姬塬油田長2儲層成巖作用研究及其對物性的影響

魏曉娥，孫 衛(wèi)，霍 磊，明紅霞，盛 軍，曹 雷

(西北大學(xué)地質(zhì)系大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069)

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姬塬油田長2儲層成巖作用研究及其對物性的影響

魏曉娥，孫 衛(wèi)，霍 磊，明紅霞，盛 軍，曹 雷

(西北大學(xué)地質(zhì)系大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069)

通過掃描電鏡、鑄體薄片、高壓壓汞、X-衍射及薄片鑒定等方法定性分析了姬塬地區(qū)成巖作用對長2儲層物性的影響，用定量計(jì)算的方法表征各類成巖作用之后孔隙的演化情況。研究結(jié)果表明：長2儲層砂巖原始孔隙度為37.65%，其中未固結(jié)砂巖49.17%的原生粒間孔被壓實(shí)損失，25.83%的粒間孔被膠結(jié)充填，研究區(qū)長石溶蝕較發(fā)育，產(chǎn)生大量次生孔隙，增加了4%的孔隙。定量計(jì)算結(jié)果與定性認(rèn)識較一致。

姬塬油田；長2儲層；成巖作用；孔隙演化；物性

成巖作用是決定儲層儲集能力和滲流能力的關(guān)鍵因素之一，不同地區(qū)由于成巖環(huán)境、儲層組分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差異會產(chǎn)生不同的成巖過程[1]。國內(nèi)學(xué)者將成巖作用定義為沉積物在埋藏以后，在較低溫度和壓力下所發(fā)生的物理和化學(xué)變化，成巖相則是成巖演化階段的產(chǎn)物[2-3]。因此，成巖作用和成巖相的研究對于有利儲層的尋找有著重要的指導(dǎo)作用。

姬塬油田位于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷東部、伊陜斜坡西部，局部構(gòu)造為一西傾單斜，坡度不足2°，沿西傾單斜發(fā)育北東-南西向鼻隆構(gòu)造。盆地強(qiáng)烈的抬升剝蝕作用導(dǎo)致西南部和東部地區(qū)地層剝蝕，湖盆收縮，發(fā)育三角洲平原沉積體系[4]；儲層厚度穩(wěn)定，發(fā)育自下而上由粗變細(xì)的正韻律；研究區(qū)是低孔、低滲儲層，具有非均質(zhì)性較強(qiáng)的特征。

1 儲層特征

1.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)巖石相、測井相的分析，結(jié)合巖心和鑄體薄片觀察，研究區(qū)油層組主要發(fā)育三角洲平原亞相，從平面分布上看，受東北物源和河道砂體展布特征的影響，物性較好的儲層大致呈北東向條帶狀展布，中部和西北方向物性相對最好。儲層巖性主要為細(xì)粒長石砂巖、細(xì)-中粒長石砂巖、中-細(xì)粒長石砂巖。巖石碎屑成分以長石和石英為主，且含量較高，分別為44.5%、31.2%。碎屑顆粒分選性較好，以次棱角狀為主、薄膜-孔隙式膠結(jié)，礦物成分成熟度低，結(jié)構(gòu)成熟度高。巖屑成分以變質(zhì)巖屑為主，占巖屑總量的62%，其次為火成巖巖屑，占總量的31%，沉積巖屑含量最少，約占7%。填隙物主要為高嶺石，占填隙物總量的42.1%，其次，為鐵方解石，占填隙物總量的18.5%。主砂體的單砂層厚度平均值為5.2 m，發(fā)育水平層理、槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理、紋狀交錯(cuò)層理等，砂體在橫向上的連續(xù)性差，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

受沉積、成巖及各種地質(zhì)構(gòu)造因素的影響，研究區(qū)長2儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征差異性明顯，非均質(zhì)程度普遍較高，導(dǎo)致儲層物性及非均質(zhì)性存在明顯差異。根據(jù)鑄體薄片及掃描電鏡分析表明，儲集空間多為原生孔隙與次生孔隙的組合，孔隙類型主要為粒間孔(5.3%)、溶孔(1.8%)及少量的晶間孔(約0.12%)，以片狀、點(diǎn)片狀、管束狀喉道為主，面孔率平均值為5.95%。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔隙結(jié)構(gòu)以大-中孔隙、中-細(xì)喉道為主。

