劉春燕

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實驗室，北京 100083)

致密碎屑巖儲層“甜點”形成及保持機理
——以鄂爾多斯盆地西南部鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組長8油層組為例

劉春燕

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實驗室，北京 100083)

中西部盆地碎屑巖普遍致密化、儲層“甜點”預(yù)測難度大是制約油氣發(fā)現(xiàn)的重要因素。為探索儲層致密化及“甜點”形成和保持機理，通過巖心觀察、鑄體、熒光、包裹體、陰極發(fā)光等薄片鑒定、粒度分析、壓汞和覆壓孔滲測試、掃描電鏡和能譜分析等沉積、巖石和地球化學(xué)綜合研究，根據(jù)成因類型，將鄂爾多斯盆地西南部鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組長8油層組“甜點”劃分為原生型、次生型兩大類，認為早期綠泥石膜的發(fā)育適度抑制了后期的成巖改造，是原生型“甜點”得以形成、保持的重要因素。對于次生型“甜點”，各類溶蝕孔和微裂縫為其主要孔隙空間，可進一步劃分為溶蝕型“甜點”和裂縫型“甜點”，并證實了各類溶蝕、破裂等建設(shè)性成巖作用是形成次生型“甜點”的關(guān)鍵因素。研究認為，早期油氣充注可有效地抑制后期膠結(jié)作用的發(fā)生，多期次的成巖交替過程使“甜點”形成-保持(或失效)?？v向上，單砂體的去致密化作用始自原生孔隙保存相對較好的高滲層或裂縫與溶蝕作用較強的疊合部位，并逐漸向外推進。平面上，砂體的去致密化有著類似的特點，順沿砂體，儲層“甜點”呈現(xiàn)“竹節(jié)狀”分布的特點。

“甜點”發(fā)育模型；成巖作用；碎屑巖；致密儲層；延長組；鄂爾多斯盆地

伴隨世界油氣需求的持續(xù)增長與常規(guī)油氣產(chǎn)量的不斷下降，具有較大資源潛力的非常規(guī)油氣逐漸成為新的勘探領(lǐng)域，其中，致密碎屑巖已位居前列，新一輪資源評價表明，中國中西部四大盆地致密碎屑巖油氣資源量是碎屑巖總資源量的45.3%，在國家油氣資源戰(zhàn)略構(gòu)成中占據(jù)重要地位，盡管如此，中國致密碎屑巖的勘探開發(fā)和相關(guān)研究仍處于探索階段，總體勘探程度與地質(zhì)認識程度較低，特別是儲層“甜點”的形成和保持機理方面仍存在許多未解之謎。

針對鄂爾多斯盆地西南部鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組8段致密碎屑巖儲層，本次研究選取典型鉆井資料和巖心樣品，對致密碎屑巖儲層“甜點”的形成和保持機理開展了深入研究，以期推動致密碎屑巖地質(zhì)理論的新認識和油氣勘探的新發(fā)現(xiàn)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個多旋回克拉通盆地，上三疊統(tǒng)延長組是在盆地持續(xù)沉降過程中形成的一套河流-湖泊相陸源碎屑巖沉積體系[1]。延長組從下至上劃分出10個油層組，各油層組之間為連續(xù)沉積。其中，長10(長10油層組)至長7沉積期為湖盆形成、擴張時期，長7沉積期為湖盆發(fā)育的全盛時期，長6至長1沉積期為湖盆穩(wěn)定和逐漸萎縮時期，在縱向上構(gòu)成一個完整的沉積旋回[2]。

圖1 鄂爾多斯盆地西南部延長組長8油層組沉積微相及砂體分布Fig.1 Sedimentary microfacies and the sandbody distribution of the Chang 8 oil layer of Yanchang Formation,southwest Ordos Basin

長8沉積時期，在盆地西南部的鎮(zhèn)原—慶陽一帶形成了大型辮狀河三角洲沉積體系，鎮(zhèn)涇地區(qū)主體上位于三角洲前緣沉積亞相帶(圖1)，其內(nèi)分流河道較發(fā)育，此外，還發(fā)育有分流間灣、河口壩和遠砂壩等沉積微相。

