合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物對儲層微觀特征的影響

南凡馳, 吳少波, 陳朝兵, 賴雅庭, 陳新晶, 王 茜, 阮 昱, 何拓平

( 1. 西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065； 2. 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室,陜西 西安 710065； 3. 中國石油長慶油田分公司 第二采氣廠，陜西 西安 710200； 4. 中國石油長慶油田分公司 第六采油廠,陜西 西安 710200 )

0 引言

合水地區長8段儲層為典型的低孔、超低滲致密砂巖。在砂巖儲層中，碳酸鹽膠結是主要的膠結類型，儲層孔隙度、滲透率減小，對儲層微觀特征影響較大，加劇儲層空間分布的非均質性，影響油氣運移和充注。碳酸鹽膠結物的富集產生鈣質夾層，影響油氣層間運移，增加油田開發難度，研究碳酸鹽膠結物特征及成因對剩余油氣和致密油氣開發具有重要意義。人們研究鄂爾多斯盆地不同層位的鈣質膠結[1-3]，碳酸鹽膠結物具有成因多樣、多期形成等特點[3-5]，對儲層物性、孔喉結構、儲集性能及油田開發具有重要影響[6-7]。葛云錦等[1]探討碳酸鹽膠結物在鄂爾多斯盆地中西部延長組下組合砂巖中的主要特征、分布規律及其對儲層品質的影響，認為碳酸鹽膠結物主要形成于成巖早期階段，降低儲層物性，加劇儲層非均質性。高輝等[6]分析鄂爾多斯盆地合水地區長8段儲層特低滲透成因，認為主要受沉積作用和成巖作用共同影響。江琦等[8]研究長8段儲層特征，認為長8段儲層以粒間孔為主，其次是粒內溶孔和微孔。

碳酸鹽膠結物的研究多集中于碳酸鹽膠結物的來源、成因及類型，對碳酸鹽膠結物與儲層物性及孔喉結構的影響及評價研究較少。通過宏觀觀察與微觀實驗結合，筆者明確合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物的主要類型及特征，分析不同體積分數碳酸鹽膠結物對儲層微觀特征的影響，為合水地區長8段儲層石油勘探開發提供依據。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地是中國陸上第二大沉積盆地，面積僅次于塔里木盆地，位于華北克拉通西部[9-10]，面積約為2.5×104km2[11]，礦產資源極其豐富，是中國西部重要的石油天然氣生產基地[12]，由西緣逆沖帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起、渭北隆起6個二級構造單元組成[1,13]。合水地區地處伊陜斜坡，位于鄂爾多斯盆地的西南部，屬于隴東地區，區域構造背景為平緩的近南西—北東向展布的西傾單斜(見圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元及研究區位置

上三疊統延長組發育河流—三角洲—湖泊相沉積。三角洲前緣分流河道微相沉積為長8段儲層主體，巖性以長石質巖屑砂巖和巖屑質長石砂巖為主，平均面孔率為2.7%，碳酸鹽膠結物類型主要包括方解石、鐵方解石和鐵白云石。碳酸鹽膠結物平均體積分數為5.88%，其中鐵方解石平均體積分數為3.59%；其次為鐵白云石，平均體積分數為1.78%；方解石體積分數最少，為0.51%。碳酸鹽膠結物平均孔隙度為9.50%，平均滲透率為0.65×10-3μm2。砂體顆粒細，非均質性強，屬于低孔—超低滲致密砂巖儲層。

2 碳酸鹽膠結物特征

2.1 巖心特征

巖心觀察發現，鈣質膠結的巖心顏色為灰白色，呈塊狀，取心收獲率高，巖心較完整。碳酸鹽膠結物在巖層中并不是均勻發育，而是在某些層段集中發育，有的層段呈零星分布。由于碳酸鹽膠結的砂巖孔隙被填充，物性較差，含油性降低，其顏色與深灰色含油細砂巖和深色泥質膠結的砂巖差別較大，體積分數高的可以成為隔夾層，巖心觀察較容易區分。碳酸鹽膠結物的主要成分為碳酸鈣，滴鹽酸劇烈起泡(見圖2)。研究區長8段儲層碳酸鹽膠結物巖性主要為塊狀構造的細砂巖。

