致密砂岩储层成岩相特征分析及测井识别

范宜仁, 李菲, 邓少贵, 陈智雍, 李格贤, 李俊秋

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)CNPC测井重点实验室, 山东 青岛 266580;3.中国石油西南油气田分公司重庆气矿, 重庆 400021; 4.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077; 5.黑龙江省地震局, 黑龙江 哈尔滨 150090)

0　引　言

沉积岩是沉积物经过沉积和成岩作用形成,砂体的空间分布和储集层的初始物性由沉积作用决定,而储层经历的成岩演化控制物性的变化,因此成岩作用成为影响储集性能和导致储层非均质性的主控因素之一[1-3]。相对于常规砂岩储层,致密砂岩储层往往经历的成岩过程更复杂,如压实、胶结等破坏性成岩作用和溶蚀等建设性成岩作用。孔隙度和渗透率的演化中成岩作用起到关键作用,在特定的沉积环境下,成岩作用类型、强度及组合(即成岩相)决定了有利储集体甜点的分布[4-7]。因此,成岩相的研究,对致密砂岩储层的综合评价和有利区带预测有深远的意义。

目前主要通过实验室岩心测试技术研究和分析成岩相,特别是阴极发光、铸体薄片、扫描电镜等体现微观特征的测试技术。这些方法取样成本高、耗时长、资料少,无法实现空间上成岩相的连续评价,为储层评价、有利区带划分造成了一定困难[8]。已有研究者尝试利用测井技术评价成岩相,并取得了一定的效果[9],但对于致密砂岩储层的研究相对较少,急需大量的实例验证其可行性和可靠性。本文以鄂尔多斯盆地西缘镇泾区块为例,开展致密砂岩储层成岩作用研究,进行储层成岩相分类评价与测井识别,以期为有利储集层预测提供更加可靠的依据,同时为致密砂岩储层的成岩相研究提供一定的借鉴。

1　区域地质概况

镇泾区块位于甘肃省东部镇原—泾川县境内,构造上位于鄂尔多斯盆地西缘天环坳陷南段,勘探面积约为2 511.15 km2,地层平缓西倾,构造简单,局部发育有小幅度鼻状隆起[1]。该区块主力油藏为延长组长8段,位于盆地西南缘辫状河三角洲前缘主体之上,储集砂体比较发育,并且北东方向靠近半深湖-深湖区可提供丰富的油源和较好的封盖条件,形成良好的自生自储式成藏组合,勘探潜力巨大。

镇泾区块长8储层现今埋藏深度约为1 860～2 140 m,仍受压实作用的影响。主要岩性包括岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩,颗粒粒度主要分布在细—中粒级,颗粒分选好—中等,磨圆度以次棱角状为主,岩石学特征表现为成分成熟度较低而结构成熟度中等。长8储层是低孔隙度低渗透率致密地层,孔隙度主要分布在0.4%～16.7%,平均为7.97%,渗透率分布在(0.009～1.36)×10-3μm2,平均为0.211×10-3μm2。

2　储层成岩相分类及特征

通过对岩心、铸体薄片、扫描电镜等岩样测试分析发现镇泾区块长8段主要经历了压实作用、胶结作用和溶蚀作用(见表1)。储层有机质处于低成熟—成熟阶段,最大热解峰温Tmax为435～445 ℃,镜质体反射率为1.02%～1.3%,砂岩中可见碳酸盐类、自生高岭石、绿泥石等胶结物,长石、岩屑等碎屑颗粒常被溶解,孔隙类型以次生孔隙为主。通过对压汞资料进行聚类分析处理,并考虑反映孔隙微观特征的最大孔喉半径、中值半径等参数将孔隙结构划分为4类:I类粗孔喉型,整个进汞曲线偏下,倾斜明显,排驱压力、中值压力较低,孔隙喉道粗;Ⅱ类偏粗孔喉型,曲线形态与I类相似,但排驱压力、中值压力都略有增大,分选相对较差,孔隙喉道偏粗,发育部分细孔喉;III类偏细孔喉型,物性变差,排驱压力较高,最终进汞饱和度较低,孔喉半径偏小;IV类极细孔喉型,压汞曲线斜率低,最终进汞饱和度最低,孔喉连通性差,孔隙喉道整体偏细,主要发育小孔隙、微孔隙(见图1)。

