王 剑,周 路,靳 军,向宝力,胡文瑄,杨 洋,康 逊
(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610500;2.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院,新疆克拉玛依 834000;3.新疆砾岩油藏实验室,新疆克拉玛依 834000;4.南京大学地球科学与工程学院,南京 210023)
砂砾岩一直是油气勘探的重要领域之一。受沉积作用、成岩过程及溶蚀性地质流体活动等多重因素的控制,砂砾岩储层的非均质性非常显著,特别是在陆相湖盆发育的砂砾岩[1-4]。沉积作用形成了砂砾岩的岩石组构和成岩作用的物质基础。以准噶尔盆地玛湖凹陷为例,砂砾岩沉积环境由冲积扇向扇三角洲的转变,极大地拓展了凹陷斜坡区砂砾岩的勘探范围,直接支撑了百口泉组砂砾岩百里油区的勘探发现[4-7]。而在扇三角洲沉积体系内,优质储层又集中发育于扇三角洲前缘水下分流河道等有限沉积微相中,经过水体较长时间的淘洗,杂基含量少,分选性和磨圆度也较高,初始物性较好[4,6]。在成岩过程中,在含烃流体等溶蚀性流体作用下,促使长石等碱性矿物大量溶蚀,进而形成有利的次生孔隙发育带,又进一步提高了储层物性。靳军等【8】认为艾湖油田百口泉组扇三角洲前缘的水下河道与颗粒流沉积等具有较好初始物性的砂砾岩储层,在断裂沟通含烃流体促进下,钾长石等矿物的溶解形成了次生孔隙发育带,显著改善了砂砾岩的储集性能。康逊等【9-10】在储层中发现了钾长石和钠长石的差异溶蚀现象,具体体现在与油气充注相关的酸性流体促进了钾长石溶蚀,并且随着烃类充注强度不断减弱,钾长石溶蚀程度不断降低。而钠长石不溶解,甚至次生加大。可见,在砂砾岩储层成因研究中,厘清沉积作用、成岩过程及溶蚀性地质流体等关键因素的影响与贡献至关重要。
近年来,以准噶尔盆地二叠系—三叠系为代表的砂砾岩储层油气勘探取得重大突破,使之成为目前石油地质学研究的热点[11-12]。2016 年在玛南地区的玛湖8 井上二叠统乌尔禾组获得工业油流,而后从白碱滩扇到中拐扇部署探井,发现该地区上乌尔禾组砂砾岩油藏连片分布,显示出玛南较好的勘探潜力。实践表明,研究区乌尔禾组与上覆的百口泉组的沉积特征类似,为一套扇三角洲入湖的粗碎屑沉积体系,具有近源快速堆积、岩石粒径范围广、孔隙类型多样、储层非均质性强等特点[13-16]。在这些扇三角洲沉积体系,除了河道、水下河道沉积等正常的沉积外,大量发育泥石流等事件性重力流沉积[13-14],最终构建成砂砾岩夹泥岩的互层沉积体。受岩石分选、泥质含量差异以及后期成岩作用改造等因素的影响,不同岩相储集性能差异显著[14-16],最终导致油气差异性聚集[10,12]。庞德新等【14】将砂砾岩按成因的不同划分为牵引流砂砾岩及重力流砂砾岩两类,它们在成熟度、泥质杂基含量、孔隙类型等诸多方面均具有明显的差异,继而造成储集物性的巨大差异。目前针对该组储层成因的研究仍较为薄弱,优质储层发育的沉积微相不明确,关键成岩过程不清晰,储集空间类型也不明确。优质储层发育的主控因素及其成因成为下一步油气勘探的瓶颈,也制约着该层位砂砾岩油气藏的高效开发。
在明确岩石类型和沉积展布的基础上,分析玛南地区乌尔禾组储层成岩过程和储集空间类型,厘清优质储层形成的主控因素,并建立储层发育综合模式,以期指导该区砂砾岩油藏的勘探开发。
