朱榮彬，蔡 玥，辛 江，胡國(guó)朝，高云峰，許賢豐

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 數(shù)字油田研究所，陜西 西安 7100054； 3. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 4. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710003)

0 前 言

碎屑巖儲(chǔ)層成巖作用研究一直都是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]，而成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響又是研究的重中之重[4-9]。成巖作用與儲(chǔ)層物性關(guān)系密切,不同地區(qū)、不同時(shí)代地層經(jīng)歷的成巖作用類型及強(qiáng)度各有差異,進(jìn)而直接影響了儲(chǔ)層物性的發(fā)育程度及油氣的儲(chǔ)存能力[10]。針對(duì)此現(xiàn)狀，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上利用常規(guī)物性分析、鑄體薄片、掃描電鏡、X-射線衍射等多項(xiàng)分析測(cè)試方法，詳細(xì)研究了甘谷驛油田顧屯井區(qū)長(zhǎng)6油層成巖作用類型、成巖階段等，探討各成巖作用對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響，以期為研究區(qū)油田生產(chǎn)開發(fā)提供一定借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

甘谷驛油田顧屯井區(qū)地理上位于陜西省延安市寶塔區(qū)境內(nèi)，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東部?？傮w上表現(xiàn)為平緩西傾的單斜，地層相對(duì)平緩，其沉積體系為水下三角洲前緣沉積，是鄂爾多斯盆地東南緣延安—延長(zhǎng)大型湖泊三角州沉積體系的一部分。長(zhǎng)6油層組是區(qū)內(nèi)主力產(chǎn)油層之一，可被劃分為長(zhǎng)61、長(zhǎng)62、長(zhǎng)63、長(zhǎng)644個(gè)小層，總厚度平均值為125.74 m。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層巖性以細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，長(zhǎng)石平均含量達(dá)51.4%；石英含量次之，平均為為23.2%；巖屑最少，平均含量只有5.2%；其中，巖屑以變質(zhì)巖巖屑為主，含少量的沉積巖巖屑及巖漿巖巖屑。碎屑顆粒多呈次棱角狀，分選性較好，雜基含量中等，反映為中等強(qiáng)度水動(dòng)力條件和中等搬運(yùn)距離的沉積[11]。

2.2 儲(chǔ)層孔隙特征

鑄體薄片、圖像分析、掃描電鏡等觀察與鑒定表明：長(zhǎng)6儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要為殘余粒間孔，次之為溶孔、微孔、部分樣品具有填隙孔。殘余粒間孔平均占總孔隙的65%，溶孔約占總孔隙的26%～33%，當(dāng)殘余粒間孔及溶孔發(fā)育時(shí)，面孔率較高可達(dá)7%～8%。溶孔的溶解組分主要為長(zhǎng)石、濁沸石及云母等。

2.3 儲(chǔ)層物性特征

經(jīng)過對(duì)1 746塊樣品物性測(cè)試資料統(tǒng)計(jì)，本區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層孔隙度最大值為14.13%，最小值為1%，平均值為8.21%，其中有91.20%的樣品孔隙度分布在6%～12%之間，孔隙度分布峰值為8%～10%(見圖1～2)；長(zhǎng)6儲(chǔ)層滲透率最大值為5.54×10-3μm2，最小值0.02×10-3μm2，平均值為0.52×10-3μm2。滲透率的主要分布范圍在0.1×10-3～5×10-3μm2之間，占樣品數(shù)的95.4%，分布峰值為0.1×10-3～0.5×10-3μm2?？傮w表現(xiàn)為低孔低滲儲(chǔ)層。

圖1 研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖孔隙度分布

圖2 研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖滲透率分布

3 儲(chǔ)層成巖作用

3.1 儲(chǔ)層成巖作用類型

甘谷驛油田顧屯區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層經(jīng)歷了地質(zhì)歷史上多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的成巖演化階段，形成了當(dāng)前典型的低孔低滲且孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儲(chǔ)層特征。本次研究發(fā)現(xiàn)：壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、交代作用和破裂作用共同構(gòu)成了顧屯區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層經(jīng)歷的主要成巖作用類型[12]。

