瑪西斜坡區百口泉組儲層孔隙結構特征及控制因素分析

黃丁杰，于興河，譚程鵬，皇甫致遠，瞿建華，李 輝

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083； 2.中國石油新疆油田分公司 勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依838400）

0 引言

儲層的孔隙結構是指巖石孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關系[1]，它決定疏導介質體系內流體流動和運聚規律[2]，并且受到沉積、成巖、構造等地質作用的綜合影響[3－4].由于砂礫巖儲層物源組分多樣、沉積成因特殊、成巖機理復雜[5]，往往具有獨特的微觀孔隙結構.準確表征砂礫巖儲層孔隙結構特征并理清其控制因素是預測該類儲層有利砂體分布規律的關鍵.

瑪西斜坡區百口泉組是準噶爾盆地中生界找油的重點層系之一[6]，油藏類型以巖性油藏為主，局部為構造—巖性復合油藏，儲層發育在一套近源粗粒扇三角洲沉積體系的砂礫巖中[7].勘探實踐表明，百一段、百二段、百三段為含油層系.人們對該地區的地質研究主要集中于扇體展布和砂礫巖沉積特征的表征[8]、油氣成藏規律及其控制因素分析[9]、儲層基本特征及其控制因素描述[10]、地層異常高壓分布特征與形成機制[11]等，缺乏微觀層次的儲層孔隙結構特征研究.當前研究區的熱點問題為近源粗粒沉積背景下的有利儲層評價與預測，分析百口泉組儲層孔隙結構特征及其控制因素，是預測研究區有利儲層分布、實現油氣勘探突破的關鍵，同時也對其他地區類似儲層研究具有一定的借鑒意義.

筆者以壓汞曲線分析為基礎，分析孔喉特征參數，擬合適用于表征準噶爾盆地西北緣瑪西斜坡區百口泉砂礫巖儲層孔隙結構特征的結構滲流系數.結合鑄體薄片觀察，分析孔隙喉道特征，明確礫巖儲層微觀孔隙特征.結合巖心精細觀察描述、熒光薄片觀察、X線衍射黏土礦物分析，根據沉積成因、成巖機理研究研究區百口泉組儲層微觀孔隙特征的控制因素，提出一套綜合評價方法，以表征復雜砂礫巖儲層的微觀孔隙結構特征.

1 區域地質概況

準噶爾盆地位于中亞增生造山帶的中南部，經歷晚古生代多旋回構造運動，形成現今盆地格局[12－15].瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，西北接烏夏斷裂帶，南與中拐凸起相連，東南部與達巴松凸起及夏鹽凸起接壤，北達石英灘凸起與英西凹陷（見圖1），面積約為5×103km2.晚石炭世，準噶爾盆地周緣海槽收縮閉合，開始進入盆—山構造運動.早二疊世晚期，盆地周緣海槽已全部褶皺成山，并向盆地方向發生沖斷推覆，盆地坳隆格局初具規模，瑪湖凹陷也初現端倪[16－17].二疊紀末，盆地整體抬升遭受剝蝕，在大量同沉積斷裂控制及充足物源供給下，在西北緣瑪湖凹陷西環帶形成近源粗粒扇三角洲群[13，16].根據構造特征及地理位置，將瑪湖凹陷西環帶由北向南劃分為瑪北斜坡、瑪西斜坡、瑪南斜坡，研究區屬于瑪湖凹陷西環帶西斜坡區（見圖1的紅色虛線區域）.該區三疊系地層從下到上劃分為百口泉組（T1b）、克拉瑪依組（T2k）、白堿灘組（T3b），其中百口泉組與下伏二疊系地層為角度不整合接觸.百口泉組從下到上可細分為百一段（T1b1）、百二段（T1b2）和百三段（T1b3）.

