仲維蘋(píng)

( 中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院,山東 東營(yíng) 257000 )

0 引言

隨著油氣勘探和開(kāi)發(fā)程度的不斷提高，以儲(chǔ)層為對(duì)象的地質(zhì)研究逐步深入。油氣儲(chǔ)層的外觀形體及內(nèi)部屬性成為油氣勘探與開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。不同地質(zhì)條件下，油氣儲(chǔ)層的性質(zhì)除受構(gòu)造演化、沉積環(huán)境的影響外，成巖作用也對(duì)儲(chǔ)層的內(nèi)部屬性起決定性作用。20世紀(jì)70年代末，隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入及新技術(shù)、新方法的引入，碎屑巖的成巖作用取得突破性進(jìn)展，在砂巖中發(fā)現(xiàn)大量由成巖作用形成的次生孔隙，標(biāo)志成巖作用的研究與理論日趨成熟[1-5]。張文凱等[6]以遼東凸起東營(yíng)組砂巖為例，利用薄片鑒定及掃描電鏡觀察分析成巖作用與儲(chǔ)層的關(guān)系，認(rèn)為成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔滲性具有雙重影響。陳振巖等[7]對(duì)鴛鴦溝洼陷西斜坡成巖作用進(jìn)行表征，預(yù)測(cè)有利區(qū)帶。孟元林等[8]以渤海灣盆地南堡凹陷老爺廟地區(qū)深層為例，綜合考慮溫度、壓力、流體和時(shí)間等因素，模擬成巖參數(shù)，分析成巖作用過(guò)程，確定有利勘探區(qū)域。成巖作用研究主要是為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)，隨著油氣勘探程度的不斷提高，在石油、天然氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮的作用愈加重要。

準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系為潮濕或半潮濕氣候條件下沉積的陸相碎屑巖，遍布于全盆地，一般以明顯的不整合覆蓋于下伏地層，侏羅系中下統(tǒng)為含煤巖系，上統(tǒng)為紅色或灰色建造，是重要的含油氣層系。準(zhǔn)噶爾盆地腹部陸南凸起周?chē)芏鄠€(gè)凹陷包圍，是一個(gè)長(zhǎng)期繼承性隆起，是油氣運(yùn)移的有利指向區(qū)[9]。1998年，陸南1井區(qū)三工河組探明石油儲(chǔ)量256×104t，并投入開(kāi)發(fā)；2011年，陸南6井再獲高產(chǎn)工業(yè)油流，在侏羅系三工河組(3 098.5～3 195.5 m)試油，產(chǎn)油量為1.46 t/d，揭示陸南凸起侏羅系存在大規(guī)模的有效儲(chǔ)層，之后再未獲得突破。人們的研究多集中于油氣成因及油源對(duì)比方面，對(duì)沉積儲(chǔ)層、成巖作用的研究甚少。

筆者利用鉆井取心鑄體薄片、掃描電鏡、X線衍射、物性等資料，研究陸南凸起侏羅系儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)層成巖作用，根據(jù)侏羅系不同層段巖石組分、黏土礦物種類(lèi)及含量的差異，分析各層段經(jīng)過(guò)成巖作用后儲(chǔ)集空間類(lèi)型及特征，并結(jié)合巖心及測(cè)井解釋資料，分析儲(chǔ)層物性的影響因素，為下一步石油勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地腹部陸南凸起周?chē)慌?井西、瑪湖、石南、東道海子等凹陷包圍，是一個(gè)長(zhǎng)期繼承性隆起(見(jiàn)圖1)，是海西期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。早泥盆世—石炭紀(jì)形成鈣堿性火山巖基底，石炭紀(jì)—二疊紀(jì)早期，活躍的火山活動(dòng)使該凸起處于抬升狀態(tài)，缺失二疊紀(jì)—早三疊世的沉積。晚三疊世，全盆地整體下降，進(jìn)入泛盆沉積時(shí)期。經(jīng)三疊紀(jì)末期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，該凸起早中侏羅世構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，沉積近800 m厚的河湖—沼澤相含煤碎屑巖。燕山運(yùn)動(dòng)晚期，陸南凸起再次抬升，形成侏羅系內(nèi)部不整合及張性斷裂，在凸起局部高部位，白堊系不整合于侏羅系之上。自白堊紀(jì)開(kāi)始，陸南凸起構(gòu)造活動(dòng)微弱。

