陜北斜坡南部上古生界石盒子組盒8段儲(chǔ)層成巖作用研究

王 凱，馬 強(qiáng)，楊 航，赫文昊，王振國(guó).

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075； 2.延長(zhǎng)油田股份有限公司寶塔采油廠，陜西延安 716003)

碎屑巖孔隙的形成、破壞和保存均受到成巖作用的控制，巖性、溫度、壓力及流體控制著成巖作用的演化，成巖過程中伴隨著孔隙度的產(chǎn)生和消亡，對(duì)儲(chǔ)集空間的發(fā)育同時(shí)起貢獻(xiàn)和破壞的作用[1]。近年來(lái)，鄂爾多斯盆地陜北斜坡致密砂巖氣勘探取得新的突破，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)陸上大氣田，下石盒子組盒8段是研究區(qū)主要勘探目的層段，其發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積，河道橫向?qū)挾葹?～4 km，盒8段砂體平均厚度達(dá)10 m，河道砂體、心灘和邊灘砂體發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[2-4]，平均孔隙度為7.5%，平均滲透率為0.282 mD，為典型的致密砂巖儲(chǔ)層。隨著鄂爾多斯盆地勘探程度的不斷提高，致密砂巖儲(chǔ)層研究成為成藏的關(guān)鍵，成巖作用對(duì)儲(chǔ)層改造起著重要作用，也是研究區(qū)盒8段形成致密儲(chǔ)層的重要因素之一。本次研究在對(duì)研究區(qū)28口取芯井513.8 m長(zhǎng)巖心進(jìn)行詳細(xì)觀察的基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用了109塊普通薄片、22塊鑄體薄片、16塊樣品的電鏡掃描等資料，采用X射線衍射等技術(shù)開展了盒8段成巖作用研究，分析了成巖演化序列，探討了成巖作用對(duì)孔隙度的影響，為精細(xì)勘探提供研究依據(jù)。

1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

通過對(duì)研究區(qū)28口取芯井的109塊普通薄片及22塊鑄體薄片進(jìn)行觀察鑒定，結(jié)果表明：研究區(qū)盒8段石英含量為70.2%，巖屑占28.1%，長(zhǎng)石含量?jī)H為1.7%，砂巖組分主要以石英砂巖和巖屑石英砂巖為主(圖1)。

圖1 盒8段巖石類型三角圖Fig.1 Classification diagram of He8 member of Shihezi formation

填隙物是指充填于碎屑顆粒之間的物質(zhì)，包括雜基和膠結(jié)物[2-4]。研究區(qū)石盒子組盒8段填隙物較高，平均含量為13.8%；雜基以高嶺石、綠泥石、水云母等黏土礦物為主，還有少量凝灰?guī)r。

研究區(qū)盒8段砂巖成分成熟度較高，結(jié)構(gòu)成熟度偏低，碎屑顆粒粒度分布為中粒，粗粒和細(xì)粒少量存在，粒徑分布范圍為0.3～0.72 mm。分選較好，磨圓度主要為次棱狀，次圓—次棱次之；顆粒支撐為主，偶見雜基支撐；接觸方式為凹凸接觸為主，次為點(diǎn)狀、線狀接觸。膠結(jié)類型主要以孔隙式膠結(jié)為主，其次為次生孔隙膠結(jié)。

2 成巖作用類型

針對(duì)研究區(qū)盒8段分析研究得知，盒8段成巖作用類型主要為機(jī)械壓實(shí)作用、壓溶作用、硅質(zhì)、黏土礦物膠結(jié)作用、溶蝕作用還有交代作用等[5-6]，下面分別描述。

2.1 壓實(shí)作用

通過對(duì)樣品進(jìn)行觀察分析得知：①碎屑顆粒定向從游離不規(guī)則態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o湊堆積態(tài)，顆粒的接觸方式有線接觸、凹凸?fàn)罱佑|。②塑性巖屑擠壓變形，泥頁(yè)巖巖屑、千枚巖巖屑、碳酸鹽巖屑變形，擠入孔隙中形成假雜基，同時(shí)堵塞孔隙空間。③軟礦物顆粒破裂、彎曲進(jìn)而發(fā)生成分變化，如云母彎曲變形水化成黏土礦物。④剛性碎屑礦物如石英顆粒受應(yīng)力作用壓碎或壓裂產(chǎn)生脆性裂縫(圖2a)。

