天然气地质学

深层砂岩储层成岩作用差异性及与储层质量的关系——以准噶尔盆地中部征沙村地区侏罗系为例

  • 徐小童 , 1 ,
  • 张立宽 2 ,
  • 冶明泽 2, 3 ,
  • 张立强 1 ,
  • 修金磊 4 ,
  • 曾治平 4 ,
  • 曹斌风 2 ,
  • 李超 2 ,
  • 雷裕红 2 ,
  • 程明 2 ,
  • 胡才志 , 5
展开
  • 1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580
  • 2. 中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049
  • 4. 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院,山东 东营 257000
  • 5. 国家地质实验测试中心,北京 100037
胡才志(1984-),男,河南信阳人,博士,主要从事储层成岩与成藏机理研究. E-mail:.

徐小童(1996-),男,江苏扬州人,硕士研究生,主要从事储层成岩与油气成藏研究. E-mail: .

收稿日期: 2021-01-16

  修回日期: 2021-02-09

  网络出版日期: 2021-07-22

Different diagenesis of deep sandstone reservoir and its relationship with reservoir property: Case study of Jurassic in Zhengshacun area, central Junggar Basin

  • Xiao-tong XU , 1 ,
  • Li-kuan ZHANG 2 ,
  • Ming-ze YE 2, 3 ,
  • Li-qiang ZHANG 1 ,
  • Jin-lei XIU 4 ,
  • Zhi-ping ZENG 4 ,
  • Bin-feng CAO 2 ,
  • Chao LI 2 ,
  • Yu-hong LEI 2 ,
  • Ming Cheng 2 ,
  • Cai-zhi HU , 5
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  • 1. School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China
  • 2. Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
  • 4. Shengli Oilfield Exploration and Development Research Institute,SINOPEC,Dongying 257000,China
  • 5. National Research Center for Geoanalysis,Beijing 100037,China

Received date: 2021-01-16

  Revised date: 2021-02-09

  Online published: 2021-07-22

Supported by

The Strategic Leading Science and Technology Project of Chinese Academy of Sciences(XDA14010202)

the National Natural Science Foundation of China(42030808)

本文亮点

为认识深层碎屑岩储层质量的控制因素及有效储层分布规律,以准噶尔盆地中部征沙村地区下侏罗统三工河组砂岩储层为例,利用岩心样品的铸体薄片、扫描电镜、碳氧同位素、X⁃射线衍射及常规物性测试手段,研究了储层岩石学和成岩作用特征,讨论了成岩作用对不同类型储集岩石相的影响,并建立了岩石相—沉积微相的联系。结果表明:研究区三工河组砂岩成分成熟度低,主要为长石岩屑砂岩,自生矿物包括碳酸盐、自生黏土、硬石膏及硅质等;总体为低—特低孔渗性储层,非均质性强。依据岩石学组构和成岩作用差异,可将储集砂岩主要划分为极细—细粒富塑性颗粒砂岩、方解石胶结砂岩和中—细粒贫塑性颗粒砂岩。不同岩石相经历了差异性成岩作用:其中富塑性颗粒砂岩表现为强压实、弱胶结和弱溶蚀特征;方解石胶结砂岩则表现为强胶结、弱压实和弱溶蚀特征,二者均在成岩阶段早期致密化;贫塑性颗粒砂岩表现为中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀。成岩阶段早期压实作用和胶结作用程度低,不但能保留原生孔隙,亦能遭受后期深埋阶段的酸性流体改造,形成深层物性较好的有效储集岩。不同岩石相的分布总体受沉积微相控制,物性最佳的贫塑性颗粒砂岩主要分布在分流河道中下部或河口坝中上部,这种分布模式将为寻找深层有效储层提供指导。

本文引用格式

徐小童 , 张立宽 , 冶明泽 , 张立强 , 修金磊 , 曾治平 , 曹斌风 , 李超 , 雷裕红 , 程明 , 胡才志 . 深层砂岩储层成岩作用差异性及与储层质量的关系——以准噶尔盆地中部征沙村地区侏罗系为例[J]. 天然气地球科学, 2021 , 32(7) : 1022 -1036 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.02.011

