楊稅務(wù)潛山奧陶系儲(chǔ)集層巖石微觀特征研究

胡 斌 郭素杰 于海軍 馮曰全 李 艷 于偉高 顏懷羽

(①中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司；②中國(guó)石油華北油田公司勘探事業(yè)部)

0 引 言

近年來(lái)，油田勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)向“難、非”領(lǐng)域發(fā)展，位于廊固凹陷東北部的楊稅務(wù)潛山構(gòu)造帶，具有億噸級(jí)儲(chǔ)量，是華北油田油氣接替的新領(lǐng)域[1]。該區(qū)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始啟動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)，到目前為止，已完成了11口井鉆探，油氣顯示主要集中在奧陶系，前期分別對(duì)馬家溝組及亮甲山組進(jìn)行了大型酸壓改造，大部分井能夠獲得高產(chǎn)油氣流，但有的井測(cè)錄井均顯示較好，壓裂試油結(jié)果卻差強(qiáng)人意[2]，有的井氣測(cè)顯示低但壓裂后卻喜獲高產(chǎn)。這表明楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，橫向變化大[3]。本文綜合應(yīng)用XRD礦物分析及巖石薄片鑒定技術(shù)對(duì)研究區(qū)奧陶系巖石成分構(gòu)成、微觀結(jié)構(gòu)和孔縫發(fā)育情況開(kāi)展分析，明晰楊稅務(wù)潛山奧陶系地層的微觀特征、儲(chǔ)集空間類型及儲(chǔ)集層物性影響因素，對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià)，取得了較好的效果[4]，為下一步試油及儲(chǔ)集層改造選層提供了科學(xué)依據(jù)[5]。

1 方法原理

1.1 XRD巖性精細(xì)識(shí)別

XRD(X Ray Diffraction)全稱為X射線衍射全巖礦物分析，根據(jù)巖性不同，礦物含量存在差異的原理，可以通過(guò)定量分析確定巖石礦物含量的變化，達(dá)到巖性定名的目的。該技術(shù)適用于礦物及物相鑒定分析，可定量檢測(cè)樣品的礦物組成，根據(jù)礦物含量變化實(shí)現(xiàn)成分構(gòu)成精細(xì)定名，從而解決細(xì)碎巖屑辨識(shí)難題。

已鉆井資料表明，楊稅務(wù)潛山主要目的層位為奧陶系碳酸鹽巖地層，巖性主要包括灰?guī)r、白云巖及過(guò)渡類型的復(fù)雜巖性。根據(jù)鉆井取心實(shí)物XRD分析，判定碳酸鹽巖主要是由方解石、白云石、鐵白云石以及黏土、石英、長(zhǎng)石等礦物組成。因此，以方解石作為灰?guī)r主要判定礦物，以白云石+鐵白云石作為白云巖主要判定礦物，以黏土+石英等雜基作為泥質(zhì)含量判定組合，參考沉積巖定名方法，建立了XRD礦物分析碳酸鹽巖定名標(biāo)準(zhǔn)(表1)，實(shí)現(xiàn)了礦物成分精細(xì)定名[6]。

1.2 巖石薄片鑒定

巖石薄片鑒定技術(shù)是在偏光顯微鏡下鑒定透明礦物和巖石類型的一種方法。將礦物或巖石標(biāo)本磨制成薄片后，在偏光顯微鏡下觀察其結(jié)晶特點(diǎn)，確定巖石的礦物成分，分析其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物的生成順序，確定巖石類型及其成因特征，最后認(rèn)定巖石名稱。該方法主要依靠巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造進(jìn)行巖性定名[5]。

楊稅務(wù)潛山為碳酸鹽巖地層，成分為方解石、白云石，主要由晶粒、顆粒、膠結(jié)物三種結(jié)構(gòu)組成，少見(jiàn)灰泥、云泥(饅頭組的泥灰?guī)r)和生物格架。晶粒類結(jié)構(gòu)(泥晶、粉晶、細(xì)晶)灰?guī)r、白云巖最為常見(jiàn)；顆粒類結(jié)構(gòu)主要為內(nèi)碎屑(如奧陶系鳳山組、長(zhǎng)山組、崮山組的竹葉狀灰?guī)r)，也見(jiàn)生物碎屑、鮞粒(如張夏組的鮞?；?guī)r)、藻粒等；膠結(jié)物主要沉積于顆粒之間，結(jié)晶方解石和白云石分為泥晶和亮晶兩種(在楊稅務(wù)潛山顆粒組構(gòu)中較為常見(jiàn))。