表1　镇泾区块长8段储层成岩相特征

图1　I类至Ⅳ类孔隙结构典型压汞曲线

按照石油天然气行业的碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T 5477—2003),研究区长8储层现今处于中成岩A期。在长8段沉积物所经历的成岩作用、所处的成岩阶段、成岩矿物的基础上,考虑成岩作用类型、强度和成岩矿物对储层的影响[11-13],将长8段成岩相划分为強溶蚀压实相、碳酸盐胶结致密相、高岭石胶结相和不稳定组分溶蚀相(见表1)。

2.1　强溶蚀压实相

强溶蚀压实相主要在三角洲前缘的分流间湾、席状砂等沉积相带中发育。主要岩性为岩屑长石砂岩、长石砂岩,压实作用下颗粒间镶嵌式接触,排列紧密[见图2(a)]。受压实作用使原生粒间孔隙受到挤压减小、封闭,喉道歪曲、消失,面孔率1%左右,孔隙类型为残余粒间孔、次生溶孔,孔隙度小于8.8%,物性较好。孔喉半径平均值为0.165 μm,主流喉道半径介于0.063～0.4 μm之间,是主要渗流通道,渗流能力较好[见图3(a)]。压汞曲线上显示高排驱压力特征(平均1.635 MPa),进汞曲线平行段偏上,最大进汞饱和度低,孔喉分选系数0.124,孔喉差异小[14-17],孔隙结构以III类偏细孔喉型为主(见图4、图5)。该类成岩相压实程度高,胶结物较少,但由于溶蚀程度较高,为研究区较有利成岩相。

图2　长8段储层铸体薄片和扫描电镜

图3　长8段储层不同成岩相孔喉半径分布

图4　不同成岩相的典型压汞曲线

图5　不同成岩相的孔隙结构类型

2.2　碳酸盐胶结相

碳酸盐胶结成岩相大多在河口坝、分流河道等较厚砂体中发育。岩性主要为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩。长8储层胶结物含量中碳酸盐含量高,约占48%～75%(平均含量为65%),主要以方解石连晶填充孔隙式胶结[见图2(b)],造成大量孔隙和喉道堵塞,发育少量微孔,孔隙类型以晶间微孔为主,孔隙结构发育很差,以III类偏细孔喉型、IV类极细孔喉型孔隙结构为主。碳酸盐胶结相的主流孔喉半径分布呈双峰,在0.016～0.025 μm和0.16～0.63 μm处,其中分布在0.16～0.63 μm是主要的渗流通道,孔喉对渗透率累积贡献率达96.7%[见图3(b)][14-17]。碳酸盐胶结相压汞曲线的排驱压力最高(平均1.871 MPa),孔隙半径平均值为0.091 μm,因为储层孔隙喉道整体细小,孔喉分选好(平均分选系数0.110)(见图4),储层物性差,平均孔隙度5.81%,渗透率平均值为0.143×10-3μm2,是研究区物性最差的成岩相。

2.3　高岭石胶结相

高岭石胶结成岩相大多在水下分流河道和三角洲平原分流河道发育,主要的岩性为岩屑长石砂岩,此外还有少量的长石岩屑砂岩。长8储层胶结物含量中高岭石占33%～50%(平均含量为28%)。高岭石生长在粒间孔或溶孔中,常形成一些极小的晶间孔,并伴有溶蚀现象,孔隙空间主要是长石粒内溶孔和黏土矿物晶间微孔,粒间溶孔罕见,物性较好,平均孔隙度7.81%,平均渗透率0.191×10-3μm2,孔隙结构主要以Ⅱ类偏粗孔喉型、III类偏细孔喉型为主。高岭石胶结相孔喉半径平均值为0.170 μm,主流喉道半径介于0.016～0.025 μm和0.16～0.63 μm之间,其中0.16～0.63 μm是主要的渗流通道,渗透率累积贡献率达97.66%[见图3(c)],是4种成岩相中渗流能力最好的[14-17]。压汞曲线显示排驱压力较低(平均1.602 MPa),仅高于不稳定组分溶蚀相,最大进汞饱和度略低于不稳定组分溶蚀相(见图4),是研究区较有利成岩相。

