黃興文，陳全紅，李海濱

(中海油研究總院，北京100028)

卡塔爾上古生界低滲透砂巖儲層特征及物性控制因素*

黃興文，陳全紅，李海濱

(中海油研究總院，北京100028)

∶波斯灣盆地古生界砂巖儲層發(fā)育，是中東油氣勘探的一個新層系、新領(lǐng)域，但由于埋深大，資料少，儲層研究程度較低。以巖心、薄片、測井等資料為基礎(chǔ)，從沉積相、巖石學(xué)特征、成巖作用及孔隙特征等方面刻畫了卡塔爾中泥盆統(tǒng)Jauf組和下二疊統(tǒng)Unayzah組砂巖的儲層特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合沉積、成巖特征分別分析Jauf組和Unayzah組儲層物性控制因素，探討了低滲透砂巖背景下優(yōu)質(zhì)儲層形成條件。結(jié)果表明，Jauf組主要為濱岸相，Unayzah組主要為河流-三角洲相，儲集空間主要為殘余粒間孔，孔喉為微細喉、微喉，儲層以“低填隙物含量、高成分成熟度和中-高結(jié)構(gòu)成熟度”為特征，孔隙度一般小于12%，滲透率多小于10 mD，為低孔低滲儲層。沉積作用是儲層物性的主控影響因素，它決定了成巖作用的類型和強度。Jauf組和Unayzah組強烈的壓實作用和膠結(jié)作用對形成低滲透儲層起了決定性作用，溶蝕作用較微弱，改善了儲層物性。

∶卡塔爾;上古生界;Unayzah組;Jauf組;低滲透儲層

0 引言

中東油氣資源非常豐富，但現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的油氣的主要分布在上二疊統(tǒng)、中、新生界、上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)及第三系的碳酸鹽巖中［1］。經(jīng)過多年開發(fā)，一些老油氣田出現(xiàn)了含水率上升和產(chǎn)量下降的問題，為了穩(wěn)定和提高產(chǎn)量，中東各國不斷尋求新的油氣接替領(lǐng)域。隨著沙特和阿曼在古生界砂巖儲層中不斷獲得多個大發(fā)現(xiàn)，卡塔爾等其它國家也不斷將勘探領(lǐng)域向下延伸到古生界碎屑巖［2］。但是直到目前，卡塔爾古生界的油氣勘探仍沒有取得大的突破?？ㄋ柟派缟皫r儲層經(jīng)歷了長期的埋藏和成巖作用，儲層影響因素多，而且后期的斷裂活動及蓋層條件也可造成油氣的逸散，究其主要原因還是沒有找到物性較好的優(yōu)質(zhì)儲層，即對低滲儲層發(fā)育的控制因素及成因機理認識還不清，加之儲層埋深大，資料較少，研究難度大，一直影響著該區(qū)的古生界油氣勘探進程［3-5］。

目前還未見關(guān)于卡塔爾古生界砂巖儲層特征、物性控制因素等方面公開發(fā)表的文獻，為此，筆者在卡塔爾周緣地區(qū)古生界儲層研究認識的基礎(chǔ)上，利用巖心、薄片分析、鉆井、測井等手段，從巖石學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)、物性特征和成巖作用等方面描繪了卡塔爾上古生界砂巖儲層特征，探討儲層的主控因素，總結(jié)有利儲層形成的條件，以期為深化卡塔爾古生界低滲儲層地質(zhì)理論和指導(dǎo)阿拉伯板塊低滲油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 古地質(zhì)背景及沉積地層

卡塔爾主體位于魯卜哈利盆地東部(圖1)，魯卜哈利盆地是一個多旋回的克拉通邊緣疊合盆地，經(jīng)歷了前寒武紀裂谷盆地、早古生代古特提斯被動陸緣、晚古生代活動大陸邊緣、中生代新特提斯被動陸緣和新生代活動大陸邊緣階段，沉積了巨厚的古生界和中新生界，其中古生界以陸相-海陸過渡相-淺海相碎屑巖沉積為主，中新生界發(fā)育大套的碳酸鹽和膏鹽沉積［6-8］。

圖1 卡塔爾構(gòu)造位置、鉆井分布及沉積地層特征Fig.1 Tectonic location，well distribution and stratigraphic column of Qatar

卡塔爾古生界砂巖儲層主要為中泥盆統(tǒng)Jauf組和下二疊統(tǒng)Unayzah組，其中Jauf組主要由大套砂巖夾薄層泥巖組成，Unayzah組是沉積在海西期不整合面上的一套碎屑巖沉積，巖性主要為中細砂巖和泥巖，局部含礫，根據(jù)巖性特征自上而下可分為3段，分別是S1，S2和S3，其中S1段主要由粉砂巖和泥巖組成，S2段發(fā)育大套砂巖，S3段以砂泥巖互層為主，局部發(fā)育大套砂巖和泥巖。

