饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層成巖作用分析

姜 超，鄧愛居，李鳳群，張新見，李運(yùn)娥

(1.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015； 2.中國石油華北油田分公司第三采油廠，河北河間 062450； 3.中國石化勝利油田分公司西部新區(qū)研究院，山東東營 257000)

饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層成巖作用分析

姜 超1，鄧愛居2，李鳳群2，張新見3，李運(yùn)娥2

(1.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015； 2.中國石油華北油田分公司第三采油廠，河北河間 062450； 3.中國石化勝利油田分公司西部新區(qū)研究院，山東東營 257000)

為明確饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段有效儲層的成因和分布規(guī)律，通過巖心觀察、鏡下薄片鑒定分析儲層的巖石學(xué)特征、儲集空間類型和成巖作用類型；結(jié)合物性測試和鏡質(zhì)體反射率測試等資料，研究該區(qū)儲層的成巖階段和成巖演化過程及其對物性的影響.結(jié)果表明：長石砂巖和巖屑長石砂巖是研究區(qū)主要的砂巖類型，結(jié)構(gòu)和成分成熟度為中等；儲集空間主要為次生溶蝕孔隙，此外發(fā)育少量原生孔隙和裂縫；儲層埋藏深度大，整體以中—低孔、中—低滲儲層為主；儲層成巖階段主要處于早成巖B期—中成巖A期，受烴源巖成熟過程的影響，垂向上次生孔隙主要發(fā)育深度為2 400～2 800 m.該研究對武強(qiáng)地區(qū)的油氣勘探和開發(fā)具有指導(dǎo)意義.

饒陽凹陷；武強(qiáng)油田；沙二段；沙三段；成巖作用

0 引言

饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)的油氣開采已有20多年歷史，經(jīng)過多年的滾動勘探開發(fā)，有效評價儲層質(zhì)量已經(jīng)成為制約該地區(qū)挖掘勘探潛力的重要地質(zhì)問題.目前，最常用的儲層質(zhì)量評價方法有2種：一是基于巖石薄片的評價方法；二是借助儲層質(zhì)量模擬軟件，實(shí)現(xiàn)孔隙度和滲透率分布的預(yù)測[1].其中前者是目前最普遍的儲層質(zhì)量評價方法，通過薄片觀察和分析，明確有利儲層的巖石類型和儲集空間類型；結(jié)合埋藏史和油氣充注史分析儲層成巖模式和孔隙演化[2]、成巖儲集相[3]類型，可以為區(qū)域油氣勘探提供借鑒和指導(dǎo).

在儲層成巖和孔隙特征方面，人們多將饒陽凹陷作為一個整體研究，未將武強(qiáng)地區(qū)作為一個獨(dú)立單元進(jìn)行分析.徐志強(qiáng)等[4]根據(jù)饒陽凹陷古近系儲層孔隙演化特征，結(jié)合黏土礦物演化及烴源巖演化特征，將成巖作用劃分為3個時期、5個階段；張以明等[5]分析饒陽凹陷沙三段砂巖次生孔隙的成因，認(rèn)為長石的次生溶孔是該區(qū)最主要的儲集空間類型；許麗麗等[6]研究饒陽凹陷古近系碎屑巖儲層的成巖作用，將中深部儲層劃分為四類成巖相組合，并預(yù)測不同成巖相在平面上的分布.然而，對于同一砂體，在同一凹陷的不同地區(qū)埋藏深度不同，所經(jīng)歷的成巖作用也有差別[7].筆者主要研究武強(qiáng)地區(qū)的主力含油層系沙二段和沙三段，分析研究區(qū)的儲層巖性特征、儲集空間類型和物性特征、成巖作用及成巖演化，以明確有效儲層的成因和孔隙演化過程，為武強(qiáng)地區(qū)的油氣勘探和開發(fā)提供借鑒.

1 地質(zhì)概況

饒陽凹陷位于冀中坳陷中部，是一個受復(fù)雜斷裂控制、東斷西坡的箕狀凹陷[8]，勘探面積約為6 300 km2.武強(qiáng)地區(qū)地處饒陽凹陷的東部、楊武寨構(gòu)造帶北段，臨近楊武寨東洼槽和虎北洼槽，具有優(yōu)越的油源和良好的區(qū)域構(gòu)造背景，是饒陽凹陷的主要油氣富集區(qū)帶之一(見圖1).武強(qiáng)地區(qū)的地層特征與饒陽凹陷一致，沙河街組地層自下向上依次發(fā)育沙四段、沙三段、沙二段和沙一段，其中沙三段和沙二段主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系[9].目前該地區(qū)已發(fā)現(xiàn)強(qiáng)26、強(qiáng)101、強(qiáng)37和強(qiáng)49-4井等沙二、沙三段油層和強(qiáng)37、強(qiáng)49井等館陶組油藏，本次研究的主要層段為沙二段和沙三段.

