下?lián)P子黃橋地區(qū)二疊系龍?zhí)督M儲層特征及成巖演化模式

張 妮，林春明，俞 昊，張 霞

(1.金陵科技學院材料工程學院，江蘇 南京 211169;2.內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023;3.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023;4.中國石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

目前，隨著油氣勘探開發(fā)的深入，大型構造油氣藏的發(fā)現(xiàn)率逐漸降低，巖性油氣藏已逐漸成為油氣勘探開發(fā)的重要對象和焦點問題(張永鴻，1991;郭念發(fā)，1996;俞凱等，2001;花彩霞，2014)。近年來，隨著巖性油氣藏勘探開發(fā)配套技術的重大突破，下?lián)P子黃橋地區(qū)多口井在二疊系龍?zhí)督M獲得突破，證實該區(qū)具備巖性油氣藏勘探開發(fā)的良好資源條件?，F(xiàn)有儲層物性及測井解釋成果顯示，黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的平均孔隙度為5.74%，平均滲透率為0.32×10－3μm2，屬特低孔－超低滲儲層，同時具有極大的非均質性。雖然受后期改造作用，黃橋地區(qū)儲層物性包括孔隙度和滲透率均較低，但也具有裂縫、溶蝕孔洞發(fā)育的優(yōu)勢(李建青等，2012，2013;陳順勇等，2013)。由于該區(qū)儲層研究程度較低，其儲層非均質性的根源問題一直以來困擾著該區(qū)油氣勘探開發(fā)(李伶俐等，2013;蔡佳等，2014)。本次研究以黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層作為研究對象，通過大量巖石薄片和鑄體薄片鑒定，并借助掃描電鏡觀察等手段對研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖儲層的巖石學特征、成巖作用和儲層物性進行了詳細、深入的研究，探討黃橋地區(qū)龍?zhí)督M的成巖作用對儲層物性的具體影響方式，以供對該區(qū)進一步的油氣勘探開發(fā)及優(yōu)質油層預測參考。

1 地質概況

黃橋地區(qū)位于下?lián)P子區(qū)蘇北盆地與蘇南隆起的交接部位，海相中、古生界保存較好，上覆陸相中、新生界厚度大，為油氣前景有利區(qū)之一。前人研究表明，黃橋地區(qū)構造演化經(jīng)歷了印支運動前平穩(wěn)的隆降階段、印支—燕山早中期的擠壓推覆階段和燕山晚期—喜山期的拉張裂陷階段(張永鴻，1991;張建球，1996;任濤，2010;董強強，2011;李建青等，2013)。黃橋地區(qū)儲集層主要包括碳酸鹽巖儲集層和碎屑巖儲集層。相對而言，二疊系的砂巖儲層物性較好，且主要為砂巖孔隙。龍?zhí)督M(P2l)屬于碎屑巖儲層，物性特征多為特低孔－超低滲，為一套濱岸沼澤相的含煤沉積，厚約74 m。根據(jù)巖性特征，龍?zhí)督M碎屑巖儲層由下至上可分為下段、中段和上段，其中下段與孤峰組(P1g)整合接觸，上段與上覆大隆組(P1d)整合接觸(表1)。

表1 下?lián)P子黃橋地區(qū)二疊系龍?zhí)督M地層劃分方案Table 1 Stratigraphic division of the Permian Longtan Formation in the Huangqiao area of the lower Yangtze region

2 儲層巖石學特征

本次研究共采集巖石樣品68個，主要集中于黃橋地區(qū)的溪1、溪2、N9、N5和蘇174井中儲集物性較好的龍?zhí)督M中、上段，下段采集少量樣品做對比分析。巖石薄片鑒定顯示，龍?zhí)督M儲層碎屑成分以石英、長石和巖屑為主，其巖性按“三端元”分類法可劃為巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖(馮增昭，1994)，以中、細粒砂巖為主，砂巖粒度范圍在0.10～0.30 mm之間。砂巖分選差—中等，次圓、次棱角為主，支撐方式為顆粒支撐，接觸方式主要為線－凹凸接觸，巖石膠結類型以接觸式膠結為主，孔隙式膠結次之。膠結物主要為碳酸鹽，巖石結構普遍表現(xiàn)為成分成熟度偏低、結構成熟度中等的特點。