圖1 陸南凸起區(qū)域位置Fig.1 Area location of Lunan uplift

侏羅系由下至上發(fā)育八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)及西山窯組(J2x)地層，頭屯河組(J2t)基本被剝蝕殆盡。八道灣組為厚層砂巖、含礫砂巖、泥巖及煤層組成多個(gè)向上變細(xì)巖性組合，垂向上相互疊加，總體反映多期河道切割疊加特征；三工河組總體為“兩泥夾一砂”的巖性組合特征；西山窯組為灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖不等厚互層，發(fā)育多套穩(wěn)定分布的煤層。整體上，中、下侏羅統(tǒng)為一套含煤河流—湖沼相碎屑巖。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)及物性特征

2.1 巖石學(xué)

分析研究區(qū)27口井鉆井取心、鑄體薄片、掃描電鏡的觀察描述及物性資料，認(rèn)為侏羅系砂巖在巖石學(xué)上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)成熟度高、成分成熟度低、膠結(jié)物及泥質(zhì)雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的特征，同時(shí)又有煤系地層(J1b、J2x)與非煤系地層(J1s)之分。儲(chǔ)層巖石類(lèi)型為中粗砂巖、細(xì)砂巖、不等粒砂巖、粉砂巖等，成分以長(zhǎng)石砂巖(J1s)及長(zhǎng)石巖屑砂巖(J1b、J2x)為主(見(jiàn)圖2)。砂巖顆粒分選中等—較好，磨圓次棱角—次圓狀，雜基以泥質(zhì)雜基為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%，膠結(jié)物為方解石、方沸石、硅質(zhì)(石英次生加大邊、自生石英晶體)、自生黏土礦物等，膠結(jié)類(lèi)型以鑲嵌式膠結(jié)為主，顆粒支撐?？紫额?lèi)型主要包括原生孔隙、次生溶蝕孔及少量的裂縫、黏土礦物晶間微孔等。

2.2 物性

根據(jù)523個(gè)樣品儲(chǔ)層物性分析數(shù)據(jù)，侏羅系儲(chǔ)層的孔隙度為0.9%～17.8%，平均為11.2%，滲透率為(0.01～1 003.20)×10-3μm2，平均為5.73×10-3μm2，整體屬于低孔—低滲儲(chǔ)層(見(jiàn)圖2)。

3 儲(chǔ)層成巖作用特征

碎屑巖進(jìn)入埋藏成巖階段后，不僅固結(jié)成巖，還發(fā)生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造上的改變及新礦物的形成，它們之間相互聯(lián)系、相互影響。這些成巖變化對(duì)砂巖物性及孔隙結(jié)構(gòu)的演化起決定性作用。陸南凸起侏羅系砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育的成巖作用類(lèi)型有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用等。

圖2 研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)層巖石成分及孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.2 Detrital composition and the relationship between porosity and permeability of Jurassic in study area

3.1 壓實(shí)作用

砂巖的壓實(shí)作用是砂巖成巖和孔隙演化的主要因素。陸南凸起侏羅系儲(chǔ)層埋深多在3 000 m以下，在埋藏過(guò)程中，砂巖經(jīng)過(guò)較強(qiáng)的壓實(shí)作用，原生孔隙度降低，顆粒間致密，因此砂巖的物質(zhì)成分至關(guān)重要。八道灣組及西山窯組為煤系地層，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，砂巖的抗壓實(shí)能力減弱；加上早期煤層演化釋放出有機(jī)酸，長(zhǎng)石、巖屑等抗壓實(shí)顆粒被溶蝕癱陷，抗壓能力大幅減弱，進(jìn)一步增強(qiáng)壓實(shí)效果。三工河組巖石組分中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，顆粒抗壓能力強(qiáng)，可見(jiàn)顆粒破裂成縫。鑄體薄片觀察到的壓實(shí)作用主要包括：(1)碎屑顆粒間呈線—凹凸接觸(見(jiàn)圖3(a))；(2)火山巖屑、長(zhǎng)石等剛性顆粒壓碎斷裂(見(jiàn)圖3(b))；(3)云母、千枚巖屑等塑性顆粒彎曲變形(見(jiàn)圖3(c))。

3.2 膠結(jié)作用

(1)碳酸鹽膠結(jié)物。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石及方解石(見(jiàn)圖3(d))，由于煤系地層早期處于酸性成巖環(huán)境，因此缺乏早期的嵌晶式方解石膠結(jié)物。方解石膠結(jié)物主要呈粒狀產(chǎn)出。