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷瑪西斜坡區位置Fig.1 The location of the Baikouquan formation，Maxi slope area，Mahu depression，Junggar basin

瑪西斜坡區三疊系百口泉組發育典型的粗粒扇三角洲沉積，巖性以灰色、灰褐色礫巖為主，且礫巖中泥質含量高，紅褐色和灰綠色泥巖較為常見，砂巖相對較少.礫巖分選較差，磨圓較好，母巖成分以火山巖與變質巖為主，多呈塊狀，沉積構造欠發育，地層厚度為130～240m.物性統計顯示，百一段儲層平均孔隙度為6%～12%，百二段的為4%～10%，百三段的以3%～7%為主.該區構造平緩、儲層致密、底水不活躍，具有良好的頂底板遮擋條件，具備大面積成藏的充分條件，是近年來準噶爾盆地油氣勘探的主要區.

圖2 百口泉組儲層孔隙分布特征Fig.2 Characteristics of the pore distribution of the Baikouquan reservoir

2 孔隙結構特征

2.1 孔隙喉道類型

儲集層的孔隙一般是指未被固體物質充填的較大空間，而喉道是連接相鄰孔隙的狹窄空間[1－2].鑄體薄片鑒定及統計分析表明，瑪西斜坡區百口泉儲層巖石孔隙類型主要為次生溶蝕孔，并且以粒內溶孔為主，分布頻率為45%，粒間溶孔很少.其次為殘余粒間孔，分布頻率為27%，微裂隙、晶間孔亦較發育，分布頻率分別為14%和8%，局部見少量雜基內微孔（見圖2）.主要孔隙類型特征：

（1）粒內溶孔.主要為長石、火山巖巖屑及云母類礦物的溶蝕（見圖3（a）），溶孔多為長條狀、蜂窩狀，部分為窗格狀.局部強烈溶蝕作用下形成鑄模孔或與粒間孔連通，從而較大程度地改善孔滲性.該區粒內溶孔孔徑較小，平均孔徑約為16μm，分布廣泛，并常常與粒間孔隙、微裂隙伴生（見圖3（e））.粒內溶孔是該區主要的儲集空間，在百口泉組廣泛分布.

（2）殘余粒間孔.殘余粒間孔是未被陸源雜基和自生膠結物充填的粒間殘余孔隙（見圖3（b）），多分布在雜基含量低、巖屑顆粒含量少、分選磨圓較好的石英粗砂巖、石英細礫巖中，并常與粒間溶孔、成巖收縮縫伴生形成孔隙組合（見圖3（f））.雖然該區殘余粒間孔數量較少，但其孔徑較大，多在40～100μm之間，并且孔隙形態規則，外形多呈近三角形和四邊形.殘余粒間孔主要分布在百二段和百一段，是該區重要的儲集空間.

（3）微裂隙.主要包括構造縫和成巖收縮縫，是由構造應力和成巖巖石收縮而發育的縫隙.構造縫能將相對較孤立分布的孔隙連通起來，提高砂礫巖的滲透性（見圖3（d））.成巖收縮縫圍繞顆粒形成微裂隙網絡，裂隙寬度較大，能將其他類型孔隙連接起來形成孔隙組合（見圖3（e）），既是該區重要的儲集空間類型，也在油氣滲流過程中起到重要的喉道作用，主要發育在百一段.

（4）晶間孔.主要發育在孔隙充填的不規則片狀綠泥石（見圖3（c））和散片狀高嶺石晶體之間，孔徑較小，需在掃描電鏡下識別.晶間孔對儲集性能貢獻相對較小，但具有較好的連通性，對儲集層的滲流能力有一定的改善作用.晶間孔在該區不太發育，主要分布在百二段和百三段.

（5）喉道.是指巖石顆粒間連通孔隙的狹窄空間，喉道的大小、分布及其幾何形態對油氣在儲層中滲流起主要控制作用[18].根據喉道大小與形態，主要分為4種類型：縮頸喉道、點狀喉道、（彎）片狀喉道、管束狀喉道.瑪西斜坡區百口泉儲層壓實作用較強，縮頸喉道不發育，喉道類型以片狀喉道為主，此類喉道半徑較小，屬于中細喉道，主要起殘余粒間孔與粒間溶蝕孔的內部連通與相互連通作用（見圖3（g））.由于骨架顆粒抗壓實能力較強，溶蝕作用普遍，連通粒內溶蝕孔的喉道中點狀喉道亦較常見（見圖3（h））.點狀喉道半徑較大，屬于中粗喉道.管束狀喉道半徑小，屬于微細喉道，主要起連通晶間孔隙的作用（見圖3（i））.

