川西坳陷中江气田沙溪庙组致密砂岩次生孔隙形成机制

蔡李梅，阎丽妮，南红丽

（中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院，四川成都 610041）

次生孔隙是低孔、低渗储集层重要的油气储集空间及渗滤通道，但其成因机制复杂，正确认识次生孔隙的形成机制是评价低孔、低渗油气藏储集层的重要工作之一[1]，对于明确优质储层分布规律以及储层综合评价至关重要．前人对次生孔隙形成机制已经开展了大量的研究工作[2-5]，不同学者通过模拟实验和地质分析综合认为：有机质演化[6-9]、大气淡水[8,10]、地表水渗滤和深部地质活动[7,11]，这些地质作用过程形成的含有有机酸、无机酸、碱性[7,9,12,]的流体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气田，其重要储集层段为中侏罗统沙溪庙组砂岩，为典型的低孔、特低渗致密砂岩储层，次生孔隙是这套储层重要的储集空间类型．笔者选取此套储集层为研究对象，利用岩石薄片观察、扫描电镜、电子探针、阴极发光、X 射线衍射等分析测试手段，对沙溪庙组储层的岩石学特征、物性特征、孔隙构成及成岩演化进行综合研究，探讨储集层中次生孔隙的形成机制及分布规律，以期为有利目标油气层的勘探提供科学依据．

1 地质背景

中江气田位于川西坳陷东斜坡地区，东临川中古隆起，西临成都凹陷，南接龙泉山构造带，北接梓潼凹陷，区内整体构造形态为“三隆夹一凹”特征，总面积达2 350 km2（图1）．区内中侏罗统沙溪庙组蕴藏有丰富的天然气，被分为沙溪庙组上段和沙溪庙组下段，地层现今埋深2000～3000 m 左右，厚度800～950 m，岩性为浅绿灰色中、细粒岩屑长石砂岩，长石岩屑砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与棕色泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层．其下伏地层为中侏罗统千佛崖组（J2q），上覆地层为上侏罗统遂宁组（J3sn）和蓬莱镇组（J3p）（图1）．沙溪庙组气藏属于下生上储远源气藏，天然气主要来自下伏上三叠统须家河组五段(T3x5)，天然气运移进入沙溪庙组的主要时期是晚白垩世（100 Ma）[13]．中江气田受到多期次不同主应力方向的构造运动影响，发育不同规模、不同期次、不同级别的断裂共90 余条，主要集中在工区中西部知新场-石泉场构造附近，断裂走向主要为NE 和SN向，工区东部几乎不发育断层（图2）．

图1 川西坳陷中江气田岩性剖面柱状图Fig.1 Triassic to Cretaceous stratigraphic framework of the Zhongjiang gas field in western Sichuan basin

图2 川西坳陷中江气田构造位置图Fig.2 Structural map of the Zhongjiang gas field in western Sichuan basin

2 储层特征

根据中江气田上、下沙溪庙组2 400余块岩石薄片鉴定统计结果，砂岩类型分类方案按照SY/T 5368-2016 的规定执行，储层岩石类型以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，占总样品数的90.4%（图3）．碎屑矿物组分中石英（Q）含量最高，一般为45%～55%，其次为长石（F），一般为25%～30%．其中，上沙溪庙组碎屑组分中石英、长石及岩屑平均含量分别为51%、29%、20%，成分成熟度为1.02；下沙溪庙组碎屑组分中石英、长石及岩屑平均含量分别为53%、25%、22%，成分成熟度为1.13．自生矿物主要是方解石、自生石英及黏土矿物．从中江气田沙溪庙组115 个X 衍射分析结果统计可知，上、下沙溪庙组黏土矿物平均含量分别为12.57%、8.27%，均以绿泥石为主，其次为伊利石和高岭石（见表1）．

表1 中江气田沙溪庙组X衍射全岩及黏土分析结果统计数据Table 1 X-ray diffraction analysis data for rocks of the Zhongjiang gas field in Jurassic Shaximiao formation

图3 中江气田上、下沙溪庙组砂岩岩石组分三角图Fig.3 Clastic composition of sandstones of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

砂岩粒度以中、细粒为主，粗粒少量；胶结方式以接触式、接触-孔隙式为主；磨圆度以次棱角状为主；颗粒分选好—中等．总体上，上、下沙溪庙组岩石学特征相差不大（如图3）．

