沉积学报  2019, Vol. 37 Issue (2): 390−402

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胡鹏, 于兴河, 陈宏亮, 赵晨帆, 周进松, 韩小琴, 李亚龙
HU Peng, YU XingHe, CHEN HongLiang, ZHAO ChenFan, ZHOU JinSong, HAN XiaoQin, LI YaLong
障壁坝砂体储层特征与成岩孔隙定量演化模式——以鄂尔多斯盆地延长探区本溪组为例
Characteristics and a Quantitative Diagenetic Porosity Evolution Mode of Barrier Bar Sandstone Reservoirs: A case study of the Benxi Formation, Yanchang exploration block, Ordos Basin
沉积学报, 2019, 37(2): 390-402
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(2): 390-402
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.121

文章历史

收稿日期:2018-01-25
收修改稿日期: 2018-03-27
障壁坝砂体储层特征与成岩孔隙定量演化模式——以鄂尔多斯盆地延长探区本溪组为例
胡鹏1,2,3 , 于兴河1 , 陈宏亮1 , 赵晨帆1 , 周进松4 , 韩小琴4 , 李亚龙5     
1. 中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083;
2. 中能电力科技开发有限公司, 北京 100034;
3. 国电新能源技术研究院海洋地质和水文研究室, 北京 102209;
4. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 西安 710075;
5. 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092
摘要: 为明确海陆变迁背景下障壁坝砂体成岩孔隙演化规律,运用岩石薄片、扫描电镜及配套能谱、阴极发光等资料,对延长探区石炭系本溪组障壁成因砂体储集特征与成岩作用进行综合分析,并结合砂岩初始孔隙度恢复模型与薄片孔隙定量分析技术,开展基于埋藏热演化历程的储层孔隙演化参数定量评价,建立该区本溪组障壁坝砂岩孔隙定量演化模式。结果表明:储层砂岩以石英砂岩、岩屑质石英砂岩及岩屑砂岩为主;孔隙度、渗透率平均值分别为4.72%和1.22×10-3 μm2;储集空间以溶蚀扩大孔、粒内孔、晶间孔为主;现今储层主体已达到晚成岩阶段;砂岩初始孔隙度平均值为38.1%,埋藏至今共经历了四个典型的成岩增/减孔阶段,即P1~T2(285~208 Ma)"低地温、快埋藏"的大幅减孔阶段(-30.7%)、T2~J3(208~153 Ma)"高地温、缓沉降"的溶蚀增孔阶段(+3.9%)、J3~K1(153~96 Ma)"高地温、稳埋深"的减孔定型阶段(-6.6%)、K1至今(96 Ma~)"低地温、晚隆升"的弱改造阶段。
关键词: 障壁砂坝    成岩作用    孔隙演化    本溪组    延长探区    鄂尔多斯盆地    
Characteristics and a Quantitative Diagenetic Porosity Evolution Mode of Barrier Bar Sandstone Reservoirs: A case study of the Benxi Formation, Yanchang exploration block, Ordos Basin
HU Peng1,2,3 , YU XingHe1 , CHEN HongLiang1 , ZHAO ChenFan1 , ZHOU JinSong4 , HAN XiaoQin4 , LI YaLong5     
1. School of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Zhong Neng Power-Technology Development Company Limited, Beijing 100034, China;
3. Marine Geology and Hydrology Research Laboratory, Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China;
4. Research Institute, Shaanxi Yanchang Petroleum(Group), Co., Ltd., Xi'an 710075, China;
5. State Key Laboratory Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41472091
Abstract: The Carboniferous Benxi Formation is rich in barrier bar sandstone reservoirs, and is one of the main production layers for tight gas in the Yanchang exploration block, Ordos Basin. To understand the physical properties of the reservoirs and how the porosity evolved, detailed analyses were conducted using thin sections, SEM combined with energy dispersive spectroscopy (EDS), cathodoluminescence (CL) microscopy and other techniques. Also, an integrated approach using an empirical formula for initial sandstone porosity combined with quantitative calculation of porosity enabled porosity evolution modes to be established for the whole geodynamic history of these materials. The results indicate that the reservoir lithology consists predominantly of moderately-to well-sorted quartzarenite, sublitharenite and litharenite. The mean porosity is 4.72% and the permeability is 1.22×10-3 μm2. The reservoirs contain a variety of pore types, mainly dissolved enlarged pores, intraparticle pores and intercrystal pores. Quantitative evaluation of the increase/decrease of porosity caused by different diagenetic conditions reveals that the sandstone (initial average porosity 38.1%) typically underwent four porosity evolution stages:(1) marked porosity loss (-30.7%) in conditions of low geothermal gradient and rapid burial (P1-T2, 285-208 Ma); (2) a slight porosity increase due to dissolution (+3.9%) in conditions of high geothermal gradient and slow burial (T2-J3, 208-153 Ma); (3) a stereotyping stage of the tight sandstone reservoir (-6.6%) in conditions of continuously high geothermal gradient and slow burial (J3-K1, 153-96 Ma); and (4) a weak reworking of the tight sandstone reservoir in conditions of low geothermal gradient and overall uplift characterized by fractures, from the Lower Cretaceous to the present time (K1~, 96 Ma~).
Key words: barrier bar sandstone    diagenesis    porosity evolution    Benxi Formation    Yanchang exploration block    Ordos Basin    
0 引言

