吐哈盆地勝北洼陷七克臺組二段混積巖致密儲層特征研究

馮 越，黃志龍，張 華，王 健，彭亞中

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3.中國石油吐哈油田分公司，新疆 哈密 839009)

0 引 言

混合沉積作為一種特殊沉積類型，最早是由Mount提出并采用砂(陸源碎屑)、異化顆粒、灰泥和泥質(zhì)黏土四端元，并用立體圖法對混積巖進行了分類[1]。楊朝青等將碳酸鹽組分大于25%，陸源碎屑大于10%的混合沉積歸為混積巖[2]。不少學者發(fā)現(xiàn)混積巖與油氣富集關(guān)系密切，可形成優(yōu)質(zhì)致密油氣儲層，如北美地區(qū)的Bakken、Eagle Ford等多套海相致密油產(chǎn)層及中國渤海灣、四川、酒泉、柴達木、三塘湖等盆地廣泛發(fā)育的湖相致密混積巖儲層。中國混積巖致密油地質(zhì)資源量可達38.22×108t，技術(shù)可采資源量為2.94×108t，占致密油可采資源量的20.2%以上，具有十分廣闊的油氣勘探前景[3-8]。

吐哈盆地勝北洼陷中侏羅統(tǒng)七克臺組二段發(fā)育一套湖相陸源碎屑、黏土礦物與碳酸鹽礦物混合沉積形成的混積巖，過去受地質(zhì)認識的限制，沒有對這套混合沉積物進行細分，認為巖石類型主要分為暗色泥巖、泥灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖[9-10]。該套混積巖分布廣、資源潛力大，深入分析其儲層特征對實現(xiàn)致密油效益開發(fā)具有重要作用。為此，在目的層取心的基礎(chǔ)上，通過巖心觀察、薄片及氬離子拋光-掃描電鏡觀察、壓汞核磁等測試分析手段，結(jié)合有機地球化學分析，揭示了該套混積巖致密儲層特征，明確了儲層的影響因素，建立了儲層分類評價標準，以期深入認識該套混積巖作為特殊含油層系的意義。

1 研究區(qū)概況

臺北凹陷是吐哈盆地吐魯番坳陷北部的一個重要富油凹陷，總面積近1×104km2，自東向西由小草湖、丘東和勝北3個洼陷組成。此次研究主要集中在勝北洼陷，面積約為800 km2(圖1)。研究區(qū)七克臺組地層厚度為100～250 m，地層北厚南薄，儲層由東向西發(fā)育，以湖泊相沉積為主。迄今為止，已有21口井在勝北洼陷七克臺組致密儲集層見油氣顯示，為熒光-油跡級別，主要集中在七克臺組二段的中上部，厚度一般為30～130 m，連砂1井等5口試油井均獲低產(chǎn)油氣流，該地區(qū)具備致密油的成藏條件，資源潛力較大，具備繼續(xù)擴展勘探的潛力[9-10]。

2 混積巖致密油儲層特征

2.1 礦物巖石學特征

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，七克臺組二段礦物組成復雜多樣且與傳統(tǒng)意義上的碳酸鹽礦物、碎屑巖不同。結(jié)合全巖分析結(jié)果，認為陸源碎屑主要為粉砂級的石英和長石顆粒，占26.3%～46.0%，碳酸鹽礦物占12.0%～56.1%，黏土礦物占12.4%～42.0%。整體上看，七克臺組二段巖石的陸源碎屑、黏土與碳酸鹽礦物含量相近，具有混合沉積的特征。

迄今為止，混積巖的分類沒有明確的標準?？紤]到研究區(qū)為淡水—微咸水的沉積環(huán)境，綜合前人的劃分原則[11-13]，采用三端元劃分方案，并根據(jù)陸源碎屑、碳酸鹽礦物、黏土礦物百分含量的多少將研究區(qū)混積巖劃分為3個大類，即粉砂質(zhì)混積巖、泥質(zhì)混積巖、碳酸鹽質(zhì)混積巖。結(jié)合鏡下薄片、全巖礦物百分含量、巖石組構(gòu)及構(gòu)造特征，進一步將混積巖劃分為6個小類。

