火山碎屑沉積巖儲層次生孔隙巖石物理定量評價——以海拉爾盆地貝爾凹陷為例

徐芳，宋新民，張文旗，肖毓祥，侯秀林 （中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

火山碎屑沉積巖油氣藏作為一種特殊的油氣藏類型，在鄂爾多斯盆地、海拉爾盆地、松遼盆地、準葛爾盆地以及酒泉盆地等沉積盆地中廣泛分布［1］。隨著油氣勘探開發(fā)程度的提高，火山碎屑沉積巖油氣藏已經(jīng)成為勘探的一個新領(lǐng)域。近年來國內(nèi)一些學者對該類油氣藏做了較深入的研究，研究的內(nèi)容主要有［1～8］：①火山碎屑成分對砂巖儲集性能的影響；②火山碎屑沉積巖成因探討；③火山碎屑成分的溶蝕作用特征；④特殊礦物特征與儲層改造的關(guān)系。

針對火山碎屑沉積巖次生孔隙的研究，目前主要是利用巖心和薄片分析資料，且主要側(cè)重于成因、控制因素、分布特征等方面［9～14］。由于取心資料非常有限，僅限于定性評價。從次生孔隙的成因機理來看，次生孔隙具有不同于原生孔隙的特征，并且與測井信息有著非常密切的聯(lián)系。因此，加強測井信息的研究和使用是評價次生孔隙的重要手段。

該次研究的目的在于通過巖心和薄片分析資料標定測井，建立次生孔隙發(fā)育程度與巖石物理測井的定量關(guān)系，對火山碎屑沉積巖儲層次生孔隙進行定量評價，為貝爾凹陷內(nèi)火山碎屑沉積巖油氣藏進一步的滾動勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)并指出有利目標。

1 巖石學特征

貝爾凹陷位于海拉爾盆地南部，面積約400km2。鉆遇的地層從上到下依次為第四系，新近系、古近系，白堊系青元崗組、伊敏組、大磨拐河組、南屯組 （K1n）、銅缽廟組和侏羅系布達特組。其中K1n為主力含油地層，從下至上劃分為南屯組一段 （K1n1）、二段 （K1n2）。

K1n儲層巖石類型主要為火山碎屑沉積巖 （55．22%）、陸源碎屑巖 （33．54%）、正?；鹕剿樾紟r（11．23%）。砂巖主要為巖屑砂巖和長石巖屑砂巖，少量巖屑長石砂巖?？v向上，從K1n1到K1n2，表現(xiàn)為火山碎屑物質(zhì)含量逐漸降低、陸源碎屑含量逐漸增高的演變趨勢。碎屑組分以巖屑 （平均55%）為主，長石 （平均26．9%）和石英 （平均17．8%）為次。巖屑主要為噴出巖巖屑和火山碎屑 （如安山巖、英安巖、流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r），變質(zhì)巖巖屑、沉積巖巖屑極少，見少量黑云母。長石以微斜長石、正長石為主，斜長石為次。微斜長石表面較光潔，見格子雙晶；斜長石常見聚片雙晶；正長石，絹云母化較強，表面較混濁。長石的邊緣常見高溫溶蝕現(xiàn)象，說明主要來源于火山噴發(fā)。石英較干凈明亮，含較多氣液包裹體，次生加大少見，常見高溫熔蝕現(xiàn)象，中心熔蝕呈空心圓形，或邊緣熔蝕呈渾圓狀，為火山噴發(fā)來源的高溫石英。填隙物包括膠結(jié)物和雜基2部分。膠結(jié)物有方解石、硅質(zhì)、方沸石、鈉長石、火山灰，以及少量伊利石、伊－蒙混層、綠泥石、高嶺石；雜基主要為伊利石 （水云母）。由于長石、巖屑和火山碎屑等欠穩(wěn)定組分含量較高，為溶蝕作用生成次生孔隙奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)［14，15］。