3.2 壓實(shí)壓溶作用

研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層既發(fā)育壓實(shí)作用又發(fā)育有壓溶作用。壓實(shí)作用貫穿研究區(qū)儲(chǔ)層演化的整個(gè)過程，是造成儲(chǔ)層物性變差的主要原因之一，壓實(shí)作用造成的孔隙損失率達(dá)到18.32%。根據(jù)鏡下觀察，綠泥石、長(zhǎng)石等很多礦物呈定向排列(圖3a)，柔性的碎屑顆粒(如云母、泥巖巖屑等)由于壓實(shí)作用產(chǎn)生彎曲變形或波狀消光，甚至被擠入碎屑顆?？紫秲?nèi)形成假雜基(圖3b)，石英及長(zhǎng)石等硬性顆粒易受到應(yīng)力作用而發(fā)生脆性破裂[13]。壓溶作用主要表現(xiàn)為石英顆粒間的相互穿插和縫合線接觸等現(xiàn)象(圖3c)，發(fā)生壓溶現(xiàn)象的石英顆粒周圍一般發(fā)育粘土膜，促進(jìn)了孔隙中SiO2過飽和溶液的擴(kuò)散和滲濾，保證壓溶過程的持續(xù)進(jìn)行。觀察統(tǒng)計(jì)顯示，由壓溶作用而形成的石英次生加大可達(dá)Ⅱ級(jí)。

3.3 膠結(jié)作用

3.3.1 碳酸鹽膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)物是影響研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖物性的主要膠結(jié)物類型之一，其礦物類型主要為方解石和鐵白云石，總含量為1.9%。碳酸鹽膠結(jié)物主要可劃分為早晚兩期：早期為形成于較低能沉積環(huán)境中的微晶方解石，多見于碎屑顆粒分選磨圓差且粒度細(xì)的粉—細(xì)砂巖中，表現(xiàn)為石英、長(zhǎng)石和云母等顆?！捌　痹诖罅糠浇馐w形成的膠結(jié)物中，使砂巖具有了基底式膠結(jié)結(jié)構(gòu)(圖3d)。晚期的碳酸鹽膠結(jié)通常呈他形粒狀對(duì)碎屑顆粒間孔和粒內(nèi)溶孔進(jìn)行充填，在部分井段還出現(xiàn)了呈連晶狀的方解石對(duì)石英和長(zhǎng)石的交代作用，使得粒間孔和粒內(nèi)溶孔完全被充填改造，使儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性和滲透性遭到嚴(yán)重的破壞(圖3e)。

3.3.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)物在本區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖中的平均含量為1.1%，分布也較為廣泛。研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖中主要發(fā)育石英微晶充填孔隙膠結(jié)，其次為石英自生加大邊膠結(jié)(圖3f)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，石英自生加大邊常包裹著原石英顆粒邊緣的綠泥石薄膜，形成了一個(gè)比較明顯的分界線，同時(shí)表明其生成時(shí)間晚于綠泥石薄膜膠結(jié)。掃描電鏡觀察結(jié)果顯示：形成時(shí)間晚于自生加大邊的石英微晶顆粒對(duì)殘余粒間孔和溶蝕孔的充填作用更為強(qiáng)烈，能夠使孔隙空間縮小到晶間微孔級(jí)別(圖3g)。

3.3.3 自生粘土膠結(jié)作用

研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖中最常見的粘土礦物膠結(jié)作用為綠泥石膠結(jié)，其次為伊利石、伊蒙混層及少量高嶺石膠結(jié)(圖3h)，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，鱗葉片狀或纖維狀綠泥石集合體垂直碎屑顆粒表面生長(zhǎng)，局部發(fā)育程度較高的綠泥石薄膜則包圍整個(gè)碎屑顆粒，表明其形成時(shí)間與壓實(shí)作用同步或稍后，屬于成巖作用早期階段的產(chǎn)物。除以孔隙襯里和顆粒包膜狀的形式產(chǎn)出外，可見部分綠泥石呈孔隙充填狀產(chǎn)出，其中充填溶蝕孔隙的綠泥石形成于溶蝕作用之后(圖3i)。

