致密火山巖物性影響因素分析與儲層質(zhì)量預測
——以馬朗-條湖凹陷條湖組為例

孟元林，胡 越，李新寧，胡安文，吳晨亮，趙紫桐，張 磊，許 丞

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油 吐哈油田公司 研究院，新疆 哈密 839009；3. C & C Reservoirs Inc.,Houston,TX 77036,美國)

三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，在近期的非常規(guī)油氣勘探中，取得實質(zhì)性突破，Lu1,M55,M56和M57H井在條湖組二段鉆遇沉凝灰?guī)r層，良好顯示。壓裂后，3口井獲工業(yè)油流。復查了16口老井，共發(fā)現(xiàn)18個油層，累積191.5 m。壓裂改造后試油，6口井有5口井產(chǎn)出工業(yè)油流，1口井產(chǎn)出低產(chǎn)油流。致密油一般指儲集在覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油[1-2]。而條湖組中發(fā)現(xiàn)的致密油儲集在沉凝灰?guī)r中，其巖性與國內(nèi)其他盆地的致密油儲層不同，其成儲特征和成藏規(guī)律可能與碎屑巖和碳酸鹽也有一定差異。由于火山巖主要由不穩(wěn)定的礦物組成,所以它們在埋藏成巖過程中的變化更大。一般來說,火山巖儲集性能較好,特別是后期經(jīng)構(gòu)造運動和溶蝕作用形成的孔、洞、縫將原生氣孔等儲集空間連通[3]。但也不乏像徐家圍子斷陷深層營城組這樣的致密火山巖儲層[4]。在國外也有一些關(guān)于致密火山巖儲層的報道，如印度尼西亞的賈蒂巴朗、美國的亞利桑那、格魯吉亞的薩母戈里-帕塔爾祖利和烏克蘭的外喀爾巴阡等[3-9]。在條湖組除了發(fā)育致密儲層之外，還有常規(guī)儲層，兩種儲層并存。但不同的儲層具有不同的勘探思路，對于常規(guī)儲層需要遵循以尋找圈閉為中心的勘探思想；而對于致密儲層，油氣的分布不受圈閉控制，在盆地的凹陷區(qū)和斜坡區(qū)連續(xù)分布，勘探工作遵循尋找優(yōu)質(zhì)儲層和烴源的勘探理念[1]，可通過鉆前儲層質(zhì)量預測(predrilling reservoir quality prediction)技術(shù)預測優(yōu)質(zhì)儲層分布區(qū)，進一步確定有利的勘探區(qū)[10-11]。有關(guān)鉆前碎屑巖儲層質(zhì)量預測的研究比較多[10-14]，但有關(guān)火山巖儲層質(zhì)量預測方面的研究尚少。本文試圖探討巖性和成巖作用對火山巖(尤其是火山碎屑巖)儲層物性的控制作用，應(yīng)用成巖作用數(shù)值模擬技術(shù)，在橫向上預測成巖階段，結(jié)合條湖組的巖相圖，預測火山巖儲層質(zhì)量在平面上的變化規(guī)律，以便對不同的儲層采取不同的勘探方法，為三塘湖盆地條湖組，乃至我國西部其他盆地致密油的勘探，提供科學的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

三塘湖盆地是一個在早古生代基底上發(fā)展起來的疊合型盆地,面積約2.3×104km2。該盆地由東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶和西南逆沖推覆隆起帶組成。中央坳陷帶面積約8 000 km2，是三塘湖盆地油氣聚集的主要構(gòu)造單元，又進一步劃分為烏通凹陷，小青凸起、漢水泉凹陷、沙河壩凸起、條湖凹陷、岔哈泉凸起、馬朗凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷、蘇魯克凹陷10個二級構(gòu)造單元[15]。盆地沉積蓋層包括二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系與新近系。二疊系僅發(fā)育中二疊統(tǒng)，從下到上分為蘆草溝組和條湖組。蘆草溝組是三塘湖盆地一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，為蘆草溝組、條湖組、中下侏羅統(tǒng)和中上三疊統(tǒng)提供了豐富的油源[16]。蘆草溝組烴源巖的有機質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型，有機碳含量(TOC)介于1.03%～5.80%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要分布在0.5%～1.3%。條湖組由3個巖性段組成，條湖組一段和三段以玄武巖或安山巖為主,巖性不純,夾少量薄層凝灰質(zhì)泥巖。條二段主要為火山角礫巖、火山碎屑沉積巖、晶屑玻屑沉凝灰?guī)r、火山熔巖、凝灰質(zhì)泥巖和煤系泥巖。目前已發(fā)現(xiàn)的致密油流主要產(chǎn)自條二段玻屑晶屑沉凝灰?guī)r。

