延安地区马家沟组风化壳型储层孔隙结构及分类评价

曹红霞，吴海燕，尚 婷，任星民，高 飞，武 渝

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075)

0 引 言

碳酸盐岩风化壳型气藏是许多学者研究和讨论的重点，不同学者从大地构造背景、沉积储层、地球化学、岩溶古地貌、成藏、气源等方面对盆地内部碳酸盐岩气藏进行了深入研究[1-5]。黄道军认为鄂尔多斯盆地东部储层以含膏模孔的白云岩为主，岩溶的后期充填类型决定了储层的好坏[6]；杨华等认为白云石化作用和岩溶作用是建设性成岩作用，压实作用、胶结作用和去白云石化作用是破坏性成岩作用，鄂尔多斯盆地古隆起周边白云岩体、台缘相带及东部奥陶系盐下等3大领域发育多类有效储层及圈闭，成藏潜力巨大，是盆地海相碳酸盐岩天然气勘探的接替领域[7-8]。延安地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中东部(图1)，随着甘泉、富县一带下古生界奥陶系风化壳气藏获多口工业气流井，对延安地区下古生界天然气的勘探逐渐加强，地质认识逐渐加深[9-10]，碳酸盐岩风化壳气藏成为该区天然气增储上产的重要接替领域[11-12]。对储层的合理分类与评价是天然气勘探开发的工作基础，是一项对风化壳气藏深入认识的长期工作，因此需要从宏观深入到微观，从定性研究向定量发展，不断深入推进对风化壳气藏的地质研究，进一步挖潜储层潜力[13-14]，为后期天然气规模开发提供理论支持。

图1 研究区构造位置Fig.1 Location of research area

近年来，不少学者对风化壳型储层做了大量研究，认为风化壳型储层受控于岩溶作用，赵文智等认为岩溶作用是溶蚀孔、洞、缝产生的主因，风化壳型储层的储集空间以溶孔、溶洞及溶缝为特征，具有极强的非均质性[4]。侯方浩、苏中堂等认为：最有利的储层为含硬石膏结核或含硬石膏柱状晶和结核的粉晶白云岩；表生岩溶作用是储层形成的关键作用，储层分布受岩溶古地貌影响明显，垂向上受岩溶旋回控制，各旋回垂直渗流带和中等强度水平径流带利于储层发育；含膏白云岩容易溶蚀，形成了大量的溶蚀孔、缝、洞，构成了储集空间系统[15-16]。现有研究大多是从沉积储层、风化壳气藏特征、成藏规律与条件、岩溶作用等方面论述，缺少对储层分类及评价的专项研究。

在前人研究基础上，以延安地区奥陶系马家沟组风化壳储层为研究对象，以地质学理论为指导，采用多学科、多技术综合分析方法，配以显微镜、扫描电镜、压汞分析等现代分析测试手段，从微观孔隙结构入手，开展对储层分类的定量化研究。

1 矿物组成特征

矿物成分决定岩石类型，进而决定储层发育程度[18-19]。本次研究过程中主要应用偏光显微镜、阴极发光显微镜、电子探针、扫描电镜与能谱测试等手段进行矿物类型及含量的鉴定。根据延安地区25口井220块薄片资料统计分析，矿物组成以白云石为主，含量平均为80.84%，其次为方解石，含量平均为12.85%，泥质含量为3.55%，其它如黄铁矿、石膏、硅质、伊利石和石英等含量较少，平均含量不足1%(图2)。

图2 奥陶系马家沟组马五上部组合矿物组分Fig.2 Mineral composition distribution of the upper part of M5 of the Ordovician Majiagou Formation

2 物性特征

对延安地区及邻区30余口井的岩心分析化验资料分析，储层孔隙度主要分布在2.0%～8.0%，渗透率主要分布在0.01～1 mD.渗透率与孔隙度呈明显的正相关关系；孔隙度和渗透率向低值一侧偏向，孔隙度值绝大多数小于4.0%，渗透率值绝大多数小于0.05 mD，属于典型的低孔-低渗特低渗储集层[20]。

根据延安地区岩心物性数据统计与物性相关性分析结果，样品的孔隙度和渗透率相关性较差(图3)。由于受到沉积相类型、成岩作用、古岩溶作用等因素的影响，同一储层在区域上的孔缝发育程度及充填程度不均，从而使得不同地区储层物性产生较大差异。储层在纵横向非均质性明显，单井试气产量差异较大[21-23]。岩溶发育的地区，储层不一定发育。岩溶洼地及沟槽两侧区域、围绕岩溶盆地发育的地层，物性较好。

图3 马五段上部储层孔隙度-渗透率关系Fig.3 Porosity permeability relation of the upper reservoir in the M5

3 储集空间特征

3.1 孔隙类型

孔、洞、缝是延安地区下古生界奥陶系碳酸盐岩储层较常见的储渗空间，根据研究区内丰富的岩心观察、扫描电镜、铸体薄片等分析化验资料显示，研究区马五4～马五1亚段的碳酸盐岩经历了沉积成岩-裸露风化-沉积充填-溶蚀改造-埋藏溶蚀等多期地质作用形成了多种多样的孔渗空间，既有原生孔隙，也有次生孔隙。含硬石膏结核的粉晶白云岩是风化壳储层发育的物质基础，在表生期和埋藏期形成的次生孔、洞、缝的发育和保存程度是能否形成良好储层的关键[24]。

