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鄂爾多斯盆地高橋地區盒8段砂巖儲層致密成因①

2015-12-02 02:37:40陳大友朱玉雙艾慶琳薛云龍
沉積學報 2015年6期

陳大友 朱玉雙 夏 勇 何 磊 何 鎏 艾慶琳 薛云龍

(1.西北大學地質學系 大陸動力學國家重點實驗室(西北大學) 西安 710069;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院 西安 710018)

隨著油氣勘探開發的不斷推進,常規油氣資源逐步枯竭,而煤層氣、致密油和致密氣等非常規油氣資源日益成為全球油氣勘探開發的熱點[1-4]。鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲集層孔隙度和滲透率均較差,屬于致密氣藏儲層。經過多年的工作,米脂、榆林、大牛地、蘇里格、子洲和神木等氣田相繼被發現[5],鄂爾多斯盆地上古生界致密氣藏的勘探已經取得了較大的突破。盆地中部的高橋地區處于開發早期[6],其主力產氣層位是上古生界下石盒子組盒8段,區內盒8段儲層物性與蘇里格地區相比更差,致密的儲層嚴重影響了該區天然氣增儲上產。基于這一現狀,本文在各類分析測試的基礎上,對高橋地區盒8段儲層地質特征進行了研究,并以孔隙演化過程為線索,分析了儲層致密的主要控制因素,為該區尋找相對高孔隙發育區提供指導,同時對類似儲層的致密成因分析也具有一定的借鑒意義。

1 地質概況

高橋地區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部(圖1),油氣勘探面積約5 000 km2,區內不發育斷層,構造較平緩,傾角一般小于1°,為一西傾單斜[7-10]。該區上古生界自下而上發育的地層為:石炭系本溪組,二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組。其中,下石盒子組盒8段是區內的主力產氣層之一,其可劃分為盒8上與盒8下兩個亞段。在盒8期,研究區為辮狀河三角洲前緣沉積[6,11-12],發育水下分流河道、分流間灣、河口壩及水下天然堤等沉積微相。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

盒8段儲層巖性主要為灰色、深灰色巖屑石英砂巖、石英砂巖與巖屑砂巖(圖2),其成分成熟度和結構成熟度均較高。通過74塊薄片對砂巖成分進行統計,結果表明,石英含量介于28.0%~87.0%之間,均值為 67.9%;巖屑含量為 2.5%~58.0%,均值為17.8%,巖屑以石英巖、千枚巖、變質砂巖等變質巖巖屑為主,噴發巖、隱晶巖等火成巖巖屑次之,同時含少量沉積巖屑及云母等;長石含量絕大多數為0,僅有局部區域有極少量的長石存在,其含量均值約為0.2%;填隙物含量約為1.0%~32.0%,平均14.1%,填隙物種類較為多樣,以自生黏土礦物和碳酸鹽膠結物為主,黏土礦物為伊利石、高嶺石及少量綠泥石等,碳酸鹽膠結物則主要為鐵方解石,其次可見方解石及鐵白云石,此外還有一定量的硅質,局部可見黃鐵礦和菱鐵礦等。砂巖顆粒以中、粗粒為主,其次為細粒,分選性中等—好,部分分選較差;顆粒磨圓為次棱—次圓狀,磨圓性較好;膠結方式以孔隙式膠結為主,孔隙—加大膠結和鑲嵌狀膠結次之。

圖1 研究區構造位置圖Fig.1 Tectonic location of the study area

圖2 高橋地區盒8儲層砂巖分類圖Ⅰ.石英砂巖;Ⅱ.長石石英砂巖;Ⅲ.巖屑石英砂巖;Ⅳ.長石砂巖;Ⅴ.巖屑長石砂巖;Ⅵ.長石巖屑砂巖;Ⅶ.巖屑砂巖Fig.2 The classification of the He 8 sandstone in Gaoqiao area

2.2 儲集空間類型及物性特征

根據常規薄片及鑄體薄片觀察,該區盒8主要儲集空間有巖屑溶孔、晶間孔及粒間孔等。其中,巖屑溶孔含量最高,是最主要的儲集空間,其余儲集空間較少,對儲層儲集能力貢獻有限。

對該區盒8段10口取芯井的633個孔隙度及640個滲透率分析資料進行統計,結果如圖3所示,其孔隙度主要分布于2.0%~8.0%之間,均值為4.8%,滲透率絕大多數小于2.00×10-3μm2,主要分布在0.01×10-3~0.20×10-3μm2之間,平均值 0.17×10-3μm2,綜合認為該區盒8儲層應屬于特低—超低孔超低滲—致密儲層。

