西湖凹陷某构造低渗储层成岩演化研究

程 超， 朱文娟， 廖恒杰， 丁 芳， 李爽爽

(中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335)

0 引言

西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部，面积约为4.6×104km2，是东海陆架盆地最具勘探潜力的凹陷[1]，沉积了一套以砂泥岩为主的碎屑岩系，厚度达15 km。随着研究的不断深入，近年西湖凹陷低渗储层的勘探获得重大突破，发现了一批低渗天然气田，某构造即为其中之一。据最新初步估算，西湖凹陷低渗气藏资源潜力巨大，约占凹陷内天然气总资源量的80%，低渗气藏构成了西湖凹陷独特的资源分布特征[2]。西湖凹陷中心埋深普遍大于3 000 m，由于成岩作用和孔隙演化历史的不同，砂岩储层普遍呈现非常规储层特征[3]。

成岩作用对砂岩埋藏演化过程中孔隙度和渗透率的产生、破坏以及改造起着关键作用； 而沉积物本身的内在特征(碎屑组分和结构)一定程度上制约着成岩作用的发展，从而导致不同的成岩演化序列(即各成岩作用事件发生的先后顺序),产生不同的孔隙演化过程，直接导致砂岩物性的不同，由此影响产能与开发效果[4-6]。西湖凹陷低渗储层成岩演化序列和孔隙演化过程是决定研究区低渗储层渗透性和含油气性的关键因素。本文通过对西湖凹陷某构造常规岩石薄片、铸体薄片、扫描电镜及储层物性资料的分析，探讨了研究区低渗储层孔隙演化的成岩影响因素，恢复了研究区低渗储层成岩演化及孔隙演化过程，以期为西湖凹陷类似低渗气藏优质储层的预测与评价提供依据。

1 储层岩石学特征及储集空间类型

1.1 储层岩石学特征

研究区岩石类型主要有浅灰色细砂岩、中砂岩、含砾中砂岩和粗砂岩。砂岩类型为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩。储层岩石碎屑颗粒中，石英体积分数为62.2%～63.8%，长石体积分数为19.0%～19.5%，岩屑体积分数为17.2%～18.5%。填隙物主要由泥质杂基和胶结物组成，胶结物主要为碳酸盐和硅质，碳酸盐胶结物以方解石为主，白云石含量较少。岩石的结构成熟度中等，颗粒磨圆以次棱—次圆状为主，分选中等—好，接触类型以点—线接触为主，少量凹凸—线接触以及线—点接触，胶结类型以接触式胶结为主。

1.2 储集空间类型

根据铸体薄片、扫描电镜资料分析，研究区低渗储层的储集空间由次生孔隙和原生孔隙组成，微裂缝基本不发育，平均面孔率4.2%(表1)。

表1 研究区低渗储层孔隙类型统计

据统计，孔隙类型以次生孔隙为主，其中粒间溶孔在次生孔隙中含量最高，面孔率为2.03%，其次是铸模孔和粒内溶孔，面孔率分别为1.04%和0.66%，保存少量原生粒间孔，面孔率为0.46%。次生孔隙的富集区就是研究区整体低渗储层背景下相对优质储层的发育区。

2 成岩作用特征及成岩孔隙定量演化

定性分析成岩作用过程和定量计算孔隙演化是分析储层致密原因的必要手段。致密储层物性受成岩作用影响，随着埋藏深度的增加，储层成岩作用加强，储层物性发生相应变化，可以通过孔隙度的演化来表征储层物性的演化规律[7]。为方便孔隙度的定量演化研究，结合研究区的成岩序列，将成岩作用过程简化为机械压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。本次研究参考深部储层孔隙演化模型[8-13]，根据主要成岩作用对孔隙发育的影响建立适合研究区的孔隙度演化模型。

2.1 机械压实作用

压实作用是研究区储层质量变差的重要因素之一。主要压实特征有： 火山岩岩屑、云母等塑性颗粒的压实变形(图1(a))； 长石、石英等脆性颗粒在压实作用下破碎、断裂(图1(b))； 碎屑颗粒在机械压实作用呈现凹凸—线接触(图1(c))； 泥岩岩屑挤压变形，呈现假杂基特征(图1(d))。

(a) 云母压弯变形(正交光)(b) 长石颗粒被压断(单偏光)

(c) 石英凹凸一线接触(单偏光) (d) 泥岩岩屑塑性变形(单偏光)

(1)砂岩初始孔隙度恢复。砂岩原始孔隙度的恢复是定量评价不同成岩作用对原生孔隙和次生孔隙产生影响的基本前提。通常采用Beard等建立的未固结砂岩的初始孔隙度与分选系数的关系式[14]来恢复砂岩原始孔隙度，其公式为

