玛西斜坡区百口泉组储层孔隙结构特征及控制因素分析

黄丁杰，于兴河，谭程鹏，皇甫致远，瞿建华，李 辉

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083； 2.中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依838400）

0 引言

储层的孔隙结构是指岩石孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系[1]，它决定疏导介质体系内流体流动和运聚规律[2]，并且受到沉积、成岩、构造等地质作用的综合影响[3－4].由于砂砾岩储层物源组分多样、沉积成因特殊、成岩机理复杂[5]，往往具有独特的微观孔隙结构.准确表征砂砾岩储层孔隙结构特征并理清其控制因素是预测该类储层有利砂体分布规律的关键.

玛西斜坡区百口泉组是准噶尔盆地中生界找油的重点层系之一[6]，油藏类型以岩性油藏为主，局部为构造—岩性复合油藏，储层发育在一套近源粗粒扇三角洲沉积体系的砂砾岩中[7].勘探实践表明，百一段、百二段、百三段为含油层系.人们对该地区的地质研究主要集中于扇体展布和砂砾岩沉积特征的表征[8]、油气成藏规律及其控制因素分析[9]、储层基本特征及其控制因素描述[10]、地层异常高压分布特征与形成机制[11]等，缺乏微观层次的储层孔隙结构特征研究.当前研究区的热点问题为近源粗粒沉积背景下的有利储层评价与预测，分析百口泉组储层孔隙结构特征及其控制因素，是预测研究区有利储层分布、实现油气勘探突破的关键，同时也对其他地区类似储层研究具有一定的借鉴意义.

笔者以压汞曲线分析为基础，分析孔喉特征参数，拟合适用于表征准噶尔盆地西北缘玛西斜坡区百口泉砂砾岩储层孔隙结构特征的结构渗流系数.结合铸体薄片观察，分析孔隙喉道特征，明确砾岩储层微观孔隙特征.结合岩心精细观察描述、荧光薄片观察、X线衍射黏土矿物分析，根据沉积成因、成岩机理研究研究区百口泉组储层微观孔隙特征的控制因素，提出一套综合评价方法，以表征复杂砂砾岩储层的微观孔隙结构特征.

1 区域地质概况

准噶尔盆地位于中亚增生造山带的中南部，经历晚古生代多旋回构造运动，形成现今盆地格局[12－15].玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，西北接乌夏断裂带，南与中拐凸起相连，东南部与达巴松凸起及夏盐凸起接壤，北达石英滩凸起与英西凹陷（见图1），面积约为5×103km2.晚石炭世，准噶尔盆地周缘海槽收缩闭合，开始进入盆—山构造运动.早二叠世晚期，盆地周缘海槽已全部褶皱成山，并向盆地方向发生冲断推覆，盆地坳隆格局初具规模，玛湖凹陷也初现端倪[16－17].二叠纪末，盆地整体抬升遭受剥蚀，在大量同沉积断裂控制及充足物源供给下，在西北缘玛湖凹陷西环带形成近源粗粒扇三角洲群[13，16].根据构造特征及地理位置，将玛湖凹陷西环带由北向南划分为玛北斜坡、玛西斜坡、玛南斜坡，研究区属于玛湖凹陷西环带西斜坡区（见图1的红色虚线区域）.该区三叠系地层从下到上划分为百口泉组（T1b）、克拉玛依组（T2k）、白碱滩组（T3b），其中百口泉组与下伏二叠系地层为角度不整合接触.百口泉组从下到上可细分为百一段（T1b1）、百二段（T1b2）和百三段（T1b3）.

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷玛西斜坡区位置Fig.1 The location of the Baikouquan formation，Maxi slope area，Mahu depression，Junggar basin

玛西斜坡区三叠系百口泉组发育典型的粗粒扇三角洲沉积，岩性以灰色、灰褐色砾岩为主，且砾岩中泥质含量高，红褐色和灰绿色泥岩较为常见，砂岩相对较少.砾岩分选较差，磨圆较好，母岩成分以火山岩与变质岩为主，多呈块状，沉积构造欠发育，地层厚度为130～240m.物性统计显示，百一段储层平均孔隙度为6%～12%，百二段的为4%～10%，百三段的以3%～7%为主.该区构造平缓、储层致密、底水不活跃，具有良好的顶底板遮挡条件，具备大面积成藏的充分条件，是近年来准噶尔盆地油气勘探的主要区.

