胡輝東李賢慶陳純芳劉洋張博翔

1. 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083；3. 中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083

近些年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)致密儲(chǔ)層研究較多,大多數(shù)學(xué)者將致密儲(chǔ)層中物性相對(duì)較好且能夠提供較高天然氣產(chǎn)量的發(fā)育區(qū)定義為甜點(diǎn)儲(chǔ)層[1-8]。鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)下石盒子組是典型的致密儲(chǔ)層,具有低孔低滲、微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地石盒子組甜點(diǎn)儲(chǔ)層的研究已取得很多成果,大多數(shù)學(xué)者從儲(chǔ)層的孔隙率、滲透率以及含氣飽和度等方面對(duì)甜點(diǎn)概念加以界定。林利明[9]將物性好(孔隙率大于6% ,滲透率大于0.5 mD,含氣砂巖厚度大于4 m)且高產(chǎn)氣井所在的位置,定義為甜點(diǎn)儲(chǔ)層；魏新善等[10]結(jié)合鄂爾多斯盆地石盒子組實(shí)際勘探情況,將孔隙率大于10% 、空氣滲透率大于1 mD 的致密儲(chǔ)層,界定為天然氣相對(duì)富集區(qū),即甜點(diǎn)；徐清海[11]認(rèn)為甜點(diǎn)區(qū)是含氣飽和度大于50% 的純氣層。在對(duì)石盒子組儲(chǔ)層致密化原因的研究中,眾多學(xué)者將甜點(diǎn)儲(chǔ)層致密化原因歸結(jié)于前期機(jī)械壓實(shí)作用和后期膠結(jié)作用[12-13]。張興良等[14]系統(tǒng)研究了二疊系儲(chǔ)集砂巖后指出,膠結(jié)作用在降低原生粒間孔隙的同時(shí)也增強(qiáng)了骨架顆粒的強(qiáng)度,對(duì)殘余原生粒間孔的保存起一定的保護(hù)作用。大部分儲(chǔ)集層中溶蝕作用對(duì)次生孔隙發(fā)育有促進(jìn)作用,使其物性得到有效的改善,是最終形成甜點(diǎn)儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素[15-17]。楊曉萍等[18]認(rèn)為,有效砂體的縱向展布和儲(chǔ)集層物性控制著石盒子組致密儲(chǔ)層中甜點(diǎn)的分布和規(guī)模；孫文舉等[19]在石盒子組儲(chǔ)層地震數(shù)據(jù)中總結(jié)甜點(diǎn)特征,并在平面上劃分和預(yù)測(cè)甜點(diǎn)發(fā)育區(qū)。在甜點(diǎn)儲(chǔ)層空間分布及預(yù)測(cè)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要依據(jù)物探測(cè)井資料、巖性資料、沉積相分析等信息,分析其致密化的機(jī)理、儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律,并嘗試恢復(fù)儲(chǔ)層致密化的過(guò)程,建立巖石物理模型等方法對(duì)甜點(diǎn)儲(chǔ)層分布、規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)[20-26]。

J58 井區(qū)上古生界二疊系下石盒子組盒一段,是鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區(qū)的重點(diǎn)勘探層位。目前其沉積體系、儲(chǔ)層發(fā)育特征、甜點(diǎn)區(qū)的空間分布等因素是制約油氣開發(fā)的瓶頸。筆者結(jié)合試氣測(cè)井資料、鑄體薄片、壓汞實(shí)驗(yàn)等方法,深入研究杭錦旗下石盒子組盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層的基本特征、沉積特征、成巖作用等,探明甜點(diǎn)儲(chǔ)層發(fā)育的主控因素,并綜合測(cè)井-沉積-成巖相方法對(duì)盒一段甜點(diǎn)區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

1 地質(zhì)概況

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡3 個(gè)構(gòu)造單元,總面積約為9 825 km2,其構(gòu)造位置主要位于伊盟隆起區(qū),該區(qū)自古生代以來(lái),長(zhǎng)期處于相對(duì)隆起的狀態(tài),是油氣運(yùn)移的有利指向區(qū)[27-30]。

研究區(qū)J58 井區(qū)位于泊爾江海子斷裂西南部,烏蘭吉林廟斷裂以東(圖1)。J58 井區(qū)從老到新依次發(fā)育太古界、元古界、上古生界、中生界及新生界地層；自晚石炭世接受沉積以來(lái),先后沉積了太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組。其中下石盒子組在全區(qū)都有發(fā)育,且儲(chǔ)層為巖性油氣藏,其中盒一、盒三段的儲(chǔ)層物性好,產(chǎn)量可觀,封閉的環(huán)境條件也有利于油氣的聚集與保存[31-32]。盒一段為生氣的主力層,埋深2 800 ～3 300 m,平均埋深3 000 m。

