矿物岩石地球化学通报  2017, Vol. 36 Issue (5): 855-866   PDF    
苏里格气田东区盒8段-山1段-山2段储集层致密化差异性及影响因素研究
王猛1 , 唐洪明1 , 卢浩1 , 李林泽2 , 王家敏3 , 赵峰1 , 郭红光3 , 杨勇4     
1. 西南石油大学 地球科学与技术学院, 油气藏地质及工程国家重点实验室, 成都 610500;
2. 中国石油集团 西部钻探工程有限公司苏里格气田项目经理部, 内蒙古 鄂尔多斯 017300;
3. 中国石油集团 测井有限公司 长庆事业部, 西安 710021;
4. 中国石油集团 长庆油田长北作业分公司, 西安 710021
摘要: 苏里格气田东区具有多层系含气特征,其中盒8段、山1段、山2段是该区主力产层,都呈现出低孔-特低孔,特低渗-超低渗这一典型致密储集层特征,由于差异性致密化,三层段的物性参数、孔隙结构等表现出较大的差异。综合应用岩石铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、常规物性、X射线衍射、流体包裹体测温、成岩演化序列重建,以及多元回归分析等方法,对三层段的储集层特征、成岩作用、成岩演化序列及储集层致密化影响因素进行了定性、定量评价。结果表明,三层段储集层砂岩主要为富岩屑砂岩,经历的成岩演化序列具有一定相似性,孔隙演化与各段强度差异较大的成岩作用密切相关;储集层致密化时间盒8段为中成岩A期末,山1段为中成岩B期初,山2段为中成岩B期中期;定量分析了影响孔隙度和渗透率对各段物性的影响程度,并以此结果指导优选勘探区带。
关键词: 影响因素      致密化      成岩序列      苏里格气田东区      鄂尔多斯盆地     
Difference and Controlling Factors of Densification of Sandstone Reservoir ofthe He 8, Shan 1, and Shan 2 Members in Eastern Sulige Gas Field, Ordos Basin
WANG Meng1, TANG Hong-ming1, LU Hao1, LI Lin-ze2, WANG Jia-min3, ZHAO Feng1, GUO Hong-guang3, YANG Yong4     
1. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu 610500, China;
2. Sulige Gas Field Project Management Department, Xibu Drilling Engineering Company Limited, CNPC, Ordos, Inner Mongolia Autonomous Region, E'erduosi 017300, China;
3. Changqing Division, Logging Limited Company, Petro China, Xi'an 710021, China;
4. PetroChina Changqing Oilfield Changbei Operating Company, Xi'an 710021, China
Abstract: The Eastern Sulige Gas Field has multilayers of gas-bearing strata, especially the sandstone reservoir of the He 8, Shan 1 and Shan 2 members are the main producing strata. All these three members are characterized by low to ultra-low porosity, ultra-low to extra-low permeability. Due to different densification, these members have variable physical property and pore structure. Qualitative/quantitative evaluation the difference in characteristic of reservoir, diagenesis, diagenetic evolution process, controlling factors of sandstone densification by analytical techniques including casting slice, scanning electron microscope, high pressure mercury injection, physical properties analysis, X-ray diffraction, fluid inclusion and multivariate regression analysis method. The result show that the reservoir of these three members are lithic sandstone with abundant lithic fragment, Although these sandstone had experienced similar diagenetic process, the porosity evolution is closely related to the strength of diagenesis. The densification time of reservoir of three member is different, the He 8, Shan 1 and Shan 2 members were completely compacted at the end of middle diagenetic A stage, the early of middle diagenetic B stage, and the middle of middle diagenetic B stage, respectively. This study also quantitatively evaluated effect of controlling factors on physical property of different member to reveal the role of porosity and porosity. The research achievements could provide a new guidance for predicting favorable exploration areas.
Key words: main controlling factor     densification     diagenetic evolution     the Eastern Sulige Gas Field     Ordos Basin    

