陕北斜坡南部上古生界石盒子组盒8段储层成岩作用研究

王 凯，马 强，杨 航，赫文昊，王振国.

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075； 2.延长油田股份有限公司宝塔采油厂，陕西延安 716003)

碎屑岩孔隙的形成、破坏和保存均受到成岩作用的控制，岩性、温度、压力及流体控制着成岩作用的演化，成岩过程中伴随着孔隙度的产生和消亡，对储集空间的发育同时起贡献和破坏的作用[1]。近年来，鄂尔多斯盆地陕北斜坡致密砂岩气勘探取得新的突破，发现了多个陆上大气田，下石盒子组盒8段是研究区主要勘探目的层段，其发育辫状河三角洲前缘沉积，河道横向宽度为2～4 km，盒8段砂体平均厚度达10 m，河道砂体、心滩和边滩砂体发育优质储层[2-4]，平均孔隙度为7.5%，平均渗透率为0.282 mD，为典型的致密砂岩储层。随着鄂尔多斯盆地勘探程度的不断提高，致密砂岩储层研究成为成藏的关键，成岩作用对储层改造起着重要作用，也是研究区盒8段形成致密储层的重要因素之一。本次研究在对研究区28口取芯井513.8 m长岩心进行详细观察的基础上，充分应用了109块普通薄片、22块铸体薄片、16块样品的电镜扫描等资料，采用X射线衍射等技术开展了盒8段成岩作用研究，分析了成岩演化序列，探讨了成岩作用对孔隙度的影响，为精细勘探提供研究依据。

1 储层岩石学特征

通过对研究区28口取芯井的109块普通薄片及22块铸体薄片进行观察鉴定，结果表明：研究区盒8段石英含量为70.2%，岩屑占28.1%，长石含量仅为1.7%，砂岩组分主要以石英砂岩和岩屑石英砂岩为主(图1)。

图1 盒8段岩石类型三角图Fig.1 Classification diagram of He8 member of Shihezi formation

填隙物是指充填于碎屑颗粒之间的物质，包括杂基和胶结物[2-4]。研究区石盒子组盒8段填隙物较高，平均含量为13.8%；杂基以高岭石、绿泥石、水云母等黏土矿物为主，还有少量凝灰岩。

研究区盒8段砂岩成分成熟度较高，结构成熟度偏低，碎屑颗粒粒度分布为中粒，粗粒和细粒少量存在，粒径分布范围为0.3～0.72 mm。分选较好，磨圆度主要为次棱状，次圆—次棱次之；颗粒支撑为主，偶见杂基支撑；接触方式为凹凸接触为主，次为点状、线状接触。胶结类型主要以孔隙式胶结为主，其次为次生孔隙胶结。

2 成岩作用类型

针对研究区盒8段分析研究得知，盒8段成岩作用类型主要为机械压实作用、压溶作用、硅质、黏土矿物胶结作用、溶蚀作用还有交代作用等[5-6]，下面分别描述。

2.1 压实作用

通过对样品进行观察分析得知：①碎屑颗粒定向从游离不规则态转变为紧凑堆积态，颗粒的接触方式有线接触、凹凸状接触。②塑性岩屑挤压变形，泥页岩岩屑、千枚岩岩屑、碳酸盐岩屑变形，挤入孔隙中形成假杂基，同时堵塞孔隙空间。③软矿物颗粒破裂、弯曲进而发生成分变化，如云母弯曲变形水化成黏土矿物。④刚性碎屑矿物如石英颗粒受应力作用压碎或压裂产生脆性裂缝(图2a)。

埋深是控制压实强度的最主要的因素，研究区盒8段埋深主要集中在3 000～3 500 m，埋深较深，上覆压力较大，温度较高，通过颗粒接触方式可以分析出压实强度的大小，沉积物颗粒之间互相挤压、镶嵌，石英及长石发生次生加大，造成了孔隙体积缩小、孔隙度降低、渗透率变差。计算得知研究区盒8段砂岩的原始孔隙度最高为38.2%，最低为25.3%，平均为32.5%。

2.2 压溶作用

当埋深进一步增加，压力增大，压实作用变强，颗粒接触处会发生晶格形变和溶解，称之为压溶作用[5-7]。压实率可以通过(原始孔隙体积-压实后孔隙体积)/原始孔隙体积×100%来求得[8]。统计研究区盒8段砂岩碎屑颗粒接触关系得知，点—线接触的样品压实率为56.1%，而线接触的样品压实率达到了66.7%，可知压溶作用是降低孔隙空间的原因之一。埋深进一步加大至盒8段底部时，胶结作用变强，线接触转为凹凸接触(图2b)，压实率为69.8%，两者仅相差3.1%，可见压实作用逐渐减弱(图3)。

图2 盒8段砂岩压实、压溶作用镜下图像Fig.2 Microphotographs of compaction and pressure dissolution in He8 member sandstonesa.Y1井，3 290.48 m，软组分变形并定向性良好，10×； b.Y1井，3 423.63 m，硅质加大镶嵌状结构，凹凸状接触，5×。