玛南地区二叠系乌尔禾组处于克百断裂带与中拐凸起之间[图1(a)],存在中拐扇和白碱滩扇两大物源体系。上乌尔禾组(P3w)与上覆的百口泉组(T1b)呈不整合接触,下乌尔禾组(P2w)与下伏的夏子街组(P2x)呈不整合接触,地层向西、北、东超覆尖灭,顶部地层被剥蚀[17-18][图1(b)]。研究区乌尔禾组与百口泉组的沉积环境类似,为一套重力流粗碎屑扇三角洲沉积体系,除水下河道等正常沉积外,还发育了水下泥石流和水下细砾质颗粒流等重力流沉积[4,15-16]。扇体砾岩间大量发育的水下河道间洪泛沉积褐色泥岩和较少的深灰色浅湖泥岩指示了扇体沉积水体较浅[19]。储集岩类型基本为砾岩和砂岩,且厚度较大,接受玛湖凹陷风城组等多套烃源岩供烃,具备形成大油区的良好地质条件[12,20-23]。
图1 研究区位置与乌尔禾组综合柱状图Fig.1 Location of the study area and stratigraphic column of Urho Formation
通过对玛南地区12 口取心井共271.36 m 岩心开展细致观察描述和153 张薄片鉴定,划分了玛南乌尔禾组的岩相与沉积微相类型。不同岩相对应于不同的沉积微相,具体又可细分为以下7 种:
(1)含泥砾岩Gm。主要为灰色、灰绿色,颗粒分选中等至好,杂基支撑至颗粒支撑。砾石磨圆较好,以次圆状为主,主要由粒径10~30 mm 的中砾组成,其以青灰色至黑色的基性火山岩砾石或凝灰岩砾石为主;基质以泥质为主,体积分数一般大于40%,见少量钙质胶结,岩石强度较低,易于松散。常发育块状构造,层理少见[图2(a)],单层厚度为0.5~3.0 m,为水下泥石流沉积。
(2)含泥含砂砾岩Gcm。主要为灰色或灰绿色,也见灰褐色,颗粒大小混杂,分选差至中等,颗粒支撑。砾石次棱角状至次圆状,基本由粒径10~50 mm 的中粗砾组成,成分为暗色的凝灰岩与火山熔岩为主,含少量长英质砾石;基质为砂质、砂泥混杂[图2(b)]。粒间泥质体积分数一般大于10%,局部层段可见方解石与沸石类胶结物。常见块状构造,少见叠瓦状构造,底部常发育冲刷面,单层厚度为0.2~1.0 m。该岩性为水下河道滞留沉积或水下泥石流沉积。
(3)砂质细砾岩Gcs。灰色,颗粒分选较差至中等,颗粒支撑。砾石体积分数大于50%,次圆状为主,粒径为2~6 mm 的细砾,成分为凝灰岩、火山熔岩、少量长英质砾。基质主要为砂质,其中泥质体积分数一般小于8%;砂质颗粒以次圆状为主,砂质主要为细小的火山熔岩砾石,其次为岩屑和长石与石英。常见递变层理与块状构造[图2(c)—(d)],单层厚度为0.3~1.0 m,为水下主干河道颗粒流朵叶体沉积。
(4)砂岩与含砾砂岩Sc(含砾粗砂岩、中细砂岩)。灰色、灰白色,颗粒分选较好至一般,以次圆状为主,颗粒支撑。粒间填隙物中,以泥质杂基为主,常见钙质胶结以及部分沸石类胶结。见块状层理、平行层理与交错层理[图2(c)—(d)],单层厚度为0.1~0.5 m。砂岩一般为水下分支河道沉积,指示了牵引流水动力条件。
图2 玛南地区乌尔禾组的岩相和储集空间类型(a)含泥砂砾岩,P3w,玛湖11 井,3 367.76 m;(b)粗砂岩与砂质砾岩,P2w,玛湖14 井,3 888.15 m;(c)平行层理粗砂岩于砂质砾岩,P3w,玛湖18 井,3 685.24 m;(d)递变层理细砾岩,P3w,玛湖14 井,3 682.05 m;(e)粒序层理含砾粗砂岩,P3w,玛湖014 井,3 682.05 m;(f)褐粉砂质泥岩夹少量含砾粗砂,P3w,玛湖14 井,3 683.5 m;(g)褐色粉砂质泥岩含砂质条带,P3w,玛湖014 井,3 