應(yīng)用掃描電鏡技術(shù)對(duì)影響砂巖儲(chǔ)層孔隙因素的研究

董長(zhǎng)友 曲日濤 牛洪彬 任志勇 李永強(qiáng) 李寶剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 塘沽 300452)

應(yīng)用掃描電鏡技術(shù)對(duì)影響砂巖儲(chǔ)層孔隙因素的研究

董長(zhǎng)友 曲日濤 牛洪彬 任志勇 李永強(qiáng) 李寶剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 塘沽 300452)

應(yīng)用掃描電鏡技術(shù)，鏡下觀察分析及大量資料整理，對(duì)影響大港油田砂巖儲(chǔ)層孔隙因素進(jìn)一步探討。得出的結(jié)論是，受機(jī)械壓實(shí)作用，壓溶作用和石英的次生加大，溶解作用和溶解后的膠結(jié)，砂巖中的膠結(jié)物種種因素的影響。其不同的作用過(guò)程對(duì)砂巖孔隙度的影響也各不相同。機(jī)械壓實(shí)作用，早期的膠結(jié)作用都是早期的成巖作用；壓溶作用和石英的次生加大，都影響巖石物性變差，主要是由溫度引起的；溶解后的孔隙再膠結(jié)，是決定砂巖儲(chǔ)層最終孔隙度高低的關(guān)鍵；粘土礦物是砂巖填隙物的主要組成部分。

砂巖；儲(chǔ)層孔隙；膠結(jié)物；粘土礦物；孔隙度

砂巖孔隙是指孔隙體積與整個(gè)巖石體積的比。不管什么巖石，都有孔隙，只是差別很大。孔隙是巖石的一部分，它與成巖作用密切相聯(lián)。不同的成巖作用過(guò)程對(duì)砂巖的孔隙度、滲透率影響也各有不同[1-4]。黃驊坳陷第三系是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的目的層。深度地層的巖石物性、成巖作用的影響程度是值得探討的。為了探討影響砂巖儲(chǔ)層孔隙的因素，分別對(duì)大港油田的巖心樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析及資料整理，并應(yīng)用薄片資料，進(jìn)行了研究剖析，提出了以下觀點(diǎn)。

1 機(jī)械壓實(shí)作用

機(jī)械壓實(shí)作用也就是早期的成巖作用，它發(fā)生在巖石未固結(jié)成巖之前。隨著埋藏深度的增加，機(jī)械壓實(shí)作用越來(lái)越明顯。機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)于細(xì)的沉積物反應(yīng)明顯，而對(duì)于粗的沉積物如砂巖則不明顯。這其主要特征是，沉積物被壓實(shí)以后變緊密了；粘土顆粒受壓以后發(fā)生變形，云母片受壓以后發(fā)生彎曲；長(zhǎng)石及生物等易碎顆粒發(fā)生破碎。從電鏡觀察及資料研究發(fā)現(xiàn)，大港油田2160米以上是機(jī)械壓實(shí)為主，見(jiàn)表1。這些沉積物被埋藏以后，因?yàn)樯厦孢B續(xù)不斷地接受沉積物，后沉積的對(duì)先沉積的產(chǎn)生壓力，促使先沉積的物質(zhì)由比較松散的分散狀態(tài)變得密度增大，體積減小，孔隙度降低，在這個(gè)受壓過(guò)程中，粘土顆粒變形，云母片發(fā)生彎曲。由于粘土顆粒的形態(tài)改變，并被擠進(jìn)孔隙內(nèi)，占了部分孔隙空間，此時(shí)，孔隙內(nèi)的水被擠出或受擠而壓力升高，如圖1。從圖中可以看出，擠進(jìn)孔隙內(nèi)的粘土和生物碎屑的破碎就是機(jī)械壓實(shí)作用引起的。隨著深度的增加，擠進(jìn)孔隙內(nèi)的粘土就多，孔隙度就降低。由此可見(jiàn)，沉積物被膠結(jié)以前的孔隙度與剛沉積時(shí)孔隙度則不同，二者之間產(chǎn)生了差別，這種差別是由機(jī)械壓實(shí)作用造成的。由于埋藏深度的增加，壓實(shí)作用也隨之加大，孔隙度也就隨之降低。當(dāng)孔隙內(nèi)水的壓力升高到大于上復(fù)地層重量產(chǎn)生的壓力時(shí)，機(jī)械壓實(shí)作用也就停止了。當(dāng)膠結(jié)作用形成后產(chǎn)生了對(duì)上復(fù)巖層重量的支撐力，支撐力大于上復(fù)巖層產(chǎn)生的壓力時(shí)，機(jī)械壓實(shí)作用也就被抵消了。這說(shuō)明了，機(jī)械壓實(shí)作用只有在上復(fù)地層壓力大于膠結(jié)物的支撐力或大于孔隙內(nèi)水的壓力時(shí)才是有效的。

