鄂尔多斯盆地延安地区盒8段储层成岩孔隙演化定量研究

郑忠文，吴彦君，景 成

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054； 2.延长油田股份有限公司 青化砭采油厂，陕西 延安 716000； 3.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

鄂尔多斯盆地延安地区盒8段储层成岩孔隙演化定量研究

郑忠文1,2，吴彦君2，景 成3

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054； 2.延长油田股份有限公司 青化砭采油厂，陕西 延安 716000； 3.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

利用铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、物性分析、X-衍射等测试手段结合理论公式，研究了鄂尔多斯盆地延安地区盒8段砂岩储层的成岩作用与孔隙定量演化特征。结果表明：延安地区盒8段低渗透砂岩储层处于中成岩B期，成岩演化经历了“早期机械压实—黏土矿物环边—火山物质蚀变—早期方解石胶结—压溶—硅质胶结—早期溶蚀开始—大量有机酸进入—溶蚀作用强烈进行—自生高岭石、石英大量沉淀—铁方解石、铁白云石胶结—微裂隙化”。储层原始孔隙度33.3%～42.0%，压实率高达53.5%，使储层损失了20%的孔隙度；硅质胶结作用以及后期的碳酸盐胶结作用发育，胶结率高达44.4%，使储层损失了17%的孔隙度。强烈的压实作用和胶结作用是导致储层物性变差的最主要原因。溶蚀作用使得储层孔隙度增加了2.2%，有机质成熟进入生烃高峰期发生的溶蚀作用对储层物性具有一定改善作用，成为相对优质储层形成的主控因素之一。

孔隙演化；成岩作用；盒8段砂岩储层；延安地区；鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地北部苏里格气田在上古生界石盒子组和山西组的勘探已获得重大突破，形成了中国最大的致密砂岩工业性大气田，控制着相对高渗高产“甜点”储层的有利沉积，成岩相带的研究已日趋深入，基本形成了以苏里格气田为代表的鄂尔多斯盆地北部带上古生界致密砂岩气藏的格局(图1)。关于鄂尔多斯盆地南部的延安地区在上古生界能否形成具有像苏里格气田那样的大型工业性气田，一直成为鄂尔多斯盆地致密砂岩气勘探开发的热点和难点。

在致密性砂岩储层的埋藏演化过程中，成岩作用对于其孔隙度和渗透率的产生、破坏和改造起着关键的作用[1-3]。虽然近年来对鄂尔多斯盆地延安地区上古生界的沉积体系、 储层特征以及成藏机理的研究取得了一定认识[2-5]，但在成岩作用与孔隙演化方面的研究甚少且不尽深入。因此，本文利用铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、物性分析、X-衍射等手段对延安地区盒8段储层的成岩作用与孔隙定量演化特征进行研究，为鄂尔多斯盆地延安地区上古生界石盒子组筛选相对高渗高产的优质储层提供理论依据。

图1 鄂尔多斯盆地致密气勘探开发形势图(据付金华[1])

1 储层基本特征

根据岩心描述、岩石薄片鉴定等统计分析，延安地区盒8段砂岩储层以巨—粗粒砂岩为主，次为中—粗粒砂岩，粒径主要分布在0.4～1.2 mm，分选性好。岩石类型主要为岩屑石英砂岩(图2)。碎屑成分以石英、岩屑为主，其中石英体积分数59.0%～94.5%，平均78.1%；岩屑体积分数3.2%～41.0%，平均21.3%；长石体积分数0.1%～4.4%，平均0.6%。根据X-衍射、岩石薄片的结果分析，盒8段砂岩储层填隙物体积分数为7.5%～29.5%，平均14.1%，其中，硅质体积分数4.0%，水云母体积分数3.1%，凝灰质体积分数2.0%，此外，还有部分高岭石、铁方解石、绿泥石。

图2 盒8段砂岩分类

通过对研究区的铸体薄片、扫描电镜等观察，延安地区盒8储层孔隙类型多样，主要有溶蚀孔、晶间孔、残余粒间孔隙等，主要以溶蚀孔隙和晶间孔为主，分别占总孔隙的60.2%和32.1%。其溶蚀孔隙主要以岩屑溶孔为主，占到总孔隙的55.2%，此外局部可见微裂缝。

