許文波,唐建云,宋紅霞,李星紅 ,趙進義
(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系國家大陸動力重點實驗室,陜西西安710069;2.延長油田西區(qū)采油廠,陜西延安716000)
西區(qū)油田義吳區(qū)塊位于陜西省延安市志丹縣西南部的吳堡鄉(xiāng)境內(nèi),研究區(qū)占地面積98 km2,研究區(qū)地處鄂爾多斯盆地西部伊陜斜坡,地層傾角小于 1°,區(qū)域構(gòu)造總體為一東高西低的單斜,在西傾單斜背景上發(fā)育一系列小型鼻狀隆起,儲集層主要受這些小型隆起、沉積相及成巖作用等因素的控制[1]。本文根據(jù)薄片觀察、陰極發(fā)光、掃描電鏡、X衍射等分析以及前人所做儲層的研究資料基礎(chǔ)上,深入分析了義吳地區(qū)儲層的成巖特點,對研究區(qū)長8油層組的成巖作用及其對孔隙的影響進行了研究,以期為油田的合理開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。
西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖主要為一套湖泊三角洲相砂體,以中—細粒砂巖為主,其次為少量粉砂巖。通過鑄體薄片等觀察,并依據(jù)Folk的砂巖分類,研究區(qū)長8儲層砂巖以長石質(zhì)巖屑砂巖為主,巖屑質(zhì)長石砂巖次之(見圖1)。其中長石質(zhì)巖屑砂巖體積分數(shù)占62.9%,巖屑質(zhì)長石砂巖體積分數(shù)占37.1%。
圖1 義吳區(qū)長8砂巖分類三角圖
研究區(qū)長8儲層砂巖的成分成熟度普遍較低,碎屑組合以石英、長石、巖屑含量近等,富含噴發(fā)巖及淺變質(zhì)巖屑。碎屑中石英的體積分數(shù)為22.5% ~30.6%,平均約25.9%;長石體積分數(shù)為20.4% ~36.3%,平均約 27.1%;巖屑體積分數(shù)為 26.0%~40.3%,平均約31.9%,主要為噴出巖、千枚巖、石英巖、板巖與沉積巖巖屑。黑云母體積分數(shù)為2.2% ~10.4%。從粒度組成來看,研究區(qū)長8儲層砂巖的粒級以細—中粒占優(yōu),粒徑范圍多在 0.13 ~0.4 mm 左右,大粒徑一般為 0.5 ~0.6 mm,最大可達0.9 mm;砂巖的粒度在平面上的變化并不明顯,僅正241井區(qū)和正3井區(qū)極細?!毩I皫r含量略偏高。顆粒分選中等,磨圓以次棱角狀為主,反映了沉積區(qū)距離物源較近、沉積水動力較強的特點。通過巖石學(xué)、掃描電鏡和X—射線衍射分析,西區(qū)油田義吳長8儲層砂巖填隙物主要由綠泥石、高嶺石、水云母、方解石及硅質(zhì)組成,偶見鐵白云石、泥鐵質(zhì)等,儲層砂巖的填隙物總量為13.5%。
西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層主要發(fā)生了壓實—壓溶作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用等一系列成巖作用類型,成巖作用復(fù)雜,成巖現(xiàn)象豐富,并對儲集層孔隙發(fā)育及物性影響顯著[2-7]。
