劉英輝,朱筱敏,朱 茂,廖宗寶,王小軍,王俊懷
(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京102249;2.中海石油(中國(guó))有限公司 上海分公司,上海200030;3.中海石油(中國(guó))研究總院,北京100027;4.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆 克拉瑪依834000)
近年來(lái),致密油、致密氣、頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣等非常規(guī)資源已成為國(guó)內(nèi)外油氣勘探的新亮點(diǎn),其中致密油被國(guó)外學(xué)者贊譽(yù)為“黑金”[1-4]。致密油通常是指空氣滲透率<2mD或覆壓基質(zhì)滲透率<0.2mD的砂巖、粉砂巖、灰?guī)r和白云巖等作為儲(chǔ)層的油氣資源,以分布面積大及臨近優(yōu)質(zhì)烴源巖為特征,單井基本無(wú)自然產(chǎn)能,或自然產(chǎn)能無(wú)商業(yè)價(jià)值,但在一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)[3,5-8]。
在美國(guó),致密油的勘探與開(kāi)發(fā)技術(shù)均已成熟,目前已在19個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)了致密油,可采儲(chǔ)量高達(dá)23 億 t[4,7]。 目前,我國(guó)石油對(duì)外依存度高達(dá) 50% 以上,急需取得油氣勘探領(lǐng)域的重大突破,因此,致密油勘探受到人們的重視[3,5]。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系風(fēng)城組油層巖性復(fù)雜,埋深大(4 000~5 000m),裂縫和溶孔均發(fā)育,孔隙度<10%,滲透率<2mD,孔喉半徑多<1μm,是典型的致密儲(chǔ)層。2009年,風(fēng)城1井在風(fēng)城組獲得高產(chǎn)油流(試油日產(chǎn)油109.8 t),并提交石油控制儲(chǔ)量3 575萬(wàn)t;2011年,風(fēng)南7井再獲突破,經(jīng)壓裂日產(chǎn)油8.65~10.38 t。但是,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系風(fēng)城組致密油勘探目前仍處于起步探索階段,對(duì)其儲(chǔ)層特征,特別是儲(chǔ)集空間類(lèi)型及“甜點(diǎn)”區(qū)分布影響因素研究程度均低。筆者利用巖心、常規(guī)薄片、鑄體薄片及孔滲壓汞等數(shù)據(jù),分析準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)二疊系風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、儲(chǔ)集空間特征和物性特征,探討優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層影響因素,以期為該區(qū)致密油勘探提供依據(jù)。
準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)北部,現(xiàn)今構(gòu)造處于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和塔里木板塊的交會(huì)地帶,屬前陸盆地。烏—夏地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣,北靠哈拉阿拉特山,南臨瑪湖凹陷,西起扎伊爾山,東至紅旗壩地區(qū),勘探面積約2 000 km2(圖1)。研究區(qū)逆掩構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,深層斷裂發(fā)育,同時(shí)伴生眾多與主斷裂平行或斜交的次生斷裂,構(gòu)成一系列斷階帶,為油氣運(yùn)移成藏提供了優(yōu)質(zhì)通道[9-11]。
圖1 準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)位置及風(fēng)城組沉積相平面展布圖Fig.1 Location of the Wu-Xia area and sedimentary facies of Fengcheng Formation in Junggar Basin
