南华北地区上古生界储层影响因素分析

杜建波 田景春 何明喜 张 翔 马荣芳

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石化 河南油田研究院，河南 南阳473132）

南华北地区上古生界为华北克拉通盆地的一部分，残存分布面积5.7×104km2（图1），残存厚度一般为0.4～1.3km，主体发育一套海陆过渡相含煤沉积，为南深北浅的巨型聚煤盆地［1］。储集岩以滨岸砂岩、海陆过渡三角洲砂岩为主，可分为潮道砂体、障壁岛砂体、海滩砂体、三角洲砂体、河流砂体等，其中主要储集砂体（大占砂岩、砂锅窑砂岩、田家沟砂岩、平顶山砂岩等）均具有层位相对稳定的区域性分布规律。虽然南华北地区上古生界砂岩以长石石英砂岩和岩屑长石砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度均较高，并占地层厚度的20.6%～33.2%；但砂岩物性却普遍较差（表1），平均孔隙度为2%～3%，渗透率为0.05×10－3～0.4×10－3μm2。通过对储层发育的影响因素分析，为南华北地区上古生界储层预测、进一步油气勘探奠定基础。

图1 南华北地区上古生界残存展布图Fig.1 Residual stratigraphic distribution of the Upper Paleozoic in the south of North China

表1 南华北地区上古生界砂岩实测物性数据表Table 1 Measured sandstone physical property data of the Upper Paleozoic in the south of North China

1 沉积作用对储层的影响

沉积作用是储层研究的基础。沉积作用不仅在一定程度上决定了储层岩石的原始组分和岩石结构，在宏观上控制储层分布范围［2］，而且影响后期的成岩作用类型和强度，从而形成不同的原始孔隙度和渗透率。

1.1 碎屑岩原始物质组分

南华北地区上古生界碎屑岩物质成分以石英、长石、岩屑为主。其中，石英抗压实能力强，含量高可使得颗粒间的原生粒间孔得以更好地保存；长石溶蚀强度大，含量越高，溶蚀孔隙就越发育；而岩屑和杂基抗压实能力弱，容易充填于碎屑颗粒之间，使储层物性变差。研究表明：岩屑质量分数＞30%时，储层孔隙度一般＜5%；杂基质量分数＞5%时，储层面孔率一般＜5%。

区内晚古生代各时期由于沉积环境不同，多由不同的沉积物质组成，各类组分含量也存在较大差异（表2）。

1.2 结构、形态及分选性

南华北地区上古生界碎屑岩主要包括障壁岛砂岩、潮道砂岩、河流砂岩、三角洲砂岩等。其中，河道储集岩由于河道往复迁移，在平面上呈带状展布；三角洲砂体在平面上则呈朵状展布。储集岩主要为中—细砂岩，物性以低孔－低渗为主。碎屑岩结构及物性分析见表3和图2。

表2 南华北地区二叠系岩石成分Table 2 Rock compositions of the Upper Paleozoic in the south of North China

表3 南华北地区上古生界碎屑岩结构及物性特征Table 3 Clastic structure and physical properties of the Upper Paleozoic in the south of North China

图2 南华北地区二叠系砂岩孔隙度分布直方图Fig.2 Sandstone porosity distribution histogram of the Upper Paleozoic in the south of North China

2 成岩作用对储层的影响

成岩作用是储集空间形成的关键［3］，它影响储集空间的演化过程和储层孔隙结构特征，并最终决定储层物性的好坏。研究表明，南华北地区上古生界砂岩储层储集空间类型主要为孔隙型和裂隙型。按成因可分为原生孔隙、次生孔隙和微裂缝3种类型，包括粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间微孔及颗粒微裂隙等孔隙类型。绝大多数碎屑岩储层都处于晚成岩阶段，成岩作用极强，砂岩致密，物性普遍较差。除强烈的机械压实对原生孔隙的破坏作用较大外；另一重要原因是胶结作用较强，包括泥质胶结、硅质胶结和碳酸盐胶结等。胶结物对原生孔隙起着堵塞作用，成岩作用对碎屑岩储层的影响主要表现在以下方面（图3）。

