鄂爾多斯盆地延安地區(qū)盒8段儲層成巖孔隙演化定量研究

鄭忠文，吳彥君，景 成

(1.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054； 2.延長油田股份有限公司 青化砭采油廠，陜西 延安 716000； 3.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

鄂爾多斯盆地延安地區(qū)盒8段儲層成巖孔隙演化定量研究

鄭忠文1,2，吳彥君2，景 成3

(1.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054； 2.延長油田股份有限公司 青化砭采油廠，陜西 延安 716000； 3.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

利用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、物性分析、X-衍射等測試手段結(jié)合理論公式，研究了鄂爾多斯盆地延安地區(qū)盒8段砂巖儲層的成巖作用與孔隙定量演化特征。結(jié)果表明：延安地區(qū)盒8段低滲透砂巖儲層處于中成巖B期，成巖演化經(jīng)歷了“早期機械壓實—黏土礦物環(huán)邊—火山物質(zhì)蝕變—早期方解石膠結(jié)—壓溶—硅質(zhì)膠結(jié)—早期溶蝕開始—大量有機酸進入—溶蝕作用強烈進行—自生高嶺石、石英大量沉淀—鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)—微裂隙化”。儲層原始孔隙度33.3%～42.0%，壓實率高達53.5%，使儲層損失了20%的孔隙度；硅質(zhì)膠結(jié)作用以及后期的碳酸鹽膠結(jié)作用發(fā)育，膠結(jié)率高達44.4%，使儲層損失了17%的孔隙度。強烈的壓實作用和膠結(jié)作用是導致儲層物性變差的最主要原因。溶蝕作用使得儲層孔隙度增加了2.2%，有機質(zhì)成熟進入生烴高峰期發(fā)生的溶蝕作用對儲層物性具有一定改善作用，成為相對優(yōu)質(zhì)儲層形成的主控因素之一。

孔隙演化；成巖作用；盒8段砂巖儲層；延安地區(qū)；鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地北部蘇里格氣田在上古生界石盒子組和山西組的勘探已獲得重大突破，形成了中國最大的致密砂巖工業(yè)性大氣田，控制著相對高滲高產(chǎn)“甜點”儲層的有利沉積，成巖相帶的研究已日趨深入，基本形成了以蘇里格氣田為代表的鄂爾多斯盆地北部帶上古生界致密砂巖氣藏的格局(圖1)。關(guān)于鄂爾多斯盆地南部的延安地區(qū)在上古生界能否形成具有像蘇里格氣田那樣的大型工業(yè)性氣田，一直成為鄂爾多斯盆地致密砂巖氣勘探開發(fā)的熱點和難點。

在致密性砂巖儲層的埋藏演化過程中，成巖作用對于其孔隙度和滲透率的產(chǎn)生、破壞和改造起著關(guān)鍵的作用[1-3]。雖然近年來對鄂爾多斯盆地延安地區(qū)上古生界的沉積體系、 儲層特征以及成藏機理的研究取得了一定認識[2-5]，但在成巖作用與孔隙演化方面的研究甚少且不盡深入。因此，本文利用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、物性分析、X-衍射等手段對延安地區(qū)盒8段儲層的成巖作用與孔隙定量演化特征進行研究，為鄂爾多斯盆地延安地區(qū)上古生界石盒子組篩選相對高滲高產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)儲層提供理論依據(jù)。

圖1 鄂爾多斯盆地致密氣勘探開發(fā)形勢圖(據(jù)付金華[1])

