Pore evolution characteristics and distribution of favorable reservoir area of the Upper Permian Wujiaping Formation in the Northwestern Sichuan

  • Min-xing LI , 1, 2 ,
  • Hai-zhou QU , 1, 2 ,
  • Qi ZENG 3 ,
  • Hong YIN 3 ,
  • Yun-feng ZHANG 1, 2 ,
  • Mao-yao LIU 1, 2 ,
  • Yan-feng LI 1, 2
Expand
  • 1. School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
  • 2. Branch of Deposition and Accumulation,PetroChina Key Laboratory of Carbonate Reservoir,Chengdu 610500,China
  • 3. Branch of Chuanxibei Gas Field,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Jiangyou 621700,China

Received date: 2019-07-04

  Revised date: 2020-08-07

  Online published: 2020-11-25

Highlights

Through the study of a large number of cores, slices, scanning electron microscopes, well logs and physical properties, the petrological characteristics, pore characteristics, pore diagenesis and evolution characteristics of the pyroclastic rocks of Wujiaping Formation in northwestern Sichuan were analyzed. On this basis, favorable reservoirs lithology distribution was studied. The pyroclastic rocks of Wujiaping Formation mainly include tuff, tuffite, tuff mudstone and tuff siltstone, etc., which are mainly distributed in the Wu 2 Member, while the distribution of Wu 1 Member and Wu 3 Member is less. Due to the effects of devitrification, dissolution, cementation, replacement and compaction, pyroclastic rocks mainly develop shrinkage pores, intergranular dissolution pores, and intragranular dissolution pores. In the early diagenetic stage A, devitrification promotes the development of shrinkage pores, thereby increasing the porosity; in the early diagenetic stage B, cementation and compaction cause the porosity to decrease; when entering the mid-diagenetic stage A, the metasomatism reduces the porosity slightly. The porosity of pyroclastic rocks as a whole is characterized by high porosity, and thickness of layer of pyroclastic reservoir is from 1.3 m to 60.9 m. The total thickness of the reservoirs varies greatly. The favorable reservoir areas are mainly concentrated in Shuangyushi-Longgangxi areas, which is a favorable exploration target in the study area.

Cite this article

Min-xing LI , Hai-zhou QU , Qi ZENG , Hong YIN , Yun-feng ZHANG , Mao-yao LIU , Yan-feng LI . Pore evolution characteristics and distribution of favorable reservoir area of the Upper Permian Wujiaping Formation in the Northwestern Sichuan[J]. Natural Gas Geoscience, 2020 , 31(11) : 1574 -1584 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.08.009

0 引言

随着永探1井火成岩油气勘探获得突破,获得22.5×104 m3/d高产工业气流,四川盆地火成岩储层地质研究开始受到极大关注1-4。研究区吴家坪组油气勘探始于2005年,在九龙山地区的龙17井测试获气3.31×104 m3/d5,之后多个井位均获得良好显示;在元坝地区元坝29井测试获得103×104 m3/d的高产油气流6。受中晚二叠世火山活动的影响,研究区沉积了一定厚度的以凝灰岩为主的火山碎屑岩7-12,元坝7井在中二叠统茅口组的沉凝灰岩中发现优质油气储集层13,与灰岩一起测试获得105.9×104 m3/d的高产油气流。
这些均表明了火山碎屑储集层具有良好的勘探潜力,但前人针对研究区吴家坪组的研究多侧重于碳酸盐岩方面,而对火山碎屑岩的研究尚处于早期研究阶段,资料不够齐全,研究程度较低,不能满足现在勘探开发的需求。因此,在前人研究的基础上开展吴家坪组火山碎屑岩的岩石特征、孔隙特征、孔隙演化及有利储集区分布等研究,对于下一步勘探有重要的指导意义。

1 地质背景

四川盆地西北部(川西北部)处于四川盆地西部的川北坳陷低缓带、龙门山断褶带14图1),包括双鱼石、元坝、九龙山等地区15-17。晚二叠世早期,雅安—峨眉的康滇古陆地垒区的火山喷发形成了巨厚的峨眉山玄武岩18-19,向北至眉山一带为富含火山碎屑物质的宣威组碎屑岩类,至研究区所在的江油—广元一带则以碳酸盐岩沉积为主,更靠西北的旺苍等地则为拉张性深水地堑区20-21。吴家坪组沉积时期,主要经历了东吴运动和峨眉山地裂运动,在东吴运动的区域拉张背景下,基底断裂活动强烈,火山物质大量喷发22-23。因此,受到该时期火山碎屑物质注入的影响,研究区吴家坪组碳酸盐岩中夹多套凝灰岩、沉凝灰岩等火山碎屑岩24-25
图1 川西北部研究区地理位置

