Natural Gas Geoscience >

2022 , Vol. 33 >Issue 3: 344 - 357

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.10.007

Diagenesis and porosity evolution of the 3rd member of Xujiahe Formation tight sandstone reservoir in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

  • Han XU , 1, 2 ,
  • Mingjie LIU , 1, 2 ,
  • Zhuang ZHANG 3 ,
  • Sujuan YE 3 ,
  • Yingtao YANG 3 ,
  • Ling WU 3 ,
  • Ling ZHANG 3 ,
  • Hongli NAN 3 ,
  • Xiucheng TAN 1, 2 ,
  • Wei ZENG 1, 2 ,
  • Chengbo LIAN 1, 2
Expand
  • 1. Sichuan Natural Gas Geology Key Laboratory，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
  • 2. School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
  • 3. Exploration and Production Research Institute，Southwest Oil & Gas Company，SINOPEC，Chengdu 610041，China

Received date: 2021-05-11

  Revised date: 2021-09-24

  Online published: 2022-03-22

Supported by

The Natural Science Foundation of China(41872154)

the Chinese Postdoctoral Science Foundation(2016M600752)

the SINOPEC Ministry of Science and Technology Project(P20061-3)

Fold

Highlights

The diagenesis and porosity evolution of the 3rd member of Xujiahe Formation（Xu3 member） tight sandstone reservoir in the Western Sichuan Depression were analyzed by combining data from cores， thin sections， cathode luminescence （CL）， X-ray diffraction （XRD）， scanning electron microscope （SEM）， fluid inclusion， porosity and permeability. It was found that lithic quartz sandstone and lithic sandstone are mainly developed in the Xu3 member in the Western Sichuan Depression， and the maturity of structure and composition is poor to medium. The reservoir space is mainly composed of feldspars and rock fragment dissolution pores， with porosity < 6% and permeability < 1×10-3 μm2， which belongs to typical tight sandstone reservoir. The diagenesis of the Xu3 member sandstones included compaction， cementation， dissolution and replacement. The diagenetic evolution process is compaction → early atmospheric fresh water dissolution → early quartz， feldspar， calcite and dolomite， clay minerals such as kaolinite cementation → medium-term organic acid dissolution → medium-term quartz， clay minerals such as kaolinite， ferrocalcite and ankerite cementation → late coarse-giant crystal calcite filling fractures. Through quantitative calculation of the diagenetic evolution process of sandstone reservoir in the study area， it can be found that the original porosity of sandstone is 37.30%， which decreases to 9.55% after compaction， increases to 12.15% after early dissolution， decreases to 9.49% after early cementation， and increases to 10.14% after organic acid dissolution. Finally， the porosity is reduced to 3.95% after medium-term cementation and late coarse-giant crystal calcite filling. The results indicate that although the dissolution produced secondary pores （increasing pore rate by 8.71%）， the porosity reduction effect （decreasing pore rate by 74.39% and 23.72%， respectively） caused by compaction and cementation is the key factor for the densification of the Xu3 member sandstone reservoirs.

Cite this article

Han XU , Mingjie LIU , Zhuang ZHANG , Sujuan YE , Yingtao YANG , Ling WU , Ling ZHANG , Hongli NAN , Xiucheng TAN , Wei ZENG , Chengbo LIAN . Diagenesis and porosity evolution of the 3rd member of Xujiahe Formation tight sandstone reservoir in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(3) : 344 -357 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.10.007

0 引言

作为一种重要的非常规天然气，致密砂岩气因其储量大、分布广的特点，已成为21世纪前景巨大的非常规天然气勘探开发的重要领域之一［1-4］。常规油气研究的灵魂是成藏，而非常规油气研究的灵魂是储层［5-6］。因此，对于致密砂岩储层而言，研究储层的致密化过程显得尤为重要［7-10］。成岩作用作为影响储层形成的关键因素之一，主要表现为对储层孔隙度和渗透率的影响，是厘清孔隙演化过程的重要依据［11-17］。孔隙演化是研究油气成藏和储层评价的重点和难点，对致密砂岩气而言，研究孔隙演化过程可以为埋藏过程中流体压力变化、运移形式等盆地模拟提供有利信息，从而有效预测成藏期储层孔隙度，为寻找储层中的“甜点”区提供依据［18-23］。
近年来，四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组先后发现新场、大邑、邛西等气藏，均表现出良好的勘探开发前景和潜力［24］。然而，储层致密化以及非均质性强的特点造成勘探开发难度较大，致密化过程研究亟待进一步深入［25-29］。前人［30-33］对四川盆地川西坳陷须家河组致密砂岩储层的研究多集中在须二段和须四段，而极少针对以泥岩沉积为主，多作为烃源岩层的须三段进行研究。因此本文综合利用岩心、铸体薄片、阴极发光、X-射线衍射、扫描电镜、包裹体分析和孔渗数据等资料，对四川盆地川西坳陷须三段致密砂岩储层基本特征及成岩作用特征进行分析，并重建成岩序列，在此基础上定量恢复孔隙演化过程并划分孔隙演化阶段，进而明确储层致密化过程及控制因素，以期为须三段致密砂岩气藏的勘探与开发提供理论指导。