2 次生孔隙發(fā)育類型與發(fā)育程度

通過對貝爾凹陷29口井179個普通薄片及鑄體薄片觀察分析，研究區(qū)K1n儲層孔隙可以分為原生孔隙和次生孔隙2大類。原生孔隙是指巖石原始沉積下來就已經(jīng)形成并保存至今的孔隙，該類孔隙可細分為壓實剩余的原生粒間孔隙和膠結(jié)剩余粒間孔隙；次生孔隙是指巖石在埋藏過程中由于各種成巖作用或其他地質(zhì)因素形成的孔隙，其中溶蝕作用產(chǎn)生的各種溶蝕孔隙是主要的次生孔隙類型。

2.1 次生孔隙發(fā)育類型

1）溶蝕粒間孔隙 溶蝕沿碎屑顆粒邊緣進行，碎屑顆粒邊緣往往被溶蝕成圓化的鋸齒狀（圖1（a）），港灣狀。該種溶蝕作用主要發(fā)育于巖屑、長石顆粒邊緣。

2）長石粒內(nèi)溶蝕孔隙 溶蝕沿長石顆粒邊緣、解理縫或雙晶紋發(fā)生，有時在長石晶體的背景上形成殘架狀結(jié)構(gòu)的粒內(nèi)溶孔，根據(jù)長石殘架的偏光特性，還可辨別出長石的原始輪廓 （圖1（b））。

3）巖屑粒內(nèi)溶蝕孔隙 是巖屑中的不穩(wěn)定組分被溶解形成的孔隙 （圖1（c）），該種孔隙一般只能形成粒內(nèi)微孔隙，在孔隙系統(tǒng)中所占比例較小。

4）鑄模孔 溶蝕作用具有比較嚴格的選擇性時，相對易溶的顆粒被完全溶解后就會留下一個大小和形態(tài)等同于已溶顆粒的溶孔，稱為鑄?？?（圖1（d））。

5）膠結(jié)物內(nèi)孔隙 主要指自生黏土礦物的晶間、晶內(nèi)孔隙和部分膠結(jié)物組分溶蝕形成的微孔隙。如方沸石溶孔、方解石溶孔 （圖1 （e）、（f））。

圖1 貝中凹陷K1n主要次生孔隙類型鑄體薄片照片

2.2 次生孔隙發(fā)育程度

鏡下鑄體薄片觀察統(tǒng)計資料表明，研究區(qū)K1n儲層的平均原生孔隙面孔率為2．66%。原生粒間孔反映的是沉積時期孔隙的大小和形狀，形態(tài)多為三角形和不規(guī)則多邊形。利用原生孔隙面孔率，通過立體模型可推算出原生孔隙度。根據(jù)粒度分析中的中值半徑和分選系數(shù)，通過Sneider圖版，可推測出貝爾凹陷K1n火山碎屑沉積巖儲層的初始孔隙度大致為33．0%［16］。以初始孔隙度為基礎(chǔ)，可得到原生孔隙度隨著深度增加而 （壓實作用）減小的規(guī)律。埋深小于1200m處缺少鑄體薄片數(shù)據(jù)，可根據(jù)初始孔隙度大小和巖心分析孔隙度的最大外包絡(luò)線得到原生孔隙度隨埋深的變化圖。

由研究區(qū)孔隙度與埋深關(guān)系圖 （圖2）可以看出，當埋深大于1500m時，原生孔隙度與埋深呈指數(shù)遞減規(guī)律；原生孔隙在1300～2000m是一個突變帶，原生孔隙度急劇減小，表明該帶的壓實作用非常強烈；而埋深大于2000m后，原生孔隙度減小非常緩慢，表明壓實作用比較弱，對孔隙的影響非常小。將原生孔隙置于巖心分析孔隙度與埋深的關(guān)系圖中，可以得到次生孔隙隨埋深變化的關(guān)系圖，可以看出，在縱向上可分為2個次生孔隙發(fā)育帶：第1個次生孔隙發(fā)育帶位于1600～2000m，該發(fā)育帶原生孔隙度分布范圍為13%～25%，次生孔隙僅占總孔隙度1／4左右，原生孔隙依然是主要的儲集空間；第2個次生孔隙發(fā)育帶位于2000～3000m，該發(fā)育帶原生孔隙度分布范圍為2．6%～13%，而次生孔隙占總孔隙度的一半以上。研究區(qū)K1n主要位于第2個次生孔隙發(fā)育帶，大量次生孔隙的存在為油氣的富集提供了有效的儲集空間。

