劉計國 鄭鳳云 毛鳳軍 姜虹 李早紅 呂明勝 劉邦 袁圣強
20世紀70年代,不同研究者已發(fā)現(xiàn)砂巖儲層質(zhì)量受沉積相(Nagtegal,1979)和成巖作用(Galloway,1979)的影響。針對砂巖成分、沉積相與成巖作用對儲層質(zhì)量影響的研究一直持續(xù)至今(裘亦楠,1992;McBrideetal.,1996;Lima and De Ros,2002;Ketzeretal.,2002;Al-Ramadanetal.,2005;El-Ghalietal.,2006;Gieretal.,2008;Dutton and Loucks,2010;朱筱敏,2013)。Moradetal.(2010)認為在影響砂巖儲層物性的眾多因素中,如何定量表征每種因素對砂巖儲層質(zhì)量的影響是研究的關鍵。對砂巖儲層而言,層序格架、構造演化、砂巖成分、沉積相、流體性質(zhì)以及成巖作用均對其物性變化起不同程度作用,但可能僅僅是其中一到兩個因素起關鍵作用,而如何據(jù)此預測優(yōu)質(zhì)砂巖儲層的時空展布是油氣勘探開發(fā)面臨的核心問題(蘭朝利等,2014)。
尼日爾的北部和西部發(fā)育古生代臺地,而東部發(fā)育中-新生代裂谷(Peterson,1983;Genik,1992,1993;Guiraud and Maurin,1992; Zanguinaetal.,1998)。Termit盆地為中-新生代裂谷的主體,油氣勘探工作始于二十世紀六、七十年代(Peterson,1983;Zanguinaetal.,1998),自中國石油2008年進入尼日爾獲取區(qū)塊作業(yè)權以來,多名研究者對該盆地及相鄰區(qū)域開展了構造演化(劉邦等,2012;張慶蓮等,2013)、層序地層與沉積體系(付吉林等,2012;呂明勝等,2012;湯戈等,2015;毛鳳軍等,2016a;王振升等,2016)、烴源巖和原油地球化學(劉邦等,2011;Wanetal.,2014;Liuetal.,2015;毛鳳軍等,2016b)、油氣成藏(薛良清等,2012;呂明勝等,2015;周立宏等,2017,2018;Liuetal.,2019)等方面的研究。此外,付吉林等(2013)、毛鳳軍等(2019,2020)還分別對研究區(qū)中-新生代儲層微觀特征和上白堊統(tǒng)Yogou組儲層特征及影響因素進行了探討。但是,關于研究區(qū)主力產(chǎn)層古近系Sorkor 1組E5-E1五段儲層特征及其物性差異性的主控因素目前尚不清楚。本文在巖心和井壁取心樣品及其大量實驗室分析測試基礎上,對Sokor1組儲層開展了巖石學特征、儲層物性、沉積相演化以及成巖作用等方面的系統(tǒng)研究,提出E5和E2段儲層質(zhì)量最好,以中孔-中滲和高孔-高滲為主,E4、E3和E1段儲層質(zhì)量次之且非均質(zhì)強,并認為沉積作用是影響儲層物性的主要地質(zhì)因素,成巖溶蝕作用次之。這將有助于后期對研究區(qū)開展儲層綜合評價、預測和勘探開發(fā)部署提供基礎認識。
Termit盆地構造上隸屬西非裂谷系,北端與Tenere、Kafra和Grein盆地相接,南部進入乍得境內(nèi),稱為Chad Lake盆地,與Benue槽相連(圖1)。南北長約300km,東西寬在北端最窄處約60km,在南端最寬處約110km,尼日爾境內(nèi)面積約30000km2。區(qū)域構造背景控制了盆地的形成和演化,總體呈NW-SE向展布,主要有走向NW-SE和NNW-SSE向兩組斷裂系統(tǒng)。根據(jù)Termit盆地平面構造特征的差異,從北到南可劃分為Soudana隆起、Dinga斷階帶、Dinga凹陷、Araga地塹、Fana低凸起、Trakes斜坡、Moul凹陷和Yogou斜坡7個次級構造單元(圖1)。
