哈山地区二叠系致密碎屑岩储层特征及控储作用分析

宋梅远

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257000)

准噶尔盆地是中国西北大型含油气盆地之一,随着研究的深入,勘探层位逐渐由浅层的侏罗系、三叠系拓展到二叠系,且取得一定的勘探成效[1]。中石油风城组三段多口井钻遇良好油气显示,试油获高产,其中,风501井风三段发育扇三角洲前缘相砂岩,中途测试获78.4 t/d的高产;中石化胜利探区哈山逆冲推覆带前翼哈浅6、哈山1、哈深斜1等多口井在下二叠统风城组致密碎屑岩储层中见到丰富的油气显示,试油获突破,展示出二叠系广阔的勘探前景。目前针对哈山地区二叠系的研究多集中于风城组沉积环境、断裂活动及其沉积响应等方面[2-4],对其致密储层特征、控制因素及分布尚未进行系统研究,本文在李嵘、牛海青等[5-7]研究的基础上,综合钻井取心、测录井、微观薄片、扫描电镜等资料,对哈山地区二叠系碎屑岩储层特征及控储作用深入研究,以期明确有利储层展布,为勘探部署提供依据。

1 地质概况

哈山(哈拉阿拉特山)地区位于准噶尔盆地的西北边缘,构造上隶属于准噶尔盆地北缘哈-德(哈山-德伦山)构造带的西端,南邻玛湖富烃凹陷,北以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接,西部为扎伊尔山,整体呈北东-南西向展布[8]。有利勘探面积逾1 000 km2(图1)。

自晚古生代至第四纪以来,研究区经历了海西、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动,整体为一大型的逆冲推覆构造,具有“垂向分层、平面分带、东西分段”的地质结构特点[8]。依据构造变形特征划分为浅层超剥带、前缘冲断带、外来推覆系统、准原地叠加系统四个构造单元。

哈山地区自下而上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和新生界地层。二叠系划分为下统佳木河组(P1j)、风城组(P1f),上统夏子街组(P2x)和乌尔禾组(P2w),乌尔禾组在区内零星分布,风城组、夏子街组碎屑岩储层较为发育,风城组储层物性优于夏子街组。风城组细分为三段,其中风三段碎屑岩更为发育,主要分布在哈山西部前缘冲断带及哈山中东部外来推覆系统。

图1 准噶尔盆地哈山地区构造位置

2 碎屑岩储层特征

2.1 岩石学特征

哈山地区风三段碎屑岩储层主要为灰色、棕色的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩、砂砾岩、以及不同程度云化的砂岩,碎屑成分以石英、长石和岩屑为主,含一定量的白云石。石英含量在20%～50%之间,平均为36.3%,长石含量较低。岩屑含量在4%～41%之间,平均为8%,白云石含量为15%～20%,部分层段黑云母含量较高,达10%。胶结物主要为钙质,泥质次之,硅质较少,黏土杂基含量较低。

薄片鉴定及粒度分析资料表明,风城组三段碎屑岩储层以细、中粒为主,在0.15～0.35 mm之间,发育中砂岩、细砂岩;分选中等～较好，磨圆度较高,胶结类型以孔隙式胶结为主,当石英次生加大边发育时,颗粒呈镶嵌接触,在风城组偶见基底式。风三段碎屑岩储层整体成分成熟度中等、结构成熟度中等。

2.2 储集空间类型

根据铸体薄片观察,结合扫描电镜等手段,查明风三段碎屑岩储层的孔隙类型主要为次生溶蚀孔,原生孔隙甚少发育。次生孔隙主要包括溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔、填隙物内溶孔以及微裂缝。

(1)粒间溶孔为风城组三段碎屑岩储层主要的孔隙类型,呈2种产出形式:一种在剩余原生粒间孔的基础上溶蚀扩大而成,溶解组分主要为长石、方解石、岩屑等,外形呈港湾状,孔径大小和分布不均匀,一般在0.01～0.5 mm之间,最大孔径可达3 mm;另一种在岩石颗粒或泥质杂基晶间孔的基础上再溶解形成,一般呈长条状,此类孔隙较少见(图2(a))。

