三塘湖盆地牛圈湖油田低孔特低渗储集层特征及形成机理

文 静，杨 明，齐韦林，姚孟多，侯全政

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 2.中国石油 吐哈油田公司 勘探开发研究院，新疆 哈密 839009；3.中国石油 拉美公司，委内瑞拉； 4.中国石油 吐哈油田公司 工程技术研究院，新疆 鄯善 838202)

特低渗透油气藏被关注的程度正伴随油气勘探的进程而逐渐增高，其储集层特征的研究及其物性影响因素的分析也逐渐受到重视[1-6]。三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层无论从宏观储集层的构筑，还是微观孔隙结构及其渗流机理而言，都十分复杂[7-9]。虽然埋深仅1 520～1 920 m，却比同在西部的埋深6 000 m的储集层孔隙度、渗透率更差，为低孔、特低渗、低压的“三低”复杂油藏。目前的勘探开发动态证实，早期对储集层特征的研究与生产动态存在一定矛盾，导致开发效果较差，严重制约了西山窑组储集层油气勘探开发的进程。因此，系统地开展低孔特低渗储集层特征及形成机理分析，为牛圈湖油田的基础地质研究及深入开发提供科学依据，具有重要的理论和实际意义。同时，也期望为相似油田储集层特征的研究提供参考。

1 区域地质概况

三塘湖盆地位于新疆东北部的巴里坤哈萨克自治县与伊吾县，北接蒙古，西邻准噶尔盆地，南临吐哈盆地。受海西期、燕山期及喜马拉雅期构造运动的影响，盆地划分为南缘逆冲推覆带、北部冲断隆起带和中央坳陷带3个一级构造单元[1-2]。牛圈湖油田位于马朗凹陷牛圈湖构造带，根据构造特征和油水分布特点，平面上分为北区、东区和南区，其目的层位于中侏罗统西山窑组Ⅱ砂组底部，整个砂组分布稳定，厚度介于115～246 m，目的层厚度介于15～30 m(图1)。

2 储集层特征

2.1 岩石学特征

25口井1 203块薄片资料的分析显示，牛圈湖油田西山窑组储集层岩石类型以细砂岩为主，其次为粉砂岩、中砂岩、粗砂岩和砂砾岩；成分以长石岩屑砂岩为主，含量达90%以上，少数样品可见岩屑砂岩(图2)。石英平均含量为26.50%(北区27.03%，东区27.50%，南区24.98%)，石英次生加大较为普遍，次生石英晶体晶形发育较好；长石含量为23.34%(北区23.53%，东区23.38%，南区23.10%)，主要为钾长石，普遍具轻度的泥化和中度的高岭石化、绢云母化；岩屑含量平均为47.66%(北区47.42%，东区45.95%，南区49.62%)，以火山碎屑岩岩屑为主，岩浆岩岩屑次之，少量变质岩岩屑。

根据25口井125块铸体薄片的填隙物含量统计分析，南区高岭石含量最高为5.74%，北区含量最低为3.40%，平均为4.51%；凝灰质在北区最发育，含量为3.04%，东区为1.42%，南区为1.08%；3个区块均含铁方解石和硅质胶结，个别井见少量内碎屑、片沸石、菱铁矿、黄铁矿和重晶石等。

2.2 孔隙类型

图1 三塘湖盆地构造分区和侏罗系综合地层柱状图

图2 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层岩石成分三角图

西山窑组储集空间类型较为复杂，主要包括3类：沉积过程中形成的原生粒间孔隙、成岩后由溶解及构造运动等作用形成的溶蚀孔，以及各阶段发育的微裂缝等(图3)。原生粒间孔隙为西山窑组储集层主要的储集空间(图3a，b)，达45.2%，多为压实和胶结作用形成的残留孔。其次为溶蚀孔，多为有机酸对残留粒间孔的扩大及粒间填隙物被溶解形成，包括粒间溶孔和粒内溶孔，其中大部分为粒间溶孔，以长石内和岩屑内溶孔为主，铸模孔较常见(图3a，b，c)。微裂缝对孔隙的连通性起到了重要作用，在牛圈湖西山窑油藏一些井中可见(图3d)。