1 区域地质背景

川西坳陷位于四川盆地西部，面积约为5×104 km2，北起米仓山隆起，南至大相岭褶皱带，东抵川中平缓褶皱带，西达龙门山褶皱带［30，33-34］。基于构造分区，川西坳陷由6个二级构造单元组成，即梓憧凹陷、安县—鸭子河—大邑断褶带、成都凹陷、知新—龙宝梁构造带、中江—回龙构造带及孝泉—新场构造带（图1）。川西坳陷在震旦纪至中三叠世为被动大陆边缘，主要发育海相碳酸盐岩地层，至晚三叠世印支运动早期，受龙门山冲断带挤压作用的影响，转变为前陆盆地背景下的陆相碎屑沉积［31，35］。川西坳陷在其漫长的盆山转换等地质演化过程中经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期等多期构造运动，沉积环境表现为水体较浅，沉积地层表现为边沉降边沉积，导致压实作用较强，同时经历复杂的成岩作用改造，储层很快致密化［36］。川西坳陷须家河组主要发育河流相、三角洲—滨浅湖相和沼泽相沉积，自下而上发育须一段—须五段，须一段、须三段、须五段沉积环境较为平静，沉积物主要是含煤泥页岩夹砂岩，是主要的烃源岩层；须二段、须四段以三角洲沉积为主，沉积物主要是砂岩夹泥页岩、煤线，其中须三段在盆地中央深处发育湖相沉积，沉积物主要为大套深灰色泥岩中夹多套细砂岩，物源以南北向为主，其下部的砂岩储层为本文研究的主要目的层［31，33，36-37］（图1）。川西坳陷须三段油气显示较为丰富，其中大邑地区探明储量约为114.49×108 m3。截至2020年9月，研究区须三段共有钻井107口，其中取心井22口，总取心长度996.38 m，本文研究岩心样品来源于不同构造单元的14口取心井。
图1 四川盆地川西坳陷构造位置（a）、构造分区（b）及须家河组地层剖面（c）

Fig.1 Tectonic location（a）， tectonic subdivision（b） of the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin and stratigraphic（c） columns of the Xujiahe Formation

2 储层特征

2.1　岩石学特征

从14口取心井选取105件铸体薄片进行岩性分析（表1），结果表明：研究区须三段致密砂岩储层岩性主要表现为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，石英含量为12.6%~89.8%，平均为61.6%；长石含量为0%~6.6%，平均为2.6%；岩屑含量为8.7%~87.4%，平均为35.8%［图2（a）］。整体上，川西坳陷须三段以中砂岩和细砂岩为主［图2（b）］，分选差—中等，次棱角—次圆状，结构成熟度和成分成熟度差—中等。
表1 四川盆地川西坳陷须三段致密砂岩储层铸体薄片及物性取样

Table 1 Samples of casting thin sections, physical property in Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression, Sichuan Basin

取样类型 井号 取块数/块 井号 取样数/块
铸体薄片 大邑103 1 大邑2 33
大邑102 26 大邑1 4
大邑101 2 大邑3 2
川合100 3 马深1 1
川绵39 4 鸭3 4
大邑6 9 新856 12
川鸭95 2 川孝568 2
物性 新856 11 大邑102 26
川绵39 1 大邑2 33
川合100 1 大邑6 9
图2 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层岩性三角图（a）、岩性粒度（b）和填隙物分布（c）直方图

Fig.2 Lithologic triangulation（a）， distribution histogram of lithologic grain size（b） and interstitial materials（c） in Xu3 member sandstone reservoir in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

填隙物主要以硅质、钙质、黏土胶结物和杂基为主，其中硅质胶结物平均含量为5.0%，钙质胶结物平均含量为6.3%，黏土胶结物平均含量为4.4%，杂基平均含量为3.0%［图2（c）］。

