西峰东部长8油层组成岩作用特征及对储层的影响

2019-12-03周树勋郑荣才高进省邓宝康郭愿刚王昌勇马茗茗

成都理工大学学报（自然科学版） 2019年6期

周树勋,郑荣才,高进省,邓宝康,郭愿刚,王昌勇,马茗茗

(1.中国石油长庆油田分公司油藏开发处,西安 710018；2.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059;3.四川奥吉特油田开发科技有限公司,成都 610041)

西峰东北地区位于鄂尔多斯盆地西南部(图1)，近期的勘探成果表明该地区上三叠统延长组长8油层组具有很好的油气显示和巨大的勘探潜力。长8油层组主要为一套浅水辫状河三角洲相的灰色细-中砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与深灰色泥岩及粉砂质泥岩互层组合，局部夹灰黑色炭质泥岩及薄煤层[1-4]。储层主要为水下分流河道和滩坝微相的砂岩[5]，储集性良好，但具有较强的层内和层间非均质性，储层发育的主控因素也不明确，直接制约了优质储层的预测和后期勘探开发部署，因而迫切需要厘清储层的形成机理和控制因素，为储层预测奠定基础。

图1 鄂尔多斯盆地长8油层组岩相古地理格局及西峰东部地区位置Fig.1 The lithofacies paleogeographic pattern of Chang 8 oil-bearing layer and the location of the eastern Xifeng area,Ordos Basin

1 储层岩石类型

70件铸体薄片鉴定结果表明，研究区长8油层组储层砂岩骨架颗粒组分具有较高的长石和岩屑含量。长石碎屑主要为钾长石，质量分数(w)变化较大，为10%～65%，平均约为31%。岩屑以花岗岩和黑云母为主，质量分数一般为4%～42%，平均约为20%；其次为碳酸盐岩屑和少量泥岩及千枚岩碎屑，质量分数为1%～10%，平均约为5%。岩性主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，少量为长石砂岩及岩屑砂岩(图2)，以细砂岩和中砂岩为主。杂基的质量分数一般不超过7%，支撑方式为颗粒支撑、胶结类型主要为接触式-孔隙式。碎屑分选性一般，多呈棱角状及次棱角状，磨圆度较差(图3)。从总体上看，岩石成分成熟度不高，结构成熟度也较低，反映沉积物搬运距离较近。

图2 西峰东部长8砂岩三角图Fig.2 Sandstone classification of Chang 8 reservior,eastern Xifeng

图3 西峰东部长8储集砂岩特征Fig.3 Microscopic characteristics of Chang 8 reservoir sandstones in eastern Xifeng(A,B)细粒岩屑长石砂岩，碎屑颗粒分选性一般，磨圆度较差，绿泥石环边胶结作用较强，扫描电镜下可见2期绿泥石环边胶结物，原生粒间孔隙保存较好，西315井，深度 2 186.8 m，长82，(A)铸体薄片,(-)，(B)SEM;(C,D)细粒岩屑长石砂岩，无绿泥石环边胶结物，早期钙质胶结物充填原生粒间孔隙，矿物内部的成岩压裂缝部分被充填、部分较好地保存，推测钙质胶结物形成于早成岩阶段，西46井，深度 2 013.1 m，长81，铸体薄片，(C)单偏光,(D)正交偏光;(E)细粒岩屑长石砂岩，碎屑颗粒分选性一般，磨圆度较差，绿泥石环边胶结作用较强，原生粒间孔隙部分被方解石充填，方解石胶结时间晚于绿泥石环边胶结，塔30井，深度 1 867 m，长81，铸体薄片，(-);(F)细粒长石岩屑砂岩，碎屑颗粒分选性一般，磨圆度较差，含大量“碳酸盐岩屑”，里170井，深度 1 877.9 m，长82，铸体薄片，(+);(G)毛发状伊利石附着于颗粒表面，宁182井，深度 1 667.5 m，长81，SEM;(H)蜂巢状伊/蒙混层充填粒间孔隙，乐64井，深度 1 594.8 m，长81，SEM

