基于孔隙度演化模擬的低孔低滲砂巖成巖相劃分
——以鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系為例

陳雨龍，張　沖，聶　昕，石文睿，劉敬強，郭冀寧

（長江大學a.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室；b.地球物理與石油資源學院，武漢430100）

基于孔隙度演化模擬的低孔低滲砂巖成巖相劃分
——以鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系為例

陳雨龍，張沖，聶昕，石文睿，劉敬強，郭冀寧

（長江大學a.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室；b.地球物理與石油資源學院，武漢430100）

低孔低滲油氣藏勘探開發(fā)的關(guān)鍵，是預(yù)測其儲集層物性相對較好的區(qū)域，以尋找含油氣有利區(qū)。在一定的沉積環(huán)境下，成巖相是控制儲集層物性的核心因素。劃分油氣富集區(qū)的成巖相，應(yīng)考慮成巖作用對儲集層孔隙空間的影響程度。依據(jù)巖石組分、面孔率以及巖石物性資料，通過孔隙度演化模擬，在原始孔隙度的基礎(chǔ)上模擬出壓實、膠結(jié)和溶蝕等成巖作用前后的孔隙度變化，采用視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率表征成巖作用對孔隙空間的建設(shè)與破壞程度，使得這種作用程度數(shù)據(jù)化。在此基礎(chǔ)上，基于視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率數(shù)據(jù)，將成巖作用分為強、中和弱3類，綜合壓實、膠結(jié)和溶蝕強度，對成巖相進行定量劃分。應(yīng)用此劃分方法，把鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系成巖相劃分為強膠結(jié)強溶蝕相、強膠結(jié)中溶蝕相和中膠結(jié)中溶蝕相3種相類，劃分結(jié)果與巖樣薄片分析結(jié)果一致。

鄂爾多斯盆地；晉西撓曲帶；二疊系；低孔低滲儲集層；砂巖；孔隙度演化模擬；成巖相劃分

中國陸上油氣勘探已進入以巖性、地層等非構(gòu)造油氣藏為重要勘探目標的新階段[1]，在非構(gòu)造油氣藏中，儲集體的品質(zhì)受沉積相和成巖相的綜合影響和控制，其中，沉積相是決定儲集層物性的地質(zhì)基礎(chǔ)，而成巖相是決定優(yōu)質(zhì)儲集層分布的關(guān)鍵[2-3]。在一定區(qū)域的沉積背景下，成巖相是決定儲集層性能和油氣富集的核心要素，通過成巖相的研究有助于儲集層的區(qū)域評價和預(yù)測[1]。

目前國內(nèi)外關(guān)于成巖相劃分尚無統(tǒng)一的方案，劃分標準主要依據(jù)成巖礦物[4-5]、成巖事件[6-7]和成巖環(huán)境[8]等地質(zhì)因素，這些成巖相的劃分并沒有體現(xiàn)成巖相對儲集層品質(zhì)的控制作用和預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲集體的關(guān)鍵。文獻［9］將成巖相劃分為強膠結(jié)擠壓致密型成巖相、中等膠結(jié)溶解型成巖相和弱膠結(jié)成巖相，其中以方沸石和白云石組合膠結(jié)為主的儲集層物性最好；文獻［10］將成巖相劃分為強壓實相、碳酸鹽膠結(jié)相、綠泥石薄膜剩余孔隙相、長石溶蝕相、長石溶蝕+綠泥石薄膜相和高嶺石膠結(jié)相，其中長石溶蝕+綠泥石薄膜相的儲集體物性最好，但這些劃分方案均沒有體現(xiàn)成巖作用影響儲集層物性的具體程度。

本文基于孔隙度演化模擬，依據(jù)薄片資料計算壓實、膠結(jié)和溶蝕作用對儲集層孔隙度的建設(shè)與破壞的程度，采用壓實+膠結(jié)+溶蝕強度的命名依據(jù)，定量進行成巖相的劃分，并應(yīng)用于鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系儲集層的成巖相劃分，旨在預(yù)測低孔低滲儲集層的油氣有利區(qū)。

