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    致密火山巖物性影響因素分析與儲層質(zhì)量預測
    ——以馬朗-條湖凹陷條湖組為例

    2014-03-25 11:52:34孟元林李新寧胡安文吳晨亮趙紫桐
    石油與天然氣地質(zhì) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:塘湖凝灰?guī)r成巖

    孟元林,胡 越,李新寧,胡安文,吳晨亮,趙紫桐,張 磊,許 丞

    (1.東北石油大學 地球科學學院,黑龍江 大慶 163318; 2.中國石油 吐哈油田公司 研究院,新疆 哈密 839009;3. C & C Reservoirs Inc.,Houston,TX 77036,美國)

    三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi),在近期的非常規(guī)油氣勘探中,取得實質(zhì)性突破,Lu1,M55,M56和M57H井在條湖組二段鉆遇沉凝灰?guī)r層,良好顯示。壓裂后,3口井獲工業(yè)油流。復查了16口老井,共發(fā)現(xiàn)18個油層,累積191.5 m。壓裂改造后試油,6口井有5口井產(chǎn)出工業(yè)油流,1口井產(chǎn)出低產(chǎn)油流。致密油一般指儲集在覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油[1-2]。而條湖組中發(fā)現(xiàn)的致密油儲集在沉凝灰?guī)r中,其巖性與國內(nèi)其他盆地的致密油儲層不同,其成儲特征和成藏規(guī)律可能與碎屑巖和碳酸鹽也有一定差異。由于火山巖主要由不穩(wěn)定的礦物組成,所以它們在埋藏成巖過程中的變化更大。一般來說,火山巖儲集性能較好,特別是后期經(jīng)構(gòu)造運動和溶蝕作用形成的孔、洞、縫將原生氣孔等儲集空間連通[3]。但也不乏像徐家圍子斷陷深層營城組這樣的致密火山巖儲層[4]。在國外也有一些關(guān)于致密火山巖儲層的報道,如印度尼西亞的賈蒂巴朗、美國的亞利桑那、格魯吉亞的薩母戈里-帕塔爾祖利和烏克蘭的外喀爾巴阡等[3-9]。在條湖組除了發(fā)育致密儲層之外,還有常規(guī)儲層,兩種儲層并存。但不同的儲層具有不同的勘探思路,對于常規(guī)儲層需要遵循以尋找圈閉為中心的勘探思想;而對于致密儲層,油氣的分布不受圈閉控制,在盆地的凹陷區(qū)和斜坡區(qū)連續(xù)分布,勘探工作遵循尋找優(yōu)質(zhì)儲層和烴源的勘探理念[1],可通過鉆前儲層質(zhì)量預測(predrilling reservoir quality prediction)技術(shù)預測優(yōu)質(zhì)儲層分布區(qū),進一步確定有利的勘探區(qū)[10-11]。有關(guān)鉆前碎屑巖儲層質(zhì)量預測的研究比較多[10-14],但有關(guān)火山巖儲層質(zhì)量預測方面的研究尚少。本文試圖探討巖性和成巖作用對火山巖(尤其是火山碎屑巖)儲層物性的控制作用,應(yīng)用成巖作用數(shù)值模擬技術(shù),在橫向上預測成巖階段,結(jié)合條湖組的巖相圖,預測火山巖儲層質(zhì)量在平面上的變化規(guī)律,以便對不同的儲層采取不同的勘探方法,為三塘湖盆地條湖組,乃至我國西部其他盆地致密油的勘探,提供科學的依據(jù)。

    1 地質(zhì)概況

    三塘湖盆地是一個在早古生代基底上發(fā)展起來的疊合型盆地,面積約2.3×104km2。該盆地由東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶和西南逆沖推覆隆起帶組成。中央坳陷帶面積約8 000 km2,是三塘湖盆地油氣聚集的主要構(gòu)造單元,又進一步劃分為烏通凹陷,小青凸起、漢水泉凹陷、沙河壩凸起、條湖凹陷、岔哈泉凸起、馬朗凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷、蘇魯克凹陷10個二級構(gòu)造單元[15]。盆地沉積蓋層包括二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系與新近系。二疊系僅發(fā)育中二疊統(tǒng),從下到上分為蘆草溝組和條湖組。蘆草溝組是三塘湖盆地一套優(yōu)質(zhì)烴源巖,為蘆草溝組、條湖組、中下侏羅統(tǒng)和中上三疊統(tǒng)提供了豐富的油源[16]。蘆草溝組烴源巖的有機質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型,有機碳含量(TOC)介于1.03%~5.80%,鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要分布在0.5%~1.3%。條湖組由3個巖性段組成,條湖組一段和三段以玄武巖或安山巖為主,巖性不純,夾少量薄層凝灰質(zhì)泥巖。條二段主要為火山角礫巖、火山碎屑沉積巖、晶屑玻屑沉凝灰?guī)r、火山熔巖、凝灰質(zhì)泥巖和煤系泥巖。目前已發(fā)現(xiàn)的致密油流主要產(chǎn)自條二段玻屑晶屑沉凝灰?guī)r。

