張 妮，林春明，俞 昊，張 霞

(1.金陵科技學院材料工程學院，江蘇 南京 211169;2.內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023;3.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023;4.中國石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

目前，隨著油氣勘探開發(fā)的深入，大型構(gòu)造油氣藏的發(fā)現(xiàn)率逐漸降低，巖性油氣藏已逐漸成為油氣勘探開發(fā)的重要對象和焦點問題(張永鴻，1991;郭念發(fā)，1996;俞凱等，2001;花彩霞，2014)。近年來，隨著巖性油氣藏勘探開發(fā)配套技術(shù)的重大突破，下?lián)P子黃橋地區(qū)多口井在二疊系龍?zhí)督M獲得突破，證實該區(qū)具備巖性油氣藏勘探開發(fā)的良好資源條件?，F(xiàn)有儲層物性及測井解釋成果顯示，黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的平均孔隙度為5.74%，平均滲透率為0.32×10－3μm2，屬特低孔－超低滲儲層，同時具有極大的非均質(zhì)性。雖然受后期改造作用，黃橋地區(qū)儲層物性包括孔隙度和滲透率均較低，但也具有裂縫、溶蝕孔洞發(fā)育的優(yōu)勢(李建青等，2012，2013;陳順勇等，2013)。由于該區(qū)儲層研究程度較低，其儲層非均質(zhì)性的根源問題一直以來困擾著該區(qū)油氣勘探開發(fā)(李伶俐等，2013;蔡佳等，2014)。本次研究以黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層作為研究對象，通過大量巖石薄片和鑄體薄片鑒定，并借助掃描電鏡觀察等手段對研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖儲層的巖石學特征、成巖作用和儲層物性進行了詳細、深入的研究，探討黃橋地區(qū)龍?zhí)督M的成巖作用對儲層物性的具體影響方式，以供對該區(qū)進一步的油氣勘探開發(fā)及優(yōu)質(zhì)油層預測參考。

1 地質(zhì)概況

黃橋地區(qū)位于下?lián)P子區(qū)蘇北盆地與蘇南隆起的交接部位，海相中、古生界保存較好，上覆陸相中、新生界厚度大，為油氣前景有利區(qū)之一。前人研究表明，黃橋地區(qū)構(gòu)造演化經(jīng)歷了印支運動前平穩(wěn)的隆降階段、印支—燕山早中期的擠壓推覆階段和燕山晚期—喜山期的拉張裂陷階段(張永鴻，1991;張建球，1996;任濤，2010;董強強，2011;李建青等，2013)。黃橋地區(qū)儲集層主要包括碳酸鹽巖儲集層和碎屑巖儲集層。相對而言，二疊系的砂巖儲層物性較好，且主要為砂巖孔隙。龍?zhí)督M(P2l)屬于碎屑巖儲層，物性特征多為特低孔－超低滲，為一套濱岸沼澤相的含煤沉積，厚約74 m。根據(jù)巖性特征，龍?zhí)督M碎屑巖儲層由下至上可分為下段、中段和上段，其中下段與孤峰組(P1g)整合接觸，上段與上覆大隆組(P1d)整合接觸(表1)。

表1 下?lián)P子黃橋地區(qū)二疊系龍?zhí)督M地層劃分方案Table 1 Stratigraphic division of the Permian Longtan Formation in the Huangqiao area of the lower Yangtze region

2 儲層巖石學特征

本次研究共采集巖石樣品68個，主要集中于黃橋地區(qū)的溪1、溪2、N9、N5和蘇174井中儲集物性較好的龍?zhí)督M中、上段，下段采集少量樣品做對比分析。巖石薄片鑒定顯示，龍?zhí)督M儲層碎屑成分以石英、長石和巖屑為主，其巖性按“三端元”分類法可劃為巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖(馮增昭，1994)，以中、細粒砂巖為主，砂巖粒度范圍在0.10～0.30 mm之間。砂巖分選差—中等，次圓、次棱角為主，支撐方式為顆粒支撐，接觸方式主要為線－凹凸接觸，巖石膠結(jié)類型以接觸式膠結(jié)為主，孔隙式膠結(jié)次之。膠結(jié)物主要為碳酸鹽，巖石結(jié)構(gòu)普遍表現(xiàn)為成分成熟度偏低、結(jié)構(gòu)成熟度中等的特點。

