輪南地區(qū)石炭系卡拉沙依組砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層特征及成巖作用影響

趙學(xué)欽，方金 （西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010）

黃時(shí)禎，劉永福 （中石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒841000）

鄧江華，尹鐵君 （西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010）

石炭系是塔里木盆地一個(gè)十分重要的碎屑巖勘探目的層系［1～3］，十幾年來(lái)，盆地油氣產(chǎn)量的50%～60%就來(lái)源于該產(chǎn)層。輪南地區(qū)石炭系具有良好的非構(gòu)造油氣藏，尤其是卡拉沙依組 （C1－2k）的砂泥巖段，鉆井普遍見(jiàn)油氣顯示，且部分井獲高產(chǎn)。但由于砂泥巖段砂體橫向變化大，儲(chǔ)層能否有效預(yù)測(cè)一直制約著該層段油氣的進(jìn)一步勘探與開(kāi)發(fā)。隨著研究的不斷深入，對(duì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)已不再停留在常規(guī)的分析手段上。成巖作用類型及其強(qiáng)度是控制儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的重要因素之一，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層的定量分析，結(jié)合成巖作用特征，深入剖析油氣地質(zhì)演化過(guò)程和儲(chǔ)層空間形成演化史，從而為相對(duì)優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供確鑿依據(jù)。

塔北隆起是塔里木盆地的一個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，呈近東西向展布［4～6］，輪南地區(qū)位于塔北隆起中段，是隆起的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，該地區(qū)是油氣長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)移的指向區(qū)和聚集區(qū)［7～9］。由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響［10，11］，輪南地區(qū)地層發(fā)育不全，區(qū)內(nèi)缺失泥盆系、奧陶系、志留系，石炭系－二疊系也遭受嚴(yán)重剝蝕［12］。輪南地區(qū)上泥盆統(tǒng)－石炭系地層［13，14］可劃分為巴楚組、C1－2k。C1－2k又可劃分為中泥巖段、標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段、上泥巖段、砂泥巖段和含灰?guī)r段［15，16］。其中砂泥巖段是輪南地區(qū)重要的油氣產(chǎn)層［3，15］，主要為砂巖和泥巖不等厚互層，其間夾極薄層灰?guī)r、碳質(zhì)泥巖或薄煤層，沉積厚度可達(dá)500m以上。筆者通過(guò)分析C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層的巖石特征、孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)特征、物性特征等，并結(jié)合儲(chǔ)層成巖作用特征，系統(tǒng)闡述了成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的影響。

1 巖石特征

圖1 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層巖石類型圖

鉆井巖心、普通薄片和鑄體薄片觀察顯示，粗－中粒、中－細(xì)粒、細(xì)粒巖屑砂巖是C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層巖石的主要類型，其次為含礫不等粒砂巖、礫巖、粉砂巖［17，18］。根據(jù)巖石分類三角圖 （圖1）判斷，C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層巖性為巖屑砂巖類，少量為長(zhǎng)石巖屑砂巖類，石英體積分?jǐn)?shù) （φ （Q））主要分布于20%～75%之間，少數(shù)大于75%；巖屑體積分?jǐn)?shù) （φ （R））主要分布于30%～65%之間，個(gè)別達(dá)到92%。巖屑成分以灰?guī)r、白云巖、變質(zhì)巖為主，硅質(zhì)巖、凝灰?guī)r次之，云母多為黑云母。巖石結(jié)構(gòu)成熟度差，成分成熟度較低；顆粒多呈棱角－次棱角狀，磨圓和分選差－中等；填隙物體積分?jǐn)?shù)在8%～25%之間，成分以泥質(zhì)和灰質(zhì)為主，少量凝灰質(zhì)；廣泛發(fā)育顆粒支撐、孔隙式膠結(jié)。礫石以石英礫、火成巖礫為主，其次為灰?guī)r礫和燧石礫。

2 儲(chǔ)層孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 孔隙類型

圖2 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層孔隙鑄體薄片照片

鑄體薄片（圖2）觀察顯示：粒間溶孔、粒間孔為C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間類型，其次為膠結(jié)物內(nèi)溶孔、粒內(nèi)溶孔，高嶺石及方解石晶間微孔少見(jiàn)，同時(shí)發(fā)育少量粒緣縫、微裂縫；碳酸鹽巖約占砂巖巖屑的50%以上，且主要為團(tuán)粒狀泥粉晶灰?guī)r和白云巖，顆粒間普遍為碳酸鹽膠結(jié)，溶蝕成分主要為方解石、長(zhǎng)石和巖屑；交代作用和重結(jié)晶作用較強(qiáng)，對(duì)孔隙的影響較大；孔隙分布比較分散，極少見(jiàn)到超大孔隙，多呈零星狀分布，連通性差，多數(shù)樣品孔徑均值小于10μm。

C1－2k砂泥巖段中個(gè)別砂層的巖性為含礫中粗砂巖和不等粒砂巖。該類砂巖石英含量高，顆粒分選較好，填隙物含量較低，孔隙發(fā)育，連通性較好，滲透率多分布于315．68～557．03mD之間，孔隙度分布于13．27%～20．38%之間，最大孔徑大于300μm，均值大于70μm。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

