吳起地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層特征及成巖作用研究

孟子圓，孫 衛(wèi).

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6儲(chǔ)層是近年來(lái)油田開(kāi)發(fā)的主力層位之一，在進(jìn)一步增儲(chǔ)上產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于儲(chǔ)層的物性演化及其影響因素的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要[1-2]。前人主要通過(guò)建立孔隙度演化模型對(duì)各儲(chǔ)層成巖作用階段進(jìn)行研究，探索不同類型儲(chǔ)層發(fā)生的成巖作用及對(duì)物性的影響方面前景廣闊[3-5]。因此，本文利用基礎(chǔ)物性資料、鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、X衍射等實(shí)驗(yàn)方法基于孔隙類型對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類并揭示各成巖作用對(duì)儲(chǔ)層來(lái)帶的影響，以期為儲(chǔ)層的進(jìn)一步合理發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)區(qū)域圖Fig.1 Regional map of the study area

吳起地區(qū)位于我國(guó)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造單元的中西部(圖1)，地處陜西省延安市吳起縣境內(nèi)?？碧矫娣e約為1 000 km2。該地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層平緩，以一個(gè)向西傾的單斜為主，傾角小于1°，在此大的構(gòu)造背景之下發(fā)育有一系列小型鼻狀隆起。研究區(qū)儲(chǔ)量豐富，延長(zhǎng)組長(zhǎng)6儲(chǔ)層是吳起油田的主力生油層位，已探明儲(chǔ)量近5 000萬(wàn)噸。根據(jù)前人研究成果，長(zhǎng)6層為發(fā)育良好的一套湖泊三角洲陸相碎屑巖沉積[6-7]。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

通過(guò)鑄體薄片實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，運(yùn)用石英、長(zhǎng)石、巖屑含量作出三角圖(圖2a)?？芍獏瞧鸬貐^(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層的巖性為中-細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖。其中石英含量約20.5%，長(zhǎng)石含量約53.2%，巖屑含量約13.6%，其中變質(zhì)巖巖屑含量最高，約為10.03%，火成巖和沉積巖巖屑含量最少，分別為2.55%，1.53%。填隙物總量約14.0%(圖2b)，填隙物中鐵方解石發(fā)育，絕對(duì)含量約8.9%(相對(duì)含量64%)，在碳酸鹽膠結(jié)發(fā)育的砂巖中，鐵方解石含量可高達(dá)48%。綠泥石、伊利石較為發(fā)育，絕對(duì)含量分別約為2.2%(相對(duì)含量16%)，1.7%(相對(duì)含量12%)。硅質(zhì)礦物不發(fā)育，約0.8%(相對(duì)含量5%)。還發(fā)育有少量菱鐵礦、長(zhǎng)石質(zhì)。碎屑顆粒粒徑介于0.10～0.60之間，平均為0.37 mm。根據(jù)鏡下觀察，顆粒分選好，磨圓度為次棱角狀。膠結(jié)類型主要有孔隙-薄膜式、孔隙式、孔隙-加大式膠結(jié)。顆粒接觸方式多為點(diǎn)-線狀、線-線狀、縫合線狀接觸。

吳起地區(qū)長(zhǎng)6層段的孔隙類型主要有粒間孔、長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔，少量微孔。長(zhǎng)6儲(chǔ)層平均面孔率2.48%。粒間孔約1.89%，長(zhǎng)石溶孔0.53%，巖屑溶孔約0.16%。粒間孔含量占比76.2%，是長(zhǎng)6儲(chǔ)層的主要孔隙類型，是改善儲(chǔ)層質(zhì)量的有利因素之一。喉道類型主要為片狀喉道、彎片狀喉道及管束狀喉道。

圖2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征Fig.2 Reservoir petrological characteristics

吳起地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層的孔隙度范圍在2.99～12.11%，均值8.49%。滲透率范圍0.01～1.22×10-3μm2，均值0.29×10-3μm2。59.76%樣品的孔隙度集中在7.5～12.5%之間，屬于特低孔隙度。超低滲樣品占總樣品的93.90%。因此，研究區(qū)屬于典型低孔-超低孔、特低滲-超低滲儲(chǔ)層(圖3)。總體上物性相關(guān)性較好(圖4)。隨著孔隙度、與滲透率的逐漸增大，相關(guān)性逐漸變差。

