代 波,溫懷英,任志遠(yuǎn),王磊飛,康立恒,楊熙雅,劉成林,臧起彪
(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠,陜西 延安 716000;2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249)
鄂爾多斯盆地安塞地區(qū)長(zhǎng)7 段發(fā)育一套厚度很大且有機(jī)質(zhì)豐度較高的頁(yè)巖和暗色泥巖,即“張家灘頁(yè)巖”,是研究區(qū)的主力烴源巖。由于遠(yuǎn)離湖盆,研究區(qū)內(nèi)仍發(fā)育一定規(guī)模的砂體,為油氣提供儲(chǔ)集空間。安塞油田的開發(fā)時(shí)間已經(jīng)超過(guò)30 年,延長(zhǎng)組長(zhǎng)6、長(zhǎng)2+3 等地層勘探已經(jīng)達(dá)到很高的程度,而長(zhǎng)7 油層組勘探程度較低,為提高安塞油田產(chǎn)能建設(shè),長(zhǎng)7油層組也逐漸成為該地區(qū)的勘探重點(diǎn)。
前人對(duì)安塞地區(qū)長(zhǎng)7 段油層組進(jìn)行的研究較少,主要研究集中在宏觀方面,如沉積特征和儲(chǔ)層的非均質(zhì)性,而對(duì)儲(chǔ)層微觀特征研究甚少,特別是對(duì)孔隙發(fā)育特征及其控制因素認(rèn)識(shí)不清[1-5]。該文通過(guò)X 射線衍射、鑄體薄片、掃描電鏡和常規(guī)壓汞等實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育特征及其主控因素以及孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析,明確研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙特征,充分認(rèn)識(shí)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集條件,為深入挖掘長(zhǎng)7 致密油氣提供基礎(chǔ)資料支撐[6-8]。
圖1 研究區(qū)地層發(fā)育情況及長(zhǎng)7 沉積相Fig.1 Stratigraphic development of the study area and sedimentary facies of Chang 7
研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部,行政區(qū)劃隸屬于延安市,研究區(qū)面積大約1 625 km2,如圖1 所示。從沉積背景來(lái)看,研究區(qū)三疊系延長(zhǎng)組的沉積過(guò)程也即是古湖盆由產(chǎn)生、發(fā)展演化、逐漸消亡的地質(zhì)演化過(guò)程,因此研究區(qū)自下而上依次發(fā)育了長(zhǎng)10、長(zhǎng)9、長(zhǎng)8、長(zhǎng)7、長(zhǎng)6、長(zhǎng)5、長(zhǎng)4、長(zhǎng)3、長(zhǎng)2、長(zhǎng)1 十段地層[9]。三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 地層盡管發(fā)育于湖盆擴(kuò)張的時(shí)期,但由于遠(yuǎn)離深湖,研究區(qū)的泥頁(yè)巖規(guī)模并不巨大,區(qū)內(nèi)仍發(fā)育一定規(guī)模的砂體。此外,由于經(jīng)歷了燕山期、喜山期等多期的構(gòu)造活動(dòng),研究區(qū)還整體上遭受了抬升剝蝕,從而使得長(zhǎng)7 砂巖的埋深規(guī)模均不大(埋藏深度普遍為800~1 600 m)[10-12]。
從25 個(gè)樣品的X 射線衍射結(jié)果來(lái)看,安塞地區(qū)長(zhǎng)7 砂巖儲(chǔ)層的礦物組成中石英不發(fā)育,長(zhǎng)石和巖屑相對(duì)較發(fā)育。石英占總礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的22%~51%,平均36.22%;巖屑約占4%~19%,平均8.90%,巖屑組分包括變質(zhì)巖巖屑、火成巖巖屑、沉積巖巖屑,其中變質(zhì)巖巖屑約占總巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的73%,火成巖巖屑約占總巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的21%,沉積巖巖屑約占總巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6%,該地區(qū)變質(zhì)巖巖屑含量較高;長(zhǎng)石占總礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的12%~34%,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.38%,其中鉀長(zhǎng)石約占10%~25%,平均14.78%;斜長(zhǎng)石占13%~28%,平均18.19%。整體而言,巖屑長(zhǎng)石砂巖是安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層的主要巖石類型,長(zhǎng)石砂巖和巖屑砂巖在研究區(qū)發(fā)育相對(duì)較少,如圖2 所示。