2.2 孔隙結構參數

壓汞實驗可以為表征孔隙結構特征提供定量參數，對瑪西斜坡區百口泉組7口井50個樣品進行壓汞測試，分析毛管壓力曲線孔隙結構參數，擬合分析最大喉道半徑、中值喉道半徑、排驅壓力、中值壓力、退汞效率、孔喉體積比、非飽和體系分數、分選因數等特征參數與巖石物性的關系.孔隙結構參數整體與孔隙度相關性較差，只有中值喉道半徑與孔隙度有一定的正相關關系，相關因數為0.552 0；最大喉道半徑、中值喉道半徑、分選因數、中值壓力、排驅壓力等結構參數與滲透率相關性較好，相關因數在0.5以上.其中中值喉道半徑與滲透率相關性最好，相關因數達到0.900 3（見圖4（a））.同時，退汞效率與孔喉體積比相關性極好，呈冪指數關系，相關因數達到0.996 5（見圖4（b））.

雖然表征孔隙特征的參數眾多，但缺少一個可以綜合反映孔喉結構與儲層巖石滲流能力關系的參數.分析百口泉組儲層壓汞特征參數與物性關系，發現滲透率與中值孔喉半徑相關性最好，表明中值孔喉半徑對研究區儲層巖石滲透率的貢獻大；孔喉體積比反映孔隙與喉道分布情況，孔喉體積比越大，孔隙結構越好，由于研究區退汞效率與孔喉體積比有極好的負相關關系，因此能反映孔隙喉道結構（圖4（b））；滲透率是流體滲流能力的綜合體現，主要與喉道的大小、迂曲度有關.為了表征孔喉結構對流體滲流能力的影響，給出適用于表征該區孔隙結構的結構滲流系數：

式中：ε為結構滲流系數；Rm為中值喉道半徑；K為滲透率；We為退汞效率.

瑪西斜坡區砂礫巖儲層巖石結構滲流系數主要分布在0.030～63.920μm2之間，與滲透率有很好的二次多項式關系，相關因數達到0.953 3，結構滲流系數隨滲透率的增大而增大（見圖5（a））.百口泉組儲層孔隙度與結構滲流系數也有一定的正相關關系，對應于一定結構滲流系數的滲透率范圍較窄，而孔隙度分布范圍較寬（見圖5（b）），表明結構滲流系數是綜合反映砂礫巖儲層孔隙結構的有效參數.研究區百一段儲層巖石結構滲流系數主要分布在0.075～63.920μm2之間，平均為8.290μm2；百二段儲層的主要分布在0.040～0.830μm2之間，平均為0.240μm2；百三段的主要分布在0.030～0.230μm2之間，平均為0.090μm2.瑪西斜坡區百一段儲層巖石孔隙結構最好，百二段的次之，百三段的較差.

圖4 孔喉結構特征參數關系Fig.4 The relationship between the parameters of pore structure

圖5 研究區儲層結構滲流系數與孔滲關系Fig.5 The relationship between the structure flow factor and porosity and permeability in study area

2.3 孔隙結構類型

壓汞曲線的形態和參數可在一定程度上直觀地表征孔喉的粗細及分選性，是儲層孔隙結構特征和滲流能力的直接反映[19].根據壓汞曲線形態和定量參數范圍，將該區壓汞曲線分為四類（見圖6，其中pc為壓力，SHg為飽和度），結合結構滲流系數、巖心觀察和鑄體薄片分析，相應地將瑪西斜坡區百口泉組儲層孔喉結構分為四類（見表1）.各孔喉結構類型特征：

