鄂尔多斯盆地华庆地区长63储层成岩作用及孔隙演化

王妍芝，陈石虎，杨 超

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井三公司；3.陕西省地质矿产勘查开发局物化探队）

鄂尔多斯盆地中生界上三叠统延长组是盆地内陆湖泊形成后的第一套生、储油岩系，是以河流－湖泊相为主的陆源碎屑岩沉积［1］，其经历了一个陆相大型湖盆从发生、发展到消亡的整个地史演化过程［2］。华庆地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的西南部，西起白马，东到马家砭，北自长官庙，南抵城壕－悦乐一带，面积约5500 km2［3］。华庆地区三叠系延长组长6储层是长庆油田的主力产油层位之一，长6储层进一步划分为3个小层，分别为长61、长62和长63。本文重点研究长63储层，长63储层主要发育于水下分流河道，砂岩有效厚度一般为10～24 m［4］，属于低－特低渗透储层，储层非均质性强，成岩作用复杂。砂岩在埋藏成岩作用过程中受到各种成岩作用的改造，对原生孔隙的保存和次生孔隙的发育产生很大影响［5］，同时也控制着储层的发育及物性特征。因此，通过对该区长63储层的成岩作用进行研究，探索其对孔隙演化的影响，有助于储层的综合评价和有利区预测，并为油田的勘探和开发提供了一定的理论支持。

1 储层岩石学特征

据岩心观察及668块岩石薄片样品的鉴定资料统计，华庆地区长63储层岩性主要为浅灰色和灰色细砂岩，以岩屑长石砂岩和长石砂岩为主，含少量长石岩屑砂岩（图1）。砂岩成分中碎屑颗粒体积分数平均为84.2%，其中石英平均含量33.2%，长石平均含量43.4%，岩屑平均含量23.4%；岩屑成分中，喷发岩、石英岩、千枚岩、白云岩、云母等碎屑颗粒含量较高，该区储层具有高长石低石英的特点，表明岩石成分成熟度较低。填隙物平均含量为15.5%，其中水云母和绿泥石含量较高，其次为铁方解石、方解石、铁白云石等碳酸盐胶结物。该区颗粒分选性中等－好，颗粒磨圆以次棱为主，结构成熟度较高，胶结类型主要为加大－孔隙式、孔隙式和薄膜－孔隙式，其次为基底式。

图1 华庆地区长63储层砂岩分类三角图

2 储层成岩作用类型

在岩心观察描述的基础上，通过薄片鉴定、阴极发光、扫描电镜等分析方法，对华庆地区长63储层砂岩的成岩作用进行系统的研究，认为该储层的成岩作用类型主要有机械压实压溶作用、胶结作用、交代蚀变作用、溶蚀作用和破裂作用。碎屑岩的一系列成岩变化，对碎屑储集岩的孔隙形成、保存和破坏起着极为重要的作用，对储层物性有着决定性影响［6］。根据成岩作用对孔隙的影响主要分为破坏性成岩作用和建设性成岩作用两种类型，前者包括机械压实压溶作用、胶结作用、交代蚀变作用，后者主要是溶蚀作用和破裂作用。

2.1 压实压溶作用

研究区长63储层压实作用的现象主要表现为：塑性颗粒泥岩岩屑、云母塑性变形、扭曲及其假杂基化；云母等颗粒定向排列；刚性碎屑石英、长石被压碎或压裂。早期颗粒接触方式主要以点接触为主，随着埋深的加大，颗粒发生部分溶解，由早期的机械压实作用逐渐变为深埋藏的压溶作用，颗粒接触关系变为线接触再到凹凸接触。通常认为压实作用影响的最大埋藏深度在2500 m左右，研究区的埋藏深度介于1611～2341 m，已达到中深埋藏阶段，压实作用强烈。机械压实作用和压溶作用使粒间体积减小，使原始孔隙度降低。

