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文章信息
- 葛家旺, 朱筱敏, 潘荣, 雷永昌, 张昕, 陈淑慧
- GE JiaWang, ZHU XiaoMin, PAN Rong, LEI YongChang, ZHANG Xin, CHEN ShuHui
- 珠江口盆地惠州凹陷文昌组砂岩孔隙定量演化模式——以HZ-A地区辫状河三角洲储层为例
- A Quantitative Porosity Evolution Model of Sandstone for Wenchang Formation in Huizhou Depression,Pearl River Mouth Basin: A case study for braided fluvial delta reservoir of HZ-A area
- 沉积学报, 2015, 33(1): 183-193
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2015, 33(1): 183-193
- 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.01.019
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文章历史
- 收稿日期:2014-01-27
- 收修改稿日期:2014-04-09
2. 油气与资源探测国家重点实验室 北京 102249;
3. 中海石油(中国)深圳分公司研究院 广州 510240
2. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting (China University of Petroleum), Beijing 102249;
3. Shengzhen Institute of CNOOC Limited, Guangzhou 510240
惠州凹陷是珠江口盆地次一级的构造单元,位于珠江口盆地北部坳陷带的中部,是南海东部海域最富烃的凹陷之一,资源量非常丰富[1]。现阶段惠州凹陷的油气勘探主要集中于浅层海相地层,深层主要受制于古近系深埋和储层低孔低渗的影响,古近系勘探尚未有大的突破。惠州凹陷深层古近系地层自下而上依次为文昌组、恩平组和珠海组地层,文昌组沉积主要为半深湖—深湖相泥岩,是区域主要的烃源岩段。惠州凹陷边界断裂带的断裂之间发育多种类型的构造调节带[2],凹陷边缘广泛分布扇三角洲、辫状河三角洲及曲流河三角洲砂体,同时该区也是各类圈闭发育的有利场所,具备自生自储优越的成藏条件,勘探潜力极大②。
孔隙度的研究是钻前储层质量预测的关键,油气成藏的关键时期孔隙度的大小对于成藏描述和优选目标具有重要意义。目前前人对惠州凹陷古近系储层研究较少,主要集中在古近系珠海组和恩平组储层成岩作用和储层主控因素研究方面[3,4,5],尚未针对文昌组成岩作用和孔隙演化进行过研究,文昌组砂岩孔隙时空演化的研究尚且属于空白,严重制约了文昌组层系进一步勘探和评价。因此本文以HZ-A地区文昌组辫状河三角洲储层为对象,综合岩石薄片、扫描电镜、阴极发光等资料,对储层特征、成岩作用及物性的响应关系进了全面的研究,并建立了成岩序列;在此基础上,恢复了不同成岩阶段的孔隙度,结合地层埋藏史、地热史及烃源岩成熟史,建立了文昌组孔隙定量演化模式,恢复了油气成藏关键时期古孔隙度,为惠州凹陷深层文昌组油气勘探提供了理论支持。 1 研究区位置及沉积特征
