姬塬油田长2储层成岩作用研究及其对物性的影响

魏晓娥，孙 卫，霍 磊，明红霞，盛 军，曹 雷

(西北大学地质系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)



姬塬油田长2储层成岩作用研究及其对物性的影响

魏晓娥，孙 卫，霍 磊，明红霞，盛 军，曹 雷

(西北大学地质系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

通过扫描电镜、铸体薄片、高压压汞、X-衍射及薄片鉴定等方法定性分析了姬塬地区成岩作用对长2储层物性的影响，用定量计算的方法表征各类成岩作用之后孔隙的演化情况。研究结果表明：长2储层砂岩原始孔隙度为37.65%，其中未固结砂岩49.17%的原生粒间孔被压实损失，25.83%的粒间孔被胶结充填，研究区长石溶蚀较发育，产生大量次生孔隙，增加了4%的孔隙。定量计算结果与定性认识较一致。

姬塬油田；长2储层；成岩作用；孔隙演化；物性

成岩作用是决定储层储集能力和渗流能力的关键因素之一，不同地区由于成岩环境、储层组分、结构构造的差异会产生不同的成岩过程[1]。国内学者将成岩作用定义为沉积物在埋藏以后，在较低温度和压力下所发生的物理和化学变化，成岩相则是成岩演化阶段的产物[2-3]。因此，成岩作用和成岩相的研究对于有利储层的寻找有着重要的指导作用。

姬塬油田位于鄂尔多斯盆地天环坳陷东部、伊陕斜坡西部，局部构造为一西倾单斜，坡度不足2°，沿西倾单斜发育北东-南西向鼻隆构造。盆地强烈的抬升剥蚀作用导致西南部和东部地区地层剥蚀，湖盆收缩，发育三角洲平原沉积体系[4]；储层厚度稳定，发育自下而上由粗变细的正韵律；研究区是低孔、低渗储层，具有非均质性较强的特征。

1 储层特征

1.1 岩石学特征

根据岩石相、测井相的分析，结合岩心和铸体薄片观察，研究区油层组主要发育三角洲平原亚相，从平面分布上看，受东北物源和河道砂体展布特征的影响，物性较好的储层大致呈北东向条带状展布，中部和西北方向物性相对最好。储层岩性主要为细粒长石砂岩、细-中粒长石砂岩、中-细粒长石砂岩。岩石碎屑成分以长石和石英为主，且含量较高，分别为44.5%、31.2%。碎屑颗粒分选性较好，以次棱角状为主、薄膜-孔隙式胶结，矿物成分成熟度低，结构成熟度高。岩屑成分以变质岩屑为主，占岩屑总量的62%，其次为火成岩岩屑，占总量的31%，沉积岩屑含量最少，约占7%。填隙物主要为高岭石，占填隙物总量的42.1%，其次，为铁方解石，占填隙物总量的18.5%。主砂体的单砂层厚度平均值为5.2 m，发育水平层理、槽状交错层理、板状交错层理、纹状交错层理等，砂体在横向上的连续性差，非均质性较强。

1.2 孔隙结构特征

受沉积、成岩及各种地质构造因素的影响，研究区长2储层微观孔隙结构特征差异性明显，非均质程度普遍较高，导致储层物性及非均质性存在明显差异。根据铸体薄片及扫描电镜分析表明，储集空间多为原生孔隙与次生孔隙的组合，孔隙类型主要为粒间孔(5.3%)、溶孔(1.8%)及少量的晶间孔(约0.12%)，以片状、点片状、管束状喉道为主，面孔率平均值为5.95%。高压压汞实验结果表明，孔隙结构以大-中孔隙、中-细喉道为主。

2 成岩作用对储层物性的影响

2.1 原始孔隙度恢复

砂岩储层孔隙的演化与盆地的构造演化史、沉积史、埋藏史、热演化史、地下流体活动及原始沉积物的结构成熟度、成分成熟度有关[5]。

为了定量计算研究区孔隙的演化过程，首先需根据砂岩的粒度分析资料恢复砂岩未固结前的孔隙度φ1，最后按照先压实后胶结和溶蚀的成岩作用顺序，定量计算孔隙度的演化，从而表征不同成岩作用对物性的影响程度。Beard等[6]提出，未固结的砂岩原始孔隙度φ1与砂岩的分选系数Sd有一定的相关性：

