鄂爾多斯盆地華慶地區長9儲層成巖作用與有利成巖相

郭艷琴,余　芳,李　洋,李百強,邱雅潔

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安　710065;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院,陜西 西安　710018)

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·地球科學·

鄂爾多斯盆地華慶地區長9儲層成巖作用與有利成巖相

郭艷琴1,余芳2,李洋1,李百強1,邱雅潔1

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安710065;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院,陜西 西安710018)

對巖心薄片鑒定、掃描電鏡、X衍射、物性等分析化驗資料進行綜合研究，以查明鄂爾多斯盆地華慶地區延長組長9油層組的主要成巖類型、成巖階段、成巖序列及有利成巖相的分布規律。研究后認為，研究區長9儲層經歷了壓實壓溶作用、膠結作用、溶蝕作用等主要成巖作用。其中，對儲層起破壞性成巖作用的有壓溶壓實作用和包括碳酸鹽膠結、長英質膠結、自生黏土礦物膠結等的膠結作用, 起建設性成巖作用的主要有綠泥石薄膜膠結作用、 濁沸石和長石溶蝕作用。 綜合研究成巖作用的組合類型和演化序列, 認為長9砂巖的成巖演化主體已進入中成巖階段A期，成巖相可劃分為5種:Ⅰ 綠泥石膜-粒間孔+濁沸石溶蝕相;Ⅱ 綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕+濁沸石膠結相;Ⅲ 鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相;Ⅳ 硅質膠結+鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相;Ⅴ 鐵方解石膠結+水云母膠結+硅質膠結相。Ⅰ類成巖相物性好,Ⅱ和Ⅲ兩類次之,它們成為儲層發育的有利成巖相；Ⅳ和Ⅴ類物性較差,為不利成巖相。

成巖作用;有利成巖相帶;長9油層組;華慶地區;鄂爾多斯盆地

華慶地區的地理位置北至張崾峴—吳起一線,南抵馬嶺—玄馬一帶,西至八珠—賀旗,東到金鼎—旦八鎮；構造位置上則屬鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部,西鄰天環拗陷,南靠渭北隆起。鄂爾多斯盆地延長組是盆地持續拗陷和穩定沉降的過程中堆積起來的河流湖泊相陸源碎屑巖系[1]。研究區延長組含油層系較多,其中長4+5，長6，長8油層組為主力勘探開發層系。近年來,隨著石油工業發展的需要,鄂爾多斯盆地延長組下部層位勘探得到了越來越多的重視。隨著勘探的不斷深入,研究區長9油層組表現出較好的油氣顯示,且多口探井獲得了工業油流,勘探前景良好。

通過對20口井常規巖心物性資料的統計分析后可知,長9最大孔隙度16.84%,最小2.54%,平均9.94%,93.94%集中在5%～15%；滲透率最小0.007 2×10-3μm2,最大52.315 7×10-3μm-2,平均3.560 8×10-3μm-2, 81.82%小于1.8×10-3μm-2,屬于低孔低滲儲層。對于低孔、低滲儲層至今國際上并無一個嚴格而明確的標準和界限。根據中國油氣田的勘探和開發實際,目前比較一致意見是把孔隙度小于15%,滲透率值在(0.1～50)×10-3μm-2的儲層稱為低孔低滲儲層[2-5]。研究區低孔低滲儲層形成的原因,一方面是沉積環境、沉積相,另一方面也是較深埋藏的成巖演化對儲層的改造。研究區長9油層組平均埋藏深度為2 217～2 287 m,因此,成巖作用及成巖演化較為復雜,對儲層物性的影響也較大。因此，對成巖作用、成巖演化進行深入研究,從而尋找有利的綜合成巖相帶,為在低孔、低滲背景上尋找相對高孔、高滲的儲層及石油富集區提供可靠的地質依據,對指導研究區長9油層組乃至鄂爾多斯盆地整個延長組低孔低滲儲層的勘探開發具有重要的意義。

1　儲層巖石學特征

1.1碎屑組成

按曾允孚[6]的砂巖分類標準,長 9 油層組以長石砂巖和巖屑長石砂巖為主,其次有少量長石巖屑砂巖(見圖1)。砂巖中的碎屑組成主要是長石、石英、巖屑及碎屑云母等, 成分成熟度較低,總的碎屑顆粒質量百分含量44%～97%,平均86.5%。其中長石13%～59%,平均49%;石英23%～62%,平均34%;巖屑9%～40%,平均17%,主要為變質巖巖屑,其次是巖漿巖巖屑。

