混積巖儲(chǔ)層特征①——以酒泉盆地青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖為例

李婷婷 朱如凱，2 白 斌，2 王崇孝 李鐵峰

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083;2.提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083;3.玉門(mén)油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 甘肅酒泉 735200)

混積巖是指由陸源碎屑與碳酸鹽組分經(jīng)混合沉積作用而形成的巖石，廣義上還包括由陸源碎屑與碳酸鹽組分在空間(垂向/平面)上構(gòu)成交替互層或夾層的混合［1］。在20世紀(jì)中期，發(fā)現(xiàn)了石灰?guī)r中混積有不等量的石英粉砂和砂，以及一些板狀鈣質(zhì)石英粉砂巖夾層的混合沉積現(xiàn)象［2-4］。1984年，首次明確提出混合沉積物概念［5］，此后，混積巖的研究受到廣泛關(guān)注，前人工作多集中于混積巖分類、沉積環(huán)境及成因等基礎(chǔ)理論問(wèn)題。

混積巖為處于陸源碎屑巖和海相碳酸鹽巖之間過(guò)渡的一類巖石，巖性較為復(fù)雜［6-7］;近年來(lái)，混積巖儲(chǔ)層油氣勘探取得重要進(jìn)展，在美國(guó)威利斯頓盆地Bakken組、Maverick盆地Eagleford及中國(guó)準(zhǔn)噶爾、柴達(dá)木、四川等盆地均發(fā)現(xiàn)有混積巖儲(chǔ)層，分布廣泛，并取得了致密油的重大突破。本文首先分析了混積巖儲(chǔ)層的研究現(xiàn)狀，結(jié)合對(duì)酒泉盆地青西凹陷下白堊統(tǒng)半深湖—深湖相混積巖儲(chǔ)層的研究，對(duì)混積巖定義和分類進(jìn)行了重新厘定，混積巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、致密，可以應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、Qemscan分析系統(tǒng)、壓汞、微—納米CT等方法研究混積巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 混積巖儲(chǔ)層分類

混積巖的早期研究始于20世紀(jì)中期，目前在混積巖定義上，仍存在分歧。國(guó)內(nèi)學(xué)者更多強(qiáng)調(diào)陸源碎屑與碳酸鹽組分混合的混積巖［1，7-11］，國(guó)外學(xué)者多研究硅質(zhì)碎屑與碳酸鹽混合的混積巖［5，12-15］;但是碳酸鹽顆粒也可以是陸源的［16］，此外，一些地區(qū)的混積巖由陸源碎屑、碳酸鹽及水下噴發(fā)火山巖碎屑混合組成［17］，說(shuō)明混積巖并不局限于陸源碎屑礦物與碳酸鹽礦物混合，或者僅僅是硅質(zhì)碎屑與碳酸鹽礦物的混合?；旆e巖強(qiáng)調(diào)的應(yīng)是不同類型礦物成分間的混合結(jié)果，作者認(rèn)為混積巖應(yīng)為不同類型礦物的混合或互層，具體包括硅質(zhì)礦物組分、碳酸鹽礦物組分、磷酸鹽礦物組分、硫酸鹽礦物組分及鹵化物中的兩種或兩種以上礦物成分的混合或互層，無(wú)需強(qiáng)調(diào)成因(機(jī)械成因、化學(xué)成因、火山成因等)或來(lái)源(內(nèi)源或外源)。