埋深是控制壓實(shí)強(qiáng)度的最主要的因素，研究區(qū)盒8段埋深主要集中在3 000～3 500 m，埋深較深，上覆壓力較大，溫度較高，通過顆粒接觸方式可以分析出壓實(shí)強(qiáng)度的大小，沉積物顆粒之間互相擠壓、鑲嵌，石英及長(zhǎng)石發(fā)生次生加大，造成了孔隙體積縮小、孔隙度降低、滲透率變差。計(jì)算得知研究區(qū)盒8段砂巖的原始孔隙度最高為38.2%，最低為25.3%，平均為32.5%。

2.2 壓溶作用

當(dāng)埋深進(jìn)一步增加，壓力增大，壓實(shí)作用變強(qiáng)，顆粒接觸處會(huì)發(fā)生晶格形變和溶解，稱之為壓溶作用[5-7]。壓實(shí)率可以通過(原始孔隙體積-壓實(shí)后孔隙體積)/原始孔隙體積×100%來(lái)求得[8]。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)盒8段砂巖碎屑顆粒接觸關(guān)系得知，點(diǎn)—線接觸的樣品壓實(shí)率為56.1%，而線接觸的樣品壓實(shí)率達(dá)到了66.7%，可知壓溶作用是降低孔隙空間的原因之一。埋深進(jìn)一步加大至盒8段底部時(shí)，膠結(jié)作用變強(qiáng)，線接觸轉(zhuǎn)為凹凸接觸(圖2b)，壓實(shí)率為69.8%，兩者僅相差3.1%，可見壓實(shí)作用逐漸減弱(圖3)。

圖2 盒8段砂巖壓實(shí)、壓溶作用鏡下圖像Fig.2 Microphotographs of compaction and pressure dissolution in He8 member sandstonesa.Y1井，3 290.48 m，軟組分變形并定向性良好，10×； b.Y1井，3 423.63 m，硅質(zhì)加大鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，凹凸?fàn)罱佑|，5×。

2.3 膠結(jié)作用

2.3.1 硅質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層硅質(zhì)膠結(jié)以石英次生加大為主，形成原因?yàn)榭紫端腥芙獾腟iO2沉淀出附著在石英的表面上[9-10]。在陰極發(fā)光下觀察發(fā)現(xiàn)，石英次生加大在巖屑質(zhì)石英砂巖中最為發(fā)育，加大后的石英顆粒呈鑲嵌狀接觸。石英次生加大使孔隙被充填程度提高，喉道變小，滲濾能力變差，儲(chǔ)層變得較為致密(圖4a)。自生石英多呈“它”形不規(guī)則粒狀，晶粒大小不一，充填于孔隙內(nèi)的自生石英常呈晶芽、晶簇狀(圖4b)。在陰極發(fā)光照片中可見粘補(bǔ)碎裂石英或裂縫石英的自生石英，愈合后仍隱約可見殘余碎裂縫、裂紋、微細(xì)縫。

圖3 研究區(qū)盒8段砂巖顆粒接觸類型占比Fig.3 Proportion of sandstone particle contact types in He8 member of the research area

圖4 盒8段砂巖膠結(jié)作用鏡下圖像Fig.4 Microphotographs of cementation in He8 member sandstonesa.Y2井，3 176.64 m，石英次生加大，5×；b.Y2井，3 190.23 m，顆粒膠結(jié)致密—微晶石英，2 000×； c.Y3井，3 438.21 m，方解石膠結(jié)，5×；d.Y4井，3 228.23 m，蠕蟲狀和書頁(yè)狀高嶺石，2 000×； e.Y4井，3 254.31 m，粒間片狀伊利石黏土，2 000×；f.Y4井，3 273.55 m，花瓣?duì)罹G泥石集合體，3 000×。

2.3.2 碳酸鹽膠結(jié)

通過掃描電鏡、薄片資料分析，研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)主要為方解石、鐵方解石和鐵白云石[11-13]，平均含量達(dá)2.1%，局部較高，賦存形態(tài)呈星散狀分布于粒間孔中，局部呈連晶膠結(jié)，目的層中碳酸鹽膠結(jié)物多以孔隙充填的形式存在(圖4c)。

2.3.3 黏土礦物膠結(jié)

對(duì)于研究區(qū)黏土礦物的組成，采用X射線衍射的方式進(jìn)行確定發(fā)現(xiàn)，高嶺石、綠泥石、伊利石、伊/蒙混層為研究區(qū)主要存在的黏土礦物類型。

(1)高嶺石。通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)高嶺石較為發(fā)育，含量可達(dá)2.9%，主要由長(zhǎng)石蝕變而來(lái)，呈現(xiàn)單晶六邊形和蠕蟲狀集合形；研究區(qū)高嶺石大量充填占據(jù)溶孔與粒間孔，自身發(fā)育晶間孔(圖4d)。

