张金金

(西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西西安 710065)

超低渗储层孔隙演化特征及孔隙度计算

——以鄂尔多斯盆地吴仓堡油区长6段为例

张金金

(西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西西安 710065)

摘要：综合应用岩心、电镜、铸体薄片、阴极发光等资料，分析鄂尔多斯盆地吴仓堡油区长6段储层沉积作用特征和成岩作用特征。研究认为岩石成分成熟度低、不稳定组分含量高，以河口坝微相、水下分流河道微相为主的沉积砂层以及后期成岩作用强烈是研究区储层物性差的主要因素。根据孔隙演化的特征，建立相应的孔隙度计算模型，结果表明：储层的原始孔隙度平均值为38.6%，压实作用、胶结作用强烈，致使孔隙损失严重，平均减孔率为52.1%;溶蚀作用、交代作用增加了孔隙空间，平均增孔率为8.6%;经过成岩作用过程，目前孔隙度平均值为8.2%。关键词：超低渗储层；沉积特征；成岩作用；孔隙演化；孔隙计算

储层孔隙构成主要有原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙主要受沉积物源、沉积环境的制约，在埋藏过程中经压实、压溶作用，损失严重；次生孔隙形成于成岩过程的溶蚀作用、交代作用，受埋藏深度、矿物成分成熟度、孔隙流体性质控制[1-4]。研究区超低渗储层经历漫长的沉积作用、成岩作用过程，期间伴随着多种物理作用、化学作用。大量研究证实压实作用、胶结作用使储层孔隙减小，溶蚀、交代过程则会增加储层孔隙，但大多是定性的研究。据实验室测得鄂尔多斯盆地吴仓堡油区长6段储层岩心平均渗透率为0.29×10-3μm2，孔隙度为8.2%，属超低渗储层。

研究区超低渗储层孔隙演化过程的定量化研究理论欠缺，储层物性受沉积特征、成岩特征的影响不明。因此，查明孔隙演化的特征，并建立孔隙度计算模型，有助于钻前预测储量，为油气田勘探开发提供较准确的资料。

1孔隙演化特征分析

1.1 沉积作用特征

1.1.1 岩石学特征

矿物的成分是决定成岩过程中发生的主要反应的因素之一，不稳定组分含量高，溶蚀、交代反应较强，对次生孔隙发育的影响作用较大[5-6]。通过对区内12口井，128个薄片和岩心样品分析认为，沉积颗粒以长石含量最高，体积分数为21%～63%，平均为47.6%，岩屑含量平均为28%，石英含量平均为24.4%。据电镜扫描薄片、铸体薄片及岩心分析可知，研究区矿物颗粒粒径0.13～0.20 mm，以细粒为主；岩石分选性好，分选系数1.1～1.4，平均为1.26；颗粒之间以线接触为主，局部凹凸接触。

1.1.2 沉积微相特征

在研究区内长6段发育时期，湖盆进入萎缩阶段，来自北东向的物源随河流入湖后沉积在滨浅湖地带。由于水动力减弱，悬浮颗粒下沉、堆积形成三角洲前缘亚相，是河湖共同作用地带[7-9]。前人依据地区岩心资料和粒度分析资料，从颗粒粒度大小、分选度、层理发育、沉积韵律特征，判断沉积水体环境，确定其沉积微相[10-12]。研究区岩心以浅灰色、灰色细砂、粉砂岩为主，粒度细，分选好。主要发育的层理有块状层理、波状层理、水平层理、平行层理、透镜状层理，纵向上呈下粗上细的正韵律沉积，是水下分流河道微相沉积。

