尼日尔Termit盆地古近系Sokor1组储层特征及其主控因素*

2022-10-17刘计国郑凤云毛凤军姜虹李早红吕明胜刘邦袁圣强

岩石学报 2022年9期

刘计国郑凤云毛凤军姜虹李早红吕明胜刘邦袁圣强

20世纪70年代，不同研究者已发现砂岩储层质量受沉积相(Nagtegal，1979)和成岩作用(Galloway，1979)的影响。针对砂岩成分、沉积相与成岩作用对储层质量影响的研究一直持续至今(裘亦楠，1992；McBrideetal.，1996；Lima and De Ros，2002；Ketzeretal.，2002；Al-Ramadanetal.，2005；El-Ghalietal.，2006；Gieretal.，2008；Dutton and Loucks，2010；朱筱敏，2013)。Moradetal.(2010)认为在影响砂岩储层物性的众多因素中，如何定量表征每种因素对砂岩储层质量的影响是研究的关键。对砂岩储层而言，层序格架、构造演化、砂岩成分、沉积相、流体性质以及成岩作用均对其物性变化起不同程度作用，但可能仅仅是其中一到两个因素起关键作用，而如何据此预测优质砂岩储层的时空展布是油气勘探开发面临的核心问题(兰朝利等，2014)。

尼日尔的北部和西部发育古生代台地，而东部发育中-新生代裂谷(Peterson，1983；Genik，1992，1993；Guiraud and Maurin，1992； Zanguinaetal.，1998)。Termit盆地为中-新生代裂谷的主体，油气勘探工作始于二十世纪六、七十年代(Peterson，1983；Zanguinaetal.，1998)，自中国石油2008年进入尼日尔获取区块作业权以来，多名研究者对该盆地及相邻区域开展了构造演化(刘邦等，2012；张庆莲等，2013)、层序地层与沉积体系(付吉林等，2012；吕明胜等，2012；汤戈等，2015；毛凤军等，2016a；王振升等，2016)、烃源岩和原油地球化学(刘邦等，2011；Wanetal.，2014；Liuetal.，2015；毛凤军等，2016b)、油气成藏(薛良清等，2012；吕明胜等，2015；周立宏等，2017，2018；Liuetal.，2019)等方面的研究。此外，付吉林等(2013)、毛凤军等(2019，2020)还分别对研究区中-新生代储层微观特征和上白垩统Yogou组储层特征及影响因素进行了探讨。但是，关于研究区主力产层古近系Sorkor 1组E5-E1五段储层特征及其物性差异性的主控因素目前尚不清楚。本文在岩心和井壁取心样品及其大量实验室分析测试基础上，对Sokor1组储层开展了岩石学特征、储层物性、沉积相演化以及成岩作用等方面的系统研究，提出E5和E2段储层质量最好，以中孔-中渗和高孔-高渗为主，E4、E3和E1段储层质量次之且非均质强，并认为沉积作用是影响储层物性的主要地质因素，成岩溶蚀作用次之。这将有助于后期对研究区开展储层综合评价、预测和勘探开发部署提供基础认识。

1 地质背景

Termit盆地构造上隶属西非裂谷系，北端与Tenere、Kafra和Grein盆地相接，南部进入乍得境内，称为Chad Lake盆地，与Benue槽相连(图1)。南北长约300km，东西宽在北端最窄处约60km，在南端最宽处约110km，尼日尔境内面积约30000km2。区域构造背景控制了盆地的形成和演化，总体呈NW-SE向展布，主要有走向NW-SE和NNW-SSE向两组断裂系统。根据Termit盆地平面构造特征的差异，从北到南可划分为Soudana隆起、Dinga断阶带、Dinga凹陷、Araga地堑、Fana低凸起、Trakes斜坡、Moul凹陷和Yogou斜坡7个次级构造单元(图1)。

图1 Termit盆地区域位置、构造单元划分及取样井位置(据Liu et al.，2019)