研究區(qū)儲層中的石英質(zhì)量分數(shù)在59.0%～76.0% 之間，平均為67.5%，以單晶石英為主，含少量多晶石英;石英表面干凈，具有波狀消光，次生加大現(xiàn)象較為普遍;粒度范圍在0.05～0.65 mm之間，石英顆粒分選中等—好，次棱角狀，顆粒之間線接觸為主，當石英次生加大邊發(fā)育時，顆粒呈鑲嵌接觸。長石占巖石總量的5.2% ～12.0%，平均為8.6%，包括鉀長石和斜長石，以斜長石為主。長石的溶蝕現(xiàn)象非常普遍，粒度范圍在0.10～0.80 mm之間，一般在0.20～0.45 mm之間，普遍發(fā)育較為輕微的高嶺石化，并可見到綠泥石化和絹云母化現(xiàn)象。巖屑質(zhì)量分數(shù)介于9.3% ～21.0%之間，平均15.5%，其中變質(zhì)巖巖屑質(zhì)量分數(shù)最高，平均10.1%;沉積巖巖屑質(zhì)量分數(shù)次之，平均3.3%;巖漿巖巖屑質(zhì)量分數(shù)最低，平均2.7%。

3 儲層物性的影響因素

一般而言，碎屑巖儲集物性主要受沉積、成巖、構(gòu)造等諸多因素的控制。特別是成巖作用，它直接控制著黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的儲集性能。

3.1 沉積作用對儲層物性的影響

3.1.1 礦物成分 一般而言，石英砂巖比長石砂巖和巖屑砂巖的儲集物性好。這主要是因為：(1)長石的親水性和親油性比石英強，當被油或水潤濕時，長石表面所形成的液體薄膜比石英表面厚，一般情況下這些液體薄膜不會移動，這在一定程度上減少了孔隙的流動截面積，導致滲透率變小。(2)長石和石英的抗風化能力不同。石英抗風化能力強，顆粒表面光滑，油氣容易通過;長石不耐風化，顆粒表面常有次生高嶺土和絹云母，它們一方面對油氣有吸附作用，另一方面吸水膨脹堵塞原來的孔隙和喉道(范小軍等，2012)。

研究區(qū)儲層巖性以巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖為主，儲層的成分成熟度低。龍?zhí)督M儲層砂巖的孔隙度和滲透率隨著長石和巖屑含量的增加而增加，但與石英的含量相關(guān)性差(圖1)。石英含量對孔隙度的影響也具有雙重性：一方面，石英作為剛性顆粒，有增強巖石抗壓實能力的作用，從而有利于原生孔隙的保留;另一方面，如果壓實作用很強，高的石英含量則形成強烈的石英溶解和次生加大充填孔隙，從而降低了儲層孔隙度。研究區(qū)儲層的孔滲值與石英含量的相關(guān)性較差，說明由于壓實和壓溶作用的參與，石英含量對儲層性能的正面影響與次面影響相互抵消。

圖1 下?lián)P子黃橋地區(qū)龍?zhí)督M碎屑顆粒質(zhì)量分數(shù)與孔隙度和滲透率的關(guān)系Fig.1 Relationship of clastic grain content with porosity and permeability for the Longtan Formation

由于研究區(qū)儲層中的長石和巖屑含量較高，為后期溶蝕孔隙的發(fā)育提供了良好的物質(zhì)基礎。雖然溶蝕孔洞為研究區(qū)儲集空間的主要類型，但長石溶蝕作用對孔滲性也有負面影響，表現(xiàn)在隨著偏基性斜長石在熱力學不穩(wěn)定且低溫條件下的大量溶蝕，將伴隨高嶺石和伊利石的沉淀，從而降低孔隙度和滲透率。對薄片鑒定結(jié)果進行的統(tǒng)計分析顯示，研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖的孔隙度和滲透率均隨著長石和巖屑含量的增加而得到提高，說明長石的溶蝕作用對該區(qū)儲層性能的正面影響相對其負面影響更占優(yōu)勢，長石和巖屑的高含量均對儲層性能起到了積極作用。

