滇东威信地区龙潭组煤系致密砂岩储层特征

2022-08-01杨甜甜张晓丽何金先师帅曹文杰谢莹

断块油气田 2022年4期

杨甜甜，张晓丽，何金先，师帅，曹文杰，谢莹

（1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；3.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘 062552）

我国非常规油气资源丰富，仅致密砂岩气、煤层气、页岩气等技术可采储量就达34 000×108m3［1］。研究致密储层的微观结构、裂缝发育特征、致密成因是非常规油气勘探的热点［2］。受美国皮申斯盆地、澳大利亚苏拉特盆地和我国的鄂尔多斯盆地等地区煤层气、致密砂岩气合采试验成功的启示［3-6］，加之我国海陆过渡相地层广泛分布，使烃源岩之上的致密砂岩储层渐成为众多学者研究的重点对象［7-15］。滇东地区煤系地层形成于海陆过渡相沉积，砂岩、泥页岩和煤层等互层频繁，旋回性极强［16］，具有致密砂岩气、煤层气、页岩气“三气”合采的先天条件。为此，本文根据现场地质调查及剖面测量，采用X射线能谱仪及扫描电镜对滇东威信地区龙潭组砂岩内部结构、孔隙及组分进行了分析。在此基础上，探讨了构造背景、储层沉积环境及成岩类型对储层物性的控制作用，以进一步深化对该地区致密砂岩储层的认识［17］。

1 地质概况

滇东及邻区于基底峨眉山玄武岩组之上沉积了龙潭组煤系地层，具有极为丰富的煤层气资源，且海陆交互相沉积了较厚的砂岩。研究区地处滇东北部褶皱束的东段，北接四川盆缘凹陷，南接会泽台褶皱束，东接毕节东西向构造带，西与康滇地轴连接。研究区位于两大构造单元交界处，褶皱断裂发育，构造走向为北东向和北北东向，断裂以逆断裂为主，倾向南东。地区性的南北向挤压作用，使复向斜、背斜成为隔挡型褶皱，主要向斜包括新庄向斜和石坎向斜等（见图1）。

2 储层岩石学特征

岩石样品取自威信县高田乡实测剖面，坐标为北纬27°55′56″、东经105°7′21″。龙潭组与下伏茅口组不整合接触，与上覆长兴组整合接触。剖面向北发育茅口组石灰岩，厚度超过15.0 m，为碳酸盐岩台地沉积；向南沉积约90.0 m厚的龙潭组含煤地层，岩性以泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩和煤为主。龙潭组早期为潟湖、潮坪沉积，随着海退转变为三角洲沉积；至龙潭组晚期快速海侵，沉积了厚度约40.0 m的长兴组石灰岩夹泥岩、泥质粉砂岩。龙潭组中部发育一层约0.5 m厚的石灰岩，可将其作为龙潭组上、下段分界标志层［19-20］（见图2）。

利用X射线能谱及扫描电镜分析点位反映的样品化学成分特征表明，威信地区龙潭组砂岩以石英砂岩、长石石英砂岩和长石砂岩为主，石英和长石是主要的碎屑颗粒，绿泥石和高岭石等黏土矿物为主要填隙物（见图3。其中：X射线能谱图纵轴代表X射线强度，强度越大，说明原子的质量分数越高；扫描电镜照片红十星处为分析点位）。

图3 研究区致密砂岩不同矿物X射线能谱分析及扫描电镜照片

3 孔裂隙类型与物性特征

与滇东地区同属海陆过渡相沉积的黔西地区龙潭组砂岩物性分析结果显示，其孔隙度介于0.30%～11.10%，均值为5.86%，渗透率在2.80×10-3～4.42×10-3μm2，均值为6.50×10-3μm2，属于特低孔、超低渗储层［21］。薄片和扫描电镜分析结果表明，研究区砂岩储层致密，具有较发育的次生孔隙——长石溶蚀孔，存在少量的粒间孔、晶间孔和有机质微孔等原生孔隙，大量的蜂窝状黏土矿物微孔及局部较发育的微裂缝（见图4）。相对而言，龙潭组上段砂岩（以S4—S11为代表）的各类孔隙及微裂隙发育程度，较下段砂岩（以S2，S3为代表）高。