2.2　储集空间特征

根据铸体薄片鉴定结果，研究区须三段致密砂岩储层储集空间类型以次生孔隙为主，裂缝少量发育并偶见剩余粒间孔。其中，次生孔隙主要包括岩屑粒内溶孔、长石粒内溶孔和少量铸模孔。
（1）次生孔隙：研究区须三段致密砂岩储层岩屑普遍发育，岩屑中的铝硅酸盐矿物和碳酸盐矿物在酸性条件下会被溶蚀从而产生粒内溶孔［图3（a）］。与岩屑类似，同为铝硅酸盐矿物的长石也会在酸性条件下发生溶蚀形成粒内溶孔，长石颗粒一般多沿解理缝发生溶蚀［图3（b）］。研究区岩屑粒内溶孔和长石粒内溶孔均普遍发育，为须三段主要的储集空间类型。当粒内溶蚀程度较强时，整个颗粒可完全被溶蚀，形成的孔隙可保持颗粒原始的外在轮廓与形态，表现为铸模孔［图3（c）］。
图3 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层储集空间类型（蓝色为铸体薄片孔隙）

（a）岩屑粒内溶孔、剩余粒间孔，鸭3井，3 425.24 m，×100，单偏光；（b）长石粒内溶孔，大邑1井，4 636.8 m，×200，单偏光；（c）铸模孔，大邑2井，4 610.84 m，×100，单偏光；（d）裂缝，大邑102井，4 601.12 m，×40，单偏光。RP：岩屑粒内溶孔；FP：长石粒内溶孔；MP：铸模孔；IP：剩余粒间孔；FR：裂缝；Ca：方解石胶结物

Fig.3 Reservoir space types of Xu3 member sandstone reservoirs in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin （cast thin section pores are shown in blue）

（2）裂缝：研究区须三段致密砂岩储层裂缝较为发育，对储层储集性能的改善具有较大意义。研究区裂缝多为构造成因，主要发育在断层附近与断层相伴生，镜下裂缝多表现为开启，局部可见裂缝被晚期碳酸盐胶结物充填［图3（d）］。
（3）剩余粒间孔：剩余粒间孔是原生孔隙在经历压实作用和胶结作用后残余的粒间孔隙，研究区须三段致密砂岩储层剩余粒间孔孔隙边缘多呈平直且规则的特征［图3（a）］，与次生孔隙港湾状和不规则状有明显区别，该类孔隙发育较少，仅在川西坳陷北部鸭3井和新856井可见。

2.3　物性特征

对川西坳陷须三段砂岩储层样品进行了物性测试分析，本文实验选用采自研究区典型钻井岩心的81件柱塞样（表1），测试单位为中国石化西南油气分公司勘探开发研究院实验中心。结果表明，研究区须三段砂岩储层孔隙度分布范围为1.4%~6.7%，其中：孔隙度<2%的粉砂岩样品占2.5%；2%~4%分布范围的中—细砂岩样品占61.7%，粉砂岩样品占2.5%；4%~6%分布范围的中—细砂岩样品占28.3%，粉砂岩样品占1.3%；6%~8%分布范围的中—细砂岩样品占3.7%。渗透率分布范围为（0.017~0.642）×10-3 μm2，其中：分布范围为（0.01~0.1）×10-3 μm2的中—细砂岩样品占65.5%，粉砂岩样品占6.2%；分布范围为（0.1~1）×10-3 μm2的中—细砂岩样品占28.3%［图4（a），图4（b）］。总体上，川西坳陷须三段为典型的致密砂岩储层，可大致看出孔渗数据与粒度大小呈正相关。
图4 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层孔隙度（a）、渗透率（b）分布直方图和孔渗关系图（c）

Fig.4 Distribution histogram of porosity（a） and permeability（b）， relationship between porosity and permeability（c） of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

由砂岩储层样品孔隙度和渗透率交会图［图4（c）］可知，川西坳陷须三段砂岩储层孔渗相关性较好，随孔隙度增加，渗透率呈线性增加趋势，表现为正相关关系，局部地区由于裂缝存在，渗透率可表现为异常高值。总体看来，研究区须三段致密砂岩主要表现为孔隙型储层，局部发育裂缝—孔隙型储层。

3 成岩作用类型及特征

川西坳陷须三段致密砂岩储层经历了复杂的成岩改造，成岩作用类型多样，包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用等。胶结作用主要包括硅质胶结、碳酸盐胶结、长石胶结和黏土矿物胶结，其中碳酸盐胶结较为突出。

