延安地區馬家溝組風化殼型儲層孔隙結構及分類評價

曹紅霞，吳海燕，尚 婷，任星民，高 飛，武 渝

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

0 引 言

碳酸鹽巖風化殼型氣藏是許多學者研究和討論的重點，不同學者從大地構造背景、沉積儲層、地球化學、巖溶古地貌、成藏、氣源等方面對盆地內部碳酸鹽巖氣藏進行了深入研究[1-5]。黃道軍認為鄂爾多斯盆地東部儲層以含膏模孔的白云巖為主，巖溶的后期充填類型決定了儲層的好壞[6]；楊華等認為白云石化作用和巖溶作用是建設性成巖作用，壓實作用、膠結作用和去白云石化作用是破壞性成巖作用，鄂爾多斯盆地古隆起周邊白云巖體、臺緣相帶及東部奧陶系鹽下等3大領域發育多類有效儲層及圈閉，成藏潛力巨大，是盆地海相碳酸鹽巖天然氣勘探的接替領域[7-8]。延安地區位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中東部(圖1)，隨著甘泉、富縣一帶下古生界奧陶系風化殼氣藏獲多口工業氣流井，對延安地區下古生界天然氣的勘探逐漸加強，地質認識逐漸加深[9-10]，碳酸鹽巖風化殼氣藏成為該區天然氣增儲上產的重要接替領域[11-12]。對儲層的合理分類與評價是天然氣勘探開發的工作基礎，是一項對風化殼氣藏深入認識的長期工作，因此需要從宏觀深入到微觀，從定性研究向定量發展，不斷深入推進對風化殼氣藏的地質研究，進一步挖潛儲層潛力[13-14]，為后期天然氣規模開發提供理論支持。

圖1 研究區構造位置Fig.1 Location of research area

近年來，不少學者對風化殼型儲層做了大量研究，認為風化殼型儲層受控于巖溶作用，趙文智等認為巖溶作用是溶蝕孔、洞、縫產生的主因，風化殼型儲層的儲集空間以溶孔、溶洞及溶縫為特征，具有極強的非均質性[4]。侯方浩、蘇中堂等認為：最有利的儲層為含硬石膏結核或含硬石膏柱狀晶和結核的粉晶白云巖；表生巖溶作用是儲層形成的關鍵作用，儲層分布受巖溶古地貌影響明顯，垂向上受巖溶旋回控制，各旋回垂直滲流帶和中等強度水平徑流帶利于儲層發育；含膏白云巖容易溶蝕，形成了大量的溶蝕孔、縫、洞，構成了儲集空間系統[15-16]。現有研究大多是從沉積儲層、風化殼氣藏特征、成藏規律與條件、巖溶作用等方面論述，缺少對儲層分類及評價的專項研究。

在前人研究基礎上，以延安地區奧陶系馬家溝組風化殼儲層為研究對象，以地質學理論為指導，采用多學科、多技術綜合分析方法，配以顯微鏡、掃描電鏡、壓汞分析等現代分析測試手段，從微觀孔隙結構入手，開展對儲層分類的定量化研究。

1 礦物組成特征

礦物成分決定巖石類型，進而決定儲層發育程度[18-19]。本次研究過程中主要應用偏光顯微鏡、陰極發光顯微鏡、電子探針、掃描電鏡與能譜測試等手段進行礦物類型及含量的鑒定。根據延安地區25口井220塊薄片資料統計分析，礦物組成以白云石為主，含量平均為80.84%，其次為方解石，含量平均為12.85%，泥質含量為3.55%，其它如黃鐵礦、石膏、硅質、伊利石和石英等含量較少，平均含量不足1%(圖2)。

圖2 奧陶系馬家溝組馬五上部組合礦物組分Fig.2 Mineral composition distribution of the upper part of M5 of the Ordovician Majiagou Formation

