征沙村地區三工河組低滲透砂巖儲層成巖特征

李傳華,楊少春,彭荷花,方旭慶,鄭 偉

(1．中國石化勝利油田油氣勘探管理中心,山東東營 257000;2．中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島 266580)

低滲透儲層是一個相對概念,我國學者將滲透率低于50×10-3μm2的儲層定義為低滲透儲層[1-2]。我國低滲透油氣藏數量多、分布廣、儲量豐富,據統計,以低滲透為主的油氣資源約占油氣資源總量的46%[3]。目前的研究普遍認為成巖作用中的壓實作用與膠結作用是導致深層儲層低滲透的主要因素,Salem A. M.等認為埋深3 500 m的低滲透儲層具有明顯的機械壓實、碳酸鹽及黏土膠結和有限的顆粒溶蝕特征[4];張立強等認為壓實作用較強的儲層具有巖屑含量高、膠結物少或基質含量高的特點[5];王峰等認為壓實作用與碳酸鹽膠結作用是造成原始孔隙大量損失和滲透性變差的主要原因[6]。在大部分低滲透儲層中,溶蝕作用對孔隙度、滲透率的增大往往十分有限,葸克來等認為埋深3 600 m 的深層儲層長石溶蝕普遍[7];吳思儀等認為埋藏深的儲層早期壓實作用強,后期溶蝕作用相對較弱[8];吉園園等認為溶蝕作用可在一定程度上改善低滲透儲層的滲透性[9];王成等認為深層溶蝕作用形成的膠結物孔和長石、巖屑粒內溶孔是低滲透儲層的部分儲集空間[10];文靜等認為有機質酸的加入導致“低滲透”儲層中長石及火山巖碎屑發生強烈的溶蝕作用,從而形成次生孔隙[11];總的來說,深層溶蝕作用對改善低滲透儲層滲透性作用不大。此外,劉芬等認為隨著地層埋深增加,在構造作用等外力條件下,砂巖儲層發生破裂并形成裂縫,這些由構造應力引起的裂縫既能提高儲層物性,也為溶蝕作用和礦物再沉淀作用提供了空間場所[12];周曉龍認為成巖晚期受構造反轉及走滑運動影響,發育多期多組斷裂使低滲透儲層滲透性得到改善[13]。

征沙村地區位于準噶爾盆地腹部中國石化準中1區塊的南部,其勘探目的層侏羅系三工河組埋藏深度超過4 700 m,發育深層低滲透儲層(滲透率小于50×10-3μm2)。一些學者對準中1區塊研究認為,三工河組低滲透儲層主要為長石質巖屑砂巖和巖屑砂巖,孔喉半徑的差別是造成滲透率級差的重要控制因素[14],砂巖的孔滲性主要受原生孔隙的發育程度所控制[14-15];壓實現象十分顯著且持續作用在儲層發育及形成過程中,而膠結作用和溶蝕作用對砂巖儲層的儲集性能具有重要影響[16-17]。但目前對征沙村地區三工河組深層砂巖儲層的成巖作用程度及其對低滲透油氣影響的研究并不明確,很大程度上制約了該地區深層低滲透油氣“甜點”的預測。因此,本文基于取心井巖心,采用顯微鏡下觀察和多種測試手段對征沙村地區三工河組砂巖儲層成巖特征進行深入研究,旨在推進該地區深層低滲透油氣勘探。

