江 琦, 丁曉琪, 劉曦翔, 任啟豪, 萬友利
( 1. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059; 2. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500; 3. 中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081 )
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鄂爾多斯盆地南部長8段砂質(zhì)碎屑流儲(chǔ)層特征及主控因素
江 琦1, 丁曉琪1, 劉曦翔2, 任啟豪1, 萬友利3
( 1. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059; 2. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500; 3. 中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081 )
利用鑄體薄片、掃描電鏡、X線衍射和CT掃描等方法,分析長8段砂質(zhì)碎屑流儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、物性特征、孔隙類型及其主控因素.結(jié)果表明:鄂爾多斯盆地長8段砂質(zhì)碎屑流具有單層厚度小、累計(jì)厚度大、橫向連續(xù)性差的特點(diǎn),既可單獨(dú)產(chǎn)出,也可與濁流相互疊置;巖屑長石砂巖的儲(chǔ)集空間主要是粒間孔,其次是粒內(nèi)溶孔和微孔,覆壓條件下滲透率較高,長石巖屑砂巖的主要儲(chǔ)集空間是微孔,其次是粒內(nèi)溶孔和粒間孔,覆壓條件下喉道閉合,滲透率急劇下降;砂質(zhì)碎屑流具有塑性巖屑和雜基含量差別大的特點(diǎn),壓實(shí)過程中塑性巖屑形變是砂巖致密的最主要原因.沉積環(huán)境是控制這類儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化,改善儲(chǔ)層物性的主要作用是溶蝕和構(gòu)造作用.
砂質(zhì)碎屑流; 長8段; 儲(chǔ)層特征; 主控因素; 鄂爾多斯盆地
針對(duì)鄂爾多斯盆地西南部三疊系延長組砂體沉積相的認(rèn)識(shí)存在不同的觀點(diǎn),如辮狀河三角洲沉積[1-2]、濁流沉積[3]等.隨著深水砂巖研究不斷深入,有學(xué)者認(rèn)為延長組的砂體有相當(dāng)部分是砂質(zhì)碎屑流[4-6].針對(duì)砂質(zhì)碎屑流,鮮本忠等[7]以南堡凹陷東營組為例,根據(jù)巖相研究,配合薄片、粒度分析,研究塊狀砂巖巖相類型、物質(zhì)來源、成因模式等,提供一個(gè)斷陷湖盆深水塊狀砂巖沉積研究的實(shí)例,也為陸相斷陷盆地中深水沉積油氣勘探提供新的思路;陳飛等[8]認(rèn)為富縣地區(qū)延長組存在砂質(zhì)碎屑流沉積,并探討其成因機(jī)制,論述砂質(zhì)碎屑流的沉積特征及分布規(guī)律;根據(jù)旬邑地區(qū)巖心觀察結(jié)果,葛毓柱等[9]認(rèn)為旬邑地區(qū)長8—長6油層組沉積巖中明顯發(fā)育砂質(zhì)碎屑流沉積,并且討論其沉積特征和成因機(jī)制,得出砂質(zhì)碎屑流為風(fēng)暴誘因的結(jié)論.除此之外,鄭榮才、廖紀(jì)佳、鄒才能等[10-12]也對(duì)砂質(zhì)碎屑流的特征、成因機(jī)制等進(jìn)行探討.
近年來,致密油成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點(diǎn)[13].根據(jù)資料查詢、巖心觀察、分析化驗(yàn)等,筆者分析鄂爾多斯盆地南部長8段砂質(zhì)碎屑流儲(chǔ)層特征及其主控因素,探尋優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布規(guī)律,為砂質(zhì)碎屑流中油氣勘探提供新的思路和方法.