2.4　不稳定组分溶蚀相

不稳定组分溶蚀成岩相大多在水下分流河道和三角洲平原分流河道、中发育,主要岩性为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩。不稳定组分溶蚀相对储集空间的发育有重要影响,镜下可见到岩屑、长石或其他可溶组分溶解,颗粒内部溶蚀形成粒内溶孔,更为严重的颗粒全部溶蚀形成铸模孔,大大提高储层物性[见图2(d)]。孔隙类型主要为岩屑、长石颗粒溶蚀孔隙,不规则状,分布均匀,面孔率一般>1%,储层孔隙度一般为8.9%～11.2%,物性好。孔隙结构以Ⅱ类偏粗孔喉型、III类偏细孔喉型为主,有少量的I类粗孔喉型孔隙结构。孔喉半径平均值为0.197 μm,主流孔喉半径介于0.25～1 μm,对渗透率累积贡献率达91.1%[见图3(d)],是主要的渗流通道。整个进汞曲线偏下,中间平缓段长,排驱压力最低(平均1.296 MPa),最终进汞饱和度高,达72.4%(见图4)。该成岩相有利于有利储层发育和油气聚集,是最有利的成岩相[14-17]。

3　成岩相测井识别

3.1　成岩相的测井响应特征

不同成岩相矿物成分、孔隙结构、物性等的差异导致其在测井曲线上具有不同的响应特征(见图6、表2)。其中強溶蚀压实相受到压实作用影响,孔隙、喉道受挤压遭到破坏,但后期受溶蚀作用的影响较大,使得物性得到改善,因此在测井响应上显示密度值较低(2.5～2.55 g/cm3),电阻率较低(15.82～23.05 Ω·m)。

碳酸盐胶结相压实程度低,溶蚀作用中等,胶结程度高,中期碳酸盐胶结最为发育,碳酸盐连晶胶结、交代,方解石呈填充孔隙式胶结,使孔隙明显减少,导致储层密度值较高(2.51～2.64 g/cm3),声波时差低(185.95～221.52 μs/m),具有高的电阻率值(16.18～52.30 Ω·m),在成像测井中显示亮色块状。

表2　成岩相的测井参数特征

高岭石胶结相压实程度低,溶蚀作用中等,胶结程度高,高岭石胶结物的沉淀减少了部分孔隙,使物性变差,导致有较高密度值(2.45～2.65 g/cm3),声波时差中等(204.33～228.04 μs/m),略高于碳酸盐胶结相,有高电阻率值(14.52～45.29 Ω·m)。

不稳定组分溶蚀相主要受溶蚀作用的影响,岩屑、长石等不稳定组分溶解使得孔隙结构得到改善,物性变好,密度呈现低值(2.36～2.51 g/cm3),声波时差为高值(202.64～237.97 μs/m),电阻率值偏低(20.96～30.75 Ω·m),在成像测井中溶蚀孔呈现为暗色斑状。

3.2　成岩相的定量表征与识别

(1) 成岩相的定量表征。成岩相常用的定量表征参数有视压实率(Rp)、视胶结率(Rc)、成岩综合系数(C)等[18-19]。压实作用是造成储层低孔隙度低渗透率的主要原因之一,最终成岩效应使岩石粒间孔隙损失,储层物性变差。为充分反映原始孔隙空间体积受机械压实作用强度的影响采用视压实率(Rp)。随着压实作用的增强,孔隙、喉道变窄,储层密度增大,将视压实率与岩心归位后的三孔隙度测井数据进行拟合,发现视压实率与密度呈较好的正相关性[见图7(a)]。

Rp=383.50DEN-909.03(R2=0.78)

(1)

储层中胶结物充填、交代孔隙空间,使储层孔隙、喉道变窄,孔隙形态更复杂,砂岩的储集性能降低,且随着胶结物含量的增加,储层物性越差,常利用视胶结率(Rc)来反映胶结物对储集空间的影响程度。研究区储层视胶结率与孔隙度相关性较好[见图7(b)]。

Rc=-5.63φ+77.13(R2=0.77)

(2)

溶蚀作用可形成次生溶孔而使储层的储集物性得以改善。成岩综合系数(C)可以综合反应成岩作用对孔隙的影响,成岩综合系数越大,表明改善储层物性的成岩作用即溶蚀作用越强,在一定程度上用来表征不稳定组分溶蚀相。通过统计分析成岩综合系数与测井数据相关性,得到如下成岩综合系数的计算模型