2.2 胶结作用

研究区胶结作用类型主要为碳酸盐胶结，硅质胶结，粘土矿物胶结。

（1）碳酸盐胶结。研究区有方解石、铁方解石、铁白云石胶结3种碳酸盐胶结物类型，其中以铁方解石胶结为主。碳酸盐胶结物在不同成岩阶段均有产出，形成了多期次的碳酸盐胶结物，不同期次的其晶体特征和矿物成分存在较大差异。早期方解石胶结以泥晶状产出，嵌晶式胶结，后期铁方解石胶结多呈连晶状胶结在孔隙中，阴极发光下显橙红色，铁白云石胶结以孔隙充填为特征。铁方解石、铁白云石的出现说明其成岩时期为中成岩阶段［7］。由于方解石沉淀堵塞了大部分原生孔隙，因此降低了岩石的孔隙度和渗透率。

（2）硅质胶结。研究区内硅质胶结作用较弱，主要形式有石英次生加大和自形石英晶体。石英次生加大边多呈环边状包裹或半包裹碎屑石英颗粒，并使颗粒成为紧密的镶嵌接触，石英次生加大多为压溶作用产生，但该研究区内压溶作用较不发育，因此提供石英次生加大的SiO2并不主要是来源于压溶作用产生，而是长石颗粒的溶解和云母的蚀变的广泛发育为石英次生加大提供了足够的SiO2［8］。硅质胶结作用改变了储层的孔隙结构，使砂岩储层的物性变差。

（3）粘土矿物胶结。粘土矿物X衍射分析显示，研究区粘土矿物主要有绿泥石、伊利石、伊／蒙混层（混层比＜10）。其中绿泥石最为发育，占粘土矿物总量的70.09%，其次为伊利石，平均含量为23.90%，伊／蒙混层平均含量为5.98%。绿泥石的胶结形式一是绿泥石薄膜，二是充填于孔隙中的自生绿泥石，绿泥石薄膜多呈微细叶状或纤维状，常发育成孔隙内衬，部分绿泥石薄膜包围整个碎屑颗粒。绿泥石呈分散状及绒球状，充填于粒间孔中，绿泥石一方面使孔隙度降低，另一方面限制了石英次生加大的发育，有利于原生孔隙的保存。

2.3 交代蚀变作用

交代作用往往造成原岩的成分和结构局部或全部发生变化，甚至改变原岩的岩石类型。交代蚀变作用是研究区常见的成岩作用之一，该区目的层段的交代现象主要有方解石、铁方解石、铁白云石交代长石、碎屑石英、云母等，以及粘土矿物交代碎屑颗粒。方解石往往延着长石的解理方向或双晶方向开始交代，使这些颗粒的边缘形状不规则，使颗粒的边缘成港湾状或锯齿状，甚至交代整个颗粒，部分碎屑颗粒呈现幻影构造，具有幻影构造的颗粒多数为长石，其次为岩屑和石英。交代作用不仅交代各种颗粒，也使部分孔隙充填，因此交代作用对原生孔隙起破坏作用［9］。

2.4 溶蚀作用

研究区溶蚀作用比较发育，次生溶孔占34%，易溶的长石、石英、岩屑以及方解石等均有不同程度的溶蚀，产生的次生孔隙以粒间溶孔为主，溶蚀程度轻者沿颗粒边缘溶蚀，形成港湾状边缘，或沿解理溶蚀，形成不连续的微小粒内溶孔、溶缝，溶蚀作用是形成次生孔隙的重要成因，对储层具有较好的改造作用。

2.5 破裂作用

由于上覆沉积物的压力作用，岩石中的刚性成分会发生破裂作用，其形成的微裂缝在铸体薄片中可以清晰的看到，裂缝的发育可以有效的改善储集层的物性，为油气的运移提供了良好的运移通道。

3 储层成岩阶段

根据中国石油天然气行业标准《碎屑岩成岩阶段划分规范》，结合该区镜质体反射率、粘土X衍射、自生矿物分布及形成顺序等分析表明：该区长63储层的埋深介于1611～2341 m；镜质体反射率平均为0.76%，有机质低成熟－成熟；砂岩中可见伊／蒙混层粘土矿物、绒球状的绿泥石；长石、岩屑等碎屑颗粒发生明显的溶蚀作用，形成次生孔隙；石英Ⅱ期加大；高岭石、伊利石、绿泥石等自生黏土矿物比较常见，因此推断目前长63储层的成岩阶段主要处于中成岩阶段的A期，研究区内成岩演化序列为：机械压实→早期粘土膜形成→石英次生加大Ⅰ期→方解石沉淀→长石颗粒溶解→石英Ⅱ期加大→长石次生加大→方解石溶解→石油充注→晚期铁方解石充填→晚期白云石充填或交代碎屑颗粒（图2）。