鄂爾多斯盆地是一個(gè)大型內(nèi)陸盆地,也是中國最早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行石油勘探的含油氣盆地之一.盆地碎屑沉積物主要來源于北部的陰山古陸、西北緣的阿拉善古陸、南部的祁連—秦嶺古陸及西南的隴西古陸.研究區(qū)位于盆地的南部(見圖1),物源主要來自于西南的隴西古陸[14-15].長8段沉積期,由于湖平面下降,半深湖—深湖范圍明顯縮小,向西南方向遷至環(huán)縣—華池—正寧—志丹一帶[16],研究區(qū)的沉積環(huán)境主要為淺湖—半深湖.研究工區(qū)西南部主要為三角洲前緣沉積,東北部主要為重力流沉積.
圖1 鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組沉積相
砂質(zhì)碎屑流是由基質(zhì)支撐的一種塊狀流體,流變學(xué)特征指示它屬于賓漢流體或塑性流體,在其內(nèi)部,碎屑表現(xiàn)為順層運(yùn)移,底面不具有侵蝕性,頂面受凍結(jié)作用而呈不規(guī)則形狀,因此可見其頂面與上覆巖層呈凹凸接觸的特征.由于受顆粒的碰撞作用,一些較大的泥屑常被推擠到高濃度慢移“內(nèi)流層”和快移“濁流層”之間,當(dāng)內(nèi)流層凍結(jié)時(shí),撕裂的泥屑保留在塊狀砂巖的頂部[17].因此,在塊狀砂巖頂部發(fā)育的泥屑是砂質(zhì)碎屑流的典型標(biāo)志.
長8段巖心以塊狀層理細(xì)砂巖為主,砂巖內(nèi)部巖性均一,以灰色為主,粒度無明顯變化,單層厚度從數(shù)厘米到十余米不等,其頂、底常與黑色泥巖突變接觸,且接觸面平整,但有時(shí)其頂面也可與上覆泥巖呈凹凸接觸(見圖2(a));在砂巖的內(nèi)部可見大小混雜、無分選性和定向性的泥巖撕裂屑(見圖2(b)),但有時(shí)具有一定的成層性,還可見到砂質(zhì)滑塌過程中形成的陡傾泥巖充填層(見圖2(c)),以及厘米級(jí)的水平—低角度交錯(cuò)層理(見圖2(d)).這種發(fā)育于砂巖內(nèi)部的水平—低角度交錯(cuò)層理,被認(rèn)為是單期砂質(zhì)碎屑流頂部少部分砂體向濁流轉(zhuǎn)化后的沉積;局部還可見含砂質(zhì)礫屑細(xì)砂巖,厚度在1 m以下.礫屑主要由細(xì)砂巖和泥巖組成,分選差,無磨圓,呈雜亂散布,內(nèi)部發(fā)育的細(xì)層清晰可見.礫屑最大直徑可達(dá)20 cm,其中不同程度地見網(wǎng)狀裂縫被方解石充填(見圖2(e)).
世界上最大的深海塊狀搬運(yùn)沉積(MTD)是非洲東南部的阿古拉斯滑塌(Agulhas Slump),其規(guī)模達(dá)20 331 km3[18].鄂爾多斯盆地為內(nèi)陸大型湖盆產(chǎn)生的塊體搬運(yùn)沉積,與Agulhas滑塌相比,具有湖相塊體搬運(yùn)自身的特點(diǎn),主要表現(xiàn)在塊體搬運(yùn)規(guī)模小,即使是較大的塊狀搬運(yùn)沉積也難以達(dá)到0.1 km3;塊體側(cè)向尖滅快,邊緣厚度快速遞減,縱向上累計(jì)厚度較大,常表現(xiàn)為多期塊狀搬運(yùn)沉積的疊置(見圖3).
3.1 巖石學(xué)
長8段砂巖巖石類型以細(xì)粒巖屑長石砂巖和長石質(zhì)巖屑砂巖為主,砂巖中石英體積分?jǐn)?shù)為36%~59%,長石體積分?jǐn)?shù)為17%~36%,主要為鉀長石,含少量斜長石,巖屑體積分?jǐn)?shù)較高,為14%~44%,大量噴出巖巖屑、千枚巖和黑云母是該類砂巖的典型特征;此外,還存在極少量的碳酸鹽巖碎屑.砂巖分選中等,磨圓度以次棱—次圓為主,顆粒支撐,塑性巖屑少的砂巖以點(diǎn)—線接觸為主;反之,以線—凹凸接觸為主.膠結(jié)物主要為方解石、黏土等,其中方解石和黏土占有較高的比例,是造成這類砂巖低滲的主要原因之一.
