西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖成巖作用及對孔隙影響研究

許文波，唐建云，宋紅霞，李星紅 ，趙進(jìn)義

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系國家大陸動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069;2.延長油田西區(qū)采油廠，陜西延安716000)

西區(qū)油田義吳區(qū)塊位于陜西省延安市志丹縣西南部的吳堡鄉(xiāng)境內(nèi)，研究區(qū)占地面積98 km2，研究區(qū)地處鄂爾多斯盆地西部伊陜斜坡，地層傾角小于 1°，區(qū)域構(gòu)造總體為一東高西低的單斜，在西傾單斜背景上發(fā)育一系列小型鼻狀隆起，儲集層主要受這些小型隆起、沉積相及成巖作用等因素的控制［1］。本文根據(jù)薄片觀察、陰極發(fā)光、掃描電鏡、X衍射等分析以及前人所做儲層的研究資料基礎(chǔ)上，深入分析了義吳地區(qū)儲層的成巖特點(diǎn)，對研究區(qū)長8油層組的成巖作用及其對孔隙的影響進(jìn)行了研究，以期為油田的合理開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 儲層砂巖巖石學(xué)特征

西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖主要為一套湖泊三角洲相砂體，以中—細(xì)粒砂巖為主，其次為少量粉砂巖。通過鑄體薄片等觀察，并依據(jù)Folk的砂巖分類，研究區(qū)長8儲層砂巖以長石質(zhì)巖屑砂巖為主，巖屑質(zhì)長石砂巖次之(見圖1)。其中長石質(zhì)巖屑砂巖體積分?jǐn)?shù)占62.9%，巖屑質(zhì)長石砂巖體積分?jǐn)?shù)占37.1%。

圖1 義吳區(qū)長8砂巖分類三角圖

研究區(qū)長8儲層砂巖的成分成熟度普遍較低，碎屑組合以石英、長石、巖屑含量近等，富含噴發(fā)巖及淺變質(zhì)巖屑。碎屑中石英的體積分?jǐn)?shù)為22.5% ～30.6%，平均約25.9%;長石體積分?jǐn)?shù)為20.4% ～36.3%，平均約 27.1%;巖屑體積分?jǐn)?shù)為 26.0%～40.3%，平均約31.9%，主要為噴出巖、千枚巖、石英巖、板巖與沉積巖巖屑。黑云母體積分?jǐn)?shù)為2.2% ～10.4%。從粒度組成來看，研究區(qū)長8儲層砂巖的粒級以細(xì)—中粒占優(yōu)，粒徑范圍多在 0.13 ～0.4 mm 左右，大粒徑一般為 0.5 ～0.6 mm，最大可達(dá)0.9 mm;砂巖的粒度在平面上的變化并不明顯，僅正241井區(qū)和正3井區(qū)極細(xì)粒—細(xì)粒砂巖含量略偏高。顆粒分選中等，磨圓以次棱角狀為主，反映了沉積區(qū)距離物源較近、沉積水動力較強(qiáng)的特點(diǎn)。通過巖石學(xué)、掃描電鏡和X—射線衍射分析，西區(qū)油田義吳長8儲層砂巖填隙物主要由綠泥石、高嶺石、水云母、方解石及硅質(zhì)組成，偶見鐵白云石、泥鐵質(zhì)等，儲層砂巖的填隙物總量為13.5%。

2 儲層砂巖成巖作用特征

西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層主要發(fā)生了壓實(shí)—壓溶作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用等一系列成巖作用類型，成巖作用復(fù)雜，成巖現(xiàn)象豐富，并對儲集層孔隙發(fā)育及物性影響顯著［2－7］。

