合水地区长8段储层碳酸盐胶结物对储层微观特征的影响

南凡驰, 吴少波, 陈朝兵, 赖雅庭, 陈新晶, 王 茜, 阮 昱, 何拓平

( 1. 西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065； 2. 陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065； 3. 中国石油长庆油田分公司 第二采气厂，陕西 西安 710200； 4. 中国石油长庆油田分公司 第六采油厂,陕西 西安 710200 )

0 引言

合水地区长8段储层为典型的低孔、超低渗致密砂岩。在砂岩储层中，碳酸盐胶结是主要的胶结类型，储层孔隙度、渗透率减小，对储层微观特征影响较大，加剧储层空间分布的非均质性，影响油气运移和充注。碳酸盐胶结物的富集产生钙质夹层，影响油气层间运移，增加油田开发难度，研究碳酸盐胶结物特征及成因对剩余油气和致密油气开发具有重要意义。人们研究鄂尔多斯盆地不同层位的钙质胶结[1-3]，碳酸盐胶结物具有成因多样、多期形成等特点[3-5]，对储层物性、孔喉结构、储集性能及油田开发具有重要影响[6-7]。葛云锦等[1]探讨碳酸盐胶结物在鄂尔多斯盆地中西部延长组下组合砂岩中的主要特征、分布规律及其对储层品质的影响，认为碳酸盐胶结物主要形成于成岩早期阶段，降低储层物性，加剧储层非均质性。高辉等[6]分析鄂尔多斯盆地合水地区长8段储层特低渗透成因，认为主要受沉积作用和成岩作用共同影响。江琦等[8]研究长8段储层特征，认为长8段储层以粒间孔为主，其次是粒内溶孔和微孔。

碳酸盐胶结物的研究多集中于碳酸盐胶结物的来源、成因及类型，对碳酸盐胶结物与储层物性及孔喉结构的影响及评价研究较少。通过宏观观察与微观实验结合，笔者明确合水地区长8段储层碳酸盐胶结物的主要类型及特征，分析不同体积分数碳酸盐胶结物对储层微观特征的影响，为合水地区长8段储层石油勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是中国陆上第二大沉积盆地，面积仅次于塔里木盆地，位于华北克拉通西部[9-10]，面积约为2.5×104km2[11]，矿产资源极其丰富，是中国西部重要的石油天然气生产基地[12]，由西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起、渭北隆起6个二级构造单元组成[1,13]。合水地区地处伊陕斜坡，位于鄂尔多斯盆地的西南部，属于陇东地区，区域构造背景为平缓的近南西—北东向展布的西倾单斜(见图1)。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及研究区位置

上三叠统延长组发育河流—三角洲—湖泊相沉积。三角洲前缘分流河道微相沉积为长8段储层主体，岩性以长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩为主，平均面孔率为2.7%，碳酸盐胶结物类型主要包括方解石、铁方解石和铁白云石。碳酸盐胶结物平均体积分数为5.88%，其中铁方解石平均体积分数为3.59%；其次为铁白云石，平均体积分数为1.78%；方解石体积分数最少，为0.51%。碳酸盐胶结物平均孔隙度为9.50%，平均渗透率为0.65×10-3μm2。砂体颗粒细，非均质性强，属于低孔—超低渗致密砂岩储层。

2 碳酸盐胶结物特征

2.1 岩心特征

岩心观察发现，钙质胶结的岩心颜色为灰白色，呈块状，取心收获率高，岩心较完整。碳酸盐胶结物在岩层中并不是均匀发育，而是在某些层段集中发育，有的层段呈零星分布。由于碳酸盐胶结的砂岩孔隙被填充，物性较差，含油性降低，其颜色与深灰色含油细砂岩和深色泥质胶结的砂岩差别较大，体积分数高的可以成为隔夹层，岩心观察较容易区分。碳酸盐胶结物的主要成分为碳酸钙，滴盐酸剧烈起泡(见图2)。研究区长8段储层碳酸盐胶结物岩性主要为块状构造的细砂岩。

