鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田储集层特征与成因*
付金华1,3, 魏新善2,3, 南珺祥2,3, 石小虎2,3
1 中国石油长庆油田分公司,陕西西安 710018
2 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018
3 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安 710018

第一作者简介: 付金华,男,1963年生,博士,教授级高级工程师,现任中国石油长庆油田公司副总地质师,主要从事油气勘探研究与技术管理工作。E-mail:fjh_cq@PetroChina.com.cn

摘要

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层普遍以低孔低渗为主要特征,但在低孔低渗的背景上发育相对优质储集层。应用偏光显微镜、恒速压汞等技术手段,从碎屑岩的粒度、碎屑组分、孔隙结构等分析入手,对比神木气田、榆林气田和苏里格气田3个大气田的储集层特点,并对致密砂岩中相对优质储集层的成因进行了分析。研究认为:高石英类矿物含量、适量的可溶性组分(包括长石、火山岩岩屑及凝灰质等)及残余少量粒间孔形成的酸性流体的渗流通道是形成相对优质储集层的必要条件;而较高含量的千枚岩屑、泥板岩等软组分,在上覆地层压力作用下被压实变形、充填孔隙,造成残余粒间孔全部丧失和酸性流体渗流通道的缺乏,因而形成低孔低渗的致密砂岩储集层。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 气田; 上古生界; 致密储集层; 成岩作用; 储集性能
中图分类号:TE122.2+21 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)04-0529-10
Characteristics and origin of reservoirs of gas fields in the Upper Paleozoic tight sandstone, Ordos Basin
Fu Jinhua1,3, Wei Xinshan2,3, Nan Junxiang2,3, Shi Xiaohu2,3
1 PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi'an 710018,Shaanxi
2 Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi'an 710018,Shaanxi
3 National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil & Gas Field,Xi'an 710018,Shaanxi

About the first author: Fu Jinhua,born in 1963,doctor,senior engineer,is the deputy chief geologist of PetroChina Changqing Oilfield Company,and is mainly engaged in oil and gas exploration and technology management.E-mail:fjh_cq@PetroChina.com.cn.

Abstract

The reservoirs in the Upper Paleozoic of Ordos Basin are generally characterized by low porosity and low permeability,but reservoirs with relatively high quality developed in the background of low porosity and low permeability. By means of the polarizing microscope,rate-controlled mercury penetration and other technical methods,based on the analysis of clastic rock granularity,detrital composition and pore structure,comparison and origin analysis of the tight sandstone reservoirs in gas fields,including Shenmu Gas Field,Yulin Gas Field and Sulige Gas Field,were carried out.We concluded that higher content of quartz kind of minerals and adequate amount of soluble components(including feldspar minerals,volcanic rock debris and tuffaceous materials, etc)and the seepage channels for acidic fluid formed by remnants of intergranular pore-space are requirements for relatively high quality reservoirs;higher content of phyllites rock fragments and argillaceous slates,which were deformed under the overlying strata pressure,led to the intense decrease of intergranular pore-space and the lack of seepage channel for acidic fluid,and thus tight sandstone reservoirs with low porisity and low permeability were developed.

Key words: Ordos Basin; gas field; Upper Paleozoic; tight reservoir; diagenesis; reservoir property

随着常规油气资源的日益枯竭, 非常规油气资源已经在油气勘探中占有非常重要的地位。鄂尔多斯盆地上古生界储集层属于河流— 三角洲沉积体系, 热演化程度高, 碎屑组分复杂, 成岩作用强烈, 岩性致密, 属于典型的低渗特低渗非常规天然气藏, 孔隙度一般在10%以下, 渗透率一般小于3× 10-3 μ m2(付金华等, 2000; 惠宽洋等, 2002; 沈玉林等, 2006; 席胜利等, 2009; 付锁堂等, 2010)。目前, 鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏的勘探已取得了重大的突破, 探明储量数万亿立方米。文中对鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏的3个典型气田— — 神木气田、榆林气田和苏里格气田(图1)的储集层孔隙结构特征等方面进行对比, 进而探讨了致密砂岩气藏中相对优质储集层的成因。

