鄂尔多斯盆地陇东地区中侏罗统延9油层组储层成岩作用及对孔隙的影响

2010-08-31李文厚范萌萌

石油地质与工程 2010年3期

卜军,李文厚,曾明,孙栋,范萌萌,毕磊

(1.西北大学地质学系,陕西西安710069;2.中国石油长庆油田公司第二采油厂;3.中国石油长庆油田公司超低渗透油藏研究中心;4.中国石化胜利油田鲁明济北公司)

卜军1,李文厚1,曾明2,孙栋3,范萌萌1,毕磊4

为了研究鄂尔多斯盆地陇东地区中侏罗统延安组延9油层组砂岩的成岩作用及其对储层物性的影响,通过对研究区目的层38口取心井岩心观察描述及在油层物性、扫描电镜、铸体薄片等多种实验分析的基础上,对储层的岩石学、成岩作用、成岩序列进行了研究,结果表明:延9砂岩类型以长石岩屑质石英砂岩为主,具有成分成熟度较低、结构成熟度较差的特点;成岩作用处于晚成岩A期;压实作用、胶结作用和溶解作用是控制物性演化的主要成岩作用,其中压实作用和胶结作用破坏了砂岩的原生孔隙结构,分别造成原生孔隙度丧失率为8.6%～28%和6%～20%;而溶解作用形成了次生孔隙,有效地改善了砂岩的孔隙结构,从而提高了储层的孔渗条件。

成岩序列;成岩作用;延安组;侏罗统;鄂尔多斯盆地

1 概况

陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部,在构造单元上属于陕北斜坡西南部,与天环凹陷相连,以洪德为北界,以早胜为南界,西界起于三岔,东界止于张岔,南北长159km,东西宽135km,面积约20 900 km2。中侏罗统延安组是鄂尔多斯盆地最重要的含油气层和含煤层之一,鄂尔多斯盆地在三叠纪末期,受印支期构造运动的影响,进入中侏罗世延安组早期,盆地先充填富县组高低不平的地貌,之后进入内陆拗陷湖盆的完整演化旋回期,代表一次湖泊沉积发生、发展和消亡的完整过程[1]。该区延安组从下到上依次分为延10-延1共10个油层组,延9油层组埋藏深度为805～2 366m,平均1 502m,地层厚度0～69m,平均35.5m,延9油层组处于延10油层组河谷充填的辫状河沉积体系向湖沼、河湖三角洲转换的过渡期,同时也是河流类型由辫状河向网状河转换的重要时期[2],从下到上依次分别发育辫状河、辫状型曲流河和网状河3种沉积相[3]。本文在对陇东地区中侏罗世延安组延9油层组38口取心井岩心观察描述及油层物性、扫描电镜、铸体薄片等多种实验分析的基础上,对储层的岩石学、成岩作用、成岩序列进行了研究,旨在揭示鄂尔多斯盆地类似砂岩储层的埋藏-成岩-物性演化规律,为该类油气藏的勘探与开发实践提供理论依据。

2 储集砂岩的岩石学特征

通过镜下277块薄片(普通、铸体)观察,且按福克分类,延9砂岩类型以长石岩屑质石英砂岩为主,长石质石英砂岩、岩屑质石英砂岩、长石砂岩次之,少见石英砂岩、岩屑砂岩及岩屑质长石砂岩(图1)。碎屑含量一般54.5%～96.1%,碎屑中石英含量占碎屑总量的42.4%～89.9%;长石占碎屑总量的5%～34.9%,主要以斜长石为主(9.08%);岩屑占碎屑总量的1%～42.9%,以石英岩、石英片岩及千枚岩等变质岩屑为主。填隙物含量4%～45%,主要为绿泥石、伊利石、伊/蒙混层等粘土矿物,方解石、白云石等碳酸岩矿物,硬石膏、重晶石等硫酸盐,硅质胶结物,以及少量黄铁矿,胶结类型以孔隙式和接触-孔隙式为主,也可见加大-孔隙式胶结、再生-孔隙式胶结。岩石颗粒以次棱、次棱-次圆为主,分选中等-好。

图1 延9砂岩分类图

3 成岩作用类型及对孔隙的影响

成岩作用影响孔隙发育主要表现在破坏性和建设性两个方面,通过对砂岩薄片、铸体薄片及扫描电镜的综合分析,本研究区砂岩储集层在沉积物脱离原始沉积环境进入埋藏环境后,由于受压实作用、胶结作用以破坏性为主的成岩作用类型的改造,孔隙度随深度增加呈不断下降的变化趋势。同时溶解作用等建设性成岩作用的影响会使孔隙度在一定范围内偏离正常压实作用的范围,形成异常孔隙发育带。

