基于巖石物理相的儲集層孔隙結(jié)構(gòu)分類評價——以鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)長8油層組為例

賴錦，王貴文,2，陳敏，王書南，柴毓，蔡超，張永辰，李鑒倫

（1. 中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院；2. 中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室）

1 研究思路

巖石物理相是具有一定巖石物理性質(zhì)及滲流特征的儲集層成因單元，是沉積作用、成巖作用、構(gòu)造作用和后期流體改造作用的綜合反映，在微觀上表現(xiàn)為儲集層孔隙結(jié)構(gòu)特征[1-5]。巖石物理相充分考慮了影響儲集層物性和孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的裂縫相、沉積相和成巖相 3大主控因素，強調(diào)從儲集層形成機制的角度認(rèn)識儲集層、評價儲集層對油氣的控制作用[1,6]，因此通過儲集層巖石物理相研究可探討儲集體內(nèi)孔隙空間的形成及其演化過程，基于巖石物理相分類可較好地實現(xiàn)儲集層孔隙結(jié)構(gòu)特征的分類評價，并可利用巖石物理相地質(zhì)“相”的內(nèi)涵預(yù)測有利孔滲發(fā)育帶，為儲集層的區(qū)域評價和預(yù)測提供依據(jù)。

研究區(qū)姬塬地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中偏西部地區(qū)（見圖1），面積約9 500 km2。區(qū)內(nèi)地層平緩，傾角僅0.5°左右，構(gòu)造簡單，總體為一西傾的平緩大單斜[7]。姬塬地區(qū)延長組為一套內(nèi)陸坳陷型敞流湖泊三角洲相沉積[8]，根據(jù)巖性、沉積旋回可將其自上而下分為長1到長10共10個油層組，其中長10—長7沉積期為湖進期，長7沉積期為湖盆鼎盛期，長6—長2沉積期為湖退期，長1沉積期為準(zhǔn)平原化期[9-10]。目的層長8油層組沉積主體為淺水三角洲體系，分流河道發(fā)育[8]。相對較淺的水體、穩(wěn)定的構(gòu)造背景、平緩的坡度及充足的物源形成了長 8油層組縱向上相互疊置、平面上連片分布的大套砂體，為儲集體系大規(guī)模發(fā)育創(chuàng)造了有利條件，也促進了研究區(qū)長 8油層組大規(guī)模連續(xù)型巖性地層油氣藏的形成[11]。由于該類儲集層受沉積環(huán)境及成巖作用、構(gòu)造等因素影響較大，儲集層總體表現(xiàn)出低孔低滲、油層薄和非均質(zhì)性強的特點，屬典型的特低滲透非均質(zhì)巖性地層油藏，且儲集層微觀孔隙類型多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲集性能相差懸殊[9]。因此，加強對研究區(qū)長8油層組孔隙結(jié)構(gòu)的研究，對其進行分類評價，才能更有效地反映儲集層儲集性能和流體的滲流特征，充分挖掘其油氣產(chǎn)能并更好地進行儲集體預(yù)測。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置示意圖

本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，充分利用巖心、薄片和鉆井、測井資料，對影響研究區(qū)長 8油層組有利儲集層分布的沉積相、成巖相和裂縫相特征進行研究，并據(jù)此對長 8油層組儲集層巖石物理相進行分類與定名，通過預(yù)測有利巖石物理相帶的分布實現(xiàn)對研究區(qū)長8油層組有利孔滲發(fā)育帶的預(yù)測。

2 長8油層組巖石物理相分類

從“相控”角度出發(fā)，巖石物理相主要受控于沉積相、成巖相和裂縫相[12]，其分類與定名應(yīng)采用 3類相疊合的原則，即沉積相+成巖相+裂縫相[8,12-13]。筆者對研究區(qū)長 8油層組儲集層的沉積（微）相特征、成巖相和裂縫相特征分別進行了研究，通過 3者的疊加與復(fù)合實現(xiàn)對長8油層組儲集層巖石物理相的分類。

