鄂尔多斯盆地杭锦旗地区J58井区盒一段甜点储层特征及主控因素

胡辉东李贤庆陈纯芳刘洋张博翔

1. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083；2. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083；3. 中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083

近些年,国内外学者对致密储层研究较多,大多数学者将致密储层中物性相对较好且能够提供较高天然气产量的发育区定义为甜点储层[1-8]。鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组是典型的致密储层,具有低孔低渗、微观孔隙结构复杂的特点。国内学者对鄂尔多斯盆地石盒子组甜点储层的研究已取得很多成果,大多数学者从储层的孔隙率、渗透率以及含气饱和度等方面对甜点概念加以界定。林利明[9]将物性好(孔隙率大于6% ,渗透率大于0.5 mD,含气砂岩厚度大于4 m)且高产气井所在的位置,定义为甜点储层；魏新善等[10]结合鄂尔多斯盆地石盒子组实际勘探情况,将孔隙率大于10% 、空气渗透率大于1 mD 的致密储层,界定为天然气相对富集区,即甜点；徐清海[11]认为甜点区是含气饱和度大于50% 的纯气层。在对石盒子组储层致密化原因的研究中,众多学者将甜点储层致密化原因归结于前期机械压实作用和后期胶结作用[12-13]。张兴良等[14]系统研究了二叠系储集砂岩后指出,胶结作用在降低原生粒间孔隙的同时也增强了骨架颗粒的强度,对残余原生粒间孔的保存起一定的保护作用。大部分储集层中溶蚀作用对次生孔隙发育有促进作用,使其物性得到有效的改善,是最终形成甜点储层的关键因素[15-17]。杨晓萍等[18]认为,有效砂体的纵向展布和储集层物性控制着石盒子组致密储层中甜点的分布和规模；孙文举等[19]在石盒子组储层地震数据中总结甜点特征,并在平面上划分和预测甜点发育区。在甜点储层空间分布及预测方面,国内外学者主要依据物探测井资料、岩性资料、沉积相分析等信息,分析其致密化的机理、储层发育规律,并尝试恢复储层致密化的过程,建立岩石物理模型等方法对甜点储层分布、规模进行预测[20-26]。

J58 井区上古生界二叠系下石盒子组盒一段,是鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区的重点勘探层位。目前其沉积体系、储层发育特征、甜点区的空间分布等因素是制约油气开发的瓶颈。笔者结合试气测井资料、铸体薄片、压汞实验等方法,深入研究杭锦旗下石盒子组盒一段甜点储层的基本特征、沉积特征、成岩作用等,探明甜点储层发育的主控因素,并综合测井-沉积-成岩相方法对盒一段甜点区进行评价预测。

1 地质概况

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部,横跨伊盟隆起、天环坳陷、伊陕斜坡3 个构造单元,总面积约为9 825 km2,其构造位置主要位于伊盟隆起区,该区自古生代以来,长期处于相对隆起的状态,是油气运移的有利指向区[27-30]。

研究区J58 井区位于泊尔江海子断裂西南部,乌兰吉林庙断裂以东(图1)。J58 井区从老到新依次发育太古界、元古界、上古生界、中生界及新生界地层；自晚石炭世接受沉积以来,先后沉积了太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组。其中下石盒子组在全区都有发育,且储层为岩性油气藏,其中盒一、盒三段的储层物性好,产量可观,封闭的环境条件也有利于油气的聚集与保存[31-32]。盒一段为生气的主力层,埋深2 800 ～3 300 m,平均埋深3 000 m。

图1 研究区位置及重点井位Fig.1 Location map of the study area and key well

2 盒一段甜点储层特征

2.1 岩石学特征

J58 井区多口井的薄片鉴定结果的数据分析表明(表1),盒一段主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩,另外含有极少的长石岩屑砂岩；在陆源碎屑中,石英占比最高,含量为55% ～65% ,平均值为59.25% ；岩屑总含量为31% ～42% ,平均值为37.08% ；燧石、云母及长石含量极少。其中岩屑主要为变质岩,火成岩及沉积岩含量相对较少。

表1 J58 井区盒一段甜点储层陆源碎屑含量Tab.1 Content of terrigenous debris in the sweet spot reservoir of the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area %

