神木-雙山氣田山西組2段儲(chǔ)層成巖作用與孔隙演化

仲偉祥 ，陳 龍 ，李旭芳 ，楊 飛 ，趙 茜

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國(guó)石油東方地球物理公司，河北涿州 072750；3.中原油田采油三廠，河南濮陽(yáng) 457001；4.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065）

神木-雙山氣田位于鄂爾多斯盆地東北部,面積約900 km2,地面海拔高度在950～1 400 m之間。從構(gòu)造上來(lái)講,神木-雙山氣田構(gòu)造上屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部和伊盟隆起南部,區(qū)域上是一平緩的大單斜，斷裂和局部構(gòu)造不發(fā)育[1]。神木-雙山氣田主力產(chǎn)氣層段山西組2段為辮狀河三角洲相沉積砂巖。山西組砂巖分成分、結(jié)構(gòu)反應(yīng)出由海相逐步過(guò)渡為陸相沉積的特征，從區(qū)域范圍看，石英砂巖大大減少，為一套以巖屑石英砂巖為主的沉積。該砂巖具有典型的低孔低滲特點(diǎn)，成巖作用非常復(fù)雜，各種成巖作用對(duì)砂巖原生孔隙的保存和次生孔隙的發(fā)育都有一定的影響，次生孔隙在山2段砂巖中發(fā)育十分廣泛，此類次生孔隙達(dá)53.1%，成為研究區(qū)砂巖最主要的儲(chǔ)集空間之一，后者的發(fā)育狀況直接影響了儲(chǔ)集砂巖的孔滲條件，因此研究?jī)?chǔ)集砂巖的成巖作用對(duì)神木-雙山氣田儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)具有重要意義。

1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)山2段儲(chǔ)層巖性主要為中-粗粒巖屑砂巖顆粒以次圓為主，少量圓及次棱角狀。粒度相對(duì)較細(xì)，除底部和局部含有粒狀砂巖或中-粗砂巖外，一般為細(xì)-中?；蚍?細(xì)粒以及粉砂。巖石薄片鏡下鑒定分析結(jié)果表明：碎屑巖成分復(fù)雜，以石英和巖屑為主。

巖石薄片鏡下鑒定結(jié)果表明：山2段巖石礦物成分陸源碎屑含量介于75%～96.5%，平均為89.785%，其中石英含量介于46%～69%，平均占65.83%；巖屑含量介于14%～40%，平均占34.32%，巖屑成分復(fù)雜，主要有火成巖、變質(zhì)巖（包括變質(zhì)砂巖、石英巖、片巖、板巖和千枚巖）及少量的沉積巖屑，其中變質(zhì)巖巖屑平均占10.83%；火成巖巖屑含量平均占2.25%；沉積巖屑平均含量1.875%，還有少部分其它類占5%（主要是燧石）（見(jiàn)圖1a）。

研究區(qū)山2段填隙物成分含量可占到34.32%，巖石主要由石英顆粒巖屑顆粒組成。其中泥質(zhì)平均含量最高10%，其次為伊利石9.41%、方解石8.90%、高嶺石4%、鐵白云巖和自生石英各占1%（見(jiàn)圖1b）。

2 成巖作用特征

依據(jù)鑄體薄片鏡下觀察分析，研究區(qū)山2段砂巖主要經(jīng)歷的成巖作用有機(jī)械壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用。

2.1 壓實(shí)壓溶作用

壓實(shí)壓溶作用是一種物理-化學(xué)成巖作用，研究區(qū)山2段埋深在2 500～3 000 m井段內(nèi)，各類壓實(shí)作用很明顯，是本區(qū)最主要的成巖作用之一。根據(jù)鏡下觀察，研究區(qū)山西組砂巖經(jīng)受了中-弱程度的機(jī)械壓實(shí)作用。顆粒的形狀、圓度、分選性等對(duì)壓實(shí)作用的效應(yīng)都有影響。其中，機(jī)械壓實(shí)作用表現(xiàn)為碎屑顆粒重新排列（見(jiàn)圖2a）。在成巖作用期間，由于機(jī)械壓實(shí)作用與某些礦物的結(jié)晶作用，從而產(chǎn)生收縮和膨脹作用，以及礦物間的重新組合與排列，致使一些微裂縫的生成（見(jiàn)圖2b）。砂巖的機(jī)械壓溶作用表現(xiàn)為相鄰石英粒間線接觸、凹凸接觸、縫合線接觸（見(jiàn)圖2c）。由于成巖作用所包括的最重要的變化隨著地層埋藏深度的增加機(jī)械壓實(shí)作用增加，從而使孔隙縮小[5-6]。同時(shí)碎屑顆粒接觸點(diǎn)上所承受的來(lái)自上覆地層的壓力或來(lái)自構(gòu)造作用的向應(yīng)力作用，顆粒接觸處的溶解度增高，從而發(fā)生的晶格變形和溶解作用。

