延长油田王界油区延长组长6储层成岩作用及其对储层物性的影响

2014-12-15高江江吴向阳赵海玉曹岳成

地下水 2014年6期

关键词：绿泥石碳酸盐长石

高江江，吴向阳，赵海玉，曹岳成

(西安石油大学，陕西西安710065)

杏子川油田王界油区构造上位于伊陕斜坡中部，它是鄂尔多斯盆地东北缘杏子川油田的一部分。油区地理上位于陕西省延安市安塞县化子坪镇王界村七星山一带，东侧与长庆油田坪桥作业区和江汉油田坪北作业区接界。

本区长6油层组以湖盆三角洲沉积体系为主，主要为三角洲前缘亚相沉积，又可细分为水下分流河道、河口坝、河道侧翼、分流间湾、水下天然堤、前缘席状砂6类微相[1－4]。

笔者以王界油区长6储层为研究对象，通过岩心薄片观察及化验资料综合分析储层成岩特征，划分成岩阶段，最后分析成岩作用对储层物性的影响，为后期开发提供依据。

1 储集层砂岩的岩石学特征

长6储层以细粒长石砂岩为主，少量中－细粒长石砂岩。长6储层长石含量平均51.27%，石英平均含量21.37%。云母含量平均4.92%，岩屑含量平均13.52%，主要由岩浆岩(平均5.23)、变质岩岩屑(平均3.28)组成，沉积岩含量极少平均为0.07。杂基含量较低平均0.14%，胶结物含量较高，平均为13.66，一般为5% ～22%，主要为浊沸石，绿泥石、方解石、及石英、长石次生加大所形成的石英质组成。

根据薄片资料统计，长6油层碎屑颗粒粒径0.10～0.22 mm，平均值 0.16 mm，C 值 0.34 mm，M 值 0.19 mm，σ 值为0.55;颗粒分选好，圆度以次棱角状为主，以薄膜、孔隙、接触(压嵌、再生)复合胶结为主，局部基底式胶结，颗粒以线接触为主，局部有点接触和凹凸接触，颗粒支撑。

通过岩石学、扫描电镜和X－衍射分析，浊沸石为长6油层组中主要的胶结物，变化较大，平均5.41%，有的样品高达16%。粘土矿物绝对含量9.35%，由绿泥石，伊利石和伊蒙混层组成，无高岭土，绿泥石相对含量分别为48%和伊利石和伊蒙混层相对含量为52%。

2 储集层砂岩的成岩作用特征

本区长 6储集层经受了强烈而又复杂的成岩作用[5，6，7]，主要是粒间压实、石英及长石次生加大和自生黏土矿物、碳酸盐矿物的胶结作用及浊沸石、长石碎屑的溶解作用，储层物性受成岩作用特征明显。

2.1 压实作用

压实作用在本区延长组长6砂岩中表现明显，主要表现为:碎屑颗粒转动、稳定性排列，颗粒间紧密的线接触，长石矿物双晶滑动、机械断裂，塑性岩屑或矿物(如泥岩岩屑、云母等)的弯曲变形甚至被挤入粒间孔隙中形成假杂基。压实作用的后期，砂岩中的主要粘土矿物绿泥石析出，主要呈薄膜状或栉壳状附着在碎屑颗粒表面并堵塞孔喉。薄片分析表明，黑云母、泥岩岩屑等塑性颗粒含量高的砂岩，受机械压实的影响较显著，其面孔率一般较低。

随着上覆压力的增大，压实作用逐渐被压溶作用所代替，压溶作用是这一时期破坏粒间孔隙的最主要因素之一，发生在早成岩晚期及晚成岩早期，表现为颗粒间由线状接触过渡为凹凸接触，长石、石英的次生加大，其结果不仅使原生粒间孔隙进一步缩小，同时也使喉道半径大大减小，降低储层的渗透能力，影响储层物性。

但总体来看，本区砂岩中压溶作用表现并不十分显著，颗粒间的凹凸接触不普遍，在薄片中仅在局部范围可见。但石英、长石的次生加大较强烈，一般为II－III级。经过压实、压溶作用，储层孔隙度大大降低。但在早成岩晚期，所产生呈薄膜状附着在颗粒表面的绿泥石，一方面堵塞孔道，另一方面在一定程度上阻止了石英长石等颗粒的次生加大，又保留了原生孔隙。