圖1 饒陽凹陷構(gòu)造單元劃分(據(jù)文獻(xiàn)[10]，有改動)Fig.1 Structural division of the Raoyang sag(modified from reference[10])

2 儲層特征

2.1 巖石學(xué)

武強(qiáng)地區(qū)沙河街組沙二、沙三段主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系，垂向上發(fā)育多套粒度由粗變細(xì)的正旋回.鏡下薄片鑒定表明，長石砂巖和巖屑長石砂巖是研究區(qū)主要的砂巖類型，其中石英體積分?jǐn)?shù)在45%～65%之間，長石體積分?jǐn)?shù)在25%～45%之間，巖屑體積分?jǐn)?shù)在5%～30%之間(見圖2).砂巖碎屑顆粒粒度以細(xì)粒為主，見少量粉砂和中粗砂，分選中等—好，磨圓以次棱角狀為主，以孔隙式膠結(jié)為主.整體上，砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度為中等.

2.2 儲集空間類型

饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層主要的儲集空間類型為次生孔隙，原生孔隙保存較少，此外還發(fā)育少量裂縫.次生孔隙主要包括粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔，是由顆粒和膠結(jié)物部分或全部溶蝕形成的.在研究區(qū)主要表現(xiàn)為早期方解石膠結(jié)物的溶蝕、長石和巖屑等顆粒的溶蝕等.研究區(qū)儲層埋藏深度大于2 500 m，所遭受的壓實(shí)作用較強(qiáng)，原生孔隙保存較少.裂縫主要包括2類：一是巖石受構(gòu)造應(yīng)力作用形成的構(gòu)造裂縫；二是礦物在成巖過程中脫水形成的收縮裂縫，其中前者對儲層物性的改善意義較大，后者常見于粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中.

圖2 沙二、沙三段儲層巖石類型三角圖Fig.2 Triangular diagram of the reservoir in E s2 and E s3

2.3 儲層物性

統(tǒng)計武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段共239個實(shí)驗(yàn)樣品的物性表明，研究區(qū)儲層孔隙度φ一般在10%～25%之間，占樣品總數(shù)的82.4%；滲透率K一般小于200×10-3μm2，主要集中在(10～100)×10-3μm2之間，占樣品總數(shù)的38.0%；分析孔隙度—滲透率交會圖(見圖3)表明，沙二、沙三段儲層孔隙度和滲透率之間具有良好的相關(guān)性，相關(guān)因數(shù)為0.745.整體上，研究區(qū)以中—低孔、中—低滲儲層為主.

圖3 沙二、沙三段孔隙度和滲透率交會圖Fig.3 Relation map of porosity and permeability in E s2 and E s3

3 成巖演化及次生孔隙成因

3.1 成巖演化過程

儲層的成巖演化除了控制儲層的物性[11]，還控制砂巖的輸導(dǎo)能力，并直接影響油氣的運(yùn)移方式[12]，因此需要分析儲層的成巖演化過程.根據(jù)鏡質(zhì)體反射率特征，結(jié)合鏡下巖石結(jié)構(gòu)和黏土礦物縱向變化特征，認(rèn)為武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層成巖階段主要處于早成巖B期—中成巖A期.在成巖作用的不同階段，儲層經(jīng)歷的主要成巖事件和孔隙演化具有不同的特征(見圖4).

圖4 饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層成巖演化模式Fig.4 Diagenetic evolution model of the reservoirs in E s2 and E s3 in Raoyang sag

(1)從沉積物弱固結(jié)開始，到埋深1 500 m，沙二、三段儲層成巖階段主要處于早成巖A期.這一階段主要為弱堿性成巖環(huán)境，方解石膠結(jié)物多呈它形充填于原生孔隙，也可呈嵌晶式膠結(jié)(見圖5(a)).壓實(shí)作用使得松散的沉積物開始緊密堆積，碎屑顆粒呈點(diǎn)接觸，原生孔隙大量減少.該階段壓實(shí)作用是導(dǎo)致砂巖內(nèi)原生孔隙大幅減少的主要原因，極大地影響砂體的儲集物性[13].

圖5 沙二、沙三段儲層成巖階段特征Fig.5 Diagenetic characteristics of the reservoirs in E s2 and E s3

(2)當(dāng)埋深處于1 500～2 400 m時，沙二、沙三段儲層成巖階段處于早成巖B期，有機(jī)質(zhì)處于半成熟階段，產(chǎn)生少量酸性流體，成巖環(huán)境由弱堿性向弱酸性轉(zhuǎn)變.壓實(shí)作用仍然較強(qiáng)，顆粒以點(diǎn)—線接觸為主，早期碳酸鹽巖膠結(jié)物局部溶蝕，長石和巖屑部分溶蝕，黏土礦物由蒙皂石向伊蒙混層轉(zhuǎn)化，自生高嶺石大量生成，并可見少量石英次生加大.該時期孔隙類型既有殘余原生孔隙，又有部分次生溶蝕孔隙.

