南凡馳, 吳少波, 陳朝兵, 賴雅庭, 陳新晶, 王 茜, 阮 昱, 何拓平

( 1. 西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065； 2. 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065； 3. 中國石油長慶油田分公司 第二采氣廠，陜西 西安 710200； 4. 中國石油長慶油田分公司 第六采油廠,陜西 西安 710200 )

0 引言

合水地區(qū)長8段儲層為典型的低孔、超低滲致密砂巖。在砂巖儲層中，碳酸鹽膠結(jié)是主要的膠結(jié)類型，儲層孔隙度、滲透率減小，對儲層微觀特征影響較大，加劇儲層空間分布的非均質(zhì)性，影響油氣運(yùn)移和充注。碳酸鹽膠結(jié)物的富集產(chǎn)生鈣質(zhì)夾層，影響油氣層間運(yùn)移，增加油田開發(fā)難度，研究碳酸鹽膠結(jié)物特征及成因?qū)κＳ嘤蜌夂椭旅苡蜌忾_發(fā)具有重要意義。人們研究鄂爾多斯盆地不同層位的鈣質(zhì)膠結(jié)[1-3]，碳酸鹽膠結(jié)物具有成因多樣、多期形成等特點(diǎn)[3-5]，對儲層物性、孔喉結(jié)構(gòu)、儲集性能及油田開發(fā)具有重要影響[6-7]。葛云錦等[1]探討碳酸鹽膠結(jié)物在鄂爾多斯盆地中西部延長組下組合砂巖中的主要特征、分布規(guī)律及其對儲層品質(zhì)的影響，認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于成巖早期階段，降低儲層物性，加劇儲層非均質(zhì)性。高輝等[6]分析鄂爾多斯盆地合水地區(qū)長8段儲層特低滲透成因，認(rèn)為主要受沉積作用和成巖作用共同影響。江琦等[8]研究長8段儲層特征，認(rèn)為長8段儲層以粒間孔為主，其次是粒內(nèi)溶孔和微孔。

碳酸鹽膠結(jié)物的研究多集中于碳酸鹽膠結(jié)物的來源、成因及類型，對碳酸鹽膠結(jié)物與儲層物性及孔喉結(jié)構(gòu)的影響及評價研究較少。通過宏觀觀察與微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)合，筆者明確合水地區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物的主要類型及特征，分析不同體積分?jǐn)?shù)碳酸鹽膠結(jié)物對儲層微觀特征的影響，為合水地區(qū)長8段儲層石油勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國陸上第二大沉積盆地，面積僅次于塔里木盆地，位于華北克拉通西部[9-10]，面積約為2.5×104km2[11]，礦產(chǎn)資源極其豐富，是中國西部重要的石油天然氣生產(chǎn)基地[12]，由西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起、渭北隆起6個二級構(gòu)造單元組成[1,13]。合水地區(qū)地處伊陜斜坡，位于鄂爾多斯盆地的西南部，屬于隴東地區(qū)，區(qū)域構(gòu)造背景為平緩的近南西—北東向展布的西傾單斜(見圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置

上三疊統(tǒng)延長組發(fā)育河流—三角洲—湖泊相沉積。三角洲前緣分流河道微相沉積為長8段儲層主體，巖性以長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖為主，平均面孔率為2.7%，碳酸鹽膠結(jié)物類型主要包括方解石、鐵方解石和鐵白云石。碳酸鹽膠結(jié)物平均體積分?jǐn)?shù)為5.88%，其中鐵方解石平均體積分?jǐn)?shù)為3.59%；其次為鐵白云石，平均體積分?jǐn)?shù)為1.78%；方解石體積分?jǐn)?shù)最少，為0.51%。碳酸鹽膠結(jié)物平均孔隙度為9.50%，平均滲透率為0.65×10-3μm2。砂體顆粒細(xì)，非均質(zhì)性強(qiáng)，屬于低孔—超低滲致密砂巖儲層。

2 碳酸鹽膠結(jié)物特征

2.1 巖心特征

巖心觀察發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)膠結(jié)的巖心顏色為灰白色，呈塊狀，取心收獲率高，巖心較完整。碳酸鹽膠結(jié)物在巖層中并不是均勻發(fā)育，而是在某些層段集中發(fā)育，有的層段呈零星分布。由于碳酸鹽膠結(jié)的砂巖孔隙被填充，物性較差，含油性降低，其顏色與深灰色含油細(xì)砂巖和深色泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖差別較大，體積分?jǐn)?shù)高的可以成為隔夾層，巖心觀察較容易區(qū)分。碳酸鹽膠結(jié)物的主要成分為碳酸鈣，滴鹽酸劇烈起泡(見圖2)。研究區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物巖性主要為塊狀構(gòu)造的細(xì)砂巖。