準(zhǔn)噶爾盆地在早石炭世末期發(fā)生洋/陸轉(zhuǎn)換,晚石炭世—早二疊世盆地發(fā)生劇烈周緣碰撞,形成二疊紀(jì)前陸盆地沉積格局[10,12]。二疊系自下而上依次發(fā)育佳木河組(P1j)、風(fēng)城組(P1f)、夏子街組(P2x)以及下烏爾禾組(P2w)[13-14],目的層風(fēng)城組厚度為400~1 400m,自下而上可分為風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段,地層向東尖滅。風(fēng)城組發(fā)育期,研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)劇烈,氣候炎熱,蒸發(fā)作用較強(qiáng),淡水補(bǔ)給相對(duì)匱乏,同時(shí)火山活動(dòng)頻繁,形成了一套與扇三角洲—湖泊—火山巖相關(guān)的巖層(參見(jiàn)圖1),為半深湖暗色白云石化泥巖與灰綠色白云石化凝灰?guī)r間互的地層組合,僅北東部近源區(qū)見(jiàn)扇三角洲前緣粉—細(xì)砂巖(圖 2)。
圖2準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)風(fēng)城組風(fēng)南1井巖性序列及沉積環(huán)境Fig.2 Lithological column and sedimentary environment of Fengnan 1 well of Fengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin
據(jù)巖心觀察、顯微薄片鑒定及X射線(xiàn)衍射全巖分析,準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)二疊系風(fēng)城組主要發(fā)育5種巖石類(lèi)型:云質(zhì)巖類(lèi)、凝灰?guī)r類(lèi)、砂巖類(lèi)、泥巖類(lèi)和鹽巖類(lèi),并以云質(zhì)巖類(lèi)為主。
2.1.1 云質(zhì)巖類(lèi)
研究區(qū)風(fēng)城組巖石普遍發(fā)育白云石化作用,其中白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%~57.3%,平均為24.4%,巖性主要為云質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖和云質(zhì)粉砂巖等(圖版Ⅰ-1~Ⅰ-4),其中云質(zhì)凝灰?guī)r最富集。云質(zhì)巖類(lèi)主要發(fā)育于烏爾禾斷褶區(qū)及瑪湖西斜坡,其中烏爾禾斷褶區(qū)風(fēng)4、風(fēng)7和風(fēng)南3井區(qū)均較發(fā)育,厚度為300~600m(參見(jiàn)圖2)。
2.1.2 凝灰?guī)r類(lèi)
研究區(qū)風(fēng)城組發(fā)育期,火山活動(dòng)頻繁,形成了大量的火山細(xì)粒物質(zhì),常見(jiàn)沉凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r、粉砂質(zhì)凝灰?guī)r和泥質(zhì)凝灰?guī)r,它們大部分發(fā)生白云石化作用,呈灰色和灰黑色,巖性致密,常呈紋層狀和塊狀分布?;鹕侥椅镔|(zhì)可漂移數(shù)百公里,剝蝕區(qū)多為火山凝灰物質(zhì)。研究區(qū)凝灰?guī)r類(lèi)分布面積和厚度均較大,其中瑪湖西斜坡厚度最大,為1 000m。
2.1.3 砂巖類(lèi)
研究區(qū)北西部發(fā)育規(guī)模較小的扇三角洲—湖泊沉積體系(參見(jiàn)圖1),巖性以凝灰質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主,多發(fā)生白云石化。砂巖類(lèi)儲(chǔ)層僅分布于北西部風(fēng)城1和風(fēng)城011等井區(qū)近物源區(qū),厚度可達(dá)數(shù)十米。
2.1.4 泥質(zhì)巖類(lèi)
多為泥質(zhì)凝灰?guī)r,少量為凝灰質(zhì)泥巖和硅質(zhì)泥巖。X射線(xiàn)衍射分析表明,研究區(qū)細(xì)粒沉積物中黏土礦物含量很低,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.6%[15]。研究區(qū)泥質(zhì)巖類(lèi)主要分布于扇三角洲遠(yuǎn)端的湖盆沉積區(qū),且分布范圍較小。
2.1.5 鹽巖類(lèi)
研究區(qū)發(fā)育一套鹽巖組合,主要有硅硼鈉石(NaBSi3O8)(圖版Ⅰ-5)、碳鈣鈉石[Na2Ca2(CO3)3]、碳鎂鈉石[Na2Mg2(CO3)3]、硬石膏和石膏等。 鹽巖富集說(shuō)明地層水中富含大量的Na+,Ca2+和Mg2+,為咸化湖泊濃縮蒸發(fā)所致。鹽巖富集區(qū)見(jiàn)異常高壓網(wǎng)狀縫(圖版Ⅰ-6),可能與深部熱水沿?cái)嗔焉仙嘘P(guān)[16]。鹽巖類(lèi)在湖盆中心水深最大處異常富集,厚度可達(dá)300~500m。
