粒度分析在致密砂岩储层及沉积环境评价中的应用

葛东升，刘玉明，柳雪青，王月胜，邵 威

(1.中海油能源发展股份有限公司，天津 300452；2.中国地质调查局，江苏 南京 210016)

0 引 言

鄂尔多斯盆地上古生界下二叠统太原组是盆地主要的生气、储气层位之一[1-5]，研究区内太原组虽钻探多口气井，但多为中、低产井[6]。因此，深入开展太原组相关研究，对储层有利区进行优选显得急为迫切。以临兴地区25口钻井粒度分析资料为基础，利用岩心观察、测井曲线，结合常规物性数据，对临兴地区下二叠统太原组致密砂岩储层沉积粒度特征进行分析，对其沉积水动力条件、物质的搬运方式和沉积环境进行判定；利用平均粒径与储层物性关系，结合粒径趋势分析，对沉积物源方向进行判断，为研究区太原组下步勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是中国重要的含油气盆地之一，盆地内富含大量的油气资源。临兴地区位于盆地东北部伊陕斜坡东段、晋西挠褶带西缘，面积约为2 000 km2(图1，据王伟力等[7])。

盆地内二叠系碎屑岩地层是煤层气、致密砂岩气和页岩气的主力勘探层位之一[8-9]。二叠系太原组在盆地内分布广泛，沉积厚度达数十米。太原组地层由上至下分为太一段和太二段，顶部为深灰色灰岩夹黑色泥岩，下部为灰黑色泥岩夹灰色砂岩[10]。

图1 临兴地区构造及太原组岩性

2 粒度分析方法

以粒度分析为基础，开展太原组沉积特征分析，并结合物性常规参数开展粒度平面分析，选取工区内25口井的同一层位的170个岩心样品作为空间对比研究的材料。

粒度分析采用筛分法与激光粒度法相结合的方法，检测方法参照SY/5434—2009《碎屑岩粒度分析方法》。测量仪器为英国马尔文公司生产的Mastersizer-2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2 000.00 μm，结合筛分法后最大量程为3 000.00 μm，重复误差小于1%。

3 潮汐水道砂体的沉积特征

临兴地区太原组潮汐水道砂体沉积物岩石类型主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩，为中—粗砂结构，部分层段为含砾砂岩，分选中等，磨圆度为次圆—次棱状(图2a)。该段可见潮汐环境双向水流典型特征的羽状交错层理及脉状层理(图2b、c)。粒序整体为上粗下细的逆粒序，中部层段发育粗砂岩及含砾粗砂岩，向下则过渡为澙湖相泥岩及煤层，GR测井相上主要体现为微齿化钟形特征(图1)。

图2 太原组潮汐层理沉积构造及粒度特征

太原组粒度分布数据表明(表1)，中砂及粗砂含量最高，含量分别为24.07%及21.12%，其次为细砂，含量为15.09%。该段碎屑岩储层粒级从砾石至黏土均有分布，粒径分布范围较宽，而峰值所在粒级绝对含量较低，表明其整体分选一般，符合潮汐水道砂体的沉积特征。

表1 临兴地区太二段潮汐水道砂岩粒级分布统计(41个样品)

4 粒度分析在沉积环境分析中的应用

4.1 粒度参数特征

不同的沉积环境由于搬运介质及动力条件的差异，粒度分布也不同。因此，通过对沉积物粒度分布研究可了解沉积物所处的沉积环境。表征粒度特征的主要参数有平均粒径、标准偏差、偏度、峰度等(图3)。

平均粒径体现了碎屑沉积物搬运能力的平均动能。太原组潮汐水道砂体平均粒径为1.70～4.12 Φ，平均值为2.57 Φ，为中—粗砂，体现水动力条件整体较强。平均粒径在垂向上呈韵律变化，指示水动力条件的旋回变化特征为多期水道的叠置。

标准偏差体现了沉积物分选程度。研究区太原组潮汐水道砂体标准偏差为2.13～2.70，平均值为2.35，表明其分选为中等—较差。由图3可知，随着平均粒径变粗，其分选也变差。

偏度表示粒度分布的不对称程度，并表明粒度中值与平均值的相对位置[9]。通常正偏值多出现于水动力较强的环境中。研究区太原组潮汐水道砂体偏度为0.76～1.73，平均值为1.31。结合粒度频率曲线形态特征体现为正偏态，可知沉积物主要集中在粗颗粒部分，处于水动力条件较强环境。

峰度通常用于衡量粒度频率曲线的尖锐程度，同时也可指示沉积物粒度频率曲线峰型的宽窄程度。研究区太原组潮汐水道砂体峰度为2.74～5.82，平均值为4.32，结合粒度频率曲线可知其频率曲线呈非常尖锐的形态，表明颗粒的集中程度较高。

