四川盆地西部地区须家河组砂岩成岩作用及其成藏时间

四川盆地西部地区须家河组砂岩成岩作用及其成藏时间

0储层致密的成因通过对四川盆地西部徐家河群砂岩储层的研究，对储层的类型、成因和分布有了深入的认识：对三叠纪徐家河群系在四川三叠纪徐家河群的影响下，复杂而强烈的岩带作用是形成西部徐家河群砂岩储层致密的根本原因。四川中水库-中甲那2致密砂岩气藏的致密储层也经历了多次的强烈成岩作用。此外，砂岩储层中石英的二次增加是储层致密结构因素的重要因素。既然都认为须家河组地层为典型的致密砂岩,那么其储集空间又在哪里呢?从砂岩的致密时间与天然气成藏时间的配制关系中也许能找到一些证据,因此,研究希望对石英次生加大包裹体和方解石胶结物同位素的测试数据可以确定川西须家河组砂岩储层致密的时间,并与成烃的温度及深度进行比较,以期为致密砂岩成藏理论提供新的研究思路。1岩石类型及物源区的差异四川盆地西部指川中隆起带以西,龙门山断裂带以东的拗陷地区,在大地构造位置上属于上扬子地台西部拗陷或九龙山断褶带(图1)。由于龙门山的隆升使得川西地区由碳酸盐岩台地变为前陆盆地,须家河组就在前陆盆地背景下的三角洲和湖盆沉积环境中接受了大约840m～2000m厚的碎屑岩地层沉积,其埋藏深度在3000m～4500m之间。根据对川西地区须二及部分须四段岩石薄片分析,须家河组砂岩主要为岩屑石英砂岩、岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩和长石砂岩。其中岩屑石英砂岩仅见于柘坝场地区和九龙山地区。长石砂岩见于汉王场、大兴西和平落坝地区。这两种岩性所占厚度不大,尤其是石英砂岩更为少见。其他3种则是本区常见的岩石类型,研究区的南部和北部有明显的差异,南部地区主要为岩屑长石砂岩,少量长石岩屑砂岩和岩屑砂岩。平落坝地区稍有例外,既发育岩屑长石砂岩,亦发育长石岩屑砂岩,北部地区则主要发育岩屑砂岩,柘坝场为二者均发育的特征,但仍属岩屑砂岩类。表明在须二沉积时,物源区明显不同,即有多个物源区,且物源供给基本稳定。汉王场和大兴西可能为同一物源区,因其主要碎屑成份基本相同(图2),平落坝地区与前者有一定的差异。碎屑组份在QFR图上分布较为分散,可能与大兴西、汉王场的物源不同。在北部,L12井的物源主要来自北部或北东方向的物源,且物源基本保持不变;柘坝场地区则受到九龙山地区物源的影响亦有西部物源的掺和。中部地区岩性较为复杂,主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩。石英含量较高,平均为70.85%,说明中部的物源与北部和南部也有差异,因此,须二沉积时,是有多个物源的。川西地区须家河组二段岩性在平面上的展布有两个明显趋势:①从北部到中部地区长石是有增加的趋势;②从西南到中部地区岩屑是增加的趋势(图2)。纵向上,岩性变化比较小,只是岩屑类型在北部碳酸盐岩屑有增多,砾岩含量增多,且砾岩中碳酸盐砾石的含量亦高。在平落坝地区,由下向上石英含量有增加的特征,而长石含量有减少的趋势,须二段与须四段相比,岩性差异明显,须二段为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩,而须四段则为长石岩屑砂岩与岩屑砂岩,反映龙门山的形成与演化对川西地区沉积作用的影响,也表明龙门山的构造活动在须家河组三段沉积之后有明显增强的特征。2岩石压实及胶结作用由于川西地区自晚三叠世以来经历了海陆的变迁以印支、燕山和喜山期的构造活动,使其成岩历史极为复杂,从而构成了现今复杂的储层分布现状。从成岩作用类型上讲,可以将川西地区砂岩储层的成岩作用归纳为:压实作用、压溶作用、胶结作用、自生矿物的沉淀作用、交代作用、重结晶作用、溶蚀作用和构造破裂作用。根据成岩作用对储层的影响,则主要有:压实作用、压溶作用、胶结作用、自生矿物的充填作用、溶蚀作用和破裂作用。①压实和压溶作用:由于在砂岩储层中压实作用进一步的发展就是压溶作用,故将其放在一起描述。压实作用和压溶作用的发育与否取决于岩石本身的碎屑组成和上覆压力的大小以及胶结作用的发育程度。当胶结作用较早地发育时,压实作用和压溶作用就不发育,根据统计的结果,当早期的胶结物大于5%时,岩石能够很好地抵抗上覆压力的压实作用,从而使原生粒间孔隙得以保存。当岩石主要由石英等刚性颗粒组成时,即使是早期胶结作用不强或者上覆压力较大,岩石也不能表现出压实作用的特点。