    2 巖性與物性特征

    2.1 巖性和巖相特征

    馬朗-條湖凹陷條二段儲層主要是一套中基性的火山巖(圖1)[15]。火山熔巖主要為安山巖和玄武巖(圖2a)。火山碎屑巖由普通火山碎屑巖、沉積火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖組成,包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)泥巖、晶屑玻屑沉凝灰?guī)r(圖2b—f),晶屑以斜長石為主。

    三塘湖盆地條二段火山碎屑巖最大的特征是粒度較細(圖2b—d),44塊樣品的粒度分析結(jié)果表明,80.56%的樣品粒徑小于0.25 mm,相當于泥-細砂的粒級;有59.4%樣品的粒徑小于0.062 5 mm,和粉砂與泥的粒徑相當。

    2.2 物性特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征

    由于火山碎屑巖的粒度較細,所以其孔喉半徑較小,主要發(fā)育微孔(圖2b,c,e)和孔喉半徑小于1 μm的納米級孔喉(圖2e)。20塊樣品壓汞的統(tǒng)計結(jié)果表明,納米級孔喉占88.3%。

    較細的孔喉導致了儲層較低的滲透率和相對較高的孔隙度,411塊樣品的統(tǒng)計結(jié)果表明(表1),滲透率分布在0.05×10-3~122.39×10-3μm2,孔隙度分布在0.4%~27.8%。滲透率小于1×10-3μm的樣品占84.84%。由此可見,條湖組大部分火山巖屬于致密儲層,但也發(fā)育少部分常規(guī)儲層。根據(jù)我國石油與天然氣行業(yè)致密儲層的標準,致密儲層是指覆壓基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的儲層[2]。為了確定致密儲層的孔隙度上限,本文研究了馬朗-條湖凹陷覆壓基質(zhì)滲透率與地表孔隙度之間的相關(guān)性(圖3)。由圖可見,當覆壓基質(zhì)滲透率為0.1×10-3μm2時,地表孔隙度為9%左右。也就是說,條湖組致密儲層的物性上限是9%。

    3 火山巖儲層物性的主要影響因素

    已有的研究表明,影響火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要地質(zhì)因素有巖性巖相、構(gòu)造作用、火山巖的埋深及其所處的成巖階段[17-23]。構(gòu)造作用可以形成裂縫,使火山巖儲層的物性變好。但對致密儲層而言,主要研究的是基質(zhì)孔隙度和滲透率。因此,三塘湖盆地火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要影響因素,就可歸結(jié)為巖性相和火山巖所處的成巖階段及其埋深。

    圖1 三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷條湖組二段巖相Fig.1 Lithofacies map of P2t2 in the Malang-Tiaohu Sag of Santanghu Basin

    圖2 條湖組火山巖儲層微觀照片F(xiàn)ig.2 Microscopic photos of volcanic reservoirs of P2ta.T19井,玄武巖,杏仁構(gòu)造,杏仁體內(nèi)溶孔,斑晶溶孔,2 703.51~2 703.65 m,鑄體(-);b.M56井,玻屑凝灰?guī)r,玻屑微孔, 2 144.86~2 144.99 m,鑄體(-);c.M56井,玻屑凝灰?guī)r,玻屑微孔,晶屑溶孔, 2 141.87~2 141.97 m,鑄體(-);d.M56井,碳酸鹽化晶屑凝灰?guī)r,晶屑溶孔,2 144.99~2 145.13 m,鑄體(-);e.Lu1井,粒間微孔發(fā)育,凝灰?guī)r, 2 546.912~547.06 m,場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡;f.M55井,粒間孔,方解石充填孔隙,晶屑巖屑沉凝灰?guī)r,2 267.40~2 267.56 m,鑄體(-)