圖1 Termit盆地區(qū)域位置、構造單元劃分及取樣井位置(據(jù)Liu et al.,2019)
受區(qū)域構造背景影響,Termit盆地經(jīng)歷了早白堊世裂谷、晚白堊世大規(guī)模海侵和古近紀裂谷三期構造旋回,與之對應發(fā)育厚度超過12000m 的“陸-海-陸”沉積(Genik,1992,1993)??碧綄嵺`證實中生代白堊系、新生代古近系、新近系與第四系是主要沉積記錄(圖2)。下白堊統(tǒng)以初始裂谷期陸相沉積為主,在早白堊世末期遭受剝蝕,殘留范圍有限。上白堊統(tǒng)為完整海侵海退旋回,底部Donga組和中部Yogou組為海相碎屑巖沉積,頂部Madama組為厚層河流相砂礫巖沉積(Wanetal.,2014)。古近系自下而上劃分為Sokor1組和Sokor2組;Sokor1組為砂泥互層,是區(qū)內(nèi)主力儲層;Sokor2組下部以泥巖為主,與上部的厚層泥夾薄層砂組成區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的區(qū)域蓋層。新近系和第四系為坳陷期河流相沉積。目前已發(fā)現(xiàn)的90%儲量位于Sokor1組中,因此對其儲層物性研究具有重要的地質(zhì)和現(xiàn)實意義。
圖2 Termit盆地地層綜合柱狀圖
對研究區(qū)內(nèi)55口井568個Sokor1組的巖心/井壁取心樣品開展普通薄片、鑄體薄片、陰極發(fā)光、X衍射、掃描電鏡等實驗室分析,系統(tǒng)地研究Sokor1組E5-E1段儲層的巖石學特征,分析其儲層物性及主要影響因素。樣品測試在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成。X衍射使用D8 DISCOVER型X射線衍射儀,檢測依據(jù)為SY/T 5163—1995及SY/T 5983—1994,檢測條件為14~20000倍,檢驗溫度為24℃。掃描電鏡使用TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡,檢測依據(jù)為SY/T 5162—1997。
2.1.1 碎屑成分
沉積盆地的沉積環(huán)境和物源區(qū)母巖類型可由砂巖碎屑組分直接反映(Dickinson and Suczek,1979;Dickinsonetal.,1983)。研究區(qū)樣品薄片鑒定結(jié)果顯示Sokor1組E5-E1段砂巖碎屑組分以石英為主(圖3),成分成熟度高,石英含量多在85% 以上,偶見少量長石和類型單一的變質(zhì)巖巖屑(圖3、圖4);石英砂巖是區(qū)內(nèi)主要巖石類型,巖屑石英砂巖次之。
圖3 Sorkor1組儲層碎屑成分薄片特征
圖4 Sokor1組儲層巖石組分三角圖
2.1.2 填隙物成分
鏡下觀察Sokor1組不同段填隙物含量差異較大,E5和E2段最大值小于30%,而E1段最高可達45%(表1),均值也表現(xiàn)為E5和E2段最低,E1段最高(表1)。
表1 Sokor1組各段填隙物特征
2.1.2.1 雜基
E5-E1段砂巖填隙物中雜基組分主要為粒間粘土礦物,在巖石組分中不只作為雜基出現(xiàn),部分以膠結(jié)物的形式存在(表1)。在E5和E2段粘土雜基含量多小于10%,局部能到20%,均值分別為6.85%和6.93%;進一步的X衍射和掃描電鏡分析粘土總量表現(xiàn)出相似的變化趨勢(數(shù)據(jù)略有差異),粘土礦物類型以高嶺石為主,次為綠泥石,伊利石和伊蒙混層較少(表2)。
