高邮凹陷花庄油田阜三段储层溶蚀作用及孔隙演化

2013-12-14陈永振

地下水 2013年1期

陈永振，张创，张奉

(西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069)

溶蚀型次生孔隙是我国碎屑岩储集层，特别是中深部碎屑岩储集层的主要储集空间之一［1］。对储集层溶蚀作用的研究，对次生孔隙的发育带和有利勘探区的筛选具有重要意义。本文在对苏北盆地花庄油田阜三段储层溶蚀现象进行分析的基础上，探讨了本区溶蚀型次生孔隙的形成机理，进行了孔隙演化定量分析，并对溶蚀作用的影响因素进行了分析。

沙埝油田位于苏北盆地东台坳陷高邮凹陷北斜坡中部，主要含油层系为古近系阜宁组三亚段。该地层为一套灰色、褐灰色粉砂岩、泥质粉砂岩与泥岩互层沉积，属三角洲前缘沉积［2］，主要沉积微相为水下分流河道、河口坝与席状砂。砂岩类型主要为岩屑长石砂岩、长石砂岩和少量长石岩屑砂岩。

1 主要溶蚀现象

据200余份铸体薄片资料统计，溶蚀型次生孔隙是本区的主要孔隙类型，占到总孔隙含量的34.1%～100%，平均68.7%。溶孔中，主要为长石溶孔和填隙物溶孔，平均含量分别为32.9%和34.6%，偶见岩屑溶孔。

1.1 长石溶蚀

本区的长石溶孔是粒内溶孔的主要组成部分，长石溶蚀也是本区最为发育的溶蚀现象，几乎所有的铸体薄片中均可观察到长石溶蚀现象。

本区的长石溶蚀现象按溶蚀程度和溶蚀残余物主要分为三个阶段:①在碎屑粒级较细，杂基充填程度较高，或者次生石英、高岭石及碳酸盐胶结物较为发育等位置，原始粒间孔隙封闭程度较高，成岩期酸性孔隙水流动受到一定限制，长石溶蚀程度较弱。主要表现为酸性孔隙水沿长石解理缝、双晶结合面等部位溶蚀，产生的细条纹状和小斑点状溶孔(图1-a)，或长石颗粒边缘溶蚀产生的锯齿状溶孔。②随碎屑颗粒粒级变粗，粒间填隙物含量变少，原始粒间孔隙保存程度较高的部位，酸性孔隙水具有较为畅通的渗流通道，长石溶蚀程度也进一步加深。可见长石颗粒大部分溶蚀产生的蜂窝状溶孔，溶蚀残余的长石形成筛状残留物(图1-b)。③在原始粒间孔隙最发育的位置，酸性孔隙水的渗流也最为充分，可见长石完全溶蚀形成的铸模孔。这三种不同溶蚀强度形成的长石溶蚀，并不能截然分开，而是呈现出一种连续变化的面貌(图1-c)。

1.2 碳酸盐胶结物溶蚀

本区的碳酸盐胶结物分为两个期次，早期同沉积期形成的方解石胶结物与晚期胶结交代形成的铁白云石胶结物。方解石胶结物在本区阜三段储层中较为常见，含量0～43.7%不等，平均值为6.12%左右，以亮晶状为主，含量较高时可见方解石晶体围绕碎屑颗粒生长，完全封闭了原始粒间孔隙。白云石含量较低，均为5%以下。

同沉积期的碳酸盐胶结物可在一定程度上抑制压实作用，使压实的减孔作用大为降低［3］。同时，适量的早期的碳酸盐胶结物还可以为晚期溶蚀提供物质基础，本区碳酸盐胶结物溶孔即是粒间溶孔的主要组成部分。而过多的碳酸盐胶结物则会完全封闭孔隙(图1-d)。早期碳酸盐胶结物沉淀时沿孔隙壁生长，如果晶体的生长未完全封闭原始粒间孔隙，那么后期酸性的孔隙水沿被早期碳酸盐胶结物缩小了的粒间孔隙流动时，便对其进行溶蚀，视酸性水渗流情况不同，碳酸盐胶结物溶蚀程度也不同。本区阜三段储层常见溶蚀残余的碳酸盐胶结物分布于孔隙角隅或孔隙壁(图1-e)。有时可见无喉道连通的死孔隙中充满碳酸盐胶结物，而相邻有效孔隙内却无碳酸盐胶结物，可推断此类孔隙中充填的早期碳酸盐胶结物已完全被溶蚀。

