渤海湾盆地秦南凹陷东南缘中深层砂砾岩优质储层发育的控制因素
2018-05-16王冠民王清斌李佳伟
王冠民,张 婕,王清斌,李佳伟
[1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580;2 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071;3.中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 塘沽 300457]
以致密砂岩和细粒沉积岩为代表的致密储层油气勘探近年来获得了巨大的进展,大量研究成果表明,储层致密化的成因往往与强烈的压实和胶结作用有关[1-2],有利储层的发育多受控于沉积条件、成岩作用、酸性溶蚀、超压等因素[3-6],部分还与早期油气充注抑制胶结作用、绿泥石膜和微裂缝有关[7]。
随着陆相断陷盆地油气勘探程度的逐渐深入,陡坡带中深层砂砾岩体逐渐成为油气勘探的主要目标,以近年来钻探的松辽盆地徐家围子断陷沙河子组最为典型。这些砂砾岩体也多为低孔低渗的致密储层[8-9],其致密化的原因同样是压实作用、胶结作用等[10-14]。与致密砂岩储层相比,优质砂砾岩储层的成因在沉积条件和成岩作用等方面有很大的相似之处。比如,徐家围子断陷沙河子组致密砂砾岩有利储层的发育与三角洲前缘分流河道分选较好的砂体和较强的有机酸溶蚀[10,12],以及早期胶结物抑制压实作用有关[12];准噶尔盆地沙湾凹陷百口泉组致密砂砾岩优质储层同样受控于扇三角洲前缘水下分流河道和早期胶结物对粒间孔隙的保护与酸性流体溶蚀[14];束鹿凹陷沙河街组三段下亚段致密泥灰岩-砾岩的有利储层以各类次生孔隙、裂缝为主[11];松辽盆地南部深层J3—K1致密砂砾岩中的有利储层与构造高点后期酸性溶蚀和微裂缝有关[13];东营凹陷民丰北带和车西洼陷沙河街组三段的近岸水下扇砂砾岩优质储层也都与分流河道或水道、河口坝等沉积微相和各类酸性流体的多期溶蚀有关[8,15-16]。
近两年,在渤海湾盆地秦南凹陷东南缘陡坡带沙河街组一段和沙二段(合称沙一、二段)深层砂砾岩体中发现了亿吨级油气田,赋存于低孔低渗砂砾岩的优质储层中。通过研究发现,该区沙一、二段深层砂砾岩优质储层发育特征与目前发现的其它地区砂砾岩优质储层有一定的差异,其形成与沉积期保留下来的大量螺屑孔隙以及埋藏过程中过早的油气充注密切相关。该机理的发现,会有助于在盆地陡坡带咸化水体环境下沉积的致密砂砾岩中进一步寻找类似的有利储集层。
1 研究区概况与沉积特征
秦南凹陷是渤海海域内的一个次级构造单元,东与辽西凸起、辽西凹陷相接,南与渤中凹陷、西与南堡凹陷以石臼坨凸起相隔,北与昌黎凹陷、乐亭凹陷以姜各庄凸起相隔,东部为典型的南断北超[17-20],研究区位于秦南凹陷东南缘陡坡带(图1)。近年来,在秦南凹陷东南缘陡坡带钻探了D29-2和D29-2E等构造,揭示了该区具有很大的油气勘探潜力。
秦南凹陷新生界发育齐全,其中,古近系由老到新依次发育孔店组、沙三段、沙一、二段,以及东营组的东三段、东二段、东一段。该区的油气主要来自秦南凹陷东洼,主要烃源岩为沙三段,已发现的油气藏主要分布在沙一、二段储层中。
在前人研究的成果上[18-22],利用地震解释,结合录/测井、岩心和薄片等资料,可以得到研究区沙一、二段的沉积相类型及平面展布(图1)。
