致密砂巖儲(chǔ)層成巖相特征分析及測(cè)井識(shí)別

范宜仁, 李菲, 鄧少貴, 陳智雍, 李格賢, 李俊秋

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)CNPC測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266580;3.中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦, 重慶 400021; 4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077; 5.黑龍江省地震局, 黑龍江 哈爾濱 150090)

0　引　言

沉積巖是沉積物經(jīng)過沉積和成巖作用形成,砂體的空間分布和儲(chǔ)集層的初始物性由沉積作用決定,而儲(chǔ)層經(jīng)歷的成巖演化控制物性的變化,因此成巖作用成為影響儲(chǔ)集性能和導(dǎo)致儲(chǔ)層非均質(zhì)性的主控因素之一[1-3]。相對(duì)于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層,致密砂巖儲(chǔ)層往往經(jīng)歷的成巖過程更復(fù)雜,如壓實(shí)、膠結(jié)等破壞性成巖作用和溶蝕等建設(shè)性成巖作用?？紫抖群蜐B透率的演化中成巖作用起到關(guān)鍵作用,在特定的沉積環(huán)境下,成巖作用類型、強(qiáng)度及組合(即成巖相)決定了有利儲(chǔ)集體甜點(diǎn)的分布[4-7]。因此,成巖相的研究,對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)和有利區(qū)帶預(yù)測(cè)有深遠(yuǎn)的意義。

目前主要通過實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測(cè)試技術(shù)研究和分析成巖相,特別是陰極發(fā)光、鑄體薄片、掃描電鏡等體現(xiàn)微觀特征的測(cè)試技術(shù)。這些方法取樣成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、資料少,無法實(shí)現(xiàn)空間上成巖相的連續(xù)評(píng)價(jià),為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、有利區(qū)帶劃分造成了一定困難[8]。已有研究者嘗試?yán)脺y(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)成巖相,并取得了一定的效果[9],但對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層的研究相對(duì)較少,急需大量的實(shí)例驗(yàn)證其可行性和可靠性。本文以鄂爾多斯盆地西緣鎮(zhèn)涇區(qū)塊為例,開展致密砂巖儲(chǔ)層成巖作用研究,進(jìn)行儲(chǔ)層成巖相分類評(píng)價(jià)與測(cè)井識(shí)別,以期為有利儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)提供更加可靠的依據(jù),同時(shí)為致密砂巖儲(chǔ)層的成巖相研究提供一定的借鑒。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

鎮(zhèn)涇區(qū)塊位于甘肅省東部鎮(zhèn)原—涇川縣境內(nèi),構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地西緣天環(huán)坳陷南段,勘探面積約為2 511.15 km2,地層平緩西傾,構(gòu)造簡(jiǎn)單,局部發(fā)育有小幅度鼻狀隆起[1]。該區(qū)塊主力油藏為延長(zhǎng)組長(zhǎng)8段,位于盆地西南緣辮狀河三角洲前緣主體之上,儲(chǔ)集砂體比較發(fā)育,并且北東方向靠近半深湖-深湖區(qū)可提供豐富的油源和較好的封蓋條件,形成良好的自生自儲(chǔ)式成藏組合,勘探潛力巨大。

鎮(zhèn)涇區(qū)塊長(zhǎng)8儲(chǔ)層現(xiàn)今埋藏深度約為1 860～2 140 m,仍受壓實(shí)作用的影響。主要巖性包括巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖,顆粒粒度主要分布在細(xì)—中粒級(jí),顆粒分選好—中等,磨圓度以次棱角狀為主,巖石學(xué)特征表現(xiàn)為成分成熟度較低而結(jié)構(gòu)成熟度中等。長(zhǎng)8儲(chǔ)層是低孔隙度低滲透率致密地層,孔隙度主要分布在0.4%～16.7%,平均為7.97%,滲透率分布在(0.009～1.36)×10-3μm2,平均為0.211×10-3μm2。

