王 猛,楊永恒,王曄桐,蔣赟,孫國(guó)強(qiáng),馬進(jìn)業(yè)

(1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.中國(guó)石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院,甘肅 敦煌 736202)

九龍山地區(qū)侏羅系中統(tǒng)油頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖發(fā)育,生烴指標(biāo)及源儲(chǔ)配置好,是自生自儲(chǔ)源內(nèi)組合勘探的有利目標(biāo)區(qū)[1]。近年來,在該地區(qū)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(chǎn)工業(yè)油氣流[2]。生產(chǎn)實(shí)踐也表明,九龍山地區(qū)侏羅系地層油氣資源豐富,具有較大的勘探開發(fā)潛力。前人對(duì)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(jìn)行過較多的研究,但針對(duì)九龍山地區(qū)儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)方面的研究較少,對(duì)侏羅系儲(chǔ)層特征、成巖作用及演化過程等認(rèn)識(shí)不清,嚴(yán)重制約著該地區(qū)油氣藏的勘探開發(fā)進(jìn)程。本文利用巖心、鑄體薄片、壓汞等資料,從統(tǒng)計(jì)學(xué)和儲(chǔ)層微觀分析入手,系統(tǒng)地研究了該地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層的巖石學(xué)、儲(chǔ)層物性、孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用等特征,并探索儲(chǔ)層發(fā)育的主控因素及形成機(jī)理,以期為柴達(dá)木盆北緣九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北隅,是青藏高原內(nèi)部最大的內(nèi)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(dòng)力學(xué)背景是受到了印度板塊向北擠壓、同時(shí)受到北部阿拉善地塊的阻擋及東側(cè)華北板塊、西側(cè)塔里木地塊的側(cè)滑而形成的力偶環(huán)境[10]。九龍山地區(qū)位于柴達(dá)木盆地北緣構(gòu)造帶西段的賽什騰山與綠梁山之間,是北緣斷塊帶內(nèi)的一個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,為侏羅紀(jì)以來繼承發(fā)育的大型鼻狀斜坡[1]。 研究區(qū)地勢(shì)西高東低,西北側(cè)為賽什騰山,西南為賽昆斷陷,東北為嗷嘮山和達(dá)肯大坂山,東南側(cè)為綠梁山,為一呈NW向展布的狹長(zhǎng)地帶[8](圖1)。

中生代晚期,柴達(dá)木盆地整體由早—中侏羅世伸展構(gòu)造環(huán)境,轉(zhuǎn)變?yōu)橥碣_世—早白堊世擠壓構(gòu)造環(huán)境[11],在晚白堊世末期形成了大幅度的構(gòu)造抬升,缺失上白堊統(tǒng)沉積[12]。主要經(jīng)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(fā)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(shí)沉積中心東移[15,16],沉積范圍明顯擴(kuò)大,辮狀河三角洲廣泛發(fā)育、氣候潮濕、沼澤廣布[14]。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣斷塊帶構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map of the northern Qaidam Basin

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

九龍山地區(qū)儲(chǔ)集巖巖石類型主要以灰色中粒長(zhǎng)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(jié)構(gòu)成熟度中等-差,磨圓以次棱角狀為主。泥質(zhì)雜基含量分布范圍5%~15%,平均含量13.4%。膠結(jié)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(zhǎng)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(chǔ)集巖粒度較粗,主要為中砂、粗砂和細(xì)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(zhì)膠結(jié)物和碳酸鹽膠結(jié)物(圖3a)發(fā)育,碎屑巖顆粒之間主要以點(diǎn)-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(chǔ)層孔隙類型及特征

通過對(duì)九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層200余塊樣品的鑄體薄片觀察、統(tǒng)計(jì)和分析,可以看出,該地區(qū)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(nèi)溶孔,其次為少量的裂隙。

2.2.1 原生殘余粒間孔

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

2.2.2 粒間溶孔

長(zhǎng)石風(fēng)化程度較深,具有普遍的淋濾溶蝕現(xiàn)象。長(zhǎng)石、白云石等顆粒和碳酸鹽膠結(jié)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?；蚓Я１煌耆芙?僅保留外部的幻影,形狀較為規(guī)則。

2.2.3 粒內(nèi)溶孔

主要為長(zhǎng)石、巖屑等顆粒發(fā)生交代、蝕變或溶蝕后形成的粒內(nèi)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(gòu)造應(yīng)力和機(jī)械壓實(shí)等成巖作用而形成(圖3b)。其排列方向受構(gòu)造應(yīng)力控制,寬度受殘余構(gòu)造水平應(yīng)力場(chǎng)的控制。