3.2 物性
550余件砂巖物性測(cè)試表明,該段砂巖孔隙度分布在0.8%~18.5%之間,平均為5.8%,主要分布在2.0%~8.0%之間,占總樣品的80%以上;滲透率分布在(0.06~5.76)×10-3μm2之間,平均為0.34×10-3μm2,主要分布在(0.10~0.30)×10-3μm2之間,占總樣品數(shù)的60%以上.當(dāng)孔隙度小于8.0%時(shí),孔滲相關(guān)性較好;當(dāng)孔隙度大于8.0%時(shí),滲透率出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象,一部分滲透率分布在(0.96~5.76)×10-3μm2之間,另一部分滲透率分布在(0.11~0.62)×10-3μm2之間(見圖4(a));同時(shí),覆壓為20 MPa條件下,孔隙度變化不大,從平均6.2%下降到5.7%;滲透率變化顯著,從平均0.12×10-3μm2下降到0.07×10-3μm2(見圖4(b)).
圖2 長8段砂質(zhì)碎屑流沉積構(gòu)造標(biāo)志
3.3 孔隙類型及特征
長8段砂巖孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土晶間孔及裂縫等.
3.3.1 粒間孔
砂巖發(fā)育的粒間孔包括剩余粒間孔和粒間溶蝕擴(kuò)大孔.剩余粒間孔主要為綠泥石薄膜膠結(jié)后的剩余孔隙,分布并不均勻,一般發(fā)育在巖屑含量低的區(qū)域(見圖5(a)).粒間溶蝕擴(kuò)大孔主要是碎屑顆粒的邊緣被溶蝕形成的,主要為長石和巖屑的溶蝕,其形狀多樣,有港灣狀、伸長狀等,比較少見.
3.3.2 粒內(nèi)溶孔
粒內(nèi)溶孔是該類儲(chǔ)層主要的儲(chǔ)集空間之一,分布廣泛,主要是由不穩(wěn)定碎屑顆粒(長石和巖屑)遭受不完全溶蝕形成的.長石溶蝕主要沿解理縫進(jìn)行,常形成形態(tài)各異的溶蝕孔隙,一般呈蜂窩狀(見圖5(b));巖屑的溶蝕孔隙常無固定形態(tài).當(dāng)溶蝕作用較強(qiáng)時(shí),這些碎屑顆粒常被完全溶蝕形成鑄???見圖5(c)).粒內(nèi)溶孔在砂質(zhì)碎屑流中分布不均勻,多呈孤立分散狀.
3.3.3 黏土晶間孔
黏土礦物體積分?jǐn)?shù)平均為5.8%,黏土礦物主要為綠泥石、高嶺石、伊利石和網(wǎng)狀黏土.其中以綠泥石居多,體積分?jǐn)?shù)為53.2%;其次為網(wǎng)狀黏土,體積分?jǐn)?shù)為22.5%;最后是高嶺石和伊利石,分別為12.5%和11.8%.掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn),充填于孔隙間的黏土礦物晶間孔發(fā)育,雖對(duì)砂巖孔隙度有一定的貢獻(xiàn),但孔徑小,對(duì)砂巖滲透性的改善意義不大(見圖5(d)).
圖3 長8段砂體連井剖面
圖4 長8段砂巖孔滲關(guān)系
3.3.4 裂縫
鄂爾多斯盆地三疊系延長組地層裂縫十分發(fā)育,以垂直、高角度裂縫為主.無論是在盆地周邊露頭、盆地腹地的巖心錄井中,還是在薄片下,均發(fā)現(xiàn)天然裂縫的存在(見圖5(e-f)).裂縫不僅是低滲透儲(chǔ)層中油氣的重要滲流通道和有效儲(chǔ)集空間,還可控制低滲透儲(chǔ)層中油氣的產(chǎn)出程度.