HZ-A地区位于珠江口盆地惠州凹陷西南部,南部毗邻东沙隆起,横跨HZ26洼和XJ30洼,研究区面积约为400 km2(图 1)。HZ-A地区是面向惠州凹陷文昌组油气勘探的试验区块,研究区现有四口钻探井HZ-A-1井、HZ-A-2井和HZ-A-3d井和HZ-B-1井钻遇了文昌组,其中由于工程的原因,仅有HZ-A-1井和HZ-A-2井进行了井壁及钻井取芯。惠州凹陷文昌组是典型的断陷湖盆沉积地层,该时期湖盆沉降速率大,总体上以半深湖、深湖为沉积背景。HZ-A地区紧挨东沙隆起物源区,受到沿侧列断层同向叠覆型走向传递带的影响[2],文昌组时期沉积大套近源的辫状河三角洲砂体,水动力较强,地震剖面上为中—高连续楔形斜交前积反射(图 2a),砂体展布范围广泛,砂层厚度较大(400~550 m),间断性的正韵律常见(图 2b),主要发育牵引流态的楔状交错层理、斜层理及冲刷构造,是研究区主要的储层类型(图 2c)。岩屑录井和取芯资料均显示砂岩粒度粗,主要为含砾砂岩、细砾岩和粗砂岩,少量中砂岩及细砂岩。
2 储层特征 2.1 岩石学特征统计研究区105块文昌组砂岩岩石薄片矿物含量,根据朱筱敏等(2008)的砂岩成分分类方案,研究区储集层岩石类型主要为岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩,少量长石岩屑质石英砂岩及少量岩屑质石英砂岩(图 3)。
岩石碎屑中岩屑含量最高,平均含量在45%左右,岩屑类型主要为变质岩岩屑、花岗岩岩屑和泥岩岩屑等。其次为石英,含量一般为5.8%~85.3%,平均为40%;长石颗粒含量最低,含量分布在2.3%~36%之间,平均为14.5%,长石类型以钾长石为主,斜长石相对较少。本区砂岩的杂基含量较高,平均7.2%,主要是黏土和泥质;胶结物种类较多,有黏土矿物、方解石、白云石、硬石膏、硅质等,以黏土胶结物和方解石为主,胶结类型主要为接触式和孔隙式。
砂岩普遍分选中—差,磨圆为棱角状—次棱角状,砂岩成分成熟指数Q/(F+R)都小于1.0,整体上成分成熟度和结构成熟度都很低,反映为一套近物源的沉积砂体。 2.2 物性特征
研究区139块文昌组岩芯样品物性分析表明,孔隙度变化范围为0.1%~18.85%,平均值为12%。岩芯孔隙度频率分布的结果显示,孔隙度主要分布区间为8%~16%,大约占71%(图 4a);渗透率分布区间为0.037×10-3 μm2~184×10-3 μm2,平均值渗透率7.11×10-3 μm2。储层渗透率分布在1×10-3 μm2~10×10-3 μm2样品最多,占样品总数的61.7%(图 4b)。根据石油行业储层孔隙度分级标准(SY/T6285-1997),研究区文昌组砂岩为低孔低渗储层。
文昌组储层的孔隙度和渗透率相关性统计表明,孔隙度和渗透率具有良好的正相关性,说明砂岩的渗滤通道主要依赖于与孔隙有关的空间。 3 成岩作用及其对储层物性的影响
成岩作用对于储层孔隙演化有着决定性的控制作用,不同的成岩作用及成岩序次对物性的影响具有很大的差异性[7,8]。因此,孔隙定量演化的研究重点和关键是分析成岩作用及其对物性的影响。通过大量的薄片、阴极发光和扫描电镜等资料分析,认为研究区文昌组储层经历了压实、胶结、溶蚀和交代作用。其中,前三种成岩作用对储层物性影响最大,因此本文详细分析前三种成岩作用特征及形成机理。 3.1 压实作用