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北侧,其东区勘探面积约11 000 km2(图 1),气田分布受南北条状展布的上古生界河流、三角洲相砂体控制(丁磊,2009),为一大面积分布的砂岩岩性气藏。气藏地质条件非常复杂,具有低孔隙度、低渗透率、低气藏压力、低丰度的特征(唐俊伟等,2006)。研究区发育二叠系石盒子组、山西组、本溪组及奥陶系马家沟组多个含油气层段,其中石盒子组盒8段、山西组山1段和山2段是主要产层(黎菁,2012)。成岩作用对砂岩储集层的演化及孔隙改造有极大影响(张富贵等,2010)。王京等(2006)姚泾利等(2011)孙海涛等(2011)杨仁超等(2012)罗静兰等(2014)郑庆华和柳益群(2015)陈大友等(2015)在溶蚀孔隙形成、绿泥石对孔隙影响、砂岩成岩作用、岩石学组成对成岩演化的影响、成岩相等方面对鄂尔多斯盆地致密砂岩储集层做了大量研究,一定程度上揭示了储集层致密化的影响因素与致密化机理,但对于盒8段、山1段和山2段储集层研究较少,且多数学者将几个层段作为一个整体进行研究,没有分层段研究。而实际工作中,三层段的储集层砂岩在物质组成、孔隙结构、成岩作用类型及强度、成岩演化序列,以及储集层致密化影响因素及强度等方面均存在较大差异,这些差异导致了三层段储集层的差异致密化。本研究通过分析三层段储集层的物质组成、成岩作用强度、孔隙演化、致密化影响因素,系统对比分析了它们的差异及其产生这些差异的机理,并进行了定量评价。研究成果系统认识主力产层特征、对比优势层段,对勘探区带优选具有重要的理论意义和实际意义,尤其是对天然气低成本高效率的勘探开发更具有实际指导价值。

图 1 苏里格气田东区构造位置图 Figure 1 Simplified geological map showing tectonic units in eastern Sulige gas field
1 储集层岩石学特征差异分析

砂岩的物质成分及其在成岩演化过程中经历的物理、化学变化,将影响成岩产物的类型及其分布特征(罗静兰等,2014),物质组成是导致成岩作用差异的主要因素(裘怿楠等,1997)。对研究区盒8段、山1段和山2段三层段的1051块砂岩铸体薄片的观察统计(图 2)表明:三层段岩石类型均以岩屑砂岩为主,山1段含量最高,为83.98%;其次为岩屑石英砂岩,山2段最高,为30.50%,山1段最低,仅为11.69%;长石岩屑砂岩在三层段中的含量均不超过5%,反映整体长石含量偏低;石英砂岩仅在盒8段与山2段可见,山2段含量可达14.37%。三层段的岩性及物质组成的差异,主要受控于沉积相类型(黎菁,2012)。虽然岩石类型有差异,但三层段的矿物组成具有相似性,碎屑成分均以石英为主,其次为岩屑和长石。岩屑组分以硬质岩屑(砂岩屑、花岗岩屑、碳酸盐岩屑、白云母石英片岩屑、多晶石英岩屑和石英岩屑)为主,其质量分数平均为23.5%,软质岩屑(泥岩屑、粉砂岩屑、板岩屑、片岩岩屑和千枚岩屑)质量分数约为6.5%。各类岩屑中变质岩岩屑最高,平均占比14.5%。填隙物为杂基和胶结物。砂岩的主要粒径为0.2~0.85 mm,占样品总数的75.5%,以细粒-中粒为主,砂岩结构磨圆度以次棱角-次圆状为主,分选中等,颗粒以线接触为主,表现为强压实,胶结类型多为接触、接触-压嵌式,成分成熟度(石英/长石+岩屑)均值为3.1,为中等成熟,结构成熟度为中-高等。

图 2 苏里格气田东区岩石类型三角图 Figure 2 Triangular discrimination diagram of sandstones from eastern Sulige Gas Field
2 储集层结构特征差异 2.1 物性特征

对研究区三层段的85口取心井的2503块岩心的物性进行了统计分析(表 1),结果表明:①孔隙度分布:盒8段为0.51%~22.98%(均值为9.06%),山1段为0.27%~15.54%(均值为9.12%),山2段为0.42%~13.71%(均值6.82%);②渗透率分布:三层段各层段均值均小于1×10-3μm2,最低值为0.004×10-3μm2,其中盒8段最高(163.57×10-3μm2),可能与局部存在高孔层段有关,其余两个层段最高值均小于5×10-3μm2;③孔渗相关性研究显示,山1段相关系数最大(0.6489),其次为盒8段。总体判断山1段物性条件最好,其次为盒8段,山2段最差。依据油气储集层评价方法行业标准(SY/T 6285-2011),判断三层段均为低孔-特低孔、特低渗-超低渗储集层。

表 1 苏里格气田东区储集层物性参数统计表 Table 1 Physical parameters of sandstones in Eastern Sulige gas field
2.2 孔隙类型

显微观察可见,盒8、山1、山2储集层孔隙以岩屑溶孔、晶间孔为主(图 3a3b3e3j3k3l),盒8段孔隙发育程度略好于山1段、山2段(黎菁,2012);喉道类型以片状、弯片状为主。