根据中江气田上、下沙溪庙组3 490块实测岩心物性分析，储层孔隙度平均值分别为8.2%、8.8%，且均主要分布在9%～12%，分别占总样品数的49%、58%．渗透率相差较明显，上沙溪庙组储层渗透率平均值为0.098 mD，大于0.1 mD 的样品数占总数的46.4%；下沙溪庙组储层渗透率平均值为0.234 mD，大于0.1 mD 的样品数占总数的72.8%．可见，上、下沙溪庙组均以低孔-特低渗储集层为主，储集性能总体较差，但下沙溪庙组大孔隙度储层相对更为发育，渗透性也比上沙溪庙组要好．

3 孔隙构成及分布特征

根据328 块砂岩铸体薄片和136 个样品扫描电镜观察结果，中江气田沙溪庙组砂岩储集空间主要为残余原生孔、粒间溶孔、粒内溶孔，其次为晶间微孔、微裂隙等（图4）．上、下沙溪庙组原生孔隙和次生孔隙的比例及分布有差别，上沙溪庙组以残余原生孔为主，下沙溪庙组以次生孔隙为主（如图5）．

图4 中江气田沙溪庙组砂岩中的孔隙类型及自生矿物显微照片Fig.4 Microscopic photographs showing characteristics of pore type and authigenic minerals of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

图5 中江气田上、下沙溪庙组孔隙构成及对总面孔率的贡献图Fig.5 Histograms of pore composition and contribution to total face rate of the upper and lower Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

原生孔隙主要指残余原生孔，为原生孔遭受压实、胶结作用之后剩余的孔隙，大小0.02～0.18mm，呈三角形或不规则多边形，孔隙内壁发育绿泥石薄膜，孔内偶见自生石英，分布不均，连通性一般（图4a）．残余原生孔在上、下沙溪庙组均大量发育，统计结果表明，上、下沙溪庙组储层平均面孔率分别为7.5%、8.3%，其中残余原生孔分别为4.5%、3.3%，对面孔率的贡献率分别为60%、40%．

次生孔隙包括粒间溶孔、粒内溶孔、晶间微孔及微裂缝等，其中粒间溶孔和粒内溶孔贡献较大．

粒间溶孔：在残余原生孔基础上溶蚀扩大而成（图4b、4c），溶蚀主矿物主要有长石（图4d）、岩屑、碳酸盐胶结物、沸石等易溶组分，大小0.10～0.45mm，孔内可见石英、方解石胶结物及黏土矿物充填，呈港湾状、长条状等，连通性较好（图4b）．粒间溶孔含量分别为1.5%、3.7%，对上、下沙溪庙组面孔率的贡献分别为20%、45%．

粒内溶孔：一般由碎屑颗粒遭受溶蚀形成，也可见方解石、沸石等胶结物内溶孔，局部颗粒已形成铸模孔或与粒间溶孔连通形成超大孔. 一般呈蜂窝状或串珠状，连通性较差（图4d）．粒内溶孔含量分别为1.5%、1.3%，对上、下沙溪庙组面孔率的贡献分别为20%、15%．

晶间微孔：主要形成于绿泥石、高岭石、伊利石等黏土矿物晶体间，在砂岩中普遍存在，对总孔隙的贡献较小（图4c）．

微裂缝：为成岩缝或解理缝，通常较为细小，宽度一般小于0.1mm，延伸短，大小与基质孔喉近似，发育不多见，对总孔隙的贡献较小（图5）. 微裂缝对孔隙的连通有贡献，提高储层的渗透性．

4 次生孔隙形成机制

前人研究指出，次生孔隙主要是酸性流体对骨架颗粒及填隙物的溶解作用所产生的[14-16]．因此，有必要研究溶蚀作用发生的时期、酸性流体的来源、运移通道及溶蚀机理．

4.1 次生孔隙形成时期

从溶蚀孔的产状可见溶蚀作用主要表现为两期（图4b）：早期发生于自生绿泥石衬垫形成之前，粒间溶蚀扩大孔和残余原生孔被绿泥石衬垫包围；晚期溶蚀作用发生于自生绿泥石衬垫形成之后，镜下可见颗粒被溶部位的残余绿泥石衬垫呈悬空状，且仍保持了被溶颗粒的外形，而靠近溶蚀颗粒的溶蚀边未见绿泥石衬垫发育．从储层孔隙的显微特征观察可见，沙溪庙组储层中发育大量的次生孔隙，其中早期溶蚀作用形成的次生孔隙约占65%，晚期溶蚀作用形成的次生孔隙约占35%，且两期溶蚀孔后期均保存较好．

