延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層孔隙特征與成巖作用研究

沈 英，韓小琴，程玉群，吳春燕，呂迎紅，王 凱

(陜西延長(zhǎng)石油 (集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

延長(zhǎng)探區(qū)天然氣歷經(jīng)十余年勘探開(kāi)發(fā)，已在上古生界石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、石盒子組及石千峰組鉆遇良好氣層。多年勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，上古生界是延長(zhǎng)探區(qū)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目的層系，主要含氣層段為二疊系下石盒子組盒8段、山西組山1段和山2段及石炭系本溪組，儲(chǔ)層以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、石英砂巖為主。從主要含氣層段儲(chǔ)層平面展布和產(chǎn)氣特征來(lái)看，山西組山2段儲(chǔ)層平面展布范圍廣，單井產(chǎn)量高，為延長(zhǎng)探區(qū)的主力含氣層段;本溪組儲(chǔ)層主要分布于延長(zhǎng)探區(qū)東南部，單井最高日產(chǎn)可達(dá)百萬(wàn)立方米以上，屬高產(chǎn)、相對(duì)高壓含氣層段;下石盒子組盒8段和山西組山1段儲(chǔ)層集中分布在延長(zhǎng)探區(qū)北部、西部，平面展布范圍較小，單井產(chǎn)量較低。從地層壓力特征來(lái)看，本溪組地層壓力系數(shù)較高，為0.82～1.1;相對(duì)而言，盒8段、山1段、山2段地層壓力系數(shù)為0.75～0.95，低于本溪組地層壓力。

本文以本溪組、盒8段、山23段作為重點(diǎn)研究層段，借助微觀測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)目的層段砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型、孔喉特征及孔隙演化進(jìn)行研究，明確該區(qū)儲(chǔ)層孔隙特征及成因類型，探討儲(chǔ)層孔隙特征與成巖作用之間的關(guān)系。

1 巖石學(xué)特征

鏡下觀察表明，延長(zhǎng)探區(qū)本溪組、盒8段、山23段的巖石學(xué)特征總體相似，儲(chǔ)層巖性較粗，以中粒砂巖為主，次為中粗粒和巨粒砂巖;巖石分選中等，磨圓度為圓狀—次圓狀。礦物成分中，石英含量偏高，平均含量為64.7%～81%，其中本溪組石英含量最高;長(zhǎng)石含量很低，平均為0.1%～0.3%;巖屑平均含量為5.3%～17.1%，以變質(zhì)巖巖屑為主 (表1)。

表1 研究區(qū)目的層段主要巖石組分統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of major rock components in target intervals of the study area

儲(chǔ)層巖性主要為巖屑石英砂巖和石英砂巖。粒間填隙物主要為自生石英 (多為石英顆粒的次生加大邊，加大后常能達(dá)到Ⅱ—Ⅲ級(jí))、薄膜狀分布的綠泥石、結(jié)晶程度較高的高嶺石、水云母或云母化泥質(zhì)雜基、方解石及鐵白云石等 (圖1)。

圖1 研究區(qū)儲(chǔ)層主要填隙物特征Fig.1 Characters of interstitial materials in the reservoir of study area

2 孔隙類型及特征

本文涉及的24口井80塊樣品分布于延長(zhǎng)探區(qū)上古生界各含氣區(qū)塊的主力含氣層段，具有較好代表性。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，目的層段主要孔隙組合類型為剩余粒間孔+粒間溶孔+顆粒溶孔+高嶺石晶間孔。從孔隙成因劃分來(lái)看，一類為原生孔隙，即剩余粒間孔和高嶺石晶間孔 (圖2a、b);另一類為次生孔隙，即粒間溶孔和顆粒溶孔，顆粒溶孔以長(zhǎng)石顆粒粒內(nèi)溶孔為主，次為巖屑顆粒粒內(nèi)溶孔 (圖2c—f)。次生成因的溶蝕孔隙為該區(qū)上古生界主要孔隙類型。表2為延長(zhǎng)探區(qū)主力含氣層段的孔隙類型及目估面孔率統(tǒng)計(jì)表。