2.2 测井响应

利用岩心、镜下薄片、分析化验等识别钙质胶结，由于取心和取样资料有限，利用测井资料进行钙质胶结识别具有可操作性[14-16]。分析研究区部分井长8段取心段岩心和测井曲线，钙质胶结在测井曲线上具备独有的特征。碳酸盐胶结主要发生在砂岩中，自然电位一般偏离泥岩基线；自然伽马曲线较低，一般为60～70 API，表现为向负值凸起的峰状；声波时差较低，一般为200 μs/m，曲线表现为向负值凸起的峰状；密度测井为高值，为2.17～2.39 g/cm3；中子测井较低，一般为12%左右(见图3)。

图2 合水地区长8段储层碳酸盐胶结物岩心特征

图3 宁42井长81亚段储层碳酸盐胶结物测井曲线响应特征

2.3 微观特征

鄂尔多斯盆地合水地区长8段储层碳酸盐胶结物普遍发育，体积分数为0～40%，主要分布在2%～12%之间，其中铁方解石体积分数最高，其次是方解石的，铁白云石的最少。不同类型碳酸盐胶结物在阴极发光、铸体薄片、扫描电镜下有不同特征。在阴极发光下，方解石为明亮的橙黄色(见图4(a))，铁方解石为暗橙红色(见图4(b-c))，铁白云石一般不发光；在铸体薄片下，方解石一般为红色，铁方解石一般为紫色，铁白云石一般为蓝色；在扫描电镜下，方解石为菱面体状。

镜下观察发现碳酸盐胶结物产生于成岩的各个阶段，碳酸盐胶结物的类型、特征在不同阶段存在一定差异。方解石主要为早期产生的碳酸盐胶结物，颗粒之间为不紧密接触，以基底式胶结为主(见图4(d))。晚期铁方解石以孔隙式胶结出现，充填在碎屑颗粒的孔隙中，胶结物体积分数较少，颗粒之间呈点接触或线接触。铁白云石体积分数较少，在铸体薄片中以蓝色为主，颗粒间呈线接触或凹凸接触。碳酸盐胶结物在扫描电镜下呈菱面体状(见图4(e、g))。

2.4 成岩演化序列

根据薄片鉴定数据和成岩阶段划分(见表1-2)，识别具有表征成岩演化阶段矿物，判别方解石、铁方解石和铁白云石的成岩序列。由表1可知，硬石膏平均体积分数为0.01%，绿泥石平均体积分数为1.28%，大量伊利石充填孔隙；在扫描电镜下可见晶体出现裂缝(见图4(j))；从铸体薄片上多见颗粒点—线状接触及线—缝合线状接触(见图4(k-l))。铁方解石平均体积分数为3.59%，铁白云石平均体积分数为1.78%，方解石平均体积分数为0.51%。碳酸盐胶结物中含铁质的铁方解石和铁白云石较多，可以确定方解石形成于早成岩阶段，铁方解石形成于中成岩阶段或晚成岩阶段。

表1 合水地区长8段储层薄片鉴定填隙物平均体积分数

表2 合水地区长8段储层成岩阶段划分标志

3 碳酸盐胶结物来源

碳酸盐胶结物的来源分为内源和外源两大类[17-23]。外源主要是雨水和流动的孔隙水为储层带入溶解的碳酸盐；内源包括含钙矿物溶解和蒙脱石向伊利石转化。研究区长8段储层碳酸盐胶结物主要来自于内源。

3.1 泥岩厚度

砂岩上覆和下伏泥岩的厚度越大，钙质层的厚度也越大[24]。泥岩在压实作用过程中不断向邻近砂岩层排出压实流体，压实流体中含有大量的钙离子和碳酸根离子等；在压实流体向上覆和下伏砂岩层流动时，离子同时被带入储层而形成碳酸盐胶结物。压实流体和离子的多少与储层周围泥岩厚度有直接关系，泥岩厚度越大，进入砂岩储层中的压实流体越多，钙离子和碳酸根离子等的体积分数越高，进而影响碳酸盐胶结物的体积分数。对比研究区长8段储层泥岩厚度和铁方解石体积分数(见图5)，泥岩厚度越厚，铁方解石体积分数越高，说明泥岩厚度与碳酸盐胶结物发育相关关系较好。