2.1 壓實(shí)—壓溶作用

一般的壓實(shí)作用包括機(jī)械壓實(shí)及化學(xué)壓實(shí)(壓溶)［8］。壓實(shí)作用在義吳區(qū)延長組長8儲層砂巖中表現(xiàn)明顯，主要表現(xiàn)為:碎屑顆粒轉(zhuǎn)動、穩(wěn)定性排列，顆粒間緊密的線接觸，長石礦物雙晶滑動、機(jī)械斷裂，塑性巖屑或礦物(如泥巖巖屑、云母等)的彎曲變形甚至被擠入粒間孔隙中形成假雜基。壓實(shí)作用后期，砂巖中的主要粘土礦物綠泥石析出，主要呈薄膜狀或櫛殼狀附著在碎屑顆粒表面并堵塞孔喉。薄片分析表明:黑云母、泥巖巖屑等塑性顆粒含量高的砂巖，受機(jī)械壓實(shí)的影響較顯著，其面孔率一般較低。隨著上覆壓力的增大，壓實(shí)作用逐漸被壓溶作用所代替，壓溶作用是這一時(shí)期破壞粒間孔隙的主要因素之一，發(fā)生在早成巖晚期及晚成巖早期，表現(xiàn)為顆粒間由線狀接觸過渡為凹凸接觸，長石、石英的次生加大，一般為II－III級，其結(jié)果不僅使原生粒間孔隙進(jìn)一步縮小，同時(shí)也使喉道半徑大大減小，降低儲層的滲透能力，影響儲層物性。經(jīng)過壓實(shí)、壓溶作用，儲層孔隙度大大降低 (見圖2AB)。

2.2 膠結(jié)作用

隨著上覆壓力的增大，深度的增加，溫度的升高和孔隙水化學(xué)性質(zhì)的改變，使得各種成巖礦物依次析出，產(chǎn)生膠結(jié)充填作用［9］。西區(qū)油田義吳區(qū)長8油層組砂巖中的膠結(jié)物主要有自生粘土礦物、碳酸鹽礦物、自生石英和長石等。

2.2.1 自生粘土膠結(jié)作用

包括綠泥石、伊利石、高嶺石的膠結(jié)作用，其中以綠泥石膠結(jié)作用最為普遍。

1)綠泥石膠結(jié)。研究區(qū)長8砂巖中綠泥石主要的賦存狀態(tài)是作為孔隙襯邊方式產(chǎn)出的粘土膜，多以葉片狀綠泥石垂直分布于碎屑顆粒表面，呈櫛殼狀結(jié)構(gòu)(見圖2C)，部分綠泥石膠結(jié)物多呈孔隙充填狀產(chǎn)出，部分充填殘余粒間孔及溶蝕空隙。

2)伊利石及伊/蒙混層膠結(jié)。研究區(qū)延長組長8砂巖中伊利石或伊/蒙混層常與自生綠泥石共生，多呈鱗片狀或針狀結(jié)構(gòu)，電鏡下晶形呈卷片狀及絲發(fā)狀(見圖2D)，通常以顆粒包膜狀或孔隙襯邊的形式出現(xiàn)。

3)高嶺石膠結(jié)。研究區(qū)延長組長8砂巖中高嶺石膠結(jié)物多呈書頁狀集合體，大小10－20 μm，局部交代長石、云母、泥巖內(nèi)碎屑和雜基，并充填于長石的溶孔中，為長石發(fā)生次生溶解并再沉淀的產(chǎn)物。

圖2 義吳區(qū)長8砂巖的主要成巖作用(SEM照片)

2.2.2 碳酸鹽膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)作用是影響儲層物性的主要膠結(jié)物類型之一，碳酸鹽膠結(jié)物在區(qū)內(nèi)較為普遍。巖石薄片鑒定表明，研究區(qū)內(nèi)85% 的砂巖薄片的膠結(jié)物的主要成分為方解石，其次為少量的鐵方解石和白云石。方解石呈大片連晶分布，充填大部分甚至全部的粒間孔隙并交代長石、巖屑等碎屑顆粒及填隙物，凡乎使原生粒間孔喪失殆盡成為致密隔擋層(見圖2E)。

