镇泾地区东北部长812低渗透碎屑岩储层成岩演化及致密化成因

吉园园，高一龙，郑 锟.

(中石化华北油气分公司，甘肃庆阳 745000)

镇泾地区位于甘肃省庆阳—平凉一带，在区域构造上属于鄂尔多斯盆地天环向斜南部，地层向西北平缓倾斜(图1)。东邻伊陕斜坡，南邻渭北隆起，西邻西缘逆冲推覆带[1-3]。红河油田12井区位于镇泾地区的东北部，在历经多阶段开发试验之后，延长组长8油层组共实现探明地质储量3 285.95×104t、含油面积85.61 km2，其中动用面积为39.51 km2，动用地质储量为1 797×104t。前人研究表明，优质储层是影响开发区内油井高产的主要地质因素[4-6]，尤其对于低渗透致密碎屑岩储层而言，由于其成岩作用类型多样、成岩强度较大、成岩过程繁复，因此明确低渗透致密储层特征、准确划分成岩阶段、反演地质历史时期储层成岩作用及物性变化的演化过程极其重要[7-10]。本文以红河12井区为例，综合运用岩心观察、铸体薄片鉴定等手段明确镇泾东北部地区长812低渗透储层特征，进一步结合扫描电镜、阴极发光、岩石热解及黏土矿物X射线衍射分析等测试手段，构建其成岩作用演化及物性变化过程，并对其致密化成因进行了剖析，以期对鄂尔多斯盆地天环凹陷南部镇泾地区延长组重点产油层层系后续优质储层预测及致密油开发选区提供地质依据。

图1 研究区位置及长8段地层柱状图Fig.1 Location of the study area and the columnar view of Chang-8

1 碎屑岩储层特征

通过岩心观察以及普通薄片、铸体薄片、阴极发光的鉴定表明，红河12井区长812砂岩为陆源碎屑岩。岩石类型以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，少部分为长石砂岩(图2)。

图2 岩石类型图Fig.2 Rock types diagram

碎屑颗粒中石英含量在34%～61%范围内，平均为43.3%；可见石英的次生加大现象，部分石英颗粒边缘被自生胶结物交代(图3a)。长石颗粒含量总体较高，在27%～36%范围内，主要以斜长石为主，其次是钾长石，两者的平均含量分别为22%和10%，且多被方解石胶结物交代(图3b)。黑云母含量在2%～14%范围内，顺层分布，定向排列，受压实作用的影响发生弯曲变形(图3c)，少部分发生泥质膨化现象和绿泥石化(图3d)。除此之外，长812砂岩中的重矿物还有锆石、绿帘石和绿泥石，它们的总含量不超过1%。岩屑平均含量为21.5%，主要以火成岩岩屑和变质岩岩屑为主。火成岩岩屑主要以中、酸性火成岩岩屑为主，少部分为基性火成岩岩屑(图3e)。变质岩岩屑主要是变质石英岩、千枚岩，少量板岩(图3f)。研究区长812砂岩孔隙度主要分布于3%～11%的范围内，孔隙度平均值为8.3%；渗透率多小于0.7 mD，渗透率平均值为0.246 mD(图4)。

图3 碎屑颗粒镜下照片Fig.3 Photographs of debris particles under the microscopea.HH8井，2 059.73 m，石英颗粒，CL；b.HH111井，2 036.06 m，斜长石和钾长石，OM；c.HH162井，2 070.20 m，黑云母，OM；d.HH16井，2 114.03 m，黑云母绿泥石化，OM；e.HH162井，2 067.60 m，安山岩(岩浆岩)岩屑，OM； f.HH162井，2 067.60 m，流纹岩、火山燧石(变质岩)岩屑，OM。

图4 研究区长812小层物性分布特征Fig.4 Characteristics of physical distribution of Chang-812 layers in the study area

2 成岩阶段划分标志

研究区长812砂岩的沉积环境为陆相湖泊沉积环境[11-13]，本文利用铸体薄片鉴定、黏土矿物X射线衍射分析、扫描电镜及岩石热解等测试手段，系统地对长812砂岩的成岩阶段进行了划分。

2.1 最大热解峰温(Tmax)特征

岩石热解能够得到众多分析参数，其中最大热解峰温Tmax主要用来判断有机质成熟度，Tmax值随有机质成熟度的增高而增大[10]。有机质成熟度与碎屑岩成岩演化阶段有着必然的联系，从而Tmax值能够反映碎屑岩成岩演化阶段。

