準(zhǔn)噶爾盆地車排子北部地區(qū)沙灣組碳酸鹽膠結(jié)物差異性分布控制因素

趙曉東，楊少春，鞠小玉，陳剛強(qiáng))，許濤)

1)中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆克拉瑪依，834000；2)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；3)中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)文理學(xué)院，新疆克拉瑪依，834000

內(nèi)容提要: 通過鑄體薄片、AxioVision圖像分析、巖芯常規(guī)分析、地層水測試等方法，在明確了碳酸鹽膠結(jié)物類型的基礎(chǔ)上，采用多方法進(jìn)行了碳酸鹽膠結(jié)物含量的測定，探討了準(zhǔn)噶爾盆地車排子地區(qū)北部沙灣組碳酸鹽膠結(jié)物差異性分布控制因素，并揭示了其對(duì)儲(chǔ)層物性、油水分布的影響。研究表明，車北地區(qū)沙灣組儲(chǔ)層中發(fā)育大量的早期碳酸鹽膠結(jié)物，不均勻充填部分原生粒間孔，具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性；在巖芯常規(guī)測定碳酸鹽膠結(jié)物含量的基礎(chǔ)上，利用多次數(shù)、多視域的AxioVision圖像分析補(bǔ)充測定了碳酸鹽膠結(jié)物含量，與巖芯常規(guī)測定結(jié)果對(duì)比相對(duì)誤差-0.14，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)點(diǎn)的不足。碳酸鹽膠結(jié)物含量平面上具有“北高南低”的差異性分布特征，膠結(jié)物形成于封閉性好、水體交替停滯的還原環(huán)境中，地層水Ca2+含量的差異決定了碳酸鹽膠結(jié)物分布的差異，而地層水Ca2+含量的差異主要受古地貌控制，古高地水體較淺易富集Ca2+是CaCO3沉淀的良好場所，沉積微相在局部井區(qū)起到一定的控制作用。碳酸鹽膠結(jié)物差異性導(dǎo)致研究區(qū)儲(chǔ)層物性具有“雙峰值”特征，并造成了高黏超稠油油藏復(fù)雜的油水分布關(guān)系。

碳酸鹽膠結(jié)物是儲(chǔ)層成巖過程中膠結(jié)形成的一種自生礦物(Jos et al., 1986; 鐘大康等，2007)，碳酸鹽膠結(jié)物的含量、發(fā)育的程度對(duì)儲(chǔ)層的物性、含油性等有著明顯的影響(Perri et al., 2008；馬永生等，2010；孫海濤等，2010；Li et al., 2014)。有學(xué)者在碳酸鹽膠結(jié)物的形成機(jī)理、富集規(guī)律、對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量的影響等方面開展了較為深入的研究。Jansa等(1990)認(rèn)為鄰近常壓系統(tǒng)的超壓系統(tǒng)以及瀉壓帶有利于碳酸鹽的膠結(jié)；王琪等(2010)認(rèn)為中晚期碳酸鹽膠結(jié)物形成主要因?yàn)殚L石類顆粒溶解提供了Ca2+；孫思敏和羅家群(2007)認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物的富集與泥巖壓實(shí)作用、有機(jī)質(zhì)成熟期的酸性孔隙水溶解作用有關(guān)；孫致學(xué)等(2010)認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物會(huì)堵塞孔隙并在局部形成致密鈣質(zhì)層；閆燦燦等(2018)進(jìn)一步研究了碳酸鹽膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的定量損失；Ren等(2019)在研究柴達(dá)木盆地北緣下侏羅統(tǒng)砂巖儲(chǔ)層時(shí)認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)受層序界面控制，層序界面處由于成熟烴源巖酸性流體等流入導(dǎo)致碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕從而改善儲(chǔ)層質(zhì)量；姜平等(2020)認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物受斷裂帶分布及熱流體活動(dòng)影響，碳酸鹽膠結(jié)物在斷裂帶比在凹陷中心更為發(fā)育。研究成果豐富，但對(duì)于碳酸鹽膠結(jié)物分布控制的地質(zhì)因素的相關(guān)研究報(bào)道較少。

