鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏储层成岩作用及成岩相——以苏里格气田桃X区块为例

2015-03-08 03:11马志欣朱亚军杜鹏郝骞李浮萍段志强石林辉李武科赵占良
湖北大学学报(自然科学版) 2015年6期

马志欣,朱亚军,杜鹏,郝骞,李浮萍,段志强,石林辉,李武科,赵占良

(1.中国石油长庆油田苏里格气田研究中心,陕西西安710018;2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安710018)

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏储层成岩作用及成岩相——以苏里格气田桃X区块为例

马志欣1,2,朱亚军1,2,杜鹏1,2,郝骞1,2,李浮萍1,2,段志强1,2,石林辉1,2,李武科1,2,赵占良1,2

(1.中国石油长庆油田苏里格气田研究中心,陕西西安710018;2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安710018)

摘要:以苏里格气田桃X区块上古生界二叠系盒8段储层为例,采用铸体薄片鉴定、电镜扫描、阴极发光、镜质体反射率、X线衍射及流体包裹体测温等多种分析测试手段,对储层的成岩作用、成岩序列及孔隙演化进行研究.研究结果表明:造成储层致密的主要原因是成岩期强烈的压实作用、压溶作用及石英、方解石和高岭石的胶结作用,而溶蚀作用对储层次生孔隙形成起到建设性作用;储层成岩作用阶段已达中成岩B亚期,根据控制孔隙演化的主要成岩作用,将储层成岩相划分为6种类型,阐述了各成岩相类型的孔隙演化模式,其中溶蚀-胶结相、高岭石-硅质胶结相为形成储层主要成岩相.①

关键词:苏里格气田;致密砂岩气藏;成岩作用;孔隙演化;成岩相

Diagenesis and diagenetic facies of tight sandstone reservoir of the upper paleozoic in the Ordos Basin——taking the Tao-X block as an example

MA Zhixin1,2,ZHU Yajun1,2,DU Peng1,2,HAO Qian1,2,LI Fuping1,2,DUAN Zhiqiang1,2,SHI Linhui1,2,LI Wuke1,2,ZHAO Zhanliang1,2
(1. Research Center of Sulige Gasfield,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710018,China;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil and Gasfield,Xi’an 710018,China)

Abstract:By casting thin section,scanning electron microscopy,cathodoluminescence,vitrinite reflectance rate,X-ray diffraction,temperature of fluid inclusions and other analytical testing methods,we analyzed the diagenesis,pore evolution model and the diagenetic stage of He 8(P1h8)formation reservoir of the upper Paleozoic of block Tao-X block in Sulige gas field. The results showed that the strong diagenetic compaction pressure solution and quartz,calcite,and kaolinite cementation combined were the main formation reason of tight reservoir,and the dissolution played a positive role in the formation of secondary porosity. In the study area,the diagenesis stage has reached the sub-stage B of diagenesis,according to the main diagenesis of porosity evolution,diagenetic facies could be divided into six types,various types of diagenetic facies porosity evolution model was eatablished in this paper.The dissolution-cementation and halloysite-siliceous cementation faces were the most constructive facies.

Keywords: Sulige gas field;tight gas sandtone;diagenesis;porosity evolution;diagenetic facies

0 引言

经过近10年快速发展,致密气已成为国内天然气生产的主力军之一,并在较长一段时间内有望继续充当我国非常规天然气开发的“领头羊”[1].在致密砂岩中寻找高产“甜点”储层是致密气开发的难点及重点,因此判研致密砂岩有效储层成因进而预测有效储层分布成为致密气开发需要解决的首要问题.

研究表明致密砂岩气藏储层一般在地质历史时期经历了不同类型和不同强度的成岩作用改造,且储层微观结构复杂,其成岩演化历程和孔隙演化史控制了现今气藏的分布[2-3].在特定沉积微相背景下,成岩相作为沉积物经历一定成岩作用和演化阶段的产物,是表征储集体性质、类型和优劣的成因性标志[4-6],可借以研究储集体形成机理、空间分布与定量评价[7-8],并确定出有利成岩储集体的分布,进而决定气层的分布[9].因此,对该类储层的成岩作用及成岩相开展深入研究从而在致密砂岩层中寻找优质储集体的分布,是进行致密砂岩气藏储层综合评价和有利区带预测的重要方法[10-11].

