鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段孔隙度演化定量模拟

唐 俊，庞国印，唐 丽，马晓峰，王 琪

（1．中国科学院 油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000；2．中国科学院大学，北京 100049；3．内蒙古科技大学 数理与生物工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引 言

近年来，中国学者在孔隙度定量模拟方面进行了大量研究，并取得了一些研究成果。孟元林等通过引入成岩指数，建立了孔隙度演化模型，但没有考虑溶蚀作用的影响［11－12］；周晓峰等讨论了储层砂岩成岩过程中的孔隙度演化，仍偏重于定性描述［13］；王英民讨论了压实和次生溶蚀作用对孔隙度的影响，利用回归的方法建立了孔隙度演化模型［14］；王瑞飞等讨论了储层沉积、成岩过程对孔隙度的影响，进行了定量分析［15］；张荣虎等综合沉积、成岩、构造等因素建立了一体化孔隙度预测模型［16］。

上述模型分别从不同角度、不同方面建立了孔隙度演化模型，但大都没有细化到研究区某一具体层位孔隙度演化。鉴于此，笔者结合石油地质理论，应用数理统计方法，采用效应模拟原理，建立了鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段砂岩储层从埋藏初始至现今的孔隙度演化定量模型，为研究区长8段砂岩储层孔隙度预测提供定量计算方法，以期对该区油气勘探提供参考。

1 区域储层特征

姬塬地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中西部，面积约1．12×104km2［17－25］。已有勘探成果表明，长8油层组为姬塬地区最为有利的油气聚集层位之一，发育岩性－地层型和岩性－构造复合型油藏［26］。油藏多呈分散、小规模分布，成藏机制复杂，储层非均质性较强，有利区主要出现在致密砂岩背景下的高效储层中，预测和勘探难度较大［27－31］，致密储层成因、预测优质储层空间展布规律也即成了目的层研究的重点。

鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段岩石类型主要为长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩。大量铸体薄片、染色薄片和扫描电镜观察表明，姬塬地区长8段砂岩主要经历了压实、胶结、交代和溶蚀等成岩作用。压实作用表现为颗粒之间以线状、凹凸状接触为主［图1（a）］，颗粒分选较差—中等，磨圆多为次棱角—次圆［32－33］，部分颗粒定向－半定向排列或见石英颗粒的裂纹和成岩裂缝。胶结作用主要有碳酸盐胶结［图1（b）］、硅质胶结［图1（d）、（f）］和黏土矿物胶结［图1（c）、（f）］，但是以碳酸盐胶结为主，在研究区普遍分布。交代作用表现为碳酸盐交代长石和石英颗粒。长石被方解石、含铁方解石交代比较强烈，同时也见铁方解石、含铁白云石交代长石现象；而石英被含铁方解石交代则相对微弱许多。溶蚀作用绝大多数是长石颗粒被溶蚀［图1（c）］，部分溶蚀形成的自生高岭石堆积在长石颗粒附近［图1（e）］，石英颗粒和岩屑被溶蚀的现象少见，但是不见碳酸盐胶结物被溶蚀的现象。虽然研究区目的层段的溶蚀作用总体上较弱，但是对于改善储层物性有一定作用［34－36］。矿物碎屑以石英、长石为主，云母少量。很多岩屑已经假杂基化；杂基含量较少，主要为泥质；胶结物以碳酸盐、高岭石、绿泥石和硅质常见。

研究区长8段砂岩孔隙整体不发育，孔隙类型主要是粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔和晶间孔［图1（c）］。研究区压实作用和胶结作用比较强烈，后期溶蚀作用产生的溶蚀孔隙有限，粒间孔和长石溶孔是研究区长8段砂岩最主要的孔隙类型。砂岩储层孔隙度的总体变化规律受埋藏过程、沉积过程和成岩过程等因素影响。埋藏过程影响整体格局，沉积过程提供原始孔隙物质基础，而成岩过程控制后期变化。

图1 姬塬地区长8段砂岩中的典型成岩现象Fig．1 Typical Diagenetic Phenomenon in Chang－8Section of Jiyuan Area

