焉耆盆地四十里城地区储层特征及孔隙演化

2020-04-16黄帅博

石油地质与工程 2020年2期

黄帅博

（中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450048）

砂岩孔隙度是影响油气运移、聚集的关键因素之一，预测砂岩孔隙度在地史的演化中对研究油气成藏规律、预测油气分布具有重要意义[1-2]。目前，研究孔隙度演化方法主要有两种：一种是通过观察统计大量的岩石薄片，确定成岩序列及对孔隙度的影响，再经过校正回溯恢复孔隙度演化[3]；另一种是通过建立现今孔隙度与深度的关系并作为约束条件，同时考虑成岩作用对孔隙度的影响，基于数值模拟技术恢复砂岩古孔隙度[4]。本文以焉耆盆地四十里城地区为研究对象，定量恢复砂岩孔隙度的演化，预测地下储层优劣，为该区油气勘探提供支撑[5]。

1 地质概况

焉耆盆地是中国西部中小型含油气盆地，自南而北划分为博湖坳陷、焉耆隆起和和静坳陷三个一级构造单元。博湖坳陷进一步划分为南部凹陷、种马场凸起和北部凹陷。四十里城地区位于北部凹陷西北部，西临霍拉山，东到宝浪苏木背斜构造带，南接种马场凸起，北至焉耆隆起（图1）。地层从下向上依次为：前中生界、中生界侏罗系、新生界古近系、新近系。中下侏罗统八道湾组、三工河组、西山窑组是勘探的主要目的层系。

图1 焉耆盆地四十里城地区构造位置

2 沉积和储层特征

2.1 沉积特征

八道湾组沉积时期，区内为温暖潮湿的热带-亚热带气候，主要发育砂砾岩夹煤层的辫状河三角洲-湖沼沉积，期间发生了多次水退水进，有厚层砂砾岩的辫状河三角洲平原沉积，也有砂砾岩与煤层、泥岩互层的辫状河三角洲前缘-湖沼沉积[6]。三工河组沉积时期，气候转为半潮湿，早期发育了大套灰白色砾状砂岩夹少量灰色薄层泥岩的辫状河三角洲平原沉积；中期湖盆整体下沉，发生水进，形成了一套含砾砂岩、细砾岩与泥岩互层的辫状河三角洲前缘沉积；晚期湖盆继续下沉，水体进一步加深，发育深灰、灰色泥岩及炭质泥岩为主的滨浅湖沉积。西山窑组沉积时期，水体扩大，气候再次趋于温暖潮湿，植被大量生长，沼泽的发育使本区沉积了几套较厚的煤层和炭质泥岩，在此背景下发育了辫状河三角洲前缘细砂岩沉积；晚期盆地回返上升，遭受剥蚀。

2.2 储层岩石类型

四十里城地区碎屑岩储层的特点是粒度偏粗，岩石类型主要为砾岩、砾状砂岩、巨砂岩、粗砂岩和中砂岩。陆源碎屑成分主要为石英、长石、岩屑、云母类和重矿物等，岩屑含量高、石英和长石含量低，以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩为主（图2）。

储层碎屑岩粒级从砾岩至粉砂岩，粒径主要为0.031～10.000 mm，分选以中等为主，磨圆以次棱状为主；颗粒支撑，粒间以线接触、凹凸接触为主，胶结方式以孔隙式、压嵌式为主。

图2 四十里城地区储层砂岩类型

2.3 储层物性及孔隙结构

四十里城地区储层物性整体较差，三工河组和八道湾组储层物性相差不大，三工河组平均孔隙度7.81%，平均渗透率 7.720×10-3μm2；八道湾组平均孔隙度7.67%，平均渗透率5.600×10-3μm2。

研究区储集空间主要为小孔微喉型和大孔细喉型，小部分为微裂缝-孔隙型。其中小孔微喉型的特点表现为孔隙和喉道都很小，孔喉比也小；孔隙类型以粒内溶孔和黏土矿物晶间孔为主，粒间余孔和粒间溶孔较少，物性表现为低孔低渗特征，这类孔隙结构是煤系储层的主要孔隙结构特征，反映了煤系储层被强烈压实的结果。大孔细喉型的特点表现为孔隙相对较大，但喉道较小、孔喉比值大，孔隙类型主要为原生粒间残余孔、粒间溶蚀扩大孔和粒内溶孔[7]，这种孔隙结构反映了煤系储层中优质储层的孔隙结构特征，是煤系储层被有机酸强烈溶蚀的结果。