3.1 压实(压溶)作用

压实作用是使颗粒被压致密、原生孔隙度降的重要原因之一,与碎屑岩储集层的矿物成分和结构有关。机械压实(压溶)作用主要发生在成岩早期,陇东地区延9油层组机械压实(压溶)作用的主要表征为:①颗粒接触关系发生变化。随着埋藏深度的增大,颗粒接触渐趋紧密,碎屑颗粒由彼此分离到相互靠近,呈点线接触,局部出现凹凸缝合线接触;②云母、泥岩屑等塑性组分受压弯曲变形;③由于埋深加大,地层压力增大,碎屑颗粒长轴沿近于水平方向定向排列;④石英、长石等硬性颗粒受应力作用发生脆性破裂。研究区储集层的碎屑颗粒间以线接触为主,其次为点-线接触。这表明研究区砂岩骨架颗粒结构已很稳定,不易被进一步压实,压溶作用少见。强烈的机械压实是孔隙结构变差的主要因素之一。压实作用的发生可以使砂体的孔隙结构和分布发生极大的变化,从而导致孔隙空间的大幅缩减(图2);孔隙流体在砂体中的流动能力也会因此而大大减弱,从而影响砂体的储集性。在局部地区,刚性颗粒的支撑使机械压实作用减弱,而压溶作用增强。

图2 研究区延9砂岩岩石密度和孔隙度相关性

压实率公式计算:压实率=原始孔隙度-(现存孔隙度-溶蚀孔隙度+胶结物含量),其中原始孔隙度根据Beard[4]、Scherer[5]提出湿砂在地表条件下的分选与孔隙度的关系:原始孔隙度=20.91+(22.9/Trask分选系数)计算,沉积物原始孔隙度大约为32.14%～40.48%,而现今孔隙度仅为3.2%～18.1%,溶蚀孔隙度为1.2%～5.5%,胶结物体积分数为6%～20%,得出压实率为7.88%～24.14%。假定砂岩的原始孔隙度为40%,由图3可以看出,延9油层组砂岩由压实作用造成的平均孔隙度丧失率为8.6%～28%,平均18.3%。

图3 研究区延9油层组砂岩粒间体积与胶结物含量关系

3.2 胶结作用

3.2.1 硅质胶结物

硅质胶结物在研究区砂岩中分布普遍,主要以石英次生加大生长的形式出现和自形石英的形式生长于孔隙壁或长石等颗粒溶孔的内部,呈孔隙充填状。石英次生加大边往往发育不完整,很少见到环边状者。其中SiO2的来源主要途径除了压溶作用提供硅质胶结物的来源以外,蒙脱石向高岭石矿物的转化及长石的溶蚀也可以生成SiO2。SiO2溶解于孔隙水中,达到局部过饱和后即发生沉淀形成自生石英胶结物。长石颗粒的次生加大和其它矿物紧密胶结,使储层物性变差。

3.2.2 碳酸盐胶结物

碳酸盐胶结物在研究区砂岩中普遍存在,平均含量9%,含量最高可达29%。以方解石、铁白云石为主,以及少量铁方解石、白云石和菱铁矿。碳酸盐胶结物一般形成于碱性环境下,含 Ca2+、CO-32和HCO3-,在水中结合形成CaCO3,如果地层水中除上述离子外,还含有Fe离子,则可形成铁方解石。方解石、铁方解石形成早,是在SiO2次生加大之后形成,并以连晶方式在碎屑颗粒间填塞原生残余孔隙,为碎屑颗粒间提供了支撑,有效地增强了岩石的抗压实能力,使部分粒间孔隙得以保存,对储层物性的改善具有一定的积极作用。白云石及铁白云石伴生出现,含量比方解石高,多数起堵塞孔隙作用,使岩石结构更加致密,但也有少量被溶蚀,形成次生溶孔。由于其溶解较弱,对次生孔隙的形成影响不太大[6]。

3.2.3 粘土胶结物

综合分析扫描电镜,X-衍射资料,发现研究区砂岩中粘土矿物主要是高岭石和伊利石及少量绿泥石。自生高岭石呈书页状、假六方板状集合体充填于孔隙中,伊利石呈丝缕状/球状或弯曲薄片状,并可由孔隙空间的一端达到彼岸,形成粘土桥,从而分割大孔隙而使其变成微孔隙,造成流体流动通道的曲折多变;绿泥石薄膜是成岩早期从偏碱性的孔隙水中沉淀下来的,孔隙式充填的绿泥石通常形成于晚成岩A期[7],或是附着在颗粒表面,或是杂乱堆积在颗粒间孔隙中,对储层的影响具有双重性,一方面,它占据了一定的孔喉空间,使孔隙体积减小,使储层物性变差[8];另一方面,它可以支撑颗粒,抵抗进一步的机械压实作用和石英的次生加大,有利于原生粒间孔的保存[9]。其中,伊利石粘土对渗透率影响最大,自生高岭石粘土对渗透率的影响相对较小,绿泥石粘土由于其含量少,对渗透率影响最小。

碳酸盐矿物、石英自生加大和高岭石是造成研究区砂岩物性变差的主要胶结物。不同成岩阶段形成的碳酸盐胶结物对孔隙保存不利,并使渗透率明显降低,造成储层物性较强的非均质性,但碳酸盐矿物的存在能够增强砂岩的抗压实能力,对部分残余粒间孔起保护作用;石英自生加大呈孔隙式充填,特别是充填在残余粒间孔内,降低砂岩的原始孔隙度;粘土矿物对储层物性的影响各不相同,在成岩作用初期覆盖在碎屑颗粒表面的绿泥石粘土膜一方面堵塞孔隙喉道使砂岩的渗透率降低,另一方面阻止石英次生加大,使部分粒间孔隙得以保存。由图3可以看出,研究区延9油层组胶结作用造成的平均孔隙度丧失率为6%～20%(平均12.7%)。

