操應(yīng)長,朱 寧,張少敏,葸克來,薛秀杰
(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室,山東 青島 266071)
在油氣需求增加和勘探技術(shù)進(jìn)步的推動下,致密油、致密氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源成為能源結(jié)構(gòu)組成的重要角色[1]。通過早期勘探評定發(fā)現(xiàn),中國非常規(guī)油氣資源十分豐富,在鄂爾多斯盆地三疊系延長組、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組、松遼盆地白堊系青山口組—泉頭組等地層均發(fā)現(xiàn)豐富的致密油資源[2-6],但勘探開發(fā)仍處于起步和探索階段[7-9]。與常規(guī)油氣藏相比,致密油具有生-儲-蓋三位一體、大面積連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布、納米級孔喉發(fā)育等特點[3,5],給后期的勘探開發(fā)工作帶來了一系列難題。
準(zhǔn)噶爾盆組作為致密油儲層的重點區(qū)域,近年來勘探開發(fā)工作取得了重要的突破[10-11]。國內(nèi)學(xué)者對該區(qū)地質(zhì)特征[5-6,10]、沉積特征與古氣候特征[11-16]、烴源巖特征[17-19]、成藏過程[20-21]、油氣賦存狀態(tài)及分子結(jié)構(gòu)[22]、儲層特征及勘探開發(fā)潛力評價[23-25]等宏觀和微觀方面開展了大量研究[5-6,10-21],為該區(qū)的勘探開發(fā)提供重要指導(dǎo)。吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組作為一套多物源、多成分混雜而成的細(xì)粒沉積巖,其巖相類型復(fù)雜。前人根據(jù)不同成分的含量,結(jié)合結(jié)構(gòu)與構(gòu)造差異,提出精細(xì)的分類方案,總結(jié)出8種巖相類型[26],同時對該區(qū)的沉積相類型及沉積演化進(jìn)行了深入研究,其主要為湖泊相和三角洲相,遠(yuǎn)砂壩、席狀砂與濱淺湖分別為上、下“甜點體”最主要的微相類型[12-14]。但目前關(guān)于該區(qū)的儲集空間特征,特別是不同巖石類型中發(fā)育的儲集空間類型以及各巖類成巖作用對儲集空間的控制方面等研究較為薄弱[27-33]。葸克來等對蘆草溝組致密油儲層的巖石類型及特征進(jìn)行系統(tǒng)命名和表征[27];王曉琦等采用電子束荷電效應(yīng)對儲集空間及其連通性進(jìn)行定量表征評價[28];劉冬冬等通過蘆草溝組裂縫發(fā)育特征研究對致密油儲層開展評價[29-30];馬世忠等通過壓汞實驗精細(xì)表征了儲層孔喉結(jié)構(gòu)并進(jìn)行儲層分類[31]。因此,本文在前人研究基礎(chǔ)上,利用巖芯觀察、鑄體薄片及熒光薄片鑒定,結(jié)合X射線衍射(XRD)、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、掃描電鏡(SEM)及能譜、恒速壓汞等分析測試手段,結(jié)合儲層巖石學(xué)特征,對準(zhǔn)噶爾盆組致密油儲層不同巖石類型的成巖作用、儲集空間進(jìn)行分析,并探討了成巖作用與儲集空間的關(guān)系,以期為致密油儲層評價及勘探開發(fā)提供參考。
吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油儲層礦物成分復(fù)雜。 X射線衍射及薄片鑒定顯示,該區(qū)主要發(fā)育石英、鉀長石、斜長石、方解石、(鐵)白云石、黃鐵礦、沸石以及黏土礦物等多種礦物類型(圖2)。前人根據(jù)“四組分三端元”的分類方案,將碳酸鹽含量、火山碎屑含量以及陸源碎屑含量作為3個端元組分,并遵循三級命名原則將研究區(qū)分為4種巖石類型,即陸源碎屑巖類、碳酸鹽巖類、火山碎屑巖類和混積巖類,并詳細(xì)劃分為18個小類[27]。本文在此分類基礎(chǔ)上,通過X射線衍射,結(jié)合鏡下薄片分析,明確了不同巖石類型的礦物成分和含量差異(表1)。
圖件引自文獻(xiàn)[32]圖2 蘆草溝組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive Geological Histogram of Lucaogou Formation
碳酸鹽巖類主要發(fā)育泥晶云巖、粉砂質(zhì)砂屑云巖和凝灰質(zhì)云巖3種巖石類型。泥晶云巖中白云石含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)最高,平均為86.1%,斜長石和石英平均含量分別為2.6%和7.3%,黏土礦物平均含量為1.8%,鏡下顯示成分較為均一[圖3(a)];粉砂質(zhì)砂屑云巖中白云石含量減少,平均為53.3%,陸源碎屑含量明顯增加,石英平均含量為15.8%,斜長石和鉀長石平均含量分別為17.7%和2.8%,黏土礦物平均含量為8.6%,可見少量黃鐵礦,鏡下粉砂級長英質(zhì)礦物與云質(zhì)砂屑混合,長英質(zhì)礦物呈次棱角狀,云質(zhì)砂屑磨圓相對較好[圖3(b)];凝灰質(zhì)云巖中白云石平均含量為55.4%,石英平均含量為13.9%,斜長石和鉀長石平均含量分別為22.6%和6.9%,黏土礦物平均含量為2.5%,鏡下火山碎屑組分呈條帶狀或團塊狀分布[圖3(c)、(d)]。
表1 全巖X射線衍射分析結(jié)果Tab.1 XRD Analysis Results of Whole-rocks
注:“—”表示礦物含量低于檢測限;樣品采自J174井。
圖3 巖石類型及特征Fig.3 Types and Characteristics of Rocks
陸源碎屑巖類主要發(fā)育凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)泥巖和云質(zhì)泥巖。凝灰質(zhì)粉砂巖中長英質(zhì)礦物含量明顯增加,石英平均含量為27.6%,斜長石和鉀長石平均含量分別為46.7%、13.2%,黏土礦物含量增加,平均為8.0%,可見少量黃鐵礦,鏡下顯示為火山碎屑和陸源碎屑分散混積[圖3(e)];凝灰質(zhì)泥巖和云質(zhì)泥巖呈紋層狀,沉積韻律明顯,黏土層可見黑色有機質(zhì)條帶[圖3(f)]。
在火山碎屑巖類中,火山碎屑含量增加。粉砂質(zhì)凝灰?guī)r所含鉀長石含量增加,平均含量為15.6%,沸石平均含量為1.5%,鏡下可見火山凝灰質(zhì)層與粉砂質(zhì)碎屑層疊置[圖3(g)];云質(zhì)/灰質(zhì)凝灰?guī)r中,石英平均含量為30.2%,長石平均含量為44.9%,碳酸鹽礦物平均含量為18.7%,黏土礦物含量減少,沸石平均含量為1.9%,鏡下顯示碳酸鹽礦物與火山碎屑混積,具有一定的互層性[圖3(h)]。
在碳酸鹽巖類中,組分較為單一的泥晶云巖呈均一塊狀,壓實作用較強,其縫合線最為發(fā)育[圖4(a)];隨著陸源碎屑和凝灰質(zhì)含量的增多,巖性過渡為粉砂質(zhì)砂屑云巖和凝灰質(zhì)云巖,壓實作用中等,粉砂級長英質(zhì)顆粒呈分散狀充填于砂屑間,凝灰質(zhì)云巖中團塊狀及條帶狀火山碎屑通過壓實調(diào)整后具有一定定向性[圖4(b)]。