2 樣品及測試分析條件

顯微觀測是確定巖石和礦物成因的重要手段，能全面了解成巖序列、孔隙結(jié)構(gòu)及其演變特征。本次研究重點選取鎮(zhèn)涇地區(qū)23口鉆井、長8儲層162個樣品進行了鑄體、熒光、陰極發(fā)光、包裹體等薄片的鑒定和分析，并對其中28個典型樣品進行了掃描電鏡、覆壓孔滲和壓汞等測試。

樣品的各類薄片鑒定、X-衍射和掃描電鏡分析在中國石化石油勘探開發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲層實驗室完成，鑒定分析的儀器型號分別為德國ZEISS(蔡司)產(chǎn)Axio Imager.M 1 m全自動透射偏光、熒光顯微鏡及其配套軟件和SmartSEM V05.03掃描電鏡。

3 改善致密化因素分析

在中西部碎屑巖漫長的演化歷史中，主要經(jīng)歷了壓實、壓溶作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、破裂作用及油氣充注等各類成巖改造。通過鑄體、陰極發(fā)光、熒光和包裹體等薄片的顯微觀察，認為促使長8儲層物性改善的主要因素為溶蝕作用和破裂作用，此外，綠泥石膜、伊利石和高嶺石等粘土類礦物的析出以及油氣充注等在一定程度上可抑制儲層致密化的進程[3]。

3.1 改善致密化因素

3.1.1 溶蝕作用

在長8砂巖中普遍發(fā)育溶蝕作用，常表現(xiàn)為骨架顆粒的溶蝕，包括長石、巖屑及部分早期形成的方解石溶蝕。其中，長石的溶蝕最為明顯，主要沿顆粒邊緣和解理溶蝕[4]，溶蝕初期呈鐘乳狀順著解理面發(fā)育(圖2a)，溶蝕后期在部分層段長石變成蜂窩狀，甚至形成鑄?？?。巖屑的溶蝕則主要為巖屑中的易溶礦物遭受選擇性溶蝕形成粒內(nèi)溶孔[5]。而成巖早期形成的方解石顆粒由于后期地層水性質(zhì)的變化大多被溶蝕，從而提高了儲層的孔隙度和滲透率[6]。統(tǒng)計表明，溶蝕作用對長8儲層的增孔率約為0.5%～3%，在抵御致密化的過程中對儲層物性的改善起到了積極的作用。

3.1.2 破裂作用

破裂作用是改善儲層致密化的主要因素之一。通常表現(xiàn)為剛性顆粒受壓破裂形成扭性及部分張性裂縫。裂縫的發(fā)育對儲、滲性能的改善，特別是烴類的運移有著不可忽視的作用[7]。

伴隨著構(gòu)造運動的幕次活動，鄂南長8經(jīng)歷了多期次的破裂作用，較早期裂縫中常充填瀝青質(zhì)，而主成藏期之前形成的微裂縫大都得到了較好的保存和適當(dāng)?shù)娜芪g擴大，因此，這類裂縫既可作為油氣運移通道也可成為儲集空間(圖2b)。晚期的裂縫可能存在兩種狀況，一種是作為油氣逸散的通道，另一種是被晚期的硅質(zhì)、鈣質(zhì)流體充填，形成方解石脈和石英脈[8]。因此，早-中期微裂縫的發(fā)育對改善儲層致密化起到了十分重要的作用。

統(tǒng)計顯示，早期微裂縫的發(fā)育在改善儲層滲透性的同時對儲層的裂縫增孔約為0.5%～2.5%，中期的裂縫增孔約為1.5%～3.5%。破裂作用對改善儲層致密化的最大貢獻在于以幾何倍數(shù)提高了儲層滲透率[9]，增加了產(chǎn)能。

