砂泥岩埋藏过程孔隙度演化特征探讨

刘琳琳，张金功，吴春燕

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西 西安 710069)



砂泥岩埋藏过程孔隙度演化特征探讨

刘琳琳，张金功，吴春燕

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西 西安 710069)

[摘要]砂泥岩的孔隙演化规律对油气成藏机理研究具有重要意义，通过大量实际数据统计以及实验模拟研究资料分析，认为砂泥岩埋藏过程孔隙度演化具有差异性和阶段性两方面的特征，即砂泥岩埋藏过程孔隙度演化普遍发育两种类型的孔隙度-深度曲线，且两者的演化形态都具有阶段性，正常压力条件下的孔隙度演化经历快速压实、缓慢压实和停滞压实3个阶段；而欠压实条件下的孔隙度演化过程则经历快速压实、平稳压实、较快压实和缓慢压实4个阶段。在欠压实条件下的孔隙度演化过程中，沉积相、成岩作用等因素对每个阶段的深度-孔隙度曲线变化特征的影响程度有所差异，一般是一种主要影响因素和多种次级影响因素综合作用的结果。

[关键词]孔隙度；埋藏过程；正常压实；欠压实

孔隙度是储层评价的重要参数之一，也是控制油气运移的关键因素之一，分析地史过程中的孔隙演化规律对油气成藏机理研究具有重要意义[1-3]。储层孔隙的演化规律受沉积相、成岩作用、构造演化史、热史及油气生成史等诸多因素共同控制[2-7]。

1砂泥岩埋藏过程孔隙度演化特征

1930年，Athy[8]指出，正常压实条件下孔隙度与埋深存在指数关系，此后大量研究证实了压实作用是各种碎屑岩孔隙演化的主要控制因素[9-11]。刘震指出碎屑岩压实过程中时间也是主要影响因素之一，孔隙度是埋深和时间的双元函数[7]。经过大量的实际资料统计和物理实验模拟研究，可以发现孔隙度随深度的演化具有明显的差异性和阶段性演化特征。

1.1砂泥岩埋藏过程孔隙度演化差异性

不同地区，不同沉积环境发育的地层，在埋藏过程中的孔隙度演化特征存在差异，经研究其在成岩过程中分别经历两种类型的压实作用：正常压实和欠压实，从而发育两种孔隙度-深度曲线。压实作用指沉积物沉积后在其上覆水层或沉积层的重荷下，或在构造形变应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用。泥质岩类在压实过程中由于压实流体未能及时排出或排出受阻，孔隙体积不能随压力变大而变小，使其中流体也承受了上覆地层的负荷，出现孔隙流体压力高于相应静水压力的现象。产生该现象的过程叫欠压实作用。

1.1.1数据统计分析

Mc Culloh(1967)[11]和Selley(1978)[9]分析了许多地区砂岩、泥岩孔隙度与埋深关系的资料，认为不论砂岩还是泥岩，其孔隙度都是随埋深的增加总体呈现逐渐减小的，浅部(500 m以上)孔隙度急剧降低，深部(3 000 m以下)孔隙度变化很小(图1和图2)，演化特征符合争产压实条件下的孔隙度演化特征。现在普遍认为，砂质沉积物在埋藏深度较小时，颗粒为松散堆积，孔隙度很高，随着埋深的加大，特别是在压实初期的浅部，孔隙度降低很快。当埋藏到一定深度后，由于颗粒之间已紧密接触，加之胶结作用的产生，砂岩的孔隙度变化相对较慢。

图1　沉积岩总孔隙度和埋深关系图(据McCulloh，1967)

郭秋麟等[12]对国内外泥页岩孔隙度数据进行了统计。国外大量的统计数据表明，泥页岩在埋藏过程中孔隙度随深度增加而变小(图3)，部分曲线的数值在某个特殊阶段会有所变大，但在这之后会继续变小或保持稳。国内泥页岩孔隙度统计数据也揭示出与国外相似的演化规律，从图4中可以看到两种类型的曲线，正常压实型和欠压实型。不同类型的沉积盆地甚至同一盆地内的不同沉积单元都有可能发育不同类型的孔隙度演化曲线。例如我国东部的渤海湾盆地就普遍发育欠压实型孔隙度演化曲线[13]。

图2　孔隙度和埋深关系图(据Selley，1978)

砂泥岩埋藏过程孔隙度演化差异性还体现在孔隙度的变化速率上。不管是相同类型还是不同类型的孔隙度演化曲线，其发育的地区不同、地层存在差异时，孔隙度变化速率差别很大，这就导致同一深度不同曲线的孔隙度数值相差很大。