在陸源碎屑巖類中,粉—細(xì)砂級的礦物含量增加。凝灰質(zhì)粉砂巖壓實作用中等,礦物顆粒之間呈現(xiàn)明顯的線接觸,凝灰質(zhì)分散混積或與黏土層互層[圖4(c)、(d)];云質(zhì)泥巖壓實作用較強,淺色白云質(zhì)紋層與暗色黏土層互層,在暗色黏土層中有機質(zhì)含量增多,熒光下可見明顯的壓實變形且順層分布[圖4(e)]。
在火山碎屑巖類中,棱角—次棱角狀的長英質(zhì)礦物含量增多,磨圓差但分選較好,粉砂質(zhì)凝灰?guī)r壓實強度中等,其壓實特征與凝灰質(zhì)粉砂巖相似。
前人研究認(rèn)為,研究區(qū)儲層經(jīng)歷了酸堿流體交替溶蝕改造[23],陸源碎屑巖類、火山碎屑巖類、碳酸鹽巖類均發(fā)生不同程度的溶蝕,極大地改善了儲層的儲集物性[34]。溶蝕強度受各巖類不穩(wěn)定組分和含量影響,表現(xiàn)出較大差異。
(-)表示單偏光;(+)表示正交光圖5 膠結(jié)作用特征Fig.5 Characteristics of Cementation
塊狀混積的凝灰質(zhì)粉砂巖溶蝕作用也較為強烈,陸源碎屑組分的長石、中基性火山巖巖屑及分散狀的凝灰質(zhì)物質(zhì)在有機酸、CO2等酸性流體的影響下發(fā)生溶蝕[圖4(m)、(n)],長石顆粒內(nèi)部溶蝕形成蜂窩狀[37],顆粒邊緣溶蝕呈港灣狀,分散狀的凝灰質(zhì)溶蝕較不規(guī)則。紋層狀的凝灰質(zhì)泥巖和云質(zhì)泥巖壓實作用都較強,致密程度高,基本不發(fā)生溶蝕[圖3(f)、圖4(d)]。
塊狀混積的粉砂質(zhì)凝灰?guī)r溶蝕作用特征與凝灰質(zhì)粉砂巖相似,紋層狀的凝灰?guī)r多表現(xiàn)為與泥質(zhì)層互層,顆粒較粗的凝灰質(zhì)層和尖棱角狀的長英質(zhì)礦物顆粒發(fā)生強溶蝕,而黏土層基本無溶蝕[圖4(o)]。
通過薄片及掃描電鏡觀察,結(jié)合X射線衍射分析結(jié)果,認(rèn)為研究區(qū)發(fā)育白云石、鐵白云石、方解石、鐵方解石、自生石英、自生鈉長石、沸石和黏土礦物,黏土礦物多由長石和凝灰質(zhì)蝕變而充填于粒間[圖5(a)],在各巖類中膠結(jié)物的類型差異較大。
在碳酸鹽巖類中,粉砂質(zhì)砂屑云巖膠結(jié)作用較為明顯,當(dāng)粉砂質(zhì)含量較少時,其膠結(jié)作用較強,表現(xiàn)為鮞粒間或砂屑間發(fā)育晶型較好的亮晶白云石或方解石膠結(jié)物和少量黃鐵礦[圖5(b)、(c)]。利用Image-pro Plus 6.0軟件進(jìn)行定量圈定,該巖類中碳酸鹽膠結(jié)物含量為1.2%~5.3%,平均為2.1%。凝灰質(zhì)云巖中混積的火山玻璃發(fā)生脫玻化作用,在白云石粒間形成放射狀或馬牙狀的自生硅質(zhì)膠結(jié)物[圖5(d)、(e)]。
在陸源碎屑巖類中,凝灰質(zhì)粉砂巖以白云石和含鐵方解石膠結(jié)為主,部分層段發(fā)育石英加大邊。白云石和含鐵方解石以半自形—自形充填于溶蝕孔隙,可見少量結(jié)晶程度較好的鐵方解石成連晶式膠結(jié)[圖5(f)],碳酸鹽膠結(jié)物含量為2.4%~20.0%,平均為5.7%,石英次生加大含量小于1%。紋層狀云質(zhì)泥巖膠結(jié)作用基本不發(fā)育。