圖2 安塞老區(qū)長(zhǎng)7 油層組砂巖巖石類型三端元圖Fig.2 Three terminal graph of rock type of Chang 7 oil layer group in the old area of Ansai
通過(guò)采用鑄體薄片、掃描電鏡等手段觀察分析,識(shí)別出長(zhǎng)7 儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育原生孔隙及次生孔隙。原生孔隙主要為原生粒間孔隙和原生剩余粒間孔隙;次生孔隙主要為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔以及微孔隙。
原生粒間孔隙是指在沉積物沉積后,經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用,在碎屑顆粒之間及顆粒和雜基之間形成的空隙[13]。一般形成于早成巖階段,后期遭受成巖作用改造,部分原生粒間孔保留下來(lái)。原生粒間孔隙的形成與儲(chǔ)層的砂巖組分密切相關(guān)。由于研究區(qū)目的層較深,后期成巖改造作用強(qiáng),此類孔隙不甚發(fā)育,該類孔隙鏡下特征為邊緣整齊,如圖3a 所示。
原生剩余粒間孔隙指在成巖過(guò)程中,原生粒間孔經(jīng)受壓實(shí)作用或被填隙物充填,孔隙變小,殘余的原生粒間孔,是長(zhǎng)7 儲(chǔ)層儲(chǔ)集油氣的主要儲(chǔ)存空間。通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn),填隙物以綠泥石薄膜、自生石英、碳酸鹽膠結(jié)物為主。這類孔隙連通性較差,形態(tài)不規(guī)則且分布不均,孔隙邊緣多呈溶蝕港灣狀和鋸齒狀,如圖3b~圖3d 所示。
圖3 原生孔隙鏡下特征Fig.3 Microscopic features of primary pores
安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖主要儲(chǔ)集空間的次生孔隙主要包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及晶間微孔。粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔是研究區(qū)主要的次生溶蝕孔隙類型,粒間溶孔主要分布于易溶陸源長(zhǎng)石及巖屑顆粒的邊緣,如圖4a 所示。通過(guò)觀察鑄體薄片可以清楚識(shí)別粒內(nèi)孔隙鑄膜孔,如圖4b 所示,鑄模孔隙是指在長(zhǎng)石顆粒溶蝕后殘余形態(tài)形成的孔隙。粒內(nèi)溶孔多發(fā)育于長(zhǎng)石及巖屑顆粒內(nèi)部,如圖4c 和圖4d 所示。
微孔隙主要是非骨架顆粒之間的孔隙,由于孔隙非常細(xì)小,微孔隙在鑄體薄片中較難分辨。微孔隙主要通過(guò)掃描電鏡分析來(lái)確定。研究區(qū)微孔隙主要包括黏土礦物晶間微孔和碳酸鹽膠結(jié)物微孔,如圖4e和圖4f 所示。
圖4 研究區(qū)溶蝕孔Fig.4 Dissolving pores in the study area
對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究主要集中在孔喉分布、孔喉類型以及孔隙與喉道的連通情況等幾個(gè)方面。致密砂巖儲(chǔ)層的由礦物顆粒間形成的儲(chǔ)集空間較大部位稱為孔隙部分,連通大孔隙空間的細(xì)小部位稱為喉道。油氣等流體在致密砂巖儲(chǔ)層中流動(dòng)時(shí),受孔隙與喉道間的連通性、形狀以及它們的分布等特征控制,致密砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力和油氣在其中的滲流特征均受孔喉結(jié)構(gòu)特征的影響,因此,研究巖石的孔隙結(jié)構(gòu),是認(rèn)識(shí)超低滲-非滲儲(chǔ)層滲流規(guī)律的基礎(chǔ),是解釋目前超低滲-非滲油藏開發(fā)中遇到困難的關(guān)鍵[14-15]。該研究通過(guò)對(duì)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層孔喉分布特征及其對(duì)孔隙流體的控制作用以及儲(chǔ)集層的物性分布來(lái)全面認(rèn)識(shí)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。