3 储层成岩作用

碎屑岩成岩作用是指碎屑物质自搬运沉积后至变质作用前所发生的各种物理、化学、生物化学变化[8]。四十里城地区成岩作用的类型归纳起来主要有4种：机械压实-压溶作用、胶结作用、交代作用和溶解作用。

3.1 机械压实-压溶作用

储层在上覆地层的垂向应力作用下，支撑原始孔隙的骨架碎屑颗粒及空间被压实、压缩，颗粒局部重新排列，部分脆性颗粒被压碎破裂[9]，塑性颗粒被压变形呈假杂基化；与此同时，在流体介质的配合下，应力支撑点发生溶解，形成压溶作用，使碎屑颗粒之间由原来的不接触或点接触为主的关系逐渐变成凹凸接触和线接触。四十里城地区有填隙物的储层被改造后，仍以孔隙式胶结为主；而没有填隙物的储层，被改造后，大多以镶嵌式胶结为主。

3.2 胶结作用

胶结作用是碎屑岩成岩作用过程中形成的矿物充填于储层的储集空间，主要为自生黏土胶结，还有石英或长石胶结、碳酸盐胶结。但胶结物含量有限，胶结作用影响不大。自生黏土矿物的种类有伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石，以沉淀或交代成因为主。方解石主要以含铁方解石为主；白云石以铁白云石为主，两者多呈亮晶、连晶结构，充填孔隙或交代颗粒。石英胶结以石英次生加大为主。

3.3 交代作用

交代作用是一种矿物替代另一种矿物的现象，本区交代作用主要有两种：碳酸盐交代岩屑、长石，常形成交代“亮边”，被部分交代或被完全交代。黏土矿物交代长石、岩屑，即蚀变作用，是伊利石形成的主要成因之一。

3.4 溶解作用

四十里城地区溶解作用主要为骨架颗粒溶解，最常见的是长石矿物的溶解，并多具有选择性，是该区产生有效孔隙的最主要途径。长石溶解可分为两类：一类为与有机酸有关的溶解作用，即在有机质成熟过程中产生有机酸和含 CO2的酸性流体进入碎屑中溶解长石等[10]。此期溶解形成的次生孔隙与油气生成后初次运移时期相当，对油气的储集最有利，四十里城地区溶解作用主要为这种类型。另一类长石溶解与地表水有关，当地层出露，遭受地表水淋滤作用造成长石溶解[11-12]，在西山窑组顶部不整合面之下发育这种类型。

根据岩石薄片、铸体薄片、扫描电镜等镜下各种成岩现象，结合成岩作用分析，确定四十里城地区成岩演化序列。早成岩阶段，成岩作用以压实作用为主，由于沉积环境为酸性，胶结物极少；中成岩A1亚期，压实作用基本完成，同时有机酸大量产生，长石溶蚀较为发育，开始出现石英加大，但含量极少；中成岩A2亚期，水介质由酸性向碱性转变，溶蚀作用减弱，胶结作用相对较强，主要为石英胶结和碳酸盐胶结。

4 储层孔隙演化特征

4.1 原始孔隙度恢复

国内外学者在建立孔隙度演化模型时基本都取储层原始孔隙度为40.00%，但是中国大部分陆相砂岩储层原始孔隙度低于40.00%，若利用上述孔隙度演化模型，计算结果必将产生一定的偏差[1]。

砂岩的原始孔隙度与粒度无关，主要受颗粒分选性的影响[13]。本区碎屑岩粒度分析结果显示，该区储层砂岩分选普遍较差，分选系数主要为1.72～4.19。根据Baerd和Weyl的资料（1973），推算出分选系数与原始孔隙度之间存在下列关系式：

式中：φys为原始孔隙度，%；So为特拉斯克分选系数，由粒度累计曲线求得，分选越好、分选系数越低、砂岩原始孔隙度越高；P25和P75分别为粒度累积曲线上25%和75%所对应的颗粒直径。