圖2 九龍山地區(qū)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(chǔ)層物性特征

儲(chǔ)層物性特征是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的重要因素。通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)取心段巖心樣品統(tǒng)計(jì)分析可以得出,九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)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%?？傮w上看,九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層樣品呈現(xiàn)出以特低孔為主,超低孔-低孔為輔的特征。

研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)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(shù)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(shù)據(jù)表明,九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層總體上表現(xiàn)為超低滲為主,特低滲為輔的特征。

通過對(duì)九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)集巖樣品孔隙度和滲透率的相關(guān)性分析可以看出(圖4),孔隙度和滲透率在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中顯示相關(guān)性較好,R2值為0.6799,說明九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)集砂巖的孔隙類型以原生孔隙為主,溶蝕孔隙發(fā)育,物性受沉積環(huán)境影響明顯。滲濾通道主要是與孔隙有關(guān)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(chǔ)層[17]。

壓汞曲線可以用來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu),壓汞曲線形態(tài)主要受孔隙分布的歪度以及分選性兩個(gè)因素控制,因此壓汞曲線的形態(tài)在一定程度上反應(yīng)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(chǔ)層的儲(chǔ)集性能,直觀地體現(xiàn)了孔隙結(jié)構(gòu)特征[18]。根據(jù)九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)集巖樣品的壓汞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出,排驅(qū)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(xiàn)近似的平臺(tái),喉道分選性較好,曲線形態(tài)以略細(xì)歪度為主(圖4)。

圖3 九龍山地區(qū)儲(chǔ)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(shí)和壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用、重結(jié)晶作用、溶解作用、礦物多形轉(zhuǎn)變作用等,這些作用相互聯(lián)系、相互影響,共同影響和控制著碎屑沉積物(巖)的發(fā)育歷史[19]。成巖作用會(huì)對(duì)儲(chǔ)集巖內(nèi)的孔隙進(jìn)行建設(shè)性或破壞性作用,通常情況下,壓實(shí)和膠結(jié)作用使儲(chǔ)集巖孔隙度降低、儲(chǔ)集空間減小,為破壞性成巖作用。溶蝕作用的結(jié)果形成了儲(chǔ)集巖中的次生孔隙,改善了儲(chǔ)層的物性,為建設(shè)性成巖作用[20]。

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)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(gòu)造形變應(yīng)力的作用下,發(fā)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(shí)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(shí)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(qū)侏羅系儲(chǔ)層在成巖過程中經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)作用,塑性顆粒被擠壓彎曲變形(圖3g),部分剛性顆粒因壓實(shí)作用破碎劇烈。儲(chǔ)集巖中顆粒間接觸較為緊密,接觸方式以點(diǎn)-線接觸為主,塑性顆粒擠壓變形,對(duì)儲(chǔ)層物性的破壞較為嚴(yán)重。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是指從孔隙溶液中沉淀出的礦物質(zhì)(膠結(jié)物將松散的沉積物固結(jié)起來形成巖石的作用。膠結(jié)作用是沉積物轉(zhuǎn)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(qū)侏羅系儲(chǔ)集巖的膠結(jié)作用主要有碳酸鹽膠結(jié)、黏土膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)等。

研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)層的碳酸鹽膠結(jié)物類型有方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石,膠結(jié)物常以粒狀或鑲嵌狀的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn),主要填充于巖屑顆粒周圍(圖3h)及其粒間孔內(nèi)(圖3i),對(duì)儲(chǔ)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(chǎn)出(圖8b),伊利石呈不規(guī)則的細(xì)小晶片產(chǎn)出,綠泥石多呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式產(chǎn)出[19](圖8c)。硅質(zhì)膠結(jié)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(zhì)膠結(jié)物,其含量約占45.3%。硅質(zhì)膠結(jié)主要為自形石英小晶體膠結(jié),多產(chǎn)出于碎屑顆粒邊緣的粒間孔隙表面、粒內(nèi)溶孔或緊密接觸的碎屑顆粒孔隙之中。研究區(qū)中長(zhǎng)石風(fēng)化程度較深,黏土礦物中高嶺石含量最高,而長(zhǎng)石風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X石時(shí)可產(chǎn)生SiO2,因此推斷SiO2主要來源于長(zhǎng)石風(fēng)化。

