鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層孔隙演化分析

田夏荷，屈紅軍 （西北大學地質學系，陜西 西安710069）

魏新善，劉新社 （中石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安710021）

楊歡，陳雅暉，董文武 （西北大學地質學系，陜西 西安710069）

鄂爾多斯盆地為中國第二大沉積盆地，其東部北起伊金霍洛旗，南至安塞，東起盆地邊界，西至烏審召，構造單元主體隸屬伊陜斜坡，目的層為山1段、山2段、太原組和本溪組4個縱向層位［1－3］。鄂爾多斯盆地東部儲層孔隙演化史主要受控于沉積史、成巖史和構造演化史以及成巖地球化學環境的變化，盡管構造背景相同，但由于沉積物質基礎不同，后期成巖演化不同，可以導致不同儲層之間物性存在較大差異［4－5］。由于沒有發生大規模的構造抬升，鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層主要經受了破壞性的成巖作用，如機械壓實、膠結、自身黏土礦物生長作用等，導致致密儲層廣布［6－7］。此外，該研究區的溶蝕作用在整個成巖作用過程中都有發生，主要表現為巖屑、長石、高嶺石、伊利石及方解石的溶蝕，由此形成大量次生孔隙。因此，次生孔隙發育帶常常為油氣生成帶［8］。

1 成巖作用對孔隙演化的影響

成巖作用對原生孔隙結構的改變最終將影響砂巖儲層的物性。鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層主要經歷以下幾種成巖作用。

1.1 壓實作用

壓實作用是造成研究區原生孔隙損失的主要成巖作用，研究區主要為機械壓實作用，在漫長的地質歷史過程中，礦物由沉積初期的分散分布逐漸被壓實，造成孔隙空間的不斷壓縮，在鏡下主要表現為顆粒間由點接觸變為線接觸甚至鑲嵌接觸，云母顆粒受到地層壓實作用而變彎（見圖1（a））。伴隨壓實作用，研究區大量出現石英的自生加大現象［9］（見圖1（b））。該區壓實作用強烈，導致儲層致密，原始孔隙的大量損失。

1.2 膠結作用

該研究區孔隙式充填的自生黏土礦物常常擠占有效孔隙空間，降低儲層的物性。碳酸鹽膠結形成于成巖期的各個階段，主要的碳酸鹽礦物為方解石、白云石、鐵方解石、鐵白云石等［10］。硅質膠結物是鄂爾多斯盆地東部上古生界普遍存在的自生膠結物，其含量和膠結規模都較大［11］。該研究區石英的自生加大充填孔隙并堵塞喉道，降低了儲層的孔、滲性能；另一方面，硅質的剛性強，對儲層的抗壓實能力增強，有利于粒間孔的保存［12］（見圖1（c）和圖1（d））。

1.3 交代作用

交代作用實為礦物被溶解并新沉淀出來的新礦物與舊礦物的置換。該研究區儲層所經歷的交代作用主要包括：①長石的高嶺石化；②高嶺石伊利石化；③黏土礦物和硅質之間的相互轉化；④泥質方解石化。交代作用前后礦物顆粒體積的變化對于孔隙的增減影響甚微［9］（見圖1（e）和圖1（f）），但研究區內高嶺石結晶形成部分晶間孔，對孔隙有一定貢獻作用。

1.4 溶蝕作用

溶蝕作用是形成次生孔隙、改善儲層物性的主要成巖作用。該研究區溶蝕孔隙多為巖屑、長石及石英顆粒整體或部分被溶蝕所形成的［13］。溶蝕作用對該研究區儲層的孔隙形成起到了建設性作用，尤其是儲層成巖過程中經歷的最近一次溶蝕作用，與儲層物性好壞有直接關系（見圖1（g）和圖1（h））。

2 孔隙演化的定量分析

2.1 原始孔隙度的計算

根據Beard等［14］提出的砂巖原始孔隙度與分選系數之間的關系式來計算砂巖原始孔隙度：

式中，Φ原為原始孔隙度；Sd為分選系數。

根據式（1）計算，該研究區山1段、山2段、太原組和本溪組砂巖平均原始孔隙度分別為37.60%、37.79%、37.04%和38.12%。因此，該研究區儲層4個縱向層位的平均原始孔隙度為37.64%。