3.2 抑制致密化因素

抑制儲層致密化的成巖作用主要是油氣充注和部分粘土礦物的析出(常見早期綠泥石、高嶺石和伊利石等)。

3.2.1 油氣充注

儲層成巖作用在油氣充注后能被終止或適度抑

制[10]，這一結(jié)論已得到普遍認可，但兩者的臨界點如何界定、油氣充注后都有哪些因素會影響到儲層的致密化等需要深入探討。

研究發(fā)現(xiàn)，早期油氣充注所經(jīng)過的通道可能成為后期油氣充注的優(yōu)勢通道和儲集空間[11]。早期重質(zhì)油通常充填孔隙和裂縫，后期輕質(zhì)油呈藍白色充填在剩余孔和縫之中(圖2c)。由于初始生儲條件配置較好，該區(qū)域的致密化成巖作用與多期次的油氣充注相互交替，加之，后期構(gòu)造運動所產(chǎn)生的微裂縫及有機酸造成的各種溶蝕作用對儲層物性的改善，導(dǎo)致儲層在反復(fù)致密—改善—致密等不斷調(diào)整的過程中增強了其非均質(zhì)性。統(tǒng)計顯示，主成藏期的油氣充注可導(dǎo)致長8儲層約25%～35%的孔隙得以保持(即晚期成巖作用明顯得到抑制)，在整個成巖過程中所占比例約為5%～8%，對儲層致密化的抑制作用非常明顯，在含油飽和度較高的部位，甚至能完全終止晚期成巖作用[12]。

3.2.2 綠泥石膠結(jié)

長8儲層中綠泥石含量為1.58%～2.69%，是主要的自生粘土礦物之一，常以粘土包膜或孔隙襯里的方式產(chǎn)出。在早成巖A期，部分碎屑顆粒表面生長的綠泥石薄膜(圖2d)，可以增強巖石的抗壓實能力，并抑制自生石英在碎屑顆粒上的成核數(shù)量[13]，對原生孔隙的保存具有積極的作用。同時，可以避免部分長石溶蝕后誘發(fā)的次生溶蝕孔隙的垮塌，對儲層孔隙保護的間接、直接貢獻度約為3%～4%。隨著成巖環(huán)境的變化，泥巖不斷脫水釋放出的鐵、鎂離子進入流體內(nèi)，二期花瓣狀綠泥石就會析出，并占據(jù)孔隙喉道，導(dǎo)致喉道變細，造成滲透率的降低，因此，二期綠泥石對儲層物性的影響總體是負面的。

圖2 鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組長8油層組儲層主要成巖作用微觀特征Fig.2 Pore micrograph showing diagenetic features in Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Zhenjing areaa.長石溶蝕現(xiàn)象,HHa井,埋深2 134.20 m；b.構(gòu)造微裂縫,HHb井,埋深2 154.49 m；c.孔隙內(nèi)充填的輕質(zhì)油呈藍白色熒光, HHc井,埋深2 252.20 m；d.顆粒表面生長的綠泥石膜,HHd井,埋深2 183.60 m,

3.2.3 高嶺石

高嶺石總量約1.26%～3.94%，主要以粒間或粒內(nèi)孔充填物的形式產(chǎn)出。由于長石溶蝕作用的非均質(zhì)性和流體流動強度的差異，導(dǎo)致本區(qū)高嶺石的分布也具有很強的非均質(zhì)性，研究表明，長石溶蝕所導(dǎo)致的高嶺石析出對儲層的增孔率為0.5%～2%。

3.2.4 伊利石

伊利石含量約占1.1%～2.6%，主要是以伊/蒙混層礦物產(chǎn)于被溶解的長石等鋁硅酸鹽碎屑顆粒內(nèi)部，所構(gòu)成的儲集空間以晶間束縛孔隙為主，孔隙小，連通性差，使得儲層滲透性變差[14]。