683.50 m;(h)灰绿色泥岩夹粉砂岩,P2w,玛湖11 井,3 463.5 m;(i)灰绿色泥岩,P2w,玛湖11 井,3 463.5 m;(j)原生粒间孔部分被浊沸石胶结充填,P2w,玛湖11 井,3 462.90 m;(k)浊沸石再次溶蚀形成不规则状溶孔,P2w,玛湖11 井,3 461.50 m;(l)方解石部分溶蚀,且解理缝发育,P3w,玛湖8 井,3 350.45 m;(m)杂基收缩缝,P3w,玛湖11 井,3 373.25 m;(n)砾缘缝发育,部分充注油气,P3 w,玛湖8 井,3 350.45 m;(o)见构造成因的粒内缝,P2 w,玛中7 井,4 564.54 mFig.2 Lithofacies and reservoir space types of Urho Formation in Manan area
(5)泥质粉砂岩Sl。暗灰色,颗粒分选差,杂基支撑。为平行层理[图2(g)—(h)],单层厚度为0.1~0.5 m。为水下河道间或前扇三角洲沉积。
(6)粉砂质泥岩Fsm。褐色,偶含细砾,含20%~40%的粉砂,厚度为0.1~2.0 m。岩石呈块状[图2(g)],指示了水下河道间洪泛沉积过程。
(7)泥岩Fl。为灰绿色、暗灰色,偶含细砾,局部含少量粉砂,厚度为0.1~1.0 m。该岩相发育的湖相纹层[图2(k)],指示了正常湖相沉积环境。
乌尔禾组砂砾岩储层发育原生孔隙、次生溶蚀孔隙与微裂缝。受较高的泥质含量和压实作用的影响,乌尔禾组砂砾岩原生孔隙仅在部分岩相得到保存,而在成岩过程中形成了大量次生孔隙及裂缝。
原生孔隙为颗粒间未被杂基或次生胶结物充填的剩余孔隙[图2(j)]。原生孔隙的发育与沉积物泥质含量密切相关,受岩石类型与沉积微相的控制明显,主要形成于水下河道砂质细砾岩和砂岩中。这两种岩相泥质含量低,颗粒支撑,抗压实作用强,保存了部分原生粒间孔,利于后期油气充注。次生孔隙主要是浊沸石和方解石胶结物溶蚀以及长石碎屑溶蚀形成的孔隙[图2(k)—(i)]。在沸石发育段,可见明显的浊沸石溶蚀。该溶蚀是在酸性流体作用下,沿着解理缝开始,逐渐扩大,最终可形成100 μm 以上的孔隙空间。方解石的溶蚀也较为常见,一般在沿解理缝发生溶蚀,形成港湾状不规则的溶孔。长石的溶蚀也较为常见,但受长石碎屑含量相对低的控制,长石溶蚀的对储层的改善有限。次生孔隙中常见油气残留,指示次生孔隙是乌尔禾组砂砾岩重要的油气储集空间。整体而言,水下河道砂质细砾岩和砂岩等原生孔隙发育的岩相,次生孔隙较为发育。
研究区乌尔禾组砂砾岩的微裂缝普遍发育,呈砾间泥质杂基收缩缝、砾缘缝、粒内缝和解理缝产出[图2(m)—(o)]。微裂缝宽度可达30 μm,相互连通的微裂缝成为了砂砾岩储层油气的储集空间与很好的运移通道。
总体而言,浊沸石溶孔是玛南乌尔禾组砂砾岩储层的主要贡献者,其次为原生粒间孔与微裂缝。长石溶孔虽然普遍,但是由于乌尔禾组长石碎屑含量相对低,导致长石溶孔整体占比低。方解石胶结物溶孔受样品含油气丰度控制显著,在油浸至富含油的样品较为发育。
