2019, Vol. 41
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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 834000
2. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, CNPC, Karamay, Xinjiang 834000, China
储层孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形态、大小、分布及其相互连通关系，孔隙结构模态反映了主要孔隙(或喉道)大小的频率分布样式[1-3]。储集岩的孔隙结构优劣与油气储层的储、产量直接相关，因此，储层孔隙结构一直是学者们关注的热点[4-14]。早期学者们研究发现，沉积相和后期埋深、压力、温度等因素控制了成岩作用，进而影响了储层质量的差异[15-18]，颗粒分选、颗粒含量、排列方式、杂基含量及胶结方式等进一步复杂化了孔隙结构[19-21]。Clarke在研究滨岸相储层时提出了砂砾岩双模态结构[22]。而后，刘敬奎研究发现，对于分选差、粒度粗、粒度分布范围大的砂砾岩储层，其孔隙结构具有复模态特征[23-24]。罗明高认为储层复杂结构模态的形成不仅与岩石粒度分选有关，还与粒径比和颗粒相对含量相关，并建立了碎屑岩储层结构模态的定量数学模型[25]。
位于盆地边缘的冲积扇沉积机制多样[26-28]，形成了多种岩石相类型，至少包括砾岩相、砂砾岩相、小砾岩相、粗砂岩相、中—细砂岩相、粉砂岩相、泥质砂岩相、泥岩相等8类[29]，不同岩相类型不仅在颗粒分选、颗粒含量、排列方式、杂基含量及胶结物含量上有差异，在埋藏深度、成岩作用方式(压实、胶结与溶蚀)等方面也存在差异，这些导致了其孔隙结构模态的差异特征[22-24, 30-31]。砂砾泥在不同岩石相中所占比例具有较大差异，“同相异态，异相同态”的情况普遍存在。已有关于孔隙结构特征的研究在成因机制方面主要关注了粒度差异引起的孔隙结构复杂性，建立数学模型时假设颗粒是球状体，而砾岩球状模型过于理想化，对特定储层内部受沉积及成岩控制的孔隙结构模态成因机制及分布模式还不明晰。另一方面，砂砾岩油气储层孔隙结构模态不同，是引起其储集体内部非均质性差异的主要因素，严重影响其内部流体的运动、水驱油效率及颗粒的迁移方式与规律，约束了冲积扇油层的评价与开发效率[32-38]。因此，深入研究冲积扇储层孔隙结构复杂模态成因及其分布模式，对于深化冲积扇油气储层地质学，探讨沉积与成岩的复杂作用关系，评价储层内部差异性并指导油气精细勘探和开发具有重要的理论和实际意义。
目的层各种资料丰富，有10口密闭取芯井资料及各种分析化验资料，包括约100个压汞、铸体薄片、扫描电镜及X射线-CT扫描样品资料。这些资料为研究区岩石相划分、孔隙结构模态表征、孔隙结构差异模式及驱油效率的研究奠定了良好基础。
1 研究区概况克拉玛依油田六区—七区位于新疆克拉玛依市白碱滩地区，是一个被断裂切割的两个封闭断块油藏(图 1)。研究区自上而下钻遇第四系、古近系、白垩系、三叠系、石炭系。目的层为三叠系克拉玛依组下段(T2k1)，发育粗碎屑冲积扇砂砾岩沉积体系，储层岩石类型多样(图 2)，碎屑颗粒分选中等—极差，磨圆度差，以次棱角状—次圆状为主，成分成熟度和结构成熟度低。砾石成分复杂，以花岗岩、凝灰岩为主，砂岩颗粒主要为石英、长石和岩屑；储层矿物以石英、钾长石为主，其次为斜长石，少量碳酸盐矿物。主要黏土矿物为高岭石，其次为伊利石、伊/蒙混层等。
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| 图1 研究区位置图 Fig. 1 Location of the study area |