2 成岩作用特征

研究区长8油层组储层砂岩先后经历了压实-压溶作用、胶结作用、交代作用、自生矿物的充填和破裂作用等不同期次成岩作用的影响，各类成岩作用对储层进行了不同改造。

2.1 压实作用

压实作用是导致储层原生粒间孔隙急剧减少的重要原因[6-7]，是主要的破坏性成岩作用之一。研究区长8油层组砂岩中刚性碎屑颗粒主要呈线接触(图3-A)，包括云母在内的塑性碎屑变形强烈，长石及石英等脆性颗粒发生破裂(图3-C、D)，反映其压实程度中等偏强，经历压实作用后只有部分原生粒间孔隙得以保存(图3-A)。

2.2 胶结作用

长8油层组砂岩中胶结物类型较多，包括方解石的胶结、长石胶结、SiO2胶结、绿泥石、伊利石及伊/蒙混层等黏土矿物的胶结等。

2.2.1 绿泥石环边胶结作用

长8油层组砂岩储层中绿泥石环边胶结作用较为常见，特别是在原生粒间孔隙较为发育的砂岩中，在单偏光镜下常见围绕颗粒表面或粒间孔隙周缘生长的褐色绿泥石薄膜(图3-A)，扫描电镜下可见叶片状绿泥石附着于碎屑表面生长，并可识别出2期环边绿泥石胶结物：第一期直接附着于颗粒表面，晶体较小，为准同生期产物；第二期晶体较大，覆盖于第一期之上，为早成岩阶段产物(图3-B)。已有的研究成果表明，早期绿泥石环边胶结作用可提高骨架砂岩抗压实性能和抑制其他成岩作用[8-9]，对保存原生粒间孔隙具有重要意义。绿泥石环边胶结物的形成通常与水体中富含Fe2+和Mg2+有关，一般在偏碱性的三角洲前缘环境最发育[9-10]，因此，水下分流河道砂体通常具有绿泥石环边胶结作用而保存有较好的原生粒间孔隙。

2.2.2 方解石胶结作用

方解石的胶结作用是长8油层组砂岩中最常见的胶结类型，方解石直接充填原生粒间孔隙，碎屑颗粒之间多呈点接触，结合矿物成岩压裂缝部分被充填、部分得以保存的特征(图3-C、D)，说明这一胶结作用发生在较早的早成岩阶段。部分方解石胶结物与碎屑颗粒之间可见清晰的绿泥石环边胶结物(图3-E)，又可说明方解石胶结物形成时间晚于绿泥石。钙质胶结封堵的原生粒间孔隙普遍大于受绿泥石还边保护而未被充填的剩余粒间孔隙，说明钙质胶结发生的时间较早，钙质胶结物的完全充填阻止了压实作用的进一步进行，否则即使受到绿泥石环边保护的剩余粒间孔在强烈的压实作用下体积仍然会变小。

图4 宁204井长8“钙质”砂岩电性特征Fig.4 Electrical characteristics of Chang 8 calcareous sandstone of the Well Ning 204

方解石胶结物的来源可能部分与砂岩中较高的“钙屑”含量有关。研究区位于鄂尔多斯盆地南部，来自南部的碳酸盐岩物源区可提供数量不等的碳酸盐岩屑(图3-F)。X射线衍射全岩分析结果表明长8砂岩中含有较多的碳酸盐矿物，其中部分样品方解石的质量分数可高达34.3%。成岩过程中“钙屑”的溶解会导致成岩流体富钙，成为钙质胶结物的重要来源。长8砂岩中方解石胶结物的另一重要来源，可能与泥岩压实过程中排出的高浓度富钙流体有关。研究区泥岩中所夹的厚度<2 m的透镜状砂体，通常具有极低的GR值，低的AC、CNL值和高的RT、DEN值，即为钙质胶结的典型特征。而厚度>2 m的砂体一般在底部或顶部出现钙质胶结特征(图4)，其成因同样与泥岩压实排出的富钙流体有关。与研究区毗邻的镇原地区长8沉积期湖泊水体具有半咸水-咸水性质[11]，其泥岩中仍残存一定量的方解石、镁方解石和白云石(表1)，也说明长8沉积期研究区湖泊水体富Ca2+的性质，因而泥岩压实过程中可排出大量富Ca2+流体和在砂体中不断富集而造成薄层砂体的钙质胶结作用[12-14]，导致薄层砂体完全致密化。这类在早成岩段就已经致密化的砂岩既难以成为储层，又难以成为有效的油气输导体。