Highlights

To recognize the factors which controlled the deeply buried clastic reservoir quality and the distribution of effective reservoirs, the paper takes sandstone reservoirs of the Lower Jurassic Sangonghe Formation in Zhengshacun area, central Junggar Basin as an example for study. Based on the thin sections of core samples, scanning electron microscopy, carbon-oxygen isotopes (C-O isotopes), X-ray diffraction, porosity and permeability, the paper studies the characteristics of petrology and diagenesis of reservoirs, discusses the effects of diagenesis on different lithofacies, establishes the relationship between lithofacies and sedimentary microfacies. The results show that the sandstones of Sangonghe Formation are feldspathic litharenite, and the compositional maturity is really low. The authigenic minerals include carbonate cementation, authigenic clay minerals, anhydrite and siliceous cementation. It is generally a low-ultra-low porosity and permeability reservoir with strong heterogeneity. According to the difference of petrology and diagenesis, sandstones can be divided into three lithofacies: ductile-rich sandstone, calcite-cemented sandstone and ductile-lean sandstone. Different lithofacies undergoes different diagenesis. Ductile-rich sandstone is characterized by strong compaction, weak cementation and dissolution, while calcite-cemented sandstone is characterized by strong cementation, weak compaction and weak dissolution, and the type of sandstones densified during the early diagenesis. Ductile-lean sandstone is moderately compacted, weakly-moderately cemented and strongly dissolved. For the lower degree of compaction and cementation during the early diagenesis, it can not only retain more primary pores, but also be dissolved by acid fluid in the later deep burial, thus forming effective reservoir rocks with good porosity in deep layers. The distribution of different lithofacies is generally controlled by sedimentary microfacies, and ductile-lean sandstone with the best porosity mainly distributes in the middle and lower part of distributary channel or the middle and upper part of mouth bar. This distribution pattern will provide guidance for exploring deep effective reservoirs.

0 引言

我国深层碎屑岩油气勘探开发前景广阔,资源潜力巨大,已成为我国现阶段及未来油气勘探的重点领域1。深层储层往往遭受了多阶段构造运动改造和多期次流体—岩石相互作用,整体上表现为超低孔渗、成岩作用强烈、孔喉细小的特征2。然而在整体致密的背景下储层物性表现出强非均质性特征,发育物性相对较好的储层,构成深层油气富集的有效储层。如何寻找有效储集层一直是深层油气勘探开发关注的热点问题3-4
压实作用和胶结作用是造成深层储层整体上低孔低渗的主要成岩作用5。溶蚀作用尽管能有效地改善储层质量,对储层的孔隙发育具有建设作用,但关于溶蚀发育的规模仍存在很大争议6。储层经历成岩作用的类型和强度,往往受到原始砂岩碎屑组构的影响7。砂岩组分和结构及其决定的原始物性控制了储层近地表或早期成岩作用的程度和类型,进而影响了埋藏成岩演化7。即使在同一砂体内,碎屑颗粒矿物成分和结构变化也能导致成岩作用类型和程度及成岩演化过程具有明显的差异3-4。岩石相是指形成在特定沉积条件下,具有相似的流体流动特征,孔喉结构相似的岩石8。不同的岩石相反映了储层孔隙演化所经历的途径不同9。与沉积岩相相比,岩石相更注重对储层微观特征的描述。因此,分析储层不同岩石相的差异成岩演化,有助于更好地理解深层有效储集空间的形成机制及主控因素。
准噶尔盆地中部征沙村地区下侏罗统三工河组埋深大,一般在4 800~5 000 m之间;储层物性较差,整体上属于低—特低孔渗性储层,但物性分布具有强非均质性。由于对有效储层的形成机制认识不清楚,制约了油气分布规律的预测。本文研究以征沙村地区三工河组砂岩储层为例,在岩心观察的基础上,利用铸体薄片、扫描电镜、碳氧同位素、X-射线衍射及常规物性测试手段,分析了储层的岩石学特征,划分了不同的岩石相类型,讨论了不同岩石相经历的差异成岩演化及其对储层质量的影响,并建立了岩石相—沉积微相的联系。

1 地质背景

征沙村地区位于准噶尔盆地中央隆起带中拐凸起和莫索湾凸起的交接处,北侧毗邻盆1井西凹陷,南侧接沙湾凹陷(图1)。盆地中部在燕山期受中晚侏罗世压扭作用影响,形成了大型古隆起,称为“车莫古隆起”10,车莫古隆起自形成依次经历了初始发育阶段(J1 b—J1 s 1)、水下隆升阶段(J1 s 2—J2 x)、剥蚀改造阶段(J2 t—J3)、稳定沉降阶段(K—E)及掀斜改造阶段(N—Q)11
图1 征沙村地区构造位置及三工河组沉积相图(a)和征沙村地区地层柱状图(b)

Fig.1 The tectonic location and sedimentary facies map(a) of the Sangonghe Formation in Zhengshacun area and stratigraphic column(b) in Zhengshacun area