2.3 孔隙結構特征

恒速壓汞技術是近年來發展起來的孔隙結構測試手段,能夠定量反映孔隙和喉道的分布情況[13-15]。選取研究區盒8段10塊有代表性的樣品進行恒速壓汞測試,結果表明,平均孔隙半徑介于116.0~158.1 μm之間,均值為138.1 μm,平均喉道半徑介于0.29~4.5 μm 之間,均值為1.0 μm,孔喉較小。典型樣品的喉道分布及毛管壓力曲線如圖4所示。

3 儲層致密成因

砂體沉積以后,形成了最初的孔隙空間,此后,隨著成巖作用的進行,部分原生孔隙被破壞,并有一些次生孔隙被生成,最終形成了現今的孔隙分布狀況。本次研究通過追索孔隙形成和演化過程及其主要的影響因素,分析儲層致密的成因。

3.1 沉積期初始孔隙度及其影響因素

在砂體沉積以后,形成了大量孔隙空間,通常稱之為初始孔隙,為了分析砂巖初始孔隙的多寡及后期孔隙的演化,首先對初始孔隙度進行了恢復。

前人研究表明[16-17],未固結砂巖初始孔隙度和分選系數具有如下關系:

式中:Φ1為初始孔隙度,S0為特拉斯克(Trask)分選系數,S0=P25/P75,P25和 P75分別代表概率累積曲線上25%和75%處的粒徑大小。

對研究區33個樣品進行粒度分析,結果表明,其分選系數介于1.3~2.0之間,平均值為1.7,分選性好。根據公式1恢復的研究區盒8段砂巖初始孔隙度為32.4%~37.1%,平均值34.7%,初始孔隙度整體較高。

砂巖初始孔隙度主要受碎屑顆粒的分選性控制,而碎屑顆粒的分選性與搬運距離和沉積環境密切相關。該區盒8期物源主要來自于鄂爾多斯盆地北部的陰山一帶[18-19],經過了相對較長的搬運距離,有利于提高碎屑顆粒的分選程度。此外,沉積環境對于碎屑顆粒的分選性也有顯著的影響,河道區域砂體的分選性往往較天然堤和河口壩砂體的分選性要好,這是

由于在天然堤及河口壩等部位砂體多以堆積為主,顆粒大小相差較大,而河道沉積在同一沉積部位的水動力條件相同,沉積的砂體粒度接近,導致其分選性較好。結合前人研究成果[6,11-12],對研究區沉積微相進行分析,結果表明,該區為辮狀河三角洲前緣沉積,水下分流河道微相廣泛發育,而天然堤及河口壩等微相較少發育。正是在較長搬運距離和大面積發育的有利沉積環境的共同影響下,該區砂巖整體分選性好,初始孔隙度較高。

圖3 高橋地區盒8段儲層孔隙度與滲透率分布直方圖Fig.3 Histogram of porosity and permeability of the He 8 reservoir in Gaoqiao area

圖4 高橋地區盒8段儲層典型樣品喉道分布及毛管壓力曲線Fig.4 The distribution of throats and capillary pressure curve of the typical sample from the He 8 reservoir in Gaoqiao area

3.2 成巖期原生孔隙的破壞及其影響因素

在成巖期,受成巖作用的影響,大量的原生孔隙空間被破壞,主要的破壞性成巖作用包括壓實作用和膠結作用。

3.2.1 壓實作用

根據鏡下觀察,區內盒8段砂巖發生了強烈的壓實作用,主要表現為:塑性顆粒(云母及泥質巖類等)產生塑性變形(圖5a),顆粒被擠入孔隙,阻塞孔隙空間;剛性顆粒緊密接觸或產生破裂;顆粒間以線接觸為主,局部可見鑲嵌狀接觸;石英次生加大較為發育。

壓實作用對原生孔隙造成了破壞,顯著降低了孔隙度,其對孔隙度的減少量可利用下式進行計算:

式中,Φ3為壓實作用減少的孔隙度;Φ1為初始孔隙度;Φ2為壓實作用后剩余粒間孔隙度;Ct為膠結物含量;Φr為剩余粒間孔面孔率;Φt為總面孔率;Φp為實測孔隙度。

壓實作用的減孔率可用下式進行計算:

式中,P1為壓實作用減孔率。

經過計算,研究區盒8段砂巖經壓實作用以后,原生孔隙度的減少量最大為34.7%,最小為6.2%,平均值20.4%。壓實作用的減孔率為17.9%~100.0%,平均為58.7%(表1)。由此可見,壓實作用大大降低了儲層孔隙度,是儲層致密的重要因素。