表1 碳酸鹽巖XRD礦物成分定名標(biāo)準(zhǔn)

2 奧陶系儲(chǔ)集層巖石學(xué)特征

根據(jù)11口潛山井巖石薄片鑒定資料，楊稅務(wù)潛山奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)集層巖性種類較多，具有礦物成分簡(jiǎn)單，巖石類型多樣，巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。礦物成分主要為方解石，其次為白云石，少量石膏、燧石、鐵礦和黏土礦物。硬石膏等鹽巖類含量較少，基本在3%以下，泥質(zhì)1%～15%，黃鐵礦0～1%。巖石結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括顆粒、晶粒、云斑和角礫結(jié)構(gòu)等。主要巖性為泥晶灰?guī)r、泥粉晶云巖等。而從XRD分析數(shù)據(jù)來(lái)看，亮甲山組白云石含量最高，上馬家溝組、下馬家溝組以及冶里組方解石含量較高，同時(shí)冶里組地層泥質(zhì)含量最低(圖1)。

鉆遇的潛山奧陶系地層自上而下分別為峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組、亮甲山組、冶里組。通過(guò)11口已鉆井1492塊巖屑、巖心偏光薄片及XRD精細(xì)分析，進(jìn)一步深化楊稅務(wù)潛山奧陶系地層微觀特征認(rèn)識(shí)。

圖1 楊稅務(wù)潛山奧陶系礦物含量統(tǒng)計(jì)柱狀圖

2.1 峰峰組

從11口井XRD分析數(shù)據(jù)來(lái)看，該組白云石含量一般為20%～60%；方解石含量一般為15%～60%；泥質(zhì)含量一般為17%～40%。巖性以灰?guī)r為主，夾泥灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖等。通過(guò)250塊薄片樣品鑒定分析總結(jié)，該段上部為褐灰色灰?guī)r夾灰黃色白云巖, 鏡下上段以泥晶灰?guī)r為主，有的結(jié)晶稍粗、見(jiàn)砂礫屑灰?guī)r，泥質(zhì)含量2%～4%，個(gè)別見(jiàn)板條狀石膏，有的樣品中見(jiàn)縫合線、溶蝕孔洞，方解石充填；下部為灰黃色、灰色白云質(zhì)泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，夾褐灰色灰?guī)r及紫紅色泥質(zhì)白云巖，鏡下以泥粉晶、泥晶白云巖為主，可見(jiàn)殘余砂礫屑結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)云化作用，泥質(zhì)含量稍高，個(gè)別達(dá)到15%，可見(jiàn)發(fā)育溶蝕孔(圖2)。

圖2 峰峰組地層巖石偏光薄片分析

2.2 上馬家溝組

該組XRD礦物成分主要為方解石，含量最高達(dá)80%，其次為白云石，二者含量一般在90%以上，泥質(zhì)含量一般為15%～25%，少量硬石膏、硅質(zhì)及陸源石英、長(zhǎng)石等。上部主要為灰?guī)r與白云巖互層，夾薄層灰質(zhì)白云巖； 中部以厚層狀灰?guī)r為主，夾白云巖、含泥灰?guī)r；底部以云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖為主。通過(guò)348塊薄片樣品鑒定分析總結(jié)，巖石較峰峰組更純，泥質(zhì)含量低，仍具風(fēng)化特征；鏡下以泥晶灰?guī)r為主，夾泥晶白云巖、粉晶白云巖、云質(zhì)灰?guī)r。方解石+白云石含量一般大于90%，泥質(zhì)含量2%～15%，少數(shù)大于20%，一般為4%～8%；見(jiàn)少量長(zhǎng)石、石英陸源碎屑，見(jiàn)白云巖化；可見(jiàn)構(gòu)造縫、縫合線、溶蝕構(gòu)造復(fù)合縫等發(fā)育，主要由方解石、白云石、石膏、泥質(zhì)、硅質(zhì)、碳質(zhì)等充填(圖3)。