圖2 研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙特征Fig.2 Pore characters of the reservoir in study area

表2 各層段儲(chǔ)層孔隙類型及發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of main pore types and development of different intervals

從平面展布來(lái)看，本溪組孔隙主要發(fā)育于探區(qū)南部的部分井和探區(qū)東部的個(gè)別井中;山23段孔隙主要發(fā)育在東部探區(qū)和北部探區(qū)的個(gè)別井中;盒8段孔隙分布廣泛，除東部探區(qū)外，其他各區(qū)均有不同程度的發(fā)育。

從孔隙的縱向發(fā)育特征來(lái)看，隨著儲(chǔ)層埋深的加大，目估面孔率具有明顯增大的趨勢(shì);其中次生成因的溶蝕孔隙的面孔率增大較快，次生孔隙從盒8段的0.45%增大到本溪組的2%，說(shuō)明次生溶蝕孔隙的發(fā)育與深度關(guān)系密切 (表2)。

3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

壓汞法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能較好地表征儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征;其主要參數(shù)有排驅(qū)壓力、中值壓力、中值半徑、最大孔喉半徑、歪度、分選系數(shù)及退汞效率等。其中排驅(qū)壓力既反映了巖石孔隙喉道的集中程度，又反映了集中的孔隙喉道的大小，直接反映了儲(chǔ)層的滲透能力;而退汞效率則直接展示了喉道粗細(xì)、孔隙大小及相互連通性，其基本可在巖石鑄體薄片的觀察中得到印證及解釋［1］。

延長(zhǎng)探區(qū)本溪組、盒8段、山23段129塊樣品的壓汞實(shí)驗(yàn)分析表明，各層段毛細(xì)管壓力曲線特征相似，總體表現(xiàn)為低排驅(qū)壓力、分選較好、略細(xì)歪度的特點(diǎn) (表3、圖3);其中本溪組儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)于盒8段和山23段較差。

表3 儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Data of mercury pressure curves of the reservoir

圖3 研究層段儲(chǔ)層典型毛細(xì)管壓力曲線圖Fig.3 Typical mercury pressure curves of the reservoir in target intervals

4 孔隙的成因

延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層處于三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道和河口沙壩等有利沉積相帶［2］，但其成巖作用類型多樣，與孔隙形成密切相關(guān)的主要有壓實(shí)壓溶、膠結(jié)及溶蝕作用。經(jīng)成巖改造后的孔隙主要有兩種成因:一種為成巖后剩余的原生粒間孔，如壓實(shí)壓溶、膠結(jié)作用后的剩余粒間孔和高嶺石晶間孔;一種為次生孔隙，如溶蝕作用后形成的溶蝕孔。

原生孔隙是指沉積后經(jīng)壓實(shí)而未被充填保留下來(lái)的顆粒與顆粒之間的孔隙［3］，形成于成巖早期;其保存主要受地層埋深、碎屑顆粒成分、雜基含量及膠結(jié)作用控制。在延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層中，原生粒間孔經(jīng)充填后，以剩余粒間孔和高嶺石晶間孔的形式得以保存 (圖4a)。石英顆粒次生加大一方面使部分顆粒間孔隙的空間被占據(jù)，減小了孔隙度;另一方面較早期形成的石英次生加大邊又對(duì)壓實(shí)作用具有抑制作用，對(duì)孔隙起到一定的保護(hù)作用［4］。高嶺石結(jié)晶程度較高，呈分散質(zhì)點(diǎn)狀充填粒間;砂巖滲流孔隙均以晶間孔為主，孔隙半徑相對(duì)較大，連通性較好［5］;研究顯示，砂巖中黏土含量愈高，則晶間微孔愈多［6］，滲透性也較好。