1 區域地質概況

征沙村地區位于中國石化準中1區塊南部,北與盆1井西凹陷相鄰,南與昌吉凹陷相接,處于中拐凸起和馬橋凸起的過渡部位,現今表現為東高西低、北高南低,呈近北西向展布的低幅度背斜構造(圖1)。截至目前,征沙村地區已鉆井16口,其中取心井9口,揭示地層自下而上依次為石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系及第四系,受車-莫古隆起影響,上侏羅統缺失,中侏羅統遭受嚴重剝蝕;下侏羅統三工河組(J1s)頂部遭到部分剝蝕,與其上覆的白堊系呈角度不整合接觸,其底部為連續沉積,與下伏地層整合接觸,地層厚度為160～410 m,自下而上,三工河組可進一步劃分為一段(J1s1)、二段(J1s2)和三段(J1s3)(剝蝕嚴重),其中一段和三段巖性以泥巖為主,夾少量薄層粉砂巖、細砂巖;二段巖性以砂巖為主,整體呈現上下細、中間粗的特點。征沙村地區三工河組埋深大于4 700 m,主要發育湖泊、辮狀河三角洲沉積,一段為濱淺湖沉積,整體以濱淺湖泥為主,局部發育灘砂、灘壩沉積;二段發育辮狀河三角洲前緣沉積,主要包括水下分流河道、河道間、席狀砂等沉積微相,河口壩較少發育;三段發育濱淺湖相泥巖沉積。征沙村地區三工河組油氣來自于盆1井西凹陷及昌吉凹陷二疊系風城組、下烏爾禾組的烴源巖層系,主要發育構造-巖性油氣藏和巖性油氣藏。目前鉆井未在三工河組一段、三段泥巖為主的地層中發現油氣,且取心極少;而在二段砂巖中發現良好的油氣分布,砂巖取心井多且井段較長,巖心滲透率平均值小于50×10-3μm2,為典型的低滲透儲層發育層段。根據巖心測試分析,二段孔隙度值為1.40%～16.80%,平均值 8.69%;二段滲透率值為0.07×10-3～68.20×10-3μm2,少部分巖石樣品滲透率相對高值,絕大部分巖石樣品滲透率值低于50.00×10-3μm2,平均值僅為4.40×10-3μm2,呈現明顯的低孔低滲特征。本文主要論述三工河組二段低滲透砂巖儲層的成巖特征。

2 儲層巖石學特征

征沙村地區三工河組以細砂巖、粉砂巖及泥巖為主,發育少量中砂巖、粗砂巖及含礫砂巖,其中三工河組一段和三段以泥巖為主,二段以砂巖為主。砂巖中石英和巖屑含量相對較高,平均占比分別為44.79%、39.85%;長石含量相對較少,平均占比15.47%。儲層主要為長石質巖屑砂巖和巖屑砂巖,成分成熟度較低;填隙物以碳酸鹽礦物、硬石膏和黏土礦物等為主,含量較低,平均占比10%,雜基較少,以泥質為主,反映較強水動力條件特點;顆粒之間呈線接觸、點-線接觸,部分凹凸接觸,顆粒磨圓較差,次圓-次棱占比最高,結構成熟度較低。

綜上所述,三工河組砂巖儲層不同于常規儲層,巖性以長石質巖屑砂巖和巖屑砂巖為主,巖屑含量較高,成分成熟度和結構成熟度均較低,表現出典型低滲透砂巖的巖石學特征。

3 儲層壓實特征和膠結特征

3.1 壓實作用及特征

顯微鏡下顯示,征沙村地區三工河組砂巖顆粒以點-線接觸、線接觸為主(圖2a),部分凹凸接觸,局部還可見顆粒呈定向排列,塑性巖屑、片狀云母受壓實彎曲變形并充填于粒間孔隙中,極大地減少了孔隙空間;常見長石顆粒等的壓裂現象(圖2b),以及穩定性強的石英顆粒受壓實形成顆粒壓裂縫。不同于常規儲層,三工河組砂巖儲層塑性巖屑含量相對較高,石英、長石含量相對偏低,整體抗壓實能力較弱,在壓實作用下易發生彎曲變形;加上儲層埋藏深(大于4 700 m),其上覆地層使得砂巖儲層所受壓實強度增大,綜合表現出較強的深層壓實作用,導致儲層孔隙空間減少,物性變差,呈低滲透特征。

a.顆粒線接觸、點-線接觸,征1-1井,4 782.71 m,(-);b.長石壓裂縫,征1井,4 813.90 m,(-);c.方解石膠結,征101井,4 728.40 m,(-);d.兩期碳酸鹽膠結,征1井,4 805.90 m,(CL);e.鐵白云石晶粒鑲嵌型膠結,征1-2井,4 801.50 m,(-);f.綠泥石膜,征1-4井,4 788.60 m,(-);g.蠕蟲狀高嶺石,征101井,4 822.33 m,(-);h.石英加大膠結,征1井,4 813.90 m,(-);i.硬石膏膠結,征1-4井,4 802.05 m,(+)圖2 三工河組壓實作用、膠結作用特征

