塔中地区含砾砂岩段隔夹层特征及分布规律

2020-04-22郭春涛倪玲梅陈继福

科学技术与工程 2020年7期

郭春涛，倪玲梅，陈继福

(1.吕梁学院矿业工程系，吕梁 033001;2.山西大同大学建筑与测绘工程学院，大同 037003;3.曲靖师范学院曲靖市旅游发展研究院, 曲靖 655000)

隔夹层是影响剩余油分布的重要素之一,其增强了储集层的非均质性,使油水运动关系复杂化,剩余油分布规律性变差[1-3]。前人对隔夹层的研究较多,一部分学者侧重于野外露头或水槽实验的定量研究[4-8],一部分学者利用野外观测结果,采用现代沉积理论、沉积模式等进行概念化,基于数学拟合,对隔夹层的分布进行定性-半定量研究[9-11],还有一部分学者通过精细地层对比、井间插值、地震反演、储层建模、井间地震等方法对隔夹层的分布进行定量研究[12-16]。目前对于非露头区隔夹层的研究,主要以岩心、录井、测井分析为手段,个别辅以精细地震解释、井间地震等[9-11, 13-16],研究内容集中于隔夹层的成因、识别、特征、模式、分布、对剩余油的控制作用[1-3, 8, 10, 13-16]。然而,中国对隔夹层的研究一般集中于陆相、海陆过渡相中,如重力流[1]、河流相[2-6，8, 11, 13-16]、湖相[17]、三角洲相[18-20]、冲积扇相[7, 9-10]等。近几年学者开始关注海相地层隔夹层的研究,主要集中于滨浅海相,如滨岸[21-28]、生物礁[29]等。而在塔里木盆地,对隔夹层的研究则主要聚焦于东河砂岩[21-28],大多使用常规测井曲线,重点关注其成因、分布、识别、与剩余油关系、钙质来源、预测等[21-28],然而对于隔夹层的分布规律和控制因素则关注较少。同时,采样间隔0.125 m的测井曲线分辨率为0.3 m以上,而很多研究识别出的隔夹层厚度下限远远低于这个值[21-24, 26, 28],甚至用测井曲线识别出小于0.1 m的隔夹层[21, 24, 26, 28],这严重降低了研究结果的可信度。

图1 研究区位置简图Fig.1 Schematic location of research area

塔里木盆地塔中4油田含砾砂岩段油藏目前已经进入开发中后期,水淹情况日益严重,剩余油分布不清,产量开始快速递减。因此,搞清研究区内隔夹层的成因、特征,进而厘定其展布规律对油田开发具有十分重要的意义。然而目前的研究主要集中于含砾砂岩段的沉积储层特征、孔隙成因、成岩作用、开发动态、成藏模式等[30-32],而对影响储层非均质性的致密隔夹层研究则相对较少[33]。现以岩心、薄片、测井等资料为基础,通过大量实例分析,结合前人研究,对塔中地区含砾砂岩段隔夹层的成因机理、测井响应特征、形成模式进行了系统研究,特别是分析了隔夹层的分布规律和受控因素,以期为该地区油藏的剩余油挖潜、增产上储提供详实的地质依据。

1 地质概况

塔里木盆地是在前震旦纪结晶基底之上发展形成的大型叠合盆地,盆地内部发育有“三隆四坳”7个一级构造单元[图1(a)]。研究区塔中4油田地处塔克拉玛干大沙漠腹地,新疆巴州且末县境内,区域构造位于中央隆起带塔中低凸起的东部[图1(b)],区域面积1 600 km2。塔中低凸起为一继承性复式背斜构造,北部紧邻满加尔凹陷,南为塘古孜巴斯凹陷,西以吐木休克断裂带与巴楚断隆相望,东与塔东低隆相接(图1),其南北受断裂限制[图1(c)]。研究区塔中4油田整体上为一组受南倾逆断裂控制的、在前石炭系剥蚀面上形成的呈北西—南东走向的长轴披覆背斜群[图1(c)],构造整体形态表现为东南高,西北低的特征,发育有3个局部高点,即TZ401、TZ422、TZ402,高点间以断层或鞍部相接。

泥盆纪晚期,塔里木盆地发育一次大规模的、由西而东的海侵,在盆地中西部大范围内沉积了一套灰白色、纯净的石英砂岩,即重要的油气储层东河砂岩[30-31]。之后,海平面小幅度下降后又快速上升,沉积了大范围分布的含砾砂岩段,岩性以含砾砂岩、细砂岩和粉砂岩互层为主,局部夹泥质条带,分布相对稳定,厚度为25～30 m[33]。

