碱性长石溶蚀微孔发育特征及其对致密砂岩储层物性的改造作用 以鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系延长组6段3亚段为例

致密储层孔隙结构的精细表征是近年来国内外学者的研究热点，也是评价储层有效性的重要内容之一［1-2］。致密砂岩储层纳米级孔喉网络广泛发育，主体孔径分布在40～700 nm［3］。长石作为砂岩储层中分布最广泛的易溶骨架颗粒，次生溶孔广泛发育，在北海盆地Brent组，McArthur盆地Barney Creek组，渤海湾盆地沙河街组，鄂尔多斯盆地延长组及准噶尔盆地百口泉组储层中，均发现长石溶蚀产生的次生孔隙［4-8］。

前人研究结果表明，碎屑岩储集层中的碱性长石差异溶蚀现象十分普遍，在不同地质条件下各类长石受元素组成与晶体结构特征的影响溶蚀孔隙特征具有差异性，导致不同地区储层次生孔隙发育特征主要受矿物组构特征制约［9-16］，通常对于储层物性具有建设意义。目前针对长石溶蚀的次生孔隙研究要从直观描述和定量计算角度分析，包括溶蚀孔隙发育特征、形成与演化、成岩作用及流体等成因机制等，前人研究主要从长石溶孔与孔喉半径关系、长石溶蚀孔增长模型及自生矿物含量与物性关系等定量计算角度分析［5，17-20］。此外，也有学者倾向于利用溶解反应式对次生孔隙体积和孔隙度进行定量计算［21］，并对不同长石的溶蚀强度进行比较［12-13］，然而现有研究仍然缺乏针对不同组分的长石溶蚀孔隙形态特征、孔径分布特点以及孔隙度贡献程度的定量评价［21-25］。

基于现有的储层表征技术［26-29］，论文主要从3个角度开展长石溶孔定量化表征：① 根据样品场发射环境扫描电镜（FE-SEM）图像的实际观测，分析长石发育类型与溶蚀孔隙特征，并计算各类型长石的实际溶蚀率；② 根据长石溶蚀反应前后的矿物类型和含量变化情况，测算各类型长石的理论溶蚀率；③ 采用溶蚀强度对长石溶蚀孔隙发育状况进行表征。在此基础上进行相关性分析，对控制长石溶孔发育特征的相关因素进行了分析探讨。这对于明确埋藏较深、原生孔隙保存较差的致密砂岩储层其微-纳米尺度的长石次生溶孔对储渗条件的改善原理及作用机制具有一定意义。

1 样品特征与研究方法

1.1 样品来源

鄂尔多斯盆地华庆地区位于盆地内伊陕斜坡的西南部（图1），发育有典型的深水重力流成因的致密砂岩储层，主力产层延长组6段3亚段（长63亚段）形成于湖盆深水-半深水区，周缘坡折带西陡东缓［30］。位于东部坡折带的Y井区发育呈NE-SW向展布的席状、透镜状砂体，沉积主体为砂质碎屑流及部分浊流、泥质碎屑流沉积，局部可见三角洲前缘水下分流河道砂质碎屑流沉积［22，30-34］。样品取自研究区内的探井及评价井，取心样品埋深介于1 980～2 210 m。

图1

图1   鄂尔多斯盆地区域位置［30］

Fig.1   Location of the Ordos Basin［30］

基于区内1 761个物性测量数据对储层物性进行分析，结果表明：研究区长63亚段砂岩平均孔隙度为9.86 %，小于10 %的样品约占62 %；水平渗透率主要为（0.01～0.50） × 10-3 μm2，小于0.1×10-3 μm2的样品约占47 %，在（0.1～1.0） × 10-3 μm2的样品约占49 %。该砂岩为一套低孔-特低孔、超低渗致密储层。

1.2 研究方法

场发射环境扫描电镜是研究岩石微观结构、孔隙类型以及矿物形貌学特征的主要手段，联合能谱分析（EDS）以及元素面扫分析可以确定矿物组分特征。本次研究使用FEI Quanta 650高分辨率场发射扫描电镜，为使样品尽可能保留在原始地层状态，取心样品在磨片前均未洗油，此外，为了提高成像质量，实验观察前样品经过氩离子抛光并进行喷铬处理。

首先利用扫描电镜的背散射和二次电子成像技术对储层中的长石矿物进行高分辨率成像，在对研究区长6段致密砂岩储层的扫描电镜图像观察的基础上，利用能谱分析获取各类长石的钾、钠元素的分布特征及组成特点，基于Image J软件对图像进行二值化处理及参数提取，分别对具有典型溶蚀特征的波状条纹长石和斑块状长石进行图像分析和理论计算，采用溶蚀强度参数评价储层溶孔对储集空间的贡献程度，并以此为依据探讨钾-钠长石差异溶蚀的影响机制、分析长石溶孔对储渗性能的改善作用进行探讨。

