0 引言

根据济阳坳陷第三次资源评价，临南洼陷预测资源量为7.01亿t，占惠民凹陷总资源量的87.6%，但其目前探明的油气储量仅为0.39亿t，勘探潜力巨大^[1]。临南洼陷具有“面积小、多物源、近物源、充填快”的沉积特点，来自不同物源区含泥质较高的沉积物在此快速堆积，埋藏后又经过压实、胶结和溶蚀等复杂的成岩作用，形成了临南洼陷沙三段储层低孔、低渗和多敏性的特点^[2]。钻井数据也显示，临南洼陷低渗储层含油范围广，但由于储层的非均质性，油气产量递减速度较快、试采产量偏低，给后续的勘探开发工作造成了诸多不利，因此亟需对储层物性的控制因素进行综合分析。

目前对砂岩储层物性控制因素的研究相对比较成熟，其主要受沉积、成岩和构造3个方面因素的共同影响^[3-6]。储层质量多具有沉积作用主控，压实作用主导，胶结作用强化，溶解作用改善的特点。然而，在不同地区的不同层位中，这些控制因素对储层物性影响程度差别很大^[7-12]。并且前人的多数研究侧重于物性控制因素的定性分析，缺少能够反映储层物性变化规律的数学预测模型。

为了明确各种因素对临南洼陷沙三段砂岩储层物性(以孔隙度为例)的控制作用与影响程度，本文应用研究区内各类基础资料，包括粒度分析报告22份、全岩X-衍射报告24份、物性分析报告30余份和铸体薄片200余块等，分别探讨沉积作用和成岩作用对孔隙演化的影响机理。在此基础上，运用灰色关联法量化各控制因素对储层孔隙度的影响程度，进而建立孔隙度综合预测模型。

1 地质概况

临南洼陷是惠民凹陷中部的一个以北东方向为轴向的半地堑式洼陷，其北以临商断层(F₁)和中央隆起带为界，南面以临南斜坡带由夏口断层(F₂)向鲁西隆起过渡。为了便于研究，将临南洼陷划分为6个区块：1.田家地区；2.商河地区；3.玉皇庙地区；4江家店地区；5营子街地区；6.大卢家地区(图 1)。

沙三段作为主要储层发育多种沉积相类型，主要包括西北部、北部的盘河—临邑三角洲，南部、西南部的双丰辫状河三角洲，东南部的江家店—瓦屋扇三角洲，深洼内少量浊积扇以及滨浅湖、半深湖沉积(图 2)。沙三段主要岩石类型包括含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩以及黑色、紫红色泥岩，另外发育玄武岩。储层岩性以岩屑长石砂岩为主，碎屑颗粒体积分数为52%～98%,平均为84.5%。其中，石英体积分数为13%～77%，平均为43%；长石体积分数为8%～53%，平均为33.49%；岩屑体积分数为8%～77%，平均为22.72%。填隙物包括杂基和胶结物两类，泥质杂基体积分数最高可达45%，胶结物存在碳酸盐、自生加大石英、铁质胶结等多种类型。储层储集空间以粒间孔、粒内溶孔、晶间孔为主，原生孔较少。孔隙度分布在4%~24%区间内，垂向上呈现较强的非均质性。

2 储层孔隙度控制因素分析

临南洼陷沙三段储层不仅受到多物源的沉积作用影响，且经历了压实、胶结、溶解和交代等一系列成岩作用^[13-15]。结合前人成果和现有资料，本文从沉积作用和成岩作用两方面对储层孔隙度影响因素进行深入分析，探讨各因素对其的影响机理。