2.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是此次研究的巖體中較重要的成巖作用，對(duì)次生孔隙的發(fā)育于破壞、儲(chǔ)層物性的改善和惡化起到了重要作用。也是是沉積層中孔隙度和滲透率降低的主要原因之一

2.2.1 黏土礦物膠結(jié) 根據(jù)X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)主要的滋生粘土礦物有伊利石、高嶺石、綠泥石和伊/蒙混層，其中山西組2段其中為伊利石體積分?jǐn)?shù)7.63%、高嶺石5.1%、綠泥石2.0%、伊/蒙混層1.2%。

高嶺石填充在顆粒之中（見(jiàn)圖2d）。高嶺石的存在雖然可以提供一定量的晶間孔，但是因?yàn)楦邘X石往往充填孔喉生長(zhǎng)，將大的孔隙割裂成為若干個(gè)小的部分，增加了微觀孔喉非均質(zhì)性。

2.2.2 碳酸鹽膠結(jié) 碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)砂巖中非常普遍，含量變化也較大，主要呈粒間膠結(jié)物或次生孔隙內(nèi)填充物形式出現(xiàn)（見(jiàn)圖2e）。

2.2.3 硅質(zhì)膠結(jié) 砂巖中的硅質(zhì)膠結(jié)物以非晶質(zhì)和晶質(zhì)兩種礦物形態(tài)出現(xiàn)于巖屑中。石英是碎屑巖中最常見(jiàn)的膠結(jié)無(wú)，它可以呈微、細(xì)粒狀充填于孔隙中，但更常見(jiàn)的是以碎屑石英吱聲加大邊膠結(jié)物出現(xiàn)（見(jiàn)圖2f）。石英次生加大邊一般多與自生高嶺石共生，形成于粒間高嶺石膠結(jié)物之后。

石英次生加大邊形成于早成巖期，是壓溶作用的產(chǎn)物，即碎屑?jí)喝茏饔锰峁┕栀|(zhì)膠結(jié)物的來(lái)源可以生成SiO2。SiO2溶解于孔隙水中，達(dá)到局部過(guò)飽和后即產(chǎn)生沉淀形成自生石英膠結(jié)物[6-7]。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用主要是改善深部?jī)?chǔ)層的儲(chǔ)集性能。砂巖中的任何碎屑顆粒、雜基和自生礦物，包括石英和硅質(zhì)膠結(jié)物，在特定的成巖環(huán)境下都有可能發(fā)生溶解作用而形成次生孔隙[8-9]。溶蝕過(guò)程中形成的次生溶孔主要有巖屑顆粒間雜基溶蝕后形成的微溶孔（見(jiàn)圖3g）。巖屑中的易溶組分在被溶蝕后往往會(huì)呈現(xiàn)蜂窩狀孔隙（見(jiàn)圖3h）。儲(chǔ)層與次生溶蝕孔隙發(fā)育段往往是相互對(duì)應(yīng)，次生溶蝕孔隙的發(fā)育是形成有效儲(chǔ)層的必備條件。溶蝕作用造成的次生孔隙的發(fā)育狀況，并在一定程度上改善了儲(chǔ)集層的性能。

3 成巖階段

資料表明：鄂爾多斯盆地鏡質(zhì)烴源巖反射率以現(xiàn)今的鄂爾多斯盆地為一整體，從外向內(nèi)逐漸增高，Ro等值線近南北向分布，研究區(qū)Ro值由北東方向南西方向逐漸增高，從1.0逐漸增至2.0。屬有機(jī)質(zhì)成熟、過(guò)成熟期，對(duì)應(yīng)的成巖階段為晚成巖“A”期和晚成巖“B”期。