2.2 胶结作用

2.2.1 自生粘土胶结作用

粘土矿物胶结作用主要为绿泥石胶结，次为伊利石、伊/蒙混层。其中，绿泥石胶结非常普遍，长6油层相对含量48%，自生绿泥石多呈微细叶片状、针状及纤维状晶体垂直碎屑颗粒表面或孔壁生长，大多数发育成薄膜状孔隙内衬(见图1)，在碎屑接触处消失，也有部分绿泥石薄膜包绕整个碎屑颗粒，说明薄膜绿泥石形成于压实作用初期或稍后，是在成岩早期形成的，部分绿泥石薄膜包壳可能是由蒙脱石包壳转化而来。此外，少数绿泥石作为长石交代产物或黑云母蚀变产物出现。根据产状判别，绿泥石胶结主要有早中晚三期，早期绿泥石薄膜平行碎屑颗粒边缘分布，中期多形成于石英次生加大之后呈壳状环边生长，局部可见绿泥石薄膜向伊利石转化，晚期绿泥石呈马牙状呈孔隙充填物产出。

图1 绿泥石薄膜(星2、1421.54m、长6)

砂岩中的伊利石及其伊/蒙混层粘土胶结作用仅出现在部分井段，长6油层伊利石和伊/蒙混层相对含量平均为52%，伊利石及伊/蒙混层一般与绿泥石共生，多呈孔隙充填物出现，偶见薄膜包壳或孔隙衬里，少数作为连接颗粒的粘土桥等。在伊利石及伊/蒙混层粘土矿物发育的井段残余粒间孔大多变为晶间微孔，原生孔隙损失亦不大，为1% ～4%，但对渗透率影响较大，因为带尖刺的片状或丝缕状晶体常呈桥接式产出，对喉道的堵塞较明显。

图2 石英加大边，浊沸石胶结(星32、1355.24m、长6)

2.2.2 硅质、自生长石胶结作用

硅质胶结物基本上全为石英。自生石英呈加大边的形式出现或充填于孔隙中(见图2)，成岩早期石英次生加大边一般较宽。到成岩后期主要表现为充填剩余孔隙(见图3)，自生石英充填孔隙后，往往存在残余孔隙，石英加大在1/3以上的样品中能见到，其宽度一般小于10 μm。本区自生长石胶结作用多呈次生加大边形式出现，在长石溶蚀孔中可见自生加大的钠长石(见图4)，充填孔喉。石英、长石次生加大降低了砂岩的孔隙度和渗透率。

图3 石英次生加大(星32、1383.51m、长6)

图4 长石加大边、铸模孔 (星32、1364.86m、长6)

2.2.3 碳酸盐胶结作用

碳酸盐胶结作用在研究区长6储层中较为普遍，碳酸盐胶结强度变化较大，含量不等，平均为5%，在部分钙质砂岩类中碳酸盐含量高达39%。并且有明显的多期次特征，在不同成岩阶段均有产出。主要包括方解石、白云石、铁方解石、铁白云石及少量菱铁矿显微晶集合体(见图5、图6)，在结构上，方解石以连生结构为主，其次以分散颗粒分布于岩石中，并可交代长石，铁方解石则更为广泛的交代长石，白云石常呈斑块状或粒状结构，亦可交代长石。碳酸盐胶结可分为充填孔隙及裂缝两种类型，在含油砂岩中，充填孔隙的方解石胶结物含量一般较少，为2% ～5.5%，呈局部孔隙充填或斑块状、补丁状连晶分布，对孔隙度的损失不大，而非储层及差的储层中，方解石胶结物含量相当高，达8% ～39%，方解石成大片的连晶分布，填满大部分甚至几乎全部粒间孔，使原生孔隙几乎丧失殆尽或孔渗严重恶化而成为致密隔挡层。充填孔隙的方解石或其它碳酸盐矿物多呈乳白色的细－中晶，偶见粉微晶，而充填裂缝的则呈浅棕色的粗－巨晶，少量交代碎屑的方解石以粉－细晶为主。

