鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5段储层特征及影响因素

2015-07-06 07:19沈忠民赵应权张忠义
关键词:溶孔粒间长石

朱 童,沈忠民,刘 鑫,赵应权,张忠义

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都610059;2.中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院,西安710018)

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长4+5段由于岩性致密、泥岩含量高、砂层较薄,与其他层段如长3、长6段的厚—中层块状砂体类型差异明显,因此在以往的勘探中并没有受到重视。近年来随着勘探的突破,在鄂尔多斯盆地陕北、姬塬、华庆等地区,对长4+5段的沉积、储层等方面进行了较为深入的研究[1-12],并且在陕北延川、华庆、白豹,以及姬塬铁边城地区均取得了良好的勘探效果。目前针对镇北地区长4+5段的研究甚少,该区多口井在长4+5段的良好油气显示也表明有必要加强研究。因此,作者在最新的研究资料基础上对镇北地区长4+5段储层特征及其储集性影响因素进行了分析探讨。

1 地质概况

镇北地区横跨属于盆内Ⅰ级构造单元的天环拗陷南部和陕北斜坡西南部,西邻西缘冲断构造带(图1)。盆内延长组主要发育一套内陆湖泊沉积,西南缘湖岸线在石沟驿—平凉—永寿一带。延长组自下而上分为10个油层组。整个延长组经历了完整的湖盆开始—繁盛—消亡的过程,长10—长7时期为湖泊发育阶段,长7时期达到最大湖泛面,长6—长2时期为湖泊萎缩阶段,其中长4+5时期有一次短暂的小规模湖泛,到长1时期为准平原化期,湖泊消亡。长7段发育的一套半深湖、深湖亚相的暗色泥岩为延长组的主力烃源岩[13,14]。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

图1 鄂尔多斯盆地镇北地区地理位置图Fig.1 Location of the Zhenbei area in Ordos Basin

图2 镇北地区长4+5段储层砂岩成分三角图Fig.2 Triangular diagram of sandstone components of Chang 4+5reservoir of Yanchang Formation in the Zhenbei area,Ordos Basin

根据区内30口井69个砂岩样品分析,镇北地区长4+5段储层主要为岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩及少量岩屑砂岩(图2)。碎屑中石英的平均质量分数为44%,长石为17%,岩屑为24%。在岩屑构成中,变质岩屑含量最高,平均质量分数为11%,主要有千枚岩、石英岩、板岩和变质砂岩;其次为沉积岩屑,平均质量分数为9%;岩浆岩屑最少,平均质量分数为3%。长4+5段砂岩主要粒径为0.12~0.28mm,为中细粒砂岩,矿物成分成熟度较低,但分选性为中等—好,磨圆度为次棱-次圆状,结构成熟度较高,以点-线接触关系为主;填隙物的质量分数一般为8%~20%,平均为12%,其中胶结物成分主要为钙质、硅质、自生高岭石、水云母(伊利石)、绿泥石以及少量凝灰质、重晶石、浊沸石等,钙质主要为白云石、铁方解石和铁白云石。

2.2 储集空间

2.2.1 孔隙类型

根据铸体薄片、扫描电镜等资料认为,镇北地区长4+5段储层的储集空间为残余的原生粒间孔、粒间溶孔、长石溶孔、岩屑溶孔、杂基溶孔、晶间孔和微裂隙。其中以残余的原生粒间孔隙为主,平均体积分数为2.66%;次生溶孔中以长石溶孔为主,平均体积分数为1.17%(图3)。残余的原生粒间孔由于相对较好的孔喉配置,因此对储层的贡献最大;而其他孔隙包括部分长石溶孔,在镜下往往呈孤立的无效孔隙,不能成为有效的储集空间。

图3 镇北地区长4+5段储层孔隙类型直方图Fig.3 Histogram of pore types of Chang 4+5 reservoir in the Zhenbei area

2.2.2 孔隙结构类型

研究区长4+5段砂体非均质性较强、喉道分布呈单峰、双峰或多峰特点,因此在毛管压力资料的分析中,主要选取喉道分布图中单峰态的典型曲线和相应的毛管压力曲线来归纳孔隙结构类型。参考鄂尔多斯盆地延长组孔隙、喉道分级标准[15],并综合应用铸体薄片、岩心物性等资料分析认为,镇北长4+5段储层的孔隙结构大致可分为2种类型,即中—小孔微细喉型和细微孔微喉型(表1,图4)。