3.1.2 巖石結(jié)構(gòu) (1)粒度和磨圓度。細粒碎屑磨圓度差，呈棱角狀，顆粒支撐時比較松散，它比圓度好的較粗的砂質(zhì)沉積可能有更大的孔隙度。然而，細粒沉積物中孔喉小、毛細管壓力大，流體滲濾的阻力大，因此細粒沉積物的滲透率比粗粒的小。龍?zhí)督M碎屑巖以中、細粒砂巖為主，砂巖粒度范圍在0.1～0.3 mm之間，次圓、次棱角為主，支撐方式為顆粒支撐，對儲層的滲透率具有負面作用，對原生孔隙度具有正面作用。但這種粒度對原生孔隙度的積極因素會被膠結(jié)作用和壓實作用所抵消，從而使原生孔隙度降低。導致儲層顆粒間的接觸方式主要為線－凹凸接觸，巖石膠結(jié)類型以接觸式膠結(jié)為主，孔隙式膠結(jié)次之。

這樣，傳統(tǒng)理論的、傳授的及教師主導的學習經(jīng)歷便變?yōu)閷嵺`的、發(fā)現(xiàn)的及自我主導的新方法，更為有效。在觀察這一轉(zhuǎn)變時，我們會看到一個重要的轉(zhuǎn)變，即把學和教的程序倒轉(zhuǎn)來：不先教本來想教的知識，而是提出問題并提供環(huán)境，讓學生自己先發(fā)現(xiàn)知識，然后鞏固它作為學習。

(2)分選性。在粒度相近的情況下，分選差的碎屑巖因細小的碎屑充填了顆粒間孔隙和喉道，不僅降低了孔隙度，而且降低了滲透率。研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖的分選差—中等，在很大程度上影響了儲層物性。

由此可見，沉積作用對龍?zhí)督M碎屑巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)、粒度、分選、磨圓度等方面都起著明顯的控制作用，而這些因素對研究區(qū)儲層物性都有不同程度的影響?？傮w而言，礦物粒度、分選性和磨圓度等因素對儲層物性的影響以負面為主，直接導致研究區(qū)儲層的低孔滲值。礦物成分對儲層物性的影響則主要借助成巖作用，具體表現(xiàn)在長石和巖屑對儲層物性具有積極作用，而石英對儲層性能的正面影響與次面影響相互抵消。

3.2 成巖作用對儲層物性的影響

3.2.1 壓實作用對儲層物性的影響 沉積物的組分、分選性、粒度、磨圓度等對機械壓實作用有相當?shù)挠绊懀鐜r石中塑性組分含量越高，巖石越容易被機械壓實。隨著壓實作用的增強，巖石的孔隙度逐漸減小(汪文洋等，2013)。前人研究認為，若初始孔隙度為70%，在埋深2 000 m時，巖石的孔隙度只相當于初始孔隙度的一半;當埋深到達2 300 m時，巖石孔隙度僅為原來的1/5，近80%的孔隙度都因壓實作用而損失了(馮增昭，1994)。但是，壓實作用還可以在埋深較大時在巖石中形成欠壓實帶，使得壓實作用對孔隙度的影響程度減小，從而使埋藏較深的巖石中仍能保存一定量的原生孔隙。

