特低滲油藏成巖作用及其對孔隙演化的影響
——以甘谷驛油田長6儲層為例

曹 尚，黨海龍，龐振宇，時丕同，白 璞，丁 磊，石 彬.

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

甘谷驛油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶東部，唐157井區(qū)位于甘谷驛油田西北部，面積約8.32 km2，其中的長6儲層屬于曲流河三角洲沉積體系。該區(qū)為典型的低滲透致密砂巖儲層，其成巖作用類型復雜，在埋藏成巖過程中，各種成巖作用對砂巖原生孔隙的保存和次生孔隙的發(fā)育都產(chǎn)生一定的影響。本文以物性、鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射等實驗測試結(jié)果為基礎(chǔ)，對低滲透致密砂巖儲層的物性變化特征、成巖作用進行研究，揭示成巖作用與物性變化的關(guān)系。

1 巖石學特征

甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層巖石類型主要為長石砂巖，含量達54.84%；石英含量次之，為21.93%；巖屑最少，平均含量只有8.33%。其中，長石砂巖包括鉀長石(38.84%)和斜長石(16%)，鉀長石含量相對較高，長石的含量遠高于石英和巖屑。沉積巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑是構(gòu)成該區(qū)巖屑成分的主體，該區(qū)重礦物含量相對較少，主要為穩(wěn)定性差的黃鐵礦、綠簾石和較穩(wěn)定的榍石等(圖1、圖2)。

圖1 甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層巖石類型三角圖Fig.1 Triangular diagram showing classification of Chang-6 sandstones Ⅰ.石英砂巖；Ⅱ.長石質(zhì)石英砂巖；Ⅲ.巖屑質(zhì)石英砂巖； Ⅳ.長石巖屑石英砂；Ⅴ.長石砂巖；Ⅵ.巖屑質(zhì)長石砂巖； Ⅶ.長石巖屑砂巖；Ⅷ.巖屑砂巖

圖2 甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層巖石學特征含量Fig.2 Content of minerals of Chang-6 sandstones

填隙物含量(圖2)占14.9%，其中雜基是主要部分，平均為9.8%，主要包括綠泥石、伊利石和水云母；膠結(jié)物所占百分比相對較低，平均為5.1%，方解石占主要地位；次生加大的長石、石英的含量相對較少。通過掃描電子顯微鏡觀察填隙物的產(chǎn)狀，主要為針絲狀伊利石溶蝕、花瓣狀綠泥石薄膜襯邊，石英和長石的次生加大、蠕蟲狀高嶺石集合體及次生鈉長石晶體。研究區(qū)含有大量長石、巖屑，該類碎屑礦物在搬運過程中易受風化和滾動磨損，所以研究區(qū)碎屑顆粒的磨圓度整體較好，主要為次圓—次棱角狀，同時含有少量的次棱—棱角狀和次棱角狀；分選性中等—較好，以孔隙式、薄膜式及孔隙—薄膜式膠結(jié)方式為主；支撐方式為顆粒支撐；顆粒間的接觸方式主要為線接觸或點—線接觸，偶爾可見凹凸接觸或縫合線接觸。

2 成巖作用特征

成巖作用[1-4]控制著孔隙演化的方向，影響儲層物性，研究成巖作用對于查明儲層物性成因具有重要意義。

2.1 壓實(溶)作用

研究區(qū)長6儲層的壓實、壓溶作用較為強烈，巖石壓實率可達59.3%以上。顆粒排列更加緊密，原生孔隙空間縮小，石英、長石等剛性礦物顆粒受到超過其抗壓強度的上覆壓力后破裂，云母、泥巖等塑性顆粒被擠壓后發(fā)生彎曲、變形、位移和再分配(圖3a)。機械壓實作用使原生粒間孔縮小甚至消失，導致儲層物性變差，儲層的儲集能力和連通能力也變差。而化學壓溶作用發(fā)生于中、晚成巖時期，顆粒間由點—線接觸逐漸變?yōu)榘纪埂p合線接觸，如大量出溶的SiO2在顆粒邊緣形成次生加大邊(圖3b)。

2.2 膠結(jié)作用

2.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)的硅質(zhì)膠結(jié)主要以石英次生加大(壓實之前或同期)和不連續(xù)的微晶石英顆粒(壓實期之后)兩種形式產(chǎn)出。石英的次生加大導致石英顆粒之間呈緊密的線接觸或凹凸接觸，使原生粒間孔被填充，次生加大邊的發(fā)育程度受硅質(zhì)膠結(jié)的物質(zhì)來源和可生長空間的大小雙重控制。微晶石英顆粒通常形成于碎屑顆粒表面，或者充填于孔喉之中，呈現(xiàn)孔隙充填式，周圍常伴有綠泥石薄膜的存在；微晶石英顆粒較小，多呈六方柱和三方偏方面體分布。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)的主要來源：蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中，可釋放大量硅離子；長石、巖屑等在酸性流體作用下的溶蝕可釋放出大量的硅離子，也為研究區(qū)儲層中硅質(zhì)膠結(jié)提供了物質(zhì)來源(圖3c)。

