低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖作用及成巖相研究進(jìn)展

張中欣

（中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南250013）

現(xiàn)今，我國(guó)陸上大部分盆地的油氣勘探工作已進(jìn)入地層-巖性油氣藏的新階段?？碧缴疃扔勺畛醯臏\層、中層逐漸向深層、超深層過渡發(fā)展，相應(yīng)的儲(chǔ)集層也由常規(guī)的高孔高滲的碎屑儲(chǔ)層向低滲特低滲砂巖、碳酸鹽巖及火山巖轉(zhuǎn)變。但從根本上說，富集在3大類儲(chǔ)集體中的油氣主要還是受成巖相、沉積相和巖漿巖相的控制。由于低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層的特殊性及復(fù)雜性，其成巖作用及成巖相是決定儲(chǔ)層油氣富集和儲(chǔ)集性能的關(guān)鍵因素[1]。低滲及超低滲砂巖油田開發(fā)中表現(xiàn)出滲流阻力大、存在啟動(dòng)壓力梯度、自然產(chǎn)能低、吸水能力差、含水上升快、儲(chǔ)層動(dòng)用狀況差等特征。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的根本原因在于低滲及特低滲砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性。孔隙度反映巖石存儲(chǔ)流體的能力，是儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的反映；滲透率反映巖石允許流體通過的能力，是儲(chǔ)層滲濾性能的反映。在低滲透油氣資源勘探開發(fā)中還存在油氣藏識(shí)別難、油氣層判別難、油層孔喉小、比表面積大、滲透率低、具啟動(dòng)壓力梯度、利用天然能量開采壓力和產(chǎn)量下降快、油井注水效果緩慢、見水后產(chǎn)液指數(shù)下降快、沿裂縫方向水竄和水淹嚴(yán)重等制約因素。低滲特低滲致密砂巖儲(chǔ)層多發(fā)育天然裂縫，儲(chǔ)層非均質(zhì)強(qiáng)，研究低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖作用是開發(fā)低滲透油氣資源的關(guān)鍵。

1 低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖作用定義、類型及特征

儲(chǔ)層成巖作用是儲(chǔ)層碎屑沉積物在沉積作用發(fā)生之后，到沉積物發(fā)生變質(zhì)作用之前或因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)重新抬升到地表遭受風(fēng)化以前所發(fā)生的一切作用。成巖作用是一個(gè)十分復(fù)雜且十分漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用過程，在整個(gè)過程中，原始沉積環(huán)境、沉積作用后的成巖環(huán)境、流體的流動(dòng)、儲(chǔ)層中自生礦物的沉淀與溶解等多種地質(zhì)因素共同影響著成巖作用[2]。針對(duì)低滲特低滲儲(chǔ)層，通過查閱文獻(xiàn)及鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，分析總結(jié)出了4種主要成巖作用類型。

1.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是造成儲(chǔ)層原始孔隙度迅速損失與破壞的主要成巖作用之一。低滲特低滲儲(chǔ)層壓實(shí)作用強(qiáng)，其顯著特點(diǎn)是砂巖碎屑顆粒受壓力作用影響導(dǎo)致密度變大并且定向排列，軟組分成分變形明顯，儲(chǔ)層物性逐漸變差（圖1）。

圖1 壓實(shí)作用巖石顯微特征

1.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用在低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層當(dāng)中也較為發(fā)育，且膠結(jié)物成分復(fù)雜，一般來說主要分為3種類型：碳酸鹽巖膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)。膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層具有雙重作用，一方面降低儲(chǔ)層物性且大大增強(qiáng)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，另一方面提高了碎屑顆粒的抗壓實(shí)能力。

1.2.1 碳酸鹽巖膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)作用主要包括方解石、鐵方解石、白云石、鐵白云石等膠結(jié)作用。在成巖作用早期，長(zhǎng)石類碎屑在酸性環(huán)境下溶蝕析出Ca2+。隨成巖階段進(jìn)行到中成巖A期，儲(chǔ)層開始向堿性環(huán)境過渡，游離于流體中的Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，在還原環(huán)境中溶解于流體中的CO2與鈣離子、二價(jià)鐵離子及鎂離子發(fā)生沉淀作用，形成鐵方解石或鐵白云石。

1.2.2 黏土礦物膠結(jié)

黏土礦物是反映低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層沉積環(huán)境、成巖演化指向、油氣成藏條件的主要標(biāo)志之一。與此同時(shí)，黏土礦物也是砂巖中一種較為重要的填隙物。其中，高嶺石、綠泥石、伊利石膠結(jié)作用是儲(chǔ)層成巖作用研究的重點(diǎn)。

1.2.2.1 高嶺石

高嶺石多充填于儲(chǔ)層孔隙顆粒之間，掃描電鏡下觀察呈蠕蟲狀或書頁狀集合體。自生高嶺石的形成同樣對(duì)儲(chǔ)層物性具有雙重作用，一方面減小儲(chǔ)層的孔隙度，另一方面與高嶺石相伴生的溶蝕作用在一定程度上提高了儲(chǔ)層孔隙度。

