青海柴达木盆地北缘构造带九龙山地区侏罗系储层特征

王 猛,杨永恒,王晔桐,蒋赟,孙国强,马进业

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国石油青海油田公司勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202)

九龙山地区侏罗系中统油页岩、碳质泥岩发育,生烃指标及源储配置好,是自生自储源内组合勘探的有利目标区[1]。近年来,在该地区布署的多口探井都有较好的油气显示,其中龙1井和龙2井均获得高产工业油气流[2]。生产实践也表明,九龙山地区侏罗系地层油气资源丰富,具有较大的勘探开发潜力。前人对柴北缘西段的沉积物源[3-4]、沉积体系[5-6]及成岩作用[7-8]进行过较多的研究,但针对九龙山地区储层认识方面的研究较少,对侏罗系储层特征、成岩作用及演化过程等认识不清,严重制约着该地区油气藏的勘探开发进程。本文利用岩心、铸体薄片、压汞等资料,从统计学和储层微观分析入手,系统地研究了该地区侏罗系储层的岩石学、储层物性、孔隙结构和成岩作用等特征,并探索储层发育的主控因素及形成机理,以期为柴达木盆北缘九龙山地区侏罗系储层的勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

柴达木盆地位于青藏高原东北隅,是青藏高原内部最大的内陆高原型含油气盆地[9],南邻昆仑山、北接祁连山、西北界为阿尔金山(图1)。其基本动力学背景是受到了印度板块向北挤压、同时受到北部阿拉善地块的阻挡及东侧华北板块、西侧塔里木地块的侧滑而形成的力偶环境[10]。九龙山地区位于柴达木盆地北缘构造带西段的赛什腾山与绿梁山之间,是北缘断块带内的一个二级构造单元,为侏罗纪以来继承发育的大型鼻状斜坡[1]。 研究区地势西高东低,西北侧为赛什腾山,西南为赛昆断陷,东北为嗷唠山和达肯大坂山,东南侧为绿梁山,为一呈NW向展布的狭长地带[8](图1)。

中生代晚期,柴达木盆地整体由早—中侏罗世伸展构造环境,转变为晚侏罗世—早白垩世挤压构造环境[11],在晚白垩世末期形成了大幅度的构造抬升,缺失上白垩统沉积[12]。主要经历早—中侏罗世断陷湖盆沉积和晚侏罗世坳陷湖盆沉积两大沉积阶段[13]。柴北缘东段在早侏罗世主要发育辫状河三角洲-湖泊沉积体系,气候条件温暖潮湿,形成一套厚层暗色泥岩[14];中侏罗世时沉积中心东移[15,16],沉积范围明显扩大,辫状河三角洲广泛发育、气候潮湿、沼泽广布[14]。

图1 柴达木盆地北缘断块带构造图Fig.1 Tectonic map of the northern Qaidam Basin

2 储层基本特征

2.1 储层岩石学特征

九龙山地区储集岩岩石类型主要以灰色中粒长石岩屑砂岩和灰色粗粒岩屑砂岩为主(图2a)。成分成熟度低,结构成熟度中等-差,磨圆以次棱角状为主。泥质杂基含量分布范围5%~15%,平均含量13.4%。胶结物以方解石为主(图3h)。

石英含量为17.81%~91.40%,平均含量为50.80%;长石含量为2.50%~54.55%,平均含量为16.91%;岩屑含量为4.11%~60.81%,平均含量为32.29%。

侏罗系储集岩粒度较粗,主要为中砂、粗砂和细砂岩(图2)。岩屑成分主要为石英岩、板岩、片岩和泥岩等,杂基含量较少、泥质胶结物和碳酸盐胶结物(图3a)发育,碎屑岩颗粒之间主要以点-线接触为主(图3c),颗粒支撑;分选中等-较差,磨圆为次棱角状为主(图3c)。

2.2 储层孔隙类型及特征

通过对九龙山地区侏罗系储层200余块样品的铸体薄片观察、统计和分析,可以看出,该地区砂砾岩的孔隙类型主要为原生残余粒间孔、粒间溶孔和粒内溶孔,其次为少量的裂隙。

2.2.1 原生残余粒间孔

研究区孔隙类型主要为原生残余粒间孔,是重要的有效储集空间。碎屑颗粒之间以点-线接触为主(图3d)。

2.2.2 粒间溶孔

长石风化程度较深,具有普遍的淋滤溶蚀现象。长石、白云石等颗粒和碳酸盐胶结物被溶蚀后形成粒间溶孔,其边缘呈犬牙状或港湾状(图3e)。其不同于颗粒被完全溶蚀后留下的铸模孔,铸膜孔为颗粒或晶粒被完全溶解,仅保留外部的幻影,形状较为规则。

