何 攀, 王中鵬, 李尚儒

(1.江西省地質(zhì)工程(集團)公司,江西 南昌 330029; 2.贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院,江西 南昌 330029)

0 引 言

致密油是一種儲集于鄰近烴源巖或與烴源巖互層的儲層中,或以吸附或游離狀態(tài)賦存于烴源巖中的沒有經(jīng)過大范圍長距離運移所聚集的石油[1]。致密油作為非常規(guī)油氣資源的一種,近年來逐漸成為全球關(guān)注的熱點[1-2]。美國的致密油開采技術(shù)已較為成熟。我國致密油勘探起步較晚,目前在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地及四川盆地等地均發(fā)現(xiàn)了致密油資源,勘探前景十分廣闊。南鄱陽坳陷二疊系樂平組官山段砂巖屬于典型致密儲層,前人對其沉積特征、儲層物性特征等的研究成果表明,該套砂體分布穩(wěn)定、厚度大、埋深適中,致密并具有極強非均質(zhì)性[3-4]。目前,對該砂體儲層微觀特征及優(yōu)質(zhì)儲層成因的研究較為薄弱,這嚴(yán)重束縛了對該區(qū)致密油的深入勘探。近年來,在南鄱陽坳陷多處的樂平組獲得良好油氣顯示[3],顯示出良好的油氣資源潛力。因此,對該區(qū)進行砂巖儲層巖石學(xué)及成巖作用研究,分析儲層孔隙演化過程,弄清致密化成因,對于研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測與評價顯得尤為重要。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南鄱陽坳陷區(qū)域構(gòu)造位置與地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析剖面如圖1所示。

圖1 南鄱陽坳陷區(qū)域構(gòu)造位置與地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析剖面

鄱陽盆地是中-下?lián)P子地區(qū)小型白堊系斷陷盆地,南鄱陽坳陷是其南部的次級構(gòu)造單元,如圖1a所示。自晚古生代以來,坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動,影響比較大的是印支期擠壓運動和燕山期走滑拉張作用,形成了石炭系—早三疊統(tǒng)海相層、晚三疊統(tǒng)—白堊系陸相層2個大的構(gòu)造層,呈典型的“上張下壓”雙層式結(jié)構(gòu)[4-5],如圖1b所示。

自晚二疊紀(jì)始,受中、晚期之間東吳運動的影響,南鄱陽坳陷中海水基本退出,海岸線位于寧都—余江—婺源一線[5],形成了高差較大的古地貌格局;強烈風(fēng)化作用下形成的大量陸源碎屑物快速向盆地堆積,形成了樂平組海陸交互相的含煤碎屑巖沉積[5-6],植物化石豐富,厚為100～300 m。根據(jù)巖性、巖相、古生物、含煤性等將其分為王潘里段、獅子山段、老山段、官山段4段。其中官山段為主要儲層段,官山段上部為前濱-臨濱海岸砂體,巖性以細砂-中粗砂巖為主,砂巖厚3.45～83.74 m,砂地比為31.97%～100%,成巖作用較強,油氣顯示非常豐富。

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石學(xué)特征

研究區(qū)樂平組官山段砂巖分類三角圖如圖2所示。

φ(Q)—石英體積分數(shù) φ(F)—長石體積分數(shù)

通過49塊砂巖樣品礦物成分分析可知,樂平組官山段巖石類型以巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖為主,次為石英砂巖、長石石英砂巖等,表現(xiàn)為較高的結(jié)構(gòu)和成分成熟度。

顯微鏡下觀察可知,砂巖碎屑成分主要為石英、巖屑,次為長石,偶見黑云母、白云母、磷灰石、電氣石等。石英占比變化大,總體積分數(shù)為30%～92%,平均70.0%;長石主要為鉀長石(微斜長石、條紋長石)、斜長石,總體積分數(shù)為3%～22%,平均9.5%;巖屑主要為火山巖屑(中、酸性熔巖),變質(zhì)巖、沉積巖巖屑占比少,總體積分數(shù)為3%～32%,平均16.1%。碎屑分選性中等—好,次圓狀—次棱角狀,粒徑變化較大,以中-粗砂為主,顆粒支撐,次生加大-孔隙式膠結(jié)。