2.1 沉积作用相关因素分析

沉积作用在宏观上控制了储集砂体的成因类型、叠置关系和空间展布，在微观上决定着碎屑颗粒的粒度、分选、磨圆、接触方式以及填隙物成分和含量等岩石特征^[15-17]。研究区内不同沉积相带储层的物性数据分析结果表明，各富砂沉积微相内储层孔隙度差异较小，优势相带特征不显著。岩石粒度和分选系数与储层孔隙度有较好的相关性。粒度较粗的储层物性相对较好，粗砂岩和中砂岩的平均孔隙度均在17%左右，而细砂岩和粉砂岩的孔隙度也达到14%(图 3a)。而孔隙度在4个不同的分选系数区间内表现出不同的特征：当分选系数＜1.3时，分选好，孔隙度较高，主要集中于15%～33%；当分选系数在1.3～1.6时，分选较好，孔隙度集中于4%～33%，分选对孔隙度的控制作用最小；当分选系数在1.6～1.9时，分选较差，孔隙度较低，主要集中于4%～17%；当分选系数>1.9时，分选差，孔隙度基本小于10%，分选对孔隙度的控制作用最强(图 3b)。由此可知，对于研究区储层来说，分选性对其原始孔隙度的影响要显著大于粒度的影响。

2.2 成岩作用相关因素分析

沉积作用控制了储层形成的物质基础，但储层质量则更多与成岩作用有关。从本质上说，各种成岩事件对储层孔隙度的建设性、破坏性影响及其相互作用，在很大程度上决定了储层物性演化及有利储层的形成^[18-20]。临南洼陷沙三段储层现埋深1 600~3 500 m，处于中成岩演化阶段，发育的建设性成岩作用为溶蚀作用，破坏性成岩作用包括压实作用和胶结作用。

2.2.1 压实作用

压实作用是控制储层孔隙度的重要成岩作用，受岩石类型、刚性颗粒含量、颗粒大小、分选系数、胶结物含量、异常流体压力、埋藏方式和作用时间等多种因素的影响^[21-22]。图 4为临南洼陷沙三段砂岩储层成岩作用镜下薄片图，可知压实现象较为普遍，通过铸体薄片镜下定性观察，可见塑性颗粒压实作用变形(图 4a)、碎屑颗粒长轴呈定向排列、骨架颗粒呈现线接触或者凹凸接触(图 4b)、刚性颗粒受压破裂等现象。从定量上，可以用视压实率来表征压实作用强度。

其中，粒间体积=粒间孔体积+胶结物含量，原始孔隙度是用Trask分选系数法求取，

S_o为Trask分选系数，S_o＝P₂₅/P₇₅，P₂₅和P₇₅分别是粒度概率累积曲线上25%和75%所对应的颗粒直径。

计算结果表明，临南洼陷沙三段砂岩储层的压实作用强度存在较大差异，视压实率为10.2%~85.7%，平均64.5%。其中沙三下亚段的视压实率平均为77.9%，沙三中亚段的视压实率平均为75.1%，沙三上亚段的视压实率平均为47.7%。根据压实作用强度分级，认为研究区整体压实作用为中等—强压实。

前人曾用正常压实曲线对孔隙演化过程进行机械压实校正，或借其与孔隙度包络线的组合来判定异常孔隙带的发育情况^[23-25]。但这些正常压实曲线大多没有将不同岩石特性(粒度、分选等)考虑进来，仅有部分学者做过此类探讨或对压实作用机理进行模拟实验研究。为了更深层的探讨压实作用机理，本文选取胶结物体积分数小于5%(原因详见后文)且溶解作用不发育的数据点，分别建立不同粒度、不同分选区间岩石的正常压实曲线。

图 5a表明，同一分选区间内砂岩颗粒粒度越粗，孔隙度越高；而相同粒度区间的砂岩分选系数值越小，孔隙度越高(图 5b)。由此可知，在限定条件内孔隙度与颗粒粒度、分选性均表现出较好的线性关系。虽然存在着一定的误差，但是考虑到研究中的可操作性和实用性，笔者认为这种方法是切实可行的。