受区域构造背景影响，Termit盆地经历了早白垩世裂谷、晚白垩世大规模海侵和古近纪裂谷三期构造旋回，与之对应发育厚度超过12000m 的“陆-海-陆”沉积(Genik，1992，1993)。勘探实践证实中生代白垩系、新生代古近系、新近系与第四系是主要沉积记录(图2)。下白垩统以初始裂谷期陆相沉积为主，在早白垩世末期遭受剥蚀，残留范围有限。上白垩统为完整海侵海退旋回，底部Donga组和中部Yogou组为海相碎屑岩沉积，顶部Madama组为厚层河流相砂砾岩沉积(Wanetal.，2014)。古近系自下而上划分为Sokor1组和Sokor2组；Sokor1组为砂泥互层，是区内主力储层；Sokor2组下部以泥岩为主，与上部的厚层泥夹薄层砂组成区内优质的区域盖层。新近系和第四系为坳陷期河流相沉积。目前已发现的90%储量位于Sokor1组中，因此对其储层物性研究具有重要的地质和现实意义。

图2 Termit盆地地层综合柱状图

2 储层岩石学特征

对研究区内55口井568个Sokor1组的岩心/井壁取心样品开展普通薄片、铸体薄片、阴极发光、X衍射、扫描电镜等实验室分析，系统地研究Sokor1组E5-E1段储层的岩石学特征，分析其储层物性及主要影响因素。样品测试在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。X衍射使用D8 DISCOVER型X射线衍射仪，检测依据为SY/T 5163—1995及SY/T 5983—1994，检测条件为14～20000倍，检验温度为24℃。扫描电镜使用TESCAN VEGAⅡ型扫描电子显微镜，检测依据为SY/T 5162—1997。

2.1 砂岩成分特征

2.1.1 碎屑成分

沉积盆地的沉积环境和物源区母岩类型可由砂岩碎屑组分直接反映(Dickinson and Suczek，1979；Dickinsonetal.，1983)。研究区样品薄片鉴定结果显示Sokor1组E5-E1段砂岩碎屑组分以石英为主(图3)，成分成熟度高，石英含量多在85% 以上，偶见少量长石和类型单一的变质岩岩屑(图3、图4)；石英砂岩是区内主要岩石类型，岩屑石英砂岩次之。

图3 Sorkor1组储层碎屑成分薄片特征

图4 Sokor1组储层岩石组分三角图

2.1.2 填隙物成分

镜下观察Sokor1组不同段填隙物含量差异较大，E5和E2段最大值小于30%，而E1段最高可达45%(表1)，均值也表现为E5和E2段最低，E1段最高(表1)。

表1 Sokor1组各段填隙物特征

2.1.2.1 杂基

E5-E1段砂岩填隙物中杂基组分主要为粒间粘土矿物，在岩石组分中不只作为杂基出现，部分以胶结物的形式存在(表1)。在E5和E2段粘土杂基含量多小于10%，局部能到20%，均值分别为6.85%和6.93%；进一步的X衍射和扫描电镜分析粘土总量表现出相似的变化趋势(数据略有差异)，粘土矿物类型以高岭石为主，次为绿泥石，伊利石和伊蒙混层较少(表2)。

表2 Sokor1组各段全岩X衍射粘土平均含量表

主要粘土矿物高岭石随深度的变化趋势表现为随深度增加而减少(图5a)，而次要类型绿泥石和伊利石表现为相反的趋势，即随深度增加而增加(图5b、5c)，伊蒙混层的存在表明经历粘土矿物的转化作用(图5d)。高岭石在2000～2700m范围内迅速减少，对应绿泥石的快速增加，表明在该深度范围存在粘土矿物转化带，推测存在地层水介质条件的变化，导致粘土矿物间相互转化，进而造成地层中绿泥石局部发育而高岭石含量减少。

图5 Sokor1组粘土矿物随深度变化趋势

2.1.2.2 胶结物

研究区E5-E1段砂岩胶结物类型主要为碳酸盐、硅质和粘土矿物三类，铁质胶结物相对不发育，整体来看，胶结物含量在岩石中占比较小，对储层的破坏作用不大。

(1)碳酸盐胶结物

方解石是区内较常见的碳酸盐胶结物，胶结程度较浅，一般零星出现(图6a)，未见铁方解石以及铁白云石胶结物，在层位上E1段方解石胶结物出现频率最高，且平均含量最大(表1)。

图6 Sokor1组砂岩胶结物镜下特征

(2)硅质胶结物

石英次生加大和粒间自生微粒石英是研究区内硅质胶结物主要类型。偏光显微镜和扫描电镜显示硅质胶结作用较弱，个别薄片中硅质胶结较发育，但加大边往往窄而不连续，宽度小于10μm，总量在0.5%～5%之间，平均1.5%，加大程度为I-II级(图6b)。

