文昌X油田珠海组低渗储层成岩作用与孔隙演化

杨丽，彭志春，刘薇，覃利娟，张翥

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 570311）

0 引言

文昌X油田是南海西部海域近几年新发现的低渗油田，该区域石油地质条件优越、生储盖组合发育，具有很高的含油气潜力。目的层珠海组二段（ZH2）厚层砂岩分布稳定，但是沉积微相变化快、沉积构造丰富，储层岩性变化大、局部胶结致密、非均质性较强、成岩现象丰富、受成岩作用改造明显。碎屑岩储层的成岩作用及演化特征与勘探开发紧密相关，近几年在石油地质研究领域受到广泛关注［1-5］。成岩作用及演化特征是储层形成和发育过程中主要的控制因素，直接影响孔隙的演化趋势［6］。研究区低渗储层物性展布规律不仅受沉积因素的影响，还主要受后期成岩改造作用的控制。相比常规储层，低渗储层经历了更为复杂的埋藏史，成岩改造作用强烈，孔喉系统复杂多变，储集性能差，增储上产难［7-8］。低渗储层物性演化过程及成因异常复杂，储层成岩作用及其对孔隙演化的定量研究显得尤为重要。

本文基于铸体薄片镜下分析、扫描电镜、碳氧同位素及常规物性分析等实验数据，系统研究了文昌X油田珠海组二段低渗储层的岩石学特征、成岩作用特征及孔隙类型等，并在此基础上建立了基于成岩序列约束下的孔隙演化定量分析方法，以期为低渗储层的有利区预测提供理论依据。

1 区域地质概况

文昌A凹陷是珠江口盆地天然气勘探的主要区域［9］，是南海北部珠江口盆地珠三坳陷的二级构造单元，东邻神狐隆起，西南与文昌B，C凹陷相接，北邻阳江低凸起［10］。文昌A凹陷为典型的“南断北超”“下断上拗”箕状凹陷，整体呈北东向展布。文昌X油田位于文昌A凹陷六号断裂带与珠三南断裂带之间的断阶转换带，为断块/断鼻圈闭，处于鼻状隆起高部位。文昌X油田主要目的层为珠海组二段、三段（ZH3）及恩平组一段、二段，本次研究目的层为珠海组二段。珠海组为海湾背景受潮汐影响的滨海—浅海相沉积，其沉积物主要来自东南部神狐隆起。由于相对海平面发生频繁变化及间歇构造运动，该区域经历了较复杂的沉积演化，自下而上发育受潮汐影响的滨海潮坪沉积、滨海—浅海内陆架沉积及三角洲沉积，总体为海侵沉积层序。珠海组二段主要为扇三角洲前缘—潮坪沉积。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

根据研究区6口井252颗井壁取心资料，对珠海组二段开展岩石学特征研究。珠海组二段储层整体以灰色、褐灰色粗砂岩和中粗砂岩为主，局部含砾。碎屑成分以岩屑（质量分数为8.5%～59.5%，平均为31.4%）为主，主要为多晶石英；其次为石英（质量分数为8.0%～69.0%，平均为28.0%），长石相对较少 （质量分数为5.0%～25.0%，平均为13.3%）。岩石类型主要为长石质岩屑砂岩，其次为长石岩屑质石英砂岩（见图1）。陆屑成熟度指数分布在0.1～4.5，平均为0.9，总体上成分成熟度较低。泥质杂基质量分数较低，平均为2.7%。储层分选性中—差及中等，颗粒支撑，磨圆度为次棱—次圆，颗粒间呈点—线接触，结构成熟度中等。

综上所述，文昌X油田珠海组二段储层在物源供给充足的沉积环境中，砂体厚度大、粒度中—粗，石英、长石等刚性颗粒质量分数高，泥质杂基质量分数低，储层成分成熟度低、结构成熟度中等。

2.2 孔隙类型

碎屑岩孔隙按照成因可划分为原生孔隙和次生孔隙［11］。通过显微镜下观察铸体薄片可以发现，文昌X油田珠海组二段储层孔隙类型包括原生粒间孔、粒内溶孔、长石溶孔、粒间溶孔、铸模孔、岩屑溶孔、高岭石晶间孔、胶结物溶孔和生物体腔孔。由孔隙定量分析结果可知：珠海组二段孔隙类型以长石粒内溶孔和铸模孔为主，平均质量分数分别为32.0%，28.8%；其次为原生粒间孔，平均质量分数为17.1%；偶见生物体腔孔、胶结物溶孔。整体上以次生孔隙为主，原生孔隙为辅，平均面孔率为12.6%。主力油组ZH2Ⅰ油组的含砾粗砂岩及粗砂岩孔隙发育好，以粒间孔、铸模孔为主，发育少量超大溶孔，含小型溶洞（见图2）。