J58 井区的多口井盒一段试气获得工业气流。通过对J95、J98、J101 等井区多口取芯井的岩芯观察,盒一段甜点储层的岩性包括含砾粗砂岩、粗砂岩、砂砾岩及少量泥岩,具有平行层理、板状交错层理、槽状交错层理或块状层理,颜色以浅灰色和灰白色为主(图2)。在单井剖面上,垂向岩性层序具有多期粒度正旋回,主要由砂砾岩、含砾粗砂岩、板状交错层理粗砂岩、中细砂岩组成。

图2 J58 井区盒一段甜点储层岩芯Fig.2 Core diagram of the sweet spot reservoir in the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

2.2 物性特征

物性是决定甜点储层的关键。通过对J 58 井区盒一段高产气水区200 余次岩芯样品数据分析(图3),盒一段优质储层孔隙率呈单峰分布,优势区间在6% ～14% 之间,均值为10.4% ；渗透率介于0.08 ～6.72 mD,平均值为0.965 mD。按照碎屑岩的划分标准,研究层段属于低孔-超低孔、低渗-超低渗类型储层[33-34]。对盒一段高产气层中孔隙率统计显示,大于10% 的样品占51.66% ；渗透率大于1 mD 的样品占40% 以上。由此可见,J 58 井区盒一段在整体致密的条件下仍有物性发育较好的甜点储层。

图3 J58 井区盒一段甜点储层孔渗分布直方图Fig.3 Histogram of porosity and permeability distribution of sweet spot reservoir in the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

2.3 孔隙类型及特征

结合铸体薄片和岩芯薄片的鉴定与分析,进一步探究J 58 井区甜点储层的内部空间特征,结果表明,J 58 井区盒一段储层主要的孔隙类型为原生孔隙和次生孔隙,前者主要为原生剩余粒间孔,后者主要为粒间溶孔,还可见填隙物内溶孔、裂缝、杂基微孔(图4)。剩余粒间孔是原生粒间孔在胶结作用后未被胶结物充填的孔隙；J 58 井区的原生孔隙以剩余粒间孔为主,如图4(a)(b)(c)所示,表明盒一段胶结作用强烈,充填了大多数的原生孔隙。成岩作用过程中,由于溶蚀作用会形成次生孔隙,杭锦旗地区盒一段的次生孔隙以粒间溶孔为主,如图4(c)(d)所示；J 58 井区盒一段填隙物较多,而粒间溶孔则是填隙物发生部分溶蚀形成的次生孔隙。另外,由于盒一段自生黏土矿物发育多,如自生高岭石、伊利石等,其自身含有微孔,在一定程度上加强了孔隙之间的连通。

图4 J58 井区盒一段孔隙类型Fig.4 Pore types of the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

对J58 井区3 口井(J98、J103、J111)12 余次样品进行高压压汞实验,结果见表2。其中,盒一段砂岩中值压力分布在7.703 ～28.534 MPa,均值为18.69 MPa；平均孔喉半径均值为0.227 μm；排驱压力范围0.417 ～1.470 MPa,均值为0.715 MPa；最大孔喉半径均值为1.168 μm；最大进汞饱和度为70.00% ～89.88% ,均值为80.59% ；退汞效率在34.58% ～58.43% 之间,均值为43.65% 。

表2 J58 井区盒一段高压压汞结果数据Tab.2 Data of high-pressure mercury injection results in the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

综上所述,盒一段孔隙结构复杂,孔隙间连通性较好,孔隙大小不一,有少量较大的孔隙存在,但总体分布较均匀。孔隙类型多、发育好、连通性强,有利于油气的运移和储集,是形成甜点储层的天然条件[35-36]。

3 甜点储层的主控因素

3.1 沉积作用

J58 井区位于鄂尔多斯盆地北部,距离盆地北部阴山古陆物源区较近,经历了由海到陆的演变过程,发育了多套沉积体系,其中下石盒子组盒一段甜点储层主要发育在冲积平原-辫状河沉积体系。盒一段沉积期,随着华北地台北缘进一步抬升,加上物源供给充足,地表径流作用活跃；辫状河发育在地形梯度相对较大的山前冲积平原,河流分叉改道频繁,形成河道交织的辫状水系,其沉积物颗粒粒度较大。沉积作用决定了粒度大小及分选性,对粒间孔的保存及储层的孔喉特征也有较大的影响。

