斷陷盆地致密砂礫巖儲層成巖相分析:以松遼盆地北部徐家圍子斷陷沙河子組為例

朱映康

大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712

0 引言

隨著非常規(guī)油氣在能源供應(yīng)的地位日益凸顯，深層斷陷盆地中致密砂礫巖儲集層亦成為油氣勘探的核心，成為勘探的主要領(lǐng)域。致密砂礫巖儲層是指孔隙度<10%、滲透率<0.1×10-3μm2、孔喉半徑多數(shù)<0.05 μm 、含氣飽和度<60%的砂礫巖儲層，且依靠常規(guī)技術(shù)難以開采，需大規(guī)模壓裂或特殊采氣工藝才能開采出具有經(jīng)濟(jì)價值的天然氣[1-4]。對于致密砂礫巖儲層來說，儲層的發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)模預(yù)測是勘探的難點，而儲層的發(fā)育程度往往與成巖作用密切相關(guān)。成巖作用是指松散沉積物固結(jié)形成沉積巖石的作用，砂礫巖在埋藏成巖過程中，由于溫度、壓力和流體等介質(zhì)條件的變化，其成巖作用強(qiáng)度和類型等均有所不同，而成巖相是沉積物自形成之后直至變質(zhì)作用發(fā)生之前的成巖作用所演化的產(chǎn)物[5-6]。筆者以徐家圍子斷陷沙河子組致密砂礫巖儲層為例，分析了儲層的巖石學(xué)和物性特征、成巖作用、成巖階段和演化序列，研究了成巖作用類型和強(qiáng)度、成巖礦物成分及其對儲層物性的影響，將沙河子組砂礫巖儲層劃分為不同的成巖相類型。在劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用巖芯薄片資料刻度測井的方法，選取對不同成巖相響應(yīng)較為敏感的測井曲線，建立測井識別標(biāo)準(zhǔn)，利用主成分分析法，對研究區(qū)22口重點探井做成巖相劃分。從而總結(jié)出研究區(qū)的有利成巖相及其在平面上展布特征，為大面積分布的致密砂礫巖體尋找有利儲層提供依據(jù)，為目標(biāo)區(qū)的地質(zhì)勘探部署提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

徐家圍子斷陷為松遼盆地北部，古中央隆起帶東翼的斷陷盆地，平面上呈近南北向展布。斷陷期地層自下而上依次發(fā)育火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組和泉頭組(圖1)。沙河子組為強(qiáng)烈拉張期，受大型斷裂控制，斷陷邊部廣泛發(fā)育扇三角洲、辮狀河三角洲和湖相沉積，具有多物源、短物源和快速堆積的特點。斷陷內(nèi)烴源巖較為發(fā)育，

圖1 松遼盆地北部徐家圍子斷陷深層地層剖面圖Fig.1 Deep formation profile of Xujiaweizi fault depression in northern Songliao Basin

成熟度高，有機(jī)質(zhì)豐度高，介于0.51%～39.28%之間，為徐家圍子斷陷主力源巖層。儲層埋藏深，整體致密，屬于特低孔、特低滲類儲層，氣藏分布不受構(gòu)造控制，普遍含氣，具有源儲疊置、近源聚集的特點。

2 儲層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

徐家圍子斷陷沙河子組儲層以灰色、灰黑色的礫巖、砂礫巖和砂巖為主。礫石主要來自沙河子組底部的火山巖、碎屑沉積巖和變質(zhì)巖，成分成熟度低，以中酸性噴發(fā)巖為主；結(jié)構(gòu)成熟度中等-較低，發(fā)育砂泥雜基充填的顆粒支撐和砂基支撐兩種類型。泥質(zhì)雜基為巖石顆粒之間的主要填隙物，約占9.08%，碳酸鹽、高嶺石次之，濁沸石和火山灰依稀可見。黏土礦物以伊蒙混層、伊利石和綠泥石為主，高嶺石較少。根據(jù)64塊砂礫巖樣品統(tǒng)計沙河子組儲層巖石組分，得知該砂礫巖中火山巖巖屑含量最高，平均含量為40.19%，長石類礦物次之，平均為25.46%，石英含量約占17.56%，其他變質(zhì)巖巖屑含量占2.4%。根據(jù)巖石成因分類方案，沙河子組巖石屬于長石巖屑砂巖。