一般的壓實作用包括機械壓實及化學(xué)壓實(壓溶)[8]。壓實作用在義吳區(qū)延長組長8儲層砂巖中表現(xiàn)明顯,主要表現(xiàn)為:碎屑顆粒轉(zhuǎn)動、穩(wěn)定性排列,顆粒間緊密的線接觸,長石礦物雙晶滑動、機械斷裂,塑性巖屑或礦物(如泥巖巖屑、云母等)的彎曲變形甚至被擠入粒間孔隙中形成假雜基。壓實作用后期,砂巖中的主要粘土礦物綠泥石析出,主要呈薄膜狀或櫛殼狀附著在碎屑顆粒表面并堵塞孔喉。薄片分析表明:黑云母、泥巖巖屑等塑性顆粒含量高的砂巖,受機械壓實的影響較顯著,其面孔率一般較低。隨著上覆壓力的增大,壓實作用逐漸被壓溶作用所代替,壓溶作用是這一時期破壞粒間孔隙的主要因素之一,發(fā)生在早成巖晚期及晚成巖早期,表現(xiàn)為顆粒間由線狀接觸過渡為凹凸接觸,長石、石英的次生加大,一般為II-III級,其結(jié)果不僅使原生粒間孔隙進一步縮小,同時也使喉道半徑大大減小,降低儲層的滲透能力,影響儲層物性。經(jīng)過壓實、壓溶作用,儲層孔隙度大大降低 (見圖2AB)。
隨著上覆壓力的增大,深度的增加,溫度的升高和孔隙水化學(xué)性質(zhì)的改變,使得各種成巖礦物依次析出,產(chǎn)生膠結(jié)充填作用[9]。西區(qū)油田義吳區(qū)長8油層組砂巖中的膠結(jié)物主要有自生粘土礦物、碳酸鹽礦物、自生石英和長石等。
2.2.1 自生粘土膠結(jié)作用
包括綠泥石、伊利石、高嶺石的膠結(jié)作用,其中以綠泥石膠結(jié)作用最為普遍。
1)綠泥石膠結(jié)。研究區(qū)長8砂巖中綠泥石主要的賦存狀態(tài)是作為孔隙襯邊方式產(chǎn)出的粘土膜,多以葉片狀綠泥石垂直分布于碎屑顆粒表面,呈櫛殼狀結(jié)構(gòu)(見圖2C),部分綠泥石膠結(jié)物多呈孔隙充填狀產(chǎn)出,部分充填殘余粒間孔及溶蝕空隙。
2)伊利石及伊/蒙混層膠結(jié)。研究區(qū)延長組長8砂巖中伊利石或伊/蒙混層常與自生綠泥石共生,多呈鱗片狀或針狀結(jié)構(gòu),電鏡下晶形呈卷片狀及絲發(fā)狀(見圖2D),通常以顆粒包膜狀或孔隙襯邊的形式出現(xiàn)。
3)高嶺石膠結(jié)。研究區(qū)延長組長8砂巖中高嶺石膠結(jié)物多呈書頁狀集合體,大小10-20 μm,局部交代長石、云母、泥巖內(nèi)碎屑和雜基,并充填于長石的溶孔中,為長石發(fā)生次生溶解并再沉淀的產(chǎn)物。
圖2 義吳區(qū)長8砂巖的主要成巖作用(SEM照片)
2.2.2 碳酸鹽膠結(jié)作用
碳酸鹽膠結(jié)作用是影響儲層物性的主要膠結(jié)物類型之一,碳酸鹽膠結(jié)物在區(qū)內(nèi)較為普遍。巖石薄片鑒定表明,研究區(qū)內(nèi)85% 的砂巖薄片的膠結(jié)物的主要成分為方解石,其次為少量的鐵方解石和白云石。方解石呈大片連晶分布,充填大部分甚至全部的粒間孔隙并交代長石、巖屑等碎屑顆粒及填隙物,凡乎使原生粒間孔喪失殆盡成為致密隔擋層(見圖2E)。
2.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)作用
硅質(zhì)膠結(jié)物在研究區(qū)砂巖中分布也較為廣泛且分布不均勻,含量一般在4%左右。在掃描電鏡下可觀察硅質(zhì)膠結(jié)物除部分以石英次生加大邊的形式存在外,多數(shù)以石英微晶充填于殘余粒間孔隙中。自生石英微晶充填綠泥石形成后的剩余孔隙,可以使原生孔隙減少,且其在后期酸性的介質(zhì)中又不容易產(chǎn)生溶解性孔隙,所以也對次生孔隙的產(chǎn)生不利。硅質(zhì)膠結(jié)作用損失的原生粒間孔僅占1%左右,但硅質(zhì)膠結(jié)物將導(dǎo)致孔隙的永久性破壞。
