粒度分析在致密砂巖儲(chǔ)層及沉積環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

葛東升，劉玉明，柳雪青，王月勝，邵 威

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，江蘇 南京 210016)

0 引 言

鄂爾多斯盆地上古生界下二疊統(tǒng)太原組是盆地主要的生氣、儲(chǔ)氣層位之一[1-5]，研究區(qū)內(nèi)太原組雖鉆探多口氣井，但多為中、低產(chǎn)井[6]。因此，深入開展太原組相關(guān)研究，對(duì)儲(chǔ)層有利區(qū)進(jìn)行優(yōu)選顯得急為迫切。以臨興地區(qū)25口鉆井粒度分析資料為基礎(chǔ)，利用巖心觀察、測(cè)井曲線，結(jié)合常規(guī)物性數(shù)據(jù)，對(duì)臨興地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組致密砂巖儲(chǔ)層沉積粒度特征進(jìn)行分析，對(duì)其沉積水動(dòng)力條件、物質(zhì)的搬運(yùn)方式和沉積環(huán)境進(jìn)行判定；利用平均粒徑與儲(chǔ)層物性關(guān)系，結(jié)合粒徑趨勢(shì)分析，對(duì)沉積物源方向進(jìn)行判斷，為研究區(qū)太原組下步勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國(guó)重要的含油氣盆地之一，盆地內(nèi)富含大量的油氣資源。臨興地區(qū)位于盆地東北部伊陜斜坡東段、晉西撓褶帶西緣，面積約為2 000 km2(圖1，據(jù)王偉力等[7])。

盆地內(nèi)二疊系碎屑巖地層是煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣的主力勘探層位之一[8-9]。二疊系太原組在盆地內(nèi)分布廣泛，沉積厚度達(dá)數(shù)十米。太原組地層由上至下分為太一段和太二段，頂部為深灰色灰?guī)r夾黑色泥巖，下部為灰黑色泥巖夾灰色砂巖[10]。

圖1 臨興地區(qū)構(gòu)造及太原組巖性

2 粒度分析方法

以粒度分析為基礎(chǔ)，開展太原組沉積特征分析，并結(jié)合物性常規(guī)參數(shù)開展粒度平面分析，選取工區(qū)內(nèi)25口井的同一層位的170個(gè)巖心樣品作為空間對(duì)比研究的材料。

粒度分析采用篩分法與激光粒度法相結(jié)合的方法，檢測(cè)方法參照SY/5434—2009《碎屑巖粒度分析方法》。測(cè)量?jī)x器為英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer-2000型激光粒度儀，測(cè)量范圍為0.02～2 000.00 μm，結(jié)合篩分法后最大量程為3 000.00 μm，重復(fù)誤差小于1%。

3 潮汐水道砂體的沉積特征

臨興地區(qū)太原組潮汐水道砂體沉積物巖石類型主要為巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖，為中—粗砂結(jié)構(gòu)，部分層段為含礫砂巖，分選中等，磨圓度為次圓—次棱狀(圖2a)。該段可見潮汐環(huán)境雙向水流典型特征的羽狀交錯(cuò)層理及脈狀層理(圖2b、c)。粒序整體為上粗下細(xì)的逆粒序，中部層段發(fā)育粗砂巖及含礫粗砂巖，向下則過渡為澙湖相泥巖及煤層，GR測(cè)井相上主要體現(xiàn)為微齒化鐘形特征(圖1)。

圖2 太原組潮汐層理沉積構(gòu)造及粒度特征

太原組粒度分布數(shù)據(jù)表明(表1)，中砂及粗砂含量最高，含量分別為24.07%及21.12%，其次為細(xì)砂，含量為15.09%。該段碎屑巖儲(chǔ)層粒級(jí)從礫石至黏土均有分布，粒徑分布范圍較寬，而峰值所在粒級(jí)絕對(duì)含量較低，表明其整體分選一般，符合潮汐水道砂體的沉積特征。