3.1.1 颗粒粒度

对J58 井区5 口井120 余次样品的碎屑分类以及相应的孔渗数据统计结果表明(图5),J58井区含砾粗砂岩频数最大,且粗砂岩、含砾粗砂岩及砂砾岩占比60% 以上,粉砂岩、细砂岩少量分布；细砂岩的渗透率分布在0.01 ～0.1 mD 之间,含砾粗砂岩的孔隙率和渗透率变化范围较大。碎屑颗粒粒度与其孔渗呈明显的正相关,随着粒度的增大,其孔隙率和渗透率也随之增大,物性有变好的趋势。总体来说,研究区盒一段颗粒大小分布不均匀。颗粒粒度是影响储层物性的重要因素,是后期判断储层甜点发育的依据。

图5 砂岩种类频率分布及孔渗关系Fig.5 Sandstone type frequency distribution and porosity-permeability relationship diagram

3.1.2 沉积微相

测井相形态的差异反映不同的沉积微相特征。通过砂体沉积微相分析、岩芯分析(薄片、铸体、阴极发光、扫描电镜等),利用测井相中自然伽马曲线特征,可将J58 井区储层大致划分为高能心滩、低能心滩、河漫洼地及河道充填4 种沉积微相。测井相中,钟型曲线代表辫流水道沉积微相,其下部与河漫沉积泥岩接触；漏斗型曲线代表水体动力大、能量强的沉积环境,距物源区较近且含有丰富的碎屑物质,是典型的心滩沉积微相,也是甜点区发育的区域。当物源区有持续的碎屑物质供应时,漏斗型曲线会转化为箱型曲线；河漫沉积具有岩性纯度高、厚度大的特点,在测井曲线上表现为线型。综合分析盒一段测井曲线发现,其沉积微相常表现为复合发育模式,如箱型-漏斗型曲线组合对应的是心滩-辫流河道沉积微相；而甜点储层沉积微相以高能心滩为主,少数发育在低能心滩,测井相常表现为光滑箱型。

3.1.3 砂体厚度

J58 井区下石盒子组,水层在盒一段、盒二段、盒三段都有发育,气层主要发育在盒一段,但有效储层占比较小；纵向上,气水层相间发育,且气层主要发育在斜坡上倾区。结合研究区气产量与砂体厚度叠合图(图6),气区平面分布在砂岩厚度大的区域,砂岩厚度小的区域,其试气产量不理想或无产能。试气资料显示,J86、J98、J103、J110、J112 井气产量都很可观,达到甜点储层的标准；整体来看,这些甜点主要发育在砂体厚度10 m 以上的区域,所以单体砂岩厚度对气层的分布有一定的控制作用。

图6 J58 井区气区及试气日产量与砂体厚度叠合图（据中石化资料修改）Fig.6 Supperimposed diagram of daily gas production and sand body thickness in well J58 area（Modified based on data of Sinopec）

3.2 成岩作用

杭锦旗地区经历的成岩作用包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用、交代作用及重结晶作用。成岩作用对储层物性好坏起着相当大的作用。成岩作用根据其对储层物性的影响,可分为破坏性成岩作用和建设性成岩作用。

3.2.1 破坏性成岩作用

破坏性成岩作用是指使储层物性变差的成岩作用,包括压实-压溶作用和胶结作用。前人研究表明,早成岩时期的压实作用是造成储层孔隙率、渗透率降低的主要原因。压实作用的强弱与沉积物的粒度、分选性、泥质含量等有关。研究区全区压实作用普遍发育,由上述粒度和岩屑分析可知,盒一段水动力较强,颗粒粒度较大、分选较好,岩屑成分大部分已泥化,多重因素造成了研究区内压实作用明显,对原生孔隙破坏较大,其物性变差；而在石英等一些刚性颗粒含量较高的层段,碎屑颗粒以线接触为主,少见凹凸接触。由颗粒的接触方式可见,石英含量高的层段压实作用不发育。

胶结作用在后期成岩作用中也起着破坏性作用。研究区内胶结作用发育,在胶结作用下多种类的胶结物充填原生孔隙,砂岩变得致密、孔隙率渗透率都降低。在孔隙演化过程中,如果胶结物对原生孔隙的保护作用大于其对孔隙的破坏作用,此时胶结作用反倒成为有利因素。区内常见的胶结物有伊利石、绿泥石、高岭石、方解石、白云石等。如图7(a)所示,石英类胶结物主要以次生加大的形式产出,是溶蚀、蚀变的产物,其含量反映出储层中溶蚀、蚀变作用的强弱。

