塔中地區(qū)含礫砂巖段隔夾層特征及分布規(guī)律

郭春濤， 倪玲梅， 陳繼福

(1.呂梁學院礦業(yè)工程系，呂梁 033001;2.山西大同大學建筑與測繪工程學院，大同 037003;3.曲靖師范學院曲靖市旅游發(fā)展研究院, 曲靖 655000)

隔夾層是影響剩余油分布的重要素之一,其增強了儲集層的非均質(zhì)性,使油水運動關系復雜化,剩余油分布規(guī)律性變差[1-3]。前人對隔夾層的研究較多,一部分學者側(cè)重于野外露頭或水槽實驗的定量研究[4-8],一部分學者利用野外觀測結(jié)果,采用現(xiàn)代沉積理論、沉積模式等進行概念化,基于數(shù)學擬合,對隔夾層的分布進行定性-半定量研究[9-11],還有一部分學者通過精細地層對比、井間插值、地震反演、儲層建模、井間地震等方法對隔夾層的分布進行定量研究[12-16]。目前對于非露頭區(qū)隔夾層的研究,主要以巖心、錄井、測井分析為手段,個別輔以精細地震解釋、井間地震等[9-11, 13-16],研究內(nèi)容集中于隔夾層的成因、識別、特征、模式、分布、對剩余油的控制作用[1-3, 8, 10, 13-16]。然而,中國對隔夾層的研究一般集中于陸相、海陸過渡相中,如重力流[1]、河流相[2-6，8, 11, 13-16]、湖相[17]、三角洲相[18-20]、沖積扇相[7, 9-10]等。近幾年學者開始關注海相地層隔夾層的研究,主要集中于濱淺海相,如濱岸[21-28]、生物礁[29]等。而在塔里木盆地,對隔夾層的研究則主要聚焦于東河砂巖[21-28],大多使用常規(guī)測井曲線,重點關注其成因、分布、識別、與剩余油關系、鈣質(zhì)來源、預測等[21-28],然而對于隔夾層的分布規(guī)律和控制因素則關注較少。同時,采樣間隔0.125 m的測井曲線分辨率為0.3 m以上,而很多研究識別出的隔夾層厚度下限遠遠低于這個值[21-24, 26, 28],甚至用測井曲線識別出小于0.1 m的隔夾層[21, 24, 26, 28],這嚴重降低了研究結(jié)果的可信度。

圖1 研究區(qū)位置簡圖Fig.1 Schematic location of research area

塔里木盆地塔中4油田含礫砂巖段油藏目前已經(jīng)進入開發(fā)中后期,水淹情況日益嚴重,剩余油分布不清,產(chǎn)量開始快速遞減。因此,搞清研究區(qū)內(nèi)隔夾層的成因、特征,進而厘定其展布規(guī)律對油田開發(fā)具有十分重要的意義。然而目前的研究主要集中于含礫砂巖段的沉積儲層特征、孔隙成因、成巖作用、開發(fā)動態(tài)、成藏模式等[30-32],而對影響儲層非均質(zhì)性的致密隔夾層研究則相對較少[33]?，F(xiàn)以巖心、薄片、測井等資料為基礎,通過大量實例分析,結(jié)合前人研究,對塔中地區(qū)含礫砂巖段隔夾層的成因機理、測井響應特征、形成模式進行了系統(tǒng)研究,特別是分析了隔夾層的分布規(guī)律和受控因素,以期為該地區(qū)油藏的剩余油挖潛、增產(chǎn)上儲提供詳實的地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

塔里木盆地是在前震旦紀結(jié)晶基底之上發(fā)展形成的大型疊合盆地,盆地內(nèi)部發(fā)育有“三隆四坳”7個一級構(gòu)造單元[圖1(a)]。研究區(qū)塔中4油田地處塔克拉瑪干大沙漠腹地,新疆巴州且末縣境內(nèi),區(qū)域構(gòu)造位于中央隆起帶塔中低凸起的東部[圖1(b)],區(qū)域面積1 600 km2。塔中低凸起為一繼承性復式背斜構(gòu)造,北部緊鄰滿加爾凹陷,南為塘古孜巴斯凹陷,西以吐木休克斷裂帶與巴楚斷隆相望,東與塔東低隆相接(圖1),其南北受斷裂限制[圖1(c)]。研究區(qū)塔中4油田整體上為一組受南傾逆斷裂控制的、在前石炭系剝蝕面上形成的呈北西—南東走向的長軸披覆背斜群[圖1(c)],構(gòu)造整體形態(tài)表現(xiàn)為東南高,西北低的特征,發(fā)育有3個局部高點,即TZ401、TZ422、TZ402,高點間以斷層或鞍部相接。

