周家全，張立強，王香增，賀永紅，張立寬，雷裕鴻

（1.中國石油大學(xué)（華東）深層油氣重點實驗室，山東青島266580；2.陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司，陜西西安710075；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029）

隨著油氣勘探的不斷深入，致密砂巖油氣在中國油氣勘探開發(fā)中的重要性日益凸顯［1］。與常規(guī)儲層相比，致密砂巖儲層具有物性差、成巖作用強、非均質(zhì)性強和油-水分布復(fù)雜等特殊性，如何識別致密砂巖儲層內(nèi)物性相對較好的“甜點”是決定致密砂巖油氣勘探成功的關(guān)鍵［1-9］。大量的研究表明，砂巖原始沉積組構(gòu)和后期埋藏成巖作用的差異性是導(dǎo)致現(xiàn)今儲層非均質(zhì)的主要原因［10-11］，因此，研究致密砂巖的成巖非均質(zhì)性及對儲層物性的影響，認(rèn)識相對優(yōu)質(zhì)儲層的形成原因，有助于更好地評價致密砂巖儲層質(zhì)量，降低致密砂巖油氣勘探開發(fā)的風(fēng)險［1，12］。

鄂爾多斯盆地南部富縣地區(qū)三疊系延長組長8儲層是典型的致密砂巖儲層，儲層總體成巖程度高、孔喉細小，物性及含油非均質(zhì)性強，油氣主要富集于物性相對較好的砂巖中［13-17］。近年來，盡管一些學(xué)者對富縣地區(qū)長8致密砂巖儲層質(zhì)量進行研究，并在成巖作用類型、成巖演化及孔隙成因等方面取得了一定進展［18-23］，然而，由于這些研究工作忽視了強非均質(zhì)儲層內(nèi)不同類型砂巖的成巖差異性，泛泛地討論儲層總體成巖作用及對物性的影響，不足以獲得關(guān)于相對優(yōu)質(zhì)儲層成因和主控因素的確切認(rèn)識。為此，選擇代表性的巖心樣品，通過系統(tǒng)開展巖石薄片、掃描電鏡和X射線衍射等分析測試，在研究儲層巖石學(xué)特征和成巖作用類型的基礎(chǔ)上，劃分儲層成巖相，并探討成巖差異性對儲層物性的影響，以期為富縣地區(qū)致密砂巖儲層“甜點”預(yù)測提供新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

富縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，面積約為4 000 km2。構(gòu)造上隸屬鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶東南部，總體為一個近西傾的平緩單斜（傾角不足1°），構(gòu)造活動弱，僅在局部發(fā)育小型鼻狀隆起［24］。

鉆井揭示，研究區(qū)中生界自下而上發(fā)育上三疊統(tǒng)（延長組）、中-下侏羅統(tǒng)（富縣組、延安組、直羅組、安定組）和下白堊統(tǒng)（洛河組）。其中，延長組是鄂爾多斯盆地中生界主力產(chǎn)油層位之一，自下而上可分為長10—長1共10個油層組，長8儲層為主要產(chǎn)油層位之一，埋深為600～1 900 m。

長8儲層沉積時期湖盆整體處于緩慢沉降期［25］，主要發(fā)育受控于東北物源［25-26］的三角洲前緣亞相［27-28］。長8儲層上部長81砂層組以分流間灣沉積為主，泥巖相對發(fā)育，厚度為40～50 m，局部砂體含油；下部長82砂層組主要為水下分流河道沉積，砂體比較發(fā)育，厚度為50～60 m，為主要含油層段。

根據(jù)研究區(qū)733個砂巖樣品的物性測試數(shù)據(jù)，長8儲層平均孔隙度為7.20%，平均滲透率為0.36 mD，屬于特低孔-超低滲透儲層（圖1a）?？紫抖群蜐B透率的變化范圍較大，其中孔隙度主要為1.5%～13.92%，最高值可達17.78%，滲透率主要為0.1～1 mD，最高值可達9.9 mD，儲層非均質(zhì)性較強。