Fig.1 Geographical location of northwestern Sichuan

依据岩性、电性等变化特征,将吴家坪组自下而上划分为吴一段、吴二段、吴三段,川西北地区上二叠统吴家坪组沉积相经历了早期滨岸沼泽—缓坡—台地的变化26

2 岩石学特征

2.1 岩石类型

由于研究区吴家坪组早—中期存在多期火山喷发,纵向上发育多套中酸性火山碎屑岩以及向沉积岩转变的过渡岩类,按火山碎屑物质含量及成岩方式可以分为正常火山碎屑岩、沉火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩3个亚类27表1)。该地区正常火山碎屑岩类以凝灰岩为主,沉火山碎屑岩以沉凝灰岩为主,火山碎屑沉积岩类以凝灰质泥岩、凝灰质粉砂岩为主,后面2类岩石成层构造明显。局部可见少量的生屑,生屑类型包括骨针、有孔虫等,部分生屑内部存在硅化现象,整体具有高伽马、高声波时差、低电阻的特征。
表 1 川西北部吴家坪组火山碎屑岩分类

Table 1 Classification of pyroclastic rocks of Wujiaping Formation in northwestern Sichuan

类型 岩石 成分 沉积构造
正常火山碎屑岩类 凝灰岩 火山碎屑物质>90%,粒径小于0.01 mm 层状构造不明显
沉火山碎屑岩类 沉凝灰岩 火山碎屑物质>50%,陆源碎屑<50%

成层构造明显

火山碎屑沉积岩类 凝灰质泥岩 黏土矿物>50%,火山碎屑物质>10%
凝灰质粉砂岩 粉砂岩>50%,火山碎屑物质>10%
凝灰岩主要由岩屑、晶屑和玻屑组成,火山碎屑物质含量大于90%,根据成分又可分为晶屑凝灰岩和玻屑凝灰岩。晶屑主要包括一些长石晶屑和石英晶屑,多为次棱状28图2(a),图2(b)]。长石可看到双晶结构,半自形,粒径介于0.05~0.1 mm之间,部分斜长石晶形边缘被熔蚀,呈港湾状,石英晶屑多为次棱角状或者边界部分被熔蚀形成港湾状。另外,玻屑性质不稳定,易通过脱玻化作用转化为其他矿物,边缘不规则,形状多样,呈弓形、镰刀形、月牙形、棱角状等,在正交光下全消光[图2(c),图2(d)]。研究区凝灰岩矿物成分中晶屑含量较多,约在50%~60%之间。
图2 川西北部吴家坪组火山碎屑岩

(a)晶屑凝灰岩,斜长石可见解理,LT2井,5 973.76 m,单偏光;(b)晶屑凝灰岩,LT2井,5 973.76 m,正交光;(c)玻屑凝灰岩,LT2井,5 977.7 m,单偏光;(d)玻屑凝灰岩,玻屑全消光,LT2井,5 977.7 m,正交光;(e)沉凝灰岩,见凝灰结构,LT2井,5 977.9 m,单偏光;(f)沉凝灰岩,见凝灰结构,LT2井,5 977.9 m,正交光;(g)凝灰质粉砂岩,第20层顶部,坪上剖面,单偏光;(h)凝灰质泥岩,ST1井,6 725 m,单偏光;(i)凝灰质泥岩,ST1井,6 725 m,正交光

Fig.2 Pyroclastic rocks of Wujiaping Formation in northwestern Sichuan

沉凝灰岩由火山碎屑物和沉积碎屑物组成,火山碎屑含量在50%~90%之间[图2(e),图2(f)]。火山碎屑成分有晶屑、玻屑和一些黏土矿物,晶屑形状多为次棱状,玻屑可见镰刀状,而黏土矿物大部分由火山碎屑蚀变而成。
凝灰质泥岩、凝灰质粉砂岩等是由火山碎屑物和沉积碎屑物组成,火山碎屑含量在10%~50%之间,火山碎屑成分主要以晶屑为主,晶屑大多呈棱角状,磨圆分选差[图2(g)—图2(i)]。沉积碎屑物主要以粉砂岩、泥岩等细粒沉积物为主,磨圆和分选度相对晶屑较好。

