湖盆深水砂岩成岩相及微观孔隙结构研究 ——以鄂尔多斯盆地黄陵地区延长组长6段为例

0 引言

湖盆深水砂岩是鄂尔多斯盆地致密油的主要储层之一,主要分布在长6、长7油层组中,具有岩性细、泥质含量高,沉积、成岩作用复杂的特征,导致孔隙度、渗透率极低、孔喉细小,从而增加了储层研究难度,制约着油气高效勘探开发。微观孔喉结构是影响致密砂岩储层中油气充注、运移以及富集的主要因素之一,甚至决定着储层储集性能和渗流能力,目前是致密砂岩储层研究热点问题之一。由于沉积相平面和成岩垂向差异导致致密砂岩储层物性非均质性强、微观孔喉结构差异大,造成储层质量及含油性评价困难。

致密砂岩储层储集空间主要为原生粒间孔隙与长石溶蚀孔隙,并常见微裂缝和黏土矿物晶间孔隙[1-2];储层具有孔喉细小,数量多,连通性差等特征,且主要为微纳米级孔喉系统[3],前人统计表明中国主要盆地致密储层中纳米级孔喉可占整体77.2%[4-5]。在致密砂岩中主流喉道半径(累计渗透率贡献为95% 时所对应喉道半径)既可以表征储层孔喉分布特征,又可以准确地反映储层渗流能力[6]。鄂尔多斯盆地长6 段储集层渗透率差异较大的原因是硅质、钙质及黏土矿物胶结导致充填孔隙、堵塞孔喉[7]。黏土矿物性质、附存状态对致密砂岩储层孔隙结构有不同程度影响[8-10],以往研究表明,自生黏土矿物是长6 储层胶结物主要类型,对储层微观孔隙结构非均质性有重要影响[11-12]。

致密砂岩储层一般经历了强烈成岩改造过程,目前储层特征是沉积和成岩综合作用的结果,成岩演化差异性是导致储层微观孔喉结构差异、影响致密砂岩储层储集性能及渗流能力的主要原因[13-15]。越来越多研究者注意到致密砂岩储层中沉积微相和成岩作用差异性对孔隙结构的影响[16-18]。因此,研究成岩差异及对储层微观孔隙结构的影响,将有利于更好评价致密砂岩储层,为致密储层中甜点预测提供地质依据。

本次研究以鄂尔多斯盆地黄陵地区长6段深水砂岩为对象,采用铸体薄片、扫描电镜、阴极发光、高压压汞等资料,分析砂岩成岩差异和成岩相类型,将成岩作用和储层微观孔隙结构建立联系,分析不同成岩相下微观孔喉结构特征、储层储集性能和渗流能力,为该区致密油气勘探开发提供参考。

1 地质概况

1.1 地质特征

鄂尔多斯盆地是位于华北地台西部的大型克拉通叠合盆地,三叠系延长组油气资源丰富。黄陵地区构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部(图1)。

鄂尔多斯盆地延长组沉积了一套厚度约1 000 m砂、泥岩互层段,代表了湖盆从发育—壮大—消亡的整个过程。根据油气纵向上富集特征,将延长组自上而下划分为十个油层组(段),即长1-长10,其中长7段沉期为湖盆发育演化的鼎盛时期,沉积形成一套富含有机质的泥页岩,是盆地中生界最重要的烃源岩[19-20]。黄陵地区三叠系长6段发育湖盆深水重力流沉积,其储层具有岩性致密,碳酸盐胶结发育,杂基含量高,物性在空间上变化快,非均质强等特点,其长6段由于紧邻长7段烃源岩,致密油富集。

1.2 储层特征

1.2.1 岩石学特征

根据岩心观察和薄片资料统计,研究区长6段主要为细砂岩和极细砂岩组成,主要粒径在0.10~0.25 mm之间,磨圆为次棱角状—次圆状,分选较好,颗粒之间以线和凹凸接触为主,胶结类型主要以孔隙式为主,少量薄膜—孔隙式。

碎屑颗粒主要以石英和长石为主,岩性为长石砂岩。变质岩、岩浆岩岩屑含量高,沉积岩岩屑较少。填隙物由陆源杂基和胶结物组成,约占10%~46%,其中杂基约占3%~12%,胶结物约占8%~39%,陆源杂基主要为云母、火山碎屑,云母含量比较高,从2%~10%分布,平均为6.3%。胶结物主要为碳酸盐胶结物(方解石、白云石和铁白云石)、硅质胶结(石英次生加大)和黏土矿物胶结(绿泥石、伊利石)。胶结物含量达到体积8%~40%,平均22.12%,其中碳酸盐胶结物1%~31%,平均15.4%,占胶结物总量70%,研究区长6段黏土矿物主要为绿泥石、伊利石和伊/蒙混层,不含高岭石。