雜基組分主要為泥質(zhì),見少量粉砂質(zhì),體積分數(shù)為1%～8%,平均4.6%。膠結(jié)物主要為碳酸鹽礦物、自生黏土礦物及硅質(zhì),有時可見菱鐵質(zhì)、黃鐵礦、石鹽、石膏,體積分數(shù)為2.9%～10.5%,平均8.7%。

2.2 儲層空間類型及特征

研究區(qū)樂平組官山砂巖主要孔隙類型顯微鏡下照片如圖3所示。

通過圖3砂巖樣品鑄體薄片鏡下觀察與統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),目的層儲集空間類型主要有殘余原生粒間孔、次生顆粒溶孔(包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔)、膠結(jié)物、黏土礦物晶間微孔、鑄?？?、微細裂縫等。諸多原生孔隙在多種成巖作用的影響下形成大量次生孔隙,尤以長石、巖屑溶解型次生孔隙及微細裂縫最為顯著。

對研究區(qū)目的層181個樣品的實測物性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得到樂平組官山砂巖孔隙度和滲透率分布特征如圖4所示。

由圖4a可知,樂平組官山段砂巖孔隙度為1.0%～15.9%,平均8.2%,小于12%的樣品占87.3%;由圖4b可知,滲透率大多分布在(0.04～18.9)×10-3μm2之間,個別受裂縫影響達30×10-3μm2以上,最大為238×10-3μm2,平均為1.8×10-3μm2,小于1×10-3μm2的樣品占71.9%。孔隙度和滲透率呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)特征,但相關(guān)性較差(相關(guān)系數(shù)為0.256)。由孔隙度和滲透率分布特征可知,該儲層屬于典型的特低孔、超低滲致密儲集層。

研究區(qū)樂平組官山砂巖毛細管壓力曲線如圖5所示。

從圖5可以看出,同一粒級砂巖(如LY1-R025、LY1-R032含礫粗砂巖樣品)毛細管壓力曲線可不一致,不同粒級砂巖(如LY1-R029粗砂巖、LY1-R033中砂巖樣品)毛細管壓力曲線特征可基本相似,產(chǎn)生這種差異的主要原因是受沉積條件和成巖作用的影響產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)不一致?？紫额愋蛷奈⒖椎酱罂拙蟹植?但以中孔為主,為有效含油孔隙度。

從以上儲層特征分析可知,官山段砂巖非均質(zhì)性強,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多種因素的綜合影響導(dǎo)致儲層物性較差。

圖3 研究區(qū)樂平組官山砂巖主要孔隙類型顯微鏡下照片

圖4 研究區(qū)樂平組官山砂巖孔隙度和滲透率分布特征

圖5 研究區(qū)樂平組官山砂巖毛細管壓力曲線

3 成巖作用類型及特征

成巖作用對儲層的孔隙演化起著主導(dǎo)作用[7]。研究區(qū)樂平組官山砂巖成巖作用特征及孔隙類型照片如圖6所示。

圖6中,(-)表示單偏光;(+)表示正交偏光;SEM表示掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope);Q表示石英;I/S表示伊/蒙混層;I表示伊利石;C表示綠泥石;Do表示白云石;Mi表示鉀長石。