2.2 岩性分布

结合研究区的地质背景及连井对比,发现吴家坪组火山碎屑岩主要分布于吴二段,在吴一段、吴三段中分布较少。由于川西北地区在吴二段沉积时期受到龙门山构造作用的影响,断层进一步拉张形成三方断裂夹持的断块,断层附近的地层下降形成深水环境。同时,吴二段沉积时期发生多期火山喷发,火山灰易沉降在安静水体中,断层附近井沉积的火山碎屑厚度较其他井明显增厚。以断层附近的SY001-1井、LG70井为例,LG70井的火山碎屑岩主要分布在吴二段,岩性为凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质泥岩,而吴三段可见少量凝灰质泥岩;SY001-1井仅吴二段发育火山碎屑岩,岩性为沉凝灰岩和凝灰质泥岩29图3)。
图3 ST9井—ST8井—坪上剖面—ST3井—SY001-1井—LG70井—YB7井—L104井—WJ1井地层对比(据文献[29]修改)

Fig.3 Stratigraphic comparison of Wells ST9-ST8-Pengshang Section-Wells ST3-SY001-1-LG70- YB7-L104-WJ1(modiefied from Ref.[29])

3 孔隙特征

3.1 孔隙类型

根据岩心、显微薄片等综合分析和统计,火山碎屑岩孔隙可分为原生孔与次生孔,其中原生孔隙为收缩孔,次生孔隙包括粒内溶孔、粒间溶孔。
(1)脱玻化孔:由于玻屑成分不稳定,易向一些矿物晶体(如钠长石、斜长石等)转化,导致体积变小而形成的收缩孔[图4(a)]。此外,在脱玻化过程中,遇酸性流体还可发生溶蚀作用而转化为次生溶蚀微孔,两者难以区分,因此统称为脱玻化孔30-31
图4 川西北部吴家坪组火山碎屑岩孔隙类型

(a)红色箭头处见收缩孔,沉凝灰岩,LT2井,5 973.3 m,单偏光;(b)铸模孔,后期被有机质充填,凝灰岩,LT2井,5 975.5 m,单偏光;(c)粒间溶孔、粒内溶孔、生物体腔孔,沉凝灰岩,见骨针、有孔虫,坪上剖面第20层,单偏光;(d)粒间溶孔,凝灰岩,LT2井,5 986.02~5 986.28 m,扫描电镜;(e)粒内溶孔,沉凝灰岩,LT2井,5 985.75~5 985.84 m,扫描电镜

Fig.4 Pore types of pyroclastic rocks of Wujiaping Formation in northwestern Sichuan

(2)粒间(内)溶孔:由于内部含有较多玻屑、长石晶屑等不稳定矿物成分,在后期易发生溶蚀,在颗粒间或颗粒内部形成孔隙,而当颗粒完全溶蚀仅留下轮廓时则形成铸模孔[图4(b)—图4(e)]。研究区火山碎屑岩溶蚀孔隙形态多为不规则状至椭圆状,分布较广,孔径变化较大,约为0.01~0.5 mm。部分孔隙周围还可见黑色有机质侵染,沉凝灰岩中发育有孔虫等生屑,生屑体腔内部被溶蚀,后期被沥青半充填,面孔率约为15%[图4(c)]。

3.2 成岩作用

研究区火山碎屑岩的成岩作用包括脱玻化作用、压实作用、胶结作用、交代作用、溶蚀作用。脱玻化作用和凝灰质的溶蚀作用是火山碎屑岩特有的有利于孔隙形成的成岩作用类型,而压实作用、胶结作用及交代作用则会堵塞前期残留下的孔隙。
(1)脱玻化作用:研究区脱玻化作用是指火山碎屑岩中的火山玻璃经历重结晶,形成雏晶和微晶的过程32,同时伴随着矿物体积缩小而形成一些收缩孔,或者在粒间形成一些微小的孔隙[图4(a)]。脱玻化作用可以从埋藏前的环境,一直持续到浅埋藏环境33
(2)压实作用:当进入埋藏环境中,地层开始受到压实作用影响,晶屑、玻屑以及其他矿物之间接触关系变得紧密,呈嵌晶接触,或者在沉凝灰岩中可以看到火山碎屑物质呈定向排列[图5(a),图5(b)]。
图5 川西北部吴家坪组火山碎屑岩成岩作用