障壁海岸的形成受特定的沉积环境所控制,其典型特征是存在将沿岸海域与广海分隔开来的砂坝、岛、礁等障壁地形[1-2]。现代障壁海岸的分布较为普遍,约占世界海岸线的13%,我国东南沿海某些地段可达21%[3]。诸多能源矿产勘探实践证实,在地质历史时期障壁海岸沉积体系也广泛发育,其不仅赋存重要的煤炭资源,而且常以特殊的沉积叠置样式构成有利的生储盖组合并蕴藏丰富的石油与天然气,因而受到越来越多的关注[4-5]

鄂尔多斯盆地隶属于华北地台西端的次级构造单元,晚加里东运动后期,由于秦、祁海槽关闭,其整体上升为陆并与华北地块连成一片,而后经历了长达1.3~1.5亿年之久的风化剥蚀,至海西旋回中期,秦岭、祁连海槽及中亚—蒙古海槽再度拉开,鄂尔多斯地块整体沉降[6-7]。晚石炭世海侵之后,几乎整个华北克拉通沉积了一套以海相和海陆交互相为主的煤系地层,至中—晚二叠世海水逐渐退出,盆地整体进入陆相沉积演化阶段。石炭系本溪组为晚古生代海陆交互背景下发育的初始沉积物,其总体为一套障壁岛—瀉湖—潮坪沉积体系。自2003年延长石油集团在该区上古生界开展油气勘探工作以来,多口探井于本溪组获工业气流,最高无阻流量达150×104 m3/d,展现出良好的勘探前景。但限于此前“南油北气”的认识,众多学者的关注点仍然是盆地北部的二叠系山西组—下石盒子组[8-9],有关盆地东南部石炭系本溪组的研究相对薄弱,针对这一海陆变迁关键时期障壁坝成因砂体储层特征与埋藏—成岩演化过程的系统研究尚未见报道。鉴于此,笔者详细分析研究区本溪组16口取芯井的岩石薄片、扫描电镜、阴极发光等资料,明确目标砂体储层基本特征、成岩作用类型、成岩作用阶段及序列,厘清埋藏成岩过程中砂岩孔隙演化规律,从而为盆地东南部石炭系本溪组天然气资源的高效勘探开发提供科学依据。

1 工区位置与沉积背景

延长探区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡带的东南部,面积约为2.28×104 km2。该区早古生代沉积层自下而上依次为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组。本溪组沉积时期受陆表海沿岸流、波浪、潮汐等营力的再搬运和再沉积作用影响,盆地东南部广泛发育障壁海岸沉积环境,自东向西依次为陆棚、障壁岛、潟湖和潮坪沉积,障壁岛沿海岸呈北东向展布,随着海平面的上升,障壁砂坝由东南往西北逐渐迁移,形成多排串珠状砂体条带(图 1)。障壁坝作为研究区本溪组主要的储集体类型,泛指由狭义的障壁坝、潮汐水道、潮汐三角洲、冲溢扇等相互连通而统一的储集砂体[10],其厚度一般介于2~11 m,并以发育平行层理、板状交错层理、冲洗层理等多种层理构造为特征;其岩性多为灰白色、灰色细砂岩—粗砂岩,垂向上常与潟湖泥岩、煤层互层叠置(图 2)。由于本溪组海侵早期,母岩区剥蚀作用仍然相对较强,海岸带碎屑物质供给较为充足,其后海侵范围进一步扩大,碎屑供给受限,从而使得研究区本溪组下部砂体较上部砂体更为发育。