2　儲(chǔ)層成巖相分類及特征

通過對(duì)巖心、鑄體薄片、掃描電鏡等巖樣測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)涇區(qū)塊長(zhǎng)8段主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用(見表1)。儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)處于低成熟—成熟階段,最大熱解峰溫Tmax為435～445 ℃,鏡質(zhì)體反射率為1.02%～1.3%,砂巖中可見碳酸鹽類、自生高嶺石、綠泥石等膠結(jié)物,長(zhǎng)石、巖屑等碎屑顆粒常被溶解,孔隙類型以次生孔隙為主。通過對(duì)壓汞資料進(jìn)行聚類分析處理,并考慮反映孔隙微觀特征的最大孔喉半徑、中值半徑等參數(shù)將孔隙結(jié)構(gòu)劃分為4類:I類粗孔喉型,整個(gè)進(jìn)汞曲線偏下,傾斜明顯,排驅(qū)壓力、中值壓力較低,孔隙喉道粗;Ⅱ類偏粗孔喉型,曲線形態(tài)與I類相似,但排驅(qū)壓力、中值壓力都略有增大,分選相對(duì)較差,孔隙喉道偏粗,發(fā)育部分細(xì)孔喉;III類偏細(xì)孔喉型,物性變差,排驅(qū)壓力較高,最終進(jìn)汞飽和度較低,孔喉半徑偏小;IV類極細(xì)孔喉型,壓汞曲線斜率低,最終進(jìn)汞飽和度最低,孔喉連通性差,孔隙喉道整體偏細(xì),主要發(fā)育小孔隙、微孔隙(見圖1)。

表1　鎮(zhèn)涇區(qū)塊長(zhǎng)8段儲(chǔ)層成巖相特征

圖1　I類至Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)典型壓汞曲線

按照石油天然氣行業(yè)的碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477—2003),研究區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層現(xiàn)今處于中成巖A期。在長(zhǎng)8段沉積物所經(jīng)歷的成巖作用、所處的成巖階段、成巖礦物的基礎(chǔ)上,考慮成巖作用類型、強(qiáng)度和成巖礦物對(duì)儲(chǔ)層的影響[11-13],將長(zhǎng)8段成巖相劃分為強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相、碳酸鹽膠結(jié)致密相、高嶺石膠結(jié)相和不穩(wěn)定組分溶蝕相(見表1)。

2.1　強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相

強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相主要在三角洲前緣的分流間灣、席狀砂等沉積相帶中發(fā)育。主要巖性為巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖,壓實(shí)作用下顆粒間鑲嵌式接觸,排列緊密[見圖2(a)]。受壓實(shí)作用使原生粒間孔隙受到擠壓減小、封閉,喉道歪曲、消失,面孔率1%左右,孔隙類型為殘余粒間孔、次生溶孔,孔隙度小于8.8%,物性較好?？缀戆霃狡骄禐?.165 μm,主流喉道半徑介于0.063～0.4 μm之間,是主要滲流通道,滲流能力較好[見圖3(a)]。壓汞曲線上顯示高排驅(qū)壓力特征(平均1.635 MPa),進(jìn)汞曲線平行段偏上,最大進(jìn)汞飽和度低,孔喉分選系數(shù)0.124,孔喉差異小[14-17],孔隙結(jié)構(gòu)以III類偏細(xì)孔喉型為主(見圖4、圖5)。該類成巖相壓實(shí)程度高,膠結(jié)物較少,但由于溶蝕程度較高,為研究區(qū)較有利成巖相。

圖2　長(zhǎng)8段儲(chǔ)層鑄體薄片和掃描電鏡

圖3　長(zhǎng)8段儲(chǔ)層不同成巖相孔喉半徑分布

圖4　不同成巖相的典型壓汞曲線

圖5　不同成巖相的孔隙結(jié)構(gòu)類型

2.2　碳酸鹽膠結(jié)相

碳酸鹽膠結(jié)成巖相大多在河口壩、分流河道等較厚砂體中發(fā)育。巖性主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖。長(zhǎng)8儲(chǔ)層膠結(jié)物含量中碳酸鹽含量高,約占48%～75%(平均含量為65%),主要以方解石連晶填充孔隙式膠結(jié)[見圖2(b)],造成大量孔隙和喉道堵塞,發(fā)育少量微孔,孔隙類型以晶間微孔為主,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育很差,以III類偏細(xì)孔喉型、IV類極細(xì)孔喉型孔隙結(jié)構(gòu)為主。碳酸鹽膠結(jié)相的主流孔喉半徑分布呈雙峰,在0.016～0.025 μm和0.16～0.63 μm處,其中分布在0.16～0.63 μm是主要的滲流通道,孔喉對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率達(dá)96.7%[見圖3(b)][14-17]。碳酸鹽膠結(jié)相壓汞曲線的排驅(qū)壓力最高(平均1.871 MPa),孔隙半徑平均值為0.091 μm,因?yàn)閮?chǔ)層孔隙喉道整體細(xì)小,孔喉分選好(平均分選系數(shù)0.110)(見圖4),儲(chǔ)層物性差,平均孔隙度5.81%,滲透率平均值為0.143×10-3μm2,是研究區(qū)物性最差的成巖相。