充填孔隙的碳酸盐胶结物按照形成时间先后，可划分为早晚两期:早期碳酸盐胶结物，多为泥晶、微晶方解石，分布在碎屑粒度较细、分选或磨圆较差的砂岩中，多数具基质支撑或基底式胶结，形成于相对低能的沉积环境，对溶蚀作用非常敏感而普遍被溶蚀。该类碳酸盐胶结作用稍晚于压实或粘土矿物沉淀，主要形成于早成岩期。晚期碳酸盐胶结物包括铁方解石、铁白云石，含量一般3% ～12%，最大可达25%以上，方解石一般呈中细晶它形粒状，充填于粒间孔隙中，发橙红色光，常常伴随交代过程而交代碎屑颗粒及其次生加大边和早期碳酸盐矿物，尤其易于交代斜长石和中基性喷出岩岩屑，当方解石交代强烈时，可形成假基底式胶结，大大降低孔隙度，白云石多为自形－半自形，多充填孔隙，常交代碎屑颗粒、胶结物及基质。该类碳酸盐为晚成岩早期产物。充填裂缝的脉状方解石形成则更晚。

图5 发状伊利石(星29、1388.46m、长6)

图6 蜂槽状伊蒙混层(星29、1372.64m、长6)

2.2.4 浊沸石胶结作用

长6储层中浊沸石胶结发育，一般含量在0%～18%之间，分布范围广。全岩X衍射分析长6油层浊沸石绝对含量平均12.13%。

浊沸石以胶结物的形式充填于粒度较粗、分选性较好和杂基少的砂岩中。研究区浊沸石在下部长6油层组相对发育，不但与斜长石含量高有关(长6油层斜长石平均含量38.82%)，而且与碳酸盐含量也有关系，镜下薄片观测及其x射线全岩分析结果都证实，浊沸石与碳酸盐含量有相互排斥的现象，一般来说，碳酸盐胶结物含量高的样品，其浊沸石含量往往很低，而浊沸石含量高的样品，其碳酸盐胶结物含量很低，有时在一块薄片中，浊沸石和方解石也可以共生，但二者总是各自分片出现，其原因显然是浊沸石和碳酸盐的沉淀过程存在钙离子的竞争。

2.3 交代作用及蚀变作用

交代作用在研究区延长组砂岩中较为普遍，包括碎屑的蚀变及胶结物对碎屑的交代等，区内常见的交代作用主要表现为:

1)方解石沿碎屑颗粒边缘、解理缝边缘交代长石、岩屑、石英及其次生加大边，使碎屑颗粒边缘不规则，甚至有些长石颗粒大部分或全部被交代，方解石交代石英呈孤岛状，最常见的是含铁方解石对碎屑颗粒的交代作用。

2)碳酸盐矿物之间的相互交代，含铁白云石交代含铁方解石、方解石、白云石，或白云石交代方解石，即白云石化作用。

3)碳酸盐矿物交代其它矿物，碳酸盐矿物交代粘土矿物(主要发生晚成岩期)，自生高岭石被含铁白云石交代。偶见白云石交代长石、石英等。

4)浊沸石沿碎屑长石解理缝和边缘交代长石。

5)粘土矿物交代碎屑等矿物，常见粘土矿物(泥质)部分交代长石、石英，可见长石被高岭石化、绢云母化、绿泥石化、伊利石化等，钾长石表面高岭土化，少量高岭石交代石英，碎屑黑云母水化、绿泥石化或伊利石化。

由于交代作用过程中遵循体积保持定律和质量守恒定律，因此它对岩石的孔隙度和渗透率的影响不会很大。

2.4 溶解溶蚀作用

王界延长组长6溶蚀作用非常发育。溶蚀现象表现在碎屑矿物的溶蚀、杂基的溶蚀及胶结物和自生矿物的溶蚀等各个方面，其中，浊沸石及长石的溶蚀作用最为常见。中基性火山岩岩屑的溶蚀作用也能见到，但由于这类碎屑的含量不高，其溶蚀现象也不多见。石英的溶蚀作用常见，但溶蚀较弱。

在长6储层中，浊沸石胶结物及其溶蚀现象常见，形成粒间溶蚀孔隙及其胶结物溶孔，浊沸石溶蚀常沿解理缝进行，形成浊沸石内大小不等的粒内溶孔，甚至使大部分浊沸石溶掉，仅剩下少量残晶。

图7 残余粒间孔、超大孔隙(星2、1 327.22m，长6)

