羅軍梅,羅順社,陳小軍,朱俊強
(1.長江大學地球科學學院;2.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠;3.中國石化中原油田分公司第四采油廠)
馮地坑—洪德地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中西部,在區(qū)域構(gòu)造上西接天環(huán)坳陷,東鄰伊陜斜坡。研究區(qū)范圍北起定邊縣馮地坑鄉(xiāng)北部的池401井,南至環(huán)縣洪德鄉(xiāng),東至定邊縣王盤山鄉(xiāng),西達鹽池縣麻黃山鄉(xiāng),總面積約5 500 km2(圖1)。筆者根據(jù)巖性、電性和古生物特征,將鄂爾多斯盆地中生界上三疊統(tǒng)延長組共劃分為5段10個油層組,自下而上分別為長10—長1油層組。在長6油層組沉積期,曲流河三角洲廣泛發(fā)育并持續(xù)向湖盆中心推進,自下而上發(fā)育了長63、長62、長61共3個小層。其中以長61小層三角洲前緣厚層砂體最為發(fā)育。
研究區(qū)長6油層組孔隙度平均值為9.97%,低于盆地其他部位的孔隙度平均值(如陜北地區(qū)和吳旗地區(qū)長6油層組的孔隙度平均值分別為15.57%和11.1%);滲透率平均值為0.88 mD,遠低于陜北地區(qū)長6油層組的滲透率平均值18.24 mD,而接近于吳旗地區(qū)長6油層組的滲透率平均值0.94 mD。長6油層組儲層主要為低孔、低滲儲層,表明其砂巖孔隙結(jié)構(gòu)較差,這與孔隙成因中次生孔隙的含量較高有關(guān),所以,研究對該油層組儲層物性有重要影響的成巖作用具有極其重要的意義。
研究區(qū)長6油層組主要為三角洲平原和三角洲前緣亞相沉積,儲層主要發(fā)育在水下分支河道砂體中。該油層組砂巖分選性較差,磨圓度均為次棱角狀,成分和結(jié)構(gòu)成熟度較低,膠結(jié)物以鐵方解石、高嶺石和綠泥石為主。筆者對研究區(qū)長6油層組砂巖組分含量進行統(tǒng)計,結(jié)果表明,長石、石英和巖屑的平均含量分別為46.79%,35.71%和17.50%。由圖2可看出,研究區(qū)主要發(fā)育長石砂巖和巖屑長石砂巖。
圖2 研究區(qū)長6油層組砂巖分類圖Fig.2 The sandstone classification of Chang 6 oil reservoir set in the study area
通過巖石薄片觀察、陰極發(fā)光和掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)長6油層組主要成巖作用有壓實作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶解作用。其中,前4種作用為破壞性成巖作用,其顯著特征是使原生孔隙度普遍降低;溶解作用為建設(shè)性成巖作用,可改善儲層的儲集性能。
壓實作用主要發(fā)生在成巖作用早期,是引起砂巖孔隙度降低的主要原因之一。壓實強度與顆粒成分、埋深、填隙物類型和含量以及欠壓實有關(guān)[1],主要表現(xiàn)在3個方面:①剛性顆粒發(fā)生破裂,主要是長石和石英。②塑性顆粒發(fā)生變形、調(diào)整,常見于雜基支撐的巖屑長石砂巖、巖屑砂巖和粉砂巖中。③由于埋深加大,地層壓力增加,一方面使云母、泥巖等塑性巖屑顆粒受壓彎曲而發(fā)生變形、塑變、伸長或被硬碎屑機械嵌入(圖版Ⅰ-1);另一方面使碎屑顆粒長軸近于水平方向緊密排列、位移和再分配,從而使碎屑顆粒接觸更加緊密,由點接觸→點—線接觸→線接觸,且局部出現(xiàn)凹凸接觸(圖版Ⅰ-2)。由于壓實作用使得顆粒重新充填,減小了粒間孔隙體積,從而降低了儲層的孔隙度和滲透率。
