伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層成巖作用與孔隙演化

侯 娟，李秋博，鄧曉梅，常大宇，張 茹

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132；2．中國石化華北油氣分公司第一采氣廠）

伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層成巖作用與孔隙演化

侯 娟1，李秋博1，鄧曉梅1，常大宇1，張 茹2

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132；2．中國石化華北油氣分公司第一采氣廠）

伊川盆地上三疊統(tǒng)砂巖致密，非均質(zhì)性強(qiáng)，對成巖作用及其孔隙演化的認(rèn)識不清，在一定程度上制約了油氣勘探的部署。通過薄片、掃描電鏡和X射線等分析結(jié)果的研究，結(jié)合埋藏史、熱史等資料，認(rèn)為伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層以巖屑細(xì)砂巖、長石細(xì)砂巖為主，物性總體較差，屬于低孔、低滲砂巖儲層。上三疊統(tǒng)成巖作用主要為中成巖A期，早成巖期的壓實作用和膠結(jié)作用是孔隙度降低的主要原因，長石溶蝕作用形成的次生孔隙對砂巖的儲集性能具有明顯的改善作用；油氣充注之前的早成巖期儲層已經(jīng)致密化。

伊川盆地；上三疊統(tǒng)；成巖作用；孔隙演化

1 地質(zhì)概況

伊川盆地處于河南省洛陽市境內(nèi)，橫跨伊川、宜陽兩縣，構(gòu)造上屬于華北盆地南部豫西隆起區(qū)，是在大鄂爾多斯三疊紀(jì)盆地基礎(chǔ)上，經(jīng)歷印支末期擠壓回返、燕山期差異沉降–隆升剝蝕、喜山期伸展斷陷等多個演化階段而形成的中新生界疊合盆地，面積1 400 km2。盆地內(nèi)上三疊統(tǒng)保存較完整，厚約1 500 m，是主要勘探目的層系之一[1]。

晚三疊世伊川盆地以三角洲前緣–前三角洲–半深湖相沉積為主；其中，上三疊統(tǒng)椿樹腰組為三角洲前緣亞相沉積，水下分流河道微相發(fā)育；譚莊組下段仍以三角洲前緣亞相沉積為主，主要發(fā)育水下分流河道微相，上段以淺湖–半深湖亞相沉積為主，淺湖砂壩及濁積砂微相發(fā)育。砂巖累計殘余厚度388～709 m，砂體厚度大，分布較廣。儲層孔隙度 0.4%～12%，平均 2.76%，滲透率 0.001×10-3～1.38×10-3μm2，平均 0.066×10-3μm2，屬致密砂巖儲層。

2 儲層巖石學(xué)特征

伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層為一套碎屑巖，巖性主要為巖屑砂巖和長石砂巖。其中譚莊組儲層巖性主要為淺灰色、灰色細(xì)粒巖屑砂巖，碎屑以石英為主，其次為巖屑、長石及少量的重礦物（圖1）；椿樹腰組碎屑巖主要為淺灰色長石砂巖、長石巖屑細(xì)砂巖及巖屑質(zhì)長石砂巖，尚有少量的巖屑砂巖（圖2）。碎屑中譚莊組石英含量為12%～77%，平均40.9%，長石含量一般為0～36%，平均10.0%，巖屑含量為10%～78%，平均35.1%；椿樹腰組石英含量為29%～67%，平均49.8%，長石含量一般為7%～58%，平均27.9%，巖屑含量為7%～44%，平均22.3%，上三疊統(tǒng)砂巖成分成熟度指數(shù)Q /（F +R）為0.65～1.03，偏低。譚莊組填隙物含量平均為 3.5%，椿樹腰組含量平均為4.6%，最高可達(dá)13.5%，主要包括亮晶方解石、自生石英、伊/蒙混層、高嶺石、伊利石、綠泥石等。砂巖粒徑一般為0.062 5～0.25 mm，分選中等–好，磨圓度較差，以次棱狀為主，砂巖中雜基含量少，結(jié)構(gòu)成熟度中等[2]。儲層孔隙類型主要包括粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔及微裂隙，以及次生溶蝕孔隙。