2 巖性與物性特征

2.1 巖性和巖相特征

馬朗-條湖凹陷條二段儲層主要是一套中基性的火山巖(圖1)[15]。火山熔巖主要為安山巖和玄武巖(圖2a)。火山碎屑巖由普通火山碎屑巖、沉積火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖組成，包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)泥巖、晶屑玻屑沉凝灰?guī)r(圖2b—f)，晶屑以斜長石為主。

三塘湖盆地條二段火山碎屑巖最大的特征是粒度較細(圖2b—d)，44塊樣品的粒度分析結(jié)果表明，80.56%的樣品粒徑小于0.25 mm，相當于泥-細砂的粒級；有59.4%樣品的粒徑小于0.062 5 mm，和粉砂與泥的粒徑相當。

2.2 物性特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征

由于火山碎屑巖的粒度較細，所以其孔喉半徑較小，主要發(fā)育微孔(圖2b,c,e)和孔喉半徑小于1 μm的納米級孔喉(圖2e)。20塊樣品壓汞的統(tǒng)計結(jié)果表明，納米級孔喉占88.3%。

較細的孔喉導致了儲層較低的滲透率和相對較高的孔隙度，411塊樣品的統(tǒng)計結(jié)果表明(表1)，滲透率分布在0.05×10-3～122.39×10-3μm2，孔隙度分布在0.4%～27.8%。滲透率小于1×10-3μm的樣品占84.84%。由此可見，條湖組大部分火山巖屬于致密儲層，但也發(fā)育少部分常規(guī)儲層。根據(jù)我國石油與天然氣行業(yè)致密儲層的標準，致密儲層是指覆壓基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的儲層[2]。為了確定致密儲層的孔隙度上限，本文研究了馬朗-條湖凹陷覆壓基質(zhì)滲透率與地表孔隙度之間的相關(guān)性(圖3)。由圖可見，當覆壓基質(zhì)滲透率為0.1×10-3μm2時，地表孔隙度為9%左右。也就是說，條湖組致密儲層的物性上限是9%。

3 火山巖儲層物性的主要影響因素

已有的研究表明，影響火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要地質(zhì)因素有巖性巖相、構(gòu)造作用、火山巖的埋深及其所處的成巖階段[17-23]。構(gòu)造作用可以形成裂縫，使火山巖儲層的物性變好。但對致密儲層而言，主要研究的是基質(zhì)孔隙度和滲透率。因此，三塘湖盆地火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要影響因素，就可歸結(jié)為巖性相和火山巖所處的成巖階段及其埋深。

圖1 三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷條湖組二段巖相Fig.1 Lithofacies map of P2t2 in the Malang-Tiaohu Sag of Santanghu Basin

圖2 條湖組火山巖儲層微觀照片F(xiàn)ig.2 Microscopic photos of volcanic reservoirs of P2ta.T19井，玄武巖，杏仁構(gòu)造，杏仁體內(nèi)溶孔，斑晶溶孔，2 703.51～2 703.65 m，鑄體(-);b.M56井，玻屑凝灰?guī)r，玻屑微孔， 2 144.86～2 144.99 m，鑄體(-);c.M56井，玻屑凝灰?guī)r，玻屑微孔，晶屑溶孔， 2 141.87～2 141.97 m，鑄體(-);d.M56井，碳酸鹽化晶屑凝灰?guī)r，晶屑溶孔，2 144.99～2 145.13 m，鑄體(-);e.Lu1井，粒間微孔發(fā)育，凝灰?guī)r， 2 546.912～547.06 m，場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡;f.M55井，粒間孔，方解石充填孔隙，晶屑巖屑沉凝灰?guī)r，2 267.40～2 267.56 m，鑄體(-)