1 儲層基本特征

根據(jù)巖心描述、巖石薄片鑒定等統(tǒng)計分析，延安地區(qū)盒8段砂巖儲層以巨—粗粒砂巖為主，次為中—粗粒砂巖，粒徑主要分布在0.4～1.2 mm，分選性好。巖石類型主要為巖屑石英砂巖(圖2)。碎屑成分以石英、巖屑為主，其中石英體積分數(shù)59.0%～94.5%，平均78.1%；巖屑體積分數(shù)3.2%～41.0%，平均21.3%；長石體積分數(shù)0.1%～4.4%，平均0.6%。根據(jù)X-衍射、巖石薄片的結(jié)果分析，盒8段砂巖儲層填隙物體積分數(shù)為7.5%～29.5%，平均14.1%，其中，硅質(zhì)體積分數(shù)4.0%，水云母體積分數(shù)3.1%，凝灰質(zhì)體積分數(shù)2.0%，此外，還有部分高嶺石、鐵方解石、綠泥石。

圖2 盒8段砂巖分類

通過對研究區(qū)的鑄體薄片、掃描電鏡等觀察，延安地區(qū)盒8儲層孔隙類型多樣，主要有溶蝕孔、晶間孔、殘余粒間孔隙等，主要以溶蝕孔隙和晶間孔為主，分別占總孔隙的60.2%和32.1%。其溶蝕孔隙主要以巖屑溶孔為主，占到總孔隙的55.2%，此外局部可見微裂縫。

研究區(qū)330個樣品物性分析表明，盒8段砂巖儲層孔隙度在1.1%～16.1%分布，平均為6.8%；滲透率分布在(0.01～5.00)×10-3μm2之間，平均為0.50×10-3μm2(圖3)，屬于典型的低孔低滲透致密性儲層。

圖3 盒8 段孔隙度、滲透率分布

2 儲層成巖作用及孔隙定量演化

在詳細的巖心觀察描述基礎(chǔ)上，對鑄體薄片、掃描電鏡照片進行了系統(tǒng)研究，同時結(jié)合X衍射、陰極發(fā)光分析，本區(qū)盒8儲層成巖作用類型復雜，與孔隙演化有關(guān)的主要成巖作用類型有壓實、壓溶、膠結(jié)、溶蝕等。在成巖過程中成巖作用控制著孔隙演化的方向，沉積物進入埋藏成巖階段，其儲集空間的再分配主要受各種成巖作用控制。沉積物本身的內(nèi)在特征也不同程度地制約著成巖作用的發(fā)生和發(fā)展，進而影響著孔隙的演化，區(qū)塊大量樣品的物性分析及薄片鏡下鑒定統(tǒng)計為定量研究孔隙演化提供了依據(jù)。

首先利用未固結(jié)砂巖初始孔隙度(φ1)(濕砂在地表條件下的分選系數(shù)與孔隙度的關(guān)系)[6-7]

φ1=20.91+22.90/So

(1)

計算得出原始孔隙度φ1大約為33.3%～42.0%，平均為37.9%。然后根據(jù)壓實減孔量、膠結(jié)物含量等關(guān)系，依據(jù)成巖過程與構(gòu)造演化計算出不同成巖作用后的孔隙演化進程。

2.1 壓實、壓溶成巖作用及孔隙演化

(1)壓實、壓溶作用特征

根據(jù)鏡下觀察，研究區(qū)盒8段砂巖儲層礦物顆粒之間主要呈凹凸接觸或者縫合線接觸，顆粒呈定向或半定向排列，部分剛性礦物顆粒出現(xiàn)破裂現(xiàn)象(圖4)，表明研究區(qū)儲層經(jīng)歷了較強的壓實作用。較強的壓實作用導致大量的原生孔隙喪失，儲層的儲集性和滲透性變差，同時導致碎屑顆粒相互接觸點發(fā)生化學壓溶作用。壓溶作用的發(fā)生，引起了孔隙水中的硅、鋁、鈉、鉀、鈣等元素的重新分配，形成了大量的次生石英加大邊。壓溶作用的不斷進行，使顆粒之間的接觸變?yōu)榍逗辖佑|或者縫合接觸(圖4)，導致石英顆粒之間相嵌現(xiàn)象較為嚴重，同時，使儲集層的總體積和孔隙空間不斷減小[7-8]，這是研究區(qū)儲層在沉積以后物性變差的主要原因之一。