2.2.3 粒内溶孔

主要为长石、岩屑等颗粒发生交代、蚀变或溶蚀后形成的粒内溶孔(图3f),这类孔隙较常见,但连通性较差。

2.2.4 裂缝

主要系受到沉积作用、构造应力和机械压实等成岩作用而形成(图3b)。其排列方向受构造应力控制,宽度受残余构造水平应力场的控制。

图2 九龙山地区侏罗系砂岩成分三角图和粒度分布图Fig.2 Triangular diagram and histogram of the Jurassic sandstone compositions in the Jiulongshan area

2.3 储层物性特征

储层物性特征是评价储层的重要因素。通过对研究区内取心段岩心样品统计分析可以得出,九龙山地区侏罗系储层孔隙度为5.1%~28.7%,平均为9.4%。从频率分布直方图(图4)可以看出,样品孔隙度在5%~10%的最多,约占34.12%,属于特低孔;其次为孔隙度<5%的样品,约占26.11%,属于超低孔;孔隙度在10%~15%的低孔样品约占21.46%;孔隙度>15%的中孔样品约占18.30%。总体上看,九龙山地区侏罗系储层样品呈现出以特低孔为主,超低孔-低孔为辅的特征。

研究区侏罗系储层的渗透率为0.2×10-3~218.71×10-3μm2,平均24.82×10-3μm2。频率分布直方图(图4)显示,渗透率分布在<1×10-3μm2样品数量最多,约占59.87%,属于超低渗;渗透率在1×10-3μm2~10×10-3μm2的样品约占27.88%,属于特低渗;渗透率>10×10-3μm2的低渗样品仅占约12.92%。这些数据表明,九龙山地区侏罗系储层总体上表现为超低渗为主,特低渗为辅的特征。

通过对九龙山地区侏罗系储集岩样品孔隙度和渗透率的相关性分析可以看出(图4),孔隙度和渗透率在对数坐标系中显示相关性较好,R2值为0.6799,说明九龙山地区侏罗系储集砂岩的孔隙类型以原生孔隙为主,溶蚀孔隙发育,物性受沉积环境影响明显。渗滤通道主要是与孔隙有关的残余粒间孔,而不是裂缝等其他通道,总体上属于孔隙型储层[17]。

压汞曲线可以用来评价储层的孔隙结构,压汞曲线形态主要受孔隙分布的歪度以及分选性两个因素控制,因此压汞曲线的形态在一定程度上反应孔喉的分选性、分布歪度及平均孔喉半径的影响,更全面地反映了储层的储集性能,直观地体现了孔隙结构特征[18]。根据九龙山地区侏罗系储集岩样品的压汞数据统计分析可以看出,排驱压力分布在0.12~0.97mPa,平均值为0.37mPa;最大连通孔喉半径主要集中在0.76~6.27μm之间,平均值2.71μm。压汞曲线出现近似的平台,喉道分选性较好,曲线形态以略细歪度为主(图4)。

图3 九龙山地区储集岩显微特征Fig.3 Photomicrographs of the reservoir rocks in the Jiulongshan area

3 成岩作用特征

狭义的碎屑岩成岩作用主要有压实和压溶作用、胶结作用、交代作用、重结晶作用、溶解作用、矿物多形转变作用等,这些作用相互联系、相互影响,共同影响和控制着碎屑沉积物(岩)的发育历史[19]。成岩作用会对储集岩内的孔隙进行建设性或破坏性作用,通常情况下,压实和胶结作用使储集岩孔隙度降低、储集空间减小,为破坏性成岩作用。溶蚀作用的结果形成了储集岩中的次生孔隙,改善了储层的物性,为建设性成岩作用[20]。