據(jù)巖心觀察、鑄體薄片及掃描電鏡分析,研究區(qū)風(fēng)城組儲(chǔ)層主要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型為裂縫、溶孔、晶間孔和原生孔,其中裂縫是最重要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型,溶孔次之。致密油藏為裂縫-溶孔型。
2.2.1 裂縫
烏—夏地區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層中,裂縫是最主要的儲(chǔ)集空間(圖版Ⅱ-1~Ⅱ-4),占儲(chǔ)集空間的53%,對(duì)致密油有效儲(chǔ)層的發(fā)育起到了決定性的作用。研究區(qū)主干斷裂主要為百—烏斷裂、夏紅北斷裂及烏蘭林格斷裂等一系列北東向和北北東向斷裂(參見(jiàn)圖1)。風(fēng)城組裂縫主要為構(gòu)造作用形成的構(gòu)造縫,壓實(shí)作用形成的泄水縫(圖版Ⅱ-3)和縫合線(xiàn)(圖版Ⅱ-4)及異常高壓形成的網(wǎng)狀縫[17-18](圖版Ⅰ-6);以高角度裂縫(40°~70°)為主,水平縫(< 10°)和垂直縫(>70°)次之。宏觀裂縫(開(kāi)度為0.2mm左右)僅在風(fēng)26和風(fēng)7等井區(qū)主斷裂附近可見(jiàn);微裂縫(開(kāi)度為0.003~0.025mm)全區(qū)發(fā)育,靠近主斷裂區(qū)富集。裂縫主要發(fā)育于云質(zhì)巖類(lèi)和凝灰?guī)r類(lèi)儲(chǔ)層中,白云石為脆性礦物,故發(fā)生白云石化的地區(qū)裂縫最富集。裂縫常被白云石、方解石、石膏、硅硼鈉石或?yàn)r青等充填(圖版Ⅱ-2~Ⅱ-4)。微裂縫產(chǎn)生的面孔率平均高達(dá)1.7%,不僅大大改善了儲(chǔ)層的連通性,而且為溶蝕流體的流動(dòng)提供了通道,有利于溶孔的形成。
2.2.2 溶蝕孔隙
研究區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層中溶孔占儲(chǔ)集空間的35%,常見(jiàn)有晶間溶孔、粒內(nèi)溶孔和基質(zhì)溶孔。溶孔主要發(fā)育于白云石化強(qiáng)烈的烏爾禾半封閉湖灣區(qū)及風(fēng)城1井區(qū)云質(zhì)砂巖類(lèi)儲(chǔ)層中,被溶蝕的礦物主要有白云石、方解石以及鹽類(lèi)礦物(圖版Ⅱ-5~Ⅱ-7)。溶蝕流體在構(gòu)造擠壓及熱對(duì)流的驅(qū)動(dòng)下常沿構(gòu)造縫和層理面等構(gòu)造薄弱面流動(dòng),故裂縫發(fā)育區(qū)溶蝕作用較為強(qiáng)烈。例如,風(fēng)城1井的云質(zhì)粉砂巖中溶孔為最主要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型,占儲(chǔ)集空間的70%以上[15]。溶孔的發(fā)育不僅改善了儲(chǔ)層物性,而且增大了儲(chǔ)集空間,對(duì)研究區(qū)致密儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”區(qū)的形成產(chǎn)生了重要作用。
2.2.3 晶間孔隙
研究區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層中晶間孔僅占儲(chǔ)集空間的11%,且孔隙較小,一般不超過(guò)幾微米,多由白云石化和重結(jié)晶作用等后期成巖交代作用形成。晶間孔于自生礦物中較常見(jiàn),如方解石和白云石等結(jié)晶體礦物之間形成的孔隙,構(gòu)造作用形成的裂縫充填物中也常見(jiàn)晶間孔(圖版Ⅱ-8~Ⅱ-9)。晶間孔分布不均勻,常與裂縫帶共生,對(duì)致密儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的形成有一定的貢獻(xiàn)。
2.2.4 原生孔隙
研究區(qū)風(fēng)城組沉積于半封閉湖灣環(huán)境,沉積物粒度較細(xì),并由于埋深較大(4 000~5 000m),原生孔已基本不存在,且孔隙連通性差。原生孔主要為原生剩余粒間孔,僅占儲(chǔ)集空間的1%,常見(jiàn)于砂巖類(lèi)致密油儲(chǔ)層中,單獨(dú)的原生孔很難形成有利儲(chǔ)層。