2.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)作用

硅質(zhì)膠結(jié)物在研究區(qū)砂巖中分布也較為廣泛且分布不均勻，含量一般在4%左右。在掃描電鏡下可觀察硅質(zhì)膠結(jié)物除部分以石英次生加大邊的形式存在外，多數(shù)以石英微晶充填于殘余粒間孔隙中。自生石英微晶充填綠泥石形成后的剩余孔隙，可以使原生孔隙減少，且其在后期酸性的介質(zhì)中又不容易產(chǎn)生溶解性孔隙，所以也對次生孔隙的產(chǎn)生不利。硅質(zhì)膠結(jié)作用損失的原生粒間孔僅占1%左右，但硅質(zhì)膠結(jié)物將導(dǎo)致孔隙的永久性破壞。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用可將致密砂巖改造成儲層，是形成儲層最重要的建設(shè)性成巖作用之一［10］。西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層的溶蝕作用較發(fā)育，由于溶蝕次生孔隙的形成，改變了砂巖孔隙特性，它是儲層次生孔隙形成的最主要因素。溶蝕作用對儲集砂巖的改造主要由長石、巖屑等骨架顆粒的溶蝕來體現(xiàn)。研究區(qū)溶蝕作用主要體現(xiàn)在鉀長石的溶蝕，一般沿長石的解理縫溶蝕，部分長石顆粒全部溶蝕，形成長石鑄?？祝瑑H殘余有綠泥石泥晶套。長石的溶蝕作用與有機(jī)質(zhì)的大量有機(jī)酸的排出有關(guān)［11］。烴源巖在成巖過程中，有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化可釋放出大量CO2，使孔隙介質(zhì)流體呈酸性;泥巖中干酪根的含氧官能團(tuán)熱裂解時(shí)可形成有機(jī)酸，有機(jī)酸進(jìn)入儲層砂巖后，發(fā)生溶蝕作用，并使鋁硅酸鹽中的 Al3+發(fā)生遷移，而 HCO－3、CO2－3形成的CaCO3可以沉淀下來，所以大規(guī)模的溶有機(jī)質(zhì)演化中大量有機(jī)酸的排出有關(guān)(見圖2F)。

2.4 交代作用

交代作用是一種礦物替代另一種礦物的現(xiàn)象［12］。西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖的交代作用表現(xiàn)為碎屑顆粒的碳酸鹽化與碎屑顆粒的高嶺石化、伊利石化及綠泥石化等。顯微鏡下可以觀察到顆粒邊緣發(fā)生交代致使顆粒邊緣極不規(guī)則;顆粒被整體交代，則形成礦物假象;顆粒大部分被交代，則有殘余物包體現(xiàn)象和交代切割現(xiàn)象。碳酸鹽通常對巖屑和長石交代作用較強(qiáng)，常見的巖屑或長石顆粒則被交代成篩網(wǎng)狀，甚至整個(gè)顆?？梢酝耆唤淮珜κ㈩w粒交代很弱，多呈邊緣交代。

3 儲層砂巖成巖階段及演化序列

依據(jù)裘懌南等人的對成巖階段劃分方案及標(biāo)志，對西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖成巖階段進(jìn)行了劃分(見圖3)。

圖3 義吳區(qū)長8儲層成巖序列

在成巖作用及自生礦物成因分析的基礎(chǔ)上，并結(jié)合鏡下觀察，認(rèn)為研究區(qū)成巖作用演化序列為:機(jī)械壓實(shí)→早期粘土膜形成→石英次生加大開始→早期方解石沉淀→有機(jī)流體注人→長石顆粒溶解→自生高嶺石形成→方解石溶解→烴類充注→伊利石、孔隙式充填綠泥石→石英、長石次生加大→晚期鐵方解石充填→晚期鐵白云石充填或交代碎屑顆粒。由于自生礦物的形成需要一定時(shí)間，因此上述各成巖作用必然會出現(xiàn)重疊。

研究區(qū)長8儲層現(xiàn)今埋深約在1 800～2 050 m之間，鏡質(zhì)體反射率Ro值分布在0.65% ～1.15%之間，有機(jī)質(zhì)已經(jīng)處于低成熟—成熟階段。此外，伊/蒙混層(I/S)中蒙脫石(S)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～25%之間，依據(jù)Scholle等提出的伊/蒙混層對成巖溫度的判別標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)長8儲層所經(jīng)歷的最大古地約為100～140℃［13］。

上述特征綜合表明:研究區(qū)長8砂巖儲集層的成巖階段處于晚成巖A期。

4 孔隙類型及影響因素

4.1 孔隙類型

孔隙按成因可劃分為原生孔隙和次生孔隙。在成巖過程中，經(jīng)壓實(shí)、膠結(jié)及壓溶等作用的影響，原生孔隙將逐漸減少;與此同時(shí)，可溶性碎屑顆粒及易溶膠結(jié)物隨著埋深增加發(fā)生的溶解和交代作用，促成碎屑巖中次生孔隙的發(fā)育［14］。

