宋金鵬 ,郇志鵬 ,田盼盼 ,楊連剛 ,代俊杰 ,王珠峰 ,邱升梁
(1.中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000;2.中國石油塔里木油田分公司克拉油氣開發(fā)部,新疆 庫爾勒 841000;3.中國石油塔里木油田分公司安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心,新疆 庫爾勒 841000)
近年來,超深層、致密儲層等非常規(guī)領(lǐng)域成為油氣勘探的重點、熱點[1-2]。根據(jù)地層溫度、壓力等地質(zhì)條件和鉆井工程難度,一般將埋深6 000 m作為超深層界限[3-4];而致密儲層孔隙度小于 10%,滲透率小于 1×10-3μm2[5],埋深大,物性差,資源量大,是天然氣增儲上產(chǎn)最具潛力的非常規(guī)油氣資源[6]。
侏羅紀,庫車坳陷構(gòu)造相對穩(wěn)定,湖水頻繁進退形成優(yōu)質(zhì)的沼澤相碳質(zhì)泥巖和煤系地層,是盆地重要的烴源巖。而侏羅系辮狀河三角洲相砂巖儲層粒度大、分選較差、非均質(zhì)性強,埋深普遍大于6 500 m,平均孔隙度5.6%,覆壓滲透率一般小于0.1×10-3μm2,多為低孔-低滲、特低孔-特低滲儲層。致密砂巖儲層與煤系烴源巖互層,相鄰分布,油氣大規(guī)模運聚成藏,形成坳陷北部大面積連續(xù)分布的致密油氣富集區(qū),是塔里木盆地油氣勘探的重要接替領(lǐng)域。
庫車坳陷位于塔里木盆地北部,屬于南天山褶皺帶南緣的再生前陸盆地[7],分為北部構(gòu)造帶、克拉蘇構(gòu)造帶、南部斜坡帶、拜城凹陷及陽霞凹陷等構(gòu)造單元(見圖1)。中生界,庫車坳陷處于伸展環(huán)境,受北部山前基底斷裂控制發(fā)育斷陷湖盆[7-8]。研究區(qū)位于坳陷東北部陽霞凹陷,白堊系沉積前,凹陷南部隆升,侏羅系抬升剝蝕,殘留厚度不均[9],自下而上依次發(fā)育阿合組(J1a)、陽霞組(J1y)和克孜勒努爾組(J2kz)。 其中:J1a 為辮狀河三角洲分流河道沉積,厚100~ 500 m;J1y厚320~ 700 m,為沼澤及深湖相;J2kz以前緣相為主,夾少量煤層。始新世喜山期,新特提斯洋閉合[7],塔里木盆地發(fā)生大規(guī)模海退,古新世侵入的海水殘留并逐漸蒸發(fā)濃縮[10],陽霞凹陷發(fā)育240~ 500 m膏鹽巖。巨厚膏鹽巖、成巖作用演化及新生界強烈的推覆擠壓構(gòu)造運動,對侏羅系儲層特征產(chǎn)生重要影響。
圖1 庫車坳陷構(gòu)造單元及地層剖面
儲層巖石學(xué)特征受控于形成條件,并影響儲層性質(zhì)。陽霞凹陷侏羅系以辮狀河三角洲相為主,儲層粒度較大,成熟度偏低(見圖2)。阿合組主要為砂礫巖、含礫石英巖屑粗砂巖,石英、長石、云母體積分數(shù)較高,偶見蝕變長石礫及黑色煤屑(見圖 2a,2b,2f);分選差,次棱角—次圓狀。填隙物體積分數(shù)在6.9%~ 10.8%,其中膠結(jié)物為0.96%~ 4.80%,泥質(zhì)雜基平均6.35%,黏土礦物體積分數(shù)集中分布在10%~ 20%。顆粒間以線、線-凹凸接觸為主,線接觸-孔隙、鑲嵌-孔隙式膠結(jié)(見圖2c,2d)。
陽霞組儲層以砂礫巖、含礫細—中粒長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主,頂?shù)装l(fā)育煤層。巖屑多為沉積巖和變質(zhì)巖巖屑,分選中等,次棱角—次圓狀,結(jié)構(gòu)成熟度中等,顆粒間點-線接觸為主;粒間泥質(zhì)體積分數(shù)較高,黏土礦物(伊利石及伊/蒙混層為主,見圖2e)約7%,孔隙式膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)為主,局部見石英加大邊,硅質(zhì)膠結(jié)較少??俗卫张瑺柦M儲層巖性以灰色細砂巖、中砂巖為主,偶見薄層狀含礫粗砂巖;石英體積分數(shù)在25%~ 55%,巖屑體積分數(shù)為20%~ 60%,長石體積分數(shù)為10%~ 15%,次棱角—棱角狀,分選差,泥質(zhì)膠結(jié)。