圖1 富縣地區(qū)長8儲層物性及巖石學(xué)特征Fig.1 Reservoir physical and petrological characteristics of Chang8 Formation in Fuxian area

2 巖石學(xué)特征

巖心觀察和薄片鑒定表明，長8儲層主要為極細-細粒的長石砂巖（圖1b），成分成熟度較低，平均為0.43。以點-線接觸為主，分選較好，磨圓度為次棱-次圓狀，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

碎屑組分中石英含量為12%～41%（平均為23.75%），以單晶石英為主。長石含量為24%～68%（平均為50.37%），主要為斜長石和少量鉀長石。巖屑含量為1%～12%（平均為5.09%），巖屑成分復(fù)雜，包括噴發(fā)巖巖屑、石英巖巖屑、片巖巖屑、千枚巖巖屑、板巖巖屑、變質(zhì)砂巖巖屑、粉砂巖巖屑、白云巖和灰?guī)r巖屑，其中變質(zhì)巖巖屑占比較大（平均為3.44%）。云母含量為0～20%（平均為5.68%）。

長8儲層填隙物組分中膠結(jié)物含量為3%～42%，平均為14.28%，膠結(jié)物主要為碳酸鹽巖（平均為7.37%）、黏土礦物（平均為5.7%）和少量硅質(zhì)（平均為0.88%）。黏土礦物以綠泥石為主（占黏土礦物總量的53.7%），其次為伊/蒙混層（占黏土礦物總量的40.1%），伊利石和高嶺石含量相對較低。膠結(jié)類型為接觸式和接觸-孔隙式。雜基含量較低，平均僅為0.7%，主要為泥質(zhì)及鐵泥質(zhì)。

圖2 富縣地區(qū)長8儲層成巖作用特征Fig.2 Characteristics of diagenesis of the Chang8 Formation in Fuxian area

3 成巖作用類型

綜合分析普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡及X射線衍射等資料，認(rèn)為長8儲層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用改造，且成巖差異性強，主要成巖作用類型為壓實作用，石英、方解石和自生黏土礦物的膠結(jié)作用，溶蝕作用及少量的交代蝕變作用。

3.1 壓實作用

壓實作用在礦物組構(gòu)特征上主要表現(xiàn)為云母、片巖巖屑等塑性顆粒在應(yīng)力作用下定向排列或塑性變形（圖2a），呈假雜基狀，擠占原生孔隙，石英、長石等剛性碎屑顆粒間呈點-線接觸，或石英顆粒發(fā)生破裂，生長自生微晶石英（圖2b）。

長8儲層視壓實率為12.5%～85%（平均為63%），變化范圍較大，反映儲層的機械壓實程度存在較大的差異，既有弱壓實（無接觸或點接觸為主，圖2c）、中等壓實（線接觸為主），也有強壓實（凹凸接觸，圖2a）。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)弱壓實和中等壓實程度的砂巖通常有2類：第1類碳酸鹽膠結(jié)物較為發(fā)育，孔隙幾乎不發(fā)育；第2類砂巖粒徑相對較大，石英、長石等剛性顆粒含量較高，塑性顆粒含量較低。強壓實程度的砂巖粒徑普遍較小，多為極細砂，云母等塑性顆粒含量相對較高且變形嚴(yán)重，孔隙發(fā)育程度很低。

研究區(qū)長8儲層不發(fā)育指示化學(xué)壓實作用的石英壓溶現(xiàn)象或縫合線接觸，分析其可能原因有2個：①長8儲層均為長石砂巖，石英顆粒含量（12%～41%）低，減少了石英顆粒相互接觸的概率。②由于發(fā)生化學(xué)壓實作用的門檻溫度一般為80℃，對應(yīng)的最大埋深約為2 000 m［11］，長8儲層在其最大埋深達到2 000 m之前，地溫一般低于80℃，自生石英膠結(jié)物未大量生成。

