鄂尔多斯盆地陇东地区延长组长82优质储集层成因机理研究*
徐黎明1,2,3, 李志成1, 梁晓伟2,3, 纪友亮1, 牛小兵2,3, 叶博2,3, 郝炳英2,3, 马继业2,3, 尤源2,3
1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,地球科学学院,北京 102249
2 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安 710018
3 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018

第一作者简介 徐黎明,男,1960年生,长庆油田分公司勘探开发研究院高级工程师,长期从事石油地质学方面的科研和生产工作。

通讯作者简介 纪友亮,男,1962年生,中国石油大学(北京)地球科学学院教授,博士生导师,长期从事沉积学和储集层地质学方面的科研和教学工作。E-mail: jiyouliang@cup.edu.cn

摘要

鄂尔多斯盆地陇东地区长 82储集层平均孔隙度为 8.8%,平均渗透率为 0.64×10-3μm2,属于低孔低渗储集层。强烈的压实作用是储集层物性变差主要原因,碳酸盐胶结作用促使储集层物性进一步变差。尽管储集层物性整体较差,但在普遍低孔低渗背景下仍发育相对高孔渗的优质储集层。对优质储集层进行了分析,总结了优质储集层的典型特征,统计表明:优质储集层的塑性组分含量较低,孔隙类型以绿泥石胶结残余粒间孔和溶孔为主,孔隙结构以中小孔—中细喉为主。在此基础上,分析了优质储集层成因机理。研究认为:分流河道、河口坝等微相高能厚层砂体有利于优质储集层发育,相对低的塑性组分含量和绿泥石环边胶结有利于粒间孔隙的保存,溶蚀作用是次生孔隙形成的最主要成岩作用。

关键词: 低孔低渗; 优质储集层; 塑性组分; 绿泥石环边; 溶蚀作用; 陇东地区; 鄂尔多斯盆地
文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)02-0237-14
Formation mechanism for the high-quality reservoir in the Chang 82 Interval of Yanchang Formation in Longdong area, Ordos Basin
Xu Liming1,2,3, Li Zhicheng1, Liang Xiaowei2,3, Ji Youliang1, Niu Xiaobing2,3, Ye Bo2,3, Hao Bingying2,3, Ma Jiye2,3, You Yuan2,3
1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil & Gas Field,Xi'an 710018,Shaanxi
3 Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company,PetroChina, Xi'an 710018,Shaanxi;

About the first author Xu Liming,born in 1960,is a senior engineer of Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield. Now he is mainly engaged in research and production work of petroleum geology.

About the corresponding author Ji Youliang,born in 1962,is a professor of China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in research and teaching of sequence stratigraphy and reservoir geology. E-mail: jiyouliang@cup.edu.cn.

Abstract

The reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area of Ordos Basin have low porosity(average 8.8%)and low permeability(average 0.64×10-3 μm2). The strong compaction is the main reason for the poor reservoir properties,and the carbonate cementation further reduces the reservoir physical properties. Although the reservoir physical property is generally poor,the high quality reservoirs have relatively high porosity and permeability are developed on the background of tight reservoirs. The high-quality reservoirs are analyzed and their typical characteristics are summarized. The statistical results show that the high-quality reservoirs have lower plastic component content,pore types are dominated by dissolution pores and residual intergranular pores cemented with chlorite, and pore structures are mainly small-medium pores with fine-medium throats. Based on the above understanding,the formation mechanism of the high quality reservoirs is analyzed. The study suggests that:High energy and thick sandbodies of distributary channel,mouth bar, etc., are conducive to form high-quality reservoirs;relatively low plastic component content and chlorite rim are in favor of preservation of intergranular pores; and dissolution is the most important diagenesis for the formation of secondary pores.

