金莊地區(qū)長(zhǎng)6 成巖作用及孔隙結(jié)構(gòu)特征*

吳 南，劉新菊，張?zhí)旖?/p>

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京100083;2.長(zhǎng)慶油田公司 第一采油廠，陜西 延安716000)

0 引 言

鄂爾多斯盆地是中國(guó)最重要的含油氣盆地之一［1］，南泥灣油田金莊地區(qū)位于伊陜斜坡東南部［2-3］(圖1)?？碧介_(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組是鄂爾多斯盆地主力含油層系，長(zhǎng)6 油層組是長(zhǎng)6 儲(chǔ)層在盆地中生界重要的含油層段，已探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量和原油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的70%以上［4］。南泥灣地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組為陸相河湖沉積，長(zhǎng)6 油層段以三角洲前緣沉積為主，水下分流河道和河口壩砂體發(fā)育［5-6］，儲(chǔ)層以細(xì)砂巖和中細(xì)砂巖為主，極少量中砂巖及粗砂巖，儲(chǔ)層砂巖的組分和結(jié)構(gòu)均比較單一，總體特征為低孔、低滲、低含油飽和度和低油氣產(chǎn)量。筆者從微觀特征入手，對(duì)其成巖作用和孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，分析其低孔低滲的原因。

圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)位置圖Fig.1 Regional geological unit division and location map of the study area in Ordos Basin

1 儲(chǔ)層特征

1.1 巖石碎屑組分

金莊地區(qū)長(zhǎng)6 油層組碎屑巖主要為灰色、淺灰色、灰綠色、灰褐色長(zhǎng)石細(xì)砂巖和中-細(xì)砂巖，碎屑組成主要為石英、長(zhǎng)石、巖屑和云母(圖2)。雜基與膠結(jié)物的含量變化大，為1% ～33%，主要集中在4% ～22%，平均為約9%.隨著沉積環(huán)境和成巖作用條件的改變，長(zhǎng)6 油層組礦物組分的含量也有所不同。

圖2 金莊地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6 砂巖分類圖Fig.2 Chang 6 sandstone classification in Jinzhuang area

1.2 填隙物組分及其特征

金莊地區(qū)長(zhǎng)6 油層組填隙物含量為1% ～33%，平均10.3%，其中主要是膠結(jié)物，膠結(jié)物中主要為方解石、濁沸石和綠泥石，其次石英、長(zhǎng)石次生加大和伊利石。方解石膠結(jié)物分布很不均勻，含量為0% ～33%，平均為3.8%;綠泥石膠結(jié)物含量為0% ～6%，平均為1.7%，多呈垂直于碎屑表面的薄膜;濁沸石膠結(jié)物分布也極不均勻，含量為0% ～14%，平均為2.4%;硅質(zhì)膠結(jié)物含量為0% ～6%，平均為1.3%，主要表現(xiàn)為石英的次生加大邊和孔隙內(nèi)的自生石英晶體;長(zhǎng)石質(zhì)膠結(jié)物含量為0% ～2%，主要表現(xiàn)為長(zhǎng)石的自生加大和充填孔喉;伊利石膠結(jié)物分布很不均勻，含量為0% ～12%，但平均含量只有0.5%(表1)。

1.3 結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)薄片粒度統(tǒng)計(jì)分析，南泥灣長(zhǎng)6 砂巖粒度主要集中在細(xì)砂級(jí)，少量為中砂級(jí)。砂巖的成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度較高，分選好，磨圓以次棱角狀為主，少量為次圓。顆粒之間以線、點(diǎn)和點(diǎn)線接觸為主。膠結(jié)類型主要有孔隙- 加大式膠結(jié)、薄膜-孔隙式膠結(jié)、薄膜式膠結(jié)和孔隙式膠結(jié)等類型。

2 主要成巖作用及特征

通過(guò)對(duì)砂巖鑄體薄片及掃描電鏡的分析，研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)集層在埋藏過(guò)程中發(fā)生的成巖作用主要為壓實(shí)、溶蝕、膠結(jié)和溶解等作用類型。