图 1 延长探区本溪组障壁坝砂岩平面分布与本溪组综合柱状图 Figure 1 Location of Yanchang exploration block and integrated stratigraphic columnar section of Benxi Formation
图 2 延长探区及周边本溪组障壁砂坝沉积特征 A.下部主要为灰白色中—细砂岩,多呈中薄层状且发育块状层理、板状交错层理、低角度冲洗交错层理、平行层理,向上整体过渡为中厚层状砂岩,局部砂岩遭受风化而呈“蜂窝状”,韩城薛峰川剖面;B.灰白色厚层中—粗砂岩,韩城薛峰川剖面;C.灰白色中薄层状中—细砂岩,下部块状层理发育,中部过渡为槽状交错层理且其底部见明显冲刷,上部块状层理发育,兴县关家崖剖面;D-ⅰ.灰白色中—细砂岩,下部块状层理向上过渡为板状交错层理,Y336,2 582.44 m;D-ⅱ.灰白色中—细砂岩,上部与下部平行层理发育,中部夹板状交错层理,Y416,2 511.4 m;D-ⅲ.灰白色中砂岩,板状交错层理,Y330,2 710.61 m;D-iv.灰白色中—细砂岩,下部块状层理发育,向上则过渡为平行层理,Y330,2 711.23 m;E.障壁砂坝典型垂向序列 Figure 2 Sedimentary characteristics of barrier bar sandbodies of the Benxi Formation in and around the Yanchang exploration block
2 储集层基本特征 2.1 物质组成

研究区本溪组117个障壁坝砂样的测试结果显示,砂岩类型以石英砂岩、岩屑质石英砂岩及岩屑砂岩为主。砂岩碎屑颗粒组分中碎屑石英百分比介于25.7%~99.8%,平均为88.4%,且多为单晶石英,粒径相对较粗。长石百分比在0.1%~7.6%之间,平均为0.9%,主要为钾长石、斜长石,且前者贡献率略大于后者。岩屑百分比介于2.1%~74.3%,平均为10.7%,以变质岩岩屑为主,其平均岩屑贡献率约为86.2%,其次为岩浆岩岩屑和沉积岩岩屑,粒径以细粒为主(图 3)。碎屑颗粒分选中—好,磨圆以次棱—次圆状为主。填隙物组分中,杂基平均含量不足5%;胶结物含量相对较高,并以硅质、钙质、伊利石、高岭石最为富集,其平均含量分别为3.5%、3.2%、2.3%、2.2%,此外还含有一定量的黄铁矿及少量绿泥石等;胶结类型主要为孔隙式和孔隙—薄膜式。

图 3 延长探区本溪组砂岩成分三角图版(A)(根据S/T5368—2000[11])、岩屑组分三角图砂岩分类(B) Figure 3 Ternary diagrams of sandstone types in the Benxi Formation, Yanchang exploration block: A. according to S/T5368-2000[11]; B. detritus composition
2.2 储集空间类型

基于储集空间的产状特征与成因,将本溪组障壁坝砂岩储集空间类型划分为粒间孔、粒内孔、杂基微孔、晶间孔及微裂缝5大类(表 1图 4A~F),其中溶蚀扩大孔、粒内孔、晶间孔及裂缝发育最为普遍,平均面孔率分别为2.6%、0.78%、0.43%、0.4%,4者之和占到总储集空间的80%以上(表 1)。尽管本溪组障壁坝储集砂体内各类储集空间可以单独发育,但以晶间孔—溶孔型、残余孔—裂缝型、残余孔—溶孔型为代表的孔隙组合才是构成储集空间的主体。

表 1 延长探区本溪组储集层储集空间类型、特征、成因及其面孔率 Table 1 Reservoir space classification, characteristics source and plane porosity of Benxi Formation, Yanchang exploration block
图 4 延长探区本溪组储集层储集空间类型 A.碎屑颗粒边缘遭受不同程度溶蚀形成溶蚀扩大孔(单偏光),Y321,2 759.66 m;B.碎屑颗粒被完全溶蚀仅隐约保留其原始颗粒轮廓形态而形成铸模孔(单偏光),Y259,2 466.91 m;C.碎屑颗粒边缘及粒间胶结物被不同程度溶蚀形成溶蚀扩大孔,部分碎屑颗粒内部发生溶蚀形成粒内溶孔(单偏光),Y256,2 697.5 m;D.孔隙空间被自生石英晶粒充填形成残余粒间孔(SEM),Y267,3 081.58 m;E.晶棱清晰的自生高岭石单晶大量聚集,普遍发育晶间微孔(SEM),Y267,3 081.58 m;F.未被充填的微裂缝呈长条状延伸(SEM),Y416,2 513.46 m Figure 4 Pore types in Benxi Formation, Yanchang exploration block
2.3 孔隙结构

