西湖凹陷花港組低滲儲(chǔ)層微結(jié)構(gòu)及孔隙演化定量評(píng)價(jià)

余逸凡，程 超

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335）

東海陸架盆地西湖凹陷發(fā)現(xiàn)了多個(gè)低滲—致密砂巖油氣藏，儲(chǔ)層物性表現(xiàn)為常規(guī)—低滲—致密的強(qiáng)非均質(zhì)性特征，影響著油氣開發(fā)效果。研究認(rèn)為儲(chǔ)層物性主要與微觀孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙演化有關(guān)，以往對(duì)該地區(qū)儲(chǔ)層研究多為成巖作用和孔隙演化定性分析[1-5]。為了進(jìn)一步揭示西湖凹陷低滲—致密儲(chǔ)層復(fù)雜的微觀特征，本文通過巖石薄片觀察、壓汞分析、掃描電鏡等資料，并結(jié)合成巖作用研究，采用定性分析與定量計(jì)算，綜合分析儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，為西湖凹陷致密砂巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)及勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，呈NNE向展布，南北長(zhǎng)約500km，東西寬約130km，面積約5.9×104km2，是東海陸架盆地中規(guī)模最大的新生界含油氣凹陷[6]。西面自北而南依次與虎皮礁隆起、長(zhǎng)江坳陷、海礁隆起、錢塘凹陷及漁山東隆起五個(gè)構(gòu)造單元相接，東鄰釣魚島褶皺帶，南北與釣北凹陷、福江凹陷相鄰。西湖凹陷總體上可劃分出三個(gè)構(gòu)造帶，從西至東依次為：西部斜坡帶、中央洼陷—反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東部陡坡斷隆帶（圖1）。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造區(qū)劃示意圖Fig.1 Tectonic classification of Xihu sag

西湖凹陷新生代主要經(jīng)歷了基隆運(yùn)動(dòng)、甌江運(yùn)動(dòng)、玉泉運(yùn)動(dòng)、龍井運(yùn)動(dòng)和沖繩海槽運(yùn)動(dòng)，新生代地層發(fā)育齊全，其中漸新統(tǒng)花港組是勘探的主要目的層，發(fā)育NE-SW向辮狀河三角洲到濱淺湖沉積體系[7]。

花港組中深層（埋深＞3500m）部分為低滲—致密砂巖儲(chǔ)層，其物性受沉積相和成巖作用共同控制[8]。沉積相決定了儲(chǔ)集巖的碎屑（骨架）成分、組分的成熟度等儲(chǔ)集物性，而成巖環(huán)境則影響孔隙的形成、破壞和改造。

2 巖石學(xué)特征

西湖凹陷花港組主要發(fā)育辮狀河三角洲到濱淺湖沉積體系，儲(chǔ)層以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖為主（圖2），巖石粒度細(xì)，分選中等—好。埋深大于3500m部分發(fā)育低滲—特低滲儲(chǔ)層。西部斜坡帶及中央反轉(zhuǎn)帶南部巖石顆粒大、填隙物含量低，總體為中孔中滲—低孔低滲儲(chǔ)層；中央反轉(zhuǎn)帶北部花港組儲(chǔ)層物性表現(xiàn)為低孔、低滲特征，但局部發(fā)育中孔、中滲的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

巖石類型主要是長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖，占砂巖總量的88.47%，少量巖屑質(zhì)石英砂巖、長(zhǎng)石質(zhì)石英砂巖、長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，分別占4.7%～1.79%，其余巖屑砂巖、長(zhǎng)石砂巖和石英砂巖都不足1%（圖2）。巖石碎屑組分包括石英、長(zhǎng)石和巖屑，其中石英含量為64%～68.8%，長(zhǎng)石含量為26%～33%，巖屑含量為22.5%～32.6%，顆粒分選性以中、中—好和好為主。

圖2 西湖凹陷花港組儲(chǔ)層砂巖分類圖Fig.2 Characters and types of sandstone reservoirs about the Huagang formation in Xihu sag

儲(chǔ)集層中泥質(zhì)雜基含量一般為1%～4%。膠結(jié)物自生礦物最常見的有自生黏土礦物、自生碳酸鹽膠結(jié)物和自生硅質(zhì)，自生黏土礦物主要為高嶺石、自生綠泥石等。

3 儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)主要包括孔隙和喉道的大小、形狀、連通情況、配置關(guān)系及其演化過程。研究區(qū)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是孔隙，極少量微裂隙。因此，孔隙大小主要影響儲(chǔ)層的孔隙度，喉道大小與連通狀況影響著儲(chǔ)層的有效性和滲透性。

