砂砾岩致密储层填隙物特征及其对孔隙的影响

王玉祥

(大庆油田有限责任公司第四采油厂地质大队,黑龙江大庆163511)

砂砾岩致密储层填隙物特征及其对孔隙的影响

王玉祥

(大庆油田有限责任公司第四采油厂地质大队,黑龙江大庆163511)

徐家围子断陷沙河子组致密砂砾岩气展现出较好的勘探潜力,致密砂砾岩储层以高填隙物含量为典型特征,隙物的类型、成岩变化与储层孔隙发育密切相关。通过铸体薄片、扫描电镜、X衍射、物性测试分析,发现砂砾岩中发育泥质杂基、火山灰、碳酸盐、硅质、黏土矿物、黄铁矿等填隙物类型;填隙物中泥质杂基和碳酸盐含量最高,黏土矿物次之,硅质、火山灰发育少,黄铁矿偶尔发育;泥质杂基、火山灰为同沉积填隙物,硅质和黏土矿物多数形成于早-中成岩期,碳酸盐胶结物主要形成于成岩晚期。填隙物类型与砂砾岩孔隙度研究表明,早期硅质胶结增加了储层强度并促进了原生孔隙的保存,火山灰的溶蚀增加了孔隙空间;泥质杂其减少了原始孔隙并抑制次生溶蚀的发育,是减少砂砾岩储层孔隙度先天因素;黏土矿物破坏大孔隙的完整性,将大孔隙分割为若干微孔并提供晶间微孔,减少砂砾岩总孔隙度,但不是很显著;早期碳酸盐填隙多被溶蚀,晚期碳酸盐胶结物填充残余孔隙,导致储层进一步致密。

徐家围子断陷; 沙河子组; 致密; 砂砾岩; 储层; 填隙物; 孔隙

徐家围子断陷下白垩统沙河子组致密砂砾岩气的勘探初见成效,目前该区4口水平井和2口直井获得了工业气流[1-2],并有多口未试气井见到活跃的气测显示,展现出较好的致密砂砾岩气勘探潜力。同时,砂砾岩储层极其致密,储集空间以长石和岩屑溶孔为主,其次是晶间孔和微裂缝[3]。此类储层中填隙物的含量高,填隙物的类型、成岩变化与孔隙发育及保存密切相关[4-7]。深入研究填隙物特征是该区储层“甜点”预测的必要工作,也是该区下一步储层预测亟需解决的关键问题。

徐家围子地区是松辽盆地深层天然气最富集的地区[8-9],在下白垩统登娄库组、营城组常规天然气资源不断枯竭的形势下,下白垩统沙河子组致密砂砾岩气被寄予资源接替领域的厚望。沙河子组致密砂砾岩气的勘探刚刚起步,经过近年来的研究,目前已经认识到扇三角洲和辫状河三角洲是砂砾岩储层发育的主体环境,斜坡区是砂砾岩体发育的主体部位[2],暗色泥岩夹持或包裹砂砾岩体形成了有利的富气条件[3];同时认识到,砂砾岩的孔隙度多数低于6.0%,渗透率多数小于0.1 mD,属于低孔、超低渗储层范畴,孔隙类型主要为次生孔隙,孔隙尺寸主要为纳米-微米级别[10]。随着勘探的深入,为满足勘探选区和探井部署的需求,当前亟需深入认识储层孔隙发育的影响因素。填隙物含量高、类型多、产状复杂是沙河子组砂砾岩的重要特征,薄片分析表明填隙物平均质量分数达到10%以上,类型包括泥杂基、硅质、碳酸盐、黏土矿物等,产状包括泥质充填、黏土矿物包壳、次生加大等。填隙物直接填充砂砾岩的孔隙空间,对储层物性影响最为直接。因此,系统分析填隙物的类型、含量、成岩演化是分析砂砾岩储层孔隙发育影响因素的可行方法之一。

本次通过铸体薄片、X-衍射、扫描电镜、物性测试综合分析,系统研究了沙河子组砂砾岩中填隙物的类型、含量和产状特征,在此基础上,研究了不同类型填隙物对砂砾岩孔隙的影响。

1 地质概况

徐家围子断陷位于松辽盆地北部古中央隆起区东侧,呈北北西向狭长展布,勘探面积超过5 000 km2。断陷内下白垩统依次为火石岭组、沙河子组、营城组和登娄库组,上白垩统分别为泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组。下白垩统沙河子组是徐家围子断陷致密砂砾岩气勘探的攻关地层,该套地层沉积于徐家围子断陷的鼎盛期,物源来自东西短轴方向,断陷东部缓坡带主要发育辫状河三角洲,东侧陡坡带主要发育扇三角洲,深凹中心发育湖相沉积,局部发育湖底扇。辫状河(扇)三角洲向湖盆中心迅速演化为滨浅湖或半深湖相,沿物源方向相变快,垂直物源方向相带窄,垂向上多期三角洲叠合。沙河子组地层岩性以泥岩为主,砂砾岩在断陷斜坡带也较为发育,泥岩与砂砾岩接触面积较大,具有近源成藏优势。

