青海柴達木盆地北緣構造帶九龍山地區侏羅系儲層特征

王 猛,楊永恒,王曄桐,蔣赟,孫國強,馬進業

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學院大學,北京 100049;3.中國石油青海油田公司勘探開發研究院,甘肅 敦煌 736202)

九龍山地區侏羅系中統油頁巖、碳質泥巖發育,生烴指標及源儲配置好,是自生自儲源內組合勘探的有利目標區[1]。近年來,在該地區布署的多口探井都有較好的油氣顯示,其中龍1井和龍2井均獲得高產工業油氣流[2]。生產實踐也表明,九龍山地區侏羅系地層油氣資源豐富,具有較大的勘探開發潛力。前人對柴北緣西段的沉積物源[3-4]、沉積體系[5-6]及成巖作用[7-8]進行過較多的研究,但針對九龍山地區儲層認識方面的研究較少,對侏羅系儲層特征、成巖作用及演化過程等認識不清,嚴重制約著該地區油氣藏的勘探開發進程。本文利用巖心、鑄體薄片、壓汞等資料,從統計學和儲層微觀分析入手,系統地研究了該地區侏羅系儲層的巖石學、儲層物性、孔隙結構和成巖作用等特征,并探索儲層發育的主控因素及形成機理,以期為柴達木盆北緣九龍山地區侏羅系儲層的勘探開發提供依據。

1 區域地質概況

柴達木盆地位于青藏高原東北隅,是青藏高原內部最大的內陸高原型含油氣盆地[9],南鄰昆侖山、北接祁連山、西北界為阿爾金山(圖1)。其基本動力學背景是受到了印度板塊向北擠壓、同時受到北部阿拉善地塊的阻擋及東側華北板塊、西側塔里木地塊的側滑而形成的力偶環境[10]。九龍山地區位于柴達木盆地北緣構造帶西段的賽什騰山與綠梁山之間,是北緣斷塊帶內的一個二級構造單元,為侏羅紀以來繼承發育的大型鼻狀斜坡[1]。 研究區地勢西高東低,西北側為賽什騰山,西南為賽昆斷陷,東北為嗷嘮山和達肯大坂山,東南側為綠梁山,為一呈NW向展布的狹長地帶[8](圖1)。

中生代晚期,柴達木盆地整體由早—中侏羅世伸展構造環境,轉變為晚侏羅世—早白堊世擠壓構造環境[11],在晚白堊世末期形成了大幅度的構造抬升,缺失上白堊統沉積[12]。主要經歷早—中侏羅世斷陷湖盆沉積和晚侏羅世坳陷湖盆沉積兩大沉積階段[13]。柴北緣東段在早侏羅世主要發育辮狀河三角洲-湖泊沉積體系,氣候條件溫暖潮濕,形成一套厚層暗色泥巖[14];中侏羅世時沉積中心東移[15,16],沉積范圍明顯擴大,辮狀河三角洲廣泛發育、氣候潮濕、沼澤廣布[14]。

圖1 柴達木盆地北緣斷塊帶構造圖Fig.1 Tectonic map of the northern Qaidam Basin

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石學特征

九龍山地區儲集巖巖石類型主要以灰色中粒長石巖屑砂巖和灰色粗粒巖屑砂巖為主(圖2a)。成分成熟度低,結構成熟度中等-差,磨圓以次棱角狀為主。泥質雜基含量分布范圍5%~15%,平均含量13.4%。膠結物以方解石為主(圖3h)。

石英含量為17.81%~91.40%,平均含量為50.80%;長石含量為2.50%~54.55%,平均含量為16.91%;巖屑含量為4.11%~60.81%,平均含量為32.29%。

侏羅系儲集巖粒度較粗,主要為中砂、粗砂和細砂巖(圖2)。巖屑成分主要為石英巖、板巖、片巖和泥巖等,雜基含量較少、泥質膠結物和碳酸鹽膠結物(圖3a)發育,碎屑巖顆粒之間主要以點-線接觸為主(圖3c),顆粒支撐;分選中等-較差,磨圓為次棱角狀為主(圖3c)。