φ1=20.91+22.90/Sd

(1)

本次研究采用筛析法结合图解法对给出的分选系数进行恢复原始孔隙度的计算，得出该区的砂岩分选系数为1.28～1.6，平均值为1.37。原始孔隙度φ1为35.26%～38.81%，平均值为37.65%(表1)。

2.2 压实作用是造成储层致密化的主要原因之一

表1 姬塬地区成岩孔隙演化定量计算结果

研究区压实作用为弱-中等，云母、泥岩岩屑等塑性颗粒在压实作用下发生塑性变形、蚀变和水化膨胀堵塞粒间孔隙，局部可见长石等硬性颗粒被压裂[7-8]，最终导致储层原始粒间孔变少、孔隙度降低、储层致密化，最终物性变差[9]。同时，一些石英碎屑的压溶产生的石英次生加大使得一部分孔隙丧失、破坏储层物性(图1a)。

为了进一步分析压实作用对储层的破坏性，根据铸体薄片镜下的统计，通过胶结物的含量和残余粒间孔反推计算，计算孔隙度损失值[10]。

公式如下：

φ2=ω+(P1×PM/PT)

(2)

式中：ω——胶结物的质量分数；P1——残余粒间孔面孔率；PM——实测平均孔隙度；PT——总面孔率；φ2——压实作用后岩石的孔隙度。

经过计算，研究区未固结砂岩经历机械压实作用后，减孔率平均值可达49.17%，近一半的原始孔隙度遭到损失，因此，压实作用是造成储层致密化的主要原因之一。

2.3 绿泥石对物性的影响具有两面性

绿泥石常形成于碱性还原环境中，并富含铁、镁。研究区绿泥石平均相对含量为13.1%，以孔隙衬垫式和孔隙充填式赋存于孔隙中。前人[11-13]研究认为自生绿泥石对孔隙有保护作用，孔隙衬垫绿泥石发育的地方，石英次生加大一般不发育。柳益群(1996)、Bailault(2003)认为成岩早期绿泥石在扫描电镜下一般呈针叶状或玫瑰花状，呈环状分布形成绿泥石膜附着在颗粒表面，孔隙衬垫绿泥石晶体之间存在大量的晶间孔，孔隙衬里绿泥石通过占据结晶基底将自生石英颗粒表面与孔隙流体隔绝，抑制了石英自生加大，保留了一定的原生孔隙，随着埋深增加，绿泥石薄膜不断加厚，由此增加的机械强度平衡了成岩过程中的上覆载荷，并使得成岩早期的长石溶蚀及长石铸模孔得以保存[14-17]，如图1c，图1f。

然而，兰叶芳认为[18]成岩晚期绿泥石在镜下呈绒球状，排除其他影响因素(孔隙结构，黏土矿物类型)，随着自生绿泥石的增加，喉道的分选性变好，绿泥石胶结充填喉道，孔喉被分割成众多细小孔隙，造成孔隙体积减小，粗喉道的数量变少，最终导致渗流能力变差。这是因为薄膜状的绿泥石在抑制石英次生加大和保留原生孔隙的同时，孔隙衬里绿泥石充填并堵塞喉道，从而使得孔隙度增加，渗透率降低。

根据岩石薄片分析，12号样品(J114,1783.6 m)的绿泥石膜均匀分布，含量较高(40.2%)，孔喉分布较集中，孔喉较粗，孔喉连通性好，孔隙度和渗透率分别为16.88%，0.49×10-3μm2，颗粒呈支架状结构。水驱油实验中，该样品饱和油启动压力为16 MPa，流体沿低阻力的孔喉向前突进，初始呈网状-指状驱替，波及面积大；但是后期水易沿着大喉道快速向前驱替，并形成绕流残余油，最终驱油效率较低，为26.59%，残余油饱和度是34.98%(图1a)。