长6储层中长石的溶蚀较为普遍，对次生孔隙的贡献率近于40%左右，长石的溶蚀往往从碎屑颗粒内部开始，长石颗粒内的解理缝或双晶面首先产生机械破裂，形成微裂缝，粒间溶液沿着微裂缝渗透，溶解长石。长石的溶蚀程度不等，有的仅沿解理或边缘轻微溶蚀而形成不连续的微小粒内溶孔、溶缝或使碎屑呈港湾状边缘，有的则全部溶失掉形成残留有绿泥石包壳的长石铸模孔(见图7、图8)，或尚有少量残余，形成长石残晶，在偏光显微镜下长石铸模孔和残余铸模孔均以长石所特有的板状形态易于识别，有的呈选择性溶蚀，溶蚀对象主要为条纹长石，特点为大部分钾长石主晶被溶掉，仅残留相对抗溶的钠长石条纹。

图8 长石溶蚀粒内孔，铸模孔(星32、1409.74m，长6)

碎屑黑云母的溶蚀也较为常见，多沿解理缝进行，此外，砂岩中可见到岩屑、炭屑及植物碎片的部分溶蚀、石英碎屑局部被溶、充填孔隙的伊利石、伊/蒙混层、绿泥石及高岭石等杂基的粘土矿物边缘被溶蚀成不规则状等现象。

硅质胶结物溶蚀作用较弱，仅在石英次生加大边中偶见小溶孔或港湾状溶蚀。

3 成岩阶段划分

在充分研究地区埋藏史、地热史、有机质演化史、泥岩中粘土矿物演化史及砂岩形成作用及成岩共生序列的基础上，参考前人成岩作用研究成果[8，9，10]，以延长油田安塞王界长 6储层砂岩主要成岩时间及成岩序列为依据，作成岩阶段划分。

3.1 早成岩阶段

3.1.1 早成岩阶段A期

埋深至900 m左右。古地温计算值为42度，镜质体反射率R小于0.35%。有机质成烃演化尚处于未成熟阶段。尽管湖水由微咸水向半咸水过渡，但淡水仍十分活跃，从土壤带分解的有机质和沉积物表层细菌对有机质的分解使含腐殖质的物质大量入湖并成为沉积物的组成部分，沉积物孔隙介质仍具酸性。沉积物粘土矿物中蒙脱石处于蒙脱石带，无序的伊－蒙混层矿物中蒙脱石含量大于70%。沉积物初步压实，孔隙水大量排出，碎屑颗粒为点接触，原生粒间孔发育，绿泥石粘土环边形成。

3.1.2 早成岩阶段B期

埋深最大至1 900 m左右，最高古地温低于65度，镜质体反射率为0.35% ～0.5%，有机质处于半成熟阶段，有机质凝聚、聚合形成各种类型干酪根，并生成.CO2及甲烷气。泥岩中蒙脱石明显向伊－蒙混层矿物转化，蒙脱石在混层矿物中占50%～70%，仍属无序混层。压实作用继续进行，软颗粒受挤压发生变形，原生粒间孔体积减小。

3.2 晚成岩阶段段

3.2.1 晚成岩 A1亚期

埋深大约为1 900～2 500 m，最大埋深可达3 000 m，镜质体反射率为0.5% ～0.7%，最大古地温为99度，有机质处于低成熟阶段。当R接近0.7%时，有机质开始进入生油门限。混层粘土矿物部分有序，其中蒙脱石含量为20%～50%。压实作用继续进行，砂岩中原生粒间孔大量减少.长石等铝硅酸盐溶解，次生孔隙形成.大部分石英次生加大。

3.2.2 晚成岩 A2亚期

埋深最大至2 500～3 000 m，最大古地温约136度。镜质体反射率0.7% ～1.3%，有机质进入生油高峰期。相应煤阶为肥煤和肥煤－丝煤转化阶段。泥岩粘土矿物伊－蒙混层矿物中蒙脱石含量为20%～35%，进入有序带。伊利石形成.石英继续在生长，充填孔隙。

由于陕北地区延长组最大埋深在2 500 m左右，所测定的镜质体反射率Ro为0.94～0.97。方解石、浊沸石及石英自生加大边中流体包裹体均一法测温为98～110度，碳酸盐胶结物氧同位素平衡温度为113～128度，伊－蒙混层矿物中蒙脱石含量为20%～38%，上述数据均表明长6油层组已进入晚成岩阶段A期。

4 成岩作用对储层孔隙的影响

4.1 压实作用对储集层的影响

压实作用是导致研究区长6储层孔隙丧失的主要原因，经研究，研究区长6油层压实压溶减少的孔隙度为19.99%。统计分析表明:视压实率与孔隙度相关性较好，与渗透率相关性较差，说明压实作用是影响物性变差的主要作用。