準(zhǔn)噶爾盆地車排子地區(qū)北部(以下簡稱車北地區(qū))沙灣組油水分布復(fù)雜(趙曉東等，2014；商豐凱等，2020)，其控制油水分布的主要原因是碳酸鹽膠結(jié)物分布的差異性；有學(xué)者已經(jīng)注意到碳酸鹽膠結(jié)物的含量可能與地層水中的Ca2+含量有關(guān)(朱子涵等，2011；劉四兵等，2014；溫雅茹等，2015；沈臻歡等，2018)，后僅開展了利用地層水中的Ca2+計(jì)算碳酸鹽膠結(jié)物的含量等工作，但對(duì)于控制碳酸鹽膠結(jié)物分布根本的地質(zhì)因素尚未開展研究。其次，碳酸鹽膠結(jié)物含量的合理測定也是面臨的主要問題之一，碳酸鹽膠結(jié)物的含量一般是通過巖芯常規(guī)分析利用巖石碳酸鹽含量測定儀獲取，但這種方法受控于巖芯樣品有限而獲取的數(shù)據(jù)量不足(Bunch, 2018)，在一定程度上影響了碳酸鹽膠結(jié)物平面分布的研究。將染色的巖石薄片放置于常規(guī)電子顯微鏡和掃描電鏡通常也用來測定膠結(jié)物含量(王鈺婷，2018)，該方法雖然可以對(duì)碳酸鹽膠結(jié)物數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，但獲取的數(shù)據(jù)受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等影響較大，測定效果較差。因此，本論文在碳酸鹽膠結(jié)物含量巖芯測定的基礎(chǔ)上，通過AxioVision圖像分析進(jìn)行碳酸鹽膠結(jié)物含量補(bǔ)充測定，彌補(bǔ)了巖芯測定數(shù)據(jù)點(diǎn)的不足，揭示出研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物含量與地層水Ca2+的關(guān)系，探討了地層水Ca2+差異分布的控制因素，闡明了控制碳酸鹽膠結(jié)物分布的地質(zhì)因素，進(jìn)一步明確了碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層物性、油水分布的影響，該認(rèn)識(shí)為該類油藏的勘探開發(fā)提供了研究實(shí)例和參考依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地車排子北部地區(qū)綜合地質(zhì)圖Fig. 1 Comprehensive geological map of northern Chepaizi(NCPZ) area, Junggar Basin(a)準(zhǔn)噶爾盆地位置圖和車北地區(qū)位置圖，車北地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起區(qū)；(b)車北地區(qū)N1構(gòu)造圖和主要井位分布圖，研究區(qū)為近東南傾的單斜構(gòu)造；(c)車北地區(qū)近南北向油藏剖面圖，油藏位于同一套儲(chǔ)層的中部，油水關(guān)系復(fù)雜。(a) Locations of the Junggar Basin and the NCPZ area. NCPZ area is located at the Western uplift of Junggar basin. (b) Sketch of the NCPZ area and main wells and faults. The structure of study area is a monoclinic with a nearly southeast dip. (c) Reservoirs cross section profile across the research area from North to South. The oil—water relationship is complex, and the same set of connected reservoirs is located in the central part of the structure