2.1 長8沉積相特征

前已述及，姬塬地區(qū)長 8油層組沉積期，其周邊地形十分平緩，傾角很小，大的構(gòu)造背景處于基底整體一致下降的拗陷時期，沉積環(huán)境主要為淺水三角洲前緣，水下分流河道砂體發(fā)育，延伸較遠(yuǎn)，局部發(fā)育河口壩及水下分流間灣等微相[9-11]。

處于相對高能環(huán)境下的三角洲前緣水下分流河道，由于水動力較強，碎屑顆粒的分選性和磨圓度較好，粒度較粗，黏土礦物含量低，原始粒間孔發(fā)育，易形成較好的儲集空間，巖性組合以灰白色、灰褐色中砂巖為主，測井曲線常呈鐘形及（齒化）箱形。

水下分流河道向前延伸時能量減弱，大量河水?dāng)y帶物快速堆積下來，在河口處形成河口壩，由分選好、質(zhì)純的細(xì)砂和粉砂組成，其測井曲線呈漏斗形，上部多為水下分流河道沉積。

水下分流間灣形成于水動力能量較弱的湖灣地區(qū)，巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，儲集物性較差，不能形成有效儲集層，常以隔夾層的形式出現(xiàn)于水下分流河道及河口壩砂體中，自然伽馬測井曲線呈高幅齒狀。

2.2 長8成巖相特征

成巖相通常包含兩方面內(nèi)容，即成巖環(huán)境及在該環(huán)境下的成巖產(chǎn)物，反映沉積巖目前的面貌[14]。研究區(qū)長 8油層組儲集層在埋藏成巖演化過程中經(jīng)歷了多種成巖作用。鏡下可觀察到的成巖現(xiàn)象為：沉積物顆粒間以線接觸為主（見圖2a），說明經(jīng)歷了較強壓實作用；石英自生加大普遍；主要儲集空間以長石、巖屑次生溶孔為主（見圖2b、2c）；蒙脫石已基本消失，伊/蒙混層礦物普遍發(fā)育，混層比多小于 10%，為有序混層帶（見圖2d）。由于姬塬地區(qū)長8油層組為一套煤系，早期地層水呈酸性，缺乏早期的方解石等膠結(jié)物[15]，成巖中后期出現(xiàn)鐵方解石、鐵白云石等鈣質(zhì)膠結(jié)物（見圖 2d），部分薄片還可見環(huán)邊狀的綠泥石薄膜（見圖2e），綠泥石的形成會增加巖石的機械強度并在一定程度上抑制晚期石英的膠結(jié)作用，因而對儲集層物性起保護作用[16-17]。

圖2 姬塬地區(qū)長8油層組鏡下成巖及成巖相特征

對部分代表井長 8油層組泥巖樣品的鏡質(zhì)體反射率（Ro）進行測定，結(jié)果表明Ro值為0.5%～1.3%，處于中成巖階段A期。由此可以判斷研究區(qū)長8儲集層砂巖經(jīng)歷了早成巖階段 A、B期，現(xiàn)今主要處于中成巖階段A期，部分層段已進入中成巖階段B期。典型的成巖演化序列為：機械壓實→綠泥石黏土膜膠結(jié)→石英自生加大→長石、巖屑溶蝕→高嶺石沉淀→石油充注→晚期碳酸鹽膠結(jié)（鐵方解石、鐵白云石等）→裂縫發(fā)育。

在上述對長8油層組儲集層成巖作用、成巖礦物、成巖階段和成巖演化序列等特征認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，主要根據(jù)成巖作用類型和強度、成巖礦物及其對儲集層物性的影響，將長 8油層組儲集層劃分為 5種成巖相：綠泥石襯邊弱溶蝕成巖相（見圖2e）、不穩(wěn)定組分溶蝕成巖相（見圖2f）2種建設(shè)性成巖相；壓實致密成巖相（見圖2g）、高嶺石充填成巖相（見圖 2h）和碳酸鹽膠結(jié)成巖相（見圖2i）3種破壞性成巖相，各成巖相均具有不同的成巖作用組合及儲集層孔隙發(fā)育特征[15,17]。