次生孔隙是指因溶蝕而產(chǎn)生的孔隙，形成于成巖中晚期。伴隨埋深增加，在地溫為80～120℃時(shí)，烴源巖進(jìn)入成熟高峰期，產(chǎn)生了酸溶性組分，石英砂巖中的易溶組分，如火山巖屑、凝灰?guī)r巖屑、長(zhǎng)石、綠泥石、黑云母、凝灰質(zhì)火山灰、玻屑、巖屑、晶屑等產(chǎn)生普遍、廣泛的溶解作用而形成次生孔隙［7］。在延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層中以顆粒溶孔為主;顆粒溶孔指顆粒內(nèi)部的可溶物被溶，或沿解理等易溶部位發(fā)生溶解而形成的孔隙［8］。研究區(qū)目的層段儲(chǔ)層中易發(fā)生溶蝕的碎屑顆粒主要為長(zhǎng)石碎屑和凝灰質(zhì)巖屑顆粒 (圖4b);長(zhǎng)石碎屑常沿解理溶蝕，形成不規(guī)則的粒內(nèi)溶孔，偶見(jiàn)個(gè)別碎屑顆粒被完全溶蝕，形成鑄?？?。

圖4 原生孔隙和次生孔隙特征Fig.4 Characters of primary pores and secondary pores

5 孔隙形成與成巖作用的關(guān)系

研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層普遍具有以下特征:①砂巖固結(jié)程度高，致密塊狀構(gòu)造，顆粒間一般呈凹凸—線狀接觸;②硅質(zhì)膠結(jié)表現(xiàn)為石英次生加大，加大程度普遍可達(dá)Ⅱ—Ⅲ級(jí)，硅質(zhì)膠結(jié)物平均含量為2.6%～3.6%;③高嶺石呈六方片狀、集合體狀堆積于長(zhǎng)石溶孔或粒間溶孔中，高嶺石晶間孔發(fā)育較好，具有這種晶形的高嶺石通常來(lái)源于化學(xué)沉淀作用;④碳酸鹽類膠結(jié)物發(fā)育普遍，以方解石、鐵白云石和菱鐵礦為主，且見(jiàn)到碳酸鹽礦物溶解現(xiàn)象;⑤局部巖石中可見(jiàn)微裂縫發(fā)育。

綜上所述成巖特征，據(jù)裘亦楠等［9］的成巖階段劃分方案及標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)探區(qū)本溪組、盒8段、山23段儲(chǔ)層屬于晚成巖B期，其成巖演化序列見(jiàn)圖5。影響砂巖儲(chǔ)層孔隙成因的成巖作用主要有壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用。

5.1 壓實(shí)壓溶作用

壓實(shí)壓溶作用是儲(chǔ)層物性變差的主要原因。成巖早期形成的原生粒間孔，到了早成巖晚期和晚成巖期，在深埋藏、較高地溫條件下，會(huì)發(fā)生壓實(shí)壓溶作用，致使骨架顆粒間發(fā)生物理化學(xué)作用，部分塑性巖屑受上覆地層壓力的影響，發(fā)生揉皺變形，呈假雜基狀分布于顆粒之間，在顆粒間形成線狀、凹凸、縫合線狀鑲嵌接觸 (圖6a);這個(gè)過(guò)程會(huì)伴隨壓溶作用發(fā)生，而壓溶通常與自生石英的加大作用相伴?？梢?jiàn)，壓實(shí)壓溶作用是造成砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能變差的主要原因。壓實(shí)作用愈強(qiáng)，損失的孔隙度愈多［10］，最終使砂巖變?yōu)橹旅軆?chǔ)層。