1.3 岩屑及其它组分溶蚀

本区的岩屑溶孔较为少见，在粒内溶孔中所占比例很小，仅在部分薄片中可见岩屑中易溶组分选择性溶蚀形成的筛状溶孔(图1-f)。

其余局部部位可见石英颗粒被交代后沿颗粒边缘的溶蚀现象及高岭石粘土矿物的溶蚀，这些溶蚀发育部位局限，溶蚀强度低，在本区阜三段储层溶蚀型次生孔隙中所占比例很低。

图1 主要溶蚀现象

2 溶蚀机理

2.1 酸性孔隙水

在不同类型各种溶蚀反应中，首要的前提就是必须有水参与，绝大多数情况下都需要有CO2参与［4］。从这两个要素出发，主要的溶蚀作用类型有大气水与地表水的淋滤作用，有机质成熟演化中产生的有机酸的溶蚀作用，以及粘土矿物转化产生酸性水的溶蚀作用等。本区阜三段储层地层水Cl-含量 14 500.82 mg/L，总矿 24 174.16 mg/L，水型为 CaCl2型，表明了现今地层水的封闭性质。钠和氯离子的毫克当量数比值可用于反映地层水的成因和演变，本区Na+/Cl-为0.64～0.87，平均为 0.72，表现为典型的沉积水性质，与大气成因水与地表淋滤成因水无关。另外，广泛大于的同沉积形成的方解石胶结物的沉淀，也表明了同沉积期孔隙水偏碱性。因此，大气水与地表水的淋滤作用在本区发育应该较弱，而主要的溶蚀作用为伴随有机质热成熟产生的有机酸的溶蚀作用，及粘土矿物转化产生酸性水的溶蚀作用。

本区烃源岩主要生排烃期为三垛运动到中新统盐城组沉积末期，石英自生加大边和微晶石英的有机包体均一温度为80℃～100℃，有机质演化至镜质体反射率 R00.6%～1.15%，有机酸(主要为甲酸、乙酸、丙酸和草酸)经脱羧作用产生CO2，或有机酸离解出 H+，使水介质变为酸性［5-8］。有机酸的溶蚀作用在时间上与烃源岩有机质热演化过程和生、排烃的时间，以及由此产生的有机酸性流体的排出时间一致。有机酸性流体作为油气运移的载体，在向储层运移及在储层内部运移、聚集过程中，对储层岩石的易溶组分产生强烈溶蚀作用并形成有效次生孔隙。

与粘土矿物转化产生的酸性水的溶蚀作用方面。X衍射资料可见，随埋深增大，现今阜三段储层伊/蒙间层中蒙脱石含量已下降到20%～30%，平均25.92%(表1)，已进入伊/蒙混层粘土矿物的迅速转化带。随着地层埋深的加大、温度升高，蒙脱石会发生脱水反应，脱出的层间水及H+的酸性混合液，溶蚀作用增强，进一步促进了次生孔隙的发育。

表1 X衍射粘土矿物含量

2.2 矿物的溶蚀

在存在可渗流的酸性孔隙水的条件下，长石与孔隙水接触，都将发生非全等溶解反应，成岩变化中这种非全等溶解反应就称为溶蚀作用［4］。由于不同长石其元素组成存在差异，在溶蚀过程中的易溶程度及溶蚀形成的次生孔隙也有差异。

钾长石在有水参与的条件下即可发生溶蚀［9］:

2K［AlSi3O8］(钾长石)+3H2O→

2K++2OH-+4SiO2(石英)+Al2［Si2O5］［OH］4(高岭石)

由于反应前后矿物(钾长石、石英、高岭石)的体积存在差异，在不考虑反应生成的矿物达到一定浓度形成络合物被孔隙水带走的情况下，单位摩尔钾长石由水溶蚀所产生的溶孔体积可达反应前钾长石体积的5.96%［4］。

钾长石在孔隙介质呈酸性的条件下，其溶蚀反应更易进行，溶蚀强度也更大［10］:

2K［AlSi3O8］(钾长石)+2H2O+CO2→

Al2［Si2O5］［OH］4(高岭石)+4SiO2(石英)+K2CO3

同时有:

斜长石中，钠长石与钙长石在存在酸性孔隙水的条件下，其反应方程分别为:

2Na［AlSi3O8］(钠长石)+2H2CO3+H2O→

2Na++2HCO3-+4SiO2(石英)+Al2［Si2O5］［OH］4(高岭石)

中长石在孔隙水呈酸性，且含K+的条件下:

单位摩尔的钠长石、钙长石与中长石溶蚀后可产生的溶孔，分别为反应前体积的 2.54% 、0.72% 和 9.62%［4］。

上述分析可见，长石类型不同，其溶蚀后产生的溶孔体积大小是不同的，从大到小依次为，中长石、钾长石、钠长石和钙长石。同时，反应生成的Al2［Si2O5］［OH］4在Al3+浓度达到100×10-6mol/L时，可被渗流的孔隙水带走［11］。因此，所计算的溶孔体积仅为理论上的最小值。

同沉积期的方解石胶结物在酸性孔隙介质条件下，也发生了强烈的溶蚀:

3 孔隙演化

为了能够定量反应本区溶蚀作用对储层的影响，现对储层孔隙演化史进行定量分析模拟。

3.1 初始孔隙度的确定

砂岩未固结前的初始孔隙度(Ф0)的恢复，采用Beard和Weyl的湿沙填集实验所得到的孔隙度与粒径和分选之间的关系进行计算［12-14］:

式中:S0为特拉斯科分选系数，其值等于粒度概率累计曲线上，碎屑颗粒累计重量百分比25%时的粒径与75%时的粒径之比的开方。

3.2 孔隙度演化计算

未固结砂岩随埋深增大，其初始孔隙度经由压实作用和胶结作用减小，再为溶蚀作用所增大。储层砂岩在压实以后胶结以前剩余的孔隙度(Ф1)，在数值上等于铸体薄片上的粒间孔面孔率、胶结物所占面孔率与胶结物溶孔所占面孔率之和。Ф0-Ф1即为压实作用使储层孔隙度所减小的值。储层砂岩胶结以后剩余的孔隙度(Ф2)，在数值上等于铸体薄片上的粒间孔面孔率，因此，胶结损失孔隙度为Ф1-Ф2。由溶蚀作用所增加的孔隙度即为铸体薄片上的长石溶孔、岩屑溶孔与填隙物溶孔的面孔率之和［15-17］。

3.3 孔隙演化分析

利用上述孔隙演化计算方法对本区资料进行计算可知(表2)，花庄油田阜三段储层初始孔隙度为38.20%;在压实过程中，随着碎屑颗粒排列紧密和塑性岩屑的变形，损失的孔隙度为13.85%;同沉积期的第一期自生石英及方解石胶结物的沉淀使储层减小的孔隙度值分别为1.12%和8.74%;伴随着有机质热成熟产生的有机酸的溶蚀作用，及粘土矿物转化产生酸性水的溶蚀作用，储层孔隙度增加12.76%(长石溶蚀增加6.11%，岩屑溶蚀增加0.18%，填隙物溶蚀增加6.47%);溶蚀产物随孔隙水渗流时，随着水介质条件的变化，以粘土矿物、第二次自生石英及铁白云石的形式沉淀下来，分别造成孔隙度减少 8.97%、0.48%和0.50%。

表2 孔隙演化数据表

表中可见，溶蚀作用所增加的孔隙度占储层现今孔隙度的73.6%，也就是说，溶蚀作用的发育与否及其强度，决定了优质储层的质量。溶蚀面孔率与相应样品的He孔隙度与空气渗透率均呈现出良好的正相关关系(图2、图3)，进一步说明，本区阜三段储层的物性很大程度上是由溶蚀作用所产生的次生孔隙所决定的。

图2 溶蚀面孔率与孔隙度关系

图3 溶蚀面孔率与渗透率关系

4 溶蚀作用控制因素探讨

4.1 粒度

随储层岩石碎屑颗粒粒级变粗(粒径中值Ф减小)，溶蚀作用明显增强(图4)。较细粒级碎屑颗粒组成的储层岩石沉积时水动力较弱，碎屑颗粒簸选不充分，颗粒间充填着较多的泥质杂基，粒间孔隙发育较差。在成岩作用过程中，酸性孔隙水渗流不畅，溶蚀作用发育较差。而较粗粒级碎屑颗粒组成的储层岩石情况则相反，其支撑形成的粒间孔较大，且孔隙内杂基充填程度低，酸性水易于流动，因此溶蚀作用强度也较大。

图4 粒径中值与溶蚀面孔率关系

4.2 泥质杂基含量

如上所述，在孔隙介质条件变为酸性，将要发生溶蚀时的粒间孔隙的发育程度决定了酸性孔隙水渗流是否通畅，也就决定了溶蚀作用的强度。因此，储层碎屑颗粒沉积时，其粒间充填的泥质杂基含量越高，粒间孔隙发育越差，溶蚀强度也越低。整体上看，溶蚀面孔率与泥质杂基含量呈负相关关系，溶蚀作用的强度随泥质杂基含量升高而降低(图5)。

图5 泥质杂基含量与溶蚀面孔率关系

4.3 刚性颗粒含量

物理性质稳定的刚性颗粒(石英和长石)的含量与溶蚀强度呈明显的正相关关系，随着刚性颗粒含量在碎屑颗粒总量中所占百分比的提高，溶蚀强度明显增强(图6)。这是因为，物理性质稳定的刚性颗粒在压实过程中，一般仅发生重新排列，而不发生形状变化，高刚性颗粒含量的储层岩石，在压实过程中损失的粒间孔隙相对较小。如果刚性颗粒含量较低，而塑性岩屑含量高，那么在压实过程中，随着塑性岩屑变形，甚至呈假杂基形态，粒间孔隙将大为减少，限制了后期酸性水的渗流，抑制了溶蚀。另外，物理性质稳定而化学性质不稳定的长石，一方面压实作用损失的孔隙度较小，另一方面还为溶蚀提供了充足的物质基础。

图6 刚性颗粒含量与溶蚀面孔率关系

溶蚀作用的控制因素除了上述碎屑颗粒粒径、泥质杂基与刚性颗粒含量外，还受其他一些诸如储层早期胶结作用、酸性孔隙介质的渗流方向和渗流速度等因素的影响［18-20］，故溶蚀面孔率与上述三个参数虽然均呈一定的相关关系，但相关性却较差。因此，在分析溶蚀作用控制因素，并进一步借此预测次生孔隙发育带时，要综合考虑沉积作用与成岩作用的各个方面，才能得到符合客观实际的结论。