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| 图2 取芯井目的层综合柱状图(检583井) Fig. 2 Composite columnar section of the target layer in the coring well(J583) |
冲积扇储层岩石多粒级混杂而且丰富多样，是引起复杂模态的第一要素。按照开发过程中的实际情况，参考岩石相的主要粒度级别、结构和构造，对岩石相进行合理地分类[29]，探讨岩石相与复杂模态的关系。
综合考虑其粒度、分选、磨圆和沉积机制等特征，将研究区克下段冲积扇岩石相划分为砾岩相、砂岩相和泥岩相等3个大类，并细分为若干亚类和细类，详见表 1。
| 表1 砂砾岩岩石相分类 Tab. 1 Lithofacies classification of sandy conglomerate |
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砾岩相是研究区主要的储层岩石相类型。根据碎屑大小，砾岩相分为中砾岩相和细砾岩相两个亚类。其中，中砾岩相包括中砾岩(中砾含量大于50%)和细—中砾岩。细砾岩相按砾含量50%为界分细砾岩、中—细砾岩两类。
(1)中砾岩相
研究区中砾的粒径一般为10~40mm，平均为20mm，最大直径可达100mm(图 3a，图 3b)。中砾岩内含有细砾、砂、粉砂等组分，分选极差。砾石碎屑多为次棱角状，砾石排列杂乱，无明显方向性，可见直立、斜立和“漂砾”现象(图 3c)。
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| 图3 岩石相特征及分类 Fig. 3 The lithofacies characteristics and classification |
(2) 细砾岩相
根据砾石的粒度和构造特征，将细砾岩分为偏粗细砾岩相和小细砾岩相两种类型。
① 偏粗细砾岩相：细砾粒径一般5~10mm，中砾含量一般大于10%。根据中砾含量，包括含中砾细砾岩、中砾质细砾岩、中—细砾岩，分选均较差(图 3d)，砾石多为次棱角状或次圆状(图 3e)，略具成层性(图 3f)，见砾石叠瓦排列(图 3g)。
② 小细砾岩相：细砾粒径以2~5mm为主体，一般不含中砾(或偶见中砾)，分选较好，泥质含量低，胶结疏松(图 3h)。
2.1.2 砂岩相根据粒度大小，将研究区目的层砂岩相分为粗砂岩相、中砂岩相、细砂岩相和粉砂岩相4类。
(1) 粗砂岩相
粗砂含量大于50%，泥质含量低，胶结疏松，分选磨圆中等。碎屑物中常含有细砾(图 3i)，根据砾石含量，可分为粗砂岩相、含砾粗砂岩相、砾质粗砂岩相。砾石多为细砾，直径一般为2~4mm，偶见中砾，最大砾径为20mm。
(2) 中砂岩相
主要组分为中砂，一般含泥质，分选磨圆中等。碎屑物常含有细砾，其含量小于10%，直径一般为2~4mm(图 3j)。
(3) 细砂岩相
细砂岩相多含泥质，常与泥质粉砂岩共生。根据泥质含量，可将其分为：含泥细砂岩相：泥质含量较低，一般小于25%(图 3k)；泥质细砂岩相：泥质含量高，大于25%，常含有细砾，砾石直径一般为2~8mm(图 3l)。
(4) 粉砂岩相
砂岩相普遍含有泥质，为泥质粉砂岩，不含油，为非储层岩石相(图 3m)。
2.1.3 泥岩相泥岩相分为含砂(砾)或砂(砾)质泥岩相、纯净泥岩相两类(图 3n，图 3o)。
2.2 孔隙结构模态储层孔隙结构研究方法进展迅速，包括核磁共振[39]、高性能的场发射扫描电子显微镜[40]、X射线-CT扫描技术[41-42]等。为提高岩芯小孔、微孔的成像分辨率，本次采用岩芯柱X射线-CT扫描技术，扫描成像切片。利用计算机对岩芯图像进行三维重构，按照灰度大小将三维图像的岩芯颗粒和孔喉进行分离，再将孔喉三维图像数值化，对孔隙和喉道进行分析。