研究区文昌组储层现今埋深超过3 500 m,压实作用较强。机械压实致使原生粒间孔大量减少。压实作用主要表现为:①颗粒接触关系以线为主(图 5a);②常见颗粒定向排列,可见硅质岩岩屑、破碎的石英小颗粒及云母岩屑定向排列(图 5a,b);③云母塑性变形,部分岩屑假杂基化(图 5c,d);④脆性颗粒被压裂,石英、长石和岩屑裂纹发育。颗粒间充填大量的杂基、假杂基及部分塑性岩屑(图 5b),颗粒之间的接触机会变小,因此虽然压实作用强烈,文昌组砂岩中的压溶现象较少,早期石英加大不明显。参见图 10埋藏史曲线,从地质时间49 Ma至29 Ma文昌组地层经历了早期压实,埋藏速率较为缓慢,约40 m/Ma;从29 Ma到16 Ma期间经历了中期迅速埋藏,地 层沉降了1 900 m,埋藏速率146 m/Ma;早期埋藏缓慢,中期埋深迅速,其机械压实过程是原生孔大量减少的主因。
3.2 溶蚀作用薄片观察发现,长石岩屑、云母及粒间充填的杂基都被强烈溶蚀,形成丰富的孔隙类型,包括粒间溶孔、粒内溶孔(包括蜂窝状溶孔和铸模孔)及扩大孔(图 5e~g),以粒内溶孔为主。溶蚀作用使得孔隙变大,很大程度上改善了储层物性。
珠江口盆地文昌组地层是重要的烃源岩发育段,深湖相泥岩分布广泛,有机质含量丰富,为有机酸流体的生成提供了条件。前人在研究惠州凹陷深部储层时发现,3 500~4 200 m的文昌组深度段次生孔隙发育段均存在高丰度的有机酸[3];经过统计,研究区文昌组下部烃源岩镜质体反射率Ro均值为0.76%,已达到成熟阶段,同时溶蚀现象具有普遍性和广泛性,综合认为有机酸的活动是造成溶蚀作用的根本原因。 3.3 胶结作用
研究区文昌组胶结物总含量较高,平均为12.5%,胶结类型主要有黏土矿物胶结、碳酸盐胶结、硅质胶结、铁质胶结和硬石膏胶结等,其中黏土矿物胶结和碳酸盐胶结最为常见。根据研究区文昌组胶结物总量与物性关系的研究,孔隙度和渗透率与胶结物总量之间具有明显的负相关关系,当胶结物总量低于12%时,砂岩的孔隙度基本上维持在10%以上,超过12%以后,储层质量变得很差,孔隙度降为5%左右(图 6)。
(1) 黏土胶结:通过扫描电镜鉴定和X衍射分析,黏土矿物主要包括书页状堆积的自生高岭石、蜂窝状的伊/蒙混层矿物、弯曲片状搭桥状的自生伊利石及绒球状的绿泥石。全岩分析表明,高岭石含量最高,平均含量约3.5%,其次为伊/蒙混层,含量最少的是绿泥石。
中成岩阶段是黏土矿物大量生成时期,长石、岩屑和酸性流体进行水岩反应产生大量的高岭石,并游离出Al3+和K+,黑云母的蚀变分解会产生大量的Fe2+和Mg2+,为生成自生伊利石、绿泥石提供物质来源,中成岩阶段蒙脱石已经消失,全部转化为伊蒙混层及伊利石。
高岭石、伊利石、伊蒙混层等黏土矿物充填孔隙和喉道(图 7b~e),对储层物性影响明显,黏土矿物含量越高,储层的物性越差。此外,储层渗透率对黏土矿物的响应要比孔隙度明显(图 6),当黏土矿物含量超过4%时,储层的渗透率普遍降到10×10-3 μm2以下。
(2) 碳酸盐胶结:研究区碳酸盐胶结普遍,碳酸盐胶结物主要包括铁方解石和铁白云石,以铁方解 石,呈孔隙式胶结(图 7g)。铁方解石和铁白云石主要形成于溶蚀作用之后,在中成岩晚期,随着有机酸 不断地被消耗,地层水pH值变大,为偏碱性的成岩环境,同时地层水中的CO2分压增高,CO2浓度的提高使得化学平衡向碳酸盐的方向移动[19],随着埋深和温度的增加, 地层水中的Ca2+、Fe2+和Mg2+与CO2-3结合,孔隙水中沉淀生成铁方解石和铁白云石(图 7h)。储层的孔隙度和渗透率与碳酸盐胶结物含量具有明显的负相关性(图 5),说明铁方解石和铁白云石的胶结,使得储层物性变差。