3.3 交代作用

研究区砂岩交代作用主要表现为粘土矿物、碳酸盐矿物对碎屑矿物颗粒的交代和晚期碳酸盐矿物对早期碳酸盐胶结物的交代。粘土矿物交代碎屑颗粒常见高岭石交代石英、长石,使这些颗粒边缘模糊不清。碳酸盐矿物对碎屑矿物颗粒的交代主要有铁方解石交代石英、长石颗粒,使之边缘呈港湾状,或交代整个颗粒后依然保留了长石颗粒的形状,并可见到碳酸盐交代石英颗粒的次生加大边,说明碳酸盐交代作用发生较晚,交代作用不仅交代各种颗粒,也使部分孔隙充填,因此交代过程对原生孔隙起破坏作用。

3.4 溶解作用

溶解作用是改善砂岩孔隙,对储层起建设性作用的重要因素。据镜下研究表明,研究区延9油层组基本上以长石颗粒或含长石的碎屑颗粒溶解作用为主,主要发生在早成岩晚期及晚成岩早期,以晚成岩期的溶蚀作用对砂体的次生溶孔的形成最为重要。长石颗粒的溶解大都首先以自生高岭石的形式沉淀在粒间孔隙中,进入晚成岩早期后,有机质热演化脱羧基作用而形成的大量有机酸和CO2进入孔隙流体中,使孔隙水由呈酸性。酸性流体通过砂岩的孔隙系统进入砂岩中并促使其中不稳定碎屑颗粒(长石、岩屑)及填隙物(浊沸石、粘土)发生溶解,为储层碎屑组分发生溶解作用提供了主要的动力和介质,也为部分反应产物溶解迁移提供了载体[10];长石也可直接或间接形成其他自生粘土矿物,高岭石在120～150℃温度下变得不稳定,转变成伊利石或与长石反映生成伊利石和石英,一般在晚成岩B期完全消失[11],从而形成大量的粒内和粒间溶孔,增加岩石的次生孔隙,改善孔隙连通性,增强渗流条件,使储层物性得到改善。

4 成岩序列及成岩阶段的确定

依据自生矿物组合与分布、镜质体反射率、流体包裹体、岩石结构及孔隙类型,按照采用中华人民共和国石油天然气行业标准《碎屑岩成岩阶段划分规范》成岩阶段划分方案及其标准,研究区延9油层组砂岩成岩阶段划分为早成岩A、B期及晚成岩A期。

在上述成岩作用研究的基础上,根据各种成岩作用及自生矿物成因分析,按照成岩自生矿物之间形成的先后次序及叠加关系,归纳出研究区的典型成岩序列特征(图4):绿泥石等自生矿物粘土膜包绕碎屑颗粒,被粘土膜包裹的碎屑颗粒少见次生加大,因此石英及长石的次生加大应该形成于粘土膜之后;方解石、铁方解石充填于粒间孔隙及长石溶孔内并可见其交代石英次生加大边的现象,因此方解石、铁方解石的沉淀在石英次生加大和长石颗粒的溶蚀作用之后;在延9油层组砂岩中,长石溶蚀孔隙中常见有自生高岭石矿物的分布,表明高岭石的形成在长石溶解之后,即:机械压实作用→早期粘土膜形成→方解石沉淀→石英次生加大→长石颗粒、方解石胶结物溶解→自生高岭石形成→铁方解石沉淀。

图4 陇东地区侏罗系延9油层组砂岩成岩序列和阶段

5 结论

(1)陇东地区中侏罗统延安组延9砂岩类型以长石岩屑质石英砂岩为主,长石质石英砂岩、岩屑质石英砂岩、长石砂岩次之,少见石英砂岩、岩屑砂岩及岩屑质长石砂岩;砂岩具有成分成熟度较低、结构成熟度较差的特点。

(2)陇东地区中侏罗统延安组延9油层组砂岩经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用等成岩作用;由于受压实作用、胶结作用以破坏性为主的成岩作用类型的改造,孔隙度随深度增加呈不断下降的变化趋势,其中压实作用造成延9油层组砂岩的压实率为7.88%～24.14%,孔隙度丧失率为8.6%～28%,胶结作用造成孔隙度丧失率为6%～20%。而溶解作用等建设性成岩作用的影响会使孔隙度在一定范围内偏离正常压实作用的范围,形成异常孔隙发育带。

(3)陇东地区中侏罗统延安组延9油层组经历了早成岩A、B期及晚成岩A期。成岩序列为:机械压实作用→早期粘土膜形成→方解石沉淀→石英次生加大→长石颗粒、方解石胶结物溶解→自生高岭石形成→铁方解石沉淀。

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