2.1 压实作用

压实作用是造成沉积物体积收缩、孔隙度减少、岩石致密的主要因素之一。由于埋藏较深，压实作用对研究区上古生界砂岩储层的破坏作用很大［4］。研究结果表明：压实作用对原生粒间孔隙度的损失率一般是60%～70%，最高可达100%；孔隙度的损失量一般是25%～30%，保留下来的原生粒间孔隙度一般为8%～13%。在岩石薄片中，上古生界砂岩碎屑颗粒之间以线接触为主，山西组和太原组甚至可见到凹凸接触和缝合线接触关系，并多见塑性岩屑变形，刚性颗粒（石英、长石等）破裂、错断，以及刚性碎屑（石英、硅质岩屑等）被嵌入到塑性碎屑中的强烈压实现象。但区内有些层段因为砂岩中早期方解石亮晶胶结物充填特别发育，从而抑制了压实作用，其碎屑颗粒多呈点式接触甚至悬浮状，原生孔隙度可高达30%～40%。总体分析区内上古生界压实作用较强，砂岩原生粒间孔隙大部分已经消失，对砂岩物性破坏严重。

图3 南华北地区上古生界成岩序列及孔隙演化Fig.3 Sandstone diagenetic sequence and pore evolution of the Upper Paleozoic in the south of North China

2.2 胶结充填作用

胶结充填作用可造成原生粒间孔和次生孔隙的减少甚至消失，南华北地区上古生界砂岩中的胶结充填作用主要包括各类碳酸盐矿物、自生黏土矿物的充填作用和交代作用，以及石英颗粒次生加大等硅质矿物的充填作用。

2.2.1 碳酸盐矿物和黏土矿物的充填作用

区内各层段砂岩中，碳酸盐胶结物发育广泛，主要包括方解石、白云石、菱铁矿等。由方解石及铁方解石等在岩石中的产出特征来看，存在多期充填，其中，以早期充填为主，晚期次之。但晚期多充填孔洞及裂隙，对砂岩储层物性破坏性大。

自生黏土矿物主要为高岭石和伊利石［5］。高岭石以充填孔隙为主（图4），其次为交代长石等颗粒；伊利石则充填孔隙或沿颗粒边缘分布。区内自生黏土常和泥质杂基混杂，而且分布较普遍，二者质量分数最高可达15%，平均为1.6%～10.2%；由于其占据孔隙空间，堵塞连通喉道，对储层破坏较明显。

图4 高岭石胶结物Fig.4 The kaolinite cements

2.2.2 石英颗粒次生加大及自生石英胶结物

南华北地区探井资料显示，上古生界砂岩硅质胶结作用较为普遍，主要表现为石英颗粒次生加大（图5）和自生石英充填于碎屑颗粒之间。次生加大石英与原生石英颗粒之间边界清晰，镜下常以黏土薄膜加以区分。石英次生加大边一般发育不完全，很少见到环边状。硅质胶结物对砂岩储层物性破坏较大，当自生石英胶结物的质量分数达到4.5%～5%时，砂岩的有效孔隙度即降至3%以下，成为非储层。区内上二叠统平顶山砂岩胶结物中石英的质量分数一般为5%～10%，多以自生加大形式出现在石英颗粒周围，堵塞孔隙，且沉积环境为氧化的酸性水，在成岩过程中基本无石英溶蚀现象，次生孔隙极不发育，整体评价为非储集层。

2.2.3 交代作用

图5 石英次生加大，表面被伊利石溶蚀Fig.5 Surface of the quartz overgrowths dissolved by illite of the Upper Permian Shangshihezi Formation

交代作用是一种矿物替代另一种矿物的作用，其对储层孔隙的发育影响不大。研究区上古生界砂岩中多见胶结物对碎屑颗粒的交代作用和不同胶结物之间的交代作用。硅质胶结物与碳酸盐胶结物交代碎屑颗粒，主要交代石英、长石颗粒，并沿其边缘及裂隙进行交代，程度由较弱至强烈均有。此外，黏土矿物对碎屑颗粒也有交代作用，程度相对较弱，正交镜下可见到黏土物质与被交代颗粒相互穿插，模糊不清。

2.3 溶蚀作用

溶蚀作用可改善储层储集空间［6］。南华北地区上古生界溶蚀作用可细分为碎屑颗粒溶蚀和填隙物溶蚀。其中，以碎屑颗粒溶蚀为主（多发生于长石和岩屑颗粒中），使砂岩产生各种溶蚀孔隙，如粒间溶蚀孔隙、粒内溶蚀孔隙及晶间溶蚀孔隙等（图6）。填隙物溶蚀则主要是指充填的碳酸盐矿物（方解石、白云石）溶蚀，可产生大量次生孔隙。