苏里格气田是目前国内发现的最大气田,其主力含气层段上古生界二叠系石盒子组盒8段储层为典型的致密砂岩气藏[9].针对苏里格气田的勘探与开发,前人主要侧重于沉积和构造方面的研究,并不能有效地确定有利储集体的分布范围,对于苏里格气田致密砂岩气藏储层评价和有利区块的预测,难度依旧很大.本文中采用薄片鉴定、电镜扫描、阴极发光、镜质体反射率、X-线衍射及流体包裹体测温等分析测试资料,以前人的研究方法为指导,对苏里格气田桃X区块盒8段储层的成岩作用和成岩相进行分析,探讨该区盒8段砂岩成岩作用类型、孔隙演化规律及其对储层的影响,明确优质储层孔隙的时空演化机制及模式,对于深化致密砂岩储层地质理论、指导苏里格气田勘探与开发具有重要的意义.

1 储层特征

1.1储层岩石学特征苏里格气田桃X区块上古生界石盒子组盒8段储层为河流相沉积体系[10-11],物源主要来自盆地北部[6,12].根据岩心观察及室内岩样镜下统计,盒8段储层主要为中-粗粒石英岩屑砂岩和岩屑石英砂岩.储层石英含量最高,一般可达34.4%~89.3%,平均68.2%,岩屑含量为9.2%~50.3%,平均26.6%.颗粒分选中等,磨圆度多为次棱角-次圆状,颗粒间接触关系以线接触为主,部分为凹凸接触.岩屑类型以变质岩屑为主,火成岩屑和沉积岩屑次之,云母碎屑较少.颗粒偏粗,以中粗粒粒径为主.粒间由少量杂基充填,充填物主要为高岭石和水云母,另外还有方解石充填.胶结物主要有高岭石、方解石和石英三类,另有少量绿泥石、伊利石、白云石和黄铁矿.砂岩总体上成分成熟度较高,结构成熟度中等.

1.2物性及孔隙结构特征岩心分析资料表明,桃X区块盒8段储层孔隙度为2.23%~13.12%,平均6.13%,渗透率为0.01~1.64×10-3μm2,平均0.28×10-3μm2,储层孔隙度和渗透率的散点分布图说明两者之间存在较强的正相关关系(图1),即研究区内盒8储层中裂缝没有引起渗透率的波动,说明桃X区块内裂缝欠发育,其盒8段储层的类型应为孔隙型储层.

图1 苏里格气田上古生界石盒子组盒8段储层孔渗关系

根据压汞分析资料[13],桃X区块盒8段储层最大孔喉半径在0.41~9.95 μm之间,平均值为2.47 μm.中值孔喉半径在0.05~1.46 μm之间,平均值为0.41 μm.储层孔喉分选系数在2.22~2.84之间,平均2.40.变异系数在0.19~0.30之间,平均0.22.均值系数在8.83~11.88之间,平均10.42.歪度系数在1.39~1.84之间,平均1.64.储层排驱压力在0.07~1.81 MPa之间,平均为0.72 MPa.饱和度中值压力在0.50~13.89 MPa之间,平均为4.94 MPa.最大进汞饱和度在80.76%~95.19%

之间,平均为90.81%.退出效率在24.05%~45.37%之间,平均为37.26%.总体上储层孔喉结构较差,表现在最大孔喉半径和中值孔喉半径小、均值系数大、分选较差、细歪度、退出效率低、排驱压力和饱和度中值压力大.

2 主要成岩作用

根据大量的铸体薄片观察、阴极发光分析、包裹体检测以及扫描电镜和X-线衍射分析结果,苏里格气田桃X区块盒8段储层经历了多期次、强烈的成岩作用[6,9,12],是造成储层致密和气井普遍产量较低的重要原因.降低孔隙度的成岩作用主要有压实作用、压溶作用和胶结作用,增大孔隙度的成岩作用主要为溶蚀作用和构造破裂作用,交代作用对孔隙度影响较小.

2.1压实及压溶作用苏里格气田桃X区块盒8段储层最大埋藏可达5 000 m,现今埋深一般也在3 300 m以上,已达到深埋藏阶段,埋藏时间在250 Ma以上,压实作用强烈.在压实作用下,塑性岩屑发生柔性变形,挤入临近的孔隙空间,且相当部分成为假杂基(图2-a),与原杂基一起堵塞粒间孔隙,使原生粒间孔隙消失殆尽[12-16].同时石英颗粒间互相接触点和面上发生压溶作用.常见的压溶现象是石英颗粒的凹凸镶嵌接触和缝合状接触(图2-b).苏里格气田桃X区块盒8段平均压实系数达0.82,表明压实作用很强,由压实作用引起的原生孔隙损失在80%以上.

