石南地區(qū)侏羅系頭屯河組碎屑巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)

李彥舉，張巨峰，李 巖，許 泰，朱秀蘭，馮碧陽(yáng)

(1.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

儲(chǔ)層物性特征研究及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)是銜接油氣地質(zhì)勘探與油田開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在碎屑巖儲(chǔ)層形成過(guò)程中，母巖性質(zhì)、沉積環(huán)境和成巖作用等都會(huì)在不同的階段對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性產(chǎn)生影響，母巖性質(zhì)決定了儲(chǔ)層的成分，以及后期沉積環(huán)境和成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造[1]；沉積環(huán)境控制著儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)、粒度、分選、磨圓和雜基含量等[2]；成巖作用分為破壞性作用和建設(shè)性作用[3]，破壞性作用主要包括壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，建設(shè)性作用主要是后期的溶蝕作用。不同的盆地，或者同一盆地的不同區(qū)塊，甚至同一區(qū)塊的不同層位，母巖性質(zhì)、沉積環(huán)境和成巖作用等對(duì)儲(chǔ)層物性的影響程度都不盡相同。

準(zhǔn)噶爾盆地石南地區(qū)1996年以石南4井獲得工業(yè)油流為標(biāo)志發(fā)現(xiàn)了石南油氣田，其主力層位包括白堊系清水河組、侏羅系頭屯河組、西山窯組和清水河組。二十年內(nèi)不同的學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了大量的研究，從研究?jī)?nèi)容上看，主要集中在油氣成藏運(yùn)移[4-6]和沉積體系[7,8]的研究上，缺少對(duì)儲(chǔ)層物性、成巖作用和儲(chǔ)層主控因素的研究；從層位上看，主要集中在白堊系清水河組[9]，對(duì)侏羅系各層位的研究較少。本文通過(guò)巖心觀察、掃描電鏡和薄片鑒定等一整套技術(shù)手段，研究了石南地區(qū)頭屯河組的儲(chǔ)層物性特征、以及成巖作用和沉積環(huán)境特征及對(duì)儲(chǔ)層物性特征的影響，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了頭一段和頭二段的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布，從而為后期的油氣勘探提供了理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于我國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)北部，夾在阿勒泰山與天山之間，是中國(guó)西部最有潛力的大型疊合含油氣盆地之一。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司新疆油田分公司石西作業(yè)區(qū)下轄石南地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地腹部古爾班通古特沙漠腹地，西距克拉瑪依市約130km，構(gòu)造區(qū)主體是位于盆地腹部陸梁隆起上的二級(jí)構(gòu)造單元基東鼻凸，形成于海西運(yùn)動(dòng)末期，是一個(gè)向南西方向傾沒(méi)的鼻狀凸起，北抵三個(gè)泉凸起，南西傾伏端與達(dá)巴松凸起相連伸入盆1井西凹陷生烴區(qū)，區(qū)域構(gòu)造位置十分有利[10](如圖1所示)。在早泥盆—石炭紀(jì)，研究區(qū)沉積了整套島弧鈣堿性火山巖系列，由于該時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，致使構(gòu)造高部位石炭系之上缺失二疊系佳木河組(P1j)、風(fēng)城組(P1f)、夏子街組(P2x)和烏爾禾組(P2w)的大部分地層。至晚三疊紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地整體下降，進(jìn)入泛湖盆沉積時(shí)期，在整個(gè)陸南凸起上普遍覆蓋了一層厚度約為200m的暗色湖相泥巖層，該泥巖層分布范圍廣厚度大，成為穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層。早中侏羅紀(jì)，研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)較少趨于穩(wěn)定，沉積了分布均勻厚度近800m的河湖—沼澤相含煤砂泥巖層。至燕山運(yùn)動(dòng)早期，陸梁隆起重新開(kāi)始抬升，侏羅系內(nèi)部出現(xiàn)了不整合及少量張性斷裂；在凸起的局部構(gòu)造高部位，白堊系不整合地覆蓋在中侏羅統(tǒng)頭屯河組之上。白堊系研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)減少沉積相對(duì)穩(wěn)定，地層厚度均勻分布范圍廣，其中下白堊統(tǒng)吐谷魯組的主體，是重要的區(qū)域性蓋層。從第三紀(jì)開(kāi)始，準(zhǔn)噶爾盆地北升南降的整體掀斜作用更趨強(qiáng)烈，但斷裂活動(dòng)已基本結(jié)束，全盆地喜山運(yùn)動(dòng)劇烈的地域移至北天山山前坳陷，陸梁隆起的構(gòu)造活動(dòng)十分微弱，使早期形成的圈閉得以保存[11]。研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)層從下到上依次劃分為八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t)，其中目標(biāo)層段頭屯河組又自上而下細(xì)分為頭屯河組一段(J2t1，簡(jiǎn)稱頭一段)、頭屯河組二段(J2t2，簡(jiǎn)稱頭二段)和頭屯河組三段(J2t3，簡(jiǎn)稱頭三段)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地石南地區(qū)示意圖