表1 金莊地區(qū)長(zhǎng)6 油層組膠結(jié)物組分及含量Tab.1 Chang 6 oil cement composition and content of Jingzhuang region %

2.1 壓實(shí)、壓溶作用

壓實(shí)作用是沉積物在上覆重力和靜水壓力作用下，使原來(lái)存在粒間的孔隙水排出，碎屑顆粒重新排列，使沉積物密度變大，孔隙度減小，同時(shí)云母及其他軟組分?jǐn)D入孔隙，使孔隙體積進(jìn)一步減小，滲透率變差。在壓實(shí)作用的過(guò)程中還有粘土礦物的析出，研究區(qū)主要是綠泥石，呈薄膜狀附著在顆粒表面，堵塞孔道。沉積物隨著上覆物質(zhì)的增加，壓力、溫度升高，這時(shí)就會(huì)發(fā)生沉積物的壓溶作用，顆粒之間就會(huì)發(fā)生鑲嵌，長(zhǎng)石和石英發(fā)生次生加大，使原生孔隙進(jìn)一步減小，喉道半徑縮小，孔滲特性變差［7-9］。

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，在綠泥石膜發(fā)育的細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖中，碎屑顆粒間呈點(diǎn)-線狀接觸，機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度較弱，殘余粒間孔隙較發(fā)育。在埋藏過(guò)程中，成巖作用早期綠泥石薄膜的析出和初步固結(jié)作用，有效保護(hù)了此類砂巖的原生孔隙，并為后期溶蝕型次生孔隙的形成提供了有效的通道和空間。

2.2 膠結(jié)作用

2.2.1 自生粘土礦物膠結(jié)作用

研究區(qū)自生粘土礦物膠結(jié)物普遍含量較高，為8.8% ～22.9%，平均為14.2%，其中綠泥石膠結(jié)物平均占89. 83%，多呈垂直于碎屑表面的薄膜;伊利石和伊/蒙混層膠結(jié)物分別占為2.92%和6.08%，此外有少量高嶺石，平均占1.17%?？紫妒匠涮畹淖陨惩恋V物常常擠占有效孔隙空間，降低儲(chǔ)集層的物性。

早成巖A 期綠泥石膜的形成:研究區(qū)長(zhǎng)6 砂巖黑云母碎屑廣泛分布，但不均勻，其含量分別為1% ～14%，平均值分別為4.67%. 在早成巖A 期階段，黑云母碎屑發(fā)生了強(qiáng)烈的水化水解作用，為綠泥石膜在堿性介質(zhì)條件下的形成提供了充足的Mg2+和Fe2+.據(jù)鏡下觀察，綠泥石膠結(jié)物最主要的賦存狀態(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于碎屑顆粒表面分布，呈櫛殼狀結(jié)構(gòu)。由于綠泥石晶間微孔較發(fā)育，因此對(duì)喉道的影響極大，常使喉道變得迂徊曲折，甚至完全堵塞喉道而使?jié)B透率大大降低。

早成巖B 期伊/蒙混層的析出及伊利石的轉(zhuǎn)化使得研究區(qū)長(zhǎng)6 砂巖伊利石和伊/蒙混層分布不均，主要由于延長(zhǎng)組含多層凝灰?guī)r，有大量的火山物質(zhì)以形成蒙皂石并能及時(shí)向伊利石轉(zhuǎn)化。

據(jù)Alberta et al.研究(1981)，該反應(yīng)可表示為(按Al 是不活動(dòng)組分的反應(yīng))

反應(yīng)中所需要的K+來(lái)源于鉀長(zhǎng)石的溶解，以及碎屑云母類礦物的破壞，反應(yīng)產(chǎn)生的Ca2+進(jìn)入到碳酸鹽膠結(jié)物中，F(xiàn)e3+被還原后進(jìn)入到含鐵碳酸鹽中，Mg2+進(jìn)入到白云石中，Si4+造成次生石英的沉淀，也可能進(jìn)入到沉淀的濁沸石中，Na+則可引起鈉長(zhǎng)石的沉淀或斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化。大量自生礦物沉淀所需要的離子來(lái)源都與該反應(yīng)有關(guān)，因而Alberta et al.將該反應(yīng)的反應(yīng)物稱為成巖作用的膠結(jié)劑。