Key words: low porosity and low permeability; high-quality reservoirs; plastic component; chlorite rim; dissolution; Longdong area; Ordos Basin
1 地质概况

陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部, 区域构造上位于伊陕斜坡的西南部, 并跨越天环坳陷东南边缘(张晓莉和谢正温, 2006; 付晶等, 2013)(图 1), 包括甘肃省的西峰、环县、庆阳、合水、宁县、镇原及华池等7个区县(钟大康等, 2013), 面积约5× 104, km2。鄂尔多斯盆地延长组为一套在盆地持续拗陷和稳定沉降过程中堆积的河流— 湖泊相陆源碎屑岩沉积体系(武富礼等, 2004; 罗静兰等, 2008; 李文厚等, 2009; 王岚等, 2012), 自下至上可划分为10个油层组(长1至长10), 其中长8油层组可分为长81和长82砂层组。长82砂层组为长8油层组的下部沉积, 沉积体系主要来自东北、西北、西部、西南4大物源方向(姚泾利等, 2014), 沉积相类型主要为三角洲平原和三角洲前缘, 岩性主要为暗色泥岩、粉砂质泥岩与灰色粉细砂岩、细砂岩不等厚互层, 局部砂岩发育平行层理、交错层理, 地层厚度为40~50, m(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组长8油组地层简表 Table1 Strata division of the Chang 8 interval of Triassic Yanchang Formation in Longdong area, Ordos Basin

图1 鄂尔多斯盆地陇东地区地理位置及构造区划Fig.1 Location and tectonic division of Longdong area, Ordos Basin

陇东地区延长组长82储集层属于典型的低孔低渗储集层, 但在整体致密背景下仍发育相对高孔渗的优质储集层。

图2 陇东地区长82储集层孔隙度、渗透率频率分布直方图Fig.2 Porosity and permeability frequency distribution histograms of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

长82储集层局部高孔渗油气富集区, 显示出较好的勘探前景, 致密背景下寻找相对高孔渗的优质储集层成为油藏增储上产的关键。近年来, 针对陇东地区延长组长8储集层特征及主控因素进行了大量研究(窦伟坦等, 2005; 王新民等, 2005; 张晓莉和谢正温, 2006; 王金鹏等, 2008; 楚美娟等, 2013; Feng et al., 2013)。然而针对长82储集层的研究却较少, 长82优质储集层的控制因素及成因机理不明确, 制约着进一步的勘探与开发。因此, 在前人研究成果的基础上, 作者对陇东地区延长组长82储集层特征进行研究, 在此基础上总结优质储集层展布及特征, 进一步分析优质储集层发育的主控因素, 探讨优质储集层的成因机理。

2 储集层总体特征
2.1 储集层普遍低孔低渗

陇东地区延长组长82储集层孔隙度一般为0.4%~25.8%, 主要分布在4%~12%(图 2); 渗透率为(0.0008~139.77)× 10-3μ m2, 主要分布于(0.01~1)× 10-3μ m2(图 2)。储集层的平均孔隙度为8.8%, 平均渗透率为0.64× 10-3μ m2, 属于典型的低孔低渗储集层。

2.2 压实作用使原始孔隙度大大降低

陇东地区延长组长82储集层压实作用强烈, 常见的压实现象有:塑性颗粒压实变形(图 3-a)、刚性颗粒压实破裂(图 3-b)以及颗粒压实定向(图 3-c)。从压实、胶结减孔交会图中可以看出, 压实作用损失的粒间孔隙体积为0.8%~35.5%(平均15.1%), 损失的原生孔隙占总孔隙的11%~100%(平均72.3%), 表明压实作用是导致陇东地区长82储集层致密的最主要因素(图 4)。

图3 陇东地区长82储集层压实作用特征Fig.3 Compaction characteristics of reservoirs of the Chang 82interval of Yanchang Formation in Longdong area

图4 陇东地区长82储集层压实胶结减孔评价图Fig.4 Evaluation map of pore reduction caused by compaction and cementation of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

研究区储集层压实作用强烈一方面原因是延长组储集层早期快速埋藏。早期快速埋藏造成粒间孔隙的极大损失, 不利于早期胶结物的发育。同时由于长82储集层砂岩中较高的塑性组分含量, 最终导致了强烈的压实作用。