儲(chǔ)層尤其是碎屑巖儲(chǔ)層中，決定巖石儲(chǔ)集性能的主要因素為孔隙和喉道的大小、孔隙的幾何形態(tài)及其相互連通和配置關(guān)系［19，20］。根據(jù)C1－2k砂泥巖段毛細(xì)管壓力曲線 （圖3）與儲(chǔ)層孔隙曲線圖象分析成果數(shù)據(jù)，以孔隙度為主要?jiǎng)澐謪?shù)指標(biāo)，將研究區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層劃分為4種類型 （表1）。

圖3 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖各類儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力曲線特征

表1 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層類型劃分參數(shù)表

Ⅰ類儲(chǔ)層：該類儲(chǔ)層孔隙度大于15%，滲透率10～500mD，排驅(qū)壓力小于0．1MPa；毛細(xì)管壓力曲線表現(xiàn)為進(jìn)汞曲線平直段長(zhǎng)、粗歪度；儲(chǔ)層孔隙喉道類型為分選性較好的粗喉型，連通性較好，屬大孔－大喉型儲(chǔ)層；殘余原生粒間孔和粒間溶孔是主要的孔隙類型。

Ⅱ類儲(chǔ)層：該類儲(chǔ)層孔隙度為12%～15%，滲透率中等；排驅(qū)壓力與Ⅰ類儲(chǔ)層類似，但孔隙分選性差，孔喉略呈粗歪度型，屬中孔－中喉型儲(chǔ)層；該類儲(chǔ)層孔喉搭配較Ⅰ類差，孔隙類型以粒內(nèi)溶孔、粒間孔和鑄模孔為主。

Ⅲ類儲(chǔ)層：該類儲(chǔ)層孔隙度為12%～8%，滲透率低；毛細(xì)管壓力曲線表現(xiàn)為排驅(qū)壓力高，最大進(jìn)汞飽和度小于60%，孔喉比低，歪度略細(xì)，孔喉類型為分選差的細(xì)喉型，連通性差；碳酸鹽巖膠結(jié)后的殘余原生粒間孔為主要孔隙類型，部分發(fā)育粒內(nèi)溶孔和膠結(jié)物內(nèi)溶孔。

Ⅳ類儲(chǔ)層：該類儲(chǔ)層孔隙度和滲透率較低，孔隙度小于8%；累計(jì)進(jìn)汞量小于50%，排驅(qū)壓力大于0．5MPa，細(xì)歪度型，孔喉類型為分選較差或未分選的細(xì)喉型，基本無(wú)連通，屬特低孔－特低滲型；被碳酸鹽巖膠結(jié)的較致密砂巖中的基質(zhì)微孔為主要孔隙類型。

3 物性特征

3.1 孔隙度、滲透率分布特征

受后期人為因素如取樣密度、取樣位置等的影響，常規(guī)小直徑巖心實(shí)測(cè)物性分析數(shù)據(jù)通常不能完全、真實(shí)地反映儲(chǔ)層物性，但卻能在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)中獲得一定的規(guī)律。筆者對(duì)輪南地區(qū)輪南8井、輪南9井、輪南14井等10余口井C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層物性參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

結(jié)果表明，輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層的物性總體偏差，平均孔隙度多在10%以下 （表2）。輪南古潛山以南的輪南9井、輪南22井、輪南44井和輪南48井物性較好，平均滲透率在3．73～82．53mD之間，平均孔隙度在9．52%～11．08%之間。其他地區(qū)的物性總體偏差，平均滲透率在0．4～44．24mD之間，平均孔隙度在5．79%～8．99%之間。

表2 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段單井儲(chǔ)層物性統(tǒng)計(jì)表

3.2 孔隙度與滲透率的關(guān)系

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率基本呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系（圖4），孔－滲相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0．78。

圖4 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層孔、滲相關(guān)圖

4 成巖作用及對(duì)儲(chǔ)層的影響

碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的好壞取決于后期各種有利、不利的成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造［21，22］。通過(guò)對(duì)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層成巖作用的分析與研究，認(rèn)為其主要受壓實(shí)和壓溶作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用的影響。

4.1 壓實(shí)和壓溶作用

根據(jù)鑄體薄片觀察，研究區(qū)機(jī)械壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為：①軟顆粒的壓實(shí)變形 （圖2（e）、（g）），早期的機(jī)械壓實(shí)作用導(dǎo)致云母形成膝折狀；②剛性顆粒被壓裂，形成不規(guī)則裂紋，常見(jiàn)于石英；③在某些井段，由于強(qiáng)烈壓實(shí)作用，顆粒接觸方式發(fā)生變化，多以鑲嵌接觸為主 （圖2（b）、（e））；④成巖作用晚期，在壓實(shí)作用下，方解石和白云石發(fā)生應(yīng)力形變產(chǎn)生雙晶紋。