对来自HH8、HH12、HH16、HH111、HH14、HH21、HH26、HH44、HH45等井的41块长812油层组泥岩样品进行了岩石热解分析，最大热解峰温(Tmax)分布如图5所示。从图中可以看出，泥岩的最大热解峰温主要分布在445～463 ℃范围内，少部分样品超过470 ℃，平均值为454 ℃。依据上述的碎屑岩成岩阶段划分标志，最大热解峰温(Tmax)处于435～460 ℃范围内时，碎屑岩成岩阶段处于中成岩阶段A期。所以研究区长812砂岩的成岩阶段目前处于中成岩阶段A期。

图5 长812油层组中泥岩的最大热解峰温Fig.5 Maximum pyrolysis peak temperatures of mudstones in Chang-812

2.2 伊/蒙混层中蒙脱石的含量

对来自HH111和HH162井的15块长812砂岩样品进行了黏土矿物X射线衍射分析，发现伊蒙混层中蒙脱石的含量(S%(I/S))分布在20%～25%范围内(图6)，平均值为22.6%。由此可以看出，长812砂岩中蒙脱石的伊利石化程度较高，依据碎屑岩成岩阶段划分标志，伊/蒙混层中蒙脱石的含量(S%(I/S))处于15%～50%范围内时，碎屑岩成岩阶段处于中成岩阶段A期。所以，从此方面又可证明研究区长812砂岩的成岩阶段目前处于中成岩阶段A期。

图6 部分长812砂岩样品的伊/蒙混层中蒙脱石的含量Fig.6 The montmorillonite content in illite/smectite formation of Chang-812 sandstone samples

2.3 自生矿物组合及黏土矿物形态

研究区长812砂岩中的自生矿物组合及黏土矿物形态符合中成岩阶段A期的特征。长812砂岩的胶结作用所包含的自生矿物主要有伊/蒙混层、高岭石、伊利石、绿泥石、石英次生加大、亮晶方解石、浊沸石和硬石膏。

2.3.1 绿泥石

长812砂岩中自生绿泥石的平均含量为2.7%，多数呈孔隙衬里式生长，它在孔隙周围形成10 μm厚的绿泥石被膜，少部分呈孔隙充填式生长。孔隙衬里式绿泥石呈叶片状，晶体结晶好，相互之间呈互锁状。孔隙充填式绿泥石呈玫瑰花状，在粒间其他自生矿物表面结晶，一般相对孤立生长(图7a、7b)。长812砂岩中的绿泥石是直接从孔隙流体中结晶形成的，其从早成岩阶段A期便开始形成。砂岩中含有大量的火成岩岩屑，这为绿泥石的形成提供了重要的物质条件。砂岩进入早成岩阶段后，随着火山物质发生水化作用，逐渐形成了富Fe、Mg的碱性孔隙流体环境[14-16]，在这种环境中，绿泥石逐渐从孔隙流体中沉底析出。

2.3.2 高岭石

长812砂岩中自生高岭石的平均含量为4.8%，以充填粒间孔隙的方式产出。在单偏光下可以看到很好的晶型，晶体呈蠕虫状和书页状集合体的形式，区别于粒间泥质杂基；在阴极发光下，呈靛蓝色，与方解石胶结物呈交互式生长(图7c)。在含油性好的层段，它们普遍被原油浸染。前人研究结果表明，钾长石、钠长石、钙长石受大气淡水淋滤最易形成高岭石[17]，因此从高岭石的形成机理及镜下矿物交切关系判断，研究区长812储层中的自生高岭石形成于绿泥石及长石溶解之后。

图7 研究区长812储层自生矿物显微特征Fig.7 Microscopic characteristics of authigenic minerals in Chang-812 reservoirs of the study areaa.HH12井，2 096.89 m，孔隙衬里式绿泥石，OM；b.HH361井，2 026.79 m，颗粒间及粒表多分布针叶状绿泥石，部分颗粒被绿泥石呈薄膜状包裹，SEM；c.HH31-A井，2 447.30 m，部分颗粒边缘被溶蚀，其间充填自生高岭石等，CL；d.HH111井，2 031.30 m，部分颗粒间充填伊利石，SEM；e.HH111井，2 040.20 m，个别颗粒部分被溶蚀，其间充填伊利石等，SEM；f.HH312井，2 139.78 m，部分颗粒间充填自生石英、丝缕状伊利石及少量伊/蒙混层等，填隙物晶间微孔少量，SEM。

2.3.3 伊利石、蒙脱石及伊/蒙混层

在地层逐渐埋深过程中，当地温上升至70 ℃左右时，蒙脱石开始向伊/蒙混层转化[17-18]。研究区长812储层中伊/蒙混层平均含量为2.3%，呈片丝状和蜂窝状覆盖于碎屑颗粒表面(图7f)。蒙脱石的伊利石化是一个耗钾的过程，受砂岩中钾长石等含钾不稳定矿物的控制，钾长石作为反应物参与此过程。蒙脱石的伊利石化同时是一个低耗能的自发过程，砂岩中有蒙脱石和K+的存在，该过程就会普遍发生[18]。伊/蒙混层从早成岩阶段B期开始形成，其中蒙脱石的平均含量为21.1%，这表明蒙脱石的伊利石化发生较为普遍。