圖2 陽霞凹陷侏羅系儲層巖石學(xué)特征
露頭、巖心樣品核磁共振分析結(jié)果表明,侏羅系儲層壓實程度高,原生孔隙基本未保存,孔隙以次生溶孔、微孔隙為主,局部發(fā)育溶蝕縫和構(gòu)造縫,整體致密,孔滲低,物性差。
阿合組砂巖基質(zhì)孔隙度為0.93%~ 12.23%,平均8.49%,滲透率分布于 0.01×10-3~ 15.00×10-3μm2,中值為0.769×10-3μm2;孔隙度和滲透率呈正相關(guān),但相關(guān)系數(shù)較低。孔喉半徑主要分布在0.45~ 4.74 μm,平均2.93 μm;排驅(qū)壓力多在 0.3~ 1.1 MPa,平均 0.75 MPa。
陽霞組儲層粒度較小,孔隙度主要分布在0.9%~ 16.4%,平均 6.1%,滲透率 0.92×10-3~ 16.31×10-3μm2,主要為裂縫-孔隙型儲層,孔隙型儲層以長石、巖屑等碎屑顆粒邊緣及膠結(jié)物溶蝕形成的粒間溶孔為主,少量原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔。巖心中見直立縫、高角度斜交縫,早期縫被泥質(zhì)或石英充填,局部有溶蝕擴大。而克孜勒努爾組儲層物性相對較好,測井孔隙度多為5.1%~ 13.7%,平均10.1%,孔隙結(jié)構(gòu)以中孔中喉為主。
巖樣中各類元素的質(zhì)量分數(shù)(w)是儲層沉積環(huán)境的真實微觀記錄。 其中,w(V)/(w(V)+w(Ni))、w(Ca)/(w(Ca)+w(Fe))[11],w(Sr)/w(Ba)、w(K)/w(Na)、w(Fe)/w(Mn)[12]及 w(Mg)/w(Mn)、w(Mg)/w(Sr)等指標,可以分別反映沉積水體的氧化還原程度、鹽度及氣候等古沉積環(huán)境。陽霞地區(qū)侏羅系普遍含煤,地層水為氯化鈣型(pH=6),探井元素數(shù)據(jù)如表1所示。其中:阿合組及陽霞組下部 w(V)/(w(V)+w(Ni))等指標呈明顯高值,w (Mg)/w (Ca)、w (K) +w (Na), 以 及 w (Mg)/w (Sr)、w(Mg)/w(Mn)較高,反映了還原、半咸水、氣候濕熱的沉積環(huán)境。陽霞組中、上部氧化程度增大,水體咸化,氣候干熱;至侏羅系上部,呈還原、鹽度小的較干熱環(huán)境。
表1 侏羅系各層位元素指標
陽霞凹陷侏羅系儲層受原始沉積組分,后期成巖壓實、膠結(jié)、溶蝕作用,以及構(gòu)造擠壓等多種因素共同影響,儲層致密、非均質(zhì)性強。
早期沉積相決定了儲層結(jié)構(gòu)成熟度、組分成熟度及雜基體積分數(shù)[12-13],控制了儲層原始物性[14]和后期成巖作用的類型及強度,是形成侏羅系超深有效儲層的基本條件。陽霞地區(qū)侏羅系廣泛發(fā)育辮狀河三角洲相,砂體厚度大,粒度中等—粗,分選較好,為儲層提供了優(yōu)質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。利用Beard等[15]的經(jīng)驗公式(式(1))恢復(fù)侏羅系原始孔隙度最高可達38.64%。
式中:φo為原始孔隙度;D25,D75分別為累積曲線上概率25%,75%處對應(yīng)的顆粒直徑,mm。