研究区330个样品物性分析表明，盒8段砂岩储层孔隙度在1.1%～16.1%分布，平均为6.8%；渗透率分布在(0.01～5.00)×10-3μm2之间，平均为0.50×10-3μm2(图3)，属于典型的低孔低渗透致密性储层。

图3 盒8 段孔隙度、渗透率分布

2 储层成岩作用及孔隙定量演化

在详细的岩心观察描述基础上，对铸体薄片、扫描电镜照片进行了系统研究，同时结合X衍射、阴极发光分析，本区盒8储层成岩作用类型复杂，与孔隙演化有关的主要成岩作用类型有压实、压溶、胶结、溶蚀等。在成岩过程中成岩作用控制着孔隙演化的方向，沉积物进入埋藏成岩阶段，其储集空间的再分配主要受各种成岩作用控制。沉积物本身的内在特征也不同程度地制约着成岩作用的发生和发展，进而影响着孔隙的演化，区块大量样品的物性分析及薄片镜下鉴定统计为定量研究孔隙演化提供了依据。

首先利用未固结砂岩初始孔隙度(φ1)(湿砂在地表条件下的分选系数与孔隙度的关系)[6-7]

φ1=20.91+22.90/So

(1)

计算得出原始孔隙度φ1大约为33.3%～42.0%，平均为37.9%。然后根据压实减孔量、胶结物含量等关系，依据成岩过程与构造演化计算出不同成岩作用后的孔隙演化进程。

2.1 压实、压溶成岩作用及孔隙演化

(1)压实、压溶作用特征

根据镜下观察，研究区盒8段砂岩储层矿物颗粒之间主要呈凹凸接触或者缝合线接触，颗粒呈定向或半定向排列，部分刚性矿物颗粒出现破裂现象(图4)，表明研究区储层经历了较强的压实作用。较强的压实作用导致大量的原生孔隙丧失，储层的储集性和渗透性变差，同时导致碎屑颗粒相互接触点发生化学压溶作用。压溶作用的发生，引起了孔隙水中的硅、铝、钠、钾、钙等元素的重新分配，形成了大量的次生石英加大边。压溶作用的不断进行，使颗粒之间的接触变为嵌合接触或者缝合接触(图4)，导致石英颗粒之间相嵌现象较为严重，同时，使储集层的总体积和孔隙空间不断减小[7-8]，这是研究区储层在沉积以后物性变差的主要原因之一。

图4 压实作用与压溶作用

(2)压实、压溶作用后孔隙度变化

恢复压实后砂岩剩余粒间孔隙度主要用于评价压实作用对原生粒间孔的破坏程度。压实后剩余粒间孔隙度(φ2)可根据胶结物含量，粒间孔、溶蚀孔的面孔率及物性分析孔隙率与物性分析孔隙度的关系求得。这里需要说明的是对于现今孔隙中的胶结物溶孔，其形成过程是先形成胶结物，后期溶蚀是对胶结物的溶蚀，胶结物溶孔所占有的空间是砂岩压实后剩余粒间孔的一部分。

(2)

式中：胶结物含量为样品岩矿分析的胶结物体积分数，%；物性分析孔隙度为样品进行物性分析所得到的孔隙度值，%。

压实损失孔隙度=φ1-φ2，

(3)

(4)

通过计算，压实作用使孔隙度降低了13.3%～28.6%，平均降低18.4%，造成孔隙度损失率为33.9%～75.1%，平均孔隙损失率为55.9%。

2.2 胶结作用及孔隙演化

(1)胶结作用特征

研究区的岩石薄片和X-衍射结果分析表明，研究区的胶结作用主要有硅质胶结、碳酸盐岩胶结以及自身自生黏土矿物的胶结充填作用等。

①硅质胶结：硅质胶结物主要为石英次生加大和自生石英等，这也是研究区重要的成岩作用之一。镜下观察表明，研究区储层的石英次生加大较为发育，其主要形成于早成岩期。区内储层自生石英多呈它形不规则粒状，晶粒大小不一，呈晶芽、晶簇状。石英次生加大边和自身石英的形成充填了部分孔隙空间，使储层的孔隙度降低，渗流能力变差(图5)。