泥盆紀晚期,塔里木盆地發(fā)育一次大規(guī)模的、由西而東的海侵,在盆地中西部大范圍內(nèi)沉積了一套灰白色、純凈的石英砂巖,即重要的油氣儲層東河砂巖[30-31]。之后,海平面小幅度下降后又快速上升,沉積了大范圍分布的含礫砂巖段,巖性以含礫砂巖、細砂巖和粉砂巖互層為主,局部夾泥質(zhì)條帶,分布相對穩(wěn)定,厚度為25～30 m[33]。

含礫砂巖段可進一步劃分為6個小層(圖2),自下而上粒度逐漸變細、泥巖含量逐漸增加、水體能量逐漸變小、沉積范圍逐漸擴大,表明沉積環(huán)境主要為無障壁浪控砂質(zhì)濱岸相[30, 32-34]。濱岸相可進一步分為前濱、臨濱2種亞相,自下而上沉積水體逐漸變深,從5小層～0小層依次發(fā)育上前濱、下前濱、上臨濱、中臨濱、下臨濱微相(圖2)。由于0小層主要為泥巖,基本不含油,主要討論1小層至5小層。

圖2 典型井TZ409柱狀圖Fig.2 Histogram of typical Well TZ409

2 研究區(qū)隔夾層的成因

由于沉積、成巖、構(gòu)造等地質(zhì)因素差異,研究區(qū)隔夾層成因類型多樣。不同成因隔夾層的巖性、特征、組合、測井響應、分布規(guī)律等有較大差異,對油水運動、剩余油分布的影響也有所不同[1-3]。通過優(yōu)選11口厚度大、取心全的典型井,進行詳細的巖心觀察、鏡下鑒定,參考前人資料,根據(jù)巖性、測井響應、宏觀分布等,將研究區(qū)隔夾層的成因分為3大類7小類。

2.1 沉積作用形成的隔夾層

2.1.1 層理構(gòu)造中的紋層或條帶層

圖3 巖心中不同成因的隔夾層Fig.3 Interlayer of different genesis in cores

由于水體能量的隨機波動,在中細砂巖的紋層之間往往發(fā)育數(shù)量不等的非常薄的更細粒的紋層或條帶層[圖3(a)]。這類夾層廣泛存在,在多種沉積環(huán)境中都可形成,主要特征是數(shù)量多、厚度小、分布極不規(guī)則、延伸長度和面積非常小、難以預測,增大了油氣采出的難度。這類夾層僅能在巖心上辨認,難以通過測井識別。

2.1.2 沉積旋回成因形成的隔夾層

不同級次旋回形成不同級次的層序,在兩個層序界面之間往往形成正旋回、反旋回、均質(zhì)旋回等。在正旋回沉積中,自下而上砂質(zhì)含量減少而泥質(zhì)增加,砂體分布受局限且連續(xù)性變差,形成分布面積相對較大的泥質(zhì)、粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)沉積[圖3(b)]。這類隔夾層大多發(fā)育于基準面旋回的中上部,一般有一定的厚度、長度和面積,能在局部或大面積范圍內(nèi)起到阻擋油氣水垂向或水平運動的作用。在反旋回沉積中,則剛好相反,隔夾層主要發(fā)育于旋回的中下部。

2.1.3 單一沉積環(huán)境形成的隔夾層

當水體能量較弱且長期穩(wěn)定時,如泥坪、下臨濱微相等環(huán)境,常廣泛發(fā)育具有水平或塊狀層理的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,并側(cè)向疊加連片,形成厚度、延伸長度、面積都比較大的隔層。這種隔層往往可以作為油氣水垂向運移的障礙,有利于油田分層注水和開采。

