張金金

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

超低滲儲(chǔ)層孔隙演化特征及孔隙度計(jì)算

——以鄂爾多斯盆地吳倉(cāng)堡油區(qū)長(zhǎng)6段為例

張金金

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

摘要：綜合應(yīng)用巖心、電鏡、鑄體薄片、陰極發(fā)光等資料，分析鄂爾多斯盆地吳倉(cāng)堡油區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層沉積作用特征和成巖作用特征。研究認(rèn)為巖石成分成熟度低、不穩(wěn)定組分含量高，以河口壩微相、水下分流河道微相為主的沉積砂層以及后期成巖作用強(qiáng)烈是研究區(qū)儲(chǔ)層物性差的主要因素。根據(jù)孔隙演化的特征，建立相應(yīng)的孔隙度計(jì)算模型，結(jié)果表明：儲(chǔ)層的原始孔隙度平均值為38.6%，壓實(shí)作用、膠結(jié)作用強(qiáng)烈，致使孔隙損失嚴(yán)重，平均減孔率為52.1%;溶蝕作用、交代作用增加了孔隙空間，平均增孔率為8.6%;經(jīng)過成巖作用過程，目前孔隙度平均值為8.2%。關(guān)鍵詞：超低滲儲(chǔ)層；沉積特征；成巖作用；孔隙演化；孔隙計(jì)算

儲(chǔ)層孔隙構(gòu)成主要有原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙主要受沉積物源、沉積環(huán)境的制約，在埋藏過程中經(jīng)壓實(shí)、壓溶作用，損失嚴(yán)重；次生孔隙形成于成巖過程的溶蝕作用、交代作用，受埋藏深度、礦物成分成熟度、孔隙流體性質(zhì)控制[1-4]。研究區(qū)超低滲儲(chǔ)層經(jīng)歷漫長(zhǎng)的沉積作用、成巖作用過程，期間伴隨著多種物理作用、化學(xué)作用。大量研究證實(shí)壓實(shí)作用、膠結(jié)作用使儲(chǔ)層孔隙減小，溶蝕、交代過程則會(huì)增加儲(chǔ)層孔隙，但大多是定性的研究。據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得鄂爾多斯盆地吳倉(cāng)堡油區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層巖心平均滲透率為0.29×10-3μm2，孔隙度為8.2%，屬超低滲儲(chǔ)層。

研究區(qū)超低滲儲(chǔ)層孔隙演化過程的定量化研究理論欠缺，儲(chǔ)層物性受沉積特征、成巖特征的影響不明。因此，查明孔隙演化的特征，并建立孔隙度計(jì)算模型，有助于鉆前預(yù)測(cè)儲(chǔ)量，為油氣田勘探開發(fā)提供較準(zhǔn)確的資料。

1孔隙演化特征分析

1.1 沉積作用特征

1.1.1 巖石學(xué)特征

礦物的成分是決定成巖過程中發(fā)生的主要反應(yīng)的因素之一，不穩(wěn)定組分含量高，溶蝕、交代反應(yīng)較強(qiáng)，對(duì)次生孔隙發(fā)育的影響作用較大[5-6]。通過對(duì)區(qū)內(nèi)12口井，128個(gè)薄片和巖心樣品分析認(rèn)為，沉積顆粒以長(zhǎng)石含量最高，體積分?jǐn)?shù)為21%～63%，平均為47.6%，巖屑含量平均為28%，石英含量平均為24.4%。據(jù)電鏡掃描薄片、鑄體薄片及巖心分析可知，研究區(qū)礦物顆粒粒徑0.13～0.20 mm，以細(xì)粒為主；巖石分選性好，分選系數(shù)1.1～1.4，平均為1.26；顆粒之間以線接觸為主，局部凹凸接觸。

1.1.2 沉積微相特征

在研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)6段發(fā)育時(shí)期，湖盆進(jìn)入萎縮階段，來自北東向的物源隨河流入湖后沉積在濱淺湖地帶。由于水動(dòng)力減弱，懸浮顆粒下沉、堆積形成三角洲前緣亞相，是河湖共同作用地帶[7-9]。前人依據(jù)地區(qū)巖心資料和粒度分析資料，從顆粒粒度大小、分選度、層理發(fā)育、沉積韻律特征，判斷沉積水體環(huán)境，確定其沉積微相[10-12]。研究區(qū)巖心以淺灰色、灰色細(xì)砂、粉砂巖為主，粒度細(xì)，分選好。主要發(fā)育的層理有塊狀層理、波狀層理、水平層理、平行層理、透鏡狀層理，縱向上呈下粗上細(xì)的正韻律沉積，是水下分流河道微相沉積。

