鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延9油層組儲層成巖作用及對孔隙的影響

卜 軍,李文厚,曾 明,孫 棟,范萌萌,畢 磊

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西西安710069;2.中國石油長慶油田公司第二采油廠;3.中國石油長慶油田公司超低滲透油藏研究中心;4.中國石化勝利油田魯明濟北公司)

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延9油層組儲層成巖作用及對孔隙的影響

卜 軍1,李文厚1,曾 明2,孫 棟3,范萌萌1,畢 磊4

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西西安710069;2.中國石油長慶油田公司第二采油廠;3.中國石油長慶油田公司超低滲透油藏研究中心;4.中國石化勝利油田魯明濟北公司)

為了研究鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延安組延9油層組砂巖的成巖作用及其對儲層物性的影響,通過對研究區(qū)目的層38口取心井巖心觀察描述及在油層物性、掃描電鏡、鑄體薄片等多種實驗分析的基礎(chǔ)上,對儲層的巖石學(xué)、成巖作用、成巖序列進行了研究,結(jié)果表明:延9砂巖類型以長石巖屑質(zhì)石英砂巖為主,具有成分成熟度較低、結(jié)構(gòu)成熟度較差的特點;成巖作用處于晚成巖A期;壓實作用、膠結(jié)作用和溶解作用是控制物性演化的主要成巖作用,其中壓實作用和膠結(jié)作用破壞了砂巖的原生孔隙結(jié)構(gòu),分別造成原生孔隙度喪失率為8.6%～28%和6%～20%;而溶解作用形成了次生孔隙,有效地改善了砂巖的孔隙結(jié)構(gòu),從而提高了儲層的孔滲條件。

成巖序列;成巖作用;延安組;侏羅統(tǒng);鄂爾多斯盆地

1 概況

隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部,在構(gòu)造單元上屬于陜北斜坡西南部,與天環(huán)凹陷相連,以洪德為北界,以早勝為南界,西界起于三岔,東界止于張岔,南北長159km,東西寬135km,面積約20 900 km2。中侏羅統(tǒng)延安組是鄂爾多斯盆地最重要的含油氣層和含煤層之一,鄂爾多斯盆地在三疊紀(jì)末期,受印支期構(gòu)造運動的影響,進入中侏羅世延安組早期,盆地先充填富縣組高低不平的地貌,之后進入內(nèi)陸拗陷湖盆的完整演化旋回期,代表一次湖泊沉積發(fā)生、發(fā)展和消亡的完整過程[1]。該區(qū)延安組從下到上依次分為延10-延1共10個油層組,延9油層組埋藏深度為805～2 366m,平均1 502m,地層厚度0～69m,平均35.5m,延9油層組處于延10油層組河谷充填的辮狀河沉積體系向湖沼、河湖三角洲轉(zhuǎn)換的過渡期,同時也是河流類型由辮狀河向網(wǎng)狀河轉(zhuǎn)換的重要時期[2],從下到上依次分別發(fā)育辮狀河、辮狀型曲流河和網(wǎng)狀河3種沉積相[3]。本文在對隴東地區(qū)中侏羅世延安組延9油層組38口取心井巖心觀察描述及油層物性、掃描電鏡、鑄體薄片等多種實驗分析的基礎(chǔ)上,對儲層的巖石學(xué)、成巖作用、成巖序列進行了研究,旨在揭示鄂爾多斯盆地類似砂巖儲層的埋藏-成巖-物性演化規(guī)律,為該類油氣藏的勘探與開發(fā)實踐提供理論依據(jù)。

2 儲集砂巖的巖石學(xué)特征

通過鏡下277塊薄片(普通、鑄體)觀察,且按?？朔诸?延9砂巖類型以長石巖屑質(zhì)石英砂巖為主,長石質(zhì)石英砂巖、巖屑質(zhì)石英砂巖、長石砂巖次之,少見石英砂巖、巖屑砂巖及巖屑質(zhì)長石砂巖(圖1)。碎屑含量一般54.5%～96.1%,碎屑中石英含量占碎屑總量的42.4%～89.9%;長石占碎屑總量的5%～34.9%,主要以斜長石為主(9.08%);巖屑占碎屑總量的1%～42.9%,以石英巖、石英片巖及千枚巖等變質(zhì)巖屑為主。填隙物含量4%～45%,主要為綠泥石、伊利石、伊/蒙混層等粘土礦物,方解石、白云石等碳酸巖礦物,硬石膏、重晶石等硫酸鹽,硅質(zhì)膠結(jié)物,以及少量黃鐵礦,膠結(jié)類型以孔隙式和接觸-孔隙式為主,也可見加大-孔隙式膠結(jié)、再生-孔隙式膠結(jié)。巖石顆粒以次棱、次棱-次圓為主,分選中等-好。

