魏欽廉,崔改霞,劉美榮,呂玉娟,郭文杰
(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065;2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠,甘肅慶陽(yáng) 745100)
國(guó)內(nèi)勘探實(shí)踐證實(shí),致密砂巖具有巨大的勘探潛力與開(kāi)發(fā)價(jià)值[1-5]。國(guó)外一般采用埃爾金斯方法[6]對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的物性條件進(jìn)行界定:孔隙度小于10%,滲透率小于0.1 mD,而在國(guó)內(nèi),不同的研究區(qū)各個(gè)學(xué)者有不同的認(rèn)識(shí),通常情況下,將致密砂巖儲(chǔ)層定義為覆壓滲透率小于0.1 mD 的儲(chǔ)層[7]。在成巖過(guò)程中,致密砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷較強(qiáng)的機(jī)械壓實(shí)作用和膠結(jié)作用后,儲(chǔ)層物性變差、非均質(zhì)性極強(qiáng)[8],因此,孔隙結(jié)構(gòu)是決定儲(chǔ)層物性及油氣產(chǎn)能的重要因素。
鄂爾多斯盆地西南部上古生界二疊系盒8 段儲(chǔ)層具備致密砂巖氣藏發(fā)育的基本條件[9]。作為致密砂巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)的新區(qū)塊[10-11],眾多學(xué)者對(duì)研究區(qū)盒8 段儲(chǔ)層的沉積體系[12-13]、物源及母巖特征[14-19]、成藏及構(gòu)造特征[20-22]等方面均進(jìn)行了研究,汪遠(yuǎn)征等[9]認(rèn)為該區(qū)主要的儲(chǔ)集空間是巖屑溶孔,曲付濤[23]指出該區(qū)儲(chǔ)層主要發(fā)育微米—納米級(jí)孔隙,非均質(zhì)性較強(qiáng),郭智等[24]研究了盆地西南部山1、盒8 段儲(chǔ)層有效砂體的空間展布特征,但是對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量的控制因素研究很少。筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上,針對(duì)鄂爾多斯盆地西南部二疊系石盒子組盒8 下段致密儲(chǔ)層特征進(jìn)行研究,并探討影響儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的主控因素,以期為研究區(qū)尋找致密儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”提供借鑒。
圖1 鄂爾多斯盆地西南部的地理位置及綜合地層柱狀圖Fig.1 Structural location and integrated stratigraphic column of southwestern Ordos Basin
研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部(圖1),面積約5 萬(wàn)km2,其西部為天環(huán)坳陷,并與西緣沖斷構(gòu)造帶相鄰,東部為陜北斜坡西南部,南部與渭北隆起區(qū)相鄰。研究區(qū)上古生界經(jīng)歷了加里東運(yùn)動(dòng)的抬升剝蝕后,在中—晚石炭世整體開(kāi)始沉降,自下而上依次沉積了上石炭統(tǒng)本溪組(C2b),下二疊統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s),中二疊統(tǒng)石盒子組(P2h),上二疊統(tǒng)石千峰組(P3q)。石盒子組以“駱駝脖”狀砂巖為底界,該套砂巖的頂部有一層“雜色泥巖”,其具有高自然伽瑪值,這一特征有利于確定石盒子組與山西組的分界線。根據(jù)沉積序列及巖性組合特征,石盒子組又可劃分為下石盒子組(盒8 段—盒5段)和上石盒子組(盒4 段—盒1 段),其中下石盒子組的盒8 段按照沉積旋回可進(jìn)一步細(xì)分為盒8 上和盒8 下2 套地層,盒8 下段主要為一套淺灰色含礫粗砂巖、灰白色中—粗粒砂巖及灰綠色巖屑石英砂巖,砂巖中發(fā)育大型交錯(cuò)層理,泥質(zhì)含量少,幾乎無(wú)煤層。本溪組和太原組為海陸過(guò)渡相沉積,山西組和石盒子組發(fā)育陸相湖泊—三角洲沉積體系,石千峰組沉積時(shí)研究區(qū)已完全轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e環(huán)境。
鄂爾多斯盆地西南部盒8 下段儲(chǔ)層主要巖石類(lèi)型為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖(圖2),石英砂巖次之。儲(chǔ)層填隙物具有種類(lèi)多、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征,黏土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、水云母等,碳酸鹽類(lèi)膠結(jié)物主要包括鐵方解石和鐵白云石,偶見(jiàn)硅質(zhì)膠結(jié)物。填隙物體積分?jǐn)?shù)約為25.49%,其中水云母占8.55%、高嶺石占2.11%、硅質(zhì)膠結(jié)物占1.80%、鐵方解石占1.66%、綠泥石占1.17%、凝灰質(zhì)占0.82%、鐵白云石占0.27%、菱鐵礦占0.19%、方解石占0.13%。
圖2 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段巖石類(lèi)型Ⅰ.石英砂巖;Ⅱ.長(zhǎng)石石英砂巖;Ⅲ.巖屑石英砂巖;Ⅳ.長(zhǎng)石砂巖;Ⅴ.巖屑石英砂巖;Ⅵ.長(zhǎng)石巖屑砂巖;Ⅶ.巖屑砂巖Fig.2 Rock types of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
研究區(qū)盒8 下段的泥巖顏色以灰色、雜色為主,表明水體較淺,反映其沉積時(shí)為氧化-還原環(huán)境交替頻繁。砂巖粒度以粗粒居多,其次為中粒和細(xì)粒,表現(xiàn)出較強(qiáng)的水動(dòng)力條件。分選中等,磨圓度以次棱角—次圓狀為主(圖3)。