圖6a,壓實作用1,可見石英顆粒被壓裂,顆粒以凹凸-線接觸為主;圖6b,壓實作用2,可見塑性巖屑被擠壓變形、壓溶縫合線、石英次生加大;圖6c,壓實作用3,可見云母等長形礦物定向排列、泥質(zhì)重結(jié)晶;圖6d,硅質(zhì)膠結(jié)1,可見石英次生加大;圖6e,硅質(zhì)膠結(jié)2,可見伊/蒙混層和長英質(zhì)微粒充填粒間孔;圖6f,自生黏土礦物膠結(jié),可見絲片狀伊/蒙混層和伊利石附著顆粒表面,并充填粒間孔;圖6g,碳酸鹽膠結(jié)1,可見針葉狀綠泥石和白云石充填粒間孔;圖6h,碳酸鹽膠結(jié)2,可見孔隙式膠結(jié),膠結(jié)物為黏土礦物及碳酸鹽;圖6i,交代作用,與圖6h同一視域,可見石英次生加大邊(加大邊不發(fā)光),石英顆粒被碳酸鹽交代發(fā)桔黃色光;圖6j,溶蝕作用1,可見鉀長石、石英淋濾溶蝕成骨架狀;圖6k,溶蝕作用2,可見鉀長石溶蝕并向絲片狀伊利石轉(zhuǎn)化;圖6l,溶蝕作用3,可見火山巖屑、石英顆粒粒內(nèi)溶孔發(fā)育。

由圖6可知,目的層孔隙演化過程中經(jīng)歷了諸多成巖作用,不同成巖作用對儲層孔隙演化造成的影響各不相同。

圖6 研究區(qū)樂平組官山砂巖成巖作用特征照片

3.1 壓實-壓溶作用

壓實作用貫穿于整個成巖過程,導(dǎo)致孔滲降低以及孔喉半徑縮小[8]。

從圖6a～圖6c可以看出,目的層經(jīng)歷中等—較強的機械壓實作用及少量化學(xué)壓溶作用。壓實作用主要表現(xiàn)為剛性顆粒發(fā)生移動和破裂等,柔性、塑性顆粒普遍擠壓變形成彎曲狀。在壓實作用較強的區(qū)域,泥質(zhì)等塑性巖屑變形形成假雜基,片狀黏土礦物、云母類等被壓彎呈半定向、定向排列甚至壓斷等。壓實作用的強度隨著目的層埋藏深度的增加而增強,較強的壓實作用引起顆粒間的接觸關(guān)系發(fā)生變化,接觸點的物質(zhì)發(fā)生壓力溶解作用,溶解物質(zhì)在孔隙處沉淀下來,最終導(dǎo)致顆粒呈縫合線接觸。壓實-壓溶作用造成了原生粒間孔隙的大量損失,從而降低了儲層的孔隙度和滲透率。

3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)儲層砂巖膠結(jié)類型多樣,以加大式或充填式膠結(jié)為主。加大式膠結(jié)主要為石英次生加大,充填式膠結(jié)主要為硅質(zhì)、泥質(zhì)、碳酸鹽膠結(jié)物充填。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)作用

硅質(zhì)膠結(jié)主要表現(xiàn)為石英次生加大和晚期硅質(zhì)充填。由圖6d可知,官山段砂巖富含石英,石英普遍見次生加大,加大邊厚0.02～0.10 mm,常見Ⅱ-Ⅲ級自生加大,多環(huán)繞碎屑石英發(fā)育。另一種硅質(zhì)膠結(jié)為孔隙充填自生石英晶粒,如圖6e所示,早期硅質(zhì)充填多表現(xiàn)為自生石英小晶體呈不規(guī)則粒狀充填粒間孔隙,晚期硅質(zhì)充填較發(fā)育,部分填滿殘余粒間孔、溶蝕孔及微裂縫。硅質(zhì)膠結(jié)使孔隙、喉道減小,儲層物性變差,但提高了巖石抗壓實能力,有利于原始孔隙的保存[9];但由于其在后期不易溶解,將導(dǎo)致孔隙的永久性破壞[10]。

3.2.2 自生黏土礦物的膠結(jié)作用

自生黏土礦物主要來源于不穩(wěn)定組分的蝕變和上覆黏土轉(zhuǎn)化[11]。黏土礦物X射線衍射分析結(jié)果顯示,官山段砂巖伊利石占比最高,為8.9%～55.0%,平均33.8%;其次為伊/蒙混層,為12.0%～55.0%,平均28.9%;高嶺石為11.0%～62.5%,平均26.3%;綠泥石為3.0%～26.0%,平均14.6%。