2.3 物性特征

对研究区储层实测常规物性统计可知：珠海组二段孔隙度主要分布在12%～18%，平均为14%，孔隙度中值为 15.2%；渗透率分布在2×10-3～32×10-3μm2，平均为 75.4×10-3μm2，渗透率中值为 10.8×10-3μm2，属于中孔低渗储层（见图3）。根据研究区储层测井物性统计结果可知，主力油组ZH2Ⅰ油组各井孔隙度平均值在11.2%～18.0%，渗透率平均值在 1.3×10-3～262.2×10-3μm2。靠近南大断裂的储层埋深较浅、物性最好；而在水道侧缘区的砂岩厚度薄、岩性较细、物性较差。

3 成岩作用特征与成岩阶段

研究区成岩现象丰富，包括压实作用、胶结作用及溶蚀作用等，其中压实作用主要为机械压实作用，胶结作用主要为碳酸盐胶结。储层的物性特征就是这些成岩作用共同改造的结果。

3.1 压实作用

压实作用存在于埋藏成岩阶段的整个过程［12］，是研究区最主要的成岩作用，对储层来说，是一种破坏性成岩作用［13］。显微镜下可观察到：泥质条带、云母等软塑性颗粒被压弯变形；细砂、极细砂岩的碎屑颗粒受压呈定向排列；颗粒接触关系由点—线接触、线接触，甚至凹凸接触；岩屑被压变形，呈假杂基化等（见图4）。

压实损失的孔隙度和压实率可以对压实强度进行定量评价。根据文昌X油田11口井珠海组和恩平组297块样品铸体薄片的鉴定结果可知：珠海组二段整体埋深较浅，压实后损失的孔隙度在11.2%～23.4%，压实率在29.8%～62.8%，平均为49.2%，属于弱压实—中等压实成岩相；压实作用的影响因素主要为埋深，随着埋深增加，上覆地层压力增大，压实作用增强，压实率和埋深呈明显正相关关系。此外，沉积物粒度和分选性对砂岩抗压实作用有重要影响。粗砂岩、含砾粗砂岩抗压能力强，颗粒呈点接触、点—线接触；而细砂岩、粉细砂岩抗压能力较弱，受压后颗粒呈定向排列，颗粒呈线接触，石英颗粒甚至被压裂。例如：在埋深2800～3 200m（大体为珠海组二段），粗砂岩（包括含砾粗砂岩、含砾中粗砂岩、粗砂岩、中粗砂岩）的压实率在25.0%～77.6%，平均为52.9%；而细砂岩的压实率在27.6%～85.0%，平均为65.4%。

3.2 胶结作用

研究区胶结现象较为普遍，主要胶结作用有碳酸盐胶结、硅质胶结及自生黏土矿物胶结。总体上，胶结物质量分数在0.5%～19.0%，胶结率在4.6%～42.1%，平均为27.8%，主要为弱胶结。

3.2.1 碳酸盐胶结

研究区碳酸盐胶结物包括白云石、方解石、铁白云石、铁方解石和菱铁矿，其中最普遍的是铁白云石，粉晶、细晶、中晶均有分布。铁白云石平均质量分数为2%～4%，部分井区高达5%～7%。

作为晚期碳酸盐胶结物，既有自形晶，也有半自形晶。结晶较好的铁白云石解理清晰、闪突起显著；结晶较差的铁白云石，呈微晶集合体存在，解理不发育（见图4a）。研究区的方解石和铁方解石具有整体质量分数较低、局部富集的特征，个别样品铁方解石质量分数高达30%，几乎占据了所有孔隙空间，使得储层变成钙质夹层，成为非有效储层（见图4b，4c）。菱铁矿胶结物主要形成于碱性还原环境，大多数晶型较完整，呈团块状集合体产出，或者呈颗粒包壳出现。铸体薄片显微镜下可见研究区泥质杂基普遍菱铁矿化，尤其是细砂岩或者泥质杂基质量分数较高的粗砂岩，菱铁矿质量分数较高（见图4d）。

3.2.2 硅质胶结

硅质胶结在研究区发育较为普遍，胶结方式包括次生加大式胶结和孔隙充填式胶结，其中以次生加大式胶结最为常见。铸体薄片显微镜下可见与原石英光性一致的加大边及原石英颗粒边缘的尘线（见图4e）。孔隙充填式胶结一般表现为单个自形石英晶体产出，充填孔隙空间，在扫描电镜下显示自形程度较高。根据薄片观察，石英次生加大发育区常伴随着强烈的长石溶蚀，且周边产出大量蠕虫状高岭石。据此推测，研究区石英次生加大主要来源为长石的转化。