图5 合水地区长8段储层泥岩厚度等值线与铁方解石体积分数分布

3.2 含钙矿物溶解及黏土矿物转化

碳酸盐胶结物主要由长石的溶蚀作用形成。有机酸流体、热液流体及大气水淋滤等作用引起长石的溶蚀(见图4(h-i))。长石在酸性条件下更易发生溶蚀，扫描电镜下观察发现研究区多见长石溶孔(见图4(h))。长7段储层为长6、长8段储层的主力烃源岩，烃源岩在热演化过程中产生的有机酸加速长石的溶蚀，溶蚀产生的钙离子参与储层的胶结。

长石溶蚀产生钙离子主要有两种形式[25]:一种是钙长石溶蚀直接产生钙离子；另一种是钾长石溶蚀产生钾离子和铝离子，钾离子和铝离子参与蒙脱石向伊利石转换，最终产生钙离子。

储层中碳酸盐胶结物体积分数受泥岩厚度、含钙矿物溶解及黏土矿物转化共同影响。由于砂岩、泥岩的厚度受沉积于河道不同部位的影响，邻近储层碳酸盐胶结物的主要来源也不同。河道中部以砂岩沉积为主，含钙离子矿物较多，泥质体积分数较少，河道中部的碳酸盐胶结物主要受长石类型影响；河道侧翼和边部泥岩厚度明显增大，含钙离子矿物相对较少，河道侧翼碳酸盐胶结物主要受泥岩厚度影响(见图6)。

图6 合水地区长81亚段储层泥岩对碳酸盐胶结物影响模式

黏土矿物成岩转化释放铁、镁离子，与钙离子及溶解在水中的碳酸氢根离子形成铁方解石[1]。蒙脱石向伊利石转化发生在沉积作用后，其碎屑胶结顺序为黏土线及石英次生加大边→各类自生黏土矿物→碳酸盐类矿物→片钠铝石(局部)[25]。黏土矿物之间的转化发生在碳酸盐矿物形成前，可以为钙质胶结提供物质来源。

为明确储层中碳酸盐胶结物的来源，绘制研究区长8段储层碳酸盐胶结物来源模式(见图7)。由图7可知，碳酸盐胶结物有3种来源，第一种为大气水和地下水将钙、镁等离子从外界带入储层；第二种为砂岩中含钙离子矿物的溶解为储层提供钙离子；第三种为蒙脱石向伊利石转化的过程中向储层提供钙、镁等离子。

图7 研究区长8段储层碳酸盐胶结物来源模式

4 碳酸盐胶结物对储层的影响

4.1 储层物性

研究区碳酸盐胶结广泛发育，通过镜下薄片观察和铸体薄片数据分析，碳酸盐胶结主要形成于晚成岩阶段，对储层孔隙尤其是次生孔隙有一定的破坏作用。由于次生孔隙是主要的油气储集空间，钙质胶结的发育降低储层有效空间，进而降低储层物性[26]。分析研究区355个样品数据，孔隙度为1.1%～16.6%，平均为9.5%，渗透率为(0.005～5.927)×10-3μm2，平均为0.650×10-3μm2。

不同体积分数碳酸盐胶结物孔隙度和渗透率分布见图8。由图8可知，当碳酸盐胶结物体积分数小于5.0%时，钙质胶结对孔隙度的影响不稳定，孔隙度可以很高也可以极低；当碳酸盐胶结物体积分数大于5.0%时，储层孔隙度随碳酸盐胶结物体积分数增加呈明显降低趋势(见图8(a))；当碳酸盐胶结物体积分数小于3.0%时，储层渗透率整体较低，偶见高值；当碳酸盐胶结物体积分数大于3.0%时，储层渗透率降低明显(见图8(b))。可能与胶结发生在晚成岩阶段，碳酸盐胶结物堵塞次生孔隙，降低孔隙连通性有关。