溶蝕作用可將致密砂巖改造成儲層,是形成儲層最重要的建設(shè)性成巖作用之一[10]。西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層的溶蝕作用較發(fā)育,由于溶蝕次生孔隙的形成,改變了砂巖孔隙特性,它是儲層次生孔隙形成的最主要因素。溶蝕作用對儲集砂巖的改造主要由長石、巖屑等骨架顆粒的溶蝕來體現(xiàn)。研究區(qū)溶蝕作用主要體現(xiàn)在鉀長石的溶蝕,一般沿長石的解理縫溶蝕,部分長石顆粒全部溶蝕,形成長石鑄???,僅殘余有綠泥石泥晶套。長石的溶蝕作用與有機質(zhì)的大量有機酸的排出有關(guān)[11]。烴源巖在成巖過程中,有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化可釋放出大量CO2,使孔隙介質(zhì)流體呈酸性;泥巖中干酪根的含氧官能團熱裂解時可形成有機酸,有機酸進入儲層砂巖后,發(fā)生溶蝕作用,并使鋁硅酸鹽中的 Al3+發(fā)生遷移,而 HCO-3、CO2-3形成的CaCO3可以沉淀下來,所以大規(guī)模的溶有機質(zhì)演化中大量有機酸的排出有關(guān)(見圖2F)。
交代作用是一種礦物替代另一種礦物的現(xiàn)象[12]。西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖的交代作用表現(xiàn)為碎屑顆粒的碳酸鹽化與碎屑顆粒的高嶺石化、伊利石化及綠泥石化等。顯微鏡下可以觀察到顆粒邊緣發(fā)生交代致使顆粒邊緣極不規(guī)則;顆粒被整體交代,則形成礦物假象;顆粒大部分被交代,則有殘余物包體現(xiàn)象和交代切割現(xiàn)象。碳酸鹽通常對巖屑和長石交代作用較強,常見的巖屑或長石顆粒則被交代成篩網(wǎng)狀,甚至整個顆??梢酝耆唤淮珜κ㈩w粒交代很弱,多呈邊緣交代。
依據(jù)裘懌南等人的對成巖階段劃分方案及標志,對西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖成巖階段進行了劃分(見圖3)。
圖3 義吳區(qū)長8儲層成巖序列
在成巖作用及自生礦物成因分析的基礎(chǔ)上,并結(jié)合鏡下觀察,認為研究區(qū)成巖作用演化序列為:機械壓實→早期粘土膜形成→石英次生加大開始→早期方解石沉淀→有機流體注人→長石顆粒溶解→自生高嶺石形成→方解石溶解→烴類充注→伊利石、孔隙式充填綠泥石→石英、長石次生加大→晚期鐵方解石充填→晚期鐵白云石充填或交代碎屑顆粒。由于自生礦物的形成需要一定時間,因此上述各成巖作用必然會出現(xiàn)重疊。
研究區(qū)長8儲層現(xiàn)今埋深約在1 800~2 050 m之間,鏡質(zhì)體反射率Ro值分布在0.65% ~1.15%之間,有機質(zhì)已經(jīng)處于低成熟—成熟階段。此外,伊/蒙混層(I/S)中蒙脫石(S)的質(zhì)量分數(shù)在10%~25%之間,依據(jù)Scholle等提出的伊/蒙混層對成巖溫度的判別標準,研究區(qū)長8儲層所經(jīng)歷的最大古地約為100~140℃[13]。
上述特征綜合表明:研究區(qū)長8砂巖儲集層的成巖階段處于晚成巖A期。
孔隙按成因可劃分為原生孔隙和次生孔隙。在成巖過程中,經(jīng)壓實、膠結(jié)及壓溶等作用的影響,原生孔隙將逐漸減少;與此同時,可溶性碎屑顆粒及易溶膠結(jié)物隨著埋深增加發(fā)生的溶解和交代作用,促成碎屑巖中次生孔隙的發(fā)育[14]。