2.2 測井響應

利用巖心、鏡下薄片、分析化驗等識別鈣質膠結，由于取心和取樣資料有限，利用測井資料進行鈣質膠結識別具有可操作性[14-16]。分析研究區部分井長8段取心段巖心和測井曲線，鈣質膠結在測井曲線上具備獨有的特征。碳酸鹽膠結主要發生在砂巖中，自然電位一般偏離泥巖基線；自然伽馬曲線較低，一般為60～70 API，表現為向負值凸起的峰狀；聲波時差較低，一般為200 μs/m，曲線表現為向負值凸起的峰狀；密度測井為高值，為2.17～2.39 g/cm3；中子測井較低，一般為12%左右(見圖3)。

圖2 合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物巖心特征

圖3 寧42井長81亞段儲層碳酸鹽膠結物測井曲線響應特征

2.3 微觀特征

鄂爾多斯盆地合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物普遍發育，體積分數為0～40%，主要分布在2%～12%之間，其中鐵方解石體積分數最高，其次是方解石的，鐵白云石的最少。不同類型碳酸鹽膠結物在陰極發光、鑄體薄片、掃描電鏡下有不同特征。在陰極發光下，方解石為明亮的橙黃色(見圖4(a))，鐵方解石為暗橙紅色(見圖4(b-c))，鐵白云石一般不發光；在鑄體薄片下，方解石一般為紅色，鐵方解石一般為紫色，鐵白云石一般為藍色；在掃描電鏡下，方解石為菱面體狀。

鏡下觀察發現碳酸鹽膠結物產生于成巖的各個階段，碳酸鹽膠結物的類型、特征在不同階段存在一定差異。方解石主要為早期產生的碳酸鹽膠結物，顆粒之間為不緊密接觸，以基底式膠結為主(見圖4(d))。晚期鐵方解石以孔隙式膠結出現，充填在碎屑顆粒的孔隙中，膠結物體積分數較少，顆粒之間呈點接觸或線接觸。鐵白云石體積分數較少，在鑄體薄片中以藍色為主，顆粒間呈線接觸或凹凸接觸。碳酸鹽膠結物在掃描電鏡下呈菱面體狀(見圖4(e、g))。

2.4 成巖演化序列

根據薄片鑒定數據和成巖階段劃分(見表1-2)，識別具有表征成巖演化階段礦物，判別方解石、鐵方解石和鐵白云石的成巖序列。由表1可知，硬石膏平均體積分數為0.01%，綠泥石平均體積分數為1.28%，大量伊利石充填孔隙；在掃描電鏡下可見晶體出現裂縫(見圖4(j))；從鑄體薄片上多見顆粒點—線狀接觸及線—縫合線狀接觸(見圖4(k-l))。鐵方解石平均體積分數為3.59%，鐵白云石平均體積分數為1.78%，方解石平均體積分數為0.51%。碳酸鹽膠結物中含鐵質的鐵方解石和鐵白云石較多，可以確定方解石形成于早成巖階段，鐵方解石形成于中成巖階段或晚成巖階段。

表1 合水地區長8段儲層薄片鑒定填隙物平均體積分數

表2 合水地區長8段儲層成巖階段劃分標志

3 碳酸鹽膠結物來源

碳酸鹽膠結物的來源分為內源和外源兩大類[17-23]。外源主要是雨水和流動的孔隙水為儲層帶入溶解的碳酸鹽；內源包括含鈣礦物溶解和蒙脫石向伊利石轉化。研究區長8段儲層碳酸鹽膠結物主要來自于內源。

3.1 泥巖厚度

砂巖上覆和下伏泥巖的厚度越大，鈣質層的厚度也越大[24]。泥巖在壓實作用過程中不斷向鄰近砂巖層排出壓實流體，壓實流體中含有大量的鈣離子和碳酸根離子等；在壓實流體向上覆和下伏砂巖層流動時，離子同時被帶入儲層而形成碳酸鹽膠結物。壓實流體和離子的多少與儲層周圍泥巖厚度有直接關系，泥巖厚度越大，進入砂巖儲層中的壓實流體越多，鈣離子和碳酸根離子等的體積分數越高，進而影響碳酸鹽膠結物的體積分數。對比研究區長8段儲層泥巖厚度和鐵方解石體積分數(見圖5)，泥巖厚度越厚，鐵方解石體積分數越高，說明泥巖厚度與碳酸鹽膠結物發育相關關系較好。

