儲層巖石學(xué)特征對成巖作用及孔隙發(fā)育的影響——以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長組為例

鐘大康，周立建，孫海濤，姚涇利，馬石玉，祝海華

(1.中國石油大學(xué)，北京102249;2.中國石油 長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018;3.中國石油 勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065000)

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)構(gòu)造上位于伊陜斜坡的西南角、天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶的南端，南部為渭北隆起，面積約50 000 km2(圖1)。該地區(qū)自20世紀(jì)70年代以來在三疊系延長組相繼發(fā)現(xiàn)了華池、南梁油田、西峰、華慶等油田。目前該地區(qū)石油探明儲量達(dá)5×108t，三級儲量達(dá)15×108t。前人對該地區(qū)延長組儲層成巖作用與物性特征作過許多有益的研究，得出了諸多深刻的認(rèn)識，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為延長組屬于低孔、低滲儲層，成巖作用是造成低孔、低滲的主要原因。如朱國華等人認(rèn)為石英的壓溶和次生加大以及鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)是造成該地區(qū)延長組儲層低孔、低滲的重要原因［1－2］;謝慶邦等人也認(rèn)為成巖作用是形成低滲砂體和次生孔隙的主要原因［3－4］，但對各種成巖作用是如何引起低孔、低滲討論較少。對延長組低孔、低滲儲層成巖作用的大規(guī)模系統(tǒng)研究是在2000 年以后，在近十來年發(fā)表了許多文章［5－15］，如羅靜蘭等人2001年認(rèn)為壓實(shí)作用是造成隴東地區(qū)延長組砂巖低孔、低滲的主要因素，大約損失孔隙度17%，其次是膠結(jié)作用，損失7%［5］。牟澤輝(2001)通過對該區(qū)各種成巖作用研究后提出了持續(xù)埋藏型成巖系統(tǒng)和中間開啟型成巖系統(tǒng)［6］。史基安等人(2003)認(rèn)為粒度細(xì)、成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低是造成該地區(qū)砂巖低孔、低滲的主要因素［7］;黃思靜等(2003，2004)認(rèn)為延長組砂巖次生孔隙與大氣淡水溶蝕有關(guān)［8－9］;羅靜蘭等人(2006)提出壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是破壞孔隙的主要原因［10］;鄭榮才等人(2007)對白豹地區(qū)延長組六段(長6段)研究后認(rèn)為壓實(shí)與壓溶及膠結(jié)作用是造成孔隙破壞的主要因素，早期綠泥石和白云石環(huán)邊膠結(jié)以及溶蝕和破裂作用是形成優(yōu)質(zhì)儲層的重要因素［11］，類似的文獻(xiàn)還有很多［12－23］，在此不一一贅述。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Sketch map showing location of the study area

上述眾多文獻(xiàn)基本上都集中在對成巖作用本身的研究，討論各種成巖作用的基本特征(如壓實(shí)作用強(qiáng)弱、膠結(jié)作用類型及各種類型的膠結(jié)程度、溶蝕類型與溶蝕程度)、各種成巖作用對孔隙演化和儲層物性的影響。然而，各種成巖作用受什么因素控制，如壓實(shí)作用為什么強(qiáng)、為什么弱?不同地區(qū)不同層段其膠結(jié)與溶蝕作用為何存在差異等?即各種成巖作用控制因素討論較少，僅見為數(shù)不多的幾篇文獻(xiàn)［20］。文中主要從延長組儲層巖石學(xué)特征出發(fā)討論巖石學(xué)特征對砂巖成巖作用的影響，重點(diǎn)討論成分(如巖屑性質(zhì)與類型、云母類礦物)和粒度對砂巖的壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕和交代等作用的影響，通過這一研究以達(dá)到對該地區(qū)儲層物性控制因素及低孔、低滲成因有更深入、更進(jìn)一步的了解。

1 巖石學(xué)特征

通過對隴東地區(qū)延長組崆峒山、策底坡、汭水河等7條野外露頭剖面及634口取心井800多塊巖石薄片觀察，結(jié)合前人7 700余塊巖石薄片鑒定報(bào)告數(shù)據(jù)認(rèn)為，延長組砂巖主要為中－細(xì)粒巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖及長石砂巖，顆粒分選中等—好，磨圓度為次棱角狀，雜基含量為3%～9%。根據(jù)對巖石成巖作用及物性特征研究發(fā)現(xiàn)，在這些巖石學(xué)特征參數(shù)中巖石的顆粒成分及粒度對儲層孔隙發(fā)育程度與物性影響最大，而分選和磨圓影響較小。以下重點(diǎn)介紹該地區(qū)的巖屑成分及粒度特征。