伊利石或伊/蒙混層在巖石薄片中大多呈鱗片狀或針狀結(jié)構(gòu)，電鏡下晶形為卷片狀及絲發(fā)狀，通常呈顆粒包膜狀或孔隙襯邊的形式出現(xiàn)，這可以使粒間孔隙變成晶間孔隙，使孔隙度和滲透率降低。

轉(zhuǎn)子徑向快變動(dòng)態(tài)量振動(dòng)幅值的振動(dòng)變化趨勢(shì)圖如圖2(a)所示，圖2(b)是轉(zhuǎn)子軸軸向快變動(dòng)態(tài)量振動(dòng)幅值的振動(dòng)變化趨勢(shì)圖。圖3是轉(zhuǎn)子裂紋發(fā)展時(shí)間歷程中，轉(zhuǎn)子軸軸向3個(gè)不同時(shí)間的振動(dòng)信號(hào)幅值頻譜圖。

2.2.2 碳酸鹽礦物膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)作用在研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖中較為發(fā)育，是影響儲(chǔ)層物性的主要膠結(jié)物類型之一。成分主要為方解石，在X-衍射下可偶見(jiàn)白云石膠結(jié)。碳酸鹽膠結(jié)物在油層段砂巖中含量較低，一般為0.5% ～3%，呈局部孔隙充填或斑塊狀、補(bǔ)丁狀連晶分布，對(duì)孔隙度的損失較小。差儲(chǔ)層及致密層砂巖中的碳酸鹽含量較高，其含量可達(dá)10%～20%，甚至更高，呈大片的連晶分布，充填大部分甚至全部的粒間孔隙并交代長(zhǎng)石、巖屑等碎屑顆粒及填隙物，使原生粒間孔幾乎喪失殆盡而成為致密隔擋層。

2.2.3 石英、長(zhǎng)石次生加大膠結(jié)作用

研究區(qū)長(zhǎng)6 油層組硅質(zhì)膠結(jié)物含量一般為0% ～6%，分布不均勻，硅質(zhì)膠結(jié)物除部分以石英次生加大邊的形式存在外，大部分呈石英微晶充填于殘余粒間孔隙中。自生石英覆蓋并包裹綠泥石薄膜和自生伊利石，被II 型方解石所包圍，說(shuō)明其形成早于方解石，但晚于伊利石和綠泥石薄膜［9］?？傮w上看，延長(zhǎng)組砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)作用發(fā)育程度相對(duì)較弱，由硅質(zhì)膠結(jié)作用損失的原生粒間孔平均為1.0%左右，但硅質(zhì)膠結(jié)物將導(dǎo)致孔隙的永久性破壞。

2.2.4 濁沸石膠結(jié)作用

研究區(qū)長(zhǎng)6 油層組濁沸石膠結(jié)物含量0% ～14%.根據(jù)鏡下鑒定結(jié)果，濁沸石可分為2 個(gè)主要形成階段，第一階段形成的濁沸石與火山物質(zhì)的水化有關(guān)。本區(qū)砂巖中富鈣的斜長(zhǎng)石在此過(guò)程中變成了濁沸石，表現(xiàn)為濁沸石沿斜長(zhǎng)石的雙晶紋或解理縫分布，甚至完全變成濁沸石而呈斜長(zhǎng)石的假象。第二階段濁沸石形成于中成巖期，隨著埋藏深度加大，成巖作用增強(qiáng)，地層中的蒙脫石夾層、泥巖及砂巖中的蒙脫石在向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化過(guò)程中大量脫水，并析出大量的Ca2+，Mg2+，Na+，F(xiàn)e2+等陽(yáng)離子，其中Na+離子形成鈉長(zhǎng)石，Mg2+，F(xiàn)e2+離子參與綠泥石的沉淀，Ca2+離子則形成濁沸石并充填剩余粒間孔，這一階段斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化也可以形成一部分濁沸石。由于濁沸石在長(zhǎng)6 油層組分布較廣，對(duì)后期溶蝕形成次生孔隙具有較大的貢獻(xiàn)［10］。