Φ0=20.91+22.9/S0

。

(1)

通过计算,研究区低渗储层平均原始孔隙度为30.7%。

(2)机械压实作用后的剩余孔隙度。视压实率是对原始沉积颗粒间孔隙空间被压实减少程度的定量表征，与储层原始孔隙度、填隙物含量及次生孔隙空间体积密切相关[8-13,15]，计算公式为

视压实率(a)=(原始孔隙体积-胶结物体积-

粒间孔体积)/原始孔隙体积×100% 。

(2)

研究区低渗储层视压实率主要分布区间为62%～68%，压实作用导致原始孔隙度减少为19.0%～20.7%，压实后剩余孔隙度为9.8%～11.7%。

2.2 胶结作用

研究区胶结作用类型较多，主要包括碳酸盐胶结、硅质胶结和黏土矿物胶结，但总体含量较少，对储层物性影响相对较小。

(1)硅质胶结作用主要表现为石英的次生加大，少见长石次生加大。石英次生加大可见2期，常形成自形晶面或交错状连接的镶嵌结构，较多石英次生加大边的形成减小了原生孔隙空间，同时也不利于次生孔隙发育(图2(a))。

(2)碳酸盐胶结物主要表现为孔隙式胶结的方解石胶结物(图2(b))和铁方解石胶结物(图2(c))。

(3)黏土矿物胶结物主要有伊利石、伊蒙混层和绿泥石。其中绿泥石单体形态呈针叶状，集合体形态多为鳞片状、绒球状包裹在颗粒表面，早期绿泥石衬边胶结能够有效抑制石英的次生加大，对储层孔隙具有较好的保护作用(图2(d))； 伊利石常以蜂窝状和丝缕状附着在颗粒表面或填充于粒间孔隙、喉道中，使得孔隙连通性变差(图2(e))。

(a) 石英次生加大(正交光) (b) 方解石孔隙式胶结(单偏光)(c) 晚期铁方解石孔隙式胶结(单偏光)

(d) 绿泥石胶结(扫描电镜) (e) 伊利石胶结(扫描电镜)

通常采用视胶结率对胶结程度进行定量表示[8-13,15]，其公式为

研究区低渗储层为弱胶结作用，平均视胶结率8%，胶结作用导致储层孔隙度减少2.5%左右，胶结后剩余孔隙度为7.4%～9.5%。

2.3 溶蚀作用

溶蚀作用为建设性成岩作用，是次生孔隙发育的主要原因，是形成或扩大储集空间的重要成岩作用，能够有效地改善低渗透储层质量。研究区的岩石类型多为亚长石砂岩、亚岩屑砂岩等，被溶蚀的物质多为不稳定颗粒(如长石、岩屑等)，部分样品中见石英溶蚀、碳酸盐胶结物溶蚀等。长石稳定性差，在酸性流体介质下常发生溶解作用，常被溶蚀为蚕食状、残余状甚至形成铸模孔(图3(a))，在扫描电镜下常可见到长石溶蚀成残骸状(图3(b))； 岩屑溶解形成岩屑粒内溶孔，多呈孤立状，连通性差(图3(c))； 石英较为稳定，一般不易发生溶蚀，仅在碱性条件下发生少量溶蚀。

(a) 长石铸模孔和粒内孔(单偏光) (b) 长石溶蚀(扫描电镜) (c) 岩屑溶蚀(单偏光)

视溶蚀率为反映溶蚀作用对储层孔隙空间体积影响程度的定量表征，主要表征次生孔隙发育情况[8-13,15]，其公式为

研究区视溶蚀率在3.7%～4%，溶蚀作用导致储层孔隙度增加1.2%左右，成岩过后的现今孔隙度为8.5%～10.4%。

2.4 交代作用

研究区内交代作用主要以方解石胶结物交代碎屑颗粒为主，其边缘呈锯齿状、港湾状甚至残留颗粒假象。方解石交代长石的现象非常普遍(图4(a))，长石和部分岩屑化学稳定性相对较弱，方解石交代作用主要沿长石颗粒边缘、解理缝进行，使颗粒边缘齿化，或交代残余后颗粒呈“残骸”状，此外还可见到铁方解石交代长石(图4(b))。自生矿物之间的交代关系通常作为判断不同成岩作用发生先后顺序的主要依据。

(a) 方解石交代长石(单偏光)(b) 铁方解石交代长石(单偏光)