（1）Ⅰ類孔隙結構.壓汞曲線中間平緩段長，位置靠下、粗歪度，孔喉分選好、半徑大，為Ⅰ類曲線（見圖6（a））；平均結構滲流系數為14.190μm2；巖性以砂質細礫巖、含礫粗砂巖為主；溶孔發育，孔隙類型以殘余粒間孔和粒內溶孔為主，可見微裂隙；喉道類型以片狀喉道、點狀喉道為主；平均最大孔喉半徑為21.01 μm，平均中值喉道半徑為0.60μm，屬粗喉道型；物性好，平均孔隙度為11.94%，平均滲透率為159.29×10－3μm2；主要見于水下分流河道微相.

（2）Ⅱa類孔隙結構.壓汞曲線中間平緩段較長，位置略靠下、較粗歪度，孔喉分選較好、半徑較大，為Ⅱa類曲線（見圖6（b））；平均結構滲流系數為0.410μm2；巖性以細礫巖、含礫粗砂巖為主；溶孔較發育，孔隙類型以粒內溶孔為主，殘余粒間孔次之；喉道類型以點狀喉道為主；平均最大孔喉半徑為2.94μm，平均中值喉道半徑為0.16μm，屬中喉道型；物性較好，平均孔隙度為9.61%，平均滲透率為1.62×10－3μm2；主要見于水下分流河道和河口壩微相.

（3）Ⅱb類孔隙結構.壓汞曲線中間平緩段較短、位置略靠上、較細歪度，孔喉分選較差、半徑較細，為Ⅱb類曲線（見圖6（c））；平均結構滲流系數為0.190μm2；巖性以中礫巖、細礫巖為主；溶孔不太發育，孔隙類型以粒內溶孔為主；喉道類型以點狀喉道、管束狀喉道為主；平均最大孔喉半徑為0.20μm，平均中值喉道半徑為0.09μm，屬細喉道型；物性中等，平均孔隙度為9.16%，平均滲透率為1.25×10－3μm2；主要見于辮狀分支水道微相.

（4）Ⅲ類孔隙結構.壓汞曲線中間平緩段短、位置靠上、細歪度，孔喉分選差、喉道半徑細，為Ⅲ類曲線（見圖6（d））；平均結構滲流系數為0.002μm2；巖性以中礫巖、中細砂巖為主；溶孔不發育，局部可見晶間孔、粒內溶孔；喉道類型以管束狀喉道為主；平均最大孔喉半徑為0.72μm，屬微喉道型；物性較差，平均孔隙度為6.95%，平均滲透率為1.06×10－3μm2；主要見于辮狀分支水道和辮流壩微相.

研究區百一段主要發育Ⅰ類和Ⅱa類孔隙結構，是百口泉組儲層最有利的分布層位；百二段以Ⅱa類和Ⅱb類孔隙結構為主，Ⅲ類孔隙結構亦較發育，是較有利的儲集層段；百三段主要分布Ⅱb類和Ⅲ類孔隙結構，儲集性能較差.

圖6 研究區儲層壓汞曲線類型Fig.6 The types of mercury penetration curves in study area

表1 研究區儲層孔隙結構類型及特征Table 1 The types and characteristics of pore structure in the study area

3 控制因素

儲層的不同孔隙結構是在不同的地質環境下產生的，孔隙結構形成主要受沉積、成巖、構造作用等因素控制[20].分析巖心觀察、鑄體薄片、掃描電鏡等資料，瑪西斜坡區百口泉組砂礫巖裂縫不發育，微觀孔隙結構主要受沉積、成巖作用的控制.

3.1 沉積作用

沉積作用決定碎屑顆粒的成分和大小、基質成分和含量、巖石組構（分選性、磨圓度、支撐形式等）等微觀特性，控制儲集巖的原生孔隙結構特征，對埋藏后期的成巖作用類型和強度亦有重要影響[21].巖相是以巖石結構特征為主反映各微相砂體形成過程，是代表沉積水動力條件變化的能量單元，是巖石類型、顆粒支撐形式、沉積構造、巖石組構特征的綜合反映，因此是反映儲層微觀孔隙結構特征沉積控制因素的重要表現.通過巖心精細觀察，將瑪西斜坡區百口泉組砂礫巖劃分為4種典型的巖相類型（見表2）.