表2 Sokor1組各段全巖X衍射粘土平均含量表
主要粘土礦物高嶺石隨深度的變化趨勢表現(xiàn)為隨深度增加而減少(圖5a),而次要類型綠泥石和伊利石表現(xiàn)為相反的趨勢,即隨深度增加而增加(圖5b、5c),伊蒙混層的存在表明經(jīng)歷粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用(圖5d)。高嶺石在2000~2700m范圍內(nèi)迅速減少,對應綠泥石的快速增加,表明在該深度范圍存在粘土礦物轉(zhuǎn)化帶,推測存在地層水介質(zhì)條件的變化,導致粘土礦物間相互轉(zhuǎn)化,進而造成地層中綠泥石局部發(fā)育而高嶺石含量減少。
圖5 Sokor1組粘土礦物隨深度變化趨勢
2.1.2.2 膠結(jié)物
研究區(qū)E5-E1段砂巖膠結(jié)物類型主要為碳酸鹽、硅質(zhì)和粘土礦物三類,鐵質(zhì)膠結(jié)物相對不發(fā)育,整體來看,膠結(jié)物含量在巖石中占比較小,對儲層的破壞作用不大。
(1)碳酸鹽膠結(jié)物
方解石是區(qū)內(nèi)較常見的碳酸鹽膠結(jié)物,膠結(jié)程度較淺,一般零星出現(xiàn)(圖6a),未見鐵方解石以及鐵白云石膠結(jié)物,在層位上E1段方解石膠結(jié)物出現(xiàn)頻率最高,且平均含量最大(表1)。
圖6 Sokor1組砂巖膠結(jié)物鏡下特征
(2)硅質(zhì)膠結(jié)物
石英次生加大和粒間自生微粒石英是研究區(qū)內(nèi)硅質(zhì)膠結(jié)物主要類型。偏光顯微鏡和掃描電鏡顯示硅質(zhì)膠結(jié)作用較弱,個別薄片中硅質(zhì)膠結(jié)較發(fā)育,但加大邊往往窄而不連續(xù),寬度小于10μm,總量在0.5%~5%之間,平均1.5%,加大程度為I-II級(圖6b)。
(3)粘土礦物膠結(jié)物
高嶺石是區(qū)內(nèi)最主要的粘土礦物膠結(jié)物,常呈書頁狀或蠕蟲狀聚合體充填于孔隙之間;伊利石、伊蒙混層、綠泥石多以薄膜狀孔隙襯墊或孔隙充填的形式產(chǎn)出。高嶺石在薄片中含量一般3%~5%,局部可達10%,呈分散質(zhì)點狀分布。掃描電鏡下高嶺石具有假六方形外形,一般3~15μm,其集合體多呈書頁狀(圖6c),有時也呈彎曲的蠕蟲狀。多數(shù)高嶺石遭受了不同程度的溶蝕,造成其晶體間常存在大量的殘余孔隙、溶蝕孔隙和微孔隙,高嶺石填隙物完全堵塞孔隙的情況較為少見。由于高嶺石填隙物的存在,阻礙了壓實作用進行,對原生粒間孔隙的保存起到積極的作用。掃描電鏡下綠泥石多以孔隙襯里和孔隙充填等產(chǎn)狀為主。多表現(xiàn)為針葉狀集合體并向孔隙中心生長,或表現(xiàn)為較好的花朵狀、葉片狀和絨球狀晶體(圖6d)。伊利石多以孔隙充填的形式產(chǎn)出,少數(shù)以薄膜狀孔隙襯墊的形式產(chǎn)出,表現(xiàn)為彎曲的絲縷狀或絲片狀(圖6e)。孔隙充填的彎曲絲縷狀伊利石集合體不僅將原始粒間孔隙分割成若干小孔隙,占據(jù)孔隙空間,對儲層物性更重要的影響是嚴重降低儲層的滲透性。伊-蒙混層形態(tài)多為絮狀,孔隙襯墊和孔隙充填是主要的產(chǎn)出形式(圖6f)。