2 砂岩孔隙度演化数学模型

地层准确的孔隙度演化过程是无法通过跟踪埋藏过程而获得，而模拟试验又难以对某些关键成岩作用过程进行模拟。孔隙度演化过程中，起主要作用的是成岩作用的演化［7，34－41］。结合一些学者的研究成果［6－12，16，42－48］，在 综 合 分 析 埋 藏、成 岩 作 用 影 响的基础上，采用成岩作用效应模拟方法对研究区孔隙度演化进行定量模拟。效应模拟不以模拟各种具体的成岩作用为重点，而是基于地质参数特点模拟各种成岩作用的综合叠加效果，以达到储层预测的目的［49］。基于效应模拟的原则，借鉴研究区丰富的资料（校正的测井数据、薄片资料），以现今不同深度砂岩孔隙度剖面作为切入点来反演地层孔隙度，即利用现今砂岩孔隙度剖面来近似代替特定地层由开始埋藏直至现今条件下的孔隙度演化规律，将地层孔隙度演化过程分为减孔作用和增孔作用，分阶段建立孔隙度演化定量模型。

2．1 溶蚀作用温度窗口的确定

储层孔隙度受地层埋藏过程的影响，因此，结合埋藏史特征将研究区域划分为4个主要埋藏阶段，分别为正常压实作用阶段、压实胶结作用阶段、溶蚀作用阶段及溶蚀后压实胶结作用阶段，以此作为孔隙度演化分析的基础（图2）。

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据研究，储层孔隙度增大是次生孔隙发育的结果［9，50－51］。溶蚀性 流 体、可 溶 性 矿 物 和 流 体 活 跃 性是溶蚀作用发生的必要条件，三者在时间与空间域上的匹配差异导致了次生溶蚀孔隙发育程度的差异［7］。模拟次生孔隙发育的过程，需要通过埋藏史和热演化史确定次生孔隙开始形成的时间和结束时间，进而建立此阶段内孔隙度演化模型。

鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段次生孔隙形成于地层有机酸对碳酸盐矿物、长石矿物等的溶解作用［9，18，28］。由该研究区的成岩序列图（图3）可以看出，次生孔隙最早形成于早成岩B期，这一时期古地温为65℃～85℃，是早期生油阶段。中成岩A期地温为85℃～140℃，是大量生油阶段；当地温达到110℃～130℃时，其是石油的主要充注时期，此时有机酸浓度降低，抑制了次生溶蚀作用，孔隙度增大演化结束［52］。由此确定溶蚀作用形成的温度窗口为70℃～110℃。在地层温度小于70℃时缺少有机酸，不能形成次生孔隙，而当地层温度高于110℃时，由于有机酸浓度降低和石油侵位抑制了次生孔隙的形成［7］。

图2 姬塬地区长8段埋藏史、关键成岩阶段Fig．2 Burial History and Key Diagenesis Stages in Chang－8Section of Jiyuan Area

2．2 孔隙度减小模型

孔隙度减小是由于正常压实作用和胶结作用引起的。根据埋藏史和热演化史及成岩过程分析，减孔过程中正常压实阶段剩余孔隙度φn是深度的指数模型［6］，压实胶结阶段剩余孔隙度φn是深度与时间的双元指数模型［10］。具体表达式为

图3 姬塬地区长8段成岩序列Fig．3 Diagenetic Sequence in Chang－8Section of Jiyuan Area

式中：S0为分选系数，S0＝（P25／P75）1／2；P25、P75分别代表累积曲线上颗粒含量（质量分数，后文同）25%和75%处所对应的颗粒直径［32，53－54］。

根据式（3）恢复的研究区原始孔隙度为35．46%～41．12%，平均值38．29%。

本次统计了研究区内8口井的次生增孔段上砂岩的地层孔隙度、埋深和年代数据，进行多元回归分析，得到

2．3 孔隙度增大模型

2．3．1 酸化窗口内孔隙度增大模型

地层中增加的次生孔隙度即是地层矿物被溶蚀的体积量，而溶蚀矿物的量关于时间的变化率与地层有机酸浓度具有一次线性函数关系

式中：φs为溶蚀作用形成的孔隙度；k为比例系数；C0为有机酸浓度；c0为常数。

由Carothers等的研究结果得到地层中有机酸浓度与温度的关系［55］

式中：A、B、C为待定系数；T为地层温度。

综合得到酸化窗口内孔隙度变化率模型［7］

式中：A′、B′、C′为待定系数。

设t1为溶蚀作用刚刚开始的时刻，t2为溶蚀结束的时刻，则边界条件为：当t＝t1时，φs＝0；当t＝t2时，φs＝Δφ。求解方程（7）得到酸化窗口内次生增孔量模型［7］