2.2 物性及孔隙結(jié)構(gòu)特征

沙河子組儲層整體致密，根據(jù)135塊巖石樣品測試統(tǒng)計，沙河子組儲層孔隙度分布在0.3%～10.9%之間，大多數(shù)集中在2%～6%之間(圖2a)；滲透率分布范圍為(0.001～1)×10-3μm2，主要<0.1×10-3μm2(圖2b)。埋深對儲層物性的影響隨巖性不同而存在差異。砂礫巖和砂巖隨埋深增加，原生孔隙度急劇減小，但微裂縫發(fā)育有效改善了儲層滲透率；砂巖隨埋深增加，喉道半徑變小，滲透率變差，但有效的次生溶蝕使壓實后的孔隙度有小幅度提高(圖2c)?？紫额愋鸵栽?、次生溶蝕孔和微裂隙為主。原生孔，晶間孔較為發(fā)育，其次為原生粒間孔、殘余原生粒間孔，完整的原生粒間孔僅局部可見。次生溶蝕孔包括粒間溶孔、填隙物溶孔、粒內(nèi)溶孔及鑄?？住Ｑ芯繀^(qū)微裂隙的規(guī)模小，主要為壓裂縫及構(gòu)造縫。復(fù)合孔隙在沙河子組儲層中較常見，壓裂縫與粒間溶孔組合，微裂隙與次生溶蝕孔及晶間孔溝通，極大提高儲層滲透性。

圖2 沙河子組巖芯孔滲頻度和孔--深關(guān)系圖Fig.2 Diagram of core porosity and pore-depth relationship in Shahezi Formation

3 儲層成巖作用及其演化序列

3.1 成巖作用類型及其特征

沙河子組成巖作用改造復(fù)雜，通過鏡下大量巖石資料的分析，表明地層主要經(jīng)歷了壓實、膠結(jié)、溶蝕和破裂等成巖作用，前兩種對儲層具有破壞性，后兩種具有建設(shè)性。

壓實作用壓實作用是指沉積物沉積后在上覆水層或沉積層的重荷壓力或構(gòu)造變形應(yīng)力作用下，發(fā)生水分排出、孔隙體積縮小的過程，是儲層物性變差的最主要因素。沙河子組儲層埋藏深，大多數(shù)在3 000 m以下，在整個埋藏過程中，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的機(jī)械壓實作用。巖石顆粒之間多為線接觸、點-線接觸和凹凸接觸(圖3a)。石英和長石等剛性碎屑表面的脆性微裂紋(圖3b)，塑性顆粒黑云母、火山巖巖屑等變形、扭曲及其假雜基化(圖3c)，碎屑顆粒定向排列(圖3d)等現(xiàn)象均表明沙河子組已達(dá)到中-強(qiáng)壓實強(qiáng)度。

膠結(jié)作用沉積盆地中控制砂礫巖膠結(jié)的主要因素很多，包括化學(xué)因素、孔隙水來源、埋藏深度和溫度等，但實際情況往往更復(fù)雜。沙河子組儲層的膠結(jié)物主要以碳酸鹽巖為主，其次是黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)。碳酸巖膠結(jié)物以方解石為主，白云石及鐵白云石含量較低，僅局部層段零星分布。鏡下可識別出兩期亮晶方解石，Ⅰ型方解石呈鑲嵌連晶狀(圖3e)，膠結(jié)的砂礫巖中石英加大現(xiàn)象不發(fā)育，膠結(jié)作用發(fā)生于強(qiáng)烈壓實作用之前。Ⅱ型鐵方解石主要為細(xì)晶-中晶，呈斑點狀(圖3f)，形成于強(qiáng)烈壓實作用之后晚成巖階段。因長石的分解溶蝕，石英顆粒的壓溶，黏土礦物的轉(zhuǎn)化，SiO2成為巖石膠結(jié)的一種物質(zhì)，主要以石英次生加大邊(圖3g)和自生微晶石英集合體(圖3h)兩種形式產(chǎn)出。沙河子組最為發(fā)育的黏土礦物類型是伊蒙混層，呈片狀、絮狀集合分布于粒間孔隙中，單體呈彎曲片狀，集合體呈蜂窩狀，具刺狀凸起，分布區(qū)間為12%～89%(圖3i)。伊利石含量僅次于伊蒙混層，呈細(xì)而薄的鱗片狀集合體或網(wǎng)狀集合體，不同深度均有產(chǎn)出，分布于10%～20%之間(圖3j)。綠泥石膠結(jié)物在沙河子組中主要呈孔隙薄膜(圖3k)，包裹碎屑顆粒在鏡下呈無序葉片狀排列。高嶺石含量較低，平均含量為2%，且逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。