圖5 長8段儲(chǔ)層孔隙類型
長8段砂質(zhì)碎屑流的物性主要受沉積作用、成巖作用及構(gòu)造作用控制.沉積作用在控制砂巖的分布范圍、巖石結(jié)構(gòu)及原始組分的同時(shí),也影響后期成巖作用的類型和構(gòu)造作用的強(qiáng)度.成巖作用不僅對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間有影響,而且最終決定儲(chǔ)層物性的好壞和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布.
4.1 沉積作用
碎屑巖地層中,沉積相對(duì)砂體的宏觀分布起重要的控制作用[19].研究區(qū)發(fā)育的主要沉積微相類型有砂質(zhì)碎屑流、濁流及重力滑塌.早期三角洲前緣水下分流河道砂體內(nèi)部夾厚度不等的泥巖層,在地震活動(dòng)、風(fēng)暴及火山活動(dòng)等影響下,存在于一定古坡度之上的沉積體向湖盆中心方向遷移,經(jīng)歷砂質(zhì)滑動(dòng)、滑塌、碎屑流3個(gè)演化階段,最終在淺湖—半深湖地帶形成平面上呈舌狀、連續(xù)性差、側(cè)向尖滅快,縱向上常表現(xiàn)為多期疊置,累計(jì)厚度較大的砂質(zhì)碎屑流沉積.
在滑動(dòng)、滑塌和碎屑流3個(gè)演化階段中,滑動(dòng)代表直移剪切運(yùn)動(dòng),沉積物塊體內(nèi)部無明顯的變形.滑塌是指在下凹面上運(yùn)動(dòng),代表旋轉(zhuǎn)剪切面運(yùn)動(dòng),內(nèi)部層狀泥巖發(fā)生變形甚至破裂,形成滑塌褶皺砂泥巖相、旋轉(zhuǎn)火焰構(gòu)造、泥巖陡傾層和破碎泥屑等.在最后砂質(zhì)碎屑流運(yùn)動(dòng)中,破碎泥屑進(jìn)一步變小,最終形成分散泥屑,甚至雜基.這些分散泥屑、雜基在壓實(shí)作用下塑性變形,占據(jù)原始孔隙空間,促進(jìn)儲(chǔ)層的致密化進(jìn)程(見圖6).
圖6 長8段砂質(zhì)碎屑流沉積模式(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)
4.2 成巖作用
除了受沉積作用的控制外,這類砂巖物性還受不同類型成巖作用的影響,包括:(1)機(jī)械壓實(shí)作用;(2)方解石、黏土的膠結(jié)作用;(3)不穩(wěn)定組分的溶蝕作用.
4.2.1 機(jī)械壓實(shí)作用
Lundegard P D認(rèn)為在大多數(shù)的砂巖中,孔隙減少的最主要因素是壓實(shí)作用[20],任艷等[21]也認(rèn)為壓實(shí)作用是影響儲(chǔ)層孔隙的主要因素.壓實(shí)作用是沉積物最重要的成巖作用之一,對(duì)砂巖的物性起重要作用.研究區(qū)目的層在地質(zhì)歷史中埋深最大不超過2 800 m[22-24],作用于骨架顆粒上的有效壓力相對(duì)較強(qiáng),且層內(nèi)含有大量的塑性巖屑(淺變質(zhì)巖、火山碎屑巖和泥屑).變形的塑性巖屑擠占原來的孔隙和喉道,使孔隙度、滲透率降低.在塑性巖屑含量高的砂巖段中,塑性巖屑常呈現(xiàn)假雜基化,石英、長石漂浮于假雜基之上.機(jī)械壓實(shí)作用是長8段砂巖物性變差的主要作用,但塑性巖屑的分布極為復(fù)雜,非均質(zhì)性強(qiáng),甚至在同一塊薄片中也能觀察到分布不均的特點(diǎn).在巖屑含量相對(duì)較少的位置,巖石骨架主要由剛性的石英、長石顆粒組成,其抗壓能力相對(duì)較強(qiáng),壓實(shí)作用相對(duì)較弱,粒間孔隙發(fā)育;反之,孔隙不發(fā)育.
