伊拉克哈法亚油田白垩系Nahr Umr组砂岩储层物性控制因素

吕 洲,王玉普,王友净,代寒松,朱光亚,穆朗枫

(1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083；2.中国工程院,北京 100088；3.中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃 兰州 730020；4.北京大学 地球与空间科学学院,北京 100871；5.中国地质科学院,北京 100037)

0 引 言

目前，国内外学者针对伊拉克白垩系储层的研究主要集中在其分类、成因、成岩作用、储层质量、物性特征、孔隙结构及对油藏开发特征的影响等方面[1-12]。其中，国内学者的研究对象主要集中在伊拉克典型油田，如鲁迈拉、哈法亚和艾哈代布，研究内容集中在孔隙型碳酸盐岩储层，而关于伊拉克砂岩储层的研究较为缺乏[13-17]。Nahr Umr组作为伊拉克主要的砂岩储层发育段[18-22]，国外学者对该储层的探究起始于1949年[23]，Nahr Umr 组沉积于白垩系阿尔比阶，发育碎屑岩沉积，以中细粒砂岩和泥页岩为主[24-25]。Nahr Umr 组沉积厚度随构造位置而变化，主要为100～200 m[26]。Nahr Umr组沉积环境属于典型的海陆过渡环境，同时发育潮控三角洲和浅海滨岸相砂岩沉积，储层物性为中孔中高渗[27-28]。但目前研究显示，Nahr Umr组不同类型的储层孔渗差异明显，呈现出较强的非均质性[29]，孔渗关系并非遵从单一的线性关系，这就对非取芯井的渗透率表征提出了挑战，造成了储层物性预测的不确定性，加剧了后续加密井部署的困难。为解决上述问题，须明确Nahr Umr组砂岩储层物性的控制因素，引入控制储层孔渗关系的储层参数精细表征储层物性特征，降低储层质量表征的不确定性。本文以伊拉克哈法亚油田取芯井岩芯及相关储层参数实验数据为基础，从沉积微相、岩石学特征、黏土矿物含量、成岩作用、微观孔隙结构特征等方面对伊拉克哈法亚油田白垩系Nahr Umr 组潮控三角洲相砂岩储层物性的控制因素开展研究，以期为该储层的非均质性表征和三维地质建模提供可靠的地质依据，进一步指导后续的开发方案调整。

1 区域地质概况

哈法亚油田位于伊拉克东南部米桑省内，距伊拉克首都巴格达400 km，是以生物碎屑灰岩为主力产层的巨型油田。其构造上位于美索不达米亚盆地南部的前渊带内，整体呈NW—SE向宽缓长轴背斜，形成于新近纪扎格罗斯造山运动。基底由前寒武系结晶变质岩、下寒武统变质岩及火山碎屑岩构成。自寒武纪以来，伊拉克东南部长期处于古冈瓦纳大陆的北缘，主要发育地台型沉积；白垩纪构造活动总体较弱，主要发育浅海陆架碳酸盐岩，尤其是大规模的生物碎屑灰岩[22]; 纵向上发育 7 套含油层系，主要产油层为白垩系 Mishrif 组灰岩储层，其次为新近系 Jeribe组、古近系Upper Kirkuk 组和白垩系 Nahr Umr 组砂岩储层(图1)。其中，Jeribe组和Upper Kirkuk组为一套开发层系，简称JK层系。Mishrif组、JK层系和Nahr Umr组3套产油层产量之和超过油田总产量的 90%。