黃橋地區(qū)龍?zhí)督M的壓實作用主要發(fā)生在早成巖期和中成巖A期。鏡下觀察可見，研究區(qū)龍?zhí)督M儲層的壓實作用為中等—強烈，顆粒緊密堆積，是導致研究區(qū)砂巖原生孔隙喪失以及儲層孔隙度、滲透率降低的的主要因素之一。在早期成巖階段發(fā)生的機械壓實作用下，研究區(qū)儲層中的巖石顆粒間多為線接觸和凹凸接觸，偶爾出現(xiàn)縫合接觸。云母碎片在壓實作用下發(fā)生明顯的塑性變形，質(zhì)軟的泥巖巖屑在壓實作用下被擠入孔隙中形成假雜基，從而阻塞孔隙空間，導致原生粒間孔大量喪失，滲透率急劇降低。1 500～1 800 m埋深區(qū)間，孔滲值與埋深的相關(guān)性較差，說明壓實作用對儲層物性的影響很小;1 800～2 000 m埋深區(qū)間，孔滲條件較好，說明溶蝕作用造成的次生孔隙多于壓實作用喪失的原生孔隙，溶蝕作用對物性的影響強于壓實作用;2 200～2 600 m埋深區(qū)間，孔滲值明顯降低，說明壓實作用對物性的影響較為強烈(圖2)。

圖2 龍?zhí)督M的孔隙度和滲透率隨埋深變化Fig.2 Variations of porosity and permeability with the burial depth for the Longtan Formation

3.2.2 膠結(jié)作用對儲層物性的影響 (1)碳酸鹽膠結(jié)作用。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物主要為亮晶或泥晶方解石，膠結(jié)方式包括基底式和孔隙式，自形—半自形。含少量鐵方解石膠結(jié)物，形成相對較晚，主要為孔隙式膠結(jié)，呈不規(guī)則晶粒狀充填粒間。由于區(qū)內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)物在顆粒接觸部位不甚發(fā)育，表明該膠結(jié)物主要形成于壓實作用后期，在溶蝕作用中不僅未對儲集層性能的改善發(fā)揮作用，甚至起到了堵塞孔隙的負作用(圖3a)。

(2)硅質(zhì)膠結(jié)作用。主要表現(xiàn)為石英的次生加大，出現(xiàn)在中成巖晚期至晚成巖早期。由于受其他類型膠結(jié)物分布狀態(tài)的影響，石英次生加大邊很不規(guī)則，加大邊厚0.02～0.08 mm，常以很薄的黏土膜與碎屑石英分開且不連續(xù)。相對碳酸鹽的膠結(jié)作用而言，研究區(qū)的硅質(zhì)膠結(jié)作用對儲集性能的影響較弱，但部分發(fā)育較好的石英次生加大邊在某種程度上會充填孔隙并堵塞喉道，從而降低了儲層的孔、滲性能(圖3b)。

圖3 龍?zhí)督M儲層碎屑巖的鏡下膠結(jié)作用Fig.3 Cementation of clastic rocks under microscopes in the Longtan Formation

(3)自生黏土礦物膠結(jié)作用。國內(nèi)外研究表明，黏土礦物與次生孔隙的形成密不可分，都是大氣水或壓實地層水與巖石顆?；蚧|(zhì)長期化學反應的結(jié)果(Surdam et al，1989)。在沉積、成巖條件大致相同的情況下，黏土礦物含量越高，砂巖的孔隙度和滲透率就越低，儲集性能就越差(劉林玉等，1998;漆濱汶等，2007;張妮等，2011)。研究區(qū)儲層的自生黏土礦物成分主要是以蜂窩狀集合體充填粒間的伊－蒙混層(I/S混層比多為15% ～20%)(圖4a)，其次是分布在顆粒間隙和顆粒表面并呈顆粒包膜式產(chǎn)出的伊利石(圖4b)和呈散點式孔隙充填粒間的高嶺石(圖4c)。

圖4 龍?zhí)督M儲層砂巖孔隙內(nèi)的掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of sandstone porosity in the Longtan Formation