3.1　压实作用

川西坳陷须三段由于埋藏深度较大，地质历史时期最大埋深可接近8 000 m，因而整体上看须三段砂岩储层压实作用普遍较强。镜下主要表现为：①区内发育的塑性云母、岩屑颗粒受到挤压发生变形［图5（a）］，致使部分粒间原生孔隙减少甚至消失；②压实程度较大时，部分刚性颗粒发生弯曲变形，当压力超过其承受能力时发生破裂［图5（b）］；③整体上看，颗粒接触关系主要表现为线接触和线—凹凸接触［图5（a），图5（b）］。此外，局部可见方解石近基底式胶结充填粒间，颗粒主要呈点—线接触，表明方解石胶结物形成时期较早，此时埋藏较浅，压实程度较弱［图5（c）］。
图5 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层压实作用特征

（a）岩屑受到挤压变形，颗粒呈线—凹凸接触，大邑7井，4 967.50 m， ×50，正交光；（b）长石颗粒发生破裂，颗粒呈线接触，大邑4井，5 005.6 m， ×100，正交光；（c）方解石基底式胶结充填粒间孔，颗粒呈点—线接触，大邑101井，4 611.73 m，×50，单偏光；（d）铁方解石孔隙式胶结充填粒间孔，颗粒呈线接触，大邑2井，4 605.02 m， ×40，单偏光。F：长石颗粒；Ca：方解石胶结物；Fc：铁方解石胶结物

Fig.5 Compaction characteristics of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

研究区较强的压实作用使得原生孔隙消失殆尽，颗粒接触更加紧密，孔隙度和渗透率大幅度降低，储层物性急剧变差，对于储层的储集功能起到强烈的破坏作用。

3.2　胶结作用

3.2.1　硅质胶结

研究区须三段砂岩储层硅质胶结较为发育，且有2种存在形式：围绕石英碎屑颗粒生长的次生加大边和充填孔隙的自生石英晶体。其中，研究区砂岩储层可见2期石英次生加大边［图6（a）］，自生石英晶体主要生长在粒内溶孔及剩余粒间孔中，且普遍可见清晰的六方锥晶体外形［图6（b）］。
图6 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层胶结作用特征（蓝色为铸体薄片孔隙）

（a）2期石英次生加大，大邑102井，4 591.37 m，×100，正交光；（b）自生石英晶体充填粒间孔，新856井，4 217.1 m，×200，单偏光；（c）白云石胶结充填粒间孔，大邑2井，4 605.5 m，×50，单偏光；（d）铁白云石胶结充填粒内溶孔，且与铁方解石伴生，大邑102井，4 532.64 m， ×200，单偏光；（e）方解石胶结充填裂缝，大邑102井，4 599.16 m，×12.5，单偏光；（f）粒间、粒内早期碳酸盐发亮红光，粒间、粒内中期铁方解石和铁白云石发暗红光—不发光，大邑102井，4 590.68 m，×5，阴极发光；（g）充填裂缝方解石发红光，大邑102井，4 599.06 m，×2.5，阴极发光；（h）高岭石以书页状或蠕虫状集合体形式充填粒间孔，川孝568井，4 080.73 m，×600，扫描电镜；（i）高岭石胶结充填粒内溶孔，且形成于铁方解石胶结之前，大邑1井，4 638.45 m，×200，单偏光；（j）伊利石以丝状或纤维状充填粒间孔，川绵39井，5 119.41 m，×1 000，扫描电镜；（k）绿泥石薄膜，大邑2井，4 616.76 m，×1 100，扫描电镜；（l）长石次生加大，大邑102井，4 585.68 m，×100，正交光。Q：石英颗粒；Qo：石英次生加大边；Qc：自生石英晶体；D：白云石胶结物；Fc：铁方解石胶结物；An：铁白云石胶结物；Ca：方解石胶结物；K：高岭石；I：伊利石；Ch：绿泥石；F：长石颗粒；Fo：长石次生加大边

Fig.6 Cementation characteristics of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin （cast thin section pores are shown in blue）

通过测定硅质胶结物盐水包裹体均一温度（图7），进一步证实研究区须三段砂岩储层存在2期石英次生加大。第一期硅质胶结物均一温度分布范围为77~99 ℃；第二期硅质胶结物均一温度分布范围为102~125 ℃（主要分布范围为110~120 ℃）。
图7 四川盆地川西坳陷须三段硅质与碳酸盐胶结物盐水包裹体均一温度分布直方图

Fig.7 Distribution histogram of homogenization temperature of saline inclusions in siliceous and carbonate cements of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