Nahr Umr 组沉积期的古地貌为西高东低的宽缓斜坡，物源来自研究区西侧剥蚀区，由西向东砂岩逐步变细并过渡为碳酸盐岩，其整体厚度在250 m左右，其中砂岩段(Nahr Umr组B段)厚度为40～70 m。哈法亚油田Nahr Umr组早期沉积的Nahr Umr组B段属于潮控三角洲相细粒碎屑岩沉积(图1)，晚期沉积的Nahr Umr组A段整体水进，碎屑供给降低，区内发育浅海碳酸盐岩台地灰岩[23]。目前，研究区内钻遇Nahr Umr组地层共 46 口井，其中 在A1 井对Nahr Umr组B段砂岩连续取芯，并完成储层物性、压汞实验、铸体薄片镜下观察、粒度分析、X-射线衍射分析等储层岩芯室内实验。

图件引自文献[24],有所修改

图2 哈法亚油田地层综合柱状图

2 沉积环境与储层岩相划分

根据区域沉积背景研究，确定了伊拉克哈法亚油田白垩系Nahr Umr 组潮控三角洲相和浅海滨岸相碎屑岩的复合沉积环境[30](图2)；利用系统取芯井岩芯分析岩石组分、结构、构造和垂向演化序列，并确认其测井相标志。研究区共识别了13种岩相类型，划分出6种沉积微相，在此基础上结合岩芯含油产状和生产动态确定了4类主力储集岩类(表1)。其中，沉积相和沉积相对应岩相组合的划分方案主要参考Dalrymple等的潮控三角洲相模式和沉积相组合[31-32]以及Bergman等的浅海滨岸相碎屑岩沉积模式[33]。

哈法亚油田Nahr Umr组岩芯包含了含砾砂岩-砂岩-泥质砂岩-粉砂质泥岩(Msl)-泥岩(Ms)的岩性序列，按照粒度和结构构造特征可以具体细分为13种岩相类型，分别为含砾砂岩、块状砂岩(SMI)、平行层理砂岩、低角度交错层理砂岩、交错层理砂岩(Sxl)、波状层理砂岩(Sfl)、生物扰动砂岩(Sb)、生物扰动泥质砂岩(Sba)、生物扰动交错层理泥质砂岩(Sclb)、生物扰动砂质泥岩(Msb)、水平层理粉砂质泥岩(Msltl)、块状泥岩和水平层理泥岩。其中，交错层理砂岩、波状层理砂岩、生物扰动泥质砂岩、生物扰动交错层理泥质砂岩厚度较大，岩芯含油产状普遍达到油浸—饱含油级别，是储层主要的岩相类型。

表1 Nahr Umr组岩相、沉积微相、储集岩类划分

根据岩性特征、岩相组合关系和相应的测井响应，确定了潮控分流河道、河口坝、间湾、临滨、过渡带和滨外浅海6种沉积微相类型(图3～8)。

粒度中，cobble为巨砾，pebble为中砾，granule为砾，sand为砂，silt为粉砂，clay为黏土；v为极粗，e为粗，m为中，f为细，t为极细；Py为黄铁矿；颜色一栏中左侧为岩芯主要颜色，右侧为次要颜色

图例同图3

Sid为菱铁矿；图例同图3

G1为海绿石；图例同图3

图例同图3

图例同图3

综合岩相描述与沉积微相岩芯-测井相特征，结合岩芯含油产状和对应射孔段生产情况，在厚度占比大于5%和累计厚度大于2 m的基础上，确定了4类主要储集岩类(表1)。按照含油产状和射孔段米采油强度，储层岩相由好到差依次是：潮控分流河道相交错层理砂岩、潮控分流河道相波状层理砂岩、河口坝相生物扰动交错层理泥质砂岩、临滨相生物扰动泥质砂岩。

3 储层物性特征及其控制因素

围绕钻井取芯，以岩芯观察为基础，综合物性、铸体薄片镜下观察、X-射线衍射分析、粒度分析和压汞实验结果，开展储层物性的控制因素分析，主要讨论了沉积微相、岩石学特征、黏土矿物含量、成岩作用及微观孔隙结构特征等对储层物性的控制作用。