壓溶作用隨著機(jī)械壓實(shí)作用的增強(qiáng)而逐漸發(fā)育 （圖2（b）、（c））。經(jīng)壓溶作用后，石英碎屑顆粒間多為縫合接觸，少數(shù)呈鋸齒狀接觸。在部分碳酸鹽膠結(jié)的顆粒中，出現(xiàn)了點(diǎn)接觸，甚至于漂浮接觸（圖2（a）、（d）），這主要是由于方解石的膠結(jié)作用阻止了壓實(shí)作用的進(jìn)一步發(fā)育?？傮w而言，研究區(qū)經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)作用，導(dǎo)致儲(chǔ)集空間大幅度縮減，從而影響了砂巖的儲(chǔ)集性能。

4.2 膠結(jié)作用

碳酸鹽和硅質(zhì)是C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層碎屑顆粒間的主要膠結(jié)物，其次為黏土礦物、黃鐵礦和石膏，少量自生石英、自生長(zhǎng)石和硫酸鹽。

4．2．1 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)物的形狀和分布是控制研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層發(fā)育的因素之一。不論從巖心的宏觀表現(xiàn)，還是薄片的微觀觀察，碳酸鹽膠結(jié)物均呈團(tuán)塊狀或斑點(diǎn)狀不均勻分布。巖心中，常見(jiàn)灰白色鈣質(zhì)團(tuán)塊和條帶將巖石緊密膠結(jié)；薄片中，碳酸鹽以嵌晶和晶粒的形態(tài)發(fā)育，呈基底式、孔隙充填式膠結(jié)，或以單晶充填于孔隙。碳酸鹽膠結(jié)物在充填孔隙的同時(shí)，也增強(qiáng)了巖層的抗壓能力，在一定程度上阻止了壓實(shí)作用，使早期的孔隙以碳酸鹽膠結(jié)物的形式得以保存，從而為后期酸性流體的溶蝕提供了可溶空間。研究證明，溶蝕孔隙在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，是油氣的主要儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道。

4．2．2 黏土礦物的膠結(jié)作用

X－衍射、掃描電鏡和薄片觀察結(jié)果 （圖5）表明，研究區(qū)C1－2k砂泥巖段黏土礦物可分為陸源和自生2類，主要有伊利石、高嶺石、伊－蒙混層和綠泥石等。陸源黏土礦物多為沉積期形成，呈薄膜狀包裹顆粒形成黏土環(huán)邊，少量充填于顆粒之間。黏土環(huán)邊抑制了石英和長(zhǎng)石的次生加大，有利于孔隙的保護(hù)。區(qū)內(nèi)自生黏土礦物含量較低，多以孔隙墊襯或孔隙充填的方式產(chǎn)出。

隨著埋藏深度增大，壓力和地溫增高，以及黏土礦物層間水的釋放和層間陽(yáng)離子的移出，黏土礦物之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。如圖6所示，當(dāng)埋深達(dá)到5200m左右時(shí)，研究區(qū)伊－蒙混層和高嶺石減少，伊利石增加。高嶺石和蒙脫石在深埋藏條件下逐漸消失而轉(zhuǎn)化成伊利石和綠泥石。

4.3 溶蝕作用

受碳酸或有機(jī)酸的影響，區(qū)內(nèi)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層發(fā)生了不同程度的溶蝕作用，從而形成了不同類型的次生孔隙。被溶蝕物質(zhì)主要有不穩(wěn)定顆粒 （長(zhǎng)石、變質(zhì)石英巖巖屑等）、碳酸鹽膠結(jié)物 （方解石、含鐵方解石）、石鹽和石膏等。區(qū)內(nèi)巖屑的溶蝕最為常見(jiàn)，有的沿顆粒邊緣溶蝕 （圖5（e）），有的沿解理溶蝕，有的形成溶蝕鑄?？?（圖2（d）、（h））。石英巖屑的溶蝕較普遍，以選擇性溶蝕為主。溶蝕作用產(chǎn)生大量的次生孔隙，使儲(chǔ)層孔隙度和滲透率顯著增加，是改善研究區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的主要因素。

5 結(jié)論

1）巖屑砂巖類是輪南地區(qū)卡拉沙依組 （C1－2k）砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層巖石的主要類型，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖類；粒間溶孔、粒間孔是主要儲(chǔ)集空間，其次為膠結(jié)物內(nèi)溶孔、粒內(nèi)溶孔，見(jiàn)少量高嶺石和方解石晶間微孔、粒緣縫、微裂縫；孔隙多呈零星狀分布，連通性差，極少見(jiàn)到超大孔隙。

2）C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層的物性總體偏差，平均孔隙度多在10%以下；孔隙度與滲透率呈指數(shù)正相關(guān)，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0．78；高效儲(chǔ)層主要發(fā)育于殘余原生粒間孔和粒間溶孔中。

圖5 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層電鏡掃描照片

3）溶蝕作用產(chǎn)生的大量次生孔隙使得儲(chǔ)層孔隙度和滲透率顯著增加，是改善研究區(qū)砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的主要因素。

圖6 輪南地區(qū)C1－2k砂泥巖段砂巖儲(chǔ)層黏土礦物相對(duì)體積分?jǐn)?shù)隨埋深變化圖

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