杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層成巖作用對孔隙發(fā)育的影響

邱隆偉，穆相驥，李 浩，張 軍，喬雨朋，周士博

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東青島266071；3.深層油氣地質(zhì)與地球物理教育部重點實驗室，山東青島266580；4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

隨著致密砂巖油氣勘探技術(shù)和認(rèn)識程度的不斷提高，致密砂巖儲層已成為眾多學(xué)者研究的重點。盡管致密砂巖的孔滲性較差，但仍可以在特定的條件下成為優(yōu)質(zhì)儲層［1-2］。目前，普遍認(rèn)為顆粒粒度、分選程度和組成成分等因素會影響致密砂巖的初始性質(zhì)，而成巖作用則是決定其最終性質(zhì)的關(guān)鍵因素［3-4］。前人對致密砂巖儲層特征進(jìn)行了相應(yīng)的研究。朱如凱等對致密砂巖成巖作用中的流體演化對儲層質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析［5］；楊華等對鄂爾多斯隴東地區(qū)延長組致密砂巖儲層成巖作用進(jìn)行了研究并探討其對孔隙成因類型及發(fā)育程度的影響［6］；張哨楠等對鄂爾多斯盆地北部山西組和下石盒子組成巖作用與儲層物性的關(guān)系進(jìn)行了分析，認(rèn)為膠結(jié)作用是導(dǎo)致孔隙度降低的主要因素，并探討自生黏土礦物、方解石膠結(jié)物以及硅質(zhì)膠結(jié)物對儲層物性的影響［7］；雷濤等從巖石學(xué)類型、巖石顆粒粒度及孔隙組合等方面對杭錦旗地區(qū)儲層物性的影響因素進(jìn)行了分析［8］，但是針對杭錦旗地區(qū)致密砂巖儲層控制因素的研究尚顯不足，成巖作用對孔隙發(fā)育的影響也不明確。為此，筆者基于前人研究成果，針對杭錦旗地區(qū)20余口取心井的下石盒子組巖心樣品，進(jìn)行偏光顯微鏡薄片觀察鑒定，并結(jié)合掃描電鏡、X射線衍射、壓汞測試等資料，系統(tǒng)研究致密砂巖儲層的成巖作用特征及其影響因素，分析孔隙演化過程，明確研究區(qū)儲層物性的控制因素，對下步勘探部署提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起，屬于杭錦旗斷階和伊陜斜坡的過渡地區(qū)，自古生界一直處于相對隆起狀態(tài)，為油氣運(yùn)移的指向區(qū)，具有良好的油氣勘探開發(fā)前景（圖1）。杭錦旗地區(qū)自中元古代開始隆起，于志留紀(jì)和泥盆紀(jì)出現(xiàn)沉積間斷，至晚石炭紀(jì)重新接受沉積。研究區(qū)上古生界主要目的層為太原組、山西組和下石盒子組，其中下石盒子組為主力勘探層系，沉積厚度相對較大，橫向分布較穩(wěn)定，以發(fā)育特低孔-特低滲透致密砂巖儲層為主。

圖1 杭錦旗地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional tectonic location of Hangjinqiarea

2 巖石學(xué)特征

巖石鑄體薄片鏡下觀察結(jié)果表明，杭錦旗地區(qū)下石盒子組1段（盒1段）致密砂巖儲層以巖屑砂巖為主。碎屑組分中石英含量為49%～82%，平均為61%；長石含量為0～9%，平均為2.5%；巖屑含量為13%～34%，平均為22%，且多為千枚巖巖屑和變質(zhì)石英巖屑，也可見泥巖巖屑、砂巖巖屑、片巖巖屑、變質(zhì)石英砂巖巖屑及脈石英巖屑等?？紫吨械奶钕段锖繛?%～28%，平均為12%；普遍發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)，偶見硅質(zhì)膠結(jié)，部分層段雜基含量遠(yuǎn)大于平均值，且以伊利石為主。盒1段儲層碎屑巖的結(jié)構(gòu)特征為細(xì)-中粒，分選中等—好，磨圓相對較差，為次棱角狀-次圓狀，其中多數(shù)為次棱角狀，顆粒接觸關(guān)系多為線接觸，以顆粒支撐的孔隙式膠結(jié)為主，部分可見雜基支撐的基底膠結(jié)。

