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        瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層差異及成因

        2023-02-12 10:08:48況昊周潤馳王鈞民劉豪譚先鋒蔡鑫勇肖振興
        新疆石油地質(zhì) 2023年1期
        關鍵詞:烏爾禾瑪湖沙灣

        況昊,周潤馳,王鈞民,劉豪,譚先鋒,蔡鑫勇,肖振興

        (1.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院,重慶 401331;2.中國石化 自貢石油化工有限公司,四川 自貢 643000;3.中國石油 西部鉆探工程有限公司,烏魯木齊 830000)

        準噶爾盆地瑪湖凹陷及沙灣凹陷斜坡區(qū)緊鄰生烴凹陷,構造位置優(yōu)越[1-4]。近年來,環(huán)瑪湖地區(qū)已成為盆地油氣重點勘探開發(fā)區(qū)域?,敽枷萆隙B統(tǒng)上烏爾禾組儲集層厚度大、展布廣、巖性多樣且非均質(zhì)性強,受到火山活動的影響[5],形成大量火山碎屑,使得儲集層更加復雜,沙灣凹陷與瑪湖凹陷儲集層特征相似[4,6-8]。前人針對不同區(qū)域、不同層位以及不同類型的致密儲集層孔隙結構及物性特征,開展了諸多研究,但多是對單一區(qū)域儲集層的分析討論,缺乏針對上述2個地區(qū)儲集層的對比研究。

        儲集層是控制瑪湖凹陷砂礫巖油氣聚集和成藏的主導因素,孔隙水結晶、沸石形成、多期溶蝕、有利沉積相帶和火山碎屑發(fā)育是深層砂礫巖儲集層形成的關鍵。位于準噶爾盆地中拐凸起北側的瑪湖凹陷和南側的沙灣凹陷,具有相似的物質(zhì)來源和區(qū)域構造作用[7-8]。本文在前人研究基礎上,開展了上述地區(qū)上烏爾禾組儲集層對比研究,旨在對研究區(qū)油氣勘探開發(fā)有所裨益。

        1 區(qū)域概況

        瑪湖凹陷和沙灣凹陷為準噶爾盆地2 個相對獨立的二級構造單元[9](圖1)。自二疊紀以來,研究區(qū)為殘余海相向陸相演化的前陸盆地,地層發(fā)育較為齊全,從二疊系到第四系皆有發(fā)育,兩大凹陷內(nèi)上二疊統(tǒng)上烏爾禾組均向西北方向超覆尖滅,其中,瑪湖凹陷地層平均傾角為4°~5°,沙灣凹陷地層傾角較大,平均為7°~8°[8-10]。研究區(qū)上烏爾禾組自上而下分為3段,主要巖性為砂礫巖和砂質(zhì)礫巖,整體成分成熟度和結構成熟度均較低。

        2 儲集層特征

        瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層砂體物質(zhì)基礎和埋藏史相似,經(jīng)歷了同樣的構造運動。分析研究區(qū)上烏爾禾組儲集層近40 塊樣品薄片,結果表明,瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層以粗粒沉積為主,巖性主要包括砂礫巖、小礫巖及不等粒砂巖,分選較差,礫石結構成熟度和成分成熟度均較低,次棱角狀—次圓狀,顆粒支撐,孔隙膠結和接觸膠結,巖屑含量高,以巖屑砂巖為主,沙灣凹陷與瑪湖凹陷具有相似特征。此外,研究區(qū)在中—晚二疊世均受到不斷增大的擠壓應力,沉積范圍逐漸增大,二疊紀晚期均形成逆沖推覆構造[11-15]。準噶爾盆地西部巖石組分分布具有區(qū)域性特點,母巖成分和成巖流體差異都可能是導致后期差異成巖作用的原因。