(2)硅質(zhì)膠結(jié)物。該區(qū)侏羅系硅質(zhì)膠結(jié)物是砂巖中主要的膠結(jié)類(lèi)型，多以碎屑石英次生加大邊形式出現(xiàn)。掃描電鏡可見(jiàn)菱形柱狀體的自生石英晶體(見(jiàn)圖3(e))。SiO2膠結(jié)物的形成與pH有關(guān)，在酸性或弱堿性條件下(pH<9)，SiO2的溶解度基本不受pH的影響；當(dāng)pH>9時(shí)，其溶解度隨pH的增大而急劇上升，因此SiO2的保存需要酸性環(huán)境。

(3)自生黏土礦物。該區(qū)侏羅系儲(chǔ)層黏土礦物主要有高嶺石、伊利石、綠泥石和伊蒙混層等，并且隨著埋深的增加，黏土礦物逐漸不穩(wěn)定并向其他黏土礦物轉(zhuǎn)化(見(jiàn)圖4)，其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。煤系地層在埋藏成巖初期排出有機(jī)酸，水介質(zhì)呈酸性，有利于長(zhǎng)石及火山巖屑發(fā)生溶蝕并析出高嶺石[10-11]，高嶺石在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定，掃描電鏡下高嶺石呈蠕蟲(chóng)狀或書(shū)頁(yè)狀填充于巖石顆粒之間(見(jiàn)圖3(f))，高嶺石的存在大幅降低儲(chǔ)層的滲透能力。伊利石多呈絲狀、薄片狀(見(jiàn)圖3(g))充填在孔隙之間，隨著埋深的增大，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)。掃描電鏡下伊/蒙混層多呈蜂窩狀，綠泥石附著于顆粒表面或呈葉片狀集合體充填于孔隙之間[12](見(jiàn)圖3(e))。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是礦物或碎屑顆粒在流體作用下的一種再平衡過(guò)程。溶蝕作用在研究區(qū)的各個(gè)層段有不同程度的發(fā)育，主要是硅酸鹽礦物(巖屑、長(zhǎng)石及沸石)，對(duì)碎屑巖儲(chǔ)集性能具有改善作用。鑄體薄片可見(jiàn)長(zhǎng)石顆粒沿解理縫呈梳齒狀溶蝕，留下溶蝕殘骸(見(jiàn)圖3(h))，形成粒內(nèi)溶蝕孔。方沸石等膠結(jié)物溶蝕形成粒間溶蝕孔，留下溶蝕殘晶，凝灰?guī)r巖屑顆粒溶蝕并伴隨鈉長(zhǎng)石化形成次生孔隙(見(jiàn)圖3(i))。書(shū)頁(yè)狀或蠕

圖3 研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)層成巖作用類(lèi)型及特征Fig.3 Diagenetic types and characteristics of Jurassic reservoir in study area

圖4 研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)層黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)—深度分布Fig.4 Vertical distribution of clay mineral content of reservoir in study area

層位w(伊/蒙混層)w(伊利石)w(高嶺石)w(綠泥石)J2x19.116.741.117.9J1s16.817.838.726.3J1b16.226.341.417.0

蟲(chóng)狀高嶺石的存在與長(zhǎng)石溶蝕有關(guān)。另外，陸南凸起儲(chǔ)層埋深在3 100～3 300 m之間的次生孔隙發(fā)育帶，也是溶蝕作用最好的證明。

3.4 成巖階段劃分及孔隙演化

根據(jù)儲(chǔ)層微觀特征及成巖作用類(lèi)型、伊/蒙混層、自生黏土礦物種類(lèi)、形態(tài)及產(chǎn)出順序,以及孔隙特征、巖石顆粒接觸關(guān)系等[13-16]，參照《碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T 5477—2003)及文獻(xiàn)[4]，對(duì)中國(guó)油氣盆地碎屑巖儲(chǔ)層埋藏成巖階段進(jìn)行劃分及標(biāo)志，認(rèn)為陸南凸起侏羅系地層埋深通常在2 600～3 800 m之間，砂巖普遍經(jīng)受壓實(shí)作用的改造，碎屑顆粒以線接觸為主，可見(jiàn)凹凸接觸，砂巖的孔滲性較差，原生孔隙大量保留，次生孔隙也比較發(fā)育，并且發(fā)育一定量的裂縫及晶間微孔。掃描電鏡下，儲(chǔ)層砂巖的粒間孔隙中高嶺石、綠泥石和伊利石等自生礦物比較常見(jiàn)，石英次生加大邊現(xiàn)象普遍，可以觀察到自生石英晶體；泥巖中干酪根鏡質(zhì)體反射率Ro為0.70%，侏羅系砂巖儲(chǔ)層處于中成巖A期(見(jiàn)表2)。八道灣組處于中成巖A2期，三工河組及西山窯組處于中成巖A1期。