圖1 伊川盆地上三疊統(tǒng)譚莊組砂巖分類三角圖

圖2 伊川盆地上三疊統(tǒng)椿樹腰組砂巖分類三角圖

3 成巖作用類型及特征

成巖作用指碎屑沉積物沉積后轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e巖直至變質(zhì)作用以前或因構(gòu)造運(yùn)動重新抬升到地表遭受風(fēng)化以前所發(fā)生的一切作用[3]。伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層的成巖作用類型主要有壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕和交代作用，它們對砂巖儲層的改造直接導(dǎo)致了現(xiàn)今的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)格局。

3.1 壓實作用是儲層孔隙度降低的主要因素

壓實作用是指沉積物沉積后在其上覆水層或沉積層的重荷下，或在構(gòu)造形變應(yīng)力的作用下，發(fā)生水分排出、孔隙度降低、體積縮小的作用。壓實作用愈強(qiáng)，損失的孔隙度愈多[4–5]。該區(qū)上三疊統(tǒng)儲層砂巖普遍受到較強(qiáng)的壓實作用，致使剛性碎屑顆粒（石英、長石等）表面產(chǎn)生碎裂紋及微裂縫，泥巖巖屑及云母（以黑云母為主）等柔性組分受到擠壓作用發(fā)生彎曲變形，呈假雜基狀填塞于孔隙中或沿長軸方向定向緊密排列。顆粒間以線接觸為主，占樣品總數(shù)的60%以上，其次是線–凹凸接觸，少數(shù)呈點接觸、點–線接觸或凹凸接觸（圖3）。根據(jù)薄片資料估算，機(jī)械壓實作用使砂巖中原生孔隙減少多達(dá)75%以上，總體上呈現(xiàn)出隨埋藏深度的增加而孔隙度逐漸降低的變化（圖4）。

圖3 伊川盆地上三疊統(tǒng)砂巖顆粒接觸關(guān)系頻率

圖4 伊川盆地上三疊統(tǒng)孔隙度與深度關(guān)系

3.2 膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層低孔低滲的重要因素

膠結(jié)作用并沒有直接減少粒間體積，而是堵塞粒間體積，膠結(jié)物因占據(jù)了較多的粒間孔隙而明顯減小了儲層的原始孔隙度和滲透率[6–7]。掃描電鏡下觀察，膠結(jié)物主要有碳酸鹽、黏土礦物、硅質(zhì)三種。膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主、其次是壓嵌式膠結(jié)、孔隙–壓嵌式膠結(jié)，類型相對單一。碳酸鹽膠結(jié)最為普遍，含量在 1%～27%之間，平均 6.5%，主要有方解石、白云石，偶見鐵方解石，其中以方解石膠結(jié)物為主，對儲層致密化造成明顯的影響。黏土礦物主要為伊/蒙混層、綠泥石，其次是伊利石和高嶺石，分布普遍，伊/蒙混層一般以絲狀、片狀或蜂窩狀分布于粒表、粒間，綠泥石一般以針葉狀、葉狀、片狀分布于粒間、粒表，高嶺石呈典型的書頁狀或蠕蟲狀充填于孔隙中。膠結(jié)作用致使該區(qū)砂巖中原生孔隙損失達(dá)15%左右。

3.3 溶蝕作用增加次生孔隙

溶蝕作用有早期膠結(jié)物的溶蝕和骨架顆粒的溶解形成的次生孔隙的現(xiàn)象，薄片和掃描電鏡觀察顯示，本區(qū)早期方解石溶解較少見，骨架顆粒溶蝕現(xiàn)象較普遍，主要受中期酸性溶蝕作用的改造，多為長石、巖屑的粒內(nèi)溶孔、鑄?？椎萚8]。另外，黑云母溶解也較為普遍。與長石溶解有關(guān)的自生礦物主要為高嶺石，巖石中高嶺石含量與孔隙度之間具有正相關(guān)關(guān)系（圖5）。

綜上所述，壓實作用和碳酸鹽膠結(jié)作用對儲層物性起顯著的破壞作用，降低了儲層的孔隙度與滲透率；而溶蝕作用對改善儲層物性起建設(shè)性作用，使得儲層孔隙度增大，滲透性變好。