3.2 膠結(jié)作用

長8儲層砂巖膠結(jié)作用普遍發(fā)育，視膠結(jié)率為2%～96%，平均為69%，說明儲層經(jīng)歷了中等強度的膠結(jié)作用，視膠結(jié)率變化范圍較大，儲層膠結(jié)作用差異性明顯，膠結(jié)物類型多樣，主要包括碳酸鹽、黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)物等。

3.2.1 碳酸鹽膠結(jié)作用

長8儲層碳酸鹽膠結(jié)物含量為0～35%，平均為7.37%，主要為方解石、白云石和菱鐵礦。其中，方解石膠結(jié)物主要包括泥晶方解石和亮晶方解石。

泥晶方解石在單偏光下呈黃褐色，以基底式膠結(jié)為主（圖2c）；亮晶方解石自形程度明顯高于泥晶方解石，多呈連晶式膠結(jié)粒間孔，另有少量的亮晶方解石呈斑晶狀充填于粒間孔，綠泥石包膜發(fā)育（圖2d）。白云石含量較低，常呈斑狀膠結(jié)孔隙或交代方解石膠結(jié)物（圖2e）。菱鐵礦含量較低，主要以微晶團塊集合體充填于粒間孔隙中，或在碎屑顆粒表面呈包殼狀分布，常被亮晶方解石交代（圖2f）。

碳酸鹽膠結(jié)物在長8儲層中分布極為不均一。砂巖中塑性顆粒含量較高時，碳酸鹽膠結(jié)物含量較少，多呈微晶狀充填于孔隙中，自形程度較差；當(dāng)剛性顆粒含量較高且綠泥石包膜較為發(fā)育時，砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物較少發(fā)育甚至不發(fā)育，其自形程度通常較好，多呈斑晶狀充填粒間孔（圖2d）；砂巖中剛性顆粒含量較高而綠泥石包膜較少時，碳酸鹽膠結(jié)物通常呈基底式膠結(jié)（圖2c）。結(jié)合鑄體薄片鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽膠結(jié)物含量大于15%時，砂巖中原生孔隙和次生孔隙幾乎都不發(fā)育（圖2c）。

3.2.2 黏土礦物膠結(jié)作用

掃描電鏡觀察和X射線衍射分析數(shù)據(jù)表明長8儲層中黏土礦物平均含量為20%，主要包括綠泥石（平均為10.74%）、伊利石（平均為1.25%）和伊/蒙混層（平均為8.01%），未檢測到高嶺石等其他黏土礦物（表1）。

表1 富縣地區(qū)長8儲層中黏土礦物特征參數(shù)Table1 Clay minerals component of Chang8 sandstone in Fuxian area

綠泥石是長8儲層中最主要的自生黏土礦物，占黏土礦物總量的53.7%（表1），主要以包膜的形式覆蓋在顆粒表面（圖2g，2h）；少量自形程度較高，呈玫瑰花狀充填于孔隙中。在碳酸鹽膠結(jié)物含量較高的砂巖中，綠泥石包膜發(fā)育程度通常較低；而在碳酸鹽膠結(jié)物含量較低的砂巖中，綠泥石包膜較為發(fā)育，特別是砂巖中塑性顆粒含量較低時，顆粒周邊通常發(fā)育綠泥石包膜，顆粒間以點-線接觸為主，物性較好。

伊利石多呈片狀、毛發(fā)狀或薄膜狀覆蓋在碎屑顆粒表面。伊/蒙混層多呈蜂窩狀或卷片狀充填在孔隙中（圖2i）。

3.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)作用

長8儲層硅質(zhì)膠結(jié)物分布廣泛，但含量普遍較低，僅為0～3%，平均為0.55%，主要為自生微晶石英和次生石英加大邊（圖2j），次生石英加大邊一般具有1個世代，少量具有2個世代。掃描電鏡下自生微晶石英晶形明顯好于次生石英加大邊，呈六方雙錐狀附著在綠泥石包膜上（圖2h）。