        3 儲集層成巖作用特征

        3.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層成巖作用特征

        瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層主要經(jīng)歷壓實、膠結、溶蝕和交代作用[16-18]。①壓實作用:上烏爾禾組屬于深部儲集層,展示出較強壓實作用特征,瑪湖凹陷礫石占比大,且砂質(zhì)充填其間,部分組合形式形成了簡單三角應力保護結構,在一定程度上保護了孔隙結構,碳酸鹽礦物和沸石膠結物充填孔隙,在早成巖階段為巖石提供了部分支撐作用,提高了其抗壓實能力;鏡下觀察可見,礦物之間、礦物和有機物間主要為點—線接觸和線接觸,部分原生孔隙被破壞,部分塑性顆粒發(fā)生微觀形變,如泥巖、云母等,高脆性礦物常出現(xiàn)微裂紋且部分被固體瀝青充填。②膠結作用:研究區(qū)膠結物類型復雜,包括碳酸鹽膠結、濁沸石膠結、硅質(zhì)膠結以及黏土礦物膠結,多見大片連晶狀方解石,瑪湖凹陷發(fā)育暗紅色及亮黃色2 期方解石膠結;沸石膠結主要為凝灰?guī)r巖屑水化作用形成,研究區(qū)分布大量火山沉積物,為其提供了物質(zhì)基礎,沸石礦物主要有濁沸石、片沸石、斜發(fā)沸石等[19],以濁沸石為主,產(chǎn)出方式為孔隙充填,呈板條狀,常與方解石共生堵塞孔隙,少見溶蝕現(xiàn)象。③溶蝕作用:瑪湖凹陷常見多種溶蝕物,長石顆粒中以鉀長石溶蝕為主;由于研究區(qū)中—基性火山巖富集,巖屑溶蝕較普遍,主要形成點狀粒內(nèi)溶孔;填隙物的溶解主要為黏土礦物(含水云母化雜基等)及方解石膠結物的溶解,沸石類膠結物溶蝕現(xiàn)象不顯著。④交代作用:黏土礦物間的交代,伊蒙混層是瑪湖凹陷上烏爾禾組最常見的黏土礦物,分布于顆粒表面和孔隙中;此外,碳酸鹽礦物交代石英和長石(圖2)。

        圖2 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層特征Fig.2.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Mahu sag

        3.2 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層成巖作用特征

        沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層主要經(jīng)歷了壓實、膠結、溶蝕、交代作用等[20]。①壓實作用:沙灣凹陷上烏爾禾組平均深度約為4 500 m,礫石多為線接觸及凹凸接觸,壓實作用強烈,埋藏初期,沉積物水分被迅速排出。②膠結作用:火山碎屑物質(zhì)蝕變是研究區(qū)砂礫巖儲集層沸石膠結物的重要物質(zhì)來源,膠結物有方解石、沸石、硅質(zhì)等,綠泥石、濁沸石、片沸石等膠結物的形成使得儲集層物性降低;研究區(qū)弱膠結普遍發(fā)育,且膠結物含量與孔隙度呈正相關性,所以膠結物后期還可起到一定的抗壓實作用。③溶蝕作用:研究區(qū)經(jīng)歷多次堿性與酸性成巖環(huán)境的轉變,儲集層多期次形成各類溶孔,包括長石溶孔、巖屑溶孔以及沸石溶孔。④交代作用:研究區(qū)交代作用主要為綠泥石水云母化,礦物形態(tài)及結構都發(fā)生較大改變,但儲集層物性受交代作用影響不大(圖3)。

        圖3 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層特征Fig.3.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Shawan sag

        4 儲集層成巖差異定量表征

        4.1 成巖作用類型及量化指標

        (1)壓實作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層砂體礦物顆粒以線接觸為主,局部為點接觸;沙灣凹陷以線接觸為主,局部為凹凸接觸,壓實強度比瑪湖凹陷大?,敽枷萆蠟鯛柡探M平均深度為4 400 m,而沙灣凹陷該組平均深度達到了5 200 m,壓實作用更強。此外,瑪湖凹陷砂體早期發(fā)育大量的碳酸鹽膠結物,也抑制了壓實作用,這是導致2 個地區(qū)壓實差異的主要因素。

        (2)膠結作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層膠結物以含鐵方解石、濁沸石和片沸石為主。其中,含鐵方解石含量為4.00%~10.00%,平均為7.51%;濁沸石含量為8.00%~19.00%,平均為14.63%;片沸石含量為7.00%~12.00%,平均為9.67%。沙灣凹陷膠結物以濁沸石為主,含量為7.00%~28.00%,平均為17.56%;方解石次之,含量為3.00%~11.00%,平均為7.21%。2 個凹陷沸石類膠結物含量有較明顯區(qū)別,主要是由于沸石類礦物成因類型不同。