3.1 压实作用

压实作用(或物理成岩作用)是指沉积物沉积后在其上覆水体或沉积层的重荷下,或在构造形变应力的作用下,发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用[19]。在成岩阶段早期,压实作用可以大量排出碎屑沉积物中的水、降低原生空隙。在正常的压实作用下,埋深每增加1000m,孔隙度将下降4%~8%[19]。从铸体薄片可以看出,九龙山地区侏罗系储层在成岩过程中经历了较强的压实作用,塑性颗粒被挤压弯曲变形(图3g),部分刚性颗粒因压实作用破碎剧烈。储集岩中颗粒间接触较为紧密,接触方式以点-线接触为主,塑性颗粒挤压变形,对储层物性的破坏较为严重。

3.2 胶结作用

胶结作用是指从孔隙溶液中沉淀出的矿物质(胶结物将松散的沉积物固结起来形成岩石的作用。胶结作用是沉积物转变成沉积岩的重要作用,也是使沉积层中孔隙度和渗透率降低的主要原因之一[19]。九龙山地区侏罗系储集岩的胶结作用主要有碳酸盐胶结、黏土胶结和硅质胶结等。

研究区侏罗系储层的碳酸盐胶结物类型有方解石、铁方解石、白云石和铁白云石,胶结物常以粒状或镶嵌状的结构形式出现,主要填充于岩屑颗粒周围(图3h)及其粒间孔内(图3i),对储层物性影响较大。黏土矿物主要包括高岭石、绿泥石、伊利石一些混层黏土矿物等,其含量变化范围较大,以高岭石含量最高。其中高岭石多以孔隙充填或交代其他矿物产出(图8b),伊利石呈不规则的细小晶片产出,绿泥石多呈颗粒包膜或孔隙衬边形式产出[19](图8c)。硅质胶结物主要包括石英次生加大和氧化硅充填,石英是碎屑岩中最常见的硅质胶结物,其含量约占45.3%。硅质胶结主要为自形石英小晶体胶结,多产出于碎屑颗粒边缘的粒间孔隙表面、粒内溶孔或紧密接触的碎屑颗粒孔隙之中。研究区中长石风化程度较深,黏土矿物中高岭石含量最高,而长石风化转变为高岭石时可产生SiO2,因此推断SiO2主要来源于长石风化。

图4 九龙山地区侏罗系孔隙度、渗透率特征图Fig.4 Diagrams showing the distribution of the porosity and permeability of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用是指矿物在成岩过程中由于成岩环境的变化而发生溶解,从而达到新的物理、化学平衡的一种作用[21]。次生孔隙是储层中重要的油气储集空间,而形成次生孔隙的一个重要作用便是溶蚀作用。溶蚀作用根据产生原因可分为有机酸溶蚀和碳酸溶蚀。铝硅酸盐、碳酸盐和二氧化硅均可被有机酸溶蚀,碳酸主要对碳酸盐产生溶蚀作用[19]。储层内的碎屑颗粒、杂基、胶结物和交代矿物,甚至稳定的石英和硅质胶结物,在一定的成岩环境中都可以发生不同程度的溶蚀作用,从而形成次生溶蚀孔隙。通过对九龙山地区侏罗系储层砂岩的铸体薄片观察和统计分析可以发现,储层中岩屑、杂基、长石颗粒和碳酸盐胶结物都发生了不同程度的溶蚀作用,形成了粒间溶蚀孔隙、粒内溶蚀孔隙、粒缘溶蚀孔隙等多种类型的次生溶蚀孔隙。溶蚀作用是重要的建设性成岩作用,它提高了储集岩的孔隙度,有效地改善了储层的物性条件。

4 成岩阶段划分和成岩演化序列

碎屑岩的成岩阶段可以划分为同生成岩阶段、早成岩阶段、中成岩阶段、晚成岩阶段和表生成岩阶段。各阶段的划分依据不同,如:自生矿物分布、形成顺序、黏土矿物组合、有机质成熟度等[19]。

压实作用、胶结作用和溶蚀作用基本控制了九龙山地区侏罗系砂砾岩的储集条件,结合在扫描电镜下和镜下对自生矿物的形成特征及其之间相互关系,分析结果见图5和图7。碎屑颗粒间的接触类型主要为点-线接触,次生孔隙较为发育。黏土矿物主要以书页状高岭石为主,含伊蒙混层和伊利石、绿泥石等高成熟度黏土矿物,S<20%,可见石英加大Ⅱ-Ⅲ级,可判定该地区古地温超过100℃[8]。因此,根据碎屑岩成岩阶段划分标准[19],可初步判定九龙山地区侏罗系储层所处成岩阶段为中成岩阶段A期。