1.3 样品基本特征

根据显微镜下铸体薄片的孔隙发育特征及面孔率等参数，对研究样品进行分类评价，不同类型储层孔喉发育特征差异明显。一类储层（图2a—c）骨架颗粒粒径大，原生粒间孔隙和粒间残余孔隙发育，孔径总体较大，平均面孔率7.3 %，喉道类型包括孔隙缩小型和颈缩状，有较好的储渗空间；二类储层（图2d—f）粘土矿物包裹骨架矿物导致表面粗糙，并且充填粒间孔隙，因此，此类储层主要发育粘土矿物晶间孔，孔隙半径小，平均面孔率5 %左右，喉道以颈缩状和弯片状为主；三类储层（图2g—i）颗粒粒径小，主要以泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，粒间残余孔隙孔径小，发育粒内溶蚀孔隙，并且呈现明显的成层性分布，面孔率很低，一般低于4 %，喉道以片状和弯片状为主。

图2

图2   鄂尔多斯盆地华庆地区长63亚段致密砂岩储层孔隙结构特征铸体薄片照片（单偏光，蓝色铸体）

a-c.Y416井，埋深2 143.5 m，一类储层，碎屑颗粒较大，原生粒间孔发育； d-f.Y413井，埋深2 204.7 m，二类储层，残余粒间孔发育；f-i.Y284井，埋深2 191.3 m，三类储层，碎屑颗粒较小且压实紧密，面孔率低且孔径小

Fig.2   Images of casting thin sections showing the pore structure of Chang‑63 tight sandstone reservoir， Huaqing area， Ordos Basin （with plane polarized light and blue casting）

元素全面扫描分析是利用电子束在试样表面平面扫描通过，使得所定义元素在显示器上以不同颜色的点分别显示出分布图像，根据SEM-EDS元素-矿物判别方法［35］，对研究区内样品的常见骨架矿物和粘土矿物进行识别和显示。结果表明（图3），华庆地区样品矿物组分主要包含有石英（30.86 %）、钠长石（23.12 %）、钾长石（10.03 %）、方解石（11.34 %）、白云石（8.16 %）、菱铁矿（0.12 %），粘土矿物以绿泥石为主（4.79 %），其次为蒙脱石（2.98 %），再次为伊利石和高岭石，含量分别为1.54 %和1.28 %。

图3

图3   鄂尔多斯盆地华庆地区长63亚段致密砂岩储层SEM-EDS面扫元素-矿物判别结果

Fig.3   SEM-EDS element‑mineral discrimination of Chang‑63 tight sandstone， Huaqing area， Ordos Basin

2 碱性长石基本特征

2.1 元素组成

具有条纹特征的碱性长石是指在炙热的熔融状态下含有钠和含有钾的长石均匀的混溶在一起，冷却时两种长石结晶后显示出了不同的条纹特征，在场发射电子显微镜下反馈的图像信息为不同灰度值长石的差异性聚集分布，相对于钾长石中富含的钾离子（K+），钠长石中的钠离子（Na+）原子序数小，因此钠长石在背散射或二次电子条件下的图像呈现的灰度值较小，颜色较深，为深灰色（图4）。

图4

图4   鄂尔多斯盆地华庆地区长63亚段致密砂岩储层能谱分析结果

a.Y414井，埋深1 978.7 m，波状条纹长石； b.GJ143井，埋深2 204.7 m，斑块状条纹长石

Fig.4   EDS （energy⁃dispersive spectrometry） result of Chang⁃63 tight sandstone reservoir， Huaqing area， Ordos Basin

基于场发射扫描电镜和能谱分析，对研究区碱性长石的元素组成以及钾、钠长石的互熔状态进行研究，发现鄂尔多斯盆地华庆地区长63亚段致密砂岩储层中的长石具有典型的条纹长石特征，表现形式为钾长石和钠长石不同程度的混溶。依据钾长石与钠长石的互溶状态及元素分布特征将研究区内的碱性长石划分为波状条纹长石和斑块状条纹长石两类，能谱分析结果显示波状条纹长石（图4a）与斑块状条纹长石（图4b）的元素组分特征基本一致（表1），均为钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、铝（Al）、硅（Si）、氧（O），由于样品从矿场获得后未经洗油处理，元素组成中还可见到一些由沥青残留形成的碳元素（C）。

表1   鄂尔多斯盆地华庆地区长63亚段致密砂岩储层碱性长石能谱数据

Table 1  EDS statistics of alkali feldspar in Chang‑63 tight sandstone reservoir， Huaqing area， Ordos Basin