2 填隙物类型及特征

填隙物沉积和成岩作用的综合产物,包括杂基和胶结物两类。借助普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、X衍射分析手段,发现砾岩中发育泥质杂基、火山灰、碳酸盐、硅质、黏土矿物、黄铁矿、浊沸石等填隙物类型。其中,黄铁矿、浊沸石含量低,对砂砾岩孔隙的影响也不明显,不作为本次探讨的内容。

2.1 填隙物类型与含量

累计开展了100余块砂砾岩样品的填隙物测试,表1列出了部分测试结果。由表1可知,砂砾岩中的杂基主要为泥质和少量的粉砂岩,体积分数一般3%～10%,平均为9.1%;碳酸盐填隙物成分包括方解石、铁方解石和铁白云石,体积分数0.5%～11.2%,平均为4.6%;硅质填隙物含量较低,体积分数一般不超过2.2%,平均为0.5%;黏土矿物类型主要为绿泥石,伊蒙混层和伊利石,体积分数一般15%～35%,平均为21.4%;黄铁矿含量较少,主要以交代碳酸盐的形式发育,体积分数平均为0.5%;浊沸石仅在个别样品中出现,体积分数平均为0.1%。

表1 沙河子组砂砾岩中填隙物的类型与含量Table 1 Content and types of interstitial fillings in sandy conglomerates of Shahezi formation

续表1

2.2 填隙物的显微特征

泥质杂基为同沉积填隙物,与碎屑颗粒同时沉积,含量反映水动力强弱,并影响储层的成岩演化[11]。根据薄片观察,该区高杂基含量(高于10%)砂砾岩中岩石颗粒多呈棱角-次棱角状,杂基支撑特征比较明显(图1(a)),粒间孔隙较少发育;低杂基含量砂砾岩中岩石颗粒多呈次棱角-次圆状,颗粒支撑为主,粒间孔隙相对发育(图1(b))。低杂基含量砂砾岩一般对应水动力较强的辫状河三角洲和扇三角洲分流河道微相,高杂基含量砂砾岩一般对应水动力偏弱的滨浅湖和冲击平原微相[12]。

图1 沙河子组砂砾岩中填隙物显微照片Fig.1 Micrographs of interstitial fillings in sandy conglomerates of Shahezi formation

火山灰也是同沉积填隙物,一般含有较高的不稳定组分,在成岩过程中很容易发育蚀变[4]。沙河子组砂砾岩的母岩成分主要为凝灰岩、流纹岩、粗面岩和安山岩[3],火山灰与这些碎屑颗粒一同经过短距离搬运后入湖堆积,因此火山灰的稳定性较差。根据薄片鉴定,砂砾岩中的火山灰主要为凝灰质,受水化作用的溶蚀,仅有较少的火山灰被保留下来(图1(c)),因此薄片中可观察到的火山灰较少。此外,凝灰质在成岩早期偏碱性介质条件下极易水化蚀变释放出Fe2+、Mg2+,有利于蒙脱石、绿泥石矿物的形成。

碳酸盐胶结物的成分以铁方解石(图1(a))和铁白云石(图1(e))为主,呈细晶-中晶产状,呈斑点状交代碎屑颗粒或黏土杂基(图1(f))。根据薄片观察,碳酸盐胶结物分两期形成:成岩早期碱性火山灰填隙物表面Ca2+、Mg2+与有机质氧化提供的CO2-3、HCO-3反应形成了少量方解石胶结物,但这部分胶结物多数被溶蚀,仅有少部分残留;中成岩A晚期之后,随着成岩环境由酸性向碱性转变,孔隙水中的CO2与Ca2+、Fe2+及Mg2+结合形成铁方解石和铁白云石。

硅质胶结物的形成与煤系烃源岩所产生的酸性流体息息相关,SiO2可由长石颗粒溶蚀或黏土矿物的转化提供,在酸性环境下,各种来源的SiO2极易就近沉淀于颗粒之间。镜下观察到的硅质填隙物主要有两种赋存状态,一是以细晶或微晶分布在粒间孔隙或次生孔隙内,沿着孔隙壁生长,晶形状较细,石英含量较低,呈星点状分布(图1(h));二是石英自次生加大边(图1(i)),环边状包裹碎屑石英颗粒,部分颗粒边缘能够见到明显的黏土或层状杂质的环边线,加大级别为2级,最宽可达到0.4 mm。