图2 百口泉组储层孔隙分布特征Fig.2 Characteristics of the pore distribution of the Baikouquan reservoir

2 孔隙结构特征

2.1 孔隙喉道类型

储集层的孔隙一般是指未被固体物质充填的较大空间，而喉道是连接相邻孔隙的狭窄空间[1－2].铸体薄片鉴定及统计分析表明，玛西斜坡区百口泉储层岩石孔隙类型主要为次生溶蚀孔，并且以粒内溶孔为主，分布频率为45%，粒间溶孔很少.其次为残余粒间孔，分布频率为27%，微裂隙、晶间孔亦较发育，分布频率分别为14%和8%，局部见少量杂基内微孔（见图2）.主要孔隙类型特征：

（1）粒内溶孔.主要为长石、火山岩岩屑及云母类矿物的溶蚀（见图3（a）），溶孔多为长条状、蜂窝状，部分为窗格状.局部强烈溶蚀作用下形成铸模孔或与粒间孔连通，从而较大程度地改善孔渗性.该区粒内溶孔孔径较小，平均孔径约为16μm，分布广泛，并常常与粒间孔隙、微裂隙伴生（见图3（e））.粒内溶孔是该区主要的储集空间，在百口泉组广泛分布.

（2）残余粒间孔.残余粒间孔是未被陆源杂基和自生胶结物充填的粒间残余孔隙（见图3（b）），多分布在杂基含量低、岩屑颗粒含量少、分选磨圆较好的石英粗砂岩、石英细砾岩中，并常与粒间溶孔、成岩收缩缝伴生形成孔隙组合（见图3（f））.虽然该区残余粒间孔数量较少，但其孔径较大，多在40～100μm之间，并且孔隙形态规则，外形多呈近三角形和四边形.残余粒间孔主要分布在百二段和百一段，是该区重要的储集空间.

（3）微裂隙.主要包括构造缝和成岩收缩缝，是由构造应力和成岩岩石收缩而发育的缝隙.构造缝能将相对较孤立分布的孔隙连通起来，提高砂砾岩的渗透性（见图3（d））.成岩收缩缝围绕颗粒形成微裂隙网络，裂隙宽度较大，能将其他类型孔隙连接起来形成孔隙组合（见图3（e）），既是该区重要的储集空间类型，也在油气渗流过程中起到重要的喉道作用，主要发育在百一段.

（4）晶间孔.主要发育在孔隙充填的不规则片状绿泥石（见图3（c））和散片状高岭石晶体之间，孔径较小，需在扫描电镜下识别.晶间孔对储集性能贡献相对较小，但具有较好的连通性，对储集层的渗流能力有一定的改善作用.晶间孔在该区不太发育，主要分布在百二段和百三段.

（5）喉道.是指岩石颗粒间连通孔隙的狭窄空间，喉道的大小、分布及其几何形态对油气在储层中渗流起主要控制作用[18].根据喉道大小与形态，主要分为4种类型：缩颈喉道、点状喉道、（弯）片状喉道、管束状喉道.玛西斜坡区百口泉储层压实作用较强，缩颈喉道不发育，喉道类型以片状喉道为主，此类喉道半径较小，属于中细喉道，主要起残余粒间孔与粒间溶蚀孔的内部连通与相互连通作用（见图3（g））.由于骨架颗粒抗压实能力较强，溶蚀作用普遍，连通粒内溶蚀孔的喉道中点状喉道亦较常见（见图3（h））.点状喉道半径较大，属于中粗喉道.管束状喉道半径小，属于微细喉道，主要起连通晶间孔隙的作用（见图3（i））.

2.2 孔隙结构参数

压汞实验可以为表征孔隙结构特征提供定量参数，对玛西斜坡区百口泉组7口井50个样品进行压汞测试，分析毛管压力曲线孔隙结构参数，拟合分析最大喉道半径、中值喉道半径、排驱压力、中值压力、退汞效率、孔喉体积比、非饱和体系分数、分选因数等特征参数与岩石物性的关系.孔隙结构参数整体与孔隙度相关性较差，只有中值喉道半径与孔隙度有一定的正相关关系，相关因数为0.552 0；最大喉道半径、中值喉道半径、分选因数、中值压力、排驱压力等结构参数与渗透率相关性较好，相关因数在0.5以上.其中中值喉道半径与渗透率相关性最好，相关因数达到0.900 3（见图4（a））.同时，退汞效率与孔喉体积比相关性极好，呈幂指数关系，相关因数达到0.996 5（见图4（b））.