4 儲層孔隙演化特征

4.1 溶蝕作用對儲層孔隙的影響

在整體趨于致密化的背景下，溶蝕作用能夠使儲層物性在后期得到明顯改善，前提條件是儲集巖中富含易溶組分，有一定數(shù)量的原生孔隙得以保存，并且有微裂縫做通道[15]。長8儲層中長石的含量較高，進入早成巖階段即有一部分溶蝕，常見的溶蝕產(chǎn)物有高嶺石、濁沸石等，而濁沸石作為過渡性礦物，后期幾乎大都轉(zhuǎn)變?yōu)殁c長石，整個過程中有大量孔隙空間的騰出，局部儲層孔隙度可達13.42%，孔喉半徑為28.35 μm，對儲層物性的改善具有積極的作用[16]，成為儲層 “甜點”發(fā)育的必要條件。因此，隨著溶蝕作用的增強，儲層物性逐漸變好，當(dāng)次生溶蝕孔隙比例大幅增加時，儲集巖的致密化改善效果最佳。

4.2 破裂作用對儲層孔隙的影響

破裂作用對儲層滲透率的改善較為明顯。巖心觀察和顯微鏡下分析認為，本區(qū)長8發(fā)育4～5期的破裂作用，由此派生的各種微裂縫表現(xiàn)為早期的裂縫或者被硅質(zhì)、鈣質(zhì)所充填，或者被低成熟度的油或瀝青所充填，對儲集巖的物性沒有造成實質(zhì)性的影響。但隨著壓實作用的持續(xù)和膠結(jié)作用的蔓延，微裂縫的發(fā)育對儲層物性的改善效果逐漸突顯出來，輕度改善表現(xiàn)為脆性較大碎屑顆粒的破裂，可適度增加粒內(nèi)孔的數(shù)量和比例[17]，中度改善可以在巖心中見到厚層砂體中的破裂縫和微觀照片中的碎屑顆粒連續(xù)破碎，在增加儲層孔隙度的同時，明顯地提高了滲透率。當(dāng)巖心中存在過油面時，所在儲層孔隙度、滲透率通?？蛇_15%和10.20×10-3μm2以上，因此，在微裂縫發(fā)育的部位，儲層物性得以明顯改善。

5 儲層“甜點”形成與保持機理

5.1 “甜點”主要類型及形成機制

根據(jù)長8儲層“甜點”主要孔隙類型，將其劃分為：原生型和次生型，其中，次生型又可進一步劃分為溶蝕型、裂縫型。

5.1.1 原生型“甜點”

即以原生孔隙為主的儲層，其巖石類型以石英含量相對偏多的巖屑長石砂巖為主。在成巖演化過程中，孔隙被一部分成巖礦物所充填，導(dǎo)致其體積縮小、連通性變差[18]，成為殘余原生粒間孔(圖3a)，這類孔隙保存較多的部位，通常是油氣存儲的首選。

圖3 鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組長8油層組儲層主要孔隙微觀特征Fig.3 Pore micrograph in Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Zhenjing areaa.殘余原生粒間孔,HHe井,埋深2 260.79 m；b.特大溶蝕粒間孔,HHf井,埋深2 264.14 m

5.1.2 次生型“甜點”

以次生孔隙為主，原生孔隙為輔的儲層，巖石類型以長石含量相對較多的巖屑長石砂巖、長石砂巖為主。次生型“甜點”又可劃分為溶蝕型和裂縫型。

在溶蝕型“甜點”中主要發(fā)育粒間、粒內(nèi)和晶間等3種溶蝕孔隙類型：①粒間溶孔一般是在原生孔隙基礎(chǔ)上沿顆粒邊緣或填隙物溶蝕擴大而成[19]，溶解組分主要為長石、方解石和巖屑等，孔徑大小和分布不均勻，一般在0.01～0.5 mm，最大孔徑可達3 mm(圖3b)；②粒內(nèi)溶孔多沿著礦物解理縫、雙晶縫、巖屑斑晶與基質(zhì)的接觸面發(fā)育，隨著溶蝕作用的加強，顆粒全部或幾乎全部被溶解而保留其原晶體假像時，則成為鑄膜孔；③晶間溶孔是在粒間高嶺石粘土晶間孔的基礎(chǔ)上再溶解所形成的孔隙。

