岩石学特征及对油气层的损害

4．2．1．1　砂岩油气层岩石的物质组分

砂岩包括四种基本组成部分，即碎屑颗粒、杂基（或基质）、胶结物和孔隙，杂基和胶结物也称为填隙物。这四种组成部分直接决定了油气层岩石的基本特征。这里先介绍碎屑颗粒、杂基和胶结物三种物质组分，孔隙部分单独介绍。

（1）碎屑颗粒。碎屑颗粒是构成碎屑岩油气层储集空间的框架部分，通常把碎屑颗粒称为骨架颗粒。它的成分、形状、大小对油（气）流态或驱替流体的流态有直接影响，骨架颗粒占整个岩石的50%以下，是决定砂岩的主要特征组分。其成分主要是石英、长石、岩屑。

此外，砂岩中的碎屑物还有少量云母和重矿物，它们的含量仅百分之几或千分之几。其中云母属层状铝硅酸盐矿物，对油气层性质的影响不能忽视，特别是经成岩作用引起变形和蚀变后的云母碎屑，常类似于砂岩中黏土的性质。在开发过程中已经引起人们的重视。大部分砂岩中云母矿物在地质历史时期经水化作用导致云母膨胀，减少孔喉空间。在钻井和完井过程中与不配伍的高pH值流体相遇或在酸化增产中因酸蚀作用，可以导致云母的部分蚀变或完全蚀变，致使边缘膨胀，弯曲应力使颗粒边缘破碎而产生微粒堵塞孔喉。

一般情况下，对于洁净砂岩来说骨架颗粒大小与孔隙度成反比，而与渗透率成正比。孔隙度相同的情况下，随着粒径变小，渗透率减小；对同一粒径的砂粒，随孔隙度增大，渗透率也相应增大；在同一渗透率情况下，随着颗粒变小，孔隙度增大。渗透率还随颗粒分选性而变化，分选性差，渗透率降低，这是因为半径小的颗粒充填在大颗粒之间的孔隙中，不仅减小了渗透率，也减小了孔隙度。岩石骨架颗粒的形状是指它的表面结构（如粗糙度）、圆度和球度，它们直接控制着孔隙喉道形状和有效性，颗粒表面粗糙度直接改变润湿接触角，影响润湿性。颗粒形状是比表面的函数，比表面与颗粒大小呈负相关关系。所有这些都直接影响油气层中流体的流态和油气采收率。其中圆球度好的颗粒一般是点接触、孔渗情况都好，圆球度差的孔渗情况不好。

（2）填隙物（杂基和胶结物）。填隙物是填充在骨架颗粒之间的细小物质，它包括杂基和胶结物两部分。杂基（或基质）是指碎屑岩中与粗的骨架颗粒（如砾、砂）一起沉积下来的，起填隙作用的细粉砂物质和黏土物质，如高岭石、水云母、蒙脱石、绿泥石等。有时混有碳酸盐灰泥和铁质，并常与黏土杂基混合出现。它们的粒度小，细粉砂质的粒径一般小于0．003mm，黏土物质的粒径一般小于0．004mm，它们具有很大的比表面积。比表面积不仅与粒度大小有关，而且与表面形态有关。表面形态为扁状、叶状、针状、纤维状、片状的黏土矿物尤其具有高比面值。因此，它们的存在就增加了地层的敏感性。它们是油气层敏感性的内在因素。

胶结物是对骨架颗粒起胶结作用的化学沉淀物。具体地讲，胶结物就是指骨架颗粒之间孔隙内各种化学沉淀的结晶或非晶质的自生矿物，加成岩期从孔隙溶液中沉淀生成的自生黏土矿物、自生碳酸盐矿物、自生石英、自生长石、自生沸石、自生硫酸盐矿物（石膏、重晶石）、自生硫化物（黄铁矿）、自生磷酸盐矿物（磷灰石）、铁的氧化物（赤铁矿）、铁的氢氧化物（纤铁矿、针铁矿）以及非晶质矿物磷蛋白石等。