(3) 硅质胶结:主要以自生石英晶体产出为主(图 7b,d),也可见少量长英质矿物。早期石英加大不明显,硅质胶结物主要产出于长石溶蚀后,本区以钾长石溶蚀为主(2KAlSi3O8[钾长石]+ 2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4[高岭石]+4SiO2[石英]+2K+),自生石英含量非常少(0.3%左右),它使得喉道变窄,对于孔隙度影响不大,却大大降低了渗透率。
(4) 铁质、硬石膏及石盐胶结:研究区铁质胶结物阻塞孔隙,周围无孔隙(图 7b),铁质胶结物(主要是Fe2O3)含量较少,常在干旱环境下的近物源的沉积环境中发育[9],推测在成岩早期,文昌组刚进入埋藏期,以及后期两次构造抬升,在近地表的干旱环境下,Fe(OH)3析出产生铁质胶结物。硬石膏、石盐等胶结物,相对来讲,含量很少(不到1%)。在扫描电镜下,硬石膏晶体团粒状分布于颗粒表面,石盐晶体主要呈现立体状。镜下可见硬石膏胶结物被铁方解石交代(图 7f),说明硬石膏形成于铁方解石之前,推测硬石膏及石盐胶结物主要形成于早成岩阶段的还原环境中。 4 储层成岩序列
文昌组岩样盐水包裹体测试统计平均均一温度为136.3℃,HZ-A-1井及HZ-A-2井伊/蒙混层比中蒙脱石平均含量分别为25%和18%,镜质体反射率Ro均值为0.76%,Tmax温度分布范围为435℃~453℃,均值Tmax为448℃;据X衍射分析,HZ-A区文昌组黏土矿物组合主要为高岭石、伊/蒙混层、伊利石及绿泥石,无蒙脱石;孔隙类型以长石和岩屑溶蚀孔隙为主,依据中华人民共和国石油天然气行业标准《碎屑岩成岩阶段划分规范》(SY/T5477-2003),认为文昌组储层正处于中成岩A2期(图 8)。
通过上述对文昌组储层的主要成岩作用特征与形成机理的分析,结合成岩阶段的划分,在综合考虑岩石薄片中自生矿物之间的交代关系、埋藏史、热史以及烃源岩成熟史等因素基础上,建立了惠州凹陷HZ-A地区文昌组储层的成岩序列。总体上各种成岩作用的先后顺序概括如下:
早期机械压实→铁质、硬石膏等胶结→中期快速压实,岩屑云母塑性变形充填孔隙→杂基流动、黏土质充填→有机质成熟,有机酸注入→长石、岩屑和云母发生溶蚀→自生高岭石及I/S混层胶结→晚期自生石英、方解石生成→铁方解石、铁白云石胶结和沉淀。 5 不同成岩阶段孔隙度定量计算
物性分析及薄片镜下统计为定量研究孔隙演化 提供了依据,伴随着成岩作用的进行,孔隙度在不断的变化,为方便不同时期的孔隙度定量恢复,结合成岩序列及其对物性的影响,认为成岩作用是按照机械压实、早期胶结、(长石岩屑等)溶蚀、(黏土矿物和碳酸盐)晚期胶结作用依次进行的(图 9),其中,早期胶结指的是:杂基及黏土质、硬石膏及铁质等阻塞孔隙的作用。通过以上模式来定量评价不同成岩阶段储层增加或损失的孔隙度。
(1) 初始孔隙度
采用Beard和Weyl(1973)对不同分选的、未固结砂实测初始孔隙度关系式来计算:
初始孔隙度
式中,So为特拉斯科分选系数,粒度累积曲线上25%处粒径大小与75%处粒径大小之比的平方根。
(2) 压实损失孔隙度
压实后孔隙度1=粒间孔面孔率/总面孔率×物性分析孔隙度+胶结物含量;