表1 臨興地區(qū)太二段潮汐水道砂巖粒級(jí)分布統(tǒng)計(jì)(41個(gè)樣品)

4 粒度分析在沉積環(huán)境分析中的應(yīng)用

4.1 粒度參數(shù)特征

不同的沉積環(huán)境由于搬運(yùn)介質(zhì)及動(dòng)力條件的差異，粒度分布也不同。因此，通過對(duì)沉積物粒度分布研究可了解沉積物所處的沉積環(huán)境。表征粒度特征的主要參數(shù)有平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度等(圖3)。

平均粒徑體現(xiàn)了碎屑沉積物搬運(yùn)能力的平均動(dòng)能。太原組潮汐水道砂體平均粒徑為1.70～4.12 Φ，平均值為2.57 Φ，為中—粗砂，體現(xiàn)水動(dòng)力條件整體較強(qiáng)。平均粒徑在垂向上呈韻律變化，指示水動(dòng)力條件的旋回變化特征為多期水道的疊置。

標(biāo)準(zhǔn)偏差體現(xiàn)了沉積物分選程度。研究區(qū)太原組潮汐水道砂體標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.13～2.70，平均值為2.35，表明其分選為中等—較差。由圖3可知，隨著平均粒徑變粗，其分選也變差。

偏度表示粒度分布的不對(duì)稱程度，并表明粒度中值與平均值的相對(duì)位置[9]。通常正偏值多出現(xiàn)于水動(dòng)力較強(qiáng)的環(huán)境中。研究區(qū)太原組潮汐水道砂體偏度為0.76～1.73，平均值為1.31。結(jié)合粒度頻率曲線形態(tài)特征體現(xiàn)為正偏態(tài)，可知沉積物主要集中在粗顆粒部分，處于水動(dòng)力條件較強(qiáng)環(huán)境。

峰度通常用于衡量粒度頻率曲線的尖銳程度，同時(shí)也可指示沉積物粒度頻率曲線峰型的寬窄程度。研究區(qū)太原組潮汐水道砂體峰度為2.74～5.82，平均值為4.32，結(jié)合粒度頻率曲線可知其頻率曲線呈非常尖銳的形態(tài)，表明顆粒的集中程度較高。

4.2 粒度概率累積曲線

不同的概率累積曲線組合特征反映了不同的沉積動(dòng)力條件，在明確沉積動(dòng)力條件之后，對(duì)于沉積環(huán)境的判別有一定的支撐[2]。研究區(qū)太原組砂巖粒度概率累積曲線主要以四段式為主(圖4)，其中，滾動(dòng)組分含量最高，該段斜率為60.0～70.0 °，分選較好，滾動(dòng)組分與跳躍組分截點(diǎn)為2.00 Φ；跳躍組分分為2段，其總體含量為20.0%～30.0%，斜率一般為30.0～40.0 °，分選中等，受潮汐沖流及回流作用影響形成[13]；此外，還含有極少量的懸浮組分，含量不高于0.50%，跳躍組分與懸浮組分截點(diǎn)為10.00 Φ。研究表明，太原組砂巖整體處于一個(gè)較強(qiáng)的水動(dòng)力沉積環(huán)境中。

圖3 太原組潮汐水道砂體粒度參數(shù)垂向變化特征

圖4 太原組潮汐水道相沉積物粒度概率累積曲線

4.3 沉積物粒度C-M圖解特征

C值為沉積物粒度概率累積曲線上顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 處對(duì)應(yīng)的粒徑，M值為沉積物粒度概率累積曲線上質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 處對(duì)應(yīng)的粒徑。C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當(dāng)，代表了水動(dòng)力攪動(dòng)開始搬運(yùn)沉積物的最大能量；M值是粒度中值，代表了水動(dòng)力的平均能量。

由太原組碎屑巖沉積物C-M圖解(圖5) 可知，其主要以滾動(dòng)(OP段)搬運(yùn)為主，包含少量的懸浮搬運(yùn)(PQ段)，表明其整體處于水動(dòng)力較強(qiáng)的環(huán)境。