征沙村地区侏罗系主要发育下侏罗统八道湾组(J1 b)和三工河组(J1 s),缺失中侏罗统西山窑组(J2 x)、头屯河组(J2 t)及上侏罗统齐古组(J3 q)和喀拉扎组(J3 k12图1)。受车莫古隆起抬升剥蚀的影响,征沙村地区中、上侏罗统被剥蚀饴尽,下侏罗统三工河组三段呈环状残留,向北和向南呈楔状增厚,白垩系与中侏罗统或三工河组二段呈不整合接触。三工河组自下而上发育三工河组一段(J1 s 1)、三工河组二段(J1 s 2)、三工河组三段(J1 s 3)。其中三工河组二段(J1 s 2)可进一步划分为上亚段(J1 s 2 2)和下亚段(J1 s 2 1)。三工河组一段以湖相和少量滨浅湖相滩坝砂体为主,也发育少量三角洲前缘相水下分流河道和河口坝13;三工河组二段下亚段主要发育辫状河三角洲前缘相沉积,分流河道砂体十分发育,纵向上表现为多期河道砂体相互叠置;三工河组二段上亚段主要发育曲流河三角洲前缘相,分支河道砂体孤立;三工河组三段主要发育半深湖—深湖相沉积14
征沙村地区三工河组二段主要为岩性油气藏,油气主要来源于下二叠统风成组和中二叠统下乌尔禾组暗色泥岩15。烃源岩生成的油气通过深大断裂和次级断裂向浅部运移,并进入三工河组储层成藏16

2 样品和实验方法

研究样品主要来自征1-2井、征1井及征3井(图2)。对3口井岩心的岩性、粒度、含油性及沉积结构等进行了细致的描述。
图2 征1-2井、征1井、征3井三工河组砂岩取样点

Fig.2 Sampling positions of sandstone of Sangonghe Formation in Wells Zheng 1-2,Zheng 1,Zheng 3

依据岩心描述,挑选83块样品磨制铸体薄片,分析砂岩岩石学特征。利用茜素红和铁氰化钾混合溶液进行染色,每个薄片染色1/2,以区分不同的碳酸盐矿物。使用ZEISS Scope.A1偏光显微镜对铸体薄片进行显微观测,重点统计碎屑颗粒的组分、自生矿物、孔隙类型及含量等。利用AxioVision Rel.4.8软件对微观图像进行测量,以确定砂岩的粒径和分选系数。使用Gazzi-Dickinson点计法,统计了50张薄片,每张薄片统计300个点。
在薄片观察的基础上,选择5块代表性样品制作了BSE薄片,并镀碳处理。利用搭载Oxford Aztec能谱仪(EDS)的Nova NanoSEM 450高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM),进一步鉴定成岩矿物,分析成岩矿物间微观结构关系。
选取7块镜下见到方解石和白云石矿物的岩心样品,进行了碳酸盐胶结物碳氧同位素测定,以区分碳酸盐胶结物形成的期次和成因。碳氧同位素在中国科学院地质与地球物理研究所稳定同位素地球化学实验室测试,使用质谱型号为MAT-253,所报数据均为相对国际标准VPDB值,内部标准监测显示δ13C和δ18O的标准偏差分别优于0.15‰和0.20‰。另外,从中国石化胜利油田勘探开发研究院收集了6口井约200个常规物性数据和60个X-射线衍射(XRD)数据。

3 结果

3.1 岩石学特征

三工河组砂岩粒度从细砂到粗砂变化,但以细砂岩和中砂岩为主。磨圆程度整体表现为次棱角状—次圆状,分选较好,但含砾砂岩分选极差。
砂岩类型主要为长石岩屑砂岩及少量的岩屑长石砂岩[图3(a)],砂岩的成分成熟度较低。碎屑石英主要为单晶石英和少数变质成因的多晶石英,后者多出现波状消光。单晶石英颗粒含量为6%~16% (相对岩石碎屑颗粒的体积),平均为12%;多晶石英颗粒含量为1%~7%,平均为4%。长石以斜长石为主,钾长石含量少。钾长石颗粒含量为2%~10%,平均为8%,而斜长石颗粒含量为18%~30%,平均为25%。火山岩岩屑是砂岩最主要的碎屑颗粒组分[图3(b)],火山岩岩屑含量为18%~32%,平均为28%。薄片下可见不同的火成岩结构,如粗面、霏细、球粒及隐—微晶结构等。变质岩岩屑主要为变质石英岩等高级变质岩(多晶石英)岩屑和片岩、板岩、千枚岩岩屑及变质粉砂岩等低级变质岩岩屑。低级变质岩岩屑含量为2%~18%,平均为10%。沉积岩岩屑主要为泥岩、燧石。沉积岩岩屑含量小于2%,平均为0.7%。此外也见极少量的白云母碎屑,平均值为0.8%,局部达到5%。
图3 三工河组砂岩组分特征