2 儲(chǔ)層特征研究

2.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層主要發(fā)育辮狀河三角洲相，區(qū)域分布不均衡，遭受過(guò)大面積的剝蝕和削截，與下伏西山窯組和上覆白堊系清水河組均為不整合接觸。通過(guò)X-射線衍射全巖分析，結(jié)合錄井資料、巖心觀察和鑄體薄片鑒定等研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頭屯河組碎屑巖儲(chǔ)層巖石以灰色和深灰色的細(xì)砂巖為主(占73.1%)，并含有較多的中砂巖(13.6%)和粗砂巖(7.7%)，粉砂巖和泥巖的含量較少(表1)，上部分布少量紫紅、棕紅和雜色泥巖，下部分布少量灰色、灰黃色和褐灰色泥巖(圖2a)；砂巖分選中等—較好，磨圓中等，以硅質(zhì)、泥質(zhì)和碳酸鹽類膠結(jié)為主；粒度上下細(xì)，中間粗。根據(jù)Folk分類方案，砂巖以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，成分成熟度低(圖3)。

表1 頭屯河組儲(chǔ)層巖石類型

圖2 頭屯河組儲(chǔ)層巖石學(xué)特征和成巖作用特征(a)石南26井，2421.7m，J2t，灰色細(xì)砂巖；(b)石南34井，2579.44m，J2t，線接觸為主，壓實(shí)作用中等；(c)石南53井，2623.64m，J2t，粒間充填的含鐵方解石；(d)石南4井，2573.05m，J2t，粒間孔、粒間溶孔和基質(zhì)內(nèi)溶孔。

圖3 頭屯河組儲(chǔ)層砂巖分類圖

2.2 儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型

儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型是決定儲(chǔ)層物性最直接的因素。研究區(qū)頭屯河組1177塊孔隙度樣品的統(tǒng)計(jì)顯示，儲(chǔ)層孔隙度在1.18%～35.9%之間，平均為14.43%，中值13.88%，從孔隙分布直方圖上可以看到，大多數(shù)孔隙度分布范圍在10%～20%之間，且分布于12%～18%的樣品數(shù)占優(yōu)勢(shì)明顯；1170塊滲透率樣品的統(tǒng)計(jì)顯示，該組儲(chǔ)層滲透率在0.02～585mD之間,平均為5.3mD，中值5.36mD。從滲透率分布直方圖上可以看到，樣品的滲透率分布范圍較寬，大多是樣品的滲透率分布范圍為0.63～160mD之間，屬于中孔低滲儲(chǔ)層。研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型以原生粒間孔、剩余粒間孔和粒間溶孔為主(圖4a)，占整個(gè)儲(chǔ)集空間的70%以上。壓汞曲線顯示，頭屯河組儲(chǔ)層進(jìn)汞飽和度和退汞效率低，孔隙分選差，以小孔隙為主。