硅質(zhì)膠結(jié)物在砂巖中的分布同樣具有明顯的差異性，綠泥石包膜較為發(fā)育的砂巖中，硅質(zhì)膠結(jié)含量極低或不含，通常呈現(xiàn)為自生微晶石英的形式，而在綠泥石包膜含量較低的砂巖中，硅質(zhì)膠結(jié)通常以次生石英加大邊的形式發(fā)育在未被綠泥石薄膜包裹的石英顆粒邊緣。

3.2.4 濁沸石膠結(jié)作用

濁沸石膠結(jié)物在長8儲層中含量較低，平均僅為3.9%，主要呈嵌晶狀充填于粒間孔內(nèi)，同時可見部分濁沸石被方解石交代（圖2k）。濁沸石膠結(jié)物多分布在粒徑較大、剛性顆粒較多且碳酸鹽膠結(jié)程度較低的砂巖中，而在塑性顆粒和碳酸鹽膠結(jié)物含量較高的砂巖中，幾乎未見濁沸石膠結(jié)物。

3.3 溶蝕作用

長8儲層中溶蝕作用以長石溶蝕為主，其次為巖屑、云母碎屑和粒間填隙物的溶蝕。長石的溶蝕作用主要沿解理面發(fā)生。部分樣品中可見長石顆粒被自生綠泥石膜包裹，酸性流體仍然選擇性溶蝕長石，直至長石顆粒完全溶蝕，形成鑄膜孔隙（圖2l）。

長8儲層中溶蝕作用發(fā)育程度總體較低，且分布不均，在塑性顆粒和碳酸鹽膠結(jié)物含量較高的砂巖中幾乎未見到明顯的溶蝕現(xiàn)象，而在剛性顆粒含量較高且綠泥石包膜較為發(fā)育的砂巖中發(fā)育程度相對較高。

4 成巖相類型及特征

儲層巖石學(xué)及成巖作用特征研究表明，長8儲層內(nèi)不同組構(gòu)砂巖中發(fā)生的成巖作用極不均衡，差異性明顯。根據(jù)成巖作用類型和強度、成巖礦物和碎屑組分等因素，可將長8儲層砂巖劃分為3類成巖相，即：機械壓實相（圖3a）、碳酸鹽膠結(jié)相（圖3b）和弱壓實-弱膠結(jié)相（圖3c，3d）。

圖3 富縣地區(qū)長8儲層3類成巖相顯微照片F(xiàn)ig.3 Photomicrographs of three different diagenetic facies of Chang8 Formation in Fuxian area

機械壓實相平均粒徑（平均為0.116 mm）較小，多為極細砂巖，其碎屑組分中石英（平均為24.06%）、長石含量（平均為41.20%）較低，而云母（平均為14.03%）和巖屑含量（平均為10.19%）較高（圖4），巖屑中千枚巖、片巖和噴發(fā)巖等塑性巖屑所占比例明顯高于其他2類成巖相。膠結(jié)物含量（平均為10.15%）較低，除少量碳酸鹽礦物和黏土礦物外，幾乎不發(fā)育其他膠結(jié)物（圖4）。由于塑性碎屑含量（大于15%）高，抗壓實作用能力弱，應(yīng)力作用下易發(fā)生強烈塑性變形（圖2a，3a）甚至擠入粒間孔隙，使得顆粒間以凹凸接觸為主，孔隙極不發(fā)育。

圖4 富縣地區(qū)長8儲層不同成巖相的碎屑和自生礦物含量Fig.4 Detrital and authigenic mineral contents of different diagenetic facies of Chang8 Formation in Fuxian area