百口泉組巖相特征及其對巖石孔隙結構的控制作用包括：

（1）槽狀交錯層理礫巖相（Gt）的巖性以細礫巖為主，槽狀交錯層理廣泛發育，細礫石顆粒沿紋層面排列，反映水動力方向變化的牽引流沉積，多發育于扇三角洲前緣水下分流河道的中下部.在相對較遠距離的搬運條件下，沉積物經過水流沖刷淘洗作用，礫石分選性和磨圓度較好、基質含量低，結構成熟度較高，殘余粒間孔多發育在礫石顆粒之間，為儲層提供重要的儲集空間，孔隙結構類型以Ⅱa類為主，Ⅰ類和Ⅱb類亦較發育，結構滲流系數較大，主要分布在0.060～2.820μm2之間.

（2）同級顆粒支撐礫巖相（Gsp）的巖性主要為細礫巖，礫石分選性和磨圓度較好，且多相互接觸，構成顆粒支撐形式，沉積構造相對欠發育，反映穩定的水動力條件，主要位于扇三角洲前緣辮狀分支水道的中上部.該巖相經過水流的穩定沖刷淘洗作用，結構成熟度較高，顆粒間泥質雜基含量很少，原生孔隙空間很大，同時又能抵御后期機械壓實作用的進行，原生孔隙結構能得到較好保存，孔喉連通性較好.該巖相多發育Ⅰ類和Ⅱa類孔隙結構，結構滲流系數大，多為1.280～63.920μm2.

（3）基質支撐漂浮礫巖相（Gmf）為高泥質含量的碎屑流沉積，不同粒級的礫石漂浮于基質，發育于扇三角洲端部的碎屑朵體.由于基質含量高，占據大量的原生孔隙空間，殘余粒間孔不發育.基質多為難溶成分，不僅導致粒間溶蝕孔不發育，還阻礙酸性流體的通過，也難以形成粒內溶蝕孔.同時，泥質雜基的潤滑作用導致壓實作用對儲層破壞性增強，使得原生孔隙結構難以保存.該巖相多發育Ⅲ類孔隙結構，結構滲流系數小，主要為0.020～0.050μm2.

（4）板狀交錯層理砂巖相（Sp）巖性以中砂巖、中粗砂巖為主，發育板狀交錯層理，反映順流加積作用，位于水下分流河道上部.該類巖相經過較長時間的沉積分異作用，成分成熟度相對較高.由于粒度較細，顆粒排列較緊密，原生孔隙空間較小，經過后期成巖壓實，巖石變得更致密，孔隙吼道更細小，導致孔隙結構類型以Ⅱb類和Ⅲ類為主，結構滲流系數較小，多分布在0.020～1.040μm2.

3.2 成巖作用

成巖作用通過對儲層孔隙的形成、演化、保存和破壞的影響，控制儲層孔隙結構的后生變化[22].根據鑄體薄片和掃描電鏡觀察，結合X線衍射黏土礦物分析，總結瑪西斜坡區三疊系百口泉組儲層成巖與孔隙演化模式（見圖7）.瑪西斜坡區百口泉組儲層埋深為2.8～4.0km，處于中成巖階段B，對孔隙演化影響最大的是壓實作用，在破壞儲層孔隙結構方面起重要作用.最有利于儲層孔隙結構后生變化的成巖作用為溶蝕作用，其次為成巖收縮作用.膠結作用在研究區儲層孔隙結構后生變化中起到雙重作用.

