鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层特征及控制因素分析

周进松,王念喜,赵谦平,林桂芳

银晓,高飞,魏虎,韩小琴 (陕西延长石油集团研究院,陕西 西安 710075)

鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层特征及控制因素分析

周进松,王念喜,赵谦平,林桂芳

银晓,高飞,魏虎,韩小琴 (陕西延长石油集团研究院,陕西 西安 710075)

结合大量岩石薄片、储层物性、压汞曲线资料的分析,对鄂尔多斯盆地不同区块上古生界主要气层段的岩石学特征、物性特征、孔隙结构及孔隙类型等进行深入对比研究,分析了影响储层碎屑组分、储集性能和平面分布的主要因素。研究表明,上古生界砂岩储层非均质性强,普遍具有低孔-低渗、孔喉偏小的特征;物源体系控制着砂岩组分的差异,由西至东石英含量减小,岩屑含量增加,长石含量仅在盆地西部边缘地带较高;沉积体系的多样性决定了储层储集体类型的多样性和分布规律;成岩作用对储集层发育的控制是多方面的,由溶蚀作用产生的次生孔隙是主要储集空间。

鄂尔多斯盆地;上古生界;储层特征;控制因素

鄂尔多斯盆地是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回克拉通盆地,蕴含着丰富的油气资源。自20世纪50年代以来,先后在盆地北部发现了苏里格、榆林、靖边、大牛地、乌审旗等多个探明储量超千亿立方米的大型气田。近年来,陕西延长石油集团在盆地东南部延安地区上古生界进行天然气勘探也取得了重大进展。钻探结果显示,盆地古生界含气层位平面分布范围广,垂向叠置连片,从下古生界奥陶系马家沟组(O2m)至上古生界石炭系本溪组(C2b)、二叠系太原组(P1t)、山西组(P1s)、石盒子组(P2sh)及石千峰组(P3s)均发现了工业气藏,这些气藏普遍为低孔-低渗性致密砂岩 (岩性)型气藏,但各大气田分布区域位置不一样,其主力含气层位储集性能也有所差异。笔者通过分析大量薄片、物性、压汞等资料,结合前人研究成果,对鄂尔多斯盆地上古生界主要气层段砂岩储层特征及分布差异性进行深入研究,分析了影响储层发育的主要因素。

图1 鄂尔多斯盆地古生界气田分布图(充填表示主力气层)

1 气层分布特征

前人研究表明[1～3],鄂尔多斯盆地具有 “广覆式生烃,大面积成藏”的特征,在盆地大范围内钻井过程中,上古生界各地层均有不同程度的气显示。从形成工业气藏的规模来看,主要以下石盒子组(P2sh5～8)、P1s为主,其次为P1t和C2b,盆地不同地理位置,气层分布也有所差异。石盒子组八段(P2sh8)、山西组一段(P1s1)分布最为广泛,全盆地均发育,山二段(P1s2)主要分布于中部和北部地区,P1t主要分布于东北部,C2b主要分布于东北部和东南部,整体上从西部至东部,垂向上含气层位增多,气层埋深变浅(图1)。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

大量岩石薄片资料 (表1)表明,盆地P2sh8、P1s1岩石学特征表现为东、西向差异较大。由西至东,岩石成分成熟度降低,石英含量降低,岩屑含量增加,长石体积分数普遍较低,平均0%～2%。以P2sh8为例,西部苏里格气田西区P2sh8石英体积分数平均为90.8%,岩屑体积分数平均9.2%,以石英砂岩为主,其次为岩屑石英砂岩;而东部大牛地气田P2sh8石英体积分数平均72.2%,岩屑体积分数平均为25.4%,以岩屑砂岩为主,其次为岩屑石英砂岩。P1s2主要分布于盆地中部呈南北向展布,其岩石学特征表现为南、北向差异较大。中部石英含量最高,岩屑含量最低,以石英砂岩为主,其次为岩屑石英砂岩,从中部往北、往南石英含量降低,岩屑含量增加。盆地C2b和P1t分布较为局限,其总体岩石成分成熟度较高,石英含量较高,以石英砂岩为主。

2.2 物性特征

鄂尔多斯盆地上古生界气藏整体为低孔-低渗致密砂岩气藏,大量物性数据统计 (见表2)表明,储层平均孔隙度一般为5%～10%,平均渗透率一般为0.5～7mD。从平面分布来看,P2sh8、P1s1物性西部整体好于东部,北部好于南部;P1s2物性中、北部好于南部。整体上盆地南部储层物性较差,在南部黄龙-洛川地区平均孔隙度为2.95%～6.6%,平均渗透率仅为0.075～0.361mD。

表2 鄂尔多斯盆地上古生界主要含气层位储层物性特征_

2.3 孔隙结构特征

从反映孔隙结构特征各项参数 (见表3)来看,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层孔隙结构变化大,普遍排驱压力较高,平均0.75～2.05MPa,中值压力平均1.59～36.89MPa,孔喉半径偏小,以微-小孔喉为主,最大孔喉半径0.664～1.86μm,中值孔喉半径0.18～0.63μm,分选系数0.204～2.616。整体上,陕北斜坡由北往南孔隙结构有变差的趋势。