圖5 伊川盆地上三疊統(tǒng)砂巖孔隙度與自生高嶺石含量關(guān)系

4 成巖階段劃分與孔隙演化

碎屑沉積物的各種成巖作用和成巖階段對碎屑孔隙的發(fā)育與演化起著重要的作用，不僅影響油氣儲集層孔隙的形成、增大和減小，而且還影響原生孔隙的保存、次生孔隙的分布以及孔隙的連通性與滲透性[9]。在已鉆探井的成巖作用現(xiàn)象觀察總結(jié)的基礎(chǔ)上，利用黏土礦物X射線衍射分析、掃描電鏡、有機(jī)質(zhì)成熟度等資料，同時結(jié)合鏡下觀察的自生礦物特征、物性及孔隙結(jié)構(gòu)類型等定量和定性數(shù)據(jù)，將上三疊統(tǒng)成巖演化階段劃分為同生階段、早成巖階段A期、B期和中成巖階段A期3個階段3個期次[10]。

區(qū)內(nèi)上三疊統(tǒng)砂巖儲集層椿樹腰組一般厚 800 m，譚莊組殘存厚度700～800 m，累計厚度在1 500 m以上。以上三疊統(tǒng)椿樹腰組為例，結(jié)合埋藏史和熱演化史[11]，對上三疊統(tǒng)砂巖儲層的孔隙演化進(jìn)行了分析（圖6）：在譚莊組沉積初期，椿樹腰組砂巖儲集層最大埋深小于1 000 m，Ro小于0.35%，古溫度小于 65 ℃，有機(jī)質(zhì)未成熟，砂巖儲集層埋藏較淺，成巖作用處于早成巖A期，以機(jī)械壓實作用為主，孔隙類型以原生孔隙為主，骨架顆粒以點接觸為主?？紫抖扔稍嫉?0%急劇減少至20%左右。

燕山早期，由于椿樹腰組被上覆譚莊組和中下侏羅統(tǒng)下部地層所覆蓋，椿樹腰組砂巖儲層埋深將近2 000 m，古溫度相應(yīng)達(dá)到65 ℃～85 ℃，Ro由0.35%演化增進(jìn)至0.5%，成巖作用進(jìn)入早成巖B期。該時期成巖作用仍以機(jī)械壓實為主，原生孔隙急劇減少至12%左右。同時，由于有機(jī)質(zhì)剛開始成熟生烴，排出少量的有機(jī)酸和無機(jī)酸，使儲層環(huán)境發(fā)生變化，形成方解石晶體，導(dǎo)致原生孔隙進(jìn)一步減小[12]。且碳酸鹽膠結(jié)物主要為本期形成，壓實作用和膠結(jié)作用對孔隙損失呈互補(bǔ)關(guān)系，即方解石含量高的地方，顆粒之間多以點接觸，而方解石含量低的地方多以線～凹凸接觸，說明了方解石的形成早于或與大規(guī)模壓實作用同時發(fā)生，故大規(guī)模壓實作用和膠結(jié)作用在早成巖B期以前已經(jīng)基本結(jié)束。

隨著進(jìn)一步埋深，在中侏羅末期，椿樹腰組砂巖儲集層最大埋深達(dá)到3 700 m，古溫度達(dá)到85 ℃以上，Ro由0.5%演化增進(jìn)至1.12%左右，成巖作用進(jìn)入中成巖A早期。在此過程中，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟生烴階段，烴類大量生成。與此同時，伴隨著強(qiáng)烈的生排烴作用，排出大量的酸性物質(zhì)，改變了儲層的成巖環(huán)境，長石和早期結(jié)晶的方解石等酸性易溶物質(zhì)開始溶解，形成大量的次生孔隙，油氣進(jìn)入。中成巖A晚期，有機(jī)酸大幅度降低，溶蝕作用減弱；同時黏土礦物、碳酸鹽膠結(jié)物大量生成并膠結(jié)沉淀，膠結(jié)作用占主導(dǎo)地位，次生孔隙不斷減少[12–13]。

上三疊統(tǒng)砂巖儲集層到中侏羅末達(dá)到最大古埋深，成巖作用仍以機(jī)械壓實為主，此后，成巖作用雖繼續(xù)進(jìn)行，但不會超過中成巖階段A期，壓實作用及膠結(jié)作用進(jìn)一步加強(qiáng)，儲層進(jìn)一步致密化?？傮w上，伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層孔隙演化經(jīng)歷了原生孔隙急劇減少—次生孔隙產(chǎn)生—再到減少的全過程，最終形成了儲層現(xiàn)今的面貌[14]。