2.3 碳酸盐胶结作用使储集层物性进一步变差

碳酸盐胶结物是陇东地区延长组长82储集层最主要的胶结物之一。碳酸盐胶结物可分为早晚2期, 早期生成的碳酸盐胶结物结晶程度较差, 晶粒一般较小, 通常为泥晶或微晶(图 5-a); 晚期生成的碳酸盐胶结物晶粒较大, 常呈粒状分布于粒间孔隙中(图 5-b, 5-c)。研究区内碳酸盐胶结物以晚期铁方解石胶结物为主, 平均含量为2.53%, 其次为方解石胶结物, 平均含量为0.91%, 白云石、铁白云石、菱铁矿含量较低(图 6)。

图5 陇东地区长82储集层碳酸盐胶结特征Fig.5 Characteristics of carbonate cementation of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

图6 陇东地区延长组长82储集层碳酸盐胶结物含量分布直方图Fig.6 Distribution histogram of carbonate cement content of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

碳酸盐胶结作用使储集层物性进一步变差, 从碳酸盐胶结物与储集层物性相关关系图(图7)中可以看出, 随碳酸盐胶结物含量的增加, 孔隙度、渗透率都有减小的趋势(图 7)。长82储集层碳酸盐胶结物主要为铁方解石(图 6), 晚期铁方解石胶结充填了粒间孔隙, 使得原本因压实作用减小的粒间孔隙进一步降低。虽然早期的碳酸盐胶结物在一定程度上增加了储集层的抗压实性, 抑制了压实作用, 但研究区溶蚀作用较弱, 镜下观察可知, 具早期碳酸盐胶结的薄片中次生孔隙较少, 面孔率较低。总体来说, 碳酸盐胶结物占据了储集空间, 阻塞了孔喉, 使储集层物性进一步变差。

3 优质储集层特征及分布

陇东地区延长组长82储集层属于典型的低孔低渗储集层。但在普遍致密的背景下, 却发育相对高的孔隙度、渗透率, 局部孔隙度和渗透率甚至可达20%以上和几十个毫达西。从岩石类型、孔隙类型及孔隙结构等方面对优质储集层(K> 1× 10-3 μ m2)进行分析, 总结优质储集层的典型特征。

3.1 塑性组分含量较低

对优质储集层(K> 1× 10-3 μ m2)与相对较差储集层(K< 1× 10-3 μ m2)岩石学特征进行对比分析, 认为其岩石类型并无太大差别, 都以岩屑质长石砂岩和长石质岩屑砂岩为主, 但其塑性组分含量有较大差别。从优质储集层与较差储集层塑性组分含量对比图(图8)中可以看出, 优质储集层具有较低的塑性岩屑含量、云母及杂基含量。其中, 优质储集层杂基平均含量为0.62%, 云母平均含量为2.68%, 塑性岩屑平均含量为12.57%; 而较差储集层杂基平均含量为2.64%, 云母平均含量为4.08%, 塑性岩屑平均含量为14.95%(图 8)。总体来说, 优质储集层塑性组分含量较低。

图7 陇东地区长82储集层碳酸盐胶结物含量与储集层物性关系图Fig.7 Relationship between carbonate cement content and porosity/permeability of reservoirs of the 2nd sub-member of Member 8 of Yanchang Formation in Longdong Area

图8 优质储集层与较差储集层塑性组分含量对比图Fig.8 Comparison of plastic component content between high-quality reservoirs and poor-quality reservoirs

3.2 孔隙类型以残余粒间孔和溶孔为主

镜下观察表明, 陇东地区长82优质储集层孔隙类型以绿泥石胶结残余粒间孔(图 9-a, 9-b)和溶蚀孔隙(图 9-c, 9-d)为主。陇东地区长82储集层自生绿泥石含量较高, 绿泥石环边的发育, 阻碍胶结物的生长, 使部分原始粒间孔残余, 从而形成以残余粒间孔为主的储集层孔隙类型。此外, 优质储集层溶蚀孔隙较发育, 溶蚀孔隙多以长石溶孔、岩屑溶孔为主。

表2 陇东地区长82优质储集层压汞曲线参数 Table2 Mercury intrusion parameters of high-quality reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area
表3 陇东地区长82储集层孔隙结构类型 Table3 Pore structure types of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

图9 陇东地区长82优质储集层孔隙类型Fig.9 Pore types of high-quality reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