混積巖分類主要有三種劃分方案:一種是采用四端元(砂、異化粒、灰泥和泥質(zhì)物)的立體圖法進(jìn)行分類(圖1)，這種結(jié)構(gòu)—組分劃分方案由 Mount(1985)［18］提出，但該分類方案不直觀，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。第二種是以陸源碎屑組分、碳酸鹽組分及黏土為三端元進(jìn)行分類，這種分類方案應(yīng)用較多，如張雄華［19］提出的混積巖分類命名方案(圖2)，劃分出了含陸源碎屑—碳酸鹽混積巖、陸源碎屑質(zhì)—碳酸鹽混積巖、含碳酸鹽—陸源碎屑混積巖及碳酸鹽質(zhì)—陸源碎屑混積巖四種類型，但這種方案將“混積巖”參與到命名中去，使得巖石名稱過(guò)于冗長(zhǎng)復(fù)雜。第三種是以陸源碎屑和碳酸鹽兩個(gè)端元進(jìn)行分類，如董桂玉［7］建議將黏土礦物歸為陸源碎屑內(nèi)，并以陸源碎屑、碳酸鹽兩個(gè)分類端元將混積巖分為含陸源碎屑—碳酸鹽巖、陸源碎屑質(zhì)—碳酸鹽巖、含碳酸鹽—陸源碎屑巖及碳酸鹽質(zhì)—陸源碎屑巖(表1)，這種分類方案較為簡(jiǎn)單，并相對(duì)于第二類方案省去了礦物含量下限值，但從儲(chǔ)層研究角度，5%以下礦物組分對(duì)儲(chǔ)集性能貢獻(xiàn)非常小，加在命名中會(huì)顯得復(fù)雜，此外，命名中只考慮了碳酸鹽組分和陸源碎屑組分，其它礦物組分并未涉及。作者認(rèn)為，在分類過(guò)程中，應(yīng)首先確定礦物組成所屬類別(硅質(zhì)組分、碳酸鹽組分、硫酸鹽組分、磷酸鹽組分或鹵化物)，然后根據(jù)所屬類別為端元，進(jìn)行三級(jí)命名分類“含××(5%～25%)××質(zhì)(25%～50%)××巖(＞50%)”。

圖2 混積巖分類(據(jù)張雄華，2000)Fig.2 Classification of mixsedimentite(after Zhang，2000)

2 混積巖儲(chǔ)層巖性與沉積環(huán)境

混積巖分布廣泛，形成環(huán)境多樣。大部分混積巖形成于特殊的過(guò)渡環(huán)境中［4，20-21］?；旌铣练e環(huán)境一般具有不同沉積相帶在平面上交錯(cuò)、或在垂向依次重疊出現(xiàn)的特點(diǎn)［1］，包括陸相環(huán)境、海陸過(guò)渡環(huán)境和濱海岸環(huán)境、陸棚環(huán)境及斜坡到盆地環(huán)境［8］。有利于混合沉積發(fā)生的沉積相主要是濱海相和濱淺湖相，其次是淺海陸棚、陸表海、三角洲相等［1］?；旆e巖的形成受控于多種因素，包括水動(dòng)力強(qiáng)度、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降、氣候變化、物源遠(yuǎn)近、火山活動(dòng)及事件性沉積作用等。隨著認(rèn)識(shí)深入，一些學(xué)者針對(duì)一些地區(qū)發(fā)育的混積巖，歸納出了沉積模式［1，17，22-24］，主要是形成于湖相和淺海陸棚環(huán)境中，一些典型沉積環(huán)境下形成的混積巖沉積模式仍要深入研究。

巖性受控于沉積環(huán)境及沉積作用，二者共同決定了沉積體中礦物種類、比例及組合方式。碎屑礦物與碳酸鹽礦物的種類較多，使得混積巖儲(chǔ)層的巖性組成較為多樣和復(fù)雜?；旆e巖中常見(jiàn)的組分包括砂質(zhì)、白云質(zhì)、灰質(zhì)及泥質(zhì)等，組合類型多樣，有泥質(zhì)+粉砂質(zhì)+灰質(zhì)組合、泥質(zhì)+粉砂質(zhì)+云質(zhì)組合、泥質(zhì)+云質(zhì)組合等(表2)。

表1 混積巖分類(據(jù)董桂玉，2007)Table 1 Classification of mixsedimentite Rock(after Dong，2007)

表2 不同地區(qū)混積巖儲(chǔ)層巖性組成情況Table 2 Lithologic compositional conditions of mixed sedimentary reservoir from different areas

酒泉盆地青西凹陷位于酒西次級(jí)盆地東南部，為酒西次級(jí)盆地的沉降—沉積中心，面積約650～800 km2［25］。自早白堊世以來(lái)，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，青西凹陷構(gòu)造格局主要受控于NE—NNE向基底斷裂同沉積期張扭性活動(dòng)，在機(jī)械作用、化學(xué)沉積作用、火山作用及間歇性熱液作用等共同影響下，形成了半深湖—深湖相主要由白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖等巖性組成的混積巖儲(chǔ)層，平面上分布廣泛，剖面上變化頻繁。