含砾砂岩段可进一步划分为6个小层(图2),自下而上粒度逐渐变细、泥岩含量逐渐增加、水体能量逐渐变小、沉积范围逐渐扩大,表明沉积环境主要为无障壁浪控砂质滨岸相[30, 32-34]。滨岸相可进一步分为前滨、临滨2种亚相,自下而上沉积水体逐渐变深,从5小层～0小层依次发育上前滨、下前滨、上临滨、中临滨、下临滨微相(图2)。由于0小层主要为泥岩,基本不含油,主要讨论1小层至5小层。

图2 典型井TZ409柱状图Fig.2 Histogram of typical Well TZ409

2 研究区隔夹层的成因

由于沉积、成岩、构造等地质因素差异,研究区隔夹层成因类型多样。不同成因隔夹层的岩性、特征、组合、测井响应、分布规律等有较大差异,对油水运动、剩余油分布的影响也有所不同[1-3]。通过优选11口厚度大、取心全的典型井,进行详细的岩心观察、镜下鉴定,参考前人资料,根据岩性、测井响应、宏观分布等,将研究区隔夹层的成因分为3大类7小类。

2.1 沉积作用形成的隔夹层

2.1.1 层理构造中的纹层或条带层

图3 岩心中不同成因的隔夹层Fig.3 Interlayer of different genesis in cores

由于水体能量的随机波动,在中细砂岩的纹层之间往往发育数量不等的非常薄的更细粒的纹层或条带层[图3(a)]。这类夹层广泛存在,在多种沉积环境中都可形成,主要特征是数量多、厚度小、分布极不规则、延伸长度和面积非常小、难以预测,增大了油气采出的难度。这类夹层仅能在岩心上辨认,难以通过测井识别。

2.1.2 沉积旋回成因形成的隔夹层

不同级次旋回形成不同级次的层序,在两个层序界面之间往往形成正旋回、反旋回、均质旋回等。在正旋回沉积中,自下而上砂质含量减少而泥质增加,砂体分布受局限且连续性变差,形成分布面积相对较大的泥质、粉砂质、钙质沉积[图3(b)]。这类隔夹层大多发育于基准面旋回的中上部,一般有一定的厚度、长度和面积,能在局部或大面积范围内起到阻挡油气水垂向或水平运动的作用。在反旋回沉积中,则刚好相反,隔夹层主要发育于旋回的中下部。

2.1.3 单一沉积环境形成的隔夹层

当水体能量较弱且长期稳定时,如泥坪、下临滨微相等环境,常广泛发育具有水平或块状层理的泥岩、粉砂质泥岩,并侧向叠加连片,形成厚度、延伸长度、面积都比较大的隔层。这种隔层往往可以作为油气水垂向运移的障碍,有利于油田分层注水和开采。

2.2 成岩过程中形成的隔夹层

这类隔夹层包括钙质条带、硅质条带、黏土胶结条带等,其原岩往往相对较粗,上覆或下伏地层中的流体通过渗透层、断层等使含砾砂岩段内较粗粒沉积发生交代作用,使其孔渗逐渐变差,由储层逐渐变为非储层,形成所谓的“物性隔夹层”,其属于成岩非均质的范畴。这类隔夹层形成条件、分布规律十分复杂,横向预测较难。

2.2.1 薄层砂体全胶结型物性隔夹层

厚层块状泥岩中往往发育有少量的砂岩夹层或透镜体。成岩过程中,这些砂岩受到来自于上下岩层中离子的作用,发生交代、胶结、重结晶,使其孔渗下降形成低渗透、非渗透层。如果原始砂层比较薄,就形成该类型的物性隔夹层[图3(c)]。

2.2.2 厚层砂岩顶底胶结型物性隔夹层

储层成岩过程中,厚层砂岩顶底与泥岩、灰岩等接触,发生胶结、交代、重结晶作用,使原来砂岩顶底的物性被改造、破坏,形成低渗透或不渗透的致密条带[图3(d)],也可形成形态各异、分布复杂的物性隔夹层[33]。