巖礦鑒定、掃描電鏡分析表明儲(chǔ)層中主要的自生礦物有硅質(zhì)類的石英加大邊、自生粒間石英，碳酸鹽類的鐵方解石、方解石和粘土類的高嶺石、伊利石和綠泥石等。研究區(qū)目的層目前埋深一般在2 500～3 000 m,鏡質(zhì)烴源巖反射率值為1.8[10-11]，伊/蒙間層比普遍小于10%,自生石英包裹體的均一溫度在100～170℃。據(jù)裘亦楠等的成巖階段劃分方案及其標(biāo)準(zhǔn)[12]，山2段儲(chǔ)集層已處于晚成巖階段B期。

4 孔隙演化模式

沉積物進(jìn)入埋藏成巖階段，儲(chǔ)集空間主要受各種成巖作用的控制，沉積物本身的內(nèi)在特征在不同程度上制約著成巖作用的發(fā)生和發(fā)展，進(jìn)而影響著孔隙的演化進(jìn)程[10-11]。砂巖初始孔隙求取通常根據(jù)粒度分析求得的分系數(shù)，然后采用博里德公式對(duì)原始孔隙度進(jìn)行恢復(fù)，之后再由鑄體電鏡薄片統(tǒng)計(jì)巖石顆粒粒徑大小，根據(jù)碎屑巖原始孔隙度恢復(fù)、壓實(shí)作用損失的孔隙度、膠結(jié)作用損失的孔隙度和溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)各成巖階段中孔隙度演化的定量分析[12]。

通過(guò)對(duì)孔隙度的演化結(jié)果分析，研究區(qū)山2段的初始孔隙度為35.74%，在早期機(jī)械壓實(shí)過(guò)程中損失了17.67%的孔隙度，壓實(shí)后的原生粒間剩余孔隙僅為18.07%，壓溶壓實(shí)過(guò)程中孔隙度損失達(dá)到49.44%。早期、晚期膠結(jié)過(guò)程中造成14.48%的孔隙度損失，膠結(jié)作用孔隙損失率達(dá)到40.51%。壓實(shí)、膠結(jié)后僅剩余3.59%的原生粒間孔隙，后期溶蝕作用貢獻(xiàn)了4.06%的孔隙度。當(dāng)前平均孔隙度僅為7.65%。

表1 研究區(qū)孔隙演化表

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)山2段儲(chǔ)層巖性主要為中-粗粒巖屑砂巖顆粒以次圓為主，少量圓及次棱角狀。粒度相對(duì)較細(xì)，除底部和局部含有粒狀砂巖或中-粗砂巖外，一般為細(xì)-中?；蚍?細(xì)粒以及粉砂。膠結(jié)類型主要為孔隙-薄膜和再生孔隙型，具有結(jié)構(gòu)成熟度偏低、成分成熟度高的特點(diǎn)。

（2）研究區(qū)山2段儲(chǔ)層主要經(jīng)歷的成巖作用有壓溶壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用，機(jī)械壓實(shí)作用遍布整個(gè)成巖過(guò)程，其中壓溶壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是使儲(chǔ)層孔隙度和滲透性降低的主要原因，而溶蝕作用對(duì)于研究區(qū)物性改善起到了舉足輕重的作用。經(jīng)多項(xiàng)指標(biāo)分析表明，研究區(qū)成巖作用己進(jìn)入晚成巖階段“B”期。

（3）通過(guò)對(duì)孔隙演化的結(jié)果分析表明，研究區(qū)山2段初始孔隙度為35.74%，在早期的機(jī)械壓實(shí)和壓溶作用下孔隙損失率達(dá)到49.44%，早期、晚期膠過(guò)程中孔隙損失率為40.51%。壓實(shí)壓溶和膠結(jié)作用后僅剩余3.59%的原生粒間孔隙，后期溶蝕作用貢獻(xiàn)了4.06%的孔隙度。不同的成巖作用對(duì)砂巖孔隙的共同影響造成了研究區(qū)現(xiàn)在低孔、低滲的特點(diǎn)[12]。

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