3.2 膠結作用及特征

3.2.1 碳酸鹽膠結特征

區內碳酸鹽膠結主要表現為方解石和鐵白云石的孔隙式充填。顯微鏡下可見連晶式生長的早期方解石膠結物,方解石膠結物在顆粒間呈孔隙式膠結,局部連片發育(圖2c);陰極發光下,方解石膠結物呈黃色。方解石十分發育的區域為儲層致密膠結區域,阻礙后期酸性流體的溶蝕作用,使得孔隙極不發育,降低孔滲性。成巖中晚期方解石膠結物鐵含量增加,呈連晶式充填于粒間孔隙,多為斑點狀分布;陰極發光下,早期形成的方解石膠結物呈黃色,且顏色偏亮,而晚期形成的鐵方解石顏色偏暗,發暗橘色或暗紅色光(圖2d)。此外,碳氧同位素測定結果表明,儲層中存在不同成因的兩期碳酸鹽膠結物,且晚期膠結物與有機質脫羧相關。鐵白云石膠結物染色后呈淡藍色,具斑塊狀分布特點,主要呈晶粒鑲嵌型或連晶狀充填于孔隙(圖2e),從而降低孔滲性。不同于常規儲層,三工河組早期的方解石膠結導致砂巖致密,晚期有機質向油氣轉化產生大量的酸性水又使得碳酸鹽膠結物部分溶解,產生次生孔隙,一定程度上增加了孔滲性,從而使得儲層從致密儲層變為低滲透儲層。

3.2.2 黏土礦物膠結特征

區內黏土礦物膠結作用主要為綠泥石、高嶺石、伊利石和伊/蒙混層等礦物的不同形式膠結。綠泥石多以薄膜形式依附于碎屑顆粒邊緣生長(圖2f),也見針葉狀單晶形式充填粒間孔隙,沿石英、長石等顆粒表面生長的綠泥石既對儲層孔隙、喉道造成破壞,也在一定程度上增強了抗壓實性能,從而抑制次生加大發育。高嶺石呈蠕蟲狀或點狀分布在顆粒之間(圖2g),掃描電鏡下,則呈多個片狀的集合體,堵塞孔喉,降低孔滲性。伊利石多呈絲狀、網格狀充填于孔隙或附著于顆粒表面,阻礙孔隙中流體流動;伊/蒙混層多來源于高嶺石、蒙脫石等黏土礦物的轉換和高溫及堿性條件下發生的長石溶解[18],在蒙脫石向伊利石轉換過程中則形成伊/蒙混層黏土礦物呈彎曲的片狀疊置充填于孔隙中,降低了儲層滲透性能。不同于常規儲層,深層三工河組砂巖內部和長石析出的高嶺石及其向伊/蒙混層的轉化使孔隙大大減少,從而造成砂巖低滲。

3.2.3 硅質膠結特征

區內硅質膠結作用主要表現為石英次生加大(圖2h),環邊狀加大邊多出現在顆粒邊緣綠泥石薄膜相對薄弱的部位;此外,還可見六邊形晶柱狀形態的自生石英,與部分黏土礦物共同附著于顆粒表面,造成粒間孔隙堵塞,突出的特點是顆粒呈點-線接觸,從而降低孔滲性。