②碳酸盐胶结物：碳酸盐是砂岩中的主要胶结物之一，易对砂岩孔隙产生堵塞作用，使分选良好的砂岩储层成为低孔低渗的储层。从薄片统计来看，研究区储层中碳酸盐胶结物主要为铁方解石与铁白云石(图6)，其中以铁方解石为主，平均体积分数为1.7%。在部分区域含量较高，铁方解石的体积分数甚至超过10%。成岩早期形成的碳酸盐胶结物对储层的原生粒间孔可起到一定的保护作用，同时也为后期溶蚀作用提供一定的物质基础[5]。但研究区储层早期碳酸盐胶结物主要为菱铁矿，且含量较少，大部分碳酸盐岩胶结物于后期形成，且以难溶的铁方解石、铁白云石为主，造成了大量的原生孔隙被堵塞，从而使储层物性进一步变差。

③自生黏土矿物的胶结充填作用：研究区黏土矿物发育较多，平均体积分数为8.9%，主要有高岭石、伊利石和绿泥石等。高岭石是本区储层中含量较高的黏土矿物。在扫描电镜下，主要形态呈蠕虫状和书页状集合体(图7(a))，其晶形较好，因而保留了良好的晶间孔，成为研究区油气的储集空间之一。在扫描电镜下，伊利石呈毛发状、卷曲片状、搭桥状(图7(b))。大量发育的伊利石很大程度上降低了储层渗透率。相比于前两者，研究区的绿泥石含量相对较小，其以薄膜状、叶片状充填于粒间或附着在岩石颗粒表面上(图7(c))。

图6 研究区碳酸盐岩胶结

图7 研究区自生黏土矿物的胶结充填作用

黏土矿物不仅减少了孔隙空间，而且使喉道变得迂回曲折，增大了渗流阻力。虽然部分黏土矿物的晶间孔隙可以提供一定储集空间和渗流通道，但其可渗的孔隙只占很少部分，不但孔喉细，而且连通性也差，最终导致储集层的渗透性变得更差。

(2)胶结作用后孔隙度变化

砂岩压实、胶结、交代后的剩余粒间孔隙度(φ3)即为物性分析孔隙度中粒间孔隙所具有的孔隙度。

(5)

胶结、交代损失孔隙度=φ2-φ3。

(6)

(7)

通过计算，最终早期硅质胶结与晚期的胶结作

用使孔隙度降低了9.0%～21.0%，平均为16.2%。

2.3 溶蚀成岩作用及孔隙演化

(1)溶蚀作用特征

溶蚀作用对研究区储层储集性能的改造具有重要的意义，它是溶蚀孔隙形成最主要的因素。研究区的溶蚀作用主要发生在中成岩A期，此时，有机质成熟进入生烃高峰期，大量的CO2被生成，使孔隙中的流体呈酸性，储层中的长石、喷发岩等骨架颗粒以及碳酸盐胶结物、凝灰质等被溶蚀(图8)，形成一定的溶蚀孔隙，改善了储层的储集能力。

图8 溶蚀作用

(2)溶蚀作用后孔隙度变化

次生孔隙度(φ4)是指总储集空间中溶蚀孔所占据的那部分储集空间。

(8)

通过计算，溶蚀作用贡献的孔隙度为0.5%～5.5%，平均为2.2%。

3 成岩序列与孔隙演化模式

根据SY/T5477—2003《碎屑岩成岩阶段划分规范》，研究区盒8段砂岩储层目前主要处于中成岩B期。主要判断依据有：(1)目的层中镜质体反射率普遍很高，Ro值在1.77%～2.00%间，平均1.94%，已进入高成熟阶段的末期；热解峰值温度也很高，多在570 ℃左右，表明其有机质也已达到高成熟—过成熟阶段。(2)黏土矿物组合为伊/蒙混层、高岭石、绿泥石及伊利石，伊/蒙间层矿物中蒙皂石层体积分数小于10%，甚至在局部井位中消失。(3)扫描电镜、阴极发光分析表明本区石英颗粒三期加大边普遍发育。并且碳酸盐胶结物主要为铁方解石。(4)本区石英加大边中的包裹体主要为气液比5%左右的液相包体，包体大小一般2～6 μm，多呈串珠状，均一温度为138.6～146.5 ℃。(5)目的层碎屑颗粒呈线—镶嵌状接触，孔隙类型以残余粒间孔、次生粒间溶孔、粒内溶孔、晶间孔为主，原生孔隙较少，微裂缝常见。