3.2.2　碳酸盐胶结

通过对薄片进行混合染色处理发现，研究区须三段砂岩储层碳酸盐胶结类型主要为方解石、白云石、铁方解石和铁白云石胶结。基于薄片、包裹体及阴极发光分析，须三段致密砂岩储层碳酸盐胶结可分为3期：早期的方解石和白云石胶结、中期的铁方解石和铁白云石胶结以及晚期的方解石胶结。
镜下表明胶结充填粒间的方解石和白云石形成时期较早［图5（c），图6（c）］。铁方解石同样充填粒间孔，但并不能使颗粒呈点—线接触或基底式胶结，表明铁方解石相对早期方解石形成更晚［图5（d）］。同时可见铁白云石充填粒间孔和粒内溶孔，且多与铁方解石伴生，表明铁方解石和铁白云石近同期形成［图6（d）］。此外，还可见粗晶—巨晶方解石晶体充填裂缝［图6（e）］。
通过对碳酸盐胶结物进行包裹体分析可进一步判断碳酸盐胶结物的期次（图7）。其中，粒间碳酸盐胶结物主要包括早期的方解石、白云石和中期的铁方解石和铁白云石，其包裹体均一温度分布范围为68~117 ℃，由于近连续发生，故在包裹体均一温度上未见明显峰值区别。充填裂缝的方解石胶结物为晚期产物，此时埋深较大，包裹体均一温度较高，分布范围为120~155 ℃。
与之相对应的3期碳酸盐胶结物在阴极发光下表现为不同特征：早期的粒间、粒内方解石和白云石多发亮红光；中期的粒间、粒内铁方解石和铁白云石多呈暗红光—不发光［图6（f）］；晚期裂缝中的方解石主要发红色光［图6（g）］。

3.2.3　黏土矿物胶结

川西坳陷须三段砂岩储层中主要存在高岭石、伊利石和绿泥石3种黏土矿物。高岭石在薄片及扫描电镜下均可见以片状集合体、书页状或蠕虫状集合体形式充填粒间孔和粒内溶孔，且形成于铁方解石胶结之前［图6（h），图6（i）］；伊利石在扫描电镜下主要以丝状或纤维状充填于粒间孔中［图6（j）］；而绿泥石在扫描电镜下则主要表现为片状并覆盖在颗粒表面［图6（k）］。

3.2.4　长石胶结

川西坳陷须三段砂岩储层长石胶结主要以长石次生加大的形式存在［图6（l）］。与石英次生加大类似，长石加大边围绕长石颗粒共轴生长，颗粒与加大边之间可见清晰的黏土矿物薄膜。整体上看，研究区长石次生加大发育分布范围较为局限，主要分布在南部的砂岩储层。
各类胶结物不仅占据了残余粒间孔，以致区内残余粒间孔发育极少，同时也占据了大量溶蚀作用所形成的次生孔隙，使得溶蚀作用对储层物性的改善大打折扣。

3.3　溶蚀作用

研究区须三段致密砂岩储层溶蚀作用可分为2期，分别为早期的大气淡水溶蚀和中期的有机酸溶蚀。须三段普遍可见白云岩岩屑溶蚀现象，且白云岩岩屑溶蚀孔隙多被方解石或铁方解石胶结物充填，表明溶蚀作用发生在方解石和铁方解石胶结之前［图8（a），图8（b）］。前文基于薄片分析表明，在压实程度较弱的早期，方解石胶结作用便已发生，因此早期溶蚀作用形成更早。此时地层埋藏较浅，有机质暂未成熟，溶蚀流体主要为地表渗入的大气淡水，表现为长石、岩屑中的硅铝酸盐矿物和碳酸盐矿物被溶蚀［图8（c）］，形成的溶蚀产物主要为早期的硅质、长石、黏土、方解石和白云石胶结物。随着地层埋深的增加，须三段泥岩中富含的有机质开始向烃类物质转化，大量干酪根分解形成有机酸［31，38-39］，岩屑中的硅铝酸盐矿物和碳酸盐矿物在酸性条件下再次被溶蚀，形成次生孔隙。与此同时，有机酸溶蚀形成的相对较晚的硅质、高岭石等黏土矿物，以及中期铁方解石和铁白云石开始胶结充填粒间和粒内孔隙。
图8 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层溶蚀、交代作用特征（蓝色为铸体薄片孔隙）