黏土矿物也是砂砾岩中重要的填隙物类型,成分以绿泥石,伊蒙混层、伊利石为主。绿泥石在扫描电镜下主要呈绒球状(图1(j))、叶片状发育(图1 (k)),绒球状绿泥石一般充填在孔隙中,叶片状绿泥石多包于颗粒表面;伊利石是介于云母和高岭石及蒙脱石间的中间矿物,研究区伊利石在扫描电镜下呈叶片状贴附于硅质、高岭石、绿泥石颗粒表面,或充填于粒间孔隙内,把孔隙分割成许多小孔隙,增加了迂回度(图1(l));伊蒙混层是水敏性矿物,是蒙脱石向伊利石过渡的矿物,砂砾岩储层中伊蒙混层多呈蜂窝状(图1(m))、发丝状(图1(n))发育。

2.3 填隙物的成岩演化

通过对孔隙中各类填隙物切割关系和充填关系的分析,总结出砂砾岩孔隙中各类填隙物成岩演化顺序(见图2):同沉积火山灰的早期水化反应-压实和压溶作用-少量高岭石胶结-绿泥石胶结、石英加大-早期方解石胶结-长石、岩屑溶蚀-晚期石英加大-晚期方解石胶结-黄铁矿交代。

图2 砂砾岩的成岩演化Fig.2 The diagenetic evolution of sandy conglomerates

值得注意的是,不同薄片中观察到的成岩现象也存在一定的差异:在石英含量高、分选性较好的砂砾岩中,主要发育压实作用、早期胶结作用、溶蚀作用、晚期胶结作用、交代作用;在泥质杂基含量高、分选性差的砂砾岩中,由于早期的压实作用导致原生孔隙大量减少,此后成岩流通在砂砾岩中的流通不畅,被溶蚀的物质不能及时的排出,导致溶蚀作用欠发育,成岩作用类型主要有压实作用、早期胶结作用、晚期胶结作用。

3 填隙物对砂砾岩孔隙发育的影响

3.1 建设孔隙的填隙物类型

孔隙中的沉积火山灰经历了较短的风化时间和搬运距离,保留了较多的不稳定组分,这些不稳定组分在成岩作用早期的水化作用中被溶解,这是火山灰有利于改善储层孔隙的机理。在机械压实作用导致原生孔隙大量破坏的情况下,煤系烃源岩产生的酸性流体侵蚀火山灰形成次生溶孔,很大程度上改善了储层的物性(图1(c))。此外,砂砾岩孔隙度的测试结果也表明这一观点,即600余块样品统计显示不含火山灰或凝灰质岩屑的砂砾岩的孔隙度多数小于4.0%,而富含火山灰的砂砾岩的孔隙度平均可达6.0%以上,富含火山灰的砂砾岩储层可到达Ⅰ类储层级别。

硅质胶结物的形成时期较早,沿着孔隙壁生长细晶或微晶石英增加了岩石的抗压强度,有效地保护了原生孔隙被压实作用破坏(图1(g))。此外,通过大量的薄片观察发现,硅质胶结物多数发生在石英含量较高的砂砾岩中,而在石英含量较少的砂砾岩中则较少发育,原因可能与石英矿物经压溶作用提供了SiO2来源有关,还可能与石英的支撑作用改善了成岩流体的流动性,促进了硅质胶结物的析出有关。由于硅质胶结物的含量较少,统计其对储层孔隙影响的难度大,但与硅质胶结物伴生的石英含量与砂砾岩孔隙度呈正相关(见图3)。

图3 砂砾岩孔隙度与石英含量的关系Fig.3 Relationship between porosity and quartz content of sandy conglomerages

3.2 破坏储层孔隙的填隙物

杂基对该区砂砾岩孔隙度具有破坏作用,其机理包括两方面,一是泥质杂基自身占据一定的孔隙空间,降低储层的原始孔隙度,因此砂砾岩中泥质杂基含量越高,储层孔隙度越低,即储层孔隙度与泥质杂基含量呈负相关(见图4(a));二是泥质杂基降低了砂砾岩抗压强度,在压实作用下容易被挤压至孔隙中,阻碍成岩流体的流通,抑制溶蚀作用的大规模发生,这最有可能是泥质杂基含量与砂砾岩溶蚀孔隙面孔率呈负相关的根本原因(见图4(b))。

图4 砂砾岩孔隙度、溶孔面孔率与泥质杂基含量的关系Fig.4 Relationship between porosity,rate of face porosity and mud matrix in sandy conglomerages