    巖相孔隙度/%滲透率/(10-3 μm2)儲層物性分類凝灰?guī)r和角礫巖0.4~2411.18(132)0.005 4~122.395.53(67)Ⅰ類晶屑玻屑沉凝灰?guī)r0.9~27.88.82(345)0.005~120.572.69(284)Ⅱ類火山碎屑沉積巖0.4~15.86.77(61)0.05~5.130.72(27)Ⅲ類火山熔巖0.9~11.25.29(51)0.05~8.660.69(33)Ⅳ類

    圖3 覆壓基質(zhì)滲透率與地表孔隙度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between matrix permeability and surface porosity

    3.1 巖性和巖相對儲層物性的影響

    條湖組巖性和巖相對火山巖儲層的物性具有明顯的控制作用,凝灰?guī)r和角礫巖的物性最好,晶屑玻屑沉凝灰?guī)r和火山碎屑沉積巖的物性次之,火山熔巖最差(表1)。4種巖相火山巖的孔隙度分別為11.18%,8.82%,6.77%和5.29%,滲透率分別為5.53×10-3,2.69×10-3,0.72×10-3和0.69×10-3μm2。

    根據(jù)賈承造提出的我國致密油儲層物性分類標準[24],本文將三塘湖盆地條湖組的儲層分為4類:Ⅰ類儲層的孔隙度≥9 %,孔隙流體服從達西定律,屬于常規(guī)儲層;Ⅱ類儲層的孔隙度間于7%~9%,屬于低致密儲層;Ⅲ類儲層的孔隙度在4%~7%之間,屬于高致密儲層;Ⅳ類儲層的孔隙度小于4%,屬于差儲層。根據(jù)這一儲層物性劃分標準,條湖組的角礫巖和凝灰?guī)r屬于Ⅰ類儲層,晶屑玻屑沉凝灰?guī)r屬于Ⅱ類儲層,火山碎屑沉積巖和火山熔巖整體上屬于Ⅲ類儲層(表1)。

    火山巖的巖性和巖相對儲層的含油性也具有一定的控制作用,目前所發(fā)現(xiàn)的工業(yè)油流井絕大多數(shù)分布在玻屑晶屑沉凝灰?guī)r中(圖1)。

    3.2 成巖作用對火山巖儲層物性的控制

    機械壓實作用、膠結(jié)作用和充填作用是條湖組火山巖儲層主要的破壞性成巖作用,可使儲層的孔隙度減小,形成致密儲層(圖2b,f)。溶蝕作用、脫玻化作用和交代作用是條湖組儲層的主要建設(shè)性成巖作用,可使火山巖儲層的孔隙度增加(圖2c,d)。但總的來看,隨埋深和地溫的增加,成巖作用增強,火山巖的孔隙度降低[17-23],其原因是:隨埋深和地溫的升高,泥巖中的粘土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化,排出大量Si4+,Ca2+,F(xiàn)e3+,Mg2+和Na+,進入相鄰的火山巖孔隙中,當孔隙流體的離子濃度達到飽和之后,以礦物質(zhì)的形式沉淀下來,膠結(jié)火山碎屑巖的顆粒,充填火山熔巖的孔隙,使其孔隙度不斷減小[23]。

    為了研究三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷成巖作用對火山巖儲層孔隙度的影響,在鏡質(zhì)體反射率(Ro)、孢粉顏色TAI、色譜-質(zhì)譜、熱解分析、X-衍射、普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、電子探針等分析化驗的基礎(chǔ)上,依據(jù)石油行業(yè)標準(SY/T 5477—2003)碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范[25],對三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷的碎屑巖和火山碎屑巖進行了成巖階段劃分(表2)。

    在早成巖階段A期,成巖作用以機械壓實為主,發(fā)育早期壓實相,儲層弱固結(jié)-半固結(jié),碎屑顆粒間呈懸浮接觸,儲層主要發(fā)育原生粒間孔。在早成巖階段B期,膠結(jié)作用增強,以碳酸鹽膠結(jié)和粘土膠結(jié)為主,發(fā)育早期膠結(jié)相。在該階段的晚期,有機質(zhì)開始發(fā)生熱降解,脫去含氧官能團,形成有機酸,溶蝕長石和玻屑形成次生孔隙。在中成巖階段A1亞期,Ro=0.5%~0.7%,有機質(zhì)進入生油門限,在生成油氣的同時,形成大量有機CO2和有機酸,溶蝕儲層,形成孔次生孔隙(圖2c,d),發(fā)育早期溶蝕相。