圖1 研究區(qū)位置及重點(diǎn)井位Fig.1 Location map of the study area and key well

2 盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

J58 井區(qū)多口井的薄片鑒定結(jié)果的數(shù)據(jù)分析表明(表1),盒一段主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖,另外含有極少的長(zhǎng)石巖屑砂巖；在陸源碎屑中,石英占比最高,含量為55% ～65% ,平均值為59.25% ；巖屑總含量為31% ～42% ,平均值為37.08% ；燧石、云母及長(zhǎng)石含量極少。其中巖屑主要為變質(zhì)巖,火成巖及沉積巖含量相對(duì)較少。

表1 J58 井區(qū)盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層陸源碎屑含量Tab.1 Content of terrigenous debris in the sweet spot reservoir of the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area %

J58 井區(qū)的多口井盒一段試氣獲得工業(yè)氣流。通過(guò)對(duì)J95、J98、J101 等井區(qū)多口取芯井的巖芯觀察,盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層的巖性包括含礫粗砂巖、粗砂巖、砂礫巖及少量泥巖,具有平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理或塊狀層理,顏色以淺灰色和灰白色為主(圖2)。在單井剖面上,垂向巖性層序具有多期粒度正旋回,主要由砂礫巖、含礫粗砂巖、板狀交錯(cuò)層理粗砂巖、中細(xì)砂巖組成。

圖2 J58 井區(qū)盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層巖芯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

物性是決定甜點(diǎn)儲(chǔ)層的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)J 58 井區(qū)盒一段高產(chǎn)氣水區(qū)200 余次巖芯樣品數(shù)據(jù)分析(圖3),盒一段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層孔隙率呈單峰分布,優(yōu)勢(shì)區(qū)間在6% ～14% 之間,均值為10.4% ；滲透率介于0.08 ～6.72 mD,平均值為0.965 mD。按照碎屑巖的劃分標(biāo)準(zhǔn),研究層段屬于低孔-超低孔、低滲-超低滲類型儲(chǔ)層[33-34]。對(duì)盒一段高產(chǎn)氣層中孔隙率統(tǒng)計(jì)顯示,大于10% 的樣品占51.66% ；滲透率大于1 mD 的樣品占40% 以上。由此可見(jiàn),J 58 井區(qū)盒一段在整體致密的條件下仍有物性發(fā)育較好的甜點(diǎn)儲(chǔ)層。

圖3 J58 井區(qū)盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層孔滲分布直方圖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 孔隙類型及特征

結(jié)合鑄體薄片和巖芯薄片的鑒定與分析,進(jìn)一步探究J 58 井區(qū)甜點(diǎn)儲(chǔ)層的內(nèi)部空間特征,結(jié)果表明,J 58 井區(qū)盒一段儲(chǔ)層主要的孔隙類型為原生孔隙和次生孔隙,前者主要為原生剩余粒間孔,后者主要為粒間溶孔,還可見(jiàn)填隙物內(nèi)溶孔、裂縫、雜基微孔(圖4)。剩余粒間孔是原生粒間孔在膠結(jié)作用后未被膠結(jié)物充填的孔隙；J 58 井區(qū)的原生孔隙以剩余粒間孔為主,如圖4(a)(b)(c)所示,表明盒一段膠結(jié)作用強(qiáng)烈,充填了大多數(shù)的原生孔隙。成巖作用過(guò)程中,由于溶蝕作用會(huì)形成次生孔隙,杭錦旗地區(qū)盒一段的次生孔隙以粒間溶孔為主,如圖4(c)(d)所示；J 58 井區(qū)盒一段填隙物較多,而粒間溶孔則是填隙物發(fā)生部分溶蝕形成的次生孔隙。另外,由于盒一段自生黏土礦物發(fā)育多,如自生高嶺石、伊利石等,其自身含有微孔,在一定程度上加強(qiáng)了孔隙之間的連通。

圖4 J58 井區(qū)盒一段孔隙類型Fig.4 Pore types of the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

對(duì)J58 井區(qū)3 口井(J98、J103、J111)12 余次樣品進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。其中,盒一段砂巖中值壓力分布在7.703 ～28.534 MPa,均值為18.69 MPa；平均孔喉半徑均值為0.227 μm；排驅(qū)壓力范圍0.417 ～1.470 MPa,均值為0.715 MPa；最大孔喉半徑均值為1.168 μm；最大進(jìn)汞飽和度為70.00% ～89.88% ,均值為80.59% ；退汞效率在34.58% ～58.43% 之間,均值為43.65% 。