3.1 沉积微相

储层物性参数来源于岩芯室内实验，通过常规物性实验测定岩芯孔隙度与渗透率，采用氦气法测定孔隙度，采用脉冲法测定渗透率。岩芯样品为标准栓塞岩样，取样深度为3 646.90～3 693.08 m，样品数总计103块。实验结果表明：样品孔隙度为1.70%～23.34%，平均为14.44%；渗透率为(0.078～2 604.544)×10-3μm2，平均为379.794×10-3μm2。

根据沉积环境与储层岩相划分结果，哈法亚油田白垩系Nahr Umr组B段沉积微相可以划分为潮控分流河道、间湾、河口坝、临滨、过渡带和滨外浅海6个沉积微相。将不同沉积微相的岩芯样品物性分析结果投入散点图(图9)中，结果显示：潮控分流河道相具有高孔高渗的特征，物性最好；临滨相具有中高孔中低渗特征，河口坝相具有中孔中低渗特征，物性次之；间湾相和过渡带具有中低孔低特低渗特征，滨外浅海相具有低孔低渗特征，物性最差。

典型样品铸体薄片观察结果表明：①潮控分流河道相[图10(a)]物源供给充足，水动力强，在河流作用和潮汐作用的往复冲刷下，岩石粒度较大，颗粒分选较好，黏土矿物含量较低，矿物类型以石英为主，颗粒支撑，胶结作用相对较弱，因此，物性在各沉积微相中最好;②临滨相[图10(b)]物源供给较少，河流作用较弱而潮汐作用较强，岩石粒度和分选稍差于潮控分流河道相，因陆源供给较少，黏土矿物含量相对较低，但临滨相中碳酸盐岩含量上升，碳酸盐岩胶结物含量增加，加之后期溶蚀作用，造成其具有中高孔中低渗的物性特征;③河口坝相[图10(c)]物源供给较为充足，河流作用较强而潮汐作用较弱，岩石粒度和分选稍差于潮控分流河道相，因陆源供给较充分，黏土矿物含量相对较高，又因距离碳酸盐岩沉积环境较远，碳酸盐岩胶结物含量低于临滨相使其具有中孔中低渗的物性特征;④间湾相[图10(d)]和过渡带[图10(e)]陆源供给少，水动力弱，岩石粒度小，其中，间湾相主要受控于河流作用，黏土矿物含量较高，造成其物性变差，过渡带主要近于海相沉积环境，碳酸盐岩胶结物含量较高，造成其物性变差;⑤滨外浅海相[图10(f)]水动力条件弱，取样岩性以粉砂质泥岩为主，呈低孔低渗特征。需要指出的是，因为本次研究对象是砂岩储层，滨外浅海相发育的泥岩并未涉及，所以滨外浅海相的岩芯测试取样点仅部分反映该沉积微相的物性特征。

a～f分别对应图10(a)～(f)的铸体薄片

3.2 岩石学特征

根据沉积环境与储层岩相划分结果，哈法亚油田白垩系Nahr Umr组主要储集岩类包括4类，分别是潮控分流河道相交错层理砂岩、潮控分流河道相波状层理砂岩、河口坝相生物扰动交错层理泥质砂岩、临滨相生物扰动泥质砂岩。本次研究所讨论的岩石学特征对储层物性的控制作用主要包括岩相类型、矿物组分和粒度3个方面。

3.2.1 岩相类型

将不同岩相的岩芯样品物性测试结果投入散点图(图11)中，结果表明：交错层理砂岩和波状层理砂岩具有高孔高渗的特征，物性最好；生物扰动交错层理泥质砂岩具有中孔中渗的特征，物性次之；生物扰动泥质砂岩具有中低孔低渗的特征，物性最差。因为岩相与沉积微相紧密相关，对储层物性的控制作用也具有一致性。交错层理砂岩和波状层理砂岩主要发育于潮控分流河道相中，其中交错层理砂岩发育的水动力条件略强于波状层理砂岩，物性较好；生物扰动交错层理泥质砂岩主要发育于河口坝相中，水动力条件弱于交错层理砂岩和波状层理砂岩，粒度较细，并且因生物扰动作用导致分选变差，其物性差于交错层理砂岩和波状层理砂岩；生物扰动泥质砂岩主要发育于临滨相中，水动力条件最弱，粒度最细，黏土矿物含量较高，且沉积位置更靠近浅海，碳酸盐岩胶结物含量明显上升。在上述4种储集岩类中，生物扰动泥质砂岩物性最差。