3.2.3 自生黏土矿物胶结

研究区黏土矿物包括伊利石、高岭石、伊/蒙混层和绿泥石。根据黏土矿物X衍射实验数据可知：黏土矿物质量分数较低，伊/蒙混层为15.7%，高岭石为5.3%，绿泥石为2.7%；目的层以伊利石为主，质量分数在56.0%～91.0%，平均为76.5%。扫描电镜下可见：伊利石呈粒表膜状包裹颗粒表面，或呈丝片状、发丝状充填孔隙空间（见图4g）；高岭石晶形较好，常呈书页状或蠕虫状集合体产出，充填粒间孔隙（见图4h）；伊/蒙混层多以孔隙充填式胶结出现，呈蜂窝状（见图4i）。随着埋深的增加，蒙皂石经伊/蒙混层转化为伊利石，伊/蒙混层质量分数降低，伊利石质量分数则相应不断增加，因此在现今深度下未见蒙皂石。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用对储层物性可以起改善作用［14］。研究区低渗储层的溶蚀作用以长石、岩屑等易溶颗粒的酸性溶蚀为主。长石种类繁多、性质各异，其溶蚀性能也不尽相同。相比钠长石和钙长石，钾长石更容易发生溶蚀。文昌X油田长石类型以钾长石为主，尤其是粗砂岩中钾长石单井平均质量分数在6.0%～14.2%，多井为11.2%；斜长石单井平均质量分数在0.9%～4.0%，多井为1.9%。而细砂岩中钾长石单井平均质量分数在6.4%～12.7%，多井为9.3%；斜长石单井平均质量分数在1.0%～7.3%，多井为3.9%。相比较而言，粗砂岩中钾长石质量分数更高，溶解现象最为普遍。长石的解理和双晶发育，孔隙水可沿解理和双晶缝进行溶蚀形成粒内溶孔，显微镜下可见蜂窝状和窗格状，溶蚀强烈时长石颗粒仅剩残骸，甚至完全溶解，生成的铸模孔呈孤立状分布，孔隙连通性差［15］。整体上，研究区珠海组二段溶蚀作用强烈，常伴有大量蠕虫状、书页状高岭石生成及石英次生加大。

3.4 成岩阶段划分

文昌X油田9口井的镜质组反射率（Ro）、孢粉颜色、古温度、热变指数和最大热解温度等实验分析结果表明：珠海组二段储层埋深在 2 800～3 500 m，Ro在0.71～0.85，平均为0.80；孢粉颜色为深黄色—桔黄色；热变指数为2.62～3.08，平均为2.89；伊/蒙混层质量分数比介于15%～20%；最大热解温度随着埋深的增加逐渐升高，珠海组二段最大热解温度在424～449℃，平均为439℃。文昌X油田的成岩作用特征中有少数石英具加大边结构，扫描电镜下粒间充填自生石英晶体；岩石结构为固结，颗粒间以点—线接触及线接触为主；颗粒间的伊利石多数呈丝絮状，高岭石呈书页状；胶结物以铁白云石为主，其次为铁方解石和菱铁矿；胶结物呈泥粉晶、细晶—中晶结构；大部分井区孔隙类型以粒间孔、长石溶孔、铸模孔为主，部分为粒间溶孔，裂缝发育很少。综合以上各项资料，根据SY/T 5477—2003《碎屑岩成岩阶段划分》［16］，判断研究区珠海组二段成岩阶段在中成岩A2期。

4 成岩序列与孔隙演化定量分析

根据自生矿物的形态、溶解充填关系、交代切割关系以及电子探针、碳氧同位素分析等，确定了研究区的成岩演化与成岩序列。研究区铁方解石和方解石形成大体上可分为早期碳酸盐胶结和中晚期碳酸盐胶结。显微镜下可见：早期白云石、方解石一般呈他形粒状产出，呈粗晶、较粗晶状充填粒间孔隙，或呈连晶状充填孔隙，碎屑颗粒呈漂浮状分布于晶内。方解石化学成分较为简单，主要成分为CaCO3；中晚期为含铁方解石、铁方解石、含铁白云石和铁白云石，以中细晶、他形粒状充填在颗粒间或溶蚀孔内，说明其形成时期在溶蚀作用之后。化学成分亦与早期方解石有所不同，常含Fe2+。碳酸盐胶结物形成时的环境和温度可由其碳氧同位素（δ13C和δ18O）组成特征来反映。根据文昌X油田珠海组砂岩碳酸盐胶结物的碳氧同位素分析结果及经验公式，得到碳酸盐胶结物形成时的古温度。