根據(jù)全巖礦物分析結(jié)果，青西凹陷下白堊統(tǒng)地層由黏土礦物、硅質(zhì)礦物(石英、長(zhǎng)石為主)及碳酸鹽礦物(白云石為主)三類礦物組分構(gòu)成，以黏土礦物、硅質(zhì)礦物及碳酸鹽礦物為三個(gè)端元(圖3)，將下白堊統(tǒng)下溝組(實(shí)心圓表示)巖性劃分為泥質(zhì)白云巖、含泥白云巖、粉砂質(zhì)白云巖、白云質(zhì)粉砂巖，將赤金堡組巖性(空心圓表示)劃分為含云粉砂質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、含泥粉砂質(zhì)白云巖。從錄井資料上看，下白堊統(tǒng)由白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等多種巖性組成，在剖面上常呈現(xiàn)大段厚層式、厚夾薄層式、頻繁互層式分布(圖4)。

圖3 青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖巖性分類(分類編號(hào)同圖2)Fig.3 Lithologic classification of the Lower Cretaceous mixed sedimentary rock of Qingxi depression

3 混積巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)于混積巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)研究，傳統(tǒng)方法主要通過(guò)薄片觀察分析。青西凹陷下白堊統(tǒng)巖石樣品，在顯微鏡下可看到微波狀有機(jī)質(zhì)紋層與黏土礦物紋層或碳酸鹽礦物紋層互層，多數(shù)紋層厚度在0.03～0.3 mm之間，并呈現(xiàn)如下幾種形態(tài):近等厚紋層互層式(圖5a，b);窄紋層向?qū)捈y層過(guò)渡式(圖5c);窄紋層夾寬紋層(圖5d);無(wú)紋層結(jié)構(gòu)的塊狀分布式(圖5e);紋層狀向塊狀漸變式(圖5f)。

由于顯微鏡分辨率較低，一些微細(xì)紋層結(jié)構(gòu)往往難以區(qū)分。近年發(fā)展起來(lái)的基于掃描電鏡和能譜分析的Qemscan分析系統(tǒng)能對(duì)混積巖儲(chǔ)層中礦物組分、紋層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)定量分析，白云石紋層與鈉長(zhǎng)石紋層互層分布;每個(gè)白云石紋層由白云石、鈉長(zhǎng)石、黏土礦物、菱鐵礦等礦物組分定向排列構(gòu)成，而鈉長(zhǎng)石紋層內(nèi)除鈉長(zhǎng)石外，還混有白云石、黏土礦物、菱鐵礦、黃鐵礦等礦物。說(shuō)明混積巖儲(chǔ)層在微觀上，會(huì)呈現(xiàn)紋層狀互層，且每個(gè)紋層并不是由單一的礦物成分組成，而是由多種礦物成分定向排列或混雜堆積而成(圖6)。

圖5 青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖儲(chǔ)層顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.5 The thin-section microstructure images of the Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

4 儲(chǔ)集空間類型

圖6 Qemscan系統(tǒng)礦物定量分析結(jié)果(下溝組，5 127.60 m)Fig.6 Quantitative analysis result of minerals by Qemscan system(K1g，5 127.60 m)

圖7 青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 Field-emission electron microscope images of reservoir space of the Lower Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(加能譜)觀察，青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間包括微—納米級(jí)粒間孔及微裂縫。在白云石含量高(平均含量約66.7%)的樣品中，發(fā)育白云石粒間孔、粒緣縫及微裂縫(圖7a，b，c);在黏土含量高(平均含量約48.4%)的樣品中，多見(jiàn)黏土礦物層間孔、收縮縫及黃鐵礦晶間孔、有機(jī)質(zhì)收縮縫(圖7d～i)。

準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組云質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)云巖混積巖儲(chǔ)層，其儲(chǔ)集空間主要為裂縫，其次為晶間孔和各種溶蝕孔［26］。裂縫類型包括微裂縫、泄水縫及層間縫等。研究認(rèn)為，儲(chǔ)層中云質(zhì)含量的不同導(dǎo)致裂縫發(fā)育程度的差異，通常情況下，隨著云質(zhì)含量增加，巖石脆性增大，裂縫發(fā)育程度增加;泥質(zhì)含量增加，塑性增大，裂縫發(fā)育程度降低［29］。