图1 鄂尔多斯盆地气田位置Fig.1 Location of gas fields in Ordos Basin

1 储集层特征

鄂尔多斯盆地上古生界下二叠统太原组和山西组、中二叠统石盒子组(图 2)是研究区致密砂岩大气田的主力产气层。

图2 鄂尔多斯盆地上古生界综合地层图Fig.2 Comprehensive column of the Upper Paleozoic in Ordos Basin

神木气田主力产气层为太原组, 储集层岩性以灰色、灰白色粗粒岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主, 石英以单晶石英为主, 多具波状消光, 其中含有丰富的针状包裹体, 碎屑组分分析表明, 其源区岩性以中低级变质岩为主, 并夹有安山质火山岩。岩屑以千枚岩、泥板岩和片岩等软组分为主, 因压实作用强烈变形或呈假杂基充填孔隙, 可溶性组分如喷发岩岩屑以及长石, 含量一般在5%~10%之间(表 1), 压实作用及较高含量的杂基造成该层段缺少原始残余粒间孔。胶结作用以孔隙式胶结为主, 颗粒之间以线状接触为主, 部分凸凹状或缝合线状接触, 结构成熟度和成分成熟度均较低, 杂基含量一般在7%以上。

表1 鄂尔多斯盆地气田致密砂岩储集层岩石组分特征统计 Table1 Statistics of rock components of tight sandstone reservoirs of gas fields in Ordos Basin

榆林气田主力气层为山西组山2段, 主要为三角洲分流河道砂体, 岩性以石英砂岩为主, 储集层的碎屑成分以石英质为主(包括燧石、石英岩岩屑), 次为岩屑成分, 长石含量很少, 平均不足1%。岩屑组分以火山岩、变质砂岩、粉砂岩及中浅变质的片岩、千枚岩、板岩为主。

苏里格气田主力气层为石盒子组盒8段, 岩性为三角洲平原分流河道沉积的中粗粒石英砂岩。石英碎屑成分以单晶石英为主, 少量硅质石英岩型、燧石岩型、片岩型的多晶石英, 含量1%~4%。少数砂岩中可见到长石碎屑, 含量为2%, 岩屑含量10%~20%, 主要为变质岩和岩浆岩岩屑, 火山岩岩屑少量。砂岩结构类型总体上以粗粒砂岩为主, 见少量含砾巨砂岩、含砾粗砂岩, 其次为中粒砂岩及少量细砂岩和不等粒砂岩。

2 储集层孔隙结构特征
2.1 储集层物性特征

神木气田、榆林气田及苏里格气田的砂体发育, 储集层物性具有低孔低渗的总体特征(图 3, 图4, 图5), 其中苏里格气田盒8段, 孔隙度11.1%, 渗透率16.09× 10-3 μ m2; 榆林气田山2段, 孔隙度7.3%, 渗透率5.12× 10-3 μ m2; 神木气田太原组, 孔隙度9.6%, 渗透率0.98× 10-3 μ m2。总体上呈低孔低渗致密砂岩储集层特征(表 2)。

图3 神木气田太原组储集层物性特征分布Fig.3 Physical property distribution of reservoirs of the Taiyuan Formation in Shenmu Gas Field

表2 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层特征 Table2 Characteristics of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin
2.2 孔隙组合类型

在孔隙类型分布频率图(图 6)上可以看出, 3个气田的孔隙类型都以溶孔为主, 超过50%, 其中太原组的溶孔率占到80%以上, 储集空间以溶蚀孔隙为主。粒间孔的含量差异较大, 榆林气田粒间孔含量最大, 接近20%, 苏里格气田次之, 神木气田最小, 不足2%(表 2)。