早期方解石的δ13C值为-20.90‰，δ18O值为-7.59‰，形成时的古温度平均为55.93℃，其形成时间对应于早成岩A期。中期铁方解石、铁白云石的δ13C值在-12.95‰～-2.49‰，平均为-7.63‰，δ18O 值在-12.11‰～-10.68‰，平均为-11.69‰，形成时的古温度平均为81.76℃，其形成时间对应于早成岩B期。晚期铁方解石、铁白云石的 δ13C值在-11.60‰～-1.12‰，平均为-6.98‰，δ18O 值在-16.80‰～-12.17‰，平均为-13.46‰，形成时的古温度平均为94.04℃，其形成时间对应于中成岩A期。显微镜下可见长石、岩屑等塑性颗粒溶蚀被方解石充填，说明第1期溶蚀作用发生在早期碳酸盐胶结物（即方解石、白云石）形成之前。镜下可见早期碳酸盐胶结物溶蚀，但溶蚀现象不普遍，说明第2期溶蚀作用发生在早期碳酸盐胶结物形成之后。长石等易溶矿物溶蚀强烈时，常伴随高岭石生成及石英次生加大，可认为长石溶蚀、石英次生加大和自生高岭石生成为同期发生的成岩作用。此外，晚期碳酸盐胶结物铁白云石及铁方解石充填长石溶孔，表明第2期溶蚀作用早于晚期碳酸盐胶结作用。

根据以上自生矿物的类型、产状、相互关系及分布特征，结合盆地热演化史和埋藏史，建立了研究区成岩演化顺序：自生海绿石—溶蚀作用+石英次生加大+机械压实作用—早期方解石+白云石+菱铁矿+机械压实作用—溶蚀作用+自生高岭石+石英次生加大+机械压实作用—中晚期铁方解石胶结+铁白云石+菱铁矿+黄铁矿+机械压实作用。具体的成岩序列及孔隙演化特征见图 5（图中 ZH1，ZJ2，ZJ1下，ZJ1上，HJ，YH，WS—QH分别为珠海组一段、珠江组二段、珠江组一段下、珠江组一段上、韩江组、粤海组、万山组—琼海组）。

同生期距今约25.3～22.0 Ma，成岩变化是颗粒边缘黏土膜的形成，主要成分为蒙皂石。另外，自生海绿石沉积较早，发生在海解作用中，对孔隙度不产生影响，此时孔隙度为原始孔隙度38%。早成岩A期距今22.0～19.5 Ma，此时埋深小于1 250 m，Ro小于0.35%；早期孔隙流体是从物源带入的具有淡水性质的流体，在早期成岩过程中，长石、岩屑等不稳定矿物发生溶蚀，但由于早期流体交换快，基本上无高岭石生成，与此同时硅质不断析出，形成第1期石英次生加大；机械压实作用不断增加，储层实际孔隙度为29.4%。早成岩B 期距今 19.5～15.0 Ma，此时的埋深在 1 250～2 300 m，Ro在0.35%～0.50%；弱酸性环境下溶蚀作用不断进行，随着H+逐渐消耗，成岩流体逐渐偏碱性，从而形成早期白云石、方解石、菱铁矿等碳酸盐胶结物，充填孔隙空间，储层实际孔隙度为18.1%。中成岩A1期距今15.0～4.0 Ma，快速埋藏导致原油大量充注，烃类注入可导致成岩环境变为酸性环境，此时埋深在2 300～3 000 m，Ro在0.50%～0.70%；酸性环境使得不稳定矿物发生第2期溶蚀，此时的胶结物主要为石英次生加大和高岭石，储层实际孔隙度为25.4%。中成岩A2期距今4.0 Ma，埋深在 3 000～3 400 m，Ro大于 0.70%；溶蚀之后，随着H+消耗，恢复至碱性成岩环境，是形成铁方解石、铁白云石、菱铁矿等各种碳酸盐胶结物的原因，储层实际孔隙度为14.0%。

5 结论

1）研究区珠海组二段孔隙度平均为14.9%，渗透率平均为75.4×10-3μm2，属于中孔低渗储层。珠海组二段成岩现象丰富，成岩作用对物性影响明显，埋深与岩性是影响压实作用的主要因素。胶结物以碳酸盐胶结为主，其次是硅质胶结。溶蚀作用以长石等不稳定矿物溶蚀为主。整体上属于弱压实—中等压实成岩相，成岩阶段处于中成岩A2期。

2）早成岩A期不稳定矿物发生溶蚀，导致硅质溶出，形成第1期石英次生加大，机械压实作用不断增加，储层实际孔隙度从原始孔隙度38.0%降低为29.4%。早成岩B期早期碳酸盐胶结物形成，破坏早期形成的溶蚀孔隙，储层实际孔隙度为18.1%。中成岩A1期不稳定矿物发生第2期溶蚀，并伴有石英次生加大和高岭石生成，储层实际孔隙度为25.4%。中成岩A2期晚期碳酸盐胶结物形成，储层实际孔隙度急剧下降，此时储层实际孔隙度为14.0%。