张友, 侯加根, 李娜, 孙海航. (2012)黄骅坳陷塘34断块古近系沙河街组一段下部储集层特征及控制因素* [J]. 古地理学报, 14(3): 383-392
Zhang You, Hou Jiagen, Li Na, Sun Haihang. (2012)Reservoir characteristics and controlling factors of the lower part of Member 1 of Paleogene Shahejie Formation in Tang 34 Block,Huanghua Depression[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(3): 383-392. DOI:  
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黄骅坳陷塘34断块古近系沙河街组一段下部储集层特征及控制因素*
张友1,2, 侯加根1,2, 李娜1,2, 孙海航1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

第一作者简介 张友,男,1985年生,中国石油大学(北京)硕士研究生,从事油藏开发地质学及油藏描述研究工作。电话:15210877369。E-mail:zhangshiyouda@126.com。

通讯作者简介 侯加根,男,1963年生,教授,博士生导师。主要从事油藏开发地质学及油藏描述方面的研究及教学工作。E-mail:houjg63@cup.edu.cn。

收稿日期:2011-05-30
基金:*国家科技重大专项(编号:2011ZX05010)资助
摘要

在岩心观察和沉积相分析基础上,利用大量的岩石薄片、铸体薄片、孔渗物性和压汞参数等资料,系统讨论了黄骅坳陷塘 34断块古近系沙河街组一段下部储集层特征及影响储集层储集性能的主要地质因素。认为塘 34断块沙一段下部储集层为中低孔、低渗特低渗、细喉储集层。储集层物性主要受成岩作用以及砂泥岩组合方式等因素控制,其中碳酸盐胶结物、硅质胶结物及黏土矿物转化是造成储集层物性变差的主要原因;而溶蚀作用控制次生孔隙发育程度,提供有利储集空间,储集层段的自生高岭石是长石和岩屑溶蚀的产物;砂泥岩组合方式则控制着储集层物性纵向上的分布规律。

关键词: 黄骅坳陷; 古近系; 沙河街组; 储集层特征; 控制因素
中图分类号:P534.5 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)03-0383-10 文章编号:1671-1505(2012)03-0383-10
Reservoir characteristics and controlling factors of the lower part of Member 1 of Paleogene Shahejie Formation in Tang 34 Block,Huanghua Depression
Zhang You1,2, Hou Jiagen1,2, Li Na1,2, Sun Haihang1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;

About the first author Zhang You,born in 1985,is a master candidate in China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in reservoir development geology and researches of oil reservoirs description.E-mail: zhangshiyouda@126.com.

About the corresponding author Hou Jiagen,born in 1963, is a professor and a supervisor for Ph.D.students in China University of Petroleum(Beijing),and is mainly engaged in reservoir development geology and teaching and researches of oil reservoirs description.E-mail: houjg63@cup.edu.cn.

Abstract

Based on core observation and sedimentary facies analyses,the reservoir characteristics of the lower part of Member 1 of Paleogene Shahejie Formation in Tang 34 Block and the main geological factors influencing its physical properties are systematically studied by using a large number of rock thin sections,thin sections,porosity and permeability properties and mercury-injection data, etc.The results indicate that the lower part of Member 1 of Paleogene Shahejie Formation reservoir belongs to middle to low porosity,low to extra-low permeability and fine throat reservoir.Reservoir properties of the study area are dominated by diagenesis,and combination pattern of sandstone and mudstone.Among them,carbonate cement,silica cement and clay mineral transformation are the main factors leading to the poor physical properties,while the corrosion produces substantial secondary porosity and provides favorable reservoir space.Authigenic kaolinite is the dissoluted product of feldspar and debris.Vertical distribution of reservoir properties are controlled by combination of sandstone and shale.

Key words: Huanghua Depression; Paleogene; Shahejie Formation; reservoir property; controlling factors
1 概况