對(duì)儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)可以通過(guò)毛管壓力曲線的形態(tài)特征、孔喉分布及分選特征和孔喉的連通性等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)不同的參數(shù),如反應(yīng)儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力的相關(guān)參數(shù)(含油級(jí)別、喉道大小參數(shù)等)、反應(yīng)孔隙的分選性參數(shù)(變異系數(shù)、分選系數(shù)和均質(zhì)系數(shù)等)以及孔隙的連通性參數(shù)(退汞率和最大進(jìn)汞飽和度等),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的綜合分析。
通過(guò)對(duì)安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層巖石進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)來(lái)分析其孔隙結(jié)構(gòu)性質(zhì),如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征差異較大。其中反應(yīng)孔隙大小的最大孔隙半徑、孔隙半徑中值和平均孔隙半徑相對(duì)較小,其平均值分別為0.941 μm,0.087 μm 和0.511 μm,說(shuō)明研究區(qū)整體的孔喉大小多在微米級(jí)以下。反應(yīng)孔隙分選系數(shù)的變異系數(shù)相對(duì)較大,其平均值高達(dá)13.58,可以看出安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖孔隙分選性差。反應(yīng)孔隙連通性的最大汞飽和度和退汞率低,其平均值分別為57.182%和40.175%,說(shuō)明研究區(qū)致密儲(chǔ)層的連通性不好。反應(yīng)油氣充注難易程度的排驅(qū)壓力高,其平均值為3.394 MPa,說(shuō)明油氣在充注至致密砂巖儲(chǔ)層過(guò)程中較難,需要克服的阻力大。
與常規(guī)儲(chǔ)層比,安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜多變,且其差異性較強(qiáng),就典型樣品分析來(lái)看,D201 井區(qū)深度為1 231.4 m 的樣品最大井飽和度為71.375%,D165 井區(qū)埋深為2 109.1 m的樣品的最大井飽和度為4.875%,D201 井區(qū)深度為1 231.4 m 的樣品最大退汞率為40.5%,D165 井區(qū)埋深為2 109.1 m 的樣品的最大退汞率為25.63%。D201 井區(qū)深度為1 231.4 m 的樣品較D165 井區(qū)埋深為2 109.1 m 的樣品的最大井飽和度和最大退汞率小,說(shuō)明前者的連通性較差,后者孔喉的連通性相對(duì)較好。除了研究區(qū)不同井區(qū)(D165 井區(qū)與D201 井區(qū))的孔喉結(jié)構(gòu)特征存在較大差異外,同一井區(qū)(如D203 井)不同埋深的致密儲(chǔ)層的孔喉結(jié)構(gòu)特征也存在較大差異。
圖5 長(zhǎng)7 油層常規(guī)壓汞曲線圖Fig.5 Conventional mercury intrusion curve of Chang 7 oil layer
壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以獲得安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層孔喉分布情況。圖6 所示為長(zhǎng)7 油層儲(chǔ)層孔喉半徑分布圖。結(jié)果顯示,研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的孔喉分布相對(duì)集中,分布在小于l μm 的區(qū)間內(nèi),主要分布在0.025~0.250 μm,孔喉半徑分布峰位從0.025 ~ 0.250 μm 都有分布,從毛細(xì)管壓力曲線和孔喉分布圖上看,快速進(jìn)汞階段對(duì)應(yīng)孔喉大小為孔喉分布峰位處??缀矸植挤逦话霃轿挥诩?xì)孔喉,說(shuō)明細(xì)小的孔喉系統(tǒng)是安塞地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的主要貢獻(xiàn)者,大孔喉系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)較少,少量的大孔喉對(duì)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層中的流體流動(dòng)有較大益處,因此,大孔喉系統(tǒng)對(duì)孔喉中流體的滲流以及后期的開發(fā)起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合研究區(qū)鑄體薄片等資料分析發(fā)現(xiàn),安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖的孔隙多為晶間微孔和孤立的粒間孔隙,反映出研究區(qū)的孔喉系統(tǒng)的連通性差,孔喉大小普遍較小,這也與壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。