(a)长石、岩屑溶孔发育,长石高岭石化后高岭石晶间孔发育,石英次生加大强烈,Z23井,3065.47 m,盒8段,铸体薄片单偏光;(b)粒间孔、黏土矿物晶间孔、长石溶孔发育,自生石英胶结强烈,Z24井,3001.29 m,山2段,铸体薄片单偏光;(c)千枚岩岩屑受压实后塑性变形,SD24-55井,2792.22 m,盒8段,铸体薄片正交偏光;(d)颗粒线、线~凹凸接触,斜长石遭受压实破碎,双晶错断,苏东24-55井,3032.59 m,山2段,铸体薄片正交偏光;(e)石英、长石颗粒表面发育绿泥石环边胶结,粒间孔发育,孔隙中见晶型完整的自生石英微晶,T29井,2885.72 m,盒8段,扫描电镜;(f)方解石连晶胶结发育,砂岩致密,SD24-55井,2978.01 m,山1段,铸体薄片正交偏光;(g)方解石嵌晶胶结粒间孔隙,茜素红-铁氰化钾染色呈紫红色,Z24井,3009.7 m,山2段,铸体薄片单偏光;(h)集合状高岭石与片状伊利石共生充填孔隙,SD35-57井,2931.63 m,盒8段,扫描电镜;(i)长石溶蚀形成粒内孔隙,溶蚀过程中形成的高岭石充填孔隙,同时伴生了伊利石与自生微晶石英,Z28井,3155.44 m,山1段,扫描电镜;(j)绿泥石呈颗粒包膜或栉壳状生长,原生孔隙发育较好,粒间孔隙中发育自生微晶石英,Y149井,3054.42 m,山2段,扫描电镜;(k)长石溶蚀后形成的高岭石,晶间孔发育,Z10井,3108.92 m,盒8段,铸体薄片单偏光;(l)砂岩岩屑溶蚀后形成粒内溶孔,T22井,2873.44 m,山2段,铸体薄片单偏光 图 3 苏里格气田东区储集层砂岩孔隙与成岩微观特征 Figure 3 Photomicrographs showing the micro features of sandstones in Eastern Sulige gas field
2.3 孔隙结构

对比三层段砂岩的压汞分析参数(表 2)可知:①孔隙度:为1.8%~15.1%,渗透率一般小于10×10-3μm2,盒8段与山2段有部分样品出现异常高渗;②排驱压力:均值为0.8~1.48 MPa,中值压力均值为7.2~15.04 MPa,总体上有盒8段>山1段>山2段;③中值喉道半径:山2段均值最高,为1.85 μm,不考虑3个原生孔隙发育程度高样品的影响,其余样品中值喉道半径均值也达0.247 μm,山1段与盒8段中值喉道半径都小于1.5 μm,均值相差不大;④进汞饱和度:最低为1.02%,最高为94.8%,均值为65.81%~70.03%,总体上最大进汞饱和度有:盒8段<山1段<山2段。退汞效率山1段最高,其次为盒8段,山2段退汞效率最大值、均值均最低,孔隙与喉道尺寸均一性差。总之,三层段储集层空间整体上具有高排驱压力,高中值压力,细歪度,小-特小孔道的特征(图 4),孔隙结构参数山1段好于山2段和盒8段。

表 2 苏里格气田东区各层段砂岩压汞参数统计表 Table 2 Mercury injection parameters of sandstones for each formation in Eastern Sulige gas field

(a)统22井,盒8段,2861.38 m;(b)召10井,山1段,3108.92 m;(c)苏东24-55井,山2段,3032.59 m 图 4 苏里格气田东区各层段典型压汞曲线示意图 Figure 4 Typical mercury-injection curve of each formation in Eastern Sulige gas field
3 储集层砂岩成岩作用差异评价

分析显示,3个研究层段储集层砂岩均经历了压实、压溶、胶结、交代及溶蚀多种成岩作用。

3.1 压实作用

强烈的压实作用会导致储集层物性遭受破坏(谢武仁,2008),且压实作用对储集层性质的影响是绝对的、永恒的(张莉等,2005)。砂岩铸体薄片观察统计显示(图 5):研究区三层段砂岩颗粒接触方式主要为线接触、线-凹凸接触,反映了普遍较强的压实,分析样品中线接触比例盒8段最高,其次为山1段,山2段线接触比例在三层段最低,随着埋藏深度的加深,受上覆地层压力的增加,砂岩颗粒呈现出线-凹凸接触,山2段砂岩中线-凹凸接触比例最高,接近50%,其次为山1段,由于盒8段埋藏相对较浅,砂岩颗粒线-凹凸接触比例不超过30%。