(a)沉凝灰岩,颗粒定向排列,LT2井,5 973.3 m,单偏光;(b)沉凝灰岩,颗粒定向排列,LT2井,5 973.3 m,正交光;(c)沉凝灰岩,黏土矿物胶结物,LT2井,5 988.9 m,单偏光;(d)伊利石胶结物,呈细鳞片状,LT2井,5 982.5~5 982.72 m,扫描电镜;(e)沉凝灰岩,红圈内为碳酸盐矿物胶结物,LT2井,5 982.2 m,单偏光;(f)沉凝灰岩,红圈内为碳酸盐矿物胶结物,LT2井,5 982.2 m,正交光;(g)沉凝灰岩,粒间溶孔,LT2井,5 987.65 m,单偏光;(h)玻屑凝灰岩,红圈内为菱形碳酸盐矿物交代玻屑,LT2井,5 972.6 m,单偏光;(i)玻屑凝灰岩,红圈内为菱形碳酸盐矿物交代玻屑,LT2井,5 972.6 m,正交光

Fig.5 The diagenesis of pyroclastic rocks of Wujiaping Formation in northwestern Sichuan

(3)胶结作用:研究区内胶结作用发生在沉凝灰岩和凝灰质泥岩中,胶结物主要有黏土矿物和碳酸盐矿物2种类型。黏土矿物通常充填于粒间孔隙,由于火山碎屑物质经过水解作用,在碱性地层水的影响下易形成蒙脱石等黏土矿物;而蒙脱石在埋藏环境中,随着温度和流体性质的变化可以向伊/蒙混层转变34-35图5(c),图5(d)]。另外,研究区火山碎屑岩中也常见到菱形碳酸盐胶结物充填于孔隙中,在正交光下表现为彩色[图5(e),图5(f)]。
(4)溶蚀作用:火山碎屑岩内部不稳定物质发生变化时,则易发生溶蚀作用。研究区溶蚀作用主要发生在沉凝灰岩中。坪上剖面第20层中可以见到玻屑内部被溶蚀,形成椭圆状的孔隙[图4(c)];LT2的沉凝灰岩镜下可见晶屑边缘被溶蚀,形成港湾状,或者从颗粒内部溶蚀,在颗粒中形成斑点状的溶蚀现象[图5(g)]。
(5)交代作用:研究区交代作用是由火山碎屑岩在成岩后期地层水对岩石的作用产生的,也是破坏岩石孔隙的重要因素之一32。成岩后期地层水富含火山碎屑岩带来的Ca、Mg离子,利于碳酸盐矿物交代晶屑或玻屑[图5(h),图5(i)],或者是白云石交代方解石,两者都易堵塞之前形成的孔隙。

4 孔隙演化

根据成岩作用类型及矿物的共生组合,研究区火山碎屑岩经历了早成岩阶段A、B期和中成岩阶段A期,随着埋藏深度逐渐加深,其孔隙的演化过程如下(图6):
图6 川西北部吴家坪组火山碎屑岩孔隙演化

Fig.6 Pore evolution of pyroclastic rocks in Wujiaping Formation in northwestern Sichuan

(1)早成岩阶段A期:浅埋藏时期火山碎屑岩经历了压实作用和脱玻化作用,孔隙多以原生粒间孔隙为主,受到脱玻化作用可以形成一些收缩孔隙和少量溶蚀微孔,而压实作用使颗粒间多为点接触,同时出现少量的方解石胶结。
(2)早成岩阶段B期:压实作用逐渐加强,颗粒之间接触变得紧密,而胶结作用表现为随着埋藏加深,受到水化作用更为明显,矿物转变为一些黏土矿物充填在孔隙中;或者含钙质的流体进入到粒间孔隙中并沉淀下来,形成的碳酸盐矿物胶结部分孔隙,导致孔隙在该阶段大幅度减少。
(3)中成岩阶段A期:压实作用使颗粒间接触关系变为线接触,同时有机质开始成熟,火山碎屑物质极易发生溶蚀作用,被碳酸盐胶结物和黏土胶结物包绕的晶屑多从内部开始溶蚀形成粒内溶孔,而未被胶结的晶屑则从矿物边界发生溶蚀,形成边界呈港湾状的粒间溶孔,溶蚀作用使孔隙度提高。此外,受交代作用的影响,开始出现少量白云石晶体。