2.2.3 伊利石胶结作用

伊利石多呈丝缕状、毛发状附着于碎屑颗粒表面或充填粘结粒间孔隙(图3-G)，在研究区长8砂岩中普遍发育，在砂岩黏土矿物中所占比例一般为2%～35%(表2)。伊利石胶结物占据的孔隙空间虽然不多，但却极大地降低了储层渗透率，特别是在油藏注水开发过程中容易被冲断带走并堵塞喉道，是速敏性的重要因素[15]。

表1 镇原地区部分长8泥岩X射线衍射全岩分析结果(w/%)Table 1 XRD analysis of total rock for Chang 8 mudstone in Zhenyuan area

表2 西峰东部地区长8砂岩X射线衍射黏土矿物分析结果Table 2 XRD analysis of clay minerals in Chang 8 sandstone,eastern Xifeng

2.2.4 伊/蒙混层胶结作用

伊/蒙混层在长8油层组砂岩中普遍存在，占砂岩中黏土矿物的9%～50%(表2)。在伊/蒙混层相对高含量区可见伊/蒙混层呈蜂巢状充填原生粒间孔隙(图3-H)。蜂巢状的伊/蒙混层矿物不仅会降低储层渗透性，同时，由于伊/蒙混层矿物中存在一定数量的蒙脱石，在注水开发时会吸水膨胀而堵塞孔喉，导致严重的水敏问题[15]。

2.2.5 SiO2胶结作用

在扫描电镜下，硅质胶结作用主要表现为次生加大作用，常见部分石英颗粒发生次生加大而趋于自形(图5-A)。由于研究区长8砂岩成分成熟度较低，导致石英次生加大的程度并不高，对储层破坏作用轻微。

2.2.6 长石胶结作用

长石的胶结作用主要表现为长石的自生加大，在研究区长8油层组砂岩中偶有见及(图5-B)，多为长石一边溶蚀一边沉淀的产物，并且长石的次生加大作用很弱，因此对储层的破坏作用微乎其微。

2.3 交代作用

方解石交代长石及石英颗粒是较为常见的成岩作用类型，常导致被交代的石英颗粒呈溶蚀港湾状，而长石碎屑多被彻底交代仅残存颗粒外形(图5-C)。由于方解石交代石英一般需要较高的pH值和温度，可以判定交代作用发生的时间较晚，至少晚于长石的溶蚀作用。交代作用理论上只有矿物的相互取代，但实际上方解石的交代作用常与晚期方解石的连生胶结作用同步进行，因此，交代作用仍然对储层物性具有一定的伤害。

2.4 自生矿物的充填作用

自生矿物的充填作用类型较多，包括石英、钠长石、高岭石及石盐等，这几类矿物都呈细小晶体充填于各类孔隙中，对颗粒并不起明显胶结作用，但对成岩阶段划分和指示流体性质有重要意义。

2.4.1 自生石英充填作用

自生石英多呈10～50 μm的微晶充填于原生粒间孔隙或次生溶孔中(图5-D)，自形程度一般较高，晶簇丛生，占据了一部分孔隙空间，对储层物性有一定破坏作用。

研究区长8砂岩中自生石英可能具有多种来源，包括：①黏土矿物的转化过程，即蒙皂石向伊利石的转化，有硅的游离和自生石英的析出；②来自石英碎屑的压溶作用，导致孔隙流体中游离硅离子浓度大幅度增加并发生微晶石英沉淀和充填孔隙[9]；③长石遭受有机酸热液的溶蚀和形成部分游离硅离子浓度大幅度增加，造成部分SiO2以微晶石英形式析出、沉淀并充填次生溶孔。

2.4.2 自生钠长石充填作用

自生钠长石多呈阶梯状晶形充填于次生溶孔之中(图5-E)。由于自生钠长石的形成也主要与钠长石的溶蚀作用有关，即自生钠长石来源于钠长石碎屑颗粒的溶解，占据的仅仅是原钠长石碎屑的部分空间，因此自生钠长石的充填作用对储层性质也无明显影响。