西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層孔隙類型主要以粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔、微孔等為主，并有少量的裂縫，面孔率約為1.0%～19.0%，平均值 3.95%(見圖4)。

圖4 西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層孔隙類型

1)粒間孔。由于上覆地層壓力使顆粒旋轉(zhuǎn)達(dá)到最穩(wěn)定化排列，強(qiáng)烈的壓實(shí)及自生礦物的充填作用使原生孔隙減小，因而稱之為殘余粒間孔。其形態(tài)較為簡單，以三角形、四邊形主，孔徑一般40～70 μm，其面孔率最高可達(dá)13% ～14%，如研究區(qū)正405井1 813～1 823.10 m段，是研究區(qū)長8儲層最主要的儲集空間之一。

2)長石溶孔。亦為研究區(qū)較主要的儲集空間之一。長石可沿解理縫選擇性溶蝕，形態(tài)不規(guī)則，電鏡下常呈空蜂窩狀，部分長可石完全溶蝕，形成鑄模孔，殘留有以綠泥石為主的泥晶套，孔內(nèi)有少量的沿解理蝕變的絹云母殘余;部分長石的溶孔和粒間孔相連，形成超大孔隙，孔徑大小相差懸殊，大者可達(dá)300～400 μm，小者數(shù)微米。

3)巖屑溶孔。溶蝕作用主要發(fā)生在易溶礦物中，義吳區(qū)長8儲層易溶巖屑以中基性噴發(fā)巖巖屑為主，如角閃石、輝石和部分長石，由其提供的孔隙數(shù)量有限，其面孔率一般小于0.5%，孔徑小于 10 μm。

4)晶間孔。多指高嶺石晶間孔，西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖微孔為原生孔隙的一種，孔徑小于0.5 μm，顯微鏡下難于觀察。一般存在于粘土礦物晶間，如綠泥石晶間。微孔隙連通性相對較差，可形成較高孔隙度、較低滲透率的致密儲層。

5)微裂隙。微裂隙在研究區(qū)長8砂巖中發(fā)育不明顯，僅在部分砂巖中存在少量微裂縫，多出現(xiàn)在碎屑顆粒內(nèi)部，如石英、巖屑內(nèi)，細(xì)且短。

4.2 影響孔隙發(fā)育的主要成巖作用

4.2.1 壓實(shí)作用

強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)是導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變差的主要因素之一。機(jī)械壓實(shí)作用在成巖早期階段，使碎屑沉積物迅速壓實(shí)，導(dǎo)致原生孔隙大大降低。在研究區(qū)局部地區(qū)，由于剛性顆粒的支撐，使得機(jī)械壓實(shí)作用有所減弱，而壓溶作用有所增強(qiáng)。根據(jù)薄片觀察，隨著壓實(shí)的不斷增強(qiáng)，顆粒間由點(diǎn)接觸變?yōu)辄c(diǎn)線接觸和線接觸，大大降低了孔隙度。

根據(jù)壓實(shí)率計(jì)算公式:

壓實(shí)率=原始孔隙度－(現(xiàn)存孔隙度－溶蝕孔隙度+膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

其中:原始孔隙度根據(jù) Beard［l5］等的資料，Scherer［16］提出的濕砂在地表?xiàng)l件下的分選與孔隙度的關(guān)系

原始孔隙度=20.91+(22.9/Trask分選系數(shù))

計(jì)算得:沉積物原始孔隙度大約為34.5% ～37.0%。而現(xiàn)今孔隙度僅為10.0% ～15.5%，溶蝕孔隙度為0.6% ～1.5%，膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4% ～13.3%，得出壓實(shí)率為9.7% ～19.7%。