圖3 物性分布直方圖Fig.3 Distribution of properties histogram

3 基于孔隙類型的儲(chǔ)層分類

通過(guò)鏡下薄片觀察，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層孔隙組合主要是溶孔-粒間孔和粒間孔-溶孔。根據(jù)孔隙組合類型將儲(chǔ)層分為三類。Ⅰ類：溶孔-粒間孔型；Ⅱ類：粒間孔-溶孔型和溶孔型；Ⅲ類：微孔型(圖5)。

3.1 Ⅰ類：溶孔-粒間孔型儲(chǔ)層

該類儲(chǔ)層的孔隙類型主要為溶孔、粒間孔，以原始粒間孔為主。該類儲(chǔ)層孔隙度分布范圍7.43%～12.11%，滲透率分布范圍0.08～1.22×10-3μm2。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)顯示排驅(qū)壓力較低，均值約0.72 MPa，進(jìn)汞曲線平緩，最大孔喉半徑最大，約為1.31 μm，最終進(jìn)汞飽和度較大，約87.16%，退汞效率在三類儲(chǔ)層中是最高。該類型儲(chǔ)層物性最好，孔喉連通性最好，是最有利于油氣儲(chǔ)集的儲(chǔ)層類型[8]，也是研究區(qū)發(fā)育最廣泛的儲(chǔ)層類型。

3.2 Ⅱ類：粒間孔-溶孔型儲(chǔ)層

該類儲(chǔ)層發(fā)育粒間孔、溶孔，但以溶蝕作用產(chǎn)生的二次溶蝕孔隙為主要孔隙類型，其中主要為長(zhǎng)石溶蝕孔，巖屑溶蝕孔較少。該類儲(chǔ)層孔隙度分布范圍4.21%～9.87%，滲透率分布范圍 0.01～0.39×10-3μm2。排驅(qū)壓力稍高，約為0.99 MPa，進(jìn)汞曲線呈較平緩的階梯狀，指示了雙孔隙結(jié)構(gòu)類型。最終進(jìn)汞飽和度較高，約88.76%，退汞效率較高。最大孔喉半徑值約為0.87 μm。該類儲(chǔ)層物性中等，壓實(shí)、膠結(jié)等成巖作用對(duì)該類儲(chǔ)層破壞性改造較大，主要靠后期發(fā)生溶蝕作用改善物性條件。該類儲(chǔ)層在研究區(qū)發(fā)育較少。

3.3 Ⅲ類：微孔型儲(chǔ)層

該類儲(chǔ)層的原生粒間孔隙幾乎不復(fù)存在，溶蝕作用對(duì)物性的改善也不盡明顯?？紫额愋椭饕跃чg微孔和少量微裂縫。儲(chǔ)層孔隙度分布范圍2.99～9.17%，滲透率分布范圍0.002～0.44×10-3μm2。排驅(qū)壓力值最高，約3.45 MPa，曲線相比Ⅰ類、Ⅱ類儲(chǔ)層更加偏向右上方。最終總進(jìn)汞飽和度值相對(duì)較低，均值82.27%，退汞效率較低。最大孔喉半徑約為0.31 μm。該類儲(chǔ)層在研究區(qū)發(fā)育較少，且是不利于油氣儲(chǔ)集的儲(chǔ)層類型。

