張玉曄,高建武,趙靖舟,張 恒,吳和源,韓載華,毛朝瑞,楊 曉
(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065;2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室,西安 710065;3.延長油田股份有限公司七里村釆油廠,陜西延安 717100;4.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)
致密油的研究是目前油氣資源研究的熱點,鄂爾多斯盆地致密油資源豐富,主要分布在三疊系延長組[1],但該組儲層物性差,非均質(zhì)性強且孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難找到相對高滲的區(qū)域,因此尋找優(yōu)質(zhì)儲層是致密油勘探開發(fā)的重點和難點[2-6]。楊華等[4]、趙靖舟等[5]、姚涇利等[6]對致密儲層成因進行了大量研究,并認為儲層致密化過程受沉積環(huán)境、成巖作用和構(gòu)造運動等因素綜合控制。成巖作用控制儲層物性演化,是決定儲層性能優(yōu)劣的重要因素[7-8]。王瑞飛等[9]通過探討鄂爾多斯盆地南部延長組不同油層組的差異性成巖作用演化,認為隨著埋深增加,膠結(jié)作用整體增強,溶蝕作用減弱;王繼偉等[2]、羅靜蘭等[10]、王朋等[11]認為成巖作用中壓實作用是導(dǎo)致儲層致密化最主要的因素;鄭榮才等[3]認為致密砂巖粒度細而儲層物性較好是與早期綠泥石環(huán)邊有關(guān);肖暉等[12]、黎盼等[13]認為致密砂巖儲層的差異性成巖作用是導(dǎo)致儲層物性和微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異的根本原因。由于致密砂巖儲層成巖作用及其孔隙度定量恢復(fù)是目前油氣勘探研究的重點,而大多數(shù)成果只對研究區(qū)的沉積環(huán)境及成巖特征進行描述,關(guān)于儲層如何致密化及致密化過程的研究卻很少。
針對該區(qū)的研究現(xiàn)狀,運用常規(guī)物性分析、鑄體薄片鑒定、掃描電鏡和X 射線衍射等手段,在對研究區(qū)長6 油層組致密砂巖儲層的巖石學(xué)特征、孔隙類型和成巖作用進行研究的基礎(chǔ)上,將成巖演化與地質(zhì)響應(yīng)相結(jié)合,恢復(fù)研究區(qū)成巖演化序列,建立長6 油層組的孔隙度演化模擬方程,定量計算不同成巖作用對儲層孔隙度的影響。以此來深化認識油藏地質(zhì)特征,并以期為其他地區(qū)的勘探開發(fā)提供一定借鑒。
鄂爾多斯盆地為一個大型河湖相沉積盆地,由于湖盆的多次擴張和收縮形成一套自生自儲的生油巖系[10-14]。佛古塬區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部的七里村油田[圖1(a)],地處陜西省延安市延長縣境內(nèi),勘探面積約31 km2。構(gòu)造上位于伊陜斜坡東南部,區(qū)內(nèi)整體地層平緩,為西傾單斜,傾角不足1°,總體構(gòu)造較簡單,以低幅鼻狀構(gòu)造為主。王朋等[11]、肖暉等[12]、黎盼等[13]、趙靖舟等[14]以巖性組合和沉積旋回為依據(jù),將延長組自上而下分為長1—長10 共10個油層組。其中長6 油層組是延長組致密油資源最豐富的儲層,巖性以灰綠色、灰白色細砂巖夾暗色泥巖為主,局部可見油頁巖和煤線,沉積厚度為100~135 m[圖1(b)]。
圖1 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)地理位置(a)及延長組地層柱狀圖(b)Fig.1 Geographical location of Foguyuan area in Ordos Basin(a)and stratigraphic column of Yanchang Formation(b)
鄂爾多斯盆地延長組沉積期主要為內(nèi)陸坳陷型湖泊三角洲沉積環(huán)境[15-18]。鄧秀芹等[16]、郭艷琴等[17]、李文厚等[18]對佛古源油田沉積相類型的研究存在分歧,主要集中在其是三角洲前緣沉積還是三角洲平原沉積。佛古塬區(qū)長6 油層組巖心以灰白色細砂巖和深灰色泥巖為主,沉積構(gòu)造多為交錯層理和平行層理,偶見植物根莖化石,甚至可見流水波痕化石。綜合顯示,研究區(qū)長6 油層組主要發(fā)育淺水三角洲前緣沉積,水下分流河道發(fā)育。其砂巖碎屑組分粒級以極細砂和細砂為主(圖2)。