圖1 延9砂巖分類圖

3 成巖作用類型及對孔隙的影響

成巖作用影響孔隙發(fā)育主要表現(xiàn)在破壞性和建設(shè)性兩個方面,通過對砂巖薄片、鑄體薄片及掃描電鏡的綜合分析,本研究區(qū)砂巖儲集層在沉積物脫離原始沉積環(huán)境進入埋藏環(huán)境后,由于受壓實作用、膠結(jié)作用以破壞性為主的成巖作用類型的改造,孔隙度隨深度增加呈不斷下降的變化趨勢。同時溶解作用等建設(shè)性成巖作用的影響會使孔隙度在一定范圍內(nèi)偏離正常壓實作用的范圍,形成異?？紫栋l(fā)育帶。

3.1 壓實(壓溶)作用

壓實作用是使顆粒被壓致密、原生孔隙度降的重要原因之一,與碎屑巖儲集層的礦物成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。機械壓實(壓溶)作用主要發(fā)生在成巖早期,隴東地區(qū)延9油層組機械壓實(壓溶)作用的主要表征為:①顆粒接觸關(guān)系發(fā)生變化。隨著埋藏深度的增大,顆粒接觸漸趨緊密,碎屑顆粒由彼此分離到相互靠近,呈點線接觸,局部出現(xiàn)凹凸縫合線接觸;②云母、泥巖屑等塑性組分受壓彎曲變形;③由于埋深加大,地層壓力增大,碎屑顆粒長軸沿近于水平方向定向排列;④石英、長石等硬性顆粒受應(yīng)力作用發(fā)生脆性破裂。研究區(qū)儲集層的碎屑顆粒間以線接觸為主,其次為點-線接觸。這表明研究區(qū)砂巖骨架顆粒結(jié)構(gòu)已很穩(wěn)定,不易被進一步壓實,壓溶作用少見。強烈的機械壓實是孔隙結(jié)構(gòu)變差的主要因素之一。壓實作用的發(fā)生可以使砂體的孔隙結(jié)構(gòu)和分布發(fā)生極大的變化,從而導(dǎo)致孔隙空間的大幅縮減(圖2);孔隙流體在砂體中的流動能力也會因此而大大減弱,從而影響砂體的儲集性。在局部地區(qū),剛性顆粒的支撐使機械壓實作用減弱,而壓溶作用增強。

圖2 研究區(qū)延9砂巖巖石密度和孔隙度相關(guān)性

壓實率公式計算:壓實率=原始孔隙度-(現(xiàn)存孔隙度-溶蝕孔隙度+膠結(jié)物含量),其中原始孔隙度根據(jù)Beard[4]、Scherer[5]提出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,沉積物原始孔隙度大約為32.14%～40.48%,而現(xiàn)今孔隙度僅為3.2%～18.1%,溶蝕孔隙度為1.2%～5.5%,膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)為6%～20%,得出壓實率為7.88%～24.14%。假定砂巖的原始孔隙度為40%,由圖3可以看出,延9油層組砂巖由壓實作用造成的平均孔隙度喪失率為8.6%～28%,平均18.3%。

圖3 研究區(qū)延9油層組砂巖粒間體積與膠結(jié)物含量關(guān)系

3.2 膠結(jié)作用

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)物

硅質(zhì)膠結(jié)物在研究區(qū)砂巖中分布普遍,主要以石英次生加大生長的形式出現(xiàn)和自形石英的形式生長于孔隙壁或長石等顆粒溶孔的內(nèi)部,呈孔隙充填狀。石英次生加大邊往往發(fā)育不完整,很少見到環(huán)邊狀者。其中SiO2的來源主要途徑除了壓溶作用提供硅質(zhì)膠結(jié)物的來源以外,蒙脫石向高嶺石礦物的轉(zhuǎn)化及長石的溶蝕也可以生成SiO2。SiO2溶解于孔隙水中,達到局部過飽和后即發(fā)生沉淀形成自生石英膠結(jié)物。長石顆粒的次生加大和其它礦物緊密膠結(jié),使儲層物性變差。