1.2成岩作用特征

细粒物质沉积之后，岩石即进入成岩演化阶段。在岩石围压增大、温度升高、孔隙流体的联合作用下，岩石即可发生压实、压溶、溶蚀、胶结、交代作用[12-13]。

1.2.1 压实作用特征

压实作用发生于早期碎屑颗粒的埋藏，在上覆压力不断增大的情况下，刚性颗粒重新排列使孔隙减小，导致宏观孔隙度减少[12-14]。压实作用在本区的表现主要有：

(1)在高倍电镜下观察到的原生粒间孔隙数量少、空间小，多被岩屑、杂基充填。

(2)在扫描电镜及铸体薄片下观察，颗粒接触类型以线接触为主，局部凹凸接触，塑性岩屑多被挤压变形为长条状充填于刚性颗粒之间。

(3)部分刚性颗粒(石英、长石颗粒)发育挤压裂纹，在裂纹发育的地方伴随溶蚀孔的出现。

综合镜下薄片观察，研究区压实作用减孔严重，是孔隙演化的主要控制因素。

1.2.2 交代、溶蚀作用特征

溶蚀作用与交代作用发生于中成岩期，岩石骨架基本形成，溶蚀、交代的基本特征有：①均可以增加孔隙空间；②二者均是发生在长石、岩屑、云母表面，且都发生化学反应；③反应过程持续的时间长。综合对比分析，岩石物性较好的层段，孔隙流体受构造运动、地温变化、流体重力、油气侵入的影响，进入地层，溶蚀交代较多颗粒。在地下高压的环境下，一切反应应向岩石体积减小(即孔隙增大)的方向发展，即交代作用、溶蚀作用可以增加孔隙。在镜下观察，研究区内的长石主要是以钾长石、钙长石为主，溶蚀、交代沿解理缝、颗粒表面发生，使储集空间增大，喉道变宽，从而大大改善了储层物性。

1.2.3 胶结作用特征

区内胶结物总量大，体积分数为3%～27%，平均13%，对孔隙的破坏性强，是造成储层致密的重要因素。区内胶结物主要因溶液浓度过饱和或孔隙流体酸碱度或电位平衡打破析出晶体。图1左图表明胶结物与石英基本无关；图1右图可知胶结物与长石、岩屑含量负相关，即当前长石、岩屑碎屑含量低，表示此类颗粒被溶蚀、交代而形成交代产物或胶结物，表明胶结物的主要物质来源是长石与岩屑。

碳酸盐岩胶结物：由电镜扫描、阴极发光资料显示，碳酸盐岩胶结物多充填于粒间孔隙，极大降低孔隙空间。研究区内的方解石胶结物含量为2%～18%，平均为6%。目前的研究表明鄂尔多斯盆地碳酸盐岩主要来源有以下几种：①早成岩阶段埋藏较浅时，细菌的新陈代谢及甲烷菌产生的CO2与硫酸盐经还原作用形成碳酸盐胶结物，一般认为此类胶结物多被溶解；②对区内方解石胶结物的包裹体含烃盐水测温，以及δ13C值含量的分析认为，方解石胶结物主要生成于中成岩A期，有机质发生大量脱羟基作用[15-16]，孔隙流体呈中性至弱碱性，提供充足的碳氧化合物与孔隙流体中的钙离子结晶析出方解石[17]；③长石云母类矿物发生的交代反应生成。

图1　胶结物含量与长石、岩屑及石英含量对比图

黏土胶结物：本区的黏土胶结物主要是以绿泥石、伊利石为主，分布广，含量丰富，体积分数最高为12%，平均为3.7%。

绿泥石胶结物在研究区的主要产状有包膜、衬里、绒球状、蜂窝状绿泥石，呈叶片状绿泥石包绕碎屑颗粒，降低了孔隙空间，缩小喉道半径，甚至堵塞喉道，使储层物性变差。当铁镁矿物充足、地温较高时利于长石的溶蚀、交代生成绿泥石。另外也有研究表明绿泥石存在的地方，较少有石英次生加大，因而可改善储层物性[18]。伊利石的胶结物主要生成于成岩阶段中-晚期。早前研究表明，早成岩时期生成的伊利石包膜对岩石骨架有支撑作用，减少压实作用对孔隙的破坏作用，对储层孔隙有建设性作用。黏土胶结物增加喉道弯曲度，也可堵塞喉道，导致渗透性变差[19-20]。

硅质胶结物：硅质胶结物主要以自生石英为主，本区分布广泛，含量最高达到10%，平均含量3%，多以微晶石英集合体产出，充填于粒间孔隙当中，对孔隙的破坏作用较大；石英的次生加大在粒度较粗、黑云母含量较低、埋藏较深的砂岩中发育，主要由钾长石、钙长石、云母交代反应的生成物。

超低渗储层由沉积物颗粒的堆积，形成原始孔隙空间，随后因埋深等上覆压力增大，机械压实作用导致孔隙空间减少，在地下温度升高以后，与孔隙流体作用，一些不稳定的碎屑组分如长石、云母等颗粒表面就被溶蚀或者交代了，溶蚀掉的离子与孔隙流体中原有离子重组生成胶结物，这些胶结物与交代产物占据了溶蚀孔以及原生粒间孔，致使储层致密。

2孔隙定量计算

2.1原始孔隙

原始孔隙计算依据Beard[21]等人给出的公式：

φ1=20.91+22.90/Sd

(1)