圖5 合水地區長8段儲層泥巖厚度等值線與鐵方解石體積分數分布

3.2 含鈣礦物溶解及黏土礦物轉化

碳酸鹽膠結物主要由長石的溶蝕作用形成。有機酸流體、熱液流體及大氣水淋濾等作用引起長石的溶蝕(見圖4(h-i))。長石在酸性條件下更易發生溶蝕，掃描電鏡下觀察發現研究區多見長石溶孔(見圖4(h))。長7段儲層為長6、長8段儲層的主力烴源巖，烴源巖在熱演化過程中產生的有機酸加速長石的溶蝕，溶蝕產生的鈣離子參與儲層的膠結。

長石溶蝕產生鈣離子主要有兩種形式[25]:一種是鈣長石溶蝕直接產生鈣離子；另一種是鉀長石溶蝕產生鉀離子和鋁離子，鉀離子和鋁離子參與蒙脫石向伊利石轉換，最終產生鈣離子。

儲層中碳酸鹽膠結物體積分數受泥巖厚度、含鈣礦物溶解及黏土礦物轉化共同影響。由于砂巖、泥巖的厚度受沉積于河道不同部位的影響，鄰近儲層碳酸鹽膠結物的主要來源也不同。河道中部以砂巖沉積為主，含鈣離子礦物較多，泥質體積分數較少，河道中部的碳酸鹽膠結物主要受長石類型影響；河道側翼和邊部泥巖厚度明顯增大，含鈣離子礦物相對較少，河道側翼碳酸鹽膠結物主要受泥巖厚度影響(見圖6)。

圖6 合水地區長81亞段儲層泥巖對碳酸鹽膠結物影響模式

黏土礦物成巖轉化釋放鐵、鎂離子，與鈣離子及溶解在水中的碳酸氫根離子形成鐵方解石[1]。蒙脫石向伊利石轉化發生在沉積作用后，其碎屑膠結順序為黏土線及石英次生加大邊→各類自生黏土礦物→碳酸鹽類礦物→片鈉鋁石(局部)[25]。黏土礦物之間的轉化發生在碳酸鹽礦物形成前，可以為鈣質膠結提供物質來源。

為明確儲層中碳酸鹽膠結物的來源，繪制研究區長8段儲層碳酸鹽膠結物來源模式(見圖7)。由圖7可知，碳酸鹽膠結物有3種來源，第一種為大氣水和地下水將鈣、鎂等離子從外界帶入儲層；第二種為砂巖中含鈣離子礦物的溶解為儲層提供鈣離子；第三種為蒙脫石向伊利石轉化的過程中向儲層提供鈣、鎂等離子。

圖7 研究區長8段儲層碳酸鹽膠結物來源模式

4 碳酸鹽膠結物對儲層的影響

4.1 儲層物性

研究區碳酸鹽膠結廣泛發育，通過鏡下薄片觀察和鑄體薄片數據分析，碳酸鹽膠結主要形成于晚成巖階段，對儲層孔隙尤其是次生孔隙有一定的破壞作用。由于次生孔隙是主要的油氣儲集空間，鈣質膠結的發育降低儲層有效空間，進而降低儲層物性[26]。分析研究區355個樣品數據，孔隙度為1.1%～16.6%，平均為9.5%，滲透率為(0.005～5.927)×10-3μm2，平均為0.650×10-3μm2。

不同體積分數碳酸鹽膠結物孔隙度和滲透率分布見圖8。由圖8可知，當碳酸鹽膠結物體積分數小于5.0%時，鈣質膠結對孔隙度的影響不穩定，孔隙度可以很高也可以極低；當碳酸鹽膠結物體積分數大于5.0%時，儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結物體積分數增加呈明顯降低趨勢(見圖8(a))；當碳酸鹽膠結物體積分數小于3.0%時，儲層滲透率整體較低，偶見高值；當碳酸鹽膠結物體積分數大于3.0%時，儲層滲透率降低明顯(見圖8(b))。可能與膠結發生在晚成巖階段，碳酸鹽膠結物堵塞次生孔隙，降低孔隙連通性有關。