研究区本溪组67个非裂缝样品的压汞资料统计显示,排驱压力值分布在0.13~11.22 MPa之间,平均为1.76 MPa;孔喉中值半径介于0.008~3.14 μm之间,平均为0.53 μm;分选系数介于1.59~4.43,平均为3.17;最大进汞饱和度介于26.17%~96.01%,平均为75.91%,综合表明本溪组储层砂岩喉道细小,分选不一,孔喉连通性差,微观孔隙结构非均质性强烈(图 5)。

图 5 延长探区本溪组典型毛细管压力曲线 Figure 5 Typical capillary pressure curves and pore-throat distribution histograms of reservoir pore structures, Benxi Formation, Yanchang exploration block
2.4 物性特征

研究区本溪组储集层物性变化较大,孔隙度分布在0.2%~14.22%之间,平均为4.72%,其中孔隙度介于0~3%和3%~6%区间的样本分别占到总体的30.31%与38.9%;渗透率分布在(0.003~56.6)×10-3 μm 2之间,平均为1.22×10-3 μm2,其中渗透率介于(0.01~0.1)×10-3 μm2和(0.1~1)×10-3 μm2区间的样本分别占到总体的33.3%与45.9%,属于特低孔—特低渗致密储层(图 6AB);孔隙度与渗透率呈现出一定的正相关性,相关系数R2=0.514,表明本溪组障壁坝砂岩储层储集空间仍以孔隙为主(图 6C)。

图 6 延长探区本溪组储集层物性分布特征 Figure 6 Reservoir properties of Benxi Formation, Yanchang exploration block
3 成岩作用类型与特征 3.1 压实、压溶作用

研究区本溪组最大埋深超过3 500 m,至今整体埋深超过3 000 m的时间长达180 Ma,储层砂岩受到强烈的机械或化学压实作用改造。薄片下常见碎屑颗粒紧密接触;云母碎片等塑性岩屑在刚性颗粒的挤压下发生变形而呈蛇曲状(图 7A);石英颗粒在强应力作用下产生微裂缝,甚至破碎(图 7B)。此外,砂岩中可见清晰的锯齿状缝合线构造及棕色—黑色压溶残留物(图 7C)。

图 7 延长探区本溪组储集层典型成岩作用图版(一) A.强压实作用下碎屑颗粒紧密接触,长条状云母碎片被弯曲成蛇曲状(正交偏光),Y206,2 376.06 m;B.石英颗粒被裂缝切割(正交偏光),Y259,2 465.22 m;C.缝合线附近见黑色压溶残留物(单偏光),Y256,2 596.3 m;D.自生石英晶粒聚集充填粒间孔(SEM),Y267,3 081.58 m;E.石英次生加大(单偏光),Y267,3 081.58 m;F.橘黄色的方解石胶结物充填粒间孔并交代碎屑颗粒,同时粒间自生高岭石呈湛蓝色,Y416,2 508.53 m;G.方解石胶结物普遍充填粒间孔并交代碎屑颗粒,部分可见2组极完全解理(单偏光),Y416,2 513.93 m;H.丝状伊利石阻塞孔喉(SEM),Y187,2 634.8 m;I.反光镜下呈金黄色黄铁矿集中分布(反射光),Y256,2 596.5 m Figure 7 Diagenetic signatures in Benxi Formation, Yanchang exploration block (part 1)
3.2 胶结作用

(1) 硅质胶结

硅质胶结在本溪组砂岩中颇为发育,其常以自生石英晶粒和石英次生加大2种形式出现。自生石英常沿残余粒间孔或次生溶孔的内壁生长,呈微晶或细晶,自形程度较高,表面光洁且晶棱清晰,多呈单层展布,也可见多层叠盖(图 7D);石英次生加大则常以规则或不规则形式围绕原有碎屑石英颗粒表面发育,颗粒边缘有时可见由杂质组成的“尘迹线”(图 7E)。研究区本溪组障壁成因砂体储层中石英次生加大边普遍发育,加大级别可达Ⅲ级或更高,总的加大厚度在0.01~0.21 mm之间。