3.2.2 碳酸鹽膠結(jié)物

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)砂巖中普遍存在,平均含量9%,含量最高可達29%。以方解石、鐵白云石為主,以及少量鐵方解石、白云石和菱鐵礦。碳酸鹽膠結(jié)物一般形成于堿性環(huán)境下,含 Ca2+、CO-32和HCO3-,在水中結(jié)合形成CaCO3,如果地層水中除上述離子外,還含有Fe離子,則可形成鐵方解石。方解石、鐵方解石形成早,是在SiO2次生加大之后形成,并以連晶方式在碎屑顆粒間填塞原生殘余孔隙,為碎屑顆粒間提供了支撐,有效地增強了巖石的抗壓實能力,使部分粒間孔隙得以保存,對儲層物性的改善具有一定的積極作用。白云石及鐵白云石伴生出現(xiàn),含量比方解石高,多數(shù)起堵塞孔隙作用,使巖石結(jié)構(gòu)更加致密,但也有少量被溶蝕,形成次生溶孔。由于其溶解較弱,對次生孔隙的形成影響不太大[6]。

3.2.3 粘土膠結(jié)物

綜合分析掃描電鏡,X-衍射資料,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)砂巖中粘土礦物主要是高嶺石和伊利石及少量綠泥石。自生高嶺石呈書頁狀、假六方板狀集合體充填于孔隙中,伊利石呈絲縷狀/球狀或彎曲薄片狀,并可由孔隙空間的一端達到彼岸,形成粘土橋,從而分割大孔隙而使其變成微孔隙,造成流體流動通道的曲折多變;綠泥石薄膜是成巖早期從偏堿性的孔隙水中沉淀下來的,孔隙式充填的綠泥石通常形成于晚成巖A期[7],或是附著在顆粒表面,或是雜亂堆積在顆粒間孔隙中,對儲層的影響具有雙重性,一方面,它占據(jù)了一定的孔喉空間,使孔隙體積減小,使儲層物性變差[8];另一方面,它可以支撐顆粒,抵抗進一步的機械壓實作用和石英的次生加大,有利于原生粒間孔的保存[9]。其中,伊利石粘土對滲透率影響最大,自生高嶺石粘土對滲透率的影響相對較小,綠泥石粘土由于其含量少,對滲透率影響最小。

碳酸鹽礦物、石英自生加大和高嶺石是造成研究區(qū)砂巖物性變差的主要膠結(jié)物。不同成巖階段形成的碳酸鹽膠結(jié)物對孔隙保存不利,并使?jié)B透率明顯降低,造成儲層物性較強的非均質(zhì)性,但碳酸鹽礦物的存在能夠增強砂巖的抗壓實能力,對部分殘余粒間孔起保護作用;石英自生加大呈孔隙式充填,特別是充填在殘余粒間孔內(nèi),降低砂巖的原始孔隙度;粘土礦物對儲層物性的影響各不相同,在成巖作用初期覆蓋在碎屑顆粒表面的綠泥石粘土膜一方面堵塞孔隙喉道使砂巖的滲透率降低,另一方面阻止石英次生加大,使部分粒間孔隙得以保存。由圖3可以看出,研究區(qū)延9油層組膠結(jié)作用造成的平均孔隙度喪失率為6%～20%(平均12.7%)。

3.3 交代作用

研究區(qū)砂巖交代作用主要表現(xiàn)為粘土礦物、碳酸鹽礦物對碎屑礦物顆粒的交代和晚期碳酸鹽礦物對早期碳酸鹽膠結(jié)物的交代。粘土礦物交代碎屑顆粒常見高嶺石交代石英、長石,使這些顆粒邊緣模糊不清。碳酸鹽礦物對碎屑礦物顆粒的交代主要有鐵方解石交代石英、長石顆粒,使之邊緣呈港灣狀,或交代整個顆粒后依然保留了長石顆粒的形狀,并可見到碳酸鹽交代石英顆粒的次生加大邊,說明碳酸鹽交代作用發(fā)生較晚,交代作用不僅交代各種顆粒,也使部分孔隙充填,因此交代過程對原生孔隙起破壞作用。