乌尔禾组不同岩相物性差异显著(图3)。对231 个样品物性数据统计分析表明,水下河道砂质细砾岩(Gcs)孔隙度为0.2 %~13.0 %,平均为6.84 %;渗透率为0.01~274 mD,平均为26.8 mD,集中在100 mD 左右。水下分支河道砂岩(Sc)孔隙度为4.2%~13.4%,平均为8.43%;渗透率在0.03~25.9 mD,平均为5.02 mD。其孔隙度分布具有双峰特征,一部分约为4%,另一部分为13%,可能指示了较多次生孔隙的形成。泥石流沉积的含泥砾岩(Gm)和含泥含砂砾岩(Gcm)孔隙度为0.2%~16.9%,平均为7.85%;渗透率为0.01~31.80 mD,平均为2.94 mD。前扇三角洲泥质粉砂岩(Sl)孔隙度为6.3%~15%,平均为9.43%;渗透率在0.02~6.14 mD,平均为2.19 mD。对比可见,水下河道砂质细砾岩和砂岩的物性远好于泥石流沉积的含泥砾岩和含泥含砂砾岩。
图3 玛南地区乌尔禾组不同沉积微相孔隙度与渗透率交会图Fig.3 Cross plot of permeability and porosity of different microfacies of Urho Formation in Manan area
乌尔禾组砾岩埋深已至3 500~4 000 m,常见的压实、溶蚀和胶结等成岩作用均已发生。对储层质量而言,破坏性成岩作用有压实作用与胶结作用(沸石胶结、方解石胶结、硅质胶结、泥质胶结),建设性成岩作用主要为溶蚀作用(沸石与方解石胶结物的溶蚀、长石溶蚀)。
压实作用在成岩作用过程中一直存在。在泥质杂基较少的岩石中,部分塑性岩屑压实变形、颗粒之间呈线接触和凹凸接触[图4(a)]。
乌尔禾组发育沸石、方解石、硅质和黏土矿物胶结作用。其中,沸石胶结是乌尔禾组非常特殊的一种成岩现象,包含了浊沸石和片沸石[图4(b)—(c)]。沸石常呈基底式胶结或者孔隙式胶结产出,并与硅质或方解石胶结物伴生。在镜下,浊沸石多为无色,一级灰白干涉色,两组完全解理,解理缝发育[图2(b)]。片沸石呈橘红色—橘黄色或者无色,一级灰白干涉色,多呈板条状,紧密堆积[图4(c)]。浊沸石常发生后期溶蚀,片沸石溶蚀有限。碎屑岩沸石胶结物普遍被认为与火山物质有关[25],研究区广泛存在的火山熔岩砾石、凝灰岩砾石以及火山物质杂基,很可能是形成沸石的物质基础。
方解石胶结物在研究区广泛分布,呈基底式或孔隙式胶结[图4(d)],至少可以划分为2 个期次。早期方解石于孔隙边缘紧贴颗粒发育,晚期方解石充填孔隙中间。部分层段可见方解石溶蚀,可能在一定程度上增大了物性。
硅质胶结主要以石英次生加大和自生石英晶体为特征。整体上,硅质胶结的含量不高。次生黏土矿物可见叶片状绿泥石、书页状高岭石集合体和少量丝发状伊利石[图4(e)—(g)]。
乌尔禾组发生了胶结物和长石碎屑的溶蚀。胶结物溶蚀以浊沸石和方解石溶蚀为主[图4(h)]。方解石溶蚀量相对浊沸石较小。长石碎屑常见钾长石的溶蚀[图4(i)]。由于乌尔禾组长石含量较低,长石溶蚀对储层改善的贡献较低。
图4 玛南地区乌尔禾组发育的典型成岩作用(a)塑性岩屑压实变形,玛湖11 井,3 360.13 m,P3w,单偏光;(b)浊沸石胶结,玛中7 井,4 463.05 m,P2 w,正交光;(c)片沸石胶结,玛湖14 井,3 810.05 m,P3w,单偏光;(d)碳酸盐胶结,玛湖013 井,3 886.25 m,P2w,单偏光;(e)伴随钾长石溶蚀沉淀的高岭石,玛湖11 井,3 361.7 m,P3w,背散射成像;(f)叶片状绿泥石,玛湖18 井,3 685.25 m,P3w,SEM;(g)粒间杂基中蒙皂石转化生成的伊利石,玛湖11 井,3 462.9 m,P2w,SEM;(h)浊沸石胶结物再次溶蚀,玛湖11 井,3 462.6 m,P2w,正交光;(i)条纹长石中钾长石发生了选择性溶蚀,溶孔充注了油气,玛湖11 井,3 361.7 m,P3 w,单偏光Fig.4 Typical diagenetic phenomena of Urho Formation in Manan area