由圖6f掃描電子顯微鏡觀察可知,孔隙空間中的伊利石主要呈鱗片狀和絲狀分布,而蒙脫石在成巖作用過程中向伊利石轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物——伊/蒙混層多呈網(wǎng)狀或卷片狀充填于粒間孔中,較大程度地堵塞喉道,使孔隙連通性變差。高嶺石在顯微鏡下呈網(wǎng)格狀,SEM下呈書頁狀、不規(guī)則片狀,充填于粒間并和自生石英伴生,邊部已經(jīng)向伊利石轉(zhuǎn)化;自生高嶺石往往具有較多的晶間孔隙,且由于高嶺石常來源于長石等鋁硅酸鹽的溶解,因而高嶺石的大量出現(xiàn)往往作為次生孔隙發(fā)育的標(biāo)志[10]。綠泥石主要有2種賦存狀態(tài):① 以襯邊方式呈薄膜狀分布于顆粒邊緣及表面;② 以絨球狀或葉片狀集合體充填于孔隙中,如圖6g所示,但在本區(qū)不多見。以環(huán)邊狀態(tài)產(chǎn)出的綠泥石膜可以增加巖石的抗壓強度,保存一定的粒間孔隙[9-10,12]。

3.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)在研究區(qū)分布廣泛,常見以泥晶-微晶方解石、(含)鐵方解石、鐵白云石及菱鐵礦等碳酸鹽膠結(jié)物狀態(tài)充填于粒間孔隙中,部分溶蝕交代顆粒,如圖6g、圖6h所示。方解石膠結(jié)物較多見,常見呈微晶集合體、團絮狀、塊狀充填于粒間孔中,早期的方解石呈基底式膠結(jié),為溶解作用提供了必要條件;含鐵方解石在中成巖作用階段多以粒狀充填于粒間孔中,也可見部分礦物被鐵方解石所交代[11];鐵白云石呈分散斑晶(細-中晶)形式,交代顆粒及分布于粒間;根據(jù)鳴檢1井、樂頁1井薄片資料,官山段砂巖普遍含菱鐵礦膠結(jié)物,多呈放射狀、球粒狀、泥粉晶狀交代顆粒及充填孔隙。

3.3 交代作用

樂平組官山段砂巖儲層以碳酸鹽交代作用為主,交代作用的結(jié)果是使石英、長石、巖屑顆粒被菱鐵礦、鐵白云石及(含)鐵方解石溶蝕交代,由于官山砂巖石英占比高,多為邊緣交代,其邊緣呈鋸齒狀、港灣狀,巖屑或長石顆粒則被交代成篩網(wǎng)狀,有些形成交代假象,如圖6i所示。交代作用近似于物質(zhì)替換,因此對儲層物性影響不大[8]。

3.4 重結(jié)晶作用

泥質(zhì)雜基普遍具有重結(jié)晶現(xiàn)象,如圖6c所示,多數(shù)強烈重結(jié)晶,且部分絹云母化,呈薄膜狀或團塊狀充填堵塞孔隙[4]。

3.5 溶蝕作用

溶蝕作用對孔隙結(jié)構(gòu)及儲集性能有重要的控制作用[13]。研究區(qū)溶蝕作用普遍,且類型多樣,主要表現(xiàn)為格架顆粒的溶蝕及少量填隙物的溶蝕,如圖6j～圖6l所示。多見長石、巖屑等不穩(wěn)定顆粒直接溶蝕或交代后間接被溶[9];而石英、硅質(zhì)巖屑溶蝕時間較晚,主要表現(xiàn)為孔隙邊緣呈不規(guī)則狀,這種溶孔占比很少。溶蝕作用作為一種建設(shè)性的成巖作用類型,可對原生粒間孔隙進行改造形成次生溶孔,在改善儲層物性方面發(fā)揮著積極的作用。

