作者简介:于春勇 高级工程师,1989年生,2019年毕业于西北大学地质学系矿产普查与勘探专业,博士学位,现在中国石油渤海钻探第一录井公司地质研究中心主要从事石油地质储层、沉积、成藏及异常压力等方面的研究工作。通信地址:300280 天津市大港油田团结东路渤海钻探第一录井公司。电话:15801336959。E-mail:444104901@qq.com
苏里格合作区块上古生界山1-盒8段砂岩储层埋深大、致密化程度高,其复杂多样的成岩作用贯穿整个沉积历史,强烈的成岩改造导致储层产能差异化显著,明确其成岩作用类型及成岩演化序列是该区天然气勘探开发亟待解决的关键问题之一。通过镜下薄片、扫描电镜、阴极发光、X射线衍射(XRD)等方法分析化验资料,对苏里格合作区块上古生界山1-盒8段砂岩储层岩石学特征、成岩作用类型与阶段、成岩演化序列进行了系统分析。研究结果表明:山1-盒8段储层主要发育岩屑质石英砂岩和岩屑砂岩,其成分、结构和成熟度均相对较高;压实、胶结、溶蚀、交代作用是影响储层物性的4种主要成岩作用类型,溶蚀与交代作用促进了低孔低渗背景下相对优质储层的形成,压实与胶结作用则是储层致密化的主要原因;山1-盒8段砂岩储层目前处于成岩阶段的中成岩B期,成岩演化序列为:早期机械压实→石英Ⅰ期加大→粒间高岭石交代石英加大边→溶蚀作用→少量自生石英、伊利石胶结→局部石英Ⅱ期加大→铁白云石交代石英,铁方解石胶结、交代→少量长石、方解石溶蚀。基于此建立的成岩演化序列为预测致密砂岩储层甜点提供了科学依据。
The sandstone reservoir of the Upper Paleozoic Shan 1-He 8 Member in the Sulige Cooperation Block is deeply buried and highly densified. Its complex and diverse diagenesis runs through the entire sedimentary history and the strong diagenetic transformation leads to significant difference in reservoir productivity. Defining its diagenetic type and diagenetic evolution sequence is one of the key issues to be solved urgently in the exploration and development of natural gas in the area. Through microscopic thin section, scanning electron microscope, cathodoluminescence, X-ray diffraction and other analysis and analysis data, the petrological characteristics, types and stages of diagenesis and diagenetic evolution sequence of sandstone reservoirs in Shan 1-He 8 Member of Upper Paleozoic in Sulige Cooperation Block are systematically analyzed. The results show that:(1)The reservoir of Shan 1-He 8 member mainly develops lithic quartz sandstone and lithic sandstone, with relatively high composition and structural maturity;(2)Compaction, cementation, dissolution and metasomatism are the four main diagenesis types that affect the physical properties of the reservoir. Dissolution and metasomatism promote the formation of relatively high-quality reservoirs under the background of low porosity and low permeability. Compaction and cementation are the main reasons for the compaction of the reservoir;(3)The sandstone reservoir of Shan 1-He 8 Member is currently in the middle diagenetic stage B of diagenetic stage, and the diagenetic evolution sequence is summarized as follows: early mechanical compaction→quartz phase I enlargement→intergranular kaolinite metasomatism quartz enlargement edge→dissolution→a small amount of authigenic quartz, illite cementation→local quartz phase Ⅱ enlargement→ferrodolomite metasomatism quartz→ferrocalcite cementation, metasomatism→a small amount of feldspar, calcite dissolution. Based on this, the established diagenetic evolution sequence provides a scientific basis for predicting the sweet spots of tight sandstone reservoirs.