2 碳酸鹽膠結(jié)物類型

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1碳酸鹽膠結(jié)物鏡下特征Fig. 2 Characters of carbonate cements under thin section of N1 in NCPZ area, Junggar Basin(a)排601-21井，490.5 m，碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)烈，顆粒之間點(diǎn)接觸、不接觸，單偏光；(b)排601-平192井，602.2 m，碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)烈，碎屑顆粒“漂浮”在膠結(jié)物中，單偏光；(c)排601-4井，510 m，碎屑顆粒未見到明顯的壓裂紋，正交偏光；(d)排611井，491 m，碎屑顆粒未見到明顯的壓裂紋，單偏光。(e)排607井，277.4 m，縮頸狀喉道和片狀、彎片狀喉道，連通性好，鑄體薄片，單偏光；(f) 排602井，526.1 m，不含碳酸鹽膠結(jié)物，原生殘余粒間孔發(fā)育好，鑄體薄片，單偏光；(g)排611井，491 m，僅在薄片西南部發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)物，原生殘余粒間孔發(fā)育較好，鑄體薄片，單偏光；(h)排607井，277.4 m，原生粒間孔被碳酸鹽膠結(jié)物充填，原生殘余粒間孔發(fā)育中等，鑄體薄片，單偏光；(i)排602井，526.1 m，碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)烈，原生粒間孔基本被碳酸鹽膠結(jié)物充填，原生殘余粒間孔發(fā)育差，見次生粒內(nèi)溶蝕孔，鑄體薄片，單偏光。PIP—原生孔隙；SIDP—次生孔隙；Cal—碳酸鹽膠結(jié)物(a) The Well P602-1, 490.5 m, with strong carbonate cementation, point contact and non-contact between particles, single polarized light; (b) the Well P601-p192, 602.2 m, with strong carbonate cementation, particles “float” in the cement, single polarized light; (c) the Well P601-4, 510 m, No obvious crush cracks are seen in the debris particles, cross polarized light; (d) the Well P611, 491 m, No obvious crush cracks are seen in the debris particles, single polarized; (e) the Well P607, 277.4 m, Constricted throat and flaky and curved throat, good connectivity, casting thin section, single polarized; (f) the Well P602, 526.1 m, without carbonate cements, with well-developed primary residual intergranular pores, casting thin sections, single polarized; (g) the Well P611, 491 m, with well-developed primary residual intergranular pores, carbonate cements developed only in the southwest of thin section, casting thin section, single polarized; (h) the Well P607, 277.4 m, with primary intergranular pores filled by carbonate cements, with moderately developed primary residual intergranular pores, casting thin section, single polarized; (i) the Well P602, 526.1 m, with strong carbonate cementation, the primary intergranular pores are basically filled by carbonate cements, the primary residual intergranular pores are poorly developed, only the secondary intergranular dissolution pores are seen, casting thin section, single polarized. PIP—primary pore; SIDP—secondary dissolution pore; Cal—carbonate cements

3 碳酸鹽膠結(jié)物的測定與平面分布

3.1 碳酸鹽膠結(jié)物的測定

車北地區(qū)沙灣組儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物分布不均，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，定量測定碳酸鹽膠結(jié)物含量對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層物性、含油性研究具有重要的意義。巖芯常規(guī)分析方法是一種常規(guī)的測定方法，在研究區(qū)共選取了10口井的120個(gè)巖芯樣品通過巖石碳酸鹽含量測定儀進(jìn)行了含量數(shù)據(jù)測定，檢測環(huán)境室溫20℃、濕度60%，測定工作在中國石化勝利油田地質(zhì)研究院完成。該方法受控于巖芯樣品導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)量有限，因此，為了增加更多的分析數(shù)據(jù)點(diǎn)，在有限的10口井巖芯常規(guī)分析測定的基礎(chǔ)上，利用AxioVision圖像分析，對(duì)研究區(qū)13口取芯井20張染色的巖石薄片進(jìn)行碳酸鹽膠結(jié)物含量補(bǔ)充測定。測量原理是利用圖像分析軟件的增殖法，通過一遍一遍的掃描薄片，標(biāo)記具有相同性質(zhì)的像點(diǎn)，直到將全部區(qū)域找全為止，由綠色點(diǎn)所圈定的紅色區(qū)域面積為碳酸鹽膠結(jié)物所占面積，碳酸鹽膠結(jié)物所占面積與整個(gè)視域的面積比計(jì)為碳酸鹽膠結(jié)物含量。對(duì)每張鑄體薄片，開展多次數(shù)、多視域的碳酸鹽膠結(jié)物含量測定，然后通過算術(shù)平均計(jì)算該鑄體薄片的碳酸鹽膠結(jié)物平均含量，該含量為該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量。需要說明的是，同一口井同一套儲(chǔ)層若取多個(gè)樣品，則該儲(chǔ)層的碳酸鹽膠結(jié)物含量為多個(gè)樣品的平均值；若該儲(chǔ)層只有一個(gè)樣品，則取該樣品的碳酸鹽膠結(jié)物含量近似代表該儲(chǔ)層的碳酸鹽膠結(jié)物含量。圖3a—e為排611井487 m碳酸鹽膠結(jié)物含量的測定過程，分不同視域共測定5次，則該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量為28.89%；圖3f—i為排602井526.1 m碳酸鹽膠結(jié)物含量測定過程，分不同視域共測定4次，則該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量為16.76%。表1為研究區(qū)13口井20個(gè)樣品的AxioVision圖像分析測定結(jié)果。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1碳酸鹽膠結(jié)物的AxioVision圖像分析測定Fig. 3 Calculation of carbonate cement by AxioVision image analysis of N1 in NCPZ area, Junggar Basin(a)—(e)為排611井487 m碳酸鹽膠結(jié)物含量的測定過程，分不同視域共測定5 次，取算術(shù)平均值計(jì)該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量。(a)—(e)視域碳酸鹽膠結(jié)物含量分別為27.19%、31.54%、30.75%、28.16%和26.82%，該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量為28.89%。(f)—(i)為排602井526.1m碳酸鹽膠結(jié)物含量測定過程，分不同視域共測定4次，(f)—(i)視域碳酸鹽膠結(jié)物含量分別為19.5%、13.68%、23.51%、10.33%，該樣品碳酸鹽膠結(jié)物含量為16.76%(a)—(e) is the determination process of carbonate cements content of sample at 487 m in the Well P611. It was measured 5 times in different visual fields, and the content of carbonate cements in this sample was calculated by the arithmetic mean. The content of carbonate cements in figures (a)—(e) fields are 27.19%, 31.54%, 30.75%, 28.16% and 26.82% respectively, and the average content of carbonate cements in this sample is 28.89%. (f)—(i) is the determination process of carbonate cements of sample at 526.1 m in the Well P602, which was measured 4 times in different fields, the content of carbonate cements in figures (f)—(i) fields are 19.5%, 13.68%, 23.51% and 10.33% respectively, and the average content of carbonate cements in this sample is 16.76%