C=-7.58DEN+0.15AC-8.59(R2=0.82)

(3)

研究区強溶蚀压实相主要成岩作用为压实作用,压实率大于60%,成岩综合系数小于4.86%。碳酸盐岩胶结相和高岭石胶结相均属于胶结相,主要成岩作用为胶结作用,胶结率大于30%,压实率较小。其中由于高岭石指示长石溶蚀和次生孔的发育,高岭石胶结相具有较好的孔隙结构和物性,声波时差较大有别于碳酸盐胶结相。不稳定组分溶蚀相的主要受使物性变好的溶蚀作用的影响,成岩综合系数大于4.86%[见图7(c)]。综上所述,通过测井资料计算视压实率、视胶结率和成岩综合系数等定量表征参数,可以在一定程度上实现成岩相的单井识别。

图7　成岩作用的定量表征

图8　典则判别函数

(2) 成岩相的测井识别。成岩变化引起的是测井曲线变化的综合响应,简单的测井特征交会图难以精确反映、识别成岩相。Fisher判别分析是一种通过观测变量研究样本分类的统计方法,在分析过程中对观测变量的线性组合生成多个判别函数,这些预测变量可以充分表征各个类别间的差异。为更完善地利用测井数据反映不同成岩相的特征差异,建立了成岩相Fisher识别模型[20-21]。在岩心归位和测井数据标准化处理的基础上,选取了对成岩相敏感的测井参数GR、DEN、CNL、AC、Rt,选取已经根据岩心分析确定成岩相类型的77个样本点进行典型判别分析(见图8),建立4类成岩相的Fisher典型判别函数式[见式(4)～式(7)],回判结果表明,不稳定组分溶蚀相、強溶蚀压实相、高岭石胶结相的判别率分别为80%、92%和78%,而碳酸盐胶结相回判正确率较低,为70%。为提高碳酸盐胶结相的识别,对混淆区成岩相进行分析,发现该成岩相的方解石含量明显高于其他成岩相(见图9),因此在Fisher判别的基础上采用最优化的方法计算方解石含量,辅助识别碳酸盐胶结相。

F1=-6.360GR+3790.722DEN+10.26AC-

1.979CNL+5.584Rt-5713.881

(4)

F2=-6.273GR+3808.274DEN+10.122AC-

1.993CNL+5.815Rt-5741.634

(5)

F3=-6.298GR+3805.588DEN+10.354AC-

2.293CNL+5.789Rt-5777.064

(6)

F4=-6.194GR+3730.059DEN+10.076AC-

1.859CNL+5.739Rt-5541.469

(7)

最优化方法是利用合理的多矿物模型并建立相应的测井响应方程组,通过选择恰当的地区参数、目的层参数的初值,推算出理论值,并使之在误差允许范围内充分接近测井实测值,从而得到最能反应储层真实地质情况的目的层参数[22]。结合本地区的实际情况建立多矿物模型,其中骨架参数见表3。与岩心分析结果相比,计算得到的方解石含量绝对误差0.61%,相对误差25.3%,验证了该方法的有效性。

图9　混淆区成岩相方解石含量

(3) 单井成岩相识别。利用上述方法对研究区成岩相进行单井判别分析,图10为×井识别效果。

表3　最优化骨架参数值

应用测井数据实现了成岩相的定量表征和Fisher判别,并利用最优化方法计算了方解石含量进行辅助识别碳酸盐胶结相,可以看出成岩相的识别结果与铸体薄片判别结果较为一致,验证了上述方法的准确性。

图10　成岩相识别的单井应用

4　结　论

(1) 综合利用铸体薄片、扫描电镜等资料,根据主要成岩作用的类型、强度和成岩矿物划分了镇泾地区长8储层成岩相:强溶蚀压实相、高岭石胶结相、碳酸盐胶结相和不稳定组分溶蚀相。

(2) 分析了不同成岩相的地质和测井响应特征。利用测井曲线计算的视胶结率、视压实率、成岩综合系数可在一定程度上定量表征不同的成岩相。

(3) 借助于铸体薄片,在岩心归位和测井数据标准化处理的基础上,选取了对成岩相敏感的测井曲线,建立了成岩相的Fisher判别模型,并利用最优化方法计算方解石含量进行辅助识别碳酸盐胶结相,取得了较好的应用效果,对有利区带的划分有一定指示作用。