表3 鄂尔多斯盆地上古生界主要含气层位储层孔隙结构特征

2.4 孔隙类型

通过常规薄片、铸体薄片和扫描电镜观察,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层孔隙类型有原生孔隙、残余原生粒间孔隙、粒间溶蚀孔隙、粒内溶蚀孔隙、填隙物内溶蚀孔隙、自生矿物晶间孔隙和少量的微裂缝性孔隙。

各孔隙类型在不同地区不同层位发育程度有所差异 (图2)。溶蚀孔隙 (粒间溶孔、粒内溶孔)是砂岩的主要孔隙类型,多为岩屑溶孔和长石溶孔,它们构成主要储集空间,占总孔隙47.2%～82.8%,面孔率0.4%～5%,尤其在中部延安、榆林P1s2最发育。残余粒间孔隙普遍不发育,一般面孔率不超过1%。填隙物内溶蚀孔隙指填隙物受溶蚀作用所形成的孔隙,尤其是凝灰质填隙物,因其易容,在P2sh8和P1s1中比较常见。自生矿物晶间孔隙主要为自生伊利石晶间孔隙、自生绿泥石晶间孔隙和自生高岭石晶间孔隙,其中自生高岭石晶间孔隙可以提高孔渗性能,是一种重要的次生孔隙。微裂缝大致可分为粒间缝和构造缝。粒间缝是指碎屑与碎屑之间、碎屑与胶结物之间、碎屑与杂基之间的缝隙,裂隙间互相连通呈网状分布,这种孔隙类型可能为成岩作用中岩石收缩所导致的;构造缝是指由于构造挤压或拉张作用切过碎屑及填隙物的裂隙,尽管这种裂缝发育程度有限,一般占总孔隙1%～5%,面孔率小于0.5%,但是为局部流体大规模的运移提供了通道,改善储层的储集性能。

图2 鄂尔多斯盆地上古生界储层不同孔隙类型面孔率

3 控制因素分析

3.1 物源体系控制着储层的物质组分

母岩是提供砂岩储层组分的物质基础,不同物源体系由于其母岩性质不一样,导致砂岩组分的差异,进而影响储层的储集性能。前人对鄂尔多斯盆地P2sh8物源体系特征做了大量研究工作[4～11]。认为,鄂尔多斯盆地主要受南、北2大物源体系影响,北部物源影响范围较大,南部范围较小。结合大量岩石薄片资料分析,受物源分异的影响,盆地北部中下二叠统砂岩组分具有明显的东西分区性,东北部及北部可划分出乌海-银川,鄂托克旗-定边,东胜、榆林-延安3个区,自西往东石英含量逐渐降低,岩屑含量增加,长石主要分布于盆地西部。盆地东部总体上是岩屑砂岩和岩屑石英砂岩的分布区。盆地西南部及南部也可划分出海原、同心-中宁,平凉、固原-环县,耀县、韩城-洛川3个区,这些区域石英含量普遍较低,岩屑含量较高,长石主要分布于西南部边界(图3)。在层位上,C2b～P1s2石英含量高于P1s1和P2sh8。物性数据统计表明,砂岩组分中石英含量越高,物性越好 (图4),这也是盆地上古生界砂岩储层物性西部好于东部,北部好于南部的主要原因。

图3 鄂尔多斯盆地中下二叠统物源及碎屑组分分布图

3.2 沉积体系控制着储层的砂体类型及平面分布

图4 砂岩组分中石英体积分数与孔隙度关系

鄂尔多斯盆地上古生界沉积体系类型丰富多样[12],同一层系不同区域其沉积 (微)相差异较大,控制着储集体类型及平面分布规律。C2b在东北部东胜-神木地区主要为扇三角洲沉积,往南大部分主要为障壁岛海岸-潮坪沉积体系[13],从盆地东、西部往中部依次发育浅海陆棚、障壁岛、泻湖和潮坪沉积环境。障壁砂坝是主要储集体类型,分布较为局限,主要分布于东部清涧-延川-延长及西部银川一带 (图5)。P1t在盆地北部神木、大牛地、鄂托克旗、银川以北地区为冲积扇-三角洲沉积,往中部及南部过渡为潮坪和碳酸盐台地沉积,储层砂体不发育。P1s从盆地北部往中部依次发育冲积扇→辫状河→曲流河→曲流河三角洲沉积 (图6),不同区域主要储集体类型不一样,在西部苏里格地区主要为三角洲平原分流河道和三角洲前缘水下分流河道,中部榆林及延安地区主要为三角洲前缘水下分流河道,东部大牛地主要为三角洲平原分流河道。