3.4 溶解作用

溶解作用是改善砂巖孔隙,對儲層起建設(shè)性作用的重要因素。據(jù)鏡下研究表明,研究區(qū)延9油層組基本上以長石顆?；蚝L石的碎屑顆粒溶解作用為主,主要發(fā)生在早成巖晚期及晚成巖早期,以晚成巖期的溶蝕作用對砂體的次生溶孔的形成最為重要。長石顆粒的溶解大都首先以自生高嶺石的形式沉淀在粒間孔隙中,進入晚成巖早期后,有機質(zhì)熱演化脫羧基作用而形成的大量有機酸和CO2進入孔隙流體中,使孔隙水由呈酸性。酸性流體通過砂巖的孔隙系統(tǒng)進入砂巖中并促使其中不穩(wěn)定碎屑顆粒(長石、巖屑)及填隙物(濁沸石、粘土)發(fā)生溶解,為儲層碎屑組分發(fā)生溶解作用提供了主要的動力和介質(zhì),也為部分反應(yīng)產(chǎn)物溶解遷移提供了載體[10];長石也可直接或間接形成其他自生粘土礦物,高嶺石在120～150℃溫度下變得不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變成伊利石或與長石反映生成伊利石和石英,一般在晚成巖B期完全消失[11],從而形成大量的粒內(nèi)和粒間溶孔,增加巖石的次生孔隙,改善孔隙連通性,增強滲流條件,使儲層物性得到改善。

4 成巖序列及成巖階段的確定

依據(jù)自生礦物組合與分布、鏡質(zhì)體反射率、流體包裹體、巖石結(jié)構(gòu)及孔隙類型,按照采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范》成巖階段劃分方案及其標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)延9油層組砂巖成巖階段劃分為早成巖A、B期及晚成巖A期。

在上述成巖作用研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)各種成巖作用及自生礦物成因分析,按照成巖自生礦物之間形成的先后次序及疊加關(guān)系,歸納出研究區(qū)的典型成巖序列特征(圖4):綠泥石等自生礦物粘土膜包繞碎屑顆粒,被粘土膜包裹的碎屑顆粒少見次生加大,因此石英及長石的次生加大應(yīng)該形成于粘土膜之后;方解石、鐵方解石充填于粒間孔隙及長石溶孔內(nèi)并可見其交代石英次生加大邊的現(xiàn)象,因此方解石、鐵方解石的沉淀在石英次生加大和長石顆粒的溶蝕作用之后;在延9油層組砂巖中,長石溶蝕孔隙中常見有自生高嶺石礦物的分布,表明高嶺石的形成在長石溶解之后,即:機械壓實作用→早期粘土膜形成→方解石沉淀→石英次生加大→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶解→自生高嶺石形成→鐵方解石沉淀。

圖4 隴東地區(qū)侏羅系延9油層組砂巖成巖序列和階段

5 結(jié)論

(1)隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延安組延9砂巖類型以長石巖屑質(zhì)石英砂巖為主,長石質(zhì)石英砂巖、巖屑質(zhì)石英砂巖、長石砂巖次之,少見石英砂巖、巖屑砂巖及巖屑質(zhì)長石砂巖;砂巖具有成分成熟度較低、結(jié)構(gòu)成熟度較差的特點。

(2)隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延安組延9油層組砂巖經(jīng)歷了壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用等成巖作用;由于受壓實作用、膠結(jié)作用以破壞性為主的成巖作用類型的改造,孔隙度隨深度增加呈不斷下降的變化趨勢,其中壓實作用造成延9油層組砂巖的壓實率為7.88%～24.14%,孔隙度喪失率為8.6%～28%,膠結(jié)作用造成孔隙度喪失率為6%～20%。而溶解作用等建設(shè)性成巖作用的影響會使孔隙度在一定范圍內(nèi)偏離正常壓實作用的范圍,形成異?？紫栋l(fā)育帶。

(3)隴東地區(qū)中侏羅統(tǒng)延安組延9油層組經(jīng)歷了早成巖A、B期及晚成巖A期。成巖序列為:機械壓實作用→早期粘土膜形成→方解石沉淀→石英次生加大→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶解→自生高嶺石形成→鐵方解石沉淀。

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編輯:吳官生

TE112.23

A

1673-8217(2010)03-0024-04

2009-10-22;改回日期:2010-03-03

卜軍,1982年生,2004年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院資源勘查工程專業(yè),現(xiàn)就讀西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,碩士研究生,主要從事沉積學(xué)及石油地質(zhì)學(xué)研究。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2003CB214602)。