压实损失孔隙度=0-1;
粒间孔=原生孔+粒间溶孔;胶结物含量为现今薄片观察统计的胶结物含量(%)。
(3) 溶蚀增加孔隙度
溶蚀增加孔隙度,即为溶蚀产生孔隙,包括粒间溶孔、粒内溶孔及溶蚀缝;
溶蚀增加孔隙度=溶蚀孔面孔率/总面孔率×物性分析孔隙度;
溶蚀孔面孔率=粒间溶孔面孔率+粒内溶孔面孔率+溶蚀缝面孔率。
(4) 胶结损失孔隙度
胶结损失孔隙度=压实后剩余粒间孔隙度-压实、胶结后剩余粒间孔隙度;
压实、胶结后剩余粒间孔隙度=原生粒间孔面孔率/总面孔率×物性分析孔隙度;
储层经历压实作用、胶结后剩余粒间孔隙度,即为现存孔隙中原生粒间孔隙;
其中,早期胶结损失孔隙度=粒间溶孔面孔率/总面孔率×物性分析孔隙度+早期胶结物。粒间溶孔主要是成岩早期形成的黏土质、杂基及塑性变形充填于颗粒间的岩屑等,在酸性流体进入之后部分或者全部溶蚀形成的;早期胶结物指的是:现今镜下统计铁质、硬石膏石盐等早成岩阶段形成的胶结物。
晚期胶结损失孔隙度≈晚期胶结物含量(现今统计黏土胶结物和碳酸盐胶结物含量)。
经岩石薄片镜下鉴定,其主要的孔隙类型为溶蚀孔隙及原生粒间孔。本地区文昌组砂岩颗粒分选系数平均值为1.61,恢复初始孔隙度为35.1%。研究层段文昌组碎屑岩105块薄片平均面孔率5.9%,平均来看,原生孔面孔率占40%,次生孔面孔率占60%(粒间溶蚀孔面孔率占20%,粒内溶孔及溶蚀缝面孔率共占40%)。取均值进行相关孔隙度参数计算,原生孔面孔率2.36%,粒间溶蚀孔面孔率为1.18%,粒内溶孔和溶蚀缝面孔率之和为2.36%。现今胶结物含量11.5%,其中黏土矿物含量约7.9%(据X衍射分析,高岭石含量约3.5%,伊蒙混层2.2%,伊利石1.2%,绿泥石约1%),铁方解石及白云石含量分别是 3.4%和1.2%,硬石膏及铁质含量约1%。物性分析孔隙度平均值为12%,计算参数见下表。
岩性 | 孔隙演化参数 | 值 | 不同成岩阶段对应的孔隙度变化 |
储层埋深:3 500~4 050 m; 岩性:辫状河三角洲细砾岩、 不等粒粗砂岩主, 少量中砂岩 | 初始孔隙度(%) | 35.1 | |
压实后孔隙度(%) | 19.7 | ||
压实损失孔隙度(%) | 15.4 | ||
溶蚀孔隙度(%) | 7.2 | ||
胶结损失孔隙度(%) | 14.9 | ||
早期胶结损失孔隙度(%) | 3.4 | ||
晚期胶结损失孔隙度(%) | 11.5 | ||
物性分析孔隙度(%) | 12 |
研究区文昌组砂砾岩储层粒度粗,成分成熟度和结构成熟度低,杂基和黏土矿物含量高。储集层从沉积开始到成岩期间经历了一系列的成岩作用,在不同的成岩作用控制下,储集层物性变化具有一定的规律性。综合分析HZ-A地区文昌组储层的埋藏史、地热史、烃源岩成熟史和成岩演化史(即“四史匹配”),建立孔隙定量演化模式如下(图 10):
文昌组地层从距今49 Ma开始沉积,受到靠近物源、水流动力较强及不稳定的影响,岩石颗粒分选较差,初始孔隙度为35.1%。开始进入埋藏早期之后,即早成岩阶段,地层水呈干旱偏弱碱性环境,虽然珠琼一幕和珠琼二幕构造运动曾导致地层短暂抬升,总体上早期压实埋藏速率较为缓慢,此阶段孔隙度缓慢减小;从距今29 Ma到16 Ma期间文昌组地层埋藏迅速,压实作用强烈,岩屑云母等塑性变形充填孔隙,部分杂基流动,云母甚至塑性流动并发生绿泥石化,早期的胶结物例如黏土胶结、铁质及硬石膏胶结物堵塞孔喉,此时孔隙度降低为16.3%,其中压实损失孔隙度15.4%,胶结损孔3.4%,孔隙以剩余的原生孔隙为主。