圖4 九龍山地區(qū)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(huán)境的變化而發(fā)生溶解,從而達(dá)到新的物理、化學(xué)平衡的一種作用[21]。次生孔隙是儲(chǔ)層中重要的油氣儲(chǔ)集空間,而形成次生孔隙的一個(gè)重要作用便是溶蝕作用。溶蝕作用根據(jù)產(chǎn)生原因可分為有機(jī)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(jī)酸溶蝕,碳酸主要對(duì)碳酸鹽產(chǎn)生溶蝕作用[19]。儲(chǔ)層內(nèi)的碎屑顆粒、雜基、膠結(jié)物和交代礦物,甚至穩(wěn)定的石英和硅質(zhì)膠結(jié)物,在一定的成巖環(huán)境中都可以發(fā)生不同程度的溶蝕作用,從而形成次生溶蝕孔隙。通過對(duì)九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層砂巖的鑄體薄片觀察和統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層中巖屑、雜基、長(zhǎng)石顆粒和碳酸鹽膠結(jié)物都發(fā)生了不同程度的溶蝕作用,形成了粒間溶蝕孔隙、粒內(nèi)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(shè)性成巖作用,它提高了儲(chǔ)集巖的孔隙度,有效地改善了儲(chǔ)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(jù)不同,如:自生礦物分布、形成順序、黏土礦物組合、有機(jī)質(zhì)成熟度等[19]。

壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用基本控制了九龍山地區(qū)侏羅系砂礫巖的儲(chǔ)集條件,結(jié)合在掃描電鏡下和鏡下對(duì)自生礦物的形成特征及其之間相互關(guān)系,分析結(jié)果見圖5和圖7。碎屑顆粒間的接觸類型主要為點(diǎn)-線接觸,次生孔隙較為發(fā)育。黏土礦物主要以書頁(yè)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(jí),可判定該地區(qū)古地溫超過100℃[8]。因此,根據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[19],可初步判定九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層所處成巖階段為中成巖階段A期。

圖5 九龍山地區(qū)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(qū)侏羅系儲(chǔ)層的成巖序列為:少量黏土雜基沉淀→早期方解石膠結(jié)→機(jī)械壓實(shí)→少量硅質(zhì)膠結(jié)→酸性流體侵入→方解石等強(qiáng)烈溶蝕→大量油氣侵入→少量晚期方解石膠結(jié)(圖5)。沉積環(huán)境具有水動(dòng)力強(qiáng)且變化大的特點(diǎn),早期少量黏土雜基發(fā)生沉淀,碎屑巖結(jié)構(gòu)成熟度低。咸水湖盆環(huán)境使得水介質(zhì)主要呈弱堿性,有利于早期方解石膠結(jié)物形成。機(jī)械壓實(shí)在成巖階段早期作用明顯,研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層壓實(shí)作用是孔隙度減少的主要因素,其對(duì)原始孔隙造成的損失約為50%(圖6),膠結(jié)作用對(duì)原始孔隙的損失約為22%(圖6)。由于碳酸鹽膠結(jié)物的抗壓實(shí)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(zhǎng)石、石英等膠結(jié)作用的發(fā)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(jié)物發(fā)生大量溶蝕、蝕變作用,其溶蝕作用所增加的孔隙度可達(dá)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(chǔ)層的孔隙度仍可達(dá)到20%~23%(圖7)。

圖6 九龍山地區(qū)侏羅系砂巖膠結(jié)作用和壓實(shí)作用與孔隙度關(guān)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(qū)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(qū)侏羅系儲(chǔ)集巖的膠結(jié)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(duì)儲(chǔ)層物性的影響

碎屑巖成巖過程中所經(jīng)歷的一系列成巖變化,對(duì)孔隙形成、演化、保存和破壞起著極為重要的作用,同時(shí)會(huì)對(duì)原生的和次生的裂縫產(chǎn)生重要的影響,進(jìn)而對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層的物性產(chǎn)生決定性的影響[19]。因此,成巖作用的研究也是儲(chǔ)層控制因素研究的重要組成部分。通過對(duì)九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層物性與成巖作用關(guān)系的綜合分析,認(rèn)為對(duì)砂巖儲(chǔ)層物性和孔隙演化影響最大的成巖作用主要是壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。

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

6 結(jié)論

(1)九龍山地區(qū)侏羅系碎屑巖儲(chǔ)層主要為灰色中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖和灰色粗粒巖屑砂巖,成分成熟度低、結(jié)構(gòu)成熟度中等-差。碎屑顆粒接觸類型主要為點(diǎn)-線接觸。

(2)碳酸鹽膠結(jié)物是研究區(qū)儲(chǔ)層最主要的膠結(jié)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(xiàn)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(shí)作用和膠結(jié)作用在不同程度上都對(duì)原生孔隙起到了破壞作用,壓實(shí)作用減少了大約50%左右的原生孔隙,而膠結(jié)作用大約減少了20%原生孔隙,成巖作用后期的溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層物性改善明顯。九龍山地區(qū)侏羅系儲(chǔ)層孔隙類型以溶蝕孔和殘余的原生粒間孔為主,孔滲相關(guān)性較高。