2.3　高嶺石膠結(jié)相

高嶺石膠結(jié)成巖相大多在水下分流河道和三角洲平原分流河道發(fā)育,主要的巖性為巖屑長(zhǎng)石砂巖,此外還有少量的長(zhǎng)石巖屑砂巖。長(zhǎng)8儲(chǔ)層膠結(jié)物含量中高嶺石占33%～50%(平均含量為28%)。高嶺石生長(zhǎng)在粒間孔或溶孔中,常形成一些極小的晶間孔,并伴有溶蝕現(xiàn)象,孔隙空間主要是長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔和黏土礦物晶間微孔,粒間溶孔罕見,物性較好,平均孔隙度7.81%,平均滲透率0.191×10-3μm2,孔隙結(jié)構(gòu)主要以Ⅱ類偏粗孔喉型、III類偏細(xì)孔喉型為主。高嶺石膠結(jié)相孔喉半徑平均值為0.170 μm,主流喉道半徑介于0.016～0.025 μm和0.16～0.63 μm之間,其中0.16～0.63 μm是主要的滲流通道,滲透率累積貢獻(xiàn)率達(dá)97.66%[見圖3(c)],是4種成巖相中滲流能力最好的[14-17]。壓汞曲線顯示排驅(qū)壓力較低(平均1.602 MPa),僅高于不穩(wěn)定組分溶蝕相,最大進(jìn)汞飽和度略低于不穩(wěn)定組分溶蝕相(見圖4),是研究區(qū)較有利成巖相。

2.4　不穩(wěn)定組分溶蝕相

不穩(wěn)定組分溶蝕成巖相大多在水下分流河道和三角洲平原分流河道、中發(fā)育,主要巖性為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖。不穩(wěn)定組分溶蝕相對(duì)儲(chǔ)集空間的發(fā)育有重要影響,鏡下可見到巖屑、長(zhǎng)石或其他可溶組分溶解,顆粒內(nèi)部溶蝕形成粒內(nèi)溶孔,更為嚴(yán)重的顆粒全部溶蝕形成鑄模孔,大大提高儲(chǔ)層物性[見圖2(d)]?？紫额愋椭饕獮閹r屑、長(zhǎng)石顆粒溶蝕孔隙,不規(guī)則狀,分布均勻,面孔率一般>1%,儲(chǔ)層孔隙度一般為8.9%～11.2%,物性好。孔隙結(jié)構(gòu)以Ⅱ類偏粗孔喉型、III類偏細(xì)孔喉型為主,有少量的I類粗孔喉型孔隙結(jié)構(gòu)?？缀戆霃狡骄禐?.197 μm,主流孔喉半徑介于0.25～1 μm,對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率達(dá)91.1%[見圖3(d)],是主要的滲流通道。整個(gè)進(jìn)汞曲線偏下,中間平緩段長(zhǎng),排驅(qū)壓力最低(平均1.296 MPa),最終進(jìn)汞飽和度高,達(dá)72.4%(見圖4)。該成巖相有利于有利儲(chǔ)層發(fā)育和油氣聚集,是最有利的成巖相[14-17]。

3　成巖相測(cè)井識(shí)別

3.1　成巖相的測(cè)井響應(yīng)特征

不同成巖相礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、物性等的差異導(dǎo)致其在測(cè)井曲線上具有不同的響應(yīng)特征(見圖6、表2)。其中強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相受到壓實(shí)作用影響,孔隙、喉道受擠壓遭到破壞,但后期受溶蝕作用的影響較大,使得物性得到改善,因此在測(cè)井響應(yīng)上顯示密度值較低(2.5～2.55 g/cm3),電阻率較低(15.82～23.05 Ω·m)。

碳酸鹽膠結(jié)相壓實(shí)程度低,溶蝕作用中等,膠結(jié)程度高,中期碳酸鹽膠結(jié)最為發(fā)育,碳酸鹽連晶膠結(jié)、交代,方解石呈填充孔隙式膠結(jié),使孔隙明顯減少,導(dǎo)致儲(chǔ)層密度值較高(2.51～2.64 g/cm3),聲波時(shí)差低(185.95～221.52 μs/m),具有高的電阻率值(16.18～52.30 Ω·m),在成像測(cè)井中顯示亮色塊狀。