当文昌组埋深到2 400 m时,地质年代约17 Ma,地温升到90℃,成岩演化进入到中成岩A1阶段,烃源岩开始成熟产生大量有机酸,有机酸浓度逐渐增加到最大(图 8),地层水由弱碱性变为酸性环境。有机酸注入到文昌组砂层中,长石、岩屑等遇酸不稳定矿物发生溶蚀作用产生大量的次生孔隙,在铝硅酸盐和酸性流体反应过程中,在孔隙空间及喉道沉淀高岭石及自生石英颗粒,蒙脱石在此阶段已经消失殆尽,随着温度压力的升高,无序的I/S向有序的I/S混层和结晶度更高的伊利石(I)转化。此阶段文昌组储层的孔隙度总体上是变大的,溶蚀作用明显改善了储层物性,孔隙变大喉道变粗,甚至出现粒间扩大孔、超大孔,溶蚀作用平均增加孔隙度约7.2%。
当地层埋藏深度到达3 700 m左右时,地层温度达到120℃,开始进入中成岩A2阶段。有机酸产量开始减少,地层水中烃类和CO2的含量开始增多,流体-岩石体系中的温度、压力和酸碱度也随着发生变化,大量黏土矿物开始大量生成或转化,随着成岩作用的进一步进行,孔隙流体性质会逐渐由酸性向碱性演变。铁方解石和铁白云石从孔隙水中沉淀下来,阻塞孔隙和喉道之中,其中黏土胶结致使孔隙度减少7.9%,碳酸盐胶结(铁方解石和铁白云石)损失孔隙度3.6%,胶结后储层的孔隙度降低到12%。
通过以上成岩演化史、埋藏史、热史以及烃源岩成熟史综合匹配分析表明,虽然酸性溶蚀作用造成部分增孔,机械压实和晚期胶结作用是储层物性的主要控制因素,使得现今储层具有低孔低渗的特点。地质时间约5.3 Ma,是油气成藏的关键时期,古孔隙度在16%左右(图 10),属于中孔,具有较好的运移空间,利于油气充注,其中研究区四口井良好的油气显示及发现了厚层的NA油层组[6],也证实了研究区具有较大的勘探潜力。 7 结论
(1) 研究区文昌组储层以岩屑砂岩为主,杂基及黏土矿物含量高,成分成熟度和结构成熟度都较低。储集层正处于中成岩A2阶段,与储层关系紧密的成岩现象主要有强烈的压实作用、胶结作用(铁质胶结、硬石膏胶结、黏土矿物胶结、硅质胶结、碳酸盐胶结)和溶蚀作用。
(2) 依据埋藏史、地热史、烃源岩成熟史及成岩演化史建立了文昌组储层孔隙演化模式(图 10):早期机械压实(孔隙度缓慢降低)→铁质、硬石膏等胶结(孔隙度降低)→中期快速压实,岩屑云母塑性变形充填孔隙(孔隙度迅速降低)→杂基流动、黏土及铁质胶结(堵塞孔喉)→有机质成熟,有机酸注入→长石、岩屑和云母发生溶蚀(次生孔隙大量生成)→自生高岭石及I/S混层胶结(黏土矿物胶结物为主,阻塞孔隙)→晚期自生石英、方解石生成(孔渗性降低)→铁方解石、铁白云石胶结和沉淀(物性继续变差)。
(3) 机械压实是文昌组储层孔隙降低的主要因素,压实作用致使孔隙减少15.4%;溶蚀作用改善储层物性,是深部储层具备勘探潜力的根本原因,溶蚀增孔7.2%,;不同时期的胶结作用是造成储层致密的重要原因,早期胶结损失孔隙3.4%,晚期的黏土矿物和碳酸盐胶结阻塞孔隙和喉道,对储层物性影响较大。
(4) 通过建立孔隙定量模式表明,在成藏的关键时期古孔隙度在15%左右,属于中孔,具有较好的运移通道,利于油气充注,显示出较大的勘探潜力。
致谢 感谢中海油深圳分公司广州研究院地化室提供的相关数据,感谢朱俊章首席、舒誉首席以及杜家元首席在项目研究过程中给予的指导和帮助。
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