（a）方解石充填白云岩岩屑粒内溶孔，大邑102井，4 693 m，×200，单偏光；（b）铁方解石充填白云岩岩屑粒内溶孔，鸭3井，3 427.6 m， ×200，单偏光；（c）长石粒内溶蚀，岩屑粒内溶蚀，大邑6井，5 560.37 m，×100，单偏光；（d）黏土矿物交代石英次生加大边，大邑3井，4 726.59 m， ×200，正交光；（e）方解石交代石英次生加大边，大邑6井，5 532.94 m，×100，正交光；（f）长石胶结物交代石英次生加大边，大邑102井，4 584.76 m，×100，正交光；（g）黏土矿物交代长石次生加大边，大邑6井，5 562.4 m，×100，正交光；（h）铁方解石交代充填长石粒内溶孔的白云石，大邑1井，4 645.87 m，×100，正交光；（i）高岭石交代白云石，鸭3井，3 427.31 m，×200，单偏光。Ca：方解石胶结物；DF：白云岩岩屑；Fc：铁方解石；FP：长石粒内溶孔；RP：岩屑粒内溶孔；Q：石英颗粒；Qo：石英次生加大边；C：黏土胶结物；Fo：长石次生加大；F：长石颗粒；D：白云石晶体；K：高岭石

Fig.8 Dissolution and metasomatism characteristics of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin （cast thin section pores are shown in blue）

溶蚀作用作为扩大储集空间、改善储集性能的建设性成岩作用，受到多方面因素的控制。对于研究区来说，①区内大量存在能够被溶蚀的颗粒，即含硅铝酸盐矿物和碳酸盐矿物的长石和岩屑；②存在可供溶蚀流体运移的通道，其中大气淡水在早期可直接通过粒间孔隙对颗粒从边缘开始进行溶蚀，也可进入长石解理缝从长石内部开始进行溶蚀；中期有机酸由于粒间孔隙的减少，其运移与裂缝的发育密切相关。

3.4　交代作用

研究区须三段致密砂岩储层交代作用类型多样。薄片观察可见粒间黏土矿物、粒间方解石、自生长石交代石英次生加大边，表明粒间黏土矿物、方解石和自生长石等胶结物均形成于石英次生加大之后［图8（d）—图8（f）］。此外，黏土矿物交代长石次生加大边，表明黏土矿物形成于长石次生加大之后［图8（g）］；铁方解石交代充填长石粒内溶孔的白云石，表明白云石和铁方解石形成于溶蚀作用之后，且铁方解石形成时期晚于白云石［图8（h）］；高岭石交代白云石晶体，并围绕白云石晶体生长，表明高岭石形成于白云石晶体之后［图8（i）］。
基于以上现象可知，石英次生加大边和长石次生加大边形成相对较早，且长石胶结晚于石英胶结，粒间方解石、黏土矿物、铁方解石形成时间相对较晚，且黏土矿物和铁方解石形成于白云石胶结之后。

4 成岩序列

综合前文有关自生矿物来源、相互交代与共生关系分析，重建了川西坳陷须三段砂岩储层成岩序列（图9）：受早期大气淡水影响，砂岩储层中长石及岩屑（含碳酸盐岩屑）等颗粒发生溶蚀作用，产生的早期自生石英、长石、方解石和白云石、高岭石等溶蚀产物依次沉淀析出，胶结充填粒间孔和粒内溶孔。此后随着地层埋深的增加，有机质成熟生烃并产生有机酸，储层中的长石及岩屑（含碳酸盐岩屑）等颗粒再次经历溶蚀作用，产生第二期石英次生加大、高岭石等黏土矿物以及中期铁方解石和铁白云石，进一步胶结充填剩余粒间孔和粒内溶孔。随着地层继续深埋，受燕山运动的影响，此时构造运动活跃产生大量断层与裂缝，深部的热液流体可沿断裂向上运移至须三段砂岩储层，此时受之前2期溶蚀产物胶结充填粒间孔和粒内溶孔的影响，储层孔渗条件较差，致使热液流体不能进入储层内部对砂岩储层进行有效溶蚀改造，仅能进入裂缝并在裂缝内沉淀析出晚期粗晶—巨晶方解石。
图9 四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层成岩序列及孔隙演化模式

Fig.9 Diagenetic sequence and pore evolution model of Xu3 member sandstone in the Western Sichuan Depression， Sichuan Basin

5 孔隙演化定量计算

针对孔隙演化过程的定量计算，BEARD等［40］提出一套方案，国内有学者对其进行了完善和总结，并运用于各个地区不同层段的孔隙演化研究［21，41-43］。本文应用该方法对研究区须三段砂岩储层在埋藏过程中因不同成岩作用导致的增孔、减孔过程进行了定量计算。依据前文所述，主要计算压实作用减孔量，胶结作用减孔量和溶蚀作用增孔量，并结合成岩序列，绘制孔隙演化曲线。对20块典型薄片进行鉴定分析，统计相应参数进行计算（表2）。
表2 四川盆地川西坳陷须三段致密砂岩储层孔隙演化参数统计