3.1.1 准同生期孔隙-晶间孔、晶间溶孔

研究区中获得工业气流储层段的岩性主要为含硬石膏结核或柱状晶体的粉晶白云岩。这类孔隙分布于晶粒白云岩中。其中，晶间孔主要见于粉-细晶，孔径为10～50 μm之间，呈不规则的三角形或多边形；细-粉晶白云岩多见晶间微孔，孔径小于2 μm；白云石晶间孔和晶间微孔溶蚀扩大形成晶间溶孔，边缘常被溶蚀成锯齿状及不规则港湾状，孔径一般50～200 μm.该类孔隙多呈分散状，孔隙大小不一，分布不定，或顺层密集状分布。结晶云岩中的晶间孔隙是主要的孔隙类型。晶间溶孔是白云石晶间孔隙进一步溶蚀扩大形成的溶蚀孔隙(图4(a)、(b))。

白云石的晶体大小在一定程度上也控制着晶间孔。延安地区大量薄片观察表明：随着白云石晶体颗粒的逐渐增大，即由泥-粉晶到粉-细晶到中-粗晶，相对应的晶间孔由不发育到发育到降低，即晶间孔在泥-粉晶白云岩中是不发育的，在粉-细晶白云岩中增大，但在中-粗晶白云岩中晶间孔却又降低。

3.1.2 表生期次生孔隙-膏溶孔、扩容缝

在大气淡水及地下水的共同作用下，马家沟组暴露于地表的碳酸盐岩发生了去白云石化、角砾岩化、去膏化等建设成岩作用，规模不等的溶蚀孔洞空间形成。石膏结核等易溶蚀物质首先被选择性溶蚀，并沿结核发育形态形成新的孔隙，孔径一般在0.1～2 mm，部分在2 mm以上，形成溶蚀洞穴；石膏晶体被选择性溶蚀后常沿原晶体形态形成板条状新孔隙，孔径主要分布在0.05～0.3 mm之间。形成的大部分膏模孔、溶洞在后期又被渗流粉砂、石英、方解石、伊利石等化学充填物部分或全部充填，从而使孔隙变小或者消失，可见明显的示底构造。膏模孔、洞充填残余部分是最重要的储渗空间类型之一(图4(c)、(d)、(e)、(f))。

图4 延安地区马家沟组碳酸盐岩储层储集空间特征Fig.4 Reservoir space characteristics of carbonate reservoir of the Majiagou Formation in Yan’an area

3.1.3 埋藏期次生孔隙-膏溶孔再扩容再叠加孔隙、扩容缝被半充填后的残余孔隙

在碳酸盐岩在中-深埋藏阶段，地层中的侵蚀性流体或含有高矿化度卤水发生溶蚀作用。主要是发生在曾经暴露地表的碳酸盐岩区受后期构造沉降作用再次接受沉积，经历准同生期和表生期2种成岩作用，碳酸盐岩被埋藏后转入相对安静的封闭环境，随地温升高，地层水、酸性流体等开始逐渐溶解、溶蚀碳酸盐岩。从而使得基质、表生期岩溶缝洞及充填物进一步扩大溶蚀，形成孔隙结构较为复杂的叠加溶孔，并在溶孔发育区伴随有石英、硬石膏、黄铁矿等矿物充填，使孔隙结构变差(图4)。

3.2 孔隙结构

3.2.1 毛管压力曲线特征

对研究区压汞数据统计见表1，研究区毛管压力曲线分布特征如图5所示。马家沟组储层门槛压力0.01～7.34 MPa，平均值为1.09 MPa；中值压力0.98～68.45 MPa，平均值为22.21 MPa；中值半径0.01～ 0.75 μm，平均为0.17 μm；最大孔喉半径0.10～63.22 μm，平均为10.81 μm；分选系数2.19～5.55，平均为3.32；歪度系数0.51～2.01，平均为1.57；退出效率0～29.41%，平均值为8.73%；最大进汞饱和度28.81%～89.38%，平均值为70.31%.

表1 马家沟组压汞参数统计表Tab.1 Statistics of mercury injection parameters in the Majiagou Group

由实验可知，研究区储层的门槛压力相对较低、最大进汞饱和度较高，退出效率较低，从而说明储层储集能力相对较强，但渗流能力较低。

3.2.2 毛管压力曲线类型

通过对各压汞参数与物性资料综合分析，根据薄片孔隙描述、铸体薄片图像分析、结合对毛管压力曲线特征的比较，把研究区碳酸盐岩储层孔隙结构划分为：裂缝-孔隙型、孔隙型、微孔型及致密型(表2，图6)。