2.2胶结作用苏里格气田桃X区块盒8段储层沉积时期属季节性干旱-潮湿气候环境,沉积水体的流量变化大,水体常在氧化环境与还原环境之间变化,从而造偏酸性成岩环境-偏碱性成岩环境交替出现.偏酸性成岩环境下,硅质胶结作用强烈;偏碱性成岩环境下,方解石、高岭石矿物很容易达到过饱和,可以直接从沉积水体中析出,形成同生期胶结物.

2.2.1硅质胶结硅质胶结作用的主要形式表现为石英的次生加大现象,石英胶结物是盒8段储层中最常见的胶结物之一[11],也是储层降低物性的主要原因之一.盒8段储层石英胶结物平均含量3.1%,石英胶结物主要有两期,一期以石英加大的形式出现,另一期为充填孔隙的自生石英,以前者为主.

在粗砂岩中,石英颗粒含量高,抗压实作用强,经压实作用后仍能保存部分粒间孔隙,为石英加大创造了条件,石英次生加大强烈(图2-c),石英加大边平均含量达5.7%,造成大部分石英加大边互相焊接、嵌合.在不等粒砂岩中,岩屑和杂基含量较高,石英加大变弱.

绿泥石粘土包壳的存在能有效地阻止石英加大的进行(图2-d),碱性环境下可以延缓石英的沉淀,抑制压溶,在绿泥石膜发育的地方石英加大边含量一般较小(<2.0%),这样能有利于保存更多的粒间孔隙.

图2 盒8段储层镜下微观成岩作用特征

a.千枚岩屑压实变形,假杂基化,陕X井,盒8,3 227.18 m;b.石英颗粒呈紧密镶嵌状接触,陕X井,盒8,3 226.2 m;c.石英次生加大,残余粒间孔和杂基内溶孔发育,桃X-1,盒8,3 316.24 m;d.纤维状绿泥石垂直颗粒生长,形成颗粒包壳,残留粒间孔发育,桃X井,盒8,3 207.59 m;e.高岭石胶结,桃X-4,盒8,3 328.88 m;f.早期方解石胶结物在阴极射线下发桔红色光,桃×-1井,盒8,3 287.1 m.

2.2.2粘土矿物胶结镜下鉴定表明自生粘土胶结物主要是溶蚀作用过程中的伴生产物-高岭石(图2-e).高岭石不但堵塞了一部分残余粒间孔,还充填了部分溶蚀孔隙,高岭石的再度分散填充是造成研究层段储层物性较差的主要原因之一.对有效储层而言,高岭石胶结物对孔隙的破坏量一般在5%左右.但高岭石胶结物主要出现在成熟度高的砂岩中,其形成常与溶蚀作用相伴生,有大量高岭石胶结物的地方溶蚀作用一般较强,各种溶蚀孔隙较发育,从而总体物性较好.

2.2.3碳酸盐胶结碳酸盐胶结物主要有方解石和铁方解石,少量白云石和铁白云石以及菱铁矿.早期无铁方解石的致密胶结可对原生粒间孔隙造成严重破坏(图2-f),孔隙损失量可达20%以上,不利于后期溶蚀作用的发生,造成储层物性很差.

2.3溶蚀作用薄片资料统计结果表明,苏里格气田桃X区块盒8段储层溶蚀孔隙发育,溶蚀孔约占总孔隙的70%[13].溶蚀作用主要发生在残余粒间孔隙比较发育的粗粒岩屑石英砂岩中,一方面这类岩石含有可溶的长石、岩屑、杂基等,另一方面发育的粒间孔隙为酸性水侵入创造了条件.对于塑性岩屑含量高的中细粒岩屑砂岩,溶蚀作用很弱.

有机质转化过程中产生的有机酸是长石等硅铝酸盐矿物和其他易溶组分溶解的重要成岩流体[17].在中成岩A期阶段,有机质达到成熟,分解产生大量的有机酸随泥岩的压实而进入相邻的砂岩中,在酸性介质条件下,储层中的钾长石、钠长石发生非全等溶解反应.长石在溶解过程中部分离子被溶解进入溶液中,而另一部分组分则将转变成新的矿物.由于这些新生成的矿物与原始矿物组分不同,它们的分子量、密度等物理、化学性质也不同,其所占有的体积空间也将发生变化,并可导致次生孔隙空间的形成.

