DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.01.028
洛伊地区三叠系上统致密砂岩储层孔隙特征及物性影响因素
岳绍飞1，黄传炎2, 3，严德天2, 3，刘杰4，李潇鹏2, 3，张静2, 3
(1. 中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江，524057；
2. 中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉，430074；
3. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；
4. 中国科学院 广州能源研究所，广东 广州，510640)
摘要：通过岩心观察、薄片鉴定和扫描电镜分析手段，对洛伊地区三叠系上统储层孔隙特征及物性影响因素进行分析。研究结果表明：研究区岩石类型主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩，砂岩成分成熟度与结构成熟度普遍较低。储层主要发育溶蚀孔、残余粒间孔及微裂缝3种孔隙类型，孔隙吼道分布较不均匀，半径普遍较小，孔喉结构为微孔细吼型。三叠系上统储层孔渗较低，非均质性较强，大多数样品的渗透率低于0.1×10-3 μm2，属低孔特低渗储层。储层特征主要受沉积及成岩作用的控制，三角洲前缘水下分流河道砂体为该区主要的储集砂体。成岩作用过程中胶结作用及压实作用是研究区储层原生孔隙度损失的主要原因，压实作用减孔量达到25.94%，溶蚀作用及交代作用对储层孔渗有较好的建设作用，构造作用所形成的微裂缝为流体运移提供良好的通道，提高了储层的渗流能力。
关键词：洛伊地区；三叠系上统；致密砂岩；成岩作用；沉积作用
中图分类号：TE122.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)01-0208-09
Characteristics of pore evolution and its influencing factors of petrophysical properties of tight sandstone reservoir in
Upper Triassic, Luoyi District
YUE Shaofei1, HUANG Chuanyan2, 3, YAN Detian2, 3, LIU Jie4, LI Xiaopeng2, 3, ZHANG Jing2, 3
(1. Zhanjiang Branch, China National Offshore Oil Corporation, Zhanjiang 524057, China;
2. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, China University of Geosciences,
Wuhan 430074, China;
4. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)
Abstract: On the basis of core observation, slices arbitration and SEM observation, the porosity characteristics and influential factors of Upper Triassic in Luoyi District were analyzed. The results show that the main rocks of the study area are lithic sandstone, feldspathic lithic sandstone and debris-feldspar with medium compositional maturity and lower structure maturity. The pore space of reservoir mainly includes dissolved pore, intergranular pore and micro-crack, the pore throat radius is relatively lesser, and the distribution of pore throat is asymmetrical. The pore configurations are tiny pore and thin throat. The porosity and permeability of the reservoir is lows, and the micro heterogeneity of pore configuration is high. The permeability of most samples is lower than 0.1×10-3 μm2 and the reservoir belongs to low porosity and ultra-low permeability oil reservoir. The characteristics of the reservoir are mainly controlled