圖2 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組巖心照片(a)水平層理,DT033 井,3 391.00 m;(b)平行層理,DT037 井,448.14 m;(c)包卷層理,DT037 井,450.72 m;(d)交錯層理,DT016 井,298.08 m;(e)植物根莖化石,DT016 井,298.08 m;(f)波痕,Z085 井,459.22 mFig.2 Core photos of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
對研究區(qū)內(nèi)8 口井進行巖心觀察并對146 個巖心鑄體薄片和掃描電鏡資料進行分析,結(jié)果顯示:長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.0%~78.1%,平均為51.9%;石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%~30.1%,平均為21.7%;巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%~14.0%,平均為6.3%,表明其成分成熟度較低,巖性主要為灰色細粒長石砂巖(圖3)。鏡下觀察顯示,長6 油層組砂巖分選性好,磨圓度以次棱狀為主,膠結(jié)方式主要是孔隙式膠結(jié),巖石以顆粒支撐為主,顆粒間以線接觸為主,表明其結(jié)構(gòu)成熟度較高。
圖3 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組砂巖組分Ⅰ.石英砂巖;Ⅱ.長石石英砂巖;Ⅲ.巖屑石英砂巖;Ⅳ.長石砂巖;Ⅴ.巖屑長石砂巖;Ⅵ.長石巖屑砂巖;Ⅶ.巖屑砂巖Fig.3 Sandstone composition of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
對21 塊樣品進行X 射線衍射分析,結(jié)果顯示,長6 油層組填隙物以黏土礦物和濁沸石為主,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.89%和10.06%;其次為碳酸鹽礦物,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.7%,其中以白云石(1.54%)和方解石為主(1.41%);菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(0.7%)[圖4(a)]。
通過對黏土礦物分析,顯示研究區(qū)黏土礦物以綠泥石為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.05%;其次為高嶺石、伊利石和伊蒙混層,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.14%,8.14%和2.67%[圖4(b)]。
圖4 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組填隙物(a)和黏土礦物(b)含量(全巖分析結(jié)果)Fig.4 Contents of interstitial materials(a)and clay minerals(b)of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
長6 油層組經(jīng)過長期成巖作用改造,孔隙類型復(fù)雜,主要以溶蝕孔(4.1%)和殘余粒間孔(1.7%)為主,發(fā)育少量晶間孔(圖5),其中溶蝕孔以長石溶蝕孔和濁沸石溶孔為主,總面孔率平均為6.02%。
對54 個樣品的巖心物性資料進行分析(圖6),長6 油層組物性普遍較差,平均孔隙度為7.6%,平均滲透率為0.19 mD。根據(jù)趙靖舟等[5]對致密油藏的分類標(biāo)準(zhǔn),認為研究區(qū)長6 油層組為致密砂巖油氣藏,整體為特低孔、超低滲的致密砂巖儲層[19],物性相關(guān)性差,非均值性強,均說明儲層受成巖作用改造強烈。
圖6 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組物性參數(shù)Fig.6 Correlation of physical properties of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
根據(jù)對鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)鑄體薄片、掃描電鏡和X 射線衍射等的分析,認為佛古塬區(qū)成巖作用主要有壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。其中壓實作用和膠結(jié)作用對儲層物性主要起破壞性作用,溶蝕作用對儲層物性起建設(shè)性作用[20-25]。