2.2.1 单模态岩芯单模态岩石颗粒以粗砂岩为主。图 4a为单模态岩芯CT图像，图像分辨率为每个像素点为5.526μm。单模态岩石孔隙发育，以原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔组合为主(图 4b)，孔隙在三维空间呈网络状结构，相互连通较好。由于岩芯孔喉模型分析是切割后的三维模型，且模型大小与实际岩芯相比较小，所以统计为岩芯局部的孔隙和喉道数量。单模态岩芯孔隙分布较大，最大孔喉半径超过70μm，孔隙半径主要分布在10~30μm(图 4c)，喉道最大半径达到30μm，喉道半径主要在4~12μm(图 4d)。
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| 图4 单模态岩芯CT图像及孔隙结构特征 Fig. 4 CT image and pore structure features of single modal core |
双模态岩石颗粒由两级颗粒组成，一级颗粒以砾石为主，二级颗粒以中粗砂岩为主。图 5a为双模态岩芯CT图像，图像分辨率为每个像素点大小为3.222μm。双模态岩石孔隙较发育，以粒间(内)溶孔、原生粒间孔、杂基孔组合为主，孔隙在三维空间呈疏网状结构(图 5b)。双模态岩芯孔隙半径为0~30μm，孔喉半径主要在0~20μm(图 5c)。喉道半径集中在2~10μm(图 5d)。
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| 图5 双模态岩芯CT图像及孔隙结构特征 Fig. 5 CT image and pore structure characteristics of bimodal core |
复模态岩石颗粒由3级颗粒组成，一级颗粒以砾石为主，二级颗粒以中粗砂岩为主，三级颗粒以粉砂、泥质为主。
图 6a为复模态岩芯CT图像，图像分辨率为每个像素点为3.222μm。复模态岩石孔隙发育一般，以粒间(内)溶孔、原生粒间孔、杂基孔组合为主，孔隙在三维空间呈星点状结构，相互连通较差(图 6b)。复模态岩芯孔隙半径在0~30μm，主要集中在0~10μm(图 6c)。喉道半径在0~20μm，主要集中在0~6μm(图 6d)。
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| 图6 复模态岩芯CT图像及孔隙结构特征 Fig. 6 CT image and pore structure characteristics of complex modal core |
在岩芯扫描、铸体薄片及孔隙喉道分析的基础上，对不同模态的岩性、孔隙度、气测渗透率、孔隙数量、喉道数量、平均配位数、孤立孔喉、连通孔隙及孔隙连通率等进行了统计(表 2)。统计发现，单模态孔隙度大、渗透率高、孔隙数量最多、喉道数量最多、平均配位数大、孤立孔喉少、连通孔隙最多及孔隙连通率最高，双模态次之，复模态更次。
| 表2 不同模态岩芯X射线-CT图像孔喉统计 Tab. 2 Statistics on pore and throat of different modal cores by X-ray-CT image |
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上述大量数据说明，砂砾岩储层孔隙结构模态多样性明显。在岩石相相同时，其孔隙结构模态也具有差异性，即所谓的同相异态；在岩石相不同时，其孔隙结构模态可能相同，即所谓的异相同态。
3.1 砾岩储层同相异态差异机制砾岩相类型非常丰富，不同的砾岩比例引起的储层孔隙结构的模态具有明显差异[23-24]，本次重点讨论在砾岩含量大体一致的情况下储层孔隙结构差异机制。
