延长探区上古生界储层孔隙特征与成岩作用研究

沈 英，韩小琴，程玉群，吴春燕，吕迎红，王 凯

(陕西延长石油 (集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

延长探区天然气历经十余年勘探开发，已在上古生界石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、石盒子组及石千峰组钻遇良好气层。多年勘探开发实践证实，上古生界是延长探区天然气勘探开发的主要目的层系，主要含气层段为二叠系下石盒子组盒8段、山西组山1段和山2段及石炭系本溪组，储层以岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、石英砂岩为主。从主要含气层段储层平面展布和产气特征来看，山西组山2段储层平面展布范围广，单井产量高，为延长探区的主力含气层段;本溪组储层主要分布于延长探区东南部，单井最高日产可达百万立方米以上，属高产、相对高压含气层段;下石盒子组盒8段和山西组山1段储层集中分布在延长探区北部、西部，平面展布范围较小，单井产量较低。从地层压力特征来看，本溪组地层压力系数较高，为0.82～1.1;相对而言，盒8段、山1段、山2段地层压力系数为0.75～0.95，低于本溪组地层压力。

本文以本溪组、盒8段、山23段作为重点研究层段，借助微观测试技术和实验数据，对目的层段砂岩储层的储集空间类型、孔喉特征及孔隙演化进行研究，明确该区储层孔隙特征及成因类型，探讨储层孔隙特征与成岩作用之间的关系。

1 岩石学特征

镜下观察表明，延长探区本溪组、盒8段、山23段的岩石学特征总体相似，储层岩性较粗，以中粒砂岩为主，次为中粗粒和巨粒砂岩;岩石分选中等，磨圆度为圆状—次圆状。矿物成分中，石英含量偏高，平均含量为64.7%～81%，其中本溪组石英含量最高;长石含量很低，平均为0.1%～0.3%;岩屑平均含量为5.3%～17.1%，以变质岩岩屑为主 (表1)。

表1 研究区目的层段主要岩石组分统计表Table 1 Statistics of major rock components in target intervals of the study area

储层岩性主要为岩屑石英砂岩和石英砂岩。粒间填隙物主要为自生石英 (多为石英颗粒的次生加大边，加大后常能达到Ⅱ—Ⅲ级)、薄膜状分布的绿泥石、结晶程度较高的高岭石、水云母或云母化泥质杂基、方解石及铁白云石等 (图1)。

图1 研究区储层主要填隙物特征Fig.1 Characters of interstitial materials in the reservoir of study area

2 孔隙类型及特征

本文涉及的24口井80块样品分布于延长探区上古生界各含气区块的主力含气层段，具有较好代表性。镜下观察发现，目的层段主要孔隙组合类型为剩余粒间孔+粒间溶孔+颗粒溶孔+高岭石晶间孔。从孔隙成因划分来看，一类为原生孔隙，即剩余粒间孔和高岭石晶间孔 (图2a、b);另一类为次生孔隙，即粒间溶孔和颗粒溶孔，颗粒溶孔以长石颗粒粒内溶孔为主，次为岩屑颗粒粒内溶孔 (图2c—f)。次生成因的溶蚀孔隙为该区上古生界主要孔隙类型。表2为延长探区主力含气层段的孔隙类型及目估面孔率统计表。

图2 研究区储层孔隙特征Fig.2 Pore characters of the reservoir in study area

表2 各层段储层孔隙类型及发育情况统计表Table 2 Statistics of main pore types and development of different intervals

从平面展布来看，本溪组孔隙主要发育于探区南部的部分井和探区东部的个别井中;山23段孔隙主要发育在东部探区和北部探区的个别井中;盒8段孔隙分布广泛，除东部探区外，其他各区均有不同程度的发育。

从孔隙的纵向发育特征来看，随着储层埋深的加大，目估面孔率具有明显增大的趋势;其中次生成因的溶蚀孔隙的面孔率增大较快，次生孔隙从盒8段的0.45%增大到本溪组的2%，说明次生溶蚀孔隙的发育与深度关系密切 (表2)。