(2)粒内溶孔多沿着矿物解理缝、双晶缝、岩屑斑晶与基质的接触面发育,随着溶蚀作用加强,粒内溶孔逐渐变大。根据溶解程度,分为粒内部分溶解孔隙、颗粒溶解残余孔隙、铸模孔隙。粒内部分溶解孔隙多见于长石颗粒,沿解理面溶解,分布不均匀(图2(b));铸模孔隙为颗粒完全被溶解而保留其原样的孔隙类型(图2(c))。

(3)填隙物内溶孔胶结物和杂基内部被溶蚀产生的孔隙,多是碳酸盐胶结物溶蚀而成(图2(d))。

(4)该区微裂隙包括由于压实作用、收缩作用及各种构造应力作用形成的细小裂隙,仅局部区域可见,部分已充填,未充填微裂隙主要起到孔隙连通作用。

构造裂缝较细,常可切穿岩石颗粒、杂基等,缝内较洁净,少数充填有泥质、硅质和方解石等(图2(e));成岩裂缝,成岩过程中脆性颗粒压实破碎、边缘压溶、矿物转化收缩等作用形成的缝状孔隙空间;界面缝,岩石中颗粒因不均一收缩,沿颗粒表面产生的孔缝 (图2(f))。

根据镜下薄片、扫描电镜等统计,研究区二叠系风城组碎屑岩储层储集空间类型以粒内溶孔、填隙物溶孔等次生溶孔为主,占总储集空间的74%,主要溶蚀矿物为长石、碳酸盐岩胶结物,原生孔缝较少,表明储层遭受后期溶蚀改造作用较强。

图2 哈山地区二叠系风城组储层孔隙类型

2.3 物性特征

二叠系风三段碎屑岩孔隙度分布较集中,渗透率分布比较分散。孔隙度为3%～11%,平均7.69%,渗透率为(0.02～20)×10-3μm2,平均为1.11×10-3μm2,属低孔-低渗储层,但局部仍发育“甜点”储层。

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风三段碎屑岩最大孔喉半径分布跨度很大,但平均值小于2.5 μm,基本属于细喉—微喉。排驱压力在一定范围内变化较大,但平均值并不高,由于储集岩中裂缝发育,平均毛管半径多小于1 μm,属微小孔隙—微孔隙。孔隙结构属微小孔细喉、微孔微细喉、微孔微喉,评价为中下、差储层。

3 控储作用分析

对于深埋藏条件下的碎屑岩储层,原生孔隙已消失殆尽,次生孔隙成为油气的主要运移和储集场所[9-10],而次生孔隙的发育受多种因素的控制和制约。研究发现,哈山地区风城组碎屑岩储层性质主要受沉积相、成岩作用的影响,它们对储层的控制是相互联系的,但其作用不同。

3.1 沉积作用

物源及沉积相类型决定岩石的组分、类型和结构,哈山地区二叠系风城组以扇三角洲、湖泊相为主,自下而上整体表现为扇三角洲规模扩大,水体变浅的趋势,风三段扇三角洲前缘砂体发育。统计不同沉积微相砂体的岩心物性分析数据,结果表明沉积相对储层物性有较强的控制作用,扇三角洲前缘水下分流河道砂体平均孔隙度在10%以上。主要是因为扇三角洲前缘岩性多为砾岩、砂质细砾岩、砂砾岩等中粗岩性,粒度适中,分选相对较好,易于形成优质储层。

扇三角洲前缘岩石中的泥质杂基经过河水和湖水的反复淘洗,含量普遍较低,远远低于其他亚相砂岩和砂砾岩[11];风城组沉积初期碱湖环境,形成大量的碳酸盐岩胶结物,早期适度的碳酸盐岩胶结,在一定程度上可减弱压实作用的强度,并为后期胶结物的溶解形成大量次生孔隙创造条件。据不同沉积亚相杂基、长石及碳酸盐胶结物含量与孔隙度的关系(图3)可以看出,扇三角洲前缘贫杂基、富长石、碳酸盐适度胶结,是有利储层发育区。