圖3 上馬家溝組地層巖石偏光薄片分析

2.3 下馬家溝組

根據(jù)XRD礦物成分分析，該組礦物成分主要為方解石，含量一般為45%～60%；其次為白云石，含量一般為25%～50%；二者含量一般在90%以上，部分泥質(zhì)，少量石膏及石英、長(zhǎng)石陸源碎屑等。上部以灰質(zhì)云巖為主,夾薄層灰質(zhì)灰?guī)r、泥云巖；下部以厚層云灰?guī)r為主，夾薄層灰云巖。鏡下以泥晶灰?guī)r、含泥質(zhì)泥晶灰?guī)r為主，部分泥粉晶云巖、灰質(zhì)云巖。方解石+白云石含量一般大于90%，泥質(zhì)含量2%～18%，少數(shù)大于30%，一般為8%～14%；見(jiàn)少量介形、棘皮類等生物碎屑，見(jiàn)白云巖化；可見(jiàn)構(gòu)造縫、縫合線、溶蝕縫等，多由方解石、硅質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等充填，偶見(jiàn)晶間孔(圖4)。

圖4 下馬家溝組地層巖石偏光薄片分析

2.4 亮甲山組

亮甲山組礦物成分主要為白云石，含量一般為10%～80%；其次為方解石，含量一般為15%～30%，部分泥質(zhì)，少量石英、長(zhǎng)石陸源碎屑等。巖性上部以黑色、深灰色白云巖為主，夾灰色、深灰色灰?guī)r；下部為深灰色灰?guī)r，夾灰褐色灰?guī)r，及灰色白云巖，本組含少量燧石條帶團(tuán)塊。鏡下顯示中上部為大段的泥晶、泥粉晶白云巖，部分粉晶、細(xì)晶云巖，泥質(zhì)含量4%～8%，個(gè)別達(dá)到18%，多呈條帶狀分布；下部為泥晶灰?guī)r，少量亮晶砂屑灰?guī)r、藻屑泥晶灰?guī)r，泥質(zhì)含量6%～9%，最多可達(dá)11%，可見(jiàn)晶間孔、溶蝕孔隙及構(gòu)造縫、縫合線等(圖5)。

圖5 亮甲山組地層巖石偏光薄片分析

2.5 冶里組

根據(jù)礦物成分分析，冶里組礦物成分主要為方解石，含量一般為35%～70%；其次為白云石，含量一般為10%～20%；泥質(zhì)含量除AT 101X井外一般為12%～20%。巖性上部以深灰色、灰色灰?guī)r為主，含白云質(zhì)泥灰?guī)r，及小竹葉狀灰?guī)r，泥質(zhì)條帶灰?guī)r，下部以厚層灰色灰?guī)r為主，巖性較純，PDC復(fù)合鉆井條件下巖屑細(xì)碎，難以見(jiàn)到竹葉狀灰?guī)r。該組地層沉積較薄，一般為30～50 m，顏色變淺，高伽馬灰?guī)r為底部標(biāo)志層；薄片樣品鑒定以厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，見(jiàn)竹葉狀灰?guī)r，鏡下為大段的泥晶灰?guī)r、含泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，少量砂屑灰?guī)r、云斑泥晶灰?guī)r，底部見(jiàn)粉晶云巖。泥質(zhì)含量一般為3%～5%，個(gè)別可達(dá)到20%；見(jiàn)少量介形類、棘皮類等生物碎屑，可見(jiàn)方解石充填的溶蝕孔隙及構(gòu)造縫等。

冶里組碳酸鹽巖以泥晶結(jié)構(gòu)為主，部分泥晶砂屑結(jié)構(gòu)，少量粉晶及云斑結(jié)構(gòu)，見(jiàn)構(gòu)造縫，溶蝕孔、縫，均被方解石充填，孔隙有效性較差(圖6)。

圖6 冶里組地層巖石偏光薄片分析

3 奧陶系儲(chǔ)集空間特征

根據(jù)巖心觀察、薄片鑒定及鉆井、試油情況綜合分析結(jié)果(表2)，楊稅務(wù)潛山主要儲(chǔ)集層分布在奧陶系，受不同成因控制，發(fā)育有晶間(溶)孔、構(gòu)造溶蝕縫和構(gòu)造縫三種儲(chǔ)集空間與巖性具相關(guān)性：云巖發(fā)育段以晶間(溶)孔為主，其次為溶蝕縫，泥質(zhì)含量越低，晶粒結(jié)晶越粗大，晶間孔越發(fā)育；灰?guī)r發(fā)育段以構(gòu)造縫、溶蝕微裂縫為主。云巖與灰?guī)r間互段以微裂縫-晶間(溶)孔為主，構(gòu)造縫、構(gòu)造-溶蝕縫在云巖、灰?guī)r段皆有發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)集層影響非常大，是溝通潛山及內(nèi)幕儲(chǔ)集層的有效通道。氣測(cè)顯示活躍段巖性既有云巖，也有灰?guī)r。下馬家溝組下段-亮甲山組、下馬家溝組上段-上馬家溝組下段、峰峰組下段-下馬家溝組上段白云巖發(fā)育段以晶間(溶)孔為主，其次為溶蝕縫；上馬家溝組中段灰?guī)r以構(gòu)造縫、溶蝕微裂縫為主；峰峰組下段、上馬家溝組上段、下馬家溝組上段云巖與灰?guī)r的間互段以微裂縫-晶間(溶)孔為主。