黄骅坳陷塘34断块位于天津市塘沽区, 构造位置处于黄骅坳陷中北部海河断层下降盘长芦鼻状构造带上, 北隔海河断层与塘沽油田相邻, 东至滩海, 南与板桥油气田相连, 西接板桥凹陷(图 1)。沙一段下部沉积时期, 塘34断块构造形态为一逆牵引背斜, 钻遇地层自下而上依次为中生界、古近系沙河街组三段和一段及东营组, 塘34断块沙二段构造主体部位基本缺失(王德发等, 1986; 大港油田石油地质志编委会, 1987)(图 2), 其中沙一段下部为作者重点研究层位。沙一段下部沉积时期, 边界断裂活动性强, 本区持续快速下陷, 水体较深, 北部燕山物源体系以及西北部的沧县隆起在北塘— 长芦区域形成重力流水道沉积体系(王德发等, 1986; 大港油田石油地质志编委会, 1987; 吴崇筠和薛叔浩, 1992; 金振奎等, 2002; 黄传炎等, 2007)①（①侯加根, 张友, 孙海航, 等．2010．大港油田长芦地区储集层精细表征与建模研究．内部研究报告）。总体上, 对塘34断块沙河街组一段下部沉积特征和储集层特征的研究程度仍然很低, 在油田生产上表现为油藏产量偏低, 储集层储集物性较差“ 注水井注不进、采油井采不出” 及优质储集层横向相变较快等复杂问题。针对上述问题, 作者通过对大量物性数据的分析与整理, 结合薄片鉴定和扫描电镜技术, 对塘34断块沙一段下部碎屑岩储集层的岩石学特征、孔隙结构和储集层物性特征进行研究, 从沉积、成岩作用以及砂泥岩组合方式等角度进行综合分析, 进一步明确研究区储集层物性的主要控制因素, 为预测该区优质储集层的空间分布提供一定依据。

图1 黄骅坳陷塘34断块构造位置Fig.1 Tectonic location of Tang 34 Block in Huanghua Depression

图2 塘34断块沙河街组地层划分综合柱状图(据大港石油管理局地质勘探开发研究院, 1994, 有修改)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Shahejie Formation in Tang 34 Block(Modified from Dagang Oilfield Company, 1994)

2 储集层特征
2.1 岩石学特征

塘34断块沙一段下部为重力流水道沉积, 岩心为灰色、灰褐色厚度不等的中细砂岩、含砾砂岩夹于深灰色泥岩中, 反映较深水环境。重力流沉积具有典型的沉积构造。研究区发育有丰富的块状层理、叠复递变层理、滑塌构造、液化管构造、重荷模及火焰构造等(图 3), 表现出典型的重力流沉积特点。砂岩类型以长石砂岩和岩屑质长石砂岩为主, 石英、长石和岩屑的平均体积百分数分别为27.58%, 45.96%和26.46%, 反映了岩石成分成熟度较低的特点。岩屑以岩浆岩岩屑为主, 见少量沉积岩岩屑和变质岩岩屑。碎屑颗粒多呈次棱角— 次圆状, 分选中等。胶结物类型主要为钙质胶结, 平均含量为28%, 部分样品可达60%; 硅质胶结次之, 平均含量为2.5%, 为石英次生加大形成。

图3 塘34断块古近系沙河街组沙一段下部重力流水道砂岩沉积钻井岩心照片Fig.3 Cores photos of gravity flow channel facies of the lower part of Member 1 of Paleogene Shahejie Formation in Tang 34 Block

2.2 孔隙类型

根据岩石薄片、铸体薄片和扫描电镜等资料分析, 塘34断块沙一段下部储集层孔隙类型主要为次生孔隙; 包括粒间溶孔、粒内溶孔、基质内孔以及少量微裂缝。物性资料统计表明, 塘34断块沙一段下部碎屑岩储集层段存在2个次生孔隙发育带(图 4)。深度3.0~3.4, km为第1次生孔隙发育带, 最大孔隙度可达25.89%, 平均值为20.43%; 深度3.8~4.0, km为第2次生孔隙发育带, 最大孔隙度可达24.36%, 平均值为19.41%。当埋深小于3.0, km时, 研究区储集层处于早成岩阶段(游俊和郑浚茂, 1999), 碎屑组分基本未受溶解, 孔隙类型以原始孔隙经过早期压实和胶结作用后的剩余原生粒间孔为主; 随着埋深增加, 进入“ 液态窗” 阶段, 有机质热演化过程产生的有机酸和CO2以及黏土矿物转化过程中生成的H+会使溶液呈酸性(田克勤等, 2000; 谯汉生等, 2002), 导致易溶碎屑如长石以及碳酸盐胶结物等溶蚀作用增强, 形成多个深层次生孔隙发育带, 极大地改善了深部储集层的储集性能。

图4 塘34断块沙一段下部储集层孔隙度和声波时差纵向分布(测井解释统计)Fig.4 Vertical distribution of porosity and AC of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block (Statistics by log interpretation)