3 物性特征及儲集空間類型

3.1 物性特征

分析研究區(qū)7口取心井181塊巖心樣品的物性測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)下石盒子組巖心樣品的孔隙度最大值為18.69%，平均為7.69%，主要分布于4%～12%，占巖心樣品總數(shù)的81.92%；滲透率最大值為16.41 mD，平均為0.89 mD，主要分布于0.01～5 mD，占巖心樣品總數(shù)的92.90%（圖2），屬于典型的特低孔-特低滲透儲層。此外，孔隙度和滲透率具有較明顯的正相關(guān)關(guān)系，滲透率隨孔隙度增大而增大，部分巖心樣品的滲透率出現(xiàn)異常高值，可能是受局部裂縫發(fā)育的影響。

圖2 杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層物性特征Fig.2 Characteristics of physical properties of the tight sandstone reservoir in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area

3.2 儲集空間類型

通過巖石鑄體薄片觀察及掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層發(fā)育的孔隙按成因分為原生和次生2種類型（表1）。殘余原生粒間孔由于埋藏較深，成巖作用改造強(qiáng)烈，形成了復(fù)雜的次生孔隙-微裂縫為主要儲集空間的儲層（圖3）。在構(gòu)造運(yùn)動和成巖時期的機(jī)械壓實作用影響下，巖石骨架顆粒受到一定程度的拉伸或擠壓，從而形成裂隙，或在巖石骨架顆粒表面直接形成破裂縫［9-11］。長石和石英的破裂縫較為多見，使得儲集砂體的滲透性得到一定改善。

表1 杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層孔隙類型及儲集特征Table1 Porosity type and its characteristics of thetight sandstone reservoir in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqiarea

圖3 杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層儲集空間類型Fig.3 Pore space types of the tight sandstone reservoir in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqiarea

4 成巖作用特征

碎屑物質(zhì)在沉積之后會經(jīng)歷多種成巖作用改造，使得巖石的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，從而改變儲層的物性［12-13］。其中，成巖作用對研究區(qū)下石盒子組儲層物性的影響可以分為2個方面：一是破壞儲層物性，例如壓實、膠結(jié)、交代等作用；二是改善儲層物性，例如溶蝕作用等。確定儲層形成過程中成巖作用的類型及其對物性的影響，有助于清晰地認(rèn)識儲層的成巖歷程和孔隙演化特征，明確儲集空間的形成機(jī)理，并為有利儲層預(yù)測提供必要的理論指導(dǎo)［14-15］。

4.1 壓實作用

由于沉積后的快速埋藏，研究區(qū)下石盒子組儲層的塑性礦物含量相對較高，機(jī)械壓實作用程度普遍較高。偏光顯微鏡觀察結(jié)果顯示，壓實作用特征主要表現(xiàn)為：①剛性礦物的脆性破裂（圖4a），例如石英、長石及剛性巖屑的破裂。②塑性礦物的彎曲變形，例如云母和塑性巖屑的擠壓形變，以及千枚巖巖屑的假雜基化（圖4b）。③碎屑顆粒間大多為線接觸和凹凸接觸，也可見縫合線接觸。由于壓實作用強(qiáng)烈，顆粒之間緊密程度較高，甚至顆粒邊緣已不明顯，原生粒間孔大量減少。

4.2 膠結(jié)作用

4.2.1 自生黏土礦物

通過大量的鑄體薄片鏡下鑒定及掃描電鏡觀察分析，結(jié)合研究區(qū)46塊巖心樣品的X射線衍射分析，可以明確自生黏土礦物的類型及其平均含量，包括自生高嶺石、自生伊利石、自生綠泥石以及伊/蒙混層。

杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的高嶺石含量相對較高，平均約為5.1%，一般以膠結(jié)物的形式充填于孔隙或以交代其他礦物形態(tài)產(chǎn)出，掃描電鏡下觀察其晶體集合體多呈書頁狀（圖4c）。高嶺石通常是由長石顆粒在酸性條件下通過水巖交互作用溶蝕形成，與次生孔隙具有正相關(guān)關(guān)系，且在高嶺石晶體中發(fā)育大量的晶間孔，為酸性環(huán)境的指示標(biāo)志，對有利儲層的形成也具有指示意義［16］。

伊利石含量平均約為2.2%。因其具有較高的雙折射率，在巖石鑄體薄片正交光下的最高干涉色通?？梢赃_(dá)到一級頂部，易于觀察；掃描電鏡觀察其呈片狀、絲縷狀充填于砂巖孔隙中（圖4d），形成于富含K+的弱堿性環(huán)境。在成巖過程中，隨著埋深的增加，伊利石含量也逐漸增高。

綠泥石含量平均約為3.7%，多為包膜附著于礦物顆粒表面，呈針柱狀（圖4e，4f）。伊/蒙混層含量平均約為1.9%，呈蜂窩狀和片絲狀覆蓋于碎屑顆粒表面（圖4g），為蒙脫石伊利石化的中間產(chǎn)物。

圖4 杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層典型成巖作用Fig.4 Typical diagenesis of the tight sandstone reservoir in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqiarea

4.2.2 石英膠結(jié)物

研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的石英膠結(jié)物含量平均約為1.6%，且除石英次生加大邊外，還發(fā)育晶形完好的自生石英晶體。其中，石英次生加大邊發(fā)育于碎屑石英顆粒邊緣（圖4h），形成于方解石膠結(jié)之前的早成巖階段［17］；但由于研究區(qū)石英顆粒表面的黏土膜相對較發(fā)育，可有效阻止石英次生加大邊的形成，因此石英次生加大膠結(jié)的含量較低［18-19］。自生石英晶體的自形程度較高，晶粒較小，充填于孔隙之中，形成于較晚的成巖階段。

4.2.3 碳酸鹽膠結(jié)物

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石和鐵方解石，平均含量為5.8%。方解石膠結(jié)主要分為2個期次，其中早期泥晶方解石呈基底式膠結(jié)（圖4i），主要形成于早成巖階段，且形成于石英膠結(jié)和綠泥石包膜之后；雖然方解石膠結(jié)物充填孔隙影響了儲層的物性，但也減弱了壓實作用對儲層物性的破壞程度，并為中后期成巖階段的溶解作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而晚期的碳酸鹽膠結(jié)物主要為含鐵方解石（圖4j），其呈孔隙式充填，嚴(yán)重堵塞孔隙，導(dǎo)致儲層孔隙度降低、物性變差。

4.3 溶蝕作用

研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的溶蝕作用比較發(fā)育，表現(xiàn)形式多為長石、巖屑顆粒內(nèi)部的溶蝕以及部分黏土雜基的溶蝕，石英溶蝕相對少見。長石多為沿自身解理縫或破裂縫發(fā)生溶蝕（圖4k），巖屑顆粒內(nèi)部的長石較易發(fā)生溶蝕，因此巖屑顆粒中的長石被溶蝕后多呈蜂窩狀。個別層系偶見石英顆粒的溶蝕，多表現(xiàn)為沿著顆粒邊緣發(fā)生溶蝕，且溶蝕邊緣呈港灣狀。整體上，溶蝕作用改善了致密砂巖儲層的物性。

4.4 交代作用

交代作用可以反映出礦物形成的先后順序，表現(xiàn)為原生礦物或早期膠結(jié)物被晚期膠結(jié)物交代。鑄體薄片觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)常見的交代現(xiàn)象有黏土礦物交代石英、長石和巖屑等，碳酸鹽礦物交代石英、長石和巖屑（圖4l）等。