研究區壓實作用強的原因主要包括四個方面。其一是砂巖組分的影響,該區砂巖發育千枚巖巖屑及云母等塑性成分,這些塑性成分抗壓實能力弱,在壓力作用下易于被擠入顆粒之間的孔隙之中,堵塞孔隙空間;其二是埋深的影響,該區盒8段現今埋深大約處于3 000~3 600 m之間,參考任戰利等人[20]對鄰區陜參1井埋藏史的研究成果,研究區盒8段在早白堊紀末期埋深最大,應接近或大于4 000 m,較大的埋深大大增加了巖石圍壓,從而導致該區壓實作用強烈發育;其三是成巖早期易溶組分的溶蝕對壓實產生的影響,區內發育山西組及本溪組等煤系烴源巖,煤層在早成巖階段便可產生大量有機酸,這些有機酸在盒8段砂巖成巖早期便可進入其中,使砂巖中易溶組分被溶蝕,產生較多次生孔隙,但此類次生孔隙難以保存,相反,正是由于次生孔隙的形成,降低了砂巖的抗壓實能力,導致尚未壓實的砂巖產生“垮塌”,進一步加劇了壓實作用的進行,同時,易溶組分在成巖早期大量被溶蝕,不利于晚期溶蝕作用的進行;其四是煤系烴源巖產生的酸性流體的影響,在酸性流體的影響下,成巖早期難以形成較多的碳酸鹽膠結物,由于缺少碳酸鹽膠結物的支撐,壓實作用更易于進行。

3.2.2 膠結作用

圖5 高橋地區盒8儲層鑄體薄片和掃描電鏡照片a.壓實強烈,軟組分被擠壓變形,陜338井,3 598.24 m;b.鱗片狀伊利石,陜251井,2 832.63 m;c.高嶺石充填孔隙,產生晶間孔,陜251井,2 832.63 m;d.高嶺石充填孔隙,陜302井,3 048.49 m;e.蜂窩狀產出的伊蒙混層,G68-12井,3 163.94 m;f.石英次生加大,顆粒呈鑲嵌式接觸,陜315井,3 511.19 m;g.鐵方解石充填于孔隙之中,蓮8井,3 700.43 m;h.巖屑局部溶蝕,產生次生孔隙,陜315井,3 511.19 m;i.巖屑整體被溶蝕,產生次生孔隙,G68-12井,3 163.94 m。Fig.5 Photos of cast section and SEM of the He 8 reservoir in Gaoqiao area

膠結作用是一系列自生礦物在巖石孔隙中沉淀的過程。分析表明,研究區膠結物類型主要包括黏土礦物、硅質及碳酸鹽膠結物等,膠結物含量介于0.0%~26.0%,平均含量為13.9%。黏土礦物主要有伊利石、高嶺石及綠泥石。伊利石平均含量達4.2%,其往往呈絲發狀或鱗片狀充填于孔隙之間,堵塞孔隙空間(圖5b);高嶺石平均含量為2.3%,多以書頁狀集合體的形式充填于孔隙空間,堵塞較大的孔隙空間,同時可產生較小的晶間孔(圖5c,d);綠泥石含量較低,主要以孔隙充填的形式存在,使儲層更為致密;此外,區內可見少量蜂窩狀伊蒙混層(圖5e)。硅質膠結物平均含量為4.0%,主要表現為石英次生加大(圖5f),次生加大使石英顆粒緊密接觸,顯著減少顆粒之間的原生孔隙。碳酸鹽膠結物相對較少,多為呈連晶狀分布的方解石及含鐵方解石,其不僅存在于原生孔隙,而且在次生孔隙中也有分布,局部可見碳酸鹽膠結完全堵塞原生孔隙(圖5g),對儲層物性破壞嚴重。

表1 孔隙演化定量計算結果(平均值)Table 1 The quantitative evaluation of porosity evolution(Average value)

膠結作用對儲層物性的影響具有雙重性[21-22],碳酸鹽膠結物在堵塞孔隙的同時,可起到抵抗壓實的作用,并可為后期溶蝕提供物質基礎,而黏土礦物隨著產狀和成因的不同,對物性的影響也不盡相同。就該區而言,由于現今儲層中原生孔隙幾乎喪失殆盡,而存在少量原生孔隙的區域與膠結物含量關系不明顯,碳酸鹽膠結物溶解也難以見到,可見膠結作用的建設性影響較為微弱,對儲層的影響多為破壞性的一面,其堵塞大量原生孔隙,對物性破壞明顯。膠結作用減少的孔隙度大致等于膠結物含量,具體計算公式如下。