研究區(qū)儲層中的石英質量分數(shù)在59.0%～76.0% 之間，平均為67.5%，以單晶石英為主，含少量多晶石英;石英表面干凈，具有波狀消光，次生加大現(xiàn)象較為普遍;粒度范圍在0.05～0.65 mm之間，石英顆粒分選中等—好，次棱角狀，顆粒之間線接觸為主，當石英次生加大邊發(fā)育時，顆粒呈鑲嵌接觸。長石占巖石總量的5.2% ～12.0%，平均為8.6%，包括鉀長石和斜長石，以斜長石為主。長石的溶蝕現(xiàn)象非常普遍，粒度范圍在0.10～0.80 mm之間，一般在0.20～0.45 mm之間，普遍發(fā)育較為輕微的高嶺石化，并可見到綠泥石化和絹云母化現(xiàn)象。巖屑質量分數(shù)介于9.3% ～21.0%之間，平均15.5%，其中變質巖巖屑質量分數(shù)最高，平均10.1%;沉積巖巖屑質量分數(shù)次之，平均3.3%;巖漿巖巖屑質量分數(shù)最低，平均2.7%。

3 儲層物性的影響因素

一般而言，碎屑巖儲集物性主要受沉積、成巖、構造等諸多因素的控制。特別是成巖作用，它直接控制著黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的儲集性能。

3.1 沉積作用對儲層物性的影響

3.1.1 礦物成分 一般而言，石英砂巖比長石砂巖和巖屑砂巖的儲集物性好。這主要是因為：(1)長石的親水性和親油性比石英強，當被油或水潤濕時，長石表面所形成的液體薄膜比石英表面厚，一般情況下這些液體薄膜不會移動，這在一定程度上減少了孔隙的流動截面積，導致滲透率變小。(2)長石和石英的抗風化能力不同。石英抗風化能力強，顆粒表面光滑，油氣容易通過;長石不耐風化，顆粒表面常有次生高嶺土和絹云母，它們一方面對油氣有吸附作用，另一方面吸水膨脹堵塞原來的孔隙和喉道(范小軍等，2012)。

研究區(qū)儲層巖性以巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖為主，儲層的成分成熟度低。龍?zhí)督M儲層砂巖的孔隙度和滲透率隨著長石和巖屑含量的增加而增加，但與石英的含量相關性差(圖1)。石英含量對孔隙度的影響也具有雙重性：一方面，石英作為剛性顆粒，有增強巖石抗壓實能力的作用，從而有利于原生孔隙的保留;另一方面，如果壓實作用很強，高的石英含量則形成強烈的石英溶解和次生加大充填孔隙，從而降低了儲層孔隙度。研究區(qū)儲層的孔滲值與石英含量的相關性較差，說明由于壓實和壓溶作用的參與，石英含量對儲層性能的正面影響與次面影響相互抵消。

圖1 下?lián)P子黃橋地區(qū)龍?zhí)督M碎屑顆粒質量分數(shù)與孔隙度和滲透率的關系Fig.1 Relationship of clastic grain content with porosity and permeability for the Longtan Formation