表1 隴東地區(qū)巖屑分類Table 1 Rock debris classification in Longdong area

薄片鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，該地區(qū)巖屑含量為10% ～50%，平均為24.37%，巖屑成分復(fù)雜，既有巖漿巖巖屑如花崗巖、玄武巖和安山巖，也有變質(zhì)巖巖屑如板巖、千枚巖、片巖及石英巖，還有沉積巖如泥巖、白云巖、灰?guī)r及燧石，但總體上以白云巖及火山巖巖屑為主。其中長8段—長10段以火山巖巖屑占主導(dǎo)，占總巖屑含量的30% ～50%，長7段—長1段以白云巖巖屑為主，占總巖屑含量的30% ～65%。

根據(jù)對成巖作用及孔隙演化的影響不同，將這些巖屑分為剛性和塑性兩大類，前者具有很強(qiáng)的抗壓性，后者的抗壓性較差。前者根據(jù)其可溶性又細(xì)分為易溶及難溶兩類。后者根據(jù)其在壓實(shí)過程中是發(fā)生形態(tài)上的物理變化還是發(fā)生成分上的化學(xué)變化，又可細(xì)分為易變形及易蝕變兩類(表1)，這些巖屑對成巖作用有不同的影響。

2 塑性巖屑對壓實(shí)作用的影響

根據(jù)對大量巖石孔隙鑄體薄片的觀察發(fā)現(xiàn)，凡是在存在泥巖、板巖及千枚巖等塑性巖屑的地方孔隙均不發(fā)育，這些塑性巖屑由于壓實(shí)作用均被擠入粒間孔隙中形成假雜基，堵塞孔隙(圖2)。如華33井1 493.5 m的長1段，千枚巖巖屑壓實(shí)變形后擠入了鄰近石英顆粒的粒間孔中形成了假雜基，幾乎把所有的粒間孔損失掉了，類似的情況在白102井1 874.2 m的長3段也常見(圖2a—d)。而在缺乏上述塑性巖屑即石英和長石相對集中的地方，原生孔隙保存都較好，如鎮(zhèn)74井2 265.13 m，石英顆粒相對豐富，在石英顆粒之間原生孔隙保存很好，即使是受到上覆地層的負(fù)荷壓實(shí)，粒間孔仍能很好保存，在同一塊薄片下甚至同一塊薄片的同一個(gè)視域都可以看到這種情況(圖2e—f)。另外，從這些巖屑與砂巖物性的定量相關(guān)分析中也可以看到，隨著上述塑性巖屑含量增高，砂巖孔隙度逐漸降低(圖3)。

研究區(qū)塑性巖屑在不同層段和同一層段的不同地區(qū)發(fā)育不同?？v向上，以長6段—長9段塑性巖屑較豐富，其中長28小層的塑性巖屑含量高達(dá)23.8%(表2);平面上，塑性巖屑主要分布于研究區(qū)中部的慶城－慶陽、北部耿灣－環(huán)縣以及南部的寧縣－正寧地區(qū)，其含量約為16%，西南部鎮(zhèn)原地區(qū)塑性巖屑含量略低，南部涇川地區(qū)資料較少，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果可靠性較低(表3)。

3 碳酸鹽巖及火山巖巖屑對溶蝕作用的影響

研究區(qū)除了發(fā)育上述抗壓性較差的泥巖、板巖和千枚巖巖屑之外，還發(fā)育較多的剛性碳酸鹽巖屑及火山巖巖屑。在碳酸鹽巖屑中主要以白云巖巖屑為主。本次研究統(tǒng)計(jì)了8 420個(gè)薄片資料，有4 800個(gè)薄片中見白云巖巖屑，其含量為3%～25%，大多為7%左右，最高可達(dá)50%;灰?guī)r巖屑含量稍低，含量大多為3% ～8%，分布也不如白云巖巖屑普遍，8 420個(gè)薄片中僅1 510個(gè)薄片中見灰?guī)r巖屑，從層段上碳酸鹽巖屑集中出現(xiàn)在長1段—長7段。而火山巖巖屑比碳酸鹽巖屑更普遍發(fā)育，8 420個(gè)樣品中有7 620個(gè)薄片中見火山巖巖屑，幾乎每個(gè)薄片中均在一定程度上可見火山巖巖屑，但其含量比碳酸鹽巖屑少很多，大多為3% ～5%，平均為3.9%，最高層段僅為20%，主要為安山巖、玄武巖巖屑，火山巖巖屑，集中出現(xiàn)的層段主要是長8段—長10段。