随着全球油气资源勘探程度的不断加深, 非常规油气资源逐渐成为我国勘探开发的新趋势[1, 2, 3, 4]。苏里格气田作为我国能源结构转型布局中的典型致密气田, 其天然气资源极为发育, 已探明天然气地质储量64× 1012 m3, 剩余基本探明储量3.13× 1012 m3, 且2022年天然气年总产量突破300× 108 m3大关[5]。已有众多学者围绕该地区做了大量相关研究:付金华等[5]研究认为苏里格地区主要发育构造平缓、强水动力且多源供砂的大型“ 敞流型” 三角洲沉积体系, 为大型岩性气藏的形成奠定了良好地质基础; 李文厚等[6, 7]研究发现优质储层主要发育于河流相砂体、心滩和边滩相带, 废弃河道、决口扇及天然堤相带储层物性则相对较差; 王峰等[8]认为物源、沉积环境、成岩作用等是导致苏里格地区盒8段、山1段储层物性差异化显著的主要原因; 惠威等[9, 10, 11]认为成岩作用控制了盒8段、山1段砂体储层孔隙发育程度; 刘锐娥等[12]发现凝灰质、不稳定碎屑和填系物溶蚀作用形成的次生孔隙是影响储层物性的主控因素。
整体而言, 前人主要针对苏里格地区的地层沉积、储层物性等做了大量系统的研究, 成岩作用作为影响该地区储层孔渗发育程度的关键因素则研究的相对较少。因此, 开展成岩作用及成岩演化序列研究对于孔隙形成机理、储层分类评价、有效储层预测及地质甜点评价均具有十分重要的意义。
鉴于上述原因, 本文以苏里格合作区块苏76、苏25区块为例, 拟通过镜下薄片、扫描电镜、阴极发光及X射线衍射(XRD)等分析化验资料, 对该地区上古生界山1-盒8段砂岩储层岩石学特征、成岩作用类型与成岩演化序列进行深入探讨与分析, 建立研究区成岩演化序列模式, 进而为预测苏里格合作区块致密砂岩储层甜点提供科学依据。
鄂尔多斯盆地横跨陕、甘、宁、蒙、晋5省, 地处华北地区西部, 为一矩形状展布的复合型克拉通盆地[13], 根据构造特征, 又可划分为渭北隆起、伊盟隆起、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、西缘冲断带6个二级构造单元[14]。苏里格气田北邻伊盟隆起, 西靠近天环坳陷, 主要天然气资源区位于伊陕斜坡中北部, 总体面积可达4× 104 km2。苏76和苏25区块分别位于苏里格气田东北部、北部东侧, 行政区分别隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗和乌审旗, 区域面积合计1 518 km2, 有利勘探面积达936.7 km2, 天然气总资源量高达11.29× 108 m3(图1)。
研究区主力产气层段为上古生界石盒子组盒8段和山西组山1段, 为典型储层物性差、非均质性强、纵横向气水关系复杂、储量丰度低的低孔、低渗、低压致密气藏[15, 16]。该区域目的层主要发育辫状河三角洲和曲流河三角洲2种沉积相类型, 且强烈、复杂多样的成岩作用致使砂岩储层致密。
研究区储层发育主要受辫状河与曲流河沉积相控制[17], 根据研究区钻井岩心、岩石薄片鉴定资料发现, 山1-盒8段储层主要发育岩屑质石英砂岩和岩屑砂岩(图2), 碎屑颗粒主要包括石英、长石及岩屑3种类型且以石英为主(表1), 此外, 还发育极少量隐晶岩与喷出岩, 其中石英含量占49%~94%, 平均值为84.2%; 岩屑和长石含量则相对较少, 分别占0~25.4%、3.9%~27%, 平均值分别为1.5%、11.3%。按颗粒大小, 岩屑颗粒又可细分为(含砾)粗粒石英砂岩、中-粗粒石英砂岩、中-粗粒岩屑质石英砂岩、中-粗粒岩屑砂岩4种类型, 砂岩颗粒以中-粗粒结构为主, 仅少量为中粒和粗粒, 磨圆度多呈次圆型且颗粒之间通常以线状接触关系为主, 整体分选性属于中等。另外, 根据Q/(F+R)成熟度判别公式计算表明[18], 研究区山1-盒8段储层成分成熟度整体相对较高, 分布范围为2.3~16.7, 峰值主要集中于5.6~8.9, 平均值为6.6(表1)。