3.1.1 壓實作用
機械壓實作用是導(dǎo)致儲層孔隙度降低、滲透率變差的主要成巖作用。鏡下觀察顯示,石英、長石等剛性顆粒呈定向排列[圖7(a)],原生粒間孔較少,碎屑顆粒間以線性-凹凸接觸為主,說明壓實作用強烈;黑云母等塑性巖屑層狀分布[圖7(b)],甚至擠壓變形[圖7(c)],占據(jù)孔隙空間、堵塞喉道,從而導(dǎo)致剩余粒間孔進一步減少。
圖7 佛古塬區(qū)延長組長6 油層組砂巖壓實-膠結(jié)作用鏡下特征(a)顆粒分選性好,顆粒間以線性-凹凸接觸為主,剛性顆粒定向排列,DT035 井,414.69 m;(b)黑云母層狀分布、擠壓變形,DT032 井,327.75 m;(c)云母擠壓變形,DT032 井,302.60 m,SEM;(d)顆粒表面被針葉狀綠泥石膜包裹,保存原生粒間孔,DT032 井,367.09 m;(e)葉片狀綠泥石包裹礦物顆粒,DT03 井,367.09 m,SEM;(f)葉片狀綠泥石填充孔隙,DT03 井,367.09 m,SEMFig.7 Compaction and cementation under microscope of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
3.1.2 膠結(jié)作用
膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層物性變差的重要原因。研究區(qū)膠結(jié)物主要為黏土礦物、濁沸石和碳酸鹽巖,此外還有少量硅質(zhì)和長石加大。
(1)黏土礦物膠結(jié)。自生黏土礦物主要有綠泥石、高嶺石、伊利石和伊/蒙混層。早期綠泥石以環(huán)顆粒邊緣薄膜狀包裹顆粒發(fā)育[圖7(d)—(e)],晚期綠泥石呈針葉狀充填粒間孔發(fā)育[圖7(f)]。在機械壓實作用過程中早期綠泥石以葉片狀襯邊式垂直顆粒表面生長[圖7(e)],能增強抗壓實能力,保護原生粒間孔,有利于儲層發(fā)育。雖然綠泥石膜發(fā)育的顆粒間儲集空間大,但綠泥石的發(fā)育可同時抑制石英次生加大[26-27]。在鏡下觀察到石英次生加大沿著未被綠泥石包裹或被綠泥石包裹較薄的顆粒邊緣生長[圖8(a)],其也有利于原生孔隙的保存。而晚期綠泥石以針葉片狀充填孔隙[圖7(f)],擠占有效孔隙空間,使得儲層物性變差。自生高嶺石為酸性流體溶蝕長石顆粒的產(chǎn)物,常與自生加大石英共生,主要是集合體發(fā)育的蠕蟲狀或書頁狀充填孔隙空間。伊利石呈絲縷狀充填粒間孔,使其變?yōu)閺?fù)雜的晶間孔,減少儲集空間。在X 射線衍射實驗中發(fā)現(xiàn)伊利石和伊/蒙混層,未見蒙皂石,說明成巖階段處于早成巖階段B 期至中成巖階段A 期。
(2)濁沸石膠結(jié)。研究區(qū)濁沸石分布廣泛,為典型的自生膠結(jié)類型。目前認為,濁沸石膠結(jié)物發(fā)育與火山物質(zhì)水化和斜長石鈉長石化等作用相關(guān),在早成巖階段到晚成巖階段的堿性成巖環(huán)境中均可發(fā)育[27-28],對物性主要起建設(shè)性作用。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),濁沸石含量較高,主要以大片連晶充填原生粒間孔,呈基底式膠結(jié)為主[圖8(b)],其次以孔隙式膠結(jié)填充殘余粒間孔[圖8(c)],或以濁沸石晶體充填溶蝕孔或交代長石顆粒,一般能與方解石、黏土礦物等共生[圖8(d)]。濁沸石在中成巖階段的酸性環(huán)境中被溶蝕,形成大量的粒間溶孔,擴大了儲集孔隙空間。可見濁沸石膠結(jié)物既可堵塞孔隙,又具有支撐骨架顆粒的作用,使其免遭受強烈壓實作用,為后期大量次生溶蝕孔的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
圖8 佛古塬區(qū)延長組長6 砂巖膠結(jié)作用鏡下特征(a)葉片狀綠泥石包裹顆粒表面,石英加大充填孔隙,DT032,373.96 m,SEM;(b)濁沸石膠結(jié),DT016,306.72 m;(c)濁沸石充填孔隙,DT032,306.72 m,SEM;(d)粒間填充菱形方解石,DT032,414.69 m;(e)方解石膠結(jié),DT022,204.05 m,陰極發(fā)光;(f)石英次生加大,DT035,316.42 m;(g)自生石英,DT032,373.96 m,SEM;(h)自生長石,DT016,306.72 mFig.8 Microscopic characteristics of cementation of Chang 6 sandstone in Foguyuan area,Ordos Basin