Sokor1組砂巖儲層主要為細粒結(jié)構,含較多的不等粒結(jié)構、含礫不等粒結(jié)構以及粉粒、中粒結(jié)構,粗粒結(jié)構較少見,石英顆粒磨圓度較差,以次棱-次圓狀為主(圖7)。鏡下觀察顆粒以點接觸、點-線接觸為主,局部可見縫合接觸;膠結(jié)類型以孔隙膠結(jié)為主,少量接觸膠結(jié)。顆粒接觸關系和膠結(jié)類型均反應壓實作用較弱。
圖7 Sokor1組砂巖鑄體薄片儲集空間特征
儲層巖石學分析認為,Termit盆地Sokor1組E5-E1段儲層的主要巖石類型為石英砂巖,巖屑石英砂巖次之,砂巖成分成熟度高,結(jié)構成熟度低,分選與磨圓度中等-差,反映河流三角洲環(huán)境,河控為主,而波浪影響較小。
儲層巖石學分析明確E5-E1段儲層孔隙類型以原生粒間孔為主(圖7),其次為溶蝕孔、晶間孔,溶蝕孔可見石英及少量長石和云母的粒內(nèi)溶孔(圖7b,f)。由于粒間原生孔(圖7)和擴大粒間孔發(fā)育,導致孔隙縮小型喉道是主要孔喉類型(圖7b-d,f),其次為斷面收縮型喉道(圖7e)和管束狀喉道(圖7a)。
8口井的巖心孔滲分析表明E5-E1段儲層整體孔滲正相關性好,以中孔中滲儲層為主,高孔高滲較發(fā)育,低孔低滲較少(圖8)。按照石油與天然氣行業(yè)標準(國家能源局,2011),E5儲層為高孔高滲,部分為中孔高滲,為I類儲層;E2儲層多為中孔中滲,少量高孔高滲和低孔低滲,為I類儲層。E4、E3和E1段儲層滲透率變異系數(shù)、突進系數(shù)和級差均表明非均質(zhì)性強(圖8、表3),主要為I類和II類儲層。
表3 Sokor1組各段儲層孔隙度和滲透率特征
圖8 Sokor1組不同段孔隙度和滲透率交匯圖
研究區(qū)古近紀裂谷期主要為河流-三角洲-湖相沉積(付吉林等,2012;周立宏等,2017,2018)。Sokor1組屬于古近紀裂谷初始期沉積記錄,巖性表現(xiàn)為砂泥巖互層。巖心觀察顯示沉積特征如下:(1)泥巖以灰綠色、灰色、深灰色為主,局部發(fā)育雜色泥巖(圖9),反映濱淺湖-半深湖環(huán)境;(2)砂巖粒度以細粒為主,可見含礫細砂巖和含礫不等粒砂巖(圖9c, e),表明搬運距離相對較近,以近源沉積為主;(3)沉積構造以中-小型交錯層理、波狀層理和水平層理為主(圖9a, b, d, e),局部發(fā)育透鏡狀層理、變形層理等(圖9a, d, e),見沖刷面現(xiàn)象(圖9c),主要為三角洲前緣沉積,發(fā)育水下分流河道、河口壩、遠沙壩、席狀砂等微相。
圖9 Sokor1組典型沉積構造巖心照片
古近紀經(jīng)歷了裂谷初始期-裂谷深陷期-裂谷萎縮期構造演化旋回。沉積相發(fā)育受盆地結(jié)構和北部、西部和東部3個方向物源的控制,沿盆緣發(fā)育多個三角洲沉積體系(付吉林等,2012;周立宏等,2018),在西部Dinga斷階帶、Yogou斜坡以及東部Araga地塹、Fana低凸起沉積了大量儲集性能優(yōu)良的砂巖。
Sokor1組E5-E1段屬于基準面逐步上升的半旋回沉積記錄,巖心觀察、錄井資料和測井曲線組合表明主要發(fā)育湖泊-三角洲沉積體系,巖性表現(xiàn)為砂泥巖互層(圖10、圖11)。E5段為古近紀裂谷初始期的早期沉積,斷裂活動弱導致地勢差小,北部和東西兩側(cè)物源充足,三角洲延伸較遠,湖盆范圍較小,致使三角洲平原和前緣的分支河道范圍廣,連續(xù)性好(圖11a);E4和E3繼承了E5的沉積格局,隨著裂谷作用逐漸增強,沉積基準面上升,湖泊沉積范圍逐步增大,北部和東西兩側(cè)發(fā)育的三角洲逐步萎縮,E3時期湖泊范圍達到最大(圖10、圖11b);E2時期沉積基準面短暫下降,湖泊面積有所縮小,東西兩側(cè)三角洲范圍延伸較遠(圖10、圖11c);E1時期沉積基準面快速上升(圖10),湖泊面積進一步變大,東西兩側(cè)三角洲范圍最小。沉積演化造成E5和E2沉積時期湖泊沉積范圍小,砂體最為發(fā)育,E4、E3和E1沉積時期湖泊范圍大,三角洲沉積范圍小。