圖5 基于孔隙類型的儲(chǔ)層分類Fig.5 Reservoir Classification Based on Pore Types

4 成巖作用對(duì)孔隙度演化及物性的影響

4.1 機(jī)械壓實(shí)作用

壓實(shí)作用通常從早成巖階段開(kāi)始，是在上覆地層壓力、靜水壓力以及構(gòu)造作用力下發(fā)生的一種使沉積物變致密的作用[9]。壓實(shí)作用的影響因素主要有埋藏深度、古地溫、沉積物物質(zhì)組成、構(gòu)造活動(dòng)等。通過(guò)對(duì)鑄體薄片、掃描電鏡等資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的壓實(shí)作用主要表現(xiàn)在：①塑性顆粒垂直于作用力方向彎曲變形，或發(fā)生蝕變和水化膨脹充填孔隙，并釋放離子為后續(xù)膠結(jié)作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)，如云母顆粒、部分巖屑顆粒；②剛性顆粒在作用力下發(fā)生破碎，以假雜基的形式充填孔隙空間，如石英、長(zhǎng)石等；③作用力下顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)，趨于重新定向排列，接觸方式由點(diǎn)狀接觸向點(diǎn)-線狀、線狀接觸轉(zhuǎn)變。中、晚成巖階段發(fā)生化學(xué)壓實(shí)作用(壓溶作用)主要表現(xiàn)在顆粒接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)殍偳妒?、縫合線式接觸，以及石英次生加大。前人研究表明，化學(xué)壓實(shí)作用在伊利石和云母含量較多的環(huán)境下更加發(fā)育，其中云母和伊利石起到了催化作用[10]。

根據(jù)1973年Beard計(jì)算儲(chǔ)層原始孔隙度的方法[11]，對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層進(jìn)行原始孔隙度恢復(fù)計(jì)算。公式為：

碎屑巖原始孔隙度=20.91+(22.9/ST)

ST=(P25/P75)1/2

其中ST即Trask分選系數(shù)，P25、P75分別為粒度頻率累計(jì)曲線上25%和75%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，研究區(qū)長(zhǎng)6砂巖原始孔隙度大約為35.5%。

研究區(qū)壓實(shí)作用表現(xiàn)為破壞性成巖作用。壓實(shí)作用致使原始粒間孔隙減少，而原始孔隙的減少程度與壓實(shí)程度密切相關(guān)。壓實(shí)作用帶來(lái)的孔隙損失可以用公式表示[12]：

壓實(shí)后粒間體積=粒間孔隙體積+膠結(jié)物體積+雜基體積

通過(guò)公式計(jì)算，研究區(qū)壓實(shí)作用致使孔隙度損失范圍在4.79%～32.8%，平均值20.15%。壓實(shí)率最大值92.4%，最小值13.4%，均值為56.8%。分析壓實(shí)率對(duì)儲(chǔ)層物性的影響發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)率與物性呈較弱的負(fù)相關(guān)。因此雖然壓實(shí)作用在研究區(qū)較為發(fā)育，但在影響儲(chǔ)層物性的成巖作用中并不占主導(dǎo)作用。

4.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是一種在沉積物沉積之后，由于不同孔隙水的沉淀和反應(yīng)，使松散的沉積物固結(jié)的作用[13]。影響膠結(jié)作用的主要因素有沉積物物質(zhì)組成、碎屑顆粒的表面性質(zhì)以及孔隙水的性質(zhì)等[14]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)的巖石學(xué)特征進(jìn)行分析，結(jié)合X衍射分析，發(fā)現(xiàn)吳起地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層所發(fā)生的膠結(jié)作用主要有碳酸鹽膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)以及硅質(zhì)膠結(jié)，作用類型復(fù)雜，程度強(qiáng)烈。部分膠結(jié)作用表現(xiàn)為破壞性成巖作用，膠結(jié)物充填原始孔隙使儲(chǔ)層致密化；另一方面，部分膠結(jié)物的發(fā)育也在一定程度上保護(hù)了孔隙不受壓實(shí)作用影響，部分膠結(jié)物還會(huì)在接下來(lái)的溶蝕作用中與孔隙水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生溶孔，提高孔隙度，連通孔隙空間。

研究區(qū)膠結(jié)作用類型較多，不同膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響不同。膠結(jié)作用帶來(lái)的孔隙度變化可以用公式表示[12]：