由于研究區(qū)儲層中的長石和巖屑含量較高，為后期溶蝕孔隙的發(fā)育提供了良好的物質基礎。雖然溶蝕孔洞為研究區(qū)儲集空間的主要類型，但長石溶蝕作用對孔滲性也有負面影響，表現(xiàn)在隨著偏基性斜長石在熱力學不穩(wěn)定且低溫條件下的大量溶蝕，將伴隨高嶺石和伊利石的沉淀，從而降低孔隙度和滲透率。對薄片鑒定結果進行的統(tǒng)計分析顯示，研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖的孔隙度和滲透率均隨著長石和巖屑含量的增加而得到提高，說明長石的溶蝕作用對該區(qū)儲層性能的正面影響相對其負面影響更占優(yōu)勢，長石和巖屑的高含量均對儲層性能起到了積極作用。

3.1.2 巖石結構 (1)粒度和磨圓度。細粒碎屑磨圓度差，呈棱角狀，顆粒支撐時比較松散，它比圓度好的較粗的砂質沉積可能有更大的孔隙度。然而，細粒沉積物中孔喉小、毛細管壓力大，流體滲濾的阻力大，因此細粒沉積物的滲透率比粗粒的小。龍?zhí)督M碎屑巖以中、細粒砂巖為主，砂巖粒度范圍在0.1～0.3 mm之間，次圓、次棱角為主，支撐方式為顆粒支撐，對儲層的滲透率具有負面作用，對原生孔隙度具有正面作用。但這種粒度對原生孔隙度的積極因素會被膠結作用和壓實作用所抵消，從而使原生孔隙度降低。導致儲層顆粒間的接觸方式主要為線－凹凸接觸，巖石膠結類型以接觸式膠結為主，孔隙式膠結次之。

這樣，傳統(tǒng)理論的、傳授的及教師主導的學習經(jīng)歷便變?yōu)閷嵺`的、發(fā)現(xiàn)的及自我主導的新方法，更為有效。在觀察這一轉變時，我們會看到一個重要的轉變，即把學和教的程序倒轉來：不先教本來想教的知識，而是提出問題并提供環(huán)境，讓學生自己先發(fā)現(xiàn)知識，然后鞏固它作為學習。

(2)分選性。在粒度相近的情況下，分選差的碎屑巖因細小的碎屑充填了顆粒間孔隙和喉道，不僅降低了孔隙度，而且降低了滲透率。研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖的分選差—中等，在很大程度上影響了儲層物性。

由此可見，沉積作用對龍?zhí)督M碎屑巖的礦物成分、結構、粒度、分選、磨圓度等方面都起著明顯的控制作用，而這些因素對研究區(qū)儲層物性都有不同程度的影響?？傮w而言，礦物粒度、分選性和磨圓度等因素對儲層物性的影響以負面為主，直接導致研究區(qū)儲層的低孔滲值。礦物成分對儲層物性的影響則主要借助成巖作用，具體表現(xiàn)在長石和巖屑對儲層物性具有積極作用，而石英對儲層性能的正面影響與次面影響相互抵消。

3.2 成巖作用對儲層物性的影響

3.2.1 壓實作用對儲層物性的影響 沉積物的組分、分選性、粒度、磨圓度等對機械壓實作用有相當?shù)挠绊?，例如巖石中塑性組分含量越高，巖石越容易被機械壓實。隨著壓實作用的增強，巖石的孔隙度逐漸減小(汪文洋等，2013)。前人研究認為，若初始孔隙度為70%，在埋深2 000 m時，巖石的孔隙度只相當于初始孔隙度的一半;當埋深到達2 300 m時，巖石孔隙度僅為原來的1/5，近80%的孔隙度都因壓實作用而損失了(馮增昭，1994)。但是，壓實作用還可以在埋深較大時在巖石中形成欠壓實帶，使得壓實作用對孔隙度的影響程度減小，從而使埋藏較深的巖石中仍能保存一定量的原生孔隙。