1　孔隙度演化模擬及成巖相定量劃分

沉積物質(zhì)自進入埋藏成巖環(huán)境后，在溫度、壓力和流體的共同作用下，沉積物之間、沉積物與孔隙水之間將發(fā)生一系列的成巖變化[11]，相比于其他巖石，砂巖孔隙結(jié)構(gòu)更易受成巖作用的影響[12-13]。經(jīng)過壓實和膠結(jié)作用，使得孔隙變小，喉道變窄[14]，而經(jīng)過溶蝕作用，又可使得巖石的孔隙變大，喉道變寬[15-16]。成巖相為特定沉積和成巖環(huán)境中，在成巖作用下，經(jīng)歷一定成巖演化階段的產(chǎn)物，成巖相對儲集層物性具有很強的控制作用。

首先依據(jù)孔隙度演化模擬，使得各成巖作用對孔隙度的作用程度定量化，然后基于成巖作用的強弱程度進行成巖相的劃分，旨在預(yù)測低孔低滲儲集體的有利儲集層。

1.1孔隙度演化模擬

20世紀80年代，Houseknecht在分析石英砂巖成巖演化過程中粒間孔隙的變化規(guī)律時，開創(chuàng)性地利用薄片資料來定量計算壓實和膠結(jié)作用后損失的孔隙度[17-18]，自此，孔隙度演化模擬方法成為預(yù)測砂巖儲集層類型的重要手段之一。此后，國內(nèi)外諸多學者對孔隙度演化模擬進行了深入研究，取得了多方面的成果。

孔隙度演化模擬是在原始孔隙度的基礎(chǔ)上，基于成巖作用的物理、化學模型，主要應(yīng)用薄片實驗分析數(shù)據(jù)資料，模擬在各類成巖作用（如壓實、膠結(jié)和溶蝕作用等）前后孔隙度的減少或增加，采用以下4個步驟得到最終孔隙度[19-23]。

（1）原始孔隙度?1的確定

（2）壓實作用后孔隙度?2的確定

（3）膠結(jié)作用后孔隙度?3的確定

（4）溶蝕作用后孔隙度?4的確定

式中Sd——Trask分選系數(shù)，無量綱；

V——膠結(jié)物體積分數(shù)，%；

ψ1——殘余粒間孔面孔率，%；

ψ2——溶孔面孔率，%；

ψT——總面孔率，%；

?——物性實驗分析孔隙度，%.

1.2基于孔隙度演化模擬的成巖相定量劃分

將碎屑巖壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用對孔隙度的影響程度用視壓實率（α）、視膠結(jié)率（β）和視溶蝕率（γ）來定量表征：

視壓實率α反映機械壓實作用對原始孔隙空間體積的影響程度。一般情況下，α大于0.7時屬于強壓實；α為0.3～0.7時屬于中等壓實；α小于0.3時屬于弱壓實[24-25]。

視膠結(jié)率β反映膠結(jié)作用對壓實后孔隙空間體積的影響程度。一般情況下，β大于0.7時屬于強膠結(jié)；β為0.3～0.7時屬于中等膠結(jié)；β小于0.3時屬于弱膠結(jié)[24-25]。

視溶蝕率γ反映溶蝕作用對儲集層孔隙空間的改造程度，視溶蝕率越大，儲集巖孔隙度越大，孔隙連通性越好。視溶蝕率并沒有統(tǒng)一的指標表征強弱程度，每個目的區(qū)的溶蝕作用程度不一樣，可依據(jù)目的區(qū)特定情況采用相對值表征強、中、弱程度[24-25]。一般情況下，γ大于0.7時屬于強溶蝕；γ為0.3～0.7時屬于中等溶蝕；γ小于0.3時屬于弱溶蝕。

利用薄片資料，通過孔隙度演化模擬求得視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率，其數(shù)值的相對大小表征成巖作用強度，最后以壓實強度、膠結(jié)強度和溶蝕強度來進行成巖相的劃分。成巖作用強度可分為強、中、弱3類，成巖相可分27類（表1），例如強壓實中膠結(jié)中溶蝕相、中壓實弱膠結(jié)強溶蝕相。由于弱成巖作用相較于中等和強的成巖作用對孔隙空間的作用要弱一些，并且突出主要成巖作用，考慮弱成巖作用可不參與成巖相命名，故可劃分為20類成巖相，例如強壓實中膠結(jié)中溶蝕相、中壓實（弱膠結(jié)）強溶蝕相。值得注意的是，此分類方案作為參考，依據(jù)各個研究區(qū)的成巖作用的特點的差異性，分類方案可以適當改變，也可將其中幾種合并。