3.2 溶蚀作用

溶解作用对改善碎屑岩储层的储集性能起到积极作用,目前多数学者认为溶蚀型孔隙是由有机酸或碳酸引起矿物溶解所形成的[12-13]。通过铸体薄片、扫描电镜观察、元素分析等查明,有机酸溶蚀是研究区风城组三段碎屑岩溶蚀孔隙形成的主要原因。研究区二叠系储层处于中成岩期A亚期-晚成岩期,该时期有机质在较高的温压条件下分解产生有机酸、水、CO2,进入碎屑岩储集层,将造岩矿物长石以及方解石等胶结物溶蚀,形成了大量的溶蚀孔隙。有机酸对长石等铝硅酸盐矿物的溶解有两种机制:一是羧酸与A13+结合,形成络合物溶于水而迁移,形成次生孔隙;二是有机酸与铝硅酸盐矿物反应,使矿物体积减小、孔隙增加[12]。

图3 哈山地区不同沉积亚相杂基、长石及碳酸盐胶结物含量与孔隙度的关系

哈山地区冲断带发育风城组优质烃源岩,哈深斜1、哈浅6等多井钻遇较厚的暗色泥岩,地化分析认为该套泥岩具有较好的生烃能力,以哈浅6井为例,有机碳含量为0.29%～5.35%,平均值达1.18%,

Ro平均为0.87%,热解最高温度值为425～451 ℃,有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1;硼含量为(68.9～202.4)×10-6,Sr/Ba比值为0.93～1.45,上述指标表明风城组还原咸水母源特征,为成熟优质烃源岩,烃源岩整体西厚东薄,中西部油源条件更为优越。该套烃源岩为溶蚀作用的发生提供溶蚀介质,热演化形成的酸性流体在断层裂缝的沟通下,与碎屑岩中的易溶矿物发生水岩作用,形成次生孔隙,从而改善储层的孔渗性。

3.3 白云化作用

风城组沉积时期气候炎热干旱,蒸发作用强烈,研究区形成了盐度偏高的半封闭还原湖泊,这种干燥型湖泊为白云岩化的发生提供有利条件。沉积物中富含有机质和凝灰物质,孔隙水中溶解大量CO32-以及Ca2+、Mg2+。在早期成岩演化过程中,由于压实作用、蒸发作用,孔隙流体排出,伴随少量碳酸盐沉淀;在中成岩阶段,有机质生烃排出的大量CO32-促进了碳酸盐的形成。

综合白云石结构、地球化学特征、白云岩形成环境、形成机理和沉积相,明确了哈山地区及周缘地区云化碎屑岩储层形成演化过程(图4)。

早二叠世末期,火山活动强烈,大量的火山灰下沉,使滨浅湖地区富含Ca2+、Mg2+,伴随蒸发作用,离子浓度增大,Ca2+首先沉淀形成方解石,随着Mg/Ca不断增大,经蒸发泵吸作用,产生准同生云化碎屑岩;晚二叠世末期,大规模的构造活动,裂缝发育,深部酸性流体沿断层、裂缝运移上涌,在断层附近沿裂缝及溶孔发育溶蚀孔缝型优质储层;晚白垩世末期,为构造调整期,发育小型断裂及裂缝,云化碎屑岩储层经历进一步改造。

不同构造带云化作用强弱存在差异,深洼带云化作用最弱,斜坡区相对变强,由于断裂的沟通,在断裂带附近云化作用最为强烈,孔缝发育,孔隙度达12.5%,发育优质储层。

图4 哈山及周缘地区云化砂岩储层成因演化

4 结 论

(1)二叠系风城组沉积晚期,物源供给增强,扇三角洲前缘相砂体发育,碎屑岩储集空间以颗粒内、粒间溶孔等次生孔隙为主,溶蚀矿物主要为造岩矿物长石及早期碳酸盐岩胶结物。孔隙度平均为7.69%,渗透率平均为1.11×10-3μm2,属低孔-低渗致密砂岩储层。

(2)扇三角洲前缘有机酸溶蚀及云化作用控制了碎屑岩“甜点”储层的发育:扇三角洲内前缘砂岩成熟度高、杂基少、长石含量高、碳酸盐适度胶结,为后期有机酸溶蚀提供了物质基础;云化作用增加了岩石的脆性,在断裂带附近云化作用最为强烈,裂缝发育,深部酸性流体沿断层裂缝运移上涌,形成溶蚀孔缝型优质储层。

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