![]() | 表1 研究区储层碎屑颗粒含量统计 |
研究区压实作用虽然贯穿于整个埋藏成岩作用阶段, 但其主要发育于成岩阶段早期, 随着埋深及上覆地层压力的持续增加, 原始松散沉积物逐渐向致密化方向发展, 孔隙度缩减10%~25%。根据压实强度分级划分方案可知[19], 目前该地区储层机械压实强度级别较高, 为中-强压实。显微镜下薄片观察发现, 储层中发育大量压实缝合接触、变质泥岩岩屑及云母挤压变形等机械压实作用地质特征(图3)。强烈的机械压实作用, 不仅使储层内原生孔隙大幅度降低, 而且部分岩屑转化为假杂基, 同样一定程度上导致储层渗透率降低, 最终抑制了地层流体的运移, 影响了晚成岩期储层内溶蚀作用的发生。
研究区极为发育的胶结作用是储层物性降低的主要原因之一[20]。显微镜下观察发现(图4), 山1-盒8段储层内发育碳酸盐、硅质和黏土矿物等多种胶结物类型, 其中又以碳酸盐胶结为主, 包括白云石、方解石、铁白云石和铁方解石等; 硅质胶结主要包括石英次生加大与自生石英晶体; 黏土矿物胶结则主要包括高岭石、绿泥石及少量伊利石和伊/蒙混层。上述胶结物对储层均起着显著的破坏作用。
3.2.1 碳酸盐胶结
作为研究区内主要的胶结作用类型, 早期碳酸盐胶结矿物以方解石为主, 白云石相对次之, 其中方解石颗粒呈细小、集合体状发育(图4a)。从成岩结构特征角度观察, 发现方解石、白云石均主要形成于松散沉积物压实之前的早期成岩阶段, 赋存于原生孔隙结构中, 一定程度上促进了原生孔隙的减少, 降低了储层物性。然而, 晚期碳酸盐胶结矿物含铁方解石和铁白云石相对早期则更为发育, 多呈嵌晶式充填于次生孔隙中, 同样降低了储层的物性(图4b、图4c)。
3.2.2 硅质胶结
硅质胶结在研究区山1-盒8段储层中广泛发育, 矿物晶质形态主要表现为石英次生加大和自生石英晶体, 其中又以石英次生加大为主。扫描电镜下, 石英矿物颗粒表面中可明显观察到一条与石英颗粒自身相分割的“ 脏线” , 次生加大部分向周围任意角度生长, 并与铁方解石共同充填先期粒间孔隙, 破坏储集空间(图4d、图4e)。
3.2.3 黏土矿物胶结
随埋藏深度的不断增加, 储层孔隙中的黏土矿物蒙皂石向伊利石转化, 伊利石向绿泥石转化。XRD矿物衍射资料统计结果表明, 研究区山1-盒8段储层中主要发育高岭石、绿泥石、伊利石、伊/蒙混层4种黏土矿物, 累计占总矿物含量的30%左右, 其中又以高岭石、绿泥石为主, 分别占矿物总含量的6.5%、3.2%。高岭石在扫描电镜下常表现为“ 书页” 状, 虽然充填堵塞孔隙, 减小了储层孔渗, 但其形成过程中释放的二氧化硅可引起石英颗粒发生溶蚀, 在一定程度上对储层物性又起到了建设性作用(图4f、图4g); 绿泥石胶结主要有环带薄膜和孔隙充填状2种形态(图4h、图4i), 其中环带薄膜状绿泥石形成于碱性、还原且富含铁镁离子的中成岩早期阶段, 包裹在碎屑颗粒周围, 抑制了石英颗粒与外界流体相互作用, 从而保护了原生孔隙; 孔隙充填状绿泥石则致使喉道弯曲甚至堵塞, 降低了储层物性。
溶蚀作用可促进次生孔隙的形成, 提高储层的孔隙度及渗透率[21, 22]。根据溶蚀介质化学性质, 研究区储层溶蚀作用主要包括酸性溶蚀、碱性溶蚀2种类型, 其中石英、长石及碳酸盐胶结物的酸性溶蚀是该区储层的主要溶蚀作用类型, 其次为岩屑酸性溶蚀作用(图4j、图4k、图4l、图4m)。上述溶蚀作用, 不同程度上均可形成一定量的粒内和粒间溶蚀孔隙, 进而为储层内介质流体提供运移空间。此外, 目的层现今埋藏深度分布在3 000~3 500 m, 不同埋藏深度条件下, 受地层温度、压力、有机质演化程度影响, 孔隙水成岩环境差异较大[23], 溶蚀作用强度通常与埋藏深度密切相关[24](图5), 通常埋深在2 800~3 300 m范围内溶蚀作用相对发育, 从而导致孔渗变大, 对储层物性起到建设性作用。