2 成巖作用對儲層物性的影響

2.1 原始孔隙度恢復(fù)

砂巖儲層孔隙的演化與盆地的構(gòu)造演化史、沉積史、埋藏史、熱演化史、地下流體活動及原始沉積物的結(jié)構(gòu)成熟度、成分成熟度有關(guān)[5]。

為了定量計(jì)算研究區(qū)孔隙的演化過程，首先需根據(jù)砂巖的粒度分析資料恢復(fù)砂巖未固結(jié)前的孔隙度φ1，最后按照先壓實(shí)后膠結(jié)和溶蝕的成巖作用順序，定量計(jì)算孔隙度的演化，從而表征不同成巖作用對物性的影響程度。Beard等[6]提出，未固結(jié)的砂巖原始孔隙度φ1與砂巖的分選系數(shù)Sd有一定的相關(guān)性：

φ1=20.91+22.90/Sd

(1)

本次研究采用篩析法結(jié)合圖解法對給出的分選系數(shù)進(jìn)行恢復(fù)原始孔隙度的計(jì)算，得出該區(qū)的砂巖分選系數(shù)為1.28～1.6，平均值為1.37。原始孔隙度φ1為35.26%～38.81%，平均值為37.65%(表1)。

2.2 壓實(shí)作用是造成儲層致密化的主要原因之一

表1 姬塬地區(qū)成巖孔隙演化定量計(jì)算結(jié)果

研究區(qū)壓實(shí)作用為弱-中等，云母、泥巖巖屑等塑性顆粒在壓實(shí)作用下發(fā)生塑性變形、蝕變和水化膨脹堵塞粒間孔隙，局部可見長石等硬性顆粒被壓裂[7-8]，最終導(dǎo)致儲層原始粒間孔變少、孔隙度降低、儲層致密化，最終物性變差[9]。同時(shí)，一些石英碎屑的壓溶產(chǎn)生的石英次生加大使得一部分孔隙喪失、破壞儲層物性(圖1a)。

為了進(jìn)一步分析壓實(shí)作用對儲層的破壞性，根據(jù)鑄體薄片鏡下的統(tǒng)計(jì)，通過膠結(jié)物的含量和殘余粒間孔反推計(jì)算，計(jì)算孔隙度損失值[10]。

公式如下：

φ2=ω+(P1×PM/PT)

(2)

式中：ω——膠結(jié)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；P1——?dú)堄嗔ｉg孔面孔率；PM——實(shí)測平均孔隙度；PT——總面孔率；φ2——壓實(shí)作用后巖石的孔隙度。

經(jīng)過計(jì)算，研究區(qū)未固結(jié)砂巖經(jīng)歷機(jī)械壓實(shí)作用后，減孔率平均值可達(dá)49.17%，近一半的原始孔隙度遭到損失，因此，壓實(shí)作用是造成儲層致密化的主要原因之一。

2.3 綠泥石對物性的影響具有兩面性

綠泥石常形成于堿性還原環(huán)境中，并富含鐵、鎂。研究區(qū)綠泥石平均相對含量為13.1%，以孔隙襯墊式和孔隙充填式賦存于孔隙中。前人[11-13]研究認(rèn)為自生綠泥石對孔隙有保護(hù)作用，孔隙襯墊綠泥石發(fā)育的地方，石英次生加大一般不發(fā)育。柳益群(1996)、Bailault(2003)認(rèn)為成巖早期綠泥石在掃描電鏡下一般呈針葉狀或玫瑰花狀，呈環(huán)狀分布形成綠泥石膜附著在顆粒表面，孔隙襯墊綠泥石晶體之間存在大量的晶間孔，孔隙襯里綠泥石通過占據(jù)結(jié)晶基底將自生石英顆粒表面與孔隙流體隔絕，抑制了石英自生加大，保留了一定的原生孔隙，隨著埋深增加，綠泥石薄膜不斷加厚，由此增加的機(jī)械強(qiáng)度平衡了成巖過程中的上覆載荷，并使得成巖早期的長石溶蝕及長石鑄?？椎靡员４鎇14-17]，如圖1c，圖1f。