2.2.2 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)物有鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦等。唐157井區(qū)以鐵方解石膠結(jié)物為主。長6儲層碳酸鹽膠結(jié)物含量一般占膠結(jié)物總量的9.8%～19.2%，極個別巖樣最高能達到66.3%(圖3d)。

研究區(qū)方解石膠結(jié)物可分為早晚兩期，長6儲層早期方解石膠結(jié)物較晚期鐵方解石膠結(jié)物常見。早期方解石膠結(jié)物的主要特征是：不含二價鐵離子，主要充填于碎屑顆粒之間，堵塞了部分原生孔隙和喉道，降低了流體的滲流能力。晚期方解石膠結(jié)物的主要特征是：富含二價鐵離子，陰極發(fā)光顯微鏡下呈現(xiàn)出暗橘黃色光、橙紅色光和暗橙紅色光，這是由二價鐵離子含量的不同所造成的。晚期鐵方解石呈現(xiàn)不規(guī)則分布，有的分布在殘余粒間孔中，有的則交代其他碎屑和礦物。在研究區(qū)長6儲層中，方解石交代碎屑造成碎屑顆粒呈孤島式分布的現(xiàn)象較為常見，鐵方解石交代長石的現(xiàn)象較少(圖3e)。

碳酸鹽膠結(jié)對儲層物性的破壞作用較為明顯，堵塞孔隙和喉道，儲層變得異常致密。除了破壞作用之外，早期的碳酸鹽膠結(jié)物在一定程度上起到了抗壓實的作用，從而降低了壓實作用對儲層物性和微觀孔喉結(jié)構(gòu)的破壞，同時又為后期的有機酸溶蝕作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[5-10]。但碳酸鹽膠結(jié)物含量過度，則會完全堵塞孔隙和喉道，導致溶蝕作用難以進行。

2.2.3 黏土礦物膠結(jié)

研究區(qū)黏土礦物膠結(jié)類型多樣(圖3f)，黏土礦物均較為發(fā)育：唐157井區(qū)綠泥石薄膜最為發(fā)育，含少量伊利石及少數(shù)高嶺石。

研究區(qū)的綠泥石薄膜呈現(xiàn)出針葉狀、花瓣狀和絨球狀，它對儲層的作用主要有正反兩方面：一方面，原生孔隙由于綠泥石的充填變得越來越小，從而引起孔隙度和滲透率的降低；另一方面，形成于成巖作用早期的綠泥石薄膜阻礙了孔隙水與巖石顆粒之間的物理化學反應(yīng)，限制了石英次生加大的發(fā)育，從這一方面來說，又有利于原生孔隙的保存。研究區(qū)伊利石多呈絲縷狀、搭橋狀分布于孔喉中，從而使原本的大孔隙、大喉道變成了錯綜復雜、數(shù)量繁多的晶間孔，大大降低了儲層的孔滲性。研究區(qū)呈書頁狀和蠕蟲狀的高嶺石多以分散質(zhì)點式分布于粒間孔隙空間內(nèi)，導致孔隙結(jié)構(gòu)更為復雜，孔隙空間減小。

2.3 溶解作用

研究區(qū)長石含量較高，長石溶孔的面孔率對整個儲層的滲流特征貢獻較大；在堿性環(huán)境中，硅質(zhì)被溶解形成晶內(nèi)微溶孔，顆粒邊緣被溶解成港灣狀(圖3g)。然而碳酸鹽溶解發(fā)育程度不高。

2.4 交代作用

交代作用是指一種礦物被溶解，同時被另一種沉淀的礦物所置換，新礦物與之前被溶礦物之間具有不同的化學組分。交代作用在研究區(qū)發(fā)育較少，主要為方解石交代碎屑顆粒(圖3h)。

圖3 成巖作用特征Fig.3 Diagenetic characteristics a.云母定向排列；b.石英次生加大；c.自生硅質(zhì)充填；d.鐵方解石充填；e.方解石交代碎屑； f.綠泥石薄膜；g.斜長石溶孔；h.方解石交代鐵方解石

3 成巖階段劃分

依據(jù)2003版石油天然氣行業(yè)碎屑巖成巖階段劃分標準(圖4)，結(jié)合有機質(zhì)成熟度、伊/蒙間層礦物、自生礦物和孔隙類型等標志，對甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層成巖階段進行了劃分[11-14]。主要依據(jù)有：研究區(qū)長6儲層對應(yīng)的最大古地溫在175～200 ℃之間，干酪根鏡質(zhì)體反射率Ro為0.7%～1.51%，平均為1.12%左右；伊/蒙間層礦物中蒙皂石層含量在10%～15%之間；硅質(zhì)礦物可見晶形良好的自生石英，黏土礦物主要為綠泥石，碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石；顆粒呈點狀、點—線狀、線狀、凹凸狀接觸，孔隙類型以粒間孔、溶孔為主，部分地區(qū)可見微裂縫。