2.3 次生孔隙成因分析

研究區(qū)K1n次生孔隙發(fā)育帶儲層在經(jīng)歷了強烈的壓實作用和膠結(jié)充填作用后，原生孔隙遭到嚴重破壞。通過單偏光和正交偏光下的薄片觀察，可發(fā)現(xiàn)溶孔中鈉長石微晶生長、方沸石溶蝕及殘余邊等現(xiàn)象，可判斷研究區(qū)儲層在埋藏成巖期堿性熱液活動；有機質(zhì)在熱演化過程中生成大量的有機酸和碳酸，同時黏土礦物中的蒙皂石向伊－蒙混層轉(zhuǎn)化過程中，也會釋放出大量的富含硅酸的酸性水。酸性孔隙水使方沸石發(fā)生溶蝕。因而，研究區(qū)儲層埋藏成巖期孔隙水性質(zhì)是堿性－酸性交替轉(zhuǎn)化，大量的次生孔隙是在酸性孔隙水條件下大量溶蝕形成的。

圖2 貝爾凹陷孔隙度與埋深關(guān)系圖

3 次生孔隙測井響應機理及解釋模型

測井方法不同，其物理本質(zhì)和探測特征也不同。要對火山碎屑沉積巖儲層進行次生孔隙測井定量評價，必須深入分析該類儲層的巖石物理響應機理。

3.1 次生孔隙測井定量評價機理

次生孔隙的產(chǎn)生增加了研究區(qū)K1n火山碎屑沉積巖儲層的孔隙度。密度、中子和聲波時差都可用以反映儲層孔隙度發(fā)育程度，但它們對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的巖石物理響應機理不同。

1）密度測井 密度測井利用的是光子撞擊地層原子核所產(chǎn)生的康譜頓散射效應，通過檢測散射光子強度的變化，來反映地層的電子密度進而反映體積密度的變化。根據(jù)光子的散射理論、圓周角和三角形外角的性質(zhì)可以證明，密度測井的響應范圍主要來源于以源距為直徑的半球地層體積，反映的是該體積中地層密度 （孔隙度）的大小和變化。

2）中子測井 中子測井是通過反映一定范圍 （約30～40cm）地層體積中含氫量的變化，直接反映儲層孔隙度的大小，但需要消除儲層中泥質(zhì)的影響。

3）聲波時差測井 聲波時差測井是通過測量滑行波沿井壁巖石滑行的時差反映儲層孔隙度的大小。因此，聲波時差測井反映的是地層中分布較均勻的基質(zhì)孔隙。

圖3 不同孔隙類型密度與聲波時差關(guān)系圖

巖石礦物組分的抗溶蝕能力不同，與較均勻的原生孔隙相比，次生孔隙的發(fā)育是不均勻的。結(jié)合“三孔隙度測井”巖石物理響應機理，利用密度／中子測井孔隙度與聲波時差測井孔隙度的差值可以反映儲層次生孔隙度的大小。

3.2 次生孔隙識別圖版及解釋模型

根據(jù)鑄體薄片標定提取的次生孔隙不發(fā)育 （主要是原生孔隙）和次生孔隙發(fā)育的巖心分析數(shù)據(jù)，建立聲波時差與密度的交會圖（圖3），可以看出，次生孔隙不發(fā)育的點與次生孔隙發(fā)育的點存在比較明顯的界限；次生孔隙發(fā)育的儲層聲波時差范圍在65～75μs／ft之間，密度一般不大于2．45g／cm3。