因此,压实作用主要在岩屑砂岩和长石砂岩中表现得比较明显,而在石英砂岩中则表现不出明显的压实特征。川西须家河组砂岩的压实作用在细粒的含云母高和塑性颗粒较高的岩石中表现比较明显,可见有假杂基的压实特征,其他岩石则均表现为颗粒的点接触形式逐渐减少,而线接触的形势逐渐增多,有些则表现为颗粒的镶嵌状,在普通偏光显微镜下似乎压实作用非常强烈。压溶作用在偏光显微镜下主要为颗粒的凹凸接触,但这种凹凸接触在整个川西须家河组砂岩中分布并不均匀,多数情况下,在石英含量比较高的砂岩中较为常见。②胶结作用:研究区胶结作用主要有两种类型,一种是方解石的胶结作用,另一种是自生石英的胶结作用。根据薄片观察,方解石的胶结作用主要表现为早期的连生胶结,以及分散状的方解石胶结物。在连生方解石胶结物中,明显可见碎屑颗粒之间以点接触为主,颗粒的压实作用非常弱。在阴极发光显微镜下,方解石胶结物的发光特征比较均一,都为暗红色,表明方解石胶结物形成的时间比较早,当压实作用还不强的时候,胶结作用阻止了压实作用的进行,颗粒以点接触为主以及均一的发光特征,也说明孔隙水在胶结物形成的时候没有大的变化,因此发光特征相同,在胶结完成后,该砂岩的成岩作用也就结束了。由于强烈的胶结作用或者方解石过饱和的孔隙水,使得一些矿物在这种流体中不稳定,多数长石和部分的石英边缘有被交代的现象。石英的胶结作用主要是自生石英围绕碎屑石英的生长,在须家河组砂岩中,石英的胶结作用非常发育,占据了粒间的大部分孔隙,也是砂岩致密的主要原因之一。③溶蚀作用:溶蚀作用的发生是储层次生孔隙发育的主要机理,由于溶蚀作用使得一些不稳定的矿物和碎屑发生溶蚀,在薄片鉴定和扫描电镜下的观察发现,溶蚀作用最发育的是长石碎屑。在薄片中可见长石溶蚀之后形成的次生孔隙,而长石颗粒部分或者完全被溶蚀,形成了一部分高岭石充填在粒间孔隙中。在扫描电镜下,可见长石完全被溶蚀和部分被溶蚀。岩屑的溶蚀现象表现为岩屑颗粒呈蜂窝状产出,表明不稳定组分被溶掉,而稳定组分则被保留。这种溶蚀作用可能发生的比较早,与三角洲的沉积环境有关,淡水的进入可能是溶蚀作用和次生孔隙形成的主要原因。④破裂作用:破裂作用产生的各种类型裂缝是川西地区须家河组砂岩储层一个重要特征,由于砂岩储层比较致密,在裂缝的改造下,不但增加了岩石的孔隙度,而且更重要的是裂缝系统的形成沟通了岩石的粒间和粒内孔隙,从而使储层的质量得到极大的改善。须家河组岩石的裂缝成因和特征,归纳起来,可以认为裂缝的形成是和区域构造地质背景紧密相联系,是由于断裂的作用所派生出来的,裂缝的类型比较多,主要有张裂缝、剪切缝、网状裂缝和微裂缝。裂缝中充填有方解石和石英两种矿物。裂缝的形成期次可以分为3期,有印支期、燕山期和喜山期,且以喜山期为主,对储层的影响最大。⑤自生矿物的形成作用:自生矿物种类比较多,在薄片下可见高岭石、绿泥石、伊利石、菱铁矿、白云石和石英。自生的菱铁矿和白云石呈星散状分布于孔隙中,含量比较少;石英大部分是以石英次生加大的方式产出,仅见极少数石英呈自生矿物的形式产出。孔隙中最常见的自生矿物是粘土矿物,也就是高岭石、绿泥石和伊利石(照片1a,b)。这些粘土矿物的产出对岩石的储集性能影响很大,尤其是伊利石的存在极大地降低储层的渗透率。3石英原生加大包裹体根据成岩作用的研究认为,影响须家河组砂岩储层的主要因素除了沉积环境的能量因素之外,主要是成岩作用的影响比较大,在众多成岩作用类型中,对储层孔隙度和渗透率影响最大的就是方解石胶结作用和石英的次生加大以及自生粘土矿物。为了确定须家河组砂岩储层致密化过程和致密时间,对砂岩中石英的次生加大的包裹体和方解石胶结物中的包裹体进行测试分析。①石英次生加大包裹体特征及温度:根据对薄片的点记法统计,砂岩中作为胶结物的石英次生加大的含量在4.5%～13.6%之间,平均含量为7%。在薄片中可见有三期的石英次生加大现象,在扫描电镜下可见有更多期次的石英次生加大(照片1c,d)。由于石英连续的次生加大生长,从而缩小了孔隙以致堵塞。对石英次生加大中包裹体的分析,发现包裹体的形态多样,有拉长状、串珠状、孤岛状和不规则状。包裹体大小从2μm到9μm之间,一般为4μm～10μm(表1)。在室温条件下,测试包裹体为气液两相包裹体,少见纯液相包裹体,偶见有机包裹体。测试包裹体的温度在70℃～126.5℃之间(图3a)。大多数包裹体的温度大于85℃,亦即在85℃以下,石英次生加大的包裹体是不发育的。