1.2 沉積相及砂體展布特征

通過對巖心、薄片、測井等資料的分析，Unayzah組的S2段下部和S3段主要以辮狀河沉積為主(圖2)，砂體整體呈西南-北東向展布，厚度可80～120 m，可以劃分出心灘、河床、河漫灘3個亞相，其中心灘和河床主要為礫巖、含礫砂巖及砂巖，粉砂巖少見，成分復(fù)雜，成熟度低，粒度較粗，向上粒度變細;沉積構(gòu)造包括大型槽狀、板狀交錯層理、小型交錯層理、波狀層理、水平層理，向上沉積構(gòu)造規(guī)模變小。河漫灘亞相主要為細砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，發(fā)育波狀層理、平行層理、流水沙紋層理。

圖2 卡塔爾上古生界主要沉積相類型及特征Fig.2 Main sedimentary facies types and characteristics of Upper-Paleozoic in Qatar

Unayzah組S1段和S2段上部主要發(fā)育三角洲相沉積(圖2)，其主要由黑色頁巖、粉砂巖、紫色泥巖、灰色粉細砂巖和灰白色含礫中砂巖組成，沉積構(gòu)造常見小型槽狀交錯層理、水平層理、生物擾動、波狀層理、斜層理、平行層理，總體沉積特征表現(xiàn)為三角洲平原亞相的特征。

Jauf組主要發(fā)育濱岸相(圖2)，砂體沿岸線方向呈北西-南東向分布，厚度可達50～90 m，巖性主要為淺灰白色中細砂巖、粉砂巖，整體呈現(xiàn)出下粗上細的正旋回特征，自下而上依次出現(xiàn)后濱沉積—前濱沉積—臨濱沉積，沉積構(gòu)造常見沖洗交錯層理、波狀復(fù)合層理等潮汐層理。

2 儲層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

對多口井巖心及巖石薄片分析表明，Jauf組和Unayzah組儲層整體上呈“低填隙物含量、高成分成熟度和中-高結(jié)構(gòu)成熟度”特征。顆粒以點-線接觸為主，分選中等-較好，磨圓次棱角-次圓狀。膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主，其次為環(huán)邊式膠結(jié)和基底式膠結(jié)。

泥盆系Jauf組儲層主要以中-細粒石英砂巖和巖屑砂巖為主，石英含量為62%～94%(圖3)，填隙物組分總體含量較低，多為7%～18%，平均為12.3%，雜基一般不足0.5%，膠結(jié)物主要是泥質(zhì)(伊利石和少量高嶺石)、鐵白云石，其次是鐵白云石、自生石英及硬石膏等，個別還有少量菱鐵礦及黃鐵礦。

圖3 卡塔爾Jauf組和Unayzah組砂巖儲層巖石成分三角圖Fig.3 Composition triangle diagram of Jauf and Unayzah reservoir in Qatar

二疊系Unayzah組儲層主要為石英砂巖及巖屑石英砂巖，石英含量為65%～95%(圖3)，巖屑主要為變質(zhì)巖巖屑，少量的火成巖巖屑和云母，填隙物組分以膠結(jié)物為主，雜基含量很少，總體含量較低，多為1%～13%，平均為6.1%.膠結(jié)物主要是泥質(zhì)(伊利石和極少量的綠泥石及伊蒙混層)、鐵白云石，其次是自生石英和黃鐵礦。

圖4 Jauf組和Unayzah組主要的孔隙類型Fig.4 Main intergranular porosity types of Jauf and Unayzah reservoir

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡資料分析，研究區(qū)砂巖儲層發(fā)育的孔隙類型包括殘余粒間孔、次生溶孔和構(gòu)造縫。殘余粒間孔是被伊利石、自生石英部分充填之后余下的粒間孔隙或由環(huán)邊粘土膠結(jié)物形成之后余下的粒間孔隙，其分布很不均一，具有強烈的非均質(zhì)性，其分別占Jauf組和Unayzah組總孔隙的70%和60%(圖4)。次生溶孔也是上古生界砂巖重要的儲集空間類型，Unayzah組多見長石、石英和一些巖屑顆粒溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙，其占總孔隙的30%，相比而言，Jauf組由于埋深更大，次生孔隙不發(fā)育，其占總孔隙的15%.卡塔爾地區(qū)在石炭紀和新生代經(jīng)歷多期構(gòu)造擠壓，構(gòu)造縫在古生界砂巖中時有發(fā)育，如卡塔爾東部海域I井在Unayzah組取心段可見到高角度的垂直構(gòu)造縫，長度為20～30 cm左右。