图4 研究区石坎向斜龙潭组致密砂岩孔裂隙特征

3.1 孔隙

3.1.1 原生孔隙

龙潭组致密砂岩中的脆性矿物质量分数偏低［21］，导致压实作用强、岩性致密、原生孔隙少，仅有少量的原生粒间孔存在，且一般形成于刚性颗粒与塑性颗粒的交界处——如石英与黏土矿物之间（见图4a）；同时，显微镜下可以观察到黏土矿物晶间孔［22］（见图4b）。按孔径划分，1～10μm的孔隙属于微孔，小于1μm属于微孔喉。绿泥石膜呈片状，具有“衬垫”作用，对提高气体的流动能力有一定的贡献。

3.1.2 次生孔隙

随深度增加，龙潭组砂岩由于温度、压力升高，不稳定矿物发生溶蚀，从而产生次生孔隙，对致密砂岩储层有一定的影响。本区龙潭组砂岩以沿长石解理缝发育的粒内溶蚀孔为主，这些孔隙不规则分布，通常为长条形。一些长石溶蚀后被方解石充填（见图4c），也有溶蚀后未被方解石充填的（见图4d）。因被方解石充填的程度不同，在扫描电镜下可以看到长石被溶蚀呈蜂窝状（见图4e）。长石被溶蚀后形成孔隙（见图4f），而所溶蚀的物质就近沉淀形成了高岭石（见图4f）。

3.2 微裂隙

龙潭组砂岩在多期次构造活动作用下，形成了大量分布不均匀、延伸长度大的微裂隙［23-25］（见图4g，4h）。微裂隙能提高储层的渗流能力，因此龙潭组砂岩在低孔隙度下仍然具有良好的渗透性［21］。龙潭组砂岩中的黏土矿物质量分数较高，在高温、高压作用下，黏土矿物中的有机质会产生大量烃类，并在一定条件下形成圆形或椭圆形、大小在几纳米至几微米的有机质孔隙（见图3i），而大部分有机质孔隙间不连通，可以增加储层容量，但对提高渗流能力的作用很小。

3.3 面孔率

本文在样品中选取73张扫描电镜照片，运用Image-Pro Plus软件定量提取样品不同类型的孔隙分布。图5为石坎向斜龙潭组部分致密砂岩面孔率二值化（黑白化）处理结果。图5a，5b，5c为从上述扫描电镜照片中选出的孔隙大小不一的3张，照片呈现出明显的黑白效果，与之分别对应的图5d，5e，5f，是对孔隙进行色彩（红色）充填后的效果。

图5 研究区石坎向斜龙潭组部分致密砂岩面孔率二值化处理结果

统计结果表明，样品面孔率介于4.8%～20.2%，略高于实测平均孔隙度，但分布趋势与孔隙度基本一致（见图6）。个别样品平均孔隙度与面孔率大于12.0%，视为常规砂岩储层，但总体上研究区龙潭组储层为致密砂岩储层。

图6 研究区致密砂岩样品实测平均孔隙度与面孔率拟合交会

4 成岩作用及其对储层的影响

成岩作用控制储层物性演化，对孔隙类型、数量和连通性产生影响，决定储层物性的优劣［26-27］。研究区龙潭组储层成岩作用较为复杂，主要为压实作用、胶结作用和溶蚀作用。

4.1 压实作用

研究区龙潭组碎屑岩属含煤岩系，沉积速率很高［28］，压实作用较强，在薄片下可见云母颗粒受压发生弯曲及少量泥质软岩屑变形（见图7a），颗粒间以线接触为主。颗粒边缘广泛分布绿泥石膜（见图7b，7c），颗粒间广泛分布以孔隙环边衬里产出的绿泥石胶结物（见图7d）。在沉积早期，有机物产生的有机酸使长石发生溶蚀，溶蚀产生的大量溶解组分形成绿泥石胶结物并充填在原生孔隙中，阻碍了压实作用的进一步进行［29-30］。

图7 研究区石坎向斜龙潭组致密砂岩成岩作用特征

4.2 胶结作用

胶结物在储层中占有一定的孔隙，胶结作用是导致储层孔隙度下降的主要原因之一［31］。龙潭组砂岩中石英、黏土矿物、方解石、白云石和菱铁矿等矿物在孔隙中形成堵塞，从而减少了原生孔隙的空间［32-34］。通过薄片和扫描电镜观察发现，龙潭组致密砂岩以黏土矿物胶结为主，局部有白云石、方解石和菱铁矿等。研究区胶结方式按胶结物成分不同，可分为硅质胶结、黏土矿物胶结和碳酸盐矿物胶结。