2.4.3 自生高岭石充填作用

长8油层组砂岩的黏土矿物中高岭石所占的比例较低，为3%～22%，大部分在10%左右(表2)，但分布却较为普遍。在扫描电镜下，常见高岭石呈书页状充填于粒间孔隙和粒内溶孔之中(图5-F)，显示自生高岭石特征。其成因主要与长石类矿物的热液溶蚀作用有关，为长石碎屑热液蚀变的副产物。自生高岭石的出现具有二重性，好的一面反映存在热液溶蚀作用，对改善储层有利；不好的一面主要为充填孔隙的自生高岭石数量虽然不多，对孔隙度影响不大，但却会对储层渗透性造成较大伤害，导致储层渗透率急剧下降，即次生高岭石的充填作用也是导致长8砂岩超低渗透性的重要原因之一。同时这类分散的自生高岭石晶体在注水开发过程中容易分散运移，造成储层速敏伤害[15]。

2.4.4 石盐充填作用

研究区长8砂岩中存在少量石盐晶体充填于残余原生粒间孔隙的现象，石盐晶体常与绿泥石及伊利石共生(图5-G)。石盐的充填作用主要分布在研究区东南一隅，为成岩晚期高浓度成岩流体的产物，对储层也有一定的伤害作用。

2.5 破裂作用

长8油层组砂岩的破裂作用主要有两大类：其一为成岩早期的压实-破裂作用，常形成规模较小的成岩压裂缝，或者在显微镜下表现为长石、石英等刚性碎屑颗粒的破碎(图3-C、D)；其二为相当于成岩中晚期的构造破裂作用，长8油层组砂岩中发育的裂缝大多属于此类型。

图5 西峰东部长8储集砂岩特征Fig.5 Microscopic characteristics of Chang 8 reservoir sandstone in the eastern Xifeng area(A)石英碎屑的次生加大Ⅰ级，宁141井，深度1 752.8 m，长81，SEM;(B)长石的次生加大作用，塔30井，深度1 883 m，长81，SEM;(C)细粒岩屑长石砂岩，分选性一般，磨圆度差，部分石英和长石被方解石交代，方解石连生胶结，城93井，深度2 124.8 m，长82，铸体薄片，(+);(D)自生石英晶体充填于粒间孔隙，城78井，深度1 857 m，长82，SEM;(E)自生钠长石充填粒内溶孔，午74井，深度1 879.1 m，长81，SEM;(F)书页状自生高岭石充填于粒内溶孔，乐28井，深度1 614.8 m，长81，SEM;(G)石盐晶体充填于粒间孔隙，乐28井，深度1 678.5 m，长82，SEM;(H)细粒长石岩屑砂岩，沿云母层发育的裂缝被沥青充填，城78井，深度1 865 m，长82，铸体薄片，(-)

此外，研究区内长8砂岩中顺层发育的微裂缝很丰富，而且具有黑云母含量越高微裂缝越发育，以及大部分微裂缝延伸方向与片状云母延伸方向一致的特点(图5-H)。部分顺层微裂缝被沥青充填，证明这些顺层微裂缝是有效储渗空间。其成因被认为与构造应力作用下沿云母片解理发生滑动剥离有关，因而属于构造破裂。研究区长8砂岩中的黑云母等矿物主要来自研究区南部物源区，因而此类顺层微裂缝在靠近物源区的南部边缘更发育。

包裹体测温结果表明：长8油层组石英碎屑裂纹中的包裹体均一温度主要介于90～100℃以及110～140℃范围(图6)。这类顺层发育的微裂缝既能提供少量储集空间，更有效提高了储层渗透率，常导致孔隙度较低、且孔隙结构较差的储层(图7-A)具有较高的渗透率，其渗透率甚至远高于孔隙度较高、且孔隙结构较好的原生粒间孔隙极为发育的储层(图7-B)，但在开发过程中容易导致裂缝带注水突进[16]。

图6 西峰东部地区长8砂岩石英裂纹充填包裹体均一温度特征Fig.6 Characteristics of uniform temperature of inclusions in quartz crack,Chang 8 sandstone,eastern Xifeng(79个样品)

3 成岩阶段划分

西峰东部地区长8油层组砂岩中碎屑颗粒接触关系以线接触-凹凸接触为主，泥岩中镜质体Ro为0.8%～1.0%，伊/蒙混层中蒙脱石的质量分数为30%～15%(表2)，结合石英裂纹中充填包裹体均一温度特征[17](图6)，确定研究区长8油层组目前主要处于中成岩阶段B期(图8)。