3 成岩阶段划分及成岩演化序列

3.1 成岩阶段划分

依据《碎屑岩成岩阶段划分规范》(SY/T 5477—2003)[16]，根据本区矿物的结构、构造特征及孔隙类型,自生矿物分布、形成顺序,黏土矿物组合及伊利石/蒙脱石混层黏土矿物的转化,有机质成熟度,古地温(包括流体包裹体均一温度、自生矿物形成温度),储层沉积和构造演化史等信息，判断研究区低渗储层处于中成岩阶段A2期和中成岩阶段B期(表2)。

表2 研究区低渗储层成岩阶段划分与孔隙演化模式

(1)沉积物埋藏早期阶段，压实作用表现得比较明显，颗粒接触关系以线接触、凹凸接触为主，是本区储层物性致密的最重要因素。

(2)多见碳酸盐、硅质、黏土矿物3种胶结物。碳酸盐胶结物以方解石为主，方解石多以连晶形式出现。硅质胶结物主要为石英次生加大，最多可见Ⅱ级次生加大。

(3)自生黏土矿物含量在5%～10%之间，主要类型有伊利石、绿泥石和伊蒙混层等，随深度的增加，高岭石的含量减少，伊利石的含量相对增加，蒙脱石的第一迅速转化带和第二迅速转化带的界限在3 850 m附近。

(4)孔隙类型以次生孔隙为主，局部层段为原生孔隙保存的复合孔，并发育2个次生溶蚀孔隙发育带，长石、岩屑大量溶蚀，可见铸模孔。

(5)有机质镜质体反射率为0.5%～1.8%，古地温为108～148 ℃，有机质演化进入成熟—高成熟阶段，是有机酸生成的高峰期，导致了本区成岩环境以酸性为主。

3.2 成岩演化序列

研究区低渗储层经历了多样化的胶结、溶解以及交代过程，经过大量薄片观察发现： 石英颗粒以次生加大为主，发生2期次生加大，并可见石英颗粒及Ⅰ期自生加大边发生溶解作用，未见Ⅱ期自生加大边溶蚀； 方解石胶结物常常交代Ⅰ期石英自生加大边，说明石英Ⅰ期自生加大边形成早于方解石胶结作用； 局部层段长石、岩屑发生较为强烈的溶蚀作用，溶蚀孔隙后期又多被方解石充填，据此判断长石、岩屑溶解、石英Ⅰ期次生加大发育于同一时期，方解石胶结物的形成时间晚于长石的溶蚀作用； 在部分薄片中可见晚期铁方解石胶结物交代方解石及碎屑颗粒，并未见铁方解石溶蚀，说明铁方解石形成于成岩晚期。研究区盐水包裹体主要见于石英次生加大部分，包裹体均一温度分布呈双峰型特征，主峰温度值分别为124～130 ℃和136～140 ℃，成岩过程经历了2期酸性流体充注，结合沉积埋藏史和古热史，推测主要流体充注时间发生在11.5～8 Ma和4～2 Ma。

综上分析,认为本区低渗储层成岩演化序列为： ①压实作用，脆性颗粒破碎，塑性颗粒变形，局部绿泥石衬边胶结； ②部分长石及岩屑早期溶解，早期石英次生加大； ③碳酸盐胶结并交代石英、长石等，石英颗粒发生溶蚀作用； ④碳酸盐、长石、岩屑等矿物溶蚀形成次生孔隙,石英次生加大； ⑤晚期铁方解石少量胶结、交代。

4 结论

(1)研究区储集空间类型以次生溶蚀孔隙为主，粒间溶孔是最主要的次生孔隙类型，占储集空间的48.5%，平均面孔率为2.03%，其次是铸模孔和粒间溶孔，原生粒间孔少量。

(2)研究区储层孔隙演化与成岩作用密切相关。平均原始孔隙度为30.7%，压实作用导致原始孔隙度减少为19.0%～20.7%，胶结作用导致储层孔隙度减少2.5%左右，溶蚀作用导致储层孔隙度增加1.2%左右，成岩过后的现今孔隙度为8.5%～10.4%。压实作用是造成本区孔隙度减少的主要因素，导致原始孔隙占比减少约65%，溶蚀作用产生部分次生溶蚀孔隙，在一定程度上提升了储层物性。

(3)研究区储层处于中成岩阶段A2期和中成岩阶段B期，成岩演化序列为： ①脆性颗粒破碎，塑性颗粒变形，局部绿泥石衬边胶结； ②部分长石及岩屑早期溶解，早期石英次生加大； ③碳酸盐胶结并交代石英、长石等，石英颗粒发生溶蚀作用； ④碳酸盐、长石、岩屑等矿物溶蚀形成次生孔隙，石英次生加大； ⑤晚期铁方解石少量胶结、交代。