虽然表征孔隙特征的参数众多，但缺少一个可以综合反映孔喉结构与储层岩石渗流能力关系的参数.分析百口泉组储层压汞特征参数与物性关系，发现渗透率与中值孔喉半径相关性最好，表明中值孔喉半径对研究区储层岩石渗透率的贡献大；孔喉体积比反映孔隙与喉道分布情况，孔喉体积比越大，孔隙结构越好，由于研究区退汞效率与孔喉体积比有极好的负相关关系，因此能反映孔隙喉道结构（图4（b））；渗透率是流体渗流能力的综合体现，主要与喉道的大小、迂曲度有关.为了表征孔喉结构对流体渗流能力的影响，给出适用于表征该区孔隙结构的结构渗流系数：

式中：ε为结构渗流系数；Rm为中值喉道半径；K为渗透率；We为退汞效率.

玛西斜坡区砂砾岩储层岩石结构渗流系数主要分布在0.030～63.920μm2之间，与渗透率有很好的二次多项式关系，相关因数达到0.953 3，结构渗流系数随渗透率的增大而增大（见图5（a））.百口泉组储层孔隙度与结构渗流系数也有一定的正相关关系，对应于一定结构渗流系数的渗透率范围较窄，而孔隙度分布范围较宽（见图5（b）），表明结构渗流系数是综合反映砂砾岩储层孔隙结构的有效参数.研究区百一段储层岩石结构渗流系数主要分布在0.075～63.920μm2之间，平均为8.290μm2；百二段储层的主要分布在0.040～0.830μm2之间，平均为0.240μm2；百三段的主要分布在0.030～0.230μm2之间，平均为0.090μm2.玛西斜坡区百一段储层岩石孔隙结构最好，百二段的次之，百三段的较差.

图4 孔喉结构特征参数关系Fig.4 The relationship between the parameters of pore structure

图5 研究区储层结构渗流系数与孔渗关系Fig.5 The relationship between the structure flow factor and porosity and permeability in study area

2.3 孔隙结构类型

压汞曲线的形态和参数可在一定程度上直观地表征孔喉的粗细及分选性，是储层孔隙结构特征和渗流能力的直接反映[19].根据压汞曲线形态和定量参数范围，将该区压汞曲线分为四类（见图6，其中pc为压力，SHg为饱和度），结合结构渗流系数、岩心观察和铸体薄片分析，相应地将玛西斜坡区百口泉组储层孔喉结构分为四类（见表1）.各孔喉结构类型特征：

（1）Ⅰ类孔隙结构.压汞曲线中间平缓段长，位置靠下、粗歪度，孔喉分选好、半径大，为Ⅰ类曲线（见图6（a））；平均结构渗流系数为14.190μm2；岩性以砂质细砾岩、含砾粗砂岩为主；溶孔发育，孔隙类型以残余粒间孔和粒内溶孔为主，可见微裂隙；喉道类型以片状喉道、点状喉道为主；平均最大孔喉半径为21.01 μm，平均中值喉道半径为0.60μm，属粗喉道型；物性好，平均孔隙度为11.94%，平均渗透率为159.29×10－3μm2；主要见于水下分流河道微相.

（2）Ⅱa类孔隙结构.压汞曲线中间平缓段较长，位置略靠下、较粗歪度，孔喉分选较好、半径较大，为Ⅱa类曲线（见图6（b））；平均结构渗流系数为0.410μm2；岩性以细砾岩、含砾粗砂岩为主；溶孔较发育，孔隙类型以粒内溶孔为主，残余粒间孔次之；喉道类型以点状喉道为主；平均最大孔喉半径为2.94μm，平均中值喉道半径为0.16μm，属中喉道型；物性较好，平均孔隙度为9.61%，平均渗透率为1.62×10－3μm2；主要见于水下分流河道和河口坝微相.

（3）Ⅱb类孔隙结构.压汞曲线中间平缓段较短、位置略靠上、较细歪度，孔喉分选较差、半径较细，为Ⅱb类曲线（见图6（c））；平均结构渗流系数为0.190μm2；岩性以中砾岩、细砾岩为主；溶孔不太发育，孔隙类型以粒内溶孔为主；喉道类型以点状喉道、管束状喉道为主；平均最大孔喉半径为0.20μm，平均中值喉道半径为0.09μm，属细喉道型；物性中等，平均孔隙度为9.16%，平均渗透率为1.25×10－3μm2；主要见于辫状分支水道微相.

（4）Ⅲ类孔隙结构.压汞曲线中间平缓段短、位置靠上、细歪度，孔喉分选差、喉道半径细，为Ⅲ类曲线（见图6（d））；平均结构渗流系数为0.002μm2；岩性以中砾岩、中细砂岩为主；溶孔不发育，局部可见晶间孔、粒内溶孔；喉道类型以管束状喉道为主；平均最大孔喉半径为0.72μm，属微喉道型；物性较差，平均孔隙度为6.95%，平均渗透率为1.06×10－3μm2；主要见于辫状分支水道和辫流坝微相.