2.2 測井響應(yīng)

利用巖心、鏡下薄片、分析化驗(yàn)等識別鈣質(zhì)膠結(jié)，由于取心和取樣資料有限，利用測井資料進(jìn)行鈣質(zhì)膠結(jié)識別具有可操作性[14-16]。分析研究區(qū)部分井長8段取心段巖心和測井曲線，鈣質(zhì)膠結(jié)在測井曲線上具備獨(dú)有的特征。碳酸鹽膠結(jié)主要發(fā)生在砂巖中，自然電位一般偏離泥巖基線；自然伽馬曲線較低，一般為60～70 API，表現(xiàn)為向負(fù)值凸起的峰狀；聲波時差較低，一般為200 μs/m，曲線表現(xiàn)為向負(fù)值凸起的峰狀；密度測井為高值，為2.17～2.39 g/cm3；中子測井較低，一般為12%左右(見圖3)。

圖2 合水地區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物巖心特征

圖3 寧42井長81亞段儲層碳酸鹽膠結(jié)物測井曲線響應(yīng)特征

2.3 微觀特征

鄂爾多斯盆地合水地區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物普遍發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)為0～40%，主要分布在2%～12%之間，其中鐵方解石體積分?jǐn)?shù)最高，其次是方解石的，鐵白云石的最少。不同類型碳酸鹽膠結(jié)物在陰極發(fā)光、鑄體薄片、掃描電鏡下有不同特征。在陰極發(fā)光下，方解石為明亮的橙黃色(見圖4(a))，鐵方解石為暗橙紅色(見圖4(b-c))，鐵白云石一般不發(fā)光；在鑄體薄片下，方解石一般為紅色，鐵方解石一般為紫色，鐵白云石一般為藍(lán)色；在掃描電鏡下，方解石為菱面體狀。

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)碳酸鹽膠結(jié)物產(chǎn)生于成巖的各個階段，碳酸鹽膠結(jié)物的類型、特征在不同階段存在一定差異。方解石主要為早期產(chǎn)生的碳酸鹽膠結(jié)物，顆粒之間為不緊密接觸，以基底式膠結(jié)為主(見圖4(d))。晚期鐵方解石以孔隙式膠結(jié)出現(xiàn)，充填在碎屑顆粒的孔隙中，膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)較少，顆粒之間呈點(diǎn)接觸或線接觸。鐵白云石體積分?jǐn)?shù)較少，在鑄體薄片中以藍(lán)色為主，顆粒間呈線接觸或凹凸接觸。碳酸鹽膠結(jié)物在掃描電鏡下呈菱面體狀(見圖4(e、g))。

2.4 成巖演化序列

根據(jù)薄片鑒定數(shù)據(jù)和成巖階段劃分(見表1-2)，識別具有表征成巖演化階段礦物，判別方解石、鐵方解石和鐵白云石的成巖序列。由表1可知，硬石膏平均體積分?jǐn)?shù)為0.01%，綠泥石平均體積分?jǐn)?shù)為1.28%，大量伊利石充填孔隙；在掃描電鏡下可見晶體出現(xiàn)裂縫(見圖4(j))；從鑄體薄片上多見顆粒點(diǎn)—線狀接觸及線—縫合線狀接觸(見圖4(k-l))。鐵方解石平均體積分?jǐn)?shù)為3.59%，鐵白云石平均體積分?jǐn)?shù)為1.78%，方解石平均體積分?jǐn)?shù)為0.51%。碳酸鹽膠結(jié)物中含鐵質(zhì)的鐵方解石和鐵白云石較多，可以確定方解石形成于早成巖階段，鐵方解石形成于中成巖階段或晚成巖階段。

表1 合水地區(qū)長8段儲層薄片鑒定填隙物平均體積分?jǐn)?shù)

表2 合水地區(qū)長8段儲層成巖階段劃分標(biāo)志

3 碳酸鹽膠結(jié)物來源

碳酸鹽膠結(jié)物的來源分為內(nèi)源和外源兩大類[17-23]。外源主要是雨水和流動的孔隙水為儲層帶入溶解的碳酸鹽；內(nèi)源包括含鈣礦物溶解和蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。研究區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物主要來自于內(nèi)源。