图6 石英次生加大普遍，粒间溶蚀孔隙形态不规则Fig.6 Quartz overgrowths，intergranular dissolution pores in irregular shape

溶蚀所产生的次生孔隙在南华北地区主要包括以下2种情况：（1）在煤层上下的砂岩及含有机质较高的厚层泥岩所夹的砂岩中，由于有机质脱羧基作用使泥岩及煤层附近成岩环境呈酸性，长石、黑云母及已形成的碳酸盐发生溶解，形成次生孔隙，故其孔隙度比远离煤层的砂层要高。（2）构造运动的抬升作用使砂岩受地表水淋滤，因介质呈酸性，从而使得碳酸盐和长石被溶解形成次生孔隙。南华北晚古生代大型聚煤盆地经历了多阶段的构造抬升，为次生孔隙发育奠定了基础，因此，寻找致密砂岩背景下的次生孔隙发育带是油气勘探的重点之一。

3 构造演化对储层的影响

3.1 构造演化对储集体类型的控制

通过对南华北地区上古生界沉积演化过程分析，发现不同构造演化阶段导致沉积盆地类型及性质不同，从而也导致不同阶段储集体的成因类型不同。如晚古生代，南华北大部分地区由早古生代的碳酸盐岩克拉通盆地演变为碎屑岩克拉通盆地，盆地内储集体也由早古生代的碳酸盐岩储集体（礁滩相、白云岩及喀斯特储层等）转变为晚古生代的陆源碎屑岩储集体（海陆过渡三角洲砂体、潮坪砂体、河流湖泊三角洲砂体等）。

3.2 构造演化对储层物性改造的控制

构造运动对储集岩会产生“外生裂隙”，可以调节储层的主干通道和储集空间。因此，一定程度的构造运动是储层物性性能改善的有利条件；但剧烈的构造运动可能会使储集岩发生塑性形变，从而破坏先期裂隙的中枢网络结构，阻塞裂隙通道，使得储集岩渗透率大为降低，油气难以运聚。总体分析认为，南华北地区构造对储层物性的影响以“建设性”为主。如煤田钻孔涌水量统计（表4）表明：砂岩裂缝是区内上古生界重要的储集类型，研究构造（微）裂缝的分布规律、产出状态、规模大小及成因机理，落实构造（微）裂缝发育“甜点区”，是油气勘探的重点研究方向之一。

3.3 构造演化对圈闭的控制作用

南华北盆地经历了多期次和多种类构造的改造与叠加，最终形成了伸展、挤压、反转等多种类型的构造样式［7］。其中与伸展构造相关的滚动背斜、翘倾断块以及与挤压构造相关的挤压背斜、挤压断鼻和倒转褶皱等构造，为最终油气的聚集提供了场所，为圈闭的形成创造了条件［8］。如区内伊川凹陷的西部地区位于石门上冲断层的上盘，地层剥蚀严重；东部地区位于石门上冲断层的下盘，石炭—二叠—三叠系保存最好，并在3001和4001孔的上三叠统见良好油气显示，综合评价认为是油气勘探的有利区块。

4 结论

南华北地区晚古生代为大型聚煤盆地，具有较大的油气资源潜力，油气勘探突破的关键因素就是储层和后期保存。

a.南华北地区上古生界储集岩以滨岸砂岩、海陆过渡三角洲砂岩为主，其中三角洲砂体和河流砂体是其主要储集砂体，并具有层位展布稳定、区域广泛分布的特征。

b.南华北地区上古生界储层物性主要受沉积、成岩及构造演化的影响。其中，海陆过渡相三角洲沉积决定了区内储集岩主要为中—细砂岩，物性以低孔－低渗为主；成岩作用影响储集空间的演化过程和储层孔隙结构特征，区内储集空间类型以孔隙型和裂隙型为主；区内构造演化对储层物性的影响以“建设性”为主。

表4 南华北地区上古生界涌水情况统计Table 4 Water inflow table of the Upper Paleozoic in the south of North China

c.南华北地区上古生界油气勘探应以岩性圈闭为主，在一定程度上开展致密砂岩岩性油气藏勘探是其首选方向。

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