图4 榆林气田山2段储集层物性特征分布Fig.4 Physical property distribution of reservoirs of the Member 2 of Shanxi Formation in Yulin Gas Field

图5 苏里格气田盒8段储集层物性特征分布Fig.5 Physical property distribution of reservoirs of the Member 8 of Shihezi Formation in Sulige Gas Field

图6 鄂尔多斯盆地气田致密砂岩储集层孔隙类型频率图Fig.6 Pore type frequency diagram of tight sandstone reservoirs of gas fields in Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地大气田致密砂岩储集层典型恒速压汞曲线图Fig.7 Selected rate-controlled mercury penetration curves of tight sandstone reservoirs of gas fields in Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层孔渗与试气产能(无阻流量)关系Fig.8 Relationship between porosity, permeability and gas testing capacity of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

2.3 毛管压力曲线特征

根据23口井106个样品压汞曲线(表3)分析表明, 神木气田太原组储集层最大孔喉半径在0.364~2.707, μ m之间, 平均1.066, μ m; 中值孔喉半径在0.02~0.72, μ m之间, 平均0.26, μ m, 总体上储集层孔喉较细小。储集层孔喉分选系数在0.165~3.144之间, 平均1.979, 分选系数较大, 孔喉分选较差。储集层排驱压力和饱和度中值压力较大, 平均分别为0.703 MPa和5.686 MPa。最大进汞饱和度大, 一般在60%以上, 平均76.28%; 退出效率较低, 一般小于40%, 平均39.28%。

表3 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层压汞曲线参数 Table3 Parameters of mercury penetration curves of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

榆林气田山2段储集层最大孔喉半径在0.502~25.862μ m之间, 平均2.174μ m; 中值孔喉半径在0.03~6.71μ m之间, 平均1.59μ m, 总体上储集层孔喉较细小。储集层孔喉分选系数在1.295~3.298之间, 平均2.437, 分选系数较大, 孔喉分选较差。储集层排驱压力和饱和度中值压力较大, 平均分别为0.345 MPa和1.279 MPa, 反映油气难以进入储集层之中。最大进汞饱和度大, 一般在70%以上, 平均80.72%; 退出效率较低, 一般小于50%, 平均45.67%。

苏里格气田盒8段储集层最大孔喉半径在0.630~6.136μ m之间, 平均1.737μ m; 中值孔喉半径在0.04~0.33μ m之间, 平均0.18μ m, 总体上储集层孔喉较细小。储集层孔喉分选系数在1.15~2.27之间, 平均1.501, 分选系数较大, 孔喉分选较差。储集层排驱压力和饱和度中值压力较大, 平均分别为0.553 MPa和1.268 MPa, 反映油气难于进入储集层之中。最大进汞饱和度大, 一般在70%以上, 平均81.21%; 退出效率较低, 一般小于50%, 平均47.77%。

相对而言, 苏里格气田盒8段和榆林气田山2段储集层孔喉结构好于神木气田太原组, 其最大孔喉半径、中值孔喉半径和最大进汞饱和度比神木气田太原组大, 而排驱压力、饱和度中值压力、分选系数、变异系数和均值系数比神木气田太原组小, 退出效率苏里格气田盒8段最好。

恒速压汞是近年来发展起来的测定孔隙结构的一个非常先进的技术手段, 在一定的进汞速度条件下, 对孔隙大小、喉道大小、孔隙-喉道配置情况进行测试, 能够准确地反应孔喉分布情况。

恒速压汞实验研究表明, 榆林气田山2段和苏里格气田盒8段储集层孔径明显较大, 介于100~260, μ m之间, 而神木气田太原组储集层在80~140, μ m之间, 排驱压力也明显高于其他两个气田。从孔隙-喉道组合曲线来看, 榆林气田山2段和苏里格气田盒8段明显好于神木气田太原组(图 7)。