由式(1)及式(2)可以看出,2个摩尔的长石经非全等溶蚀作用后都将产生1个摩尔的高岭石和4个摩尔的石英,并产生一定数量的次生孔隙.从储层演化角度来说,高岭石通常是长石溶解和溶蚀孔隙发育的指示矿物[17],苏里格气田桃X区块盒8段广泛发育的高岭石胶结物和充填孔隙的自生石英就是长石非全等溶解的产物.

3 成岩演化顺序及孔隙演化史

3.1成岩作用阶段划分根据上述成岩作用类型及特征、成岩矿物演化,结合粘土矿物X-线衍射、包裹体测温等资料,参照《碎屑岩成岩阶段划分》规范(SY/T5477-2003),认为苏里格气田桃X区块盒8段储层现今已进入中成岩B亚期[19-20].其主要特征为:

①镜质体反射率RO测定值在1.5%~2.0%之间,表明有机质成熟度已达成熟—高成熟阶段;

②粘土矿物X-线衍射分析资料,研究层段储层中含少量的I/S混层粘土矿物,混层比10%,属超点阵有序混层带;

③自生石英和晚期铁方解石胶结物中气液两相包裹体均一温度最高达到140℃以上;④岩石最高热解温度Tmax达488℃.

3.2成岩演化顺序及孔隙演化

3.2.1同生成岩期沉积物快速堆积,基本未埋藏或埋藏很浅,压实作用、孔隙水释放是本阶段最主要的成岩方式.运用Lundegard公式计算石英砂岩初始孔隙度为37% .

3.2.2早成岩A期地层埋深小于1 200 m,古地温小于65℃,有机质未成熟.成岩作用主要有机械压实作用及少量胶结作用(图3).孔隙结构演化主要表现为原生粒间孔隙的不断减少,在压实过程中,砂岩所含云母、塑性岩屑等极易变形,挤入砂岩孔隙中,使砂岩原生孔隙度大量损失,孔隙度从37%迅速减至16%.

3.2.3早成岩B期埋深小于2 000 m,古地温在65~85℃之间,有机质半成熟.与前期相比,压实作用逐渐减弱,压溶作用逐渐增强,石英次生加大明显,残余粒间孔进一步被压缩.期末,溶蚀作用开始少量

出现,但强度不大,因此该阶段以减孔作用为主,储层孔隙度最终减至8%.

3.2.4中成岩A期最大埋深约5 000 m,古地温在85~140℃之间,储层孔隙类型为原生孔和次生孔的混合类型.在有机质进入热成熟期阶段,压溶作用、石英次生加大相对减弱,该阶段前期由于有机质成熟产生大量的CO2和有机酸,导致不稳定组分的强烈溶蚀,增孔作用明显,储层孔隙度一度增至17%.但在热成熟期的中后期,长石的强烈溶蚀为硅质胶结物和高岭石胶结物提供了丰富的物质来源,这造成了该阶段后期自生石英胶结物及高岭石胶结物的发育,从而大大降低了孔隙度的大小,使之减低到了11%.

3.2.5中成岩B期最大埋深约4 500 m,古地温在140~175℃之间,有机质高成熟.该阶段成岩作用主要为铁方解石、白云石、伊利石、粒状黄铁矿的胶结充填作用.由于溶蚀作用减弱,储层孔隙逐渐降低并最终形成现今平均6.13%的孔隙度格局.

图3 苏里格气田盒8段储层成岩作用阶段划分与成岩演化顺序

4 成岩相类型

成岩相作为沉积物经历一定成岩作用和演化阶段的产物,是表征储集体性质、类型和优劣的成因性标志,可借以研究储集体形成机理、空间分布与定量评价,并确定出有利成岩储集体的分布[21],进而决定气层与非气层的分布.

基于多项资料的分析,将沉积微相、岩石类型、粒度和分选性、砂岩中碎屑组分特征及含量、杂基含量、胶结物类型及含量、储集空间类型、压实作用、胶结作用和溶蚀作用的强弱等信息进行综合研究,研究结果表明桃X区块盒8储层的成岩相可以划分为以下6大类(表1):紧密压实相、致密压实蚀变相、压实压溶相、钙质胶结相、高岭石-硅质胶结相、溶蚀-胶结相.

4.1溶蚀—胶结相以溶蚀作用和大量高岭石和石英的胶结作用为特征[22],主要发育于心滩砂体的中下部(表1).岩性主要为粗粒岩屑石英砂岩、石英砂岩,硅质胶结物和高岭石胶结物含量很高.残余粒间孔隙和各类溶蚀孔隙均很发育,但以次生溶孔为主,平均面孔率为4.4%,平均孔隙度为9.0%,平均渗透率0.93×10-3μm2,储层物性好.该成岩相是研究层段形成优质储集体的主要成岩相.