对研究区进行的全岩数据分析可以看出，样品矿物组分以黏土矿物和石英为主，长石（斜长石）、方解石和锐钛矿次之，个别样品含少量黄铁矿（见表1）。

表1 研究区龙潭组样品全岩定量分析

4.2.1 硅质胶结

研究区硅质胶结物普遍存在。当有环边绿泥石沉淀时，硅质胶结物以它形石英形式充填于孔隙中，绿泥石薄膜对硅质与石英颗粒的共轴生长起抑制作用（见图7e），细粒的石英颗粒往往包裹碎屑表面，充填粒间孔，降低储层物性。

4.2.2 黏土矿物胶结

黏土矿物主要为绿泥石和高岭石，伊/蒙混层和绿/蒙混层次之，含少量伊利石和蒙皂石。绿泥石在砂岩中多呈孔隙衬边产出，对储层物性具有不利影响；但也具有积极作用的一面，如绿泥石附着在颗粒表面及颗粒周围形成包膜（见图7c，7d），可有效防止压实作用对碎屑颗粒造成的影响，保护原生孔隙，且作为黏土矿物包裹体，可以有效地抑制石英次生加大边的发育［21］——这也是研究区内龙潭组砂岩石英次生加大不明显和物性较好的主要原因。区内高岭石多见晶形良好，集合体呈片状、书页状，堆积松散，发育大量晶间孔。扫描电镜下常见高岭石充填于长石次生溶蚀孔（见图7f）和粒间孔（见图7g），有效抑制了硅质和钙质胶结物在溶蚀孔中成核和结晶，有利于孔隙保留。

4.2.3 碳酸盐矿物胶结

研究区常见的碳酸盐胶结矿物以方解石居多。方解石包括无铁方解石和含铁方解石2种类型，经茜素红和铁氰化钾的复合染色剂染色后，无铁方解石为红色，含铁方解石为紫红色［35］。区内方解石胶结物或呈颗粒状充填于粒间孔和长石次生溶蚀孔中（见图7h），或呈不规则状附着于碎屑颗粒边缘（见图7i）。方解石分布于绿泥石包壳和绿泥石团块外部（见图7j），偶见充填于长石溶蚀孔中——说明方解石结晶于绿泥石结晶和长石溶蚀之后。

4.3 溶蚀作用

研究区内长石和岩屑溶蚀广泛发育，溶蚀程度较高。由于长石溶蚀的部位不同，其孔隙的形状也不相同——在颗粒的边缘发生溶蚀时，会形成一个港湾状的溶蚀边（见图7k）；沿晶面溶蚀时，在晶面形成剥蚀痕（见图7f）；沿解理缝溶蚀时，则会形成顺解理缝方向的线状溶蚀痕（见图7l），在扫描电镜下可见溶孔沿解理面呈栉齿状排列（见图7m）；当溶蚀程度更高时，长石矿物颗粒几乎完全溶蚀，并被后期沉淀的矿物充填，仅保留原来长石颗粒的宽板状矿物轮廓（见图7n）。而高岭石在长石溶蚀孔隙间或残留的长石颗粒中普遍存在，说明它们存在着明显的共生关系（见图7j）。薄片观察可知，研究区龙潭组中岩屑组分主要为辉长岩岩屑，被溶蚀改造强烈，仅可见发生溶蚀后保留的辉长结构残影（见图7o，7p）。

4.4 成岩演化序列

龙潭组为海陆过渡相沉积。其中10个砂岩样品（S2—S11）矿物组分中黏土矿物质量分数最高，介于27.10%～63.70%，平均为42.51%，其次为石英与斜长石；有6个样品含有方解石，质量分数介于0.60%～18.30%，平均为9.05%；5个样品含有锐钛矿，质量分数介于11.50%～16.60%，平均为14.42%（见图8）。黏土矿物中，绿泥石相对质量分数最高，介于21.0%～85.0%，平均为53.4%，其次是高岭石，伊利石相对质量分数最低（见图9）。研究区蒙皂石混层带向伊利石带转化，伊/蒙混层比平均约为24.9%。按照行业标准，确定研究区龙潭组主要处于中成岩早期。