在成巖相劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖心薄片及測井資料，歸納總結(jié)了 5種不同成巖相在測井曲線上的響應(yīng)特征。對成巖相敏感度較高的常規(guī)測井曲線包括聲波時差、自然伽馬、密度、補償中子測井、補償中子孔隙度與密度孔隙度差等。本文主要參照石玉江等對不同成巖相測井響應(yīng)特征的歸納[17]，對 5種成巖相的測井響應(yīng)特征進行歸納（見表1）。

表1 姬塬地區(qū)長8油層組儲集層成巖相測井響應(yīng)特征

2.3 長8裂縫相特征

本文在考慮構(gòu)造作用對巖石物理相的控制作用時主要從裂縫相角度分析，利用裂縫角度和裂縫密度等對長 8油層組儲集層進行裂縫相分類。對于裂縫發(fā)育的層段，一般根據(jù)裂縫發(fā)育的級別從低到高可分為近水平縫、低角度斜交縫、高角度斜交縫和網(wǎng)狀縫，裂縫相的發(fā)育可以顯著改善砂巖儲集層的孔滲性（尤其是滲流性能）。但研究區(qū)處于構(gòu)造活動相對穩(wěn)定區(qū)（平緩大斜坡），長8油層組儲集層中不發(fā)育大型褶皺和斷裂，而且長 8油層組巖石中塑性碎屑顆粒含量較高，因此砂巖中破裂作用不普遍[2]，裂縫發(fā)育規(guī)模較小。巖心觀察和成像測井圖像表明，長8油層組儲集層只有局部層段發(fā)育高角度縫，裂縫密度一般僅為1～2條/m。裂縫相的識別與劃分主要依據(jù)成像測井資料。

2.4 長8油層組巖石物理相分類命名

上述研究表明，長 8油層組儲集層沉積微相類型主要有水下分流河道、河口壩和水下分流間灣3種；成巖相類型有綠泥石襯邊弱溶蝕相、不穩(wěn)定組分溶蝕相、壓實致密相、高嶺石充填相和碳酸鹽膠結(jié)成巖相5種；裂縫發(fā)育規(guī)模小，局部層段發(fā)育高角度斜交縫。由于姬塬地區(qū)長 8油層組儲集層在構(gòu)造上屬于平緩的單斜背景，裂縫基本不發(fā)育，沉積微相也相對單一，主體沉積以淺水三角洲前緣水下分流河道為主，所以本文劃分長 8油層組儲集層巖石物理相時主要側(cè)重成巖相的劃分，也結(jié)合裂縫相和區(qū)域沉積微相進行綜合分析。

以耿 166井為例，根據(jù)測井、錄井資料，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景（見圖3），對長8段儲集層沉積微相進行劃分；根據(jù)表 1中的成巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用測井曲線組合實現(xiàn)該井縱向上成巖相的劃分；利用FMI成像測井資料統(tǒng)計儲集層裂縫發(fā)育層段和裂縫發(fā)育級別，確定各層段裂縫相特征。在單井縱向沉積微相、成巖相和裂縫相劃分的基礎(chǔ)上，通過 3者的疊合實現(xiàn)巖石物理相的分類命名。由上述可知，姬塬地區(qū)長 8油層組儲集層理論上可劃分出巖石物理相類型 30種（3×5×2），但其中包括一些不合理或不存在的組合，如水下分流間灣-綠泥石襯邊弱溶蝕-高角度縫，這是由于水下分流間灣微相巖性以泥巖為主，一般以發(fā)育壓實致密成巖相為主，不可能出現(xiàn)綠泥石襯邊弱溶蝕或者不穩(wěn)定組分溶蝕成巖相等建設(shè)性成巖相，一般也不發(fā)育裂縫。