表1 上第三系深度與孔隙度關(guān)系

圖1 機(jī)械壓實(shí)作用圖

在早期膠結(jié)作用明顯的地方，因膠結(jié)作用阻礙了壓實(shí)作用，因此壓實(shí)作用不強(qiáng)。快速堆積的地區(qū)，早期膠結(jié)作用不明顯，則壓實(shí)作用就強(qiáng)。機(jī)械壓實(shí)作用，早期的膠結(jié)作用都是早期成巖作用，結(jié)果都對(duì)孔隙度有影響。由圖2可以看出，北大港孔隙度的變化，以2600米為界，以上為高孔隙段，以下為低孔隙段。高孔隙段屬機(jī)械壓實(shí)(早期成巖)作用為主的階段，低孔隙段是次生溶解孔隙段與晚期成巖作用段。在高、低孔隙段內(nèi)部，也有高低變化，這說(shuō)明了不同的成巖作用是交替進(jìn)行的。

2 壓溶作用和石英的次生加大

壓溶作用是一種化學(xué)作用，這種作用發(fā)生在碎屑顆粒的接觸處。因溫度、壓力、時(shí)間、水的化學(xué)性質(zhì)等因素的作用，碎屑顆粒有明顯的溶解，造成顆粒的縫合線接觸、凹凸接觸及鑲嵌接觸[5-7]。顆粒周圍的粘土膜及粘土邊，促進(jìn)了溶解物質(zhì)的擴(kuò)散，增加了壓溶作用的進(jìn)行。從壓溶點(diǎn)上釋放出來(lái)的二氧化硅轉(zhuǎn)移到低壓點(diǎn)上，形成石英的次生加大，石英的次生加大在北大港是以2008米開(kāi)始的，根據(jù)加大的發(fā)育程度，可分為三期：第一期為顆粒表面的二氧化硅沉淀；第二期是開(kāi)始形成晶形；第三期為自形石英晶形。見(jiàn)圖3。壓溶作用與石英的次生加大，都影響巖石物性變差[8-9]，當(dāng)壓溶作用進(jìn)行的強(qiáng)烈時(shí)，往往顆粒與顆粒彼此挨得很緊。從鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，一個(gè)顆粒壓入另一個(gè)顆粒內(nèi)，這是由于兩個(gè)顆粒的溶解速度不一樣，有快有慢造成的，溶解快的就凹進(jìn)去了。當(dāng)溶解速度差不多時(shí)，顆粒彼此挨得很緊，他們之間沒(méi)有明顯的界限和膠結(jié)物，在板C1井壓溶作用開(kāi)始于2166米。

圖3 壓溶作用圖

次生加大是圍繞著顆粒向孔隙方向發(fā)展的，往往是世代關(guān)系，環(huán)繞顆粒的第一世代，結(jié)晶細(xì)小，呈放射狀排列。第二世代的晶體比第一世代明顯長(zhǎng)大。只要孔隙有次生加大的石英晶體，巖石的孔隙度就降低，孔隙直徑就變小，它與膠結(jié)作用一樣，對(duì)孔隙起了封閉作用。當(dāng)石英出現(xiàn)次生加大時(shí)，原來(lái)的孔隙空間因被次生加大占用去了，所以它是影響孔隙度的因素。次生加大主要是受水中二氧化硅的飽和度、壓力、溫度的影響。在這幾個(gè)因素中，溫度是最主要的，因?yàn)樗鼪](méi)有長(zhǎng)期衡定的物理化學(xué)條件，溫度的升高與降低均對(duì)飽和度的影響很大，直接影響著新礦物的生成和次生加大的發(fā)育。