(2) 钙质胶结

本溪组储层砂岩中自生碳酸盐矿物主要包括铁白云石、铁白云石及少量菱铁矿,方解石含量甚少(图 7FG图 8AB)。铁方解石常呈粒状或斑块状充填石英、岩屑颗粒之间的孔隙,并局部交代骨架颗粒(图 7FG);铁白云石则多以粉—细晶形式充填溶孔或裂缝,亦可局部交代岩屑或黏土杂基(图 8B);自生菱铁矿常呈团状充填粒间,多为准同生—早期成岩作用的产物,其形成和相对富集与沼泽或泥炭化过程中还原—弱还原环境的形成密切相关[12-13]

图 8 延长探区本溪组储集层成岩作用图版(二) A.方解石胶结物(SEM),Y416,2 507.48 m;B.充填粒间的铁白云石胶结物(SEM),Y267,3 081.58 m;C.霉球状黄铁矿颗粒团簇(SEM),Y424,2 915.5 m Figure 8 Diagenetic signatures in Benxi Formation, Yanchang exploration block (part 2)

(3) 黏土矿物胶结

本溪组储集层中自生黏土矿物主要为高岭石、伊利石、以及少量绿泥石、伊/蒙混层。扫描电镜下,高岭石多呈书页状、手风琴状,具有典型的假六方片状晶形(图 4E),其形成与酸性流体对长石、岩屑及杂基中的硅铝酸岩矿物的淋滤作用有关(公式1),此外也可见少量呈麻点状分布于长石颗粒表面的高岭石,其多由长石直接蚀变而来。伊利石则多以搭桥式结构附着于石英或高岭石的孔壁(图 7H)。自生伊利石的形成是一个典型的耗钾反应,并存在2个潜在途径:1)由高岭石与K+直接转化而来(公式2);2)同沉积火山灰或凝灰质组分经过水解而后在埋藏升温过程中转化形成。鉴于受富K+海源流体影响的本溪组整体缺乏火山物质,使得后一种路径难以实现或该路径下产生的伊利石有限[14]。绿泥石呈针叶状、绒球状包裹于颗粒表面或充填孔喉。

    (1)
    (2)

(4) 含硫矿物胶结

除以上常见的3种胶结类型外,研究区本溪组中还发育有一定量的自生黄铁矿,在微观镜下其常以草莓状集合体形式呈现(图 7I图 8C)。作为一种示烃成岩矿物[15],黄铁矿的形成往往与贫氧环境有关。

3.3 溶蚀作用

煤系地层背景下有机质的演化历程总体上控制了成岩环境的pH,而较为普遍的溶蚀增孔通常是烃源岩成熟过程中大量酸性流体改造储层的结果。研究区本溪组砂岩中被溶解的物质包括不稳定的岩屑及少量碎屑长石组分,此外石英颗粒表面也可见大小不一的溶坑(图 4ABC)。鉴于本溪组储层砂岩中碎屑长石含量甚少,不稳定的岩屑是贡献次生孔隙的主体。总体而言,由于早期埋藏过程中压实作用强烈,砂岩骨架颗粒间的接触已颇为紧密,孔隙结构高度复杂化,溶蚀作用的增孔幅度有限,无法从根本上改变储层低孔—低渗透的总体面貌。

3.4 交代作用

研究区本溪组砂岩中的交代作用主要表现为碳酸盐矿物交代石英、燧石等碎屑颗粒的边缘或内部,使其边缘港湾化或内部呈蜂窝状,交代强烈时则仅保留颗粒的轮廓形态而呈现出交代假象结构(图 7FG);此外,镜下还可见伊利石交代碎屑颗粒以及碳酸盐矿物之间的相互交代。

3.5 破裂作用

本溪组障壁坝砂岩骨架中石英颗粒占比颇高,同时沉积后经历了强烈的成岩改造以致致密,岩石刚性较强,裂缝发育程度较高。岩芯上构造裂缝以垂直缝和高角度缝为主,缝面倾角一般在85°以上,多具张剪性力学特征,可见步阶,裂缝表面一般无充填[16];薄片上可见石英颗粒被切穿(图 4F图 7B)。裂缝对孔隙度的贡献通常<0.5%,因而其所起的储集作用有限;但裂缝的渗透率通常比基质渗透率高1~2个数量级[17],其与有利储集砂体的在空间上的组合配置构成了天然气运移的有效通道,同时天然裂缝的发育特征也是拟定压裂方案进行气田高效开发的关键所在。