溶蝕作用徐家圍子斷陷沙河子組現(xiàn)今步入晚成巖階段，在早期方解石膠結(jié)后，Ⅲ型干酪根演化脫羧，生成的有機(jī)酸和二氧化碳溶于水，形成酸性熱流體，使成巖水介質(zhì)呈現(xiàn)弱酸性，對長石、巖屑顆粒及火山巖碎屑中不穩(wěn)定組分進(jìn)行高效溶蝕，從而形成次生溶孔。通過鏡下薄片觀察，亦清晰可見長石顆粒邊緣溶蝕和粒內(nèi)溶解、巖屑顆粒的粒內(nèi)溶孔(圖3l)。此外，部分早期方解石膠結(jié)物在酸性環(huán)境下也發(fā)生溶蝕作用。

3.2 成巖階段

根據(jù)沙河子組自生礦物的種類分布與生成順序、儲層黏土礦物的演化、巖石的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征、孔隙類型及碳酸鹽膠結(jié)物的形成溫度為依據(jù)，結(jié)合盆地埋藏?zé)崾纺M結(jié)果得出的古地溫，參照石油天然氣行業(yè)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5477-2003)，將徐家圍子斷陷沙河子組地層劃分為早成巖階段A期、早成巖階段B期、中成巖階段A期、中成巖階段B期和晚成巖期(圖4)。沙河子組目前處于中成巖B期和晚成巖階段，地層埋深約2 550～4 600 m，Ro值1.3%～3.5%，古地溫范圍120℃～190℃。巖石顆粒之間殘存自生鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)，黏土礦物組合主要為伊利石、綠泥石及伊蒙混層。鏡下常見石英加大，有個別長石加大，巖屑顆粒及鈣質(zhì)填隙物的溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育。

4 儲層成巖相

成巖相反映的是不同成巖環(huán)境下成巖礦物的組合特征，主要是由成巖作用組合特征所決定的，是成巖環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)，是現(xiàn)今儲層特征的直接反映，是表征儲層性質(zhì)、類型和質(zhì)量優(yōu)劣的成因性標(biāo)志，因此，通過成巖相研究能更進(jìn)一步地明確與儲集性能直接相關(guān)的有利成巖體，從而更有效地指導(dǎo)油氣勘探[7-9]。

4.1 成巖相類型

徐家圍子斷陷沙河子組儲層整體進(jìn)入中成巖B期和晚成巖階段，壓實作用貫穿整個成巖過程。如壓實后溶蝕作用占主導(dǎo)，則對儲層物性有利；膠結(jié)作用占優(yōu)勢時，則對儲層起破壞作用。為定量表征壓實作用和溶蝕作用的強(qiáng)弱，引入“視壓實率”和“視溶蝕率”2個參數(shù)[10-11]。根據(jù)式(1)和式(2)計算出視壓實率和視溶蝕率，分別將壓實作用和溶蝕作用定量劃分為強(qiáng)、中、弱3個等級。壓實率>70%為強(qiáng)壓實，30%～70%為中等，<30%為壓實強(qiáng)度弱；溶蝕率>60%為強(qiáng)溶蝕，在25%～60%之間為中等，<25%為溶蝕度弱。在判斷壓實和溶蝕作用強(qiáng)弱的基礎(chǔ)上，結(jié)合儲層成巖礦物和成巖演化以及測井曲線可識別原則，將沙河子組儲層劃分為強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相、強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相、中壓實弱溶蝕相和中壓實強(qiáng)溶蝕相4種成巖相組合類型。

(1)

(2)

圖4 徐家圍子斷陷沙河子組成巖階段劃分Fig.4 Diagenetic facies division of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression

強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相以含鈣細(xì)砂巖和鈣質(zhì)不等粒砂巖為主，其次是含鈣巖屑中砂巖、含礫細(xì)砂巖。粒度大部分較細(xì)，顆粒以線接觸為主，局部可見線-凹凸接觸。視壓實率平均為72.5%，壓實程度強(qiáng)，空氣滲透率均值為0.06×10-3μm2，巖芯孔隙度均值為2.8%。壓實作用強(qiáng)，導(dǎo)致儲層原生粒間孔隙保存較少[12]。鈣質(zhì)膠結(jié)物為碳酸鹽的一種，其來源于相鄰的泥巖，泥巖在壓實作用下釋放大量的飽和方解石壓實流體，砂-泥接觸面水巖相互作用較活躍，易發(fā)生方解石溶解和沉淀，形成鈣質(zhì)膠結(jié)物充填粒間，因此鈣質(zhì)膠結(jié)一般發(fā)生在壓實后的晚成巖階段，使儲層物性變的更差[13-14]。