2.3 胶结作用

2.3.1 硅质胶结

研究区盒8段储层硅质胶结以石英次生加大为主，形成原因为孔隙水中溶解的SiO2沉淀出附着在石英的表面上[9-10]。在阴极发光下观察发现，石英次生加大在岩屑质石英砂岩中最为发育，加大后的石英颗粒呈镶嵌状接触。石英次生加大使孔隙被充填程度提高，喉道变小，渗滤能力变差，储层变得较为致密(图4a)。自生石英多呈“它”形不规则粒状，晶粒大小不一，充填于孔隙内的自生石英常呈晶芽、晶簇状(图4b)。在阴极发光照片中可见粘补碎裂石英或裂缝石英的自生石英，愈合后仍隐约可见残余碎裂缝、裂纹、微细缝。

图3 研究区盒8段砂岩颗粒接触类型占比Fig.3 Proportion of sandstone particle contact types in He8 member of the research area

图4 盒8段砂岩胶结作用镜下图像Fig.4 Microphotographs of cementation in He8 member sandstonesa.Y2井，3 176.64 m，石英次生加大，5×；b.Y2井，3 190.23 m，颗粒胶结致密—微晶石英，2 000×； c.Y3井，3 438.21 m，方解石胶结，5×；d.Y4井，3 228.23 m，蠕虫状和书页状高岭石，2 000×； e.Y4井，3 254.31 m，粒间片状伊利石黏土，2 000×；f.Y4井，3 273.55 m，花瓣状绿泥石集合体，3 000×。

2.3.2 碳酸盐胶结

通过扫描电镜、薄片资料分析，研究区碳酸盐胶结主要为方解石、铁方解石和铁白云石[11-13]，平均含量达2.1%，局部较高，赋存形态呈星散状分布于粒间孔中，局部呈连晶胶结，目的层中碳酸盐胶结物多以孔隙充填的形式存在(图4c)。

2.3.3 黏土矿物胶结

对于研究区黏土矿物的组成，采用X射线衍射的方式进行确定发现，高岭石、绿泥石、伊利石、伊/蒙混层为研究区主要存在的黏土矿物类型。

(1)高岭石。通过薄片观察发现，研究区高岭石较为发育，含量可达2.9%，主要由长石蚀变而来，呈现单晶六边形和蠕虫状集合形；研究区高岭石大量充填占据溶孔与粒间孔，自身发育晶间孔(图4d)。

(2)伊利石。通过扫描电镜观察，研究区砂岩广泛发育伊利石，镜下形态呈现丝状、鱼鳞状，附着在高岭石上，由此可知伊利石形成时间在高岭石后，同时可见伊利石呈搭桥式蔓延在砂岩孔隙边缘(图4e)。

(3)绿泥石。研究区绿泥石主要呈现片状、针叶状，以孔隙衬边与粒状薄膜方式存在，绿泥石的存在抑制影响石英次生加大的进行，同时促进了石英颗粒压溶作用产生胶结物，降低了孔隙空间，使储层物性变差(图4f)。

2.4 溶蚀作用

研究区盒8段砂岩溶蚀作用极为普遍，通过扫描电镜、显微镜观察分析发现，硅酸盐矿物、碳酸盐矿物和二氧化硅均遭受不同程度的溶蚀。长石和岩屑颗粒的可溶组分在底下流体参与下发生溶蚀(图5a、5b)，颗粒内部溶蚀时多呈现蜂窝状或条带状，边缘发生溶蚀作用形成锯齿状接触。研究区长石被大量溶蚀，仅可见部分轮廓，产生了高岭石。溶蚀作用形成的次生孔隙对改善储层物性起着积极的作用。

图5 盒8段砂岩溶蚀作用镜下图像Fig.5 Microphotographs of dissolution in He8 member sandstonesa.Y5井，3 414.31 m，长石溶孔，2 000×； b.Y5井，3 447.93 m，岩屑溶孔，2 000×。

2.5 交代作用

交代作用的过程可以分解为溶解作用和沉淀作用，一种矿物在被溶解的过程中沉淀出另一种矿物，而且可以保持矿物晶形或集合体形态不变。交代作用服从体积守恒定律，即交代过程中体积不变，交代顺序受孔隙水中离子浓度控制[1]。

研究区主要存在高岭石交代长石，形成大量晶间孔，有效改善了储层储集空间，同时还有部分方解石交代长石及方解石交代火山岩岩屑(图6a、6b)。

图6 盒8段砂岩交代作用镜下图像Fig.6 Microphotographs of metasomatism in He8 member sandstonesa.Y6井，3 209.25 m，高岭石交代长石，10×； b.Y6井，3 226.63 m，方解石交代碎屑，5×。