3.1 泥巖厚度

砂巖上覆和下伏泥巖的厚度越大，鈣質(zhì)層的厚度也越大[24]。泥巖在壓實(shí)作用過程中不斷向鄰近砂巖層排出壓實(shí)流體，壓實(shí)流體中含有大量的鈣離子和碳酸根離子等；在壓實(shí)流體向上覆和下伏砂巖層流動時，離子同時被帶入儲層而形成碳酸鹽膠結(jié)物。壓實(shí)流體和離子的多少與儲層周圍泥巖厚度有直接關(guān)系，泥巖厚度越大，進(jìn)入砂巖儲層中的壓實(shí)流體越多，鈣離子和碳酸根離子等的體積分?jǐn)?shù)越高，進(jìn)而影響碳酸鹽膠結(jié)物的體積分?jǐn)?shù)。對比研究區(qū)長8段儲層泥巖厚度和鐵方解石體積分?jǐn)?shù)(見圖5)，泥巖厚度越厚，鐵方解石體積分?jǐn)?shù)越高，說明泥巖厚度與碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育相關(guān)關(guān)系較好。

圖5 合水地區(qū)長8段儲層泥巖厚度等值線與鐵方解石體積分?jǐn)?shù)分布

3.2 含鈣礦物溶解及黏土礦物轉(zhuǎn)化

碳酸鹽膠結(jié)物主要由長石的溶蝕作用形成。有機(jī)酸流體、熱液流體及大氣水淋濾等作用引起長石的溶蝕(見圖4(h-i))。長石在酸性條件下更易發(fā)生溶蝕，掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)多見長石溶孔(見圖4(h))。長7段儲層為長6、長8段儲層的主力烴源巖，烴源巖在熱演化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸加速長石的溶蝕，溶蝕產(chǎn)生的鈣離子參與儲層的膠結(jié)。

長石溶蝕產(chǎn)生鈣離子主要有兩種形式[25]:一種是鈣長石溶蝕直接產(chǎn)生鈣離子；另一種是鉀長石溶蝕產(chǎn)生鉀離子和鋁離子，鉀離子和鋁離子參與蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)換，最終產(chǎn)生鈣離子。

儲層中碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)受泥巖厚度、含鈣礦物溶解及黏土礦物轉(zhuǎn)化共同影響。由于砂巖、泥巖的厚度受沉積于河道不同部位的影響，鄰近儲層碳酸鹽膠結(jié)物的主要來源也不同。河道中部以砂巖沉積為主，含鈣離子礦物較多，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較少，河道中部的碳酸鹽膠結(jié)物主要受長石類型影響；河道側(cè)翼和邊部泥巖厚度明顯增大，含鈣離子礦物相對較少，河道側(cè)翼碳酸鹽膠結(jié)物主要受泥巖厚度影響(見圖6)。

圖6 合水地區(qū)長81亞段儲層泥巖對碳酸鹽膠結(jié)物影響模式

黏土礦物成巖轉(zhuǎn)化釋放鐵、鎂離子，與鈣離子及溶解在水中的碳酸氫根離子形成鐵方解石[1]。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化發(fā)生在沉積作用后，其碎屑膠結(jié)順序?yàn)轲ね辆€及石英次生加大邊→各類自生黏土礦物→碳酸鹽類礦物→片鈉鋁石(局部)[25]。黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化發(fā)生在碳酸鹽礦物形成前，可以為鈣質(zhì)膠結(jié)提供物質(zhì)來源。

為明確儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的來源，繪制研究區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物來源模式(見圖7)。由圖7可知，碳酸鹽膠結(jié)物有3種來源，第一種為大氣水和地下水將鈣、鎂等離子從外界帶入儲層；第二種為砂巖中含鈣離子礦物的溶解為儲層提供鈣離子；第三種為蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的過程中向儲層提供鈣、鎂等離子。

圖7 研究區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物來源模式

4 碳酸鹽膠結(jié)物對儲層的影響

4.1 儲層物性

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)廣泛發(fā)育，通過鏡下薄片觀察和鑄體薄片數(shù)據(jù)分析，碳酸鹽膠結(jié)主要形成于晚成巖階段，對儲層孔隙尤其是次生孔隙有一定的破壞作用。由于次生孔隙是主要的油氣儲集空間，鈣質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育降低儲層有效空間，進(jìn)而降低儲層物性[26]。分析研究區(qū)355個樣品數(shù)據(jù)，孔隙度為1.1%～16.6%，平均為9.5%，滲透率為(0.005～5.927)×10-3μm2，平均為0.650×10-3μm2。