1.2成巖作用特征

細(xì)粒物質(zhì)沉積之后，巖石即進(jìn)入成巖演化階段。在巖石圍壓增大、溫度升高、孔隙流體的聯(lián)合作用下，巖石即可發(fā)生壓實(shí)、壓溶、溶蝕、膠結(jié)、交代作用[12-13]。

1.2.1 壓實(shí)作用特征

壓實(shí)作用發(fā)生于早期碎屑顆粒的埋藏，在上覆壓力不斷增大的情況下，剛性顆粒重新排列使孔隙減小，導(dǎo)致宏觀孔隙度減少[12-14]。壓實(shí)作用在本區(qū)的表現(xiàn)主要有：

(1)在高倍電鏡下觀察到的原生粒間孔隙數(shù)量少、空間小，多被巖屑、雜基充填。

(2)在掃描電鏡及鑄體薄片下觀察，顆粒接觸類型以線接觸為主，局部凹凸接觸，塑性巖屑多被擠壓變形為長(zhǎng)條狀充填于剛性顆粒之間。

(3)部分剛性顆粒(石英、長(zhǎng)石顆粒)發(fā)育擠壓裂紋，在裂紋發(fā)育的地方伴隨溶蝕孔的出現(xiàn)。

綜合鏡下薄片觀察，研究區(qū)壓實(shí)作用減孔嚴(yán)重，是孔隙演化的主要控制因素。

1.2.2 交代、溶蝕作用特征

溶蝕作用與交代作用發(fā)生于中成巖期，巖石骨架基本形成，溶蝕、交代的基本特征有：①均可以增加孔隙空間；②二者均是發(fā)生在長(zhǎng)石、巖屑、云母表面，且都發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③反應(yīng)過程持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)。綜合對(duì)比分析，巖石物性較好的層段，孔隙流體受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地溫變化、流體重力、油氣侵入的影響，進(jìn)入地層，溶蝕交代較多顆粒。在地下高壓的環(huán)境下，一切反應(yīng)應(yīng)向巖石體積減小(即孔隙增大)的方向發(fā)展，即交代作用、溶蝕作用可以增加孔隙。在鏡下觀察，研究區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)石主要是以鉀長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石為主，溶蝕、交代沿解理縫、顆粒表面發(fā)生，使儲(chǔ)集空間增大，喉道變寬，從而大大改善了儲(chǔ)層物性。

1.2.3 膠結(jié)作用特征

區(qū)內(nèi)膠結(jié)物總量大，體積分?jǐn)?shù)為3%～27%，平均13%，對(duì)孔隙的破壞性強(qiáng)，是造成儲(chǔ)層致密的重要因素。區(qū)內(nèi)膠結(jié)物主要因溶液濃度過飽和或孔隙流體酸堿度或電位平衡打破析出晶體。圖1左圖表明膠結(jié)物與石英基本無關(guān)；圖1右圖可知膠結(jié)物與長(zhǎng)石、巖屑含量負(fù)相關(guān)，即當(dāng)前長(zhǎng)石、巖屑碎屑含量低，表示此類顆粒被溶蝕、交代而形成交代產(chǎn)物或膠結(jié)物，表明膠結(jié)物的主要物質(zhì)來源是長(zhǎng)石與巖屑。

碳酸鹽巖膠結(jié)物：由電鏡掃描、陰極發(fā)光資料顯示，碳酸鹽巖膠結(jié)物多充填于粒間孔隙，極大降低孔隙空間。研究區(qū)內(nèi)的方解石膠結(jié)物含量為2%～18%，平均為6%。目前的研究表明鄂爾多斯盆地碳酸鹽巖主要來源有以下幾種：①早成巖階段埋藏較淺時(shí)，細(xì)菌的新陳代謝及甲烷菌產(chǎn)生的CO2與硫酸鹽經(jīng)還原作用形成碳酸鹽膠結(jié)物，一般認(rèn)為此類膠結(jié)物多被溶解；②對(duì)區(qū)內(nèi)方解石膠結(jié)物的包裹體含烴鹽水測(cè)溫，以及δ13C值含量的分析認(rèn)為，方解石膠結(jié)物主要生成于中成巖A期，有機(jī)質(zhì)發(fā)生大量脫羥基作用[15-16]，孔隙流體呈中性至弱堿性，提供充足的碳氧化合物與孔隙流體中的鈣離子結(jié)晶析出方解石[17]；③長(zhǎng)石云母類礦物發(fā)生的交代反應(yīng)生成。