(2)

式中：φ1为原始孔隙度；Sd为 Trask 分选系数；φ75为粒度概率累积75分位的截距。

φ2=φ等大球体排列模型/Sd

(3)

国内学者张创经分析论证认为，当分选系数小于1.5时的未固结砂岩原始孔隙度φ1与砂岩的分选系数Sd应用的效果较好。通过对研究区128个岩石粒度分析结果计算出Sd值，代入式(1)得出原始孔隙度为38.5%～41.2%，平均为39.6%。数据分析结果表明：假设颗粒是等大球体模型，此时颗粒未压实，理论孔隙度是47.64%，将其与Sd值之比得到的值作为原始孔隙计算模型(公式3)，这个值与式(1)的值对比分析，得到图2的校正图版，得到研究区原始孔隙校正公式。

图2　φ1与φ2校正图版

2.2压实后孔隙

根据公式(3)建立的模型，假设等大球体颗粒被完全压实，及颗粒菱形排列，其孔隙度为25.95%，将此值代入式(3)模拟出压实后孔隙度，将计算值代入图2中的校正方程，即可得到压实后孔隙度值。计算得到研究区压实之后的孔隙度为18%～24%，平均孔隙度值21%，平均减孔率为52.1%(注：文中采用的平均增孔率或减孔率值为增加或损失孔隙平均值与原始孔隙平均值之比)。

2.3交代、溶蚀增孔计算

交代、溶蚀作用的母质主要是长石、云母，据前人的研究表明[22-24]，主要发生如下反应：

3KAlSi3O8(钾长石)+2H+→KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+6SiO2(石英)+2K+

(4)

CaAl2Si2O8(钙长石)+SiO2+5Ca2++Mg2++4H2O →MgAl2Si3O10(OH)8(绿泥石)+6CaCO3

(5)

2KAlSi3O8(钾长石) +5Ca2++Mg2++4H2O→MgAl2Si3O10(OH)8(绿泥石)+5CaCO3

(6)

KAlSi3O8(钾长石)+4H+→3SiO2+K++Al3+

(7)

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

(8)

前人研究表明：钙长石的摩尔体积为93.48 cm3/mol，钾长石的摩尔体积为109.1 cm3/mol，石英的摩尔体积为22.64 cm3/mol，伊利石的摩尔体积为140.7 cm3/mol，绿泥石的摩尔体积为205.85 cm3/mol，方解石的摩尔体积为36.83 cm3/mol。将数据代入上述方程得：反应式(4)增加孔隙15.51%，反应式(5)增加孔隙2.25%，反应式(6)增加孔隙27.5%，反应式(7)增加孔隙37.75%，反应式(8)对孔隙没有影响。将此系数与相应胶结物含量相乘，即可计算出溶蚀交代作用的增孔率，计算结果为0.25%～9.5%，平均增孔率为8.6%。

2.4胶结物减孔计算

从扫描电镜、铸体薄片、阴极发光照片观察，胶结、交代产物充填于粒间孔隙，占据孔隙体积较大，最小值为6%，最大值为27%，平均减孔率为36.7%。

3计算值与实测值验证

目前孔隙是由残余粒间孔、溶蚀孔构成，原始孔隙空间先经压实作用，孔隙减少，后经溶蚀作用增加了孔隙空间，同时由于生成的胶结物占据了孔隙空间，剩余的孔隙体积比就是目前的孔隙度。即有：

孔隙度=原始孔隙度-压实后孔隙度+溶蚀交代作用增孔率-胶结物减孔率

将数据代入计算得到的孔隙度与实验岩心测出的孔隙度绝对误差±1.1，相对误差小于18.5%，取得较好的应用效果，见图3。

图3　计算孔隙度与实测孔隙度关系图

4结论

(1)鄂尔多斯盆地吴仓堡油区长6储层物性差，砂岩类型主要以长石砂岩为主，岩屑含量较高，成分成熟度低；沉积颗粒以细砂为主，颗粒分选好，原始孔隙与分选相关，分选越好，原始孔隙越大。

(2)研究区内压实作用强，使孔隙损失严重，平均减孔率为52.1%；交代溶蚀作用较强，平均增孔率为8.6%；胶结物含量高，导致孔隙大量损失，平均减孔率36.7%。

(3)根据储层成岩演化过程得出了超低渗储层孔隙度的计算方法，理论值与实测值绝对误差小于±1.1，适合研究区孔隙度计算。若将该模型应用于其它地区，则需要结合当地实际沉积特征与成岩特征，综合岩石矿物组合、成岩埋藏史及其他条件，对该方法校正，以达到理想的应用效果。

参考文献

[1]吴小斌,侯加根,孙卫.特低渗砂岩储层微观结构及孔隙演化定量分析[J].中南大学学报,2011,42(11):3439-3445.