西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層孔隙類型主要以粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔、微孔等為主,并有少量的裂縫,面孔率約為1.0%~19.0%,平均值 3.95%(見圖4)。
圖4 西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層孔隙類型
1)粒間孔。由于上覆地層壓力使顆粒旋轉(zhuǎn)達到最穩(wěn)定化排列,強烈的壓實及自生礦物的充填作用使原生孔隙減小,因而稱之為殘余粒間孔。其形態(tài)較為簡單,以三角形、四邊形主,孔徑一般40~70 μm,其面孔率最高可達13% ~14%,如研究區(qū)正405井1 813~1 823.10 m段,是研究區(qū)長8儲層最主要的儲集空間之一。
2)長石溶孔。亦為研究區(qū)較主要的儲集空間之一。長石可沿解理縫選擇性溶蝕,形態(tài)不規(guī)則,電鏡下常呈空蜂窩狀,部分長可石完全溶蝕,形成鑄???,殘留有以綠泥石為主的泥晶套,孔內(nèi)有少量的沿解理蝕變的絹云母殘余;部分長石的溶孔和粒間孔相連,形成超大孔隙,孔徑大小相差懸殊,大者可達300~400 μm,小者數(shù)微米。
3)巖屑溶孔。溶蝕作用主要發(fā)生在易溶礦物中,義吳區(qū)長8儲層易溶巖屑以中基性噴發(fā)巖巖屑為主,如角閃石、輝石和部分長石,由其提供的孔隙數(shù)量有限,其面孔率一般小于0.5%,孔徑小于 10 μm。
4)晶間孔。多指高嶺石晶間孔,西區(qū)油田義吳區(qū)長8儲層砂巖微孔為原生孔隙的一種,孔徑小于0.5 μm,顯微鏡下難于觀察。一般存在于粘土礦物晶間,如綠泥石晶間。微孔隙連通性相對較差,可形成較高孔隙度、較低滲透率的致密儲層。
5)微裂隙。微裂隙在研究區(qū)長8砂巖中發(fā)育不明顯,僅在部分砂巖中存在少量微裂縫,多出現(xiàn)在碎屑顆粒內(nèi)部,如石英、巖屑內(nèi),細且短。
4.2.1 壓實作用
強烈的機械壓實是導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變差的主要因素之一。機械壓實作用在成巖早期階段,使碎屑沉積物迅速壓實,導(dǎo)致原生孔隙大大降低。在研究區(qū)局部地區(qū),由于剛性顆粒的支撐,使得機械壓實作用有所減弱,而壓溶作用有所增強。根據(jù)薄片觀察,隨著壓實的不斷增強,顆粒間由點接觸變?yōu)辄c線接觸和線接觸,大大降低了孔隙度。
根據(jù)壓實率計算公式:
壓實率=原始孔隙度-(現(xiàn)存孔隙度-溶蝕孔隙度+膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)),
其中:原始孔隙度根據(jù) Beard[l5]等的資料,Scherer[16]提出的濕砂在地表條件下的分選與孔隙度的關(guān)系
原始孔隙度=20.91+(22.9/Trask分選系數(shù))
計算得:沉積物原始孔隙度大約為34.5% ~37.0%。而現(xiàn)今孔隙度僅為10.0% ~15.5%,溶蝕孔隙度為0.6% ~1.5%,膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)為6.4% ~13.3%,得出壓實率為9.7% ~19.7%。
4.2.2 膠結(jié)作用