1.2.2 物性特征及影响

长6段储层孔隙度为1.6%~12.7%,平均孔隙度7.6%,渗透率0.010 mD~1.500 mD,平均渗透率为0.320 mD,为典型致密砂岩储层。孔隙类型主要为残余粒间孔和粒内溶孔[21]。面孔率分布范围在0.45%~3.50%,显示出双峰特征(图2)。

2 成岩作用特征及成岩相划分

2.1 成岩作用特征

黄陵地区长6段经历了复杂成岩改造,主要成岩作用类型有压实作用、胶结作用、交代作用及溶蚀作用。

长6段压实作用明显,主要以机械压实作用为主,尤其在富含杂基砂岩中表现更明显,镜下多表现为颗粒长轴定向、半定向排列,变质岩屑及云母类塑性变形,定向性排列(图3a),颗粒呈凹凸接触。

研究区胶结作用主要包括碳酸盐胶结,硅质胶结和黏土矿物胶结等,尤其碳酸盐胶结物特别发育。碳酸盐胶结主要类型为方解石、白云石和铁白云石胶结,方解石主要以泥晶镶嵌状分布于孔隙之间(图3b,图3c),而白云石、铁方解石主要以孔隙充填方式沉淀(图3d)。黏土矿物胶结主要为绿泥石、伊利石和伊蒙混层。绿泥石赋存状态主要为呈鳞片状充填(图3e)或花瓣状赋存关于颗粒表面(图3f);伊利石呈蜂巢状(图3g)、毛发状、丝缕状(图3h)、搭桥状、充填于残余孔喉中。硅质胶结主要微晶石英和石英次生加大为主,微晶石英呈单晶状态产出,晶形比较好(图3h、图3i),石英次生加大边明显(图3j)。

溶蚀作用是致密砂岩中改造储层孔喉的重要成岩作用之一,研究区长6段致密砂岩中,长石主要沿解理缝发生溶蚀,形成丝缕状或蛛网状溶蚀孔(图3k)。

交代作用是致密砂岩中常见的一种成岩作用,对储层孔喉贡献不大,研究区主要交代作用是方解石交代长石(图3l)。

根据自生矿物组合、成岩事件和黏土矿物组合等特征,研究区长6段处于成岩演化的中成岩A期。

2.2 成岩相划分及特征

成岩相是成岩环境的物质表现[22],是沉积物在特定构造、温度、压力和流体等条件下,经历一定成岩作用和阶段演化后的产物,包括岩石颗粒、胶结物、组构、孔洞缝等综合特征[23]。通常成岩相划分一般要考虑沉积物所经历的成岩作用,所处成岩阶段、成岩环境、成岩过程中具有指示意义的矿物标志、主要成岩事件和成岩演化序列等[24]。

黄陵地区长6段主要成岩特征是大量方解石早期胶结、多期黏土矿物胶结和高塑形岩屑砂岩经历强烈压实作用、后期长石和岩屑颗粒的溶蚀。因此根据研究区主要自生矿物组成、经历成岩作用及演化序列,将研究成岩相划分为四种类型:方解石胶结相、绿泥石胶结相、伊利石胶结相和高塑性岩屑相(表1)。

(1)方解石胶结相

方解石胶结相特征是方解石早期胶结,其含量大于15%,此类砂岩称为钙质砂岩(表1)。早期方解石呈基底式胶结,占据了大量原生孔隙,减弱了压实作用,由于原生孔隙急剧减小,后期溶蚀作用基本未见,使得储层致密。在薄片下偶见粒间孔隙,这类砂岩孔隙度、渗透率极低,储层质量比较差,一般孔隙度小于6.0%,渗透率小于0.056 mD,这类砂岩一般为非有效储层。

(2)绿泥石胶结相

绿泥石胶结相砂岩中,方解石胶结物含量小于15%,绿泥石含量大于7%,伊利石含量小于5%(表1)。这类砂岩中早期胶结的方解石含量低,且主要以点状、少量连片状充填孔隙。绿泥石含量高,且主要薄膜的形式产出,减少了压实作用,后期溶蚀作用发育,见长石溶孔。这类成岩相储层具有较高孔隙度和渗透率,主要为粒间孔隙和溶蚀孔隙,一般孔隙度大于7.6%,渗透率大于0.056 mD。

(3)伊利石胶结相

伊利石胶结相砂岩中,方解石胶结物含量小于15%,伊利石含量大于5%,而绿泥石含量小于7%(表1)。这类砂岩特点是早期胶结的方解石含量低,且主要以点状、少量连片状充填孔隙。伊利石含量高,且主要以毛发状、丝缕状、搭桥状充填于孔隙中,压实作用一般,后期溶蚀作用发育,见长石溶孔。这类成岩相储层具有较好孔隙度和渗透率,主要为粒间孔隙和溶蚀孔隙,一般孔隙度大于7.1%,渗透率大于0.042 mD。