不同體積分?jǐn)?shù)碳酸鹽膠結(jié)物孔隙度和滲透率分布見圖8。由圖8可知，當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)小于5.0%時，鈣質(zhì)膠結(jié)對孔隙度的影響不穩(wěn)定，孔隙度可以很高也可以極低；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)大于5.0%時，儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)增加呈明顯降低趨勢(見圖8(a))；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)小于3.0%時，儲層滲透率整體較低，偶見高值；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)大于3.0%時，儲層滲透率降低明顯(見圖8(b))?？赡芘c膠結(jié)發(fā)生在晚成巖階段，碳酸鹽膠結(jié)物堵塞次生孔隙，降低孔隙連通性有關(guān)。

4.2 儲層孔喉結(jié)構(gòu)

碳酸鹽膠結(jié)使儲層的物性變差，阻礙儲層中流體的流動和壓力的傳遞，使儲層的非均質(zhì)性增強(qiáng)。儲層碳酸鹽膠結(jié)阻礙上下砂體油氣運(yùn)移，當(dāng)膠結(jié)物平面展布較寬、厚度較厚時，完全阻礙油氣運(yùn)移，使同一套砂體中含油性差異變大。

為明確不同碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)對儲層非均質(zhì)性的影響，分別選取不同碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)樣品，分析毛管壓力曲線特征及孔喉特征參數(shù)(見圖9)。

根據(jù)毛管壓力曲線特征(見圖9)分為三類形態(tài)：一類曲線碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)最低，具有明顯的雙階梯形態(tài)且分布范圍廣，排驅(qū)壓力低，進(jìn)汞飽和度大，說明孔喉最為發(fā)育，連通性好，均質(zhì)性好；二類曲線碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)中等，曲線雙階梯形態(tài)不明顯，分布范圍中等，具有較明顯的斜坡段，表明孔喉發(fā)育適中，孔喉半徑適中，均質(zhì)性一般；三類曲線碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)最高，曲線不具有雙階梯形態(tài)，是明顯的斜坡段且分布范圍最窄，說明樣品孔喉半徑小，連通性差。隨碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)的增加，儲層的孔隙大小和連通性逐漸降低。

圖8 合水地區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)與孔滲關(guān)系

4.3 微觀非均質(zhì)性

分形理論一般應(yīng)用于研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有自相似性的不規(guī)則形體，是表征巖石孔隙結(jié)構(gòu)的一種有效方法[27]。賴錦等[28]用汞飽和度法對巖樣的毛管壓力曲線進(jìn)行分形維數(shù)計算，一般分形維數(shù)越大(接近3)說明孔喉結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔喉連通性越差，儲層的微觀非均質(zhì)性越強(qiáng)[28-29]。

利用汞飽和度法計算研究區(qū)巖樣毛管壓力，分析分形維數(shù)，繪制汞飽和度法計算分形維數(shù)典型回歸曲線(見圖10、表3)，碳酸鹽巖膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)與分形維數(shù)具有較好的正相關(guān)關(guān)系，隨碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)的增加，儲層非均質(zhì)性逐漸增強(qiáng)。

圖10 基于汞飽和度計算的分形特征典型回歸曲線

表3 合水地區(qū)長8段儲層不同體積分?jǐn)?shù)碳酸鹽膠結(jié)物高壓壓汞參數(shù)

分析樣品分形維數(shù)和碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)相關(guān)關(guān)系(見圖11)，相關(guān)因數(shù)為0.653 8，正相關(guān)關(guān)系較好，說明隨碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)的增加，儲層孔喉結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔喉連通性越差，儲層的微觀非均質(zhì)性越強(qiáng)。

圖11 基于汞飽和度法計算的分形維數(shù)與碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

5 結(jié)論

(1)合水地區(qū)長8段儲層碳酸鹽膠結(jié)物的來源主要受泥巖厚度、碎屑長石類型的綜合影響。泥巖厚度大的部位鄰近儲層碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)，一般發(fā)育于河道側(cè)翼；鈣長石和鉀長石的溶解分別為儲層直接和間接提供充足的鈣離子，多發(fā)育于河道中部。

(2)當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)小于1.0%時，長8段儲層滲透率和孔隙度發(fā)育較好，隨鈣質(zhì)膠結(jié)體積分?jǐn)?shù)的增加，儲層的孔隙度、滲透率開始降低，儲層孔滲條件下降；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)大于5.0%時，儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)增加呈明顯降低趨勢；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)大于3.0%時，儲層滲透率降低明顯。

(3)不同體積分?jǐn)?shù)碳酸鹽膠結(jié)物樣品的進(jìn)汞、退汞曲線的不同形態(tài)表明，隨儲層碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)的增加，儲層的孔隙大小和連通性逐漸降低，儲層非均質(zhì)性逐漸增強(qiáng)。