砾岩分选、磨圆较好的情况下，孔隙结构以单模态为主，如分选较好的细砾岩、小砾岩(图 7a)。前人研究孔隙结构定量化数学模型的重要基础是颗粒均为球形[31]，而砾岩颗粒属于近源沉积，因此，绝大多数不是以理想化球形为主，即分选、磨圆较差的情况下，则伴随砂泥质含量增加且分布不均，孔隙结构则以双模态(图 7b)和复模态为主(图 7c)，压汞曲线显示进汞与退汞效率均较低，大部分孔隙在最大排驱压力下仍然未注入汞(图 8a)。颗粒之间杂基充填及排列方式不同也会导致双模态和复模态的孔隙结构，如图 7d砂砾岩以双模态为主，压汞曲线显示进汞与退汞效率比复模态要好(图 8b)。当砂砾岩颗粒之间杂基充填及排列方式紧密时，则形成复模态(图 7e)，含泥砂砾岩也可以形成类似双模态(图 7f)或者复模态(图 7g)。
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| 图7 同相异态差异模式 Fig. 7 Rocks of same lithofacies with different pore structure modalities |
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| 图8 不同岩相与模态的压汞曲线 Fig. 8 Different capillary pressure curves of lithofacies and modality |
成岩过程加剧了孔隙结构模态的复杂性。压实作用进一步复杂化了孔隙结构的形态。胶结作用按胶结矿物可分为碳酸盐岩、石英及黏土矿物等3类。菱铁矿(Sid)泥晶胶结物呈不规则块状、小菱形晶状集合体、球粒集合体以及球粒状单晶体等(图 9a)。方解石(Cal)晶形较好，充填于颗粒之间，在长石裂缝中偶见(图 9b)。自生石英(Qua)以石英碎屑颗粒为核心，沿粒间孔隙空间生长而形成硅质胶结，阻止了机械压实，导致了孔隙结构复模态(图 9c)。伊利石(ill)胶结物呈毛发状，以颗粒薄膜、孔隙衬垫、网状等形式分布于孔隙内(图 9d)。溶蚀作用以长石溶蚀为主，碳酸盐岩和岩屑次之。交代作用形成的黏土矿物堆积在颗粒表面，缩小孔喉开度，增大颗粒比表面积，形成复模态孔隙结构。
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| 图9 目的层胶结物类型 Fig. 9 Cement types are further complicated due to diagenesis |
砾岩储层形成同相异态的控制因素主要有两个方面。(1)受沉积作用的控制，包括3个层次，第一层次是前已述及的岩石相分类差异，第二层次是颗粒分选磨圆的差异，第三层次是颗粒排列方式的差异，3个层次的差异均会导致模态差异，且呈逐级控制特点，例如在分选磨圆相似条件下，颗粒的排列方式不同则会产生同相异态。分选、磨圆较好的细砾岩、小砾岩呈单模态特征，主要沉积微相类型为扇中辫流水道，因搬运距离较远，颗粒分选磨圆较好，颗粒排列方式均匀有序，结构成熟度与成分成熟度较高，孔隙结构较好；在扇根形成的砾岩相主要呈双模态及多模态特征，搬运距离近，颗粒粒度大，分选磨圆差，颗粒排列方式杂乱，结构成熟度与成分成熟度相对低，孔隙结构较差。另外，在冲积扇储层中，支撑砾岩与漫洪砾岩体均属于砾岩相，然而，孔隙结构模态差异较大，支撑砾岩内部砾石相互支撑起来，形成管状超大孔道、超大喉道(图 7h左)，而漫洪砾岩体在砾岩孔隙中被细粒成分充填，大部分形成孔隙结构复模态(图 7h右)。这是典型的因颗粒排列及充填方式不同引起的同相异态。(2)在成岩作用控制下，孔隙结构进一步复杂化。压实、胶结、交代作用过程复杂，让复杂的孔隙结构更加多样；溶蚀作用则对储层孔隙结构有所改善。
3.2 砂砾岩储层异相同态差异机制砂砾岩储层中的异相同态比较普遍。例如：中—细砂岩、粗砂岩相与细砾岩均呈现单模态特征，砂岩、砂砾岩的双模态，泥质砂岩、砂砾岩复模态等。在分选磨圆相对较好的情况下，孔隙结构的差异性不明显。砂砾岩储层中，细砾岩(图 10a)、粗砂岩相(图 10b)与中—细砂岩(图 10c)分选磨圆较好，均可形成单模态，成为优质储层。在分选磨圆较差的情况下，砂岩(图 10d)与砂砾岩(图 10e，图 10f)会形成双模态结构，其具有相同的压汞曲线特征(图 8c，图 8d)，泥质砂岩、砂砾岩复模态结构(图 10g，图 10h)。