3.1 孔隙類型及特征

研究區(qū)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是孔隙，極少量微裂縫。

（1）原生孔隙

常常作為粒間溶蝕擴(kuò)大孔和粒間溶孔的基礎(chǔ)，大多數(shù)原生孔隙由于溶解作用導(dǎo)致溶蝕擴(kuò)大，使得原生粒間孔隙和粒間溶蝕次生孔隙難以區(qū)分。研究區(qū)砂巖中發(fā)育的原生孔隙形態(tài)大都不完整，有的原生孔隙因壓實(shí)作用縮小成狹窄的三角形、條狀或縫狀，或被自生礦物硅質(zhì)充填、半充填（圖3 a/b/c）。

（2）次生孔隙

次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔等。粒間溶孔主要是在原生粒間孔基礎(chǔ)上溶蝕擴(kuò)大形成，研究區(qū)儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育（圖3 d/e）。廣義的粒內(nèi)溶孔包括顆粒邊緣溶蝕或顆粒粒內(nèi)溶蝕形成的孔隙和鑄模孔等，主要是指碎屑顆粒溶孔，通常是長(zhǎng)石和巖屑顆粒溶孔[9]。長(zhǎng)石的溶解多沿解理進(jìn)行，形成粒內(nèi)窗格狀或蜂窩狀溶孔，溶蝕更甚則形成鑄?？祝▓D3 f），由長(zhǎng)石溶解形成的鑄模孔多數(shù)邊界較平直。

圖3 原生孔隙特征及次生孔隙微觀特征Fig.3 Reservoir microstructure of primary pore and secondary pore

3.2 喉道類型及特征

吼道是巖石的一個(gè)重要孔隙結(jié)構(gòu)，其大小、分布及其相互連通關(guān)系，喉道大小和分布直接影響儲(chǔ)集巖的儲(chǔ)集能力和滲透特征[10]。根據(jù)研究區(qū)巖石薄片觀察，儲(chǔ)集砂巖中發(fā)育縮小型、縮頸型、片狀、彎片狀和管束狀5種喉道形態(tài)。

（1）縮小型喉道

原生粒間孔隙和擴(kuò)大粒間孔發(fā)育的砂巖中，早期成巖壓實(shí)較輕時(shí)，在顆粒近于點(diǎn)接觸處原生粒間孔有所縮小，或在擴(kuò)大粒間孔孔隙接觸處保留的連接空間，這時(shí)的喉道僅僅是孔隙的縮小部位，常見顆粒支撐，顆粒呈漂浮狀的無(wú)膠結(jié)物式砂巖中（圖4a）。這類喉道張開度較大，一般大于10μm，連通孔隙的能力強(qiáng)，流體較易滲流。

（2）縮頸型喉道

當(dāng)砂巖受成巖壓實(shí)變得緊密時(shí)，碎屑呈點(diǎn)或線接觸，原生粒間孔仍保留較大，顆粒接觸處喉道變窄，呈現(xiàn)孔隙大喉道細(xì)的類型，雖然儲(chǔ)集砂巖仍有較高的孔隙度，但滲透率變低?？s頸型喉道是研究區(qū)一種重要的喉道類型（圖4b），喉道張開度大，一般大于5～10μm，連通孔隙的能力強(qiáng)，儲(chǔ)層受壓實(shí)和膠結(jié)作用弱，顆粒之間以點(diǎn)接觸和點(diǎn)—線接觸為主，流體在儲(chǔ)層中較易滲流，但存在孔隙發(fā)育較好滲透率較低或無(wú)效孔隙的現(xiàn)象。

（3）片狀和彎片狀喉道

成巖壓實(shí)作用進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，壓實(shí)壓溶產(chǎn)生的酸性流體沉淀出硅質(zhì)圍繞碎屑石英顆粒形成加大邊，在原生孔隙周邊被自生石英部分充填，而部分顆粒接觸處形成加大邊，加大邊的接觸處可見到石英晶間縫，這種晶間縫隙隨著顆粒邊緣形狀的不同出現(xiàn)片狀和彎片狀（圖4 c/d），其有效寬度很小，一般小于1μm，少量喉道可達(dá)20～30μm，連通孔隙的能力是相當(dāng)微弱的。

圖4 儲(chǔ)層吼道微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of roars

（4）管束狀喉道

雜基及微晶膠結(jié)物含量較高時(shí)，原生粒間孔隙被部分充填，喉道可能完全被堵塞，這種微細(xì)喉道多小于0.5μm，許多微孔隙本身既是孔隙又是連通通道，孔隙小，喉道極細(xì)（圖5 e/f）。