2.3 孔隙结构特征

孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及连通情况(裘亦楠和薛叔浩, 1997)。大量的压汞资料(表 1)显示研究区储集层孔隙结构较差:毛管压力曲线呈细歪度, 其孔喉半径值较小, 喉道较细; 而且曲线倾斜段斜率较大, 位置较高, 分选系数普遍大于3, 反映孔喉分布不均匀, 岩石渗流能力较差。

表1 塘34断块沙一段下部重力流水道砂体储集层孔隙结构(据压汞资料) Table1 Pore texture of gravity flow channel sandbodies of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block(After mercury injection data)
2.4 储集层物性特征

塘34断块沙一段下部共有取心井5口(塘34、塘34-1、塘34-2井、板深85-1井以及板深86井), 其岩心物性分析数据统计表明:孔隙度为6.21%~23.67%, 其中以中孔(孔隙度15%~20%)为主, 占全区统计数据的72.1%; 渗透率介于(0.01~136.06)× 10-3μ m2之间, 平均值为7.06× 10-3μ m2, 渗透率小于10× 10-3μ m2的占样品总数的94.7%, 渗透率小于1× 10-3μ m2的占样品总数的74.2%(图 5)。根据储集层孔喉结构分类标准(吕鸣岗, 2005), 沙一段下部储集层为中低孔、低渗特低渗、细喉储集层。对该区沙一段下部岩心的分析还发现, 孔渗关系图为“ 宽带状” , 说明孔隙度与渗透率虽然有一定的相关性, 随着孔隙度的增加, 渗透率具有增加的趋势; 实际孔渗关系还受到次生孔隙、喉道半径以及喉道迂曲度等多种因素影响。

图5 塘34断块沙一段下部储集层岩心孔隙度与渗透率关系Fig.5 Relationship between porosity and permeability of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block

塘34断块沙一段下部时期属于深水沉积, 即远离高山区(或物源区), 在深水背景黑色泥页岩之中堆积深水重力流水道型特色沉积, 所展示的沉积物源来自北西方向的沧县凸起以及北部轴向物源区(图 6)①（①侯加根, 张友, 孙海航, 等．2010．大港油田长芦地区储集层精细表征与建模研究．内部研究报告）。不同微相带物性特征明显不同, 其中重力流水道中心微相砂体储集性能最好, 平均孔隙度约为21%, 平均渗透率为12.04× 10-3~36.13× 10-3 μ m2; 其次为水道侧翼微相砂体, 储集层平均孔隙度为16%左右, 平均渗透率为2.11× 10-3 μ m2左右; 水道间微相物性最差, 一般地, 孔隙度小于11%, 渗透率小于1× 10-3 μ m2。储集层物性的变化规律是由重力流水道中心向水道侧缘漫溢砂、水道间由好变差(表 2)。

图6 塘34断块沙一段下部沉积微相模式图Fig.6 Sedimentary microfacies patterns of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block

表2 塘34断块沙一段下部不同沉积微相砂体物性统计 Table2 Statistics of physical properties in different microfacies of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block
3 储集层物性控制因素分析

经过对塘34断块沙一段下部储集层特征和储集层成岩演化的研究结果, 分析认为岩石特征、成岩作用以及砂泥岩组合方式是影响该地区储集层物性的3大因素, 其中成岩作用以及砂泥岩组合方式是主控因素。

3.1 岩石特征对物性的影响

不同沉积环境下形成的储集岩体, 原始储集条件不同。其影响主要表现在岩石组分和岩石组构上(游俊和郑浚茂, 1999)。

3.1.1 岩石组分

不同成分砂岩储集层有不同的物性特征(Beard and Weyl, 1973)。分析认为, 沙一段下部重力流水道砂体储集层物性与岩石组分中的石英、长石含量成反比, 但相关性较差; 而与岩屑及胶结物含量成反比, 且相关性较好。可见, 岩屑及胶结物含量对该区重力流砂体储集层物性的影响更大。

3.1.2 岩石结构

岩石结构对物性的影响通常表现为分选系数和粒度中值对储集层物性的影响(Schmmugan, 1985; Miall, 1988; 冯增昭, 1993; Haldorsen and Damsleth, 1993; 邓荣敬等, 2006)。从塘34断块沙一段下部样品统计来看, 孔隙度与分选系数相关性较差, 与粒度中值的正相关关系较好(图 7), 砂岩的粒度越粗, 孔隙度越高, 抗压实能力相对较强(寿建峰等, 2005)。