3.2.2 矿物组分

根据X-射线衍射全岩矿物组分分析，矿物组分中石英含量(体积分数，下同)为9.46%～97.15%(平均为78.94%)，钾长石为0%～4.06%(平均为0.37%)，斜长石为0%～0.47%(平均值小于0.01%)，方解石为0%～8.2%(平均为0.24%)，白云石/铁白云石为0%～23.06%(平均为2.53%)，菱铁矿为0%～61.11%(平均为3.69%)，黄铁矿为0%～11.78%(平均为1.60%)，硬石膏为0%～0.61%(平均为0.13%)。

矿物组分中，石英占大多数。以石英相对含量来表征岩石的成分成熟度，将不同岩相岩芯样品的石英相对含量与渗透率数据投入散点图(图12)中，结果显示大部分样品的石英相对含量与渗透率成正相关关系，随着石英相对含量的增大，渗透率增加。其他样品的石英相对含量与渗透率的相关关系不显著(图12中圆圈部分)，结合岩相分析结果，该类样品以生物扰动泥质砂岩和生物扰动交错层理泥质砂岩为主。生物扰动作用影响了原有的沉积作用，造成了储层物性的变化[34]。岩芯的石英相对含量反映了沉积时水动力的强弱：交错层理砂岩和波状层理砂岩的石英相对含量高，结合铸体薄片，这两类砂岩的矿物颗粒分选和磨圆均较好，代表了高成分成熟度和高结构成熟度，说明这两类砂岩的沉积环境水动力强，对物性起到了有利的影响；生物扰动泥质砂岩和生物扰动交错层理泥质砂岩的石英相对含量也较高，但这两类砂岩的矿物颗粒分选和磨圆较差，这种高成分成熟度和较低结构成熟度说明这两类砂岩的沉积水动力条件较弱，加之生物扰动作用的影响，造成了部分样品渗透率降低；粉砂质泥岩对应的沉积环境水动力最弱，石英相对含量最小，储层物性最差。

T为电气石;K为高岭石;Q为石英;Qo为石英加大;Fe-Dol为铁白云石胶结;O为有机质;DC为杂基;IP为原始粒间孔;Zi为锆石;SP为溶蚀孔

图11 不同储集岩类的岩芯孔渗散点图

图12 不同储集岩类的岩芯石英相对含量-渗透率散点图

3.2.3 粒 度

粒度分析结果显示：粒度为45～1 000 μm的矿物颗粒占总矿物颗粒95%以上；粒度中值为108.81～223.67 μm，φ值为2.16～3.20，属于细砂范围；分选系数为0.38～1.15，分选中等—好；粒度分布的歪度为-0.18～0.13，粒度分布相对集中。

从岩芯粒度中值-渗透率散点图(图13)可以看出，粒度中值与渗透率成明显的正相关关系，随着粒度中值的增大，渗透率增加。而依据各岩芯样品黏土矿物含量的不同，可进一步分为两个区域：当黏土矿物含量较低时(<5%)，粒度中值与渗透率的数据分布更为集中，相关关系更好；当黏土矿物含量较高时(>5%)，粒度中值与渗透率的数据分布较为分散，相关关系稍差。此外，在相同的粒度中值下，黏土矿物含量较高也会导致渗透率降低。

图中数据为各测试点的黏土矿物含量(%)