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| 图10 异相同态差异模式 Fig. 10 Rocks of different lithofacies but same modality |
对于异相同态来说，沉积作用对颗粒原始组构的控制影响有以下两个方面。其一，是与辫流水道相关的岩性类型，包括扇根外带辫流水道(细砾岩)、扇中辫流水道(粗砂岩)、扇缘径流水道(中—细砂岩)，虽然粒度有差异，然而形成的岩石分选磨圆较好，孔隙结构模态一致。其二，是扇根砂砾岩与漫流砂体等分别以砾岩、砂岩为主的岩性对比来说，因为沉积与成岩双重作用影响导致双模态与多模态特征。而成岩作用具有等效沉积作用的特点，也可以导致异相同态。例如砂砾岩相、泥质砂砾岩相、含泥砂砾岩的双模态结构，砂砾岩与泥质砾岩的复模态结构等。
3.3 不同岩相孔隙结构模态的水驱油特征不同的孔隙结构模态，具有不同的孔隙结构形态、大小及连通关系，导致水驱油效率具有差异，进而影响最终采收率。
3.3.1 不同岩相孔隙结构模态的水驱油特征单模态为主的孔隙结构特征，岩性以细—小砾岩和含砾粗砂岩为主，颗粒分选较好，孔隙式胶结，接触方式为点状接触，胶结较疏松。储层孔隙度大于20%，渗透率大于600mD，为高孔高渗储层，孔隙结构呈大孔中喉状(图 11a)。孔隙类型以粒间孔为主，孔喉分布相对均匀，偏粗歪度。喉道类型以缩颈状为主，孔喉配位数3~5，孔喉连通呈网状，连通率达70%以上。汞饱和度的增量最大值的毛管半径在10μm左右，大孔道渗透率贡献较大，毛管半径主要在4~30μm(图 11b)。水驱油过程中可以形成网状渗流通道，水驱波及系数相对较高，水驱油效率最高，平均为61%(图 11c)。
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| 图11 单模态孔隙结构的水驱特征(大铸体切片) Fig. 11 Water flooding characteristics of single modal pore structure(large cast thin section) |
双模态为主的孔隙结构特征，岩性以含砾不等粒砂岩为主，颗粒分选中等—差，以孔隙—压嵌型胶结为主，点—线接触。储层孔隙度17%~24%，渗透率50~600mD，为中孔中渗储层，孔隙结构呈中孔中细喉状。孔隙以粒间孔为主，孔喉分布相对均匀，偏细歪度，连通性较好(图 12a)。汞饱和度的增量最大值的毛管半径在5μm左右，大孔道渗透率贡献较大，毛管半径主要分布在1~18μm(图 12b)。这类储集层水驱油时可以形成稀网状渗流通道，水驱波及系数相对较高，水驱油效率高，平均为50%(图 12c)。
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| 图12 单双模态孔隙结构的水驱特征(大铸体切片) Fig. 12 Water flooding characteristics of single and bimodal pore structures(large cast thin section) |
多模态为主的储层孔隙结构，岩性以泥质砾岩和砂质砾岩为主，颗粒分选极差，黏土矿物含量大于10%，压嵌型胶结为主，接触方式为线接触。储层孔隙度小于17%，渗透率小于50mD，为低孔低渗储层，孔隙结构呈细孔细喉状。孔喉发育极差，次生孔隙和微裂缝发育。喉道类型以弯曲片状为主，孔喉配位数0~2，连通率30%(图 13a)。汞饱和度增量最大值的毛管半径在0.400μm左右，毛管半径主要在0.075~0.500μm(图 13b)。这类孔隙结构储层孔道主要为细长状，连通性差，注入水难进入，驱油效率低，平均为35%(图 13c)。