圖1 鄂爾多斯盆地東部上古生界砂巖顯微照片

2.2 成巖作用條件下孔隙演化的定量分析

1）壓實作用 壓實作用是造成該研究區孔隙降低的主要原因，根據對孔隙演化過程的恢復，所得到的砂巖剩余粒間孔隙可以很好地評價壓實作用對原生粒間孔的破壞程度。根據膠結物含量，粒間孔、溶蝕孔的面孔率與物性分析孔隙的關系，可計算出壓實后剩余粒間孔隙度（Φ壓）：

式中，w膠為膠結物的質量分數；P粒間為殘余粒間孔面孔率；P孔為實測平均孔隙率；P面為總面孔率。因壓實作用損失的孔隙度（Pcomp）如下：

根據式（3）計算出研究區各層位砂巖經壓實作用后損失的孔隙度如下：山1段為21.83%；山2段為19.55%；太原組為19.40%；本溪組為19.89%。與原始孔隙度相比較，各層位都損失了過半的孔隙。

2）膠結作用 砂巖經過壓實、膠結作用后，其剩余粒間孔隙度（Φ膠）即為物性分析時的粒間孔隙：

因膠結作用損失的孔隙度（Pcem）如下：

根據式（5）計算出研究區各層位砂巖經膠結作用后損失的孔隙度如下：山1段為15.77%；山2段為16.59%；太原組為15.74%；本溪組為16.87%，這表明經膠結作用后砂巖孔隙會更小。

3）交代作用 高嶺石在交代作用過程中結晶形成的大量晶間孔成為一種重要的儲集空間，對孔隙的增加起到了良好的作用。高嶺石結晶產生的晶間孔（Φ晶）可根據以下公式計算：

式中，P晶間為晶間孔面孔率。

根據式（6），可以計算研究區各層位砂巖經交代作用后增加的孔隙度如下：山1段為2.41%；山2段為1.42%，太原組為0.49%，本溪組為2.23%，這表明對交代作用孔隙的增加起到了一定作用。

4）溶蝕作用 溶蝕作用對孔隙的增加起主要建設性作用，其中長石、巖屑、雜基等礦物被溶蝕后形成的次生孔隙即溶蝕孔Φ溶的計算公式如下：

式中，P溶蝕為溶蝕孔面孔率。

根據式（7），可以計算研究區各層位砂巖經溶蝕作用后增加的孔隙度如下：山1段為2.96%；山2段為3.17%；太原組為4.75%；本溪組為1.64%，這表明溶蝕作用能夠很好地改善儲層物性條件。

3 恢復儲層的孔隙演化過程

根據觀察鑄體薄片及掃描電鏡照片所顯示的各種成巖現象，結合前人對該地區成巖演化的研究［15－16］，認為該研究區成巖演化序列為綠泥石膜膠結Ⅰ－石英自生加大Ⅰ－綠泥石膜膠結Ⅱ－石英自生加大Ⅱ－高嶺石膠結Ⅰ－溶蝕作用Ⅰ－高嶺石膠結Ⅱ－伊利石膠結－溶蝕作用Ⅱ－方解石膠結－烴類充注。依據成巖演化序列并結合研究區鑄體薄片的統計，對成巖演化過程中孔隙的變化進行恢復，得到研究區沉積歷史中各個階段孔隙的演化情況（見圖2）。

圖2 孔隙演化恢復曲線圖

以太原組為例，其原始孔隙度由37.04%經壓實作用縮減到17.64%，分別經過2期綠泥石膜膠結和石英加大以及1期高嶺石膠結，孔隙度降低到14.12%，而經歷溶蝕作用Ⅰ和高嶺石膠結后孔隙度增為15.61%，因發生較強的伊利石膠結，孔隙度減少到6.31%，再發生溶蝕作用Ⅰ使孔隙度增加到9.56%，最后因方解石膠結和烴類充注，導致孔隙度變為7.14%。同時，其他各層位也經歷了相似的演化過程，最終使該研究區儲層目的層的平均孔隙度穩定在7.16%左右。

4 結論

1）鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層的孔隙演化過程與成巖演化密切相關，壓實作用和膠結作用造成了孔隙的損失，而溶蝕作用和交代作用是增孔保孔的重要因素。

2）通過孔隙演化過程的定量分析表明，鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層目的層的平均原始孔隙度為37.64%，伴隨長期壓實作用，損失了過半的孔隙，在經歷多期膠結作用后，儲層變得致密，孔隙所剩無幾，隨后因2期溶蝕作用，最終使該研究區儲層目的層的平均孔隙度穩定在7.16%左右。

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