鄂尔多斯盆地姬塬地区长61段致密砂岩储集层成岩作用与孔隙演化

2018-08-07王斌孙卫白云云韩进刘登科张茜

新疆石油地质 2018年4期

王斌，孙卫，白云云，2，韩进，3，刘登科，张茜

（1.西北大学 a.大陆动力学国家重点实验室，b.地质学系，西安 710069；2.榆林学院化学与工程学院，陕西榆林 719000；3.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安 716000）

碎屑岩储集层成岩作用与含油气盆地的勘探开发紧密相关，一直以来在石油地质界备受关注[1-5]。成岩作用对储集层的形成具有重要的改造作用，直接影响着储集层孔隙的演变趋势，众多学者对成岩作用及孔隙演化过程展开了大量工作[6-11]。鄂尔多斯盆地姬塬地区延长组具有良好的油气勘探潜力，前人对研究区主力层的研究主要集中于储集层评价及成藏特征等方面[12-15]，对于成岩过程中孔隙的演化模式研究薄弱，且计算方法因主观因素的不同而导致对孔隙度定量演化表征的差异[11，16-17]。针对此现状，笔者在前人研究的基础上，利用岩心描述、铸体薄片、扫描电镜、物性分析、X射线衍射等测试分析结果，对鄂尔多斯盆地姬塬地区长61段致密砂岩储集层特征、成岩类型及特征、成岩演化过程中孔隙度的定量演化进行研究，明确研究区目的层的成岩演化规律与孔隙演化模式，旨在为储集层评价与油气勘探提供参考。

1 区域地质特征

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，姬塬地区位于鄂尔多斯盆地中部偏西（图1），其三叠系延长组致密砂岩储集层有着巨大的油气开发潜力，也是目前的主力产区。延长组自下而上可以划分为10个油层组，湖盆沉积始于延长组长10段，长7段沉积期是湖盆发育的鼎盛期，该段也是延长组主力生油层，湖盆从长6段沉积期开始逐渐萎缩，直至长2段和长1段沉积期湖盆消亡剥蚀。在长6段沉积期，研究区主要受东北部物源影响，发育三角洲前缘亚相，区内地层平缓，发育倾角近0.4°～0.6°的平缓西倾单斜构造[12-13]。通过对研究区岩心观察、铸体薄片及扫描电镜鉴定结果统计，姬塬地区长61段储集层主要为长石砂岩，次为岩屑长石砂岩，少量长石岩屑砂岩（图2）。岩屑含量为9.15%，其中，变质岩岩屑平均含量为5.57%，火成岩岩屑平均含量为2.14%，沉积岩岩屑平均含量为1.44%，云母含量较高，平均为7.55%；填隙物中胶结物主要为黏土矿物（7.23%），次为碳酸盐矿物（4.36%）和硅质矿物（1.51%）。其中，黏土矿物主要包括高岭石（3.63%）、绿泥石（2.19%）和伊利石（1.20%）。砂岩粒度主要为0.25～0.50 mm，分选中等—好，颗粒磨圆度差，岩石结构成熟度、成分成熟度中等偏低，孔隙类型主要以残余粒间孔为主，平均面孔率为2.57%，其次为长石溶孔（0.89%），岩屑溶孔较少（0.23%），晶间孔较发育（0.20%），少见微裂隙（0.02%）。通过28口井623块样品气测孔隙度和渗透率资料统计，平均孔隙度为9.19%，平均渗透率为0.91 mD（图3），依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6285—2011及相关文献，姬塬地区长61段储集层属于典型的低孔特低孔超低渗的致密砂岩储集层[18-21]。