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| 图13 复孔隙模态结构的水驱特征(大铸体切片) Fig. 13 Water flooding characteristics of complex modal pore structure(large cast thin section) |
孔隙结构模态的差异是水驱油效率不同的根本原因，不同模态的孔隙结构组合、类型、连通方式等导致了具体的差异模式[33]。
单模态：原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔组合为主，原生粒间孔为主，粒内溶孔次之，粒间(溶)孔高达90%以上(图 14a，图 14d)。这类组合的孔隙发育好，孔喉粗大，胶结物含量少，孔喉基本未填充。主要岩性为细粒小砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩。网络状连通模式，驱替效率较高。
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| 图14 不同孔隙结构模态的驱油模式 Fig. 14 Oil displacement patterns of different modal pore structures |
双模态：粒间(内)溶孔、原生粒间孔、杂基孔组合为主，其次有少量胶结物溶孔(图 14b，图 14e)。一级颗粒形成的孔隙未被充填或半充填，孔喉发育好—中等，疏网状分布或星点状分布。主要岩性为含砾粗砂岩、砂砾岩、砂质砾岩。星点状连通模式，驱替效率一般，部分较好、部分较差。
复模态：粒间(内)溶孔、杂基孔、胶结物溶孔组合为主，其次发育微裂缝等(图 14c，图 14f)。孔隙发育较差，一般为零星散乱状分布，且成岩后生作用普遍。主要岩性为砂砾岩、砂质砾岩、泥质含砾粗砂岩。零星散乱状模式，局部存在高渗带，驱替效率很差。
4 结论(1) 岩性多级别分类特点。砂砾岩储层岩性多样，按照实际开发与实用的操作方式，可以分为3大类：砾岩相、砂岩相、泥岩相；7亚类：中砾岩、细砾岩、粗砂岩相、中砂岩相、细砂岩相、粉砂岩相、泥岩相；13细类：中砾岩相、细—中砾岩相、粗—细砾岩相、小细砾岩相、粗砂岩相、含砾粗砂岩相、砾质粗砂岩相、中砂岩相、含泥细砂岩相、泥质细砂岩相、粉砂岩相、含砂(砾)或砂(砾)质泥岩相、纯净泥岩相。
(2) 孔隙结构模态3种分类特征差异较大。单模态岩芯岩石颗粒以粗砂岩为主。孔隙发育，以原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔组合为主，孔隙三维图形呈网络状分布，相互连通较好。双模态岩芯岩石颗粒由两级颗粒组成，一级颗粒以砾石为主，二级颗粒以中粗砂岩为主。孔隙较发育，以粒间(内)溶孔、原生粒间孔、杂基孔组合为主，孔隙三维图形呈疏网状分布。复模态岩芯岩石颗粒由3级颗粒组成，一级颗粒以砾石为主，二级颗粒以中粗砂岩为主，三级颗粒以粉砂、泥质为主。孔隙发育一般，以粒间(内)溶孔、原生粒间孔、杂基孔组合为主，孔隙三维图形呈星点状分布，相互连通较差。
(3) 同相异态和异相同态的机制不同；砂砾岩储层中相同岩石相具有不同孔隙结构模态(同相异态)和不同的岩石相具有相同的结构模态(异相同态)普遍存在。其差异机制主要为，沉积过程中颗粒排列方式不同及多种成岩作用对孔隙结构的改造导致了同相异态。而沉积过程中颗粒分选磨圆、颗粒排列方式及成岩作用等综合因素的差异导致异相同态。
(4) 不同孔隙结构模态驱替效率差异较大，单模态以网络状连通驱替模式为主，驱替效率较高。双模态星点状连通驱替模式为主，驱替效率一般。复模态零星散乱状驱替模式为主，局部存在高渗带，驱替效率较差。
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