图 5 砂岩颗粒接触方式直方图 Figure 5 Histogram of contact types of sandstone particles

对SD24-55井三层段的砂岩进行对比,随着深度增加,压实强度呈现出明显的加强,盒8段岩石颗粒多呈点-线、线接触,常见云母、片岩等片状矿物及软质岩屑受压实后轻微的塑性变形、褶皱,极少见塑性矿物破碎(图 3c),山1段岩石颗粒呈线、线-凹凸接触,常见云母、片岩、板岩等片状矿物及软质岩屑受压实后发生强烈的塑性变形,甚至破碎、错断变形,偶见硬质矿物、岩屑破碎,山2段压实强度更大,塑性矿物、岩屑压实后变形强烈,硬质矿物中的石英、长石及部分岩屑由于受到强烈的压实,多发生局部或整体破碎,其中长石的破碎最为明显,多呈现出颗粒破碎后发生破碎颗粒间的相对错位,受颗粒破碎影响双晶纹显示出错断现象(图 3d)。

3.2 胶结作用

研究层段储集层砂岩的主要胶结物为硅质、钙质胶结物,少见黏土矿物和硫化物。

3.2.1 硅质胶结作用

硅质胶结物是三层段储集层中最常见的胶结物之一,亦是储集层物性变差的原因之一(陶艳忠等,2014)。通过对研究区内85口取心井的铸体薄片观察、统计,得知各层段硅质胶结发育的样品占到了总样品数的1/3,硅质胶结物以石英次生加大边与自生石英两种形式存在,主要造成粒间孔隙堵塞(Khidir et al., 2010Taylor et al., 2010)。根据统计的相对含量,硅质胶结物主要为石英次生加大。石英次生加大边山2段含量最高,一般为0.5%~9.0%,均值为2.86%,其次为盒8段,含量为0.15%~8%,均值为2.23%,山1段含量较盒8段略低,均值为2.13%。自生石英含量同样为山2段最高,均值达1.14%,盒8段平均含量0.81%,山1段平均含量为0.5%(表 3)。

表 3 苏里格气田东区各层段砂岩硅质胶结物含量统计表 Table 3 The content of siliceous cement of sandstones for each formation in eastern Sulige gas field

显微镜及扫描电镜观察发现,石英次生加大边宽为0.02~0.08 mm,可见Ⅰ-Ⅱ期加大,主要发生在无杂基胶结的若干碎屑石英聚集处,石英颗粒含量越多、碎屑粒径越大,石英加大越强烈(图 4a4e);自生石英,表现为自形、半自形或他形微晶石英,微晶颗粒粒径一般分布在0.03~0.45 mm,呈全充填或半充填于石英次生加大后的残余粒间孔或绿泥石衬边胶结的残余粒间孔隙中(图 3b3e),部分长石溶蚀孔中也可见(图 3i)。

3.2.2 碳酸盐胶结作用

碳酸岩胶结物主要类型为方解石、白云石以及菱铁矿,含量在部分样品中超过硅质胶结物的含量,方解石发育的样品比例较高,一般为0.2%~37.5%,均值山1段最高,为5.21%,方解石多呈嵌晶胶结于颗粒间,经统计其含量大于18%时,主要呈连晶胶结,此时会造成孔隙与喉道完全堵塞(图 3f)。不同时期的方解石产状不同,早期无铁方解石胶结物主要以细粉晶状充填于孔隙或局部连晶状产出,胶结强烈时,可以使岩石在成岩早期就发生致密化,成为非有效储集层。晚期铁方解石多呈斑块状胶结孔隙,并交代碎屑颗粒、杂基及早期胶结物(图 3g)。

白云石在三层段的含量一般为0.1%~5%,平均含量不超过0.5%,因此对于储集层致密化影响较小。菱铁矿在三层段的含量一般不超过3%,平均含量为0.02%~0.07%,对于储集层致密的影响不大(表 4)。

表 4 苏里格气田东区各层段砂岩碳酸盐胶结物含量统计表 Table 4 Carbonate cement contents of sandstones from each member in Eastern Sulige gas field
3.2.3 黏土矿物胶结作用

研究区作为胶结作用的黏土矿物主要有伊利石、绿泥石、高岭石以及伊/蒙混层矿物,为定量分析各类黏土矿物含量,对三层段的部分样品采取沉降法抽提(<10 μm)储集层岩石中的泥质,抽提结果显示三层段的黏土矿物绝对含量为0.79%~15.79%,其中盒8段平均为4.88%,山1段平均为3.26%,山2段平均为2.36%。