碳酸盐胶结物一方面堵塞孔隙,另一方面能够增加岩石的抗压强度并为后期溶蚀提供物质基础,因此,不少学者指出其在储层孔隙演化中扮演双重角色[13]。然而,沙河子组砂砾岩中的原生孔隙几乎丧失殆尽,残留少量原生孔隙的区域与胶结物含量关系不明显;虽然成岩早期的方解石溶解提供了一定孔隙空间,但在煤系酸性流体环境下难以形成较多的方解石胶结物[14-15],而且成岩早期形成的溶蚀孔隙很容易被后期的压实作用破坏,因而该区碳酸盐胶结的建设性作用微弱。在成岩后期,随着酸性流体相对减少和储层致密化导致的流体流动性变差,铁方解石和铁白云石胶结物开展快速形成,这些胶结物沉淀以后很少被溶蚀,常见铁白云石以孔隙式充填于粒间孔、粒间溶蚀孔中,进一步减少孔隙空间。胶结作用减少的孔隙度大致等于胶结物含量,碳酸盐体积分数与砂砾岩现今孔隙度具有较明显的负相关性(见图5)。

黏土矿物对储层孔隙的影响较为复杂,一方面绿泥石矿物充填在孔隙当中,破坏大孔隙的完整性,将大孔隙分割成小孔隙;另一方面,伊蒙混层和伊利石分布在颗粒表面,但很少见搭桥状充填的伊利石,对储层孔隙度的破坏小,而且绿泥石、伊利石和伊蒙混层自生发育大量的晶间微孔(图1(o))。因此,沙河子砂砾岩孔隙度与黏土矿物含量呈不太明显的负相关关系(见图6)。

图5 砂砾岩孔隙度与碳酸盐含量的关系Fig.5 Relationship between porosity and carbonate content of sandy conglomerages

4 结论

(1)徐家围子断陷砂砾岩储层中发育填隙物的种类多,含量高、期次复杂,多种填隙物同时发育,共同制约砂砾岩孔隙的发育。

(2)填隙物对砂砾岩孔隙演化的影响表现在:成岩早期火山灰水化反映和硅质胶结有利储层孔隙发育和保存;泥质杂基减少原始孔隙并抑制次生溶蚀的发育,黏土矿物在破坏大孔隙的完整性的同时提供大量的晶间,晚期碳酸盐胶结物填充残余孔隙使得砂砾岩孔隙空间进一步减少。

图6 砂砾岩孔隙度与黏土矿物含量的关系Fig.6 Relationship between porosity of sandstone and clay mineral content of sandy conglomerages in Shahezi formation

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(编辑 王亚新)

Characteristics of Interstitial Material in Sandy Conglomerate and Its Effects on Reservoir Porosity

Wang Yuxiang
(Geological Brigade,The Fourth Oil Extraction Plant of Daqing Oilfields Co.Ltd.,Daqing Heilongjiang163511,China)

The successful exploration of natural gas in Shahezi formation opened the prelude for sandy conglomerate gas in faulted formation of Xujiaweizi depression in Songliao basin.Sandy conglomerateare characteristics by high interstitial fillings, complex types and various origins.The relationship between interstitial material and sandy conglomerate is unclear,which restricts the effective reservoir prediction.According to characterization of thin section,scanning electron microscope,X diffraction,physical testing,the types of interstitial fillings and the influence on sandy conglomerate reservoir are analyzed.The results show that the interstitial material types include mud matrix,volcano ash,carbonate,siliceous,clay minerals,pyrite, etc.The main interstitial fillings are mud matrix and carbonate,followed by clay minerals,silica and volcanic ash,with pyrite seldom developed.Mudmatrix and volcano ashare sedimentary fillings,silica and clay minerals are formed in the early to middle diageneticstage,and carbonate cements are mostly developed in late diagenetic stages.The relationship between interstitial fillings types and rock porosity indicates that mudmatrix plugs the pore throat and reduces original pore greatly.Siliceous cementation and chlorite cladding in the early diagenetic stage increase reservoir strength,which is conducive to the preservation of primary porosity.The volcano ash is easy to be dissolved,which is favorable for the development of secondary pores.Large poresare devided into small pores by clay mineral and a large number of micro pores are provided,so clay mineral content and the porosity are negatively correlated.Residual poresare filled by late carbonate cements,which increase the density of sandy conglomerate.

Xujiaweizi depression;Shahe formation;Tight;Sandy conglomerate gas;Reservoir;Interstitial fillings;Porosity

TE345

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.015

1006-396X(2017)01-0075-07投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-23

:2016-10-10

中国石油天然气股份公司重大科技专项“大庆油田原油4 000万吨持续稳产关键技术研究”(2011E-1202)。

王玉祥(1969-),男,工程师,从事石油地质研究;E-mail:dqytwyx@sina.com。