中—小孔微细喉型,主要为残余粒间孔、粒内孔以及粒间粒内溶孔,喉道主要为片状或弯片状;门槛压力较低,一般为0.4~0.71MPa;中值压力较低,一般为2.77~3.86MPa;中值半径一般为0.16~0.27μm,孔喉加权平均半径一般为0.2~0.29μm。

表1 镇北地区长4+5段储层不同孔隙结构类型物性及压汞参数Table 1 Mercury injection parameters and physical property of different types of pore structure of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

细微孔微喉型,主要为晶间微孔、杂基溶孔、部分粒内溶孔等,喉道主要为管束状,门槛压力一般为0.43~2.9μm;中值压力较高,一般为4.27~27.32MPa;中值半径一般为0.03~0.17μm,孔喉加权平均半径一般为0.03~0.15μm。

研究区长4+5段储层样品进汞压力曲线较陡,表中也可见2种类型的分选系数均>1.5,反映出研究区长4+5段孔隙空间分选性较差,喉道分布不集中,储层微观非均质性较强。样品孔隙度大部分<12%,喉道偏细,储层致密,许多粒内孔由于喉道不发育而成为无效孔隙,因此长4+5段储层呈低孔低渗特征。从孔喉加权平均半径与物性的相关关系(图5)中可以看出,孔喉加权平均半径与储层渗透率相关性好于与孔隙度的相关性,说明孔喉特征对于低孔低渗储层储集性的影响更多在于其对渗透率的影响。

2.3 物性特征

镇北地区长4+5段储层孔隙度一般为7.2%~16.3%,平均为12.50%;孔隙度介于10%~15%的样品占75%。渗透率为(0.035~58.38)×10-3μm2,渗透率<0.5×10-3μm2的样品占50%。通过孔渗关系图也可以看出,孔隙度主要集中在10%~15%,渗透率集中在(0.1~10)×10-3μm2,反映储层为低孔低渗的特征;同时渗透率与孔隙度呈正相关,并随着孔隙度的增加而变好(图6)。

图4 镇北地区长4+5段储层不同孔隙结构类型典型毛管压力曲线及孔喉分布图Fig.4 Typical capillary pressure curves and pore-throat sizes distribution of different types of pore structure of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

图5 镇北地区长4+5段储层物性与加权平均孔喉半径的相关关系Fig.5 The relation between the physical property and weighted average values of pore radius of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

图6 镇北地区长4+5段储层孔隙度与渗透率的相关关系Fig.6 The relation between porosity and permeability of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

3 储集性主控因素

沉积微相、陆源碎屑成分以及成岩作用是影响该区长4+5段储层储集性的主要因素,并且储层物性与这3种主要影响因素也有一定的联系。

3.1 与沉积微相的关系

图7 镇298井长4+5段沉积微相综合柱状图Fig.7 The synthetic histogram of sedimentary microfacies of Chang 4+5reservoir in Well Zhen 298

图8 镇北地区长4+5段储层不同沉积微相的物性直方图Fig.8 Histogram of physical property of different sedimentary microfacies of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

有利的沉积微相是优质储层发育的基础。根据样品物性数据并结合对应的测井形态分析认为(图7、图8),研究区长4+5段主要为三角洲前缘亚相的水下分流河道、河口坝、远砂坝微相和滨浅湖亚相的泥坪、砂坪、混合坪微相。其中最有利的沉积微相类型为分流河道和河口砂坝,两者孔隙度平均值分别达到11.06%和10.44%,渗透率平均值则分别达到1.52×10-3μm2和3.22×10-3μm2。可以看出,虽然分流河道的平均孔隙度略高于河口砂坝,但平均渗透率低于河口砂坝,反映河口砂坝受到湖浪簸选改造,分选性较好,从而导致渗透率相对较高。较有利的沉积微相为远砂坝,其平均孔隙度在9.69%左右,这与远砂坝岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩的特征相关;其渗透率平均为1.13×10-3μm2,也反映出湖浪改造下分选性好对渗透率有一定的贡献。而作为滨浅湖砂坪沉积微相的储层物性是最差的。