圖5 太原組潮汐水道相碎屑巖C-M圖解

5 粒度分析在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

5.1 砂巖顆粒粒度與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

在砂巖儲(chǔ)層中，組成砂巖的碎屑顆粒的粒度同砂巖儲(chǔ)層物性間有一定的關(guān)系[4]。通過對(duì)研究區(qū)太原組砂巖的平均粒徑與孔隙度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析可知，隨著顆粒粒度的增加，孔隙度隨之增大(圖6)。前人研究表明，太原組儲(chǔ)層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)膠結(jié)作用，該類成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的建設(shè)具有破壞作用，導(dǎo)致孔隙連通性大大降低，孔隙結(jié)構(gòu)變差，平均粒徑與滲透率雖然沒有呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性正相關(guān)關(guān)系，但仍然存在一定的關(guān)聯(lián)。由平均粒徑與滲透率關(guān)系可知(圖6)，隨粒度變大，孔隙度逐漸變大，同時(shí)滲透率的最優(yōu)值也呈明顯變大趨勢(shì)。

5.2 粒度變化趨勢(shì)特征

平均粒徑表示沉積物顆粒的粗細(xì)，粒度剖面韻律曲線是研究沉積韻律的基礎(chǔ)，平均粒徑的平面等值線圖是劃分相帶、追索物質(zhì)來源的依據(jù)之一(圖7)，同時(shí)也是進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的依據(jù)之一[2]。以工區(qū)內(nèi)25口井170余個(gè)粒度分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人沉積相劃分成果繪制粒徑平面趨勢(shì)圖，進(jìn)一步判斷沉積物源方向及砂體展布趨勢(shì)特征。由圖7可知，太原組太二段潮汐水道相沉積物粒度平面分布為研究區(qū)北部最粗，南部其次，中部粒度最細(xì)。前人研究表明，沉積物粒度越粗則離物源越近[2]。因此，可判斷研究區(qū)太原組物源主要來自于北部，同時(shí)南部也有少量物源的匯入。綜合粒度均值與儲(chǔ)層物性關(guān)系可知，儲(chǔ)層有利區(qū)主要集中在研究區(qū)西北部LX-36井區(qū)及東北部LX-28井區(qū)。

圖6 太原組砂巖顆粒粒度與儲(chǔ)集物性關(guān)系

圖7 臨興地區(qū)太二段潮汐水道相砂粒度均值平面等值線

6 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)太原組潮汐水道砂主要為一套中—粗砂巖，發(fā)育羽狀交錯(cuò)層理及脈狀層理，測(cè)井響應(yīng)主要體現(xiàn)為微齒化鐘形特征。巖石類型主要為巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖，粒級(jí)分布較廣，中砂及粗砂含量最高，分選中等。

(2) 粒度頻率曲線及粒度參數(shù)特征表明，研究區(qū)太原組潮汐水道相沉積物主要集中在粗顆粒部分，且集中程度較高，隨平均粒度變粗，其標(biāo)準(zhǔn)偏差值越大，即分選越差。

(3) 由粒度分析可知，研究區(qū)目的層碎屑巖沉積物粒度概率累積曲線多呈“高斜一滾二跳一懸四段式”，結(jié)合C-M判別圖解表明，其整體水動(dòng)力條件較強(qiáng)，物質(zhì)的搬運(yùn)方式多以滾動(dòng)及跳躍式為主，而懸浮搬運(yùn)含量極少。

(4) 由平面粒徑趨勢(shì)圖可推斷，研究區(qū)目的層整體物源主要以來自研究區(qū)北部，并有少量南部物源匯入，結(jié)合粒徑平均值與儲(chǔ)層物性的正相關(guān)關(guān)系可推斷，研究區(qū)有利儲(chǔ)層帶應(yīng)位于研究區(qū)北部LX-36及LX-28井區(qū)。

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