图1 研究区构造位置

图2 姬塬地区长61段储集层砂岩类型三角图

图3 姬塬地区长61段储集层渗透率与孔隙度交会图

2 研究区成岩作用特征

图4 研究区长61段储集层成岩作用显微镜下特征

成岩作用是影响储集层储集性能的关键因素，成岩作用的类型是研究成岩过程的基础[10]。通过对研究区长61段致密砂岩储集层的铸体薄片观察，并结合扫描电镜、阴极发光、X射线衍射等分析测试手段，认为研究区成岩作用类型主要为压实作用、胶结作用和溶蚀作用。显微镜下主要特征为：①碎屑颗粒紧密接触，云母等塑性颗粒受上覆压实顺层排列（图4a，图4b）；②刚性颗粒压实破裂（图4c）；③早期孔隙多见方解石胶结，后期亮晶状铁方解石充填孔隙（图4d，图4e）；④石英发育Ⅱ级或Ⅲ级加大边，颗粒线接触甚至凹凸接触（图4f，图4g）；⑤高岭石主要以六方形集合体呈书页状、蠕虫状堆积体充填于储集层孔隙中（图4h），可由岩屑、长石交代而来（图4i，图4j）；孔隙环边绿泥石常呈叶片状、针叶状或花瓣状垂直于颗粒表面生长并包裹颗粒（图4f，图4k），绿泥石膜包裹的碎屑颗粒之间多见残余粒间孔（图4l）；伊利石主要呈薄膜丝缕、蒲公英丝状及发丝状附着于喉道处（图4m）；⑥长石颗粒沿解理溶蚀，岩屑在边缘处易被溶蚀（图4n，图4o）。研究区目的层砂岩储集层所夹泥岩镜质体反射率为0.76%～1.23%，古地温主要为90～150℃，伊蒙混层矿物中蒙皂石层含量小于15%.依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5477—2003，姬塬地区长61段致密砂岩储集层现今成岩阶段主要为中成岩阶段A期，部分已进入中成岩阶段B期的早期[22]（图5a）。

图5 姬塬地区长61段储集层孔隙演化模式（埋藏史引自文献［31］，有修改）

3 成岩作用过程中孔隙度定量演化

基于研究区致密砂岩储集层成岩演化过程的复杂性，本次对研究区孔隙度定量演化模拟过程中，设定各成岩现象相对独立，成岩过程划分为未固结砂岩、沉降压实、早期胶结、溶蚀和中晚期胶结5个孔隙演化过程[23]。参考前人的研究成果[24-33]，建立适合研究区不同成岩阶段孔隙度的计算方法（表1）。本次研究选取135块代表性样品，结合实验测试分析结果，依据成岩演化序列统计各个孔隙演化相关参数，得到样品孔隙演化的主要参数。

表1 姬塬地区长61段储集层不同成岩阶段砂岩孔隙度计算方法

计算结果显示，研究区样品初始孔隙度接近，为37.71%～39.69%，平均为38.62%，样品孔隙度差异不大，表明早期沉积物的堆积不是导致现今物性差异的关键因素。随着沉积物埋藏深度的增大，压实作用增强，压实作用损失的孔隙度为6.87%～27.54%，平均为21.52%；机械压实后剩余孔隙度为7.37%～27.33%，平均为17.61%.压实作用孔隙度的损失率为55.72%，表明早期压实作用对储集层破坏作用较大。研究区胶结作用分为早期胶结作用和中晚期胶结作用，中间间隔溶蚀作用。研究区早期胶结作用导致孔隙度损失为1.15%～25.20%，平均为5.89%；中晚期胶结作用导致孔隙度的损失为2.45%～14.09%，平均为6.63%.研究区内主要发育长石溶蚀孔隙，岩屑溶孔少见，样品由长石及岩屑溶蚀产生的次生溶蚀孔隙度为0～9.19%，平均为4.36%，次生溶蚀孔隙发育不均匀，溶蚀作用中等，对储集层具有建设性作用。样品最终计算孔隙度为3.58%～12.67%，平均为8.94%；计算结果与实际气测孔隙度之间的相对误差为1.05%～33.75%，平均为6.80%，误差较小，具有参考价值。

4 成岩序列与孔隙演化规律

（1）早期机械压实阶段该阶段埋深在1 100 m左右，埋藏深度较小，主要属于早成岩阶段A期。碎屑颗粒呈未接触或点接触，原始粒间孔发育，少量早期的泥晶或微晶方解石充填孔隙，早期粒表绿泥石膜对原始孔隙起到保护作用。早期机械压实阶段，胶结作用微弱，孔隙度损失主要受压实作用影响。应用深度与压实剩余孔隙度的公式关系[11，24，33]，早期机械压实阶段损失的孔隙度为13.87%.

（2）压实+早期胶结阶段该阶段埋深为1 100～1 500 m，主要属于早成岩阶段A期晚期到早成岩阶段B期。压实作用持续进行，碎屑颗粒之间接触更加紧密，呈点接触或点-线接触，甚至出现线接触，压实作用损失孔隙度为4.97%；胶结作用开始整体发育，黏土矿物增多，其中高岭石绝对含量为2.10%，绿泥石绝对含量为1.70%，其他胶结物中，次生石英绝对含量为0.40%，方解石绝对含量为1.20%，铁方解石绝对含量为0.30%，其他胶结物的绝对含量为0.19%，胶结作用损失孔隙度5.89%.压实+早期胶结作用阶段损失的孔隙度为10.86%.