劃分結(jié)果表明，耿166井長8油層組儲集層發(fā)育的巖石物理相類型有：水下分流河道-不穩(wěn)定組分溶蝕-高角度斜交縫相（2 796～2 797 m）、水下分流河道-壓實致密-無裂縫發(fā)育相（2 823～2 825 m）和水下分流河道-綠泥石環(huán)邊膠結(jié)-無裂縫發(fā)育相（2 790～2 793 m）等（見圖3）。

3 基于巖石物理相分類的儲集層孔隙結(jié)構(gòu)分類評價

考慮到按照“相控”方法進行巖石物理相分類之后命名方案的復(fù)雜性，筆者認(rèn)為可按照有利和不利的沉積微相、建設(shè)性和破壞性的成巖相、裂縫發(fā)育與否對疊加后的巖石物理相進行分類歸納總結(jié)。

3.1 儲集層孔隙結(jié)構(gòu)分類及定量表征參數(shù)

儲集層巖石物理相研究的目的在于對油氣儲集層質(zhì)量進行分類評價，預(yù)測高產(chǎn)、低產(chǎn)區(qū)[18]。孔隙結(jié)構(gòu)是儲集層分類評價的基礎(chǔ)，低滲透儲集層微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同孔隙結(jié)構(gòu)的儲集層宏觀上表現(xiàn)為孔滲性的不同。表征儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、反映宏觀滲流特征的參數(shù)包括地層流動帶指數(shù)（FZI）和儲集層品質(zhì)指數(shù)（RQI）。馬旭鵬等[19]研究表明，RQI是定量表征儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的最佳宏觀物性參數(shù)，其值越大，儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)越好；而 FZI與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系較復(fù)雜，當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)變差時，F(xiàn)ZI可能增大也可能減小。

目前評價儲集層孔隙結(jié)構(gòu)最直接有效的資料為壓汞曲線，根據(jù)壓汞曲線把研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)類型分為Ⅰ類大中孔中喉型、Ⅱ類中孔細(xì)喉型、Ⅲ類小孔細(xì)喉型和Ⅳ類微孔微喉型4種類型（見表2）。毛管壓力曲線顯示長 8油層組儲集層排驅(qū)壓力總體偏高，退汞效率低，分選性略顯不好，以細(xì)歪度為主，少量粗歪度。

圖3 耿166井長8油層組儲集層巖石物理相劃分

表2 姬塬地區(qū)長8油層組利用壓汞曲線的孔隙結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)

對池307井、耿166井等關(guān)鍵井41塊巖心柱塞樣的壓汞測試參數(shù)及其與 RQI的相關(guān)性分析表明，RQI與儲集巖排驅(qū)壓力（p）、分選系數(shù)（Sp）相關(guān)性較高（見圖4）。由圖4和表2可見，RQI值越大，對應(yīng)的排驅(qū)壓力值越小、分選系數(shù)越大，表示孔隙結(jié)構(gòu)相對越好。樣品分析結(jié)果表明，大中孔中喉型 4個樣品，RQI值為0.48～0.65 μm，平均0.60 μm；中孔細(xì)喉型11個樣品，RQI值為 0.25～0.41 μm，平均 0.32 μm；小孔細(xì)喉型 14個樣品，RQI值為 0.11～0.45 μm，平均 0.17 μm；微孔微喉型10個樣品，RQI值為0.09～0.16 μm，平均0.12 μm。

因此，在物性資料準(zhǔn)確的前提下，可以利用儲集層品質(zhì)因子綜合評價儲集層孔隙結(jié)構(gòu)。在對非均質(zhì)儲集層進行巖石物理相分類后，各類巖石物理相具有特定的水動力特征，一般情況下，其孔隙度與滲透率呈規(guī)律性變化，可建立各巖石物理相的孔隙度-滲透率關(guān)系[10]并計算其RQI值，如此便可實現(xiàn)長8油層組儲集層各單井縱向孔隙結(jié)構(gòu)連續(xù)評價，并可根據(jù)有利巖石物理相的分布實現(xiàn)長 8油層組儲集層有利孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育帶的分布預(yù)測。