表2研究區(qū)侏羅系成巖階段劃分

Table2DivisionofdiageneticstagesofJurassicreservoirinstudyarea

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)侏羅系砂巖儲(chǔ)層的孔隙類(lèi)型，不同層段孔隙類(lèi)型存在差異。八道灣組埋藏深，壓實(shí)與溶蝕壓實(shí)作用較強(qiáng)，砂巖成分中塑性巖屑相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，對(duì)成巖壓實(shí)和儲(chǔ)集性質(zhì)的影響大，孔隙類(lèi)型主要為次生溶蝕孔，包括粒間溶蝕孔和粒內(nèi)溶蝕孔，原生孔隙甚少。三工河組二段(J1s2)砂巖發(fā)育，以中砂巖、粉細(xì)砂巖為主，中砂巖多為三角洲前緣水下分流河道微相，粉細(xì)砂巖多為分流河道間灣或側(cè)緣微相，水下分流河道粗粒度砂巖形成于強(qiáng)水動(dòng)力條件，砂巖經(jīng)受流水淘洗作用較強(qiáng)，雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，原始沉積時(shí)孔隙度高[17]；并且粗砂巖剛性顆粒支撐力強(qiáng)，搭建的格架牢固，抗壓實(shí)能力強(qiáng)。因此，三工河組以剩余原生孔隙為主，發(fā)育一定量的次生溶蝕孔、裂縫、晶間微孔。西山窯組以巖屑砂巖為主，且砂巖粒級(jí)更細(xì)，但埋深淺，壓實(shí)強(qiáng)度弱，加上煤系地層演化形成的有機(jī)酸的溶蝕作用，孔隙類(lèi)型以溶蝕型原生孔隙為主，并發(fā)育一定量的粒內(nèi)溶蝕孔及礦物晶間微孔。

綜合砂巖物性分析，侏羅系砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷早成巖A期的壓實(shí)作用后，原生孔隙迅速降低，孔隙度降低至20.0%左右，尤其是八道灣組，受塑性巖屑及埋深的影響，壓實(shí)作用使孔隙度降低至15.0%；受壓實(shí)及膠結(jié)作用的影響，早成巖B期孔隙度進(jìn)一步降低5.0%～10.0%，到現(xiàn)在的中成巖A期，酸性介質(zhì)的溶蝕作用強(qiáng)，形成部分溶蝕孔，但黏土礦物的轉(zhuǎn)化釋放SiO2及Mg2+、Ca2+等離子，形成硅質(zhì)及碳酸鹽等膠結(jié)物，最終形成現(xiàn)今的10.3%左右的孔隙度。

4 儲(chǔ)層物性影響因素

4.1 粒級(jí)

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)不同粒級(jí)砂巖物性，粗砂巖孔滲性最好，粉砂巖最差(見(jiàn)圖5)。粗粒級(jí)砂巖的表面積小，顆粒之間的支撐力較大，抗壓性增強(qiáng)，尤其當(dāng)顆粒形成早期自生加大時(shí)，其抗壓性進(jìn)一步增強(qiáng);細(xì)粒級(jí)砂巖在上覆載荷作用下，顆粒之間的支撐力減小，加快砂巖的壓實(shí)進(jìn)程。

圖5 不同粒級(jí)砂巖儲(chǔ)層孔滲性特征Fig.5 characteristics of porosity versus permeability of Jurassic reservoir of each size sandstone

4.2 成巖作用

4.2.1 壓實(shí)作用

圖6 壓實(shí)與膠結(jié)作用對(duì)孔隙演化影響評(píng)價(jià)Fig.6 Impact of compaction and cementation on pore evolution

壓實(shí)作用是影響八道灣組及西山窯組儲(chǔ)層原生孔隙減孔的主要因素，膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層有一定的破壞性。陸南凸起西山窯組儲(chǔ)層膠結(jié)作用減孔量為0.34%～10.68%，平均為3.97%，壓實(shí)作用減孔量12.18%～23.16%，平均為17.68%；八道灣組膠結(jié)作用減孔量為0.73%～15.01%，平均為5.08%，壓實(shí)作用減孔量為17.1%～34.2%，平均為27.14%(見(jiàn)圖6)。