3.3.4 濁沸石膠結(jié)作用

濁沸石是延長(zhǎng)組長(zhǎng)6儲(chǔ)層最具特點(diǎn)的膠結(jié)物，一般含量在1%～8%之間，分布范圍廣。在研究區(qū)具有較粗粒度、較好分選和較低雜基含量的砂巖中常見濁沸石膠結(jié)，以充填孔隙或以交代石英、長(zhǎng)石和巖屑的形式產(chǎn)出，平均含量為0.4%。根據(jù)鏡下鑒定結(jié)果，研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖中的濁沸石常以補(bǔ)丁狀或斑塊狀充填與粒間孔中，形成時(shí)間晚于呈孔隙襯里狀的自生綠泥石膠結(jié)，局部偶見濁沸石交代長(zhǎng)石的現(xiàn)象(圖3j)。

通過鑄體薄片定量統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層視膠結(jié)率為0.51，屬于中等程度膠結(jié)強(qiáng)度，膠結(jié)作用使儲(chǔ)層的原生孔隙損失3%～12%，平均減少的孔隙度大約為9.75%。

3.4 交代作用

研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖中常見以下幾種交代現(xiàn)象：①碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)石英、長(zhǎng)石、巖屑和云母等碎屑顆粒的交代，碳酸鹽礦物之間的相互交代現(xiàn)象；②粘土礦物對(duì)碎屑顆粒的交代，主要表現(xiàn)為黑云母礦物碎屑的水化、綠泥石化和伊利石化，斜長(zhǎng)石的絹云母化；③濁沸石膠結(jié)物對(duì)石英和長(zhǎng)石碎屑顆粒的交代現(xiàn)象。經(jīng)過交代作用改造后的被交代礦物大都保留了明顯的標(biāo)志,比如由黑云母碎屑蝕變形成的綠泥石能夠較好地保留原礦物的板狀晶形和極完全解理，成為一種礦物假象，以及方解石在強(qiáng)烈交代石英和長(zhǎng)石顆粒時(shí)形成的交叉切割現(xiàn)象。這些標(biāo)志既能夠幫助判別交代作用的強(qiáng)弱，也能夠輔助判斷礦物的生成順序。

3.5 溶解溶蝕作用

研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖中常見長(zhǎng)石、濁沸石、黑云母、碳酸鹽和粘土礦物膠結(jié)物的溶蝕現(xiàn)象。長(zhǎng)石中穩(wěn)定性差的斜長(zhǎng)石較易發(fā)生溶蝕，表現(xiàn)為酸性流體從顆粒內(nèi)部沿解理縫或微裂隙進(jìn)行溶解，形成細(xì)小的不連續(xù)的粒內(nèi)溶蝕孔，當(dāng)長(zhǎng)石溶蝕強(qiáng)烈時(shí)，發(fā)生粒內(nèi)溶蝕孔與粒間孔相連通的現(xiàn)象(圖3k)。濁沸石膠結(jié)物在酸性流體的作用下沿解理縫發(fā)生溶蝕，在顆粒內(nèi)部形成不規(guī)則的溶蝕孔，而溶蝕強(qiáng)烈的部位往往只剩下部分殘晶。黑云母顆粒常沿解理縫發(fā)生溶蝕而留下殘晶，粘土礦物的溶蝕現(xiàn)象在研究區(qū)并不多見。

3.6 破裂作用

砂巖成巖過程中的破裂作用是除溶解作用外同樣能夠擴(kuò)大和形成孔隙空間，改善儲(chǔ)層儲(chǔ)滲性能的一類成巖作用。在本區(qū)巖心觀察和薄片鑒定時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)有能夠切穿石英和長(zhǎng)石等碎屑顆粒且延伸距離較長(zhǎng)的微裂縫，裂縫的發(fā)育有效地連通了不同部位的粒間孔和粒內(nèi)溶孔，同時(shí)為地層流體的滲流提供了通道，促進(jìn)了溶解作用的進(jìn)行，最終使得本區(qū)長(zhǎng)6砂巖儲(chǔ)層的物性得到顯著的改善(圖3l)。