圖4 儲集層品質(zhì)指數(shù)與壓汞孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)交會圖（樣品個數(shù)41）

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)與巖石物理相類型對應(yīng)關(guān)系

按沉積相、成巖相和裂縫相對儲集巖孔隙結(jié)構(gòu)的作用（建設(shè)或破壞），對長8油層組儲集層巖石物理相類型進行聚類分析，可歸納總結(jié)出PF1—PF4共4類巖石物理相（見圖5）。

圖5 耿166井不同類別巖石物理相孔滲關(guān)系交會圖

3.2.1 PF1類

該類巖石物理相發(fā)育于裂縫相（微裂縫）發(fā)育層段，其沉積相和成巖相類型可為建設(shè)型也可為破壞型，該類巖石物理相發(fā)育層段滲透率很高，一般具有較高的RQI值（0.92～1.93，平均 1.48）。巖心柱塞樣通常取自巖心致密部位，一般不發(fā)育宏觀構(gòu)造裂縫。裂縫或微裂縫較發(fā)育的巖心樣品在毛管壓力曲線上一般表現(xiàn)為低排驅(qū)壓力、較大最大孔喉半徑等。但裂縫和微裂縫在一定程度上改善儲集層孔滲性的同時，也加大了儲集層非均質(zhì)性，裂縫、微裂縫發(fā)育且分布較均勻時對改善儲集層孔隙結(jié)構(gòu)最為有利。

3.2.2 PF2類

該類巖石物理相發(fā)育于有利沉積相（主要是水下分流河道）和建設(shè)性成巖相（綠泥石襯邊弱溶蝕成巖相、不穩(wěn)定組分溶蝕成巖相）疊加發(fā)育層段，裂縫不發(fā)育。該類巖石物理相沉積物形成于有利的沉積相帶且后期成巖改造作用有利于改善孔隙結(jié)構(gòu)，多對應(yīng)Ⅰ類和Ⅱ類較有利孔隙結(jié)構(gòu)，是有利孔滲發(fā)育帶。該類巖石物理相RQI值為0.04～1.00，平均0.33。

3.2.3 PF3類

該類巖石物理相發(fā)育于有利沉積相和破壞性成巖相（壓實致密成巖相、高嶺石充填成巖相和碳酸鹽膠結(jié)成巖相）疊加發(fā)育層段，裂縫不發(fā)育。該類儲集層雖處于有利的沉積微相帶，但由于地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷了較強的破壞性成巖作用，現(xiàn)今一般表現(xiàn)為非均質(zhì)性強的特征，孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多發(fā)育Ⅲ類小孔細(xì)喉型孔隙結(jié)構(gòu)，部分層段可發(fā)育Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)。該類巖石物理相RQI值為0.03～0.40，平均0.11。

3.2.4 PF4類

該類巖石物理相包括兩種類型：①發(fā)育于不利沉積微相（水下分流間灣）和破壞性成巖相疊加發(fā)育層段，裂縫不發(fā)育。由于形成于水動力能量較低的河道間相帶，顆粒粒度較細(xì)，泥質(zhì)含量高，該沉積微相中形成的砂體后期易經(jīng)受較強壓實和膠結(jié)作用的改造，一般形成孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙孔隙儲集層，有時甚至難以形成有效儲集層。②形成于有利的沉積微相，但后期經(jīng)歷了壓實和膠結(jié)作用的強烈改造。該類巖石物理相總體表現(xiàn)出特低孔低滲的特征，孔隙結(jié)構(gòu)以Ⅳ類微孔微喉型為主，RQI值為0.05～0.11，平均0.07。