P1s时期盆地陕北斜坡中部地形比较平旦,水浅流急,三角洲前缘水下分流河道砂体发育,河口坝整体不发育;南部P1s范围比较小,主要分布于韩城-黄龙和平凉-环县一带。P2sh8从盆地北部往中部依次发育冲积扇→辫状河→辫状河三角洲沉积,在西部苏里格地区主要储集体类型为辫状河三角洲平原分流河道和辫状河三角洲前缘水下分流河道,中部榆林及延安地区主要为辫状河三角洲前缘水下分流河道,东部大牛地主要为冲积平原上辫状河道、心滩。不同类型储集体其储集性能差异较大,研究表明,砂坝、(水下)分流河道、心滩、边滩等储集性能最好[14,15](表4)。

图5 鄂尔多斯盆地C2b沉积体系分布图

图6 鄂尔多斯盆地P1s沉积体系分布图

3.3 成岩作用控制着储层的孔隙演化

成岩作用类型主要有机械压实作用、胶结作用、溶蚀、溶解作用等,成岩作用对储层的影响主要表现在2个方面:溶蚀或溶解不稳定组分后产生次生孔隙,称为建设性作用;压实、胶结和某些自生矿物的形成堵塞了孔隙并降低了渗透率,称为破坏性作用。2类成岩作用发育程度直接影响储层物性。

压实作用使颗粒被压致密,是原生孔隙度降低的重要原因之一。一般来说石英的抗压性最强,其次为长石和岩屑。因此,在鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中随着石英含量的增加,储层物性偏好[16](表4)。

表4 鄂尔多斯盆地上古生界储层不同沉积微相物性对比表

胶结作用是引起储层储集空间减少的主要原因之一。但是早期形成的环边薄膜 (如绿泥石)的胶结物将松散的沉积物胶结成岩,在一定程度上增强了岩石的抗压实能力,有利于孔隙空间的保存[17]。对中部129个砂岩薄片数据统计,石英砂岩中绿泥石膜体积分数平均为1.47%,岩屑砂岩中绿泥石膜体积分数平均为2.39%,岩屑石英砂岩中绿泥石膜体积分数平均为1.89%,随着绿泥石膜含量增加,物性偏好 (图7),这可能是造成局部岩屑砂岩物性好于石英砂岩的原因之一。另外,随着碳酸盐胶结物含量的增加,面孔率呈减小的趋势 (图8)。盆地上古生界砂岩中碳酸盐胶结物主要有方解石、白云石、铁方解石、铁白云石及菱铁矿等,多为粒间胶结物、交代物或次生孔隙内充填物。它们占据了孔隙的位置,缩小或堵塞喉道,使储层物性变差。据薄片统计数据,延安地区P2sh8砂岩中碳酸盐胶结物体积分数为3.46%,P1s1为3.63%,P1s2为3.74%,C2b为5.36%。由此可以得出,随着埋深增加,碳酸盐胶结物含量也增加,虽然C2b石英含量明显高于P1s1、P2sh8,但是其孔隙度并不比二者高。

图8 碳酸盐胶结物体积分数与面孔率关系

图7 绿泥石体积分数与孔隙度关系

溶蚀作用是一种建设性的成岩作用,可溶性物质 (如喷发岩岩屑、凝灰质、长石)以及其他的一些矿物 (如高岭石等)在煤系地层提供的有机酸或在烃类形成和聚集时形成的弱酸性环境下发生溶蚀,极大地提高了储集层的储集性能。这也是主力含煤生烃层系P1s2溶蚀孔隙比P2sh8发育的原因 (图2)。

4 结论

1)在南北两大物源差异影响下,盆地P1s～P2sh8砂岩中石英含量由西往东逐渐减少,岩屑含量在增加,长石含量仅在盆地西部边缘地带较高,整个陕北斜坡大范围内长石体积分数平均不超过10%。盆地东部、南部主要为岩屑砂岩、岩屑石英砂岩覆盖区。

2)沉积体系的多样性决定了储层储集体类型的多样性和分布规律。盆地上古生界既发育海陆过渡相的障壁岛、泻湖、潮坪沉积体系,也发育陆相的冲积扇、辫状河、曲流河、辫状河三角洲、曲流河三角洲沉积体系。障壁岛砂坝、(分流)河道、边滩、心滩是有利的储集体类型,其分布受控于沉积相的平面展布,这也造成某些层位仅发育于特定的气田位置。

3)成岩作用对储集层发育的控制是多方面的,其中有些是受砂岩组分 (母岩性质)和沉积环境等因素的继承性共同影响所致。整体上,岩屑、凝灰质、长石以及其他的一些矿物如高岭石等溶蚀产生的孔隙是盆地上古生界砂岩储层主要次生孔隙类型。胶结物中绿泥石膜的发育有利于孔隙的保存,而碳酸盐胶结物则堵塞孔隙。

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[编辑]邓磊

TE122.2

A

1000-9752(2014)02-0027-07

2013-09-10

周进松(1979-),男,2009年中国地质大学 (北京)毕业,硕士,工程师,现主要从事地质勘探工作。