2.2.2 胶结作用

临南洼陷沙三段砂岩胶结物主要有碳酸盐岩、黏土矿物和石英次生加大等3种类型。碳酸盐胶结是最主要的胶结作用(图 4c、4d)，且胶结程度强弱不均。平面上，洼陷北部胶结最强，洼陷南部由西向东碳酸盐胶结物含量逐渐增高；纵向上，沙三上亚段和沙三下亚段碳酸盐胶结物含量较高，沙三中亚段含量较低。碳酸盐胶结物含量和孔隙度统计结果表明，当碳酸盐岩胶结物体积分数小于5%时，对孔隙度影响相对较弱；当碳酸盐岩胶结物体积分数大于5%时，孔隙度明显随其增大而减小(图 6)。自生黏土矿物胶结物主要类型有高岭石、伊/蒙混层(图 4e)、伊利石和绿泥石等。石英次生加大现象比较普遍(图 4f)，但总体上次生石英胶结物体积分数较低，一般为0.5%~3.0%，对孔隙的破坏作用很小。

2.2.3 溶蚀作用

溶蚀作用是形成次生孔隙的主要因素，其发育程度对改善储层物性具有非常重要的意义。视溶蚀率统计表明，沙三下亚段：一、二、三、六区溶蚀作用最强，视溶蚀率分别为91.9%、76.0%、85.7%、83.3%；五区次之，视溶蚀率为65.6%；四区最弱，视溶蚀率为35.1%。沙三中亚段(三、六区缺少数据)：一、四区溶蚀作用较强，视溶蚀率为79.2%、71.3%；二区较弱，视溶蚀率为45.5%；五区溶蚀最弱，视溶蚀率为35.5%。沙三上亚段(二、五区缺少数据)：一、四区溶蚀作用较强，视溶蚀率为39.9%、40.6%；六区视溶蚀率为26.6%；三区视溶蚀率仅为5.8%(图 7)。通过铸体薄片鉴定及扫描电镜观察，临南洼陷沙三段的溶蚀作用主要表现为长石颗粒(图 4g，4h)及部分岩屑的溶蚀(图 4i)。其中长石溶蚀是最主要类型，粒内溶孔或铸模孔多是由长石颗粒溶蚀形成，故溶蚀孔体积与长石颗粒含量呈正相关。

2.3 各因素对孔隙度影响程度分析

前人研究中，针对各种因素对储层孔隙度的影响程度多为定性描述，缺少定量表征^[26-28]。本文在对临南洼陷沙三段砂岩储层物性影响因素分析的基础上，将各参数对储层孔隙度的影响程度进行量化。现设定一个关于孔隙度的综合计算公式：Ф=。其中，Ф为储层最终计算得出的孔隙度；n为选取的储层参数总个数；a_i为选取参数的权重系数；X_i为所选参数与孔隙度的关系式。权重系数是所选参数对储层物性影响程度的指标，确定权重系数的方法有多种，如因子分析法、层次分析法^[29]、灰色关联法^[30-31]、主成分分析法、神经网络法^[32]等。本次采用的是灰色关联法来求取致密砂岩储层物性影响因素的权重系数，计算公式如(1)-(5)：

参数选择式为

初始化处理式为

关联系数计算式为

其中，Δ_max=maximaxtX_t ⁽¹⁾(i)-X_t ⁽¹⁾(0)，Δ_min=minimintX_t ⁽¹⁾(i)-X_t ⁽¹⁾(0)。Δ_max与Δ_min为同一观察时刻，各子因素与母因素之间差值的绝对值极值。ρ为灰色关联分辨系数，用来调节各影响因子之间的数值差异幅度，介于0～1之间，ρ越小，分辨力越大，本文考虑工区实际情况取值为0.5。

灰色关联度计算式为

参数权重计算式为

由于系统中各因子物理意义不同，导致原始变量序列具有不同的数量级或量纲，需要对所有数据进行无量纲化预处理，常用的无量纲化方法有初值法、极大值法和均值法等。本文采用的是初值法进行的无量纲处理。对所选择的各种参数(1)根据公式(2)进行初值化处理。然后按照公式(3)计算关联系数，按照公式(4)计算灰关联度，最后根据公式(5)计算得出各参数的权重系数。