Ⅰ 石英砂巖；Ⅱ 長石石英砂巖；Ⅲ 巖屑石英砂巖；Ⅳ 長石砂巖；Ⅴ 巖屑長石砂巖；Ⅵ 長石巖屑砂巖；Ⅶ 巖屑砂巖圖1　華慶地區長9砂巖分類圖Fig.1　Triangular diagram showing classification of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

1.2填隙物類型及含量

研究區長9填隙物質量百分含量為3.5%～54%,大部分樣品在7%～16%,平均 10.8%。其中雜基很少,主要是膠結物。膠結物中以濁沸石、伊利石、鐵方解石和綠泥石為主,其次為硅質和長石質(見圖2)。濁沸石膠結物分布極不均勻,質量百分含量為0～13%,平均為5.8%;硅質膠結物和長石質膠結物含量也不均勻,一般為0～5%,分別表現為石英的次生加大邊和孔隙內的自生石英晶體、長石的自生加大和充填孔喉。

1.3結構特征

薄片粒度統計分析,華慶地區長9砂巖粒度最大為0.8 mm,主要集中在0.25～0.50 mm,為中砂級,少量為細砂級,分選好,磨圓較好,大部分為次棱角狀,少量為次圓狀,結構成熟度較高。顆粒間的接觸方式有線、點以及點—線接觸。膠結類型主要有孔隙式膠結、薄膜式膠結、薄膜—孔隙式膠結和孔隙—加大式膠結等。孔隙類型主要有長石溶蝕孔、濁沸石溶孔、粒間孔、粒內孔、裂隙孔和少量鑄模孔,總的看,面孔率、粒間孔和溶孔長92要好于長91。長91面孔率為0.5%～8.2%,平均為2.5%,長92面孔率為0.3%～11.1%,平均為3.94%(見圖3)。

2　主要成巖作用類型及其特征

影響儲集砂巖成巖作用的因素有沉積時碎屑組分、粒度、分選等巖石學特征,還有盆地埋藏史和液態烴注入史[7]。

巖心物性資料統計顯示,研究區孔隙度最大為16.84%,最小只有2.54%,平均為9.94%,多數集中在5%～15%,占樣品數的93.94%；滲透率變化很大,最小0.007 2×10-3μm2,最大52.315 7×10-3μm2,平均3.560 8×10-3μm2,滲透率值低,多數值小于1.8×10-3μm2,占樣品數的81.82%,是典型的低孔低滲儲集巖。經鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發光等資料綜合分析,華慶長9儲集層埋藏過程中經歷了機械壓實、膠結、交代、溶蝕等多種成巖作用。研究區成巖作用的類型復雜,埋藏成巖過程中各種成巖作用很大程度上影響著砂巖原生孔隙的保存和破壞以及次生孔隙的發育,因此,在儲層評價和預測方面,研究砂巖的成巖作用具有重要意義。

圖2　華慶地區長9砂巖膠結物直方圖Fig.2　Cement Histogram of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

圖3　華慶地區長9砂巖孔隙類型直方圖Fig.3　Pore types of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

2.1破壞性成巖作用的主要類型及特征

2.1.1壓實壓溶作用研究區不僅發育化學壓實作用，還發育機械壓實作用,深埋藏主要為化學壓實作用,淺埋藏則以機械壓實作用為主,壓實強度與深度之間呈指數關系[8]。根據鏡下的觀察,華慶地區長9儲層內部壓實作用主要有以下2種表現形式:① 顆粒的塑性變形,因壓實而導致柔性碎屑顆粒(如云母、泥質巖屑)等彎曲、假雜基化[9](見圖4A，B)。② 壓溶。常表現為石英、長石的次生加大,區內儲層碎屑顆粒以線接觸為主,并見凹凸或縫合接觸[10]。

2.1.2膠結作用儲層內隨著膠結物含量的增加,巖石孔隙度會降低。膠結作用是華慶地區長9油層組儲集巖內主要的成巖作用之一,也是使儲層物性變差的最主要原因。部分或大部分孔隙空間被自生黏土礦物、碳酸鹽膠結物和長英質充填,這就使得原生孔隙度大大降低,也會導致滲透率的大大降低。