以上分析表明,玛南地区乌尔禾组储集空间的形成受沉积微相的控制显著,部分层段受后期成岩流体改造,浊沸石、方解石和长石的溶蚀作用,明显改善了储层的物性。沉积微相基本对应于岩相,决定了岩石组成和结构,决定了原始物性的好坏。成岩过程在岩石岩矿组成和初始物性的约束下,主要受控于埋藏历史、热史、成岩流体类型与活动强度等因素[4,5,10,13]。从沉积微相、砂质颗粒组成、胶结物与黏土矿物含量等方面,探讨对储层物性的影响因素,进而总结玛南地区乌尔禾组砂砾岩储层的形成模式。
虽然乌尔禾组扇三角洲砂砾岩呈大面积厚层展布,但优质储层基本集中在扇三角洲前缘水下河道沉积微相中。砾岩储层的储集性能受砾石间填隙物成分的控制显著。砾间为砂质填隙物的岩相,由于颗粒支撑和泥质含量低,具有较好的初始物性,在成岩过程中可部分保持原生粒间孔隙,利于后期溶蚀性流体活动,进而形成大量次生孔隙。而砾间泥质发育的岩相,则具有较差的初始物性,原生粒间孔不发育,也不利于形成次生孔隙。对比可见,扇三角洲前缘水下河道砂质细砾岩和砂岩,填隙物泥质含量低,仍保存了一定量原生粒间孔隙,并发育次生孔隙,具有相对好的物性,形成了研究区砾岩储层的优势沉积相带(图5)。
从典型取心井来看,也是水下河道砂质细砾岩或砂岩叠置发育的层段为物性好、含油性好的优质储层。以玛湖014 井为例,上乌尔禾组取心段可分为水下河道砂质细砾岩叠置发育的上段和水下泥石流含泥或泥质砾岩集中的下段。上段和下段孔隙度差异不大,但上段的渗透率显著高于下段。试油结果显示,上段为油层和差油层,下段为差油层或干层,含油性明显比上段差(图5)。
压实作用下碎屑岩储层孔隙度会逐渐降低[图6(a)],但次生孔隙的发育、地层超压可减缓甚至增大储层孔隙度[2,10]。因此,砾岩中砂质颗粒的矿物组成可能影响原生孔隙保存和次生孔隙的形成,本文进行了针对性分析。结果显示,石英含量整体上与物性具有正相关关系:石英含量较高的层段,孔隙度和渗透率,特别是渗透率,为较高值[图6(b)]。此外,乌尔禾组孔隙度和渗透率均随斜长石含量的增加而降低[图6(c)]。这可能是碱性长石中钾长石选择性溶解,钠长石相对含量随之增大的结果[10]。钾长石的选择性溶解形成次生孔隙,一方面局部增加了孔隙度,另一方面改善了流体渗流的空间,增大了渗透率。
沸石胶结物常充填砂砾岩原生粒间孔隙,使得孔隙度大大降低[图6(d)]。但部分沸石在后期会发生溶蚀,大量次生孔隙的产生可改善砾岩储层[24]。浊沸石溶蚀孔即是研究区重要的储集空间类型。从下乌尔禾组到上乌尔禾组再到百口泉组,沸石呈现出方沸石逐渐增加,浊沸石与片沸石逐渐减少的趋势(图5)。
图6 玛南地区乌尔禾组孔隙度与深度、不同矿物含量交会图Fig.6 Relationships of porosity with depth and mineral contents of Urho Formation in Manan area
整体而言,储层物性与浊沸石和片沸石含量之间没有明显的相关关系,但是在上乌尔禾组上段底部,高的沸石胶结物含量,对应于高的孔隙度与渗透率(图5)。这可能指示了水下河道沉积砂砾岩存在较多浊沸石溶蚀作用,产生了较多次生孔隙。沸石含量与物性之间不明显的相关性,也指示了其胶结减孔作用与溶蚀增孔作用是相辅相成的,只是不同层段的次生溶蚀存在差异。