(4)高塑性岩屑相

高塑性岩屑相砂岩中,方解石胶结物含量小于15%,而泥质碎屑含量大于10%(表1),这类砂岩特点是高含量泥质颗粒和变质岩岩屑,这类砂岩经历了早期强烈压实作用,具有低孔隙度和低渗透率特征,基本未见溶蚀现象,一般孔隙度小于6%,渗透率小于0.055 mD。基质孔隙度不能作为有效储层,这类成岩相砂岩偶尔发育微裂缝,起到导流作用。

3 微观孔隙结构

3.1 孔隙类型

根据铸体薄片统计,研究区长6段砂岩储层孔隙主要有四大类型:残余粒间孔、次生溶蚀孔、晶间孔及微裂缝。残余粒间孔主要为黏土矿物和碳酸盐胶结物充填后剩余孔隙(图4a、图4b),此类孔隙一般半径大于20 μm以上。次生孔隙主要为长石溶蚀(图4c、图4d),孔隙半径小于20 μm。残余粒间孔和溶蚀孔占总孔隙80%以上。晶间孔主要为黏土矿物之间(图4e),此类孔隙较小,半径一般小于10 μm。微裂缝是致密砂岩中常见储集空间,主要发育在颗粒接触处,绕过颗粒发育(图4f),但是在致密砂岩中起着良好沟通作用。

3.2 喉道类型

喉道为连通两个孔隙之间的狭窄通道,是影响储层渗流能力的主要因素,而喉道大小和形态则受控于岩石中颗粒接触关系、胶结类型以及颗粒本身形状和大小。研究区长6低渗储层主要以片状喉道、弯片状喉道和管束状喉道为主要类型(图4g,图4h)。

3.3 基于成岩相微观孔隙结构表征

致密砂岩微观孔隙结构由成岩作用、成岩矿物、成岩序列等因素综合控制[23,25]。成岩相差异是影响孔隙结构的重要因素,不同类型胶结物、胶结物含量、胶结样式决定了孔隙类型和喉道分布,进而决定了储层质量,将致密砂岩储层成岩相与微观孔隙结构建立起桥梁,有利于致密砂岩储层表征和评价。

(1)孔喉分布特征

根据高压压汞资料,分别对四种成岩相储层孔隙结构参数进行统计和分析 (图5,表2),孔喉分布呈现出明显两种分布特征,绿泥石胶结相和伊利石胶结相孔喉半径分布范围大,呈双峰态—高峰值型,孔喉半径大于0.1 μm孔喉占据优势,而方解石胶结相和高塑性岩屑相孔喉半径分布范围小,且小于0.1 μm孔喉占比例高,呈单峰态—低峰值型(图5a)。这表明前两者发育多孔喉且以大孔喉为主,而后两者以细小孔喉为主。从对渗透率贡献来看,前两者中对渗透

率起主要贡献是孔喉半径大于0.1 μm,而后两者主要以小于0.1 μm起主要作用(图5b)。绿泥石胶结相和伊利石胶结相主流孔喉半径(累积渗透率贡献大于95%所对应孔喉半径)大于0.061 μm,且绿泥石胶结相中孔喉半径普遍大于伊利石胶结相;相反,方解石胶结相和高塑性岩屑相主流喉道半径一般小于0.041 μm(图5c)。前两者累积汞饱和度普遍高于70%,而后两者主要30.89%~68.36%(图5d)。这表明前两者成岩相含有较多连通大孔喉,而后两者含有较多小孔喉。从孔喉分布峰值半径、中值半径、最大 连通孔喉半径及主流喉道半径平均值看,绿泥石胶结相孔喉半径最大,其次为伊利石,高塑性岩屑相,最小方解石胶结相(表2)。同样排驱压力和中值压力,绿泥石胶结相最小,方解石胶结相最大。

表2 黄陵地区长6段高压压汞孔隙结构参数统计表Table 2 Statistics of pore structure parameters of high pressure mercury injection of Chang6 Member in Huangling area

方解石胶结相和高塑性岩屑相分别经历了方解石早期大量胶结和早期强压实作用,孔喉半径急剧变小,这类储层原生孔隙不发育,后期溶蚀作用也微弱,因此孔喉半径不但小,而且连通性差。绿泥石胶结相和伊利石胶结相,胶结作用具有多期形成,早期胶结抑制了压实作用,压实作用相对弱,原生孔隙发育,加上后期孔隙水对长石溶蚀作用比较强,所以孔喉半径大,且连通性好。