4.2.2 膠結(jié)作用
膠結(jié)作用導(dǎo)致滲透率和孔隙度降低[25],是造成長8段砂巖致密低滲的主要影響因素之一,該類儲(chǔ)層膠結(jié)物成分主要為方解石和黏土礦物.
(1)方解石膠結(jié).方解石膠結(jié)較為常見,尤其是鐵方解石膠結(jié).強(qiáng)烈的方解石膠結(jié)導(dǎo)致儲(chǔ)層大量減孔,它對(duì)砂巖的影響僅次于壓實(shí)作用,平均減孔6%.薄片觀察統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),大部分薄片中的方解石體積分?jǐn)?shù)在5%以下,但局部很高.
(2)黏土膠結(jié).根據(jù)薄片鑒定、掃描電鏡及黏土X線衍射分析,砂巖黏土礦物有綠泥石、高嶺石、伊利石和網(wǎng)狀黏土,其中以綠泥石薄膜式膠結(jié)居多.在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中,綠泥石在黏土礦物中的體積分?jǐn)?shù)可以占70%以上,且大多以顆粒包殼的形式產(chǎn)出,說明其形成時(shí)間較早.由于這種早期形成的包殼提高砂巖的抗壓實(shí)能力,使得粒間孔隙得以保存(見圖7(a)).孔隙中充填的高嶺石、伊利石和網(wǎng)狀黏土(見圖7(b))占據(jù)孔隙空間,堵塞孔隙喉道,使得砂巖孔隙的連通性大幅下降,滲透率明顯變差.
圖7 長8段掃描電鏡下成巖作用特征
4.2.3 溶蝕作用
溶蝕作用是低滲透砂巖儲(chǔ)層改造的關(guān)鍵因素[26],主要發(fā)生于砂巖內(nèi)的長石和巖屑,幾乎未見方解石溶解.
(1)長石溶蝕.長8段砂巖的溶蝕以長石溶蝕為主,可見大量斜長石溶蝕,常形成蜂窩狀溶蝕孔(見圖7(c)),甚至鑄模孔.溶蝕作用主要發(fā)生在粒度較粗的細(xì)砂巖中,在粉砂巖和含泥質(zhì)紋層的細(xì)—粉砂巖中并不見長石的溶蝕.在孔隙度較高、孔隙喉道發(fā)育的地方,孔隙水具有相對(duì)高的對(duì)流速度,溶蝕的長石多數(shù)被帶出反應(yīng)體系,少部分向高嶺石轉(zhuǎn)化.對(duì)于塑性巖屑多的層段,早期的壓實(shí)作用導(dǎo)致巖屑大量減孔,后期孔隙水的對(duì)流受限,長石的溶蝕也變得緩慢,溶蝕的產(chǎn)物滯留在孔隙中或者向高嶺石轉(zhuǎn)化.
(2)巖屑溶蝕.巖屑溶蝕在目的層內(nèi)也較為普遍,以火山巖巖屑居多,可見少量變質(zhì)巖巖屑溶蝕,常形成粒內(nèi)溶孔或粒間溶蝕擴(kuò)大孔(見圖7(d)).