圖4 壓實作用與壓溶作用

(2)壓實、壓溶作用后孔隙度變化

恢復壓實后砂巖剩余粒間孔隙度主要用于評價壓實作用對原生粒間孔的破壞程度。壓實后剩余粒間孔隙度(φ2)可根據(jù)膠結(jié)物含量，粒間孔、溶蝕孔的面孔率及物性分析孔隙率與物性分析孔隙度的關(guān)系求得。這里需要說明的是對于現(xiàn)今孔隙中的膠結(jié)物溶孔，其形成過程是先形成膠結(jié)物，后期溶蝕是對膠結(jié)物的溶蝕，膠結(jié)物溶孔所占有的空間是砂巖壓實后剩余粒間孔的一部分。

(2)

式中：膠結(jié)物含量為樣品巖礦分析的膠結(jié)物體積分數(shù)，%；物性分析孔隙度為樣品進行物性分析所得到的孔隙度值，%。

壓實損失孔隙度=φ1-φ2，

(3)

(4)

通過計算，壓實作用使孔隙度降低了13.3%～28.6%，平均降低18.4%，造成孔隙度損失率為33.9%～75.1%，平均孔隙損失率為55.9%。

2.2 膠結(jié)作用及孔隙演化

(1)膠結(jié)作用特征

研究區(qū)的巖石薄片和X-衍射結(jié)果分析表明，研究區(qū)的膠結(jié)作用主要有硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽巖膠結(jié)以及自身自生黏土礦物的膠結(jié)充填作用等。

①硅質(zhì)膠結(jié)：硅質(zhì)膠結(jié)物主要為石英次生加大和自生石英等，這也是研究區(qū)重要的成巖作用之一。鏡下觀察表明，研究區(qū)儲層的石英次生加大較為發(fā)育，其主要形成于早成巖期。區(qū)內(nèi)儲層自生石英多呈它形不規(guī)則粒狀，晶粒大小不一，呈晶芽、晶簇狀。石英次生加大邊和自身石英的形成充填了部分孔隙空間，使儲層的孔隙度降低，滲流能力變差(圖5)。

②碳酸鹽膠結(jié)物：碳酸鹽是砂巖中的主要膠結(jié)物之一，易對砂巖孔隙產(chǎn)生堵塞作用，使分選良好的砂巖儲層成為低孔低滲的儲層。從薄片統(tǒng)計來看，研究區(qū)儲層中碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石與鐵白云石(圖6)，其中以鐵方解石為主，平均體積分數(shù)為1.7%。在部分區(qū)域含量較高，鐵方解石的體積分數(shù)甚至超過10%。成巖早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物對儲層的原生粒間孔可起到一定的保護作用，同時也為后期溶蝕作用提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。但研究區(qū)儲層早期碳酸鹽膠結(jié)物主要為菱鐵礦，且含量較少，大部分碳酸鹽巖膠結(jié)物于后期形成，且以難溶的鐵方解石、鐵白云石為主，造成了大量的原生孔隙被堵塞，從而使儲層物性進一步變差。

③自生黏土礦物的膠結(jié)充填作用：研究區(qū)黏土礦物發(fā)育較多，平均體積分數(shù)為8.9%，主要有高嶺石、伊利石和綠泥石等。高嶺石是本區(qū)儲層中含量較高的黏土礦物。在掃描電鏡下，主要形態(tài)呈蠕蟲狀和書頁狀集合體(圖7(a))，其晶形較好，因而保留了良好的晶間孔，成為研究區(qū)油氣的儲集空間之一。在掃描電鏡下，伊利石呈毛發(fā)狀、卷曲片狀、搭橋狀(圖7(b))。大量發(fā)育的伊利石很大程度上降低了儲層滲透率。相比于前兩者，研究區(qū)的綠泥石含量相對較小，其以薄膜狀、葉片狀充填于粒間或附著在巖石顆粒表面上(圖7(c))。

