低滲特低滲砂巖儲層成巖作用及成巖相研究進展

張中欣

（中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南250013）

現今，我國陸上大部分盆地的油氣勘探工作已進入地層-巖性油氣藏的新階段。勘探深度由最初的淺層、中層逐漸向深層、超深層過渡發展，相應的儲集層也由常規的高孔高滲的碎屑儲層向低滲特低滲砂巖、碳酸鹽巖及火山巖轉變。但從根本上說，富集在3大類儲集體中的油氣主要還是受成巖相、沉積相和巖漿巖相的控制。由于低滲特低滲砂巖儲層的特殊性及復雜性，其成巖作用及成巖相是決定儲層油氣富集和儲集性能的關鍵因素[1]。低滲及超低滲砂巖油田開發中表現出滲流阻力大、存在啟動壓力梯度、自然產能低、吸水能力差、含水上升快、儲層動用狀況差等特征。產生這些現象的根本原因在于低滲及特低滲砂巖儲層孔隙結構的特殊性。孔隙度反映巖石存儲流體的能力，是儲層儲集性能的反映；滲透率反映巖石允許流體通過的能力，是儲層滲濾性能的反映。在低滲透油氣資源勘探開發中還存在油氣藏識別難、油氣層判別難、油層孔喉小、比表面積大、滲透率低、具啟動壓力梯度、利用天然能量開采壓力和產量下降快、油井注水效果緩慢、見水后產液指數下降快、沿裂縫方向水竄和水淹嚴重等制約因素。低滲特低滲致密砂巖儲層多發育天然裂縫，儲層非均質強，研究低滲特低滲砂巖儲層成巖作用是開發低滲透油氣資源的關鍵。

1 低滲特低滲砂巖儲層成巖作用定義、類型及特征

儲層成巖作用是儲層碎屑沉積物在沉積作用發生之后，到沉積物發生變質作用之前或因構造運動重新抬升到地表遭受風化以前所發生的一切作用。成巖作用是一個十分復雜且十分漫長的地質作用過程，在整個過程中，原始沉積環境、沉積作用后的成巖環境、流體的流動、儲層中自生礦物的沉淀與溶解等多種地質因素共同影響著成巖作用[2]。針對低滲特低滲儲層，通過查閱文獻及鑄體薄片、陰極發光、掃描電鏡等先進實驗手段，分析總結出了4種主要成巖作用類型。

1.1 壓實作用

壓實作用是造成儲層原始孔隙度迅速損失與破壞的主要成巖作用之一。低滲特低滲儲層壓實作用強，其顯著特點是砂巖碎屑顆粒受壓力作用影響導致密度變大并且定向排列，軟組分成分變形明顯，儲層物性逐漸變差（圖1）。

圖1 壓實作用巖石顯微特征

1.2 膠結作用

膠結作用在低滲特低滲砂巖儲層當中也較為發育，且膠結物成分復雜，一般來說主要分為3種類型：碳酸鹽巖膠結、黏土礦物膠結和硅質膠結。膠結作用對儲層具有雙重作用，一方面降低儲層物性且大大增強儲層的非均質性，另一方面提高了碎屑顆粒的抗壓實能力。

1.2.1 碳酸鹽巖膠結

碳酸鹽膠結作用主要包括方解石、鐵方解石、白云石、鐵白云石等膠結作用。在成巖作用早期，長石類碎屑在酸性環境下溶蝕析出Ca2+。隨成巖階段進行到中成巖A期，儲層開始向堿性環境過渡，游離于流體中的Fe3+向Fe2+轉化，在還原環境中溶解于流體中的CO2與鈣離子、二價鐵離子及鎂離子發生沉淀作用，形成鐵方解石或鐵白云石。

1.2.2 黏土礦物膠結

黏土礦物是反映低滲特低滲砂巖儲層沉積環境、成巖演化指向、油氣成藏條件的主要標志之一。與此同時，黏土礦物也是砂巖中一種較為重要的填隙物。其中，高嶺石、綠泥石、伊利石膠結作用是儲層成巖作用研究的重點。

1.2.2.1 高嶺石

高嶺石多充填于儲層孔隙顆粒之間，掃描電鏡下觀察呈蠕蟲狀或書頁狀集合體。自生高嶺石的形成同樣對儲層物性具有雙重作用，一方面減小儲層的孔隙度，另一方面與高嶺石相伴生的溶蝕作用在一定程度上提高了儲層孔隙度。