碳酸鹽膠結(jié)相平均粒徑較機械壓實相大，為0.168 mm，石英（平均為23.53%）和長石（平均為38.52%）含量在3類成巖相中最低，而膠結(jié)物含量（平均為24.42%）最高，以碳酸鹽膠結(jié)物為主，平均為21.22%，其他膠結(jié)物含量較低（圖4），機械壓實作用弱，以無接觸（圖2c）或點-線接觸（圖3b）為主。碳酸鹽膠結(jié)物多以連晶狀充填粒間孔，薄片觀察表明僅發(fā)育少量碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕孔隙，孔隙總體發(fā)育程度很低。

弱壓實-弱膠結(jié)相平均粒徑（平均為0.159 mm）分布范圍較廣，以細砂巖居多，含少量極細砂巖，碎屑組分中石英（平均為24.75%）、長石含量（平均為54.11%）相對較高，巖屑（平均為7.09%）和云母含量（平均為4.04%）較低（圖4），以點-線接觸為主（圖3c）。機械壓實作用相對較弱，膠結(jié)作用類型多樣，膠結(jié)物總量（平均6.95%）較低，其中，綠泥石膠結(jié)物含量相對較高。孔隙較發(fā)育，以原生孔隙為主，占總面孔率的比例平均為64.4%，原生孔隙周邊多發(fā)育綠泥石膜（圖2g，3c），次生孔隙次之，主要為長石和巖屑溶蝕孔。

3類成巖相在縱向分布上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，呈層狀交替。塑性顆粒含量較高的機械壓實相多分布于分流河道砂體上部或分流河道間灣等沉積水動力較弱的砂體中，且塑性顆粒含量與平均粒徑呈明顯的負相關(guān)關(guān)系（圖5），這是由于云母等塑性顆粒多為片狀，密度較低，所需的沉積水動力較低；弱壓實-弱膠結(jié)相多出現(xiàn)在沉積水動力較強的分流河道砂體中下部；而碳酸鹽膠結(jié)相呈層狀分布，水動力較強的分流河道底部和水動力較弱的水下分流河道上部均有發(fā)育，受沉積水動力影響較小。

圖5 富縣地區(qū)黃探1井長8儲層綜合柱狀圖Fig.5 Comprehensive column diagram of Chang8 Formation in Well Huangtan1 in Fuxian area

5 成巖作用差異性對儲層物性的影響

物源和風(fēng)化程度決定巖石礦物組成，而沉積環(huán)境決定沉積物分布、粒度及分選［11，29］。受巖石原始組分和結(jié)構(gòu)控制，長8儲層不同成巖相中成巖作用對儲層物性的影響各不相同。

壓實作用是研究區(qū)儲層物性變差的首要原因。統(tǒng)計塑性顆粒含量與面孔率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，塑性顆粒含量越高，面孔率越低（圖6a）。機械壓實相中云母等塑性顆粒含量較高，壓實作用程度高，根據(jù)HOUSEKNECHT圖版［30］，平均壓實作用減孔率高達90%（圖7）。弱壓實-弱膠結(jié)相中剛性碎屑顆粒含量相對較高，抗壓實能力較強，平均壓實作用減孔率為76%（圖7）。碳酸鹽膠結(jié)相中由于早期碳酸鹽膠結(jié)物大量發(fā)育，提高了巖石抗壓實能力，碎屑顆粒多呈懸浮狀，平均壓實作用減孔率僅為28%（圖7）。因此，壓實作用是機械壓實相和弱壓實-弱膠結(jié)相砂巖粒間孔隙損失的主要成巖作用。

圖6 富縣地區(qū)成巖作用對儲層物性的影響Fig.6 Impact of diagenesis on reservoir physical properties in Fuxian area

圖7 富縣地區(qū)長8油層組儲層粒間體積-膠結(jié)物含量關(guān)系Fig.7 Relationship between intergranular volume and cements of Chang8 Formation in Fuxian area