3.1 同生成岩作用阶段

主要发生铝硅酸盐的水化及有机质的有氧呼吸作用，伴随黑云母等矿物在弱碱性的微-半咸水湖泊水体中的水解，大量Fe2+、Mg2+离子进入湖泊水体和砂体的孔隙中，形成具有较富Fe2+和富Mg2+的弱碱性孔隙流体，并开始发生第一期晶体较小的绿泥石等厚环边胶结物(图3-B，图8)。

3.2 早成岩阶段

a.早成岩阶段A期，沉积物处于浅埋藏阶段，铝硅酸盐的水解作用、有机质的有氧呼吸持续进行，随沉积物埋深增大压实强度增加，蒙皂石开始向伊/蒙混层转化[9]。粗粒富含刚性颗粒的砂质沉积物原始孔隙度(q)一般为38%～40%[18-20]，伴随压实作用的进行和孔隙水的排出，沉积物体积缩减量巨大[9]，因而也是原始孔隙缩减量最大的时期，孔隙度的损失可达20%[19,21]。这一时期，第一期绿泥石围绕颗粒表面生长，在一定程度上阻碍了压实作用的继续进行，使得部分原生粒间孔隙在继续埋藏和压实过程中得以保存[9]。

需指出的是，伴随泥岩压实过程大量孔隙水排出，当这些富Ca2+水体通过邻近的三角洲分流河道砂体向外排泄时，由于砂体底部通常为物性和连通性最好的释压带，因而成为富Ca2+水体向外排泄和沉淀方解石的优选通道和部位，这也是厚层河道砂体底部往往具有较强钙质胶结作用的主要原因。而夹持于大段泥岩中的透镜状砂体，通常是泥岩富Ca2+孔隙水排出的唯一通道，因而伴随孔隙水排泄过程时钙质胶结作用更为强烈(图4)，导致厚度<2 m的薄砂体早期致密化而不利于储层发育。

b.早成岩阶段B期，随着沉积物埋深逐渐加大，第二期绿泥石的环边胶结作用继续发生和加厚，孔隙水中的Ca2+继续沉淀；同时，石英颗粒接触处压力超过正常孔隙流体压力，导致石英遭受溶解和变形。由于孔隙内的流体压力小于颗粒接触处压溶部位的流体压力，压溶部位的SiO2水化为H4SiO4分子，并以石英颗粒表面的水膜为通道向周围的孔隙运移，进入孔隙的富H4SiO4流体在释压过程中又分解为SiO2和H2O分子[9]。其中SiO2或围绕石英颗粒沉淀形成石英次生加大边，或在孔隙中沉淀形成自生微晶石英晶簇。

图7 西峰东部地区长8典型储层特征Fig.7 Typical characteristics of Chang 8 reservoir,eastern Xifeng(A)细粒岩屑砂岩,云母发育顺层缝,孔隙发育较差,西64井,深度1 851.8 m,q=6.1%,K=9.304×10-3 μm2;(B)细粒岩屑长石砂岩,绿泥石环边较发育,原生粒间孔隙保存极好,板16井,深度2 052 m,q=11.9%,K=0.153×10-3 μm2

从总体上看，该阶段由于缩减孔隙的压实-压溶作用和次生矿物的胶结和充填作用同时进行(图8)，也是原始孔隙持续缩减的时期，因而对储层发育不利。

3.3 中成岩阶段

图8 西峰东部地区长8储层成岩序列及孔隙演化模式Fig.8 Diagenetic sequence and pore evolution model of Chang 8 reservoir,eastern Xifeng

a.中成岩阶段A期，是有机质热演化开始进入成熟期和大量产生低碳有机酸的主要时期，这一时期也是微裂缝发育的主要时期，微裂缝与有机质热演化高峰期的耦合有利于有机酸的运移。这些有机酸随烃源岩中的层间水和结构水排出，形成具有很强溶蚀能力的酸性热液，主要对长石碎屑和碳酸盐等易溶组分进行溶蚀[22]，形成大量次生溶孔而有利于储层发育(图8)。伴随长石的溶蚀，长石中的Al元素和硅质进入酸性热液中并与其他物质重新结合，形成热液高岭石和自生石英充填于残余原生粒间孔隙或次生溶孔中(图5-D、F)，它们可使储层孔隙有所缩减；同时随着溶蚀作用的进行有机酸不断消耗，流体pH值逐渐升高。