碳酸鹽膠結(jié)物含量具有一定的差異性，以排601-平1井和排611井為例，排601-平1井碳酸鹽膠結(jié)物含量較低，一共分6個(gè)視域測定，含量3.4%～10.51%，平均值為6.74%；排611井碳酸鹽膠結(jié)物含量較高，一共分5個(gè)視域測定，含量26.85%～31.54%，平均值28.89%(表1)，碳酸鹽膠結(jié)物含量的差異顯示著儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。為了驗(yàn)證AxioVision圖像分析測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取了4口井同時(shí)開展了碳酸鹽膠結(jié)物的巖芯常規(guī)測定和AxioVision圖像分析測定(表2)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，碳酸鹽膠結(jié)物含量低的井誤差小，例如排601-4井和排601-平1井，絕對(duì)誤差分別為-0.99和-0.97，相對(duì)誤差分別為-0.09和-0.13；碳酸鹽膠結(jié)物含量高的井誤差稍大，例如排607井和排609井，絕對(duì)誤差分別為-2.88和-5.77，相對(duì)誤差分別為-0.10和-0.23；總體平均絕對(duì)誤差為-2.65，相對(duì)誤差為-0.14，誤差較小，表明AxioVision圖像分析測定數(shù)據(jù)具有一定的準(zhǔn)確性，可以有效彌補(bǔ)巖芯常規(guī)測定數(shù)據(jù)的不足，為碳酸鹽膠結(jié)物的平面分布奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地車排子地區(qū)北部沙灣組碳酸鹽膠結(jié)物AxioVision圖像分析測定結(jié)果表(部分樣品)

表2 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)沙灣組碳酸鹽膠結(jié)物的巖芯常規(guī)測定和AxioVision圖像分析測定結(jié)果對(duì)比表

3.2 碳酸鹽膠結(jié)物平面分布特征

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1碳酸鹽膠結(jié)物含量平面分布圖及部分井巖芯Fig. 4 Distribution of carbonate cement and cores of some wells of N1 in NCPZ area, Junggar Basin(a)碳酸鹽膠結(jié)物含量平面分布圖；(b)排610井，位于綠色區(qū)域，412.3 m，碳酸鹽膠結(jié)物含量24.86%，膠結(jié)作用強(qiáng)，不含油；(c)排601-平191井，位于藍(lán)色區(qū)域，572.5 m，碳酸鹽膠結(jié)物含量10.97%，膠結(jié)作用弱—中等，含油級(jí)別隨碳酸鹽膠結(jié)程度差異而呈非均質(zhì)性；(d)排601井，490.1 m，碳酸鹽膠結(jié)物含量3%，膠結(jié)作用弱，富含油(a) Distribution of carbonate cements content; (b) the Well P610, located in green area, 412.3 m, carbonate cements content 24.86%, strong cementation, no oil; (c) the Well P601-p191, located in blue area, 572.5 m, carbonate cements content 10.97%, weak to medium cementation, oil-bearing level is heterogeneous with the difference of carbonate cementation; (d) the Well P601, 490.1 m, carbonate cements content 3%, weak cementation, rich in oil