(3)粘土矿物胶结物

高岭石是区内最主要的粘土矿物胶结物，常呈书页状或蠕虫状聚合体充填于孔隙之间；伊利石、伊蒙混层、绿泥石多以薄膜状孔隙衬垫或孔隙充填的形式产出。高岭石在薄片中含量一般3%～5%，局部可达10%，呈分散质点状分布。扫描电镜下高岭石具有假六方形外形，一般3～15μm，其集合体多呈书页状(图6c)，有时也呈弯曲的蠕虫状。多数高岭石遭受了不同程度的溶蚀，造成其晶体间常存在大量的残余孔隙、溶蚀孔隙和微孔隙，高岭石填隙物完全堵塞孔隙的情况较为少见。由于高岭石填隙物的存在，阻碍了压实作用进行，对原生粒间孔隙的保存起到积极的作用。扫描电镜下绿泥石多以孔隙衬里和孔隙充填等产状为主。多表现为针叶状集合体并向孔隙中心生长，或表现为较好的花朵状、叶片状和绒球状晶体(图6d)。伊利石多以孔隙充填的形式产出，少数以薄膜状孔隙衬垫的形式产出，表现为弯曲的丝缕状或丝片状(图6e)。孔隙充填的弯曲丝缕状伊利石集合体不仅将原始粒间孔隙分割成若干小孔隙，占据孔隙空间，对储层物性更重要的影响是严重降低储层的渗透性。伊-蒙混层形态多为絮状，孔隙衬垫和孔隙充填是主要的产出形式(图6f)。

2.2 砂岩结构特征

Sokor1组砂岩储层主要为细粒结构，含较多的不等粒结构、含砾不等粒结构以及粉粒、中粒结构，粗粒结构较少见，石英颗粒磨圆度较差，以次棱-次圆状为主(图7)。镜下观察颗粒以点接触、点-线接触为主，局部可见缝合接触；胶结类型以孔隙胶结为主，少量接触胶结。颗粒接触关系和胶结类型均反应压实作用较弱。

图7 Sokor1组砂岩铸体薄片储集空间特征

储层岩石学分析认为，Termit盆地Sokor1组E5-E1段储层的主要岩石类型为石英砂岩，岩屑石英砂岩次之，砂岩成分成熟度高，结构成熟度低，分选与磨圆度中等-差，反映河流三角洲环境，河控为主，而波浪影响较小。

3 储集空间与储层物性

3.1 储集空间

储层岩石学分析明确E5-E1段储层孔隙类型以原生粒间孔为主(图7)，其次为溶蚀孔、晶间孔，溶蚀孔可见石英及少量长石和云母的粒内溶孔(图7b，f)。由于粒间原生孔(图7)和扩大粒间孔发育，导致孔隙缩小型喉道是主要孔喉类型(图7b-d，f)，其次为断面收缩型喉道(图7e)和管束状喉道(图7a)。

3.2 储层物性

8口井的岩心孔渗分析表明E5-E1段储层整体孔渗正相关性好，以中孔中渗储层为主，高孔高渗较发育，低孔低渗较少(图8)。按照石油与天然气行业标准(国家能源局，2011)，E5储层为高孔高渗，部分为中孔高渗，为I类储层；E2储层多为中孔中渗，少量高孔高渗和低孔低渗，为I类储层。E4、E3和E1段储层渗透率变异系数、突进系数和级差均表明非均质性强(图8、表3)，主要为I类和II类储层。

表3 Sokor1组各段储层孔隙度和渗透率特征

图8 Sokor1组不同段孔隙度和渗透率交汇图

4 砂岩储层的成因

研究区古近纪裂谷期主要为河流-三角洲-湖相沉积(付吉林等，2012；周立宏等，2017，2018)。Sokor1组属于古近纪裂谷初始期沉积记录，岩性表现为砂泥岩互层。岩心观察显示沉积特征如下：(1)泥岩以灰绿色、灰色、深灰色为主，局部发育杂色泥岩(图9)，反映滨浅湖-半深湖环境；(2)砂岩粒度以细粒为主，可见含砾细砂岩和含砾不等粒砂岩(图9c, e)，表明搬运距离相对较近，以近源沉积为主；(3)沉积构造以中-小型交错层理、波状层理和水平层理为主(图9a, b, d, e)，局部发育透镜状层理、变形层理等(图9a, d, e)，见冲刷面现象(图9c)，主要为三角洲前缘沉积，发育水下分流河道、河口坝、远沙坝、席状砂等微相。