3 溶解作用和溶解后的膠結(jié)

溶解作用是對(duì)巖石孔隙起開(kāi)放作用的，它是增加巖石孔隙的一種因素。這種作用在大港油田均有所見(jiàn)，如圖4。 常被溶解的礦物有長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物、高嶺石、石英等。礦物被溶解以后，形成次生孔隙，增加巖石的孔隙度。不同的礦物被溶解的情況也不一樣，以長(zhǎng)石為例，大港油田風(fēng)化溶解見(jiàn)于1290-4000米，在2000米以上表現(xiàn)為風(fēng)化作用，2000米以下為溶解作用。不僅由掃描電鏡資料得到了證實(shí)，而且由孔隙度變化圖也可以看出在縱向上有兩段的溶解作用比較明顯，2200-2600米，3200-3600米。 隨著埋藏深度的增加，孔隙度是逐漸降低。通過(guò)鏡下觀察分析，發(fā)現(xiàn)溶解后的孔隙，有的未被充填，有的填充了新礦物。因壓溶作用，使顆粒彼此緊靠，然后又被溶解，溶掉了膠結(jié)物質(zhì)及部分顆粒，產(chǎn)生了孔隙，但沒(méi)有使所有的都分散開(kāi)，而是幾個(gè)顆粒一簇，每一簇與每一簇又互不相接觸，分散在膠結(jié)物中，呈漂浮狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是先經(jīng)受了壓溶作用，然后又被溶解，溶解產(chǎn)生的孔隙，接著又被膠結(jié)物填充了。由此可見(jiàn)，溶解后的再膠結(jié)，是決定砂巖儲(chǔ)層最終孔隙度高低的關(guān)鍵，如果溶解作用打開(kāi)孔隙通道后，馬上儲(chǔ)存了油氣，就能阻止膠結(jié)作用的進(jìn)行。溶解后產(chǎn)生的孔隙能否被保存，關(guān)鍵是孔隙內(nèi)能不能裝滿油氣流。通過(guò)深層鉆探發(fā)現(xiàn)，在3200-3600米有較高的孔隙度，達(dá)到10%-20%，個(gè)別達(dá)到25%，這是次生孔隙產(chǎn)生以后，再膠結(jié)作用產(chǎn)生以前，儲(chǔ)存了油與氣，致使再膠結(jié)作用及成巖后生作用中斷而保存了孔隙。反之，如果油氣來(lái)的遲，不能在再膠結(jié)前進(jìn)入孔隙內(nèi)，孔隙就不能被保存了。

圖4 溶解作用圖

4 砂巖中的膠結(jié)物

膠結(jié)物在砂巖中是填充在孔隙中的，它對(duì)孔隙起封閉作用。在研究孔隙時(shí)，膠結(jié)物的數(shù)量，膠結(jié)物的成分及膠結(jié)類型尤其重要[10-14]。大港油田的膠結(jié)物成分有粘土礦物、碳酸鹽、硅質(zhì)、硫化物等，并以前兩種為主，如圖5。

4.1 粘土礦物

大港油田中粘土礦物主要有高嶺石、水云母、蒙脫石、綠泥石、埃洛石五種。粘土礦物在成巖中的變化是自生與重結(jié)晶。粘土中有大量的有機(jī)質(zhì)，當(dāng)埋藏在地下深處時(shí)是有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭偷慕佑|劑與催化劑。粘土又常作為砂巖的膠結(jié)物存在于砂巖中，砂巖儲(chǔ)層中粘土的成分、含量及產(chǎn)狀分布的不同，對(duì)儲(chǔ)層的性質(zhì)，巖石物性均有極大的影響。