2 物性特征

對延安地區及鄰區30余口井的巖心分析化驗資料分析，儲層孔隙度主要分布在2.0%～8.0%，滲透率主要分布在0.01～1 mD.滲透率與孔隙度呈明顯的正相關關系；孔隙度和滲透率向低值一側偏向，孔隙度值絕大多數小于4.0%，滲透率值絕大多數小于0.05 mD，屬于典型的低孔-低滲特低滲儲集層[20]。

根據延安地區巖心物性數據統計與物性相關性分析結果，樣品的孔隙度和滲透率相關性較差(圖3)。由于受到沉積相類型、成巖作用、古巖溶作用等因素的影響，同一儲層在區域上的孔縫發育程度及充填程度不均，從而使得不同地區儲層物性產生較大差異。儲層在縱橫向非均質性明顯，單井試氣產量差異較大[21-23]。巖溶發育的地區，儲層不一定發育。巖溶洼地及溝槽兩側區域、圍繞巖溶盆地發育的地層，物性較好。

圖3 馬五段上部儲層孔隙度-滲透率關系Fig.3 Porosity permeability relation of the upper reservoir in the M5

3 儲集空間特征

3.1 孔隙類型

孔、洞、縫是延安地區下古生界奧陶系碳酸鹽巖儲層較常見的儲滲空間，根據研究區內豐富的巖心觀察、掃描電鏡、鑄體薄片等分析化驗資料顯示，研究區馬五4～馬五1亞段的碳酸鹽巖經歷了沉積成巖-裸露風化-沉積充填-溶蝕改造-埋藏溶蝕等多期地質作用形成了多種多樣的孔滲空間，既有原生孔隙，也有次生孔隙。含硬石膏結核的粉晶白云巖是風化殼儲層發育的物質基礎，在表生期和埋藏期形成的次生孔、洞、縫的發育和保存程度是能否形成良好儲層的關鍵[24]。

3.1.1 準同生期孔隙-晶間孔、晶間溶孔

研究區中獲得工業氣流儲層段的巖性主要為含硬石膏結核或柱狀晶體的粉晶白云巖。這類孔隙分布于晶粒白云巖中。其中，晶間孔主要見于粉-細晶，孔徑為10～50 μm之間，呈不規則的三角形或多邊形；細-粉晶白云巖多見晶間微孔，孔徑小于2 μm；白云石晶間孔和晶間微孔溶蝕擴大形成晶間溶孔，邊緣常被溶蝕成鋸齒狀及不規則港灣狀，孔徑一般50～200 μm.該類孔隙多呈分散狀，孔隙大小不一，分布不定，或順層密集狀分布。結晶云巖中的晶間孔隙是主要的孔隙類型。晶間溶孔是白云石晶間孔隙進一步溶蝕擴大形成的溶蝕孔隙(圖4(a)、(b))。

白云石的晶體大小在一定程度上也控制著晶間孔。延安地區大量薄片觀察表明：隨著白云石晶體顆粒的逐漸增大，即由泥-粉晶到粉-細晶到中-粗晶，相對應的晶間孔由不發育到發育到降低，即晶間孔在泥-粉晶白云巖中是不發育的，在粉-細晶白云巖中增大，但在中-粗晶白云巖中晶間孔卻又降低。

3.1.2 表生期次生孔隙-膏溶孔、擴容縫

在大氣淡水及地下水的共同作用下，馬家溝組暴露于地表的碳酸鹽巖發生了去白云石化、角礫巖化、去膏化等建設成巖作用，規模不等的溶蝕孔洞空間形成。石膏結核等易溶蝕物質首先被選擇性溶蝕，并沿結核發育形態形成新的孔隙，孔徑一般在0.1～2 mm，部分在2 mm以上，形成溶蝕洞穴；石膏晶體被選擇性溶蝕后常沿原晶體形態形成板條狀新孔隙，孔徑主要分布在0.05～0.3 mm之間。形成的大部分膏模孔、溶洞在后期又被滲流粉砂、石英、方解石、伊利石等化學充填物部分或全部充填，從而使孔隙變小或者消失，可見明顯的示底構造。膏模孔、洞充填殘余部分是最重要的儲滲空間類型之一(圖4(c)、(d)、(e)、(f))。