3 孔隙结构特征

压汞法实验数据能较好地表征储层的孔隙结构特征;其主要参数有排驱压力、中值压力、中值半径、最大孔喉半径、歪度、分选系数及退汞效率等。其中排驱压力既反映了岩石孔隙喉道的集中程度，又反映了集中的孔隙喉道的大小，直接反映了储层的渗透能力;而退汞效率则直接展示了喉道粗细、孔隙大小及相互连通性，其基本可在岩石铸体薄片的观察中得到印证及解释［1］。

延长探区本溪组、盒8段、山23段129块样品的压汞实验分析表明，各层段毛细管压力曲线特征相似，总体表现为低排驱压力、分选较好、略细歪度的特点 (表3、图3);其中本溪组储层孔隙结构相对于盒8段和山23段较差。

表3 储层毛细管压力曲线数据统计表Table 3 Data of mercury pressure curves of the reservoir

图3 研究层段储层典型毛细管压力曲线图Fig.3 Typical mercury pressure curves of the reservoir in target intervals

4 孔隙的成因

延长探区上古生界储层处于三角洲平原分流河道、三角洲前缘水下分流河道和河口沙坝等有利沉积相带［2］，但其成岩作用类型多样，与孔隙形成密切相关的主要有压实压溶、胶结及溶蚀作用。经成岩改造后的孔隙主要有两种成因:一种为成岩后剩余的原生粒间孔，如压实压溶、胶结作用后的剩余粒间孔和高岭石晶间孔;一种为次生孔隙，如溶蚀作用后形成的溶蚀孔。

原生孔隙是指沉积后经压实而未被充填保留下来的颗粒与颗粒之间的孔隙［3］，形成于成岩早期;其保存主要受地层埋深、碎屑颗粒成分、杂基含量及胶结作用控制。在延长探区上古生界储层中，原生粒间孔经充填后，以剩余粒间孔和高岭石晶间孔的形式得以保存 (图4a)。石英颗粒次生加大一方面使部分颗粒间孔隙的空间被占据，减小了孔隙度;另一方面较早期形成的石英次生加大边又对压实作用具有抑制作用，对孔隙起到一定的保护作用［4］。高岭石结晶程度较高，呈分散质点状充填粒间;砂岩渗流孔隙均以晶间孔为主，孔隙半径相对较大，连通性较好［5］;研究显示，砂岩中黏土含量愈高，则晶间微孔愈多［6］，渗透性也较好。

次生孔隙是指因溶蚀而产生的孔隙，形成于成岩中晚期。伴随埋深增加，在地温为80～120℃时，烃源岩进入成熟高峰期，产生了酸溶性组分，石英砂岩中的易溶组分，如火山岩屑、凝灰岩岩屑、长石、绿泥石、黑云母、凝灰质火山灰、玻屑、岩屑、晶屑等产生普遍、广泛的溶解作用而形成次生孔隙［7］。在延长探区上古生界储层中以颗粒溶孔为主;颗粒溶孔指颗粒内部的可溶物被溶，或沿解理等易溶部位发生溶解而形成的孔隙［8］。研究区目的层段储层中易发生溶蚀的碎屑颗粒主要为长石碎屑和凝灰质岩屑颗粒 (图4b);长石碎屑常沿解理溶蚀，形成不规则的粒内溶孔，偶见个别碎屑颗粒被完全溶蚀，形成铸模孔。

图4 原生孔隙和次生孔隙特征Fig.4 Characters of primary pores and secondary pores

5 孔隙形成与成岩作用的关系

研究区砂岩储层普遍具有以下特征:①砂岩固结程度高，致密块状构造，颗粒间一般呈凹凸—线状接触;②硅质胶结表现为石英次生加大，加大程度普遍可达Ⅱ—Ⅲ级，硅质胶结物平均含量为2.6%～3.6%;③高岭石呈六方片状、集合体状堆积于长石溶孔或粒间溶孔中，高岭石晶间孔发育较好，具有这种晶形的高岭石通常来源于化学沉淀作用;④碳酸盐类胶结物发育普遍，以方解石、铁白云石和菱铁矿为主，且见到碳酸盐矿物溶解现象;⑤局部岩石中可见微裂缝发育。

综上所述成岩特征，据裘亦楠等［9］的成岩阶段划分方案及标准，延长探区本溪组、盒8段、山23段储层属于晚成岩B期，其成岩演化序列见图5。影响砂岩储层孔隙成因的成岩作用主要有压实压溶作用、胶结作用及溶蚀作用。