2.2.3 砂体内分散胶结型物性隔夹层

厚砂体内部常分布有零散的泥质、钙质、硅质团块等透镜体,在成岩过程中,来自这些团块和上下砂岩层中的各种离子使厚砂体局部发生交代、胶结等作用,形成低渗透的物性隔夹层[图3(e)]。这种隔夹层的分布极为复杂,预测难度很大。

2.3 构造成因隔夹层

研究区石炭系含砾砂岩段沉积之后,塔里木盆地经历了多次大规模的构造运动[35-37]。在不同构造运动时期,不同大小、方向的构造力作用于已形成的岩层上,岩石将发生体积压缩、流体排出、孔渗减小,使原来有储集能力的岩层形成低渗透或非渗透的隔夹层。这种作用形成的隔夹层与压实作用形成的隔夹层在性质、外形上都比较相似,区分难度较大。

3 隔夹层岩石学特征

根据岩心、薄片观察结果,结合成因类型,以岩心、测井响应为依据,共识别出3类隔夹层,主要为泥粉质隔夹层、钙质隔夹层、物性隔夹层。不同类型的隔夹层具有不同的电性特征和分布范围,它们对油水运动的控制也有所不同。

3.1 泥粉质隔夹层

这类隔夹层的岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、含砾泥岩等。岩心上厚度介于0.01～1.32 m,平均0.46 m。泥粉质隔夹层主要发育3种形态:①呈中-厚层状,渗透率、分布频率最低,颜色以灰色、深灰色为主,主要形成于水体较深的区域,如滨外陆棚、下临滨等,侧向连续性较好；②呈薄层条带状,分布频率较大,颜色以灰色、灰白色为主,可见氧化色,可能形成于水体能量较小或经常暴露区域,如上前滨、泥坪等,侧向连续性一般；③呈透镜状,岩性相对较粗,水体能量多变。

3.2 钙质隔夹层

该类隔夹层主要为钙质胶结砂岩,包含钙质细砂岩、钙质粉砂岩等,主要胶结物为方解石,其次为铁方解石、硬石膏等[11, 21]。颜色以灰色、灰白色为主,岩性致密,与沉积物非均质成岩有关。岩心上厚度介于0.01～1.36 m,平均0.53 m。钙质隔夹层主要发育两种形态:①呈条带状分布,渗透性低,分布频率最大,侧向连续性较好,钙质胶结物可由孔隙水的蒸发或Ca(HCO3)2脱气而产生沉淀而成,也可来源于上覆的灰岩层；②呈随机分布的团块状,渗透性低基本不含油,分布频率较大,钙质胶结物主要源于成岩期的交代作用。

3.3 物性隔夹层

该类隔夹层岩性以细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等为主,大多厚度较大,岩心上厚度介于0.01～1.89 m,平均1.13 m,分布较广,具有一定的孔隙度和渗透率,但未达到有效储层物性下限,。

4 隔夹层的电性特征

根据取心井的岩心、薄片、物性分析、扫描电镜等分析化验资料较容易正确识别隔夹层。但是,对于非取心井,其测井资料更为丰富,根据测井曲线特征识别隔夹层更具有普遍意义。为此,从岩心隔夹层识别入手,在仔细观察取心井隔夹层发育特征后,用岩心标定测井,根据隔夹层的测井响应、孔渗饱数据、测井解释等,综合解释隔夹层发育。

4.1 泥粉质隔夹层

泥粉质隔夹层在测井曲线上主要表现为泥岩、粉砂质泥岩的特征(图2)。自然伽马呈高值,大多在100 API以上；自然电位为基线或接近基线；声波时差高值；井径曲线明显扩径；微电极曲线平稳、幅度低,常常下降为砂岩层的50%或以下；深侧向电阻率曲线有明显下降,常为砂岩层的50%或以下。

4.2 钙质隔夹层

钙质隔夹层由于岩性致密、渗透率低、导电性差,在测井曲线上主要表现为:自然电位负异常；井径基本无扩径；钻时高且变化小；密度测井曲线高值；中子测井响应低值；声波时差响应低值[33]；电阻率高于邻近砂岩层；自然伽马低值,但高于油层自然伽马值,一般介于30～60 API；感应测井电阻率曲线重合且均为高值,并高于砂岩层电阻率[33](图2)。

4.3 物性隔夹层

物性隔夹层是储层与非储层之间的一种过渡类型,测井曲线上的表现也介于二者之间(图2),如自然伽马值低于泥岩,但高于砂岩,大多介于40～70 API；电阻率值低于砂岩,但高于泥岩；自然电位值高于泥岩基线,形态类似砂岩但幅度较小。