巖相孔隙度/%滲透率/(10-3 μm2)儲層物性分類凝灰?guī)r和角礫巖0.4～2411.18(132)0.005 4～122.395.53(67)Ⅰ類晶屑玻屑沉凝灰?guī)r0.9～27.88.82(345)0.005～120.572.69(284)Ⅱ類火山碎屑沉積巖0.4～15.86.77(61)0.05～5.130.72(27)Ⅲ類火山熔巖0.9～11.25.29(51)0.05～8.660.69(33)Ⅳ類

圖3 覆壓基質(zhì)滲透率與地表孔隙度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between matrix permeability and surface porosity

3.1 巖性和巖相對儲層物性的影響

條湖組巖性和巖相對火山巖儲層的物性具有明顯的控制作用，凝灰?guī)r和角礫巖的物性最好，晶屑玻屑沉凝灰?guī)r和火山碎屑沉積巖的物性次之，火山熔巖最差(表1)。4種巖相火山巖的孔隙度分別為11.18%，8.82%，6.77%和5.29%，滲透率分別為5.53×10-3，2.69×10-3，0.72×10-3和0.69×10-3μm2。

根據(jù)賈承造提出的我國致密油儲層物性分類標準[24]，本文將三塘湖盆地條湖組的儲層分為4類：Ⅰ類儲層的孔隙度≥9 %，孔隙流體服從達西定律，屬于常規(guī)儲層；Ⅱ類儲層的孔隙度間于7%～9%，屬于低致密儲層；Ⅲ類儲層的孔隙度在4%～7%之間，屬于高致密儲層；Ⅳ類儲層的孔隙度小于4%，屬于差儲層。根據(jù)這一儲層物性劃分標準，條湖組的角礫巖和凝灰?guī)r屬于Ⅰ類儲層，晶屑玻屑沉凝灰?guī)r屬于Ⅱ類儲層，火山碎屑沉積巖和火山熔巖整體上屬于Ⅲ類儲層(表1)。

火山巖的巖性和巖相對儲層的含油性也具有一定的控制作用，目前所發(fā)現(xiàn)的工業(yè)油流井絕大多數(shù)分布在玻屑晶屑沉凝灰?guī)r中(圖1)。

3.2 成巖作用對火山巖儲層物性的控制

機械壓實作用、膠結(jié)作用和充填作用是條湖組火山巖儲層主要的破壞性成巖作用，可使儲層的孔隙度減小，形成致密儲層(圖2b，f)。溶蝕作用、脫玻化作用和交代作用是條湖組儲層的主要建設(shè)性成巖作用，可使火山巖儲層的孔隙度增加(圖2c，d)。但總的來看，隨埋深和地溫的增加，成巖作用增強，火山巖的孔隙度降低[17-23]，其原因是：隨埋深和地溫的升高，泥巖中的粘土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化，排出大量Si4+，Ca2+，F(xiàn)e3+，Mg2+和Na+，進入相鄰的火山巖孔隙中，當孔隙流體的離子濃度達到飽和之后，以礦物質(zhì)的形式沉淀下來，膠結(jié)火山碎屑巖的顆粒，充填火山熔巖的孔隙，使其孔隙度不斷減小[23]。

為了研究三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷成巖作用對火山巖儲層孔隙度的影響，在鏡質(zhì)體反射率(Ro)、孢粉顏色TAI、色譜-質(zhì)譜、熱解分析、X-衍射、普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、電子探針等分析化驗的基礎(chǔ)上，依據(jù)石油行業(yè)標準(SY/T 5477—2003)碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范[25]，對三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷的碎屑巖和火山碎屑巖進行了成巖階段劃分(表2)。

在早成巖階段A期，成巖作用以機械壓實為主，發(fā)育早期壓實相，儲層弱固結(jié)-半固結(jié)，碎屑顆粒間呈懸浮接觸，儲層主要發(fā)育原生粒間孔。在早成巖階段B期，膠結(jié)作用增強，以碳酸鹽膠結(jié)和粘土膠結(jié)為主，發(fā)育早期膠結(jié)相。在該階段的晚期，有機質(zhì)開始發(fā)生熱降解，脫去含氧官能團，形成有機酸，溶蝕長石和玻屑形成次生孔隙。在中成巖階段A1亞期，Ro=0.5%～0.7%，有機質(zhì)進入生油門限，在生成油氣的同時，形成大量有機CO2和有機酸，溶蝕儲層，形成孔次生孔隙(圖2c,d)，發(fā)育早期溶蝕相。