总体上储集层具有孔喉较小、分选较差的特点, 即储集层孔喉结构较差。典型的恒速压汞曲线图同样表明, 榆林气田山2段的孔隙结构最好, 苏里格气田盒8段次之(图 7)。

2.4 储集层孔渗与试气产能关系

图8表明, 储集层物性与试气产量有着正相关关系, 孔渗条件越好, 储集层的渗流能力越强, 试气产量也越高。尤其渗透率对产量的影响更大, 相关性达到了0.87。在物性影响因素中, 渗透率的作用更大。

3 低渗致密储集层及相对优质储集层形成机理

鄂尔多斯盆地上古生界碎屑岩储集层独特的碎屑组合特征(软组分如千枚岩、泥板岩以及云母片岩等含量丰富)、埋藏深度较大、热演化程度高、硅质加大极其发育, 是储集层致密化的主要原因; 而局部发育的粒间孔及适量的可溶性组分如火山岩岩屑、凝灰质以及少量的长石的存在是形成相对优质储集层的主要原因(南珺祥等, 2005; 包洪平等, 2007; 杨华等, 2007)。

3.1 丰富的软组分的存在是形成致密储集层的主要原因

研究区软组分主要以千枚岩和泥板岩岩屑为主, 并见少量的二云母片岩和绢云母片岩岩屑、云母等, 这些组分较软, 容易变形, 含量最高可达50%左右, 一般在3%~15%之间。鄂尔多斯盆地上古生界地质历史时期最大埋深可达到4500~5000 m左右(陈荷立, 1995; 吕强等, 2009), 在如此巨大的上覆地层压力作用下, 软组分强烈变形, 部分呈假杂基充填孔隙, 完全堵塞喉道(图 9-1), 使储集层的孔隙度、渗透率急剧降低(图 10)。因此, 软组分的存在不利于酸性流体渗流通道的形成、残余粒间孔的保存和溶孔的形成。

3.2 丰富的硅质加大是形成致密储集层的重要原因之一

鄂尔多斯盆地上古生界碎屑岩储集层热演化程度高, RO一般在2.0%以上, 泥岩演化程度高, 火山岩岩屑、凝灰质等蚀变作用强烈, 压溶作用发育, 这些反应形成的硅质基本上以硅质加大边的形式存在, 使部分层段由于硅质含量高(表4), 使得颗粒相互“ 焊接” 在一起, 完全丧失了储集性能(图9-2)。

图9 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层微观照片
1— 莲7井, 4012.10 m, 假杂基充填孔隙的千枚岩屑, 正交偏光; 2— 莲7井, 4010.10 m, 硅质加大发育, 单偏光; 3— 陕255井, 盒8下, 3273.96 m, 砾状巨粗粒石英砂岩, 岩屑溶孔及粒间孔, 孔隙度为8.4%, 渗透率为1.8× 10-3 μ m2, 单偏光; 4— 陕291井, 盒8下, 3650.45 m, 中粒岩屑砂岩, 塑性岩屑压嵌, 无显孔, 单偏光; 5— 陕375井, 3392.00 m, 绿泥石膜, 粒间孔可见, 单偏光; 6— 陕333井, 盒8下, 3780.90 m, 火山岩岩屑含量7%, 全部溶蚀, 单偏光
Fig.9 Microscopic photos of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

图10 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层软组分含量与物性关系散点图Fig.10 Scatter diagrams showing relationship between soft component content and physical properties of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

表4 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层硅质与物性关系 Table4 Relationship between silica content and physical properties of the Upper Paleozoic tight sand- stone reservoirs in Ordos Basin
图11 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层粒度与软组分含量关系Fig.11 Relationship between particle size and soft component content of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

图12 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层粒度与渗透率关系图Fig.12 Relationship between particle size and permeability of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

图13 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层火山岩岩屑含量与溶孔含量关系散点图Fig.13 Scatter diagram showing relationship between volcanic fragments content and dissolved pore content of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin

表5 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层孔隙含量与储集物性关系 Table5 Relationship between pore content and physical properties of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in Ordos Basin
3.3 较粗的沉积物粒度是形成相对高渗储集层的基础

经过笔者近几年的研究, 鄂尔多斯盆地上古生界相对优质储集层主要分布于粗砂岩中。随着粒度的变粗, 软组分(浅变质岩岩屑)含量逐渐减少(图 11), 而渗透率逐渐增大(图 12)。从显微镜下特征来看, 粒度粗, 石英含量高, 孔隙发育(图 9-3); 粒度细, 浅变质岩屑含量高, 碎屑颗粒由于压实作用呈镶嵌状接触, 致密无孔(图 9-4)。

3.4 绿泥石薄膜的形成对保存粒间孔具有重要的意义

早成岩阶段形成的绿泥石薄膜, 一般厚度5~8, μ m, 较均匀地分布于颗粒表面, 垂直颗粒表面生长, 使得溶解于水的二氧化硅缺少结晶核心, 未能形成硅质加大, 从而保存了一部分残余粒间孔(黄思静等, 2004; 刘金库等, 2009; 姚泾利等, 2011)。在研究区上古生界碎屑岩储集层中, 绿泥石薄膜不均匀分布, 但凡有绿泥石薄膜发育的地区和层段, 均具有残余粒间孔(图 9-5), 储集层物性较好。

3.5 局部残余的粒间孔为可溶性组分溶蚀提供了重要的渗流通道

中成岩A— B阶段, 储集层中的可溶性组分大量溶蚀, 但是在溶蚀过程中应有酸性流体的流动通道, 此时, 保存的粒间孔可作为酸性流体有效的渗流通道进行流动, 对可溶性物质进行溶蚀(南珺祥等, 2005)。研究表明, 在鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田储集层有粒间孔存在的层段, 溶孔明显发育(表5)。

3.6 适量的可溶性组分是形成溶孔的必要条件

研究区上古生界碎屑岩储集层中可溶性组分主要为火山岩岩屑和凝灰质, 其次为少量的长石、角闪石和辉石等(南珺祥等, 2005), 含量一般在2.0%~20.0%, 最高含量可达到50.0%左右(图 13)。研究发现, 不稳定组分在15.0%以下时, 溶蚀作用较强; 如不稳定组分含量较高, 则溶蚀作用相对较弱(图 9-6)。

3.7 不稳定组分高岭石化形成了大量的晶间孔, 对改善储集层的孔渗条件意义重大

鄂尔多斯盆地上古生界碎屑岩储集层中, 不稳定组分主要有两种成岩演化现象, 一为溶蚀作用, 形成溶孔; 二为高岭石化作用(包洪平等, 2007; 杨华等, 2007)。在研究区上古生界储集层中, 高岭石化作用极其发育, 高岭石结晶良好, 一般呈棒状或蠕虫状, 单个晶体大小可达到20~30 μ m。在石英砂岩中, 蚀变高岭石松散堆积, 晶间孔发育, 蚀变高岭石晶间孔对面孔率的贡献可达到2.0%~3.0%, 是上古生界储集层非常重要的储集空间; 而在岩屑砂岩中, 高岭石虽然结晶粗大, 但堆积相对紧密, 晶间孔不是十分发育, 孔径也相对细小。

4 结论

1)鄂尔多斯盆地上古生界的神木气田、榆林气田及苏里格气田总体上储集层具有孔喉较小、分选较差的特点, 属于典型的致密砂岩气藏。相比而言, 榆林气田山2段的孔隙结构最好, 苏里格气田盒8段次之, 神木气田太原组较差。

2)在低渗透油气田中, 储集层储集空间固然以溶蚀孔为主, 但是, 粒间孔的存在是低渗透储集层中相对优质储集层发育的关键因素。

3)对致密气藏而言, 粒间孔含量高就是产量高。因此在进行储集层评价时应引入粒间孔含量指标作为评价参数之一。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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