by sedimentation and diagenesis. The sand body of underwater distributary channel of the delta is the main reservoir sands. The main reasons for the damage of the primary porosity are agglutination and compaction during the diagenesis, and the compaction reduces 25.94% of the primary porosity. Dissolution and metasomatism improve the porosity and permeability of sandstone to some extent. The micro-cracks formed on tectonism provide good channels for the migration of fluid, which also improves the ability of seepage of the reservoir bed.
Key words: Luoyi District; Upper Triassic; tight sandstone; diagenesis; sedimentation
致密砂岩储层，主要针对常规砂岩储层而言，最早是Spencer[1]根据低孔低渗砂岩的埋藏较深而称之为“深层致密砂岩”，目前世界范围内对于致密砂岩没有统一的标准和界限，目前主要将渗透率小于0.1×10-3 μm2。孔隙度小于10%的砂岩称为致密砂岩[2-5]。全球已发现或推测发育致密砂岩气或致密砂岩油的盆地约有110个，预测致密砂岩气资源量为(310~510)×1012 m3，致密砂岩油资源量约为52.8×108 t，致密砂岩油气已成为全球非常规能源发展的重点[6]。中国的致密砂岩储层资源非常丰富，目前已在鄂尔多斯盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、准格尔盆地、吐哈盆地等地区发现致密砂岩油气藏，预测储量规模近7.5×108 t。洛伊地区致密砂岩储层的勘探研究有几十年的历史[7-10]，从完钻的几口探井及地震资料上显示三叠系上统有过油气的形成和运移。河南油田2011年在伊川盆地部署的探井屯1井获日产天然气6 600~7 200 m3[11-12]，目标层位即为三叠系上统，由此可见三叠系上统有巨大的勘探潜力。在此，本文作者从洛伊地区三叠系上统储层岩石学特征、孔隙特征、物性特征分析入手，结合沉积作用、成岩作用及构造作用3个方面综合分析该地区致密砂岩储层的成因，为后续开展储层评价及有利相带的预测提供依据。
1 地质背景
洛伊地区位于河南省中西部，主要发育洛阳盆地和伊川盆地，面积约5 100 km2。构造上地处豫西隆起带，是印支期末在华北地台基础上形成的中新生代断陷盆地，总体呈北东向展布。西南部的伏牛山隆起和东南部的嵩山隆起为该盆地的边界[10, 13]，盆地的发育主要受控于这两大隆起。豫西地区的多期构造活动，对三叠系上统的油气运聚产生极大影响。三叠系上统储集体主要发育三角洲前缘相水下分流河道、河口坝及远砂坝，储层物性较差，是典型的低孔特低渗储层，储集性能受沉积和成岩作用的控制(图1)。
图1 洛伊地区地质背景图
Fig. 1 Geological background of Luoyi District
2 储层岩石学特征
通过对研究区267块薄片观察及统计发现，洛伊地区三叠系上统岩石粒度较细，以中细粒砂岩及粗粉砂岩为主。岩石成分以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩为主，含少量长石砂岩。其中石英质量分数在12%~77%之间；长石类及岩屑类质量分数变化较大，长石质量分数为1%~58%，以酸性斜长石及钾长石为主，岩屑质量分数为7%~78% ，以变质岩岩屑及火成岩岩屑为主，含少量云母(图2)。碎屑颗粒多为次圆次棱状，分选性中等，磨圆度较差，颗粒之间以线接触为主，并见凹凸接触(图3(d)和图3(e))，颗粒支撑结构，胶结类型多以压嵌式胶结和孔隙压嵌式胶结为主。分析得三叠系上统砂岩成分成熟度与结构成熟度均较低。
图2 洛伊地区三叠系上统砂岩分类三角图
Fig. 2 Triangle diagram of sandstone types of Upper Triassic, Luoyi District
3 储层孔隙及物性特征
3.1 孔隙类型
结合三叠系上统薄片观察统计及扫描电镜资料分析得，砂岩的面孔率在0.01%~8.46%之间变化，均值为1.75%，主要的孔隙类型为粒间及粒内溶蚀孔，并含有少量的剩余粒间孔，发育大量的微裂缝。
1) 溶蚀孔隙。研究区砂岩储层中的长石溶蚀作用比较常见，溶蚀粒间孔主要表现为溶蚀扩大，被溶物质多为岩屑颗粒、长石以及碳酸盐胶结物等。另外还存在少量粒内溶孔。部分碎屑颗粒被碳酸盐交代，发生溶蚀作用(图3(b))。
2) 剩余粒间孔隙。砂岩储层沉积过程中接受强烈的压实压溶作用及化学胶结作用改造充填，最终变得致密化，同时伴随成岩过程中生成的菱铁矿、方解石、绿泥石以及石英次生加大充填，使原始粒间孔大量减少，形成剩余粒间孔隙[14](图3(a))。