3.2 与陆源碎屑的关系

陆源碎屑组分可为后期成岩作用的改造奠定物质基础。研究区内石英含量最高,并且石英颗粒的抗压实作用较强,因此原生孔隙的保存与石英颗粒的刚性特点有关。譬如从粒间孔发育的铸体薄片中看到原生粒间孔与大量石英颗粒共存(图9-A、B、C),但同时石英含量越高,次生加大作用越普遍,使得这些原生粒间孔缩小,甚至部分消失。长石颗粒抗压实能力相对较弱,因此在压实过程中,易破坏岩石颗粒支架结构,使孔隙结构复杂化,孔喉变细,储层物性变差;但同时由于长石颗粒的易溶性,流体可沿着其解理缝溶蚀形成大量溶孔(图9-D),经统计,长石溶孔为研究区最常见的溶蚀孔隙(图3)。从岩屑方面来看,在压实过程中,一部分岩屑颗粒或者具有较强的抗压实能力,如变质石英岩屑,能保存部分原始孔隙,或者具有溶蚀性,形成蜂窝状的岩屑溶孔(图9-E),使得储层物性变好;而另一部分岩屑如千枚岩、云母等,塑性较强,在压实作用下发生塑性变形,并且在强压实作用下还常见定向排列(图9-C、F),从而导致储层物性变差。

碎屑组分及含量与储层物性的变化并没有明显的相关关系,但是碎屑的成分、含量、特性是成岩过程中压实、胶结、溶蚀等作用的物质基础。

3.3 与成岩作用的关系

镇北地区长4+5段砂体受到的成岩作用主要有压实、胶结、溶蚀等。压实和胶结作用往往对砂体储集性起破坏性作用,而溶蚀作用为建设性作用。从整体上看,强烈的压实作用和不利的胶结作用占绝对优势,从而导致镇北地区长4+5段为低孔低渗的致密性储层。

3.3.1 破坏性成岩作用

a.压实作用

根据Housekencht(1987)从压实、胶结两方面因素考虑的负胶结孔隙度评价原理[16],从研究区长4+5段储层负胶结孔隙度评价图(图10)可以看出,大部分数据点集中在图的左下角,反映压实作用对储层的致密化起了主要作用,云母等塑性颗粒在压实作用下变形压弯(图9-C),甚至许多塑性颗粒呈扁条形定向排列(图9-F),原生的粒间孔大量消失,储层物性大幅度降低。

b.胶结作用

胶结作用也是导致储层致密化的重要因素之一。胶结物类型包括碳酸盐、硅质以及自生黏土矿物等。

研究区长4+5段碳酸盐胶结物主要为铁方解石、白云石、铁白云石,在能谱分析图下见到Fe、Mg峰,表明其碳酸盐胶结物更多的是白云石、铁白云石(图11)。碳酸盐胶结物在正交偏光下呈鲜艳的高级干涉色,在阴极发光下呈棕红色、褐红色,常常充填于碎屑颗粒之间或者交代颗粒(图9-G、H、I)。含有一定量铁、镁元素的自生碳酸盐胶结物的形成,一方面与提供铁、镁元素的成岩流体有关,譬如蒙皂石的伊利石化[17]

和地层中暗色矿物在有机酸作用下的溶蚀作用[18]提供的铁、镁元素加入到成岩流体中;另一方面与储层所处的成岩阶段有关,镇北地区长4+5段泥岩镜质体反射率(Ro)为0.75%~0.9%[19],有机质达到低成熟至成熟,且埋深为2 km左右,表明它目前大致处于中成岩阶段A期,所以粉细晶铁方解石、铁白云石开始沉淀或交代前期的泥微晶无铁方解石。自生碳酸盐胶结物富集通常具有一定的成层性,使较厚的储集层被分割为若干钙质隔层,从而影响储层流体的自由运移[20],因此碳酸盐胶结物含量越高,储层的储集性越差。从图12可以看出碳酸盐胶结物含量与孔隙度呈负相关关系,随着其含量增加,储层孔隙度降低。

硅质胶结物主要为石英加大及自生石英。部分石英的自生加大并没有在其四周发育,一边与碎屑颗粒接触处没有加大,另一边与颗粒接触处有石英加大(图9-H、I),反映出石英颗粒首先经历了压实或压溶作用,其后有含硅质的流体在未接触的孔隙处沉淀产生自生加大;也表明自生加大作用稍晚于早期的机械压实作用,并且由于加大边的形成,使颗粒由点接触变为线接触。晶形较好的自生石英往往与自生黏土矿物如花瓣状绿泥石一起充填或半充填于孔隙中,反映其形成时间晚于自生加大(图9-J)。

图9 镇北地区长4+5段储层镜下特征Fig.9 The microscopic analysis of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