強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相巖性以含泥細(xì)、粉砂巖為主，其次為分選較差、泥質(zhì)含量較高的礫質(zhì)砂巖。壓實作用強(qiáng)，視壓實率平均為73.2%，空氣滲透率0.03×10-3μm2，巖芯孔隙度為2.6%。黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，其次為綠泥石和高嶺石。伊利石多為溶蝕作用的產(chǎn)物，在殘余溶蝕孔隙中可見，伊利石的形成過程通常伴隨著石英的生成，也就是伊利石充填時也夾雜一部分硅質(zhì)成分。伊蒙混層對孔隙的充填易于堵塞孔隙喉道，減少孔隙空間的同時也對儲層的滲透性有較大的破壞，使孔隙結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。

中壓實弱溶蝕相以含礫砂巖和礫質(zhì)砂巖為主，中-粗砂巖次之。粒度中等，顆粒點-線接觸為主，分選中等-差。視壓實率平均為37.8%，視溶蝕率平均為32.6%，該成巖相平均孔隙度5.9%，滲透率0.16×10-3μm2。早期壓實強(qiáng)度中等，保留了部分原生孔，后期經(jīng)過黏土礦物和碳酸鹽充填亦增加了儲層的抗壓力，但膠結(jié)物的充填降低了孔隙度和連通性，不利于長石和火山碎屑顆粒的溶蝕，因此溶蝕作用較弱。

中壓實強(qiáng)溶蝕相以凝灰質(zhì)含砂礫巖和長石巖屑不等粒砂巖為主，砂質(zhì)礫巖和純礫巖次之。粒度較粗，分選差，無定性排列，巖石接觸關(guān)系以點-線接觸為主。視壓實率平均為46.3%，壓實強(qiáng)度中等。視溶蝕率平均為65.4%，屬于強(qiáng)溶蝕，平均孔隙度9.6%，滲透率0.23×10-3μm2。與中壓實弱溶蝕相同，早期壓實強(qiáng)度中等，晚期由于排烴有機(jī)酸的充注，導(dǎo)致火山巖巖屑及長石溶蝕，形成次生孔隙，構(gòu)成沙河子組主要存儲空間。

4.2 成巖相與儲層物性

不同成巖相發(fā)育層段其孔隙度和滲透率雖沒有明顯邊界，但總體而言，強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相和強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相發(fā)育層段孔隙度差，主要是因為該成巖相沉積物粒度細(xì)，泥值含量高，抗壓能力較差，強(qiáng)壓實后，又經(jīng)后期碳酸鹽、伊利石和濁沸石充填膠結(jié)，導(dǎo)致其與相同成巖演化序列的其他層段相比，儲層致密且物性差。相反中壓實弱溶蝕相和中壓實強(qiáng)溶蝕相，因為壓實率低且經(jīng)過后期的長石巖屑和火山灰溶蝕作用，在剩余原生孔隙相同的情況下，其溶蝕增孔發(fā)育大量次生溶蝕孔隙。對于沙河子組儲層，原生孔隙不發(fā)育，次生孔隙發(fā)育。次生孔隙主要是以巖屑、長石的粒內(nèi)孔為主，喉道細(xì)，且常呈孤立狀，相互不連通，因此對儲層滲透率貢獻(xiàn)小(圖5)。

圖5 徐家圍子斷陷沙河子組孔滲物性關(guān)系圖Fig.5 Porosity-permeability cross-plotting of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression

5 成巖相測井響應(yīng)特征與識別方法

5.1 成巖相測井響應(yīng)特征

成巖相在結(jié)構(gòu)、礦物成分和物性上的差異，表現(xiàn)在地層波速、速度、放射性及電阻率等物理性質(zhì)的變化上，導(dǎo)致它們在測井曲線上具有不同的響應(yīng)特征。研究區(qū)沙河子組取芯井的巖芯薄片資料有限，而測井垂向資料相對齊全，因此，根據(jù)前人對成巖相測井響應(yīng)特征歸納的成果，結(jié)合本研究區(qū)的實際資料，選取反映儲層巖性和沉積環(huán)境的自然伽馬(GR)、體現(xiàn)儲層物性差異的三孔隙度曲線聲波(DT)、密度(ZDEN)和中子(CNL)、間接反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)的電阻率(LLD)，依據(jù)巖石薄片劃分的4種成巖相組合類型，建立成巖相測井判別模式(圖6)。