圖4 原生孔隙度與聲波時差關(guān)系圖

通過建立聲波時差與原生孔隙度關(guān)系圖 （圖4）以及密度與總孔隙度關(guān)系圖 （圖5），可以回歸得到次生孔隙度的解釋模型：

式中：?s為次生孔隙度，%；?t為總孔隙度，%；?p為原生孔隙度，%；Δt為聲波時差，μs／m；ρ為密度，g／cm3。

3.3 次生孔隙度解釋結(jié)果分析

根據(jù)測井解釋出的次生孔隙發(fā)育程度，能很好地識別出高產(chǎn)油層的分布段。圖6是研究區(qū)火山碎屑沉積巖儲層段每米產(chǎn)油指數(shù)與次生孔隙度的關(guān)系圖，可以看出，兩者之間的正相關(guān)性非常明顯，隨著次生孔隙度的增大，每米產(chǎn)油指數(shù)呈指數(shù)遞增趨勢，這表明次生孔隙的發(fā)育程度是火山碎屑沉積巖儲層油氣富集的重要控制因素。

圖5 總孔隙度與密度關(guān)系圖

4 次生孔隙分布規(guī)律及有利目標區(qū)優(yōu)選

利用次生孔隙度解釋模型對單井進行解釋，得到貝爾凹陷K1n1火山碎屑沉積巖儲層次生孔隙平面分布預測圖 （圖7）。目前研究區(qū)已經(jīng)投入開發(fā)的井區(qū)有X55-51井區(qū)、Xx1井區(qū)、X46-46 井 區(qū)、X49-61井 區(qū)、X47-89 井 區(qū)、X13井區(qū)和X2井區(qū)。各開發(fā)區(qū)開發(fā)井的生產(chǎn)情況與預測圖中次生孔隙發(fā)育程度符合度較高。例如：研究區(qū)西北部X55-51井區(qū)和X46－46井區(qū)次生孔隙發(fā)育最好，該區(qū)高產(chǎn)井多、遞減緩慢，生產(chǎn)狀況最好；研究區(qū)東南部次生孔隙發(fā)育整體較差，局部地區(qū) （X2-1井區(qū)和X13井區(qū)）次生孔隙發(fā)育相對較好，但規(guī)模不大，該區(qū)除少量開發(fā)井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)外，大部分井生產(chǎn)情況都較差。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮沉積、構(gòu)造等因素對下一步精細勘探目標進行篩選，優(yōu)選出2個精細勘探目標區(qū)。

圖6 每米產(chǎn)油指數(shù)與次生孔隙度的關(guān)系圖

1）X54-48井區(qū) （Ⅰ）

該區(qū)位于主力開發(fā)區(qū)西北部低幅度斷鼻，沉積環(huán)境為三角洲前緣亞相，預測圖顯示該區(qū)次生孔隙發(fā)育較好，是下一步挖潛的優(yōu)選目標區(qū)。

2）X57-81井區(qū) （Ⅱ）該區(qū)為緊鄰主力生油凹陷的小斷塊，沉積環(huán)境為三角洲前緣亞相，預測圖顯示該區(qū)次生孔隙較發(fā)育，是下一步挖潛的目標區(qū)。

圖7 貝爾凹陷K1n1火山碎屑沉積巖儲層次生孔隙發(fā)育程度分布與預測

5 結(jié)論

1）火山碎屑沉積巖儲層中含量較高的長石、巖屑和火山碎屑等欠穩(wěn)定的組分為溶蝕作用產(chǎn)生次生孔隙奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）貝爾凹陷K1n1火山碎屑沉積巖儲層溶蝕粒間孔隙和溶蝕粒內(nèi)孔隙等次生孔均有發(fā)育，次生孔隙占總孔隙度的一半以上，是主要的儲集空間。

3）根據(jù)次生孔隙識別圖版，火山碎屑沉積巖儲層次生孔隙可通過測井響應進行識別，并可建立次生孔隙的解釋模型；根據(jù)測井解釋的次生孔隙發(fā)育程度，能很好地識別出高產(chǎn)油層的分布段。

4）預測出2個次生孔隙發(fā)育區(qū) （X54-48井區(qū)和X57-81井區(qū)），這2個區(qū)塊油源充足，構(gòu)造和沉積位置有利，是下一步挖潛的優(yōu)選目標區(qū)。

本文受中國石油勘探開發(fā)研究院中青年創(chuàng)新基金 （2010-B-16-14）資助。

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