圖4 延安地區馬家溝組碳酸鹽巖儲層儲集空間特征Fig.4 Reservoir space characteristics of carbonate reservoir of the Majiagou Formation in Yan’an area

3.1.3 埋藏期次生孔隙-膏溶孔再擴容再疊加孔隙、擴容縫被半充填后的殘余孔隙

在碳酸鹽巖在中-深埋藏階段，地層中的侵蝕性流體或含有高礦化度鹵水發生溶蝕作用。主要是發生在曾經暴露地表的碳酸鹽巖區受后期構造沉降作用再次接受沉積，經歷準同生期和表生期2種成巖作用，碳酸鹽巖被埋藏后轉入相對安靜的封閉環境，隨地溫升高，地層水、酸性流體等開始逐漸溶解、溶蝕碳酸鹽巖。從而使得基質、表生期巖溶縫洞及充填物進一步擴大溶蝕，形成孔隙結構較為復雜的疊加溶孔，并在溶孔發育區伴隨有石英、硬石膏、黃鐵礦等礦物充填，使孔隙結構變差(圖4)。

3.2 孔隙結構

3.2.1 毛管壓力曲線特征

對研究區壓汞數據統計見表1，研究區毛管壓力曲線分布特征如圖5所示。馬家溝組儲層門檻壓力0.01～7.34 MPa，平均值為1.09 MPa；中值壓力0.98～68.45 MPa，平均值為22.21 MPa；中值半徑0.01～ 0.75 μm，平均為0.17 μm；最大孔喉半徑0.10～63.22 μm，平均為10.81 μm；分選系數2.19～5.55，平均為3.32；歪度系數0.51～2.01，平均為1.57；退出效率0～29.41%，平均值為8.73%；最大進汞飽和度28.81%～89.38%，平均值為70.31%.

表1 馬家溝組壓汞參數統計表Tab.1 Statistics of mercury injection parameters in the Majiagou Group

由實驗可知，研究區儲層的門檻壓力相對較低、最大進汞飽和度較高，退出效率較低，從而說明儲層儲集能力相對較強，但滲流能力較低。

3.2.2 毛管壓力曲線類型

通過對各壓汞參數與物性資料綜合分析，根據薄片孔隙描述、鑄體薄片圖像分析、結合對毛管壓力曲線特征的比較，把研究區碳酸鹽巖儲層孔隙結構劃分為：裂縫-孔隙型、孔隙型、微孔型及致密型(表2，圖6)。

Ⅰ類(裂縫-孔隙型)：此類壓汞曲線分布在毛管壓力曲線圖的最左邊，壓汞曲線為一寬緩的平臺。其儲層物性較好，滲透率也相對較高，門檻壓力0.01～0.45 MPa，平均為0.17 MPa，最大進汞飽和度64.54%～89.38%，平均為79.61%，分選好，較粗歪度。

Ⅱ類(孔隙型)：此類壓汞曲線為一較寬緩的平臺。其儲層物性中等，門檻壓力0.02～1.15 MPa之間，平均為0.44 MPa，最大進汞飽和度62.19%～88.05%，平均為77.15%，分選較好，較粗歪度。

Ⅲ類(微孔型)：此類壓汞曲線不具平臺，有上凸趨勢。其儲層物性一般，門檻壓力大于0.02～7.34 MPa，平均為1.48 MPa，最大進汞飽和度28.81%～88.79%，平均為62.21%，分選差，細歪度。

Ⅳ類(致密型)：此類壓汞曲線呈陡斜坡狀，其儲層物性較差，門檻壓力大于0.02～7.34 MPa，平均為2.83 MPa，最大進汞飽和度42.97%～74.21%，平均為57.07%，分選差，細歪度。

表2 毛管壓力曲線分類表Tab.2 Classification of the capillary pressure curve

圖5 馬家溝組馬五1～馬五4壓汞曲線特征Fig.5 Characteristics of M51～ M54 mercury curve in Majiagou Formation