统计分析不同成岩相孔喉区间大小对总孔隙体积贡献(表3),分析表明对于方解石胶结相和高塑性岩屑相,孔喉半径小于0.1 μm占总孔隙体积90%以上,主要为纳米级孔隙,高塑性岩屑相中还发育微孔(孔喉半径0.1 μm~0.5 μm)且占8.39%,表明高塑性岩屑相中还发育一些云母层间缝。绿泥石胶结相孔喉分布比较分散,不同级别孔喉半径都发育,主要以微、小孔占优势,孔喉半径小于0.1 μm占总孔隙体积35.87%,0.1 μm~0.5 μm占总孔隙体积40.76%,大于0.5 μm占总孔隙体积23.37%;伊利石胶结相中主要以微孔占优势,孔喉半径小于0.1 μm占总孔隙体积48.97%,0.1 μm~0.5 μm占总孔隙体积50.48%,大于0.5 μm占总孔隙体积0.55%;此现象说明致密砂岩中,纳米孔隙占有一定比例,但对储层渗透性能起主要作用的是微、小孔隙及以上孔隙。

表3 黄陵地区长6段不同成岩相孔径区间对总孔隙体积贡献Table 3 Contributions of pore-size range to total pore-volume of different diagenesis in the Chang 6 members in Huangling area

(2)不同成岩相喉道半径对物性影响

致密砂岩储层具有复杂孔隙网络系统,控制其渗流能力的主要是喉道,包括最大连通喉道、中值喉道及主流喉道的形状、大小和配位数等。通过分析不同成岩相中喉道半径与储层物性的相关关系(图6),结果表明,不同成岩相中,储层物性与喉道半径具有差异的相关系数。最大连通喉道半径、中值半径和主流喉道半径与孔隙度相关程度高,而与渗透率相关程度参差不齐;最大连通喉道半径和主流喉道半径与渗透率相关系数较好,而与中值半径相对较弱;四种成岩相中伊利石胶结相与渗透率相关性相对弱,其中最大连通孔喉半径、中值半径与渗透率相关性最差,分析原因伊利石大多数以桥接状产出,储层喉道半径急剧减小,影响储层渗流。

储层储集性能是评价其含油气性的一个重要指标,高压压汞最大进汞饱和度能很好地反映储集性能[13]。通过对不同成岩相与汞饱和度相关性分析发现(图7),汞饱和度整体与成岩相具有较好的相关性,绿泥石胶结相和伊利石胶结相具有较高汞饱和度,而方解石胶结相和高塑性岩屑相具有较低汞饱和度,分析原因强压实作用和方解石早期胶结,均导致储层储集空间减少,储集性变差,进汞饱和度降低。退汞效率方面,方解石胶结退汞效率最低,低于15%,绿泥石胶结相与伊利石胶结相具有较好退汞效率,一般在15%~30%之间,而高塑性岩屑相表现为28%~36%退汞效率,分析原因可能高塑性岩屑云母发育层间缝和微裂缝,有利于沟通孔喉,因此退汞效率高。

4 结论

(1)黄陵地区长6段深水砂岩主要储集空间类型为原生孔隙,类型主要为残余粒间孔,次生孔隙主要为长石溶孔,晶间孔和少量微裂缝。储层孔隙度平均值为7.4%,渗透率平均值为0.320 mD。是典型致密砂岩储层。

(2)黄陵地区长6段砂岩经历了方解石早期胶结和较强压实作用,使储层致密。根据自生矿物组成与储层物性关系,将致密砂岩划分为四种成岩相类型,方解石胶结相、绿泥石胶结相、伊利石胶结相和高塑性岩屑相;绿泥石胶结相和伊利石胶结相具有较好的

孔隙度和渗透率。

(3)四种成岩相具有不同微观孔隙结构特征,绿泥石胶结相和伊利石胶结相孔喉半径分布范围大,呈双峰态—高峰型,孔喉半径大于0.1 μm孔喉占据比例高,而方解石胶结相和高塑性岩屑相孔喉半径分布范围小呈单峰态—低峰值,孔喉半径小于0.1 μm;绿泥石胶结相和伊利石胶结相具有较高峰值半径、中值半径、最大连通孔喉半径及主流喉道半径,且主要以微、小孔(孔喉半径大于0.1 μm)占优势,而方解石胶结相和高塑性岩屑相,孔喉半径小于0.1 μm占总孔隙体积90%以上,主要为纳米级孔隙。

(4)四种成岩相中,渗透率与最大连通喉道半径、主流喉道半径的相关性好于与中值半径。绿泥石胶结相和伊利石胶结相具有较高汞饱和度,而方解石胶结相和高塑性岩屑相具有较低汞饱和度。