研究区百一段主要发育Ⅰ类和Ⅱa类孔隙结构，是百口泉组储层最有利的分布层位；百二段以Ⅱa类和Ⅱb类孔隙结构为主，Ⅲ类孔隙结构亦较发育，是较有利的储集层段；百三段主要分布Ⅱb类和Ⅲ类孔隙结构，储集性能较差.

图6 研究区储层压汞曲线类型Fig.6 The types of mercury penetration curves in study area

表1 研究区储层孔隙结构类型及特征Table 1 The types and characteristics of pore structure in the study area

3 控制因素

储层的不同孔隙结构是在不同的地质环境下产生的，孔隙结构形成主要受沉积、成岩、构造作用等因素控制[20].分析岩心观察、铸体薄片、扫描电镜等资料，玛西斜坡区百口泉组砂砾岩裂缝不发育，微观孔隙结构主要受沉积、成岩作用的控制.

3.1 沉积作用

沉积作用决定碎屑颗粒的成分和大小、基质成分和含量、岩石组构（分选性、磨圆度、支撑形式等）等微观特性，控制储集岩的原生孔隙结构特征，对埋藏后期的成岩作用类型和强度亦有重要影响[21].岩相是以岩石结构特征为主反映各微相砂体形成过程，是代表沉积水动力条件变化的能量单元，是岩石类型、颗粒支撑形式、沉积构造、岩石组构特征的综合反映，因此是反映储层微观孔隙结构特征沉积控制因素的重要表现.通过岩心精细观察，将玛西斜坡区百口泉组砂砾岩划分为4种典型的岩相类型（见表2）.

百口泉组岩相特征及其对岩石孔隙结构的控制作用包括：

（1）槽状交错层理砾岩相（Gt）的岩性以细砾岩为主，槽状交错层理广泛发育，细砾石颗粒沿纹层面排列，反映水动力方向变化的牵引流沉积，多发育于扇三角洲前缘水下分流河道的中下部.在相对较远距离的搬运条件下，沉积物经过水流冲刷淘洗作用，砾石分选性和磨圆度较好、基质含量低，结构成熟度较高，残余粒间孔多发育在砾石颗粒之间，为储层提供重要的储集空间，孔隙结构类型以Ⅱa类为主，Ⅰ类和Ⅱb类亦较发育，结构渗流系数较大，主要分布在0.060～2.820μm2之间.

（2）同级颗粒支撑砾岩相（Gsp）的岩性主要为细砾岩，砾石分选性和磨圆度较好，且多相互接触，构成颗粒支撑形式，沉积构造相对欠发育，反映稳定的水动力条件，主要位于扇三角洲前缘辫状分支水道的中上部.该岩相经过水流的稳定冲刷淘洗作用，结构成熟度较高，颗粒间泥质杂基含量很少，原生孔隙空间很大，同时又能抵御后期机械压实作用的进行，原生孔隙结构能得到较好保存，孔喉连通性较好.该岩相多发育Ⅰ类和Ⅱa类孔隙结构，结构渗流系数大，多为1.280～63.920μm2.

（3）基质支撑漂浮砾岩相（Gmf）为高泥质含量的碎屑流沉积，不同粒级的砾石漂浮于基质，发育于扇三角洲端部的碎屑朵体.由于基质含量高，占据大量的原生孔隙空间，残余粒间孔不发育.基质多为难溶成分，不仅导致粒间溶蚀孔不发育，还阻碍酸性流体的通过，也难以形成粒内溶蚀孔.同时，泥质杂基的润滑作用导致压实作用对储层破坏性增强，使得原生孔隙结构难以保存.该岩相多发育Ⅲ类孔隙结构，结构渗流系数小，主要为0.020～0.050μm2.

（4）板状交错层理砂岩相（Sp）岩性以中砂岩、中粗砂岩为主，发育板状交错层理，反映顺流加积作用，位于水下分流河道上部.该类岩相经过较长时间的沉积分异作用，成分成熟度相对较高.由于粒度较细，颗粒排列较紧密，原生孔隙空间较小，经过后期成岩压实，岩石变得更致密，孔隙吼道更细小，导致孔隙结构类型以Ⅱb类和Ⅲ类为主，结构渗流系数较小，多分布在0.020～1.040μm2.