3.2.3 溶蝕作用對儲層物性的影響 黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的溶蝕作用形成了各種類型的次生孔隙，成為研究區(qū)儲層中主要的孔隙類型，極大地改善了儲層的物性，說明研究區(qū)儲層中流體的總體活動較強。據(jù)光學顯微鏡及掃描電鏡觀察，溶蝕作用對研究區(qū)儲層改善最明顯的階段集中在早成巖B期，這主要是由于早成巖B期為有機質(zhì)成熟期，在有機質(zhì)成熟過程中會排出大量的有機酸和無機酸(游國慶等，2006)。隨著埋藏深度的增加，有機質(zhì)熱脫羧作用和其他過程使成巖孔隙水變?yōu)樗嵝?，產(chǎn)生了大規(guī)模的地質(zhì)流體作用。在酸性環(huán)境下，長石、巖屑和碳酸鹽容易發(fā)生溶蝕，普遍的骨架顆粒和填隙物的溶蝕形成了占主導地位的次生孔隙(張金亮等，2003)。

研究區(qū)顆粒的溶蝕作用包括2類：(1)石英、長石、巖屑等顆粒邊緣遭受溶蝕或直接溶蝕成溶蝕粒內(nèi)孔(圖5a);(2)長石及巖屑等顆粒先為碳酸鹽礦物交代，碳酸鹽礦物再被溶蝕形成溶蝕粒內(nèi)孔及溶蝕粒間孔(圖5b)。研究區(qū)儲層的孔隙類型以溶蝕粒間孔為主，少量粒內(nèi)溶孔及原生粒間孔，其中溶蝕粒間孔形態(tài)不規(guī)則，邊緣多呈溶蝕港灣狀，孔隙邊緣見明顯的溶蝕現(xiàn)象。

3.2.4 交代作用對儲層物性的影響 研究區(qū)儲層的交代作用主要有碳酸鹽交代石英和巖屑、長石以及長石顆粒的黏土化等。黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層中交代作用普遍不顯著，且主要表現(xiàn)為方解石交代石英顆粒，其中溪2井的交代作用相對較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為長石、云母的黏土化或碳酸鹽對石英、長石顆粒的交代，說明溪2井中流體的總體活動相對較強?？傮w而言，交代作用對研究區(qū)儲層物性的影響較小。

綜上所述，研究區(qū)龍?zhí)督M儲層的壓實作用和膠結(jié)作用使儲層原生孔隙迅速減少、滲透率降低、儲集物性變差;而溶解作用則是導致次生孔隙發(fā)育及改善砂巖儲集性能的主要因素;交代作用主要為碳酸鹽膠結(jié)物交代石英、長石及巖屑顆粒等，對研究區(qū)儲層物性的影響較小。由于壓實作用和膠結(jié)作用共存并相互制約，早期形成的賦存于粒間的膠結(jié)物可阻礙壓實作用的進程，而在壓實期后形成的賦存于粒間的膠結(jié)物對壓實作用幾乎不產(chǎn)生影響。研究區(qū)砂巖中的膠結(jié)物大部分充填粒間，說明膠結(jié)作用形成于機械壓實之后或后期。

4 成巖演化模式

4.1 成巖階段劃分

圖5 龍?zhí)督M儲層碎屑巖的鏡下溶蝕作用Fig.5 Dissolution under microscope of reservoir clastic rocks in the Longtan Formation

研究區(qū)龍?zhí)督M儲層砂巖中碳酸鹽以泥晶方解石和亮晶方解石為主;石英一部分呈次生加大膠結(jié)，其中有的石英顆粒邊緣呈Ⅲ級次生加大，另一部分呈自形晶體充填孔隙;自生黏土礦物以伊利石－蒙脫石混層和伊利石為主，其次為高嶺石，少量綠泥石，綠泥石主要為孔隙充填，幾乎未見蒙脫石，反映了中成巖中晚期特征。砂巖所涉及的溶蝕成分主要為長石、巖屑和石英顆粒及雜基，溶蝕的順序表現(xiàn)為長石和巖屑的早期溶蝕，石英的后期溶蝕，該現(xiàn)象說明了早期的酸性水介質(zhì)向后期的堿性水介質(zhì)轉(zhuǎn)變的特征。且石英的溶蝕與后期的方解石和菱鐵礦膠結(jié)作用共同反映了中成巖作用階段的中、晚期特征。碎屑顆粒之間以線接觸－凹凸接觸為主，點接觸少見;以上顆粒接觸關(guān)系表現(xiàn)為成巖中期的致密壓實特征。因此，該區(qū)龍?zhí)督M儲集層主要處于中成巖B期階段，這一時期儲集層非常容易形成較發(fā)育的溶蝕型次生孔隙。