黃橋地區(qū)龍?zhí)督M的壓實作用主要發(fā)生在早成巖期和中成巖A期。鏡下觀察可見，研究區(qū)龍?zhí)督M儲層的壓實作用為中等—強烈，顆粒緊密堆積，是導致研究區(qū)砂巖原生孔隙喪失以及儲層孔隙度、滲透率降低的的主要因素之一。在早期成巖階段發(fā)生的機械壓實作用下，研究區(qū)儲層中的巖石顆粒間多為線接觸和凹凸接觸，偶爾出現(xiàn)縫合接觸。云母碎片在壓實作用下發(fā)生明顯的塑性變形，質軟的泥巖巖屑在壓實作用下被擠入孔隙中形成假雜基，從而阻塞孔隙空間，導致原生粒間孔大量喪失，滲透率急劇降低。1 500～1 800 m埋深區(qū)間，孔滲值與埋深的相關性較差，說明壓實作用對儲層物性的影響很小;1 800～2 000 m埋深區(qū)間，孔滲條件較好，說明溶蝕作用造成的次生孔隙多于壓實作用喪失的原生孔隙，溶蝕作用對物性的影響強于壓實作用;2 200～2 600 m埋深區(qū)間，孔滲值明顯降低，說明壓實作用對物性的影響較為強烈(圖2)。

圖2 龍?zhí)督M的孔隙度和滲透率隨埋深變化Fig.2 Variations of porosity and permeability with the burial depth for the Longtan Formation

3.2.2 膠結作用對儲層物性的影響 (1)碳酸鹽膠結作用。研究區(qū)碳酸鹽膠結物主要為亮晶或泥晶方解石，膠結方式包括基底式和孔隙式，自形—半自形。含少量鐵方解石膠結物，形成相對較晚，主要為孔隙式膠結，呈不規(guī)則晶粒狀充填粒間。由于區(qū)內碳酸鹽膠結物在顆粒接觸部位不甚發(fā)育，表明該膠結物主要形成于壓實作用后期，在溶蝕作用中不僅未對儲集層性能的改善發(fā)揮作用，甚至起到了堵塞孔隙的負作用(圖3a)。

(2)硅質膠結作用。主要表現(xiàn)為石英的次生加大，出現(xiàn)在中成巖晚期至晚成巖早期。由于受其他類型膠結物分布狀態(tài)的影響，石英次生加大邊很不規(guī)則，加大邊厚0.02～0.08 mm，常以很薄的黏土膜與碎屑石英分開且不連續(xù)。相對碳酸鹽的膠結作用而言，研究區(qū)的硅質膠結作用對儲集性能的影響較弱，但部分發(fā)育較好的石英次生加大邊在某種程度上會充填孔隙并堵塞喉道，從而降低了儲層的孔、滲性能(圖3b)。

圖3 龍?zhí)督M儲層碎屑巖的鏡下膠結作用Fig.3 Cementation of clastic rocks under microscopes in the Longtan Formation

(3)自生黏土礦物膠結作用。國內外研究表明，黏土礦物與次生孔隙的形成密不可分，都是大氣水或壓實地層水與巖石顆?；蚧|長期化學反應的結果(Surdam et al，1989)。在沉積、成巖條件大致相同的情況下，黏土礦物含量越高，砂巖的孔隙度和滲透率就越低，儲集性能就越差(劉林玉等，1998;漆濱汶等，2007;張妮等，2011)。研究區(qū)儲層的自生黏土礦物成分主要是以蜂窩狀集合體充填粒間的伊－蒙混層(I/S混層比多為15% ～20%)(圖4a)，其次是分布在顆粒間隙和顆粒表面并呈顆粒包膜式產(chǎn)出的伊利石(圖4b)和呈散點式孔隙充填粒間的高嶺石(圖4c)。

圖4 龍?zhí)督M儲層砂巖孔隙內的掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of sandstone porosity in the Longtan Formation