表2 J58 井區(qū)盒一段高壓壓汞結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.2 Data of high-pressure mercury injection results in the first member of Lower Shihezi Formation in well J58 area

綜上所述,盒一段孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔隙間連通性較好,孔隙大小不一,有少量較大的孔隙存在,但總體分布較均勻?？紫额愋投?、發(fā)育好、連通性強(qiáng),有利于油氣的運(yùn)移和儲(chǔ)集,是形成甜點(diǎn)儲(chǔ)層的天然條件[35-36]。

3 甜點(diǎn)儲(chǔ)層的主控因素

3.1 沉積作用

J58 井區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部,距離盆地北部陰山古陸物源區(qū)較近,經(jīng)歷了由海到陸的演變過(guò)程,發(fā)育了多套沉積體系,其中下石盒子組盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層主要發(fā)育在沖積平原-辮狀河沉積體系。盒一段沉積期,隨著華北地臺(tái)北緣進(jìn)一步抬升,加上物源供給充足,地表徑流作用活躍；辮狀河發(fā)育在地形梯度相對(duì)較大的山前沖積平原,河流分叉改道頻繁,形成河道交織的辮狀水系,其沉積物顆粒粒度較大。沉積作用決定了粒度大小及分選性,對(duì)粒間孔的保存及儲(chǔ)層的孔喉特征也有較大的影響。

3.1.1 顆粒粒度

對(duì)J58 井區(qū)5 口井120 余次樣品的碎屑分類以及相應(yīng)的孔滲數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖5),J58井區(qū)含礫粗砂巖頻數(shù)最大,且粗砂巖、含礫粗砂巖及砂礫巖占比60% 以上,粉砂巖、細(xì)砂巖少量分布；細(xì)砂巖的滲透率分布在0.01 ～0.1 mD 之間,含礫粗砂巖的孔隙率和滲透率變化范圍較大。碎屑顆粒粒度與其孔滲呈明顯的正相關(guān),隨著粒度的增大,其孔隙率和滲透率也隨之增大,物性有變好的趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō),研究區(qū)盒一段顆粒大小分布不均勻。顆粒粒度是影響儲(chǔ)層物性的重要因素,是后期判斷儲(chǔ)層甜點(diǎn)發(fā)育的依據(jù)。

圖5 砂巖種類頻率分布及孔滲關(guān)系Fig.5 Sandstone type frequency distribution and porosity-permeability relationship diagram

3.1.2 沉積微相

測(cè)井相形態(tài)的差異反映不同的沉積微相特征。通過(guò)砂體沉積微相分析、巖芯分析(薄片、鑄體、陰極發(fā)光、掃描電鏡等),利用測(cè)井相中自然伽馬曲線特征,可將J58 井區(qū)儲(chǔ)層大致劃分為高能心灘、低能心灘、河漫洼地及河道充填4 種沉積微相。測(cè)井相中,鐘型曲線代表辮流水道沉積微相,其下部與河漫沉積泥巖接觸；漏斗型曲線代表水體動(dòng)力大、能量強(qiáng)的沉積環(huán)境,距物源區(qū)較近且含有豐富的碎屑物質(zhì),是典型的心灘沉積微相,也是甜點(diǎn)區(qū)發(fā)育的區(qū)域。當(dāng)物源區(qū)有持續(xù)的碎屑物質(zhì)供應(yīng)時(shí),漏斗型曲線會(huì)轉(zhuǎn)化為箱型曲線；河漫沉積具有巖性純度高、厚度大的特點(diǎn),在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為線型。綜合分析盒一段測(cè)井曲線發(fā)現(xiàn),其沉積微相常表現(xiàn)為復(fù)合發(fā)育模式,如箱型-漏斗型曲線組合對(duì)應(yīng)的是心灘-辮流河道沉積微相；而甜點(diǎn)儲(chǔ)層沉積微相以高能心灘為主,少數(shù)發(fā)育在低能心灘,測(cè)井相常表現(xiàn)為光滑箱型。