上述研究表明，雖然影響儲集巖孔隙結(jié)構(gòu)的因素眾多，如沉積因素造成的顆粒粒度、形狀、分選的差異，成巖因素如壓實、膠結(jié)及溶蝕等強度的差異等，但這些影響因素最終均表現(xiàn)為儲集層孔隙度和滲透率的差異，即RQI值的變化。由此根據(jù)不同巖石物理相的RQI值即可實現(xiàn)各單井縱向孔隙結(jié)構(gòu)分類評價，如耿166井單井縱向上PF1、PF2巖石物理相層段多對應(yīng)Ⅰ類和Ⅱ類較有利孔隙結(jié)構(gòu)，而PF3、PF4巖石物理相層段一般形成Ⅲ類和Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)（見圖5）。

4 有利孔滲發(fā)育帶預(yù)測

有利沉積微相帶、成巖相帶和裂縫相的疊合部位即是有利巖石物理相帶發(fā)育部位，亦即有利孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育帶。巖石物理相的平面展布也遵循優(yōu)勢相原則，由于長8油層組大多數(shù)層段不發(fā)育裂縫，因此其有利沉積微相和成巖相的疊合處即是有利孔滲帶分布區(qū)。長8油層組可進一步細(xì)分為長811、長812、長821和長822共4個小層，在單井縱向沉積微相和成巖相剖面展開的基礎(chǔ)上，對各小層沉積微相和成巖相進行平面成圖，根據(jù)二者在平面上的疊加繪制各小層巖石物理相的平面展布圖（見圖6）。

圖6 姬塬地區(qū)長8油層組各小層巖石物理相平面展布圖

由圖 6可見，對于任一小層，油井和水井大多處于有利的巖石物理相帶（PF2），少部分位于PF3帶，而不利的巖石物理相帶（PF4）基本為干井，因此PF2巖石物理相分布區(qū)即是最有利的孔滲發(fā)育帶。單井產(chǎn)能還跟烴源巖、疏導(dǎo)體系等成藏要素有關(guān)，但從物性和孔隙結(jié)構(gòu)方面考慮，有利的巖石物理相帶（主要是PF2）即是有利孔滲發(fā)育區(qū)。

5 結(jié)論

姬塬地區(qū)長 8油層組儲集層沉積微相類型主要有水下分流河道、河口壩和水下分流間灣；成巖相類型有綠泥石襯邊弱溶蝕相、不穩(wěn)定組分溶蝕相、壓實致密相、高嶺石充填相和碳酸鹽膠結(jié)成巖相；大多數(shù)層段不發(fā)育裂縫，局部層段發(fā)育高角度斜交縫相。根據(jù)沉積相、成巖相和裂縫相疊加劃分巖石物理相的方法，劃分出水下分流河道-不穩(wěn)定組分溶蝕-高角度斜交縫相、水下分流河道-壓實致密-無裂縫發(fā)育相和水下分流河道-綠泥石環(huán)邊膠結(jié)-無裂縫發(fā)育相等巖石物理相。

儲集層品質(zhì)因子是定量表征儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的較好宏觀物性參數(shù)，其值越大，表明儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)越好，根據(jù)不同類別巖石物理相的RQI值即可實現(xiàn)各單井縱向上的孔隙結(jié)構(gòu)分類評價。

按照沉積相、成巖相和裂縫相對儲集巖孔隙結(jié)構(gòu)的建設(shè)與破壞作用，對長 8油層組儲集層的巖石物理相類型進行聚類分析，級別從高到低可分為PF1、PF2、PF3和PF4 4大類巖石物理相，由PF1至PF4類巖石物理相，RQI值依次降低，孔隙結(jié)構(gòu)變差。長 8油層組油井和水井大多處于有利的巖石物理相（PF2）帶，根據(jù)有利巖石物理相（主要是 PF2）的平面展布即可預(yù)測有利孔滲發(fā)育帶。

巖石物理相方法由于充分考慮了影響孔隙結(jié)構(gòu)的主要地質(zhì)因素，適合于類似姬塬地區(qū)長 8油層組低滲透碎屑巖儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)分類評價和有利孔滲發(fā)育帶的預(yù)測。

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