(2)伊利石。通過掃描電鏡觀察，研究區(qū)砂巖廣泛發(fā)育伊利石，鏡下形態(tài)呈現(xiàn)絲狀、魚鱗狀，附著在高嶺石上，由此可知伊利石形成時(shí)間在高嶺石后，同時(shí)可見伊利石呈搭橋式蔓延在砂巖孔隙邊緣(圖4e)。

(3)綠泥石。研究區(qū)綠泥石主要呈現(xiàn)片狀、針葉狀，以孔隙襯邊與粒狀薄膜方式存在，綠泥石的存在抑制影響石英次生加大的進(jìn)行，同時(shí)促進(jìn)了石英顆粒壓溶作用產(chǎn)生膠結(jié)物，降低了孔隙空間，使儲(chǔ)層物性變差(圖4f)。

2.4 溶蝕作用

研究區(qū)盒8段砂巖溶蝕作用極為普遍，通過掃描電鏡、顯微鏡觀察分析發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物和二氧化硅均遭受不同程度的溶蝕。長(zhǎng)石和巖屑顆粒的可溶組分在底下流體參與下發(fā)生溶蝕(圖5a、5b)，顆粒內(nèi)部溶蝕時(shí)多呈現(xiàn)蜂窩狀或條帶狀，邊緣發(fā)生溶蝕作用形成鋸齒狀接觸。研究區(qū)長(zhǎng)石被大量溶蝕，僅可見部分輪廓，產(chǎn)生了高嶺石。溶蝕作用形成的次生孔隙對(duì)改善儲(chǔ)層物性起著積極的作用。

圖5 盒8段砂巖溶蝕作用鏡下圖像Fig.5 Microphotographs of dissolution in He8 member sandstonesa.Y5井，3 414.31 m，長(zhǎng)石溶孔，2 000×； b.Y5井，3 447.93 m，巖屑溶孔，2 000×。

2.5 交代作用

交代作用的過程可以分解為溶解作用和沉淀作用，一種礦物在被溶解的過程中沉淀出另一種礦物，而且可以保持礦物晶形或集合體形態(tài)不變。交代作用服從體積守恒定律，即交代過程中體積不變，交代順序受孔隙水中離子濃度控制[1]。

研究區(qū)主要存在高嶺石交代長(zhǎng)石，形成大量晶間孔，有效改善了儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間，同時(shí)還有部分方解石交代長(zhǎng)石及方解石交代火山巖巖屑(圖6a、6b)。

圖6 盒8段砂巖交代作用鏡下圖像Fig.6 Microphotographs of metasomatism in He8 member sandstonesa.Y6井，3 209.25 m，高嶺石交代長(zhǎng)石，10×； b.Y6井，3 226.63 m，方解石交代碎屑，5×。

3 成巖階段和成巖序列

碎屑巖成巖階段指碎屑沉積物沉積后經(jīng)各種成巖作用改造直至變質(zhì)作用之前所經(jīng)歷的不同地質(zhì)歷史演化階段[14]。

根據(jù)成巖特征，結(jié)合該區(qū)域埋藏史、地?zé)崾贰⒂袡C(jī)質(zhì)演化史、黏土礦物演化史等綜合分析研究區(qū)成巖階段。

研究區(qū)盒8段地層埋深普遍在3 000～3 500 m之間，盒8段砂巖接觸以點(diǎn)—線接觸和凹凸接觸為主；硅質(zhì)膠結(jié)主要為石英次生加大，以Ⅲ期次生加大為主；X衍射黏土礦物分析顯示，伊/蒙混層中蒙脫石的體積分?jǐn)?shù)分布在5%～50%之間，以低于15%為主；通過掃描電鏡分析得知，自生黏土礦物以綠泥石和伊利石為主。研究區(qū)石英次生加大邊中的包裹體以液相包裹體為主，氣液比在6%～8%之間，大小為2～5 μm，均一溫度為125～160 ℃，Ro為1.5%～1.9%，平均為1.82%。強(qiáng)烈的壓實(shí)作用導(dǎo)致砂巖的原生孔隙消失殆盡，以次生溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔為主，偶有裂縫發(fā)育。

根據(jù)陸相盆地碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖成巖階段劃分》(SY/T 5477—2003)，綜合分析判定研究區(qū)盒8段砂巖處于中成巖階段B期[15]。其成巖演化序列為：早期壓實(shí)作用—壓溶作用—早期方解石膠結(jié)—綠泥石—石英次生加大—溶蝕作用—長(zhǎng)石、巖屑泥質(zhì)雜基高嶺石化—鐵方解石及鐵白云石膠結(jié)作用—伊利石。