Table 2 Statistics analysis of pore evolution parameters of Xu3 member tight sandstone in the Western Sichuan Depression, Sichuan Basin

序号 深度/m 分选系数（S d） 胶结物含量（C）/% 实测孔隙度（P 0）/% 总面孔率（P t）/% 粒间孔面孔率（P 1）/% 溶蚀孔面孔率（P 2）/%
平均值 1.40 8.85 3.95 5.53 1.01 4.52
1 4 592.26 1.35 7.00 3.11 5.23 1.01 4.22
2 4 590.68 1.51 17.00 2.48 4.18 0.97 3.21
3 4 533.47 1.31 10.00 2.34 6.26 0.88 5.38
4 4 532.81 1.35 14.00 2.53 4.22 0.98 3.24
5 4 620.83 1.36 6.00 3.84 6.69 1.27 5.42
6 4 618.93 1.40 15.00 4.60 5.30 1.08 4.22
7 4 614.96 1.46 5.00 5.54 5.52 0.85 4.67
8 4 611.68 1.44 12.00 5.22 6.76 0.89 5.87
9 4 604.90 1.20 10.00 3.68 6.32 1.03 5.29
10 4 602.76 1.39 8.00 3.67 7.26 1.66 5.60
11 5 562.79 1.49 4.00 4.66 7.33 0.96 6.37
12 5 561.72 1.47 7.00 5.87 5.63 0.88 4.75
13 5 561.11 1.46 7.00 5.38 4.99 0.79 4.20
14 5 560.37 1.48 6.00 5.59 5.25 1.06 4.19
15 4 000.66 1.33 12.00 6.68 7.28 1.23 6.05
16 3 999.03 1.37 8.00 3.45 4.33 0.66 3.67
17 3 996.04 1.47 8.00 3.12 4.97 0.89 4.08
18 3 993.81 1.46 10.00 4.03 4.22 0.78 3.44
19 3 973.61 1.32 5.00 1.62 3.23 0.67 2.56
20 4 334.93 1.41 6.00 1.58 5.68 1.66 4.02

5.1　原始孔隙度计算

φ 1=20.91+22.90/S 0
式中：φ 1为原始孔隙度，%；S 0为Trask分选系数，无量纲。
分选系数S 0作为表征颗粒均匀程度的参数，可通过粒度分析实验所绘制的粒度概率累计曲线求得，求取S 0的公式为：
S 0=（d 75/d 25）1/2
式中：d 75为累积曲线中累积含量为75%时的颗粒直径，mm；d 25为累积曲线中累积含量为25%时的颗粒直径，mm。
每张薄片选取4张显微镜下照片，分别计算Trask分析系数（S 0）和原始孔隙度φ 1，取平均值作为最后结果。通过实验和计算，得出研究区须三段储层Trask分选系数变化范围为1.20~1.51，平均为1.40；原始孔隙度φ 1变化范围为36.10%~39.96%，平均为37.30%。

5.2　压实减孔计算

φ 2=C+（P 1×P 0/P t）
P comp=(φ 1-φ 2)/φ 1×100%
式中：φ 2为压实后孔隙度，%；C为胶结物含量，%；P 1为粒间孔面孔率，%；P 0为实测孔隙度，%；P t为总面孔率，%；P comp为压实减孔率，%。
计算可得，川西坳陷须三段砂岩储层经过压实作用孔隙度由37.30%降低到9.55%，压实减孔量为27.75%，压实减孔率P comp达到74.39%。由此可知，压实作用是造成区内孔隙度降低的最主要原因。

5.3　胶结减孔计算

φ 3=P 1×P 0/P t
P cem=C/φ 1×100%
式中：φ 3为压实、胶结后剩余孔隙，%；P cem为胶结减孔率，%。
计算可得，研究区砂岩储层经过压实作用和胶结作用减孔后，剩余孔隙度φ 3为0.70%，胶结作用减孔量为8.85%，胶结作用减孔率为23.72%。为更近一步了解孔隙演化过程，分别统计不同期次胶结物的含量，用以计算不同期次胶结作用减孔情况。早期的胶结物包括石英、长石、高岭石、方解石和白云石，占胶结物总量的30%，早期胶结减孔量为2.66%；中期的胶结物包括石英、高岭石等黏土矿物、铁方解石和铁白云石，占胶结物总量的67%，中期胶结减孔量为5.93%；晚期充填裂缝的方解石占胶结物总量的3%，晚期胶结减孔量为0.26%。