图9 Sokor1组典型沉积构造岩心照片

4.1 沉积相演化

古近纪经历了裂谷初始期-裂谷深陷期-裂谷萎缩期构造演化旋回。沉积相发育受盆地结构和北部、西部和东部3个方向物源的控制，沿盆缘发育多个三角洲沉积体系(付吉林等，2012；周立宏等，2018)，在西部Dinga断阶带、Yogou斜坡以及东部Araga地堑、Fana低凸起沉积了大量储集性能优良的砂岩。

Sokor1组E5-E1段属于基准面逐步上升的半旋回沉积记录，岩心观察、录井资料和测井曲线组合表明主要发育湖泊-三角洲沉积体系，岩性表现为砂泥岩互层(图10、图11)。E5段为古近纪裂谷初始期的早期沉积，断裂活动弱导致地势差小，北部和东西两侧物源充足，三角洲延伸较远，湖盆范围较小，致使三角洲平原和前缘的分支河道范围广，连续性好(图11a)；E4和E3继承了E5的沉积格局，随着裂谷作用逐渐增强，沉积基准面上升，湖泊沉积范围逐步增大，北部和东西两侧发育的三角洲逐步萎缩，E3时期湖泊范围达到最大(图10、图11b)；E2时期沉积基准面短暂下降，湖泊面积有所缩小，东西两侧三角洲范围延伸较远(图10、图11c)；E1时期沉积基准面快速上升(图10)，湖泊面积进一步变大，东西两侧三角洲范围最小。沉积演化造成E5和E2沉积时期湖泊沉积范围小，砂体最为发育，E4、E3和E1沉积时期湖泊范围大，三角洲沉积范围小。

图10 A-2井Sorkor1组沉积相划分图

图11 古近系Sokor1组沉积相特征

4.2 成岩作用特征

4.2.1 成岩作用

在沉积岩形成、发育、演化过程中，成岩作用起着至关重要的作用，对储层物性也产生着重要的影响(孟元林等，2011；朱筱敏等，2013)，通过研究区砂岩储层实验室分析结果分析，确定了E5-E1段成岩作用主要有四种，分别是压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。

其中压实作用以机械压实为主，化学压实(压溶)较少。主要表现为碎屑颗粒经压实发生定向排列(裘亦楠，1992；毛凤军等，2013)，云母、砂屑等塑性颗粒压弯变形，颗粒间的接触关系趋于凹凸-缝合接触，普遍以点-线接触为主，反映压实作用较弱，对储层原生孔隙的保存相对比较有利。

胶结作用包括碳酸盐胶结、石英次生加大胶结、粘土矿物胶结(高岭石、伊利石、绿泥石等)。碳酸盐胶结(方解石)程度较浅，一般零星出现(图6a)。偏光显微镜和扫描电镜显示硅质胶结作用较弱，加大边往往窄而不连续，加大程度为I-II级(图6b)。粘土矿物胶结主要为高岭石胶结，伊蒙混层、绿泥石和伊利石较少见(图6c)。多数高岭石遭受了不同程度的溶蚀，造成大量的残余孔隙、溶蚀孔隙和微孔隙在其晶体间形成，完全堵塞孔隙的情况少见。高岭石的存在阻碍了压实作用进行，对原生粒间孔隙保存起到积极的作用(付吉林等，2013)。

溶蚀作用主要有长石、石英、云母、高岭石及粒间充填物的溶蚀。长石常沿解理溶蚀形成窗格状，溶蚀强烈者形成了铸模孔，呈残骸状(图12a)；石英常见粒内溶蚀(图12b)；高岭石可见溶蚀迁移(图12c)；云母多溶蚀为条带状(图12d)。