圖1　膠結(jié)物含量與長(zhǎng)石、巖屑及石英含量對(duì)比圖

黏土膠結(jié)物：本區(qū)的黏土膠結(jié)物主要是以綠泥石、伊利石為主，分布廣，含量豐富，體積分?jǐn)?shù)最高為12%，平均為3.7%。

綠泥石膠結(jié)物在研究區(qū)的主要產(chǎn)狀有包膜、襯里、絨球狀、蜂窩狀綠泥石，呈葉片狀綠泥石包繞碎屑顆粒，降低了孔隙空間，縮小喉道半徑，甚至堵塞喉道，使儲(chǔ)層物性變差。當(dāng)鐵鎂礦物充足、地溫較高時(shí)利于長(zhǎng)石的溶蝕、交代生成綠泥石。另外也有研究表明綠泥石存在的地方，較少有石英次生加大，因而可改善儲(chǔ)層物性[18]。伊利石的膠結(jié)物主要生成于成巖階段中-晚期。早前研究表明，早成巖時(shí)期生成的伊利石包膜對(duì)巖石骨架有支撐作用，減少壓實(shí)作用對(duì)孔隙的破壞作用，對(duì)儲(chǔ)層孔隙有建設(shè)性作用。黏土膠結(jié)物增加喉道彎曲度，也可堵塞喉道，導(dǎo)致滲透性變差[19-20]。

硅質(zhì)膠結(jié)物：硅質(zhì)膠結(jié)物主要以自生石英為主，本區(qū)分布廣泛，含量最高達(dá)到10%，平均含量3%，多以微晶石英集合體產(chǎn)出，充填于粒間孔隙當(dāng)中，對(duì)孔隙的破壞作用較大；石英的次生加大在粒度較粗、黑云母含量較低、埋藏較深的砂巖中發(fā)育，主要由鉀長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、云母交代反應(yīng)的生成物。

超低滲儲(chǔ)層由沉積物顆粒的堆積，形成原始孔隙空間，隨后因埋深等上覆壓力增大，機(jī)械壓實(shí)作用導(dǎo)致孔隙空間減少，在地下溫度升高以后，與孔隙流體作用，一些不穩(wěn)定的碎屑組分如長(zhǎng)石、云母等顆粒表面就被溶蝕或者交代了，溶蝕掉的離子與孔隙流體中原有離子重組生成膠結(jié)物，這些膠結(jié)物與交代產(chǎn)物占據(jù)了溶蝕孔以及原生粒間孔，致使儲(chǔ)層致密。

2孔隙定量計(jì)算

2.1原始孔隙

原始孔隙計(jì)算依據(jù)Beard[21]等人給出的公式：

φ1=20.91+22.90/Sd

(1)

(2)

式中：φ1為原始孔隙度；Sd為 Trask 分選系數(shù)；φ75為粒度概率累積75分位的截距。

φ2=φ等大球體排列模型/Sd

(3)

國(guó)內(nèi)學(xué)者張創(chuàng)經(jīng)分析論證認(rèn)為，當(dāng)分選系數(shù)小于1.5時(shí)的未固結(jié)砂巖原始孔隙度φ1與砂巖的分選系數(shù)Sd應(yīng)用的效果較好。通過對(duì)研究區(qū)128個(gè)巖石粒度分析結(jié)果計(jì)算出Sd值，代入式(1)得出原始孔隙度為38.5%～41.2%，平均為39.6%。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：假設(shè)顆粒是等大球體模型，此時(shí)顆粒未壓實(shí)，理論孔隙度是47.64%，將其與Sd值之比得到的值作為原始孔隙計(jì)算模型(公式3)，這個(gè)值與式(1)的值對(duì)比分析，得到圖2的校正圖版，得到研究區(qū)原始孔隙校正公式。

圖2　φ1與φ2校正圖版

2.2壓實(shí)后孔隙

根據(jù)公式(3)建立的模型，假設(shè)等大球體顆粒被完全壓實(shí)，及顆粒菱形排列，其孔隙度為25.95%，將此值代入式(3)模擬出壓實(shí)后孔隙度，將計(jì)算值代入圖2中的校正方程，即可得到壓實(shí)后孔隙度值。計(jì)算得到研究區(qū)壓實(shí)之后的孔隙度為18%～24%，平均孔隙度值21%，平均減孔率為52.1%(注：文中采用的平均增孔率或減孔率值為增加或損失孔隙平均值與原始孔隙平均值之比)。