膠結(jié)物含量=現(xiàn)今膠結(jié)物含量+溶蝕掉膠結(jié)物含量

通過(guò)以上公式計(jì)算，研究區(qū)膠結(jié)作用損失孔隙度范圍在9.85%～64.79%，平均值27.82%。膠結(jié)率范圍在9.86%～64.79%，均值約28.81%。根據(jù)膠結(jié)率與物性關(guān)系圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)率與物性整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。膠結(jié)率對(duì)Ⅱ類儲(chǔ)層和Ⅲ類儲(chǔ)層的物性影響較大，隨著膠結(jié)率的增大，Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層的物性均變差，說(shuō)明膠結(jié)物對(duì)相對(duì)小孔隙的破壞更加明顯。

4.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

研究區(qū)鐵方解石膠結(jié)作用強(qiáng)烈，填隙物中鐵方解石占比64%，絕對(duì)含量8.9%。根據(jù)鏡下觀察，判斷出三期碳酸鹽膠結(jié)產(chǎn)物：早成巖階段，方解石呈泥晶、微晶形膠結(jié)，充填原生孔隙，造成孔、喉堵塞，部分孔隙呈半封閉狀，但早期的膠結(jié)物一般都具有保護(hù)原生孔隙避免壓實(shí)作用造成損失的作用，且碳酸鹽膠結(jié)物為后期的酸性水溶蝕提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，溶蝕作用的發(fā)生會(huì)形成二次孔隙，增加部分孔隙度；中成巖階段，方解石呈細(xì)晶形膠結(jié)，以鐵方解石為主；晚成巖階段，鐵方解石以連晶狀、斑狀充填孔隙并與碎屑發(fā)生交代作用，堵塞原生孔隙以及中期發(fā)生溶蝕作用產(chǎn)生的溶孔，部分孔隙成為死孔隙[15]。

根據(jù)鐵方解石膠結(jié)含量與物性關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)(圖7)，膠結(jié)率與物性關(guān)系整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。對(duì)Ⅱ類儲(chǔ)層和Ⅲ類儲(chǔ)層的物性影響較大，隨著膠結(jié)率的增大，Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層的物性均變差，說(shuō)明膠結(jié)物對(duì)相對(duì)小孔隙的破壞更加明顯。

圖6 膠結(jié)率與物性關(guān)系圖Fig.6 Relationship between cementation rate and physical property

圖7 鐵方解石含量與物性關(guān)系圖Fig.7 Relationship between iron calcite content and physical properties

4.2.2 黏土礦物膠結(jié)

通過(guò)鏡下薄片以及X衍射分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)黏土礦物膠結(jié)作用主要發(fā)育有綠泥石膠結(jié)和伊利石膠結(jié)。

研究區(qū)綠泥石含量均值約2.2%。綠泥石膠結(jié)的產(chǎn)狀受孔隙水性質(zhì)以及膠結(jié)時(shí)間的影響。通過(guò)鏡下薄片觀察，綠泥石自身晶形為葉片狀，多以孔隙襯邊式或分布均一的薄膜狀包裹碎屑顆粒。膜厚約為3～10 μm，鏡下可見(jiàn)綠泥石膜吸附豐富的有機(jī)質(zhì)。早成巖階段，綠泥石薄膜包裹碎屑顆粒，有效的抵抗了壓實(shí)作用帶來(lái)的孔隙損失，且綠泥石膜可以阻隔碎屑顆粒與孔隙水的接觸，進(jìn)而減緩了石英質(zhì)次生加大。成巖晚期，在早成巖階段形成的較厚的綠泥石膜伊利石化或被碳酸鹽礦物交代充填孔隙，與長(zhǎng)英質(zhì)共生。根據(jù)綠泥石與物性相關(guān)性圖(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，綠泥石含量與儲(chǔ)層物性整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著綠泥石含量增多，Ⅱ類、Ⅲ類儲(chǔ)層物性都呈現(xiàn)變好趨勢(shì)?？梢?jiàn)綠泥石膜膠結(jié)在研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層表現(xiàn)為一種建設(shè)性成巖作用，其保護(hù)孔隙，對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集和滲流能力都有好的影響。

研究區(qū)伊利石含量均值約1.7%，伊蒙混層含量均值約0.75%。伊利石主要以絲狀、絮狀充填孔隙，伊利石多有早期伊蒙混層轉(zhuǎn)化而來(lái)，以及部分早期綠泥石膜伊利石化和黑云母蝕變?yōu)橐晾?，呈斑狀充填孔隙。根?jù)伊利石含量與物性關(guān)系圖(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，伊利石含量?jī)H對(duì)Ⅱ類粒間孔-溶孔型儲(chǔ)層有一定的影響，但相關(guān)性較弱。