4.2 胶结作用对储集层的影响

研究区延长组长6储集层主要的胶结物有自生粘土矿物、石英质、自生长石、碳酸盐、浊沸石等，胶结作用强烈、胶结类型繁多，统计分析，长6油层视胶结率平均为90.58%，层位越深胶结程度越高，胶结作用损失孔隙度长6油层平均为 13.65% 。

图9 负方解石胶结物孔隙度与其胶结物含量相关图

4.2.1 碳酸盐胶结作用降低储集层物性

长6储集层胶结作用非常显著，部分砂层碳酸盐胶结物含量较高，充填部分或大部分孔隙空间，使原生孔隙度大大降低，也导致渗透率大大降低。由于碳酸盐溶蚀程度较弱，因此往往形成低孔低渗的致密储集层。但当胶结物中碳酸盐含量较低时，对储层物性影响程度总体较弱，在负方解石胶结物与方解石含量投点图(见图9)，大多数的数据点投在了图的左下方，说明大多数含有方解石胶结物的岩石孔隙体积的减少，仍然是压实作用造成的，只是在单个样品中方解石含量很高的层中，孔隙体积的减少才是有方解石胶结作用造成的，它们是致密钙质层。在方解石含量与渗透率交汇图中(见图10)可以看出，当碳酸盐含量大于5%时，渗透率才急剧下降。

图10 碳酸盐含量与渗透率关系图

4.2.2 自生石英、长石胶结堵塞孔隙喉道

延长组最常见的石英胶结物就是石英的自生加大，砂层中石英次生加大属Ⅱ级，在扫描电镜下，多数颗粒表面被较完整的自形晶面所包裹，有的自生晶体向孔隙空间生长，交错镶嵌，堵塞孔隙。长6储层长石加大表现为钾长石加大状充填孔隙和加大状钠长石充填孔喉。石英、长石的自生加大充填孔隙并堵塞喉道，降低了储层的孔、渗性能，石英次生加大含量与砂岩孔隙度呈弱的负相关性。

4.2.3 自生粘土矿物的胶结作用

延长组长6储层砂岩中自生粘土矿物胶结物常见有绿泥石、伊利石及伊/蒙混层矿物。粘土矿物对储层物性的影响各不相同。砂岩中绿泥石薄膜及一部分伊利石薄膜及其片状粒间充填物通过堵塞一部分孔隙喉道及造成粒间微孔隙增加而使砂岩的渗透率有所降低。但是大量石英颗粒周围的绿泥石薄膜的存在阻止了次生石英加大的形成以及一部分粒间碳酸盐胶结物的沉淀，从而使相当一部分原生粒间孔隙得以保存。铸体薄片的显微镜下统计结果表明，砂岩中石英次生加大的发育与其中碎屑颗粒的绿泥石衬边呈良好的反消长关系。但是，宽的绿泥石衬边，由于其中微孔隙的发育，往往使砂岩的渗透率降低。由于长6砂岩中绿泥石衬边普遍较薄(10～2 μm)，由此产生的孔隙度丧失远远小于由此抑制了石英次生加大及部分方解石胶结物的沉淀而保存的原生粒间孔隙。总体来说，粘土膜可以保护残余粒间孔，但是孔隙式充填的自生粘土矿物常常挤占有效孔隙空间，降低储集层的物性。

4.2.4自生浊沸石的胶结作用

研究区延长组长6储层砂岩中的自生浊沸石主要是由斜长石蚀变来的，在砂岩中呈斑状分布，充填孔隙、交代碎屑，浊沸石的沉淀在以下几个方面影响砂岩的储集空间:

1)斜长石蚀变形成浊沸石，固体体积增加约40%，因而大大降低油气储集岩的孔隙度，因此，如果只有浊沸石的沉淀，而没有溶解，将使岩石变得致密，甚至成为隔层而不是储层。

2)浊沸石的沉淀消耗了一部分钙离子，使相对晚期的碳酸盐胶结物的沉淀作用减弱，降低碳酸盐封堵作用对孔隙空间的影响，这是研究区长6浊沸石砂岩储层碳酸盐胶结物含量低，储集性能好于长8砂岩储层的重要原因之一。

3)当浊沸石沉淀后，介质孔隙水对浊沸石的饱和程度改变，如酸性水的介入造成流体PH值的降低，从而导致浊沸石的溶解，提供一定数量的次生孔隙，这是研究区东部长6储集性能改善的主要原因之一。