3.3 孔隙结构以中小孔— 中细喉为主

从优质储集层压汞参数表中可以看出, 相对高孔渗砂岩具有较好的孔隙结构参数(表 2)。利用岩心物性分析及毛细管压力曲线资料, 综合孔隙与喉道大小的组合及储集层孔喉其他特征, 将研究区延长组储集层砂岩的孔隙结构进行分类(表 3), 其中优质储集层孔隙结构以中小孔— 中细喉为主。

利用CT扫描对优质储集层微观孔隙结构进行表征, 从西210井2070, m岩心微米CT三维图像(图 10)可看出, 该样品微观孔隙大小不一, 最大孔隙长度为1181.9, μ m, 平均孔隙长度为8.5, μ m; 最大孔隙宽度为750, μ m, 平均孔隙宽度为4.11, μ m。其中孔隙体积为5.2× 107, μ m3, 非孔隙体积为3.69× 108, μ m3(图 10-a)。喉道半径的主要范围为1.2~7.3, μ m。微观孔喉整体呈连片状分布, 局部区域呈孤立状(图 10-b)。整体的连片孔隙之间喉道多呈管束状存在, 喉道连通性较好, 喉道半径较大, 是沟通孔隙的主要通道。

3.4 优质储集层分布

从长82储集层渗透率分布平面图(图 11)中可以看出, 陇东地区延长组长82储集层总体物性较差, 渗透率小于0.6× 10-3μ m2, 但局部发育相对高渗的优质储集层, 优质储集层(K> 1× 10-3μ m2)主要分布在环县— 庆城— 合水一带, 呈北西— 南东向分布。

图10 西210井岩心微观孔隙结构微米CT扫描三维图像(2070, m)Fig.10 3D images of micro-CT scanning showing pore structure of core in Well Xi 210(2070, m)

图11 陇东地区延长组长82储集层渗透率平面分布图Fig.11 Permeability planar distribution of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

4 优质储集层成因机理
4.1 高能厚层砂体

陇东地区延长组长82储集层主要发育辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘、曲流河三角洲前缘等3种沉积亚相类型, 砂体类型主要有分流河道、河口坝、席状砂及溢岸沉积等微相砂体(邓秀芹等, 2011)。

对陇东地区延长组长82储集层354块样品不同沉积微相砂体孔隙度、渗透率进行了分析统计, 结果表明, 分流河道砂体平均孔隙度为8.81%, 平均渗透率为0.50× 10-3μ m2; 河口坝砂体平均孔隙度为7.62%, 平均渗透率为0.51× 10-3μ m2; 溢岸沉积砂体平均孔隙度为5.31%, 平均渗透率为0.089× 10-3μ m2; 席状砂砂体平均孔隙度为4.86%; 平均渗透率为0.062× 10-3μ m2。分流河道、河口坝砂体储集层物性较好, 溢岸沉积、席状砂砂体储集层物性较差。

分流河道、河口坝砂体沉积时水动力强, 沉积物粒度粗, 分选好, 原始孔隙度较高, 且黏土含量较低, 抗压实能力强, 有利于原始孔隙度保存。从陇东地区延长组长82储集层平均粒径与储集层物性关系图(图12)中可以看出, 随着粒度的增加, 储集层孔隙度、渗透率均呈增大的趋势(图 12-a, 12-b)。颗粒粒度越粗, 抗压实能力越强, 同时砂岩粒度越粗、杂基含量越低, 压实率越小、储集层物性越好。

延长组长82储集层物性与砂体厚度之间存在明显的正相关关系。当厚度小于2, m时, 平均孔隙度为7.9%, 平均渗透率为0.36× 10-3μ m2; 当砂体厚度在2~5, m范围时, 平均孔隙度为8.9%, 平均渗透率为0.61× 10-3μ m2; 当砂体厚度5~10, m范围时, 平均孔隙度为10.1%, 平均渗透率为1.12× 10-3μ m2; 当砂体厚度大于10, m时, 平均孔隙度为11%, 平均渗透率为1.83× 10-3μ m2。砂体厚度大, 不仅侧向和垂向上连通性较好, 而且可以有效减少早期碳酸盐胶结作用, 有利于对厚砂体中部原生孔隙的保存(林煜等, 2012)。因此, 分流河道、河口坝等微相高能厚层砂体有利于优质储集层的发育。