圖6 研究區(qū)碳酸鹽巖膠結(jié)

圖7 研究區(qū)自生黏土礦物的膠結(jié)充填作用

黏土礦物不僅減少了孔隙空間，而且使喉道變得迂回曲折，增大了滲流阻力。雖然部分黏土礦物的晶間孔隙可以提供一定儲集空間和滲流通道，但其可滲的孔隙只占很少部分，不但孔喉細，而且連通性也差，最終導致儲集層的滲透性變得更差。

(2)膠結(jié)作用后孔隙度變化

砂巖壓實、膠結(jié)、交代后的剩余粒間孔隙度(φ3)即為物性分析孔隙度中粒間孔隙所具有的孔隙度。

(5)

膠結(jié)、交代損失孔隙度=φ2-φ3。

(6)

(7)

通過計算，最終早期硅質(zhì)膠結(jié)與晚期的膠結(jié)作

用使孔隙度降低了9.0%～21.0%，平均為16.2%。

2.3 溶蝕成巖作用及孔隙演化

(1)溶蝕作用特征

溶蝕作用對研究區(qū)儲層儲集性能的改造具有重要的意義，它是溶蝕孔隙形成最主要的因素。研究區(qū)的溶蝕作用主要發(fā)生在中成巖A期，此時，有機質(zhì)成熟進入生烴高峰期，大量的CO2被生成，使孔隙中的流體呈酸性，儲層中的長石、噴發(fā)巖等骨架顆粒以及碳酸鹽膠結(jié)物、凝灰質(zhì)等被溶蝕(圖8)，形成一定的溶蝕孔隙，改善了儲層的儲集能力。

圖8 溶蝕作用

(2)溶蝕作用后孔隙度變化

次生孔隙度(φ4)是指總儲集空間中溶蝕孔所占據(jù)的那部分儲集空間。

(8)

通過計算，溶蝕作用貢獻的孔隙度為0.5%～5.5%，平均為2.2%。

3 成巖序列與孔隙演化模式

根據(jù)SY/T5477—2003《碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范》，研究區(qū)盒8段砂巖儲層目前主要處于中成巖B期。主要判斷依據(jù)有：(1)目的層中鏡質(zhì)體反射率普遍很高，Ro值在1.77%～2.00%間，平均1.94%，已進入高成熟階段的末期；熱解峰值溫度也很高，多在570 ℃左右，表明其有機質(zhì)也已達到高成熟—過成熟階段。(2)黏土礦物組合為伊/蒙混層、高嶺石、綠泥石及伊利石，伊/蒙間層礦物中蒙皂石層體積分數(shù)小于10%，甚至在局部井位中消失。(3)掃描電鏡、陰極發(fā)光分析表明本區(qū)石英顆粒三期加大邊普遍發(fā)育。并且碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石。(4)本區(qū)石英加大邊中的包裹體主要為氣液比5%左右的液相包體，包體大小一般2～6 μm，多呈串珠狀，均一溫度為138.6～146.5 ℃。(5)目的層碎屑顆粒呈線—鑲嵌狀接觸，孔隙類型以殘余粒間孔、次生粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔為主，原生孔隙較少，微裂縫常見。

碎屑巖儲集層的性能受原始沉積物和后期成巖作用的共同影響。砂巖的原始孔隙度取決于原始沉積物的性質(zhì)，主要受碎屑顆粒的粒度和分選系數(shù)的影響，而儲層孔隙演化的進程最終由后期各種成巖作用的強弱來決定[10-11]。本文在大量巖石、鑄體薄片詳細統(tǒng)計的基礎(chǔ)上分析不同成巖作用對孔隙演化進程的影響。