3.6 烃类充注作用

含油气系统中烃源岩热演化与储层砂岩内的成岩改造是一个相互作用,有机结合的过程;幕式生排烃过程中产生的大量酸性流体与烃类物质会影响到与烃源岩邻近储层中孔隙流体介质的pH、Eh等物化条件[18],从而引发诸多次生变化,而成岩矿物以及其所捕获的烃类包裹体则是这一过程的直接记录者。本溪组储层砂岩中发育数量可观的含气态烃盐水包裹体,其主要赋存于石英愈合微裂缝和石英次生加大边中,且前者更为发育,大小一般在4×7 μm左右。激光拉曼图谱显示包裹体中流体成分多为CH4、N2以及C,其中CH4含量占优势(图 9)。鉴于以煤为主的烃源岩在成熟过程中依次产生CO2、C2+烃和CH4[19],据此推断所测定的包裹体总体反应了晚期以CH4为主的烃类物质对储层的充注事件。

图 9 延长探区本溪组储层激光拉曼分析图谱 Figure 9 Resonance Raman laser measurements on sandstone, Benxi Formation, Yanchang exploration block
4 成岩序列与成岩阶段

研究区本溪组所夹持的烃源岩镜质体反射率(Ro)分布在1.98%~2.5%,平均为2.24%(表 2);最高热解温度(Tmax)介于539 ℃~568 ℃,平均为558.7 ℃[20]。砂岩中黏土矿物主要为高岭石、伊利石,伊/蒙混层黏土含量较少;伊利石多呈纤维状,其单晶厚度一般小于0.1 μm,长度可达45 μm,结晶度颇高,表明其形成时间晚[21];铁方解石、铁白云石等晚期钙质胶结物普遍发育;石英次生加大普遍且达2~3级(图 7E)。据以上成岩标志并结合我国石油天然气行业碎屑岩成岩阶段划分标准[22],综合判断研究区本溪砂岩储层主体已达到晚成岩阶段,部分处于中成岩B期末。在此基础上,进一步结合自生矿物成因机理及其之间的交切关系,系统厘定了各成岩事件发生的相对先后(图 10)。

表 2 延长探区本溪组烃源岩镜质体反射率(Ro/%)统计表 Table 2 Ro(%) of source rock, Benxi Formation, Yanchang exploration block
序号 井号 层位 深度/m 岩性 Ro/%
1 Y125 本溪组 2 730~2 731 2.5
2 Y125 本溪组 2 748~2 749 泥岩 2.46
3 Y125 本溪组 2 750~2 751 泥岩 2.46
4 Y221 本溪组 2 881.1~2 882 泥岩 1.98
5 Y221 本溪组 2 901.2~2 901.8 泥岩 2.09
6 Y106 本溪组 2 867.37~2 867.41 泥岩 2.07
7 Y106 本溪组 2 868.5~2 868.54 泥岩 2.1
8 Y106 本溪组 2 871.14~2 871.19 泥岩 2.07
图 10 延长探区本溪组障壁坝砂岩储层成岩作用阶段与演化序列 Figure 10 Diagenetic stage classification, Benxi Formation, Yanchang exploration block
5 孔隙定量演化模式 5.1 砂岩初始孔隙度恢复

储层砂岩的初始孔渗条件取决于其沉积时的水动力环境,Beard et al.[23]通过实验证实杂基含量相对较少且未固结砂岩的初始孔隙度Φo与其颗粒分选性密切相关,在此基础上Scherer进一步通过大量的数据统计建立了初始孔隙度的计算模型[24](公式5):

    (5)

其中,分选系数S0(无量纲)是表征碎屑岩颗粒大小均匀程度的重要参数,其值可以通过粒度概率累计曲线上关键结点处数据的相关计算而获得,过去多采用Trask公式求取,当前应用更广的是Folk and Ward公式[25],本次采用后者进行计算,具体公式如下:

    (6)

研究区本溪组障壁坝砂岩颗粒粒径以中—细粒为主,杂基含量较低,符合经验公式的运用条件。根据所测定的19块样品粒度分析结果确定累计概率曲线上累积分位分别为5、16、84及95的截距,即为ϕ5ϕ16ϕ84ϕ95值,进而结合公式5与公式6的综合运算恢复本溪组障壁坝储集砂体原始孔隙度,结果表明Φo分布在36.78%~39.2%,平均为38.1%。