表2馬朗-條湖凹陷成巖特征和成巖階段劃分
Table2DiageneticcharacteristicsanddiageneticstagesofMalang-TiaoSag

圖4 馬朗-條湖凹陷蘆草溝組烴源巖干酪根元素組成與有機質(zhì)熱演化Fig.4 Elementary composition of kerogen and thermal evolution of organic matter in Malang-Tiaohu Sag

4 儲層質(zhì)量預測

4.1 預測原理

表3 條湖組成巖作用對儲層物性的影響Table 3 Impacts of diagenesis on reservoir porosity and permeability of Tiaohu Formation

表4 條湖組巖相和成巖作用對儲層物性的綜合影響與儲層分類Table 4 Integrated effects of lithofacies and diagenesis on porosity and permeability of reservoirs of Tiaohu Formation

由上可見，處于相同成巖階段、而且屬于同一巖相的儲層，其類型和質(zhì)量相同，物性相近。因此，依據(jù)表4中各種巖性處于不同成巖階段所對應(yīng)的不同類型儲層，就可以通過疊合三塘湖盆地條湖組巖相圖和相應(yīng)的碎屑巖成巖階段預測圖，預測儲層類型和質(zhì)量在平面上的分布特征。

4.2 碎屑巖成巖階段橫向預測

為了在橫向上預測成巖階段，本文綜合考慮地層時代、巖性、古氣候、構(gòu)造運動對成巖作用的影響，選取成巖階段劃分常用、在目前的技術(shù)條件下能夠定量，模擬的成巖參數(shù)鏡質(zhì)體反射率(Ro)、甾烷異構(gòu)化指數(shù)SI[C29甾烷S/(R+S)]、伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S、自生石英含量Vq、古地溫T，分別模擬其隨時間的變化規(guī)律[29-34]，并構(gòu)建成巖指數(shù)ID，在時空領(lǐng)域內(nèi)進行成巖作用數(shù)值模擬，由計算機自動劃分成巖階段[35]：

ID(x，y，z，t)=a1T(x，y，z，t)/TB+a2Ro(x，y，z，t)/

RB+a3[100-S(x，y，z，t)]/(100-SB)+

a4SI(x，y，z，t)/SIB+a5Vq(x，y，z，t)/VB

(1)

式中:ID是成巖指數(shù)；t為時間，Ma；x，y，z為三維空間坐標；a1，a2，a3，a4，a5分別代表成巖指標T，Ro，S，SI，Vq的權(quán)值，本文分別取0.2，0.5，0.1，0.1，0.1，其總和為1.0；TB，RB，SB，SIB，VB分別為T，Ro，S，SI，Vq在中成巖階段B2亞期末的值(表1)，分別取175 ℃，2.00%,5%,0.52,12%。

4.3 儲層質(zhì)量和類型平面預測

圖5 馬朗-條湖凹陷條湖組二段成巖階段和成巖相預測Fig.5 Prediction of diagenetic stage and diagenetic facies of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

圖6 馬朗-條湖凹陷條湖組二段儲層類型與質(zhì)量預測Fig.6 Prediction of reservoir types and quality of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

5 結(jié)論

1) 從盆地邊部到中央，條二段成巖作用逐漸增強，依次發(fā)育早期膠結(jié)相、早期溶蝕相、中期溶蝕相和晚期溶蝕相，縱向上相鄰的成巖相橫向上也相鄰，這一規(guī)律可以稱為“成巖相律”。已發(fā)現(xiàn)的油流井主要分布在中期溶蝕相和早期溶蝕相。

2) 條湖組儲層物性的主控因素是巖相和所處的成巖階段，通過疊合巖相分布圖和成巖階段預測圖，可以在橫向上預測儲層的類型和質(zhì)量。目前已發(fā)現(xiàn)的工業(yè)氣流井主要位于低致密儲層(Ⅱ類)和高致密(Ⅲ類)儲層分布區(qū)。

3) 在Ⅰ類儲層分布區(qū)，應(yīng)遵循以尋找圈閉為中心的勘探思路；在Ⅱ類和Ⅲ類儲層分布區(qū)，則應(yīng)注重儲層和烴源的研究。

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