然而，蘭葉芳認(rèn)為[18]成巖晚期綠泥石在鏡下呈絨球狀，排除其他影響因素(孔隙結(jié)構(gòu)，黏土礦物類型)，隨著自生綠泥石的增加，喉道的分選性變好，綠泥石膠結(jié)充填喉道，孔喉被分割成眾多細(xì)小孔隙，造成孔隙體積減小，粗喉道的數(shù)量變少，最終導(dǎo)致滲流能力變差。這是因?yàn)楸∧畹木G泥石在抑制石英次生加大和保留原生孔隙的同時(shí)，孔隙襯里綠泥石充填并堵塞喉道，從而使得孔隙度增加，滲透率降低。

根據(jù)巖石薄片分析，12號樣品(J114,1783.6 m)的綠泥石膜均勻分布，含量較高(40.2%)，孔喉分布較集中，孔喉較粗，孔喉連通性好，孔隙度和滲透率分別為16.88%，0.49×10-3μm2，顆粒呈支架狀結(jié)構(gòu)。水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，該樣品飽和油啟動壓力為16 MPa，流體沿低阻力的孔喉向前突進(jìn)，初始呈網(wǎng)狀-指狀驅(qū)替，波及面積大；但是后期水易沿著大喉道快速向前驅(qū)替，并形成繞流殘余油，最終驅(qū)油效率較低，為26.59%，殘余油飽和度是34.98%(圖1a)。

圖1 姬塬油田長2儲層鏡下特征a.塑性顆粒呈順層排列，澗71井，1 798.3 m，長2；b.長石溶孔及粒間孔，吳550井，1 828.19 m,長2；c.綠泥石膜及粒間孔，澗114井，1 763.90 m；d.鐵方解石充填孔隙，鐵6-50井，1 649.87 m，長2；e.硅質(zhì)加大，元219井，1 742.10 m，長2；f.長石鑄?？准俺涮羁紫兜母邘X石，鐵6-50井，1 645.80 m，長2；g.書頁狀高嶺石膠結(jié)，元219井，1 751.3 m，長2；h.孔隙襯里綠泥石膠結(jié)，吳550井，1 798.4 m，長2；i.石英次生加大，鐵6-50井，1 649.87 m，長2。

2.4 高嶺石的發(fā)育常伴生有長石溶蝕

研究區(qū)高嶺石的平均含量為56.7%，高嶺石晶型發(fā)育良好(圖1g)，鏡下呈書頁狀、手風(fēng)琴狀，未見磨損和擠壓變形。成巖早期，研究區(qū)富含有機(jī)酸和大量的CO2酸性氣體，使得儲層pH值降低，處于酸性環(huán)境下；堿性長石被溶蝕的同時(shí)產(chǎn)出自生高嶺石和SiO2沉淀，形成粒內(nèi)溶蝕孔，雖然高嶺石充填孔隙和喉道，占據(jù)了不少的儲集空間，但是發(fā)育結(jié)晶良好的高嶺石晶間孔，高嶺石晶體間存在大量的殘余孔隙和微孔隙，對改善儲層物性有著良好的積極作用(圖1g，圖1i)。通過實(shí)驗(yàn)分析和巖石薄片鑒定得出，富含高嶺石的樣品中，晶間孔對總儲集空間貢獻(xiàn)率為3%。

隨著埋深增加和成巖溫度的升高，成巖環(huán)境變成了堿性，使得高嶺石極為不穩(wěn)定，長石溶蝕產(chǎn)生的高嶺石開始向綠泥石和伊利石轉(zhuǎn)換，綠泥石和伊利石分割孔隙和喉道，孔隙度降低，儲層物性變差[19]。

為了進(jìn)一步定量分析晶間孔對儲層物性的影響，將由膠結(jié)作用形成的殘余粒間孔作為由膠結(jié)作用所增加的那部分孔隙體積，公式如下：

φ3=P2×PM/PT

(3)

式中：φ3——晶間孔增加的孔隙度；P2——晶間孔面孔率。

經(jīng)過計(jì)算，膠結(jié)作用后，晶間孔增加的孔隙度最大為5%，最小3%，說明了高嶺石膠結(jié)形成的晶間孔對儲層有一定的建設(shè)意義。