5.2 孔隙度增/减模型厘定

储层砂岩成岩演化过程中单一成岩事件与孔隙的变化在时间和空间上表现出强烈的随机性与非均质性,但在宏观层面上它们却又呈现出明显的协调性与阶段性。基于煤系地层中砂岩成岩演化的规律性[26-27]与利用薄片进行孔隙度演化计算的技术特点,认为本溪组障壁坝储集砂岩致密化过程中各成岩作用效果相对独立且时间上前后相继[28],则其演化历程可简化为:Por↓机械压实→Por↓早期胶结→Por↑不稳定组分溶解→Por↓晚期胶结。通过对本溪组障壁坝砂岩薄片的详细鉴定与统计,确定各砂样中碎屑颗粒、胶结物、储集空间的类型及其百分含量,求取孔隙度演化定量分析过程所涉及的4个基本参数(ΦCOPLΦCEPL1ΦCEPL2ΦCRPI),并进一步运用有关计算模型,求取不同阶段储层砂岩的增/减孔量(表 34)。

表 3 延长探区本溪组储集层孔隙演化参数、定义及其理论模型(部分参数定义及公式引自Paxton et al.[29]、Ehrenberg et al.[30]及张创等[28]) Table 3 Parameters, definition and mode of porosity evolution, Benxi Formation, Yanchang exploration block (Partly from Paxton et al.[29], Ehrenberg et al.[30] and Zhang et al.[28])
序号 参数 储层孔隙度增/减模型
压实损失孔隙度(ΦCOPL) ΦCOPL=Φ0-ΦIGV·(1-Φo)/(1-ΦIGV)
定义:由压实作用造成的初始孔隙度损失,为压实后减小的孔隙体积占岩石原始孔隙表观体积的百分比。
胶结损失孔隙度(ΦCEPL) ΦCEPL=(Φ0-ΦCOPLΦCEM/ΦIGV
定义:由粒间胶结作用造成的初始孔隙度损失,为胶结后减小的孔隙体积占岩石原始孔隙表观体积的百分比。
溶蚀增加孔隙度(ΦCRPI) ΦCRPI=ΦCRP·(1-ΦCOPL)
定义:溶蚀作用产生的次生孔隙体积占压实前岩石表观体积的百分比。
Poro=Φo
Por1=(Φo-ΦCOPL)/(1-ΦCOPL)
Por2=(Φo-ΦCOPL-ΦCEPL1)/(1-ΦCOPL)
Por3=(Φo-ΦCOPL-ΦCEPL1+ΦCRPI)/(1-ΦCOPL)
Por4=(Φo-ΦCOPL-ΦCEPL1+ΦCRPI-ΦCEPL2)/(1-ΦCOPL)
备注:ΦIGV—100%减去岩石骨架颗粒体积占现今岩石表观体积的百分比,即经压实而未发生胶结作用状态下的砂岩孔隙度;ΦCEM—胶结物含量占现今岩石体积的百分比;ΦCRPI—溶蚀作用产生的次生孔隙体积占现今压实表观体积的百分比。
表 4 延长探区本溪组储集层孔隙度演化定量计算结果统计表 Table 4 Measured quantitative porosity evolution of Benxi Formation, Yanchang exploration block
孔隙度演化定量参数 平均值/% 所测样品孔隙度演化曲线
初始孔隙度(Poro) 38.1
压实后孔隙度(Por1) 13.2
压实减孔百分比(ΦCOPL/Poro) 65.35
早期胶结后孔隙度(Por2) 7.4
早期胶结减孔百分比(ΦCEPL1/Por1) 43.9
溶蚀后孔隙度(Por3) 11.3
溶蚀增孔百分比(ΦCRPI/Por2) 52.7
晚期胶结后孔隙度(Por4) 4.7
晚期胶结减孔百分比(ΦCEPL2/Por3) 58.4
5.3 成岩—孔隙演化史重建

沉积作用强烈地控制了储层的初始物性,并对后期的成岩作用产生深刻的影响[31],而埋藏阶段流体—岩石系统在动态平衡过程中,不同类型成岩作用的发生、发展及结束则直接驱动着岩石内部储集空间的形成、消亡及再分配,是控制储层质量、塑造储层现今面貌的关键。本次研究在恢复区内本溪组障壁储集砂岩初始孔隙度的基础上,定量计算成岩演化过程中不同成岩作用对储层孔隙的贡献率(正或负),并结合延长探区埋藏—热演化史与生排烃史,重建其成岩—孔隙演化历程(图 11)。

图 11 延长探区本溪组障壁坝砂岩埋藏成岩—孔隙定量演化模式(埋藏史曲线引自于强等[32]) Figure 11 Quantitative model of reservoir porosity evolution, Benxi Formation, Yanchang exploration block (buried history curves from Yu et al.[32])