4 碳酸鹽膠結(jié)物差異性分布控制因素

4.1 碳酸鹽膠結(jié)物形成環(huán)境

表3 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1地層水性質(zhì)Table 3 Properties of formation water of N1 in NCPZ area, Junggar Basin

表4 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1地層水主要離子比值表Table 4 Main ion ratio of formation water of N1 in NCPZ area, Junggar Basin

4.2 地層水Ca2+含量差異特征

早期碳酸鹽膠結(jié)物是由地層水中的Ca2+早期沉淀膠結(jié)而形成，此時(shí)溫度、壓力接近常溫常壓，當(dāng)?shù)貙铀腥芙獾奶妓猁}物質(zhì)達(dá)到過飽和時(shí)，就可以直

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1碳酸鹽膠結(jié)物含量與Ca2+含量關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between carbonate cement and Ca2+ of N1 in NCPZ area, Junggar Basin

4.3 地層水Ca2+差異分布的控制作用

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1沉積前古地貌圖Fig. 6 Paleogeomorphology before N1 deposition in NCPZ area, Junggar Basin

5 碳酸鹽膠結(jié)物的地質(zhì)影響

5.1 對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1儲(chǔ)層巖芯孔隙度、滲透率頻率分布直方圖Fig. 7 Porosity and permeability frequency distribution histograms of N1 reservoir in NCPZ area, Junggar Basin(a)巖芯孔隙度頻率分布直方圖；(b)巖芯滲透率頻率分布直方圖(a) Porosity frequency distribution histogram; (b) permeability frequency distribution histogram

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1碳酸鹽膠結(jié)物含量與孔隙度、滲透率關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between carbonate cement and porosity and permeability of N1 reservoir in NCPZ area, Junggar Basin

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1儲(chǔ)層巖芯特征Fig. 9 Characters of cores of N1 reservoir in NCPZ area, Junggar Basin(a)排601-4井，514.1 m，深黑色粗砂巖，巖芯孔隙度44.8%，滲透率7070×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量10.68%，巖芯松散，含油性好；(b)排601-5井，532.3 m，深褐色含礫砂巖，巖芯孔隙度36%，滲透率4340×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量7.37%，巖芯松散，含油性好；(c)排601-平1井，488.2 m，深黑色粗砂巖，巖芯孔隙度42.4%，滲透率20300×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量7.71%，巖芯松散，含油性好；(d)排609井，231.4 m，灰白色含礫砂巖，巖芯6.8%，巖芯滲透率5.22×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量23.6%，巖芯緊密，含油性差；(e)排605井，407.8 m，灰白色砂礫巖，巖芯孔隙度6.9%，滲透率1.39×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量32.2%，巖芯緊密，含油性差；(f)排607井，276.6 m，灰白色砂礫巖，巖芯孔隙度3.5%，滲透率0.103×10-3 μm2，碳酸鹽膠結(jié)物含量37%，巖芯緊密，含油性差(a) The Well P601-4, 514.1 m, coarse sandstone, porosity 44.8%, permeability 7070×10-3 μm2, carbonate cements content 10.68%, loose, good oil bearing; (b) the Well P601-5, 532.3 m, brown gravelly sandstone, porosity 36%, permeability 4340×10-3μm2, carbonate cements content 7.37%, loose, good oil content; (c) the Well P601p1, 488.2 m, coarse sandstone, porosity 42.4%, permeability 20300×10-3μm2, carbonate cements content 7.71%, loose, good oil content; (d) the Well P609, 231.4 m, gray gravelly sandstone, porosity 6.8%, permeability 5.22×10-3μm2, carbonate cements content 23.6%, tight, poor oil content; (e) the Well P605, 407.8 m, gray sand conglomerate, porosity 6.9%, permeability 1.39×10-3μm2, carbonate cements content 32.2%, tight, poor oil content; (f) the Well P607, 276.6 m, porosity 3.5%, permeability 0.103×10-3μm2, carbonate cements content 37%, tight, poor oil content

5.2 對(duì)油水分布的影響

表5 準(zhǔn)噶爾盆地車北地區(qū)N1試油數(shù)據(jù)與碳酸鹽膠結(jié)物含量統(tǒng)計(jì)表Table 5 Table of oil test data and carbonate cement content of N1 in NCPZ area, Junggar Basin

6 結(jié)論