（3）溶蚀增孔阶段该阶段埋深可达2 000 m，主要属于早成岩阶段B期到中成岩阶段A期。由于埋深增大，地层温度与压力不断增强，此时有机质进入成熟生烃阶段，生烃增压使得有机酸进入砂岩储集层，溶蚀长石、岩屑和早期易溶组分，形成粒内溶孔、粒间溶孔及晶间溶孔。该阶段是储集层成岩演化过程中重要的建设性阶段，产生的次生孔隙对致密砂岩储集层中形成局部相对高渗带具有重要意义，但形成的次生孔隙并未完全保留下来，一部分孔隙仍然被胶结物充填或者受压实作用而损失。溶蚀阶段增加的孔隙度为4.36%.

（4）压溶作用+中晚期胶结阶段该阶段埋深达到最大，最深处超过2 500 m，随后逐渐抬升至现今的2 300 m左右，主要属于中成岩阶段A期晚期，部分至中成岩阶段B期早期。该阶段经历构造变动，发育少量构造裂缝，压溶作用减小的孔隙度为3.51%.成岩环境逐渐由中成岩阶段A期的酸性环境变为碱性环境，溶蚀作用迅速减弱直至消失，对孔隙度贡献微弱，可以忽略。铁方解石和伊利石大量发育胶结于孔隙之中，此时绿泥石的发育亦降低储集层的储集空间，颗粒接触点处易发生压溶作用。该阶段由胶结作用减少的孔隙度为6.63%，其中铁方解石绝对含量为2.70%，伊利石绝对含量为1.10%，高岭石绝对含量为1.24%，绿泥石绝对含量为0.49%，次生石英绝对含量为1.10%.最终经过模拟过程得到的孔隙度为8.94%，与现今的气测孔隙度9.19%接近（图5）。

5 不同成岩作用下的孔隙演化模式

为进一步明确研究区目的层位在成岩作用演化关键点对储集层孔隙度的影响，本次研究着重对4块典型样品开展不同孔隙演化路径的对比分析（表2）。

（1）压实率最大样品 1号样品对应的压实率在所有样品中最大（图6中A点）。成岩作用早期，由于机械压实作用导致孔隙度的损失为27.54%，岩石初期原生粒间孔损失严重，颗粒紧密接触，云母等塑性矿物受压力顺层排列（图4a），孔隙空间很小，致使后期胶结作用及溶蚀作用大大减弱，早期胶结作用和中晚期胶结作用损失的孔隙度分别为1.15%和5.85%，溶蚀作用增加的孔隙度为2.76%.在孔隙演化模式图中（图7），该样品在压实作用之后位于最下方，且胶结作用和溶蚀作用较弱，演化模拟曲线后期整体表现平缓，变化幅度不大，最终模拟计算孔隙度低于平均值。

（2）胶结率最大样品 2号样品对应的胶结率在所有样品中最大（图6中B点）。该样品受压实作用损失孔隙度为6.87%，压实强度最弱，早期胶结作用以泥晶方解石呈基底式连晶胶结为主（图4d），以及早期高岭石充填颗粒表面（图4h），使得岩石孔隙度减小，早期胶结作用损失的孔隙度为25.20%；中—晚期出现了含铁方解石和伊利石等黏土矿物，其引起孔隙度的损失为2.45%，由于孔隙空间很小，因此溶蚀作用不发育。在孔隙演化模式图中（图7），该样品受压实作用影响小，保留的孔隙空间较大，胶结物更容易形成，胶结作用发育强烈，图7中样品曲线早成岩阶段A期—早成岩阶段B期区间段斜率最大，表明胶结作用发育强烈，孔隙度损失率大，中成岩阶段A期晚期孔隙度再次降低，模拟孔隙度最低。

表2 姬塬地区长61段储集层典型样品不同成岩阶段孔隙演化统计

图6 姬塬地区长61段储集层压实作用损失孔隙度与胶结作用损失孔隙度对比

图7 姬塬地区长61段储集层不同成岩阶段的孔隙演化模式

（3）溶蚀率最大样品 3号样品对应的溶蚀率在所有样品中最大（图6中C点）。该样品点的压实强度仅次于1号样品，压实作用损失的孔隙度为25.95%，颗粒接触较为紧密，早期胶结作用损失孔隙度为4.08%，主要以碳酸盐矿物充填孔隙为主；长石溶蚀孔发育，长石颗粒沿解理缝发生部分甚至全部溶解（图4n），形成粒缘孔或铸模孔，一些孔隙被方解石充填，溶蚀作用增加的孔隙度为9.19%，中—晚期胶结作用损失的孔隙度为6.93%.在孔隙演化模式图（图7）中可观察到，压实作用和早期胶结作用损失的孔隙度均高于平均值，早成岩阶段B期—中成岩阶段A期区间段变化率最大，且溶蚀作用后孔隙度高于其他样品，由于溶蚀作用的发育，最终孔隙度也高于平均值。