6號樣品(Y219井1 742.1 m)的孔隙度較低，為13.3%，分選好，主要粒徑為0.15～0.35 mm，以細(xì)中粒長石砂巖為主，高嶺石占黏土礦物含量的62.39%，并結(jié)晶良好緊密堆積，水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，水迅速以指狀向前突進(jìn)，突破后在后緣以均勻-網(wǎng)狀驅(qū)替，波及面積大且均勻，殘余油飽和度為17.53%，驅(qū)替效率較高，為41.06%(圖2b)。

圖2 不同類型樣品的水驅(qū)油全視域圖

2.5 碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)對儲層起破壞作用

2.5.1 碳酸鹽膠結(jié)

研究區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)物以鐵方解石為主。根據(jù)巖石薄片分析，鐵方解石平均體積分?jǐn)?shù)為3.6%，鐵白云石次之(1.5%)。觀察鑄體薄片和電鏡掃描照片，本研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)常以細(xì)晶鑲嵌狀、微晶狀或連晶狀充填于孔隙或是交代碎屑顆粒(圖1d)，最終破壞原生孔隙，使孔隙度和滲透率降低甚至接近于零，破壞儲層的滲流能力，這是本研究區(qū)物性變差的主要原因。

8號樣品(Y219,1 745.5 m)的鐵方解石的含量占總黏土礦物的28%，含量較高。通過巖石薄片鑒定、壓汞實(shí)驗(yàn)等，該樣品孔隙度為12.1%，滲透率為0.24×10-3μm2，孔隙結(jié)構(gòu)以微孔為主，主要粒徑為0.12～0.30 mm，水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中啟動壓力可達(dá)110 MPa，驅(qū)替速度緩慢，驅(qū)油效率僅為12.43%，物性較差。綜上所述，碳酸鹽膠結(jié)作用對儲層的破壞較大，是造成儲層致密、低滲的主要原因之一。

2.5.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)主要發(fā)生在偏酸性環(huán)境中，鏡下顯示硅質(zhì)膠結(jié)物多呈微晶狀和孔隙充填狀。本研究區(qū)的硅質(zhì)膠結(jié)物以兩種形式產(chǎn)出，一種是作為石英顆粒的次生加大邊產(chǎn)出，另一種是作為石英集合體填充在粒間孔中(圖1e，圖1i)，硅質(zhì)膠結(jié)物的主要來源是長石等鋁硅酸鹽溶解。早期一定量的硅質(zhì)膠結(jié)物的發(fā)育可以增強(qiáng)砂巖的抗壓實(shí)能力，晚期石英次生加大會使得顆粒由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸，以致顆粒間呈鑲嵌式接觸，占據(jù)孔隙空間和破壞孔隙連通性，喉道縮小，儲層變得較為致密，儲集空間和滲流能力變差，儲層孔滲性大大降低。

2.6 溶蝕作用對儲層起建設(shè)性作用

研究區(qū)溶蝕現(xiàn)象較普遍，主要以長石溶蝕為主，平均面孔率可達(dá)1.5%，其次為巖屑溶蝕，碳酸鹽和雜基的溶蝕程度較低，長石溶蝕在儲層次生孔隙形成過程中占有重要的地位，能改善儲層的物性。鏡下可以觀察到長石常沿雙晶縫和節(jié)理縫溶解，然后向中間延伸，形成蜂窩狀溶蝕，被溶解的長石通常具港灣狀、鋸齒狀邊緣，部分顆粒完全溶蝕可呈鑄?？?圖2b，圖1f，圖1h，圖1i)。

隨著顆粒、雜基等不穩(wěn)定組分的溶蝕，釋放出大量的Si4+、Al3+、K+、Ca2+等離子溶于孔隙水中，使得孔隙水的性質(zhì)發(fā)生明顯變化，并同時(shí)形成高嶺石等一系列自生礦物，長石溶蝕所形成的高嶺石含量越大，儲層的孔隙度就越高[20]。

綜上所述，不同的成巖階段具有不同的成巖環(huán)境，自生礦物形成的先后次序不同。根據(jù)各種分析化驗(yàn)資料和鏡下研究所獲得的研究區(qū)碎屑巖的成巖特點(diǎn)，結(jié)合前人研究成果，認(rèn)為研究區(qū)儲層砂巖處于中成巖階段A期。