2.3 孔隙结构特征

对该区油层段20口井56块样品的压汞资料分析结果显示，西山窑组油藏孔隙结构较差，以储集层主力岩性细砂岩为例：北区细砂岩平均孔喉半径为0.92 μm，主要分布区间为0.1～0.5 μm，排驱压力平均值为1.30 MPa，超过0.5 MPa的样品占到70%左右，平均退汞效率为46.48%，歪度1.49，分选系数2.65；东区细砂岩平均孔喉半径为1.45 μm，主要分布区间为0.1～0.5 μm和1～5 μm，排驱压力平均值为0.89 MPa，超过50%的样品小于0.5 MPa，平均退汞效率为48.57%，歪度1.51，分选系数2.67；南区细砂岩平均孔喉半径为3.11 μm，主要分布区间为1～10 μm，排驱压力平均值为0.34 MPa，超过75%的样品小于0.5 MPa，平均退汞效率为51.13%，歪度1.37，分选系数2.33(表1)。

总体表明，北区储集层孔喉半径小，排驱压力和饱和度中值压力大，退汞效率不高，孔隙结构差，总体呈现为中—差分选、细歪度分布不均匀的微喉；东区储集层孔隙结构有所变好，平均孔喉半径增大，排驱压力和饱和度中值压力降低，退汞效率升高；南区储集层孔隙结构最好，孔喉半径大，排驱压力和饱和度中值压力低，退汞效率高，孔喉细—中歪度，分选较好；南区的物性要好于东区，北区最差，孔喉半径及中值半径越大则渗透率越高，微细喉比例越大，渗透率越低[10]。

图3 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层孔隙类型

区块平均孔喉半径/μm最大孔喉半径/μm排驱压力/MPa中值压力/MPa中值半径/μm最大进汞饱和度/%残留汞饱和度/%退汞效率/%歪度分选系数北区0．921．611．3020．940．0884．8843．2346．481．492．65东区1．452．330．8914．020．1586．0945．6448．571．512．68南区3．114．680．343．940．2692．6845．3151．131．372．33

2.4 物性特征

16口井1 695块岩心的物性统计结果表明，西山窑组储集层物性普遍较差，根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6285—2011《油气储层评价方法》[11]，结合单井进行划分，北区为特低孔—低孔特低渗储集层，东区为低孔低渗—特低渗储集层，南区为中低孔低渗储集层，总体评价牛圈湖油田西山窑组储集层为低孔特低渗储集层(表2)。

3 低孔特低渗形成机理

牛圈湖油田西山窑组储集层所表现的低孔特低渗物性特点，主要受沉积、成岩和构造作用影响。岩石的组分、结构和类型由沉积环境决定[12-17]；成岩作用可以改造储集层，具建设性和破坏性两重作用[18-24]；储集层物性可被构造作用改善。各因素对物性的影响程度不同[25-27]。

3.1 沉积作用

3.1.1 粒级对储层性质的影响

牛圈湖油田不同区块不同岩性对应着不同孔隙度和渗透率，总体上表现为随岩性粒级的增加，孔隙度和渗透率变大，物性变好。但颗粒分选、磨圆等因素也影响其孔隙度和渗透率，当粒径增大至一定程度后，颗粒粒径与孔隙度、渗透率的正相关关系变差。可见，粒径和孔隙度、渗透率的正相关关系在一定范围内存在，且颗粒粒径对渗透率影响相对更明显(图4)。

3.1.2 填隙物对物性的影响

25口井1 203块薄片资料统计结果表明，填隙物中黏土、高岭石、方解石含量对面孔率影响较大。黏土是影响储集层面孔率的主要因素，当面孔率大于2%时，黏土含量普遍小于2%；当黏土含量大于2%时，面孔率小于2%，两者呈明显的负相关关系。而对于高岭石含量，在牛9-8井13号样品中存在其与面孔率成正相关关系，高岭石含量近3%时，面孔率仍接近4%，原因在于高岭石主要以杂乱堆积方式存在于碎屑颗粒间，这种发育产状导致砂岩的微孔增加，但孔喉减小，渗透性明显变差，对储集层物性的影响比较严重。