早成巖期碳酸鹽膠結(jié)物雖然可以增強巖石抗壓實能力，但同時占據(jù)了孔隙空間并堵塞喉道。統(tǒng)計碳酸鹽膠結(jié)物與面孔率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者呈明顯的負相關(guān)性，碳酸鹽膠結(jié)物含量從1%增加至30%時，面孔率從14%降低至0（圖6b）。根據(jù)HOUSE?KNECHT圖版［30］，機械壓實相和弱壓實-弱膠結(jié)相平均膠結(jié)作用減孔率均低于25%，而碳酸鹽膠結(jié)相平均膠結(jié)作用減孔率高達66%（圖7），說明碳酸鹽膠結(jié)相中膠結(jié)作用是最主要的破壞性成巖作用。

綠泥石膠結(jié)物在目的層中發(fā)育廣泛，通常以綠泥石膜的形式附著在碎屑顆粒表面，發(fā)育自生綠泥石膜的孔隙多呈三角形或多邊形（圖2g，3c），孔隙邊緣整齊平直，孔徑一般較大，為10～50 μm，連通性較好（圖3c），孔隙中自生礦物較少。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，綠泥石膠結(jié)物含量與粒間孔面孔率呈明顯的正相關(guān)性（圖6c）。綠泥石膜在弱壓實-弱膠結(jié)相中較發(fā)育，分隔了顆粒表面與孔隙流體，抑制了自生石英和長石膠結(jié)物的發(fā)育，同時增強了巖石抗壓實能力，是弱壓實-弱膠結(jié)相保持較好物性的關(guān)鍵。

研究區(qū)溶蝕作用主要為長石溶蝕（圖2l），長石含量與溶蝕孔面孔率存在明顯的正相關(guān)性（圖6d）。機械壓實相和碳酸鹽膠結(jié)相由于在成巖作用早期就已致密，基本不具備滲流能力和溶蝕作用發(fā)生的條件。弱壓實-弱膠結(jié)相則因長石顆粒含量較高，早期物性較好，酸性流體能夠進入孔隙中，發(fā)生較強的溶蝕作用。

6 結(jié)論

富縣地區(qū)長8儲層主要為長石砂巖，主要成巖作用類型為壓實作用、碳酸鹽和自生黏土礦物的膠結(jié)作用、長石和巖屑的溶蝕作用及少量的交代蝕變作用，成巖作用差異性強。其中機械壓實和碳酸鹽膠結(jié)作用是最主要的破壞性成巖作用，而綠泥石膠結(jié)和次生溶蝕作用為建設(shè)性成巖作用。

儲層成巖非均質(zhì)性強，主要可歸結(jié)為機械壓實相、碳酸鹽膠結(jié)相和弱壓實-弱膠結(jié)相3種成巖相。機械壓實相砂巖受沉積水動力控制，多分布于分流河道砂體上部或分流河道間灣等沉積水動力較弱的砂體中，其平均粒徑較小，塑性顆粒含量高，進一步導(dǎo)致抗壓實能力弱，在成巖作用早期由于機械壓實作用而變?yōu)橹旅軆?。碳酸鹽膠結(jié)相砂巖的分布與沉積水動力無明顯的相關(guān)性，主要受控于成巖作用的差異，在成巖作用早期因被大量碳酸鹽膠結(jié)物膠結(jié)而致密。弱壓實-弱膠結(jié)相砂巖多分布在分流河道中下部等水動力較強的砂體中，平均粒徑相對較大，剛性顆粒含量高，抗壓實能力強，在成巖作用早期綠泥石膠結(jié)物的大量發(fā)育進一步固結(jié)了巖石，增強了巖石抗壓實能力，且綠泥石膜一定程度上抑制了其他膠結(jié)物的發(fā)育，為孔隙中成巖流體活動提供了充足的空間，溶蝕作用較為發(fā)育，形成了相對優(yōu)質(zhì)的儲層。