巖性孔滲數(shù)據(jù)表明,整體上,不同粒度巖性的孔隙度差別不大,而粒徑與滲透率之間存在明顯的正相關(guān)性:小礫巖粒度大,物性最好;隨粒度減小,滲透率迅速降低。主要原因是:1)小礫巖分選均一,礫石成分以石英、玄武巖、花崗巖為主,抗壓實能力強,原始物性保存程度較高;細砂、粉砂巖分選差,雜基和泥質(zhì)體積分數(shù)高,非均質(zhì)性強,原始儲層物性差,巖屑中體積分數(shù)較高的云母、黏土礦物等塑性組分在成巖過程中,由于強壓實而擠壓變形,堵塞孔喉。2)粒度越大,微裂縫發(fā)育程度越高。經(jīng)過成巖作用,粗顆粒碎屑巖應(yīng)力相對集中,在強烈壓實和構(gòu)造應(yīng)力的側(cè)向擠壓作用下,更易發(fā)生顆粒破碎,產(chǎn)生微裂縫;而細粒碎屑巖更多地表現(xiàn)為壓實、變形,微裂縫欠發(fā)育。
成巖作用決定了陽霞凹陷侏羅系深層儲層當前的孔滲大小和有效性。根據(jù)分析化驗資料,陽霞凹陷侏羅系伊/蒙混層比在20%~ 50%,鏡質(zhì)組反射率Ro為1.0%~ 1.5%;顆粒間以線接觸為主,部分呈凹凸接觸,處于中成巖階段A,B期,主要經(jīng)歷了早期強烈壓實、后期膠結(jié)、溶蝕及構(gòu)造破裂等作用,導(dǎo)致原生孔隙大幅減少,主要發(fā)育溶蝕孔、微裂縫、構(gòu)造縫等次生孔隙。
壓實作用是侏羅系儲層致密化的主要因素。陽霞凹陷侏羅系早期長期淺埋,中晚期受印支運動影響發(fā)生抬升,經(jīng)歷早期表生淋濾,產(chǎn)生部分溶蝕孔隙。后期快速深埋,導(dǎo)致儲層壓實和膠結(jié)成巖加快。顆粒間多呈線接觸,石英、長石等剛性顆粒破碎,云母、泥質(zhì)巖屑等塑性顆粒明顯彎曲變形,粒間原生孔隙保存程度低(見圖3a)。埋藏前期隨埋深增大,減孔率迅速增加,后期趨于減緩。 根據(jù)前人模擬實驗(見式(2))[16-17]計算可得,8 000 m的超深埋藏使儲層壓實減孔率達32%,現(xiàn)存孔隙度只占原生孔隙度的9%~ 20%。
式中:φcp為壓實減孔率;a為常數(shù);H為埋深,m。
膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層低孔-低滲的重要因素。侏羅系儲層主要為孔隙式膠結(jié),膠結(jié)物多為泥質(zhì),黏土礦物以粒表-粒間玫瑰花狀伊利石、綠泥石包膜及伊/蒙混層(見圖3b)為主;部分硅質(zhì)膠結(jié)多表現(xiàn)為石英多期次生加大充填粒間孔隙,少量長石加大及碳酸鹽膠結(jié)(見圖3c,3d)。膠結(jié)物充填在粒間孔,破壞儲層孔滲性,增加儲層抗壓實性,為后期溶蝕作用創(chuàng)造了有利條件。
圖3 陽霞凹陷侏羅系成巖作用微觀特征
膠結(jié)作用減孔率φcm為
式中:φp為物性分析孔隙度;Rp為膠結(jié)物溶孔面孔率;R為總面孔率;φc為膠結(jié)物體積分數(shù)。
膠結(jié)物溶孔面孔率一般占總面孔率的12%~ 20%,平均15.6%,巖心分析孔隙度平均8.49%,儲層膠結(jié)物體積分數(shù)平均2.16%,膠結(jié)作用減孔率為3.48%。
溶蝕作用顯著改善了陽霞凹陷侏羅系儲層孔隙度,以長石溶蝕為主。早期表生階段氣候濕熱,長石、巖屑等顆粒遭受豐富的大氣淡水淋濾,又經(jīng)長期的埋藏階段,高礦化度酸性地層流體及油氣充注后大量有機酸的溶蝕改造,產(chǎn)生大量蜂窩狀、篩孔狀粒內(nèi)溶孔及微孔隙,提高了致密儲層孔隙度(見圖3e)。由于溶孔多分布在粒內(nèi),缺乏有效連通,長石溶蝕對滲透率的改善作用較小。侏羅系儲層溶蝕孔面孔率一般占總面孔率的27%~ 90%,平均72%,計算得溶蝕作用增孔率為6.11%。陽霞凹陷侏羅系交代作用不甚明顯,少見方解石交代長石,對儲層物性影響有限。