1)碳酸鹽膠結作用。研究區長9碳酸鹽膠結物質量含量極不均勻,為0.5%～54%,平均為3.71%,主要是鐵方解石。此外,X衍射數據中還顯示少量白云石膠結物的存在。該類膠結主要為孔隙式膠結,其次以交代長石和巖屑的形式存在,還有部分以連晶方式出現,形成鈣質砂巖(見圖4C)。

2)自生黏土礦物的膠結作用。長9砂巖中的自生黏土礦物膠結物以綠泥石為主,其次是伊利石以及伊蒙混層,此外個別樣品中含有高嶺石膠結物(見圖4D)。自生黏土礦物對儲集層物性既有建設性的影響也有破壞性的影響。建設性影響體現在黏土膜對殘余粒間孔的保護上,但是孔隙式充填的自生黏土礦物又常常擠占有效孔隙空間，降低儲集層的物性，體現了其破壞性[11]。

2.2建設性成巖作用的主要類型及特征

次生孔隙是華慶地區長9儲集層主要的孔隙類型之一,且砂巖儲集層中多種類型的次生孔隙是由溶解作用形成的。尤其是溶蝕孔隙對改善砂巖儲層的儲集性能起到建設性的作用。根據顯微鏡觀察和掃描電鏡分析,發現研究區主要是長石顆粒的表面以及內部發生溶蝕作用,其次發生溶蝕的是濁沸石膠結物。而顆粒的溶解有以下兩種:一種是巖屑、長石這些不穩定的顆粒直接溶解并形成溶蝕粒內孔;第二種則是巖屑和長石顆粒先為濁沸石礦物或者碳酸鹽交代,然后交代物會發生溶解,使顆粒間接被溶,從而形成溶蝕粒間孔和溶蝕粒內孔。

3　成巖階段劃分與演化序列

3.1成巖階段劃分

根據巖石學、古溫度和有機質成熟度、砂巖中自生礦物、溶解作用和孔隙類型等特征，中國石油行業把碎屑巖的成巖階段劃分為4部分,即同生成巖階段、早成巖階段、晚成巖階段和表生成巖階段,其中早成巖階段又劃分為早成巖A期和B期,中成巖階段也劃分為中成巖A期和中成巖B期。

華慶地區長9砂巖中普遍能觀察到Ⅱ級石英次生加大,在薄片下進行觀察,大多數石英及部分的長石具次生加大(見圖4E),發育自形晶面,有的見石英小晶體。通過掃面電鏡分析,較完整的自形晶面包裹著多數的顆粒表面,有些自生晶體向著孔隙空間生長(見圖4F),交錯相嵌,使得孔隙堵塞。據前人研究,鄂爾多斯盆地延長組古地溫為90℃～120℃[12],鏡質體反射率為0.57%～0.98%,平均為0.75%[13]；鑄體薄片鏡下觀察表明,長9巖石中普遍存在方解石充填,常見濁沸石溶蝕現象(見圖4G)；礦物顆粒及膠結物溶解形成大量分布的次生孔隙(見圖4H)；碳酸鹽礦物以鐵方解石為主,含少量鐵白云石,且自生濁沸石膠結明顯,這些現象均表明華慶地區長9砂巖成巖作用已普遍進入中成巖A期。研究區目的層的掃描電鏡和X衍射分析顯示，長9砂巖的黏土礦物膠結物含量變化較大,總黏土質量百分含量為6.7%～33.8%,其中以綠泥石和伊利石及伊/蒙間層為主,其次為少量伊利石,個別樣品中可見高嶺石。依據混層伊利石/蒙皂石對成巖溫度的判別標準得出，研究區延長組所經歷的最大古地溫為100℃～120℃。結合自生黏土礦物特征可以判定，華慶地區成巖作用已普遍進入中成巖A期。