岩心、薄片和录井揭示,沙一、二段发育多个由细砾岩逐渐变为含砾砂岩的正旋回沉积,在每个旋回顶部的含砾砂岩中普遍发育螺化石,局部夹薄层生屑云岩、粉砂岩及深灰色泥岩。砾岩底部可见底冲刷构造,发育交错层理,砾石粒径多在1~5 cm不等。地震上,可见明显的楔形前积反射特征,楔形内部反射弱且杂乱。上述特征表明,研究区沙一、二段沉积相类型主要以扇三角洲前缘水下分流河道为主,水下分流河道废弃后经波浪再改造常发育含大量螺化石和隐晶白云石包壳的含螺含砾砂岩。
2 岩性对储层的控制作用
2.1 岩石学特征
沙一、二段扇三角洲相砂砾岩主要包括颗粒支撑砾岩、砾质砂岩、含砾砂岩以及砂岩等,含少量的粉砂岩、泥岩和生屑云岩。其中,颗粒支撑砾岩、砾质砂岩、含砾砂岩的分选差,砾石以中砾和细砾为主,局部可见巨砾,有时砾石之间可见螺化石或生物碎屑。
图1 秦南凹陷及围区构造单元及研究区位置、沉积相平面图Fig.1 Map showing tectonic units in Qinnan Sag and its surrounding region,and the location of the study area and the sedimentary facies
砾石成分以酸性火山岩为主,多呈次棱角-次圆状,局部可见少量生屑云岩、石灰岩和泥岩撕裂屑。通过对97块铸体薄片观察发现,砾石之间的碎屑基质仍以火山岩屑为主,长石和石英次之,岩屑含量在22%~98%,平均73.7%。
2.2 岩性对储层物性的影响
研究区2口取心井的岩心样品常规物性分析结果表明,沙一、二段砂砾岩储层孔隙度在0.45%~34.70%,平均为14.60%;渗透率为0.01×10-3~767.40×10-3μm2,平均为13.01×10-3μm2(图2a,b)。因此,研究区沙一、二段储层孔隙以低孔、特低孔为主,中孔和高孔次之,含少量的特高孔;渗透率以超低渗为主,特低渗、低渗次之,含少量的中渗储层,储层整体具有低孔低渗的特点,孔隙度与渗透率具有一定的正相关性(图2c)。
但在井深3 330~3 400 m发育异常高孔隙带(图2d),孔隙度最高可达34.6%。通过对该深度范围内的岩心、壁心薄片观察发现,岩性以含螺含砾砂岩夹薄层鲕粒白云岩为主,螺体腔孔和螺屑壁内溶孔非常发育(图3,图4a),而相邻的不含螺的砂砾岩孔隙度明显偏低。换言之,相对高孔渗的优质储层主要发育在含螺含砾砂岩中。
研究区扇三角洲砂砾岩为近源快速堆积,埋深在3 200 m以下,受上覆地层强烈压实作用,颗粒间表现为线接触、凹凸接触,颗粒内部见破裂缝,但含螺砂砾岩中的生物化石往往保留比较完整,体腔孔非常发育。如何解释该现象?我们认为是由于含螺砂砾岩多为颗粒支撑,杂基含量少,储层抗压实能力较强,结果造成颗粒格架之间的螺体腔孔和壁内溶孔保存相对较完整(图3,图4a)。含螺砂砾岩是在扇三角洲水下分流河道的废弃阶段,部分早期沉积的砂砾在后期经湖浪重新淘洗,与完整或不完整的螺屑共同沉积形成席状混积砂砾滩。颗粒的分选、磨圆变好,砂砾间常含大量螺类生物碎屑。这些螺屑是风浪将扇三角洲前缘死亡的螺壳搬运到席状混积砂砾滩并快速沉积下来的,其较好的物性源于波浪对先期分流河道沉积物的重新改造和生物体腔孔的发育。
3 成岩作用对优质储层的控制作用
通过对研究区2口井280多块岩心、壁心铸体薄片的观察和分析,发现区内储层成岩作用类型包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。成岩作用的差异是优质储层发育的又一重要因素。
3.1 压实作用
薄片鉴定揭示,研究区扇三角洲砂砾岩储层在埋藏过程中经历了较强的压实作用(图4b),它是研究区中深层储层物性降低的主要原因之一。