(3)碳酸鹽膠結(jié)。碳酸鹽膠結(jié)物以白云石和方解石為主,其次為菱鐵礦。早期碳酸鹽膠結(jié)物形成于堿性成巖環(huán)境中,分布范圍小,以微晶或泥晶充填原生粒間孔[圖8(d)],在一定程度上削弱了壓實強度,保護了原生孔隙空間。在有機質(zhì)低成熟—成熟階段,早期碳酸鹽在弱酸性成巖環(huán)境中被溶蝕為次生孔隙,說明早期碳酸鹽膠結(jié)對儲層儲集空間的改善具有積極作用。鏡下觀察鐵方解石較發(fā)育,陰極發(fā)光下為橙紅色[圖8(e)],晶粒大,分布廣,呈連晶狀或斑狀充填長石溶孔或交代長石和早期方解石,堵塞次生溶蝕孔隙,加重儲層致密化。
(4)硅質(zhì)和長石加大。硅質(zhì)膠結(jié)主要為環(huán)繞石英顆粒邊緣生長的次生加大邊[圖8(f)]和粒間孔充填的自生石英[圖8(g)]。根據(jù)產(chǎn)狀分析硅質(zhì)膠結(jié)共2 期發(fā)育,早期石英次生加大邊在綠泥石環(huán)顆粒表面發(fā)育比較薄弱或未包裹顆粒的地方形成[圖8(a)],或者在綠泥石膜形成的粒間孔內(nèi)發(fā)育自生石英顆粒晶體[圖7(f)],造成儲層有效儲集空間減小。晚期硅質(zhì)膠結(jié)充填長石溶孔,或以自生石英顆粒充填殘余粒間孔[圖8(g)],造成次生孔隙減少,儲層致密。自生長石一般發(fā)育在溫度較高的弱堿性環(huán)境中,研究區(qū)自生長石以鈉長石為主[圖8(h)],少量斜長石,多呈微晶狀填充于粒間孔中,減少了孔隙空間。
3.1.3 溶蝕作用
溶蝕作用產(chǎn)生次生孔隙,在一定程度上可改善儲層的物性,形成優(yōu)勢高滲透率儲層。隨著有機質(zhì)成熟,在酸性成巖環(huán)境下碎屑顆粒和晚期膠結(jié)物等發(fā)生不同程度的溶蝕,以長石溶蝕[圖9(a)]和濁沸石溶蝕[圖9(b)]最為發(fā)育。長石溶蝕主要沿著解理縫溶蝕和長石顆粒邊緣溶蝕。濁沸石溶蝕伴隨高嶺石的生成,其被溶蝕為半柱狀,嚴(yán)重時呈現(xiàn)蜂窩狀[圖9(c)]。云母綠泥石化[圖7(b)]及長石和早期方解石等膠結(jié)物發(fā)生早期溶蝕,產(chǎn)生次生溶蝕孔隙,部分被晚期膠結(jié)物充填。鏡下能觀察到長石溶蝕后被晚期葉片狀綠泥石、自生石英[圖9(d)]、濁沸石[圖9(e)]、自生黏土礦物[圖9(f)]和晚期方解石等充填[圖9(g)]。多期次溶蝕產(chǎn)生大量次生溶孔,改善了儲層物性。
3.1.4 交代作用
交代作用對物性影響較小,但能為溶蝕作用提供更多的易溶物質(zhì),有利于溶蝕作用的進行。鏡下主要觀察有綠泥石交代長石顆粒表面[圖7(e)]、濁沸石交代長石顆粒[圖9(e)]、黏土礦物交代長石顆粒邊緣[圖8(i)]和后期鐵方解石交代長石顆粒[圖9(h)]或早期方解石。
圖9 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)延長組長6 油層組砂巖溶蝕-交代作用及其特征(a)長石溶蝕,DT032 井,306.72 m;(b)濁沸石溶蝕,DT032 井,373.96 m;(c)濁沸石溶蝕,DT032 井,306.72 m,SEM;(d)長石溶孔中充填葉片狀綠泥石和自生石英,DT032 井,306.72 m,SEM;(e)長石溶蝕后被濁沸石交代,DT032 井,373.96 m;(f)溶蝕孔隙中填充片狀黏土礦物,DT032 井,316.42 m,SEM;(g)溶蝕孔隙中填充自生方解石,DT016 井,306.72 mSEM;(h)方解石交代長石顆粒,DT016 井,306.72 mFig.9 Dissolution and metasomatism characteristics of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
根據(jù)七里村油田佛古塬區(qū)烴源巖成熟度分析、黏土礦物X 射線衍射、埋藏?zé)嵫莼返荣Y料,顯示研究區(qū)長7 油層組烴源巖有機質(zhì)鏡質(zhì)組反射率(Ro)為0.68%~0.76%,最大熱解峰溫(Tmax)為444~456 ℃,對應(yīng)研究區(qū)長6 油層組古溫度為100~110 ℃(圖8)[29];黏土礦物以綠泥石和高嶺石為主,少量伊利石和伊/蒙混層,蒙皂石基本消失;鏡下觀察到晚期含鐵碳酸鹽類膠結(jié)物,以及鈉長石、濁沸石和自生石英等充填原生粒間孔;孔隙類型以長石和濁沸石溶蝕孔隙為主;石英次生加大處于Ⅰ—Ⅱ級。根據(jù)研究區(qū)主要成巖現(xiàn)象特征,以《碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)對佛古塬區(qū)碎屑巖成巖階段進行劃分,綜合認為研究區(qū)成巖演化主體進入中成巖階段A 期。