圖4 頭屯河組儲(chǔ)層孔隙度(a)、滲透率(b)、孔隙類型(c)和壓汞曲線(d)

2.2.1 原生粒間孔和剩余粒間孔

原生粒間孔是研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層最主要的孔隙類型，占孔隙總體積的35%以上，主要分布于石英、長(zhǎng)石和巖屑大顆粒支撐的骨架間，孔隙具有明顯清楚的輪廓，多呈三角形或多邊形。剩余粒間孔是原生粒間孔被部分充填之后殘余的孔隙，占孔隙總體積的30%以上，是非常有效的儲(chǔ)集空間。

2.2.2 粒間溶孔

研究區(qū)頭屯河組粒間溶孔主要是長(zhǎng)石或者巖屑顆粒被溶蝕改造形成的粒間孔隙和溶蝕擴(kuò)大孔等，是研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間重要的組成部分，接近孔隙總體積的20%左右。粒間溶孔不僅使粒間孔體積擴(kuò)大，增加了儲(chǔ)集空間，還起到溝通粒間孔和粒內(nèi)孔的作用，改善了儲(chǔ)層的滲流能力。

3 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性影響研究

碎屑巖成巖作用是碎屑沉積物沉積后轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e巖直至變質(zhì)作用以前或者因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)重新抬升到地表遭受風(fēng)化以前發(fā)生的一切作用[12]，是碎屑沉積物由松散的沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬巖石的最重要的過(guò)程，也是儲(chǔ)層物性的決定因素之一。薄片鑒定、掃描電鏡分析和地球化學(xué)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)頭屯河組碎屑巖儲(chǔ)層經(jīng)歷的成巖作用主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用，此外還有少量的交代作用和重結(jié)晶作用等發(fā)育。

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是指沉積物沉積后在其上覆水體或沉積層的重荷下，或在構(gòu)造形變應(yīng)力的作用下，發(fā)生水分排出，孔隙度降低和體積縮小的作用。研究區(qū)頭屯河儲(chǔ)層壓實(shí)作用發(fā)育不明顯，偶見(jiàn)碎屑顆粒之間的線接觸(圖2b)?？紫抖扰c深度關(guān)系圖顯示，孔隙度與深度的相關(guān)性不明顯，壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響有限；從壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化影響評(píng)價(jià)圖可以看出，研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層壓實(shí)作用造成了40%～55%的孔隙度損失，膠結(jié)作用造成了20%左右的孔隙度損失(圖5)。

圖5 孔隙度與埋藏深度關(guān)系(a)和成巖作用綜合評(píng)價(jià)圖(b)

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是指礦物質(zhì)從孔隙溶液中沉淀出來(lái)，將松散的沉積物固結(jié)為巖石的作用。在多數(shù)情況下，膠結(jié)物都來(lái)自孔隙水。研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層膠結(jié)作用非常發(fā)育，膠結(jié)類型多樣，主要有碳酸鹽類膠結(jié)(鐵方方解石、方解石和鐵白云石)，其次是鐵質(zhì)膠結(jié)(褐鐵礦、黃鐵礦和氧化鐵)，還有少量的硅質(zhì)膠結(jié)(次生石英)。碳酸鹽類膠結(jié)作用貫穿于整個(gè)埋藏成巖史，研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層碳酸鹽類膠結(jié)隨處可見(jiàn)，多呈孔隙充填式膠結(jié)，結(jié)晶程度高，方解石多分布在點(diǎn)接觸的顆粒間，是早成巖階段的產(chǎn)物。鐵白云石多呈規(guī)則的菱形，粒晶可達(dá)50μm，由于鐵含量較高而呈淺褐色(圖2c)。鐵質(zhì)膠結(jié)物是造成研究區(qū)頭屯河組上部和下部泥巖多呈紫紅、棕紅和褐灰色的主要原因，是強(qiáng)還原環(huán)境下的產(chǎn)物，可形成于成巖作用的各個(gè)階段。硅質(zhì)膠結(jié)作用在研究區(qū)發(fā)育較少，含量少于2%，主要是零星分布的石英次生加大，還有少量以自形晶粒的形式分布在孔隙中，結(jié)晶程度高，電鏡下粒徑不超過(guò)4μm。