朱如凯等对川西须家河组砂岩石英次生加大包裹体测温的结果也表明,温度区间为60.3℃～125.9℃。绝大多数石英次生加大包裹体的温度在85℃以上。此结果与北海油田中侏罗世Brent组砂岩中的石英次生加大包裹体温度类似。②方解石包裹体的特征及温度:方解石中所含包裹体的特征和石英次生加大中的包裹体的特征相似,只是比石英次生加大包裹体略大,在产状上,多以孤立的和串珠状为主。方解石包裹体的温度在60℃～140℃之间,最高温度高于石英次生加大包裹体的温度。在方解石包裹体中,有机包裹体比较常见,其所测出的温度一般都比较低(图3b),在60℃～100℃之间,而大于100℃则极少见到有机包裹体。朱如凯等对川西须家河组砂岩中方解石和白云石包裹体测温的结果表明,方解石胶结物包裹体的温度区间为86.6℃～105.8℃之间;白云石包裹体的温度在81.5℃～93.3℃之间,其最高温度比此次测试的低,而最低温度则要高一些,然主要温度区间基本上一致。这一结果表明,方解石包裹体的最高温度比石英次生加大包裹体的温度要高,因此,最后一期的方解石胶结物可能是成岩作用的最后产物。4储层致密时间的确定对于须家河组砂岩储层前人的研究多侧重于对致密成因的探讨上,尤其是对储层质量改善比较强烈的裂缝类型、裂缝的发育期次以及裂缝的分布和裂缝的形成时间研究的比较详细。然而,须家河组砂岩储层的致密时间决定了储层中含气的丰度,同时也决定了勘探的经济价值。确定砂岩致密时间的方法到目前为止,主要是在确定砂岩致密的成因是什么之后,才能决定用什么方法来确定和分析,也就是说,针对不同致密储层的类型,其研究方法也是有根本上的差别,如对于储层是由于粘土矿物的沉淀而造成砂岩储层致密的,则必须用粘土矿物的测年方法,比较常见的是伊利石粘土矿物,因为伊利石含有大量的钾离子则用,利用钾的放射性,可以对伊利石粘土矿物进行放射性测年,从而确定伊利石形成的年龄,则就可以确定储层致密的时间。对于须家河组砂岩储层来讲,使储层致密的主要原因是由于大量方解石胶结物和石英胶结物的沉淀,因此,只要能够确定方解石胶结物和石英胶结物的形成时间就可以确定储层的致密时间。遗憾的是对于这两种矿物虽然可以用电子自旋共振的技术进行直接测年,而这种方法技术仅对年轻的沉积物比较有效,对于须家河组砂岩来讲则不能测定,影响因素太多,就是能够测出,可信度太低。由此确定储层致密的时间,只能用间接的方法才有效。包裹体测温技术提供的就是这样一种以确定方解石和石英的形成温度,利用地温梯度确定石英和方解石形成时的埋藏深度,来确定储层致密时间的间接方法。根据上述石英和方解石包裹体的温度可以看出,石英包裹体的温度分布在60℃～126℃区间,集中在80℃～120℃,表明在这一温度区间是石英次生加大主要生长期,石英包裹体的最高温度为126℃,说明在此温度之后,石英次生加大不再发育,那么储层的致密时间应该在地层埋藏到这一深度时的时间。川西地区的古地温梯度属于正常的地温梯度,也就是每百米增加3℃,地表温度按年平均气温20℃,则石英次生加大的深度应该在2000m左右,石英次生加大的最高温度在126℃,按此推算,须家河组砂岩储层致密的深度应该在3400m左右,再按照地层的平均厚度推算上覆地层的沉积时代,可以推算须家河组砂岩储层致密的时间应在1.5×108a左右,亦即在燕山构造活动期间。方解石包裹体的温度在60℃～140℃之间,基本和石英次生加大的温度区间一致,最高温度比石英次生加大的温度稍高,因此,按照上述的计算方法,也在燕山构造活动期间。按照有机质成烃理论,在温度超过60℃之后,烃类就开始成熟并发生运移,如果说大量的石英次生加大和方解石在此阶段开始形成,说明在烃类向储层运移的时候,须家河组砂岩储层并没有致密化,因此,在储层中有大量的储集空间可以保存天然气,即使在储层致密后,原有的天然气依然有一部分保留在孔隙中,因此,只要在有裂缝沟通的地方,裂缝作为最有效的天然气通道,就可以向井中不断地输送天然气,成为高产气井。此外,由于方解石胶结物也是在该温度下大量形成,也说明此时并没有大量的有机酸的运移,所以,须家河组砂岩中次生孔隙的形成机理也就不可能是由于有机酸的作用而形成。多数的研究者认为压实作用可能是须家河组砂岩储层致密的原因,但是根据Pittman等(1991)对松散沉积物在压实过程中孔隙度的变化的实验,表明在压实过程中,如果不考虑胶结作用的原因,单纯的压实作用,即使在4500m,若碎屑中有75%的石英碎屑,也还有23%的孔隙度可以