图1 姬塬油田长2储层镜下特征a.塑性颗粒呈顺层排列，涧71井，1 798.3 m，长2；b.长石溶孔及粒间孔，吴550井，1 828.19 m,长2；c.绿泥石膜及粒间孔，涧114井，1 763.90 m；d.铁方解石充填孔隙，铁6-50井，1 649.87 m，长2；e.硅质加大，元219井，1 742.10 m，长2；f.长石铸模孔及充填孔隙的高岭石，铁6-50井，1 645.80 m，长2；g.书页状高岭石胶结，元219井，1 751.3 m，长2；h.孔隙衬里绿泥石胶结，吴550井，1 798.4 m，长2；i.石英次生加大，铁6-50井，1 649.87 m，长2。

2.4 高岭石的发育常伴生有长石溶蚀

研究区高岭石的平均含量为56.7%，高岭石晶型发育良好(图1g)，镜下呈书页状、手风琴状，未见磨损和挤压变形。成岩早期，研究区富含有机酸和大量的CO2酸性气体，使得储层pH值降低，处于酸性环境下；碱性长石被溶蚀的同时产出自生高岭石和SiO2沉淀，形成粒内溶蚀孔，虽然高岭石充填孔隙和喉道，占据了不少的储集空间，但是发育结晶良好的高岭石晶间孔，高岭石晶体间存在大量的残余孔隙和微孔隙，对改善储层物性有着良好的积极作用(图1g，图1i)。通过实验分析和岩石薄片鉴定得出，富含高岭石的样品中，晶间孔对总储集空间贡献率为3%。

随着埋深增加和成岩温度的升高，成岩环境变成了碱性，使得高岭石极为不稳定，长石溶蚀产生的高岭石开始向绿泥石和伊利石转换，绿泥石和伊利石分割孔隙和喉道，孔隙度降低，储层物性变差[19]。

为了进一步定量分析晶间孔对储层物性的影响，将由胶结作用形成的残余粒间孔作为由胶结作用所增加的那部分孔隙体积，公式如下：

φ3=P2×PM/PT

(3)

式中：φ3——晶间孔增加的孔隙度；P2——晶间孔面孔率。

经过计算，胶结作用后，晶间孔增加的孔隙度最大为5%，最小3%，说明了高岭石胶结形成的晶间孔对储层有一定的建设意义。

6号样品(Y219井1 742.1 m)的孔隙度较低，为13.3%，分选好，主要粒径为0.15～0.35 mm，以细中粒长石砂岩为主，高岭石占黏土矿物含量的62.39%，并结晶良好紧密堆积，水驱油实验中，水迅速以指状向前突进，突破后在后缘以均匀-网状驱替，波及面积大且均匀，残余油饱和度为17.53%，驱替效率较高，为41.06%(图2b)。

图2 不同类型样品的水驱油全视域图

2.5 碳酸盐胶结和硅质胶结对储层起破坏作用

2.5.1 碳酸盐胶结

研究区的碳酸盐胶结物以铁方解石为主。根据岩石薄片分析，铁方解石平均体积分数为3.6%，铁白云石次之(1.5%)。观察铸体薄片和电镜扫描照片，本研究区碳酸盐胶结常以细晶镶嵌状、微晶状或连晶状充填于孔隙或是交代碎屑颗粒(图1d)，最终破坏原生孔隙，使孔隙度和渗透率降低甚至接近于零，破坏储层的渗流能力，这是本研究区物性变差的主要原因。

8号样品(Y219,1 745.5 m)的铁方解石的含量占总黏土矿物的28%，含量较高。通过岩石薄片鉴定、压汞实验等，该样品孔隙度为12.1%，渗透率为0.24×10-3μm2，孔隙结构以微孔为主，主要粒径为0.12～0.30 mm，水驱油实验中启动压力可达110 MPa，驱替速度缓慢，驱油效率仅为12.43%，物性较差。综上所述，碳酸盐胶结作用对储层的破坏较大，是造成储层致密、低渗的主要原因之一。

2.5.2 硅质胶结

硅质胶结主要发生在偏酸性环境中，镜下显示硅质胶结物多呈微晶状和孔隙充填状。本研究区的硅质胶结物以两种形式产出，一种是作为石英颗粒的次生加大边产出，另一种是作为石英集合体填充在粒间孔中(图1e，图1i)，硅质胶结物的主要来源是长石等铝硅酸盐溶解。早期一定量的硅质胶结物的发育可以增强砂岩的抗压实能力，晚期石英次生加大会使得颗粒由点接触转变为线接触，以致颗粒间呈镶嵌式接触，占据孔隙空间和破坏孔隙连通性，喉道缩小，储层变得较为致密，储集空间和渗流能力变差，储层孔渗性大大降低。