2　實例應(yīng)用

2.1研究區(qū)區(qū)域概況

鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系下部發(fā)育陸表海沉積，中部發(fā)育三角洲平原沉積，上部為一套辮狀河沉積，主要為河漫灘和辮狀河道沉積環(huán)境，是主要的工業(yè)天然氣產(chǎn)層。研究區(qū)儲集層物性較差（圖1），孔隙度主要為3%～12%，滲透率主要為0.02～5.00 mD，是典型的低孔低滲儲集層。同時由圖1可以發(fā)現(xiàn)，以孔隙度6%為界線，滲透率與孔隙度呈現(xiàn)2種不同的關(guān)系。

表1　基于孔隙度演化模擬的成巖相定量劃分方案

圖1　研究區(qū)二疊系儲集層滲透率和孔隙度關(guān)系

根據(jù)對研究區(qū)43塊薄片資料的研究分析可知：目標區(qū)巖性復(fù)雜，以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主（圖2），其中主要巖屑成分為變質(zhì)巖和火成巖；填隙物有2.38%的硅質(zhì)、3.74%的鈣質(zhì)（白云石、方解石等）、2.36%的鐵質(zhì)（菱鐵礦、黃鐵礦）、2.16%的黏土和2.44%的雜基（云母等）；孔隙類型多樣，殘余粒間孔占1.41%、粒間溶孔占0.80%、粒內(nèi)溶孔占0.40%，晶間孔占0.29%，微孔隙欠發(fā)育。顆粒分選中等-差，磨圓度次圓狀—次棱角狀，顆粒支撐，凹凸或線—凹凸接觸。研究區(qū)的儲集層砂巖成巖作用強烈，主要成巖作用有壓實作用、碳酸鹽膠結(jié)作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用、雜基充填作用和溶蝕作用。

圖2　研究區(qū)二疊系儲集層巖石分類

2.2研究區(qū)成巖相分類

依據(jù)研究區(qū)5口井43塊鑄體薄片資料，通過孔隙度演化模擬，分別求得每塊巖樣的成巖作用強度，即視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率（表2）。由表2可以發(fā)現(xiàn)，視壓實率主要為0.5～0.7，為中等壓實作用；視膠結(jié)率主要為0.65～0.95，為中等-強膠結(jié)作用；視溶蝕率主要為0.5～0.8，為中等-強溶蝕作用，成巖作用強烈。

圖3為成巖作用強度與孔隙度、滲透率的關(guān)系圖，由圖3可以看出，儲集層的物性條件隨著膠結(jié)作用的增強而變差，而壓實作用與溶蝕作用對儲集層物性的影響則具有2種趨勢，具有與孔隙度和滲透率2種關(guān)系一致性，在儲集層物性較差時（孔隙度小于6%，滲透率小于0.15 mD），隨著壓實作用與溶蝕作用的增強，儲集層物性變好，但是變化幅度很小，而在儲集層物性較好時（孔隙度大于6%，滲透率大于0.15 mD），隨著壓實作用與溶蝕作用的減弱，儲集層物性變好，而且變化幅度很大。由此可以發(fā)現(xiàn)，僅僅一種成巖作用的增強與減弱并不能決定儲集層物性條件，它是所有成巖作用或某一兩種成巖作用為主的綜合體現(xiàn)，當孔隙度很小時，孔隙空間主要為次生孔隙，因而建設(shè)作用為影響儲集層儲集性能的主要因素；當孔隙度相對較大時，孔隙空間主要為原生孔隙，或者原生孔隙與次生孔隙并重，因而儲集層物性條件受破壞與建設(shè)作用的共同作用。