(1) 碳酸鹽質(zhì)混積巖。含粉砂泥質(zhì)泥晶灰(云)巖的碳酸鹽組分含量大于40.0%，掃描電鏡下可見晶粒間多充填黏土礦物(圖2a)。含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖的非碳酸鹽組分含量相近，顆粒組分主要為褐色橢球狀的砂屑顆粒，含量可達20.0%，粒徑為0.25～1.50 mm，分選較差，磨圓較好，顆粒間多為點接觸(圖2b、c)。含泥粉砂質(zhì)泥晶灰(云)巖中的陸源碎屑顆粒含量一般大于25.0%，可見有機質(zhì)和碳酸鹽紋層，僅含少量黏土沉積。在陰極發(fā)光下可見橙黃色方解石、藍色長石和暗灰色石英存在結(jié)構(gòu)混合(圖2d、e)。

圖1 研究區(qū)位置及七克臺組綜合柱狀圖

圖2 勝北洼陷七克臺組二段儲層巖石類型

(2) 泥質(zhì)混積巖。含灰(云)粉砂質(zhì)泥巖的黏土礦物含量為38.5%～46.2%，石英、長石等陸源碎屑含量較多，碳酸鹽組分以灰(云)泥及碳酸鹽異化顆粒為主，偶見粒狀黃鐵礦不均一分布。含粉砂灰(云)質(zhì)泥巖中碳酸鹽含量為20.0%～30.3%，與長英質(zhì)含量相近或略高(圖2f)。

(3) 粉砂質(zhì)混積巖。含灰泥質(zhì)粉砂巖中陸源碎屑含量大于40.0%，粒徑為0.01～0.12 mm，且該類巖石中大多出現(xiàn)較高含量的方沸石(含量大于10.0%)。陰極發(fā)光下可見藍色和暗灰色的長英質(zhì)，具有典型的組構(gòu)混合特征(圖2g—i)。這種組構(gòu)型混合是因為七克臺組二段為濱淺湖沉積，地勢起伏不大，水體分層現(xiàn)象不明顯，沿岸流將一定數(shù)量的陸源碎屑帶到相對深水的碳酸鹽沉積區(qū)，二者高度混合形成[6,11]。

2.2 物性特征

對七克臺組二段139個巖心實測物性數(shù)據(jù)分析得出，孔隙度主要為4.00%～8.90%，滲透率小于0.100 mD的樣品占78.8%，為典型的低孔特低滲致密儲層。其中，不同巖性物性條件有較為顯著的差異，含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖及含灰泥質(zhì)粉砂巖孔隙度較高，粉砂質(zhì)泥晶灰(云)巖略低，而泥質(zhì)混積巖孔隙度低于5.00%的樣品占76.3%。此外，利用核磁共振技術(shù)對飽和水的混積巖樣品進行了核磁孔隙度測試，含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖及含灰泥質(zhì)粉砂巖仍表現(xiàn)出相對孔隙度較高的特征，平均為8.33%。臺參2井等部分樣品由于發(fā)育構(gòu)造縫，與深度相近的同一巖性樣品相比具有更高的滲透率，說明微裂縫的存在有效地改善了致密儲層的滲流能力。不考慮發(fā)育微裂縫的樣品，含灰泥質(zhì)粉砂巖平均滲透率為0.370 mD，砂屑云巖平均滲透率為0.230 mD，泥質(zhì)混積巖滲透率最低，平均滲透率僅為0.160 mD，含粉砂泥晶灰(云)巖與粉砂質(zhì)泥晶灰(云)巖滲透率分布范圍大，在0.001～0.450 mD，其原因是陸源碎屑可與碳酸鹽礦物呈紋層狀互層，形成紋層縫致使?jié)B透率增加。

2.3 儲集空間類型

與常規(guī)儲集層相比，致密儲層的孔喉大小、形態(tài)及連通性等微觀結(jié)構(gòu)特征對儲層儲集流體和滲流流體的能力具有重要影響[14]。七克臺組二段混積巖致密儲層的儲集空間可分為孔隙型和裂縫型(圖3)2個大類5個亞類。

