渤南油田四区沙三段低渗透储层成岩作用及演化序列*

李丹

(延长油田股份有限公司甘谷驿采油厂，陕西延安716005)

渤南油田四区沙三段低渗透储层成岩作用及演化序列*

李丹

(延长油田股份有限公司甘谷驿采油厂，陕西延安716005)

∶利用铸体薄片、扫描电镜、岩心分析化验等资料对渤南油田四区沙三段储层成岩作用类型、成岩演化序列、成岩阶段划分等进行了系统研究。结果表明，沙三段储层处于中成岩阶段A期，主要成岩作用类型有压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用等。压实作用是导致储层物性变差的最主要原因，胶结作用次之;溶蚀作用多形成孤立的溶蚀孔隙，一定程度上增加了储层孔隙度，但对储层渗透率的改善不大。沙三段储层经历了机械压实作用、塑性颗粒变形→泥质杂基及方解石(包括部分泥晶包壳)、铝硅酸盐的早期溶解、石英次生加大→早期碳酸盐胶结并交代石英、长石→油气大量充注→不稳定组分溶蚀形成次生孔隙、高岭石充填→晚期含铁碳酸盐矿物胶结成岩演化序列。

∶成岩作用;成岩阶段;演化序列;沙三段

0 引言

储层发育特征受多种因素的影响，包括沉积条件、成岩作用、构造运动、油气充注、异常高压等，其中沉积条件和成岩作用是最主要的影响因素［1-2］，沉积条件控制储层发育，成岩作用则改造储层质量［3-5］。成岩相作为反映特定成岩环境或过程的成岩产物的综合表现，尤其对储层的物性特征具有明显的控制作用，成岩相分析就是在成岩作用与储层物性演化特征之间建立成因联系，弄清成岩相的组合类型、分布特征及其对储层物性的影响关系，从而为储层纵向上以及平面上发育特征规律总结提供理论依据［6-8］。

渤南油田构造上位于渤南洼陷南部缓坡带的中部凹陷处，为一由东南向西北倾斜的单斜构造。该油田整体上属于低渗透油藏，孔隙度15%，渗透率11.5×10-3μm2，地下原油粘度为0.54 MPa·s.截止到2014年底，平均单井日产油1 t/d，含水高达95%，停产井比例为70%，注不进采不出，矛盾突出。因此，研究储层成岩作用类型、成岩阶段及成岩演化序列，对于明确平面物性差异的影响因素为后期油田高效合理开发具有现实意义。

1 储层特征

1.1 储集层岩矿特征

依据岩芯及岩石铸体薄片资料分析，研究区储层的成分成熟度和结构成熟度较低，主要颗粒组分包括石英、长石和岩屑等，岩性以岩屑质长石细-中砂岩为主，岩屑质长石粗-粉砂岩次之(图1)。石英含量相对较高，约35%～45%;长石含量约占30%～40%，以斜长石为主;岩屑含量占15%～40%，以沉积岩为主，其次为变质岩及少量火山岩。胶结物的类型较多，多为铁方解石和铁白云石，见白云石和菱铁矿。杂基类型主要为泥质杂基，含量变化较大，在1.8%～8.5%之间，平均值为5.8%.岩石颗粒磨圆度中等，次棱角状为主，次圆状为辅，分选中等-差，以中砂、细砂为主，其次为粗砂、粉砂，平均粒度中值大多在0.2 mm左右。胶结类型以孔隙式胶结、接触-孔隙式胶结为主。结构类型为颗粒支撑，颗粒接触方式以线性接触、凹凸接触为主。

图1 渤南油田四区沙三段储层砂岩成分三角图Fig.1 Reservoir sandstone composition triangle of Es3in Area 4，Bonan Oilfeild

1.2 储集层物性及孔隙结构特征

储层物性好坏表征最常用、最基本的2个参数是孔隙度和渗透率。在埋藏成岩过程中，成岩作用对沉积岩的物性、结构甚至成分都产生了深刻的影响，其中最突出的表现之一，就是使岩石的孔隙度、渗透率及孔隙结构发生显著的变化［9-11］。

在研究过程中，分析了519块样品的岩心物性资料。研究区沙三段储层孔隙度以12%～19%为主，平均值为15.72%;渗透率以7×10-3～20× 10-3μm2为主，多数小于50×10-3μm2，平均渗透率为14.7×10-3μm2，主要为中孔-低渗特低渗储层。可以看出，孔隙度和渗透率具有较好的正相关性(图2)。

图2 沙三段储层物性分析孔-渗交会图Fig.2 Porosity-permeability cross-plot of Es3in Area 4

通过对研究区沙三段储层压汞资料进行分析，结合岩心观察、铸体薄片、扫描电镜等资料，将沙三段储层的孔隙结构分为4类(表1)。Ⅰ类中高孔-中喉型，主要对应中高孔中渗储层;Ⅱ类中孔-细喉型，主要对应中孔低渗储层;Ⅲ类中小孔-细微喉型，主要对应中低孔特低渗储层;Ⅳ类小孔-微喉型，主要对应低孔超低渗储层。研究区沙三段主要以Ⅱ类储层为主，Ⅲ类次之。