图2 华庆地区长63砂岩成岩序列演化

4 孔隙度演化

本次研究通过储集层砂岩的粒度、物性分析，结合砂岩薄片的观察与统计，估算了不同成岩作用对储集砂岩孔隙度的影响，定量研究储集层砂岩孔隙度降低和增加的成岩过程，可恢复砂岩孔隙演化史。

4.1 砂岩原始孔隙度

根据Beard和Weyl［10］提出的计算公式恢复研究区砂岩的原始孔隙度：φ1＝20.91＋22.90／So，式中φ1为原始孔隙度，So为Trask分选系数，So＝（Q1／Q3）1／2，Q1和 Q3分别为岩石颗粒粒径概率累积频率25%处和75%处的粒径大小。据压汞分析资料统计，研究区目的层段的分选系数So平均为2.19，计算得原始孔隙度φ1为31.4%。

4.2 压实后砂岩孔隙度

恢复压实后砂岩剩余粒间孔隙度，用于评价压实作用对原生粒间孔的破坏程度。压实后剩余粒间孔隙度（φ2）可依据胶结物含量、物性分析孔隙度、残余粒间孔、溶蚀孔的关系求得：φ2＝［（粒间孔面孔率＋胶结物溶孔面孔率）／总面孔率］×物性分析孔隙度＋胶结物含量，根据薄片物性分析资料数据计算得出φ2＝［（1.54＋1.05）／2.67］×11.41＋6.24＝17.3%，压实损失孔隙度＝φ1－φ2＝31.4－17.3＝14.1%，压实孔隙度损失率＝（φ1－φ2）／φ1＝14.1／31.4＝44.9%。

4.3 胶结与交代后砂岩孔隙度

经压实、胶结及交代作用后的剩余粒间孔隙度φ3＝（粒间孔面孔率／总面孔率）×物性分析孔隙度＝（1.54／2.67）×11.41＝6.6%，胶结、交代损失孔隙度＝φ2－φ3＝17.3－6.6＝10.7%，胶结、交代孔隙度损失率＝（φ2－φ3）／φ1＝10.7／31.4＝34.1%。

4.4 次生孔隙度

次生孔隙度φ4＝（次生孔隙面孔率／总面孔率）×物性分析孔隙度＝（1.13／2.67）×11.41＝4.8%。

计算出研究区储层砂岩原始孔隙度为31.4%，压实作用损失了14.1%的孔隙度，压实后剩余孔隙度为17.3%，压实过程孔隙度损失率为44.9%，属于中等压实；胶结作用损失了10.7%的孔隙度，胶结孔隙度损失率为34.1%；压实作用和胶结作用造成了79%的原生粒间孔隙度损失；后期经溶蚀作用使得孔隙度增加了4.8%，形成现今孔隙度11.4%，与岩心物性分析平均孔隙度11.41%相近，符合程度高（图3）。由图4可知，99%的点都落在图框的左下角处，这表明压实作用破坏掉的原始孔隙要比胶结作用破坏的多。

图3 华庆地区长63储层砂岩成岩过程的孔隙度演化

图4 压实作用与胶结作用对孔隙度演化影响评价

5 结论

（1）华庆地区长63储层岩石类型主要以岩屑长石砂岩和长石砂岩为主，砂岩分选性中等－好，磨圆度以次棱状为主，砂岩的成分成熟度较低，结构成熟度较高。

（2）华庆地区长63储层砂岩目前处在中成岩阶段A期，成岩演化序列为：机械压实→早期粘土膜形成→石英次生加大Ⅰ期→方解石沉淀→长石颗粒溶解→石英Ⅱ期加大→长石次生加大→方解石溶解→石油充注→晚期铁方解石充填→晚期白云石充填或交代碎屑颗粒。

（3）华庆地区长63储层砂岩经历了压实压溶作用、胶结作用、溶蚀作用和交代蚀变作用和破裂作用，其中压实作用损失了14.1%的孔隙度，压实过程孔隙度损失率为44.9%，胶结作用损失了10.7%的孔隙度，胶结孔隙度损失率为34.1%；后期经溶蚀作用使得孔隙度增加了4.8%，形成现今孔隙度11.4%。

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