对选取的75个样品进行X衍射分析(表 5),结果表明:盒8段储集层伊利石平均含量16.02%,伊/蒙混层5.17%,高岭石平均含量58.57%,绿泥石平均含量20.25%;山1段伊利石平均含量15.76%,伊/蒙混层4.81%,高岭石平均含量61.09%,绿泥石平均含量18.35%;山2段伊利石平均含量16.88%,伊/蒙混层5.61%,高岭石平均含量59.57%,绿泥石平均含量17.95%。整体上黏土矿物以高岭石和绿泥石为主,其次为伊利石和伊/蒙混层。由于黏土矿物的绝对含量存在差异,因此各类黏土矿物的绝对含量也表现出盒8段>山1段>山2段。

表 5 苏里格气田东区各层段砂岩X射线衍射黏土矿物含量统计表 Table 5 Clay mineral content in sandstone of each member in Eastern Sulige gas field

片状、丝缕状伊利石(图 3h3i)、书页状、蠕虫装高岭石(图 3h3i3k)的存在,堵塞了孔隙喉道,降低了储集层渗透率,是研究区储集层渗透率低的原因之一。

绿泥石胶结物形成颗粒包壳,在扫描电镜下呈叶片状垂直于颗粒生长(图 3e3j),绿泥石环边厚一般为3~5 μm。X射线衍射结果显示,各段砂岩黏土矿物中绿泥石胶结物的相对含量为0%~33.4%,绝对含量不超过5%,研究区绿泥石发育的砂岩,原生孔隙发育,这对于储集层发育具有建设性意义,这种现象与多数学者认为绿泥石黏土能够保护砂岩孔隙的观点一致(Bloch et al., 2002Hillier et al., 1996),仅通过绿泥石含量与孔渗关系得出这一结论,依据不够充分,姚泾利等(2011)研究认为绿泥石黏土膜保护砂岩孔隙的能力是有限的,而物性较好的砂岩主要受由其本身的岩石学特征控制,本研究更倾向于后者的观点,将在后文对储集层孔渗发育主控因素进行综合定量分析。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用促进了次生孔隙的形成(郝乐伟等,2011黄洁等,2007),对改善储集层物性起到积极作用。三层段溶蚀作用主要表现为长石及岩屑的溶蚀,形成了长石粒内溶孔(图 3i3k)、岩屑粒内溶孔(图 3l)与粒间扩溶孔,由于长石的溶蚀大多伴生高岭石的形成,高岭石晶间孔也成为了溶蚀作用形成的一种特有的次生孔隙(图 3i3k)。三层段的溶蚀孔面孔率一般为0.5%~7.5%,均值小于2%,其中山2段溶蚀作用最强,其次为盒8段,山1段溶蚀作用形成的孔隙最少。

溶蚀作用形成机制主要为烃源岩中有机质在中成岩成熟期的去羟基作用,所产生的CO2和有机酸进入砂岩储集层后,使地层水变为酸性(罗孝俊和杨卫东,2001李汶国等,2005),导致砂岩中的长石和岩屑中的易溶组分溶解而形成孔隙(戴朝成等,2011)。

3.4 成岩作用综合定量评价

在成岩差异分析基础上,用压实率、胶结率、溶蚀率(郑浚茂和庞明,1989)来定量评价各成岩作用的强度:

压实率=(原始粒间孔体积-粒间体积)×100%/原始孔隙体积,其中粒间体积=粒间孔体积+胶结物体积

胶结率=胶结物体积×100%/(胶结物体积+原始粒间孔体积)

溶蚀率=溶蚀孔体积×100%/总孔隙体积

原始孔隙度根据Beard等提出的砂岩原始孔隙度的计算公式:Φo=20.91+22.90/So(其中,Φo为砂岩原始孔隙度,So为特拉斯科分选系数),计算得到三层段砂岩原始孔隙度为35%~39.25%。粒间孔体积用镜下观察到的粒间孔的面孔率表示,胶结物含量也用镜下观察到的胶结物含量表示。

依据上述公式计算得到了研究区30口取心井的525块岩心的压实率为3.64%~91.37%,其中山2段均值最高,为56.3%,属中-强压实,压实损失孔隙度绝对值平均为21.42%;其次为山1段和盒8段,均值为40.53%~46.67%,属中等压实(张一伟等,1997)。不同强度的压实作用是三层段在经历早期压实后原始孔隙度差异性损失的一个重要原因,且随着埋藏深度增加、软质岩屑含量增多以及粒度变细,压实率表现为增大趋势,储集层孔隙度降低。