火山碎屑巖類發(fā)育的膠結(jié)物類型較多,包括白云石、鐵方解石、自生石英、自生鈉長石及沸石(以方沸石為主)[圖5(g)~(i)]。在粉砂質(zhì)凝灰?guī)r中,沸石多與方解石、自生石英伴生出現(xiàn),在掃描電鏡下沸石多呈板狀[圖5(g)、(h)];通過X射線衍射分析,沸石含量約為3.8%。在凝灰質(zhì)溶蝕孔中可見表面潔凈的長石晶體;通過能譜分析,其成分為鈉長石,充填于凝灰質(zhì)溶蝕孔內(nèi)。
通過對196個樣品進(jìn)行常規(guī)氣測孔隙度和滲透率測試,并結(jié)合X射線衍射分析及鏡下薄片鑒定,確定不同巖石類型的儲集空間、儲集物性及含油性特征(表2)。結(jié)果顯示,粉砂質(zhì)砂屑云巖、凝灰質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)凝灰?guī)r儲集物性最好,含油性為油跡,其次為凝灰質(zhì)云巖和云質(zhì)凝灰?guī)r,含油性為油斑-熒光,泥晶云巖、云質(zhì)泥巖及凝灰質(zhì)泥巖物性最差。
表2 各類巖石儲層特征參數(shù)Tab.2 Reservoir Parameters of Each Rock
注:樣品采自J174井。
吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油儲層成巖作用復(fù)雜,孔滲相關(guān)性差,納米級孔隙發(fā)育[33],因此,僅僅利用宏觀物性不能很好地表征儲層的儲集物性,需要將鑄體薄片、激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、恒速壓汞等分析測試方法相結(jié)合,對儲層的儲集性能及差異進(jìn)行精細(xì)刻畫。
通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),泥晶云巖儲層的儲集空間不發(fā)育,僅可見白云石晶間孔[圖6(a)、(b)],整體物性較差。氣測孔隙度實驗數(shù)據(jù)表明,其孔隙度為1.2%~5.8%,平均值為4.9%,滲透率為0.004~0.018 mD,平均值為0.007 mD;恒速壓汞測試表明其排驅(qū)壓力高,可達(dá)10.30 MPa;激光共聚焦顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)該類儲層的儲集空間少,孔隙多呈孤立狀,孔喉連通性差[圖7(a)~(c)]。粉砂質(zhì)砂屑云巖儲集空間十分發(fā)育,多為長石溶蝕形成的粒內(nèi)孔、鑄??滓约吧倭磕屹|(zhì)溶蝕孔[圖6(c)、(d)]。這類儲層孔隙度較高,氣測孔隙度為14.5%~19.9%,平均值為16.4%,滲透率為0.245~1.100 mD,平均值可達(dá)0.552 mD;恒速壓汞測試表明其排驅(qū)壓力低,僅為0.85 MPa左右;結(jié)合激光共聚焦顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)該類儲層的儲集空間孔喉連通性好[圖7(d)~(f)]。凝灰質(zhì)云巖儲集空間以分散狀凝灰質(zhì)、團塊狀或條帶狀凝灰質(zhì)巖屑及尖棱角狀的長英質(zhì)火山碎屑溶蝕孔為主[圖4(g)],鮞粒白云巖中凝灰質(zhì)核心也發(fā)生溶蝕[圖4(h)],其孔隙度和滲透率中等,恒速壓汞測試表明其排驅(qū)壓力約為6 MPa,孔喉連通性中等。
凝灰質(zhì)粉砂巖儲集空間以粉—細(xì)砂級長石顆粒內(nèi)部及邊緣、中基性火山巖巖屑及分散狀混積的凝灰質(zhì)次生溶蝕孔為主,溶蝕孔內(nèi)有沸石和自生石英充填[圖6(e)、(f)]。這類儲層儲集物性較好,孔隙度平均值為14.2%,滲透率平均值為0.148 mD,恒速壓汞測試表明其排驅(qū)壓力值較小,孔喉連通性較好。云質(zhì)泥巖孔隙不發(fā)育,在掃描電鏡下可見少量的晶間孔及少量微裂縫[圖6(g)、(h)],其儲集物性較差。