5.1 压实压溶作用

压实压溶作用是储层物性变差的主要原因。成岩早期形成的原生粒间孔，到了早成岩晚期和晚成岩期，在深埋藏、较高地温条件下，会发生压实压溶作用，致使骨架颗粒间发生物理化学作用，部分塑性岩屑受上覆地层压力的影响，发生揉皱变形，呈假杂基状分布于颗粒之间，在颗粒间形成线状、凹凸、缝合线状镶嵌接触 (图6a);这个过程会伴随压溶作用发生，而压溶通常与自生石英的加大作用相伴。可见，压实压溶作用是造成砂岩储层储集性能变差的主要原因。压实作用愈强，损失的孔隙度愈多［10］，最终使砂岩变为致密储层。

5.2 胶结作用

胶结作用对储层物性具有较强的破坏作用。在延长探区上古生界储层中，经历的胶结作用有:石英颗粒的次生加大、碳酸盐的交代、自生黏土矿物的形成等。在早成岩中晚期和晚成岩早期，各种矿物的胶结顺序依次为自生石英 (石英次生加大)→绿泥石薄膜→高岭石 (主要由黏土矿物转化而来)(图6b、c);到了晚成岩早中期，早期形成的方解石对储层进行了交代和胶结;至晚成岩晚期，随着孔隙水中Fe2+离子的增加，后期形成的铁白云石又对方解石进行了交代。一系列的充填、胶结、交代作用降低了岩石孔隙度，对储层物性起到了破坏作用。

图5 目的层段储层成岩演化序列Fig.5 Diagenetic evolution sequence of the reservoir in target intervals

图6 目的层段储层主要成岩作用Fig.6 Main diagenesis of the reservoir in target intervals

5.3 溶蚀作用

对储层物性具有建设性的成岩作用是溶蚀作用。溶蚀孔隙是由于碳酸盐、长石、硫酸盐或者其他可溶物质的迁移而形成的［11］;可溶组分可以是碎屑颗粒、自生胶结物或交代矿物。在延长探区上古生界储层中，溶蚀作用主要发生在粒间填隙物和部分碎屑颗粒 (如长石碎屑、岩屑颗粒)中，形成的粒间溶孔和颗粒溶孔改善了储层孔渗条件［12］。

多年研究表明，延长探区上古生界储层中的溶蚀作用发生于铁白云石形成后，即晚成岩期。此时，既有碱性介质条件下形成的长石等铝硅酸盐矿物的溶蚀，又有酸性介质条件下的硅质次生加大及自生高岭石矿物的形成，说明研究区上古生界经历了酸碱介质的多期次介入。油气成藏期次研究证实，延长探区上古生界烃源岩在早侏罗世进入成熟阶段，晚侏罗世进入高成熟阶段，早白垩世晚期以来生烃作用减弱;延长探区烃源岩主生烃期为晚侏罗世—早白垩世［11］。在延长探区上古生界烃源岩的主生烃期，由于大量有机酸持续进入，不断溶解砂岩储层中的长石、凝灰质岩屑等骨架颗粒及碳酸盐胶结物，在砂岩储层中产生了大量的次生溶蚀孔隙，极大改善了砂岩储层的物性，使得油气得以在本溪组、山西组、下石盒子组等砂岩储层内富集成藏，形成了延长探区上古生界主要含气层系。延长探区上古生界的勘探结果印证了这一认识。

6 结束语

(1)延长探区上古生界储层岩性较粗，以中粒砂岩为主，岩石分选中等，矿物成分中石英含量偏高。

(2)上古生界储层的主要孔隙类型为原生孔隙 (包括剩余粒间孔和高岭石晶间孔)和次生孔隙 (即粒间溶孔和颗粒溶孔)，次生孔隙目估面孔率略高于原生孔隙的目估面孔率。

(3)研究区储层成岩作用阶段属于晚成岩B期，经历的成岩作用主要有压实压溶作用、胶结作用及溶蚀作用;其中压实压溶、胶结作用对孔隙具有较大的破坏性，而溶蚀作用对储集空间的形成具有建设作用。

(4)晚成岩晚期形成的溶蚀孔隙改善了储层的孔隙度、渗透率，提高了储层物性，利于油气运聚成藏。

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