3.2.4 硫酸鹽膠結特征

區內硫酸鹽膠結作用主要為石膏、硬石膏膠結,石膏主要呈連晶式膠結,硬石膏膠結普遍存在,常以局部分布的形式出現,在顯微鏡下呈連晶狀分布于顆粒間,為孔隙式膠結(圖2i),從而導致儲層致密。

總結膠結作用及特征可以看出,征沙村地區三工河組儲層發育多種類型的膠結物,主要包括碳酸鹽、黏土礦物、硅質和硫酸鹽等膠結物,膠結作用較強。早期形成的膠結物(如方解石、綠泥石膜以及石英加大等)除充填孔隙導致儲層孔滲變差以外,在一定程度上還能夠緩解儲層受到的壓力;晚期形成的膠結物則以破壞儲層儲集空間為主,從而導致儲層孔隙度損失,降低孔滲性。

4 儲層溶蝕特征和交代特征

4.1 溶蝕作用及特征

征沙村地區三工河組儲層常見長石、巖屑顆粒的溶蝕現象,少見碳酸鹽膠結物的溶蝕現象。其中,長石的溶蝕作用最為常見,且多沿顆粒解理面、壓裂縫發生條帶狀溶蝕(圖3a),或是沿邊緣溶蝕形成齒狀或港灣狀的粒間溶蝕孔隙,部分長石顆粒遭受較強的溶蝕而僅剩少部分殘余骨架,長石的普遍溶蝕也是導致儲層中長石含量較低的重要原因。巖屑中易溶組分發生溶蝕多形成篩狀或點狀展布的粒內溶孔,長石、巖屑顆粒形成的溶蝕孔以及早期方解石膠結物的溶蝕孔(圖3b),有助于提高儲層的儲集性能。

a.長石條帶狀溶蝕,征8側井,5 168.00 m,(-);b.早期方解石溶蝕,征101井,4 827.40 m,(-);c.方解石交代長石,征1-4井,4 801.90 m;(CL);d.硬石膏交代石英次生加大;征1-1井;4 802.05 m;(+)圖3 三工河組溶蝕作用、交代作用特征

晚侏羅世,征沙村地區三工河組因構造抬升而遭受剝蝕,結合顯微鏡下觀察,推測抬升期(第一期溶蝕)靠近地表附近,受大氣淡水影響,部分長石、巖屑顆粒遭受溶蝕,形成早期的溶蝕孔隙;與晚期溶蝕孔隙不同的是,受后期壓實作用影響,其孔隙結構遭到嚴重破壞,喉道更細,連通性更差。抬升期后地層快速深埋,發生第二期大規模溶蝕作用,期間伴有油氣充注和有機酸加入,在強烈壓實作用下早期溶蝕作用形成的孔隙空間被破壞殆盡。不同于常規儲層,受較強烈的早期壓實作用和方解石等碳酸鹽膠結物致密填集的影響,三工河組砂巖粒間空間較小,難以形成大規模的溶解流體的滲流交替,造成次生孔隙不夠發育,不能有效改善儲層孔滲性。

4.2 交代作用及特征

征沙村地區三工河組儲層自生礦物對碎屑顆粒的交代作用發育,方解石沿長石解理縫交代,或交代顆粒邊緣使其呈模糊、不規則狀(圖3c);硬石膏則沿石英、巖屑邊緣交代(圖3d)。顯微鏡下還可見自生礦物之間的交代現象,主要有碳酸鹽膠結物之間的交代、硬石膏交代方解石、方解石對黏土礦物雜基的交代等。這些交代作用堵塞孔喉,一定程度上造成三工河組儲層孔滲性進一步變差。

總結溶蝕作用和交代作用及其特征可以看出,征沙村地區三工河組砂巖儲層溶蝕作用對孔滲改善不大,交代作用堵塞孔喉,導致三工河組儲層孔滲性進一步變差。

5 成巖階段

從顆粒接觸關系來看,征沙村地區三工河組砂巖儲層埋深大,壓實作用較強,顆粒以點-線接觸、線接觸為主,可見少部分凹凸接觸;從孔隙類型來看,壓實使得原生孔隙遭受大量破壞,但仍保留有部分殘余粒間孔隙,在經歷長石、巖屑等易溶組分的溶蝕作用后,以原生的殘余粒間孔與次生溶孔為主,且微裂縫極少發育。