图3　国外泥页岩孔隙度随埋深变化趋势统计结果

图4　国外泥页岩孔隙度随埋深变化趋势统计结果

1.1.2实验模拟分析

贝丰等[14]在实验室对干粘土、干纯石英砂及其混合物做了压实模拟实验，得出的压实曲线特征变现为，总体上比较平滑，浅层(500 m以下)压实比较快，中深层(500 m以上)压实曲线则非常平直。陈发景等[15]对现代淤泥和3个不同盆地的古代泥岩沉积物分别进行了压实模拟实验，结果表明：不论是现代沉积物还是古代沉积物，压实初期其孔隙度均快速减小，到达一定深度(200 m左右)以后，孔隙度-埋深曲线变得平直。上述模拟实验得出的孔隙度-深度曲线符合实际统计中的正常压实条件下的压实曲线。

对比沉积盆地实际地层条件与室内物理模拟实验的两种压实曲线，其主要差别在于：(1)实际地层条件系正常压实趋势一般可延伸至2 000以下；但室内物理模拟实验室时，一般不超过500 m。(2)实际地层条件下压实曲线在2 000 m以下会出现欠压实现象，但室内物理模拟实验室，没有出现地层欠压实现象。

20世纪80年代初期，人们就已经发现了埋藏时间对地层孔隙度的重要影响。Schmoker[16]发现砂岩孔隙度与热成熟度之间时幂函数关系。Bloch[17]研究表明，在正常压力条件下岩性相似的砂岩孔隙度是其热历史(用镜质体反射率表示)的函数。刘震等[7]研究表明，埋藏时间对地层孔隙度的影响与埋深同样重要。由于地层热成熟度是地温历史和经历地质时间的双重函数，故可推断，很多人的研究结果都表明了地层孔隙度与埋藏时间有关。

根据前人对孔隙度演化影响因素的研究，郭秋麟[12]等对成岩实验进行改进，延长实验时间，加压的同时加温，并保留少量孔隙水，伴随有生油、气现象。对实验数据进行时间校正，得到的孔隙度约为原来的60%～80%，深度-孔隙度曲线位于实际统计资料的欠压实区一侧，反应了压实-生烃-超压的欠压实过程。

综上所述，前人在孔隙度演化实验模拟的研究中，也得出了两种不同类型的孔隙度-深度演化曲线：正常压实型和欠压实型，表明一个地区超压的发育与否，导致孔隙度-深度曲线类型存在差异。

1.2砂泥岩埋藏过程孔隙度演化阶段性

Allen等[18]认为孔隙度变化受许多因素影响，包括岩性、岩相(颗粒大小、分选、泥质成分)、框架颗粒的组成、温度(胶结作用、黏土矿物转化和压溶作用)和时间，每一个演化阶段的主要影响因素都不同，很难用单一的线性关系表示整个演化过程，但是在某一深度段可以用最简单的线性关系表示。大量研究表明，孔隙度的演化源于地层成岩作用的演化[19-23]，而成岩过程中各种物理化学作用的种类和影响程度不同，因此对地层孔隙度变化的叠加影响在时间域和深度域上存在阶段性，这就导致砂泥岩埋藏过程孔隙度演化阶段性特征。

经大量实际数据统计和实验室模拟分析，可将碎屑岩埋藏过程孔隙度演化划分为两种类型，正常压力条件下的孔隙度演化过程经历A→B→C→D,即快速压实、缓慢压实和停滞压实3个阶段；而欠压实条件下的孔隙度演化过程经历1→2→3→4→5，即快速压实、平稳压实、较快压实和缓慢压实4个阶段[12,24](图5)。

图5　正常压实与欠压实泥页岩孔隙演化对比

2砂泥岩欠压实条件下孔隙度演化各阶段影响因素

欠压实作用作为埋藏压实作用的常见类型对储层物性的控制起到至关重要的作用，前人对欠压实作用与碎屑岩埋藏过程孔隙度演化之间的相关性及其应用做了大量的研究工作。陈荷立[25]通过泌阳凹陷为例提出有机质成熟后的异常压实段，决定该区油气初次运移的可能深度。在异常压实段中的快速压实带是油气初次运移的最有利的深度段。此后，何炳骏，卢书锷等[13、26]分别对华北苏北地区压实作用与油气运移进行了探讨。王行信[27]通过对松辽盆地白垩系泥岩的压实分析，提出欠压实泥岩的压力封闭作用，是形成油气盖层封闭的根本因素，泥岩欠压实带的分布特征决定了盆地油气运移的方向和特征。陈荷立[28、29]进行了泥岩压实曲线与油气运移条件分析，并通过泥岩的压实对地层压力信息和埋藏史的恢复进行了探讨。陈发景[30]出版的《压实与油气运移》一书以我国东部几个盆地为例，从泥岩压实和孔隙压力研究的基本方法和压实机理油气运移及有机地球化学资料应用等几个方面着手，研究了断陷盆地中油气运移的特征并对油气运移量进行了计算，最后列出结果。此后的研究主要针对不同地区的压实与油气运移的关系研究，通过建立泥岩压实动态地质模型对石油初次运移进行了定量研究。因此欠压实条件下的孔隙度演化特征以及发育状况研究至关重要，下面是每个阶段的深度-孔隙度曲线特征，以及曲线变化的主要影响因素和次一级影响因素。