圖3 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段巖石類(lèi)型及特征(a)耀縣石川河剖面盒8 下段灰白色、厚層“駱駝脖”狀砂巖;(b)灰綠色、灰黑色泥巖,L6 井,4 702.50 m;(c)中粗砂巖,L19 井,3 877.20 m;(d)次棱—次圓狀,S283 井,3 771.67 mFig.3 Rock types and characteristics of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層孔隙度為0.98%~15.30%,平均為6.60%;滲透率為0.03~13.87 mD,平均為0.43 mD。其中89.96%的樣品的滲透率小于0.10 mD,為典型的低孔-低滲型致密儲(chǔ)層。研究區(qū)儲(chǔ)層樣品的孔滲交會(huì)圖顯示,隨著孔隙度的增大,滲透率呈增加趨勢(shì)(圖4)。當(dāng)孔隙度大于8% 時(shí),滲透率隨其增加的趨勢(shì)變得更加平緩。部分儲(chǔ)層中發(fā)育的微裂縫進(jìn)一步改善了儲(chǔ)層的滲流能力。
圖4 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層的物性特征Fig.4 Relationship between permeability and porosity of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段砂巖中巖屑溶孔和粒間孔占比較高(圖5),二者均貢獻(xiàn)了0.5%左右的孔隙度。粒間孔可進(jìn)一步劃分為石英加大后的殘余粒間孔隙和粒間溶蝕作用擴(kuò)大后的孔隙,前者可使原生粒間孔隙減少,在石英砂巖及巖屑石英砂巖中較發(fā)育,后者以原生孔隙為主,伴隨著次生成因的溶蝕作用擴(kuò)大而成(圖6),長(zhǎng)石礦物部分甚至整體被溶蝕可形成較大的粒內(nèi)溶孔或鑄??住R晾чg微孔由長(zhǎng)石和巖屑發(fā)生不同程度的蝕變和水化作用而形成[25],鏡下見(jiàn)成巖裂縫,縫面彎曲,裂縫寬度細(xì)小且狹窄。
圖5 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型Fig.5 Reservoir pore types of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
圖6 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層微觀孔隙特征(a)粗粒石英砂巖,粒間孔發(fā)育,L54 井,3 949.80 m;(b)高嶺石、伊利石充填于粒間孔隙中,見(jiàn)粒間溶蝕孔隙,L19 井,3 879.10 m;(c)長(zhǎng)石顆粒被溶蝕破碎雜基化,片絲狀伊利石,L7 井,4 156.35 m;(d)鑄模孔,L2 井,4 764.00 m;(e)長(zhǎng)石顆粒被溶蝕破碎雜基化,片絲狀伊利石,L7 井,4 156.35 m;(f)綠泥石集合體附著于碎屑顆粒表面,見(jiàn)粒間微縫,S243 井,4 004.40 m;(g)溶孔、晶間孔,CT3 井,3 726.59 m;(h)顆粒鑲嵌狀接觸,巖屑因壓實(shí)變形而形成致密結(jié)構(gòu),L70 井,3 857.60 m;(i)顆粒凹凸接觸,致密結(jié)構(gòu),L7 井,4 203.20 m,(j)片狀高嶺石集合體充填于碎屑顆粒之間,L38 井,4 386.20 m;(k)顆粒點(diǎn)接觸,粒間充填方解石,交代千枚巖等巖屑,粒間孔全部消失,L30 井,3 765.80 m;(l)巖屑溶孔及晶間微孔,L6 井,4 697.95 mFig.6 Reservoir micro-pore characteristics of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層砂巖的壓汞分析結(jié)果顯示:排驅(qū)壓力多小于13.11 MPa,平均為1.66 MPa;中值壓力為0.91~58.55 MPa,平均為15.20 MPa,中值壓力較大,反映了儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)較差。中值喉道半徑為0.01~0.81 μm,平均為0.17 μm,主要為細(xì)孔喉。喉道分選系數(shù)為0.09~5.72,平均為2.10,反映孔喉分布不均勻,喉道歪度為-6.01~2.93,平均為0.15,反映孔隙吼道總體偏細(xì)、局部含粗吼道。最大進(jìn)汞飽和度為20.80%~99.31%,平均為71.59%,反映儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)。根據(jù)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[26],可將研究區(qū)盒8 下段儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)分為4 種類(lèi)型:①Ⅰ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu),壓汞曲線形態(tài)具有明顯的平臺(tái)結(jié)構(gòu),孔喉連通性好,分選較好,粗歪度,排驅(qū)壓力一般小于0.50 MPa,中值半徑大于0.20 μm,最大進(jìn)汞飽和度一般大于80%,退汞效率高于35%,孔隙度一般大于8%,滲透率一般大于0.50 mD[圖7(a)]。②Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu),壓汞曲線形態(tài)具有明顯的平臺(tái)結(jié)構(gòu),孔喉連通性相對(duì)較差,分選中等—差,偏粗歪度,排驅(qū)壓力中等(0.50~1.0 MPa),中值半徑大于0.10 μm,最大進(jìn)汞飽和度一般大于70%,退汞效率高于30%,孔隙度一般為6%~8%,滲透率為0.20~0.50 mD[圖7(b)]。③Ⅲ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu),壓汞曲線平臺(tái)結(jié)構(gòu)不明顯,孔喉連通性和分選較差,偏細(xì)歪度,排驅(qū)壓力偏高,一般大于1.0 MPa。中值半徑小于0.1 μm,最大進(jìn)汞飽和度一般大于40%,退汞效率高于30%,孔隙度一般為4%~6%,滲透率一般為0.10~0.20 mD[圖7(c)]。④Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu),壓汞曲線無(wú)平臺(tái)結(jié)構(gòu),物性差,排驅(qū)壓力相對(duì)較高,一般大于2.0 MPa,最大進(jìn)汞飽和度一般小于40%,孔隙度一般小于4%,滲透率小于0.10 mD[圖7(d)]。