依據(jù)壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用對儲集層孔隙度的建設(shè)與破壞的程度，考慮到視壓實率主要為0.5～0.7，表現(xiàn)為中等壓實，因此，成巖相命名為中等壓實xx膠結(jié)xx溶蝕相，為了突出特征，成巖相命名中省略中等壓實，故最終將研究區(qū)成巖相劃分為強膠結(jié)強溶蝕相、強膠結(jié)中溶蝕相和中膠結(jié)中溶蝕相3種類別。

表2　研究區(qū)巖樣成巖相類別劃分

將上述成巖相的劃分方案應(yīng)用于研究區(qū)X-4井的8塊鑄體薄片實驗資料，劃分出成巖相（表3）。圖4為部分實驗樣品的鑄體薄片顯微照片，其中圖4a石英次生加大明顯，高嶺石充填部分粒間孔隙，局部鐵方解石充填孔隙，孔隙發(fā)育，劃分為強膠結(jié)中溶蝕相；圖4b石英碎屑次生加大普遍，鐵方解石膠結(jié)少量孔隙，孔隙析出型高嶺石充填粒間孔隙，孔隙發(fā)育，劃分為中膠結(jié)中溶蝕相；圖4c為鐵白云石、方解石交代碎屑，部分碎屑黏土化，高嶺石等黏土礦物充填孔隙，孔隙較發(fā)育，劃分為強膠結(jié)強溶蝕相；圖4d石英碎屑呈鋸齒狀接觸，次生加大普遍，高嶺石等黏土礦物充填孔隙，孔隙發(fā)育，劃分為中膠結(jié)中溶蝕相，巖心描述與劃分的成巖相具有比較好的匹配性。

圖3　研究區(qū)儲集層物性與視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率的關(guān)系

表3　研究區(qū)X-4井二疊系儲集層成巖相劃分結(jié)果

2.3研究區(qū)成巖相的意義

成巖相是控制儲集層物性的核心因素，研究成巖相的主要目標是預(yù)測低孔低滲儲集層中物性相對較好的區(qū)域，尋找含油氣的有利區(qū)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，中膠結(jié)中溶蝕相的物性條件最好，孔隙度普遍大于10%，滲透率普遍大于1.0 mD；強膠結(jié)強溶蝕相次之，孔隙度主要為4%～10%，滲透率普遍大于0.06 mD；強膠結(jié)中溶蝕相最差，孔隙度大多數(shù)小于5%，滲透率普遍小于0.1 mD.

圖4　研究區(qū)X-4井二疊系巖心樣品成巖相分類特征

產(chǎn)能評價是油氣田勘探與開發(fā)的一項基本任務(wù)，儲集能力是產(chǎn)能的先決條件，只有儲集層存儲了相當?shù)挠蜌猓拍苡邢蛲馓峁┯蜌獾目赡?；滲流能力是產(chǎn)能的必要條件，只有儲集層具有一定的滲流能力，油氣才能向外產(chǎn)出，因此評價孔隙度和滲透率參數(shù)的相對高低是產(chǎn)能評價的一個重點。依據(jù)鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系低孔低滲天然氣儲集層的實際生產(chǎn)情況，將儲集層產(chǎn)能劃分為4個級別：自然生產(chǎn)、壓后產(chǎn)氣大于10 000 m3/d、壓后產(chǎn)氣3 000～10 000m3/d和壓后無產(chǎn)（無工業(yè)氣流）。從研究區(qū)不同的產(chǎn)能級別儲集層的滲透率和孔隙度交會圖（圖6）可以看出，當孔隙度大于10%，滲透率大于1.0 mD時，儲集層表現(xiàn)為自然生產(chǎn)高產(chǎn)；當孔隙度為6%～10%，滲透率為0.1～1.0 mD時，儲集層壓裂后具有工業(yè)氣流，壓后產(chǎn)氣量大于3 000 m3/d；當孔隙度小于6%，滲透率小于0.1 mD時，儲集層不具有工業(yè)氣流，產(chǎn)氣微量。