壓溶作用在孔隙異常壓力或較強的構(gòu)造應力作用下,可導致顆粒在接觸點上的晶格變形和局部溶解[2],常發(fā)生于較堅硬的顆粒之間。如石英壓溶可導致顆粒之間相互穿插,從而呈現(xiàn)出線接觸、凹凸接觸以及縫合接觸(圖版Ⅰ-3),進而使孔隙度降低。由于壓溶作用可使Si4+濃度有所增加,所以該作用容易出現(xiàn)石英次生加大的現(xiàn)象。當孔隙介質(zhì)中碳酸鹽呈過飽和狀態(tài)時不利于壓溶,而酸性水、較高的溫度以及Mg2+和Mg2+/Ca2+的降低都有利于碳酸鹽巖壓溶作用的發(fā)生,所以,壓溶作用是破壞粒間孔隙的最主要因素之一[3]。由于長6油層組砂巖成分成熟度較低,缺乏形成壓溶作用的物質(zhì)基礎(chǔ),所以,在薄片觀察中未見到十分明顯的壓溶現(xiàn)象,僅在個別石英顆粒集中部位有所發(fā)現(xiàn)。
隨著地層埋深的增加,溫度和壓力有所上升且孔隙水的化學性質(zhì)有所變化,從而使各種成巖自生礦物依次析出,進而產(chǎn)生了膠結(jié)作用。該作用是僅次于壓實作用的破壞性成巖作用,由于膠結(jié)礦物占據(jù)了部分或全部壓實剩余的原生或次生孔隙,所以對儲層造成了很大影響,但不同的膠結(jié)礦物對儲層的影響有所差異[4]。研究區(qū)儲層砂巖中的膠結(jié)作用有碳酸鹽膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)和長石膠結(jié)4種。其中,硅質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)較發(fā)育。
2.3.1 碳酸鹽膠結(jié)
碳酸鹽膠結(jié)是對儲層破壞性最大的膠結(jié)作用,主要包括鐵方解石膠結(jié)物和鐵白云石膠結(jié)物,前者最為常見(圖版Ⅰ-4)。研究區(qū)方解石膠結(jié)物可分為早、晚2期,早期方解石膠結(jié)物不如晚期方解石膠結(jié)物常見。在研究區(qū),鐵方解石交代長石和巖屑的現(xiàn)象非常普遍(圖版Ⅰ-5),晚期方解石往往交代碎屑顆粒。碎屑顆粒的孤島狀分布是方解石交代碎屑顆粒的結(jié)果,交代強烈時可形成交代假象。
2.3.2 硅質(zhì)膠結(jié)
硅質(zhì)膠結(jié)對原生或次生孔隙均具有強烈的破壞作用,是成巖早—中期砂巖儲集性變差的主要因素之一,但其膠結(jié)物數(shù)量要遠少于碳酸鹽膠結(jié)物。薄片資料統(tǒng)計表明,硅質(zhì)膠結(jié)可導致砂巖孔隙度降低1%~3%,尤其對于泥質(zhì)含量較少的細—中粒砂巖,其破壞作用更為顯著。由于研究區(qū)長6油層組砂巖中的自生石英含量相對有限,所以硅質(zhì)膠結(jié)對儲集空間的破壞性較小。
2.3.3 黏土礦物膠結(jié)
研究區(qū)黏土礦物膠結(jié)類型多樣,含量較高,主要有綠泥石、高嶺石、水云母和伊/蒙混層等。綠泥石膠結(jié)物因占據(jù)一定量的孔隙而減小了原生孔隙度,對儲層發(fā)育具有一定的破壞性。但是,當綠泥石膠結(jié)物形成一定厚度時,反而會顯著提高巖石的機械強度和抗壓實能力,從而使砂巖部分原生孔隙得以保存(圖版Ⅰ-6)。 Ehrenberg[5]也認為,正是由于包殼綠泥石薄膜膠結(jié)物的存在,挪威深埋藏條件下陸棚砂巖才得以保留異常高的孔隙度。高嶺石是砂巖中常見的自生黏土礦物,電鏡下觀察呈蠕蟲狀或書頁狀集合體(圖版Ⅰ-7),砂巖碎屑顆粒間的溶蝕孔內(nèi)常見到自生高嶺石充填,高嶺石書頁狀晶形保留了良好的晶間孔,是重要的儲集空間組成部分。水云母含量較高,在各個小層都比較發(fā)育,是一種重要的黏土礦物膠結(jié)。伊/蒙混層黏土礦物在研究區(qū)分布較為局限,多呈蜂窩狀集合體生長于孔隙壁上(圖版Ⅰ-8)。
2.3.4 長石膠結(jié)
研究區(qū)長石膠結(jié)物大多數(shù)是早成巖階段晚期和中成巖階段的熱液沉淀物,多以長石碎屑次生加大邊的形式出現(xiàn),部分以充填孔隙的次生鈉長石的形式出現(xiàn),但由于膠結(jié)物含量低,所以對儲層破壞性很小。