图2 秦南凹陷沙一段砂砾岩储层物性分布直方图及孔-渗关系和孔-深关系Fig.2 Histogram of coarse siliciclastic reservoir physical properties in Es1 of Qinnan Sag,and relationships of the porosity-permeability and the porosity-deptha.孔隙度分布直方图;b.渗透率分布直方图;c.孔-渗交会图;d.孔-深关系图
图3 秦南凹陷沙一、二段含螺砂砾岩镜下照片和壁心照片Fig.3 Microscopic features and core photographs of spiral-shell-bearing coarse siliciclastic rocks in the Es1-2 of Qinnan Saga.生物体腔孔及壁内溶孔,Q-12井,埋深3 362 m,铸体薄片,单偏光;b. 含螺含砾砂岩,Q-4井,埋深3 311.1 m,壁心
但在分选较好的颗粒支撑砂砾岩中,压实作用的强度明显偏低,这一点在波浪成因的含螺含砾砂岩中尤为明显(图4a,c)。
3.2 胶结作用
沙一、二段扇三角洲砂砾岩中的胶结物主要有碳酸盐矿物、硅质、粘土矿物、菱铁矿、黄铁矿等。高岭石多呈米粒状分布在颗粒之间,含量约在1%~15%,平均6.3%;硅质胶结物主要以充填裂缝(图4d)和次生加大的石英为主,含量平均在0.12%。另外,也可见少量的菱铁矿和黄铁矿胶结,平均含量1.2%。
图4 秦南凹陷沙一、二段砂砾岩成岩作用类型Fig.4 Diagenetic types of coarse siliciclastic rocks in the Es1-2 of Qinnan Saga.砾石磨圆较好,具有较强的抗压实作用,砾石间螺屑发育(箭头处),Q-13井,埋深3 358 m,铸体薄片,单偏光;b.碎屑颗粒分选差,泥质杂基及泥晶白云岩发育,压实作用强,孔隙不发育,Q-12井,埋深3 621 m,铸体薄片,正交光; c.发育3期白云石胶结(箭头处),孔隙中央残留有原生孔,Q-13井,埋深3 382.34 m,铸体薄片,正交光;d.砾石内部裂缝被硅质胶结物充填(箭头处),Q-13井,埋深3 535 m,铸体薄片,正交光;e.铁白云石(蓝色,箭头处)交代白云石,颗粒之间残留原生孔,Q-13井,埋深3 453 m,铸体薄片,正交光;f. 铁方解石(箭头处)交代方 解石(红色),粗大的方解石晶粒将孔隙完全充填,Q-13井,埋深3 564.5 m,铸体薄片,正交光
最主要的胶结物是碳酸盐矿物,多为白云石和铁白云石(图4c,e),平均占全部胶结物的47.1%,局部可达86%;方解石和铁方解石(图4f)少量,平均占全部胶结物的4.1%,局部最大为69%。白云石胶结物共发育3期(图4c),第Ⅰ期以隐晶白云石的形态环绕颗粒分布;第Ⅱ期以隐晶白云石为基底,呈马牙状亮晶充填于颗粒之间;第Ⅲ期在第Ⅱ期亮晶白云石基础上,呈晶粒状向孔隙中央继续生长。
利用中石化胜利油田分公司地质科学研究院的D/max-2500PC衍射仪,测试样品的全岩矿物成分;利用中海油天津钻采院实验中心的PoroTM300 9903002及Low Perm-meter JS100005孔渗仪,测试样品的孔隙度和渗透率。通过214个样品的全岩分析结果,与相应的孔渗测试数据进行对比(图5),显示储层中随着白云石含量的增加,孔隙度和渗透率增大;随着方解石含量的增加,孔隙度和渗透率减小。在偏光显微镜下观察发现,白云石大多呈隐晶薄膜状包裹碎屑颗粒或生物碎屑,形成于同生期和准同生期。白云石胶结物发育的砂砾岩,一般分选很好,颗粒之间极少有泥晶或杂基,抗压实作用比较强,有利于原生孔隙和白云石胶结物的保存。此外,白云石胶结物在埋藏过程中比方解石更易溶解[23-24],也造成了富白云石胶结物在成岩期通过溶蚀作用改善储层物性。