Ⅰ为石英砂岩;Ⅱ为长石质石英砂岩;Ⅲ为岩屑质石英砂岩;Ⅳ为长石砂岩;Ⅴ为岩屑长石砂岩;Ⅵ为长石岩屑砂岩;Ⅶ为岩屑砂岩

Fig.3 Composition characteristics of sandstones in the Sangonghe Formation

3.2 成岩作用

3.2.1 压实作用

在早期机械压实阶段,随着储层埋深不断增加,岩石所受上覆地层负载也不断增加,碎屑颗粒会发生变形、错动、破碎等,使得颗粒间紧密接触,从而降低砂岩的孔隙度。薄片下可见大部分低级变质岩岩屑、蚀变火山岩岩屑、泥岩岩屑及云母碎屑沿着石英、长石等刚性颗粒发生弯曲变形,部分被挤入粒间孔隙,形成假杂基[图4(a)]。本文将这些发生明显弯曲变形的碎屑颗粒称为塑性颗粒。
图4 三工河组砂岩典型显微照片

(a)颗粒强烈压实,几乎不见孔隙发育,岩屑颗粒遭受压实弯曲,挤入粒间孔隙,形成假杂基,征3井,5 061.9 m,单片光;(b)颗粒中等压实,见原生粒间孔和溶蚀孔发育,征3井,5 106.2 m,单偏光;(c)方解石致密胶结孔隙,颗粒呈漂浮状,压实较弱,征1井,4 805.3 m,单偏光;(d)颗粒间缝合接触,为周边的石英加大提供来源,征3井,5 107.29 m,单偏光;(e)自形细晶铁白云石形成在石英加大边之前,石英胶结呈他形次生加大,征1-2井,4 798.62 m,单偏光;(f)细晶铁白云石及其晶间孔,征1井,4 791.7 m,单偏光;(g)铁方解石发育在石英加大边之后,征1-2井,4 795.91 m;(h)铁方解石交代溶蚀残余的长石骨架,征3井,5 114.11 m,单偏光;(i)铁白云石充填长石的粒内溶孔,征3井,5 063.75 m,单偏光;(j)硬石膏形成在石英加大边之后,征3井,5 065.1 m,单偏光;(k)石膏形成在石英加大边之后,征3井,5 065.1 m,单偏光;(l)铁白云石被硬石膏包裹,征1井,4 782.25 m,单偏光

Fig.4 Typical thin section images of sandstone in the Sangonghe Formation

受岩石组构和碳酸盐胶结物的影响,不同岩石表现出差异化的压实特征。在塑性颗粒含量相对多、粒度相对细的砂岩中,碎屑颗粒变形强烈,砂岩压实较彻底,镜下几乎不见孔隙发育[图4(a)];在塑性颗粒含量相对少、粒度相对粗的砂岩中,压实中等,可见原生粒间孔和粒内溶孔发育[图4(b)];在方解石致密胶结的砂岩中,颗粒呈“漂浮”状,表现出弱压实的特征[图4(c)]。
此外,局部见石英颗粒间压溶,缝合接触,且在颗粒周边有石英加大边发育。石英加大边的形成进一步占据孔隙体积[图4(d)]。

3.2.2 胶结作用

(1)碳酸盐胶结。碳酸盐胶结物广泛发育且类型丰富,有方解石、铁方解石、铁白云石和菱铁矿。局部方解石含量最高可达30%,铁白云石的含量最高可达20%。菱铁矿极少发育,含量小于1%[图5(g)]。
图5 三工河组砂岩电镜照片

(a)颗粒表面被绿泥石膜覆盖,高岭石和绿泥石共生,征3井,5 061.15 m;(b)绿泥石膜包裹的钠长石被溶蚀而绿泥石膜未被破坏,征3井,5 061.15 m;(c)石英胶结沿着颗粒表面未被绿泥石膜覆盖的区域次生加大,征3井,5 061.15 m;(d)铁白云石充填高岭石晶间孔,征3井,5 061.15 m;(e)伊利石和绿泥石的混合,征1井,4 790.15 m;(f)颗粒表面的微晶石英颗粒,征1-2井,4 812.86 m;(g)菱铁矿,征3井,5 061.15 m;(h)铁白云石形成在石英加大边之后,征3井,5 061.15 m

Fig.5 SEM images of sandstones in the Sangonghe Formation

镜下可见2种赋存状态的铁白云石:一种呈自形细晶菱形状连晶式分布,在其内部发育有晶间孔[图4(e)];另一种呈他形中—粗晶斑点状充填粒间孔隙,交代碎屑颗粒或黏土杂基,沉淀于石英加大边之后[图5(h)],也可见高岭石的晶间孔被其充填[图5(d)]。
镜下亦可见2种类型的方解石:第一种呈连晶式致密胶结全部的粒间孔隙及交代部分碎屑颗粒和杂基,骨架颗粒整体呈“漂浮”状[图4(c)],发育在压实减少大量孔隙之前;第二种为铁方解石,以中—粗晶他形斑点状充填粒间孔隙及交代部分碎屑颗粒,沉淀于石英加大边之后[图4(f)]。
通过对斑点状铁方解石和铁白云石的碳氧同位素测定(图6),结果显示其δ13C值为-6.3‰~-16‰,表明其碳来源可能与有机质成熟脱羧酸有关17,指示晚期成岩产物。
图6 三工河组碳酸盐胶结物碳氧同位素散点图