图3 洛伊地区三叠系上统储层孔隙特征
Fig. 3 Pore characteristics of reservoir of Upper Triassic, Luoyi District
3) 微裂缝。由于洛伊地区受多期构造作用及成岩机械压实作用影响，研究区储层内微裂缝较发育。微裂缝为构造裂缝的一种，是致密砂岩储层重要的储集体，为大规模的流体运移提供了通道，并为次生溶蚀孔隙的产生创造了潜在条件 [15](图3(c))。
3.2 孔隙结构
孔隙结构是指岩石孔隙和喉道的几何形状、尺 寸、分布特征、相互连通关系等，主要受控于储层的沉积环境和成岩演化史。孔隙结构主要影响储层的储渗能力、流体分布、油气产层的产能及采收率，孔隙的喉道尺寸与连通状况直接影响储层的有效性和渗透性[14, 16]。
通过对研究区三叠系上统储集层铸体薄片的孔喉观察分析得，碎屑颗粒吼道发育总体较差，孔隙的平均配位数较低，仅为0.08。不同吼道间的连通性较弱，孔喉条件较差，孔喉比平均值为5.23，随着深度的加大，吼道减少且宽度变小。碎屑颗粒间主要发育微孔隙，占到总孔隙的71.47%。最终分析得研究区的主要孔隙结构类型为微孔细喉型。
3.3 物性特征
从已有探井的物性资料分析得，三叠系上统孔渗普遍较低，孔隙度在0.4%~12.0%之间变化，渗透率为(0.017~19.100)×10-3 μm2，渗透率的变化范围较大，显示较强的非均质性，大多数样品的渗透率低于0.1×10-3 μm2，属低孔特低渗储层。
三叠系上统谭庄组和椿树腰组的孔隙度分布形态较不一致(图4)，其中谭庄组孔隙度主要分布在2%~12%的范围内，占90%以上，峰值集中在2%~4%；而椿树腰组孔隙度主要集中在小于4%的范围内，且50%以上的孔隙度低于2%；谭庄组及椿树腰组的渗透率频率分布直方图形态大体一致，随着渗透率的增大，分布频率锐减。谭庄组的渗透率主要集中在0~0.20× 10-3 μm2，而椿树腰组的渗透率主要集中在0~0.12× 10-3 μm2。
砂岩物性整体表现为渗透率随着孔隙度的增大而升高的趋势，通过对三叠系上统谭庄组及椿树腰组绘制孔渗交汇图(图5)得出：三叠系上统的孔渗相关性较好，相关系数分别为0.6和0.5。
图4 洛伊地区三叠系上统孔渗频率分布直方图
Fig.4 Frequency distribution histograms of porosity and permeability of Upper Triassic, Luoyi District
图5 洛伊地区三叠系上统孔渗交汇图
Fig. 5 Intersection chart between porosity and permeability of Upper Triassic, Luoyi District
4 致密砂岩储层控制因素
致密砂岩的成因首先受控于其形成时期的沉积作用，然后在后期构造演化中受到成岩作用的较大影响，与此同时，构造作用对储层的保存质量也有很大的影响。
4.1 沉积作用
不同沉积微相类型在沉积作用上的不同以及沉积水动力特征上的不同，所形成的砂体在岩相组成、分选、粒度、厚度、内部非均质性以及延伸方向上各具特色，造成不同沉积微相所形成的砂体之间物性差别很大[17-18]。
洛伊地区三叠系上统沉积砂岩类型普遍较细，最粗粒度达到细砂岩，含极少量的含砾细砂岩，说明研究区三叠系上统沉积时期距离物源较远，砂体经过长距离的搬运后沉积。经分析研究得该时期沉积相类型主要为三角洲前缘及滨浅湖、半深湖相沉积。三角洲前缘相主要发育水下分流河道、分流间湾、远砂坝及河口坝等微相类型。
通过对三叠系上统不同沉积微相间孔隙发育情况统计得，较好的储层相带主要发育于水下分流河道，砂岩孔隙度集中在4%~12%，其次为河口坝、远砂坝，分流间湾相的物性较差(图6)。
4.2 成岩作用
成岩作用对三叠系上统储层砂岩孔隙结构的影响主要体现在压实作用、胶结作用、溶蚀作用及交代作用上，其中压实和胶结作用是影响三叠系上统储层孔隙发育的主要因素，溶蚀及交代作用对改善储层孔隙起到一定的作用。
4.2.1 压实作用
压实作用是造成三叠系上统储层物性较差的主要影响因素。通过薄片观察发现，储层颗粒间以线接触为主，其次为凹凸接触。储层碎屑颗粒间塑性颗粒含量较高，对压实强度的增强起到一定的作用(图3(d)，3(e)和3(f))。同时，三叠系上统压实作用强度与其埋深关系明显，导致岩石孔渗随着埋深的增加而急剧变差(图7)。
依据Scherer[19]建立的潮湿地表环境下原始孔隙度P与分选系数Q的关系：
P=20.91+22.9/Q (1)
研究层段的分选系数可依据薄片统计资料统计为1.23，计算得研究层段的原始孔隙度平均为39.53%。砂岩储层主要经历了机械压实和压溶孔隙缩小期、胶结作用孔隙缩小期、溶解作用次生孔隙发育期及晚期胶结孔隙缩小期，从原始沉积时的39.53%降低到2.91%。根据Lundegard提出的砂岩压实作用引起的孔隙度损失量计算公式[20]：
LCOP=Pi-((100-Pi)×Pmc)/(100-Pmc) (2)
式中：Pi为砂岩原始孔隙度；LCOP为压实减孔量；Pmc为负胶结物孔隙度(胶结物总量+现今孔隙度)，可计算出储层压实减孔量。经计算得该区的原生粒间孔隙度损失平均值为25.94%，该区储层砂岩为强压实。
图6 洛伊地区三叠系上统物性与沉积微相交汇图