裂縫型“甜點”的發(fā)育主要與微裂縫關(guān)系密切。微裂縫包括由于壓實、收縮及構(gòu)造應(yīng)力作用所造成的各種細小裂隙，其中，構(gòu)造縫占微裂縫總數(shù)的98%，?？汕写r石碎屑顆粒，縫內(nèi)較為潔凈，或充填少量泥質(zhì)、硅質(zhì)和方解石等物。巖心觀察和測井顯示，本區(qū)斷裂帶附近的儲層中裂縫比較發(fā)育。微裂縫主要起到孔隙之間的連通、溶蝕擴大和油氣的運移等作用。

5.2 “甜點”保持機理及發(fā)育模式

油氣充注具有多期性和繼承性。微觀薄片分析認為，早期高孔充注的石油易附著在顆粒表面，改變儲層的親和性，減少油氣充注的阻力，成為后期低孔充注的優(yōu)勢通道。后期石油沿著優(yōu)勢通道浸染式擴展并替代早期充注，同時，早期油氣充注可有效地抑制后期成巖作用的發(fā)生，降低了孔隙在后期成巖演化過程中的損失率，從而，保護了“甜點”。因此，油氣充注的時間和規(guī)模成為“甜點”形成和保持的關(guān)鍵，多期次的成巖交替過程使“甜點”形成-保持(或失效)，大規(guī)模的油氣充注對孔隙的保持效果顯著。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)50%～60%的孔隙體積被油氣占據(jù)或形成綠泥石環(huán)孔套膜時，膠結(jié)作用趨于停滯。而低飽和度的油氣充注，儲層中成巖作用持續(xù)、緩慢進行，最終導(dǎo)致儲層滲透性能和油氣產(chǎn)出性能下降。

對A井長8油層組1 998.03～2 016.17 m分流河道砂體系統(tǒng)采集18個巖心樣品，開展儲層覆壓孔隙度、滲透率、壓汞及各類微觀分析。圖4中的11號樣品現(xiàn)今孔隙度平均值為10.61%，顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)長石、巖屑溶蝕普遍，粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及微裂縫均較發(fā)育，因此，可以斷定溶蝕作用起源于原生孔隙保存較好的砂體中部，微裂縫的發(fā)育增強了流體的流動性，導(dǎo)致儲層中不穩(wěn)定組分的溶蝕，產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的溶蝕孔隙，明顯地改善了儲層物性，加之，主成藏期有效的油氣充注，使“甜點”得以保持。而14號樣品現(xiàn)今孔隙度平均值為5.20%，喉道平均值8.52 μm，平均孔喉比3.02，包裹體測試結(jié)果反映，該段儲層在主成藏期未得到有效的油氣充注，后期成巖作用持續(xù)、緩慢進行，晚期碳酸鹽膠結(jié)物占據(jù)了砂體邊部相當(dāng)一部分剩余孔隙，導(dǎo)致其嚴重致密化[20]。

圖4 鎮(zhèn)涇地區(qū)A井長8油層組儲層成巖綜合表征Fig.4 Diagenetic evolution of Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Well A in Zhenjing area

從單井物性、含油性、孔隙結(jié)構(gòu)和成巖參數(shù)等分析結(jié)果看出，縱向上，厚層砂體中部，原生孔隙保存多、次生孔隙較發(fā)育，儲層物性相對較好，而砂體頂、底部隨著泥質(zhì)含量的增多、碳酸鹽膠結(jié)增強，儲層物性逐漸變差。平面上，在A井區(qū)所在砂體中部，碳酸鹽膠結(jié)物含量較低，平均為4%～10%，隨砂體邊界的鄰近，膠結(jié)物含量逐漸增多，平均為15%～30%，由此構(gòu)成了碳酸鹽成巖圈閉。

綜合研究表明，單砂體中的改善致密化成巖作用始自原生孔隙保存相對較好、次生孔隙相對較發(fā)育的高滲層，并逐漸向外推移。平面上，砂體中改善致密化過程有著類似的特點，即在建設(shè)性成巖作用與砂體推進方向的原始沉積格局控制下，順沿砂體，“甜點”呈現(xiàn)“竹節(jié)狀”分布的特點(圖5)。