表2　成巖相的測(cè)井參數(shù)特征

高嶺石膠結(jié)相壓實(shí)程度低,溶蝕作用中等,膠結(jié)程度高,高嶺石膠結(jié)物的沉淀減少了部分孔隙,使物性變差,導(dǎo)致有較高密度值(2.45～2.65 g/cm3),聲波時(shí)差中等(204.33～228.04 μs/m),略高于碳酸鹽膠結(jié)相,有高電阻率值(14.52～45.29 Ω·m)。

不穩(wěn)定組分溶蝕相主要受溶蝕作用的影響,巖屑、長(zhǎng)石等不穩(wěn)定組分溶解使得孔隙結(jié)構(gòu)得到改善,物性變好,密度呈現(xiàn)低值(2.36～2.51 g/cm3),聲波時(shí)差為高值(202.64～237.97 μs/m),電阻率值偏低(20.96～30.75 Ω·m),在成像測(cè)井中溶蝕孔呈現(xiàn)為暗色斑狀。

3.2　成巖相的定量表征與識(shí)別

(1) 成巖相的定量表征。成巖相常用的定量表征參數(shù)有視壓實(shí)率(Rp)、視膠結(jié)率(Rc)、成巖綜合系數(shù)(C)等[18-19]。壓實(shí)作用是造成儲(chǔ)層低孔隙度低滲透率的主要原因之一,最終成巖效應(yīng)使巖石粒間孔隙損失,儲(chǔ)層物性變差。為充分反映原始孔隙空間體積受機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度的影響采用視壓實(shí)率(Rp)。隨著壓實(shí)作用的增強(qiáng),孔隙、喉道變窄,儲(chǔ)層密度增大,將視壓實(shí)率與巖心歸位后的三孔隙度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)視壓實(shí)率與密度呈較好的正相關(guān)性[見圖7(a)]。

Rp=383.50DEN-909.03(R2=0.78)

(1)

儲(chǔ)層中膠結(jié)物充填、交代孔隙空間,使儲(chǔ)層孔隙、喉道變窄,孔隙形態(tài)更復(fù)雜,砂巖的儲(chǔ)集性能降低,且隨著膠結(jié)物含量的增加,儲(chǔ)層物性越差,常利用視膠結(jié)率(Rc)來反映膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)集空間的影響程度。研究區(qū)儲(chǔ)層視膠結(jié)率與孔隙度相關(guān)性較好[見圖7(b)]。

Rc=-5.63φ+77.13(R2=0.77)

(2)

溶蝕作用可形成次生溶孔而使儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性得以改善。成巖綜合系數(shù)(C)可以綜合反應(yīng)成巖作用對(duì)孔隙的影響,成巖綜合系數(shù)越大,表明改善儲(chǔ)層物性的成巖作用即溶蝕作用越強(qiáng),在一定程度上用來表征不穩(wěn)定組分溶蝕相。通過統(tǒng)計(jì)分析成巖綜合系數(shù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性,得到如下成巖綜合系數(shù)的計(jì)算模型

C=-7.58DEN+0.15AC-8.59(R2=0.82)

(3)

研究區(qū)強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相主要成巖作用為壓實(shí)作用,壓實(shí)率大于60%,成巖綜合系數(shù)小于4.86%。碳酸鹽巖膠結(jié)相和高嶺石膠結(jié)相均屬于膠結(jié)相,主要成巖作用為膠結(jié)作用,膠結(jié)率大于30%,壓實(shí)率較小。其中由于高嶺石指示長(zhǎng)石溶蝕和次生孔的發(fā)育,高嶺石膠結(jié)相具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)和物性,聲波時(shí)差較大有別于碳酸鹽膠結(jié)相。不穩(wěn)定組分溶蝕相的主要受使物性變好的溶蝕作用的影響,成巖綜合系數(shù)大于4.86%[見圖7(c)]。綜上所述,通過測(cè)井資料計(jì)算視壓實(shí)率、視膠結(jié)率和成巖綜合系數(shù)等定量表征參數(shù),可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)成巖相的單井識(shí)別。

圖7　成巖作用的定量表征

圖8　典則判別函數(shù)