总体上西山窑组储集层沉积作用有效控制了储集层的原始物性特征。

表2 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层物性统计

注：表中算式含义为：最小值～最大值/平均值。

图4 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层不同区块不同岩性平均孔隙度和平均渗透率统计

3.2 成岩作用

3.2.1 压实作用、胶结作用为破坏性成岩作用

西山窑组储集层在成岩过程中压实作用较强，对储集层物性影响较大[28]，主要表现为碎屑颗粒呈半定向、定向重新排列(图5a)；储集层中石英、长石等刚性颗粒所受应力随着储集层埋深增加、地层压力增大而不断变大直至破裂(图5b)；同时可见火山岩岩屑、凝灰质、云母等柔性组分变形呈假杂基挤入颗粒空间，导致储集空间减小(图5c)；颗粒之间逐渐由点接触转化成点—线接触及线接触，降低了孔隙空间(图5d)。

不同类型的胶结作用将对储集层物性产生明显不同的影响[29]，西山窑组储集层主要受黏土矿物、碳酸盐矿物及硅质胶结作用控制。煤系地层的酸性环境造成该储集层中高岭石含量较高，在黏土矿物中的相对含量达到65.04%；其次为绿泥石，相对含量为17.45%；伊利石为12.30%；伊蒙混层为7.30%；蒙皂石含量较低，为2.59%。高岭石主要以分散质点式分布，充填于砂岩的粒间孔隙中(图6a)，减小了砂岩的孔隙度。扫描电镜下高岭石显示为蠕虫状、书本状或杂乱堆积(图6b)。绿泥石膜主要呈叶片状或者针叶状附于颗粒表面，形成绿泥石薄膜(图6c)。伊利石产状对储集层物性影响较大，较多的大孔隙、大喉道被其分割成复杂的小孔隙、小喉道，严重影响储集层的渗流能力。在孔隙内部伊/蒙混层多呈孔隙衬垫式出现，减少孔隙度，通常呈蜂巢状形态(图6d)。

图5 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层压实作用

图6 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层胶结物

a.牛17-13井，1 573.26～1 573.30 m，高岭石杂乱堆积充填孔隙；b.湖204井，1 615.23～1 615.40 m，高岭石蠕虫状、书本状或杂乱堆积，分布于孔隙中；c.湖204井，1 618.27～1 618.43 m，绿泥石呈针叶状、鳞片状分布于颗粒表面；d.牛17-13井，1 568.61～1 568.99 m，伊/蒙混层呈片状或卷曲丝发状分布于颗粒表面；e.牛17-13井，1 583.70 m，铁方解石连晶充填；f.牛117井，1 584.00 m，碳酸盐胶结；g.湖201井，1 681.00 m，石英次生加大；h.湖213井，1 820.20 m，微晶石英颗粒

Fig.6 Cementation of Xishanyao Formation, Niujuanhu oil field, Santanghu Basin

西山窑组储集层底部发育大量钙质夹层，导致储集层胶结致密，形成无效储集层。沉积晚期孔隙内部碳酸盐胶结物以难溶的铁方解石为主，孔隙急剧降低，对储集层物性影响严重(图6e，f)。

西山窑组硅质胶结较发育，以Ⅱ—Ⅲ期石英次生加大(图6g)、微晶石英颗粒(图6h)为主，生成的石英次生加大边使石英颗粒之间呈紧密的线接触或凹凸接触，填充了原本存在的粒间孔；而部分加大边改变了储集层的喉道形态，严重减弱了渗流能力；同时微晶石英充填于颗粒之间的孔隙中，不同程度地占据了孔隙空间，降低了孔隙度。