4.2 粒度概率累积曲线

不同的概率累积曲线组合特征反映了不同的沉积动力条件，在明确沉积动力条件之后，对于沉积环境的判别有一定的支撑[2]。研究区太原组砂岩粒度概率累积曲线主要以四段式为主(图4)，其中，滚动组分含量最高，该段斜率为60.0～70.0 °，分选较好，滚动组分与跳跃组分截点为2.00 Φ；跳跃组分分为2段，其总体含量为20.0%～30.0%，斜率一般为30.0～40.0 °，分选中等，受潮汐冲流及回流作用影响形成[13]；此外，还含有极少量的悬浮组分，含量不高于0.50%，跳跃组分与悬浮组分截点为10.00 Φ。研究表明，太原组砂岩整体处于一个较强的水动力沉积环境中。

图3 太原组潮汐水道砂体粒度参数垂向变化特征

图4 太原组潮汐水道相沉积物粒度概率累积曲线

4.3 沉积物粒度C-M图解特征

C值为沉积物粒度概率累积曲线上颗粒质量分数为1% 处对应的粒径，M值为沉积物粒度概率累积曲线上质量分数为50% 处对应的粒径。C值与样品中最粗颗粒的粒径相当，代表了水动力搅动开始搬运沉积物的最大能量；M值是粒度中值，代表了水动力的平均能量。

由太原组碎屑岩沉积物C-M图解(图5) 可知，其主要以滚动(OP段)搬运为主，包含少量的悬浮搬运(PQ段)，表明其整体处于水动力较强的环境。

图5 太原组潮汐水道相碎屑岩C-M图解

5 粒度分析在储层评价中的应用

5.1 砂岩颗粒粒度与储层物性的关系

在砂岩储层中，组成砂岩的碎屑颗粒的粒度同砂岩储层物性间有一定的关系[4]。通过对研究区太原组砂岩的平均粒径与孔隙度关系的统计分析可知，随着颗粒粒度的增加，孔隙度随之增大(图6)。前人研究表明，太原组储层经历了强烈的压实胶结作用，该类成岩作用对储层的建设具有破坏作用，导致孔隙连通性大大降低，孔隙结构变差，平均粒径与渗透率虽然没有呈现简单的线性正相关关系，但仍然存在一定的关联。由平均粒径与渗透率关系可知(图6)，随粒度变大，孔隙度逐渐变大，同时渗透率的最优值也呈明显变大趋势。

5.2 粒度变化趋势特征

平均粒径表示沉积物颗粒的粗细，粒度剖面韵律曲线是研究沉积韵律的基础，平均粒径的平面等值线图是划分相带、追索物质来源的依据之一(图7)，同时也是进行储层评价的依据之一[2]。以工区内25口井170余个粒度分析数据为基础，结合前人沉积相划分成果绘制粒径平面趋势图，进一步判断沉积物源方向及砂体展布趋势特征。由图7可知，太原组太二段潮汐水道相沉积物粒度平面分布为研究区北部最粗，南部其次，中部粒度最细。前人研究表明，沉积物粒度越粗则离物源越近[2]。因此，可判断研究区太原组物源主要来自于北部，同时南部也有少量物源的汇入。综合粒度均值与储层物性关系可知，储层有利区主要集中在研究区西北部LX-36井区及东北部LX-28井区。

图6 太原组砂岩颗粒粒度与储集物性关系

图7 临兴地区太二段潮汐水道相砂粒度均值平面等值线

6 结 论

(1) 研究区太原组潮汐水道砂主要为一套中—粗砂岩，发育羽状交错层理及脉状层理，测井响应主要体现为微齿化钟形特征。岩石类型主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩，粒级分布较广，中砂及粗砂含量最高，分选中等。

(2) 粒度频率曲线及粒度参数特征表明，研究区太原组潮汐水道相沉积物主要集中在粗颗粒部分，且集中程度较高，随平均粒度变粗，其标准偏差值越大，即分选越差。

(3) 由粒度分析可知，研究区目的层碎屑岩沉积物粒度概率累积曲线多呈“高斜一滚二跳一悬四段式”，结合C-M判别图解表明，其整体水动力条件较强，物质的搬运方式多以滚动及跳跃式为主，而悬浮搬运含量极少。

(4) 由平面粒径趋势图可推断，研究区目的层整体物源主要以来自研究区北部，并有少量南部物源汇入，结合粒径平均值与储层物性的正相关关系可推断，研究区有利储层带应位于研究区北部LX-36及LX-28井区。

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