2.6 溶蚀作用对储层起建设性作用

研究区溶蚀现象较普遍，主要以长石溶蚀为主，平均面孔率可达1.5%，其次为岩屑溶蚀，碳酸盐和杂基的溶蚀程度较低，长石溶蚀在储层次生孔隙形成过程中占有重要的地位，能改善储层的物性。镜下可以观察到长石常沿双晶缝和节理缝溶解，然后向中间延伸，形成蜂窝状溶蚀，被溶解的长石通常具港湾状、锯齿状边缘，部分颗粒完全溶蚀可呈铸模孔(图2b，图1f，图1h，图1i)。

随着颗粒、杂基等不稳定组分的溶蚀，释放出大量的Si4+、Al3+、K+、Ca2+等离子溶于孔隙水中，使得孔隙水的性质发生明显变化，并同时形成高岭石等一系列自生矿物，长石溶蚀所形成的高岭石含量越大，储层的孔隙度就越高[20]。

综上所述，不同的成岩阶段具有不同的成岩环境，自生矿物形成的先后次序不同。根据各种分析化验资料和镜下研究所获得的研究区碎屑岩的成岩特点，结合前人研究成果，认为研究区储层砂岩处于中成岩阶段A期。

3 成岩产物对储层孔隙的影响

在成岩作用过程中，储层经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用等，从而产生了多种成岩产物，如残余粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔、晶间孔等。通过分析研究区内14块铸体薄片样品，具体各类成岩产物对孔隙的贡献率如表1所示。为了直观了解研究区成岩作用对根据各类储集空间对面孔的贡献率，将14块样品看作一个整体，统计分析各类储集空间对总的孔隙的贡献，粒间孔对孔隙的贡献率达到了76%，长石溶孔对孔隙的贡献率为21%，岩屑溶孔对孔隙的贡献率为2%，晶间孔对孔隙的贡献率为1%。从表2中未见残余粒间孔。

从表1得知研究区的机械压实作用强烈，未固结砂岩在经历压实后平均减孔率可达49.17%，但是观察表2，残余粒间孔的含量较高，这是因为该地区绿泥石膜分布较广泛，可以抵抗外界的机械压实作用，使得储层的原始孔隙可以较大程度的保存下来，所以绿泥石膜胶结对低渗透的储层起建设性作用。

表2 各类储集空间比例

研究区的溶蚀现象较为普遍，长石溶孔居多，镜下可观察到蜂窝状溶蚀现象，并产生次生孔隙带，对于提高储层的储集性能有很大的建设性作用。为了计算溶蚀作用后溶蚀孔增加的孔隙度，将溶蚀孔增加的孔隙度视为φ4，其值可通过溶孔的面孔率进行反推计算，计算公式如下：

φ4=(P3+P4)×PM/PT

式中：P3——长石溶孔的面孔率；P4——岩屑溶孔的面孔率。

分析得知，溶蚀作用后增加的孔隙度平均值为4%，増孔率为10.62%，提高了储层的储集空间。

4 结论

(1)研究区储层岩性以细粒长石砂岩、细-中粒长石砂岩、中-细粒长石砂岩为主，矿物成分成熟度低，填隙物以高岭石和铁方解石为主。孔隙结构以大-中孔隙、中-细喉道为主，孔隙类型以长石溶孔为主，其次为岩屑溶孔和晶间孔。

(2)研究区储层砂岩处于中成岩阶段A期，其中压实作用、绿泥石充填胶结作用、碳酸盐胶结和硅质胶结对储层起破坏性成岩作用。压实作用使得云母、泥岩岩屑等发生塑性变形、蚀变和水化膨胀，堵塞粒间孔隙，最终导致物性变差。研究区的砂岩经历压实作用之后，造成49.17%的原始粒间孔损失量，因此压实作用是造成储层致密化的主要原因之一；碳酸盐胶结和硅质胶结均破坏原生孔隙，碳酸盐胶结使孔隙度和渗透率降低甚至接近于零，硅质胶结物会占据孔隙空间和破坏孔隙连通性，使储层变得较为致密。