3.3 溶蝕作用

碎屑巖中的任何碎屑顆粒、雜基、膠結(jié)物和交代礦物，包括最穩(wěn)定的石英和硅質(zhì)膠結(jié)物，在一定的成巖環(huán)境中都可以不同程度地發(fā)生溶解作用。溶蝕作用形成的次生孔隙是重要的油氣儲(chǔ)集空間，并且早期形成的次生孔隙又可被后來(lái)的膠結(jié)物所填充。在埋藏成巖作用過(guò)程中由于構(gòu)造和重新埋藏，膠結(jié)作用和溶蝕作用交互進(jìn)行，使碎屑巖的孔隙系統(tǒng)更加復(fù)雜。研究區(qū)頭屯河組溶蝕作用發(fā)育中等，比上覆的清水河組發(fā)育程度高，比下部的西山窯組發(fā)育程度低。溶蝕作用表現(xiàn)為骨架顆粒和膠結(jié)物被溶蝕，可見(jiàn)顆粒邊緣被溶成港灣狀的粒間擴(kuò)大孔和粒內(nèi)溶孔等，部分顆粒被完全溶蝕成鑄?？谞?圖2d)。從儲(chǔ)層中黏土礦物含量的統(tǒng)計(jì)圖中可以看出，頭屯河黏土礦物主要以高嶺石為主，還有部分伊蒙混層、伊利石和綠泥石。

4 沉積環(huán)境特征研究

4.1 單井相特征

單井相的精細(xì)刻畫(huà)是區(qū)域沉積相研究的基礎(chǔ)，本文選取研究區(qū)重點(diǎn)探井石108井進(jìn)行單井相劃分。頭屯河組(2521～2523m)巖芯觀察可知，2521.0～2521.3m為中灰色中砂巖，可見(jiàn)斜層理、塊狀層理，為辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積；2521.3～2522.5m為灰黃色泥質(zhì)粉砂巖，見(jiàn)平行層理和波紋層理，泥質(zhì)粉砂巖夾黑色的有機(jī)紋層，測(cè)井曲線上GR值較高，為辮狀河三角洲前緣水下分流河道間沉積微相；2522.5～2522.7m為灰色的中砂巖，分選磨圓好，斜層理；2522.7～2523.0m，為黃褐色泥質(zhì)粉砂巖，見(jiàn)平行和波紋層理，為辮狀河三角洲前緣水下分流河道間沉積微相。整個(gè)沉積階段為一個(gè)正的沉積旋回(圖版I-b)。

4.2 連井剖面相特征

由于篇幅有限，本文僅選取石102-石205-石204-石212-石107-石115-石南29井連井剖面進(jìn)行描述，該剖面位于研究區(qū)北部，呈東西走向。從連井剖面可以看出，研究區(qū)頭屯河組主要發(fā)育辮狀河三角洲平原相和前緣相，平原相分布在正北面，以水下分流河道間微相為主，前緣相分布在西北和東北部，分流河道和分流河道間微相砂體疊置分布，厚度大致相當(dāng)(圖版I-a)。