圖3 七克臺組二段混積巖儲集空間特征

2.3.1 孔隙型儲集空間

孔隙型儲集空間根據(jù)其成因與形態(tài), 可進一步分為晶間孔、粒間孔、溶蝕孔3個亞類，不同類型孔隙形貌特征、孔徑大小差異明顯。晶間孔包括碳酸鹽礦物晶間孔和黃鐵礦晶間孔等，碳酸鹽晶間孔主要發(fā)育于碳酸鹽質(zhì)混積巖中，孔隙呈不規(guī)則狀，孔徑為0.06～4.90 μm，少數(shù)略大，為主要的儲集空間類型(圖3a、b)；黃鐵礦晶間孔主要見于泥質(zhì)混積巖中，孔徑為0.05～1.00 μm(圖3c)。粒間孔主要發(fā)育于含灰泥質(zhì)粉砂巖、含粉砂灰(云)質(zhì)泥巖及含灰粉砂質(zhì)泥巖的陸源碎屑顆粒間，孔徑為0.05～9.70 μm，孔隙呈不規(guī)則狀，為主要的儲集空間類型(圖3d)。溶蝕孔在各類巖石中均有發(fā)育，通常是多個溶孔密集分布，常見長石粒內(nèi)溶蝕孔和碳酸鹽礦物溶蝕孔，孔徑為0.01～1.70 μm(圖3e、f)；但七克臺組二段儲層致密且有機質(zhì)演化程度較低，酸性流體未能大量進入基質(zhì)孔隙中進行溶蝕，因此，基質(zhì)溶蝕孔不多見，為次要的儲集空間。

2.3.2 裂縫型儲集空間

儲層裂縫包括構(gòu)造縫和紋層縫。構(gòu)造縫主要發(fā)育在碳酸鹽質(zhì)混積巖及粉砂質(zhì)混積巖中，呈線狀、樹枝狀、網(wǎng)狀，縫寬為0.01～0.35 mm，巖心和熒光薄片下均可見構(gòu)造縫內(nèi)含油，表明構(gòu)造縫既是重要的儲油空間，又是重要的滲流通道(圖3g、h)。由于陸源碎屑紋層、碳酸鹽礦物紋層、泥質(zhì)紋層結(jié)合力較弱，在成巖過程中順層理易形成紋層縫[15-17]。紋層縫主要發(fā)育在含粉砂泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥晶灰?guī)r及泥質(zhì)混積巖中，有利于儲層質(zhì)量的提高，但儲層中的紋層縫發(fā)育程度不高且多被充填，是次要的油氣儲集空間(圖3i)。

2.4 儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)對致密儲層滲流能力、含油性、致密油的有效動用具有明顯控制作用，對其研究有利于評價儲層儲集性能[18]。七克臺組二段不同類型混積巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征有較為明顯的差異。含灰泥質(zhì)粉砂巖的孔隙半徑為10.0～9 700.0 nm，含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖的孔隙半徑為11.9～5 200.0 nm，二者進汞平臺低緩，排驅(qū)壓力明顯低于其他類型儲層，核磁共振T2譜顯示，微米級中、大孔較其他幾類發(fā)育，表明二者孔隙結(jié)構(gòu)較好。但相似進汞飽和度條件下，含灰泥質(zhì)粉砂巖的退汞效率高于含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖，反映其儲層連通性更好，可動油含量高[16]。泥質(zhì)混積巖的孔隙半徑主要為5.9～4 200.0 nm，泥晶碳酸鹽巖的孔隙半徑主要為9.2～1 700.0 nm，泥質(zhì)混積巖和大多含粉砂泥晶碳酸鹽巖排驅(qū)壓力大于6 MPa，進汞平臺表現(xiàn)為高陡或兩段式，退汞效率均低于40%，T2譜多表現(xiàn)為中斷的不明顯雙峰或三峰，表明含粉砂泥晶碳酸鹽巖和泥質(zhì)混積巖中微米級中大孔欠發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)較差(圖4)。綜上所述，含灰泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)灰?guī)r、含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖的孔隙結(jié)構(gòu)要好于其他巖石類型。