(3)高岭石胶结作用、绿泥石膜胶结作用和溶蚀作用起建设性成岩作用。高岭石晶间孔晶型发育良好，对储层有一定的积极作用，晶间孔的増孔率达到了4%；溶蚀作用平均增加的孔隙度为4.1%，提高了储层的储集空间。

(4)研究区的成岩产物以残余粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔、晶间孔为主，粒间孔对孔隙的贡献率达到了76%，长石溶孔对孔隙的贡献率为21%，岩屑溶孔对孔隙的贡献率为2%，晶间孔对孔隙的贡献率为1%。

[1] 程新虎,柳益群,陈魏巍,等.鄂尔多斯盆地张家山区长8储集层成岩作用及有利相带[J].新疆石油地质，2012,33(3):16-320.

[2] 邹才能,陶士振,周慧,等.成岩相的形成、分类与定量评价方法[J].石油勘探与开发,2008,35(5):526-540.

[3] 朱国华.碎屑岩储集层孔隙的形成、演化和预测[J].沉积学报,1992,10(3):114-132.

[4] 李文厚,庞军刚,曹红霞,等.鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期沉积体系及岩相古地理演化[J].西北大学学报，2009,39(3):01-506.

[5] 于兴河,郑浚茂,宋立衡.构造、沉积与成岩综合一体化模式的建立[J].沉积学报.1997,15(3):485-491.

[6] Beard D C,Weyl P K.Influence of texture on porosity and permeability of unconsolidated Sand[J].AAPG Bulletin,1973,57(2):349-369.

[7] 朱国华,裘亦楠.成岩作用对砂岩储层孔隙结构的影响[J].沉积学报,1984,2(1):1-14.

[8] 朱国华.成岩作用与砂(层)岩孔隙的演化[J].石油与天然气地质,1982,3(3):95-202.

[9] 罗静兰,刘小洪,林潼,等.成岩作用与油气侵位对鄂尔多斯盆地延长组砂岩储层物性的影响[J].地质学报,2006,80(5):664-673.

[10] 盛军,孙卫,解腾云,等.苏里格气田东南部盒8段储层成岩作用研究及其孔隙度演化模式定量分析[J].地质科技情报,2015,34(1):20-27.

[11] Houseknecht D W.Assessing the relative importance of compaction process and cementation to reduction of porosity in sandstones[J].AAPG Bulletin,1987,1(6):633-642.

[12] Grigsby J D.Origin and growth mechanism of authigenic chlorite in sandstones of the Lower Vicksburg Formation,South Texas[J].Journal of Sedimentary Research,2001,71(1):27-36.

[13] Billault V,Beautort D,Baronnet A,et al.A nanopetrographic and textural study of grain-coating chlorites in sandstone reservoirs[J].Clay Minerals,2003,38(3):315-328.

[14] Ehrenberg S N.Preservation of anomalously high porosity in deeply buried sandstones by grain-coating chlorite:Examples from the Norwegian Continenta Shelf[J].AAPG Bulletin,1992,77(6):1260-1286.

[15] Dixon S A,Summers D M,Surdam R C.Diagenesis and preservation of porosity in Norphlet Formation(Upper Jurassic),southern Alabama[J].AAPG Bulletin,1989，73(6)：707-728.

[16] Heald M T,Anderegg R C.Differential cementation in the Tuscarora sandstone[J].Journal of Sedimentary Petrology,1960,30(4):568-577.

[17] 柳益群,李文厚.陕甘宁盆地东部上三叠统含油气长石砂岩的成岩特点及孔隙演化[J].沉积学报,1996,40(3),87-96.

[18] 兰叶芳,黄思静,吕杰.储层砂岩中自生绿泥石对孔隙结构的影响[J].地质通报,2011,30(1):134-140.

[19] 宋丽红,朱如凯,朱德升,等.黏土矿物对广安须家河组致密砂岩物性影响[J].西南石油大学学报,2011,33(2):73-78.

[20] 于川淇,宋晓蛟,李景景,等.长石溶蚀作用对储层物性的影响[J].石油与天然气地质,2013,34(6),765-770.

编辑：韩玉戟

1673-8217(2016)06-0045-06

2016-04-27

魏晓娥，1991年生，西北大学在读硕士研究生，研究方向：矿产普查与勘探。

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2011ZX05044)。

TE112.23

A