式中：Δφ为溶蚀增孔量；Δt＝t1－t2，t∈［t1，t2］，为酸化窗口内任一时刻，其中t1、t2分别对应地层温度达到70℃和110℃的时刻。

由式（5）计算在没有次生孔隙情况下得到的剩余孔隙度φn，现今实测孔隙度φ和φn的差值就是Δφ。如果Δφ≤0，说明没有次生孔隙；如果Δφ＞0，说明有次生孔隙。

2．3．2 总孔隙度演化模型

总孔隙度演化模型包括正常压实作用下的孔隙度减小模型、压实胶结作用下的孔隙度减小模型、酸化窗口内的孔隙度增大模型及跨过酸化窗口后的压实胶结次生孔隙度保持阶段，综合可以得到一个四段分段函数的总孔隙度演化模型［7，10，55－57］

式中：a＝0．000 523 409；b＝0．001 16；c＝0．004 06；d＝0．000 003 079 2；e＝0．837 52；φ0＝38．29；Δφ为溶蚀孔隙度增量。

3 实例分析

以研究区池94井长8段现今深度为2 539m的地层为例，利用笔者建立的总孔隙度演化模型编制程序进行孔隙度演化模拟（图4）。从图4可以看出：模拟地层从距今223．8Ma开始沉积，沉积初期原始孔隙度为38．29%；在持续沉积过程中，距今210Ma时，由于正常压实作用，埋深达到1 000m，孔隙度减小到22．59%；在距今210～180Ma时，长8段在经历了抬升和剥蚀作用继续埋深，孔隙度减小到19．38%；在距今180～151．1Ma时，地层抬升后继续进行埋深，在经历正常压实的同时地层发生胶结作用，孔隙度减小到14．71%；在距今151．1～124．6Ma时，地温上升，地层进入大量生油阶段，地层中干酪根热解开始产生酸性流体，长8段进入酸化窗口，产生溶蚀孔隙，增孔量达到1．08%，同时减孔作用使得孔隙度减少到9．67%，综合得到孔隙度为10．75%；距今124．6～100Ma时，地层持续埋深达到最大深度，石油侵位酸化作用停止，由于上覆压力存在，时间效应持续发生作用，孔隙度减小到6．05%；距今100Ma至现今，地层抬升，由于上覆压力存在，时间效应持续发生作用，孔隙度减少0．32%，达到现今的5．73%。

图4 池94井长8段砂岩孔隙度演化过程模拟Fig．4 Simulation of Sandstone Porosity Evolution in Chang－8Section for Well Chi94

4 结 语

（1）鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段砂岩主要为长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩，压实、胶结、溶蚀为主要的成岩作用类型，储层受沉积作用、埋藏作用和后期成岩作用的改造形成现今低孔低渗的储层特征。

（2）根据埋藏史特征，将姬塬埋藏过程分为4个主要阶段，并依据热演化史和成岩序列特征确定出正常压实作用、压实胶结作用及溶蚀作用的时间和深度窗口。在此基础上，依据大量的资料统计，并以现今孔隙度为约束条件，线性回归出了不同阶段的孔隙度演化模型，模型表现为四段式分段函数。模型的建立充分考虑了时间和深度2个参数的综合影响，又考虑了埋藏过程的阶段性和成岩作用的差异性，结果符合实际地质情况。

（3）建立的孔隙度演化模型可以推广应用到研究区任一地层的孔隙度计算，具有操作简单、结果合理的特点。但是模型的建立只考虑了埋深和时间2个主要参数，而孔隙度演化又是一个极其复杂的过程，受多种因素的共同作用和影响。因此，考虑其他因素对孔隙度影响及其对模型修正还有待于进一步深入研究。

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