2.3 溶解作用

溶解作用是改善本區(qū)孔滲條件的重要途徑。據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡觀察，溶解作用主要表現(xiàn)為碎屑顆粒(長(zhǎng)石、巖屑、云母)的溶解和填隙物(濁沸石、方解石)的溶解，顆粒中以碎屑長(zhǎng)石的溶解更為常見(jiàn)，填隙物中長(zhǎng)6 油層組以濁沸石膠結(jié)物溶解為主［11-14］。根據(jù)對(duì)大量砂巖鑄體薄片的鏡下鑒定，研究區(qū)長(zhǎng)6 砂巖具有兩期溶解作用。

第一期以長(zhǎng)石、巖屑粒內(nèi)溶孔和顆粒邊緣溶蝕為特點(diǎn)，后為綠泥石薄膜包繞，應(yīng)為成巖早期淺埋藏條件下地表大氣淡水淋濾的結(jié)果。大氣水具較高的CO2和腐植酸，可對(duì)碳酸鹽和長(zhǎng)石類礦物進(jìn)行溶蝕，其反應(yīng)方程式為

第二期溶蝕作用發(fā)生于碳酸鹽、濁沸石等膠結(jié)作用之后，突出表現(xiàn)為:長(zhǎng)石、巖屑、濁沸石等鋁硅酸鹽礦物的溶蝕作用較為強(qiáng)烈，而碳酸鹽礦物的溶蝕較微弱，這種溶蝕特點(diǎn)與有機(jī)質(zhì)成熟過(guò)程中大量形成的有機(jī)酸密切相關(guān)。

3 孔喉結(jié)構(gòu)及其特征

3.1 孔隙構(gòu)成及組合類型

據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡觀察分析，研究區(qū)長(zhǎng)6砂巖儲(chǔ)集層的孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、長(zhǎng)石溶蝕孔、濁沸石溶孔、裂縫和少量鑄模孔，總的面孔率變化較大，長(zhǎng)6 油層組面孔率為0.5% ～6%，平均為2.6%(圖3)。按它們的成因分為原生孔隙和次生孔隙2 大類。

3.1.1 原生殘余粒間孔隙

原生孔隙在研究區(qū)儲(chǔ)層中占主導(dǎo)地位，具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。從薄片中看，其未被充填的粒間孔多呈三角形或多邊形，孔隙邊緣整齊平直，充填孔隙的多為薄膜式膠結(jié)的綠泥石和孔隙式充填的方解石和自生石英晶體，此外有再生式膠結(jié)的石英與長(zhǎng)石加大邊。

3.1.2 次生孔隙

研究區(qū)砂巖次生孔隙以溶蝕次生孔隙為主，此外有極少量自生礦物晶間微孔隙。溶蝕粒間孔隙溶解組分主要為長(zhǎng)石顆粒與濁沸石膠結(jié)物。被溶蝕的顆粒邊緣極不規(guī)則，呈港灣狀，此類孔隙連通性好。在薄片和掃描電鏡下，可清晰見(jiàn)到此類孔隙的非均質(zhì)性分布［15-19］。

溶蝕粒內(nèi)孔隙多見(jiàn)于長(zhǎng)石、云母和部分巖屑內(nèi)，長(zhǎng)石溶蝕粒內(nèi)孔相對(duì)發(fā)育，一般沿長(zhǎng)石的解理縫溶蝕，常見(jiàn)與溶蝕粒間孔隙伴生分布，且互相連通，但分布很不均勻。主要有鑄?？紫丁⒆陨V物晶間微孔隙。