4 成巖環(huán)境對(duì)孔隙演化影響

成巖環(huán)境為控制地下巖石孔隙度和滲透率演化的重要過程，它對(duì)儲(chǔ)層孔隙的形成、破壞和改造至關(guān)重要，其中壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶解作用是影響研究區(qū)儲(chǔ)集性能的關(guān)鍵因素，通過定性分析和定量恢復(fù)計(jì)算對(duì)儲(chǔ)層物性進(jìn)行綜合研究。

4.1 壓實(shí)作用

原生粒間孔的發(fā)育程度與機(jī)械壓實(shí)作用的強(qiáng)度有關(guān)[11]。西湖凹陷古新統(tǒng)和始新統(tǒng)沉積期為強(qiáng)烈斷—拗陷期，具有很大的沉積厚度，地層組中有相對(duì)較高的巖屑含量。從顯微鏡下觀察，火山巖、云母、片巖和千枚巖等變質(zhì)巖巖屑在埋藏壓實(shí)作用過程中等低級(jí)變質(zhì)巖巖屑等塑性顆粒在埋藏壓實(shí)作用過程中發(fā)生塑性變形呈定向排列。同時(shí)，從砂巖中碎屑顆粒線接觸、線—凹凸接觸、縫合線接觸等接觸關(guān)系以及泥巖巖屑變?yōu)榧匐s基等現(xiàn)象，顯示研究區(qū)較為強(qiáng)烈的壓實(shí)作用。

4.2 膠結(jié)作用

儲(chǔ)層中自生礦物以碳酸鹽類礦物、黏土礦物和硅質(zhì)為主，其它自生礦物極微，其中碳酸鹽膠結(jié)物占60%，鏡下觀察呈斑點(diǎn)或連晶狀，形成于石英加大及長(zhǎng)石溶蝕之前。成巖早期方解石膠結(jié)與成巖晚期的鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)共同導(dǎo)致儲(chǔ)層物性變差。自生高嶺石主要以孔隙充填的形式產(chǎn)出，充填于粒間孔或長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽溶解形成的粒內(nèi)孔中，一定程度上改善儲(chǔ)層物性。自生石英含量較低，大多數(shù)硅質(zhì)膠結(jié)物以石英次生加大邊的方式存在，形成“加大邊”并堵塞一部分孔隙。

4.3 溶解作用

溶解作用是研究區(qū)最為重要的建設(shè)性成巖作用，儲(chǔ)集空間主要依存于次生孔隙，并且次生孔隙都以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？诪橹?，被溶解的鋁硅酸鹽礦物是主要為長(zhǎng)石，長(zhǎng)石常沿其解理面、雙晶縫或邊緣被溶解，形成粒內(nèi)溶孔，甚至形成鑄?？谆蛘麄€(gè)顆粒消失，也可見溶蝕擴(kuò)大的次生溶蝕孔隙，形態(tài)多具不規(guī)則狀。

5 孔隙演化及定量計(jì)算

薄片鑒定及物性分析為儲(chǔ)層孔隙演化的定量恢復(fù)計(jì)算提供了依據(jù)。通過對(duì)碎屑巖現(xiàn)今的骨架顆粒、膠結(jié)物、雜基以及各類不同成因的孔隙含量進(jìn)行分析，建立起研究區(qū)沉積之初的原始孔隙度和經(jīng)歷壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕等成巖作用后的次生孔隙度的定量恢復(fù)計(jì)算方法，對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層從同沉積期到現(xiàn)今成巖階段的整個(gè)孔隙演化過程進(jìn)行全面的恢復(fù)。

5.1 原始孔隙度的恢復(fù)

Beard和Weyl于1973年提出利用濕砂填集實(shí)驗(yàn)擬合的計(jì)算公式對(duì)研究樣品原始孔隙度進(jìn)行計(jì)算[12]，未固結(jié)砂巖原始孔隙度Φ1與砂巖的Trask分選系數(shù)Sd存在如下關(guān)系：Φ1=20.91+22.90/Sd。

式中：Φ1為原始孔隙度；Sd為Trask分選系數(shù)，，d25和d75為粒度概率累積曲線上25%和75%處對(duì)應(yīng)的顆粒直徑。

分選系數(shù)Sd是表示粒度分析中顆粒大小均勻的程度，分析方法主要有直接測(cè)量法、篩析法、薄片粒度法等。本次研究中采用直接測(cè)量法和薄片粒度法進(jìn)行粒度分析，并根據(jù)分選性差異統(tǒng)計(jì)不同沉積砂體Sd值。其中水下分流河道砂巖分選系數(shù)Sd值在1.81～2.51之間，平均值2.05；心灘Sd值在1.21～1.57之間，平均值1.34。