图5 九龙山地区侏罗系成岩序列图Fig.5 Diagenetic sequences of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

九龙山地区侏罗系储层的成岩序列为:少量黏土杂基沉淀→早期方解石胶结→机械压实→少量硅质胶结→酸性流体侵入→方解石等强烈溶蚀→大量油气侵入→少量晚期方解石胶结(图5)。沉积环境具有水动力强且变化大的特点,早期少量黏土杂基发生沉淀,碎屑岩结构成熟度低。咸水湖盆环境使得水介质主要呈弱碱性,有利于早期方解石胶结物形成。机械压实在成岩阶段早期作用明显,研究区砂岩储层压实作用是孔隙度减少的主要因素,其对原始孔隙造成的损失约为50%(图6),胶结作用对原始孔隙的损失约为22%(图6)。由于碳酸盐胶结物的抗压实作用,在早成岩阶段晚期仍有20%左右的原生孔隙得以保存(图5)。随着长石、石英等胶结作用的发育,其粒间孔隙有所减少;但是随着酸性流体的侵入,方解石等碳酸盐类胶结物发生大量溶蚀、蚀变作用,其溶蚀作用所增加的孔隙度可达40%以上。因此在油气大量侵入期间(中成岩阶段A期)该类砂砾岩储层的孔隙度仍可达到20%~23%(图7)。

图6 九龙山地区侏罗系砂岩胶结作用和压实作用与孔隙度关系Fig.6 Diagram showing the relationship between the cementation,compaction and porosity of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

图7 九龙山地区侏罗系成岩模式图Fig.7 Diagenetic model for the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

图8 九龙山地区侏罗系储集岩的胶结作用特征Fig.8 Photomicrographs showing the characteristics of the cementation of the Jurassic reservoir rocks in the Jiulongshan area

5 成岩作用对储层物性的影响

碎屑岩成岩过程中所经历的一系列成岩变化,对孔隙形成、演化、保存和破坏起着极为重要的作用,同时会对原生的和次生的裂缝产生重要的影响,进而对碎屑岩储层的物性产生决定性的影响[19]。因此,成岩作用的研究也是储层控制因素研究的重要组成部分。通过对九龙山地区侏罗系储层物性与成岩作用关系的综合分析,认为对砂岩储层物性和孔隙演化影响最大的成岩作用主要是压实作用、胶结作用和溶蚀作用。

储层孔隙度与埋藏深度关系密切,压实作用对砂砾岩储层物性影响较大,压实作用减少了50%左右的原生孔隙(图6)。胶结物类型对储层物性有着重要的影响作用,胶结作用减少了20%左右的原生孔隙(图6)。储集岩在埋藏过程中,达到一定埋深后,在合适的孔隙流体和一定的环境条件下,胶结物发生溶蚀、蚀变作用,产生次生孔隙,有效地提高了岩石的孔隙度。研究区储层的胶结物种类多样,溶蚀作用对象以碳酸盐类矿物和长石类矿物为主(图8)。镜下可见部分胶结物及碎屑颗粒被溶蚀形成次生溶蚀孔隙,对储层物性有一定程度的改善。碎屑岩储层粒间溶蚀孔隙和粒内溶蚀孔隙发育,溶蚀孔隙是其主要的储集空间。

6 结论

(1)九龙山地区侏罗系碎屑岩储层主要为灰色中粒长石岩屑砂岩和灰色粗粒岩屑砂岩,成分成熟度低、结构成熟度中等-差。碎屑颗粒接触类型主要为点-线接触。

(2)碳酸盐胶结物是研究区储层最主要的胶结物类型,以方解石、铁方解石、白云石和铁白云石为主,常以粒状或镶嵌状填充于岩屑颗粒周围。镜下可见石英次生加大现象,自生黏土矿物以伊利石和高岭石为主,其次为蒙脱石及伊-蒙混层。

(3)压实作用和胶结作用在不同程度上都对原生孔隙起到了破坏作用,压实作用减少了大约50%左右的原生孔隙,而胶结作用大约减少了20%原生孔隙,成岩作用后期的溶蚀作用对储层物性改善明显。九龙山地区侏罗系储层孔隙类型以溶蚀孔和残余的原生粒间孔为主,孔渗相关性较高。