3.6 破裂作用

裂縫能夠加強孔隙間的連通性,對改善砂巖儲層性能有重要意義。南鄱陽地區(qū)樂平組砂巖儲層中觀察到較多小裂縫,鏡下也可觀察到微裂縫的存在,如圖3f所示。

4 成巖階段劃分與孔隙演化特征

4.1 成巖階段劃分

研究區(qū)樂平組干酪根鏡質(zhì)體反射率(Ro)在0.62%～1.19%之間,平均0.96%,古地溫為85～140 ℃,處于低成熟—成熟階段。包裹體均一溫度平均值為95.7～136.1 ℃。黏土礦物主要為伊利石、高嶺石、伊/蒙混層及少量綠泥石,蒙脫石混層比為20%～30%。石英顆粒普遍見次生加大,且部分呈自形晶體充填孔隙;碎屑顆粒間主要為線-凹凸接觸,局部可見縫合線接觸,大量原生孔隙經(jīng)溶蝕作用形成次生溶孔,并可見裂縫。根據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[14],認為研究區(qū)樂平組砂巖普遍已達到中成巖A階段,坳陷中心處于中成巖B期。從埋深及成巖階段等諸多因素分析,樂平組砂巖儲層原生儲集空間損失量大,次生孔隙及微細裂縫顯得較為重要。

4.2 孔隙演化特征

通過分析儲層宏觀和微觀特征,發(fā)現(xiàn)目的層受多種成巖作用的綜合作用,儲層孔滲發(fā)生了顯著變化。根據(jù)一些研究者的實測、模擬及理論計算方法[15-16],結(jié)合回剝法恢復(fù)的贛9井樂平組地層埋藏史,研究樂平組官山段儲層孔隙演化過程,其成巖作用與孔隙演化模式如圖7所示。

4.2.1 早成巖階段A期

埋深小于1 300 m,成巖溫度為古常溫～65 ℃,有機質(zhì)尚未成熟,主要成巖作用為機械壓實作用及少量膠結(jié)作用。在壓實作用下,剛性顆粒發(fā)生移動、重排,塑性巖屑受剛性顆粒的擠壓而發(fā)生拉長、變形或定向排列,大大減少了儲層的原生孔隙。此時,黏土礦物間轉(zhuǎn)化程度較低。

該成巖階段主要發(fā)生在晚二疊世—晚三疊世末期,孔隙類型主要為原生粒間孔和自生綠泥石晶間微孔。

4.2.2 早成巖階段B期

埋深在1 300～1 700 m,古地溫為65～85 ℃,由于特殊地質(zhì)條件作用,沉積物沉積速率較高,目的層快速進入深埋藏階段。埋深增大進一步增強了機械壓實作用的效果,剛性顆粒發(fā)生破碎,塑性巖屑變形,有些甚至形成假雜基,顆粒間由點接觸逐漸演變?yōu)榫€接觸或凹凸接觸,粒間孔急劇縮小。高嶺石和蒙皂石逐漸向伊/蒙混層轉(zhuǎn)化,同時有大量的SiO2和Ca2+析出,有助于微晶石英的形成[17],由于石英次生加大作用及碳酸鹽膠結(jié)作用(特別是方解石膠結(jié))的綜合作用,致使大量粒間孔被破壞[10],砂巖孔隙度大幅降低;同時長石、巖屑等易溶顆粒開始少量溶蝕。