4 成巖階段劃分

根據(jù)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組，鏡質(zhì)體反射率(Ro)測(cè)試資料，長(zhǎng)7油層組以上地層的Ro值在0.65%～1.0%之間，對(duì)應(yīng)的最大古地溫在80～120°C左右[13]，與盆地?zé)嵫莼费芯克从车墓诺販鼗疽恢隆Ｑ芯繀^(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖碎屑顆粒間呈點(diǎn)—線和線狀接觸，局部為凹凸接觸，砂巖中孔隙類型主要為殘余粒間孔、溶蝕粒間孔和溶蝕粒內(nèi)孔。膠結(jié)物主要類型為自生粘土礦物、碳酸鹽和濁沸石。粘土礦物包括綠泥石、伊利石、綠/蒙混層和伊/蒙混層，其中綠泥石相對(duì)含量可達(dá)粘土礦物總量的52%，伊/蒙混層中蒙皂石含量為20%，表明粘土礦物演化已進(jìn)入有序混層帶。這些特征共同表明：研究區(qū)延長(zhǎng)組巖石成巖演化經(jīng)歷了早期成巖作用、晚期成巖作用和表生成巖作用這3個(gè)成巖階段，現(xiàn)今處于中成巖A期[14]，如圖4所示。

(a)碎屑巖顆粒成定向排列；(b)長(zhǎng)石等礦物擠壓變形，波狀消光；(c)石英顆粒間呈縫合線接觸；(d)早期方解石呈基底式膠結(jié)；(e)碳酸鹽膠結(jié)；(f)硅質(zhì)膠結(jié)，石英自生加大；(g)次生石英晶體充填粒間孔隙；(h)綠泥石膠結(jié)；(i)鱗片狀綠泥石集合體充填粒間孔隙；(j)濁沸石膠結(jié)物；(k)長(zhǎng)石被溶蝕；(l)破裂作用導(dǎo)致的微裂隙

圖3 研究區(qū)長(zhǎng)6砂巖成巖作用顯微鏡下特征

圖4 研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖成巖階段劃分

5 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響

根據(jù)成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的改善和破壞結(jié)果,可劃分為建設(shè)性成巖作用和破壞性成巖作用。

5.1 建設(shè)性成巖作用

1)溶蝕作用

溶蝕作用是研究區(qū)最主要的建設(shè)性成巖作用，主要表現(xiàn)為石英、長(zhǎng)石、巖屑等碎屑顆粒和早—中成巖期形成的碳酸鹽、濁沸石、自生石英、自生長(zhǎng)石等膠結(jié)物在地層水和有機(jī)酸的作用下發(fā)生溶解,形成數(shù)量眾多的粒內(nèi)溶蝕孔和粒間溶蝕孔，同時(shí)了提高儲(chǔ)層物性。

鏡下觀察表明：研究區(qū)儲(chǔ)層中濁沸石膠結(jié)物的溶蝕和長(zhǎng)石、巖屑的粒內(nèi)溶蝕對(duì)物性改善的幫助最大，而碳酸鹽膠結(jié)物、雜基溶孔和晶間溶孔的貢獻(xiàn)相對(duì)很小，這是由于中成巖階段的高PCO2環(huán)境不能使有機(jī)酸對(duì)碳酸鹽進(jìn)行有效溶蝕，而雜基溶孔和晶間溶孔則是因?yàn)楹刻佟?/p>