3.2.2 溶蚀作用为建设性成岩作用

牛圈湖油田西山窑组储集层主要发育凝灰质溶孔，其次为长石溶孔及少量岩屑溶孔，对储集层改善起到了关键作用[30]。随着煤系地层埋深的加大，生成的有机酸逐渐溶蚀岩石，形成次生孔隙，酸性流体在流动的同时还引起渗透率的增加。酸性流体一般沿着孔道中部对区域内大量分布的凝灰质进行溶蚀，溶蚀后形成的残余凝灰质在孔隙四周较常见(图7a)。酸性流体一般沿解理缝对长石进行溶蚀，经不完全溶蚀残留的长石轮廓比较明显(图7b)；在溶蚀作用较弱时而产生的选择性溶蚀作用下形成了蜂窝状溶蚀孔(图7c)。岩屑溶孔发育相对较少且形成的孔隙较细小，对孔隙空间的增加起到一定作用，但对渗透率的影响不大(图7b)。

3.3 构造作用

牛圈湖地区经历了多期次构造运动，形成了大量断裂和裂缝。岩心和铸体薄片显示，早期形成的微裂缝大部分处于充填或半充填状态，有效微裂缝大部分发育于晚期，可见油或沥青质充填现象(图7d)。裂缝为油气运移的主要通道，同时也是酸性流体运移进入储集层的通道，是牛圈湖油田油气成藏的重要控制因素。

3.4 孔隙演化分析

通过以上分析，结合前人研究[23,2,9]显示：西山窑组储集层伊/蒙混层矿物中蒙皂石层含量介于12%～58%，平均为26.1%；石英次生加大Ⅱ级为主，少部分为Ⅲ级，石英和长石颗粒普遍发育次生加大边，颗粒之间主要为线接触、点—线接触；砂岩中可见晚期含铁碳酸盐类胶结物；西山窑组储集层镜质体反射率为0.53%～0.69%，平均为0.62%；岩石最大热解峰值平均为441 ℃；研究认为，西山窑组储集层处于中成岩A期的晚期成岩阶段。在成岩序列划分的基础上，结合铸体薄片、扫描电镜、X衍射等资料分析显示，西山窑组储集层依次经历了压实、早期腐植酸溶蚀、高岭石形成、石英及长石的次生加大、伊蒙混层以及伊利石的形成、晚期有机酸溶蚀及晚期铁质—石英胶结的成岩演化序列。根据三塘湖盆地马朗凹陷M1井埋藏史(图8)分析认为，西山窑组沉积后至晚白垩纪之前经历了快速深埋的过程，在45 Ma的过程中埋藏达2 000 m,埋藏速度达44.40 m/Ma。在早期的快速深埋过程中，由于缺乏碳酸盐岩和硅质胶结，造成储集层快速压实。同时，快速压实之后的各种胶结作用，进一步降低了西山窑组储集层的孔隙度及渗透率。

图8 三塘湖盆地马朗凹陷M1井西山窑组埋藏史

图9 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窑组储集层压实与胶结作用降孔对比

量化分析了压实作用和胶结作用对储集层物性的影响。压实减孔量远大于胶结减孔量，胶结减孔量一般在5%左右，压实减孔量基本大于16%，平均在18%左右。成岩压实减孔是西山窑组储集层孔隙损失的主要因素，胶结损失是次要因素(图9)。

4 结论

西山窑组储集层中细砂岩为主力岩性，长石岩屑砂岩占90%以上，储集空间主要为原生粒间孔、溶蚀孔和裂缝等。沉积作用控制着储集层原始物性，在成岩及构造作用多重因素下共同形成了低孔特低渗储集层，其形成机理表现为以下几个特点：

(1)早期储集层顶部含煤地层形成的酸性流体导致颗粒间缺少碳酸盐胶结的支撑。

(2)强烈的快速压实，损失大量原生孔隙。

(3)成岩过程中酸性沉积环境导致高岭石的大量富集、石英次生加大边的发育及晚期含铁质碳酸盐胶结的发育，使得物性变差。

(4)沉积过程中酸性流体的不足与早期固结致密致使溶蚀作用微弱，进一步促使西山窑组储集层向低孔特低渗演化。

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