综合岩石铸体薄片、阴极发光和扫描电镜分析，可以总结出研究区沙溪庙组砂岩的成岩作用相对顺序，由早到晚可大致归纳为：压实作用—早期方解石—早期溶蚀作用—自生绿泥石孔隙衬垫、自生石英、石英加大—晚期溶蚀作用—孔隙充填绿泥石、晚期方解石、晚期自生石英和高岭石（图6）．

图6 中江气田沙溪庙组砂岩成岩序列显微照片Fig.6 Microscopic photographs showing diagenetic sequence of the Shaximiao formation in the Zhongjiang gas field

从成岩演化序列可以看到，两期溶蚀作用之后都有自生石英的生成，可以用自生石英的形成时期来推测溶蚀作用的形成时期．自生矿物中包裹体的均一温度可以有效地反映其形成时期．研究在自生石英中发现了两相包体，测定了它们的均一化温度，检测方法和依据为EJ/T 1105-1999，检测仪器为LINKAM THMS600 型冷热台，温、湿度为25℃/40%．根据9 块样品46 个自生石英的均一温度分布特征可见（图7），包裹体均一温度具有双峰特征，表现为两期，早期形成温度大致为100～110℃，晚期形成温度大致为130～140℃，结合区域构造演化资料综合分析[17-18]，推测早期溶蚀作用形成时期大致为晚侏罗世末期-早白垩世早期，晚期溶蚀作用形成时期大致为晚白垩世中晚期．

图7 中江气田沙溪庙组储层自生石英中流体包裹体均一温度分布图Fig.7 Homogeneous temperature distribution diagram of fluid inclusions in authentically quartz in Shaximiao formation,Zhongjiang gas field

4.2 酸性流体来源

溶蚀作用发生时期砂岩埋藏深度较大，此时并不发育断至地表的断层，缺乏大气淡水的溶蚀作用，沙溪庙组本身也不具备大量产出酸性流体的能力，要形成广泛发育的溶蚀作用，酸性流体最有可能来自于下伏烃源岩层中的有机酸．

结合中江地区的埋藏史研究（图8），须五段烃源岩于中侏罗世进入快速沉降期，埋深逐渐增大，温度不断增高，热降解作用使干酪根外部的含氧官能团（羧基、酮基和酚）脱离，从而形成大量的有机酸．在燕山中期—燕山晚期早期（对应晚侏罗世末期—早白垩世早期）埋深进入2000～3000m，温度达到80～120℃，有机质达到低熟～成熟阶段，有机酸开始进入生排高峰[19]．随着埋深进一步加大，温度进一步升高，生排烃高峰持续到晚白垩世末期，最高温度达到150℃．当这些水溶性有机酸随孔隙流体从生油岩中排出进入储层砂岩之后，有机酸离解产生H+并溶蚀碎屑岩中的酸溶性组分．

图8 中江气田A5井埋藏史图Fig.8 Burial history map of well A5 in Zhongjiang gas field

4.3 酸性流体运移通道

中江气田处于川西坳陷到川中隆起的斜坡过渡带上，区内发育多条烃源断层，向下延伸至上三叠统须家河组，向上断至蓬莱镇组，且多条主干断层为持续活动型，在燕山中期—燕山晚期一直处于活动状态．这些断层对油气的高效运移起到了至关重要的作用，同时也为酸性流体的向上运移提供了通道．

前人根据川西坳陷侏罗系气藏天然气地球化学示踪技术[20]，利用天然气中苯／烷烃值及烷烃碳同位素值垂向分布特征，推测来自须五段的天然气可能呈水溶相自下而上沿断层运移至中侏罗统．同时，根据地层水矿化度以及水化学变化特征[20]，认为川西坳陷地层水沿断层也存在自下而上的跨层流动，原因是中侏罗统气藏伴生水普遍具有中低矿化度，与须五段泥岩黏土矿物转化形成的大量低矿化度地层水沿断层上涌有关．此外，前文也提到沙溪庙组溶蚀孔隙比例自下而上逐渐降低，同样证实了研究区断层沟通了深层须家河组与中浅层侏罗系，是油气及酸性流体自下而上垂向运移的通道．