柴達(dá)木盆地南翼山地區(qū)中深層混積巖儲(chǔ)層中，裂縫普遍發(fā)育。在南9井上干柴溝組(N1，3 024 m)的泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖內(nèi)，見(jiàn)到裂縫及溶蝕現(xiàn)象。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，巖石中灰質(zhì)組分在酸性流體活動(dòng)時(shí)，可能發(fā)生膠結(jié)及其晶體內(nèi)的局部溶解，形成粒內(nèi)/粒間溶孔，認(rèn)為混積巖中灰質(zhì)組分是溶蝕作用的基礎(chǔ)［30］。

總體上，混積巖儲(chǔ)層在泥質(zhì)含量較高時(shí)，儲(chǔ)集空間一般主要為黏土礦物層間孔;在灰質(zhì)或云質(zhì)組分含量高時(shí)，儲(chǔ)層內(nèi)多出現(xiàn)微裂縫或溶蝕孔。

5 混積巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性

酒泉盆地下白堊統(tǒng)33塊混積巖儲(chǔ)層樣品壓汞測(cè)試分析結(jié)果表明(圖8)，赤金堡組樣品(17塊)黏土礦物含量較高(平均48%)，主要發(fā)育微米級(jí)孔隙，孔喉直徑多介于10～200 μm之間;下溝組樣品(16塊)白云石含量較高(平均67%)，除含有微米級(jí)孔隙外，還有大量納米級(jí)孔隙，孔喉直徑介于20～200 nm之間。根據(jù)X射線斷層成像掃描定量微觀孔隙空間三維重構(gòu)，樣品總孔隙度為5.3%，其中連通孔隙度為4.4%;以粒內(nèi)孔隙為主的納米級(jí)孔隙連通性較差(圖9a)，以微裂縫或粒間孔隙為主的，連通性較好(圖9b)。赤金堡組平均水平滲透率約為0.786×10-3μm2，下溝組平均水平滲透率為1.343 ×10-3μm2，具有孔、滲低，孔徑小特點(diǎn)，儲(chǔ)層較為致密，礦物組成差異影響儲(chǔ)集物性特征。

圖8 青西凹陷下白堊統(tǒng)混積巖儲(chǔ)層孔喉直徑分布特征圖Fig.8 Pore-throat diameter distribution graph of the Lower Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

圖9 青西凹陷下溝組混積巖儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征(5 127.60 m)Fig.9 Microscopic pore-throat structure features of mixed sedimentary reservoir of Xiagou Formation，Qingxi depression

據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)其他地區(qū)混積巖儲(chǔ)層的調(diào)研分析，混積巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性均較強(qiáng)，孔隙度和滲透率較低，屬于致密儲(chǔ)層類型(表3)。部分屬于常規(guī)儲(chǔ)層范圍(如柴達(dá)木盆地南八仙地區(qū))，主要由石英和碳酸鹽礦物組成，原生孔隙及次生孔隙發(fā)育，孔、滲相對(duì)較好。

表3 混積巖儲(chǔ)集物性特征對(duì)比Table 3 Characteristics comparison of mixed sedimentary reservoir quality

6 結(jié)論

(1)混積巖儲(chǔ)層巖性組成復(fù)雜多樣，在剖面上常呈現(xiàn)大段厚層式、厚夾薄層式、頻繁互層式分布;

(2)混積巖儲(chǔ)層不僅在宏觀上呈現(xiàn)互層或夾層方式，在微觀上呈現(xiàn)紋層狀互層，每個(gè)紋層并不是由單一的礦物成分組成，而是由多種礦物成分定向排列或塊狀堆積而成;

(3)混積巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型取決于礦物組成，當(dāng)泥質(zhì)含量較高時(shí)，儲(chǔ)集空間一般主要為黏土礦物層間孔;當(dāng)灰質(zhì)或云質(zhì)組分含量高時(shí)，儲(chǔ)層內(nèi)多出現(xiàn)微裂縫或溶蝕孔;

(4)混積巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙度和滲透率均較低，屬于致密儲(chǔ)層類型。

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