（1）瑪西斜坡區百口泉儲層埋深在2.8km以上，壓實作用對孔隙結構的改造較強烈.通過鏡下觀察發現，研究區砂礫巖成分成熟度較低，含有大量半塑性的凝灰巖等火山巖巖屑，且泥質雜基含量高，由于壓實作用增強，半塑性碎屑發生變形，碎屑顆粒出現線接觸和凹凸接觸（見圖8（a））.造成粒間孔隙和喉道數量較少，半徑減小，孔隙結構變差.尤其是分布于扇三角洲碎屑朵體的基質支撐礫巖相，壓實作用可以破壞儲層85%以上的原始孔隙結構.

（2）溶蝕作用主要由長石、火山巖屑、黏土礦物等溶蝕所致，其中有機酸對長石的溶解是最重要的溶蝕作用（見圖8（b）），也是研究區儲層粒內溶孔廣泛發育的基礎.由于顆粒間不穩定礦物較少，多為難溶組分，故研究區儲層粒間溶孔不太發育.溶蝕作用增大或新生孔隙空間，對研究區儲層的孔隙結構具有重要的改善作用.

（3）研究區儲層中常見膠結物有沸石類、硅質、碳酸鹽類、自生黏土礦物等（見圖8（c））.膠結作用發育程度受泥質雜基含量的影響較強.對于具有基質支撐結構的礫巖，由于其雜基含量較高，對成巖作用早期碳酸鹽類膠結具有抑制作用，含量較低的膠結物難以抵御機械壓實的進行，導致儲層壓實致密，原生孔隙結構遭到破壞.對于發育于水下分流河道的礫巖，往往具有顆粒支撐結構，泥質雜基含量相對較低，碳酸鹽類、沸石類膠結物常形成于成巖作用早期，往往能減弱壓實作用對儲層孔隙結構的破壞；當膠結物體積分數超過10%時，膠結物往往容易堵塞粒間孔隙空間，抑制流體流動，從而使溶蝕作用難以進行，儲層孔隙結構變差.

（4）對于泥質、粉砂質含量較高的礫巖，在成巖作用過程中，容易失水發生成巖收縮作用，從而圍繞礫石顆粒形成微裂隙或又分支成脈狀，并且常伴隨溶蝕擴大現象.研究區砂礫巖中泥質含量高，在成巖階段，巖石易收縮形成成巖收縮縫，不僅增加儲集空間，更為流體滲流提供重要的通道.尤其是對于基質支撐礫巖相，成巖收縮作用為它提供重要的孔隙空間，是孔隙結構發育的基礎.

圖7 百口泉組儲層成巖及孔隙演化模式Fig.7 Degenetic and pore evolution model of Baikouquan formation

圖8 研究區百口泉組儲層成巖作用特征Fig.8 The characteristics of digenetic of Baikouquan formation in study area

4 結論

（1）準噶爾盆地瑪西斜坡區百口泉組砂礫巖主要發育粒內溶孔，其余為殘余粒間孔、晶間孔、微裂隙等；喉道類型以片狀喉道為主，點狀喉道及管束狀喉道亦較發育.百一段儲層巖石結構滲流系數最大，孔隙結構最好，主要發育Ⅰ類和Ⅱa類孔隙結構；百二段的次之，主要發育Ⅱa類和Ⅱb類孔隙結構；百三段的較差，主要發育Ⅱb類和Ⅲ類孔隙結構.

（2）瑪西斜坡區百口泉組儲層原生孔隙結構主要受沉積作用控制，有利孔隙結構主要分布于槽狀交錯層理礫巖相和同級顆粒支撐礫巖相，基質支撐漂浮礫巖相和板狀交錯層理砂巖相孔隙結構較差.研究區儲層孔隙結構的后生變化主要受成巖作用影響，壓實作用是破壞百口泉組儲層孔隙結構的主要因素，溶蝕作用是改善儲層孔隙結構的最重要原因.

（3）瑪西斜坡區下三疊統百口泉組儲層優質孔隙結構多發育在成巖壓實不太強烈、溶蝕作用廣泛發育的扇三角洲前緣水下分流河道、辮狀分支水道的同級顆粒支撐礫巖相和槽狀交錯層理礫巖相中，可以作為預測和評價有利儲層的基礎.

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