粉砂質(zhì)凝灰?guī)r的儲集空間與凝灰質(zhì)粉砂巖類似,溶蝕孔內(nèi)常有沸石及大量伊蒙混層礦物充填[圖6(i)],其儲集物性較好,孔隙度平均值為13.7%,滲透率平均值為0.181 mD,排驅(qū)壓力較小。云質(zhì)凝灰?guī)r以凝灰質(zhì)溶蝕孔為主,發(fā)育一定量的晶間孔,孔隙度中等,滲透率較低,排驅(qū)壓力較高,溶蝕孔隙多呈孤立狀,連通性差[圖7(g)~(i)]。
2.5D圖像中,綠色表示孔隙位置,高度表示識別出來的孔隙發(fā)育程度;3D圖像中,綠色范圍表示孔隙及吼喉連通性圖7 孔隙激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡圖像Fig.7 CLSM and SEM Images of Pores
圖8 各類巖石孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.8 Relationship Between Porosity and Permeability of Each Rock
不同巖類儲層發(fā)育不同的儲集空間,不僅受巖石組分和結(jié)構(gòu)的影響,也與儲層遭受的關(guān)鍵成巖作用密切相關(guān)[38-39]。碳酸鹽巖類儲層以白云石和云質(zhì)砂屑為主。泥晶云巖的成分組成較單一,遭受了較強的壓實作用改造,可形成大量的縫合線作為后期烴類運移通道,膠結(jié)和溶蝕作用弱,其儲集空間主要是泥晶云巖在后期埋藏過程中發(fā)生重結(jié)晶作用形成的,儲集物性差(圖8)。對于粉砂質(zhì)砂屑云巖,由于云質(zhì)砂屑具有一定的抗壓性,該類儲層遭受的壓實作用中等。本區(qū)儲層鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.58%~1.20%,自晚三疊世開始進(jìn)入生油階段,在中侏羅世進(jìn)入大量生烴階段,為蘆草溝組第一個成藏期[40]。葸克來等研究發(fā)現(xiàn),早侏羅世包裹體的均一溫度為50 ℃~70 ℃,此階段有機質(zhì)產(chǎn)生的大量有機酸得以保存,結(jié)合蘆草溝組致密油儲層的沉積特征,儲層具有源儲一體與源儲互層的特征,有機酸能快速進(jìn)入儲層[27,40],導(dǎo)致溶蝕作用強,形成大量的鑄模孔,且連通性好,從晚白堊世至今,埋藏溫度為120 ℃,烴源巖仍處于低熟—成熟階段,在此過程中也伴隨有機酸的產(chǎn)生,部分有機酸在高溫下發(fā)生分解,對儲層物性在一定程度上有所改善。粉砂質(zhì)砂屑云巖儲層也經(jīng)歷了膠結(jié)作用改造,具有一定的破壞性,但膠結(jié)物含量為1.2%~5.3%,因此,儲層仍以溶蝕作用的影響為主,儲集物性好(圖8)。凝灰質(zhì)云巖物性較粉砂質(zhì)砂屑云巖差(圖8)。