式中:Φ4為膠結作用減少的孔隙度。

膠結作用的減孔率P2為:

計算結果表明,膠結作用使得原生孔隙度的減少量介于0.0%~26.0%之間,平均為13.9%。膠結作用的平均減孔率為40.0%,是僅次于壓實作用的破壞性成巖作用。在壓實作用和膠結作用的共同影響下,區內砂巖原生孔隙大約喪失了98.7%,剩余原生孔隙度平均約為0.4%(表1),可見原生孔隙幾乎被破壞殆盡。

膠結作用的影響因素較為復雜,就該區而言,膠結作用特征與煤系烴源巖所產生的酸性流體息息相關。地層水中的有機酸大量溶蝕長石顆粒,產生較多SiO2,強烈的壓溶作用可使石英溶蝕產生SiO2,同時,黏土礦物的轉化也可以生成一些SiO2,在酸性環境下,各種來源的SiO2極易就近沉淀于顆粒之間,以石英加大的形式產出,大量的硅質膠結物嚴重堵塞原生孔隙。受煤系烴源巖酸性流體的影響,盒8段砂巖在成巖早期難以形成較多的碳酸鹽膠結,在成巖后期,酸性流體相對減少,同時儲層受儲層致密化的影響,流體流動性較差,從而形成了部分碳酸鹽膠結物,使儲層更為致密。此外,在酸性流體的影響下,形成大量高嶺石,使原生孔隙進一步喪失。

3.3 成巖期次生孔隙的形成及其影響因素

大量原生孔隙被破壞的同時,在建設性成巖作用的影響下,可形成部分次生孔隙,對儲層物性有所改善。區內發育的建設性成巖作用主要是溶蝕作用。根據鏡下觀察,該區盒8段現存的溶蝕作用多發生于巖屑之中(圖5h,i),其中部分溶蝕孔隙被碳酸鹽膠結物所充填,但仍有部分溶蝕孔隙保存下來,對儲層物性起到一定的改善作用。

溶蝕作用增加的孔隙度可用下式進行計算:

式中:Φ5為溶蝕作用增加的孔隙度,Φd為溶蝕孔面孔率。

溶蝕作用的增孔率P3為:

通過計算發現,溶蝕作用增加的次生孔隙度介于0.0%~20.0%之間,平均值為3.4%,溶蝕作用的增孔率為9.8%(表1)??梢钥闯觯芪g作用增加的次生孔隙有限,難以大幅度改善儲層物性。

造成溶蝕作用增孔率有限的原因主要有兩個方面:第一,早期溶蝕作用產生的次生孔隙被壓實作用所破壞,難以保存下來,保存下來的次生孔隙大多為成巖后期所形成的溶蝕孔,同時成巖早期易溶組分大量溶蝕,導致成巖后期易溶組分較少,從而使成巖后期難以產生大規模的溶蝕作用;第二,受壓實作用與膠結作用的影響,在成巖后期儲層物性已經十分致密,致使酸性流體難以在巖石中流動,阻礙了成巖后期溶蝕作用的進行。

4 結論

(1)研究區盒8段儲層主要為巖屑石英砂巖、石英砂巖與巖屑砂巖,成分成熟度和結構成熟度均較高。儲層儲集空間有巖屑溶孔、粒間孔及晶間孔,孔喉較小,儲層物性差。

(2)在沉積初期,受搬運距離及沉積相帶的影響,研究區盒8儲層砂巖分選性好,初始孔隙度整體較高,平均可達34.7%。

(3)成巖期原生孔隙被嚴重破壞及次生孔隙形成較少,共同導致該區儲層致密。受巖石組分、埋深及煤系烴源巖酸性流體的影響,壓實作用強烈,大約20.4%的原生孔隙度被壓實作用破壞,同時,膠結作用使約13.9%的原生孔隙度被破壞,經過壓實作用和膠結作用后,原生孔隙度剩余為0.4%,原生孔隙幾乎被破壞殆盡。早期溶蝕作用產生的次生孔隙被壓實作用所破壞,而晚期溶蝕作用較弱,大約增加了3.4%的孔隙度,難以大幅度改善儲層物性。

致謝 西北大學劉林玉教授在成文過程中給予了指導,兩位評審專家提出了建設性的修改意見,在此一并致以誠摯的感謝。

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