依據鏡質體反射率(Ro)測試,征沙村地區三工河組Ro為0.63%～0.76%,平均0.71%,反映低成熟-成熟階段。三工河組儲層的伊利石和綠泥石含量相對較高,伊/蒙混層和高嶺石含量相對較低,其中綠泥石、伊/蒙混層含量具有明顯隨深度增加而減小的趨勢(圖4);伊/蒙混層中蒙脫石含量為15%～50%,平均19%;黏土礦物組合及伊/蒙混層這種含量的轉換反映三工河組沉積時期儲層處于有序混層帶。

圖4 黏土礦物含量隨深度變化

依據SY/T 5477-2003[19],綜合以上特征推斷三工河組處于中成巖階段A期。

6 成巖特征對低滲透砂巖儲層形成的影響

6.1 壓實作用與膠結作用的影響

依據以上分析可以看出,征沙村地區三工河組砂巖儲層孔隙度(面孔率)隨著埋藏深度增加、壓實作用增強而減小。儲層所受壓實作用強度與主要碎屑組分密切相關,統計表明,面孔率與石英含量呈正相關性,面孔率與巖屑含量呈負相關性;這是因為石英顆粒具有較強的抗風化性能及抗壓實性能,能夠有效提高儲層的抗壓實能力,起到保護粒間孔隙的作用;穩定性相對較差的巖屑抗壓實能力相對較弱,巖屑含量高,塑性組分多,不利于儲集空間的保存;分析膠結物與面孔率關系,可得出其含量與面孔率呈負相關性,隨膠結物含量增大,面孔率相應有所減小,面孔率(孔隙度)減少導致滲透率降低。三工河組儲層發育碳酸鹽、黏土礦物及硬石膏等多種類型膠結物,其中早期的膠結物,如綠泥石膜充填孔隙[20]、方解石以及石英加大除充填孔隙導致物性變差以外,還在一定程度上能夠緩解儲層受到的壓力;晚期膠結物則以破壞儲層儲集空間,導致孔隙損失、滲透性降低為主(圖5)。以征3井為例,在5 106.98 m深度存在早期方解石膠結,砂巖變得致密, 晚期碳酸鹽以及高嶺石等膠結發育導致砂巖孔滲性進一步變差(圖5)。根據前述成巖特征進行成巖作用對孔隙度影響的定量計算,三工河組儲層壓實作用造成原始孔隙度損失率為55%～80%,平均損失率為66%,膠結導致的孔隙度損失率為5.39%～29.00%,平均損失率為17.44%,兩者共同損失的孔隙度超過原始孔隙度的80%;在Houseknecht壓實膠結圖版上數據點集中于左下角位置,90%以上樣品壓實減孔率達60%以上(圖6),說明壓實作用對三工河組砂巖儲層孔隙度損失具有更重要的影響,從而導致儲層孔滲性更差。綜合來看,縱向上,隨著埋深增加,加之抗壓實能力較弱的塑性巖屑含量相對較高,征沙村地區三工河組砂巖壓實作用增強,高嶺石、伊利石和方解石等膠結物仍然保持較高含量而充填孔隙導致膠結作用增強;滲透率隨深度增加、壓實增強、膠結增強而顯著降低(圖7a)。平面上,北西區域埋深相對較淺,硬石膏膠結、晚期碳酸鹽膠結發育,砂巖孔滲相對較低;南東區域埋深相對較深,早期方解石膠結導致砂巖致密,晚期高嶺石、方解石膠結造成孔滲進一步降低;沿北西-南東方向(沉積物源方向)壓實增強、膠結增強,孔滲降低(圖7b)。因此,壓實作用與膠結作用對三工河組低滲透砂巖的形成在縱向上、平面上具有明顯的差異性。