一方面，八道灣組及西山窯組儲(chǔ)層巖石成分中塑性巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，儲(chǔ)層巖石的抗壓實(shí)能力下降，增強(qiáng)壓實(shí)效果。每增加10%的塑性巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，壓實(shí)作用導(dǎo)致的減孔量增加3%～4%，并且滲透率相應(yīng)下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。另一方面，八道灣組及西山窯組的煤在成熟演化過(guò)程中釋放腐殖質(zhì)酸，儲(chǔ)層中的巖屑、長(zhǎng)石等顆粒發(fā)生溶蝕斷裂癱陷，也增強(qiáng)壓實(shí)效果。三工河組巖石成分中長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，相比八道灣組及西山窯組，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，利于原生孔隙保存。

4.2.2 溶蝕作用

研究區(qū)溶蝕作用普遍發(fā)育，由侏羅系儲(chǔ)層孔滲縱向演化(見(jiàn)圖7)可知，儲(chǔ)層埋深在3 000～3 500 m之間出現(xiàn)次生溶孔發(fā)育帶，孔隙度接近25.0%，滲透率大于1 000×10-3μm2。溶蝕作用對(duì)改善儲(chǔ)集物性具有建設(shè)性作用，八道灣組的主要儲(chǔ)集空間為次生溶蝕孔，原生孔隙甚少；西山窯組以溶蝕型原生孔隙為主(原生孔隙的邊緣見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象)；三工河組以原生孔隙為主，次生孔隙少量發(fā)育，并發(fā)育一定量的裂縫。通過(guò)該區(qū)巖性、成巖作用、源巖分析，次生溶蝕孔主要是在中成巖階段有機(jī)質(zhì)演化產(chǎn)生的酸性地層流體，溶蝕長(zhǎng)石、巖屑等顆粒及硅酸鹽膠結(jié)物等易溶礦物而產(chǎn)生的。

圖7 侏羅系儲(chǔ)層孔滲縱向演化Fig.7 The relationship between depth and porosity(depth and permeability) of Jurassic reservoir

5 有利儲(chǔ)集層

八道灣組主要儲(chǔ)集空間為次生溶蝕孔。朱國(guó)華等[4]認(rèn)為，形成1單位的溶孔體積至少需要400倍甚至上萬(wàn)倍于溶孔體積的流體；否則，礦物達(dá)到飽和或過(guò)飽和而發(fā)生沉淀。因此，深埋于地下、處于封閉狀態(tài)或半封閉成巖環(huán)境的砂巖要形成一定規(guī)模的溶孔需要大量的溶蝕流體。在中國(guó)含油氣盆地中，雖然砂巖的溶蝕現(xiàn)象普遍存在，但除少數(shù)地區(qū)發(fā)育一定規(guī)模的溶孔外，多數(shù)地區(qū)砂巖的溶蝕孔不構(gòu)成主要的儲(chǔ)集空間。因此，在不考慮源巖、斷層輸導(dǎo)等因素外，只根據(jù)儲(chǔ)層物性，陸南地區(qū)以溶蝕孔為主要儲(chǔ)集空間的八道灣組不易發(fā)育有利儲(chǔ)層。西山窯組與八道灣組相似，但西山窯組埋深相對(duì)淺，儲(chǔ)層物性更有利；三工河組二段砂巖發(fā)育，埋深相對(duì)淺，砂巖中剛性顆粒含量高，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，原生孔隙發(fā)育，因此厚層砂體發(fā)育的地方更容易形成儲(chǔ)層(見(jiàn)圖8)。

圖8 研究區(qū)三工河組二段砂巖厚度等值線Fig.8 Thick contour map of sandstone of J1s2 in study area

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地腹部陸南凸起侏羅系儲(chǔ)層巖石類(lèi)型主要為長(zhǎng)石砂巖及長(zhǎng)石巖屑砂巖，總體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)成熟度高、成分成熟度低、膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的特征，同時(shí)又有煤系地層與非煤系地層之分。

(2)侏羅系儲(chǔ)層經(jīng)歷壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕等成巖作用特征，目前處于中成巖A期。壓實(shí)作用是八道灣組及西山窯組儲(chǔ)層減孔量的重要原因，膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層的影響較小，溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的增加具有積極作用，但難以形成規(guī)模儲(chǔ)層。

(3)研究區(qū)三工河組二段(J1s2)砂巖發(fā)育，埋深相對(duì)淺，砂巖中剛性顆粒含量高，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，原生孔隙發(fā)育，厚層砂體發(fā)育的地方更有利于形成儲(chǔ)層。

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