2)烴類等有機(jī)質(zhì)的充注作用

儲(chǔ)層被烴類等有機(jī)質(zhì)充注后，巖石中孔隙水被排除出去，孔隙介質(zhì)的地球化學(xué)環(huán)境也由此發(fā)生了改變，導(dǎo)致礦物的形成、轉(zhuǎn)化和膠結(jié)作用等受到阻礙。除此之外, 烴類等有機(jī)質(zhì)中攜帶有一定數(shù)量的有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)層后，使孔隙水的pH值降低，促進(jìn)了濁沸石、長(zhǎng)石和巖屑的溶解和次生孔隙的形成。因此，烴類的充注使儲(chǔ)層原生孔隙并有利于物性條件的改善[15]。

3)破裂作用

在研究中發(fā)現(xiàn)破裂作用在研究區(qū)較發(fā)育，低滲透儲(chǔ)層中的裂縫主要起滲流通道的作用。裂縫是油氣運(yùn)移和流體滲流的主要通道，可以提高儲(chǔ)層的滲透性。

4)粘土膜形成作用

研究區(qū)的粘土膜包括綠泥石膜和一部分伊利石薄膜，粘土膜的形成一方面堵塞孔隙吼道造成儲(chǔ)層滲透率降低，但是另一方面，包裹在石英顆粒周圍的綠泥石膜有效地阻止了石英的次生加大及一部分粒間碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀，使得很大一部分粒間孔隙保存，因此，總體來(lái)說,粘土膜可以保護(hù)殘余粒間孔。

5)自生濁沸石的膠結(jié)作用

研究區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層組砂巖中的自生濁沸石主要是由斜長(zhǎng)石蝕變而來(lái)，在砂巖中呈斑狀分布，充填孔隙、交代碎屑。當(dāng)濁沸石沉淀后，如酸性水的介入造成流體pH值的降低，從而導(dǎo)致濁沸石的溶解，提供一定數(shù)量的次生孔隙，對(duì)儲(chǔ)層物性起到改善的作用。

5.2 破壞性成巖作用

1)壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)集層的影響

壓實(shí)作用是導(dǎo)致研究區(qū)長(zhǎng)6油層孔隙喪失的主要原因。結(jié)合鄰區(qū)研究資料[16]，延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層壓實(shí)壓溶減少的孔隙度為17.55%，因此認(rèn)為壓實(shí)作用是造成長(zhǎng)6孔隙度減少的重要因素。

2)碳酸鹽膠結(jié)作用降低儲(chǔ)集層物性

顧屯區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)集層碳酸鹽膠結(jié)作用十分顯著，部分砂層碳酸鹽膠結(jié)物含量較高，充填部分或大部分孔隙空間，大大降低了原生孔隙度，也導(dǎo)致滲透率大大降低[17]。

3)硅質(zhì)膠結(jié)作用

研究區(qū)長(zhǎng)6油層組最常見的石英膠結(jié)物為石英的自生加大，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，石英次生加大級(jí)別屬Ⅱ級(jí)，長(zhǎng)石加大表現(xiàn)為鉀長(zhǎng)石加大狀充填孔隙和加大狀鈉長(zhǎng)石充填孔喉。石英、長(zhǎng)石的自生加大充填孔隙并堵塞喉道，降低了儲(chǔ)層的孔滲性能。

6 結(jié) 論

1)研究區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層巖性以細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，分選性較好，儲(chǔ)集層平均孔隙度為8.21%，平均滲透率為0.52 mD，屬于典型的低孔低滲儲(chǔ)層，孔隙類型主要以殘余粒間孔和次生溶蝕孔隙為主。

2)研究區(qū)成巖作用類型復(fù)雜，主要的成巖作用為壓實(shí)—壓溶作用和膠結(jié)作用，溶蝕作用及微破裂作用，交代作用對(duì)儲(chǔ)集層孔隙度變化的影響較小。甘谷驛油田顧屯區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)集層現(xiàn)今成巖階段主要為中成巖階段A期。

3)研究區(qū)成巖作用中，有利于儲(chǔ)層物性保留的主要成巖作用有溶蝕作用、粘土膜形成作用、烴類侵位作用、破裂作用和沸石化作用等，不利于儲(chǔ)層物性保留的主要成巖作用有壓實(shí)作用及膠結(jié)作用等。