圖6 長(zhǎng)7 油層儲(chǔ)層孔喉半徑分布圖Fig.6 Pore throat radius distribution of Chang 7 oil reservoir
根據(jù)研究區(qū)的巖心水平滲透率和有效孔隙度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),安塞地區(qū)長(zhǎng)7 油層組儲(chǔ)層的孔隙度主要分布為4%~12%,平均值為8.37%,其中,0%~5%區(qū)間的比例為13.91%,5%~10%區(qū)間的比例為56.38%,10%~15%區(qū)間比例為29.42%,15%~20%區(qū)間比例為0.29%,如圖7 所示??諝鉂B透率主要為(0.005~1)×10-3μm2,平均值為0.12×10-3μm2,其中,小于0.1×10-3μm2的比例為75.92%,(0.1~1)×10-3μm2區(qū)間的比例為21.73%,(1~10)×10-3μm2區(qū)間的比例為2.2%,大于10×10-3μm2的比例僅為0.15%,如圖8 所示。整體來(lái)說(shuō),安塞地區(qū)長(zhǎng)7 油層主要為低孔-超低孔、超低滲-非滲儲(chǔ)層,物性極差。根據(jù)我國(guó)對(duì)石油天然氣物性的分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T6285—1997),可以判斷,安塞地區(qū)長(zhǎng)7 油層儲(chǔ)層屬于低孔-超低孔非滲和超低滲-非滲儲(chǔ)層[16-18]。
圖7 長(zhǎng)7 油層有效孔隙度直方圖Fig.7 Histogram of Chang 7 oil layer effective porosity
圖8 長(zhǎng)7 油層水平滲透率直方圖Fig.8 Histogram of Chang 7 oil layer horizontal permeability
成巖作用對(duì)儲(chǔ)層性能的改變有很重要的作用。本區(qū)儲(chǔ)層經(jīng)歷了壓實(shí)和壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶解作用,導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度、滲透率變化極為復(fù)雜。
壓實(shí)作用的效應(yīng)是使原來(lái)松散的碎屑沉積物(巖)中的水分?jǐn)D出,使得原來(lái)的孔隙度大大降低,顆粒接觸更加緊密,同時(shí)伴隨著體積大大減小。壓實(shí)作用的程度不同,顆粒間的間類型也會(huì)發(fā)生很大的變化,弱壓實(shí)至強(qiáng)壓實(shí)過(guò)程中,顆粒的接觸關(guān)系會(huì)逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變,因此可以通過(guò)礦物顆粒的接觸關(guān)系來(lái)定性判斷壓實(shí)作用的強(qiáng)度[19-20]。
根據(jù)薄片觀察和掃描電鏡等綜合分析發(fā)現(xiàn),安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖碎屑顆粒接觸類型以線接觸和凹凸接觸為主(如圖9 所示),有少量的點(diǎn)接觸,可見縫合線接觸(如圖9b 所示)并且發(fā)現(xiàn)有個(gè)別塑性顆粒由于壓實(shí)作用發(fā)生變形,這說(shuō)明安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層為經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的壓實(shí)作用。機(jī)械壓實(shí)作用是物性大大減小的主要成巖作用之一,其較強(qiáng)的壓實(shí)勢(shì)必會(huì)引起研究區(qū)大量原生孔隙的丟失,從而造成孔隙系統(tǒng)中流體流通難度加大,大大降低儲(chǔ)層的滲透性,最終導(dǎo)致研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的整體物性變差。
圖9 研究區(qū)壓實(shí)作用Fig.9 Compaction in the study area
安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層碎屑顆粒磨圓度中等偏好,分選性差,礦物成分中長(zhǎng)石和泥質(zhì)巖屑相對(duì)較為發(fā)育,占整體成分的比例大,致密砂巖經(jīng)歷了中等偏強(qiáng)的壓實(shí)作用,顆粒間接觸緊密,使原生粒間孔隙的含量大大減少,形成致密層。圖10所示為孔隙度、滲透率隨深度變化圖,安塞地區(qū)孔隙度和滲透率隨埋深逐漸增大(上覆地層壓力逐漸增大),孔隙度和滲透率具有逐漸變小的趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著壓實(shí)作用的是研究區(qū)儲(chǔ)層低孔、低滲的主要成巖作用。