研究区长812碎屑岩储层中伊利石的平均含量为1.2%，多呈片状或丝状分布于砂岩孔隙及颗粒表面(图7d、7e、7f)。伊利石一方面由早期的伊/蒙混层等黏土矿物转化而来，另一方面因富钾流体环境中长石溶解沉淀生成[17]，因此其形成晚于伊/蒙混层，且两者的形成都晚于绿泥石。

3 低渗透碎屑岩储层演化过程

借助矿物形成理论及镜下显微观察矿物交切关系等，结合研究区长812砂岩的埋藏史，恢复了其成岩演化序列及孔隙度的演化史。

3.1 成岩作用演化史

早成岩阶段A期：随着上覆沉积物的增厚，研究区长812砂岩所经受的机械压实作用强度随埋深的增大而增强，岩石密度快速增大，孔隙度迅速降低；火成岩岩屑沿颗粒边缘被溶解，孔隙衬里式绿泥石开始形成，蒙脱石逐渐进入生成高峰；随后，因有机质生成有机酸及CO2的溶解等，地层水介质环境发生改变，长石、岩屑被溶解，自生石英以碎屑颗粒边缘次生加大边形式产出。

早成岩阶段B期：机械压实持续作用于地层，长石颗粒及岩屑颗粒溶解强度增大，石英次生加大、高岭石及绿泥石包壳进入生成高峰期，蒙脱石开始向伊/蒙混层转化。该阶段中后期亮晶方解石以胶结物形式充填于岩石孔隙之中。

中成岩阶段A期：岩石作用持续进行，但强度明显减弱，第一期方解石胶结物在经历生成高峰之后，生成强度随深度增加而减弱；伊利石、孔隙式充填绿泥石、自生石英晶体、硬石膏及浊沸石等开始生成。此外，方解石胶结物在此阶段发生了部分溶蚀(图8)。

3.2 孔隙度演化史

随着各成岩事件的发生，孔隙度也发生明显变化(图8)。长812砂岩原始孔隙度为33.8%，随埋深增大，早成岩A期砂岩密度受压实作用影响而快速降低，54.36%的孔隙因此丧失。但在侏罗纪末期，它因第一期构造裂缝的发育有降低减缓或升高的趋势；从早成岩阶段B期到中成岩阶段A期，因机械压实作用的持续影响和各胶结物的大量形成，尤其是亮晶方解石和高岭石，孔隙度迅速降低到10%左右，损孔率约为41.45%；但在白垩纪末期到古近纪，受区域构造运动影响，二期发育的裂缝对储层质量稍有改善，但因后期裂缝的快速关闭以及胶结物充填，此次建设性增孔作用并不明显，孔隙度先增后减并最终维持在10%以下。

图8 长812砂岩储层演化综合图Fig.8 Comprehensive map of Chang-812sandstone reservoir evolution

由图8中孔隙体积百分比的变化可知，研究区长812砂岩中颗粒占比约为65%，原始孔隙及流体占比约为35%，孔隙体积随成岩作用的进行而发生改变。储层致密化演进过程中，对岩石减孔贡献最大的为压实作用，约55%的原生孔隙受其影响而减损。其次为胶结作用，其中方解石胶结、自生高岭石胶结作用的减孔效果最为显著，致使约40%的原生孔隙因此而丧失；其他类型的胶结物对碎屑岩储集空间的破坏强度较小。溶解作用所产生的次生溶蚀孔隙及构造裂缝的出现对储层的孔隙度起着建设性作用，增孔率约为4.13%，在一定程度上改善了储层物性。

4 结论

长812作为镇泾地区东北部延长组最为重要的产油层系，其岩性以中—细粒岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，且低渗透致密砂岩储层特征明显，砂岩平均孔隙度为7.2%，平均渗透率为0.246 mD。研究区长812砂岩目前处于中成岩阶段A期，砂岩孔隙度随成岩事件的相继发生总体上呈逐渐降低的趋势，最后稳定在10%以下；但在侏罗纪末期、白垩纪末期—古近纪，由于两期构造裂缝的发育，孔隙度有所升高。成岩作用控制了致密砂岩储层的物性演化，其中破坏性成岩作用控制了相对致密储层的发育及分布：机械压实作用对原生孔隙的破坏程度最大，平均损孔率高达54.36%；胶结作用对储层致密化的贡献次之，平均损孔率约为41.45%；溶蚀作用就裂缝的发育虽对储层质量有所改善，但效果甚微，平均增孔率仅为4.13%。