綜上所述，甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層成巖階段處于晚成巖期。其在埋藏成巖過程中主要經(jīng)歷的成巖作用有：①早成巖階段A期的機械壓實和黏土膜析出；②早成巖階段B期儲層中的部分石英、長石產(chǎn)生壓溶作用，導致次生加大；③晚成巖階段早期的自生礦物開始析出并充填孔隙，使孔隙空間減小，隨后的溶解作用(長石、巖屑及方解石等的溶蝕)又產(chǎn)生了一定數(shù)量的次生孔隙。在強烈的成巖作用之下，使得本區(qū)長6儲層成為典型的特低滲致密砂巖儲層。

圖4 碎屑巖成巖階段劃分(據(jù)石油天然氣行業(yè)標準)Fig.4 The division of diagenetic stages in clastic rocks

4 成巖作用對孔隙演化的影響

由1973年Beard和Weyl提出的經(jīng)驗公式[15]Φ1=20.91+22.90/So(So——特拉斯克分選系數(shù))，估算砂巖的原始孔隙度Φ1約為36.98%；壓實后，由公式Φ2=(粒間孔面孔率+膠結(jié)物溶孔面孔率)/總面孔率×物性分析孔隙度+膠結(jié)物含量，計算剩余粒間孔隙度約為11.41%，進而求出壓實損失孔隙度為25.57%。強烈的壓實作用是造成研究區(qū)砂巖原生孔隙大量喪失的主要原因，特別是對于巖屑和雜基含量較高的砂巖破壞作用更明顯[16-17]。唐157區(qū)塊壓實程度強，原生粒間孔質(zhì)量分數(shù)為0.25%～3.00%，平均值僅為1.48%，即原生粒間孔剩余很少，壓實率為69.15%。

由公式Φ3=粒間孔面孔率/總面孔率×物性分析孔隙度，計算砂巖壓實、膠結(jié)、交代后的剩余粒間孔隙度為5.29%，膠結(jié)損失孔隙度為6.12%。唐157區(qū)塊膠結(jié)作用較強，膠結(jié)率為23.05%。

由公式Φ4=溶蝕孔面孔率/總面孔率×物性分析孔隙度，計算次生孔隙度為4.45%。

根據(jù)上述結(jié)果進行孔隙演化分析推演，得到各成巖階段的孔隙度演化[18-21]。

從圖5中可以看出，研究區(qū)初始孔隙度為36.98%，經(jīng)強烈的壓實作用后，損失了25.57%，壓實損失率為69.15%；硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)、自生黏土礦物膠結(jié)作用使儲層儲集空間變小，損失了6.12%的孔隙度，膠結(jié)損失率為23.05%；溶蝕作用則形成部分次生孔隙，儲層物性得到改善，增加了4.45%的孔隙度；計算目前孔隙度為9.74%。而唐157區(qū)塊長6儲層樣品物性分析及儲集空間的鑒定結(jié)果為：儲層孔隙度為9.48%。誤差率為0.26%。圖6為壓實作用與膠結(jié)作用對孔隙度演化影響評價圖，縱坐標為粒間體積，定量表示壓實所損失的原始孔隙度；橫坐標代表膠結(jié)物百分含量，定量表示膠結(jié)作用所損失的孔隙度；對角線方向的等值線表示粒間孔隙度。左下角以壓實作用為主，右上角以膠結(jié)作用為主，從圖中可以看出，壓實作用在唐157區(qū)塊孔隙演化過程中起到的作用遠大于膠結(jié)作用。

圖5 成巖演化階段孔隙度的演化模式Fig.5 Pore evolution mode of diagenesis phase

圖6 壓實與膠結(jié)作用對孔隙演化的影響評價Fig.6 Impact of compaction and cementation on pore evolution

5 結(jié)論

(1)甘谷驛唐157井區(qū)長6儲層以長石砂巖為主，平均為54.84%，石英次之，平均含量為21.93%；巖屑含量較少，平均含量為5.33%；填隙物含量占14.9%，其中雜基含量為9.8%，膠結(jié)物含量為5.1%。顆粒分選性中等—較好，磨圓度整體較好，膠結(jié)類型以孔隙—薄膜式膠結(jié)方式為主。

(2)壓實作用在該區(qū)成巖演化過程中起主要作用，造成原生孔隙大量喪失，損失了25.57%的孔隙度，壓實損失率為69.15%；其次為膠結(jié)作用，損失了6.12%的孔隙度，膠結(jié)損失率為23.05%。溶蝕作用形成了次生孔隙，增加了4.45%的孔隙度，改善了儲層物性。

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