(3)當(dāng)埋深大于2 400 m時，沙二、三段儲層成巖階段進(jìn)入中成巖A期，有機(jī)質(zhì)大量成熟，產(chǎn)生大量的酸性流體，成巖環(huán)境為強(qiáng)酸性.該時期機(jī)械壓實(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)，顆粒多呈線—凹凸接觸，石英次生加大為二級.在強(qiáng)酸性成巖環(huán)境下，不穩(wěn)定的碎屑顆粒和膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，其中膠結(jié)物的溶蝕主要表現(xiàn)為方解石膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，形成沿顆粒邊緣的貼?？p或擴(kuò)大的粒間溶孔；碎屑顆粒的溶蝕主要表現(xiàn)為長石顆粒的溶蝕，長石顆粒的溶蝕沿其邊緣、節(jié)理縫、裂縫進(jìn)行[14]，常見的現(xiàn)象有絹云母化(見圖5(b))、粒內(nèi)溶孔、港灣狀顆粒邊緣、鑄?？椎?見圖5(c)).溶解作用產(chǎn)生大量的次生孔隙，使一些低孔、低滲儲層的物性得到明顯改善[15]，研究區(qū)沙二、沙三段儲層垂向上高孔、高滲樣品主要出現(xiàn)在埋深2 400～2 800 m之間(見圖6).

(4)隨著埋深增加，當(dāng)埋深大于2 800 m時，壓實(shí)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，顆粒接觸更加緊密，局部剛性顆粒發(fā)生破裂，硅質(zhì)、鐵白云石等膠結(jié)物開始大量出現(xiàn)(見圖5(d)-(f))，如在強(qiáng)50井3 132.70 m處石英顆粒普遍加大，使顆粒呈鑲嵌狀.該時期儲層孔隙類型以殘余次生孔隙為主，發(fā)育少量裂縫，儲層孔隙度和滲透率包絡(luò)線具有明顯向低值區(qū)延伸的特征.

3.2 次生孔隙控制因素

3.2.1 物質(zhì)條件

可溶解物質(zhì)和酸性流體是次生孔隙形成的必要條件.武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層次生孔隙的形成主要與長石和早期方解石膠結(jié)物的溶蝕有關(guān).鏡下薄片分析表明，研究區(qū)儲層中長石體積分?jǐn)?shù)在25%～45%之間，方解石膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)在0%～45%之間，因此充足的可溶解物質(zhì)為后期的溶蝕提供基本條件.酸性流體主要為有機(jī)質(zhì)演化產(chǎn)生的有機(jī)酸.此外，在約為100℃的溫度條件下，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2形成碳酸并降低流體的p H值，也可導(dǎo)致碳酸鹽膠結(jié)物和硅鋁酸鹽礦物的溶解[16].因此，在平面上次生孔隙的分布受控于酸性水源區(qū)的位置.

圖6 沙二、沙三段儲層孔隙度和滲透率隨深度變化關(guān)系Fig.6 Porosity and permeability vs.burial depth diagram of the reservoirs in E s2 and E s3

3.2.2 埋深條件

有機(jī)酸對次生孔隙的形成具有重要的作用，有機(jī)酸形成受烴源巖熱演化程度的控制，因此次生孔隙的形成與產(chǎn)生有機(jī)酸的烴源巖埋深密切相關(guān).武強(qiáng)地區(qū)生油門限為2 800 m，沙四段和沙三段烴源巖埋藏深，且厚度大(大于300 m)，為本區(qū)沙二、沙三段次生孔隙的形成提供充足的酸性流體來源.

3.2.3 輸導(dǎo)條件

有機(jī)酸只有到達(dá)儲層內(nèi)才能發(fā)揮作用，因此有利于酸性水溶液環(huán)流的粒間孔隙和開啟性斷裂是形成大量次生孔隙的必要條件[17].武強(qiáng)地區(qū)所處的楊武寨構(gòu)造發(fā)育多條斷裂，其中楊武寨斷層斷距可達(dá)400 m，從沙三段沉積時期開始發(fā)育至館陶組沉積時期結(jié)束，既是本區(qū)的油源斷層，又為酸性流體的進(jìn)入提供通道.

4 結(jié)論

(1)饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層砂巖類型主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖，受礦物成分和埋深的影響，壓實(shí)作用強(qiáng)烈，原生孔隙保存較少，儲層儲集空間類型主要為由長石和早期方解石膠結(jié)物溶蝕形成的次生溶蝕孔隙.

(2)饒陽凹陷武強(qiáng)地區(qū)沙二、沙三段儲層成巖階段主要處于早成巖B期—中成巖A期，成巖演化過程分析表明，受烴源巖成熟過程的影響，垂向上次生孔隙主要發(fā)育深度為2 400～2 800 m.

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TE121.2

A

2095-4107(2014)05-0001-06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.001

2014-07-31；編輯陸雅玲

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05006)

姜 超(1987-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事油氣地質(zhì)勘探綜合方面的研究.