        (3)溶蝕作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層發(fā)生溶蝕作用的礦物主要有長石、巖屑顆粒以及凝灰質(zhì)填隙物,溶蝕作用改善了儲集層物性;沙灣凹陷砂礫巖儲集層多發(fā)育濁沸石膠結物溶孔、碳酸鹽膠結物溶孔及長石溶孔。這主要是由于沙灣凹陷上烏爾禾組濁沸石多形成于早成巖階段,多與黏土礦物共生,并呈粒狀聚集分布,且黏土礦物仍保留火山塵埃特征,所以,此類沸石膠結物多疏松易散且晶間孔發(fā)育,為后期地層水的進入創(chuàng)造了基礎條件;而瑪湖凹陷濁沸石主要以斜長石鈉長石化的方式析出[20],主要形成于晚成巖階段,多為板狀集合體且無雜質(zhì),含此類濁沸石的巖石膠結程度高,較致密。

        4.2 孔隙演化模式差異

        瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層物性整體好于沙灣凹陷(圖4),這是因為2 個凹陷儲集層成巖演化過程有所不同。基于前人對2 個凹陷成巖作用階段的劃分,定量分析2 個凹陷上烏爾禾組在成巖演化過程中的孔隙特征及差異。

        圖4 瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層物性對比Fig.4.Physical properties of the upper Wuerhe formation reservoirs in Mahu sag and Shawan sag

        采用Beard 和Scherer 提出的碎屑巖原始孔隙度與分選系數(shù)的相關關聯(lián)公式,計算瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度[21-22]:

        壓實后孔隙度:

        壓實作用損失孔隙度:

        壓實作用減孔率:

        膠結后孔隙度:

        膠結作用損失孔隙度:

        膠結作用減孔率:

        結合微觀實驗及物性資料中的相關參數(shù),計算次生孔隙度:

        計算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度為34.1%~35.5%,沙灣凹陷原始孔隙度為34.4%~35.6%,為便于對比分析,2 個凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度均取35.0%。

        計算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層壓實損失孔隙度為12.2%~23.3%,平均為18.2%,壓實作用主要發(fā)生于早成巖階段,形成低孔低滲儲集層。隨著膠結作用的進行,膠結損失孔隙度為1.2%~18.7%,平均為10.9%。經(jīng)過強烈壓實作用和膠結作用,剩余孔隙度銳減至0.7%~7.1%,平均為3.6%,其中,壓實作用的影響更大。

        沙灣凹陷上烏爾禾組同樣由于壓實作用和膠結作用造成了孔隙損失,壓實損失孔隙度為14.3%~24.2%,平均為19.1%;膠結損失孔隙度為1.9%~18.9%,平均為11.8%。由于沙灣凹陷上烏爾禾組埋藏深度相對瑪湖凹陷更大,壓實作用也更強。經(jīng)過強烈壓實作用和膠結作用,沙灣凹陷該組儲集層剩余孔隙度銳減至0.5%~6.4%,平均為3.3%。

        成巖中—后期,由溶蝕作用形成的次生溶孔在不同地區(qū)砂巖中的發(fā)育程度不同。觀察鏡下薄片計算面孔率,瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層次生溶孔主要以長石溶孔和凝灰?guī)r巖屑溶孔為主,濁沸石和片沸石基本未溶蝕。次生溶孔發(fā)育,溶孔面孔率平均為2.6%,占總面孔率的82.0%;沙灣凹陷主要有長石溶孔、凝灰?guī)r巖屑溶孔以及形成于成巖中—后期的濁沸石溶孔,次生溶孔發(fā)育,溶孔面孔率平均為2.8%,占總面孔率的76.0%,溶蝕作用形成的次生溶孔在一定程度上提高了儲集性能(圖5)。

        圖5 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層孔隙演化模式Fig.5.Pore evolution model of the upper Wuerhe formation reservoirs in Shawan sag

        瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層成巖中—后期溶孔發(fā)育類型的差異,是由于成巖環(huán)境不同,瑪湖凹陷地層封閉性較沙灣凹陷好,地層水礦化度更高,以CaCl2型為主[17],CaCl2型地層水占比達到70.3%;沙灣凹陷地層水以NaHCO3型和CaCl2型為主,分別占46.4%和43.5%。碳酸氫根離子使鈣質(zhì)鋁硅酸鹽礦物發(fā)生溶蝕,如濁沸石和片沸石,沙灣凹陷NaHCO3型酸性地層水的增多為沸石族礦物溶蝕提供了有利條件。因此,2 個凹陷成巖流體性質(zhì)和巖石組分控制了成巖演化。

        5 儲集層成巖差異成因

        5.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組成巖演化

        瑪湖凹陷上烏爾禾組主要處于中成巖階段B期[23-25],在晚二疊世,上烏爾禾組沉積后快速埋藏,持續(xù)的壓實作用破壞了儲集層大量的原生粒間孔,降低了儲集層的滲流能力,成巖環(huán)境流體具弱堿性,孔隙類型仍以原生孔隙為主。壓實作用隨埋藏深度增大而增強,原生孔隙進一步遭到破壞,并出現(xiàn)較低強度的第一次油氣充注。受有機酸影響,流體環(huán)境逐漸由弱堿性轉換為弱酸性,部分富鈣斜長石和巖屑開始溶蝕,次生孔隙發(fā)育。Ca2+、K+等大量堿性金屬離子析出,為早期方解石膠結提供了一定的物質(zhì)基礎。顆粒接觸方式由點接觸過渡為點—線接觸,隨著第二次油氣充注的到來,地層流體pH值明顯降低,該階段長石和巖屑溶蝕程度增高,早期形成的碳酸鹽礦物溶解,蒙脫石向伊利石轉化,伴生石英及高嶺石,碳酸鹽礦物二次膠結。

        5.2 沙灣凹陷上烏爾禾組成巖演化

        沙灣凹陷上烏爾禾組處于中成巖階段B 期[26],在早成巖階段A 期,沉積物膠結相對松散,大量原生粒間孔發(fā)育,顆粒塑性變形。隨著埋藏深度增大,壓實作用增強,早期綠泥石附著于顆粒表面形成包膜,在一定程度上抑制了壓實作用,部分原生孔隙得以保存。受到富火山作用影響,成巖水體為堿性—弱堿性,大量火山玻璃發(fā)生沸石化反應[27],在機械壓實作用不斷增強的階段,硅質(zhì)、綠泥石、碳酸鹽礦物和沸石不斷生成。中成巖階段,發(fā)生了一次大規(guī)模油氣充注,有機酸和大量CO2進入儲集層后,地層水pH 值降低,地層水類型變得復雜多樣。該成巖階段長石及巖屑溶蝕作用變強,片沸石交代形成含鈣鋁硅酸鹽礦物——濁沸石,并在NaHCO3型地層水的影響下發(fā)生溶蝕。

        6 結論

        (1)瑪湖凹陷和沙灣凹陷中成巖階段早期以碳酸鹽膠結物為主,壓實作用、碳酸鹽礦物膠結與沸石膠結是導致儲集層物性變差的主要成巖作用,瑪湖凹陷壓實作用相對較弱。

        (2)瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層以長石溶孔和凝灰?guī)r巖屑溶孔為主,沙灣凹陷則以長石溶孔、凝灰?guī)r巖屑溶孔及濁沸石溶孔為主,原生孔隙均少量發(fā)育。

        (3)瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層的差異,主要是由成巖流體性質(zhì)和巖石組分的不同引起,并影響整個成巖作用階段。

        符號注釋

        C——膠結作用減孔率,%;

        Ct——膠結物含量,%;

        D1——粒度累計百分含量為25%時的顆粒直徑,mm;

        D2——粒度累計百分含量為75%時的顆粒直徑,mm;

        L——壓實作用減孔率,%;

        S0——特拉斯克分選系數(shù);

        θca——碳酸鹽膠結物面孔率,%;

        θd——溶孔面孔率,%;

        θpm——原生粒間孔面孔率,%;

        θt——總面孔率,%;

        φ0——原始孔隙度,%;

        φ1——壓實后孔隙度,%;

        φ2——膠結后孔隙度,%;

        φ3——次生孔隙度,%;

        φc——膠結作用損失孔隙度,%;

        φL——壓實作用損失孔隙度,%;

        φp——物性分析孔隙度,%。

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