经计算，砂岩的原始孔隙度为32.00%～38.00%，平均为35.00%。

4.2 压实作用与胶结作用对孔隙度的影响

成岩过程中，压实作用和胶结作用是致使孔隙度降低的最重要的成岩作用，但两者降低的方式不同，并互相制约。压实作用不可逆地减小岩石的粒间体积，如果它进行得快，则孔隙度和渗透率下降得快，层间水的流动便受到限制，胶结作用就不会发育。反之，胶结作用虽然堵塞孔隙，但不减小粒间体积，一旦孔隙流体与岩石之间的平衡被破坏，这些自生胶结物仍可被溶解而再次成为孔隙，胶结作用如果进行得快，压实作用就会受阻[14]。

从图3可以看出，左上部以压实作用为主，右下部以胶结作用为主。从图中可以看出四十里城地区储层都分布在以压实作用为主的区域，说明孔隙减少主要受压实作用的影响。压实作用致使原始孔隙度降低55.00%～90.00%，平均为70.00%，胶结作用致使原始孔隙度降低0～33.00%，平均为8.00%。说明该区孔隙度降低的主要原因是强烈的压实作用引起的，胶结作用对孔隙度的降低处于次要地位[15]。

4.3 孔隙演化史恢复

从压实作用与胶结作用对孔隙度影响分析可知，压实作用损失孔隙度约为原始孔隙度的70.00%，故压实作用而损失的孔隙度为35%×70.00%=24.50%。

图3 四十里城地区压实作用与胶结作用对孔隙度影响评价

胶结作用损失孔隙度约为原始孔隙度的8%，可计算出由于胶结作用损失的孔隙度为 35.00%×8%=2.80%。

在早成岩A期和早成岩B期，由于煤系地层缺乏早期碳酸盐胶结且其他胶结作用也较弱，压实作用是原始孔隙降低的主要因素[13]，压实作用造成的孔隙度降低为24.50%，在早成岩结束时，孔隙度降为10.50%。

随着埋深的继续增大，进入中成岩A期，此时，孔隙演化主要受胶结作用和溶解作用的影响[16]。孔隙体系连通性好的储层，由于存在可供酸性流体流动的通道[17]，烃源岩生成的富含有机酸和 CO2的酸性流体可以进入储层岩石颗粒的溶蚀孔隙，根据前人研究，次生溶蚀作用使孔隙度增加1.50%～4.85%，平均为3.00%，孔隙度增加到13.50%；孔隙体系连通性差的储层，由于缺乏酸性流体流动的通道，酸性流体流动不畅，不易形成大量的次生溶蚀孔隙，仅能略微改善储层物性[18]。

白垩纪时期构造抬升，地层温度降低，成岩演化速率也随之降低，由于胶结作用缓慢，孔隙度仅略微降低。古近纪时期该区地层再次沉降，成岩演化作用也随之增强[19]。孔隙体系连通性好的储层，如辫状河三角洲前缘水下分支河道，储层形成次生孔隙后又在侏罗纪中晚期油气成藏时被油气充注，可以有效地减缓和阻止压实作用和胶结作用[20-21]，从而保存较好的储层物性，最终孔隙度约为 12.50%；孔隙体系连通性差的储层，如河道间沉积砂体，因为既没有形成次生孔隙又没有被油气充注，同时被胶结物所充填，致使孔隙度进一步降为7.70%（表1、图 4）。

表1 四十里城地区砂岩储层孔隙演化

5 有利储集相带

煤系储层在成岩早期缺乏大量易溶胶结物，有机酸主要溶蚀长石和岩屑颗粒。有机酸形成时，储层已经受到强烈的压实作用，大部分原生孔隙已经消失，储层物性普遍较差。有机酸溶蚀必须要有流体运移通道，而原生粒间孔隙相对发育的储层有利于有机酸进入，水动力较强的沉积相带中，原始孔隙较为发育，是次生溶蚀孔隙的主要发育区。

通过对焉耆盆地优质储层与沉积相带的关系统计，优质储层大部分都分布在辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘亚相发育区，特别是辫状河三角洲平原分支河道微相和前缘水下分流河道微相是优质储层发育的主要部位。因为辫状河三角洲平原分支河道和前缘水下分流河道沉积时，水动力强、砂岩粒度粗、分选磨圆度好、杂基含量低、砂岩厚度大，原始储层物性好。在成岩早期压实过程中，压实程度相对较弱，原生孔隙保存较多，也有利于后期有机酸性的溶蚀[22]。