圖10 A-2井Sorkor1組沉積相劃分圖
圖11 古近系Sokor1組沉積相特征
4.2.1 成巖作用
在沉積巖形成、發(fā)育、演化過程中,成巖作用起著至關重要的作用,對儲層物性也產(chǎn)生著重要的影響(孟元林等,2011;朱筱敏等,2013),通過研究區(qū)砂巖儲層實驗室分析結(jié)果分析,確定了E5-E1段成巖作用主要有四種,分別是壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。
其中壓實作用以機械壓實為主,化學壓實(壓溶)較少。主要表現(xiàn)為碎屑顆粒經(jīng)壓實發(fā)生定向排列(裘亦楠,1992;毛鳳軍等,2013),云母、砂屑等塑性顆粒壓彎變形,顆粒間的接觸關系趨于凹凸-縫合接觸,普遍以點-線接觸為主,反映壓實作用較弱,對儲層原生孔隙的保存相對比較有利。
膠結(jié)作用包括碳酸鹽膠結(jié)、石英次生加大膠結(jié)、粘土礦物膠結(jié)(高嶺石、伊利石、綠泥石等)。碳酸鹽膠結(jié)(方解石)程度較淺,一般零星出現(xiàn)(圖6a)。偏光顯微鏡和掃描電鏡顯示硅質(zhì)膠結(jié)作用較弱,加大邊往往窄而不連續(xù),加大程度為I-II級(圖6b)。粘土礦物膠結(jié)主要為高嶺石膠結(jié),伊蒙混層、綠泥石和伊利石較少見(圖6c)。多數(shù)高嶺石遭受了不同程度的溶蝕,造成大量的殘余孔隙、溶蝕孔隙和微孔隙在其晶體間形成,完全堵塞孔隙的情況少見。高嶺石的存在阻礙了壓實作用進行,對原生粒間孔隙保存起到積極的作用(付吉林等,2013)。
溶蝕作用主要有長石、石英、云母、高嶺石及粒間充填物的溶蝕。長石常沿解理溶蝕形成窗格狀,溶蝕強烈者形成了鑄模孔,呈殘骸狀(圖12a);石英常見粒內(nèi)溶蝕(圖12b); 高嶺石可見溶蝕遷移(圖12c);云母多溶蝕為條帶狀(圖12d)。
圖12 Sorkor1組砂巖鑄體薄片溶蝕特征
區(qū)內(nèi)交代作用常見方解石交代石英,導致石英顆粒邊緣呈港灣狀,或變成極不規(guī)則的殘骸狀邊緣。
4.2.2 成巖階段
對粘土礦物隨深度的演化、包裹體均一化溫度、成巖現(xiàn)象特征和顆粒接觸類型等分析認為古近系Sokor1 組頂部E1段儲層僅在Dinga斷階帶與Dinga凹陷交界處(圖1中IE-1_DD-1_GW-1_AF-1_SE-1連井處)受構造埋深影響進入到中成巖A期階段(圖13),其它區(qū)域E1段均處于早成巖B期。E5-E2段儲層基本進入了中成巖A期(圖13)。弱-中等強度的壓實作用、較弱的膠結(jié)作用、較常見的石英和長石等碎屑顆粒的溶蝕以及碳酸鹽膠結(jié)物交代石英顆粒都表明成巖作用對于儲層物性影響主要表現(xiàn)為建設性作用。
圖13 Dinga斷階帶與Dinga凹陷交界處成巖階段劃分圖
影響碎屑巖儲層物性的因素眾多,母巖類型和沉積相是關鍵的“先天”因素,影響儲層的原始物性和空間分布;成巖作用是“后天”因素,貫穿沉積儲層整個演化過程,決定了儲層的最終物性(孟元林等,2011)。因此,本文從研究區(qū)儲層巖石學特征和成巖作用入手,討論Sokor1組E5-E1段砂巖儲層物性影響因素。