3.1.3 砂體厚度

J58 井區(qū)下石盒子組,水層在盒一段、盒二段、盒三段都有發(fā)育,氣層主要發(fā)育在盒一段,但有效儲(chǔ)層占比較小；縱向上,氣水層相間發(fā)育,且氣層主要發(fā)育在斜坡上傾區(qū)。結(jié)合研究區(qū)氣產(chǎn)量與砂體厚度疊合圖(圖6),氣區(qū)平面分布在砂巖厚度大的區(qū)域,砂巖厚度小的區(qū)域,其試氣產(chǎn)量不理想或無(wú)產(chǎn)能。試氣資料顯示,J86、J98、J103、J110、J112 井氣產(chǎn)量都很可觀,達(dá)到甜點(diǎn)儲(chǔ)層的標(biāo)準(zhǔn)；整體來(lái)看,這些甜點(diǎn)主要發(fā)育在砂體厚度10 m 以上的區(qū)域,所以單體砂巖厚度對(duì)氣層的分布有一定的控制作用。

圖6 J58 井區(qū)氣區(qū)及試氣日產(chǎn)量與砂體厚度疊合圖（據(jù)中石化資料修改）Fig.6 Supperimposed diagram of daily gas production and sand body thickness in well J58 area（Modified based on data of Sinopec）

3.2 成巖作用

杭錦旗地區(qū)經(jīng)歷的成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、交代作用及重結(jié)晶作用。成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性好壞起著相當(dāng)大的作用。成巖作用根據(jù)其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響,可分為破壞性成巖作用和建設(shè)性成巖作用。

3.2.1 破壞性成巖作用

破壞性成巖作用是指使儲(chǔ)層物性變差的成巖作用,包括壓實(shí)-壓溶作用和膠結(jié)作用。前人研究表明,早成巖時(shí)期的壓實(shí)作用是造成儲(chǔ)層孔隙率、滲透率降低的主要原因。壓實(shí)作用的強(qiáng)弱與沉積物的粒度、分選性、泥質(zhì)含量等有關(guān)。研究區(qū)全區(qū)壓實(shí)作用普遍發(fā)育,由上述粒度和巖屑分析可知,盒一段水動(dòng)力較強(qiáng),顆粒粒度較大、分選較好,巖屑成分大部分已泥化,多重因素造成了研究區(qū)內(nèi)壓實(shí)作用明顯,對(duì)原生孔隙破壞較大,其物性變差；而在石英等一些剛性顆粒含量較高的層段,碎屑顆粒以線接觸為主,少見(jiàn)凹凸接觸。由顆粒的接觸方式可見(jiàn),石英含量高的層段壓實(shí)作用不發(fā)育。

膠結(jié)作用在后期成巖作用中也起著破壞性作用。研究區(qū)內(nèi)膠結(jié)作用發(fā)育,在膠結(jié)作用下多種類的膠結(jié)物充填原生孔隙,砂巖變得致密、孔隙率滲透率都降低。在孔隙演化過(guò)程中,如果膠結(jié)物對(duì)原生孔隙的保護(hù)作用大于其對(duì)孔隙的破壞作用,此時(shí)膠結(jié)作用反倒成為有利因素。區(qū)內(nèi)常見(jiàn)的膠結(jié)物有伊利石、綠泥石、高嶺石、方解石、白云石等。如圖7(a)所示,石英類膠結(jié)物主要以次生加大的形式產(chǎn)出,是溶蝕、蝕變的產(chǎn)物,其含量反映出儲(chǔ)層中溶蝕、蝕變作用的強(qiáng)弱。

3.2.2 建設(shè)性成巖作用

溶蝕、蝕變作用屬于建設(shè)性成巖作用,對(duì)儲(chǔ)層的物性有優(yōu)化改造作用,對(duì)提升孔隙率、滲透率有重要作用。盒一段儲(chǔ)層中溶蝕現(xiàn)象普遍發(fā)育,包括顆粒的部分溶蝕和全部溶蝕,主要形成粒間、粒內(nèi)溶孔及填隙物內(nèi)溶孔(圖7)。在酸性水的作用下,巖屑顆粒以及雜基中不穩(wěn)定的成分蝕變成高嶺石、溶孔等。不穩(wěn)定組分的含量、酸性介質(zhì)的停留時(shí)間以及孔隙的連通性,都是決定溶蝕作用發(fā)育的關(guān)鍵因素。溶蝕作用在很大程度上改善了儲(chǔ)層的物性。

圖7 成巖作用類型Fig.7 Type of diagenesis

總體來(lái)說(shuō),J58 井區(qū)甜點(diǎn)儲(chǔ)層發(fā)育最有利的成巖作用為溶蝕作用,形成粒內(nèi)、粒間溶孔,提高了儲(chǔ)集性能；而壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代作用及重結(jié)晶作用等成巖作用造成儲(chǔ)層的物性降低,是儲(chǔ)層致密化的主要原因。研究區(qū)塑性巖屑含量較高,在壓實(shí)過(guò)程中巖屑顆粒嚴(yán)重變形而成“假雜基”狀,但石英等剛性顆粒對(duì)壓實(shí)作用起到一定的抑制作用,所以研究區(qū)偶見(jiàn)石英顆粒因壓實(shí)作用而形成的裂紋。

