸至上三疊統須家河組，向上斷至蓬萊鎮組，且多條主干斷層為持續活動型，在燕山中期—燕山晚期一直處于活動狀態．這些斷層對油氣的高效運移起到了至關重要的作用，同時也為酸性流體的向上運移提供了通道．

前人根據川西坳陷侏羅系氣藏天然氣地球化學示蹤技術[20]，利用天然氣中苯／烷烴值及烷烴碳同位素值垂向分布特征，推測來自須五段的天然氣可能呈水溶相自下而上沿斷層運移至中侏羅統．同時，根據地層水礦化度以及水化學變化特征[20]，認為川西坳陷地層水沿斷層也存在自下而上的跨層流動，原因是中侏羅統氣藏伴生水普遍具有中低礦化度，與須五段泥巖黏土礦物轉化形成的大量低礦化度地層水沿斷層上涌有關．此外，前文也提到沙溪廟組溶蝕孔隙比例自下而上逐漸降低，同樣證實了研究區斷層溝通了深層須家河組與中淺層侏羅系，是油氣及酸性流體自下而上垂向運移的通道．

4.4 溶蝕礦物及機理

中江氣田沙溪廟組次生孔隙由長石、巖屑、碳酸鹽膠結物、沸石、雜基等溶蝕而成，其中以長石的溶蝕最為常見．鏡下多見長石溶蝕形成粒間溶蝕擴大孔、粒內溶孔，甚至整個顆粒完全被溶解形成鑄模孔（圖4b、4d）．

長石在其溶解過程中，部分離子被溶解進入溶液中，而另一部分組分則將轉變成新的礦物．由于這些新生的礦物與原始礦物組成的不同，它們的分子量、密度等物理化學性質也不同，其所占據的體積空間將發生變化，從而導致次生孔隙空間的產生[21-22]．

在相同的成巖溫壓條件下，鈣長石最容易發生溶蝕，其次為鈉長石，鉀長石相對最穩定[23]．根據X衍射全巖分析結果（表1），現今上、下沙溪廟組儲層中長石類型主要有斜長石和鉀長石，且以斜長石為主，其含量平均值分別為39.6%、33.1%，鉀長石含量不足2%．根據殘余溶蝕礦物的電子探針檢測結果，沙溪廟組儲層中現今的長石溶蝕殘余基本都為鈉長石（屬斜長石）（表2）．

表2 中江氣田沙溪廟組儲層長石溶蝕殘余電子探針分析結果Table 2 The results of electron probe analysis of feldspar dissolution in Shaximiao formation reservoir in Zhongjiang gas field

鈉長石溶蝕作用的反應式為：

當2摩爾的鈉長石被溶蝕后，將有1摩爾的次生高嶺石形成，同時形成4 摩爾的石英，可能形成5.08%的次生孔隙[22]．

從上述反應式可見，長石溶蝕后將形成自生石英和高嶺石等自生礦物．在開放的地球化學體系中，長石釋放的產物（Al3+和硅質）被遷移走，才可以使長石溶蝕后的孔隙成為真正意義上的次生孔隙[24]．通過研究區下沙溪廟組溶蝕產物高嶺石與孔隙度、滲透率的相關性可以看出（圖9），孔滲較高的樣品普遍具有較低的高嶺石含量，推測研究區長石的溶蝕產物并未在原地沉淀，從而保障大量溶蝕孔的發育形成．

圖9 中江氣田下沙溪廟組高嶺石含量與孔隙度（a）、滲透率（b）相關圖Fig.9 Relationship between kaolinite content and porosity-permeability of the lower Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

4.5 時空配置關系

綜上，在燕山中期末期—燕山晚期早期，中江地區下伏須五段烴源巖由于快速沉降，地溫達到80～120℃，有機質進入低熟—成熟階段，有機質熱解脫羧作用形成大量具有較強溶蝕能力的有機酸和碳酸溶液，這些高溫酸性流體沿著燕山中晚期形成的烴源斷層向上運移進入沙溪廟組儲層中，有機酸離解產生H+并溶蝕碎屑巖中的鈉長石及其它易溶組分．由于中江氣田斷裂系統發育，且活動期次頻繁，相對開放的成巖環境使得長石溶蝕產物并未大量沉淀，加上整體地層沉降速度減緩，使得大量溶蝕孔隙得以有效保存．

5 結論

通過分析中江氣田沙溪廟組的儲層特征、孔隙構成及成巖演化，總結了研究區砂巖次生孔隙的形成機制及分布規律，結論如下：

（1）中江氣田上、下沙溪廟組成分成熟度及結構成熟度相差不大，巖性均以富長石類砂巖為主，且具有低孔-特低滲的特征．下沙溪廟組大孔隙度儲層相對更為發育，滲透性也比上沙溪廟組要好．

（2）上、下沙溪廟組原生孔隙和次生孔隙的比例及分布有差別．上沙溪廟組以殘余原生孔為主，下沙溪廟組以次生孔隙為主．

（3）儲層主要發育兩期溶蝕作用，早期溶蝕發生在綠泥石襯墊之前，約占次生孔隙的65%，晚期溶蝕發生在綠泥石襯墊之后，約占次生孔隙的35%，兩期溶蝕孔均保存較好．利用自生石英實測包裹體溫度數據，推算早期溶蝕作用形成于燕山中期末期—燕山晚期早期，晚期溶蝕作用形成于燕山晚期中—晚期．

（4）次生孔隙的形成具有良好的時空配置關系．燕山中期末期—燕山晚期早期，須五段烴源巖進入低熟—成熟階段，有機質熱解脫羧作用形成大量具有較強溶蝕能力的有機酸和碳酸溶液，高溫酸性流體沿著燕山中晚期形成的烴源斷層運移至沙溪廟組砂巖中，造成大量鈉長石等易溶組分的溶解以及次生孔隙的形成．