壓汞曲線表明，卡塔爾Jauf組和Unayzah組儲層的毛管壓力曲線主要以高門檻-微細喉型和中門檻-中喉型為主(圖5)，前者排驅(qū)壓力＞2 MPa，喉道中值＜0.04μm，后者排驅(qū)壓力為1～2 MPa，喉道中值為0.04～0.1μm.鑄體也薄片顯示這2套儲層的喉道多為縮頸型或片狀，喉道半徑多小于1μm，多為為微細喉。

圖5 Jauf組和Unayzah組壓汞曲線特征Fig.5 Mercury injection curve characteristics of Jauf and Unayzah reservoir

2.3 物性特征

圖6 Jauf組和Unayzah組孔滲關(guān)系散點圖Fig.6 Reservoir properties of Jauf and Unayzah formation

Jauf組砂巖孔隙度多為0.5%～24%，主體分布在6%～20%，平均為10.5%，滲透率為0.001～1 158.5 mD，主體分布在0.1～500 mD.儲層整體具有低孔低滲儲層的特征，中等孔滲儲層含量較少。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，孔隙度和滲透率具有較好的正相關(guān)性(圖6(a))，說明滲透率的變化主要受孔隙發(fā)育程度控制，為典型的孔隙型儲層。

Unayzah組砂巖孔隙度多為0.3%～21.1%，主體分布在6%～20%，平均為9.9%;滲透率為0.001～3 603.8.0 mD，主體分布在0.1～100 mD，同樣以低孔低滲儲層為主，孔隙度和滲透率同樣具有較好的正相關(guān)性(圖6(b))。綜合利用鉆井巖心、鑄體薄片、儲層物性、壓汞測試及掃描電鏡資料等，選取與儲層滲透率相關(guān)性較高的參數(shù)，將卡塔爾古生界砂巖儲層按氣儲層標準分為4類∶Ⅰ類好儲層為高孔、粗喉及高滲型儲層;Ⅱ類較好儲層為中孔、中-細喉、中滲型儲層;Ⅲ類中等儲層為低孔、細喉及低滲型儲層，為研究區(qū)的主要儲層類型;Ⅳ類差儲層為特低孔、細短喉、特低滲儲層，膠結(jié)含量高，物性較差，多不能形成儲集層(圖7)。

圖7 Jauf組和Unayzah組砂巖氣儲層分類Fig.7 Jauf and Unayzah sandstone reservoir classification(gas reservoir)

2.4 成巖作用特征

Jauf組和Unayzah組砂巖的成巖作用類型有壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。由于Jauf組和Unayzah組埋深相差不大，二者具有類似的溫壓條件，這就造成它們的成巖作用相差不大，但在局部也有明顯的差異。Jauf組和Unayzah組砂巖儲層埋深普遍大于3 300 m，結(jié)合砂巖X-衍射分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)樣品內(nèi)伊/蒙混層礦物消失，伊利石含量在96%以上，砂巖普遍進入中成巖B期-晚成巖期階段。鑄體薄片顯示壓實作用較強，顆粒多數(shù)緊密接觸，以點-線接觸和凹凸接觸為主，部分地區(qū)可見剛性顆粒被壓碎的現(xiàn)象(圖8 (a))。

除了壓實作用，膠結(jié)作用也是Jauf組和Unayzah組的主要成巖作用。Jauf組主要的膠結(jié)作用為呈絲發(fā)狀、片狀的伊利石膠結(jié)，其次為石英次生加大和硬石膏膠結(jié);Unayzah組膠結(jié)作用主要為石英次生加大和伊利石充填膠結(jié)(圖8(b))，局部可見碳酸鈣和硬石膏膠結(jié)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，壓實和膠結(jié)作用損失的原生孔隙可占總孔隙度70%～80%，局部可達90%以上，甚至更高。這表明早期強烈的壓實和膠結(jié)作用對形成卡塔爾古生界低滲儲層起了決定性作用。

Jauf組和Unayzah組砂巖均發(fā)生了不同程度的溶蝕，其中Unayzah組S2段溶蝕作用強，被溶組分主要包括長石、巖屑和石英等，常見長石顆粒內(nèi)部沿解理溶解，掃描電鏡下常見長石被溶解呈篩狀，局部見長石顆粒完全溶解。石英溶蝕作用相對較弱，但溶蝕普遍，一般多見石英顆粒邊緣被溶解成不規(guī)則狀(圖8(c))。