圖5 三工河組砂巖儲層孔、滲演化(征3井,5 106.98 m)

圖6 三工河組砂巖壓實和膠結作用對孔隙損失的貢獻

圖7 三工河組砂巖成巖作用差異性與滲透率分布關系(a.縱向;b.平面)

6.2 溶蝕作用與交代作用的影響

由前述可知,三工河組存在兩期溶蝕作用,第一期為地層抬升時期與大氣淋濾水相關的溶蝕作用,第二期大規模溶蝕作用發生在油氣充注時期,伴隨有機酸加入。期間由大氣淡水溶蝕作用產生的孔隙由于后期壓實遭受嚴重破壞,對物性的改善程度不大,增孔的貢獻以晚期溶蝕作用為主。根據前述成巖特征進行成巖作用對孔隙度影響的定量計算,溶蝕總共增加的孔隙度平均值為3.23%,平均增孔率為8.15%,表明溶蝕作用在一定程度上提高了儲層的孔隙度,但其作用有限,并未顯著提高儲層物性,使得儲層依然表現為低孔、低滲的特征(圖5)。自生礦物對碎屑顆粒的交代作用堵塞孔喉,加劇了三工河組儲層孔滲性降低。綜合來看,縱向上,隨著埋深增加,征沙村地區三工河組砂巖溶蝕作用具一定程度增強,盡管長石溶蝕(主要溶蝕作用)約增加孔隙度3%(圖5),但滲透率仍然呈明顯降低趨勢(圖7a);平面上,三工河組砂巖溶蝕作用保持較弱強度,并未改變沿北西-南東方向(沉積物源方向)滲透率降低的趨勢(圖7b)。因此,溶蝕作用與交代作用對三工河組低滲砂巖的形成在縱向上、平面上沒有明顯差異性。

綜上所述,成巖作用是沉積后期改造儲層物性的關鍵因素,壓實作用、膠結作用共同導致征沙村地區三工河組砂巖儲層孔滲降低,其中,壓實作用是造成孔隙度損失和滲透率降低的最主要因素,也是儲層低滲的主要原因;晚期碳酸鹽、硬石膏膠結造成孔滲進一步降低;溶蝕作用對孔滲改善效果不大。

7 結論

1)征沙村地區三工河組低滲透儲層以細砂巖、粉砂巖為主,巖屑含量平均為39.85%,屬長石質巖屑砂巖和巖屑砂巖;顆粒之間呈線接觸、點-線接觸,次圓-次棱狀占比最高,成分成熟度、結構成熟度均較低。

2)三工河組砂巖儲層發育壓實、膠結、溶蝕和交代等多種成巖作用,常見顆粒定向排列、長石顆粒壓裂、塑性巖屑與片狀云母彎曲變形充填于粒間孔隙,綜合表現為較強深層壓實作用;發育多種類型膠結物,早期形成的方解石、綠泥石膜以及石英加大等膠結物充填孔隙,除使儲層物性變差外,還在一定程度上能緩解儲層受到的壓力,而晚期形成的膠結物則主要破壞儲集空間,膠結作用較強烈。常見長石、巖屑溶蝕,發育沿顆粒解理面、壓裂縫的條帶狀溶蝕和巖屑易溶組分篩狀或點狀溶蝕;發育多種類型自生礦物對碎屑顆粒的交代作用。儲層處于中成巖階段A期。

3)壓實作用、膠結作用共同導致征沙村地區三工河組砂巖儲層孔滲降低。其中,壓實作用是造成孔隙度損失和滲透率降低的最主要因素,也是儲層低滲的主要成因;晚期碳酸鹽、硬石膏膠結物造成孔、滲進一步降低,溶蝕作用對孔滲改善效果不大。縱向上,隨埋深增加,壓實作用和膠結作用增強,孔滲顯著降低;平面上沿北西-南東方向(沉積物源方向)壓實作用和膠結作用增強,孔滲降低。