這些碳酸鹽及火山巖巖屑的存在對巖石的溶蝕性有很大影響，增大了巖石的可溶性，薄片下可見到凡是存在碳酸鹽巖屑和火山巖巖屑的地方均存在一定程度的溶蝕。碳酸鹽巖屑的溶蝕主要是沿巖屑周圍發(fā)生形成粒緣溶孔(圖4a—b)，而火山巖巖屑的溶蝕多半是發(fā)生在巖屑內(nèi)部，有火山巖巖屑內(nèi)的長石晶體溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔，鏡下可

見到安山巖和玄武巖巖屑的粒內(nèi)溶孔(圖4c—d)。另外，碳酸鹽巖屑的存在對石英顆粒有明顯的溶蝕交代現(xiàn)象，在薄片下可以見到碳酸鹽巖屑對石英進(jìn)行溶蝕交代，出現(xiàn)碳酸鹽巖巖屑蠶食石英顆粒(圖4a)，從而減小了巖石的抗壓強(qiáng)度。

圖2 隴東地區(qū)延長組塑性巖屑對壓實(shí)作用及原生孔隙保存的影響Fig.2 Influence of plastic debris on compaction and preservation of primary pore in the Yanchang Formation of Longdong area

圖3 隴東地區(qū)長18段塑性巖屑含量與滲透率關(guān)系Fig.3 Relations of plastic debris content and permeability of Chang-8 member in Longdong area

表2 隴東地區(qū)延長組塑性巖屑及云母含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of plastic debris and mica content of Yanchang Formation in Longdong area

表3 隴東地區(qū)不同地區(qū)儲層塑性巖屑平均含量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of plastic debris content of reservoirs of different regions in Longdong area

圖4 隴東地區(qū)延長組碳酸鹽及火山巖巖屑的溶蝕交代現(xiàn)象Fig.4 Dissolution and replacement of carbonate debris and volcanic debris in the Yanchang Formation of Longdong area

4 云母類礦物對石英穩(wěn)定性及自生粘土膠結(jié)的影響

除了巖屑對巖石壓實(shí)與溶蝕交代影響外，云母類礦物對巖石壓實(shí)和壓溶及溶蝕交代與自生粘土膠結(jié)也有重要影響。

從大量薄片觀察發(fā)現(xiàn)，凡是存在云母的地方都可以看到石英與云母的交生現(xiàn)象及石英顆粒之間的壓溶鑲嵌現(xiàn)象，這說明由于云母的存在造成了石英顆粒的不穩(wěn)定。一方面發(fā)生了云母對石英的溶蝕交代，另一方面在石英與石英接觸的地方，石英的抗壓性大大降低。這可能是由于云母屬于含鉀類鋁硅酸鹽礦物，白云母化學(xué)成分為 KAl2［AlSi3O10］(HO)2，黑云母為K(Mg，F(xiàn)e)3［AlSi3O10］(HO，F(xiàn))2，在地下水作用下云母水化析出鉀離子進(jìn)入水溶液中，在云母與石英顆粒接觸的局部環(huán)境出現(xiàn)偏堿性，導(dǎo)致石英的不穩(wěn)定而發(fā)生溶解，加之上覆地層負(fù)荷作用使之出現(xiàn)石英的壓溶(圖5a—d)。

圖5 隴東地區(qū)延長組云母類礦物蝕變與石英壓溶及綠泥石、高嶺石與含鐵礦物膠結(jié)的關(guān)系Fig.5 Relations of mica alteration to quartz pressure solution and cementation of chlorite，kaolinite and iron-bearing minerals in the Yanchang Formation of Longdong area

在薄片下面還可以看到另外一種有趣的現(xiàn)象就是在云母發(fā)生蝕變和云母對石英進(jìn)行交代的地方，其附近常常綠泥石膜膠結(jié)和高嶺石膠結(jié)及含鐵類礦物也很發(fā)育(圖 5b—f)，如元 191井2 239.05 m的長8段，云母蝕變后在旁邊石英顆粒周圍形成了明顯的綠泥石膜膠結(jié)，同時(shí)阻止了石英的進(jìn)一步次生加大。在演17井2 815.5 m的長8段，云母蝕變后在附近石英顆粒之間的粒間孔中形成了許多自生高嶺石膠結(jié)，這種情況在鎮(zhèn)71井的長3段也存在。在云母發(fā)生蝕變的地方含鐵類暗色礦物也較發(fā)育，如莊 23井長7段的1 896.55 m深度處，元191井長8段的2 239.05 m的深度處。根據(jù)有關(guān)礦物學(xué)理論，綠泥石和暗色含鐵類礦物如褐鐵礦與鈦鐵礦主要來自黑云母的蝕變，因?yàn)楹谠颇负F和鎂，為綠泥石和含鐵礦物的形成提供了其所需要的化學(xué)成分。而高嶺石的形成主要來自白云母蝕變，白云母加水情況下首先析出鉀蝕變?yōu)樗颇?，水云母再脫鉀蝕變?yōu)楦邘X石。云母類礦物蝕變形成的綠泥石膠結(jié)主要降低巖石的滲透率(圖6)，對孔隙度影響不大，而高嶺石和含鐵類礦物主要降低巖石的孔隙度。