Fig.6 Scatter diagram of carbon and oxygen isotopes of carbonate cement in the Sangonghe Formation

(2)硅质胶结。硅质胶结作用普遍发育,但整体含量较低,一般在0~3%之间,局部可达到6%。主要发育在中细粒—中粒、孔隙发育的砂岩中。硅质胶结物主要以加大边的形式产出[图4(d)—图4(f),图4(j),图4(k)],常常在颗粒缝合接触处见其发育[图4(d)]。还有少量以微晶形式覆盖在颗粒表面[图5(f)]。镜下多为一级加大,沉淀于铁方解石、铁白云石以及(硬)石膏之前[图4(d)—图4(f),图4(j),图4(k)]。
(3)黏土矿物。XRD分析表明三工河组黏土矿物主要有伊/蒙混层(平均为35%),次为高岭石(平均为27%)以及绿泥石(平均为23%)和伊利石(平均为15%)(图7)。其中,伊/蒙混层中伊利石的含量高达80%,伊利石呈发丝状充填孔隙[图5(e)],高岭石以蠕虫状或书页状产出,主要分布在粒间孔隙或长石的粒内溶孔[图5(a)]。常见高岭石的晶间孔被铁白云石充填[图5(d)],表明高岭石沉淀早于铁白云石沉淀。绿泥石多呈颗粒薄膜状附着于颗粒表面,镜下可见石英颗粒表面未被绿泥石薄膜包裹的区域形成次生加大[图5(c)]。一方面说明绿泥石薄膜形成早于石英加大;另一方面反映了绿泥石薄膜对石英胶结作用的抑制18。绿泥石薄膜外常见高岭石沉淀[图5(a)],表明绿泥石薄膜形成早于高岭石沉淀。镜下亦可见绿泥石薄膜包裹的长石被溶蚀而绿泥石薄膜完好无损[图5(b)],表明绿泥石薄膜形成早于一期强溶蚀作用。
图7 三工河组XRD黏土矿物含量

Fig.7 Clay mineral content of Sangonghe Formation by XRD

(4)(硬)石膏胶结。三工河组硬石膏胶结分布广泛,含量一般在0~4%之间,局部可达到7%。镜下常见硬石膏包裹石英加大边和铁白云石[图4(j),图4(l)],表明硬石膏沉淀在铁白云石之后。此外,镜下也可见石膏胶结[图4(k)]。
根据岩石学证据[图4(j)],硬石膏形成在石英加大边之后,与晚成岩期碳酸盐胶结物同时或在其之后沉淀,属于中成岩期产物。关于这些(硬)石膏的成因是不确定的,因为侏罗系和邻近层位没有见到可为硬石膏沉淀提供SO4 2-离子的膏岩沉积物,所以SO4 2-应当来自于他源。研究区在上侏罗统沉积时期,气候炎热干燥,富含卤水沉积水体可能沿不整合面下渗(图1),这种高盐度孔隙流体有利于成岩晚期的硬石膏形成。

3.2.3 溶蚀作用

溶蚀作用广泛发育,主要发生在颗粒相对粗且杂基含量少的砂岩中。长石和岩屑等不稳定组分普遍遭受溶蚀,而胶结物几乎不发生溶蚀。颗粒遭受溶蚀后会形成粒内溶孔和铸模孔[图4(b),图4(d),图4(g)—图4(i),图5(b)],部分粒内溶孔被碳酸盐胶结物充填[图4(h),图4(i)]。

3.3 储层性质

实测储层物性数据反映(图8),三工河组砂岩储层孔隙度介于1.9%~18%之间,平均值为8.3%;渗透率为(0.01~78)×10-3 μm2,平均值为0.92×10-3 μm2。超低渗—超低孔储层占比为13.3%,特低孔—特低渗储层占比为63.5%,低渗—低孔储层占比为23.2%,三工河组砂岩储层总体属于低孔—特低渗储层,其中含油层砂岩物性整体比不含油层物性好。但无论含油层还是不含油层,物性变化范围都很大,反映出较强的非均质性特征。
图8 三工河组孔隙度—渗透率散点图

Fig.8 Scatter plot of porosity-permeability of the Sangonghe Formation

微观孔隙结构观察表明,砂岩中发育原生粒间孔[图4(b)]、粒内溶孔[图4(b),图4(d),图4(g),图5(b)]及高岭石和铁白云石晶间孔[图4(f),图5(a),图5(d)]。薄片统计反映,面孔率为0~14.63%,平均值为6.27%。其中原生粒间孔面孔率为0~10.24%,平均值为4.09%;溶蚀孔面孔率为0~5.47%,平均值为3.17%。原生粒间孔、溶蚀孔多发育在颗粒相对粗和(假)杂基含量少的砂岩中,而颗粒相对细,富含(假)杂基的砂岩仅见少量溶蚀孔和极少量原生孔隙,方解石胶结砂岩中几乎无孔隙发育。高岭石和铁白云石的晶间孔由于孔径很小(多为几微米—十几微米),很难作为油气的有效储集空间。