(2) 成巖相的測(cè)井識(shí)別。成巖變化引起的是測(cè)井曲線變化的綜合響應(yīng),簡(jiǎn)單的測(cè)井特征交會(huì)圖難以精確反映、識(shí)別成巖相。Fisher判別分析是一種通過觀測(cè)變量研究樣本分類的統(tǒng)計(jì)方法,在分析過程中對(duì)觀測(cè)變量的線性組合生成多個(gè)判別函數(shù),這些預(yù)測(cè)變量可以充分表征各個(gè)類別間的差異。為更完善地利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)反映不同成巖相的特征差異,建立了成巖相Fisher識(shí)別模型[20-21]。在巖心歸位和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上,選取了對(duì)成巖相敏感的測(cè)井參數(shù)GR、DEN、CNL、AC、Rt,選取已經(jīng)根據(jù)巖心分析確定成巖相類型的77個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行典型判別分析(見圖8),建立4類成巖相的Fisher典型判別函數(shù)式[見式(4)～式(7)],回判結(jié)果表明,不穩(wěn)定組分溶蝕相、強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相、高嶺石膠結(jié)相的判別率分別為80%、92%和78%,而碳酸鹽膠結(jié)相回判正確率較低,為70%。為提高碳酸鹽膠結(jié)相的識(shí)別,對(duì)混淆區(qū)成巖相進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該成巖相的方解石含量明顯高于其他成巖相(見圖9),因此在Fisher判別的基礎(chǔ)上采用最優(yōu)化的方法計(jì)算方解石含量,輔助識(shí)別碳酸鹽膠結(jié)相。

F1=-6.360GR+3790.722DEN+10.26AC-

1.979CNL+5.584Rt-5713.881

(4)

F2=-6.273GR+3808.274DEN+10.122AC-

1.993CNL+5.815Rt-5741.634

(5)

F3=-6.298GR+3805.588DEN+10.354AC-

2.293CNL+5.789Rt-5777.064

(6)

F4=-6.194GR+3730.059DEN+10.076AC-

1.859CNL+5.739Rt-5541.469

(7)

最優(yōu)化方法是利用合理的多礦物模型并建立相應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)方程組,通過選擇恰當(dāng)?shù)牡貐^(qū)參數(shù)、目的層參數(shù)的初值,推算出理論值,并使之在誤差允許范圍內(nèi)充分接近測(cè)井實(shí)測(cè)值,從而得到最能反應(yīng)儲(chǔ)層真實(shí)地質(zhì)情況的目的層參數(shù)[22]。結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際情況建立多礦物模型,其中骨架參數(shù)見表3。與巖心分析結(jié)果相比,計(jì)算得到的方解石含量絕對(duì)誤差0.61%,相對(duì)誤差25.3%,驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖9　混淆區(qū)成巖相方解石含量

(3) 單井成巖相識(shí)別。利用上述方法對(duì)研究區(qū)成巖相進(jìn)行單井判別分析,圖10為×井識(shí)別效果。

表3　最優(yōu)化骨架參數(shù)值

應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了成巖相的定量表征和Fisher判別,并利用最優(yōu)化方法計(jì)算了方解石含量進(jìn)行輔助識(shí)別碳酸鹽膠結(jié)相,可以看出成巖相的識(shí)別結(jié)果與鑄體薄片判別結(jié)果較為一致,驗(yàn)證了上述方法的準(zhǔn)確性。

圖10　成巖相識(shí)別的單井應(yīng)用

4　結(jié)　論

(1) 綜合利用鑄體薄片、掃描電鏡等資料,根據(jù)主要成巖作用的類型、強(qiáng)度和成巖礦物劃分了鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層成巖相:強(qiáng)溶蝕壓實(shí)相、高嶺石膠結(jié)相、碳酸鹽膠結(jié)相和不穩(wěn)定組分溶蝕相。

(2) 分析了不同成巖相的地質(zhì)和測(cè)井響應(yīng)特征。利用測(cè)井曲線計(jì)算的視膠結(jié)率、視壓實(shí)率、成巖綜合系數(shù)可在一定程度上定量表征不同的成巖相。

(3) 借助于鑄體薄片,在巖心歸位和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上,選取了對(duì)成巖相敏感的測(cè)井曲線,建立了成巖相的Fisher判別模型,并利用最優(yōu)化方法計(jì)算方解石含量進(jìn)行輔助識(shí)別碳酸鹽膠結(jié)相,取得了較好的應(yīng)用效果,對(duì)有利區(qū)帶的劃分有一定指示作用。