2.5 儲層含油性

儲層含油性是致密儲層原油富集程度的控制因素之一，使用巖石熱解參數(shù)液態(tài)可動烴S1、氯仿瀝青“A”含量可反映儲層的含油性[17]，含泥粉砂質(zhì)碳酸鹽巖和含灰泥質(zhì)粉砂巖的含油性最高，S1均值分別為1.70、2.21 mg/g，這與上述巖石孔隙結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果一致。

3 混積巖儲層控制因素

3.1 沉積微相對儲層的控制

沉積微相對于混積巖儲層的控制作用表現(xiàn)在礦物組成上，不同微相發(fā)育不同類型的混積巖，各混積巖的孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)也有不同。根據(jù)巖心觀察、巖心相及單井相分析，結(jié)合七克臺組二段沉積期的古構(gòu)造及前人研究成果[9-10,18-19]，認為七克臺組二段混積巖形成于濱淺湖亞相，水動力較強，礦物組分高度混合，由湖盆邊緣向湖中心依次發(fā)育砂質(zhì)(混合)灘壩、砂泥坪、灰泥坪、顆粒灘、淺湖灣和灰泥灘等沉積微相(圖5)。

含灰泥質(zhì)粉砂巖分布在水體較淺的砂壩中，水動力較強，顆粒分選好，形成的儲層質(zhì)量更好，油氣產(chǎn)能高。含泥粉砂質(zhì)灰?guī)r、含灰粉砂質(zhì)泥巖主要分布在灰泥坪向物源一側(cè)，陸源碎屑含量較高，發(fā)育微米級粒間孔，有利于油氣的富集，試油顯示良好。含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖主要分布在水動力較強的淺湖灣微相中斜坡高處或顆粒灘，雜基或泥晶含量低，孔隙發(fā)育、物性較好，但原始沉積有機質(zhì)較少，含油性相對較低。紋層狀含粉砂泥晶灰?guī)r主要發(fā)育在湖灣微相中的較深水地區(qū)，水動力較弱，原始物性較差，但有機質(zhì)含量較高且黏土礦物與碳酸鹽礦物互層可形成紋層縫，使其滲透率、含油性增大。

圖4 七克臺組二段混積巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.2 成巖作用對儲層的控制

成巖作用會導致巖石礦物成分和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在埋藏成巖過程中不同成巖作用相互作用，共同決定著儲層發(fā)育的優(yōu)劣[20]。依據(jù)Ro、Tmax等成巖演化指標，認為七克臺組二段目前處于中成巖階段A期，經(jīng)受壓實、膠結(jié)、溶蝕、白云化等多種成巖作用的改造。

圖5 研究區(qū)混積巖沉積微相發(fā)育特征

壓實作用是混積巖儲層原生孔隙減小的主要原因，壓實作用造成孔隙度減少7.00%～13.00%，但由于早期膠結(jié)等因素影響使得壓實作用有限；膠結(jié)作用主要包括方沸石膠結(jié)及方解石膠結(jié)作用，方解石膠結(jié)物存在顆粒邊緣環(huán)邊、亮晶兩期膠結(jié)，造成孔隙度減少2.50%～11.90%；方沸石多表現(xiàn)為膠結(jié)物半充填于構(gòu)造縫中，但隨深度及有機質(zhì)演化程度增加，方沸石含量逐漸較低，孔隙度相對增加，這可能與前期方沸石膠結(jié)物的溶蝕有關(guān)，此外，方沸石膠結(jié)物會抑制壓實而保留部分有效的儲集空間，含灰泥質(zhì)粉砂巖中高孔隙度可能與之相關(guān)[21]；通過薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光等觀察結(jié)果表明，白云石主要是埋藏期交代形成的，該過程會使碳酸鹽礦物體積縮小形成收縮晶間孔[22-23]，表現(xiàn)為白云石相對含量與孔隙度成正相關(guān)，與滲透率成弱相關(guān)。因此，白云化作用是七克臺組二段優(yōu)質(zhì)儲層形成的關(guān)鍵因素之一。