喜山期,新特提斯洋閉合,受印度、歐亞板塊碰撞擠壓遠距離效應(yīng)影響,南天山造山帶隆升并大規(guī)模海退,陽霞凹陷發(fā)育為潟湖,殘余海水濃縮,形成巨厚膏鹽巖。致密、熱導(dǎo)率高的膏鹽巖對侏羅系儲層物性保存起到了積極作用。室內(nèi)常溫下,膏鹽巖熱導(dǎo)率比砂泥巖等大多數(shù)的沉積巖高2~4倍,而雜基和孔隙內(nèi)的流體使其熱導(dǎo)率比常見沉積巖高10~30倍[18]。陽霞凹陷上覆的巨厚膏鹽巖將下部地層熱量向上快速傳遞,大幅度降低了鹽下儲層的地層溫度。石膏在壓實過程中轉(zhuǎn)化為硬石膏并釋放出大量水分,脫出的水分滯留在致密膏鹽巖層內(nèi),引起泥巖欠壓實,形成異常高壓;同時,膏鹽巖塑性流動部分抵消了上部地層的垂向重力,有效減緩垂向壓實作用,使下部儲層成巖演化進程明顯放緩,從而有利于下部侏羅系儲層孔隙的保存[19]。鉆探顯示,孔隙度隨埋深變化在膏鹽巖集中發(fā)育段附近出現(xiàn)明顯拐點,巨厚膏鹽巖下部地層孔隙度比正常趨勢線高2%~ 4%,8 000 m超深儲層孔隙度仍達6%~ 8%。
構(gòu)造作用對侏羅系儲層物性影響具有雙重性:一方面,構(gòu)造擠壓使顆粒旋轉(zhuǎn)、定向分布,孔滲變差;另一方面,產(chǎn)生大量構(gòu)造裂隙,并沿裂縫發(fā)生溶蝕(見圖4)。
圖4 陽霞凹陷侏羅系儲層演化“四史”配置
陽霞凹陷侏羅系穩(wěn)定沉積后,受印支運動影響,局部抬升,上統(tǒng)被剝蝕(見圖4)。之后的燕山期,凹陷沉降;喜山早期,構(gòu)造活動加強,凹陷發(fā)生沉積間斷,白堊系頂部再次遭受剝蝕。古新世以來,構(gòu)造相對穩(wěn)定,盆地持續(xù)沉降,埋深迅速增大;至始新世,喜山晚期造山運動使深部構(gòu)造變形加劇,侏羅系儲層遭受劇烈的南北向側(cè)向擠壓應(yīng)力。
基于厚層泥巖段應(yīng)力敏感性反應(yīng),可以利用淺側(cè)向電阻率測井曲線計算古構(gòu)造應(yīng)力[20]:
式中:σmax為最大有效古構(gòu)造應(yīng)力,MPa;Rt為淺側(cè)向電阻率,Ω·m。
陽霞凹陷侏羅系計算得到的σmax為75.7 MPa,與巖石聲發(fā)射實驗測量得到的74.8~ 80.9 MPa[21]相符合。在此基礎(chǔ)上,計算構(gòu)造擠壓減孔率 φt[14]:
強烈的構(gòu)造擠壓使侏羅系減孔率達到6.67%,儲層進一步致密化,伴生的構(gòu)造裂縫與砂礫巖壓實形成的粒緣縫、石英等剛性顆粒強烈壓實破裂產(chǎn)生的裂紋縫、云母失水蝕變收縮形成的粒間片狀裂隙及長石解理縫等組合形成有效的縫網(wǎng)系統(tǒng),溝通了孤立狀次生溶孔,構(gòu)成了致密儲層中重要的滲流通道,極大地改善了儲層滲透性。
1)陽霞凹陷侏羅系超深儲層多為砂礫巖、石英巖屑粗—中砂巖、長石巖屑粗—中砂巖,泥質(zhì)膠結(jié)、線接觸為主,平均孔隙度5.6%,滲透率中值為0.769×10-3μm2,儲層致密,主要發(fā)育次生溶孔及構(gòu)造縫、微裂縫,屬孔隙-裂縫雙孔介質(zhì)。
2)沉積作用為侏羅系致密儲層提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。粒徑與滲透率之間存在明顯的正相關(guān)性:剛性顆粒含量高的小礫巖分選較好,抗壓實性強,粒度大,物性最好,恢復(fù)原始孔隙度達38.64%;粒度減小,滲透率迅速降低。
3)壓實、膠結(jié)等成巖作用使儲層大幅減孔35.48%,是儲層致密化的主要因素;而巨厚膏鹽巖降低了下部地層溫度并形成異常高壓,有利于儲層物性的保存,同時強烈的構(gòu)造作用產(chǎn)生的裂縫與次生溶孔、微裂縫有效溝通,顯著改善了儲層滲透性。