該成巖階段主要發(fā)生在晚三疊世末期—早侏羅世早期,孔隙類型主要為殘余粒間孔及少量次生溶孔。

4.2.3 中成巖階段A期

埋深急劇增大,達1 700～3 000 m。地溫達85～140 ℃;顆粒致密接觸,以線-凹凸接觸為主。有機質(zhì)開始成熟,進入生烴高峰期,烴類生成后就近運移進入砂巖儲層,充注并占據(jù)孔隙空間,減弱了壓實和膠結(jié)作用,有利于原生孔隙的保存[9]。生烴過程中會形成大量有機酸,溶解部分長石、巖屑及一些鈣質(zhì)膠結(jié)物,進而形成大量次生孔隙,如粒間與粒內(nèi)溶孔及成型孔。伊/蒙混層逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化,有機酸溶解轉(zhuǎn)化形成的伊利石,形成晶間微孔和溶蝕孔,上述溶解作用的存在,形成大量次生孔隙[10,13]。與此同時,致使石英因壓實次生加大和溶解的硅質(zhì)物充填于部分孔隙中,大量原生粒間孔被破壞[13]。中成巖A期末,孔隙流體中黏土礦物轉(zhuǎn)化釋放的鐵離子逐漸剩余,(含)鐵方解石、鐵白云石等碳酸鹽膠結(jié)物生成[15];且孔隙水中二氧化硅過飽和,大量析出它形、自形石英使儲層開始致密化[9]。

該成巖階段主要發(fā)生在早侏羅世晚期—晚白堊世末期,孔隙類型主要為一些次生孔隙,有粒間與粒內(nèi)溶孔、鑄模孔及部分殘余粒間孔?？紫抖却笾路植荚?%～13%之間,平均為9.5%,儲層已達到致密儲層的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.4 中成巖階段B期

埋深3 000～4 500 m,古地溫140～175 ℃。受更強烈壓實作用影響,顆粒間逐漸演變成凹凸-線接觸;壓溶作用致使石英顆粒邊緣發(fā)生更大程度的溶解,溶解下來的硅質(zhì)物和石英次生加大快速充填于次生孔隙[13]。碳酸鹽發(fā)生交代作用,部分顆粒被菱鐵礦、白云石及方解石溶蝕交代;泥質(zhì)雜基強烈重結(jié)晶;原生孔隙破壞殆盡,部分次生孔隙遭到破壞。區(qū)域性構(gòu)造抬升后,地層趨于穩(wěn)定,壓力開始釋放并伴有微裂縫出現(xiàn),儲層物性得以改善[9]。

該成巖階段主要發(fā)生在晚白堊世末期—喜馬拉雅期。壓實作用、石英次生加大、硅質(zhì)充填、重結(jié)晶作用及交代作用使孔隙度減小,晚期構(gòu)造裂縫有利于儲層物性改善,形成孔隙-裂縫型儲層。在各種因素的共同作用下最終形成現(xiàn)今孔隙度1.0%～15.9%,平均為8.2%。

圖7 樂平組儲層成巖作用與孔隙演化模式

5 結(jié) 論

(1) 南鄱陽坳陷樂平組官山段砂巖儲層以巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖為主,次為石英砂巖、長石石英砂巖等,成分和結(jié)構(gòu)成熟度較高;經(jīng)歷了壓實-壓溶、膠結(jié)、交代、溶蝕、重結(jié)晶以及破裂等成巖作用。

(2) 各成巖特征表明樂平組砂巖儲層達中成巖期A—B階段。成巖作用對孔隙發(fā)育的影響很大,壓實-壓溶作用和膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層低孔滲的根本原因,而溶蝕作用及構(gòu)造微細裂縫形成的次生孔隙明顯提高了砂巖的儲集性能。

(3) 不同成巖作用在不同成巖時期所起作用不同,結(jié)合埋藏史分析,重建了研究區(qū)儲層成巖演化過程,該儲層大致經(jīng)歷早成巖階段A期(T3末期)、早成巖階段B期(T3末期—J1早期)、中成巖階段A期(J1晚期—K2末期)及中成巖階段B期(K2末期—喜馬拉雅期)等4個成巖作用及孔隙演化階段,孔隙度從原始孔隙度演化至現(xiàn)今8.2%。因此,南鄱陽坳陷致密砂巖油下一步勘探應(yīng)以優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測為重點。