本溪组沉积始于石炭纪中晚期(距今约327 Ma),受基底沉降与周期性的海平面升降影响,延长探区内广泛发育陆表海背景下的障壁成因砂体,砂岩粒度相对中等偏粗,分选较好,初始孔隙度平均为38.1%,几乎全为原生粒间孔,其后沉积物逐渐脱离上覆水体而进入埋藏成岩阶段。早二叠世—早三叠世(290~226 Ma)受阶梯式相对快速沉降影响,本溪组烃源岩成熟度逐渐增加,但Ro始终小于0.5%,有机质基本未成熟,该阶段储层处于早成岩的A-B期。至中三叠世(226~208 Ma),区域沉降速率急剧增加至162.3 m/Ma左右[32]而后趋缓,期间印支运动使得盆地整体抬升,该时期Ro介于0.5%~0.7%,有机质成熟度较低,处于中成岩A1期。总体而言,上述2个时期以快速埋藏为特征,地温梯度介于2.2~2.4 ℃/100m[33],强烈的机械压实作用与早期胶结物的沉淀对储层物性的控制作用明显,二者分别使得储层砂岩孔隙平均减少24.9%与5.8%,在很大程度上塑造了现今储层的基本面貌。

早侏罗世—晚侏罗世(208~153 Ma),本区沉降速率整体较低,期间偶有抬升(燕山运动),地温梯度介于3.4~4.5 ℃/100m[33]Ro介于0.7%~1.3%,烃源岩进入成熟阶段,即中成岩A2期。这一阶段,黏土矿物作为催化剂,干酪根在温度与压力的双重激发下进入热解生烃的高峰期,有机酸大量生成并进入储层,形成溶蚀孔、晶间孔等多种次生孔隙,储层孔隙度平均增加3.9%,为储层演化的溶蚀增孔阶段。晚侏罗世—早白垩世(153~96 Ma),本区地层整体呈缓慢沉降态势;至96 Ma本溪组地层埋深达到3 645 m,即最大埋深而停止沉降,该阶段地温梯度介于3.4~4.5 ℃/100m[33]Ro总体上介于1.3%~2.0%,并于末期增至2.24%左右,有机质演化经历了裂解生湿气—干气阶段,羧酸基团已基本丧失产生水溶性有机酸的能力,pH值趋于中—碱性,以铁方解石、铁白云石等为代表的晚期胶结物开始沉淀,同时伴随有多种交代作用的发生,其综合效应使得储层平均孔隙度降低至4.7%,为储层演化的定型阶段。早白垩世晚期(96 Ma)以来,地温梯度介于2.3~3.2 ℃/100m[33],受喜山运动影响,区域范围内地层经历2次大幅度的隆升而至现今埋藏状态,抬升阶段因局部应力释放而形成微裂缝,虽然可以改善储层的渗流能力,但总体上未对储层的储集性能产生显著影响,为储层演化的弱改造阶段。

6 结论

(1) 延长探区本溪组障壁坝储集层岩石类型主要为石英砂岩、岩屑质石英砂岩及岩屑砂岩,平均砂岩组分为Q88.4%F0.9%R10.7%;砂岩整体分选中—好,磨圆以次棱—次圆状为主;储集层平均孔隙度、渗透率分别为4.72%、1.22×10-3 μm2为典型低渗透致密储层。

(2) 研究区本溪组储集层最大埋深超过3 500 m,至今整体埋深超过3 000 m的时间长达180 Ma,现今主体已达到晚成岩阶段,部分处于中成岩B期末;埋藏期间储集层经历了多种成岩作用改造,原生孔隙基本消失,溶蚀扩大孔、粒内孔、晶间微孔等次生孔隙发育,孔隙结构复杂。

(3) 基于埋藏热演化历程的储层孔隙演化参数定量评价表明,本溪组储集层孔隙演化可划分4个阶段,即P1~T2(290~208 Ma,早成岩A—中成岩A1期)较低地温梯度—快速埋藏背景下以机械压实与早期胶结作用为特征的大幅减孔阶段;T2~J3(208~153 Ma,中成岩A2期)较高地温梯度—缓慢沉降背景下以烃源岩成熟与次生溶孔广泛发育为特征的溶蚀增孔阶段;J3~K1(153~96 Ma,中成岩B—晚成岩期)持续性高地温梯度—稳定深埋背景下以有机质裂解生气与晚期胶结、交代为特征的储层减孔定型阶段;K1至现今(96 Ma~)较低地温梯度—整体隆升背景下以微裂缝发育为特征的弱改造阶段。

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