Jauf組和Unayzah組砂巖的交代作用及程度較弱，主要見到碎屑顆粒被菱鐵礦、鐵白云石和粘土礦物交代，鏡下可看到礦物邊緣被交代而不規(guī)則，以及交叉切割現(xiàn)象。

3 儲層物性主控因素及成巖機制

低滲透儲層的形成主要受沉積作用和成巖作用的影響［9-11］，卡塔爾上古生界低滲透儲層具有沉積作用主控儲層物性、壓實作用和膠結(jié)作用強化儲層低滲、溶蝕作用微弱改善儲層物性的特點。

3.1 沉積作用控制原生孔隙的發(fā)育

沉積相帶是控制儲層原始孔隙及優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的基本因素［12］。對不同沉積微相砂巖儲層物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，J井的Unayzah組儲層中，心灘和河床相砂巖物性最好，決口扇、天然堤及河漫灘相砂巖物性最差(圖9)。這是由于在Unayzah組的辮狀河道砂體多形成于高能環(huán)境中，沉積時由于水動力較強，碎屑顆粒的分選性和磨圓度較好，粒度較粗，粘土雜基含量低，原始粒間孔隙發(fā)育，有利于保存原生孔隙，同時這些原生孔隙也為后期溶蝕作用的發(fā)生提供了通道和空間，所以儲層物性相對較好。Jauf組以潮上帶的海岸沙丘或灘砂相砂巖的物性為最好，其孔隙多大于10%，滲透率多大于10 MD，而在潮下帶的下臨濱相儲層中，實測孔隙度僅為4.4%，滲透率不足0.7 mD，在其遠濱相沉積泥質(zhì)粉砂巖儲層中，實測孔隙度僅為5.0%，滲透率僅為0.02 mD，都是較差的儲層。

圖8 Jauf組和Unayzah組儲集空間類型及主要成巖作用特征照片F(xiàn)ig.8 Intergranular porosity and diagenetic characteristics of Jauf and Unayzah reservoir

3.2 壓實與膠結(jié)是原生孔隙減小的主控因素

隨埋藏深度不斷增加，壓實強度也隨之增大，導(dǎo)致儲層孔隙度、滲透率迅速降低，儲層物性由此變差。巖心薄片的鏡下觀察，Unayzah組砂巖碎屑顆粒多呈縫合接觸，而泥盆系的Jauf組由于埋深更大，加之長石含量略高于Unayzah組，巖石抗壓能力弱，受壓實作用的影響更大，砂巖碎屑顆粒多呈線接觸，原生孔隙保存更少，并且連通性差。從薄片下觀察可知，Unayzah組和Jauf組壓實、壓溶作用分別損失的孔隙度可占總孔隙度的40%～70%，45%～80%，局部可達90%以上，這表明壓實作用是形成卡塔爾古生界低孔低滲儲層的主要成巖作用。

另一種造成Unayzah組和Jauf組孔隙減小、物性變差的是膠結(jié)作用。石英次生加大和粘土礦物膠結(jié)在儲層砂巖中普遍發(fā)育，充填孔隙，造成孔隙多為孤立的粒間孔，使巖石物性極大降低。此外，儲層中硬石膏膠結(jié)物以Jauf組較為嚴重，Jauf組硬石膏常呈連晶狀充填于孔隙中，而Unayzah組硬石膏常呈片狀或條帶狀產(chǎn)出于孔隙空間。再者，儲層普遍進入中晚成巖階段，碳酸鹽膠結(jié)物以鐵白云石為主，有少量方解石膠結(jié)物，主要呈嵌晶狀或薄膜狀產(chǎn)出，這些碳酸鹽膠結(jié)物也減小了孔隙體積?？傊?，Unayzah組和Jauf組膠結(jié)作用分別損失的孔隙度可占總孔隙度的20%～40%，25%～50%，局部可達80%以上，這也是造成卡塔爾古生界致密化的另一主要成巖作用。

3.3 溶蝕作用是次生孔隙形成的主控因素

溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙是卡塔爾古生界砂巖儲層的重要孔隙類型之一，對改善Unayzah組和Jauf組儲層物性起到重要作用。最常見的是長石顆粒酸性溶蝕，包括沿解理的溶蝕，以及粒內(nèi)、表面的溶蝕，其次是石英顆粒的堿性溶蝕，包括石英顆粒邊緣蠶食狀、鋸齒狀或港灣狀溶蝕，以及石英加大邊的溶蝕。Unayzah組S2段在剩余原生粒間孔隙的基礎(chǔ)上發(fā)生溶蝕作用，大致提高了4%的孔隙度，且儲層連通性明顯改善。而Jauf組溶蝕作用較弱，儲層中多形成孤立的粒間孔隙，連通性較差。這是因為Unayzah組緊鄰海西運動不整合面，成巖過程中成巖流體運移到中粗粒砂巖中，砂巖中的易溶組分特別是長石、巖屑在酸性介質(zhì)條件下發(fā)生溶蝕蝕變。