1)快速压实阶段

这一阶段的孔隙度-深度曲线特征是：曲线较为平滑，次一级波动较少，其斜率主要受沉积相、埋藏速率控制。沉积物在埋藏深度较小时，颗粒间是松散堆积，孔隙度等值线与沉积相吻合度较高。这一阶段，成岩作用以机械压实作用为主，碎屑岩孔隙度随埋深下降速度较快，主要引起碎屑颗粒堆积方式的改变和部分颗粒的塑性变形，软组分挤入孔隙，沉积物的孔隙度和渗透率迅速降低。压实作用是主要永祥因素，岩性则是次一级影响因素。

2)平稳压实阶段

这一阶段的孔隙度-深度曲线表现为较为竖直的一段，次一级波动较多。泥质岩类在压实过程中由于压实流体未能及时排出或排出受阻，孔隙体积不能随压力变大而变小，使其中流体也承受了上覆地层的负荷，容易出现孔隙流体压力高于相应静水压力的现象。超压的成因很多[31-34]：生烃作用、差异压实作用、构造作用和水热作用等，其中，生烃作用和差异压实作用是最主要的两种成因[35-37]。超压和欠压实，使孔隙度减少损失，据统计，典型的泥页岩层孔隙度减少损失量可以达到5%～17%。

这一阶段，砂泥岩受超压和欠压实作用的影响，残留部分原始孔隙，压实作用的影响减弱。而胶结物的生产与否、溶蚀作用、岩性差异、岩石结构等决定曲线的次一级波动状况。

3)较快压实阶段

此阶段为平稳压实段与缓慢压实阶段之间的过渡阶段，孔隙度-深度曲线特征为曲线斜率较大，所处的深度范围较小。随着埋深的加大、生烃的结束以及岩石破裂造成的压力释放，欠压实和超压现象逐渐消失，孔隙度减少作用也随之消失，压实作用使得孔隙度迅速减小。

在这一阶段的孔隙度演化中，压实作用重新成为主控因素，孔隙度减小速率加快。

4)缓慢压实阶段

这一阶段，沉积碎屑已变得较为致密，颗粒之间多为线、面接触，受压实作用的影响，地层孔隙度以较为缓慢的速度不断减小。

3结语

(1)砂泥岩随埋深过程的孔隙度演化具有差异性特征，主要表现在两个方面：一是不同地区、不同沉积单元地层的孔隙度-深度曲线类型存在差异，按超压的存在与否分为正常压实型和欠压实型两种类型；二是孔隙度的变化速率存在差异，不管是相同类型还是不同类型的孔隙度演化曲线，其发育的地区不同、地层存在差异时，孔隙度变化速率差别很大，这就导致同一深度不同曲线的孔隙度数值相差很大。

(2)砂泥岩随埋深过程的孔隙度演化具有阶段性特征，正常压力条件下的孔隙度演化过程经历快速压实、缓慢压实和停滞压实3个阶段；而欠压实条件下的孔隙度演化过程经历快速压实、平稳压实、较快压实和缓慢压实4个阶段。

(3)现今的孔隙度剖面只是地层在现今这个时间点上的一个瞬时特征，并不代表地层在时间域内从沉积开始演化到现今的完整过程。

(4)碎屑岩孔隙度与埋深和时间的函数关系到底是怎样的，还有待进一步研究和探讨。

(5)岩石成分与成岩作用之间的相互影响关系，能否通过岩石成分预测可能发生的成岩作用，或通过已有的成岩序列了解地层岩石组成还有待进一步研究。

(6)碎屑岩孔隙度演化在平面上的特征及其影响因素研究还较为薄弱。

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[收稿日期]2015-09-02

[作者简介]刘琳琳(1991-)，女，山东潍坊人，在读硕士研究生，主攻方向：石油与天然气勘探。

[中图分类号]P588.21+2.3

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)01-0186-04