5 成巖作用對孔隙度演化的影響

不同的成巖作用對儲層孔隙度的演化具有不同的影響［20］，有時甚至起決定性的作用?；诂F(xiàn)今儲層特征研究成果，通過建立孔隙度演化定量模型，分析其演化過程，可為儲層成因機(jī)制研究提供理論指導(dǎo)。

5.1 原始孔隙度的恢復(fù)

儲層的埋藏及成巖演化過程將會導(dǎo)致其組構(gòu)及原始孔隙發(fā)生改變。研究結(jié)果表明，儲層原始孔隙度可以根據(jù)分選系數(shù)建立經(jīng)驗關(guān)系式。BEARD等據(jù)此建立孔隙度演化定量模型［21-22］，其計算式為:

研究區(qū)錦32等13口井的鑄體薄片鏡下粒度統(tǒng)計結(jié)果表明，其分選系數(shù)為1.54～1.85，平均為1.68；原始孔隙度為 33.28%～35.78%，平均為34.54%。根據(jù)物性數(shù)據(jù)得到的實測孔隙度（7.69%），成巖作用演化損失的孔隙度大約為26.85%。

溶蝕作用的強(qiáng)度與長石、巖屑和早期碳酸鹽膠結(jié)物的含量呈正相關(guān)關(guān)系［23-25］。溶蝕作用是形成次

5.2 壓實作用對孔隙度的影響

在早成巖階段沉積物沉降過程中，原始孔隙經(jīng)壓實作用，一部分直接損失，另一部分被膠結(jié)堵塞。壓實作用后剩余粒間孔孔隙度可根據(jù)實測原生粒間孔面孔率與膠結(jié)物面孔率、膠結(jié)物含量、實測孔隙度、總孔隙面孔率的關(guān)系求得，其計算式為:

統(tǒng)計研究區(qū)下石盒子組13口井的鑄體薄片資料發(fā)現(xiàn)，其平均埋深為2 968.3 m。壓實作用后，剩余粒間孔的孔隙度為9.74%～19.21%，平均為14.29%，壓實作用導(dǎo)致孔隙度減少約20.25%，孔隙度損失率為42.44%～72.77%，平均為58.62%，屬于中等壓實強(qiáng)度，表明壓實作用是研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層孔隙度減小的主要成巖作用。

5.3 膠結(jié)作用對孔隙度的影響

膠結(jié)作用對儲層的孔隙度演化也有重要影響。根據(jù)膠結(jié)物形成期次，將研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的膠結(jié)物劃分為早期和中晚期2個階段，膠結(jié)作用后的剩余孔隙度及膠結(jié)作用的孔隙度損失率的計算式分別為:

壓實作用損失的孔隙度及其損失率分別為:

統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層經(jīng)過早期膠結(jié)作用后的剩余孔隙度為4.25%～16.46%，平均為8.71%；早期膠結(jié)作用的孔隙度損失率為6.25%～28.95%，平均為16.15%。溶蝕作用之后的中晚期膠結(jié)物的含量平均為6.06%，孔隙度損失率平均為17.54%，2期膠結(jié)作用導(dǎo)致儲層孔隙度減少約11.64%。

5.4 溶蝕作用對孔隙度的影響

生孔隙、改善孔滲條件的主要成巖作用之一，溶蝕作用增加的孔隙度的計算式為:

溶蝕作用主要發(fā)育于早期膠結(jié)作用之后。研究區(qū)溶蝕作用增加的孔隙度為2.53%～10.34%，平均為5.20%。

5.5 孔隙度演化定量模型

杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的埋深較大，成巖作用復(fù)雜?；诳紫抖妊莼磕Ｐ?，結(jié)合成巖作用類型和特征研究，根據(jù)礦物之間的交代、充填關(guān)系以及流體均一溫度分析等，確定其從沉積初期至現(xiàn)今所經(jīng)歷的成巖作用演化序列依次為：壓實作用/黏土礦物環(huán)邊—早期碳酸鹽膠結(jié)—長石溶解/石英次生加大/自生高嶺石—鐵方解石膠結(jié)—自生石英顆?！晾Ｒ詢蝇F(xiàn)今孔隙的結(jié)構(gòu)類型及其對應(yīng)的鑄體薄片特征為基準(zhǔn)，恢復(fù)不同地質(zhì)歷史時期各成巖階段的孔隙結(jié)構(gòu)特征［26］，建立研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層成巖階段及孔隙度演化模型（圖5），進(jìn)而可以將孔隙度演化模式劃分為機(jī)械壓實作用減孔、早期膠結(jié)作用減孔、強(qiáng)烈溶蝕作用增孔、中晚期膠結(jié)作用減孔4個階段。研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的原始孔隙度平均為34.54%，經(jīng)壓實作用，孔隙度減少約20.25%，孔隙度約為14.29%；經(jīng)早期膠結(jié)作用，孔隙度減少5.58%，孔隙度約為8.71%；再經(jīng)溶蝕作用，孔隙度增加5.20%，孔隙度約為13.91%；最后經(jīng)晚期膠結(jié)作用，孔隙度減少6.06%，最終孔隙度約為7.85%?？紫抖妊莼磕Ｐ洼^合理地反映出孔隙度的演化規(guī)律及量變過程，可以更深入地了解儲層物性的控制因素，為研究區(qū)下步的勘探部署提供數(shù)據(jù)。

圖5 杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層成巖階段及孔隙度演化模型Fig.5 Diagenetic stage and porosity evolution model of the tight sandstone reservoir in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqiarea

6 結(jié)論

杭錦旗地區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層的孔隙度平均為7.69%，滲透率平均為0.89 mD，屬于典型的特低孔-特低滲透儲層。其儲集空間類型以次生孔隙為主，巖性以巖屑砂巖為主，巖屑類型較為復(fù)雜，碳酸鹽膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)普遍發(fā)育。儲層的埋深較大，成巖作用復(fù)雜；其中，壓實作用和2期碳酸鹽膠結(jié)作用為主要的破壞性成巖作用，溶蝕作用為主要的建設(shè)性成巖作用，現(xiàn)今成巖期次主要處于中成巖階段B期?？紫抖然謴?fù)計算結(jié)果表明，儲層先后經(jīng)歷了壓實作用、早期膠結(jié)作用、溶蝕作用、晚期膠結(jié)作用，其原始孔隙度平均為34.54%，經(jīng)壓實作用后的剩余粒間孔的孔隙度平均為14.29%，經(jīng)早期膠結(jié)作用后剩余的孔隙度平均為8.71%，經(jīng)溶蝕作用孔隙度增至13.91%，溶蝕作用之后中晚期膠結(jié)物的含量減少6.06%，計算得到的最終孔隙度為7.85%。基于孔隙度演化定量模型的建立，可以定量表征研究區(qū)下石盒子組致密砂巖儲層不同成巖階段孔隙度演化的差異性，對提高油氣勘探品質(zhì)及采收率具有重要意義。

符號解釋：

φ1——砂巖尚未固結(jié)成巖的原始孔隙度，%；Sd——分選系數(shù)，其為粒度概率累積曲線上概率數(shù)值為25%所對應(yīng)的顆粒直徑與75%所對應(yīng)的顆粒直徑的比值；φ2——壓實作用后剩余粒間孔的孔隙度，%；C——膠結(jié)物含量，%；φpm——實測原生粒間孔的面孔率，%；φc——膠結(jié)物的面孔率，%；φ3——實測孔隙度，%；φ4——總孔隙的面孔率，%；φL——壓實作用損失的孔隙度，%；FL——壓實作用的孔隙度損失率，%；φ5——膠結(jié)作用后的剩余孔隙度，%；FC——膠結(jié)作用的孔隙度損失率，%；φ6——溶蝕作用增加的孔隙度，%；φd——溶蝕孔的面孔率，%。