通過鏡下資料、掃描電鏡和X 射線衍射來確定碎屑顆粒間、碎屑顆粒與自生礦物間和各類膠結(jié)物間接觸關(guān)系來確定成巖作用過程中每一階段的成巖序列,有助于分析成巖作用對儲層的改造作用,為后期成巖演化階段和孔隙演化模型的建立提供依據(jù)。結(jié)合前人研究成果[20-26],認為佛古塬區(qū)長6油層組成巖序列為:機械壓實作用→早期綠泥石膜硅質(zhì)膠結(jié)→早期方解石膠結(jié)/濁沸石膠結(jié)/黏土礦物膠結(jié)→酸性物質(zhì)流入→方解石溶蝕/長石溶蝕/濁沸石溶蝕晚期綠泥石膠結(jié)/自生石英/高嶺石形成/晚期鐵方解石膠結(jié)→烴類充注(圖10)。
圖10 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組儲層埋藏史-孔隙演化Fig.10 Burial history and pore evolution of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
根據(jù)研究區(qū)長6 油層組21 塊樣品的物性資料、鑄體薄片等統(tǒng)計數(shù)據(jù),結(jié)合國內(nèi)外研究成果[2,11-13],定量分析不同成巖作用對儲層孔隙度演化的貢獻率。
綜合粒度資料,恢復(fù)了佛古塬區(qū)長6 油層組致密儲層在不同成巖作用影響下的孔隙度演化(表1)。研究表明:佛古塬區(qū)長6 油層組致密砂巖儲層分選系數(shù)為1.13%~1.96%,平均為1.29%,分選性好;初始孔隙度為32.62%~41.13%,平均為38.92%。壓實后剩余孔隙度為10.45%~21.25%,平均為16.15%;壓實損失孔隙度為15.54%~28.26%,平均為22.76%;壓實減孔率為45.51%~72.91%,平均為58.40%。表明壓實作用對研究區(qū)長6 油層組儲層物性具有較強的破壞作用,是導(dǎo)致儲層致密化的主要因素。壓實、膠結(jié)作用后的孔隙度為0.24%~5.91%,平均為2.55%;膠結(jié)損失孔隙度為9.00%~19.00%,平均為13.57%;膠結(jié)減孔率為23.34%~49.13%,平均為34.93%。表明膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層致密的關(guān)鍵因素。溶蝕后的孔隙度為1.48%~7.15%,平均為4.84%。溶蝕增孔率為4.53%~18.87%,平均為12.39%,計算后孔隙度為5.56%~9.60%,平均為7.42%。表明溶蝕作用對改善儲層物性具有積極作用,在一定程度上減緩了儲層的致密化。
表1 鄂爾多斯盆地佛古塬區(qū)長6 油層組孔隙度演化定量分析Table 1 Quantitative analysis of porosity evolution of Chang 6 reservoir in Foguyuan area,Ordos Basin
通過分析長6 油層組致密砂巖孔隙成巖演化史,定量恢復(fù)差異性成巖作用對儲層致密化成因的影響,建立了地質(zhì)響應(yīng)孔隙度演化模型(參見圖10)。
(1)佛古塬區(qū)長6 油層組致密砂巖以灰色細粒長石砂巖為主,結(jié)構(gòu)成熟度高,成分成熟度低,孔隙類型以溶蝕孔隙和殘余粒間孔為主。儲層物性較差,非均質(zhì)性強,整體表現(xiàn)為特低孔、超低滲致密砂巖儲層。
(2)研究區(qū)長6 油層組致密砂巖儲層主體進入中成巖階段A 期。成巖作用復(fù)雜,壓實和膠結(jié)作用均對儲集空間造成破壞,其中早期綠泥石和方解石以及濁沸石具有抗壓實作用,保護了原生粒間孔,被后期酸性流體溶解產(chǎn)生大量次生孔隙,尤其是濁沸石的溶蝕,對改善儲層物性至關(guān)重要。而晚期方解石和黏土礦物充填原生孔隙和次生溶蝕孔隙,降低了儲層物性,是儲層致密化的關(guān)鍵。
(3)通過定量計算不同成巖作用對儲層孔隙發(fā)育的影響,顯示壓實作用使孔隙度平均減少了22.76%,減孔率達58.40%;膠結(jié)作用使孔隙度平均降低了13.57%,減孔率達34.93%;溶蝕作用改善了儲層的物性,增孔率為12.39%。壓實作用是導(dǎo)致儲層致密化的主要原因,膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層致密化的關(guān)鍵因素,多期溶蝕作用可產(chǎn)生大量次生孔隙,減緩了儲層致密化進程。
致謝:本論文寫作過程中,得到西安石油大學(xué)耳闖教授的悉心指導(dǎo),在此表示感謝!