图7 塘34井沙一段下部孔隙度和粒度中值与分选系数的关系Fig.7 Relationship between porosity, medium grain size and coefficient of sorting of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Well Tang 34

3.2 成岩作用对物性的影响

成岩作用控制着储集层的孔隙演化并决定其最终状态(郑浚茂和吴仁龙, 1996; 朱筱敏等, 2007)。研究区位于长芦断层下降盘, 沙一段下部储集层埋藏较深, 一般大于3500, m。综合研究区自生矿物及演化、自生黏土矿物及其转化、有机质演化以及孔隙度演化等因素, 参照中国石油天然气行业碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T5477-2003)(应凤祥等, 2004), 分析认为塘34断块沙一段下部储集层主要处于晚成岩A期。经历的主要成岩事件有:压实作用、压溶作用、胶结作用和溶蚀作用等, 其中对该区重力流水道砂体储集层物性影响比较明显的主要是胶结作用和溶蚀作用。

3.2.1 胶结作用

分析认为, 对塘34断块沙一段下部储集层物性起到破坏作用的胶结物类型, 主要为碳酸盐胶结物和硅质胶结物。

1)碳酸盐胶结物。碳酸盐胶结作用对储集层物性的优劣起着重要的作用。统计发现, 当碳酸盐体积分数大于8%时, 碳酸盐含量与孔隙度呈明显的反比关系(图8), 孔隙流体不能使其有效溶解, 物性下降非常明显(Rossi et al., 2000; 鞠俊成等, 2001)。据镜下岩石薄片观察, 沙一段下部储集层碳酸盐胶结物以晚成岩A期生成的方解石胶结物为主, 碳酸盐呈分散状分布于碎屑颗粒间, 局部为铁白云石胶结(图 9-a, 9-b)。此外, 部分次生孔隙的形成与粒间碳酸盐胶结物溶蚀密切相关。

图8 塘34断块沙一段下部碳酸盐含量和孔隙度与渗透率的关系Fig.8 Relationship between carbonate cement content, porosity and permeability of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block

图9 塘34断块沙一段下部砂岩显微镜照片Fig.9 Sandstone microphotos of the lower part of Member 1 of Shahejie Formation in Tang 34 Block

2)硅质胶结物。硅质胶结作用主要表现为石英的次生加大现象。镜下石英环带状加大边多以充填孔隙的方式使深部储集层的物性变差, 严重破坏了原生孔隙(图 9-c), 伴随石英次生加大常有长石的强烈溶蚀现象(图 9-d), 从另一个方面也说明了硅质增生的程度, 同时也反映了较强的溶蚀作用以及次生孔隙的发育程度(陈纯芳等, 2002)。

3.2.2 黏土矿物转化

黏土矿物种类包括高岭石、伊蒙混层、伊利石和绿泥石等。黏土矿物转化现象大致分成两类:一是蒙脱石向伊蒙混层及伊利石的转化, 二是自生高岭石。据X衍射分析, 蒙脱石已大量转化为伊蒙混层(23.8%)和伊利石(15.5%)。研究发现这种变化对孔隙度几乎没有影响, 却导致渗透率急剧下降。分析其原因:伴随成岩演化结晶度增加, 伊利石颗粒增大, 含量虽较少, 但以不规则片状、纤维状桥式结构存在于粒间及孔喉部位, 使得喉道迂曲度增大, 连通孔隙的喉道变窄甚至堵塞, 从而渗透率明显降低(图 9-e, 9-f)。此外, 在伊蒙混层演化过程中产生大量Ca2+、Mg2+和C O32-等离子, 为成岩晚期铁白云石和铁方解石胶结提供条件。

自生高岭石主要来源于长石及岩屑的溶蚀, 占黏土矿物相对含量的30%~40%, 局部可达60%。其晶粒大小不一, 自形程度较高, 多呈蠕虫状或书页状充填粒间孔隙(图 9-g)。高岭石由于固着力较弱, 在流体作用下易发生迁移, 从而易堵塞孔喉。