图12 Sorkor1组砂岩铸体薄片溶蚀特征

区内交代作用常见方解石交代石英，导致石英颗粒边缘呈港湾状，或变成极不规则的残骸状边缘。

4.2.2 成岩阶段

对粘土矿物随深度的演化、包裹体均一化温度、成岩现象特征和颗粒接触类型等分析认为古近系Sokor1 组顶部E1段储层仅在Dinga断阶带与Dinga凹陷交界处(图1中IE-1_DD-1_GW-1_AF-1_SE-1连井处)受构造埋深影响进入到中成岩A期阶段(图13)，其它区域E1段均处于早成岩B期。E5-E2段储层基本进入了中成岩A期(图13)。弱-中等强度的压实作用、较弱的胶结作用、较常见的石英和长石等碎屑颗粒的溶蚀以及碳酸盐胶结物交代石英颗粒都表明成岩作用对于储层物性影响主要表现为建设性作用。

图13 Dinga断阶带与Dinga凹陷交界处成岩阶段划分图

5 储层质量主控因素

影响碎屑岩储层物性的因素众多，母岩类型和沉积相是关键的“先天”因素，影响储层的原始物性和空间分布；成岩作用是“后天”因素，贯穿沉积储层整个演化过程，决定了储层的最终物性(孟元林等，2011)。因此，本文从研究区储层岩石学特征和成岩作用入手，讨论Sokor1组E5-E1段砂岩储层物性影响因素。

5.1 碎屑组分对储层物性的影响

样品薄片和全岩X衍射分析统计结果表明，Sokor1组E5-E1段砂岩储层碎屑组分主要为石英、长石、岩屑，偶见少量长石和类型单一的变质岩(以石英岩为主)岩屑。岩石类型为石英砂岩，砂岩成分成熟度高，石英含量多在85% 以上。由于石英颗粒的刚性支撑作用相对较强，在一定程度上延缓了砂岩的压实过程，对储层原生孔隙的保存相对比较有利。E5段砂岩储层石英含量最高(88.48%)是造成物性优于其它段储层物性的原因之一(图10、表3)。

5.2 粘土含量对储层物性的影响

Sokor1组沉积相演化(图11)造成E5和E2段填隙物总量低，且粘土杂基含量低，粘土矿物胶结物相对较高，E1段粘土填隙物总量为5个段最高，E3和E4段次之(表1、表2)。由于填隙物中粘土杂基充填了砂岩的孔隙，所以粘土杂基含量与储层的物性呈负相关。E4、E3和E1的高粘土杂基含量导致渗透率大幅降低(表3)，这可能是这三个段储层物性非均质性强于E5和E2段的主要原因之一。

5.3 沉积微相对储层物性的影响

Sokor1组主要的沉积微相有水上分支河道、水下分支河道、河口坝、远沙坝、浅湖滩坝和分流间湾等，其中水上分支河道、水下分支河道和河口坝砂体厚度大(图10)，砂岩颗粒较粗，分选、磨圆较差，孔隙度、渗透率较大，物性较好；而远沙坝、席状砂、浅湖滩坝砂体厚度较薄，砂岩粒度细，一般为粉砂级别，加之沉积成因的高粘土杂基含量导致物性变差。对112块铸体薄片面孔率进行沉积微相的统计和对比发现，水下分支河道砂体面孔率5%～35%，平均19.5%，水上分支河道砂体面孔率15%～25%，平均18.9%，河口坝砂体面孔率10%～25%，平均17.6%；而远砂坝以及浅湖滩坝储层的面孔率较低，均不足10%。E5、E2段大范围发育的分支河道砂体是其储层物性好于其它段的主要影响因素。

5.4 成岩作用对储层物性的影响

在对研究区样品普通薄片、铸体薄片的镜下观察基础上，进一步进行扫描电镜、阴极发光、X衍射等实验室分析，明确研究区E5-E1储层经历压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用四种成岩作用。对粘土矿物随深度的演化、成岩现象特征和颗粒接触类型等分析认为古近系Sokor1 组顶部E1段储层多处于早成岩B期，仅局部进入中成岩A期，E5-E2段储层基本属于刚进入了中成岩A期。综合考虑研究区成岩作用对储层的影响，认为压实作用和方解石胶结作用都相对较弱，残余原生孔隙较为发育。同时，溶蚀作用以粒内溶蚀为主，但溶蚀有限。成岩作用对储层影响总体上以建设性作用为主，压实作用和胶结强度对原生孔隙的影响较弱，区内砂岩储层仍具有较好的储层物性。