3.1.3 孔隙組合

根據(jù)鑄體薄片與掃描電鏡觀察分析，研究區(qū)長(zhǎng)6 砂巖普遍發(fā)育殘余粒間孔隙、溶蝕粒間孔隙、溶蝕粒內(nèi)孔隙和濁沸石溶孔，具有良好的連通性，此外還發(fā)育少量裂隙孔和鑄?？祝紫督M合類型主要為溶孔-粒間孔、粒間孔-溶孔和粒間孔-溶孔-粒內(nèi)孔型。

研究區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)層的孔隙大小分布范圍較大，孔隙半徑變化較大。平均孔隙半徑為5 ～30 μm 之間(表2)，按照前人對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組的孔喉結(jié)構(gòu)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，研究區(qū)孔隙以小孔隙和細(xì)孔隙為主。

表3 延長(zhǎng)組砂巖孔隙喉道分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(應(yīng)鳳祥，2004)Tab.3 Grading standards of pore throats in Yanchang sandstone(YING Feng-xiang，2004)

3.2 儲(chǔ)層孔喉特征

根據(jù)研究區(qū)壓汞數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)(表4)，長(zhǎng)6 儲(chǔ)層的門檻壓力最低為0.279 0 MPa，最高為7.391 3 MPa;中值壓力最低為2. 546 2 MPa，最高為103.069 1 MPa;最大孔喉半徑最大為2.633 9 μm，最小為0.099 4 μm;中值半徑最大為0.194 0 μm，最小為0.007 1 μm.從圖4 可以看出，最大進(jìn)汞飽和度最低為65.837 1%，最高為93.938 4%;退汞效率最低為12.027 2%，最高為30.932 6%. 研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層孔隙度、滲透率、孔喉半徑、排驅(qū)壓力和最大進(jìn)貢飽和度變化范圍較大，顯示出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

圖4 金莊長(zhǎng)6 儲(chǔ)層毛管壓力曲線特征Fig.4 Curves of reservoir capillary pressure of Chang 6 in Jinzhuang area

表4 研究區(qū)長(zhǎng)6 毛管壓力參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Parametric statistics of capillary pressure of Chang 6 in Jinzhuang

通過(guò)鑄體薄片觀察和壓汞資料所反映的孔喉分布特征來(lái)看，研究區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)集砂巖孔喉分選較差，樣品的毛管壓力曲線主要呈單峰分布，部分樣品分選差，略顯雙峰分布，或者沒(méi)有顯著的峰值，孔喉分布頻率直方圖上，峰值低，峰位寬，峰值一般小于＜20%.

據(jù)砂巖掃描電鏡和鑄體薄片分析統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)長(zhǎng)6 油層組砂巖平均孔徑集中在5 ～30 μm 之間，為小孔隙和細(xì)孔隙。連接孔隙之間的喉道主要有兩種形式，一種是以殘余孔隙為主的喉道，另一種是微孔隙為主的喉道中值半徑集中在0.01 ～0.28 之間，主要為微喉，有少量樣品為微細(xì)喉。

參照前人對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組的孔喉結(jié)構(gòu)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為研究區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)層發(fā)育小孔-微細(xì)喉型、小孔-微喉和細(xì)孔-微喉型3 類孔隙結(jié)構(gòu)，其中第一類小孔-微細(xì)喉型為最佳儲(chǔ)層，但在研究區(qū)所取樣品中分布較少，主要發(fā)育的孔吼結(jié)構(gòu)為小孔-微喉型和細(xì)孔-微喉型。

表5 金莊長(zhǎng)6 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型及其毛管壓力參數(shù)Tab.5 Parameters of reservoir pore structure types and capillary pressure of Chang 6 in Jinzhuang

4 結(jié) 論

1)金莊地區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)層以細(xì)砂巖、中-細(xì)砂巖為主，主要膠結(jié)物組分為方解石、濁沸石和綠泥石，成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度高;

2)金莊地區(qū)長(zhǎng)6 主要成巖作用有壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用和溶解作用;

3)金莊地區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)層以原生粒間孔和次生溶孔為主，主要發(fā)育小孔-微細(xì)喉型、小孔-微喉和細(xì)孔-微喉型3 類孔隙結(jié)構(gòu)，其中第一類小孔-微細(xì)喉型為最佳儲(chǔ)層。

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