（4）粒间孔最发育样品 4号样品对应的粒间孔在所有样品中最发育（图6中D点）。该样品受压实作用损失的孔隙度为23.38%，略高于平均值，颗粒以点-线接触为主；早期胶结少量方解石，绿泥石薄膜发育（图4k，图4l），提高了颗粒的抗压能力，有效地抑制了压实作用对储集层的破坏，保留了原始粒间孔隙，早期胶结作用损失的孔隙度为3.23%；长石溶蚀作用发育，溶蚀作用增加的孔隙度为4.39%；中—晚期胶结作用损失的孔隙度为5.18%.在孔隙演化模式图中（图7），该样品孔隙度始终接近或高于平均值，观察发现早期胶结作用与中—晚期胶结作用之后样品的孔隙度较为接近，表明该样品中绿泥石膜对其早期粒间孔隙的保护能力较强，其最终孔隙度在所有样品中最大。

6 讨论

基于以上鄂尔多斯盆地姬塬地区长61段致密砂岩储集层成岩特征，孔隙度定量演化模式以及针对4块典型样品分析，总体显示研究区压实作用导致孔隙度损失率大于胶结作用孔隙度损失率（占76.1%）。研究区长61段储集层压实作用造成的平均孔隙度损失为21.52%，早期胶结作用损失的平均孔隙度为5.89%，中晚期胶结作用损失的平均孔隙度为6.63%，溶蚀作用增加的平均孔隙度为4.36%，通过对孔隙度定量演化模式的建立，能够为姬塬地区长61段致密砂岩储集层有效性评价提供重要参考。结合实验测试资料，研究区目的层整体塑性矿物含量高，抗压能力较弱，且绿泥石发育一般，不能有效地保护原生粒间孔，早期形成的孔隙易被方解石、硅质及黏土矿物胶结，严重堵塞孔隙喉道，且不利于后期酸性流体对储集层的建设性改造。因此，研究区致密砂岩储集层主要属于压实型成岩改造，各种不同且复杂的成岩过程导致了现今储集层物性及孔隙结构特征的差异，强烈的压实作用和胶结作用是导致储集层致密化的重要原因。

7 结论与认识

（1）姬塬地区长61段储集层受东北部物源影响主要发育长石砂岩、岩屑长石砂岩。储集层平均孔隙度为9.19%，平均渗透率为0.91 mD，属于典型的低孔特低孔超低渗致密砂岩储集层，孔渗相关性好。平均面孔率偏低，孔隙类型主要以残余粒间孔和次生溶蚀孔隙为主。

（2）研究区成岩作用类型复杂，主要的成岩作用有压实—压溶作用和胶结作用，是主要的破坏性成岩作用；溶蚀作用及微破裂是主要的建设性成岩作用；交代作用对储集层孔隙度变化的影响较小。姬塬地区长61段储集层现今成岩阶段主要为中成岩阶段A期，部分已进入中成岩阶段B期的早期。

（3）孔隙演化模拟研究表明，鄂尔多斯盆地姬塬地区长61段储集层平均初始孔隙度为38.62%，压实作用造成的平均孔隙度损失为21.52%，早期胶结作用减少的平均孔隙度为5.89%，中—晚期胶结作用减少的平均孔隙度为6.63%，溶蚀作用增加的平均孔隙度为4.36%.最终计算的平均孔隙度为8.94%，与气测平均孔隙度误差为6.80%，误差相对比较小，模拟计算孔隙度具有较好的参考意义。

（4）通过对压实率最大样品、胶结率最大样品、溶蚀率最大样品和粒间孔最发育样品4块典型样品开展不同孔隙演化路径的对比，揭示姬塬地区长61段致密砂岩段属于压实型成岩改造储集层，压实作用和胶结作用对储集空间的破坏是导致储集层致密化的重要原因。

符号注释

D25——颗粒含量累积曲线上25%处对应的颗粒直径，mm；

D75——颗粒含量累积曲线上75%处对应的颗粒直径，mm；

E——相对误差，%；

f1——压实—压溶过程损失孔隙度损失率，%；

f2——胶结—交代过程损失孔隙度损失率，%；

f3——次生孔隙度增加率，%；

Fmicr——次生孔微孔率，%；

Sd——分选系数；

ϕ1——未固结砂岩孔隙度，%；

ϕ2——压实—压溶作用过程剩余孔隙度，%；