交代作用是一種礦物被另一種成分不同的礦物所替代的作用,實質(zhì)上是溶解和沉淀同時進行的作用,交代前后原巖的體積不變。交代作用往往從被替代礦物的邊部開始,使長石在鏡下呈港灣狀,也有石英被碳酸鹽礦物交代的現(xiàn)象[6]。研究區(qū)交代作用主要表現(xiàn)在碳酸鹽礦物對碎屑顆粒長石、石英和膠結(jié)物的交代,以及黏土礦物對碎屑顆粒長石、石英等的交代(圖版Ⅰ-9)。
砂巖儲集層因常經(jīng)受不同程度的溶蝕作用改造而形成多種類型次生孔隙并存的狀態(tài),對改善砂巖儲集層的儲集性能起到了積極作用[7]。溶解作用可表現(xiàn)為對碎屑顆粒的溶解以及對雜基和膠結(jié)物的溶解等,對儲層的形成十分有利,所以又稱為建設(shè)性成巖作用。雖然該作用能改善儲層砂巖的儲滲性,但不能從根本上改變儲層低孔、低滲的面貌[8]。研究區(qū)長6油層組溶解物組分包括鋁硅酸鹽和硅質(zhì),鏡下可觀察到長石和巖屑的不同溶解程度(圖版Ⅰ-10):溶解較輕微時多沿解理縫或微裂縫進行,逐步擴展,形成溶蝕港灣;溶解強烈時僅余殘骸或完全溶解。硅質(zhì)溶解一般沿顆粒邊緣發(fā)生,向顆?;蜃陨?nèi)部發(fā)展,形成蠶食港灣狀,或被碳酸鹽等較晚期膠結(jié)組分所交代(圖版Ⅰ-11)。
根據(jù)巖石學、古地溫和有機質(zhì)成熟度等特征,將碎屑巖成巖階段劃分為同生成巖階段、早成巖階段和晚成巖階段。其中,早成巖階段劃分為早成巖A期和B期,晚成巖階段劃分為晚成巖A期、B期和C期。筆者通過單偏光顯微鏡、掃描電鏡、陰極發(fā)光、X-射線衍射及流體包裹體均一溫度測試等資料對研究區(qū)長6油層組進行研究,認為該油層組砂巖成巖階段主要處于中成巖A期。結(jié)合流體包裹體測溫、鏡質(zhì)體反射率、成巖裂縫等測試結(jié)果,總結(jié)出了長6油層組砂巖成巖演化序列的綜合模式(圖3)。
圖3 研究區(qū)長6油層組砂巖成巖演化序列綜合模式圖Fig.3 The diagenetic evolution series of sandstone of Chang 6 oil reservoir set in the study area
筆者根據(jù)薄片觀察和掃描電鏡分析,按自生礦物或成巖事件首次出現(xiàn)的相對順序,總結(jié)出研究區(qū)砂巖主要成巖序列:早期黏土膜→壓實作用→長石、巖屑溶解→次生孔隙形成→自生高嶺石→石英、長石次生加大→晚期鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)作用。
關(guān)于成巖相的概念,不同研究者理解不同。鄭榮才等[9]將在特定沉積和成巖物理化學環(huán)境中物質(zhì)表現(xiàn)和成巖作用組合與演化的總體特征定義為“碎屑巖儲層成巖相”。該成巖相包括碎屑物沉積時物理化學環(huán)境、碎屑沉積物固結(jié)成巖方式和成巖過程孔隙水演化歷史3方面內(nèi)容,可反映儲層形成過程中各成巖階段孔隙水的性質(zhì)與儲層發(fā)育關(guān)系。成巖相是構(gòu)造、流體、溫壓等條件對沉積物綜合作用的結(jié)果,其核心內(nèi)容為現(xiàn)今的礦物成分和組構(gòu)面貌是表征儲集體性質(zhì)、類型和優(yōu)劣的成因性標志。借助成巖相可以研究儲集體的形成機理、空間分布與定量評價[10]。
成巖相反映成巖環(huán)境的巖石學特征、地球化學特征和巖石物理特征的總和,其命名采用巖性加主要作用(或作用環(huán)境)聯(lián)合命名的原則[11]。筆者根據(jù)研究區(qū)成巖作用的分析,結(jié)合沉積相的研究,在鑄體薄片、掃描電鏡和X-射線衍射分析的基礎(chǔ)上,把研究區(qū)儲層劃分為5個主要的成巖相:高嶺石膠結(jié)相(圖版Ⅰ-12)、綠泥石膠結(jié)相(圖版Ⅰ-13)、鐵方解石膠結(jié)相(圖版Ⅰ-14)、綠泥石薄膜+長石溶蝕相(圖版Ⅰ-15)以及長石溶蝕相(圖版Ⅰ-16)(表1)。