1.2.2.2 綠泥石

膠結(jié)過程中，綠泥石通常有2種存在形式：一種是成巖早期形成的、以垂直于顆粒表面生長(zhǎng)的孔隙襯墊式生長(zhǎng)；一種是成巖作用晚期形成的、以玫瑰花狀孔充填在孔隙之間。

1.2.2.3 伊利石

通過鑄體薄片及掃描電鏡觀察，伊利石通常呈絲狀或搭橋狀分布于顆粒之間，并且多與綠泥石、碳酸鹽巖、硅質(zhì)等相伴生（表1）。

1.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)

儲(chǔ)層中最常見的膠結(jié)物是石英。石英的次生加大充填了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，使得儲(chǔ)層孔隙度、滲透率降低，同時(shí)使得滲流能力變差，儲(chǔ)層致密化加重。

1.3 溶蝕作用

前人研究認(rèn)為，低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層當(dāng)中的溶蝕作用主要與深部地層有機(jī)質(zhì)成熟過程中產(chǎn)生的酸性流體介質(zhì)有關(guān)[3]。

表1 伊利石結(jié)形成機(jī)制

隨著泥巖的進(jìn)一步壓實(shí)，酸性介質(zhì)逐漸進(jìn)入相鄰的砂巖當(dāng)中，這使得砂巖中的易溶組分開始強(qiáng)烈溶蝕，因而形成了大量的溶蝕孔，這極大地改善了儲(chǔ)層的物性（圖2）。

圖2 溶蝕作用巖石顯微特征

1.4 交代作用

交代作用是一種礦物代替另一種礦物（2種礦物成分不同）的現(xiàn)象，在成巖作用任何階段都有可能發(fā)生。交代作用主要反映了不同成巖時(shí)期自生礦物的生成次序，主要表現(xiàn)為原生礦物或早期膠結(jié)物被后期膠結(jié)物選擇性交代[4]。

2 低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖相研究

如今，國(guó)內(nèi)外關(guān)于低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖相的定義有著較大分歧，但大體主要涉及2個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容，分別是在特定的成巖環(huán)境中形成的成巖產(chǎn)物，以及沉積物在埋藏過程中特定的物理和化學(xué)環(huán)境中，在一定因素的作用下（構(gòu)造、流體），經(jīng)歷成巖作用和成巖演化階段的產(chǎn)物[5]。

成巖相是沉積物在特定的成巖環(huán)境中形成的成巖產(chǎn)物的綜合概括，其中包含了大量的地質(zhì)信息，分別是成巖作用的過程、種類、成巖環(huán)境、成巖事件等。結(jié)合國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究成果，可將成巖相在油氣勘探中的應(yīng)用歸納為以下幾種類型[6-7]。

2.1 恢復(fù)儲(chǔ)層的孔隙演化歷史

由于低滲特低滲儲(chǔ)層在埋藏過程中經(jīng)歷了十分復(fù)雜的成巖作用，因此其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征受成巖作用影響很大。不同沉積環(huán)境中的不同成巖相，由于經(jīng)歷了不同類型的成巖作用，其強(qiáng)度及類型也不盡相同，所以形成的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及滲流特征也相差較大。對(duì)低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖相的研究將有助于恢復(fù)儲(chǔ)層的孔隙演化歷史，進(jìn)而為下一步的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作打好基礎(chǔ)。

2.2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

儲(chǔ)層評(píng)價(jià)是油氣田勘探開發(fā)過程中非常重要的一項(xiàng)工作，憑借對(duì)沉積相、構(gòu)造相、成巖相的精準(zhǔn)把握，就可以判斷出研究區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層及含油有利區(qū)的分布。一般來說，沉積作用和構(gòu)造作用在宏觀上控制著儲(chǔ)層砂體的分布，而成巖相則控制著優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布。將成巖相進(jìn)行剖面上和平面的上的分析解釋，綜合利用測(cè)井、錄井、巖心分析實(shí)驗(yàn)、鑄體薄片、掃描電鏡等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，就可對(duì)研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，從而對(duì)油氣田勘探開發(fā)起到指導(dǎo)作用。

2.3 對(duì)層序地層學(xué)、巖相古地理學(xué)的指導(dǎo)作用

在層序地層學(xué)的研究當(dāng)中，不同部位的層序以及層序界面的成巖現(xiàn)象具有一定的規(guī)律性，不同層序底層控制了不同成巖作用的類型和特征。因此可利用成巖相指導(dǎo)層序地層學(xué)的相關(guān)分析解釋。在巖相古地理學(xué)科中，通過對(duì)成巖相的研究可為恢復(fù)古地理特征提供證據(jù)，也可為古地貌特征恢復(fù)提供解釋。

3 結(jié)束語

通過對(duì)低滲特低滲砂巖儲(chǔ)層成巖作用及成巖相的研究，認(rèn)為主要的成巖作用類型有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用，明確了成巖作用的主要類型及特征，并對(duì)成巖相的分類依據(jù)、方法、命名方案及應(yīng)用方向進(jìn)行概述。這為我國(guó)低滲特低滲油氣田勘探開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為油氣田增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。