5 隔夹层的识别

隔夹层是储层内的非有效层,主要表现为孔渗相对较小。不同油藏、不同各类储层物性数值相差很大,因此,隔夹层的物性上限也没有一个统一标准。一般泥粉质隔夹层的孔渗相对较小,而物性隔夹层孔渗相对较大,其与储层呈渐变关系。根据研究区8口井岩心资料、单层试油分析资料,共使用物性分析样品2 456块,采用有效厚度下限法,确定含砾砂岩段隔夹层的物性上限:渗透率为1×10-3μm2,孔隙度为5%。

以微电极曲线、自然电位、自然伽马为基础,结合深浅电阻率、声波时差、井径,参考测井解释结果、孔渗饱参数和生产动态资料,对目的井段进行人工解释。由于测井曲线分辨率在0.3 m以上,利用测井曲线识别低于0.4 m的隔夹层不具可信度,所以本文识别的隔夹层厚度下限为0.4 m。图2是典型井TZ409井的隔夹层识别结果。

6 隔夹层分布规律

基于野外踏勘、岩心和薄片观察、精细地震解释、生产动态验证等,对研究区所有井进行详细的隔夹层解释,进一步将隔夹层的展布与沉积环境、高级别基准面旋回、构造等因素进行对比,发现隔夹层的分布与沉积环境、高级别基准面旋回有较好的对应关系,同时也受构造的影响。

6.1 隔夹层的分布与沉积环境的关系

含砾砂岩段野外露头和岩心研究表明[30, 32-34],各种类型隔夹层在各个沉积亚相中均有分布(图2),但发育程度有较大差别。根据前述隔夹层测井识别方法,对研究区所有井进行隔夹层识别,然后将各小层隔层发育情况与沉积微相进行叠合,结果表明随着沉积水体逐渐加深,从5小层至1小层,隔层厚度总体逐渐增加(图4),前滨亚相的1、2小层隔层最厚(图4)。物性隔层从5小层至1小层不论是累计厚度还是所占比例均迅速减少,而泥粉质隔层则相反。

夹层的发育与隔层、储层呈消长关系。从5小层至3小层,夹层累计厚度逐渐增加,从3小层至1小层,夹层累计厚度逐渐减少(图4),这主要是由于4小层、5小层主要为油层,所以不论是隔层还是夹层的厚度均较小,而1小层、2小层含油性差,主要为隔层。而每类夹层所占的比例则与隔层相似(图4),反映出两者相似的形成机制。

不论是隔夹层的总厚度还是每类隔夹层的厚度,均与沉积环境关系密切。研究区沉积环境研究表明,从5小层至1小层依次发育上前滨、下前滨、上临滨、中临滨、下临滨微相,表现为水体逐渐加深的退积型沉积,由下而上粒度逐渐变细。4小层、5小层含砾砂岩、细砂岩含量高,经受成岩改造后,物性隔夹层所占的比例也高(图4)。而1小层、2小层以细粒的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主,受成岩改造后,泥粉质隔夹层所占比例也高(图4)。

6.2 隔夹层的分布与沉积旋回的关系

通过岩心观察和单井隔夹层识别,发现隔夹层的发育与高级别基准面旋回有较好的对应关系(图2)。理论上,在每一个基准面下降旋回中,由于可容纳空间逐渐减小,形成向上变细的沉积旋回,顶部粒度相对较细,容易发育泥粉质隔夹层,底部粒度相对较粗,容易发育物性隔夹层。而在每一个基准面上升旋回中,物性隔夹层、泥粉质隔夹层的发育刚好相反(图2)。

6.3 钙质隔夹层与断层的关系

研究区受加里东-燕山期构造运动作用,在南北双侧形成大型断裂及次级断裂[图1(c)]。同时,上覆地层发育数十米厚的生屑灰岩段、标准灰岩段。受压实作用、成岩作用等,上覆地层中富含钙离子、镁离子的流体更容易通过断层进入孔渗较高的3小层、4小层、5小层,而不容易进入孔渗较低的1小层、2小层,就造成钙质隔夹层所占比例下部高、上部低(图5)。从全区来看,越靠近断层,钙质隔夹层发育的厚层、层数越多,特别是大型断层；而越远离断层,钙质隔夹层发育就越少(图5)。