表1 研究區(qū)長6油層組成巖相類型Table 1 The diagenetic facies categories of Chang 6 oil reservoir set in the study area
不同成巖相類型控制不同的儲層孔隙發(fā)育特征和儲集物性,所以成巖相的展布有助于儲層的區(qū)域評價和預測[12]。在實際工作中,筆者將沉積微相圖、孔隙度和滲透率分布圖以及成巖相圖進行疊合處理,以取心井成巖相為主,對非取心井及井間區(qū)域利用物性分布圖進行合理推測,并對研究區(qū)長6油層組成巖相帶的平面展布進行了預測。
長61小層可劃分為5種成巖相:鐵方解石膠結(jié)相、綠泥石膠結(jié)相、高嶺石膠結(jié)相、綠泥石薄膜+長石溶蝕相和長石溶蝕相(圖4),且以綠泥石薄膜+長石溶蝕相和鐵方解石膠結(jié)相為主。鐵方解石膠結(jié)相主要發(fā)育于河道砂體的邊部及砂體厚度較薄的區(qū)域(如研究區(qū)北部砂體的邊部及西部羅73井—黃84井一帶砂巖厚度較薄的地方),這是因為泥巖中的有機質(zhì)經(jīng)過強烈的脫羧基作用,容易形成二氧化碳水溶液,導致這些地區(qū)的鐵方解石膠結(jié)物含量較高;綠泥石膠結(jié)相是長61小層的主要成巖相,主要發(fā)育于研究區(qū)的大部分水下分流河道砂體中;高嶺石膠結(jié)相在研究區(qū)較發(fā)育,主要分布在黃139井—耿239井一帶;綠泥石薄膜+長石溶蝕相在研究區(qū)較發(fā)育,為次生孔隙的形成提供了良好條件,主要分布在研究區(qū)中部的黃41井—耿162井一帶;長石溶蝕相在研究區(qū)發(fā)育較差,只在耿163井—耿224井一帶和耿69井—耿25井一帶發(fā)育。
圖4 研究區(qū)長61小層成巖相圖Fig.4 The diagenetic facies of Chang 61sublayer in the study area
長62小層可劃分為4種成巖相:鐵方解石膠結(jié)相、長石溶蝕相、綠泥石膠結(jié)相和高嶺石膠結(jié)相(圖5),且以鐵方解石膠結(jié)相和高嶺石膠結(jié)相為主。鐵方解石膠結(jié)相主要分布在研究區(qū)的西部和南部,在河道砂體的邊緣部位和砂體厚度較薄的區(qū)域(如東部的池29井—耿157井一帶)也比較發(fā)育;在研究區(qū)中部耿267井和耿271井一帶以及姬塬地區(qū)附近主要為長石溶蝕相,分布范圍較??;綠泥石膠結(jié)相在研究區(qū)大范圍分布,是長62小層的主要成巖相,主要分布在黃84井—黃29井一帶以及東部的王盤山—樊學大部分區(qū)域;東南部羅10井—耿36井一帶和耿185井—羅206井一帶以及研究區(qū)北部都有高嶺石成巖相發(fā)育。
(1)研究區(qū)長6油層組成巖作用類型有壓實作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶解作用,其中,前4種為破壞性成巖作用,而溶解作用為建設(shè)性成巖作用。該油層組砂巖成巖階段主要處于中成巖A期,主要成巖序列為:早期黏土膜→壓實作用→長石、巖屑溶解→次生孔隙形成→自生高嶺石→石英、長石次生加大→晚期鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)作用。
(2)根據(jù)自生礦物成分、膠結(jié)物及孔隙發(fā)育狀況,研究區(qū)長6油層組可劃分為高嶺石膠結(jié)相、綠泥石膠結(jié)相、鐵方解石膠結(jié)相、綠泥石薄膜+長石溶蝕相和長石溶蝕相5種成巖相,且以高嶺石膠結(jié)相和綠泥石膠結(jié)相為主。長石溶蝕相和綠泥石薄膜+長石溶蝕相的孔隙度和滲透率最好,在低滲透砂巖儲層中物性相對較好。
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