4.3 平面相特征

前已述及，研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層發(fā)育于辮狀河三角洲，是辮狀河體系前積到盆地水體中形成的富含砂和礫石的三角洲。研究區(qū)頭屯河組頭一段沉積期，主要發(fā)育三角洲前緣亞相，以前緣水下分流河道微相為主，在研究區(qū)北部有少量水下分流河道間微相(圖版I-c)。物源來(lái)自研究區(qū)北部及東北部，其中北部物源的砂體延伸較遠(yuǎn)。基008井、基006井等一帶屬于兩個(gè)物源砂體的交匯地區(qū)。不同物源的砂體由于母巖性質(zhì)、水動(dòng)力條件等的差異易造成結(jié)構(gòu)、成分成熟度不同，往往具有不同的儲(chǔ)集性能。

研究區(qū)頭屯河組頭二段沉積期，以三角洲前緣亞相為主(中南部)，三角洲平原亞相為輔(北部)，前者主要發(fā)育前緣水下分流河道微相，后者主要發(fā)育平原分流河道微相。在研究區(qū)東北角，發(fā)育小范圍的平原分流河道間及前緣水下分流河道間微相(圖版I-d)。物源繼承了頭一段的特征，來(lái)自研究區(qū)北部及東北部，不同方向物源的砂體在石南4井、石南45井一帶交匯。

研究區(qū)頭屯河組頭三段沉積期，以濱淺湖沉積為主，主要發(fā)育淺湖粉砂、淺湖泥沉積物(圖版I-e)。該時(shí)期的細(xì)粒沉積物往往成為頭屯河組有利的蓋層，對(duì)油氣保存具有重要意義。

5 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)

在研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層的物性特征、孔喉特征和成巖作用特征的綜合分析，結(jié)合沉積相特征以及成巖作用和沉積環(huán)境對(duì)儲(chǔ)層物性影響的研究的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)頭屯河組頭一段和頭二段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)：頭一段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育于辮狀河三角洲前緣水下分流河道中，包括兩個(gè)區(qū)域，石南4井往南到石南16井一帶的區(qū)域和石106井-石南34井-石南31井所在的區(qū)域(圖版I-f)；頭二段的有利儲(chǔ)層同樣主要發(fā)育于辮狀河三角洲前緣水下分流河道中，包括三個(gè)區(qū)域，分別是基002井-基003井-石111井西北一帶的區(qū)域、石南5井-石南4井-石南16井一帶和石南50井-石南45井一帶的區(qū)域(圖版I-g)。

圖版I說(shuō)明 (a)石102-石205-石204-石212-石107-石115-石南29井連井剖面相圖；(b)石南8井綜合柱狀圖；(c)頭屯河組一段沉積平面圖；(d)頭屯河組二段沉積平面圖；(e)頭屯河組三段沉積平面圖；(f)頭屯河組一段有利儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)圖；(g)頭屯河組二段有利儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)圖。

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地石南地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層成巖過(guò)程中，壓實(shí)作用造成原生孔隙的損失約40%～60%。膠結(jié)作用造成原生孔隙的損失在20%左右，起破壞儲(chǔ)層物性的作用；溶蝕作用形成的次生孔隙和裂縫是重要的儲(chǔ)集空間和滲流通道，起改善儲(chǔ)層的作用。

(2)研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層發(fā)育于辮狀河沉積體系，頭一段和頭二段主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相沉積，主體是水下分流河道微相，砂體多呈層狀，分布穩(wěn)定；頭三段主要發(fā)育濱淺湖細(xì)粒沉積物，是很好的蓋層。

(3)準(zhǔn)噶爾盆地石南地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層物性主要受控于其沉積環(huán)境特征，成巖作用的影響較小。頭一段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育于辮狀河三角洲前緣水下分流河道中，主要分布在兩個(gè)區(qū)域：一是石南4井和石南16井之間的區(qū)域，二是石106井-石南34井-石南31井的區(qū)域。頭二段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層同樣發(fā)育于辮狀河三角洲前緣水下分流河道中，主要分布在三個(gè)區(qū)域，分別是基002井-基003井-石111井西北區(qū)域、石南5井-石南4井-石南16井區(qū)域和石南50井-石南45井區(qū)域。