2.2 儲層孔隙類型及特征

通過對九龍山地區侏羅系儲層200余塊樣品的鑄體薄片觀察、統計和分析,可以看出,該地區砂礫巖的孔隙類型主要為原生殘余粒間孔、粒間溶孔和粒內溶孔,其次為少量的裂隙。

2.2.1 原生殘余粒間孔

研究區孔隙類型主要為原生殘余粒間孔,是重要的有效儲集空間。碎屑顆粒之間以點-線接觸為主(圖3d)。

2.2.2 粒間溶孔

長石風化程度較深,具有普遍的淋濾溶蝕現象。長石、白云石等顆粒和碳酸鹽膠結物被溶蝕后形成粒間溶孔,其邊緣呈犬牙狀或港灣狀(圖3e)。其不同于顆粒被完全溶蝕后留下的鑄模孔,鑄膜孔為顆粒或晶粒被完全溶解,僅保留外部的幻影,形狀較為規則。

2.2.3 粒內溶孔

主要為長石、巖屑等顆粒發生交代、蝕變或溶蝕后形成的粒內溶孔(圖3f),這類孔隙較常見,但連通性較差。

2.2.4 裂縫

主要系受到沉積作用、構造應力和機械壓實等成巖作用而形成(圖3b)。其排列方向受構造應力控制,寬度受殘余構造水平應力場的控制。

圖2 九龍山地區侏羅系砂巖成分三角圖和粒度分布圖Fig.2 Triangular diagram and histogram of the Jurassic sandstone compositions in the Jiulongshan area

2.3 儲層物性特征

儲層物性特征是評價儲層的重要因素。通過對研究區內取心段巖心樣品統計分析可以得出,九龍山地區侏羅系儲層孔隙度為5.1%~28.7%,平均為9.4%。從頻率分布直方圖(圖4)可以看出,樣品孔隙度在5%~10%的最多,約占34.12%,屬于特低孔;其次為孔隙度<5%的樣品,約占26.11%,屬于超低孔;孔隙度在10%~15%的低孔樣品約占21.46%;孔隙度>15%的中孔樣品約占18.30%。總體上看,九龍山地區侏羅系儲層樣品呈現出以特低孔為主,超低孔-低孔為輔的特征。

研究區侏羅系儲層的滲透率為0.2×10-3~218.71×10-3μm2,平均24.82×10-3μm2。頻率分布直方圖(圖4)顯示,滲透率分布在<1×10-3μm2樣品數量最多,約占59.87%,屬于超低滲;滲透率在1×10-3μm2~10×10-3μm2的樣品約占27.88%,屬于特低滲;滲透率>10×10-3μm2的低滲樣品僅占約12.92%。這些數據表明,九龍山地區侏羅系儲層總體上表現為超低滲為主,特低滲為輔的特征。

通過對九龍山地區侏羅系儲集巖樣品孔隙度和滲透率的相關性分析可以看出(圖4),孔隙度和滲透率在對數坐標系中顯示相關性較好,R2值為0.6799,說明九龍山地區侏羅系儲集砂巖的孔隙類型以原生孔隙為主,溶蝕孔隙發育,物性受沉積環境影響明顯。滲濾通道主要是與孔隙有關的殘余粒間孔,而不是裂縫等其他通道,總體上屬于孔隙型儲層[17]。

壓汞曲線可以用來評價儲層的孔隙結構,壓汞曲線形態主要受孔隙分布的歪度以及分選性兩個因素控制,因此壓汞曲線的形態在一定程度上反應孔喉的分選性、分布歪度及平均孔喉半徑的影響,更全面地反映了儲層的儲集性能,直觀地體現了孔隙結構特征[18]。根據九龍山地區侏羅系儲集巖樣品的壓汞數據統計分析可以看出,排驅壓力分布在0.12~0.97mPa,平均值為0.37mPa;最大連通孔喉半徑主要集中在0.76~6.27μm之間,平均值2.71μm。壓汞曲線出現近似的平臺,喉道分選性較好,曲線形態以略細歪度為主(圖4)。

圖3 九龍山地區儲集巖顯微特征Fig.3 Photomicrographs of the reservoir rocks in the Jiulongshan area

3 成巖作用特征

狹義的碎屑巖成巖作用主要有壓實和壓溶作用、膠結作用、交代作用、重結晶作用、溶解作用、礦物多形轉變作用等,這些作用相互聯系、相互影響,共同影響和控制著碎屑沉積物(巖)的發育歷史[19]。成巖作用會對儲集巖內的孔隙進行建設性或破壞性作用,通常情況下,壓實和膠結作用使儲集巖孔隙度降低、儲集空間減小,為破壞性成巖作用。溶蝕作用的結果形成了儲集巖中的次生孔隙,改善了儲層的物性,為建設性成巖作用[20]。