3 成巖產(chǎn)物對儲層孔隙的影響

在成巖作用過程中，儲層經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用等，從而產(chǎn)生了多種成巖產(chǎn)物，如殘余粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔、晶間孔等。通過分析研究區(qū)內(nèi)14塊鑄體薄片樣品，具體各類成巖產(chǎn)物對孔隙的貢獻(xiàn)率如表1所示。為了直觀了解研究區(qū)成巖作用對根據(jù)各類儲集空間對面孔的貢獻(xiàn)率，將14塊樣品看作一個(gè)整體，統(tǒng)計(jì)分析各類儲集空間對總的孔隙的貢獻(xiàn)，粒間孔對孔隙的貢獻(xiàn)率達(dá)到了76%，長石溶孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為21%，巖屑溶孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為2%，晶間孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為1%。從表2中未見殘余粒間孔。

從表1得知研究區(qū)的機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)烈，未固結(jié)砂巖在經(jīng)歷壓實(shí)后平均減孔率可達(dá)49.17%，但是觀察表2，殘余粒間孔的含量較高，這是因?yàn)樵摰貐^(qū)綠泥石膜分布較廣泛，可以抵抗外界的機(jī)械壓實(shí)作用，使得儲層的原始孔隙可以較大程度的保存下來，所以綠泥石膜膠結(jié)對低滲透的儲層起建設(shè)性作用。

表2 各類儲集空間比例

研究區(qū)的溶蝕現(xiàn)象較為普遍，長石溶孔居多，鏡下可觀察到蜂窩狀溶蝕現(xiàn)象，并產(chǎn)生次生孔隙帶，對于提高儲層的儲集性能有很大的建設(shè)性作用。為了計(jì)算溶蝕作用后溶蝕孔增加的孔隙度，將溶蝕孔增加的孔隙度視為φ4，其值可通過溶孔的面孔率進(jìn)行反推計(jì)算，計(jì)算公式如下：

φ4=(P3+P4)×PM/PT

式中：P3——長石溶孔的面孔率；P4——巖屑溶孔的面孔率。

分析得知，溶蝕作用后增加的孔隙度平均值為4%，増孔率為10.62%，提高了儲層的儲集空間。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)儲層巖性以細(xì)粒長石砂巖、細(xì)-中粒長石砂巖、中-細(xì)粒長石砂巖為主，礦物成分成熟度低，填隙物以高嶺石和鐵方解石為主。孔隙結(jié)構(gòu)以大-中孔隙、中-細(xì)喉道為主，孔隙類型以長石溶孔為主，其次為巖屑溶孔和晶間孔。

(2)研究區(qū)儲層砂巖處于中成巖階段A期，其中壓實(shí)作用、綠泥石充填膠結(jié)作用、碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)對儲層起破壞性成巖作用。壓實(shí)作用使得云母、泥巖巖屑等發(fā)生塑性變形、蝕變和水化膨脹，堵塞粒間孔隙，最終導(dǎo)致物性變差。研究區(qū)的砂巖經(jīng)歷壓實(shí)作用之后，造成49.17%的原始粒間孔損失量，因此壓實(shí)作用是造成儲層致密化的主要原因之一；碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)均破壞原生孔隙，碳酸鹽膠結(jié)使孔隙度和滲透率降低甚至接近于零，硅質(zhì)膠結(jié)物會占據(jù)孔隙空間和破壞孔隙連通性，使儲層變得較為致密。

(3)高嶺石膠結(jié)作用、綠泥石膜膠結(jié)作用和溶蝕作用起建設(shè)性成巖作用。高嶺石晶間孔晶型發(fā)育良好，對儲層有一定的積極作用，晶間孔的増孔率達(dá)到了4%；溶蝕作用平均增加的孔隙度為4.1%，提高了儲層的儲集空間。

(4)研究區(qū)的成巖產(chǎn)物以殘余粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔、晶間孔為主，粒間孔對孔隙的貢獻(xiàn)率達(dá)到了76%，長石溶孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為21%，巖屑溶孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為2%，晶間孔對孔隙的貢獻(xiàn)率為1%。

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編輯：韓玉戟

1673-8217(2016)06-0045-06

2016-04-27

魏曉娥，1991年生，西北大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：礦產(chǎn)普查與勘探。

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05044)。

TE112.23

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