胶结物体积通过薄片样品的面胶结物含量进行镜下鉴定后,做近似替代。结果表明,三层段的胶结物含量一般为0.5%~38%,砂岩胶结率为7.75%~97.04%,其中盒8段最高,均值为64.27%,属中-强胶结(张一伟等,1997),胶结作用导致的孔隙度绝对损失均值为13.86%;其次为山1段、山2段,其胶结率均值为58.93%~28.72%,属中等胶结(张一伟等,1997)。上述分析表明,不同强度的胶结作用是三层段压实作用后进一步差异致密的重要原因。

溶蚀孔的体积通过对样品的铸体薄片进行观察统计,由溶蚀孔面孔率替代。溶蚀率表示了溶蚀作用对孔隙的贡献程度。统计结果显示,溶蚀率一般为0~91.74%,均值山2段最高,17.78%,溶蚀作用增加孔隙度绝对值平均1.56%,其次为盒8段,平均溶蚀率6.36%,平均孔隙度增加绝对值0.73%,山1段平均溶蚀率4.68%,平均孔隙度增加绝对值0.4%(表 6)。三层段都属于弱溶蚀(张一伟等,1997),相比而言盒8段的溶蚀相对较强。溶蚀作用作为改善储集层孔渗性质的重要成岩作用,对三层段物性的建设性意义较弱,弱溶蚀也是储集层致密化的一个重要影响因素。

表 6 苏里格气田东区各层段砂岩成岩作用定量评价统计表 Table 6 Quantitative evaluation of sandstone diagenesis for each member in Eastern Sulige gas field
4 成岩阶段划分及孔隙演化

成岩作用类型与次生矿物形成顺序分析可知,三层段砂岩成岩演化序列具有一定共性,总体上成岩事件出现的顺序为:压实、压溶作用、早期黄铁矿、菱铁矿胶结、早期绿泥石胶结、早期溶蚀、硅质胶结、早期钙质胶结、后期溶蚀、后期硅质胶结、黏土矿物胶结、晚期钙质胶结。各层段具体的演化过程在强度与成岩时期上有差别。

为明确主要成岩作用时期,在三层段中选取了石英加大、自生石英发育的样品进行包裹体均一测温,得到包裹体均一温度为80~170℃,各段均呈双峰分布(图 6),连续的均一温度分布表明,研究区天然气的成藏是一个连续的过程(卢焕章等,2004),双峰分布反映了研究区曾发生过两期天然气充注。盒8段第1期包裹体温度范围为80~120℃,主峰110~120℃,第2期包裹体温度范围为120~170℃,主峰130~140℃;山1段第1期包裹体温度为80~130℃,主峰120~130℃,第2期包裹体温度为130~170℃,主峰为140~150℃;山2段第1期包裹体温度为80~130℃,主峰120~130℃,第2期包裹体温度为130~170℃,主峰140~160℃。各段第1期包裹体主要分布在石英加大边中,第2期分布在晚期石英加大边及自生石英中。

图 6 苏里格气田东区各段流体包裹体均一温度分布直方图 Figure 6 Distribution of homogeneous temperature of fluid inclusions of each member in eastern Sulige Gas Field

依据主要成岩矿物出现顺序、硅质胶结物包裹体测温结果,按碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T5477-2003),提出三层段的储集层砂岩目前处于中成岩期B期,其成岩演化序列及孔隙演化模式如下(图 7):

图 7 盒8段-山1段-山2段砂岩成岩序列与孔隙演化模式图 Figure 7 Diagenesis sequence and pore evolution model of sandstone in He 8, Shan 1 and Shan 2 members

盒8段主要储集层砂岩为岩屑砂岩与岩屑石英砂岩,两类砂岩典型的成岩演化序列为:机械压实(中等)→早期黄铁矿、菱铁矿胶结→早期绿泥石颗粒包膜(弱)→第Ⅰ期石英加大边(弱)→第Ⅱ期石英加大边(中等)→无铁方解石嵌晶胶结、交代(弱)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(中等)→高岭石、绿泥石、伊利石胶结(中-强)→粒间自生微晶石英胶结(中-弱)→铁方解石胶结(中)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(弱)晚期方解石和白云石交代颗粒。中成岩A期末,储集层已致密化。

山1段主要储集层砂岩同样为岩屑砂岩与岩屑石英砂岩,两类砂岩典型的成岩演化序列为:机械压实(中等)→早期黏土膜形成(绿泥石衬边胶结)→第Ⅰ期石英加大边(弱)→第Ⅱ期石英加大边(中等)→绿泥石衬边胶结(中等)→无铁方解石嵌晶胶结、交代(中等)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(弱)→高岭石、绿泥石、伊利石胶结(中)→粒间自生微晶石英胶结(中-强)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(弱)→晚期方解石胶结(中-强)、白云石交代颗粒,中成岩B期初,储集层已致密化。