3.1 壓實作用

壓實作用(或物理成巖作用)是指沉積物沉積后在其上覆水體或沉積層的重荷下,或在構造形變應力的作用下,發生水分排出、孔隙度降低、體積縮小的作用[19]。在成巖階段早期,壓實作用可以大量排出碎屑沉積物中的水、降低原生空隙。在正常的壓實作用下,埋深每增加1000m,孔隙度將下降4%~8%[19]。從鑄體薄片可以看出,九龍山地區侏羅系儲層在成巖過程中經歷了較強的壓實作用,塑性顆粒被擠壓彎曲變形(圖3g),部分剛性顆粒因壓實作用破碎劇烈。儲集巖中顆粒間接觸較為緊密,接觸方式以點-線接觸為主,塑性顆粒擠壓變形,對儲層物性的破壞較為嚴重。

3.2 膠結作用

膠結作用是指從孔隙溶液中沉淀出的礦物質(膠結物將松散的沉積物固結起來形成巖石的作用。膠結作用是沉積物轉變成沉積巖的重要作用,也是使沉積層中孔隙度和滲透率降低的主要原因之一[19]。九龍山地區侏羅系儲集巖的膠結作用主要有碳酸鹽膠結、黏土膠結和硅質膠結等。

研究區侏羅系儲層的碳酸鹽膠結物類型有方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石,膠結物常以粒狀或鑲嵌狀的結構形式出現,主要填充于巖屑顆粒周圍(圖3h)及其粒間孔內(圖3i),對儲層物性影響較大。黏土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、伊利石一些混層黏土礦物等,其含量變化范圍較大,以高嶺石含量最高。其中高嶺石多以孔隙充填或交代其他礦物產出(圖8b),伊利石呈不規則的細小晶片產出,綠泥石多呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式產出[19](圖8c)。硅質膠結物主要包括石英次生加大和氧化硅充填,石英是碎屑巖中最常見的硅質膠結物,其含量約占45.3%。硅質膠結主要為自形石英小晶體膠結,多產出于碎屑顆粒邊緣的粒間孔隙表面、粒內溶孔或緊密接觸的碎屑顆粒孔隙之中。研究區中長石風化程度較深,黏土礦物中高嶺石含量最高,而長石風化轉變為高嶺石時可產生SiO2,因此推斷SiO2主要來源于長石風化。

圖4 九龍山地區侏羅系孔隙度、滲透率特征圖Fig.4 Diagrams showing the distribution of the porosity and permeability of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是指礦物在成巖過程中由于成巖環境的變化而發生溶解,從而達到新的物理、化學平衡的一種作用[21]。次生孔隙是儲層中重要的油氣儲集空間,而形成次生孔隙的一個重要作用便是溶蝕作用。溶蝕作用根據產生原因可分為有機酸溶蝕和碳酸溶蝕。鋁硅酸鹽、碳酸鹽和二氧化硅均可被有機酸溶蝕,碳酸主要對碳酸鹽產生溶蝕作用[19]。儲層內的碎屑顆粒、雜基、膠結物和交代礦物,甚至穩定的石英和硅質膠結物,在一定的成巖環境中都可以發生不同程度的溶蝕作用,從而形成次生溶蝕孔隙。通過對九龍山地區侏羅系儲層砂巖的鑄體薄片觀察和統計分析可以發現,儲層中巖屑、雜基、長石顆粒和碳酸鹽膠結物都發生了不同程度的溶蝕作用,形成了粒間溶蝕孔隙、粒內溶蝕孔隙、粒緣溶蝕孔隙等多種類型的次生溶蝕孔隙。溶蝕作用是重要的建設性成巖作用,它提高了儲集巖的孔隙度,有效地改善了儲層的物性條件。

4 成巖階段劃分和成巖演化序列

碎屑巖的成巖階段可以劃分為同生成巖階段、早成巖階段、中成巖階段、晚成巖階段和表生成巖階段。各階段的劃分依據不同,如:自生礦物分布、形成順序、黏土礦物組合、有機質成熟度等[19]。

壓實作用、膠結作用和溶蝕作用基本控制了九龍山地區侏羅系砂礫巖的儲集條件,結合在掃描電鏡下和鏡下對自生礦物的形成特征及其之間相互關系,分析結果見圖5和圖7。碎屑顆粒間的接觸類型主要為點-線接觸,次生孔隙較為發育。黏土礦物主要以書頁狀高嶺石為主,含伊蒙混層和伊利石、綠泥石等高成熟度黏土礦物,S<20%,可見石英加大Ⅱ-Ⅲ級,可判定該地區古地溫超過100℃[8]。因此,根據碎屑巖成巖階段劃分標準[19],可初步判定九龍山地區侏羅系儲層所處成巖階段為中成巖階段A期。