據(jù)研究區(qū)風(fēng)城組500余塊儲(chǔ)層樣品的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度較低,最小值為0.04%,最大值為27.3%,一般為1%~10%,平均為3.86%,孔隙度>10%的樣品僅占樣品總數(shù)的5%左右;儲(chǔ)層空氣滲透率數(shù)值變化很大,最小值<0.01mD,最大值為1 016.01mD,平均為0.17mD,<2mD的樣品占樣品總數(shù)的 85% 左右(圖 3),屬致密儲(chǔ)層[3,19]。 由圖3可看出,研究區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層孔隙度和滲透率沒(méi)有明顯的線(xiàn)性關(guān)系,說(shuō)明其孔隙類(lèi)型主要為次生孔隙和裂縫,原生孔所占比例較低;滲透率的波動(dòng)范圍極大,說(shuō)明裂縫的存在至關(guān)重要,是改善儲(chǔ)層物性的主要因素。
圖3 準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層孔滲關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[3]修改)Fig.3 Porosity and permeability of tight oil reservoirs ofFengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin
研究區(qū)不同巖石類(lèi)型的儲(chǔ)層物性差異較大。其中云質(zhì)粉砂巖平均孔隙度為5.23%,凝灰質(zhì)白云巖平均孔隙度為6.63%,均高于風(fēng)城組碎屑巖儲(chǔ)層平均孔隙度3.86%(表1)。云質(zhì)粉砂巖物性相對(duì)較好,這是由于粉砂質(zhì)的分選、磨圓及抗壓實(shí)能力均好于凝灰質(zhì),后期的溶蝕作用也較凝灰質(zhì)強(qiáng)。凝灰質(zhì)白云巖發(fā)生了強(qiáng)烈的白云石化作用,使巖石脆性加大,裂縫更發(fā)育。根據(jù)研究區(qū)取心段不同巖性?xún)?chǔ)層的含油氣性分析,云質(zhì)粉砂巖和凝灰質(zhì)白云巖含油性均相對(duì)較高(表2)。
表1 準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)風(fēng)城組不同巖性孔隙度Table 1 Porosity of different lithologies of FengchengFormation in Wu-Xia area of Junggar Basin
表2 準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)風(fēng)城組不同巖性?xún)?chǔ)層巖心的含油氣性Table 2 Cores fluorometric analysis of different rock types of Fengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin
研究區(qū)風(fēng)城組儲(chǔ)層排驅(qū)壓力一般>3MPa,孔喉半徑<1μm,主要為0.03~1.00μm,退汞效率較差。風(fēng)城組孔滲數(shù)據(jù)及喉道特征均表明研究區(qū)發(fā)育致密儲(chǔ)層。
準(zhǔn)噶爾盆地烏—夏地區(qū)二疊系風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層具有裂縫-溶孔雙重介質(zhì)特征,儲(chǔ)層物性主要受白云石化作用強(qiáng)度、裂縫和溶孔發(fā)育程度及其耦合關(guān)系等因素影響。
據(jù)巖石薄片和X射線(xiàn)衍射分析(參見(jiàn)圖2),風(fēng)城組云質(zhì)巖類(lèi)的礦物組成復(fù)雜,其中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%~57.3%,很少超過(guò)50%,平均24.4%,巖性主要為云質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖和云質(zhì)粉砂巖等,以云質(zhì)凝灰?guī)r最富集,統(tǒng)稱(chēng)云質(zhì)巖類(lèi)。
云質(zhì)巖類(lèi)的產(chǎn)狀以紋層狀、條帶狀(圖版Ⅰ-1~Ⅰ-2)、團(tuán)塊狀、絲絮狀和星散狀為主,常沿層理和裂隙充填分布,鏡下呈半自形—自形,以粉晶—細(xì)晶為主,常見(jiàn)霧心亮邊和環(huán)帶交代殘余結(jié)構(gòu)(圖版Ⅰ-3~Ⅰ-4)。其中紋層狀微晶白云石推測(cè)為準(zhǔn)同生成因,以晶形差、顆粒小和層狀分布為特征[20];星散狀與絲絮狀粉—細(xì)晶白云石為中埋藏成因,以粉—細(xì)晶、半自形—自形和霧心亮邊發(fā)育為特征;團(tuán)塊狀細(xì)—中晶白云石可能為中—深埋藏成因或與熱液活動(dòng)密切相關(guān),以晶面不規(guī)則緊密接觸為特征。