薄片觀察統(tǒng)計(jì)表明，隴東地區(qū)三疊系延長組砂巖中白云母和黑云母的總含量為3% ～12%，最高可達(dá)17%，平均為6.3%，不同的層段含量存在一些差異，各層段云母總平均含量分別為4.6%(長2段)、5.8%(長3段)、6%(長4+5段)、7.5%(長6段)、6.6%%(長7段)、6%(長8段)和 5.1%(長9段)，在層段上可以看出長6段、長7段、長8段3個(gè)層段云母含量較高。在平面上各層段基本上都是在研究區(qū)的東北部的華池白豹地區(qū)較多。由于上述的云母對石英穩(wěn)定性及粘土膠結(jié)的影響可知，云母含量越高，物性越差，對于油氣充注越不利，因此儲層含油性差。平面上，華池東部、合水－塔兒灣，以及東南部的寧縣－正寧、涇川一帶云母含量較高，含油性較差。

圖6 隴東地區(qū)延長組儲層云母含量與滲透率關(guān)系Fig.6 Relations of mica content to permeability in the Yanchang Formation of Longdong area

5 粒度對砂巖壓實(shí)作用的影響

除了巖石成分對成巖作用有重要影響外，研究區(qū)巖石學(xué)特征對成巖作用影響的另一個(gè)方面是粒度對壓實(shí)作用的影響。

從大量鑄體薄片的觀察可以發(fā)現(xiàn)粒度粗的砂巖，在埋藏過程中由于壓實(shí)作用其粒間孔隙損失相對較少，而粒度細(xì)的砂巖如粉砂巖，其在埋藏過程中由于壓實(shí)作用，顆粒間保存的孔隙較少。研究區(qū)長8段與長9段的粒度較粗，主要為中細(xì)砂巖，部分達(dá)粗砂巖，其抗壓性較好，壓實(shí)作用較弱，粒間孔隙較發(fā)育。而長6段與長7段較細(xì)，主要為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，抗壓性較差，壓實(shí)作用較強(qiáng)，粒間孔隙保存較少(圖7)。從不同粒徑砂巖孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論(圖8)。中－細(xì)砂巖平均孔隙度可達(dá)11% ～12%，而粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖的孔隙度往往都低于10%，滲透率具有類似的特征，前者滲透率大多大于1 ×10－3μm2，而后者多小于1 ×10－3μm2。

6 結(jié)論

大量巖石薄片研究初步表明，鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組砂巖巖石學(xué)特征對其成巖作用有重要控制，尤其是巖石顆粒的成分與粒度。具體表現(xiàn)為:

1)泥巖、板巖與千枚巖等塑性巖屑大大的影響巖石壓實(shí)作用，這些巖屑的存在降低巖石的抗壓強(qiáng)度，其埋藏過程中擠入孔隙形成假雜基降低巖石的孔隙度;白云巖、灰?guī)r及玄武巖安山巖等巖屑增強(qiáng)了巖石的可溶性，形成大量粒緣溶孔和粒內(nèi)溶孔。

2)云母在孔隙水的參與下水化析出鉀離子造成堿性環(huán)境，降低了石英的穩(wěn)定性，對石英進(jìn)行溶蝕交代，造成石英的壓溶與縫合鑲嵌，同時(shí)析出的硅鋁鐵在石英與長石顆粒周圍形成綠泥石膜膠結(jié)，在粒間孔隙中形成高嶺石與含鐵類礦物膠結(jié)，降低孔隙度和滲透率。

圖7 隴東地區(qū)延長組粒度對壓實(shí)作用及原生孔隙保存的影響Fig.7 Influence of granularity on compaction and primary pore preservation in the Yanchang Formation of Longdong area

圖8 隴東地區(qū)延長組不同粒度砂巖物性對比Fig.8 Physical property comparison of sandstones with different grain sizes in the Yanchang Formation of Longdong area

3)粒度對成巖作用的控制作用主要表現(xiàn)為中－細(xì)粒砂巖具有較強(qiáng)的抗壓性，保存了較多的原生孔隙，其物性較好;而粉砂巖由于早期快速壓實(shí)原生孔隙很快損失，成巖流體流通不暢，也影響了次生孔隙的產(chǎn)生，因此原生與次生孔隙均不發(fā)育，物性普遍較差。

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