樣品薄片和全巖X衍射分析統(tǒng)計結(jié)果表明,Sokor1組E5-E1段砂巖儲層碎屑組分主要為石英、長石、巖屑,偶見少量長石和類型單一的變質(zhì)巖(以石英巖為主)巖屑。巖石類型為石英砂巖,砂巖成分成熟度高,石英含量多在85% 以上。由于石英顆粒的剛性支撐作用相對較強,在一定程度上延緩了砂巖的壓實過程,對儲層原生孔隙的保存相對比較有利。E5段砂巖儲層石英含量最高(88.48%)是造成物性優(yōu)于其它段儲層物性的原因之一(圖10、表3)。
Sokor1組沉積相演化(圖11)造成E5和E2段填隙物總量低,且粘土雜基含量低,粘土礦物膠結(jié)物相對較高,E1段粘土填隙物總量為5個段最高,E3和E4段次之(表1、表2)。由于填隙物中粘土雜基充填了砂巖的孔隙,所以粘土雜基含量與儲層的物性呈負相關。E4、E3和E1的高粘土雜基含量導致滲透率大幅降低(表3),這可能是這三個段儲層物性非均質(zhì)性強于E5和E2段的主要原因之一。
Sokor1組主要的沉積微相有水上分支河道、水下分支河道、河口壩、遠沙壩、淺湖灘壩和分流間灣等,其中水上分支河道、水下分支河道和河口壩砂體厚度大(圖10),砂巖顆粒較粗,分選、磨圓較差,孔隙度、滲透率較大,物性較好;而遠沙壩、席狀砂、淺湖灘壩砂體厚度較薄,砂巖粒度細,一般為粉砂級別,加之沉積成因的高粘土雜基含量導致物性變差。對112塊鑄體薄片面孔率進行沉積微相的統(tǒng)計和對比發(fā)現(xiàn),水下分支河道砂體面孔率5%~35%,平均19.5%,水上分支河道砂體面孔率15%~25%,平均18.9%,河口壩砂體面孔率10%~25%,平均17.6%;而遠砂壩以及淺湖灘壩儲層的面孔率較低,均不足10%。E5、E2段大范圍發(fā)育的分支河道砂體是其儲層物性好于其它段的主要影響因素。
在對研究區(qū)樣品普通薄片、鑄體薄片的鏡下觀察基礎上,進一步進行掃描電鏡、陰極發(fā)光、X衍射等實驗室分析,明確研究區(qū)E5-E1儲層經(jīng)歷壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用四種成巖作用。對粘土礦物隨深度的演化、成巖現(xiàn)象特征和顆粒接觸類型等分析認為古近系Sokor1 組頂部E1段儲層多處于早成巖B期,僅局部進入中成巖A期,E5-E2段儲層基本屬于剛進入了中成巖A期。綜合考慮研究區(qū)成巖作用對儲層的影響,認為壓實作用和方解石膠結(jié)作用都相對較弱,殘余原生孔隙較為發(fā)育。同時,溶蝕作用以粒內(nèi)溶蝕為主,但溶蝕有限。成巖作用對儲層影響總體上以建設性作用為主,壓實作用和膠結(jié)強度對原生孔隙的影響較弱,區(qū)內(nèi)砂巖儲層仍具有較好的儲層物性。
(1)Termit盆地古近系Sokor1組儲層以石英砂巖為主,具有高成分成熟度、中-低結(jié)構成熟度以及中-差磨圓度的特征,表明物源搬運距離短,波浪改造程度有限。
(2)Sokor1組不同層段儲層當前所處成巖階段存在較大差異,除了上部的E1仍處于早成巖B期外,中下部的E2-E5段目前已進入中成巖A 期。砂巖儲層以原生粒間孔為主,次生溶孔次之;孔喉結(jié)構分為3 種類型,以孔隙縮小型喉道為主,斷面收縮型喉道和管束狀喉道次之。
(3)研究區(qū)儲層以基質(zhì)孔為主,整體以中孔-中滲為主,孔滲正相關性好。其中,E5和E2段儲層物性好于E4、E3和E1段,后者粘土雜基含量較高,造成其儲層非均質(zhì)性較強。
(4)沉積作用是影響儲層物性的主要地質(zhì)因素,成巖溶蝕作用次之。水上分支河道、水下分支河道和河口壩砂體儲層質(zhì)量好,且砂體厚度大。其中,水下分支河道砂巖儲層最好,水上分支河道其次,河口壩再次之。