對鎮(zhèn)涇地區(qū)106口鉆井中長8儲層物性統(tǒng)計結(jié)果表明，致密碎屑巖儲層“甜點”中次生溶蝕型“甜點”所占比例較高，其對應(yīng)的關(guān)鍵地質(zhì)-測井參數(shù)下限值，即儲層“甜點”目前的工業(yè)邊界值分別為：單層砂體厚度大于3 m，孔隙度大于8%，滲透率大于0.1×10-3μm2，中值半徑大于0.1 μm，聲波時差大于220 μs/m，泥質(zhì)含量(測井)小于22.5%等。

6 結(jié)論

1) 致密碎屑巖儲層改善致密化的主要因素為溶蝕作用和破裂作用，此外，油氣充注及綠泥石膜、伊利石和高嶺石等粘土礦物的析出在一定程度上可適當(dāng)抑制儲層的致密化進程。

2) 根據(jù)致密碎屑巖儲層“甜點”成因機制，存在原生型和次生型兩大類，其中，次生型“甜點”可進一步劃分為溶蝕型和裂縫型。早期綠泥石膜的發(fā)育適度抑制了后期的成巖改造，是原生型“甜點”得以保持的重要因素之一；各類溶蝕、破裂等建設(shè)性成巖作用是形成次生型“甜點”的關(guān)鍵因素。

3) 油氣充注具有多期性和繼承性。早期高孔充注的石油改變了儲層的親和性，成為后期低孔充注的優(yōu)勢通道。同時，早期油氣的有效充注可在一定程度上抑制后期成巖作用的發(fā)生，多期次的成巖交替過程使“甜點”形成-保持。

圖5 鎮(zhèn)涇地區(qū)長8油層組沉積-成巖相及“甜點”平面分布Fig.5 Distribution of the sedimentary-diagenetic facies and sweet spots of the Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Zhenjing area

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(編輯 張亞雄)

Formation and preservation mechanism of sweet spot in tight clastic reservoirs—A case study of Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Zhenjing area, southwest Ordos Basin

Liu Chunyan

(LaboratoryofStructure&SedimentaryReservoir,PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China)

Densification of clastic reservoirs and difficulties in predicting their sweet spots constrain petroleum discovery in basins in central and western China.In order to investigate the mechanisms of reservoir densification and formation and preservation of sweet spots,a comprehensive study of sedimentology,petrology,and geochemstry were performed by using various methods,including core observation,microscopic observation of casting thin section and under fluorescence and cathode luminescence,fluid inclusion analysis,particle size analysis,mercury injection and permeability tests under overburden pressure,scanning electron microscopic analysis and so on.According to the generic types,sweet spots of the Chang 8 oil layer of Yanchang Formation in Zhenjing area, southwest Ordos Basin,are divided into a primary type and a secondary type.Early developments of chlorite films moderately inhibited later diagenesis processes,which is the main factor contributing to the formation and preservation of the primary sweet spot.The secondary type can be subdivided into a dissolution-type and a fracture-type according to their major pore space being dissolution pores or microfractures.The key factor determining the formation of the secondary sweet spot is constructive diagenesis.It can be concluded that the early charging of hydrocarbons effectively inhibited later cementation,and the multiphase diagenesis resulted the formation and preservation(or lost)of sweet spots.In vertical sections,individual sand body de-densification started from layers of relative high permeability,or areas of fracture and dissolution superimposing,and propagated outwards progressively.In planar view,sand body de-densification shows similar features,the sweet spots distribute in “bamboo-like” shape along the sand body.

sweet spot development model,diagenesis,clastic rock,tight reservoin,Yanchang Formation,Ordos Basin

2015-01-29;

2015-10-16。

劉春燕(1965—)，女，高級工程師，沉積儲層與成巖作用。E-mail:liuchunyan.syky@sinopec.com。

國家科技重大專項(2016ZX05002-006,2016ZX05002-006-003)。

0253-9985(2015)06-0873-07

10.11743/ogg20150601

TE122.2

A