A 膠狀水的灰云母充填孔隙(S126井,2 100.79 m,長92);B 粒間孔,長石及濁沸石溶孔,綠泥石膜(B481井,2 237 m,長92);C 鈣質砂巖(G40井,2 182.1 m,長91);D 蜂窩狀的伊蒙混層膠結物(W91井,2171.01 m,長92);E 孤立分布的長石溶孔及長英質加大,泥鐵礦化的黑云母(G84井,2 168.96 m,長91);F 孔隙中自生石英晶體(B407井,2 298.2 m,長92);G 濁沸石強溶蝕(W39井,2 301.58 m,長91)；H 硅質加大,長石溶孔及粒間孔(W66井,2 108.6 m,長92)圖4　華慶地區長9砂巖鑄體薄片和掃描電鏡照片Fig.4　Cast body sheet and scanning electron ofChang 9 sandstone in Huaqing area

3.2成巖演化序列

在成巖階段劃分的基礎上,綜合薄片觀察、掃描電鏡、自生礦物成因及地層埋藏熱史模擬結果等資料,總結出研究區的成巖演化序列大致如下:機械壓實→黏土膜(綠泥石膜)形成→早期方解石膠結、濁沸石膠結→早期伊蒙混層、高嶺石→石英次生加大→孔隙充填水云母和綠泥石形成→晚期濁沸石膠結→早期溶燭開始(長石)→大量有機酸進入→溶蝕作用強烈進行(長石、巖屑和濁沸石溶孔)→晚期石英沉淀→鐵方解石、鐵白云交代或充填(見圖5)。

圖5　華慶地區長9儲層成巖階段及成巖序列圖Fig.5　Diagenetic stage and diagenetic array of Chang 9 reservior in Huaqing area

4　成巖相類型與有利成巖相帶

成巖相是指在構造和成巖等作用下,沉積物經歷一定的成巖作用和演化階段的產物,包括巖石顆粒、膠結物、組構、孔洞縫等綜合特征。 不同成巖相組合控制了不同的儲層孔隙發育特征和儲集物性,所以成巖相的劃分有助于儲層的區域評價和預測[14-16]。

根據研究區不同區塊的孔隙類型、膠結物含量以及主要成巖作用類型,結合儲層物性資料將研究區長9成巖相劃分為，綠泥石膜-粒間孔+濁沸石溶蝕相、綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕+濁沸石膠結相、鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相、硅質膠結+鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相、鐵方解石膠結+水云母膠結+硅質膠結相5種成巖相(見圖6)。

1)Ⅰ綠泥石膜-粒間孔+濁沸石溶蝕相:砂巖填隙物中有大于4%的綠泥石膜膠結物質量百分含量較高;孔隙類型主要是粒間孔,占到總面孔率大約50%,濁沸石溶孔含量次之。在長9儲層砂巖中這種成巖相分布廣泛,主要分布在多期疊置的水下分流河道中部。儲層砂巖孔隙度一般大于9%,滲透率一般大于0.7×10-3μm2,物性好,為最有利成巖相。

2)Ⅱ綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕+濁沸石膠結相:砂巖填隙物中綠泥石膜膠結物含量高,質量百分含量一般大于5%,其次為濁沸石膠結物,質量百分含量為2%～4%,濁沸石微溶;孔隙類型主要為粒間孔,占到總面孔率的60%～70%,其次是長石溶孔。該種成巖相主要位于多期疊置的水下分流河道中部,在長9儲層砂巖中廣泛分布。儲層砂巖孔隙度大多數在9%～10%,滲透率通常為(0.5～0.7)×10-3μm2,物性較好,為有利成巖相。

3)Ⅲ鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相:該成巖相儲集砂巖中膠結物以鐵方解石為主,質量百分含量一般大于4%,其次為綠泥石膜膠結物;孔隙類型以粒間孔和長石溶蝕孔為主,面孔率一般為1%～5%。主要分布于水下分流河道的前端或邊部,儲層孔隙度一般為7%～9%,滲透率一般為(0.3～0.5)×10-3μm2,物性較好,為較有利成巖相。

4)Ⅳ硅質膠結+鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相:儲集砂巖表現為強壓實壓溶作用,石英次生加大表現為Ⅱ級,硅質膠結物質量百分含量一般為3%～5%,鐵方解石膠結物質量百分含量較高,一般為2%～9%,其次為綠泥石膜膠結物,質量百分含量為1%～4%;孔隙類型主要為粒間孔和長石溶孔,其中粒間孔含量較高,占總面孔率的50%以上；主要分布在水下分流河道邊部靠近水體較深的位置,該成巖相砂巖孔隙度一般為6%～8%,滲透率的范圍在(0.1～0.3)×10-3μm2,物性較差,為不利成巖相。