1.2.2.2 綠泥石

膠結過程中，綠泥石通常有2種存在形式：一種是成巖早期形成的、以垂直于顆粒表面生長的孔隙襯墊式生長；一種是成巖作用晚期形成的、以玫瑰花狀孔充填在孔隙之間。

1.2.2.3 伊利石

通過鑄體薄片及掃描電鏡觀察，伊利石通常呈絲狀或搭橋狀分布于顆粒之間，并且多與綠泥石、碳酸鹽巖、硅質等相伴生（表1）。

1.2.3 硅質膠結

儲層中最常見的膠結物是石英。石英的次生加大充填了儲層的儲集空間，使得儲層孔隙度、滲透率降低，同時使得滲流能力變差，儲層致密化加重。

1.3 溶蝕作用

前人研究認為，低滲特低滲砂巖儲層當中的溶蝕作用主要與深部地層有機質成熟過程中產生的酸性流體介質有關[3]。

表1 伊利石結形成機制

隨著泥巖的進一步壓實，酸性介質逐漸進入相鄰的砂巖當中，這使得砂巖中的易溶組分開始強烈溶蝕，因而形成了大量的溶蝕孔，這極大地改善了儲層的物性（圖2）。

圖2 溶蝕作用巖石顯微特征

1.4 交代作用

交代作用是一種礦物代替另一種礦物（2種礦物成分不同）的現象，在成巖作用任何階段都有可能發生。交代作用主要反映了不同成巖時期自生礦物的生成次序，主要表現為原生礦物或早期膠結物被后期膠結物選擇性交代[4]。

2 低滲特低滲砂巖儲層成巖相研究

如今，國內外關于低滲特低滲砂巖儲層成巖相的定義有著較大分歧，但大體主要涉及2個方面的研究內容，分別是在特定的成巖環境中形成的成巖產物，以及沉積物在埋藏過程中特定的物理和化學環境中，在一定因素的作用下（構造、流體），經歷成巖作用和成巖演化階段的產物[5]。

成巖相是沉積物在特定的成巖環境中形成的成巖產物的綜合概括，其中包含了大量的地質信息，分別是成巖作用的過程、種類、成巖環境、成巖事件等。結合國內外專家學者的研究成果，可將成巖相在油氣勘探中的應用歸納為以下幾種類型[6-7]。

2.1 恢復儲層的孔隙演化歷史

由于低滲特低滲儲層在埋藏過程中經歷了十分復雜的成巖作用，因此其微觀孔隙結構特征受成巖作用影響很大。不同沉積環境中的不同成巖相，由于經歷了不同類型的成巖作用，其強度及類型也不盡相同，所以形成的儲層孔隙結構及滲流特征也相差較大。對低滲特低滲砂巖儲層成巖相的研究將有助于恢復儲層的孔隙演化歷史，進而為下一步的儲層評價工作打好基礎。

2.2 儲層評價與預測

儲層評價是油氣田勘探開發過程中非常重要的一項工作，憑借對沉積相、構造相、成巖相的精準把握，就可以判斷出研究區內優質儲層及含油有利區的分布。一般來說，沉積作用和構造作用在宏觀上控制著儲層砂體的分布，而成巖相則控制著優質儲層的分布。將成巖相進行剖面上和平面的上的分析解釋，綜合利用測井、錄井、巖心分析實驗、鑄體薄片、掃描電鏡等先進實驗方法，就可對研究區優質儲層進行評價和預測，從而對油氣田勘探開發起到指導作用。

2.3 對層序地層學、巖相古地理學的指導作用

在層序地層學的研究當中，不同部位的層序以及層序界面的成巖現象具有一定的規律性，不同層序底層控制了不同成巖作用的類型和特征。因此可利用成巖相指導層序地層學的相關分析解釋。在巖相古地理學科中，通過對成巖相的研究可為恢復古地理特征提供證據，也可為古地貌特征恢復提供解釋。

3 結束語

通過對低滲特低滲砂巖儲層成巖作用及成巖相的研究，認為主要的成巖作用類型有壓實作用、膠結作用、交代作用和溶蝕作用，明確了成巖作用的主要類型及特征，并對成巖相的分類依據、方法、命名方案及應用方向進行概述。這為我國低滲特低滲油氣田勘探開發奠定了堅實的基礎，為油氣田增儲上產提供了可靠的依據。