4.2.2 膠結(jié)作用

自生粘土礦物膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)是研究區(qū)最主要的膠結(jié)作用類型。高嶺石、石英、碳酸鹽等自生礦物的形成，主要是在粒間孔壁和粒內(nèi)溶孔中結(jié)晶沉淀析出，從而使得研究區(qū)孔隙度不斷減小，降低儲層的儲集性能。膠結(jié)作用對儲層物性的影響相對復(fù)雜。一般而言，膠結(jié)物充填孔隙使儲層物性變差，但早期膠結(jié)作用反而能抑制壓實(shí)作用強(qiáng)度，膠結(jié)物的后期溶蝕作用能有效地改善儲層物性。通過計(jì)算綠泥石、伊利石、高嶺石、自生石英、鈉長石、方解石等析出膠結(jié)的總量，西區(qū)油田長8儲層組膠結(jié)作用使其孔隙度降低了5.4%、11.2%。

4.2.3 溶蝕作用

溶蝕作用是改善儲層砂巖孔隙的重要因素之一。西區(qū)油田義吳地區(qū)溶蝕作用對儲層的改善具有重要意義。晚期成巖階段富含的酸性孔隙流體(有機(jī)酸與無機(jī)酸)是導(dǎo)致儲層碎屑組份發(fā)生溶蝕的主要介質(zhì)。酸性流體在砂巖的孔隙系統(tǒng)中流動并對其中骨架顆粒和早期碳酸鹽膠結(jié)物進(jìn)行溶蝕，形成大量的粒間和粒內(nèi)溶蝕孔隙。研究區(qū)長8儲層基本上以長石顆?；蚝L石的碎屑顆粒溶解作用為主，而早期碳酸鹽膠結(jié)物溶解形成的次生孔隙質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不高。依據(jù)薄片中長石、碎屑溶孔的面孔率計(jì)算，溶蝕作用增加的孔隙度達(dá)0.6%、1.5%。

4.2.4 烴類的充注

研究區(qū)長8段在具有烴類充注的砂巖薄片中，大多數(shù)顆粒呈漂浮狀，顆粒之間呈點(diǎn)接觸或不接觸，而瀝青類基本只占據(jù)粒間孔而不占據(jù)長石溶蝕孔。這些反映了烴類充注在先，而溶蝕作用在后。烴類注入儲層后占據(jù)孔隙空間，排出孔隙水，并且改變了孔隙介質(zhì)的地球化學(xué)環(huán)境，能夠使膠結(jié)作用和礦物的形成、轉(zhuǎn)化受到抑制甚至停止［l7－18］。此外，儲層中原油拌有一定數(shù)量的有機(jī)酸，有機(jī)酸進(jìn)入儲層后溶解于孔隙水中，使得孔隙水的pH值降低，促進(jìn)了長石和巖屑的溶解以及次生孔隙的形成，將原來的水－巖兩相系統(tǒng)改變?yōu)樗停瓗r三相系統(tǒng)［19－20］，改變了巖石的地球化學(xué)環(huán)境及水潤濕性，并使原來水－巖介質(zhì)中發(fā)生的無機(jī)成巖反應(yīng)(如石英增生、自生伊利石等)受到抑制，機(jī)械成巖作用(主要是壓實(shí)作用)以及化學(xué)成巖作用(主要是膠結(jié)作用)相對減弱或停止，而加快了石英、長石和碳酸鹽礦物的溶解。應(yīng)此，烴類的充注有利于儲集層中粒間孔隙的保存和次生孔隙的發(fā)育，使孔隙度得到一定程度的改善。

5 結(jié)語

(1)研究區(qū)長8儲層為典型的低孔低滲儲集巖，其巖石類型以長石質(zhì)巖屑砂巖為主，巖屑質(zhì)長石砂巖次之，砂巖成分具成熟度Yiwu較低、分選性較好、磨圓度較差的特點(diǎn)。

(2)研究區(qū)長8儲層所經(jīng)歷的成巖作用較復(fù)雜，成巖現(xiàn)象豐富，主要的成巖作用有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用，成巖作用處于晚成巖A期。成巖作用序列為:早期粘土膜形成→機(jī)械壓實(shí)→石英次生加大→方解石析出→長石溶蝕→高嶺石形成→鐵方解石充填。

(3)壓實(shí)作用與膠結(jié)作用是使研究區(qū)長8儲層孔隙度降低的主要因素，而溶蝕作用及烴類的充注使儲層孔隙度得到一定程度的改善。

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