安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層的膠結(jié)類型多樣,膠結(jié)作用使得安塞地區(qū)長(zhǎng)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙和喉道進(jìn)一步減小,孔隙度和滲透率進(jìn)一步降低[21-22]。碳酸鹽膠結(jié)作用在安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層中普遍存在,碳酸鹽膠結(jié)物含量差異性明顯,其中以礦物顆粒間的膠結(jié)物以及交代物是碳酸鹽膠結(jié)物主要存在形式(如圖11a 和圖11b 所示),亦可見次生孔隙內(nèi)填充的形式出現(xiàn)。其產(chǎn)出形狀也具多樣性,其中常見的微晶狀、晶粒狀是主要的產(chǎn)出形式。在成分上,碳酸鹽膠結(jié)物以富含含鐵方解石為特征,鑲嵌于碎屑礦物顆粒間或顆粒內(nèi),致使研究區(qū)致密儲(chǔ)層的孔隙很多遭到堵塞,是安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層的孔滲減小的主要原因之一。根據(jù)研究區(qū)碳酸含量的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),其成分越高,儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率越小,物性越差。
圖10 孔隙度和滲透率隨深度變化圖Fig.10 Relationship between porosity and permeability
圖11 研究區(qū)膠結(jié)作用Fig.11 Cementation in the study area
黏土礦物膠結(jié)是主要膠結(jié)類型之一,其膠結(jié)物主要為伊蒙混層和伊利石,其次為高嶺石膠結(jié)物和綠泥石膠結(jié)物(如圖11c 和圖11d 所示)。伊利石多呈發(fā)絲狀充填于碎屑礦物粒間或碎屑礦物顆粒表面。伊/蒙混層多呈卷葉狀和片狀產(chǎn)出,綠泥石多呈片狀產(chǎn)出,附著于礦物顆粒表面和礦物顆粒間。粒間和粒表發(fā)育的黏土礦物大大減小了原生孔隙的孔徑和喉道大小,使得儲(chǔ)層中孔隙流體的流通受到極大的阻礙,降低了儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率。通過(guò)對(duì)研究區(qū)黏土礦物含量統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),隨著黏土礦物含量的逐漸增加,研究區(qū)儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率逐漸減小,物性逐漸變差。安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖儲(chǔ)層硅質(zhì)膠結(jié)物自生石英和次生石英加大為主(如圖11e 和圖11f 所示),其存在形式多發(fā)育在礦物顆粒間,晶型發(fā)育較好,次生石英則是沿著自生石英顆粒邊緣向孔隙中生長(zhǎng),呈現(xiàn)為次生加大邊的形式,常見該類膠結(jié)物充填于剩余粒間孔內(nèi)。硅質(zhì)膠結(jié)物的發(fā)育使得前期的孔隙減小,剩余粒間孔隙逐漸消失或減少,造成很多孔隙連通性進(jìn)一步變差或不連通,因此該類膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層的物性造成了一定的破壞。
1)安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖原生孔隙和次生孔隙皆有發(fā)育,前者主要為原生粒間孔隙和原生剩余粒間孔隙;后者是主要的孔隙類型,主要包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔以及微孔隙。
2) 安塞地區(qū)長(zhǎng)7 致密砂巖主要為低孔-超低孔、超低滲-非滲儲(chǔ)層,物性極差。儲(chǔ)層孔喉半徑主要分布區(qū)間為0.025~0.250 μm,分選偏差,孔喉峰位半徑主要為細(xì)孔喉,儲(chǔ)層主要的儲(chǔ)集空間主要由較小孔喉貢獻(xiàn),孤立孔隙發(fā)育,連通性較差。
3)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是長(zhǎng)7 致密砂巖孔隙發(fā)育的主控因素。前者是造成孔隙度大量喪失、儲(chǔ)層低孔、低滲的首要原因,后者進(jìn)一步堵塞孔隙和喉道,降低了儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率。