圖5 九龍山地區侏羅系成巖序列圖Fig.5 Diagenetic sequences of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

九龍山地區侏羅系儲層的成巖序列為:少量黏土雜基沉淀→早期方解石膠結→機械壓實→少量硅質膠結→酸性流體侵入→方解石等強烈溶蝕→大量油氣侵入→少量晚期方解石膠結(圖5)。沉積環境具有水動力強且變化大的特點,早期少量黏土雜基發生沉淀,碎屑巖結構成熟度低。咸水湖盆環境使得水介質主要呈弱堿性,有利于早期方解石膠結物形成。機械壓實在成巖階段早期作用明顯,研究區砂巖儲層壓實作用是孔隙度減少的主要因素,其對原始孔隙造成的損失約為50%(圖6),膠結作用對原始孔隙的損失約為22%(圖6)。由于碳酸鹽膠結物的抗壓實作用,在早成巖階段晚期仍有20%左右的原生孔隙得以保存(圖5)。隨著長石、石英等膠結作用的發育,其粒間孔隙有所減少;但是隨著酸性流體的侵入,方解石等碳酸鹽類膠結物發生大量溶蝕、蝕變作用,其溶蝕作用所增加的孔隙度可達40%以上。因此在油氣大量侵入期間(中成巖階段A期)該類砂礫巖儲層的孔隙度仍可達到20%~23%(圖7)。

圖6 九龍山地區侏羅系砂巖膠結作用和壓實作用與孔隙度關系Fig.6 Diagram showing the relationship between the cementation,compaction and porosity of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

圖7 九龍山地區侏羅系成巖模式圖Fig.7 Diagenetic model for the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

圖8 九龍山地區侏羅系儲集巖的膠結作用特征Fig.8 Photomicrographs showing the characteristics of the cementation of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

5 成巖作用對儲層物性的影響

碎屑巖成巖過程中所經歷的一系列成巖變化,對孔隙形成、演化、保存和破壞起著極為重要的作用,同時會對原生的和次生的裂縫產生重要的影響,進而對碎屑巖儲層的物性產生決定性的影響[19]。因此,成巖作用的研究也是儲層控制因素研究的重要組成部分。通過對九龍山地區侏羅系儲層物性與成巖作用關系的綜合分析,認為對砂巖儲層物性和孔隙演化影響最大的成巖作用主要是壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。

儲層孔隙度與埋藏深度關系密切,壓實作用對砂礫巖儲層物性影響較大,壓實作用減少了50%左右的原生孔隙(圖6)。膠結物類型對儲層物性有著重要的影響作用,膠結作用減少了20%左右的原生孔隙(圖6)。儲集巖在埋藏過程中,達到一定埋深后,在合適的孔隙流體和一定的環境條件下,膠結物發生溶蝕、蝕變作用,產生次生孔隙,有效地提高了巖石的孔隙度。研究區儲層的膠結物種類多樣,溶蝕作用對象以碳酸鹽類礦物和長石類礦物為主(圖8)。鏡下可見部分膠結物及碎屑顆粒被溶蝕形成次生溶蝕孔隙,對儲層物性有一定程度的改善。碎屑巖儲層粒間溶蝕孔隙和粒內溶蝕孔隙發育,溶蝕孔隙是其主要的儲集空間。

6 結論

(1)九龍山地區侏羅系碎屑巖儲層主要為灰色中粒長石巖屑砂巖和灰色粗粒巖屑砂巖,成分成熟度低、結構成熟度中等-差。碎屑顆粒接觸類型主要為點-線接觸。

(2)碳酸鹽膠結物是研究區儲層最主要的膠結物類型,以方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石為主,常以粒狀或鑲嵌狀填充于巖屑顆粒周圍。鏡下可見石英次生加大現象,自生黏土礦物以伊利石和高嶺石為主,其次為蒙脫石及伊-蒙混層。

(3)壓實作用和膠結作用在不同程度上都對原生孔隙起到了破壞作用,壓實作用減少了大約50%左右的原生孔隙,而膠結作用大約減少了20%原生孔隙,成巖作用后期的溶蝕作用對儲層物性改善明顯。九龍山地區侏羅系儲層孔隙類型以溶蝕孔和殘余的原生粒間孔為主,孔滲相關性較高。