對(duì)比JH2井和JH25井,CT掃描顯示JH25井的孔隙連通性明顯差于JH2井的(見圖8(a-b));核磁測(cè)試得出JH25井較JH2井具有較高的束縛水飽和度(見圖8(c-d));薄片對(duì)比發(fā)現(xiàn)JH25井的巖屑較JH2井的多,并且JH2井的孔隙以粒間孔和溶蝕孔為主,連通性較好,而JH25井以溶蝕孔和微孔為主,且多呈孤立狀(見圖8(e-f));根據(jù)2口井的覆壓孔滲關(guān)系,覆壓為20 MPa條件下,JH2井孔隙度由常壓下的10.19%降至9.60%,滲透率由1.19×10-3μm2降至0.82×10-3μm2,而JH25井孔隙度從10.13%降至9.43%,滲透率由0.24×10-3μm2降至0.05×10-3μm2(見圖8(g-h)).盡管溶蝕作用在目的層較為發(fā)育,但對(duì)砂巖物性的貢獻(xiàn)有較大差別.對(duì)巖屑長石砂巖,溶蝕作用除了可增加孔隙度,還可改善孔隙結(jié)構(gòu),使砂巖孔隙度和滲透率增加.對(duì)長石巖屑砂巖,特別是塑性巖屑含量高的砂巖,雖然有部分溶蝕孔隙,但塑性巖屑的形變堵塞喉道,使溶蝕孔呈孤立狀;盡管孔隙度增加,但對(duì)改善砂巖的滲透性是微弱的.
4.3 構(gòu)造作用
鄂爾多斯盆地長8段自埋藏開始經(jīng)歷多期的構(gòu)造作用,由于致密砂巖具有巖性脆的特點(diǎn),在多期構(gòu)造作用的影響下,該地區(qū)裂縫較發(fā)育.根據(jù)巖心觀察,長8段構(gòu)造裂縫較為發(fā)育,主要發(fā)育高角度裂縫和垂直裂縫,也發(fā)育微裂縫.裂縫對(duì)儲(chǔ)層既有建設(shè)作用,又有破壞作用:一方面,它的存在增加地層中流體的泄流面積,改善儲(chǔ)層物性;另一方面,它對(duì)后期油田的注水開發(fā)具有災(zāi)難性的后果,易造成水淹.
長8段油藏開發(fā)成果表明:部分井雖然儲(chǔ)層物性差,但是能夠獲得較高的油氣產(chǎn)量,與裂縫有關(guān),如JH17井,平均孔隙度為5.0%,平均滲透率為0.19×10-3μm2(93個(gè)樣品),其產(chǎn)油為14.9 m3/d.對(duì)這種低孔低滲的致密型砂巖儲(chǔ)層,裂縫的存在可大幅提高儲(chǔ)層滲透能力.
圖8 JH2井與JH25井的CT、核磁、鑄體薄片和覆壓孔滲關(guān)系
(1)鄂爾多斯盆地長8段發(fā)育砂質(zhì)碎屑流沉積,單期碎屑流規(guī)模普遍較小,側(cè)向尖滅較快,多層碎屑流的疊置使其累計(jì)厚度較大,厚層砂巖表現(xiàn)為砂質(zhì)碎屑流與薄層濁流的縱向疊置.
(2)長8段砂質(zhì)碎屑流成因的塊狀砂巖具有巖屑含量和雜基含量變化大的特點(diǎn),縱向規(guī)律性不強(qiáng).塑性巖屑的形變是砂巖致密的主要原因,綠泥石環(huán)邊發(fā)育的砂巖儲(chǔ)集物性較好,網(wǎng)狀黏土及假雜基充填喉道的砂巖具有低滲透率的特點(diǎn).
(3)溶蝕作用在不同巖性的砂巖中具有不同的作用,巖屑長石砂巖的次生孔隙不僅可以增加孔隙度,而且可以改善孔隙結(jié)構(gòu),使儲(chǔ)集物性較好;富塑性巖屑的長石巖屑砂巖盡管有次生孔隙發(fā)育,但大多呈孤立狀分布,對(duì)砂巖物性貢獻(xiàn)不大.
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2015-09-01;編輯:陸雅玲
國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41302115)
江 琦(1991-), 男, 碩士研究生, 主要從事儲(chǔ)層地質(zhì)和儲(chǔ)層地球化學(xué)方面的研究.
TE121.2
A
2095-4107(2015)06-0056-10
DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.007