表1 苏里格气田桃X区块盒8储层各类成岩相特征

4.2高岭石-硅质胶结相以大量高岭石和石英的胶结作用为特征,其平均含量分别为5.0%和6.4%,而溶蚀作用相对较弱,分布于心滩的中部及横向上的减薄部位,岩性为中粗粒岩屑石英砂岩.其成岩作用和孔隙演化类似于溶蚀-胶结型储层.孔隙类型以残余粒间孔为主,平均面孔率为2.3%,平均孔隙度为6.0%,平均渗透率0.62×10-3μm2,储层性能中等,多数对应含气层,少数为干层.

4.3压实压溶相以压实作用和压溶作用都较强为特征,石英加大强烈,而溶蚀作用很弱,沉积相上主要分布于河道底部的滞留沉积.岩石学特征为石英含量较高,平均达64.5%,岩屑含量也较高,平均为21.8%,胶结物以石英胶结物为主.孔隙不太发育,平均面孔率为1.33%,且以残余粒间孔隙为主,平均孔隙度为4.6%,平均渗透率0.24×10-3μm2,物性中-差.

4.4钙质胶结相以早期方解石的胶结作用为特征,主要分布于天然堤、决口扇、河漫滩、溢岸砂等能量较低的沉积环境中,岩性以中、细粒岩屑砂岩为主.该成岩相以早期无铁方解石胶结物含量很高为特征,其平均含量达20%,而其他胶结物含量很少.储层物性很差,平均面孔率仅为0.2%.

4.5致密压实蚀变相以强烈的压实作用和长石蚀变为高岭石为特征,这种成岩相与沉积环境关系较密切,主要分布在溢岸砂、河漫滩、决口扇、天然堤等能量较低的环境中.在边滩、心滩的上部及横向上的减薄部位,由于水动力能量的逐渐降低、岩屑含量的增加,也逐渐过渡为致密压实蚀变相.另外,在河道砂体底部的滞留沉积中,若富泥砾或杂基,通常也是致密压实蚀变相.该种成岩亚相的岩石学特征表现为泥质杂基含量较高,一般在13%左右,岩屑含量很高,一般在37%左右,总胶结物含量少,一般小于2%.各类孔隙均不发育,平均面孔率不足1%,储层物性差.

4.6紧密压实相以强烈的压实作用为特征[21],一般分布在河道间泥、河漫湖泊、河漫滩、河漫沼泽等低能环境中.该种成岩相的岩石学特征表现为泥质或杂基含量高,一般在20%以上,各类胶结物含量少,一般无可见胶结物,各类孔隙均不发育,镜下无可见孔隙,储层物性差.

总体上看,溶蚀-胶结相储层成岩演化结果都成为有效储层[23-25],对应气层或含气层.高岭石-硅质胶结相储层成岩演化结果一般为有效储层,多数对应含气层,少数为干层.压实压溶相储层成岩演化结果一般为无效储层,多数对应干层,少数对应含气层.紧密压实相储层、致密压实蚀变相储层和钙质胶结相储层的成岩演化结果都为无效储层,对应干层.

5 结论与认识

1)苏里格气田盒8段储层以中-粗粒石英岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主.颗粒分选中等,磨圆度多为次棱角-次圆状,颗粒间接触关系以线接触为主.岩屑类型以变质岩屑为主,粒间见少量杂基充填.砂岩总体上成分成熟度较高,结构成熟度中等.

2)粘土矿物X-线衍射、包裹体测温等资料研究结果表明:苏里格气田主力含气段储层目前处于中成岩B亚期,造成储层致密主要为压实作用、压溶作用及石英、方解石和高岭石的胶结作用,而发生在中成岩A期的溶蚀作用,是次生孔隙形成的原因.

3)根据控制孔隙演化的主要成岩作用,将储层成岩相划分为6类.分析了各类成岩相特征及主要孔隙类型,指出对储层发育的有利成岩相为溶蚀-胶结相、高岭石-硅质胶结相.

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(责任编辑游俊)

作者简介:马志欣(1982-),男,硕士,工程师,E-mail: mzx_cq@petrochina.com.cn

基金项目:国家重大科技专项(2011ZX05015-001)、中国石油天然气股份有限公司(2010E-23)联合资助

收稿日期:2015-03-04

文章编号:1000-2375(2015)06-0520-07

中图分类号:P618.13

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2015.06.002