3.2 成岩作用

成岩作用通过对储层孔隙的形成、演化、保存和破坏的影响，控制储层孔隙结构的后生变化[22].根据铸体薄片和扫描电镜观察，结合X线衍射黏土矿物分析，总结玛西斜坡区三叠系百口泉组储层成岩与孔隙演化模式（见图7）.玛西斜坡区百口泉组储层埋深为2.8～4.0km，处于中成岩阶段B，对孔隙演化影响最大的是压实作用，在破坏储层孔隙结构方面起重要作用.最有利于储层孔隙结构后生变化的成岩作用为溶蚀作用，其次为成岩收缩作用.胶结作用在研究区储层孔隙结构后生变化中起到双重作用.

（1）玛西斜坡区百口泉储层埋深在2.8km以上，压实作用对孔隙结构的改造较强烈.通过镜下观察发现，研究区砂砾岩成分成熟度较低，含有大量半塑性的凝灰岩等火山岩岩屑，且泥质杂基含量高，由于压实作用增强，半塑性碎屑发生变形，碎屑颗粒出现线接触和凹凸接触（见图8（a））.造成粒间孔隙和喉道数量较少，半径减小，孔隙结构变差.尤其是分布于扇三角洲碎屑朵体的基质支撑砾岩相，压实作用可以破坏储层85%以上的原始孔隙结构.

（2）溶蚀作用主要由长石、火山岩屑、黏土矿物等溶蚀所致，其中有机酸对长石的溶解是最重要的溶蚀作用（见图8（b）），也是研究区储层粒内溶孔广泛发育的基础.由于颗粒间不稳定矿物较少，多为难溶组分，故研究区储层粒间溶孔不太发育.溶蚀作用增大或新生孔隙空间，对研究区储层的孔隙结构具有重要的改善作用.

（3）研究区储层中常见胶结物有沸石类、硅质、碳酸盐类、自生黏土矿物等（见图8（c））.胶结作用发育程度受泥质杂基含量的影响较强.对于具有基质支撑结构的砾岩，由于其杂基含量较高，对成岩作用早期碳酸盐类胶结具有抑制作用，含量较低的胶结物难以抵御机械压实的进行，导致储层压实致密，原生孔隙结构遭到破坏.对于发育于水下分流河道的砾岩，往往具有颗粒支撑结构，泥质杂基含量相对较低，碳酸盐类、沸石类胶结物常形成于成岩作用早期，往往能减弱压实作用对储层孔隙结构的破坏；当胶结物体积分数超过10%时，胶结物往往容易堵塞粒间孔隙空间，抑制流体流动，从而使溶蚀作用难以进行，储层孔隙结构变差.

（4）对于泥质、粉砂质含量较高的砾岩，在成岩作用过程中，容易失水发生成岩收缩作用，从而围绕砾石颗粒形成微裂隙或又分支成脉状，并且常伴随溶蚀扩大现象.研究区砂砾岩中泥质含量高，在成岩阶段，岩石易收缩形成成岩收缩缝，不仅增加储集空间，更为流体渗流提供重要的通道.尤其是对于基质支撑砾岩相，成岩收缩作用为它提供重要的孔隙空间，是孔隙结构发育的基础.

图7 百口泉组储层成岩及孔隙演化模式Fig.7 Degenetic and pore evolution model of Baikouquan formation

图8 研究区百口泉组储层成岩作用特征Fig.8 The characteristics of digenetic of Baikouquan formation in study area

4 结论

（1）准噶尔盆地玛西斜坡区百口泉组砂砾岩主要发育粒内溶孔，其余为残余粒间孔、晶间孔、微裂隙等；喉道类型以片状喉道为主，点状喉道及管束状喉道亦较发育.百一段储层岩石结构渗流系数最大，孔隙结构最好，主要发育Ⅰ类和Ⅱa类孔隙结构；百二段的次之，主要发育Ⅱa类和Ⅱb类孔隙结构；百三段的较差，主要发育Ⅱb类和Ⅲ类孔隙结构.

（2）玛西斜坡区百口泉组储层原生孔隙结构主要受沉积作用控制，有利孔隙结构主要分布于槽状交错层理砾岩相和同级颗粒支撑砾岩相，基质支撑漂浮砾岩相和板状交错层理砂岩相孔隙结构较差.研究区储层孔隙结构的后生变化主要受成岩作用影响，压实作用是破坏百口泉组储层孔隙结构的主要因素，溶蚀作用是改善储层孔隙结构的最重要原因.

（3）玛西斜坡区下三叠统百口泉组储层优质孔隙结构多发育在成岩压实不太强烈、溶蚀作用广泛发育的扇三角洲前缘水下分流河道、辫状分支水道的同级颗粒支撑砾岩相和槽状交错层理砾岩相中，可以作为预测和评价有利储层的基础.

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