圖9 J井Unayzah組S2段儲層物性與沉積相關(guān)系Fig.9 Reservoir quality-sedimentary facies relationship of Unayzah S2mbr，Jwell

4 優(yōu)質(zhì)儲層形成條件

通過上述分析，對于Unayzah和Jauf組，孔滲性較好-好的儲層主要為殘余粒間孔、溶蝕孔、裂縫及其它們良好的配置的粗孔或中孔中細喉組合所形成的儲層。

1)辮狀河心灘和河床、濱海相前濱、中上臨濱是有利相砂體;

2)壓實和膠結(jié)作用較弱，有適度的綠泥石薄膜包殼膠結(jié)和輕度的石英次生石英加大，晚期碳酸鹽、硬石膏膠結(jié)不發(fā)育;

3)不穩(wěn)定的碎屑組分和部分易溶膠結(jié)物被強烈溶蝕;

4)有裂縫的疊加作用，儲層的孔滲性則更好，特別是滲透率可以成倍增大。

5 結(jié)論

1)卡塔爾中泥盆統(tǒng)Jauf組儲層為濱岸相砂巖，中二疊統(tǒng)Unayzah組的S1段和S2段上部為三角洲平原亞相沉積，S2段下部和S3段發(fā)育辮狀河沉積，可以劃分出心灘、河床、河漫灘3個亞相。二者均以石英砂巖及巖屑石英砂巖為主，填隙物含量較低;

2)中泥盆統(tǒng)Jauf組和中二疊統(tǒng)Unayzah組砂巖儲層空間以原生粒間孔隙為主，占總孔隙的60%～70%，Unayzah組次生孔隙較發(fā)育，占孔隙的30%，Jauf由于埋深大，次生孔隙僅占15%.二者喉道多為縮頸型或片狀，總體為微細喉、微喉，均表現(xiàn)為低孔低滲的特征;

3)中泥盆統(tǒng)Jauf組和中二疊統(tǒng)Unayzah組砂巖埋深超過3 300m，均經(jīng)歷了強烈的成巖作用，目前已達到中深成巖階段，主要成巖作用包括壓實、膠結(jié)和溶蝕作用，其中壓實和泥質(zhì)膠結(jié)及石英次生加大作用是原生孔隙減少的主控因素，后期溶蝕作用是次生孔隙發(fā)育的主控因素。

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Characteristics and controlling factors on physical properties of Upper-paleozoic low-permeability sandstones in Qatar

HUANG Xing-wen，CHEN Quan-hong，LIHai-bin

(China National Offshore Oil Corporation Research Center，Beijing 100027，China)

∶Paleozoic sandstone reservoir is a frontier and new play for Persian Gulf Basin.The sandstone reservoirs are buried deep and less explored with few research data.Sedimentary，petrology，diagenesis and pore character of Devonian Jauf and Permian Unayzah Fm sandstone reservoir in Qatar were analyzed based on core，thin section and logging data in the paper.Controlling factors over Jauf and Unayzah reservoir quality were discussed，and further discussed in what conditions the low-permeability sandstoneswould have higher reservoir quality.It was indicated that∶Jauf and Unayzah are dominated by shore and fluvial-delta environment，respectively.Pore space aremainly residual intergranular pores，micro tomicro-fine pore throat，and reservoirs are characterized by low filler content，high componentmaturity and mid-high texturalmaturity，which aremainly low-porosity and low-permeability reservoirs，and porosity and permeability are mainly less than 12%and 10md，respectively.Sedimentation is the key controlling factor over reservoir quality，control of type and intensity of diagenesis.Strong compaction and cementation are key factors over the formation of Jauf and Unayzah low-permeability reservoirs，whiledissolution slightly improved the reservoir quality.

∶Qatar;Upper paleozoic;Unayzah;Jauf;low-permeability reservoirs

∶TE 112

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0311

∶1672-9315(2015)03-0336-08

∶2015-03-20責(zé)任編輯∶李克永

∶國家科技重大專項(2011ZX5030-003)

∶黃興文(1979-)，男，四川成都人，博士，E-mail∶huangxw2@cnooc.com.cn