碎屑岩储集层的性能受原始沉积物和后期成岩作用的共同影响。砂岩的原始孔隙度取决于原始沉积物的性质，主要受碎屑颗粒的粒度和分选系数的影响，而储层孔隙演化的进程最终由后期各种成岩作用的强弱来决定[10-11]。本文在大量岩石、铸体薄片详细统计的基础上分析不同成岩作用对孔隙演化进程的影响。

在石炭—二叠纪时期，盆地处于稳定下沉阶段，储层处于浅埋藏成岩阶段，原始孔隙度大约为33.3%～42.0%，平均为37.9%；在三叠—侏罗纪时期，盆地整体面貌为西抬东降，储层机械压实作用加强，粒间孔隙度破坏较快，此时储层处于早成岩B期，压实作用使孔隙度降低了13.3%～28.6%，平均降低18.4%，造成孔隙度损失率为33.9%～75.1%，平均孔隙损失率为55.9%；侏罗纪—早白垩世时期，储层处于中成岩A期，有机质成熟进入生烃高峰期，溶蚀作用大规模发生，次生溶孔发育，溶蚀作用贡献的孔隙度为0.5%～5.5%，平均为2.2%；早白垩世末—新第三纪时期，储层处于中成岩B期，该阶段出现铁方解石与铁白云石等碳酸盐胶结物，占据了一定的孔隙空间，最终早期硅质胶结与晚期的胶结作用使孔隙度降低了9.0%～21.0%，平均降低16.2%。

盒8段储层机械压实作用强烈，后期的硅质胶结、铁方解石的胶结作用发育，使原来较小的孔隙空间更加狭小，甚至被完全充填，对储层物性破坏更加严重，溶蚀作用改善了储层物性。在各种成岩作用的共同作用下，最终形成了现今1.1%～16.1%、平均为6.8%的孔隙度，其孔隙度演化模式如图9所示。

图9 盒8段成岩序列与孔隙演化模式

4 结 论

(1)延安地区盒8段砂岩储层以巨—粗粒砂岩为主，分选性好。岩石类型主要为岩屑石英砂岩。碎屑成分以石英、岩屑为主，填隙物主要为硅质、水云母与凝灰质，含部分高岭石、铁方解石、绿泥石。储层孔隙度平均为6.8%,渗透率平均为0.5×10-3μm2，属于典型的低孔低渗透致密性储层。

(2)延安地区盒8段低渗透砂岩储层原始孔隙度33.3%～42.0%，由于其为煤系地层，具有典型的煤系成岩特点，压实程度强，压实率高达53.5%，使储层损失了20%的孔隙度；硅质胶结作用以及后期的碳酸盐胶结作用发育，胶结率高达44.4%，使储层损失了17%的孔隙度，使原来较小的孔隙空间更加狭小，甚至被完全充填，对储层物性破坏更加严重；溶蚀作用使储层面孔率增加了2.2%，改善了储层物性，在某种程度上是控制有效储层形成的主要因素之一。

(3)鄂尔多斯延安地区盒8段砂岩储层处于中成岩B期，其成岩演化序列为：早期机械压实—黏土矿物环边—火山物质蚀变—早期方解石胶结—压溶—硅质胶结—早期溶蚀开始—大量有机酸进入—溶蚀作用强烈进行—自生高岭石、石英大量沉淀—铁方解石、铁白云石胶结—微裂隙化。对储层具有建设性的成岩作用包括：溶蚀作用、蚀变作用、微裂隙化作用、高岭石化作用。强烈的压实作用和胶结作用是导致储层物性变差的主要原因，有机质成熟进入生烃高峰期发生的溶蚀作用对储层物性具有一定改善作用。

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责任编辑：田美娥

2014-10-25

国家重大专项“大型油气田及煤层气开发” (编号：2011ZX05044)；陕西省科技统筹创新工程(编号：2011KTZB01-04-01)联合赞助

郑忠文(1963-)，男，高级工程师，在读博士，主要从事油气田地质与开发研究。E-mail：qhbyjs@126.com

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