5 有利储集区分布

选取典型井LG70井、ST1井、SY001-1井、ST10井及L104井,通过对典型井吴家坪组的测井解释结果分析可知,火山碎屑岩储层总厚度较大,主要分布于吴二段。孔隙发育较好,孔隙度介于2.2%~7.3%之间,平均孔隙度约为5.7%,渗透率介于(0.004~0.008)×10-3 μm2之间,平均渗透率约为0.005 9×10-3 μm2,整体储层具有中孔低渗的特征,测井解释成果以气层为主(表2)。
表2 吴家坪组典型井火山碎屑岩储层统计

Table 2 Statistical tables of pyroclastic rock reservoirs of typical wells in Wujiaping Formation

井名 深度范围/m 厚度/m 孔隙度/% 渗透率/(10-3 μm2 储能系数 储层评价 岩性 层位
LG70井 7 068.5~7 103.4 32.9 7.3 0.006 3.6 气层 凝灰岩 吴二段
7 108.5~7 118.9 8.6 4.8 0.005 1 气层 凝灰质粉砂岩 吴二段
7 134.2~7 156.1 19.1 5.6 0.005 9 气层 沉凝灰岩夹生屑泥晶灰岩 吴二段
ST1井 6 723.9~6 761.7 35.5 7.7 0.007 5 2.7 气层 沉凝灰岩夹泥晶凝灰质灰岩 吴二段
SY001-1井 6 792.8~6 864.8 49.9 8.9 0.008 4.4 气层 沉凝灰岩、凝灰质泥岩 吴二段
ST10井 7 061.9~7 071.3 3 3.2 0.004 9 0.1 差气层 沉凝灰岩 吴一段
L104井 6 196.4~6 202.5 1.3 2.2 0.004 0.03 含水层 凝灰质粉砂质泥岩 吴二段
川西北部吴家坪组火山碎屑岩类储层的单层厚度较薄,总厚度变化大,整体连续性一般。通过坪上剖面—L104井储层对比(图7,火山碎屑岩储层用黄色表示)可知,横向上由南西至北东向,吴家坪组火山碎屑岩储层厚度变化较大。从南西向开始,坪上剖面与ST10井分别在吴三段、吴一段发育薄层火山碎屑岩储层;随后ST1井吴二段储层厚度陡增,至LG70井达最大,约为60.6 m;最后向北东向减薄。同时,结合研究区火山碎屑岩储层的储能系数(储能系数=储层厚度×平均孔隙度)分布情况表明,储能系数在ST1井—LG70井处较大(图8)。因此,研究区的有利储集区主要分布在双鱼石—龙岗西一带。
图7 川西北地区吴家坪组典型井储层对比

Fig.7 Reservoir contrast diagram of Wujiaping Formation in the northwestern Sichuan

图8 川西北地区吴家坪组火山碎屑岩储能系数平面分布特征

Fig.8 Plane distribution map of tuff thickness of Wujiaping Formation in the northwestern Sichuan

6 结论

(1)川西北地区吴家坪组火山碎屑岩主要包括凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质泥岩等,火山碎屑岩主要分布于吴二段,吴一段、吴三段分布较少。
(2)孔隙类型主要包括脱玻化收缩孔、粒间溶孔、粒内溶孔,其发育受到了脱玻化、压实、胶结、溶蚀、交代等多种成岩作用的影响。孔隙演化过程经历了早成岩阶段A、B期以及中成岩阶段A期,脱玻化与溶蚀作用对孔隙起建设作用,而压实、胶结及交代作用则对孔隙起破坏作用。
(3)火山碎屑岩储层厚度介于1.3~60.6 m之间,变化较大,平均孔隙度约为5.7%,平均渗透率为0.005 9×10-3μm2,具有中孔低渗的特征。该类储层厚度在ST1井—LG70井最厚,有利储集区主要集中在双鱼石—龙岗西一带。
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Outlines

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