4 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化的影響

成巖作用是影響儲(chǔ)層發(fā)育重要的后天作用，早期石炭二疊紀(jì)儲(chǔ)層埋深較淺，成巖作用相對(duì)較弱[16-19]。Beard和Weyl提出了原始孔隙度Ф原始計(jì)算公式[20]：

Ф原始=20.91+22.9/So

(1)

式中So——碎屑顆粒粒徑累積百分?jǐn)?shù)計(jì)算的Trusk系數(shù)。

根據(jù)式(1)計(jì)算得知，初始孔隙度分布在25.3%～38.2%，平均為32.5%；進(jìn)入三疊紀(jì)，埋深加大，儲(chǔ)層壓實(shí)作用增強(qiáng)，原生孔隙逐漸減少。

表1 碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)志(據(jù)應(yīng)鳳祥等)[15]

4.1 壓實(shí)作用對(duì)孔隙演化的影響

通過計(jì)算剩余粒間孔隙度Ф剩余，繼而研究壓實(shí)作用對(duì)研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層原生孔隙的破壞，來(lái)定量表征壓實(shí)作用的強(qiáng)度。

Ф剩余=(粒間面孔率+膠結(jié)物溶孔面孔率) ÷總面孔率×分析孔隙度+膠結(jié)物含量

(2)

壓實(shí)作用后減少的孔隙度Ф壓實(shí)=Ф原始-Ф剩余

(3)

壓實(shí)作用后孔隙度減少率P=Ф壓實(shí)/Ф原始×100%

(4)

其中，原始孔隙度通過樣品物性分析測(cè)試所得。

根據(jù)公式計(jì)算得知，壓實(shí)作用使盒8段砂巖孔隙度降低了10.1%～28.3%，平均為20.7%。壓實(shí)率平均為67.2%。

4.2 膠結(jié)、交代作用對(duì)孔隙演化的影響

膠結(jié)、交代作用的出現(xiàn)占據(jù)了儲(chǔ)層的孔隙，使得儲(chǔ)層物性變差。黏土礦物膠結(jié)的形式以綠泥石薄膜和自生高嶺石充填粒間孔隙為主，同時(shí)薄膜式綠泥石對(duì)石英次生加大有抑制作用，保存了部分原生粒間孔。常規(guī)物性分析所得的孔隙度就是巖石樣品經(jīng)過膠結(jié)、交代后所?？紫抖取?/p>

膠結(jié)率=膠結(jié)物體積/原始粒間孔隙×100%

(5)

通過膠結(jié)率計(jì)算公式，結(jié)合樣品膠結(jié)率分析測(cè)試得知：研究區(qū)盒8段砂巖膠結(jié)率為17.3%～75.2%，平均為41.9%，膠結(jié)、交代作用造成孔隙度平均降低7.5%。

表2 研究區(qū)盒8段砂巖成巖演化序列Table 2 Diagenetic evolution sequence of He8 member sandstone in the research area

4.3 溶蝕作用對(duì)孔隙演化的影響

溶蝕作用產(chǎn)生次生孔隙，極大地改善了儲(chǔ)層物性。研究區(qū)溶蝕作用普遍發(fā)生，石英碎屑、巖屑石英砂巖、雜基和膠結(jié)物均可發(fā)生不同程度的溶蝕現(xiàn)象。

溶蝕作用產(chǎn)生的孔隙度Ф溶蝕= 溶蝕孔面孔率/總面孔率×分析孔隙度

(6)

根據(jù)公式計(jì)算得知，溶蝕作用產(chǎn)生的孔隙度為1.2%～4.4%，平均為3.2%。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)陜北斜坡東南部下石盒子組盒8段砂巖巖性以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，其成分成熟度高、結(jié)構(gòu)成熟度低，接觸方式以凹凸接觸為主。

(2)研究區(qū)成巖作用主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、交代作用。其中膠結(jié)作用又主要有硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)三大類。研究區(qū)盒8段砂巖處于中成巖階段B期。其成巖演化序列為：早期壓實(shí)作用—壓溶作用—硅質(zhì)膠結(jié)—石英次生加大—溶蝕作用—長(zhǎng)石、巖屑泥質(zhì)雜基高嶺石化—鐵方解石及鐵白云石膠結(jié)作用。

(3)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是研究區(qū)原生孔隙減少的主要作用。隨著埋深增大，壓實(shí)作用增強(qiáng)，原生砂巖孔隙度降低了20.7%，壓實(shí)率達(dá)67.2%；膠結(jié)作用使原生孔隙度降低了7.5%；溶蝕作用使孔隙度增大了3.2%，一定程度改善了儲(chǔ)層物性。