3.3 黏土矿物含量

根据X-射线衍射黏土矿物实验结果，黏土矿物含量为1.69%～49.07%，平均为11.8%。黏土矿物中，伊利石相对含量为0%～22.2%，平均为6.7%；高岭石相对含量为24.1%～100.0%，平均为70.3%；绿泥石相对含量为0%～59.2%，平均为12.2%；蒙脱石均转化为伊蒙混层，相对含量为0%～59.5%，平均为10.8%。

图14 不同沉积微相岩芯黏土矿物含量-渗透率散点图及典型铸体薄片照片

将岩芯黏土矿物含量与渗透率数据投入散点图[图14(a)]中，结果显示：当黏土矿物含量小于20%时，黏土矿物含量与渗透率成显著的负相关关系，即随着黏土矿物含量的增加，渗透率降低。当黏土矿物含量大于20%时[图14(a)中圆圈部分]，黏土矿物含量与渗透率的关系发生变化，这部分数据包括滨外浅海相、间湾相和部分过渡带的岩芯。铸体薄片观察[图14(b)、(c)]显示，该类岩芯显示明显的微观非均质性[35]，其黏土矿物含量虽然较高，但并非均匀地分布于孔隙中，而是集中分布于视域中的某些位置，在黏土矿物含量较少的部分仍可见大量孔隙，造成这类岩芯的储层物性与黏土矿物含量关系发生偏离。

3.4 成岩作用

成岩作用控制着储层物性的演化和分布规律。根据铸体薄片观察和扫描电镜实验结果，伊拉克哈法亚油田白垩系Nahr Umr组储层经历了多种成岩作用。从对储层物性的控制作用出发，将成岩作用划分为孔隙破坏性作用和孔隙建设性作用(图15)。其中，对岩芯孔隙起到破坏性的成岩作用主要包括压实作用、自生黄铁矿、高岭石、自生菱铁矿、石英加大和铁白云石胶结。对岩芯孔隙起到建设性的成岩作用主要包括原生粒间孔留存和溶蚀作用。

图15 成岩作用对储层物性的控制作用

3.4.1 压实作用

储层埋藏深度为3 600～3 800 m，压实作用从埋藏开始持续至中成岩阶段，储层经历较强的压实作用，表现为颗粒接触关系以线接触为主，颗粒排列较为紧密，明显减少了原生粒间孔隙。但是在Nahr Umr组B段储层中由于石英含量高、颗粒分选较好、塑性较强的泥质杂基较少，岩石成分成熟度和结构成熟度较高，所以抗压实能力较强，仍保留了一部分的粒间孔[图16(a)、(e)]。

3.4.2 自生矿物

铸体薄片和扫描电镜可以观察到普遍的石英次生加大现象[图16(a)、(c)、(e)～(g)、(i)]，产生的石英加大边充填了大量孔隙空间，使得颗粒接触关系更加紧密；同时可以观察到自生黄铁矿[图16(b)、(f)]和菱铁矿[图16(a)、(g)]分布于颗粒之间，造成孔隙度降低，并堵塞部分孔喉，减低储层物性。结合X-射线衍射黏土矿物分析，高岭石[图16(c)、(e)]在黏土矿物含量中占据绝大多数，且储层敏感性实验显示，高岭石以速敏为主，其他矿物敏感性均不显著，也说明黏土矿物中高岭石对物性起到了控制作用。

3.4.3 胶结作用

储层胶结物类型较为单一，主要为碳酸盐岩胶结物中的铁白云石胶结。随着成岩阶段的发展，铁白云石胶结[图16(d)、(i)]大量出现。在浅海滨岸相砂岩样品中，铁白云石胶结物普遍出现；这些胶结物大量填充了孔隙空间，并造成孔喉明显缩小，使储层物性变差[36]。