圖6 儲層分類典型壓汞曲線Fig.6 Typical mercury porograph of reservoir classification

4 儲層分類評價

白云巖儲層的形成和發育受沉積、成巖雙重控制，孔隙發育演化較為復雜。縱向上由于沉積條件差異造成層內非均質性較強，表現為主力氣層中部巖溶孔洞發育，物性好，上、下部儲層孔洞不發育、物性相對差。橫向上受沉積相帶和成巖相帶的控制，表現為儲層物性成帶狀變化的特點，一般在古潛臺主體部位儲滲條件較好[25]。依據巖性、物性及孔隙結構特征，將本區儲層分為4種儲集類型(表3)。

Ⅰ類：主要為白云巖，以溶蝕孔洞為主要儲集空間，滲濾通道為網狀微裂縫，孔徑一般為1～2 mm，最大可達30 mm，孔隙度大于7.2%，滲透率大于1.0 mD，物性好。毛管壓力曲線類型主要為Ⅰ類(裂縫-孔隙型)，中值壓力一般小于2.50 MPa，中值半徑一般大于0.4 μm，是本區的優質儲層。

Ⅱ類：以細粉晶白云巖為主，儲集空間以晶間孔、晶間溶孔為主，孔隙直徑在5～50 μm之間，物

性較好，孔隙度在3.8%～7.2%之間，滲透率在0.06～1.0 mD之間。毛管壓力曲線類型主要為Ⅰ類(裂縫—孔隙型)和Ⅱ類(孔隙型)，中值壓力為2.52 MPa，中值半徑為0.05～0.4 μm，是本區的次優質儲層。

Ⅲ類：巖性主要為泥—細粉晶白云巖，以分散狀的晶間孔、鑄模孔為主要儲集空間，滲濾通道為角礫間縫和微細裂縫，孔徑一般在5～20 μm之間，物性較差，孔隙度一般2.3%～5.5%之間，滲透率一般0.01～0.07 mD之間。毛管壓力曲線類型主要為Ⅱ類(孔隙型)和Ⅲ類(微孔型)，中值壓力20～65 MPa，中值半徑為0.01～0.4 μm，是本區的中等儲層。

Ⅳ類：巖性主要為泥晶白云巖，發育少量晶間孔及晶間溶孔，孔徑一般在10 μm左右，物性差，孔隙度一般小于2.5%，滲透率普遍比0.02 mD小。毛管壓力曲線類型主要為致密型的Ⅳ類曲線，中值壓力一般大于65 MPa，中值半徑一般小于0.01 μm，是本區的差儲層。

評價結果，研究區Ⅰ類儲層占總厚度的10%～20%，Ⅱ類儲層占總厚度的35%～45%，Ⅲ類儲層占總厚度的25%～35%，Ⅳ占總厚度的10%左右。

表3 延安地區下古生界儲層分類Tab.3 Classification of Lower Paleozoic reservoirs in Yan’an Area

5 結 論

延安地區馬家溝組馬五4～馬五1亞段的碳酸鹽巖經歷了沉積成巖-裸露風化-沉積充填—溶蝕改造—埋藏溶蝕等多期地質作用形成了多種多樣的孔滲空間，既有原生孔隙，也有次生孔隙。

下古生界奧陶統風化殼儲層巖性以白云巖為主，儲集空間復雜多樣，主要為準同生期的晶間孔、晶間溶孔，表生期和埋藏期形成的溶蝕孔洞、膏模(擴容)孔，擴容縫；孔喉分布不均勻，門檻壓力較低、最大進汞飽和度較高，退出效率較低。

選取孔隙度、滲透率、孔隙結構、中值半徑、排驅壓力和最大進汞飽和度等6種參數，經多因素綜合分析，將延安地區下古生界馬家溝組風化殼型儲層分為4種類型，分別為Ⅰ類(裂縫-孔隙型)、Ⅱ類(孔隙型、裂縫-孔隙型)、Ⅲ類(孔隙型、微孔型)及Ⅳ類(致密型)，研究區以Ⅱ，Ⅲ類儲層為主。

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