圖8 黏土礦物含量與物性關(guān)系圖Fig.8 Relationship between clay mineral content and physical properties

4.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)

鏡下可見(jiàn)石英質(zhì)次生加大，顆粒呈鑲嵌狀接觸，周圍存在有綠泥石膜。黏土膜對(duì)石英的加大有著抑制作用，因此研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育程度較弱，另一原因可能是巖石經(jīng)歷的熱演化過(guò)程不夠長(zhǎng)或是地溫不夠等原因造成[6]。分析硅質(zhì)膠結(jié)物含量與物性關(guān)系發(fā)現(xiàn)相關(guān)性較弱，因此在儲(chǔ)層的發(fā)育程度較低的硅質(zhì)膠結(jié)對(duì)物性的影響占比較小。

4.3 溶蝕作用

研究區(qū)溶蝕作用主要發(fā)生了兩期，第一期主要為長(zhǎng)石和巖屑沿解理縫發(fā)生溶蝕，形成粒內(nèi)溶蝕孔和溶蝕縫。石英質(zhì)的加大邊發(fā)生堿性溶蝕，形成港灣狀或是鋸齒狀[16]。但第一期的溶孔基本被后期膠結(jié)物所充填，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力沒(méi)有太大作用。第二期主要是在第一期溶蝕孔的基礎(chǔ)上發(fā)生再次溶蝕，發(fā)生溶蝕的有長(zhǎng)石、巖屑以及充填的方解石膠結(jié)物等。第二期內(nèi)部分長(zhǎng)石完全溶蝕，鏡下可見(jiàn)完整的長(zhǎng)石溶蝕孔。

研究區(qū)溶蝕作用是主要的增孔并改善儲(chǔ)層品質(zhì)的成巖作用，溶蝕作用增孔程度計(jì)算公式為[12]:

通過(guò)以上公式計(jì)算，研究區(qū)溶蝕作用增加孔隙度范圍0.89%～6.25%，平均值為2.84%，溶蝕率最大值17.6%，最小值2.51%，平均值8.01%。根據(jù)溶蝕率與物性關(guān)系可以看出，Ⅲ類微孔型儲(chǔ)層基本不發(fā)育溶蝕作用，溶蝕作用對(duì)Ⅱ類粒間孔-溶孔型儲(chǔ)層影響較大。隨著溶蝕率增加Ⅱ類儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率都有了極大改善。Ⅰ類儲(chǔ)層整體溶蝕率較低，受溶蝕作用影響較小。

圖9 溶蝕率與物性關(guān)系圖Fig.9 Relationship between corrosion rate and physical properties

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)鄂爾多斯盆地吳起地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層巖性為中-細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，孔隙度約為8.49%。滲透率約為0.29×10-3μm2，研究區(qū)屬于典型低孔-超低孔、特低滲-超低滲儲(chǔ)層。

(2)研究區(qū)儲(chǔ)層根據(jù)孔隙組合類型可分為溶孔-粒間孔型、粒間孔-溶孔型和微孔型。溶孔-粒間孔型物性最好，是最有利于油氣儲(chǔ)集的儲(chǔ)層類型，在研究區(qū)廣泛發(fā)育。粒間孔-溶孔型和微孔型在研究區(qū)發(fā)育較少，且微孔型物性最差。

(3)研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層成巖作用中壓實(shí)作用屬于破壞性成巖作用，減孔約20.15%，壓實(shí)率均值為56.8%。膠結(jié)作用整體減孔約27.82%，膠結(jié)率均值為28.81%，其中碳酸鹽膠結(jié)作用屬于破壞性成巖作用，綠泥石膠結(jié)屬于有利于儲(chǔ)層物性的成巖作用。溶蝕作用屬于建設(shè)性成巖作用，增加孔隙度均值為2.84%，溶蝕率平均值8.01%。