山2段主要储集层砂岩为岩屑砂岩、岩屑石英砂岩及石英砂岩,砂岩典型的成岩演化序列为:机械压实(中-强)→第Ⅰ期石英加大边(弱)→早期绿泥石颗粒包膜(弱)→无铁方解石嵌晶胶结、交代(中等)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(中等)→高岭石、绿泥石、伊利石胶结(中)→粒间自生微晶石英胶结(中-强)→铁方解石胶结(中等)→长石颗粒、岩屑颗粒溶解(弱)→晚期方解石和白云石交代颗粒。中成岩B期中期,储集层已致密化。

5 储集层致密化影响因素定量分析

沉积作用与成岩作用是影响储集层致密化最重要的两种作用。多数学者研究储集层致密化影响因素时常基于单因素与储集层孔隙度、渗透率的相关分析,这可能在一定程度上关注某种因素时忽略了其他因素的影响。例如单因素分析时,石英、长石、硬质岩屑含量与孔隙发育程度呈明显的正相关,而杂基、软质岩屑、钙质胶结物、硅质胶结物则与孔隙发育程度呈负相关。在多因素中无法区别某种因素对孔隙度发育的影响程度。

对于孔隙度、渗透率影响因素分析,本次研究选取了沉积因素(石英含量、长石含量、硬质岩屑含量、杂基含量、软质岩屑含量、钙质胶结物含量、硅质胶结物含量、高岭石含量、绿泥石含量、伊利石含量)和成岩因素(压实率,溶蚀率),由于胶结物含量作为沉积因素体现,胶结率不再计入。最后用多元统计回归分析(Allison,2011张雅晨等,2012)进行多变量的相关关系分析。

5.1 孔隙度影响因素分析

依据多元线性回归分析建立12种自变量与孔隙度的线性回归方程。并分别对各段及总体样本多元回归建立的线性方程进行孔隙度预测(图 8),依据判定系数分析,预测值与实测孔隙度之间的相关性较好(表 7),其中盒8段最好(图 8a)、山1段其次(图 8b),山2段方程判定系数R2仅为0.9249(图 8c)。3段总体分析表明,受综合影响回归方程判定系数为0.9522。对多元回归方程进行显著性检验(F检验),验证水平取a=0.05。由表 7可知,各方程的F检验统计量皆远远大于检验水平下的临界值F0.05,且显著性P值皆远远小于检验水平0.05,表明所建立的方程都具有高度显著性。由于各段储集层沉积类型、成岩作用存在差异性,这决定了12种因素对于储集层孔隙度发育的综合影响具有共性的同时也不可避免的显示出层间差异性。共性是石英、长石、硬质岩屑、绿泥石含量以及溶蚀率是孔隙发育的建设性因素,而杂基、软质岩屑、高岭石、伊利石、钙质胶结物、硅质胶结物含量与压实率则对砂岩孔隙发育呈破坏性作用。

(a)盒8段;(b)山1段;(c)山2段;(d)总体 图 8 多元回归拟合孔隙度与实测孔隙度线性相关分析 Figure 8 Liner correlation analysis of multiple regression porosity and measured porosity

表 7 各层段孔隙度发育影响因素多元回归分析统计表 Table 7 Multiple regression analysis of influence factors of porosity for each member

差异性则主要体现在各因素对孔隙度发育的影响程度:①盒8段孔隙度发育影响建设性因素顺序是:石英>长石>硬质岩屑>绿泥石>溶蚀率,破坏性因素是:高岭石>压实作用>硅质胶结物>软质岩屑>杂基>伊利石>钙质胶结物;②山1段孔隙度发育影响的建设性因素:长石>石英>硬质岩屑>绿泥石>溶蚀率,破坏性因素:高岭石>压实作用>软质岩屑>硅质胶结物>钙质胶结物>杂基>伊利石;③山2段孔隙度发育影响的建设性因素:长石>石英>硬质岩屑>绿泥石>溶蚀率,破坏性因素:压实作用>硅质胶结物>软质岩屑=高岭石>伊利石>钙质胶结物>杂基。

回归分析得到3层孔隙度发育影响因素顺序,建设性因素是:长石>石英>硬质岩屑>绿泥石>溶蚀率,破坏性因素:高岭石>压实作用>软质岩屑>硅质胶结物>杂基>伊利石>钙质胶结物。