Ⅰ类(裂缝-孔隙型)：此类压汞曲线分布在毛管压力曲线图的最左边，压汞曲线为一宽缓的平台。其储层物性较好，渗透率也相对较高，门槛压力0.01～0.45 MPa，平均为0.17 MPa，最大进汞饱和度64.54%～89.38%，平均为79.61%，分选好，较粗歪度。

Ⅱ类(孔隙型)：此类压汞曲线为一较宽缓的平台。其储层物性中等，门槛压力0.02～1.15 MPa之间，平均为0.44 MPa，最大进汞饱和度62.19%～88.05%，平均为77.15%，分选较好，较粗歪度。

Ⅲ类(微孔型)：此类压汞曲线不具平台，有上凸趋势。其储层物性一般，门槛压力大于0.02～7.34 MPa，平均为1.48 MPa，最大进汞饱和度28.81%～88.79%，平均为62.21%，分选差，细歪度。

Ⅳ类(致密型)：此类压汞曲线呈陡斜坡状，其储层物性较差，门槛压力大于0.02～7.34 MPa，平均为2.83 MPa，最大进汞饱和度42.97%～74.21%，平均为57.07%，分选差，细歪度。

表2 毛管压力曲线分类表Tab.2 Classification of the capillary pressure curve

图5 马家沟组马五1～马五4压汞曲线特征Fig.5 Characteristics of M51～ M54 mercury curve in Majiagou Formation

图6 储层分类典型压汞曲线Fig.6 Typical mercury porograph of reservoir classification

4 储层分类评价

白云岩储层的形成和发育受沉积、成岩双重控制，孔隙发育演化较为复杂。纵向上由于沉积条件差异造成层内非均质性较强，表现为主力气层中部岩溶孔洞发育，物性好，上、下部储层孔洞不发育、物性相对差。横向上受沉积相带和成岩相带的控制，表现为储层物性成带状变化的特点，一般在古潜台主体部位储渗条件较好[25]。依据岩性、物性及孔隙结构特征，将本区储层分为4种储集类型(表3)。

Ⅰ类：主要为白云岩，以溶蚀孔洞为主要储集空间，渗滤通道为网状微裂缝，孔径一般为1～2 mm，最大可达30 mm，孔隙度大于7.2%，渗透率大于1.0 mD，物性好。毛管压力曲线类型主要为Ⅰ类(裂缝-孔隙型)，中值压力一般小于2.50 MPa，中值半径一般大于0.4 μm，是本区的优质储层。

Ⅱ类：以细粉晶白云岩为主，储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主，孔隙直径在5～50 μm之间，物

性较好，孔隙度在3.8%～7.2%之间，渗透率在0.06～1.0 mD之间。毛管压力曲线类型主要为Ⅰ类(裂缝—孔隙型)和Ⅱ类(孔隙型)，中值压力为2.52 MPa，中值半径为0.05～0.4 μm，是本区的次优质储层。

Ⅲ类：岩性主要为泥—细粉晶白云岩，以分散状的晶间孔、铸模孔为主要储集空间，渗滤通道为角砾间缝和微细裂缝，孔径一般在5～20 μm之间，物性较差，孔隙度一般2.3%～5.5%之间，渗透率一般0.01～0.07 mD之间。毛管压力曲线类型主要为Ⅱ类(孔隙型)和Ⅲ类(微孔型)，中值压力20～65 MPa，中值半径为0.01～0.4 μm，是本区的中等储层。

Ⅳ类：岩性主要为泥晶白云岩，发育少量晶间孔及晶间溶孔，孔径一般在10 μm左右，物性差，孔隙度一般小于2.5%，渗透率普遍比0.02 mD小。毛管压力曲线类型主要为致密型的Ⅳ类曲线，中值压力一般大于65 MPa，中值半径一般小于0.01 μm，是本区的差储层。

评价结果，研究区Ⅰ类储层占总厚度的10%～20%，Ⅱ类储层占总厚度的35%～45%，Ⅲ类储层占总厚度的25%～35%，Ⅳ占总厚度的10%左右。

表3 延安地区下古生界储层分类Tab.3 Classification of Lower Paleozoic reservoirs in Yan’an Area

5 结 论

延安地区马家沟组马五4～马五1亚段的碳酸盐岩经历了沉积成岩-裸露风化-沉积充填—溶蚀改造—埋藏溶蚀等多期地质作用形成了多种多样的孔渗空间，既有原生孔隙，也有次生孔隙。

下古生界奥陶统风化壳储层岩性以白云岩为主，储集空间复杂多样，主要为准同生期的晶间孔、晶间溶孔，表生期和埋藏期形成的溶蚀孔洞、膏模(扩容)孔，扩容缝；孔喉分布不均匀，门槛压力较低、最大进汞饱和度较高，退出效率较低。

选取孔隙度、渗透率、孔隙结构、中值半径、排驱压力和最大进汞饱和度等6种参数，经多因素综合分析，将延安地区下古生界马家沟组风化壳型储层分为4种类型，分别为Ⅰ类(裂缝-孔隙型)、Ⅱ类(孔隙型、裂缝-孔隙型)、Ⅲ类(孔隙型、微孔型)及Ⅳ类(致密型)，研究区以Ⅱ，Ⅲ类储层为主。

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