表2 楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集空間分布情況

根據(jù)儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間類型、儲(chǔ)集空間的有效性、泥質(zhì)含量以及白云石含量，對(duì)潛山奧陶系地層各組段的儲(chǔ)集層發(fā)育情況進(jìn)行如下排序：亮甲山組儲(chǔ)集層最為發(fā)育；其次是上馬家溝組、下馬家溝組；峰峰組儲(chǔ)集層發(fā)育最差。結(jié)合測(cè)井綜合解釋結(jié)果、巖心物性分析結(jié)果，與薄片、礦物分析儲(chǔ)集層認(rèn)識(shí)較為一致，均指向白云巖井段為奧陶系有利儲(chǔ)集層，亮甲山組最好。

薄片資料統(tǒng)計(jì)表明，儲(chǔ)集空間類型為孔隙類的樣品占樣品總數(shù)的一半以上，其余為裂縫型儲(chǔ)集空間類型，進(jìn)一步說(shuō)明亮甲山組巖性較純，在溶蝕作用和構(gòu)造作用下易于產(chǎn)生孔縫，儲(chǔ)集層發(fā)育較好，利于油氣成藏(圖7)。

圖7 主要儲(chǔ)集空間類型

4 影響楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集層發(fā)育的主要因素

通過(guò)觀察、對(duì)比分析已鉆井巖心、巖石薄片、鑄體薄片等得出，影響楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集層發(fā)育的因素主要有成巖作用(云化作用、巖溶作用、壓實(shí)作用)、巖性及應(yīng)力作用等。

4.1 成巖作用因素

成巖作用對(duì)儲(chǔ)集層性質(zhì)的影響非常大，尤其是膠結(jié)作用和溶蝕作用，可以產(chǎn)生、充填和完全改造孔隙。主要的成巖作用包括云化重結(jié)晶作用、巖溶作用、壓實(shí)作用。云化作用在峰峰組下段-上馬家溝組上段、上馬家溝組下段-下馬家溝組上段、亮甲山組較為發(fā)育，白云石含量較高；巖溶作用主要發(fā)育在峰峰組頂部巖溶面之下200 m左右范圍內(nèi)，在不同井存在較大差異；壓實(shí)作用以縫合線等為特征，在全區(qū)皆有發(fā)育。

4.2 巖性因素

因巖石結(jié)構(gòu)和礦物組分差異，溶蝕特征也有明顯差別。巖溶作用主要發(fā)育在峰峰組頂部巖溶面之下200 m左右范圍內(nèi)，且不同井間存在較大差異。

石灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密，但方解石易溶，因而溶蝕作用主要沿?cái)嗔?、裂縫和層面進(jìn)行；白云石較抗溶，但因白云巖結(jié)構(gòu)較疏松，原始孔滲性好，溶蝕作用不僅沿?cái)嗔选⒘芽p和層面進(jìn)行，同時(shí)在基巖中有更大規(guī)模的溶蝕作用，溶蝕過(guò)程中比表面積遠(yuǎn)大于石灰?guī)r，因此云巖類為有利儲(chǔ)集巖。通過(guò)巖心資料進(jìn)一步分析白云巖的儲(chǔ)集層物性，因?yàn)闂疃悇?wù)潛山井鉆井取心較少，僅有兩口井在潛山儲(chǔ)集層段有少量取心，所以實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)也較少。AT 2X、AT 3兩口井經(jīng)實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)分析顯示均屬于特低孔型儲(chǔ)集層，泥晶白云巖孔隙度較低，滲透性差，基本不具備形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的物性條件。粉晶、細(xì)晶白云巖粒間發(fā)育晶間孔及晶間溶孔，具有較高的孔隙度、滲透率，孔隙度為3.9%～7.2%(平均4.2%～6.6%)，是形成儲(chǔ)集層最有利的巖石類型，晶間孔、晶間溶孔主要發(fā)育在泥晶白云巖、粉晶白云巖中，對(duì)應(yīng)井段油氣顯示也較活躍(圖8)。