图5 秦南凹陷沙一、二段储层中不同类型碳酸盐胶结物含量与储层物性的关系Fig.5 Relationships between contents of various carbonate cements and reservoir physical properties in the Es1-2 of Qinnan Saga.样品孔隙度随方解石胶结物含量增加而降低;b.实测渗透率随方解石胶结物含量增加而快速降低;c.实测孔隙度随白云石胶结物含量增加 呈增大趋势;d.实测渗透率随白云石胶结物含量增加有增大趋势
方解石胶结物晶粒普遍粗大,是在成岩阶段交代了早期碎屑组分或充填于先期孔隙中形成的(图4f),是砂砾岩储层致密的另一个主要因素。
3.3 溶蚀作用
溶蚀作用是优质储层形成的又一重要因素。通过280块铸体薄片分析,溶蚀作用主要表现为火山岩岩屑(图6a—c)和碳酸盐矿物(图4c,e)的溶蚀,长石溶蚀次之,见少量的石英溶蚀(图6d)。秦南凹陷沙三段、沙一、二段烃源岩较发育[17-18],研究区沙一、二段扇三角洲砂砾岩储层与烃源岩紧密相邻,因此,烃源岩成熟后释放的有机酸促进了溶蚀作用的发生。较多的高岭石胶结物也是砂砾岩储层经历过明显酸性环境的重要标志(图6e,f)。
前人研究表明[25],有机酸进入储层后,首先对火山岩岩屑中的长石和长石颗粒进行溶蚀,其次对碳酸盐胶结物进行溶蚀。火山岩岩屑溶蚀后大多数形成铸模孔,极大地改善了储层的物性。另外,碳酸盐胶结物尤其是白云石的溶蚀(图4c,e)对储层物性也具有重要改善作用。溶蚀作用是酸性流体进入砂砾岩孔隙后发生的,故而颗粒支撑的砂砾岩因压实程度弱,颗粒之间原始孔隙保存较好,有利于流体率先进入发生较强的溶蚀作用。
4 成岩演化与优质储层发育机理
4.1 成岩作用演化序列
利用自生矿物之间的交代和溶蚀-充填关系可以判断成岩作用的先后顺序[15-16],建立成岩作用的演化序列。研究区沙一、二段砂砾岩骨架颗粒呈点接触或线接触(图4b),且大多数骨架颗粒周围被泥晶包壳包裹,泥晶包壳上又发育2期马牙状碳酸盐胶结物(图4c,e),表明颗粒早期被碳酸盐胶结,其后遭受了持续的压实作用。储层在长石、火山岩岩屑发生溶蚀作用之后,再遭受碳酸盐矿物的胶结,胶结物充填于粒内溶蚀孔隙中;有时可见石英颗粒及次生加大边的溶蚀,代表石英次生加大形成时间早于石英的溶蚀;碳酸盐胶结物交代石英次生加大边,则代表碳酸盐胶结物形成晚于石英次生加大;黄铁矿也能够对含铁白云石、(含铁)方解石及碎屑颗粒发生交代。
图6 秦南凹陷沙一、二段溶蚀作用Fig.6 Dissolution in the Es1-2 of Qinnan Saga.火山岩岩屑强烈溶蚀(箭头处),局部见铸模孔,Q-12井,埋深3 406 m,铸体薄片,单偏光;b.火山岩岩屑内部及长石边缘溶蚀作用强烈(箭头处),Q-13井,埋深3 672.5 m,铸体薄片,单偏光;c.火山岩岩屑边缘(红色箭头处)和生屑体腔强烈溶蚀(黄色箭头处),Q-12井,埋深3 331.5 m,铸体薄片,单偏光;d. 石英颗粒边缘溶蚀(箭头处),Q-13井,埋深3 611.5 m,铸体薄片,正交光;e.高岭石呈米粒状充填于孔隙(箭头处),Q-13 井,埋深3 344.08 m,铸体薄片,正交光;f.高岭石呈书页状(箭头处)充填于孔隙,Q-13井,埋深3 445 m,扫描电镜