基于以上的巖石粒度分析資料，利用上述計(jì)算公式，對(duì)研究區(qū)砂巖原始孔隙度進(jìn)行恢復(fù)。計(jì)算得出9個(gè)樣品原始孔隙度在32.25%～36.90%，平均值35.45%。

5.2 次生孔隙演化的定量恢復(fù)

（1）壓實(shí)作用

現(xiàn)今儲(chǔ)層砂巖孔隙是在原始孔隙保存的基礎(chǔ)上經(jīng)歷多種成巖改造后的結(jié)果。

機(jī)械壓實(shí)過程中，原始孔隙一部分被壓實(shí)損失，一部分被早期膠結(jié)保存起來(lái)，還有一部分為現(xiàn)今保留下來(lái)的殘余粒間孔。因此壓實(shí)作用后孔隙度Φ2就包括后面兩部分的孔隙度，其值可依據(jù)膠結(jié)物的含量、殘余粒間孔反推計(jì)算，公式如下：

式中：w為膠結(jié)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；P1為殘余粒間孔面孔率；PM為實(shí)測(cè)平均孔隙率；PT為總面孔率。

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)未固結(jié)砂巖9個(gè)樣品在機(jī)械壓實(shí)后，其保留下來(lái)的孔隙度最大為7.22%，最小為0.96%，平均為4.36%。與原始孔隙度相比，近90%的孔隙被壓實(shí)損失，說(shuō)明壓實(shí)作用是影響研究區(qū)孔隙變化的重要因素。

（2）膠結(jié)作用

在膠結(jié)過程中，粒間孔、早期溶孔被膠結(jié)物所充填占據(jù)，一般認(rèn)為膠結(jié)作用損失的孔隙度大致與膠結(jié)物的含量相當(dāng)。因此，砂巖在經(jīng)歷壓實(shí)、膠結(jié)作用后的孔隙度Φ3，即為現(xiàn)存孔隙中殘余粒間孔隙所具有的孔隙度。

儲(chǔ)層中膠結(jié)物含量越高，受其降低的孔隙越多。樣品中膠結(jié)作用減孔率平均為54.5%，膠結(jié)作用后孔隙度變?yōu)?.38%～2.76%，平均孔隙度為1.92%。

（3）溶蝕作用

溶蝕過程為砂巖孔隙度增加、物性變好的過程，所增加次生孔隙度就等于現(xiàn)今最終保留的次生孔隙度。溶蝕作用后增加的次生孔隙度Φ4，是指總儲(chǔ)集空間中所有溶蝕孔所占據(jù)空間的孔隙度，其計(jì)算公式如下：

式中：P2為溶蝕孔面孔率。

在酸性介質(zhì)作用下，長(zhǎng)石、巖屑等易溶蝕礦物被溶解，形成大量的次生孔隙，9個(gè)樣品中溶蝕作用后增加的孔隙度為2.51%～7.26%，平均增加5.38%。

膠結(jié)再加溶蝕，即為最終孔隙度Φ5，其計(jì)算公式如下：Φ5=Φ3+Φ4

利用上述方法，對(duì)研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層次生孔隙度進(jìn)行恢復(fù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果 5孔隙度為4.25%～9.36%，與實(shí)測(cè)孔隙度 6進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差僅為2.11%～12.81%，孔隙度平均值相對(duì)誤差僅1.35%，說(shuō)明孔隙恢復(fù)過程定量計(jì)算可信度較高（表1）。

表1 西湖凹陷儲(chǔ)層孔隙度演化定量計(jì)算結(jié)果表Table 1 Quantitative evaluation of porosity evolution sandstone reservoirs of Xihu sag

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)花港組砂巖屬于低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)集孔隙以粒間孔、長(zhǎng)石溶孔和粒間溶孔為主，發(fā)育屬原生孔隙與次生孔隙的六種孔隙類型和縮小型、縮頸型、片狀、彎片狀、管束狀五種吼道類型。

（2）研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層沉積后經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)、交代和溶解等成巖作用的改造。壓實(shí)作用、膠結(jié)作用使孔隙度減小，溶解作用導(dǎo)致孔隙增加。

（3）通過樣品定量恢復(fù)計(jì)算，壓實(shí)作用使孔隙度平均降低88.12%，膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙平均損失54.50%，溶蝕作用使孔隙度增加60.99%?，F(xiàn)今砂巖的孔隙度正是上述多種成巖作用改造的最終結(jié)果。

（4）樣品定量恢復(fù)計(jì)算的孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度的相對(duì)誤差僅為2.11%～12.81%，平均值相對(duì)誤差僅1.35%，說(shuō)明孔隙恢復(fù)過程定量計(jì)算可信度較高。