圖8 不同類型白云巖孔隙度柱狀圖

4.3 應(yīng)力作用因素

構(gòu)造應(yīng)力作用以裂縫發(fā)育的形式展現(xiàn)，不同井儲(chǔ)集層構(gòu)造作用發(fā)育程度差異較大。前人研究表明，冀中坳陷北部中生代至少發(fā)育兩期規(guī)模較大的逆沖構(gòu)造，即印支期受到揚(yáng)子板塊向北俯沖作用影響而形成的近EW向逆沖構(gòu)造，燕山早期受到中國(guó)東部古太平洋板塊NW向俯沖作用的影響而形成的NE向逆沖構(gòu)造。這兩次構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育了多條近EW向和NE向的逆沖斷層，而在逆沖斷層上盤極易發(fā)生擴(kuò)張裂縫和剪切裂縫，這些裂縫促進(jìn)了區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)集層的發(fā)育。這兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成大規(guī)模逆沖褶皺現(xiàn)象，使?jié)撋郊皟?nèi)幕逆沖構(gòu)造更為發(fā)育，本來(lái)平坦的地層發(fā)生褶皺傾斜，地層產(chǎn)狀開(kāi)始形成一定角度，潛山內(nèi)幕地層在逆沖斷裂處直接暴露于地表，不僅有利于發(fā)生表生巖溶作用，還有利于發(fā)生順層巖溶作用以及受斷裂控制的巖溶作用，從而更有利于多種巖溶作用的形成，使楊稅務(wù)潛山內(nèi)幕溶蝕孔、洞、縫均較為發(fā)育(圖9)。整體上看，峰峰組-上馬家溝組上段、上馬家溝組下段

圖9 儲(chǔ)集層影響因素鏡下特征

至下馬家溝組上段的云巖發(fā)育段皆有發(fā)育，在大套灰?guī)r發(fā)育的上馬家溝組下段則欠發(fā)育，斷裂、裂縫、節(jié)理等的發(fā)育程度是巖溶發(fā)育的先決條件之一，為大規(guī)模流體滲入、溶蝕、泄出提供了有利條件[1]。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)XRD分析可以看出亮甲山組白云石含量最高，上馬家溝組、下馬家溝組以及冶里組方解石含量較高，同時(shí)冶里組地層泥質(zhì)含量最低。

(2)奧陶系發(fā)育大套碳酸鹽巖,儲(chǔ)集層段集中在峰峰組下部-上馬家溝組上部、上馬家溝組下部和下馬家溝組上部，奧陶系地層云斑發(fā)育，白云化成連片狀，白云巖富集層段，儲(chǔ)集性能較好。

(3)楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集層主要發(fā)育晶間(溶)孔、構(gòu)造溶蝕縫和構(gòu)造縫三種儲(chǔ)集空間類型。白云巖發(fā)育段以晶間(溶)孔為主，其次為溶蝕縫；灰?guī)r發(fā)育段以構(gòu)造縫、溶蝕微裂縫為主；云巖與灰?guī)r間互段以微裂縫-晶間(溶)孔為主。

(4)峰峰組上部發(fā)育一套受巖溶作用控制的儲(chǔ)集層，有一定的儲(chǔ)集性能；上馬家溝組中下部灰?guī)r中發(fā)育一套云巖富集段，儲(chǔ)集性能較好；亮甲山組發(fā)育厚層的白云巖，發(fā)育有晶間(溶)孔等，儲(chǔ)集性能較好。

(5)楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)集層分布變化較大，集中分布在奧陶系，電性分析均屬于低孔型-特低孔型儲(chǔ)集層，裂縫發(fā)育不均；上馬家溝組下段、亮甲山組為本區(qū)相對(duì)最好碳酸鹽巖儲(chǔ)集層；峰峰組下段、上馬家溝組上段、下馬家溝下段為本區(qū)較好的碳酸鹽巖儲(chǔ)集層；峰峰組上段為本區(qū)相對(duì)較差的碳酸鹽巖儲(chǔ)集層。

(6)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)集層受成巖作用、巖石類型、裂縫發(fā)育程度共同控制，云巖類是有利儲(chǔ)集巖，儲(chǔ)集類型主要為裂縫-孔隙型。