图16 成岩作用下典型铸体薄片与扫描电镜照片

3.4.4 溶蚀作用

观察孔隙类型可以发现：溶蚀孔大量发育，孔隙间分布的有机质[图16(a)、(j)]在埋藏过程中产生的有机酸为溶蚀作用提供了有利条件，并对铁白云石胶结物进行溶蚀，产生次生孔隙；在成岩过程中对储层物性的保存与改善提供了建设性的作用。

3.5 微观孔隙结构特征

图17 不同沉积微相岩芯中值孔喉半径-渗透率散点图

压汞实验结果显示，岩芯中值孔喉半径为0.004～16.616 μm，毛管压力曲线形态以低排驱压力、分选好、歪度较粗为主。将岩芯中值孔喉半径与渗透率数据投入散点图(图17)中，结果显示岩芯中值孔喉半径与渗透率成显著的正相关关系，符合泊肃叶定律和达西定律联立推出的公式[37-38]。沉积微相、岩石学特征、黏土矿物含量、成岩作用对储层物性的控制作用可知：潮控分流河道相沉积环境水动力强、粒度大、颗粒支撑结构、黏土矿物含量低、胶结作用弱，使得孔喉半径最大，物性最好；临滨相和河口坝相沉积环境水动力较强、粒度较大、颗粒支撑结构、黏土矿物含量较低、胶结作用较弱，使得孔喉半径较大，物性较好；过渡带、间湾相和滨外浅海相沉积环境水动力较弱、粒度较小、杂基支撑结构、黏土矿物含量较高、胶结作用较强，使得孔喉半径较小，物性较差。

综合4种储集岩类的压汞法毛管压力曲线(图18)可知：潮控分流河道相交错层理砂岩具有孔喉分选好、粗歪度的特征，孔隙结构最优；潮控分流河道相波状层理砂岩孔喉分选中等—好、中—粗歪度，孔隙结构非均质性强于交错层理砂岩，孔隙结构较好；河口坝相生物扰动交错层理泥质砂岩孔喉分选中等—差、中—细歪度，孔隙结构非均质性更强，孔隙结构中等—较差；临滨相生物扰动泥质砂岩孔喉分选差、细歪度，孔隙结构在4种储集岩类中最差。4种储集岩类孔隙结构特征对物性起到直接的控制作用，孔隙结构的优劣与物性的高低具有显著的相关性。

图18 不同储集岩类的岩芯压汞法毛管压力曲线

4 结 语

(1)伊拉克哈法亚油田白垩系Nahr Umr组B段潮控三角洲相砂岩储层整体呈中孔中渗的物性特征，沉积微相、岩石学特征、黏土矿物含量、成岩作用和微观孔隙结构均对储层物性起到了不同程度的控制作用。其中，沉积微相所代表的沉积作用影响着孔隙空间类型和孔隙结构，物性较好储层发育在水动力条件较强且岩石组分结构特征较好的储层中。成岩作用对储层物性起到了显著的改造作用，压实作用和胶结作用造成了原始孔隙大量充填，自生矿物和黏土矿物不仅减小了孔隙空间，并造成孔喉堵塞，物性变差，而溶蚀作用产生的次生孔隙改善了储层物性。

(2)最优质的储层发育在潮控分流河道相交错层理砂岩中。在潮控三角洲双向水流作用下，这类储层具有粒度大、分选好、石英相对含量高、黏土矿物含量低、胶结物含量低、孔隙发育、孔喉半径大的特点，对应的储层物性为中高孔高渗，是储层研究中最重点关注的对象。

(3)各项储层参数与物性的相关性图解均出现了不同数量与整体趋势不吻合的异常值。结合研究区地质特点，认为这类异常值的地质因素通常是储层较强的微观非均质性。而引起微观非均质性的主要原因是潮控三角洲相沉积背景下，河流与潮汐的双重作用导致黏土矿物分布不均，海陆过渡环境下不同沉积位置填隙物成分有所变化，加之部分储层受到生物扰动的改造。这些异常值的地质成因同样与储层物性的主控因素——沉积微相息息相关。