自生黏土矿物胶结物包括绿泥石、高岭石、伊利石等,对储层的影响也十分明显。书页状或蠕虫状的高岭石充填于孔隙中(图9-A),或者附着在溶蚀长石颗粒的表面,譬如长石的高岭石化现象(图9-D),孔隙中堆积的高岭石导致粒间孔隙减少,储集性降低。绿泥石胶结物分早期的绿泥石环边和晚期的花瓣状绿泥石,其中花瓣状的绿泥石往往堆积充填于孔隙中,造成储层粒间孔和粒内孔的大量消失(图9-J)。叶片状、丝发状的伊利石由颗粒边缘向孔隙内发育,不仅使孔隙缩小甚至消失,而且在喉道处搭桥(图9-K),造成储层渗透率的降低。

图10 镇北地区长4+5段砂岩胶结物质量分数-负胶结孔隙度投点图Fig.10 The point diagram of the cement mass fraction-minus cementation porosity of Chang 4+5sandstone in the Zhenbei area

图11 镇北地区长4+5段储层扫描电镜及能谱分析Fig.11 SEM and energy spectrum analysis of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area镇128井,深度2 054.8m,铁白云石交代及胶结,能谱确认

3.3.2 建设性成岩作用

图12 镇北地区长4+5段储层碳酸盐胶结物的质量分数与面孔率的相关关系Fig.12 The relation between the carbonate cement content and the facial porosity factor of Chang 4+5reservoir in the Zhenbei area

溶蚀作用对储层的发育起重要的建设性作用。研究区长4+5段次生溶孔达到孔隙空间的30%,并且以长石溶孔及岩屑溶孔为主。溶蚀作用与有机酸流体密切相关,有机酸的来源一方面为长7段主生烃泥岩在大量释放有机酸的阶段通过延长组的构造裂缝[21],以一种“爬楼梯”的运移方式[22],进入长4+5段储层;另一方面由于长4+5段泥岩也具备一定的生烃能力[19],在低成熟—成熟阶段释放的大量有机酸可进入邻近的储层中。大量的有机酸流体造成长石、岩屑等易溶颗粒的选择性溶蚀,如长石溶孔往往表现为长石颗粒的解理面溶蚀(图9-D),岩屑溶孔往往呈蜂窝状(图9-E),此外也可见少量的粒间溶孔、杂基溶孔。

有机酸的大量进入导致储层在一定时期处于酸性介质中[23],除了溶蚀作用,同时还有大量的高岭石沉淀。如前面提到,孔隙中高岭石的沉淀对储层起破坏性作用;但是长石颗粒的高岭石化能产生一定量的孔隙,钾长石的彻底高岭石化后体积甚至减少53.6%[24]。因此长石的高岭石化对于次生孔隙的形成有一定的贡献,并且保留的大量高岭石晶间微孔和管状喉道,对于提高储层渗透率也有一定的促进作用。

另外,占60%孔隙空间的为原生残余粒间孔,因此原生孔隙的保存除了前面提到与颗粒的刚性特点有关,还与成岩早期的绿泥石环边存在有关。针叶状的绿泥石垂直于颗粒表面分布,形成碎屑颗粒环边(图9-B、L),在一定程度上阻止了颗粒进一步遭受压实压溶作用,并抑制了石英加大边的形成[25],避免储层进一步致密化,使得部分粒间孔隙得以保存。

4 结论

a.镇北地区长4+5段储层岩性主要为中细粒岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩以及少量岩屑砂岩,结构成熟度高,成分成熟度低;储集空间以粒间孔为主,其次为长石溶孔;孔隙结构大致分为中—小孔微细喉型和细微孔微喉型,孔隙空间分选性较差,储层微观非均质性较强,孔喉特征对于储层渗透率的影响更为明显,为低孔低渗特征,孔渗呈明显的正相关。

b.镇北地区长4+5段储层储集性控制因素有沉积微相、碎屑颗粒成分、成岩作用。其中河口坝、水下分流河道为有利的沉积微相;陆源碎屑的组分、含量、特性为储层的发育以及后期成岩作用的改造奠定物质基础。成岩过程中的压实、胶结为破坏性成岩作用,溶蚀、长石的高岭石化、绿泥石环边为建设性成岩作用;强烈的压实和胶结作用为储层致密化的主要因素,它们导致镇北地区长4+5段为低孔低渗的致密性储层。

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