4.2 儲層孔喉結構

碳酸鹽膠結使儲層的物性變差，阻礙儲層中流體的流動和壓力的傳遞，使儲層的非均質性增強。儲層碳酸鹽膠結阻礙上下砂體油氣運移，當膠結物平面展布較寬、厚度較厚時，完全阻礙油氣運移，使同一套砂體中含油性差異變大。

為明確不同碳酸鹽膠結物體積分數對儲層非均質性的影響，分別選取不同碳酸鹽體積分數樣品，分析毛管壓力曲線特征及孔喉特征參數(見圖9)。

根據毛管壓力曲線特征(見圖9)分為三類形態：一類曲線碳酸鹽膠結物體積分數最低，具有明顯的雙階梯形態且分布范圍廣，排驅壓力低，進汞飽和度大，說明孔喉最為發育，連通性好，均質性好；二類曲線碳酸鹽膠結物體積分數中等，曲線雙階梯形態不明顯，分布范圍中等，具有較明顯的斜坡段，表明孔喉發育適中，孔喉半徑適中，均質性一般；三類曲線碳酸鹽膠結物體積分數最高，曲線不具有雙階梯形態，是明顯的斜坡段且分布范圍最窄，說明樣品孔喉半徑小，連通性差。隨碳酸鹽膠結物體積分數的增加，儲層的孔隙大小和連通性逐漸降低。

圖8 合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物體積分數與孔滲關系

4.3 微觀非均質性

分形理論一般應用于研究結構復雜、具有自相似性的不規則形體，是表征巖石孔隙結構的一種有效方法[27]。賴錦等[28]用汞飽和度法對巖樣的毛管壓力曲線進行分形維數計算，一般分形維數越大(接近3)說明孔喉結構越復雜，孔喉連通性越差，儲層的微觀非均質性越強[28-29]。

利用汞飽和度法計算研究區巖樣毛管壓力，分析分形維數，繪制汞飽和度法計算分形維數典型回歸曲線(見圖10、表3)，碳酸鹽巖膠結物體積分數與分形維數具有較好的正相關關系，隨碳酸鹽膠結物體積分數的增加，儲層非均質性逐漸增強。

圖10 基于汞飽和度計算的分形特征典型回歸曲線

表3 合水地區長8段儲層不同體積分數碳酸鹽膠結物高壓壓汞參數

分析樣品分形維數和碳酸鹽膠結物體積分數相關關系(見圖11)，相關因數為0.653 8，正相關關系較好，說明隨碳酸鹽膠結物體積分數的增加，儲層孔喉結構越復雜，孔喉連通性越差，儲層的微觀非均質性越強。

圖11 基于汞飽和度法計算的分形維數與碳酸鹽膠結物體積分數關系

5 結論

(1)合水地區長8段儲層碳酸鹽膠結物的來源主要受泥巖厚度、碎屑長石類型的綜合影響。泥巖厚度大的部位鄰近儲層碳酸鹽膠結強，一般發育于河道側翼；鈣長石和鉀長石的溶解分別為儲層直接和間接提供充足的鈣離子，多發育于河道中部。

(2)當碳酸鹽膠結物體積分數小于1.0%時，長8段儲層滲透率和孔隙度發育較好，隨鈣質膠結體積分數的增加，儲層的孔隙度、滲透率開始降低，儲層孔滲條件下降；當碳酸鹽膠結物體積分數大于5.0%時，儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結物體積分數增加呈明顯降低趨勢；當碳酸鹽膠結物體積分數大于3.0%時，儲層滲透率降低明顯。

(3)不同體積分數碳酸鹽膠結物樣品的進汞、退汞曲線的不同形態表明，隨儲層碳酸鹽膠結物體積分數的增加，儲層的孔隙大小和連通性逐漸降低，儲層非均質性逐漸增強。