自生粘土礦物膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)是研究區(qū)最主要的膠結(jié)作用類型。高嶺石、石英、碳酸鹽等自生礦物的形成,主要是在粒間孔壁和粒內(nèi)溶孔中結(jié)晶沉淀析出,從而使得研究區(qū)孔隙度不斷減小,降低儲層的儲集性能。膠結(jié)作用對儲層物性的影響相對復(fù)雜。一般而言,膠結(jié)物充填孔隙使儲層物性變差,但早期膠結(jié)作用反而能抑制壓實作用強度,膠結(jié)物的后期溶蝕作用能有效地改善儲層物性。通過計算綠泥石、伊利石、高嶺石、自生石英、鈉長石、方解石等析出膠結(jié)的總量,西區(qū)油田長8儲層組膠結(jié)作用使其孔隙度降低了5.4%、11.2%。
4.2.3 溶蝕作用
溶蝕作用是改善儲層砂巖孔隙的重要因素之一。西區(qū)油田義吳地區(qū)溶蝕作用對儲層的改善具有重要意義。晚期成巖階段富含的酸性孔隙流體(有機酸與無機酸)是導(dǎo)致儲層碎屑組份發(fā)生溶蝕的主要介質(zhì)。酸性流體在砂巖的孔隙系統(tǒng)中流動并對其中骨架顆粒和早期碳酸鹽膠結(jié)物進行溶蝕,形成大量的粒間和粒內(nèi)溶蝕孔隙。研究區(qū)長8儲層基本上以長石顆?;蚝L石的碎屑顆粒溶解作用為主,而早期碳酸鹽膠結(jié)物溶解形成的次生孔隙質(zhì)量分數(shù)并不高。依據(jù)薄片中長石、碎屑溶孔的面孔率計算,溶蝕作用增加的孔隙度達0.6%、1.5%。
4.2.4 烴類的充注
研究區(qū)長8段在具有烴類充注的砂巖薄片中,大多數(shù)顆粒呈漂浮狀,顆粒之間呈點接觸或不接觸,而瀝青類基本只占據(jù)粒間孔而不占據(jù)長石溶蝕孔。這些反映了烴類充注在先,而溶蝕作用在后。烴類注入儲層后占據(jù)孔隙空間,排出孔隙水,并且改變了孔隙介質(zhì)的地球化學(xué)環(huán)境,能夠使膠結(jié)作用和礦物的形成、轉(zhuǎn)化受到抑制甚至停止[l7-18]。此外,儲層中原油拌有一定數(shù)量的有機酸,有機酸進入儲層后溶解于孔隙水中,使得孔隙水的pH值降低,促進了長石和巖屑的溶解以及次生孔隙的形成,將原來的水-巖兩相系統(tǒng)改變?yōu)樗停瓗r三相系統(tǒng)[19-20],改變了巖石的地球化學(xué)環(huán)境及水潤濕性,并使原來水-巖介質(zhì)中發(fā)生的無機成巖反應(yīng)(如石英增生、自生伊利石等)受到抑制,機械成巖作用(主要是壓實作用)以及化學(xué)成巖作用(主要是膠結(jié)作用)相對減弱或停止,而加快了石英、長石和碳酸鹽礦物的溶解。應(yīng)此,烴類的充注有利于儲集層中粒間孔隙的保存和次生孔隙的發(fā)育,使孔隙度得到一定程度的改善。
(1)研究區(qū)長8儲層為典型的低孔低滲儲集巖,其巖石類型以長石質(zhì)巖屑砂巖為主,巖屑質(zhì)長石砂巖次之,砂巖成分具成熟度Yiwu較低、分選性較好、磨圓度較差的特點。
(2)研究區(qū)長8儲層所經(jīng)歷的成巖作用較復(fù)雜,成巖現(xiàn)象豐富,主要的成巖作用有壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用,成巖作用處于晚成巖A期。成巖作用序列為:早期粘土膜形成→機械壓實→石英次生加大→方解石析出→長石溶蝕→高嶺石形成→鐵方解石充填。
(3)壓實作用與膠結(jié)作用是使研究區(qū)長8儲層孔隙度降低的主要因素,而溶蝕作用及烴類的充注使儲層孔隙度得到一定程度的改善。
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