3.2.3 溶蝕作用對儲層物性的影響 黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的溶蝕作用形成了各種類型的次生孔隙，成為研究區(qū)儲層中主要的孔隙類型，極大地改善了儲層的物性，說明研究區(qū)儲層中流體的總體活動較強。據(jù)光學顯微鏡及掃描電鏡觀察，溶蝕作用對研究區(qū)儲層改善最明顯的階段集中在早成巖B期，這主要是由于早成巖B期為有機質成熟期，在有機質成熟過程中會排出大量的有機酸和無機酸(游國慶等，2006)。隨著埋藏深度的增加，有機質熱脫羧作用和其他過程使成巖孔隙水變?yōu)樗嵝?，產(chǎn)生了大規(guī)模的地質流體作用。在酸性環(huán)境下，長石、巖屑和碳酸鹽容易發(fā)生溶蝕，普遍的骨架顆粒和填隙物的溶蝕形成了占主導地位的次生孔隙(張金亮等，2003)。

研究區(qū)顆粒的溶蝕作用包括2類：(1)石英、長石、巖屑等顆粒邊緣遭受溶蝕或直接溶蝕成溶蝕粒內孔(圖5a);(2)長石及巖屑等顆粒先為碳酸鹽礦物交代，碳酸鹽礦物再被溶蝕形成溶蝕粒內孔及溶蝕粒間孔(圖5b)。研究區(qū)儲層的孔隙類型以溶蝕粒間孔為主，少量粒內溶孔及原生粒間孔，其中溶蝕粒間孔形態(tài)不規(guī)則，邊緣多呈溶蝕港灣狀，孔隙邊緣見明顯的溶蝕現(xiàn)象。

3.2.4 交代作用對儲層物性的影響 研究區(qū)儲層的交代作用主要有碳酸鹽交代石英和巖屑、長石以及長石顆粒的黏土化等。黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層中交代作用普遍不顯著，且主要表現(xiàn)為方解石交代石英顆粒，其中溪2井的交代作用相對較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為長石、云母的黏土化或碳酸鹽對石英、長石顆粒的交代，說明溪2井中流體的總體活動相對較強?？傮w而言，交代作用對研究區(qū)儲層物性的影響較小。

綜上所述，研究區(qū)龍?zhí)督M儲層的壓實作用和膠結作用使儲層原生孔隙迅速減少、滲透率降低、儲集物性變差;而溶解作用則是導致次生孔隙發(fā)育及改善砂巖儲集性能的主要因素;交代作用主要為碳酸鹽膠結物交代石英、長石及巖屑顆粒等，對研究區(qū)儲層物性的影響較小。由于壓實作用和膠結作用共存并相互制約，早期形成的賦存于粒間的膠結物可阻礙壓實作用的進程，而在壓實期后形成的賦存于粒間的膠結物對壓實作用幾乎不產(chǎn)生影響。研究區(qū)砂巖中的膠結物大部分充填粒間，說明膠結作用形成于機械壓實之后或后期。

4 成巖演化模式

4.1 成巖階段劃分

圖5 龍?zhí)督M儲層碎屑巖的鏡下溶蝕作用Fig.5 Dissolution under microscope of reservoir clastic rocks in the Longtan Formation

研究區(qū)龍?zhí)督M儲層砂巖中碳酸鹽以泥晶方解石和亮晶方解石為主;石英一部分呈次生加大膠結，其中有的石英顆粒邊緣呈Ⅲ級次生加大，另一部分呈自形晶體充填孔隙;自生黏土礦物以伊利石－蒙脫石混層和伊利石為主，其次為高嶺石，少量綠泥石，綠泥石主要為孔隙充填，幾乎未見蒙脫石，反映了中成巖中晚期特征。砂巖所涉及的溶蝕成分主要為長石、巖屑和石英顆粒及雜基，溶蝕的順序表現(xiàn)為長石和巖屑的早期溶蝕，石英的后期溶蝕，該現(xiàn)象說明了早期的酸性水介質向后期的堿性水介質轉變的特征。且石英的溶蝕與后期的方解石和菱鐵礦膠結作用共同反映了中成巖作用階段的中、晚期特征。碎屑顆粒之間以線接觸－凹凸接觸為主，點接觸少見;以上顆粒接觸關系表現(xiàn)為成巖中期的致密壓實特征。因此，該區(qū)龍?zhí)督M儲集層主要處于中成巖B期階段，這一時期儲集層非常容易形成較發(fā)育的溶蝕型次生孔隙。