4 讨论

4.1 岩石相类型、特征及影响因素

储层在埋藏过程中,不同的成岩作用对储层的孔隙演化产生不同的影响。一般认为压实作用和胶结作用是储层减孔的主因,而溶蚀作用能够改善储层的质量。但是在深层,成岩作用似乎更易受到原始的碎屑颗粒组构影响,从而对不同类型的储层产生不同程度的影响。
为此,通过对三工河组砂岩岩心和微观特征分析,依据岩石学组构、成岩类型和程度及孔隙特征的差异,将三工河组砂岩分为富塑性颗粒砂岩、方解石胶结砂岩及贫塑性颗粒砂岩(表1)。
表1 三工河组不同岩石相特征总结

Table 1 Petrographic characteristics of different lithofacies in the Sangonghe Formation

岩石相 石英/% 长石/% 云母/% 岩屑/% (假)杂基/%

钙质胶结

/%

胶结物总量

/%

塑性颗粒

/%

粒径中值/mm
富塑性颗粒砂岩 6~18 30~35 0~5 48~60 5~14 0~6 0~9 35~60 0.15~0.24
方解石胶结砂岩 5~20 30~48 0~1 36~58 0~4 20~28 20~28 20~30 0.17~0.29
贫塑性颗粒砂岩 6~20 35~48 0~1 36~49 0~2 0~20 2~26 20~35 0.18~0.34

4.1.1 富塑性颗粒砂岩

富塑性颗粒砂岩主要为极细粒—细粒砂岩,粒径中值为0.15~0.24 mm[图9(a)],塑性颗粒含量较高,为35%~60%[图9(a)],(假)杂基为5%~14%,云母为0~5%。砂岩整体胶结物总量很低,含量为0~9%,可见少量的铁方解石、铁白云石、石英加大边、(硬)石膏及黏土矿物等。溶蚀孔发育程度低,含量介于0~2.8%之间,平均值为1.1%[图9(d)]。
图9 三工河组砂岩岩石学特征统计

Fig.9 Statistics of petrological characteristics of sandstone in the Sangonghe Formation

利用LUNDEGARD等19提出的压实减孔率(COPL)和胶结减孔率(CEPL)定量表征压实作用和胶结作用对储层质量的影响。
C O P L = P i - ( 100 - P i ) P m c 100 - P m c
C E P L = ( P i - C O P L ) ( C ) P m c
P mc表示粒间体积(IGV),是粒间孔隙、粒间胶结物和沉积杂基总和,能够很好地反映碎屑岩储层遭受的机械压实程度18;原始孔隙度P i= 20.91+22.90/S O 20,三工河组砂岩P i≈40%[图10(a)];C是砂岩总的胶结物体积。
图10 三工河组砂岩分选系数与原始孔隙度散点图(a)和压实减孔率与胶结减孔率散点图(b)

Fig.10 Scatter plot of sorting coefficient and original porosity(a), compaction porosity reduction and cementation porosity reduction(b) of sandstone in the Sangonghe Formation

COPLCEPL图[图10(b)]表明,砂岩的COPL值为35%~40%,CEPL值介于0~5%之间,整体表现为强压实、弱胶结、弱溶蚀的特点。因此,强压实作用是导致该类砂岩物性变差的主因。

4.1.2 方解石胶结砂岩

方解石致密胶结砂岩主要为极细粒—中粒砂岩,平均粒径为0.17~0.29 mm[图9(a)],塑性颗粒含量较低,含量为20%~30%。方解石呈连晶式胶结孔隙,含量为20%~28%。镜下不见溶蚀孔发育[图9(d)]。
COPLCEPL图[图10(b)]表明,砂岩的CEPL值为20%~28%,COPL值为10%~20%,整体表现为强胶结、弱压实、弱溶蚀的特点。因此,强胶结作用是导致该类砂岩物性变差的主因。