圖6 伊川盆地上三疊統(tǒng)孔隙演化模式

5 結(jié)論

（1）伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層巖石骨架顆粒主要為石英、長石、巖屑和少量的陸源重礦物；巖石類型多樣，其中，椿樹腰組以細(xì)粒長石砂巖、次巖屑長石砂巖為主，譚莊組砂巖以細(xì)粒巖屑砂巖為主；整體上成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。儲層砂巖顆粒較均一，分選中等–好，以細(xì)粒–極細(xì)粒為主，含少量中砂巖、粗粉砂巖及細(xì)粉砂巖。巖性致密，物性較差，屬致密砂巖儲層。

（2）機(jī)械壓實是導(dǎo)致伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層原生孔隙度消失的主要原因，其次是膠結(jié)作用，但長石溶蝕、巖屑溶解產(chǎn)生的次生孔隙使儲層變好。

（3）伊川盆地上三疊統(tǒng)儲層經(jīng)歷了同生成巖階段，早成巖階段及中成巖階段A期，現(xiàn)今處于中成巖的A期。儲層在壓實、壓溶及膠結(jié)作用下?lián)p失90%以上的孔隙度，致使該區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖儲層在早成巖期就已經(jīng)致密化。

[1] 王威．四川元壩地區(qū)須二段致密砂巖儲層孔隙演化與天然氣成藏[J]．成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，39（4）：22–37.

[2] 張永貴，劉振峰，等．鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏儲層建模[J]．石油與天然氣地質(zhì)，2011，32（4）：112–130.

[3] 張曉峰，侯明才，陳安清，等．鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組致密砂巖儲層特征及主控因素[J]．天然氣工業(yè)，2010，30（11）：34–38.

[4] 寧寧，陳孟晉，劉銳娥，等．鄂爾多斯盆地東部上古生界石英砂巖儲層成巖及演化[J]．天然氣地球科學(xué)，2007，18（3）：334–338.

[5] 張武，徐發(fā)，徐國盛，等．西湖凹陷某構(gòu)造花港組致密巖儲層成巖作用與孔隙演化[J]．成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，39（2）：122–129.

[6] 楊仁超，王秀平，樊愛萍，等．蘇里格氣田東二區(qū)砂巖成巖作用與致密儲層成因[J]．沉積學(xué)報，2012，30（1）：111–119.

[7] 王建偉，鮑志東，陳孟晉，等．砂巖中的凝灰質(zhì)填隙物分異特征及其對油氣儲集空間影響——以鄂爾多斯盆地西北部二疊系為例[J]．地質(zhì)科學(xué)，2005，40（3）：429–438.

[8] 唐海發(fā)，趙彥超，李愛榮，等．致密砂巖儲層物性的主控因素分析[J]．西安石油大學(xué)學(xué)報，2007，22（1）：59–63.

[9] 吳少波，趙靖舟，羅繼紅，等．子長油田上三疊統(tǒng)長2油層組儲層成巖作用及物性的影響因素[J]．西安石油大學(xué)學(xué)報，2003，18（4）：7–11.

[10] 孟元林，胡安文，喬德武，等．松遼盆地徐家圍子斷陷深層區(qū)域成巖規(guī)律和成巖作用對致密儲層含氣性的控制[J] . 地質(zhì)學(xué)報，2012，86（2）：325–334.

[11] 孫贊東，賈承造，李相方，等．非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)（上冊）[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2011：411–430.

[12] 劉東升．致密砂巖儲層分類評價方法在安棚深層系的應(yīng)用[J]．石油地質(zhì)與工程，2014，28（6）：48–50.

[13] 張曉磊，章輝若，劉鑫，等．鄂爾多斯盆地黃陵油田延長組長6儲層致密成因[J]．石油地質(zhì)與工程，2014，28（6）：33–35.

[14] 孟祥振，劉紹光，何文忠，等．延安三角洲延長組下組合長8儲層控制因素分析[J]．石油地質(zhì)與工程，2015，29（1）：41–44.

1673–8217（2017）06–0041–05

TE112.21

A

2017–02–08

侯娟，助理工程師，1985年生，2011年畢業(yè)于西安石油大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，主要從事石油地質(zhì)方面研究工作。

2012年中國石化股份有限公司項目“洛伊地區(qū)油氣藏形成條件與勘探目標(biāo)優(yōu)選”（P12019）。

蒲洪果