2.2 成巖過程中形成的隔夾層

這類隔夾層包括鈣質(zhì)條帶、硅質(zhì)條帶、黏土膠結(jié)條帶等,其原巖往往相對較粗,上覆或下伏地層中的流體通過滲透層、斷層等使含礫砂巖段內(nèi)較粗粒沉積發(fā)生交代作用,使其孔滲逐漸變差,由儲層逐漸變?yōu)榉莾?形成所謂的“物性隔夾層”,其屬于成巖非均質(zhì)的范疇。這類隔夾層形成條件、分布規(guī)律十分復雜,橫向預測較難。

2.2.1 薄層砂體全膠結(jié)型物性隔夾層

厚層塊狀泥巖中往往發(fā)育有少量的砂巖夾層或透鏡體。成巖過程中,這些砂巖受到來自于上下巖層中離子的作用,發(fā)生交代、膠結(jié)、重結(jié)晶,使其孔滲下降形成低滲透、非滲透層。如果原始砂層比較薄,就形成該類型的物性隔夾層[圖3(c)]。

2.2.2 厚層砂巖頂?shù)啄z結(jié)型物性隔夾層

儲層成巖過程中,厚層砂巖頂?shù)着c泥巖、灰?guī)r等接觸,發(fā)生膠結(jié)、交代、重結(jié)晶作用,使原來砂巖頂?shù)椎奈镄员桓脑?、破?形成低滲透或不滲透的致密條帶[圖3(d)],也可形成形態(tài)各異、分布復雜的物性隔夾層[33]。

2.2.3 砂體內(nèi)分散膠結(jié)型物性隔夾層

厚砂體內(nèi)部常分布有零散的泥質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)團塊等透鏡體,在成巖過程中,來自這些團塊和上下砂巖層中的各種離子使厚砂體局部發(fā)生交代、膠結(jié)等作用,形成低滲透的物性隔夾層[圖3(e)]。這種隔夾層的分布極為復雜,預測難度很大。

2.3 構(gòu)造成因隔夾層

研究區(qū)石炭系含礫砂巖段沉積之后,塔里木盆地經(jīng)歷了多次大規(guī)模的構(gòu)造運動[35-37]。在不同構(gòu)造運動時期,不同大小、方向的構(gòu)造力作用于已形成的巖層上,巖石將發(fā)生體積壓縮、流體排出、孔滲減小,使原來有儲集能力的巖層形成低滲透或非滲透的隔夾層。這種作用形成的隔夾層與壓實作用形成的隔夾層在性質(zhì)、外形上都比較相似,區(qū)分難度較大。

3 隔夾層巖石學特征

根據(jù)巖心、薄片觀察結(jié)果,結(jié)合成因類型,以巖心、測井響應為依據(jù),共識別出3類隔夾層,主要為泥粉質(zhì)隔夾層、鈣質(zhì)隔夾層、物性隔夾層。不同類型的隔夾層具有不同的電性特征和分布范圍,它們對油水運動的控制也有所不同。

3.1 泥粉質(zhì)隔夾層

這類隔夾層的巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含礫泥巖等。巖心上厚度介于0.01～1.32 m,平均0.46 m。泥粉質(zhì)隔夾層主要發(fā)育3種形態(tài):①呈中-厚層狀,滲透率、分布頻率最低,顏色以灰色、深灰色為主,主要形成于水體較深的區(qū)域,如濱外陸棚、下臨濱等,側(cè)向連續(xù)性較好；②呈薄層條帶狀,分布頻率較大,顏色以灰色、灰白色為主,可見氧化色,可能形成于水體能量較小或經(jīng)常暴露區(qū)域,如上前濱、泥坪等,側(cè)向連續(xù)性一般；③呈透鏡狀,巖性相對較粗,水體能量多變。

3.2 鈣質(zhì)隔夾層

該類隔夾層主要為鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖,包含鈣質(zhì)細砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖等,主要膠結(jié)物為方解石,其次為鐵方解石、硬石膏等[11, 21]。顏色以灰色、灰白色為主,巖性致密,與沉積物非均質(zhì)成巖有關。巖心上厚度介于0.01～1.36 m,平均0.53 m。鈣質(zhì)隔夾層主要發(fā)育兩種形態(tài):①呈條帶狀分布,滲透性低,分布頻率最大,側(cè)向連續(xù)性較好,鈣質(zhì)膠結(jié)物可由孔隙水的蒸發(fā)或Ca(HCO3)2脫氣而產(chǎn)生沉淀而成,也可來源于上覆的灰?guī)r層；②呈隨機分布的團塊狀,滲透性低基本不含油,分布頻率較大,鈣質(zhì)膠結(jié)物主要源于成巖期的交代作用。