圖5 粘土礦物圖

在縱向上，砂巖膠結(jié)物中的粘土有分帶性，最常見(jiàn)的是水云母，其次是蒙脫石與高嶺石，綠泥石與埃洛石最晚，即使是單礦物，其晶形也隨深度的改變而變，見(jiàn)圖6。粘土礦物對(duì)溫度與壓力特別敏感，不同粘土反映了不同的環(huán)境。水云母是云母類礦物經(jīng)水化作用轉(zhuǎn)化來(lái)的。水云母進(jìn)一步變化，可轉(zhuǎn)變?yōu)榘Ｂ迨兔擅撌Ｋ颇皋D(zhuǎn)變?yōu)榘Ｂ迨拈_(kāi)始深度在港中B1井為2235-2519米，在港深A(yù)1井為3204米，而轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌鞂拥纳疃仍诟凵預(yù)2井為3931米。蒙脫石也可以變?yōu)樗颇福擅撌蛩颇皋D(zhuǎn)化時(shí)，排除結(jié)晶水。由此可見(jiàn)，粘土礦物與油氣的關(guān)系是極其密切相關(guān)。高嶺石除由鉀長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化以外，也可以由熱水中結(jié)晶而成。當(dāng)高嶺石形成后，熱水溫度變低時(shí)可形成埃洛石。高嶺石代表氧化環(huán)境，蒙脫石代表還原環(huán)境，綠泥石在深層也出現(xiàn)，常與石英共生。說(shuō)明其要求的溫度、壓力要比高嶺石高些，在同一層中出現(xiàn)的幾種礦物共生在一起，說(shuō)明了水溶液的溫度、壓力、化學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間的變化而改變的結(jié)果。

圖6 成巖礦物變化圖

4.2 碳酸鹽

由于深度的增加，造成了pH值升高，CO2分壓的減低，促進(jìn)了孔隙中循環(huán)水的碳酸鹽沉淀在孔隙內(nèi)，形成方解石和白云石膠結(jié)物。膠結(jié)物可以全部是碳酸鹽礦物，也可以局部是碳酸鹽礦物，根據(jù)薄片資料，在港B2井2230-3200米，是大的連晶方解石填充孔隙，以下是局部充填。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)由孔隙度變化圖可以看出，在北大港以2600米為界，以上為機(jī)械壓實(shí)及早期的成巖作用，以下為晚期成巖作用階段；溶解作用使2600米以上的孔隙度提高到30%，使2600米以下的孔隙度提高到15%-25%。

(2)溶解作用中，最易溶解的硅酸鹽顆粒為巖屑，其次是石英，長(zhǎng)石比石英略微難溶一些，在長(zhǎng)石中斜長(zhǎng)石易溶。根據(jù)是壓溶作用形成的凹凸接觸判斷的。凹進(jìn)去的易溶顆粒溫度高時(shí)溶解能力強(qiáng)。

(3)膠結(jié)物中粘土礦物的組合在3000米以上是水云母、蒙脫石、高嶺石，以下是水云母、綠泥石、埃洛石、水云母-蒙脫石混層。膠結(jié)物的成分取決于粒間液體的性質(zhì)。

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Analysis of the influence factors of the pore of sandstone reservoir by scanning electron microscopy

DONG Chang-you QU Ri-tao NIU Hong-bin REN Zhi-yong LI Yong-qiang LI Bao-gang
(CNOOC Energy Development Limited By Share Ltd Engineering Branch,Tianjin Tanggu 300452)

with the application of electron microscope scanning technique,through observation and analysis and a large amount of data processing,this paper further discussed the factors that influence the pore of sandstone reservoir in Dagang oilfield.The conclusion is that: with the effects of mechanical compaction,pressure solution and overgrowth of quartz,dissolution and re-cementation after dissolution,cement in the sandstone and other factors,effects of different processes on the porosity of sandstone are also not identical.Mechanical compaction and early cementation are early diagenesis,both pressure solution and overgrowth of quartz make the physical property of the rock become poor,mainly caused by the temperature; The re-cementation of dissolved pore is the crucial factor which determine the final porosity of sandstone reservoirs,and lay mineral is the main part of the sandstone fillings.

sandstone,reservoir porosity,cementation,clay minerals,porosity

董長(zhǎng)友，工程師，從事油氣田勘探開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)研究工作。