3.2.2 建设性成岩作用

溶蚀、蚀变作用属于建设性成岩作用,对储层的物性有优化改造作用,对提升孔隙率、渗透率有重要作用。盒一段储层中溶蚀现象普遍发育,包括颗粒的部分溶蚀和全部溶蚀,主要形成粒间、粒内溶孔及填隙物内溶孔(图7)。在酸性水的作用下,岩屑颗粒以及杂基中不稳定的成分蚀变成高岭石、溶孔等。不稳定组分的含量、酸性介质的停留时间以及孔隙的连通性,都是决定溶蚀作用发育的关键因素。溶蚀作用在很大程度上改善了储层的物性。

图7 成岩作用类型Fig.7 Type of diagenesis

总体来说,J58 井区甜点储层发育最有利的成岩作用为溶蚀作用,形成粒内、粒间溶孔,提高了储集性能；而压实作用、胶结作用、交代作用及重结晶作用等成岩作用造成储层的物性降低,是储层致密化的主要原因。研究区塑性岩屑含量较高,在压实过程中岩屑颗粒严重变形而成“假杂基”状,但石英等刚性颗粒对压实作用起到一定的抑制作用,所以研究区偶见石英颗粒因压实作用而形成的裂纹。

3.2.3 成岩演化

J58 井区下石盒子组经历了漫长的成岩演化过程,其中盒一段储层压实且致密,成岩作用十分复杂。通过对研究区盒一段成岩作用的类型、特征及成岩矿物的产状和相互间交切关系进行研究,确定其成岩演化序列为:沉积作用→机械压实作用→黏土胶结/薄膜→长石、岩屑蚀变→石英次生加大→绿泥石包壳→碳酸盐胶结→酸性溶液溶蚀溶解→构造破碎(图8)。在成岩早期,沉积物受机械压实作用的影响孔隙空间迅速减小,后期在持续压实、胶结、溶蚀等成岩事件的交替作用下,砂岩孔隙率在一定范围内变化,最终演变为低孔低渗储层。

图8 储层成岩演化（据中石化资料修改）Fig.8 Diagenetic evolution（Modified based on data of Sinopec）

3.3 甜点储层主控因素综合分析

杭锦旗地区J58 井区盒一段甜点储层形成过程中,前期压实作用使储层快速致密,其中石英等刚性矿物的存在一定程度上阻碍了储层致密化,保护了原生孔隙；后期成岩作用对储层有着建设和破坏两方面影响,根据盒一段成岩作用类型及演化特征,其建设性作用要强于破坏性作用。

综合分析两大主控因素,结合测井相及试气资料,根据沉积-成岩相模式,将J58 井区盒一段成岩相主要划分为中弱压实-岩屑溶蚀相、中强压实-杂基充填相和中强压实-石英胶结相(图9)。将研究区沉积微相主要划分为高能心滩、低能心滩、河道充填和河漫洼地4 种类型。研究还发现,J58 井区甜点主要发育在中弱压实-岩屑溶蚀成岩相和高能心滩沉积微相叠合区,在其他成岩相和沉积微相叠合区少有甜点储层,其中中强压实-石英胶结成岩相和河漫洼地叠合区几乎不会发育甜点储层。

4 结 论

(1) 杭锦旗地区J58 井区在整体致密的背景下仍发育有较好的甜点储层,天然气大多富集在此类储层,是下石盒子组的主力生气层段；岩石组分中石英的含量与储层的物性呈一定的正相关,其抗压实作用有效地保护了原生孔隙,阻碍储层致密化。

(2) 甜点储层的形成是多方面因素共同作用的结果——储层的物性及物质组成是条件,沉积作用是基础,成岩作用及演化是关键。J58 井区储层前期经历的机械压实作用是储层致密化的最直接的原因,后期的建设性成岩作用对储层的物性有决定性作用。

(3) J58 井区甜点区的类型为相控型,甜点储层主要发育在高能沉积相带和有利的成岩作用相带；甜点储层的预测与评价集中在中弱压实-岩屑溶蚀成岩相和高能心滩沉积微相叠合区。