圖7 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層砂巖的壓汞曲線Fig.7 Mercury injection curves of reservoir sandstone of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地西南部盒8 下段儲(chǔ)層中石英含量與排驅(qū)壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)石英體積分?jǐn)?shù)為40%~60%時(shí),排驅(qū)壓力較大,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖8(a)]。長(zhǎng)石含量與排驅(qū)壓力的相關(guān)性不明顯,長(zhǎng)石含量低于3%時(shí),孔隙結(jié)構(gòu)以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖8(b)]。巖屑含量與排驅(qū)壓力呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)巖屑體積分?jǐn)?shù)為15%~35%時(shí),排驅(qū)壓力較大,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖8(c)]。石英含量與中值半徑呈正相關(guān)關(guān)系[圖8(d)],當(dāng)石英體積分?jǐn)?shù)為60%~80%時(shí),中值半徑普遍較大,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)石英體積分?jǐn)?shù)小于60%時(shí),中值半徑小,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主。長(zhǎng)石含量與中值半徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)小于3%時(shí),中值半徑較大,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)大于3%時(shí),以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖8(e)]。巖屑含量與中值半徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)巖屑體積分?jǐn)?shù)為5%~15%時(shí),中值半徑較大,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)巖屑體積分?jǐn)?shù)大于15%時(shí),中值半徑較小,以Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖8(f)]。
圖8 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層中巖石組分與孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性Fig.8 Influence of rock component content on pore structure parameters of the Permian ower He 8 member in southwestern Ordos Basin
成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造使不同的原始孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不同的孔喉演化過(guò)程,從而形成現(xiàn)今儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)差異[27]。儲(chǔ)層形成過(guò)程中成巖作用對(duì)物性具有較大影響,因此,清晰地認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層的成巖歷程和孔隙演化特征,有利于明確其儲(chǔ)集空間的形成機(jī)理,可為有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供理論指導(dǎo)。鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷的成巖作用類(lèi)型較多,主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用等,砂巖類(lèi)型以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主,富含變質(zhì)巖、火山巖等各種巖屑。由于碎屑組分中的塑性顆粒組分的抗壓實(shí)能力較弱,壓實(shí)作用過(guò)程中原生孔隙損失較大。從負(fù)膠結(jié)物孔隙度-膠結(jié)物含量關(guān)系可看出,壓實(shí)作用、膠結(jié)作用均減小了儲(chǔ)層的原生孔隙,但壓實(shí)作用是研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層物性變差的主要原因(圖9)。
學(xué)者們通常以視壓實(shí)率來(lái)表征砂巖儲(chǔ)層在壓實(shí)過(guò)程中的孔隙損失[28],鄂爾多斯盆地西南部盒8下段儲(chǔ)層的視壓實(shí)率為20.19%~93.71%,平均為64.79%,壓實(shí)強(qiáng)度較大[參見(jiàn)圖6(h)—(i)]。視壓實(shí)率整體上與排驅(qū)壓力呈較好的正相關(guān)性[圖10(a)],當(dāng)視壓實(shí)率為80%~100%時(shí),排驅(qū)壓力較大,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)視壓實(shí)率為30%~60%時(shí),主要以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主??紫吨兄蛋霃诫S視壓實(shí)率的增大而減小,視壓實(shí)率為30%~60%時(shí),孔隙半徑較大,一般大于0.2 μm,視壓實(shí)率為80%~100%時(shí),孔隙半徑一般小于0.1 μm[圖10(d)]。