在石炭—二疊紀時期，盆地處于穩(wěn)定下沉階段，儲層處于淺埋藏成巖階段，原始孔隙度大約為33.3%～42.0%，平均為37.9%；在三疊—侏羅紀時期，盆地整體面貌為西抬東降，儲層機械壓實作用加強，粒間孔隙度破壞較快，此時儲層處于早成巖B期，壓實作用使孔隙度降低了13.3%～28.6%，平均降低18.4%，造成孔隙度損失率為33.9%～75.1%，平均孔隙損失率為55.9%；侏羅紀—早白堊世時期，儲層處于中成巖A期，有機質(zhì)成熟進入生烴高峰期，溶蝕作用大規(guī)模發(fā)生，次生溶孔發(fā)育，溶蝕作用貢獻的孔隙度為0.5%～5.5%，平均為2.2%；早白堊世末—新第三紀時期，儲層處于中成巖B期，該階段出現(xiàn)鐵方解石與鐵白云石等碳酸鹽膠結(jié)物，占據(jù)了一定的孔隙空間，最終早期硅質(zhì)膠結(jié)與晚期的膠結(jié)作用使孔隙度降低了9.0%～21.0%，平均降低16.2%。

盒8段儲層機械壓實作用強烈，后期的硅質(zhì)膠結(jié)、鐵方解石的膠結(jié)作用發(fā)育，使原來較小的孔隙空間更加狹小，甚至被完全充填，對儲層物性破壞更加嚴重，溶蝕作用改善了儲層物性。在各種成巖作用的共同作用下，最終形成了現(xiàn)今1.1%～16.1%、平均為6.8%的孔隙度，其孔隙度演化模式如圖9所示。

圖9 盒8段成巖序列與孔隙演化模式

4 結(jié) 論

(1)延安地區(qū)盒8段砂巖儲層以巨—粗粒砂巖為主，分選性好。巖石類型主要為巖屑石英砂巖。碎屑成分以石英、巖屑為主，填隙物主要為硅質(zhì)、水云母與凝灰質(zhì)，含部分高嶺石、鐵方解石、綠泥石。儲層孔隙度平均為6.8%,滲透率平均為0.5×10-3μm2，屬于典型的低孔低滲透致密性儲層。

(2)延安地區(qū)盒8段低滲透砂巖儲層原始孔隙度33.3%～42.0%，由于其為煤系地層，具有典型的煤系成巖特點，壓實程度強，壓實率高達53.5%，使儲層損失了20%的孔隙度；硅質(zhì)膠結(jié)作用以及后期的碳酸鹽膠結(jié)作用發(fā)育，膠結(jié)率高達44.4%，使儲層損失了17%的孔隙度，使原來較小的孔隙空間更加狹小，甚至被完全充填，對儲層物性破壞更加嚴重；溶蝕作用使儲層面孔率增加了2.2%，改善了儲層物性，在某種程度上是控制有效儲層形成的主要因素之一。

(3)鄂爾多斯延安地區(qū)盒8段砂巖儲層處于中成巖B期，其成巖演化序列為：早期機械壓實—黏土礦物環(huán)邊—火山物質(zhì)蝕變—早期方解石膠結(jié)—壓溶—硅質(zhì)膠結(jié)—早期溶蝕開始—大量有機酸進入—溶蝕作用強烈進行—自生高嶺石、石英大量沉淀—鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)—微裂隙化。對儲層具有建設(shè)性的成巖作用包括：溶蝕作用、蝕變作用、微裂隙化作用、高嶺石化作用。強烈的壓實作用和膠結(jié)作用是導致儲層物性變差的主要原因，有機質(zhì)成熟進入生烴高峰期發(fā)生的溶蝕作用對儲層物性具有一定改善作用。

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責任編輯：田美娥

2014-10-25

國家重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)” (編號：2011ZX05044)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程(編號：2011KTZB01-04-01)聯(lián)合贊助

鄭忠文(1963-)，男，高級工程師，在讀博士，主要從事油氣田地質(zhì)與開發(fā)研究。E-mail：qhbyjs@126.com

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