方解石胶结物在乌尔禾组发育不均匀,粒间黏土矿物为高岭石、伊蒙混层和绿泥石。自下而上,伊蒙混层、绿泥石含量整体上逐渐降低,它们与孔隙度、渗透率的关系并不显著。高岭石、方解石自下而上呈现出逐渐升高的趋势,与伊蒙混层、绿泥石表现出相反的规律(图5)。从玛湖014 井来看,方解石、高岭石含量与物性之间,特别是渗透率,存在一定的正相关关系,该关系可能是方解石和钾长石溶蚀的响应。
综合分析玛南乌尔禾组沉积微相、砂质碎屑颗粒组成、胶结物类型以及黏土矿物含量等因素对砂砾岩储层物性的影响,研究区优质储层的形成可总结为“沉积控制+断裂沟通+流体改造”三位一体的发育模式(图7)。
图7 玛南地区乌尔禾组砂砾岩优质储层发育模式图Fig.7 Genesis patterns of high-quality glutenite reservoirs of Urho Formation in Manan area
首先,沉积相带是优质储层形成的基础。不同沉积相带发育有不同的岩相,它们具有不同的岩石组构以及杂基含量。在该粗碎屑扇三角洲体系内,泥质杂基的含量直接影响了原生孔隙的发育程度,进而影响着原始物性的好坏。研究区水下河道砂质细砾岩和砂岩沉积物性最好,其次为水下主干河道滞留沉积含泥含砂砾岩。
其次,含油气流体溶蚀改造是研究区优质储层形成的关键。乌尔禾组砾岩中沸石溶孔是重要的储集空间,方解石胶结物和长石碎屑的溶蚀也贡献了部分次生孔隙。次生孔隙显著提高了该深埋砾岩体的储集性能。由于未经历显著的构造抬升和缺少深大断裂沟通幔源流体,下伏烃源岩层位排出的含油气流体是研究区主要的溶蚀性流体来源。含油气流体趋向于沿着渗透性好的优势泄压通道运移。在乌尔禾组,水下河道砂质细砾岩和砂岩为含油气流体运移的优势方向(图7)。
再者,断裂沟通深部烃源灶,断裂带一定程度约束了优质储层的分布。玛南斜坡区主要发育两期断裂:晚海西期—印支期逆断裂、印支期—燕山期继承性的压扭性质走滑断裂[25]。对于乌尔禾组,在上覆区域性泥岩盖层和侧向泥质砾岩的遮挡下,主要由于走滑断裂体系连通下伏烃源灶和上部储集层,油气才最终在该组砂砾岩体内得以成藏[2,25]。断裂沟通下伏烃源灶,成为含油气流体的运移通道,是目的层位砾岩储集性能得以改善的地质条件之一(图7)。在断裂的上倾方向,含油气流体优先充注水下河道砂质细砾岩和砂岩多期叠置层段,并持续溶蚀浊沸石、方解石和长石等碱性矿物,并最终形成乌尔禾组优质储层带。
(1)玛南地区乌尔禾组沉积于浅水扇三角洲体系,共发育了7 种岩相,不同岩相基本对应于不同的沉积微相,具体包括扇三角洲前缘的水下泥石流含泥砾岩、水下主干河道含泥含砂砾岩、水下主干河道颗粒流朵叶体砂质细砾岩、水下分支河道砂岩与含砾砂岩、水下河道间洪泛泥岩、前扇三角洲的粉砂岩和湖相泥岩。其中水下河道砂质细砾岩和砂岩物性较好,是储层形成的优势沉积相带。
(2)成岩过程中,压实作用、浊沸石等次生矿物的胶结作用破坏了原生粒间孔隙,但浊沸石胶结物和长石碎屑的溶蚀产生大量次生孔隙。这导致了该组储集空间以次生孔隙为主,其次为剩余粒间孔和微裂缝。水下河道砂质细砾岩和砂岩的初始物性相对好,有利于后期流体活动,浊沸石在该优势相带溶蚀较强,产生了较多次生孔隙。
(3)乌尔禾组优质储层的分布主要受沉积微相、沸石胶结物类型与含量、地质流体活动强度等因素的影响。优质储层发育具有“沉积控制+断裂沟通+流体改造”三位一体的成因模式。在断裂沟通下,与下伏烃源灶连通起来的水下河道等优势沉积相带,酸性含油气流体活动较强,有利于浊沸石等矿物的溶蚀。靠近断裂的水下河道叠置沉积层为研究区优质储层,具有良好的油气显示。