上述这些自生矿物形成于骨架颗粒之间的孔隙中，无论是以充填、衬垫或是以桥接的方式分布于孔隙中，它们都是优先与进入地层内的流体接触，并发生物理、化学和物理化学作用导致地层损害。因此，它们是增加油气层敏感性极为重要的内在因素。

油气层的敏感性类型和敏感性程度，除受控于填隙物的矿物成分和敏感性外，还取决于填隙物的丰度和产出结构特征，因为敏感性矿物在外来流体中的裸露程度对是否造成该类矿物的敏感性损害影响很大。

在沉积学上研究杂基的性质和含量（丰度）的意义是因为它们可反映沉积介质的流动特点，也可以作为分选性和结构成熟度的标志，如浑浊的密度流和重力流沉积物都含有大量杂基，而稳定持续的水流所沉积的砂岩中杂基含量很少。杂基含量多则表明岩石的分选性差，结构成熟度低，在开发上杂基含量愈多油气层的孔渗性就愈差，而且杂基是以微粒运移的方式伤害地层的重要内在根源之一。其地层伤害程度取决于杂基的产状分布和结构类型。

杂基和胶结物的结构特点对油气层物性和流体流态以及油气层敏感性的影响各异。一般来说那种具有隐晶致密或嵌晶状胶结特点的油气层，其物性本来很差也不具备储集能力，对油气层影响不大，而那种胶结物具薄膜或梢壳状胶结特征的油气层，其敏感性就极为突出。此外，它们与骨架颗粒之间的关系即胶结类型对油气层敏感性的影响也很小。

按照骨架颗粒与填隙物的相对含量、相互关系和胶结类型可分为以下三种基本类型：

（1）基底胶结。填隙物含量很高、骨架颗粒似乎漂浮在其中，使大多颗粒彼此不相接触，这类胶结的砂岩油气层孔渗性能极差，能储运油气的空间多是填隙物中的微孔隙和微裂缝，常具有高束缚水含量。如果采用压裂技术，要特别注意压裂液的配伍性。

（2）孔隙胶结。填隙物含量少，多分布于颗粒彼此接触的孔隙之中，具此胶结类型的砂岩油气层孔渗性能较好，但其填隙物是直接影响油气运移的敏感性矿物，应对它作出充分的认识和敏感性评估。

（3）接触胶结。填隙物含量更少，只有在颗粒接触处才出现。此类胶结类型的油气层的孔渗性能很好。采用相应的保护措施，如早期开发采用稳定剂稳定这些颗粒或后期开发进行酸化时，注意及时排除这些微粒能确保提高采收率。

还有如溶蚀胶结类型，就是胶结物溶蚀并交代了骨架颗粒的边缘，使其边缘呈港湾状，造成孔喉形状弯曲复杂。增加流体的流径和阻力，极大地影响油气层中流体的流态和孔渗性。

4．2．1．2　砂岩油气层成岩作用

成岩作用的概念至今各家学者的理解不一致。早先一些研究者把它理解为松散的沉积物再固结成岩的作用。但是现在较多的学者把成岩作用理解为自沉积物沉积脱离水体后至变质作用发生前的系列物理化学作用，如机械（物理）压实作用、化学压溶作用、胶结和交代作用（自生矿物形成）以及溶解作用（次生孔形成）等。可见，成岩作用是一个复杂的物化反应过程。

成岩作用的过程不管多么复杂，它总的变化趋势是使沉积物的组合形式向着组分和组构更加稳定和平衡的方向发展。因此，沉积物在整个成岩过程中，将随着环境和物化条件的变化而不断调整自己的组分和组构，使之处于稳定和平衡状态。

对于砂岩成岩作用来说，砂质沉积物沉积后的早期颗粒松散，粒间孔隙水很丰富，孔隙率可达30%～40%。一旦它们进入埋藏阶段，即使是埋藏不深（一般＜1000m），在上覆地层压力和静水压力的作用下，颗粒也会很快重新紧密排列，甚至其中的软组分也会挤入硬组分之间的孔隙中，导致孔隙率迅速下降。这阶段机械压实作用显得非常重要。