4.1.3 贫塑性颗粒砂岩

贫塑性颗粒砂岩主要为中—细粒砂岩,粒径中值为0.18~0.34 mm[图9(a)]。塑性颗粒含量较低,为20%~35%。胶结物主要包括铁方解石、铁白云石、石英加大边、(硬)石膏及黏土矿物,类型丰富,但总量较低,为2%~12%,局部含细晶铁白云石,含量主要为9%~13%[图9(b)]。尽管这类含细晶铁白云石的样品镜下孔隙发育程度不如不含铁白云石的贫塑性颗粒砂岩样品,但也远比其他2类要好得多。整体上,无论贫塑性颗粒砂岩含细晶铁白云石与否,其整体成岩致密化过程是相似的。镜下常见长石和岩屑颗粒被溶蚀形成次生溶孔[图4(b),图4(d),图4(g)—图4(i),图5(b)],次生面孔率介于0.5%~5.8%之间[图9(d)]。
COPLCEPL图[图10(b)]表明,砂岩整体COPL值为25%~35%,CEPL值为2%~10%,局部富集细晶铁白云石,导致CEPL值为10~22%,COPL值为15%~28%,整体表现为中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀特点。因此,中等程度的压实、弱—中等程度的胶结及强溶蚀作用使得该类砂岩物性较好,形成了深层最有利的储集岩。

4.2 不同岩石相的差异成岩演化

研究区三工河组现今埋深为4 800~5 000 m,井底温度为120 oC,伊/蒙混层中蒙脱石的含量为20%(图8),泥岩实测镜质体反射率R O值为1.3%,综合认为现今储层处于中成岩A期阶段。根据主要胶结矿物之间的赋存关系,结合三工河组埋藏热史,讨论了成岩演化序列。由于不同岩石相遭受的成岩作用不同,其成岩演化也表现出很大的差异性(图11图12)。
图11 三工河组不同岩石相成岩演化序列

Fig.11 Diagenetic evolution sequence of different lithofacies in the Sangonghe Formation

图12 三工河组不同岩石相成岩演化模式

Fig.12 Diagenetic evolution model of different lithofacies in the Sangonghe Formation

早成岩A期(大致埋深为0~2 200 m):研究区先后经历了早期快速浅埋,中期抬升遭受剥蚀,晚期快速埋藏。储层普遍遭受机械压实作用和大气淡水的淋滤。相对细粒的、杂基含量多的富塑性颗粒砂岩,由于抗压实能力弱,大量塑性颗粒弯曲变形或被挤入粒间孔隙中形成假杂基,导致砂岩大量减孔(图12)。而相对粗粒的、杂基含量少的贫塑性颗粒砂岩,由于其抗压实能力远远大于富塑性颗粒砂岩,局部富集的大量早期细晶铁白云石进一步增强了其抗压实能力,在早成岩期能够保留大量的原生孔隙(图12),更容易接受后期成岩流体和酸性流体的改造。绿泥石以薄膜状包裹碎屑颗粒(图11)。在近地表的条件下,受大气淡水的淋滤作用,部分不稳定的长石和岩屑发生溶蚀,形成早期高岭石(图11)。这期溶蚀作用由于发生在早期,形成的溶蚀孔在随后的继续压实过程中大部分遭受到破坏,所以其对储层质量的改善意义较小。推测镜下观察到的溶蚀现象大部分与晚期溶蚀有关,其明显改善了储层质量。
方解石胶结砂岩中方解石呈连晶式充填孔隙或交代碎屑颗粒,占据相当大的粒间孔隙体积,导致储层致密化(图12)。镜下观察到颗粒多呈“漂浮”状,岩屑相比于其他2类砂岩变形程度弱,IGV值在14%~33%之间,平均值为25%。这些岩石学证据表明,这种方解石形成于强烈的压实作用前。
早成岩B期(埋深为2 200~3 000 m):三工河组从快速埋藏逐渐过渡到缓慢深埋阶段,埋深加大,压实作用进一步增强。其中,富塑性颗粒砂岩孔隙不断损失,储层近一步致密化(图12),而方解石胶结砂岩在早成岩期就致密化。因此,后期成岩流体和酸性流体难以改造。反观贫塑性颗粒砂岩,由于其内部保存部分空隙,各类流体—岩石反应比较活跃。随着埋深加大,地温升高,蒙脱石开始脱水向伊/蒙混层转化(图11)(蒙脱石向伊/蒙混层转化的深度范围在1 200~3 500 m之间21)。蒙脱石的转化伴随有硅质析出,为储层的石英加大边和微晶石英提供来源。随后,储层又经历了一期较强的溶蚀作用,这期溶蚀作用可以通过一些岩石学证据佐证。镜下可见长石或岩屑的溶蚀孔被碳酸盐胶结物充填[图4(i)]、被绿泥石薄膜包裹的长石发生溶蚀而颗粒薄膜未被破坏[图5(b)]。如果这些微观现象形成于浅埋藏阶段,则大部分会因压实作用而遭受破坏。
中成岩A期(埋深3 000~5 000 m):研究区进入缓慢深埋阶段,此阶段机械压实作用逐渐转为化学压实。富塑性颗粒砂岩和方解石胶结砂岩均已致密化(图12),而贫塑性颗粒砂岩受晚期溶蚀作用的影响,其内部仍保留部分原生孔和新生的溶蚀孔,依然会发生多种岩石—流体作用(图12)。石英颗粒在垂直有效应力的作用下发生压实溶解析出硅离子,为石英的次生加大提供来源(图11)。同时 在高温条件下,伊/蒙混层大量转化为伊利石,此过程也伴随石英加大边的形成。晚期铁方解石、铁白云石及石膏沉淀并充填孔隙(图11)。部分石膏在高温下脱水形成硬石膏,硬石膏是该阶段最终产物(图11)。