    表2馬朗-條湖凹陷成巖特征和成巖階段劃分
    Table2DiageneticcharacteristicsanddiageneticstagesofMalang-TiaoSag

    圖4 馬朗-條湖凹陷蘆草溝組烴源巖干酪根元素組成與有機質(zhì)熱演化Fig.4 Elementary composition of kerogen and thermal evolution of organic matter in Malang-Tiaohu Sag

    4 儲層質(zhì)量預測

    4.1 預測原理

    表3 條湖組成巖作用對儲層物性的影響Table 3 Impacts of diagenesis on reservoir porosity and permeability of Tiaohu Formation

    表4 條湖組巖相和成巖作用對儲層物性的綜合影響與儲層分類Table 4 Integrated effects of lithofacies and diagenesis on porosity and permeability of reservoirs of Tiaohu Formation

    由上可見,處于相同成巖階段、而且屬于同一巖相的儲層,其類型和質(zhì)量相同,物性相近。因此,依據(jù)表4中各種巖性處于不同成巖階段所對應(yīng)的不同類型儲層,就可以通過疊合三塘湖盆地條湖組巖相圖和相應(yīng)的碎屑巖成巖階段預測圖,預測儲層類型和質(zhì)量在平面上的分布特征。

    4.2 碎屑巖成巖階段橫向預測

    為了在橫向上預測成巖階段,本文綜合考慮地層時代、巖性、古氣候、構(gòu)造運動對成巖作用的影響,選取成巖階段劃分常用、在目前的技術(shù)條件下能夠定量,模擬的成巖參數(shù)鏡質(zhì)體反射率(Ro)、甾烷異構(gòu)化指數(shù)SI[C29甾烷S/(R+S)]、伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S、自生石英含量Vq、古地溫T,分別模擬其隨時間的變化規(guī)律[29-34],并構(gòu)建成巖指數(shù)ID,在時空領(lǐng)域內(nèi)進行成巖作用數(shù)值模擬,由計算機自動劃分成巖階段[35]:

    ID(x,y,z,t)=a1T(x,y,z,t)/TB+a2Ro(x,y,z,t)/

    RB+a3[100-S(x,y,z,t)]/(100-SB)+

    a4SI(x,y,z,t)/SIB+a5Vq(x,y,z,t)/VB

    (1)

    式中:ID是成巖指數(shù);t為時間,Ma;x,y,z為三維空間坐標;a1,a2,a3,a4,a5分別代表成巖指標T,Ro,S,SI,Vq的權(quán)值,本文分別取0.2,0.5,0.1,0.1,0.1,其總和為1.0;TB,RB,SB,SIB,VB分別為T,Ro,S,SI,Vq在中成巖階段B2亞期末的值(表1),分別取175 ℃,2.00%,5%,0.52,12%。

    4.3 儲層質(zhì)量和類型平面預測

    圖5 馬朗-條湖凹陷條湖組二段成巖階段和成巖相預測Fig.5 Prediction of diagenetic stage and diagenetic facies of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

    圖6 馬朗-條湖凹陷條湖組二段儲層類型與質(zhì)量預測Fig.6 Prediction of reservoir types and quality of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

    5 結(jié)論

    1) 從盆地邊部到中央,條二段成巖作用逐漸增強,依次發(fā)育早期膠結(jié)相、早期溶蝕相、中期溶蝕相和晚期溶蝕相,縱向上相鄰的成巖相橫向上也相鄰,這一規(guī)律可以稱為“成巖相律”。已發(fā)現(xiàn)的油流井主要分布在中期溶蝕相和早期溶蝕相。

    2) 條湖組儲層物性的主控因素是巖相和所處的成巖階段,通過疊合巖相分布圖和成巖階段預測圖,可以在橫向上預測儲層的類型和質(zhì)量。目前已發(fā)現(xiàn)的工業(yè)氣流井主要位于低致密儲層(Ⅱ類)和高致密(Ⅲ類)儲層分布區(qū)。

    3) 在Ⅰ類儲層分布區(qū),應(yīng)遵循以尋找圈閉為中心的勘探思路;在Ⅱ類和Ⅲ類儲層分布區(qū),則應(yīng)注重儲層和烴源的研究。

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