随着砂质沉积物埋深的加大，已经紧密排列的颗粒会逐渐出现化学压溶作用，使颗粒接触点上局部晶格变形和溶解。当埋深继续加深，温度和压力不断增高，孔隙水的pH值一般向深部也会增高。这时，对已经紧密排列的砂质骨架碎屑物来说，机械压实作用显得很次要。而化学压溶作用、胶结和交代作用、溶解作用等则成为主要的成岩作用，并同时形成相应的多种成岩矿物，这种作用和形成的成岩矿物是决定砂岩储层物性好坏及敏感性类型和程度的关键。

油气层中成岩作用造成的矿物组分和组构的转化发展趋势，归纳起来有两个方面：一方面是形成次生孔隙带，有利于油气储运。另一方面是新生成的自生矿物充填于孔喉之中，减小油气层孔渗空间，降低油气储运能力。了解和研究这两方面的内容，对勘探和开发以及保护油气层的战略决策十分重要。

在勘探上研究成岩作用是寻找有利于油气储集的次生孔隙带，扩大勘探领域。在开发上，研究孔隙和喉道的形状、分布和自生矿物的类型、产状等主要是寻求其对油气渗流特别是对注水和三次采油的影响，以便实施最佳注采方案。在钻井、完井工程工艺上，研究它则是为了寻求其对地层敏感性和地层伤害的影响，以便优化设计和实施最佳方案。

4．2．1．3　储层储渗空间

油气层的储集空间主要是孔隙，渗流通道主要是喉道，喉道是指两个颗粒间连通的狭窄部分，是易受损害的敏感部位。孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系，称为油气层的孔隙结构。对于裂缝型储层，天然裂缝既是储集空间又是渗流通道。根据基块孔隙和裂缝的渗透率贡献大小，可以划分出一些过渡储层类型。孔隙结构是从微观角度来描述油气层的储渗特性，而孔隙度与渗透率则是从宏观角度来描述岩石的储渗特性。

（1）油气层的孔喉类型。不同的颗粒接触类型和胶结类型决定着孔喉类型，一般将油气层孔喉类型分为五种（图4－1），孔喉类型与油气层损害的关系如表4－4所示。

图4－1　油气层的孔喉类型
（a）缩颈喉道；（b）点状喉道；（c）片状喉道；（d）弯片状喉道；（e）管束状喉道

表4－4　孔喉类型与油气层损害的关系

（2）油气层岩石的孔隙结构参数。孔喉类型是从定性角度来描述油气层的孔喉特征，而孔隙结构参数则是从定量角度来描述孔喉特征。常用的孔隙结构参数有孔喉大小与分布、孔喉弯曲程度和孔隙连通程度。一般来说，它们与油气层损害的关系为：

1）在其他条件相同的情况下，孔喉越大，不匹配的固相颗粒侵入的深度就越深，造成的固相损害程度可能就越大，但滤液造成的水锁、贾敏等损害的可能性较小。

2）孔喉弯曲程度越大，外来固相颗粒侵入越困难，侵入深度小；而地层微粒易在喉道中阻卡，微粒分散或运移的损害潜力增加，喉道越易受到损害。

3）孔隙连通性越差，油气层越易受到损害。

（3）油气层的孔隙度和渗透率。孔隙度是衡量岩石储集空间多少及储集能力大小的参数，渗透率是衡量油气层岩石渗流能力大小的参数，它们是从宏观上表征油气层特性的两个基本参数。其中与油气层损害关系比较密切的是渗透率，因为它是孔喉的大小、均匀性和连通性三者的共同体现。对于渗透性很好的油气层，可以推断它的孔喉较大或较均匀，连通性好，胶结物含量低，它受固相侵入损害的可能性较大；相反，对于低渗透性油气层，可以推断它的孔喉小或连通性差，胶结物含量较高，它容易受到黏土水化膨胀、分散运移及水锁和贾敏损害。