白云石不僅脆性大,而且易發(fā)生溶蝕,巖石白云石化有利于產(chǎn)生有效儲(chǔ)集空間(參見(jiàn)表1)。研究區(qū)風(fēng)城組泥巖、粉砂巖和凝灰?guī)r的平均孔隙度分別為0.6%,3.64%和2.71%,發(fā)生白云石化后分別為3.35%,5.23%和6.63%,儲(chǔ)層物性得到了改善。巖心、測(cè)井及地震反演綜合研究均表明,風(fēng)城組云質(zhì)巖類(lèi)主要分布于烏爾禾—風(fēng)城地區(qū)。
在風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層中,裂縫對(duì)有效儲(chǔ)層的形成和分布均起到?jīng)Q定性的作用,是研究區(qū)致密油儲(chǔ)層高產(chǎn)最重要的影響因素。裂縫的識(shí)別可通過(guò)巖心觀察、成像測(cè)井及地震方法來(lái)進(jìn)行。儲(chǔ)層裂縫的成因不同,分布規(guī)律和影響因素也均不相同。縱向上,裂縫發(fā)育主要受巖性影響,巖石發(fā)生白云石化后,其脆性普遍變大,在構(gòu)造作用力下極易發(fā)產(chǎn)破裂;平面上,裂縫發(fā)育程度主要受構(gòu)造條件影響,一般情況下主斷裂附近為裂縫發(fā)育的密集區(qū)。烏爾禾斷褶帶深層斷裂異常發(fā)育,加之白云石化程度最大,巖石脆性大,為研究區(qū)裂縫最富集的地帶。
裂縫的存在不僅可以作為致密油的儲(chǔ)集空間,而且為油氣及溶蝕流體均提供了優(yōu)質(zhì)運(yùn)移通道。裂縫的發(fā)育程度直接影響著原油產(chǎn)量,如風(fēng)3井風(fēng)城組凝灰質(zhì)白云巖距斷裂近,裂縫密度達(dá)10.6條/m,日產(chǎn)原油100 t以上;遠(yuǎn)離斷裂的風(fēng)南4井風(fēng)城組凝灰質(zhì)白云巖裂縫密度小,僅0.5條/m,日產(chǎn)原油2 t。
風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層(特別是砂巖類(lèi)儲(chǔ)層)溶孔的發(fā)育程度決定了儲(chǔ)層的有效性。溶孔的發(fā)育主要受巖性影響,砂巖類(lèi)儲(chǔ)層最易發(fā)育溶孔,白云石、方解石、硅硼鈉石和鹽巖等自生礦物均易發(fā)生溶蝕。其次,裂縫是溶蝕流體運(yùn)移的優(yōu)良通道,溶孔經(jīng)常伴隨裂縫發(fā)育。有機(jī)質(zhì)生烴排放出大量有機(jī)酸,這些有機(jī)酸是溶蝕流體的主要來(lái)源。溶孔在云質(zhì)粉砂巖中最為發(fā)育,在主斷裂帶附近也較發(fā)育。
溶孔發(fā)育程度及其與裂縫配置關(guān)系的優(yōu)劣均極大地影響致密油儲(chǔ)層的產(chǎn)量,如烏355井在井深3 177~3 197m裂縫和溶孔發(fā)育且配置關(guān)系較好,溶孔被裂縫有效連通,日產(chǎn)油23 t;烏351井在井深3 310~3 322m溶孔孤立,裂縫不發(fā)育,溶孔未被有效連通,日產(chǎn)油不足 1 t[15]。
(1)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系風(fēng)城組油層巖性復(fù)雜,以云質(zhì)巖類(lèi)為主;儲(chǔ)集空間類(lèi)型以裂縫和溶孔為主,埋深大(4 000~5 000m),原生孔不發(fā)育;孔隙度為1%~10%,滲透率<2mD,孔喉半徑多<1μm,為典型的致密型儲(chǔ)層。
(2)白云石化作用、裂縫和溶孔的形成作用共同影響研究區(qū)風(fēng)城組相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育,尤其是裂縫局部異常發(fā)育的地區(qū),儲(chǔ)層被改造,連通性變好,可形成“甜點(diǎn)”。其分布主要受以下因素影響:①巖石發(fā)生白云石化作用的強(qiáng)度。強(qiáng)烈的白云石化作用導(dǎo)致巖石脆性變大,更易產(chǎn)生裂縫,且白云石容易發(fā)生溶蝕。②主斷裂的發(fā)育強(qiáng)度。伴隨主斷裂產(chǎn)生的眾多裂縫和微裂縫,不僅增大了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間,并且為溶蝕流體的運(yùn)移提供了優(yōu)質(zhì)通道。③溶蝕作用的強(qiáng)度。白云石和云質(zhì)粉砂巖均容易發(fā)生溶蝕作用,產(chǎn)生一定的儲(chǔ)集空間。
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