圖9 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層負(fù)膠結(jié)物孔隙度與膠結(jié)含量的相關(guān)關(guān)系Fig.9 Relationship between reservoir negative cement porosity and cementation of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
膠結(jié)作用是沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e巖的一類(lèi)重要成巖作用[28],成巖作用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致孔隙和喉道大幅減少甚至消失,對(duì)儲(chǔ)集巖孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用。通常用視膠結(jié)率定量表征儲(chǔ)層膠結(jié)作用強(qiáng)度,鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層的視膠結(jié)率變化范圍較大,約為2.56%~79.81%,平均為32.69%。高嶺石、綠泥石和方解石的膠結(jié)作用導(dǎo)致大孔、中孔及部分喉道幾乎完全消失,僅剩下少量細(xì)孔、微孔及喉道,使得儲(chǔ)層的有效儲(chǔ)集空間遭受?chē)?yán)重破壞,連通性變差。排驅(qū)壓力和視膠結(jié)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖10(b)],視膠結(jié)率小于30%時(shí),排驅(qū)壓力較大,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,低視膠結(jié)率而排驅(qū)壓力高的現(xiàn)象主要是由強(qiáng)壓實(shí)作用引起;視膠結(jié)率為30%~50%時(shí),排驅(qū)壓力較小,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主;當(dāng)視膠結(jié)率大于50%時(shí),排驅(qū)壓力開(kāi)始升高,中值半徑隨視膠結(jié)率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)[圖10(e)];當(dāng)視膠結(jié)率小于35%時(shí),中值半徑隨視膠結(jié)率的增大而增大,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主;當(dāng)視膠結(jié)率為35%~60%時(shí),中值半徑隨視膠結(jié)率的增大而減小,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主,孔隙半徑大于0.20 μm;當(dāng)視膠結(jié)率高于60%時(shí),中值半徑急劇減小。
圖10 鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層成巖作用與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationship between pore structure parameters and reservoir diagenesis of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段砂巖中的碎屑顆粒、雜基、膠結(jié)物中的易溶組分發(fā)生溶蝕時(shí),可形成次生孔隙[參見(jiàn)圖6(g),(l)],增加了巖石的儲(chǔ)集空間,對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改造具有積極作用,但影響較微弱[29]。研究區(qū)視溶蝕率小于4%,平均為0.91%,總體上屬于弱溶蝕。當(dāng)視溶蝕率大于1.50%時(shí),孔隙連通性得到了提高,排驅(qū)壓力較小,主要發(fā)育Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu);當(dāng)視溶蝕率小于1.50%時(shí),排驅(qū)壓力較大,發(fā)育Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)[圖10(c)]。中值半徑與視溶蝕率呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)視溶蝕率大于1.50%時(shí),中值半徑較大,一般大于0.20 μm,以Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主;當(dāng)視溶蝕率小于1.50%時(shí),中值半徑較小,一般小于0.10 μm,以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)為主[圖10(f)]。
(1)鄂爾多斯盆地西南部二疊系盒8 下段儲(chǔ)層孔隙度為0.98%~15.30%,平均為6.60%;滲透率為0.03~13.87 mD,平均為0.43 mD,為典型的低孔-低滲型致密儲(chǔ)層??紫额?lèi)型主要為巖屑溶孔和粒間孔,孔隙結(jié)構(gòu)以細(xì)孔喉為主。
(2)巖石組分、壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)鄂爾多斯盆地西南部盒8 下段儲(chǔ)層質(zhì)量具有重要影響。巖石的碎屑組分是原生粒間孔發(fā)育的基礎(chǔ),其中石英含量高有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用導(dǎo)致研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)變差,是儲(chǔ)層致密化的主要原因,溶蝕作用有利于儲(chǔ)集層的改善,但普遍較弱,影響較微弱。