3 成岩阶段和成岩序列

碎屑岩成岩阶段指碎屑沉积物沉积后经各种成岩作用改造直至变质作用之前所经历的不同地质历史演化阶段[14]。

根据成岩特征，结合该区域埋藏史、地热史、有机质演化史、黏土矿物演化史等综合分析研究区成岩阶段。

研究区盒8段地层埋深普遍在3 000～3 500 m之间，盒8段砂岩接触以点—线接触和凹凸接触为主；硅质胶结主要为石英次生加大，以Ⅲ期次生加大为主；X衍射黏土矿物分析显示，伊/蒙混层中蒙脱石的体积分数分布在5%～50%之间，以低于15%为主；通过扫描电镜分析得知，自生黏土矿物以绿泥石和伊利石为主。研究区石英次生加大边中的包裹体以液相包裹体为主，气液比在6%～8%之间，大小为2～5 μm，均一温度为125～160 ℃，Ro为1.5%～1.9%，平均为1.82%。强烈的压实作用导致砂岩的原生孔隙消失殆尽，以次生溶孔、粒内溶孔、晶间孔为主，偶有裂缝发育。

根据陆相盆地碎屑岩成岩阶段划分标准《碎屑岩成岩阶段划分》(SY/T 5477—2003)，综合分析判定研究区盒8段砂岩处于中成岩阶段B期[15]。其成岩演化序列为：早期压实作用—压溶作用—早期方解石胶结—绿泥石—石英次生加大—溶蚀作用—长石、岩屑泥质杂基高岭石化—铁方解石及铁白云石胶结作用—伊利石。

4 成岩作用对储层孔隙演化的影响

成岩作用是影响储层发育重要的后天作用，早期石炭二叠纪储层埋深较浅，成岩作用相对较弱[16-19]。Beard和Weyl提出了原始孔隙度Ф原始计算公式[20]：

Ф原始=20.91+22.9/So

(1)

式中So——碎屑颗粒粒径累积百分数计算的Trusk系数。

根据式(1)计算得知，初始孔隙度分布在25.3%～38.2%，平均为32.5%；进入三叠纪，埋深加大，储层压实作用增强，原生孔隙逐渐减少。

表1 碎屑岩成岩阶段划分标志(据应凤祥等)[15]

4.1 压实作用对孔隙演化的影响

通过计算剩余粒间孔隙度Ф剩余，继而研究压实作用对研究区砂岩储层原生孔隙的破坏，来定量表征压实作用的强度。

Ф剩余=(粒间面孔率+胶结物溶孔面孔率) ÷总面孔率×分析孔隙度+胶结物含量

(2)

压实作用后减少的孔隙度Ф压实=Ф原始-Ф剩余

(3)

压实作用后孔隙度减少率P=Ф压实/Ф原始×100%

(4)

其中，原始孔隙度通过样品物性分析测试所得。

根据公式计算得知，压实作用使盒8段砂岩孔隙度降低了10.1%～28.3%，平均为20.7%。压实率平均为67.2%。

4.2 胶结、交代作用对孔隙演化的影响

胶结、交代作用的出现占据了储层的孔隙，使得储层物性变差。黏土矿物胶结的形式以绿泥石薄膜和自生高岭石充填粒间孔隙为主，同时薄膜式绿泥石对石英次生加大有抑制作用，保存了部分原生粒间孔。常规物性分析所得的孔隙度就是岩石样品经过胶结、交代后所剩孔隙度。

胶结率=胶结物体积/原始粒间孔隙×100%

(5)

通过胶结率计算公式，结合样品胶结率分析测试得知：研究区盒8段砂岩胶结率为17.3%～75.2%，平均为41.9%，胶结、交代作用造成孔隙度平均降低7.5%。

表2 研究区盒8段砂岩成岩演化序列Table 2 Diagenetic evolution sequence of He8 member sandstone in the research area

4.3 溶蚀作用对孔隙演化的影响

溶蚀作用产生次生孔隙，极大地改善了储层物性。研究区溶蚀作用普遍发生，石英碎屑、岩屑石英砂岩、杂基和胶结物均可发生不同程度的溶蚀现象。

溶蚀作用产生的孔隙度Ф溶蚀= 溶蚀孔面孔率/总面孔率×分析孔隙度

(6)

根据公式计算得知，溶蚀作用产生的孔隙度为1.2%～4.4%，平均为3.2%。

5 结论

(1)研究区陕北斜坡东南部下石盒子组盒8段砂岩岩性以石英砂岩、岩屑石英砂岩为主，其成分成熟度高、结构成熟度低，接触方式以凹凸接触为主。

(2)研究区成岩作用主要经历了压实作用、压溶作用、胶结作用、溶蚀作用、交代作用。其中胶结作用又主要有硅质胶结、碳酸盐胶结、黏土矿物胶结三大类。研究区盒8段砂岩处于中成岩阶段B期。其成岩演化序列为：早期压实作用—压溶作用—硅质胶结—石英次生加大—溶蚀作用—长石、岩屑泥质杂基高岭石化—铁方解石及铁白云石胶结作用。

(3)压实作用和胶结作用是研究区原生孔隙减少的主要作用。随着埋深增大，压实作用增强，原生砂岩孔隙度降低了20.7%，压实率达67.2%；胶结作用使原生孔隙度降低了7.5%；溶蚀作用使孔隙度增大了3.2%，一定程度改善了储层物性。