圖6　華慶地區長9油層組成巖相圖Fig.6　The diagenetic facies maps of Chang 9 reservior in Huaqing area

5)Ⅴ鐵方解石膠結+水云母膠結+硅質膠結相:鐵方解石膠結物的質量百分含量高,通常在3%以上,最高可達54%～15%,其次為水云母膠結物,質量百分含量一般大于3%,硅質膠結物含量相對較少,一般為1%～3%。該種成巖相面孔率為0;主要位于縱向上大套砂巖的頂底部位和分流河道的邊部靠近湖水較深的地方,孔隙度一般為5%～7%,滲透率為小于0.1×10-3μm2,儲層致密,為不利成巖相。

5　結　論

1)研究區長9主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖,填隙物含量極不均勻,質量百分含量為4%～54%,平均11.2%,其中以膠結物為主,主要為鐵方解石、濁沸石和伊利石,其次綠泥石、硅質和長石質;華慶地區長9砂巖發育殘余粒間孔、溶蝕粒間孔、溶蝕粒內孔和濁沸石溶孔,具有良好的連通性。

2)在埋藏成巖過程中,華慶地區長9砂巖儲集層發生的成巖作用主要為溶解作用、膠結作用及壓實壓溶作用;壓實作用是研究區儲層砂巖最為重要的破壞性成巖作用,其次為碳酸鹽、硅質、濁沸石和黏土礦物膠結作用。建設性成巖作用主要為自生綠泥石環邊膠結,其次為溶蝕作用和破裂作用;研究區成巖作用已普遍進入中成巖A期。

3)成巖相劃分為綠泥石膜-粒間孔+濁沸石溶蝕相、綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕+濁沸石膠結相、鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相、硅質膠結+鐵方解石膠結+綠泥石膜-粒間孔+長石溶蝕相和鐵方解石膠結+水云母膠結+硅質膠結相5種，其中前三者為有利成巖相,后二者為不利成巖相。

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(編輯雷雁林)

Diagenesis and favorable diagenetic facies of Chang 9 reservoir in Huaqing Area of Ordos Basin

GUO Yan-qin1, YU Fang2, LI Yang1, LI Bai-qiang1,QIU Ya-jie1

(1.School of Earth Sciences and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China; 2.Petroleum Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi′an 710018， China)

To identify the main diagenetic types, diagenetic stage, diagenetic sequence and the distribution of favorable diagenetic facies of Chang 9 reservoir of Yanchang formation in the Ordos Basin Huaqing Area. Comprehensive study of chemical analysis data was done, such as core slice identification, scanning electron microscopy, X-diffraction, physical property,etc. The Chang 9 reservoir experienced the main diagenesis, such as compaction pressure dissolution, cementation, dissolution and so on. Among them, destructive diagenesis are compaction by carbonate cementation, felsic cementation and clay mineral cementation. Constructive diagenesis are chlorite cementation, laumontite and feldspar dissolution. According to the types and evolutionary sequences of diagenesis, it is regarded that the diagenetic evolution of Chang 9 sandstone has already been in stage A of the middle diagenetic stage. It is divided into five kinds of diagenetic facies, as follows: Ⅰ. chlorite membrane-intergranular pore+laumonite dissolution phase Ⅱ.chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution+laumonite cementation phase Ⅲ.ferrocalcite cement+chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution phase Ⅳ.siliceous cement+ferrocalcite cement+chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution phaseⅤ.ferrocalcite cement+hydromica cement+siliceous cement phase. The typeⅠdiagenetic facies have good physical properties, the tpyes Ⅱand Ⅲ are secondary to the former phase, and they are favorable diagenetic facies of reservoir. While, the tpyes Ⅳ and Ⅴ phase have bad physical properties, they are adverse diagenetic facies of reservoir.

diagenesis； favorable diagenetic facies； Chang 9 reservoir formation； Huaqing Area； Ordos Basin

2015-07-23

國家自然科學重點基金資助項目 (41330315；41502107)；中國地質調查局地質調查計劃基金資助項目(12120114009201)；陜西省自然科學基礎研究計劃基金資助項目(2013JQ5009)

郭艷琴，女，陜西佳縣人，副教授，從事沉積學和儲層地質學研究。

TE122.2

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-018