4.2 成巖演化模式

根據(jù)下?lián)P子黃橋地區(qū)溪1井埋藏史顯示，二疊紀以來，黃橋地區(qū)發(fā)育3次顯著的沉降－抬升剝蝕演化過程，即三疊紀末的沉降剝蝕史、侏羅紀—白堊紀的沉降剝蝕史和古近紀的沉降剝蝕史。古近紀的剝蝕量可能對油氣儲層的形成有重要影響，而前2次的剝蝕量影響相對較小(郭念法，1996;李建青等，2013)。黃橋地區(qū)構造演化史和埋藏史的研究表明，龍?zhí)督M儲層主要受漸進埋藏作用的影響，該成巖體系表現(xiàn)為儲層隨上覆沉積物的不斷沉積，埋深持續(xù)增大，地溫逐漸升高。

黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層沉積后到侏羅紀早期經(jīng)歷了同生成巖和早成巖階段A期，以機械壓實、鐵鎂物質水解、顆粒包膜和泥晶方解石的膠結作用為主，原生孔隙已大量消失。隨后龍?zhí)督M儲層繼續(xù)埋藏，進入早成巖階段B期，主要成巖事件包括石英次生加大、早期亮晶方解石及伊利石－蒙脫石混層黏土礦物的形成等。機械壓實作用較早成巖階段A期要弱，原生粒間孔含量繼續(xù)減小，到早成巖階段末期達到最小。侏羅紀中期—白堊紀末期，龍?zhí)督M儲層進入中成巖階段A期，此時烴源巖開始生烴，排出大量有機酸，造成長石等鋁硅酸巖和早期碳酸鹽膠結物顯著溶蝕，形成大量溶蝕孔隙，同時因鋁硅酸鹽的溶蝕造成高嶺石、自生石英雛晶和石英次生加大邊的形成。古近紀早期進入中成巖階段B期，達到最大埋深，此時砂巖中石英次生加大作用即將結束，石英和長石具有加大邊，多呈鑲嵌狀，高嶺石明顯減少或缺失(圖6)。因此，黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的中成巖階段A期是油氣注入階段，結合成巖作用特征，該成巖期晚期即白堊紀晚期的油氣注入達到頂峰，也是該區(qū)油氣藏形成的最佳時期。這一觀點與前人通過流體包裹體研究該區(qū)成藏期次的結果一致(李建青等，2013)。

5 結論

(1)黃橋地區(qū)龍?zhí)督M碎屑巖的礦物粒度、分選性和磨圓度等因素對儲層物性的影響以負面為主，直接導致了研究區(qū)儲層的低孔滲值。

(2)在成巖過程中，壓實作用和膠結作用使研究區(qū)龍?zhí)督M的儲集物性變差，膠結作用主要形成于機械壓實作用之后或后期;溶解作用是導致該區(qū)次生孔隙發(fā)育及改善砂巖儲集性能的主要因素;交代作用對研究區(qū)儲層物性的影響較小。

圖6 龍?zhí)督M儲層成巖演化和孔隙演化模式圖Fig.6 Model showing reservoir diagenetic evolution and pore evolution of the Longtan Formation

(3)研究區(qū)龍?zhí)督M儲層主要處于中成巖B期階段，這一時期儲集層非常容易形成較發(fā)育的溶蝕型次生孔隙。

(4)結合成巖作用特征和研究區(qū)成巖演化模式，該區(qū)龍?zhí)督M的成巖過程中，中成巖階段A期晚期(白堊紀晚期)是該區(qū)油氣藏形成的最佳時期。

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