4.2 储层孔喉结构

碳酸盐胶结使储层的物性变差，阻碍储层中流体的流动和压力的传递，使储层的非均质性增强。储层碳酸盐胶结阻碍上下砂体油气运移，当胶结物平面展布较宽、厚度较厚时，完全阻碍油气运移，使同一套砂体中含油性差异变大。

为明确不同碳酸盐胶结物体积分数对储层非均质性的影响，分别选取不同碳酸盐体积分数样品，分析毛管压力曲线特征及孔喉特征参数(见图9)。

根据毛管压力曲线特征(见图9)分为三类形态：一类曲线碳酸盐胶结物体积分数最低，具有明显的双阶梯形态且分布范围广，排驱压力低，进汞饱和度大，说明孔喉最为发育，连通性好，均质性好；二类曲线碳酸盐胶结物体积分数中等，曲线双阶梯形态不明显，分布范围中等，具有较明显的斜坡段，表明孔喉发育适中，孔喉半径适中，均质性一般；三类曲线碳酸盐胶结物体积分数最高，曲线不具有双阶梯形态，是明显的斜坡段且分布范围最窄，说明样品孔喉半径小，连通性差。随碳酸盐胶结物体积分数的增加，储层的孔隙大小和连通性逐渐降低。

图8 合水地区长8段储层碳酸盐胶结物体积分数与孔渗关系

4.3 微观非均质性

分形理论一般应用于研究结构复杂、具有自相似性的不规则形体，是表征岩石孔隙结构的一种有效方法[27]。赖锦等[28]用汞饱和度法对岩样的毛管压力曲线进行分形维数计算，一般分形维数越大(接近3)说明孔喉结构越复杂，孔喉连通性越差，储层的微观非均质性越强[28-29]。

利用汞饱和度法计算研究区岩样毛管压力，分析分形维数，绘制汞饱和度法计算分形维数典型回归曲线(见图10、表3)，碳酸盐岩胶结物体积分数与分形维数具有较好的正相关关系，随碳酸盐胶结物体积分数的增加，储层非均质性逐渐增强。

图10 基于汞饱和度计算的分形特征典型回归曲线

表3 合水地区长8段储层不同体积分数碳酸盐胶结物高压压汞参数

分析样品分形维数和碳酸盐胶结物体积分数相关关系(见图11)，相关因数为0.653 8，正相关关系较好，说明随碳酸盐胶结物体积分数的增加，储层孔喉结构越复杂，孔喉连通性越差，储层的微观非均质性越强。

图11 基于汞饱和度法计算的分形维数与碳酸盐胶结物体积分数关系

5 结论

(1)合水地区长8段储层碳酸盐胶结物的来源主要受泥岩厚度、碎屑长石类型的综合影响。泥岩厚度大的部位邻近储层碳酸盐胶结强，一般发育于河道侧翼；钙长石和钾长石的溶解分别为储层直接和间接提供充足的钙离子，多发育于河道中部。

(2)当碳酸盐胶结物体积分数小于1.0%时，长8段储层渗透率和孔隙度发育较好，随钙质胶结体积分数的增加，储层的孔隙度、渗透率开始降低，储层孔渗条件下降；当碳酸盐胶结物体积分数大于5.0%时，储层孔隙度随碳酸盐胶结物体积分数增加呈明显降低趋势；当碳酸盐胶结物体积分数大于3.0%时，储层渗透率降低明显。

(3)不同体积分数碳酸盐胶结物样品的进汞、退汞曲线的不同形态表明，随储层碳酸盐胶结物体积分数的增加，储层的孔隙大小和连通性逐渐降低，储层非均质性逐渐增强。