2.3交代、溶蝕增孔計(jì)算

交代、溶蝕作用的母質(zhì)主要是長(zhǎng)石、云母，據(jù)前人的研究表明[22-24]，主要發(fā)生如下反應(yīng)：

3KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+2H+→KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+6SiO2(石英)+2K+

(4)

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+SiO2+5Ca2++Mg2++4H2O →MgAl2Si3O10(OH)8(綠泥石)+6CaCO3

(5)

2KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石) +5Ca2++Mg2++4H2O→MgAl2Si3O10(OH)8(綠泥石)+5CaCO3

(6)

KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+4H+→3SiO2+K++Al3+

(7)

KAl2(AlSi3O10)(OH)2(云母)→KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)

(8)

前人研究表明：鈣長(zhǎng)石的摩爾體積為93.48 cm3/mol，鉀長(zhǎng)石的摩爾體積為109.1 cm3/mol，石英的摩爾體積為22.64 cm3/mol，伊利石的摩爾體積為140.7 cm3/mol，綠泥石的摩爾體積為205.85 cm3/mol，方解石的摩爾體積為36.83 cm3/mol。將數(shù)據(jù)代入上述方程得：反應(yīng)式(4)增加孔隙15.51%，反應(yīng)式(5)增加孔隙2.25%，反應(yīng)式(6)增加孔隙27.5%，反應(yīng)式(7)增加孔隙37.75%，反應(yīng)式(8)對(duì)孔隙沒有影響。將此系數(shù)與相應(yīng)膠結(jié)物含量相乘，即可計(jì)算出溶蝕交代作用的增孔率，計(jì)算結(jié)果為0.25%～9.5%，平均增孔率為8.6%。

2.4膠結(jié)物減孔計(jì)算

從掃描電鏡、鑄體薄片、陰極發(fā)光照片觀察，膠結(jié)、交代產(chǎn)物充填于粒間孔隙，占據(jù)孔隙體積較大，最小值為6%，最大值為27%，平均減孔率為36.7%。

3計(jì)算值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證

目前孔隙是由殘余粒間孔、溶蝕孔構(gòu)成，原始孔隙空間先經(jīng)壓實(shí)作用，孔隙減少，后經(jīng)溶蝕作用增加了孔隙空間，同時(shí)由于生成的膠結(jié)物占據(jù)了孔隙空間，剩余的孔隙體積比就是目前的孔隙度。即有：

孔隙度=原始孔隙度-壓實(shí)后孔隙度+溶蝕交代作用增孔率-膠結(jié)物減孔率

將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得到的孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心測(cè)出的孔隙度絕對(duì)誤差±1.1，相對(duì)誤差小于18.5%，取得較好的應(yīng)用效果，見圖3。

圖3　計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度關(guān)系圖

4結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地吳倉(cāng)堡油區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層物性差，砂巖類型主要以長(zhǎng)石砂巖為主，巖屑含量較高，成分成熟度低；沉積顆粒以細(xì)砂為主，顆粒分選好，原始孔隙與分選相關(guān)，分選越好，原始孔隙越大。

(2)研究區(qū)內(nèi)壓實(shí)作用強(qiáng)，使孔隙損失嚴(yán)重，平均減孔率為52.1%；交代溶蝕作用較強(qiáng)，平均增孔率為8.6%；膠結(jié)物含量高，導(dǎo)致孔隙大量損失，平均減孔率36.7%。

(3)根據(jù)儲(chǔ)層成巖演化過程得出了超低滲儲(chǔ)層孔隙度的計(jì)算方法，理論值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差小于±1.1，適合研究區(qū)孔隙度計(jì)算。若將該模型應(yīng)用于其它地區(qū)，則需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際沉積特征與成巖特征，綜合巖石礦物組合、成巖埋藏史及其他條件，對(duì)該方法校正，以達(dá)到理想的應(yīng)用效果。

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編輯：王金旗

文章編號(hào)：1673-8217(2016)02-0056-04

收稿日期：2015-10-26

作者簡(jiǎn)介：張金金,1989年生，西安石油大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，從事地球物理測(cè)井技術(shù)方向的研究。

中圖分類號(hào)：TE348

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