由此,研究区沙一、二段扇三角洲储层的成岩作用顺序为:隐晶白云石包壳—压实作用/白云石胶结/方解石胶结—火山岩岩屑溶蚀/长石溶蚀/碳酸盐胶结物溶蚀/石英次生加大—铁白云石胶结/(含铁)方解石胶结—石英溶蚀—黄铁矿胶结。
4.2 成岩环境演化
通过成岩作用阶段分析和埋藏史-热史进行恢复(图7),可以建立研究区沙一、二段的成岩期及其成岩环境演化过程。
沙一、二段沉积时期,秦南凹陷发育半咸水湖泊环境,波浪对碎屑颗粒及生物碎屑进行冲刷,使得颗粒间杂基被淘洗干净,过饱和的碳酸盐水体使得颗粒表面沉淀隐晶白云石包壳。后期埋藏过程中,地层流体在早期隐晶白云石包壳的基础上,相对缓慢沉淀了第二期白云石胶结物。
距今12.5 Ma之前,沙一、二段埋深约为1 900 m,处于早成岩A、B期(图7),地层水呈碱性,除压实作用以外,第3期白云石胶结物继续发育。
距今12.5~1.2 Ma时,沙一、二段埋深为1 900~3 100 m,处于中成岩A期(图7),此期沙三段烃源岩已成熟和生、排烃[17-18],生成的油气沿断层快速向上运移到沙一、二段富含螺屑、分选较好的砂砾岩储层中,使得螺体腔孔为代表的原生孔隙大量保存。通过包裹体测温发现,油气开始充注的时间为8.6 Ma,大约在明下段沉积中期(图7)。至2.6 Ma,由于断裂活动进一步增强,油气充注强度增大,注入的酸性流体增多,造成火山岩岩屑、长石、碳酸盐胶结物均发生溶蚀,以及高岭石胶结物和石英的次生加大。
距今1.2 Ma至今,沙一、二段埋深3 100~3 600 m,处于中成岩A期末(图7)。因沙三段有机酸的脱羧作用,地层流体由酸性转化为碱性,方解石胶结物开始大量充填,对已经充注的油气储集空间形成封堵作用。由此造成现今部分储层渗透率极差(图2b)。在未进行酸化前,对研究区沙一、二段储层经过测试,日产原油仅0.8~20 m3,经过酸化处理后,单井最大日产原油达1 000 m3以上。这也证实了该区储层经历了先油气充注、后被碳酸盐胶结物充填封堵转为致密的成岩过程。
对比研究表明,油层与干层的孔隙演化具有明显的差异性,主要表现为干层的碳酸盐胶结程度比油层强,说明油气的充注对储层的物性演化具有重要的影响。前人研究表明[15,26],油气的充注一方面提供一定量的有机酸,促进岩屑、长石以及碳酸盐胶结物的溶蚀;另一方面抑制了矿物之间的交代与转换作用,保护早期孔隙。
图7 秦南凹陷Q-12井埋藏史-成岩演化序列Fig.7 Burial history-diagenetic evolution sequence of Well Q-12 in Qinnan Sag
5 结论
1) 研究区沙一、二段主要发育扇三角洲前缘的水下分流河道沉积,砂砾岩储层具有典型的低孔低渗特点。但在3 330~3 400 m发育异常高孔隙带,储集空间以溶蚀孔和生物体腔孔为主。扇三角洲间歇性废弃的水下分流河道经波浪改造后,形成分选好、杂基少和一定量白云石胶结的含螺砂砾岩是优质储层发育的岩性因素。
2) 成岩作用是砂砾岩优质储层发育的直接控制因素。早期地层流体呈碱性,储层成岩作用以压实作用和白云石胶结为主,储层物性变差。距今12.5~1.2 Ma时,富含油气的酸性流体充注,相对较容易渗入到分选较好、抗压实程度强的含螺砂砾岩中,岩屑、长石、碳酸盐胶结物发生强烈溶蚀和石英少量次生加大。1.2 Ma至今,油气充注能力减弱,地层流体呈碱性环境,强烈的方解石胶结造成现今沙一、二段储层整体呈低孔低渗的特点。由于部分含螺砂砾岩储层中有先期油气大量赋存,孔隙才大量保留下来。
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