表1 沙三段储层孔隙结构分类Tab.1 Reservoir pore structure classification of Es3

2 成岩作用特征

2.1 机械压实作用

压实作用是导致孔渗性变差的主要因素之一，经机械压实后，沉积物会发生许多微观变化［12］，岩石的抗压性主要取决于其组成颗粒的成分及其埋藏深度［13］。研究区储层以岩屑质长石砂岩为主，岩屑、杂基等塑性颗粒含量较高，导致储层本身的抗压能力较差，容易被压实而丧失孔隙;其次，研究区储层埋深大，上覆地层压力大，持续的埋藏最终形成强烈的机械压实作用，导致储层孔隙度大大减少，渗透率变差。常见的压实现象(图4(a)，图4(b))有∶碎屑颗粒呈线性-凹凸接触;泥岩、页岩岩屑、泥质杂基、云母等塑性颗粒的挤压变形、扭曲、假杂基化;石英、长石等刚性颗粒波状消光甚至被压碎、压裂。机械压实作用从沉积初期到至今持续存在，根据薄片观察矿物颗粒的接触关系可以定性判定岩石压实程度，沙三段储层的颗粒接触关系以线性-凹凸接触为主。根据R.Sneider图版估算原始孔隙体积为35.05%，计算得到沙三段储层压实率基本大于70%，根据压实强度划分标准，可以判断储层压实作用已达到强压实级别。

2.2 胶结作用

胶结作用是指在温度和压力升高的条件下，孔隙水中过饱和成分发生沉淀，使沉积物固结起来的作用。胶结作用进一步缩小碎屑岩储层的原生孔隙，随着胶结作用的增强，胶结物不断充填原始孔隙，使得原始孔隙空间减小甚至消失。但胶结作用对储层物性的影响是可逆的，在特定的成岩环境中易溶胶结物会被溶蚀，从而为后期溶蚀作用提供了物质基础，有利于次生溶蚀孔隙的发育。早期的胶结作用在一定程度上可以抑制机械压实作用，对储层原始孔隙的保存起到建设性作用。研究区主要发育碳酸盐胶结、硅质胶结和粘土矿物胶结3种，不同类型的胶结作用对储层发育特征的影响不同。

2.2.1 碳酸盐胶结

研究区沙三段储层碳酸盐胶结物含量丰富，类型多样，具有明显的多期次特征。根据胶结物中自生矿物形成世代及胶结穿插关系，可将胶结类型划分为方解石、白云石等早期胶结和铁方解石、铁白云石等晚期胶结，早、晚期胶结物特征各异，对储层物性影响也不同。早期碳酸盐胶结物以连晶结构镶嵌式胶结的方解石最为常见，含量1%～10%，个别高达25%以上，镜下见方解石等矿物的溶蚀现象，可产生少量次生孔隙。含铁方解石和含铁白云石等晚期碳酸盐胶结物多呈半晶状或充填式胶结，也有大量晚期胶结物交代各种组分(图4(b)，图4(h))，其堵塞孔隙作用明显，反映了由于成岩作用过程中酸性流体的不断消耗，成岩环境逐步向碱性演化，形成的大量铁方解石、铁白云石等含铁碳酸盐降低了储层储集性能［14］(图3(a)，图3(b))。

2.2.2 硅质胶结

沙三段储层硅质胶结较为普遍，但含量比较低，硅质胶结物的平均含量为2%左右，最常见的硅质胶结为石英的次生加大边和充填孔隙的自生石英晶粒。石英次生加大边的形成减小了原始孔隙空间(图4(c))，石英次生加大多发育在杂基含量少、分选较好的碎屑岩储层中，在有粘土包壳的储层中石英次生加大现象少见。

图3 碳酸盐含量与储层物性关系Fig.3 Correlation of carbonate content and porosity

2.2.3 粘土矿物胶结

粘土矿物胶结在研究区沙三段储层发育比较普通，主要以高岭石为主，绿泥石次之，伊利石和伊蒙混层比较少见。沙三段储层主要以岩屑长石砂岩为主，成分成熟度低，长石含量比较高，长石在酸性水介质中容易发生溶解，生成自生高岭石，所以沙三段储层粘土矿物胶结以高岭石为主。高岭石多呈书页状、蠕虫状集合体赋存在孔隙中，造成孔隙堵塞(图4(d))。绿泥石的胶结形式主要为绿泥石薄膜和充填于孔隙中的自生绿泥石。多以孔隙衬里方式产出的粘土膜的形式存在(图4 (e))，绿泥石胶结作用对储层孔隙是一种建设性成岩作用，虽然它占据了一定的孔隙空间，但能有效地阻止石英自生增生，绿泥石膜还能增加岩石抗压强度，从而使原生粒间孔隙得以大量保存［15］。