3.2.3 成巖演化

J58 井區(qū)下石盒子組經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的成巖演化過(guò)程,其中盒一段儲(chǔ)層壓實(shí)且致密,成巖作用十分復(fù)雜。通過(guò)對(duì)研究區(qū)盒一段成巖作用的類型、特征及成巖礦物的產(chǎn)狀和相互間交切關(guān)系進(jìn)行研究,確定其成巖演化序列為:沉積作用→機(jī)械壓實(shí)作用→黏土膠結(jié)/薄膜→長(zhǎng)石、巖屑蝕變→石英次生加大→綠泥石包殼→碳酸鹽膠結(jié)→酸性溶液溶蝕溶解→構(gòu)造破碎(圖8)。在成巖早期,沉積物受機(jī)械壓實(shí)作用的影響孔隙空間迅速減小,后期在持續(xù)壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕等成巖事件的交替作用下,砂巖孔隙率在一定范圍內(nèi)變化,最終演變?yōu)榈涂椎蜐B儲(chǔ)層。

圖8 儲(chǔ)層成巖演化（據(jù)中石化資料修改）Fig.8 Diagenetic evolution（Modified based on data of Sinopec）

3.3 甜點(diǎn)儲(chǔ)層主控因素綜合分析

杭錦旗地區(qū)J58 井區(qū)盒一段甜點(diǎn)儲(chǔ)層形成過(guò)程中,前期壓實(shí)作用使儲(chǔ)層快速致密,其中石英等剛性礦物的存在一定程度上阻礙了儲(chǔ)層致密化,保護(hù)了原生孔隙；后期成巖作用對(duì)儲(chǔ)層有著建設(shè)和破壞兩方面影響,根據(jù)盒一段成巖作用類型及演化特征,其建設(shè)性作用要強(qiáng)于破壞性作用。

綜合分析兩大主控因素,結(jié)合測(cè)井相及試氣資料,根據(jù)沉積-成巖相模式,將J58 井區(qū)盒一段成巖相主要?jiǎng)澐譃橹腥鯄簩?shí)-巖屑溶蝕相、中強(qiáng)壓實(shí)-雜基充填相和中強(qiáng)壓實(shí)-石英膠結(jié)相(圖9)。將研究區(qū)沉積微相主要?jiǎng)澐譃楦吣苄臑?、低能心灘、河道充填和河漫洼? 種類型。研究還發(fā)現(xiàn),J58 井區(qū)甜點(diǎn)主要發(fā)育在中弱壓實(shí)-巖屑溶蝕成巖相和高能心灘沉積微相疊合區(qū),在其他成巖相和沉積微相疊合區(qū)少有甜點(diǎn)儲(chǔ)層,其中中強(qiáng)壓實(shí)-石英膠結(jié)成巖相和河漫洼地疊合區(qū)幾乎不會(huì)發(fā)育甜點(diǎn)儲(chǔ)層。

4 結(jié) 論

(1) 杭錦旗地區(qū)J58 井區(qū)在整體致密的背景下仍發(fā)育有較好的甜點(diǎn)儲(chǔ)層,天然氣大多富集在此類儲(chǔ)層,是下石盒子組的主力生氣層段；巖石組分中石英的含量與儲(chǔ)層的物性呈一定的正相關(guān),其抗壓實(shí)作用有效地保護(hù)了原生孔隙,阻礙儲(chǔ)層致密化。

(2) 甜點(diǎn)儲(chǔ)層的形成是多方面因素共同作用的結(jié)果——儲(chǔ)層的物性及物質(zhì)組成是條件,沉積作用是基礎(chǔ),成巖作用及演化是關(guān)鍵。J58 井區(qū)儲(chǔ)層前期經(jīng)歷的機(jī)械壓實(shí)作用是儲(chǔ)層致密化的最直接的原因,后期的建設(shè)性成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的物性有決定性作用。

(3) J58 井區(qū)甜點(diǎn)區(qū)的類型為相控型,甜點(diǎn)儲(chǔ)層主要發(fā)育在高能沉積相帶和有利的成巖作用相帶；甜點(diǎn)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)集中在中弱壓實(shí)-巖屑溶蝕成巖相和高能心灘沉積微相疊合區(qū)。