Fig. 6 Intersection chart between petrophysical and sedimentary microfacies of Upper Triassic, Luoyi District
图7 洛伊地区三叠系孔渗与深度交汇图
Fig. 7 Intersection chart between petrophysical and depth of Upper Triassic, Luoyi District
4.2.2 胶结作用
三叠系上统储层胶结作用较强，胶结物主要是碳酸盐岩、铁泥质、黏土矿物和硅质胶结等，且以方解石为主，白云石及铁白云石含量较少，胶结作用是造成研究区储层低孔低渗的重要原因之一。其中三叠系上统储集层砂岩以接触式胶结为主，颗粒支撑，其次是孔隙式胶结，少量基底式胶结。通过对屯3井三叠系上统55块扫描电镜的分析发现，岩性主要为泥质粉砂岩及细砂岩，孔隙发育较差，主要为少量微孔隙，胶结类型主要为泥灰质胶结及自生石英加大胶结(图3(i)和图3(h))。从屯3井的扫描电镜及对屯1、屯2井的铸体薄片观察均可发现：三叠系上统碳酸盐胶结作用较为严重，造成了储层原生孔隙减少(图8)。
4.2.3 溶蚀及交代作用
溶蚀作用对储层的孔隙结构有很大的改善，是研究区次生孔隙产生的主要原因。通过对铸体薄片和扫描电镜的观察发现：三叠系常见的溶蚀现象包括长石的粒内溶蚀、黏土矿物的溶蚀、碳酸盐胶结物的溶蚀等，其中长石的溶蚀及胶结物的溶蚀是形成次生孔隙的主要来源(图3(b))。
交代作用是指一种矿物代替另一种矿物同时还保持被置换部分的大小和形态的现象[21]，可以发生在成岩作用的各个阶段乃至表生期，是一种能量和物质的守恒。交代作用本身并不能改变储层的物性，但在交代作用过程中交代的碳酸盐(如方解石)在成岩过程中更易被溶解，从而使孔隙变大，储层物性变好，因此，对储层物性具有建设性作用。对该区三叠系上统储层薄片观察发现，砂岩储层中碎屑颗粒被方解石、白云石交代后，形成溶蚀孔，对储层物性改善起到一定的作用(图9)。
4.3 构造作用
洛伊地区三叠系上统自沉积以来经历 3期构造变形(印支、燕山和喜山)，断裂较为发育，按其走向大致可分为北西向、近东西向和北东向3组断裂，其中以早第三纪形成的北东、北东东向正断层(燕山晚期—喜马拉雅期)为主，并有少量北西向展布的逆断层(印支—燕山期)[22]。
图8 碳酸盐含量与渗透率交汇图
Fig. 8 Intersection chart between permeability and carbonate content
图9 碎屑颗粒被方解石和白云石交代
Fig. 9 Metasomatism among calcite, dolomite and clastic sediments
构造运动形成大量的断层，同时在砂岩储层中形成了一系列微裂缝。裂缝的存在为油气提供了有效的储集空间，且从一定程度上提高了致密砂岩储层的渗流能力，成为流体运移的良好通道[14]。通过对洛伊地区取心井的观察，岩心中存在大量的裂缝，且裂缝的含油性较好，含油级别为富含油。通过成像测井资料对三叠系上统储层构造裂缝进行预测和评价(图10)，认为构造裂缝能够在一定程度上改善三叠系上统的储集条件。
图10 洛伊地区三叠系上统裂缝储层成像测井及含油岩心观察
Fig.10 Image logging and core observation of fractured reservoir of Upper Triassic, Luoyi District
5 结论
1) 洛伊地区三叠系上统储层主要以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩为主，长石及岩屑含量较高，砂岩成分成熟度及结构成熟度较低；储集空间类型以溶蚀孔为主，剩余粒间孔次之，发育微裂缝。
2) 研究层段储层孔隙吼道发育总体较差，且吼道直径随着埋深的增加而降低，孔隙结构类型为微孔细吼型。三叠系上统孔渗值较低，孔隙度分布在0.4%~12.0%之间，大多数样品渗透率低于0.1×10-3 μm2，属低孔特低渗储层，孔渗具有较好的相关性。
3) 研究区三叠系上统致密砂岩储层主要受沉积作用、成岩作用及构造作用的影响，其中沉积及成岩作用是主控因素。较好的储层发育于三角洲前缘相的水下分流河道微相，河口坝及远砂坝储层物性较差。在成岩作用过程中，压实及胶结作用较大程度地破坏了储层的原始孔隙，而溶蚀及交代作用在改善储层物性上起一定的作用；构造作用形成的微裂缝为油气的储集提供了良好的空间。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2014-03-18；修回日期：2014-05-17
基金项目(Foundation item)：国家“十二五”科技重大专项(2011ZX05009-002)；国家自然科学基金资助项目(40903032) (Project(2011ZX05009-002) supported by the National Science and Technology Major Project of China during the 12th Five-Year Plan Period; Project(40903032) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：黄传炎，博士，讲师，从事含油气盆地、非常规油气分析和实验室管理和研究；E-mail: yuefei2012@yeah.net