3.3 物性隔夾層

該類隔夾層巖性以細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等為主,大多厚度較大,巖心上厚度介于0.01～1.89 m,平均1.13 m,分布較廣,具有一定的孔隙度和滲透率,但未達到有效儲層物性下限,。

4 隔夾層的電性特征

根據(jù)取心井的巖心、薄片、物性分析、掃描電鏡等分析化驗資料較容易正確識別隔夾層。但是,對于非取心井,其測井資料更為豐富,根據(jù)測井曲線特征識別隔夾層更具有普遍意義。為此,從巖心隔夾層識別入手,在仔細觀察取心井隔夾層發(fā)育特征后,用巖心標定測井,根據(jù)隔夾層的測井響應、孔滲飽數(shù)據(jù)、測井解釋等,綜合解釋隔夾層發(fā)育。

4.1 泥粉質(zhì)隔夾層

泥粉質(zhì)隔夾層在測井曲線上主要表現(xiàn)為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖的特征(圖2)。自然伽馬呈高值,大多在100 API以上；自然電位為基線或接近基線；聲波時差高值；井徑曲線明顯擴徑；微電極曲線平穩(wěn)、幅度低,常常下降為砂巖層的50%或以下；深側(cè)向電阻率曲線有明顯下降,常為砂巖層的50%或以下。

4.2 鈣質(zhì)隔夾層

鈣質(zhì)隔夾層由于巖性致密、滲透率低、導電性差,在測井曲線上主要表現(xiàn)為:自然電位負異常；井徑基本無擴徑；鉆時高且變化小；密度測井曲線高值；中子測井響應低值；聲波時差響應低值[33]；電阻率高于鄰近砂巖層；自然伽馬低值,但高于油層自然伽馬值,一般介于30～60 API；感應測井電阻率曲線重合且均為高值,并高于砂巖層電阻率[33](圖2)。

4.3 物性隔夾層

物性隔夾層是儲層與非儲層之間的一種過渡類型,測井曲線上的表現(xiàn)也介于二者之間(圖2),如自然伽馬值低于泥巖,但高于砂巖,大多介于40～70 API；電阻率值低于砂巖,但高于泥巖；自然電位值高于泥巖基線,形態(tài)類似砂巖但幅度較小。

5 隔夾層的識別

隔夾層是儲層內(nèi)的非有效層,主要表現(xiàn)為孔滲相對較小。不同油藏、不同各類儲層物性數(shù)值相差很大,因此,隔夾層的物性上限也沒有一個統(tǒng)一標準。一般泥粉質(zhì)隔夾層的孔滲相對較小,而物性隔夾層孔滲相對較大,其與儲層呈漸變關系。根據(jù)研究區(qū)8口井巖心資料、單層試油分析資料,共使用物性分析樣品2 456塊,采用有效厚度下限法,確定含礫砂巖段隔夾層的物性上限:滲透率為1×10-3μm2,孔隙度為5%。

以微電極曲線、自然電位、自然伽馬為基礎,結(jié)合深淺電阻率、聲波時差、井徑,參考測井解釋結(jié)果、孔滲飽參數(shù)和生產(chǎn)動態(tài)資料,對目的井段進行人工解釋。由于測井曲線分辨率在0.3 m以上,利用測井曲線識別低于0.4 m的隔夾層不具可信度,所以本文識別的隔夾層厚度下限為0.4 m。圖2是典型井TZ409井的隔夾層識別結(jié)果。

6 隔夾層分布規(guī)律

基于野外踏勘、巖心和薄片觀察、精細地震解釋、生產(chǎn)動態(tài)驗證等,對研究區(qū)所有井進行詳細的隔夾層解釋,進一步將隔夾層的展布與沉積環(huán)境、高級別基準面旋回、構(gòu)造等因素進行對比,發(fā)現(xiàn)隔夾層的分布與沉積環(huán)境、高級別基準面旋回有較好的對應關系,同時也受構(gòu)造的影響。