综合研究区沉积及成岩作用相关因素对储层孔隙度影响的认识，笔者认为粒度中值、分选系数、埋藏深度、碳酸盐岩胶结物含量、长石含量和黏土矿物含量等参数可以较全面地反映对储层物性有影响的原始地质信息以及后期成岩改造信息，而上述参数的综合作用则决定了储层物性的发育程度。也就是说，现今储层孔隙度Ф是可以根据上述参数和孔隙度之间的函数关系来求得，即：

其中：a、b、c、d、e、g为所求取的权重系数(表 1)；f(M)为粒度中值孔隙度关系函数；f(S)为分 选系数孔隙度关系函数；f(D)为深度孔隙度关系函数；f(C₁)为胶结物孔隙度关系函数；f(F)为溶解作用孔隙度关系函数；f(C₂)为黏土含量孔隙度关系函数。

将权重系数带入公式可得孔隙度：

3 砂岩储层孔隙度定量模型

本文在探讨过程中，将现今孔隙看作成正常压实条件下保存的孔隙与后期成岩作用对孔隙改造的叠合，把成岩改造按照对储层孔隙度的增减效应进行归类，建立定量化的孔隙度预测模型。为了实现将各项参数与孔隙度的增减效应归类，建立孔隙度综合预测公式，现做出以下设定：现今孔隙度是正常压实孔隙度与成岩作用对孔隙度贡献量的代数和；在对孔隙度的贡献上，分选和粒度是正常压实曲线涉及的参数，用于求取正常压实孔隙度；胶结物和黏土矿物占据孔隙体积，定为负值；溶蚀作用提高孔隙度，定为正值，且长石含量与次生溶孔具有较高的正相关性，所以用长石含量的权重系数和关系式来近似求取溶蚀孔隙含量。

在以上设定的条件下，只需分别计算出与正常压实孔隙度Φ₁有关的参数(粒度和分选)、具增孔效应的参数(长石含量)和具减孔效应的参数(黏土矿物含量和胶结物)对孔隙度影响的权重系数，即可得到孔隙度Φ的综合计算公式：

式中：Φ_胶结为碳酸盐岩胶结物占据的孔隙，可近似用碳酸盐岩含量表征；Φ_溶蚀为溶蚀作用增加的孔隙，可近似用长石含量表征；Φ_黏土为生成的黏土矿物所占据的孔隙，可用黏土矿物含量表征。

将表 2中后四项参数作为整体，求取每项参数所占百分比即为各因素的权重系数：c=0.27，d=0.23，e=0.28，g=0.22。因此，临南洼陷沙三段储层孔隙度计算公式如下：

其中，Φ₁为正常压实孔隙度，应用上述方法求得粒度和分选两项的权重系数分别为0.46和0.54。将Φ₁表达式带入Φ代数式中得到：

研究区内4区各种储层参数比较齐全，对该区内17个样品点的储层物性参数进行带入验证，将计算结果与实测孔隙度对比发现：平均误差为9.5%，其中13个样品点的孔隙度误差都小于15%，最小误差仅为0.15%，只有4个样品点误差超过15%(表 2)。故得到的孔隙度综合预测模型具有较高的准确性和实用性。

4 结论

1) 临南洼陷沙三段砂岩储层孔隙度的主要影响因素包括沉积物粒度、分选性、压实作用、胶结作用和溶蚀作用。具体表现为：在限定压实条件下，粒度较粗的储集层物性相对较好，且分选性对原始物性的影响要大于粒度的影响；孔隙度与碳酸盐岩胶结物体积分数呈负相关；以长石颗粒溶蚀为主的溶蚀作用具有明显的增孔效应；随着黏土矿物含量越高，孔隙度逐渐降低。

2) 运用灰色关联法计算各控制因素的权重系数分别为：原始孔隙度0.27(其受控于粒度中值和分选系数，权重系数分别为0.46和0.54)，胶结物体积分数0.23，长石体积分数0.28，黏土矿物体积分数0.22。将现今孔隙度视为正常压实孔隙度与其他成岩改造对孔隙度贡献量的叠加，从而得到在多因素控制下储层孔隙度计算公式。经验证，该方法准确率高达90.5%。