4.4 溶蚀矿物及机理

中江气田沙溪庙组次生孔隙由长石、岩屑、碳酸盐胶结物、沸石、杂基等溶蚀而成，其中以长石的溶蚀最为常见．镜下多见长石溶蚀形成粒间溶蚀扩大孔、粒内溶孔，甚至整个颗粒完全被溶解形成铸模孔（图4b、4d）．

长石在其溶解过程中，部分离子被溶解进入溶液中，而另一部分组分则将转变成新的矿物．由于这些新生的矿物与原始矿物组成的不同，它们的分子量、密度等物理化学性质也不同，其所占据的体积空间将发生变化，从而导致次生孔隙空间的产生[21-22]．

在相同的成岩温压条件下，钙长石最容易发生溶蚀，其次为钠长石，钾长石相对最稳定[23]．根据X衍射全岩分析结果（表1），现今上、下沙溪庙组储层中长石类型主要有斜长石和钾长石，且以斜长石为主，其含量平均值分别为39.6%、33.1%，钾长石含量不足2%．根据残余溶蚀矿物的电子探针检测结果，沙溪庙组储层中现今的长石溶蚀残余基本都为钠长石（属斜长石）（表2）．

表2 中江气田沙溪庙组储层长石溶蚀残余电子探针分析结果Table 2 The results of electron probe analysis of feldspar dissolution in Shaximiao formation reservoir in Zhongjiang gas field

钠长石溶蚀作用的反应式为：

当2摩尔的钠长石被溶蚀后，将有1摩尔的次生高岭石形成，同时形成4 摩尔的石英，可能形成5.08%的次生孔隙[22]．

从上述反应式可见，长石溶蚀后将形成自生石英和高岭石等自生矿物．在开放的地球化学体系中，长石释放的产物（Al3+和硅质）被迁移走，才可以使长石溶蚀后的孔隙成为真正意义上的次生孔隙[24]．通过研究区下沙溪庙组溶蚀产物高岭石与孔隙度、渗透率的相关性可以看出（图9），孔渗较高的样品普遍具有较低的高岭石含量，推测研究区长石的溶蚀产物并未在原地沉淀，从而保障大量溶蚀孔的发育形成．

图9 中江气田下沙溪庙组高岭石含量与孔隙度（a）、渗透率（b）相关图Fig.9 Relationship between kaolinite content and porosity-permeability of the lower Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

4.5 时空配置关系

综上，在燕山中期末期—燕山晚期早期，中江地区下伏须五段烃源岩由于快速沉降，地温达到80～120℃，有机质进入低熟—成熟阶段，有机质热解脱羧作用形成大量具有较强溶蚀能力的有机酸和碳酸溶液，这些高温酸性流体沿着燕山中晚期形成的烃源断层向上运移进入沙溪庙组储层中，有机酸离解产生H+并溶蚀碎屑岩中的钠长石及其它易溶组分．由于中江气田断裂系统发育，且活动期次频繁，相对开放的成岩环境使得长石溶蚀产物并未大量沉淀，加上整体地层沉降速度减缓，使得大量溶蚀孔隙得以有效保存．

5 结论

通过分析中江气田沙溪庙组的储层特征、孔隙构成及成岩演化，总结了研究区砂岩次生孔隙的形成机制及分布规律，结论如下：

（1）中江气田上、下沙溪庙组成分成熟度及结构成熟度相差不大，岩性均以富长石类砂岩为主，且具有低孔-特低渗的特征．下沙溪庙组大孔隙度储层相对更为发育，渗透性也比上沙溪庙组要好．

（2）上、下沙溪庙组原生孔隙和次生孔隙的比例及分布有差别．上沙溪庙组以残余原生孔为主，下沙溪庙组以次生孔隙为主．

（3）储层主要发育两期溶蚀作用，早期溶蚀发生在绿泥石衬垫之前，约占次生孔隙的65%，晚期溶蚀发生在绿泥石衬垫之后，约占次生孔隙的35%，两期溶蚀孔均保存较好．利用自生石英实测包裹体温度数据，推算早期溶蚀作用形成于燕山中期末期—燕山晚期早期，晚期溶蚀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时空配置关系．燕山中期末期—燕山晚期早期，须五段烃源岩进入低熟—成熟阶段，有机质热解脱羧作用形成大量具有较强溶蚀能力的有机酸和碳酸溶液，高温酸性流体沿着燕山中晚期形成的烃源断层运移至沙溪庙组砂岩中，造成大量钠长石等易溶组分的溶解以及次生孔隙的形成．