5.4　溶蚀增孔计算

φ 4=P 2×P 0/P t
P rszk=φ 4/φ 1×100%
式中：P 2为溶蚀面孔率，%；P rszk为溶蚀增孔率，%。
计算可得，研究区致密砂岩储层溶蚀增孔量为3.25%，溶蚀增孔率为8.71%。早期溶蚀增孔量为2.6%，中期溶蚀增孔量为0.65%。结合前文分析以及上述计算，得出孔隙演化阶段大致如下：
早成岩阶段A期：地层埋深较浅，最大埋深在2 000 m左右，此时地温较低，主要发生压实作用，胶结作用较弱，孔隙类型主要是粒间孔，孔隙度快速下降，从原始的37.30%降至13%左右。
早成岩阶段B期：地层埋深增加至2 000~3 000 m，压实作用逐渐增强，粒间孔逐渐减少，压实作用持续减孔3.45%（此时孔隙度为9.55%），长石和岩屑由于大气淡水的影响开始发生溶蚀，产生溶蚀增孔量2.6%（此时孔隙度为12.15%），所形成的溶蚀产物石英、长石、高岭石、方解石和白云石等胶结充填储层内部孔隙，产生胶结减孔量2.66%（此时孔隙度为9.49%）。
中成岩阶段A期：地层埋深继续增大至3 000~5 800 m，此时有机质大量成熟生烃，产生大量有机酸，再次溶蚀砂岩储层中的长石和岩屑，产生溶蚀增孔量0.65%（此时孔隙度为10.14%）。同时产生的溶蚀产物石英、高岭石等黏土矿物，以及中期铁方解石和铁白云石进一步开始胶结充填储层孔隙，产生胶结减孔量5.93%（此时孔隙度为4.21%）。
中成岩阶段B期：地层埋深增加至5 800 m以上，深部热液流体在裂缝中沉淀出晚期粗晶—巨晶方解石减孔0.26%，现今孔隙度降至3.95%。
此外，对不同粒度的砂岩运用上述方法进行分类计算和分析，绘制各类砂岩孔隙演化曲线（图10），结果显示，压实作用对于各类砂岩都具有较强的减孔效应；胶结作用对于细砂岩的减孔效应和溶蚀作用对于中砂岩的增孔效应明显，并且孔渗数据与粒度大小呈正相关，因此判断压实作用和溶蚀作用对于粒度较大的优质储层影响更大。
图10 四川盆地川西坳陷须三段各类砂岩孔隙演化曲线

Fig.10 Pore evolution curves of various sandstones of Xu3 member in the Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

6 结论

（1）四川盆地川西坳陷须三段砂岩储层主要发育岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，结构成熟度与成分成熟度差—中等；储集空间主要为岩屑粒内溶孔、长石粒内溶孔和裂缝，此外发育少量铸模孔和剩余粒间孔；孔隙度分布范围为1.4%~6.7%，渗透率分布范围为（0.017~0.642）×10-3 μm2，属于典型致密砂岩储层。
（2）须三段储层发育压实、溶蚀、胶结和交代等成岩作用，成岩演化序列为：压实作用→早期大气淡水溶蚀→早期石英、长石、高岭石、方解石和白云石胶结→中期有机酸溶蚀→中期石英、高岭石等黏土矿物、铁方解石和铁白云石胶结→晚期粗晶—巨晶方解石充填裂缝。压实作用减孔量为27.75%，减孔率为74.39%；胶结作用减孔量为8.85%，减孔率为23.72%；溶蚀作用增孔量为3.25%，增孔率为8.71%。
（3）压实作用和胶结作用是导致储层致密化的关键因素，溶蚀作用则在一定程度上改善了储层物性。胶结作用与溶蚀作用对于粒度较大的优质储层特征影响更大。
（4）须三段砂岩储层孔隙演化过程为：早成岩阶段A期，孔隙度因压实作用由原始孔隙度37.30%降至13%左右；早成岩阶段B期，在压实作用、大气水溶蚀作用和早期胶结作用下，孔隙度降至9.49%；中成岩阶段A期，孔隙度因有机酸溶蚀作用和中期胶结作用进一步降至4.21%左右；中成岩阶段B期，受晚期裂缝充填影响，孔隙度降至现今3.95%。

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