5.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性具有較強(qiáng)的破壞作用。在延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層中，經(jīng)歷的膠結(jié)作用有:石英顆粒的次生加大、碳酸鹽的交代、自生黏土礦物的形成等。在早成巖中晚期和晚成巖早期，各種礦物的膠結(jié)順序依次為自生石英 (石英次生加大)→綠泥石薄膜→高嶺石 (主要由黏土礦物轉(zhuǎn)化而來(lái))(圖6b、c);到了晚成巖早中期，早期形成的方解石對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行了交代和膠結(jié);至晚成巖晚期，隨著孔隙水中Fe2+離子的增加，后期形成的鐵白云石又對(duì)方解石進(jìn)行了交代。一系列的充填、膠結(jié)、交代作用降低了巖石孔隙度，對(duì)儲(chǔ)層物性起到了破壞作用。

圖5 目的層段儲(chǔ)層成巖演化序列Fig.5 Diagenetic evolution sequence of the reservoir in target intervals

圖6 目的層段儲(chǔ)層主要成巖作用Fig.6 Main diagenesis of the reservoir in target intervals

5.3 溶蝕作用

對(duì)儲(chǔ)層物性具有建設(shè)性的成巖作用是溶蝕作用。溶蝕孔隙是由于碳酸鹽、長(zhǎng)石、硫酸鹽或者其他可溶物質(zhì)的遷移而形成的［11］;可溶組分可以是碎屑顆粒、自生膠結(jié)物或交代礦物。在延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層中，溶蝕作用主要發(fā)生在粒間填隙物和部分碎屑顆粒 (如長(zhǎng)石碎屑、巖屑顆粒)中，形成的粒間溶孔和顆粒溶孔改善了儲(chǔ)層孔滲條件［12］。

多年研究表明，延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層中的溶蝕作用發(fā)生于鐵白云石形成后，即晚成巖期。此時(shí)，既有堿性介質(zhì)條件下形成的長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的溶蝕，又有酸性介質(zhì)條件下的硅質(zhì)次生加大及自生高嶺石礦物的形成，說(shuō)明研究區(qū)上古生界經(jīng)歷了酸堿介質(zhì)的多期次介入。油氣成藏期次研究證實(shí)，延長(zhǎng)探區(qū)上古生界烴源巖在早侏羅世進(jìn)入成熟階段，晚侏羅世進(jìn)入高成熟階段，早白堊世晚期以來(lái)生烴作用減弱;延長(zhǎng)探區(qū)烴源巖主生烴期為晚侏羅世—早白堊世［11］。在延長(zhǎng)探區(qū)上古生界烴源巖的主生烴期，由于大量有機(jī)酸持續(xù)進(jìn)入，不斷溶解砂巖儲(chǔ)層中的長(zhǎng)石、凝灰質(zhì)巖屑等骨架顆粒及碳酸鹽膠結(jié)物，在砂巖儲(chǔ)層中產(chǎn)生了大量的次生溶蝕孔隙，極大改善了砂巖儲(chǔ)層的物性，使得油氣得以在本溪組、山西組、下石盒子組等砂巖儲(chǔ)層內(nèi)富集成藏，形成了延長(zhǎng)探區(qū)上古生界主要含氣層系。延長(zhǎng)探區(qū)上古生界的勘探結(jié)果印證了這一認(rèn)識(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)延長(zhǎng)探區(qū)上古生界儲(chǔ)層巖性較粗，以中粒砂巖為主，巖石分選中等，礦物成分中石英含量偏高。

(2)上古生界儲(chǔ)層的主要孔隙類型為原生孔隙 (包括剩余粒間孔和高嶺石晶間孔)和次生孔隙 (即粒間溶孔和顆粒溶孔)，次生孔隙目估面孔率略高于原生孔隙的目估面孔率。

(3)研究區(qū)儲(chǔ)層成巖作用階段屬于晚成巖B期，經(jīng)歷的成巖作用主要有壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用;其中壓實(shí)壓溶、膠結(jié)作用對(duì)孔隙具有較大的破壞性，而溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)集空間的形成具有建設(shè)作用。

(4)晚成巖晚期形成的溶蝕孔隙改善了儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率，提高了儲(chǔ)層物性，利于油氣運(yùn)聚成藏。

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