6.1 隔夾層的分布與沉積環(huán)境的關系

含礫砂巖段野外露頭和巖心研究表明[30, 32-34],各種類型隔夾層在各個沉積亞相中均有分布(圖2),但發(fā)育程度有較大差別。根據(jù)前述隔夾層測井識別方法,對研究區(qū)所有井進行隔夾層識別,然后將各小層隔層發(fā)育情況與沉積微相進行疊合,結(jié)果表明隨著沉積水體逐漸加深,從5小層至1小層,隔層厚度總體逐漸增加(圖4),前濱亞相的1、2小層隔層最厚(圖4)。物性隔層從5小層至1小層不論是累計厚度還是所占比例均迅速減少,而泥粉質(zhì)隔層則相反。

夾層的發(fā)育與隔層、儲層呈消長關系。從5小層至3小層,夾層累計厚度逐漸增加,從3小層至1小層,夾層累計厚度逐漸減少(圖4),這主要是由于4小層、5小層主要為油層,所以不論是隔層還是夾層的厚度均較小,而1小層、2小層含油性差,主要為隔層。而每類夾層所占的比例則與隔層相似(圖4),反映出兩者相似的形成機制。

不論是隔夾層的總厚度還是每類隔夾層的厚度,均與沉積環(huán)境關系密切。研究區(qū)沉積環(huán)境研究表明,從5小層至1小層依次發(fā)育上前濱、下前濱、上臨濱、中臨濱、下臨濱微相,表現(xiàn)為水體逐漸加深的退積型沉積,由下而上粒度逐漸變細。4小層、5小層含礫砂巖、細砂巖含量高,經(jīng)受成巖改造后,物性隔夾層所占的比例也高(圖4)。而1小層、2小層以細粒的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,受成巖改造后,泥粉質(zhì)隔夾層所占比例也高(圖4)。

6.2 隔夾層的分布與沉積旋回的關系

通過巖心觀察和單井隔夾層識別,發(fā)現(xiàn)隔夾層的發(fā)育與高級別基準面旋回有較好的對應關系(圖2)。理論上,在每一個基準面下降旋回中,由于可容納空間逐漸減小,形成向上變細的沉積旋回,頂部粒度相對較細,容易發(fā)育泥粉質(zhì)隔夾層,底部粒度相對較粗,容易發(fā)育物性隔夾層。而在每一個基準面上升旋回中,物性隔夾層、泥粉質(zhì)隔夾層的發(fā)育剛好相反(圖2)。

6.3 鈣質(zhì)隔夾層與斷層的關系

研究區(qū)受加里東-燕山期構(gòu)造運動作用,在南北雙側(cè)形成大型斷裂及次級斷裂[圖1(c)]。同時,上覆地層發(fā)育數(shù)十米厚的生屑灰?guī)r段、標準灰?guī)r段。受壓實作用、成巖作用等,上覆地層中富含鈣離子、鎂離子的流體更容易通過斷層進入孔滲較高的3小層、4小層、5小層,而不容易進入孔滲較低的1小層、2小層,就造成鈣質(zhì)隔夾層所占比例下部高、上部低(圖5)。從全區(qū)來看,越靠近斷層,鈣質(zhì)隔夾層發(fā)育的厚層、層數(shù)越多,特別是大型斷層；而越遠離斷層,鈣質(zhì)隔夾層發(fā)育就越少(圖5)。

圖4 研究區(qū)隔夾層累計厚度圖Fig.4 Cumulative thickness diagram of interlayer in study area

剖面位置見圖圖5 研究區(qū)平行背斜長軸方向隔夾層展布圖Fig.5 Distribution diagram of interlayer parallel to the major axis of anticline in the study area

7 結(jié)論

(1)塔中4油田含礫砂巖段主要發(fā)育3種類型隔夾層:泥粉質(zhì)隔夾層、鈣質(zhì)隔夾層、物性隔夾層。每種類型隔夾層均有不同的電性特征。

(2)隔夾層的發(fā)育與沉積環(huán)境關系密切,隨著沉積水體逐漸加深,物性隔夾層從5小層至1小層迅速減少,而泥粉質(zhì)隔層則相反。隔夾層的發(fā)育還與沉積旋回關系密切,在每一個基準面下降旋回,頂部容易發(fā)育泥粉質(zhì)隔夾層,底部容易發(fā)育物性隔夾層。鈣質(zhì)隔夾層則受斷層控制。