4.2 成巖演化模式

根據(jù)下?lián)P子黃橋地區(qū)溪1井埋藏史顯示，二疊紀以來，黃橋地區(qū)發(fā)育3次顯著的沉降－抬升剝蝕演化過程，即三疊紀末的沉降剝蝕史、侏羅紀—白堊紀的沉降剝蝕史和古近紀的沉降剝蝕史。古近紀的剝蝕量可能對油氣儲層的形成有重要影響，而前2次的剝蝕量影響相對較小(郭念法，1996;李建青等，2013)。黃橋地區(qū)構(gòu)造演化史和埋藏史的研究表明，龍?zhí)督M儲層主要受漸進埋藏作用的影響，該成巖體系表現(xiàn)為儲層隨上覆沉積物的不斷沉積，埋深持續(xù)增大，地溫逐漸升高。

黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層沉積后到侏羅紀早期經(jīng)歷了同生成巖和早成巖階段A期，以機械壓實、鐵鎂物質(zhì)水解、顆粒包膜和泥晶方解石的膠結(jié)作用為主，原生孔隙已大量消失。隨后龍?zhí)督M儲層繼續(xù)埋藏，進入早成巖階段B期，主要成巖事件包括石英次生加大、早期亮晶方解石及伊利石－蒙脫石混層黏土礦物的形成等。機械壓實作用較早成巖階段A期要弱，原生粒間孔含量繼續(xù)減小，到早成巖階段末期達到最小。侏羅紀中期—白堊紀末期，龍?zhí)督M儲層進入中成巖階段A期，此時烴源巖開始生烴，排出大量有機酸，造成長石等鋁硅酸巖和早期碳酸鹽膠結(jié)物顯著溶蝕，形成大量溶蝕孔隙，同時因鋁硅酸鹽的溶蝕造成高嶺石、自生石英雛晶和石英次生加大邊的形成。古近紀早期進入中成巖階段B期，達到最大埋深，此時砂巖中石英次生加大作用即將結(jié)束，石英和長石具有加大邊，多呈鑲嵌狀，高嶺石明顯減少或缺失(圖6)。因此，黃橋地區(qū)龍?zhí)督M儲層的中成巖階段A期是油氣注入階段，結(jié)合成巖作用特征，該成巖期晚期即白堊紀晚期的油氣注入達到頂峰，也是該區(qū)油氣藏形成的最佳時期。這一觀點與前人通過流體包裹體研究該區(qū)成藏期次的結(jié)果一致(李建青等，2013)。

5 結(jié)論

(1)黃橋地區(qū)龍?zhí)督M碎屑巖的礦物粒度、分選性和磨圓度等因素對儲層物性的影響以負面為主，直接導致了研究區(qū)儲層的低孔滲值。

(2)在成巖過程中，壓實作用和膠結(jié)作用使研究區(qū)龍?zhí)督M的儲集物性變差，膠結(jié)作用主要形成于機械壓實作用之后或后期;溶解作用是導致該區(qū)次生孔隙發(fā)育及改善砂巖儲集性能的主要因素;交代作用對研究區(qū)儲層物性的影響較小。

圖6 龍?zhí)督M儲層成巖演化和孔隙演化模式圖Fig.6 Model showing reservoir diagenetic evolution and pore evolution of the Longtan Formation

(3)研究區(qū)龍?zhí)督M儲層主要處于中成巖B期階段，這一時期儲集層非常容易形成較發(fā)育的溶蝕型次生孔隙。

(4)結(jié)合成巖作用特征和研究區(qū)成巖演化模式，該區(qū)龍?zhí)督M的成巖過程中，中成巖階段A期晚期(白堊紀晚期)是該區(qū)油氣藏形成的最佳時期。

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