研究区山1-盒8段储层中普遍发育完全交代和部分交代作用, 主要以方解石为主的碳酸盐岩交代不稳定岩屑、长石、白云石及高岭石等矿物(图4n、图4o)。此外, 该区还发育高岭石交代云母及石英岩屑, 但高岭石只交代了部分原有矿物颗粒, 并未形成完全交代作用。
根据岩石学特征及成岩作用类型, 研究区砂岩储层成岩演化序列为:早期机械压实→ 石英Ⅰ 期加大→ 粒间高岭石交代石英加大边→ 溶蚀作用→ 少量自生石英、伊利石胶结→ 局部石英Ⅱ 期加大→ 铁白云石交代石英, 铁方解石胶结、交代→ 少量长石、方解石溶蚀(表2)。
![]() | 表2 研究区山1-盒8段砂岩成岩演化序列(据杨仁超等[25]修改) |
埋藏深度< 1 000 m, 古地温< 65℃, 镜质体反射率Ro< 0.35%, I/S(伊/蒙混层)中S(蒙皂石)含量> 70%, Tmax值< 430℃, 有机质演化处于未成熟阶段(表2)。该阶段成岩环境由酸性向碱性转变, 以机械压实作用为主, 石英颗粒裂纹发育, 粗颗粒沉积物较细粒沉积物抗压实能力相对较强, 保存了大量原生孔隙, 二者经压实作用后, 孔隙度平均缩减分别为18%、22%。
埋藏深度为1000~1500 m, 古地温为65~85℃, 镜质体反射率Ro为0.35%~0.5%, I/S(伊/蒙混层)中S(蒙皂石)含量为50%~70%, Tmax值为430~435℃, 有机质处于半成熟阶段(表2)。该阶段成岩环境由碱性向酸性转变, 机械压实作用更加强烈, 少量高岭石形成, 同时早期溶蚀作用致使碎屑颗粒彼此之间呈线接触, 原生孔隙减小。
埋藏深度为1 500~2 500 m, 古地温为85~140℃, 镜质体反射率Ro为0.5%~1.3%, I/S(伊/蒙混层)中S(蒙皂石)含量为15%~50%, Tmax值为430~460℃, 有机质处于低成熟-成熟阶段(表2)。该阶段成岩环境为酸性, 有机酸的形成致使黏土矿物向伊利石、绿泥石转化, 石英加大边和高岭石大量形成, 伴随发育的晶间孔、粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔有效改善了储层物性。
埋藏深度为2 500~3 500 m, 古地温为140~170℃, 镜质体反射率Ro为1.3%~2.0%, I/S(伊/蒙混层)中S(蒙皂石)含量< 15%, Tmax值为460~490℃, 有机质处于高成熟阶段(表2)。该阶段成岩环境由弱碱性向碱性过渡, 压溶作用不断增强, 碎屑颗粒接触关系多表现为凹凸缝合线接触, 方解石开始大量发育并交代不稳定岩屑、长石、白云石及高岭石等矿物。
(1)苏里格合作区块上古生界山1-盒8段储层主要发育岩屑质石英砂岩和岩屑砂岩2种砂岩类型, 砂岩的成分成熟度和结构成熟度均相对较高; 成岩作用主要包括压实、胶结、溶蚀及交代作用, 溶蚀作用与交代作用是优质储层形成的主控因素, 而压实作用与胶结作用则是储层致密化的主要原因。因此, 成岩作用强度和储层物性均与埋藏深度直接相关。
(2)该区砂岩储层成岩阶段主要处于中成岩B期, 属于混合孔隙发育期, 成岩演化序列为:早期机械压实→ 石英Ⅰ 期加大→ 粒间高岭石交代石英加大边→ 溶蚀作用→ 少量自生石英、伊利石胶结→ 局部石英Ⅱ 期加大→ 铁白云石交代石英, 铁方解石胶结、交代→ 少量长石、方解石溶蚀。
(编辑 孔宪青)
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