3.2.3 溶蚀作用

长石、碳酸盐胶结物以及岩屑等组分的溶蚀作用控制了次生孔隙的形成与分布, 极大地改善深层储集层的物性(李丽和田成, 2002; 何玉平等, 2006; 肖玲等, 2006)。溶蚀作用的广泛发育有2个条件:一是研究区浊积水道砂体位于沙一段下部, 埋深在3050~4100, m范围内, 这一深度范围正是相当于有机质热演化的“ 液态窗” 阶段, 有机质在成熟过程中产生大量的有机酸和CO2, 提供了使矿物发生溶解的溶剂(Schmidt, 1979; Crossey and Surdam, 1986; Surdam, 1989); 二是储集层砂岩成分成熟度较低, 大量的易溶矿物如长石、碳酸盐胶结物以及部分可溶岩屑, 为有机酸溶液提供了较为丰富的可溶性物质, 研究还发现溶蚀作用虽扩大了残余粒间孔, 但渗透率变化不明显, 这与长石溶蚀产生较高含量的自生高岭石堵塞孔隙喉道有关(图 9-g, 9-h)。

3.3 砂泥岩组合方式对物性的影响

砂泥岩组合方式为沉积与成岩作用的综合体现, 也是影响储集层物性重要因素。

3.3.1 厚层砂体的顶(底)端

重力流水道中心微相岩性主要为灰色厚层中细砂岩, 水道厚砂体内部物性出现差异, 一般中部物性较好; 顶底部与泥岩接触处, 碳酸盐胶结强烈, 物性变差, 电测曲线上表现为明显的“ 钙尖峰” (姚光庆和李蕙生, 1991)(图 10-a)。这是由于泥岩在压实过程中释放出大量的饱和碳酸盐压实流体, 当它们进入邻近的砂体内部时, 压力骤降, 使得过饱和碳酸盐发生沉淀, 形成不同形式的“ 底钙” (“ 顶钙” )现象。

图10 厚层砂体的顶(底)端(a)、厚砂体内部夹层(b)、薄层砂岩与泥岩互层(c)、厚层泥岩夹薄层砂(d)储集层质量差异分析Fig.10 Reservoir quality differences of top(bottom)of thick sandbody(a)and interlayer within thick sandbody(b), interbedded sand and mud(c)and thin sand in thick mudstone(d)

3.3.2 厚砂体内部干层

岩性主要为中细砂岩, 单砂体厚度为5~10, m; 此种干层所占比重较小(图 10-b)。据X衍射分析, 蒙脱石已大量转化成为伊蒙混层、伊利石; 在伊蒙混层演化过程中产生大量Ca2+、Mg2+和 CO32-等离子, 为成岩晚期铁白云石和铁方解石胶结提供条件, 从而导致厚砂层内部物性变差。

3.3.3 薄层砂岩与泥岩互层

岩性为薄层细砂岩与泥岩互层, 单砂体厚度多小于3.5, m。碳酸盐岩胶结作用主要发生在砂泥岩接触处, 并且从砂体侧翼向水道砂体内部物性变好; 干层孔隙度一般只有6%~8.5%, 而在水道砂体内部孔隙度可达15%~21%(图 10-c)。

水道侧翼部位碳酸盐的胶结作用比较强烈的原因:一是由于水道侧翼砂体比较薄, 砂体侧面、上下均与泥岩充分接触, 使得泥岩中过饱和的碳酸盐压实流体进入砂体所致(朱筱敏等, 2006); 其二由于水道侧翼砂体中孔隙水不流畅, 为胶结物沉淀形成良好的环境。

3.3.4 厚层泥岩夹薄层砂

岩性主要为厚层泥岩夹薄层粉砂岩, 单砂体厚度多小于1.5 m。由于粉砂岩中黏土含量较高, 机械压实明显, 再加上孔喉较细, 外部流体也不易进入砂岩中, 因而碳酸盐胶结作用不明显, 导致这类砂岩低孔低渗的主要因素是沉积作用、较高的基质含量与明显的机械压实作用, 孔隙度一般小于11%(图 10-d)。

4 结论

1)塘34断块沙一段下部储集层为重力流水道砂体, 以长石中细砂岩为主, 结构成熟度及成分成熟度均较低; 孔隙结构较差, 喉道较细, 孔喉分布不均匀; 次生孔隙是其主要储集空间类型, 属于中低孔、低渗、细喉型储集层。

2)成岩作用以及砂泥岩组合方式是影响储集层物性的主要控制因素。其中成岩作用中的碳酸盐胶结作用、硅质胶结作用以及自生黏土矿物充填作用造成储集层物性变差, 而溶蚀作用可以形成大量的次生孔隙, 对储集层具有建设性作用; 砂泥岩组合方式则控制着储集层物性在纵向上的分布规律。

致谢 论文得到《古地理学报》主编冯增昭教授的热忱指导和帮助,中国石油大学(北京)钟大康教授、朱筱敏教授等也对论文提出了许多宝贵的修改意见,在此致以衷心的感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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