由圖6a蛛網(wǎng)圖可以看出，不同成巖相其測井曲線具有一定響應(yīng)的特征差異，可以依此定性區(qū)分各成巖相類型。首先利用聲波時差(DT)和巖性密度(ZDEN)區(qū)分出中壓實強(qiáng)溶蝕相，說明受溶蝕作用影響儲層孔隙發(fā)育，表現(xiàn)為高聲波時差、低巖性密度特征(圖6b)，物性相對較好；其次利用自然伽馬(GR)和深側(cè)向電阻率(LLD)區(qū)分出強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相，受強(qiáng)壓實和黏土影響較大，該巖石相具有高自然伽馬、低電阻率的特征(圖6c)；最后利用聲波時差(DT)和補(bǔ)償中子(CNL)區(qū)分出強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相，該巖石相具有低聲波時差、低中子孔隙度特征(圖6d)。

圖6 沙河子組儲層不同類型成巖相測井參數(shù)關(guān)系Fig.6 Logging parameters among different types of diagenetic facies in Shahezi Formation

5.2 成巖相測井自動識別及分布特征

為能夠?qū)ρ芯繀^(qū)單井成巖相進(jìn)行縱向連續(xù)自動識別，在上述總結(jié)各成巖相測井曲線響應(yīng)特征基礎(chǔ)上，采用主成分分析方法，通過將眾多的測井曲線轉(zhuǎn)化為不同主成分，提取有關(guān)成巖相類別信息?；蛘哒f將用多條測井曲線識別成巖相類型的問題，轉(zhuǎn)化為用兩條主成分曲線識別歸類。對于待判井段，可直接把各點的測井讀數(shù)代入上述轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算各個深度點的不同主成分，根據(jù)最小距離法原則即可判別不同組合成巖相類別。利用此方法對研究區(qū)22口重點探井進(jìn)行成巖相自動識別，可知縱向上中壓實強(qiáng)溶蝕相和中壓實弱溶蝕相主要發(fā)育在沙河子組上層砂礫巖儲集段，下層以強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)為主，強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相在各個層段均有發(fā)育。以DS16為例(圖7a)，有利成巖相對應(yīng)的儲層物性、氣測顯示和測井解釋結(jié)果較好，說明儲層的優(yōu)劣明顯受成巖相控制。依據(jù)優(yōu)勢相原則，統(tǒng)計22口重點探井優(yōu)勢成巖相類型，結(jié)合研究區(qū)沉積相帶及孔隙度平面展布情況，得出沙河子組致密砂礫巖儲層成巖相平面展布規(guī)律(圖7b)。中壓實強(qiáng)溶蝕相主要發(fā)育于徐家圍子斷陷北部，徐西中部局部發(fā)育；中壓實弱溶蝕相大面積發(fā)育，主要分布于安達(dá)地區(qū)、徐西北、徐西南及徐東地區(qū)；強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相和黏土膠結(jié)相主要集中于徐中凹陷區(qū)及徐南斷陷西側(cè)。

圖7 沙河子組成巖相縱向及平面展布特征Fig.7 Vertical and lateral distribution of diagenetic facies of Shahezi Formation

6 結(jié)論

(1)徐家圍子斷陷沙河子組儲層以灰色、灰黑色砂巖和砂礫巖為主。礫石成分成熟度低，以中酸性噴發(fā)巖為主，結(jié)構(gòu)成熟度中等-較低顆粒之間的填隙物成分主要為泥質(zhì)雜基。儲層整體致密，發(fā)育原生孔、次生溶蝕孔和微裂隙3種孔隙類型，孔隙度大多數(shù)集中在2%～6%之間；滲透率主要<0.1×10-3μm2，具有典型的致密砂礫巖儲層物性特征。

(2)根據(jù)成巖作用類型、強(qiáng)度和成巖礦物成分以及對儲層物性的影響，將研究區(qū)儲層劃分為強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)相、強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相、中壓實弱溶蝕相和中壓實強(qiáng)溶蝕相，并歸納不同成巖相測井響應(yīng)特征，基于主成分分析法對研究區(qū)重點探井進(jìn)行成巖相識別。

(3)縱向上中壓實強(qiáng)溶蝕相和中壓實弱溶蝕相主要發(fā)育在沙河子組上層砂礫巖儲集段，下層以強(qiáng)壓實鈣質(zhì)膠結(jié)為主，強(qiáng)壓實黏土膠結(jié)相在各個層段均有發(fā)育。平面上，有利成巖相主要集中在研究區(qū)北部，是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)，也是下步勘探目標(biāo)區(qū)及探明儲量提交區(qū)。