[2]刘国勇,金之钧,张刘平.碎屑岩成岩压实作用模拟实验研究[J].沉积学报,2006,24(3):408-412.

[3]于红岩,李洪奇,党娜,等.鄂尔多斯盆地超低渗透储层形成的宏观地质因素分析[J].科技导报,2012,30(9):44-47.

[4]王岚,邹才能,林潼,等.鄂尔多斯盆地白豹-华池地区延长组长6油层组沉积环境及成岩相分析[J].天然气地球科学,2011, 22(5):797-805.

[5]朱筱敏.沉积岩石学[M].北京,石油工业出版社,2008:241-248.

[6]姜在兴.沉积学[M].北京,石油工业出版社,2010:180-181.

[7]李书恒,方国庆,杨金龙,等.鄂尔多斯盆地超低渗透储层成因研究及意义[J].岩性油气藏,2012,24(6):32-36.

[8]王 岚,邹才能,林 潼,等.鄂尔多斯盆地白豹-华池地区延长组长6油层组沉积环境及成岩相分析[J].天然气地球科学,2011,22(5):797-805.

[9]邹才能,赵政璋,杨华,等.陆相湖盆深水砂质碎屑流成因机制与分布特征-以鄂尔多斯盆地为例[J].沉积学报,2009,27(6):1067-1074.

[10]兰叶芳,邓秀芹,程党性,等.鄂尔多斯盆地三叠系延长组次生孔隙形成机制[J].地质科技情报,2014,33(6):128-135.

[11]徐蕾,师永民,徐常胜,等.长石族矿物对致密油储渗条件的影响-以鄂尔多斯盆地长6油层组为例[J].石油勘探与开发,2013,40(4):448-453.

[12]黄可可,黄思静,佟宏鹏,等.长石溶解过程的热力学计算及其在碎屑岩储层研究中的意义[J].地质通报,2009,28(4): 474-482.

[13]张瑞,王琪,姚泾利,等.鄂尔多斯盆地延长世湖盆中部长6段储层成岩特征[J].天然气地球科学,2010,21(6):890-896.

[14]曹斌风,孙卫.吴旗地区薛岔区块延长组长6砂岩储层成岩作用研究[J].天然气地球科学,2011,22(6):952-959.

[15]覃建雄.流体包裹体在沉积盆地分析中的应用[J].地质科技情报,1994,13( 2):39-44．

[16]罗静兰,刘小洪,林潼,等.成岩作用与油气侵位对鄂尔多斯盆地延长组砂岩储层物性的影响[J].地质学报,2006,80(5):664-674.

[17]孟万斌,吕正祥,冯明石,等.致密砂岩自生伊利石的成因及其对相对优质储层发育的影响[J].石油学报,2011,32(5):783-790.

[18]黄思静,谢连文,张萌,等.中国三叠系陆相砂岩中自生绿泥石的形成机制及其与储层孔隙保存的关系[J].成都理工大学学报,2004,31(3):274-280.

[19]田建锋,高永利,张蓬勃,等.鄂尔多斯盆地合水地区长7致密油储层伊利石成因[J].石油天然气地质,2013,34(5):701-706.

[20]王 芳,冯胜斌,何 涛,等.鄂尔多斯盆地西南部延长组长7致密砂岩伊利石成因初探[J].西安石油大学学报,2012,27(4):20-22.

[21]Beard D C, Weyl P K.Influence of texture on porosity and permeability of unconsolidated Sand[J].AAPG Bulletin, 1973,57(2): 349-369

[22]潘兆橹.结晶学及矿物学[M].北京.地质出版社,1994：35-46.

[23]陈世悦.矿物岩石学[M].山东东营,中国石油大学出版社,2002:80-120.

[24]罗明高.定量储层地质学[M].北京,地质出版社,1998:19-34.

编辑：王金旗

文章编号：1673-8217(2016)02-0056-04

收稿日期：2015-10-26

作者简介：张金金,1989年生，西安石油大学地质工程专业在读硕士研究生，从事地球物理测井技术方向的研究。

中图分类号：TE348

文献标识码：A