七克臺組二段混積巖本身具有良好的生油氣能力，對于自生自儲的混積巖儲層，有機質(zhì)對于儲層的控制因素體現(xiàn)在：①有機質(zhì)可以脫羧形成有機酸與CO2，降低孔隙水pH值和碳酸根活度，從而形成溶蝕孔，提高儲層物性。溶蝕孔的孔徑大小、數(shù)量與有機質(zhì)含量、分布相關(guān)，有機質(zhì)含量(TOC>1.0%)且充填于孔隙粒間，致使臨近有機質(zhì)的溶蝕孔廣泛發(fā)育，成為有效儲集空間；②控制儲層含油性，混積巖TOC與氯仿瀝青“A”之間存在的正相關(guān)性，表明有機質(zhì)豐度對混積巖的含油性具有一定的控制作用，使具備生烴能力但物性差的泥巖、泥晶碳酸鹽巖也有較高的含油性，含油飽和度可達38.16%。

3.3 構(gòu)造縫對儲層的控制

七克臺組沉積時期勝北洼陷受近南北向構(gòu)造應(yīng)力擠壓，逆沖斷層發(fā)育[9-10]。陸源碎屑混積巖和碳酸鹽質(zhì)混積巖中脆性礦物含量高，脆性指數(shù)可達0.68，在構(gòu)造應(yīng)力作用時更易發(fā)生破裂，較泥質(zhì)混積巖更有利于構(gòu)造縫發(fā)育。構(gòu)造縫發(fā)育程度受斷層控制，如緊鄰斷層的臺參2、連北5井，構(gòu)造縫密度可達4.0條/m。構(gòu)造縫與基質(zhì)孔隙、紋層縫構(gòu)成裂縫網(wǎng)或孔隙-微裂縫型儲集空間，有利于優(yōu)質(zhì)儲層的形成和原油富集。

4 儲層分類評價

根據(jù)七克臺組二段混積巖儲層的孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、退汞效率、日產(chǎn)量等參數(shù)進行分類評價，可將其劃分為3類(表1)：Ⅰ類為最好儲層，巖性為含灰泥質(zhì)粉砂巖，孔隙度平均為8.30%，滲透率平均為0.370 mD，孔隙-微裂縫型儲集空間較發(fā)育，大孔占比高，孔隙結(jié)構(gòu)較好，產(chǎn)油量高；Ⅱ類為一般儲層，巖性為含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖、粉砂質(zhì)泥巖和含泥粉砂質(zhì)泥晶灰(云)巖，孔隙度平均為6.60%，滲透率平均為0.190 mD，晶間孔、溶蝕孔、構(gòu)造縫較發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)一般，產(chǎn)油量較高；Ⅲ類為差儲層，巖性為含粉砂泥質(zhì)灰(云)巖和灰(云)質(zhì)泥巖，物性較差，孔隙結(jié)構(gòu)差，熒光-油跡顯示。結(jié)合沉積微相分析，砂壩、砂泥坪及灰泥坪是七克臺組二段混積巖優(yōu)質(zhì)致密儲層發(fā)育的有利相帶，是研究區(qū)致密油增儲上產(chǎn)的首選。

5 結(jié) 論

(1) 勝北洼陷七克臺組二段儲層陸源碎屑、碳酸鹽礦物、黏土礦物含量相近，具有混合沉積的特征，主要發(fā)育粉砂質(zhì)混積巖、泥質(zhì)混積巖、碳酸鹽質(zhì)混積巖等3大類6小類巖石類型。

表1 勝北洼陷七克臺組二段混積巖致密儲層分類評價標準

(2) 七克臺組二段混積巖儲層為典型的低孔特低滲致密儲層。儲集空間以微納米級的晶間孔、粒間孔和微裂縫為主，紋層縫及溶蝕孔是次要儲集空間。不同類型混積巖的物性條件、孔隙結(jié)構(gòu)具有顯著差異。含灰泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)灰?guī)r、含泥粉砂質(zhì)砂屑云巖的孔隙結(jié)構(gòu)要好于其他巖石類型。

(3) 七克臺組二段混積巖儲層受沉積微相、成巖作用、有機質(zhì)豐度和構(gòu)造作用等因素綜合控制。

(4) 根據(jù)研究將七克臺組二段混積巖儲層分為3類，其中Ⅰ、Ⅱ類儲層是研究區(qū)增儲上產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)儲層，砂壩、砂泥坪和灰泥坪是致密油優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的有利相帶，是七克臺組二段致密油下一步勘探工作的重點。