4.3 岩石相—沉积微相的空间组合模式

研究区储层埋深较大,整体储层质量较差,但是其物性分布却表现出极强的非均质性(图7)。通过上述讨论发现,储层强非均质性与不同岩石相的差异成岩演化导致储层孔隙差异演化有关。富塑性颗粒砂岩经历了强压实、弱胶结、弱溶蚀;方解石致密胶结砂岩经历了强胶结、弱压实、弱溶蚀(图12),因此这2种砂岩整体物性较差。贫塑性颗粒砂岩经历了中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀(图12),因而该类砂岩物性较好,形成深层的有效储层。然而这种分析只是停留在表象,并没有深入剖析其内因,对于预测深层有效储层没有实质帮助。
正如图9所展现的相关统计结果,整体砂岩粒径的大小与砂岩塑性颗粒的含量、总胶结体积、孔隙度及次生面孔率之间存在紧密联系(图9),受上述一系列因素影响,共同形成了多样的岩石相类型。同时,整体砂岩粒径的变化在空间上反映了原始沉积水动力的强弱,在垂向上体现了不同沉积微相间的递变,同时在测井曲线上也呈现出不同的响应特征。因此,通过对比连续取心砂岩的岩石相与沉积微相的对应关系(图13),分析不同岩石相的测井响应特征,深入挖掘其内在关联性,讨论了岩石相—沉积微相的组合模式。
图13 三工河组砂岩组构、孔渗性、沉积相与岩石相综合剖面

Fig.13 Comprehensive profile of sandstone fabric, porosity and permeability, sedimentary facies and lithofacies of Sangonghe Formation

富塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的上部、河口坝的下部及席状砂。测井响应特征整体呈现出“中高GR、中高AC”的特征。这类微相代表较弱的沉积水动力环境,砂岩粒度整体相对较细,成分成熟度较低。受成岩阶段早期机械压实作用的影响,塑性颗粒大量变形或形成假杂基,导致储层致密化。因而,这类砂岩是无效储层,岩心中绝大多数未见油气显示。
方解石致密胶结砂岩与沉积水动力的关系不是很明确,在分流河道的上部和下部及分流间湾微相中均有分布,但多数属于极细粒—细粒砂岩。测井响应特征整体表现为“低GR、低AC”,该类砂岩整体厚度较薄且分布局限,局部可能呈连片式发育。
贫塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的中下部及河口坝的中上部。测井响应特征整体表现为“中低GR、中低AC”,这些微相代表强的沉积水动力环境,砂岩整体粒度偏粗,成分成熟度较高。该类砂岩在现今具有最好的物性,大多数见到油气显示的层段均由该类砂岩组成。

5 结论

(1) 准噶尔盆地中部征沙村地区下侏罗统三工河组砂岩粒度主要从极细粒到中粒变化。砂岩为长石岩屑砂岩及极少量的岩屑长石砂岩,火山岩岩屑是最主要的碎屑颗粒组分。依据岩石学组构和成岩作用差异,可将储集砂岩主要划分为富塑性颗粒砂岩、方解石胶结砂岩和贫塑性颗粒砂岩。
(2) 富塑性颗粒砂岩主要为极细粒—细粒砂岩,富含(假)杂基,压实非常强烈,COPL值普遍在35%以上。方解石致密胶结砂岩中方解石几乎占据全部的粒间孔隙体积,CEPL值均大于22%。这2类岩石相物性均较差。贫塑性颗粒砂岩主要为中—细粒砂岩,杂基含量少,该类砂岩经历了中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀,其COPL值介于15%~35%之间,CEPL值为2%~22%,次生面孔率为0.8%~5.7%。由于成岩阶段早期压实作用和胶结程度低,不但能保留原生孔隙,亦能遭受后期深埋阶段的酸性流体改造,形成了深层物性较好的有效储集岩。
(3)不同类型岩石相与沉积微相间存在着垂向上的对应关系。富塑性颗粒砂岩沉主要沉积于三角洲前缘相分流河道的上部、河口坝的下部及席状砂;方解石胶结砂岩在分流河道的上部和下部及分流间湾均有分布;贫塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的中下部及河口坝的中上部。这种岩石相—沉积微相空间组合模式为预测深部有效储层的分布提供了方向。
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