2.3 溶蚀作用

薄片观察发现长石、岩屑颗粒、碳酸盐胶结物及粘土杂基为研究区储层溶蚀作用的主要对象(图4(e)～图4(g))。溶蚀作用产生孔隙类型包括∶研究区成岩作用早期在矿物颗粒边缘形成的粘土包壳发生溶蚀产生的一定数量的贴粒溶孔;地下流体沿长石解理面等破裂面渗入溶蚀产生了大量蜂窝状或不规则状的粒内溶孔;颗粒边缘溶蚀形成的边缘齿状化的粒间溶孔。相对而言，石英颗粒溶蚀少见，主要为颗粒内部形成的孤立溶蚀孔隙。研究区溶蚀作用虽然较为普遍，但多是颗粒(长石及岩屑)的溶蚀，早期形成的碳酸盐胶结物溶解后的残余多呈浑圆状、孤立、零星状分布于粒间溶孔中。但随着成岩环境的改变，后期形成的含铁碳酸盐胶结物基本不发育溶蚀作用，从而导致溶蚀作用虽一定程度上增加了储层储集空间，但对储层渗透率的改善作用不大。

图4 渤南油田四区沙三段储层主要成岩现象Fig.4 Main diagenetic phenomenon of Es3in Area 4，Bonan Oilfeild

2.4 交代作用

交代作用过程实质是物质的交换，通过离子间的置换从而使得储层物质成分发生改变，原矿物被溶解的同时通过化学沉淀作用各种离子重新组合形成了新的矿物。沙三段储层中主要为石英、长石等碎屑颗粒被方解石、铁方解石、白云石等交代(图4(b)，图4(h))。交代作用对储层孔隙具有一定的改善作用，但效果极其有限［16-17］。

3 成岩阶段划分及演化序列

综合分析研究区自生矿物间的相互交代关系、颗粒溶蚀关系、次生孔隙类型、成岩环境的演化特征，认为研究区成岩演化经历了4个阶段，分别为同生期、早成岩A期、B期及中成岩A期(图5)，沙三段储层经历的完整的成岩演化序列为∶机械压实作用、塑性颗粒变形→泥质杂基及方解石(包括部分泥晶包壳)、铝硅酸盐的早期溶解、石英次生加大→早期碳酸盐胶结并交代石英、长石等→油气大量充注→不稳定组分溶蚀溶蚀形成次生孔隙、高岭石充填→晚期含铁碳酸盐矿物胶结。

图5 渤南油田四区成岩作用阶段与埋藏史关系图Fig.5 Diagenetic stage and burial history in Area 4，Bonan Oilfeild

4 结论

1)渤南油田四区沙三段储层砂岩主要为岩屑质长石砂岩。储层孔隙类型以粒间溶孔和粒内溶孔等次生孔隙为主，含少量铸模孔、晶间微孔及微裂缝。储层孔隙结构类型以中孔细喉型为主，中小孔细微喉型次之;

2)渤南油田四区沙三段储层主要发育的成岩作用有压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。压实作用和胶结作用导致储层孔隙减小、喉道堵塞，为破坏性成岩作用，溶蚀作用形成次生孔隙，改善储层物性，为建设性成岩作用;

3)根据各成岩阶段划分标志认为沙三段储层属于中成岩阶段A期，成岩演化序列为∶机械压实作用、塑性颗粒变形→泥质杂基及方解石(包括部分泥晶包壳)、铝硅酸盐的早期溶解、石英次生加大→早期碳酸盐胶结并交代石英、长石等→油气大量充注→不稳定组分溶蚀溶蚀形成次生孔隙、高岭石充填→晚期含铁碳酸盐矿物胶结。

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Diagenesis and evolution sequence on low-permeability reservior of Es3in area 4 of Bonan Oilfeild

LIDan

(Ganguyi Oil Production Plant，Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yan’an 716005，China)

∶The diagentic facies characteristics of Es3low-permeability reservoir in Area 4，Bonan Oilfeild，such as diagenesis types，diagenetic evolution sequence，diagenetic stage division were studied synthetically using data of core observation and description，scanning electronmicroscope and core analysis in laboratory.The analysis results showed that the reservoir mainly developed secondary erosion pore，pore structure types aremainly belong to themedium hole-micro-fine throat.Reservoir get strong digenesis，and themain reasons leading to the poor reservoir property are compaction and cementation.Dissolution ismore common，butmost of dissolution pores were isolated，the configuration relationship of pore and throatwas poor，increased reservoir storage space to some extent，rarely improved the reservoir seepage ability.The reservoir experienced diagenesis evolution sequence from compaction，plastic particles deformation to early dissolution of argillaceousmatrix，calcite(including partofmicritic cladding)，aluminum silicate，quartz overgrowth to early carbonate cementation and replacement of quartz，feldspar and so on to oil and gas filling to volatile component dissolution，kaolinite filling to irony carbonatemineral cementation.

∶diagenesis;diagenetic stage;diagenesis evolution sequence;Es3

∶TE 122.2

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0313

∶1672-9315(2015)03-0350-06

∶2015-01-20责任编辑∶李克永

∶国家科技重大专项(2011ZX05006-002)

∶李丹(1981-)，女，陕西礼泉人，工程师，E-mail∶12494232@qq.com