圖5　鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系不同成巖相儲集層滲透率與孔隙度交會圖

結(jié)合圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，中膠結(jié)中溶蝕相的儲集層產(chǎn)能最好，無需壓裂改造，自然生產(chǎn)已有很好的產(chǎn)量；強膠結(jié)強溶蝕相的儲集層次之，經(jīng)過壓裂改造后可以獲得工業(yè)氣流；而強膠結(jié)中溶蝕相的儲集層最差，就算經(jīng)過壓裂改造后仍無工業(yè)氣流。成巖相控制低孔低滲儲集層的孔、滲條件，孔、滲條件影響低孔低滲儲集層的產(chǎn)能，在低孔低滲儲集層孔隙度與滲透率參數(shù)計算不準確的情況下，可以通過評價成巖相以達到預(yù)測儲集層產(chǎn)能的目的，同時，成巖相的評價還可以指導低孔低滲儲集層的生產(chǎn)方式，節(jié)省生產(chǎn)成本。

圖6　鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶石盒子組不同產(chǎn)能級別儲集層滲透率與孔隙度交會圖

3　結(jié)論

（1）依據(jù)巖石組分以及面孔率等實驗數(shù)據(jù)，通過孔隙度演化模擬求得表征成巖作用對孔隙空間影響的參數(shù)，即視壓實率、視膠結(jié)率和視溶蝕率，再利用其數(shù)值的相對大小表征成巖作用強弱程度，最后以壓實強度、膠結(jié)強度和溶蝕強度來進行成巖相的劃分，進而預(yù)測低孔低滲儲集層中物性相對較好的區(qū)域，以尋找含油氣有利區(qū)。

（2）鄂爾多斯盆地晉西撓曲帶二疊系為典型的低孔低滲儲集層，成巖作用強烈，表現(xiàn)為中等壓實作用，中等-強膠結(jié)作用與中等-強溶蝕作用，依據(jù)成巖作用強度，將研究區(qū)成巖相劃分為強膠結(jié)強溶蝕相、強膠結(jié)中溶蝕相和中膠結(jié)中溶蝕相3種類別，結(jié)果與薄片描述基本一致；依據(jù)成巖相可以預(yù)測低孔低滲儲集層的產(chǎn)能分級情況。

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（編輯顧新元）

Diagenetic Facies Classification of Low?Porosity and Low?Permeability Sandstones Based on Porosity Evolution Simulation:A Case Study from Permian Strata in Jinxi Flexure Belt, Ordos Basin

CHEN Yulong,ZHANG Chong,NIE Xin,SHI Wenrui,LIU Jingqiang,GUO Jining
(Yangtze University a.MOE Key Laboratory of Petroleum Resources and Exploration Technologies, b.School of Geophysics and Oil Resources,Wuhan,Hubei 430100,China)

The key to exploration of low?porosity and low?permeability reservoirs is to predict the reservoirs with relative good physical properties to find favorable petroliferous areas.In a certain sedimentary environment,diagenetic facies is the core factor controlling the physical properties of reservoirs.The diagenetic facies which can be used to classify petroliferous areas should consider the influence of dia?genesis on pore spaces of reservoirs.Based on rock components,surface porosity and petrophysical properties and through porosity evolu?tion simulation,porosity variations before and after diagenesis such as compaction,cementation and corrosion are simulated on the basis of primary porosity.Apparent compaction rate,apparent cementation rate and apparent corrosion rate are used to represent the construction and destroy degrees of pore spaces caused by diagenesis and the degrees could be digitalized.Based on the data of apparent compaction rate,apparent cementation rate and apparent corrosion rate,diagenesis can be divided into 3 types,namely strong,moderate and weak dia?genesis.Based on the intensities of compaction,cementation and corrosion,diagenetic facies can be classified quantitatively.With this method,the Permian diagenetic facies in Jinxi flexure belt of Ordos basin are classified as strong cementation and strong corrosion facies, strong cementation and moderate corrosion facies and moderate cementation and moderate corrosion facies,which is in accordance with the results from thin section analysis.

Ordos basin;Jinxi flexure belt;Permian;low?porosity and low?permeability reservoir;sandstone;porosity evolution simulation; diagenetic facies classification

TE122.21

A

1001-3873（2016）06-0687-07

10.7657/XJPG20160610

2016-06-19

2016-09-08

國家自然科學基金（41404084）；湖北省自然科學基金（2013CFB396）

陳雨龍（1990-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，地球探測與信息技術(shù)，（Tel）18062796226（E-mail）cyllogging@163.com