陸源碎屑巖類儲層以粉—細(xì)砂級長英質(zhì)礦物和巖屑顆粒為主,具有一定的抗壓實能力。塊狀凝灰質(zhì)粉砂巖儲層儲集空間以長石、巖屑以及分散狀凝灰質(zhì)和團塊狀凝灰質(zhì)巖屑等次生溶蝕孔為主,這類物質(zhì)在溶蝕過程中易形成伊蒙混層、綠泥石等黏土礦物充填在溶蝕孔隙中。根據(jù)X射線衍射分析數(shù)據(jù),長石含量與黏土礦物含量成明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖9)。通過統(tǒng)計黏土礦物含量與孔隙度、滲透率的關(guān)系發(fā)現(xiàn),孔隙度與黏土礦物含量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明黏土礦物對孔隙造成一定程度的堵塞[圖10(a)],而滲透率與黏土礦物含量相關(guān)性較差,推測其受微裂縫影響較大[圖10(b)]。同時,碳酸鹽膠結(jié)對儲集空間也具有一定的破壞性,塊狀凝灰質(zhì)粉砂巖儲層儲集物性中等—好(圖8)。紋層狀云質(zhì)泥巖以壓實作用為主,對儲集空間的破壞強,儲集物性差(圖8)。
圖9 黏土礦物與長石含量關(guān)系Fig.9 Relationship Between Contents of Clay Mineral and Feldspar
圖10 黏土礦物含量與孔隙度、滲透率關(guān)系Fig.10 Relationships Between Porosity, Permeability and Contents of Clay Mineral
火山碎屑巖類中以空落或水流搬運而來的中基性火山巖巖屑及凝灰質(zhì)為主,具有酸不穩(wěn)定性。塊狀粉砂質(zhì)凝灰?guī)r儲層與凝灰質(zhì)粉砂巖類似,其遭受較強的溶蝕作用改造,由于黏土礦物的充填對孔隙有一定的堵塞,同時也有自生鈉長石、沸石及碳酸鹽礦物伴生,增強了儲集空間的復(fù)雜性,儲層中膠結(jié)物含量較低,對儲集空間的影響小于壓實作用和溶蝕作用,這類儲層儲集物性中等—好(圖8)。云質(zhì)凝灰?guī)r的壓實作用中等,分散狀凝灰質(zhì)發(fā)生溶蝕,但多有黏土礦物、沸石及碳酸鹽礦物充填堵塞孔喉,其儲集物性較塊狀粉砂質(zhì)凝灰?guī)r差(圖8)。
(1)準(zhǔn)噶爾盆組致密油儲層主要成巖作用有壓實作用、溶蝕作用、膠結(jié)作用,不同巖類中成巖作用的強度及表現(xiàn)形式不同。碳酸鹽巖類中,泥晶云巖經(jīng)歷強壓實,致密程度高,膠結(jié)和溶蝕作用基本不發(fā)育,粉砂質(zhì)砂屑云巖及凝灰質(zhì)云巖壓實作用中等,粉—細(xì)砂級長石及凝灰質(zhì)強溶蝕,發(fā)育少量的碳酸鹽膠結(jié)物;陸源碎屑巖類中,凝灰質(zhì)粉砂巖壓實作用中等,溶蝕作用較強,溶蝕孔隙中有較多的黏土礦物充填,膠結(jié)物以碳酸鹽礦物為主,云質(zhì)泥巖以強壓實作用為主;火山碎屑巖類中,粉砂質(zhì)凝灰?guī)r和云質(zhì)凝灰?guī)r壓實作用中等,以凝灰質(zhì)溶蝕為主,溶孔中發(fā)育伊蒙混層等黏土礦物、沸石、鈉長石及碳酸鹽膠結(jié)物。
(2)不同巖類儲集空間及儲集物性存在差異。泥晶云巖、云質(zhì)泥巖及泥質(zhì)凝灰?guī)r基本不發(fā)育儲集空間,可見納米級晶間孔、有機質(zhì)孔等,儲集物性差;粉砂質(zhì)砂屑云巖、粉砂質(zhì)凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)粉砂巖發(fā)育長石粒內(nèi)和粒間溶蝕孔、鑄模孔及凝灰質(zhì)溶蝕孔,連通性較好,儲集物性好;凝灰質(zhì)云巖和云質(zhì)凝灰?guī)r發(fā)育分散狀凝灰質(zhì)溶蝕孔、團塊狀或條帶狀凝灰質(zhì)巖屑溶蝕孔及尖棱角狀的長英質(zhì)溶蝕孔,連通性較好,儲集物性中等。
(3)不同巖類的儲集空間是各種成巖作用疊加改造的結(jié)果。泥晶云巖、云質(zhì)泥巖及泥質(zhì)凝灰?guī)r以強壓實作用為主,其余巖類主要以壓實減孔和溶蝕增孔改造為主,膠結(jié)作用的致密化影響較小。