5.2 渗透率影响因素分析

与孔隙度分析一样,分别对各段及总体样本进行渗透率与12种因素的多元线性回归分析。结果表明,相比于孔隙度预测结果与实测结果的强线性相关(表 8),渗透率分析方程拟合值与测试相关性较弱(图 9),方程判定系数(R2)山2段最高也仅为0.3547(图 9c),这种与孔隙度分析结果不一致的主要原因是渗透率不仅与储集层成分相关,还受控于结构参数,本次分析中并未将矿物颗粒粒度、磨圆度、分选系数等结构特征参数纳入分析。但各方程的F检验统计量均大于检验水平下(a=0.05)的临界值F0.05,且显著性P值皆小于检验水平0.05,因此建立的方程同样具有一定的显著性,说明依据各方程中参数的回归系数来判断各因素对渗透率的影响是可行的。

表 8 各层段渗透率影响因素多元回归分析统计表 Table 8 Multiple regression analysis of influence factors of permeability for each member

(a)盒8段;(b)山1段;(c)山2段;(d)总体 图 9 多元回归拟合渗透率与实测渗透率线性相关分析 Figure 9 Liner correlation analysis of multiple regression permeability and measured permeability

统计发现,石英、长石、硬质岩屑、溶蚀率是渗透率发育的建设性因素,而杂基、软质岩屑、高岭石、伊利石、绿泥石、钙质胶结物、硅质胶结物含量与压实率则对砂岩渗透率具有破坏性作用。各因素对渗透率的影响程度各段间存在差异。分析显示,各段的渗透率正相关影响因素包括石英、长石、硬质岩屑、溶蚀率,负相关因素包括杂基、软质岩屑、绿泥石、高岭石、伊利石、钙质胶结物、硅质胶结物含量与压实率。统计分析还得到各层段的渗透率影响因素顺序:①盒8段建设性因素顺序为:长石>石英>硬质岩屑>溶蚀率,破坏性因素顺序:软质岩屑>高岭石=绿泥石=伊利石>硅质胶结物>压实作用>杂基>钙质胶结物;②山1段建设性因素顺序为:石英>硬质岩屑>长石>绿泥石>溶蚀率,破坏性因素顺序为:绿泥石>伊利石>硅质胶结物>软质岩屑>杂基>钙质胶结物>高岭石>压实作用;③山2段建设性因素顺序为:石英>长石>溶蚀率>硬质岩屑,破坏性因素顺序为:伊利石>绿泥石>高岭石>杂基>硅质胶结物>软质岩屑>钙质胶结物>压实作用。

回归分析得到三层段渗透率影响因素顺序,其建设性因素:石英>硬质岩屑>长石>溶蚀率,破坏性因素:伊利石>绿泥石=软质岩屑>高岭石>杂基>硅质胶结物>压实作用>钙质胶结物。

在上述研究基础上探索性的将长期以来评价储集层物性影响的沉积、成岩两大因素包含的部分因素进行定量,并基于定量化参数开展综合定量评价,结果表明,沉积作用控制的原始沉积组分与成岩作用影响的成岩矿物和成岩强度对孔隙度的影响较强,这种方式建立的多元回归方程在一定程度上可作砂岩孔隙度预测的新手段。而对于渗透率影响因素较为复杂,除了本次分析中采用的因素外应该还需要增加储集层砂岩结构特征参数,这样才能建立起更为显著的回归方程,以实现对渗透率更为精确的预测。

6 结论

(1) 盒8段、山1段、山2段砂岩储集层是典型的低孔-特低孔,特低渗-超低渗储集层非常规致密砂岩储集层,受沉积、成岩作用影响,各段储集层砂岩类型、物性、孔隙结构等存在明显差异。山1段物性条件最好,其次为盒8段,山2段最致密;孔隙类型以岩屑溶孔、晶间孔为主,盒8段储集层孔隙发育程度略好于山1、山2段;孔隙结构参数对比,山1段好于山2段、盒8段。

(2) 三层段储集层砂岩虽然经历了相似的成岩作用,但成岩强度却存在差异:压实作用强度山2段为中-强,盒8段、山1段为中等压实;胶结作用盒8段中-强胶结,山1段、山2段,属中等胶结;三层段砂岩溶蚀作用均为弱溶蚀。致密化时间盒8段为中成岩A期末,山1段为中成岩B期初,山2段为中成岩B期中期。

(3) 多元回归分析表明,各段储集层沉积、成岩因素中石英、长石、硬质岩屑、绿泥石、溶蚀作用为储集层孔隙度发育的建设性因素,杂基、软质岩屑、高岭石、伊利石、钙质胶结物、硅质胶结物与压实作用为砂岩孔隙发育的破坏性因素,不同因素对各段储集层致密化的影响具有差异。

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