图12 陇东地区长82储集层平均粒径和物性的关系Fig.12 Relationship between median grain diameter and reservoir property of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

图13 陇东地区长82储集层塑性组分含量分布平面图Fig.13 Planar distribution of ductile components of reservoirs of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

4.2 相对低的塑性组分含量

压实作用是使陇东地区延长组长82储集层砂岩孔隙减少、渗透性下降的主要成岩作用(图 8)。长82储集层塑性组分含量较高, 主要有喷出岩、千枚岩、页岩、板岩、泥岩等岩屑和云母等塑性颗粒。这些塑性组分抗压性弱, 在压实作用下易被压实变形, 形成假杂基, 堵塞喉道, 极大地降低了储集层的孔隙度和渗透率, 对储集层储集性能造成很大的破坏作用。

塑性组分的含量取决于母岩成分、沉积水动力条件、搬运距离等因素。从陇东地区长82储集层塑性组分含量分布平面图(图13)可以看出, 研究区塑性组分含量较高, 但变化较大。塑性组分以喷出岩岩屑为主, 云母、杂基含量较低。总体上, 研究区周缘塑性含量较高, 枯水期湖岸线附近三角洲前缘塑性含量较低。

从塑性组分含量与面孔率关系图(图14)可以看出, 塑性组分与面孔率呈负相关关系, 随塑性组分的增加, 面孔率有减小的趋势。塑性组分对储集层物性的影响是起到负面作用的, 塑性组分含量越高, 储集层物性越差; 相反, 相对低的塑性组分含量有利于优质储集层的发育。

图14 塑性组分含量与面孔率关系图Fig.14 Relationship between ductile components content and area percent of pore

图15 陇东地区长82储集层自生绿泥石薄膜胶结物含量分布图Fig.15 Distribution of authigenic chlorite rims of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

4.3 绿泥石环边胶结

陇东地区长82储集层自生绿泥石含量较高, 绿泥石赋存状态以孔隙衬里方式产出的绿泥石环边为主。自生绿泥石的形成、分布与物源、沉积环境密切相关(李红等, 2006; 李弘等, 2008)。研究发现, 自生绿泥石环边胶结物主要发育在三角洲前缘水下分流河道砂体中, 含量大于5%(图 15), 研究区火山岩岩屑、云母含量较高, 这些物质在成岩阶段发生蚀变, 为绿泥石的形成提供了大量的铁、镁离子。另外, 三角洲前缘水动力条件强, 使得极细的黏土颗粒无法沉淀下来, 而在颗粒表面发生吸附, 形成一层薄薄等厚环边的黏土膜(姚泾利等, 2011), 后期发生绿泥石化转化为绿泥石。另一方面, 携带丰富溶解铁离子的河流进入湖盆时, 由于水体盐度的变化, 致使溶解的铁离子发生絮凝沉淀, 为自生绿泥石的形成提供丰富的铁离子(刘金库等, 2009; 谢武仁等, 2010)。因此, 在分流河道砂体中黏土颗粒极易吸附在颗粒表面形成等厚环边胶结。

从自生绿泥石胶结物含量与粒间孔、面孔率及储集层物性相关关系图(图 16)可以看出, 随绿泥石含量的增加, 孔隙度、渗透率都有增大的趋势。从镜下薄片中也可以看出, 具绿泥石环边的薄片颗粒呈点— 线接触, 石英次生加大不发育, 粒间孔较发育, 面孔率较大, 为4.9%(图 17-a); 而同一口井, 深度相差不大, 不发育绿泥石环边的样品薄片颗粒呈凹凸接触, 石英次生加大较普遍, 粒间孔不发育, 面孔率小(图 17-b)。

绿泥石环边对储集层孔隙具保存作用(Ehrenberg, 1993; Bloch et al., 2002; 黄思静等, 2004; Beger et al., 2009; 丁晓琪等, 2010; 杨巍等, 2012)。一方面, 绿泥石环边的存在可以起到增强岩石抗机械压实的强度, 降低压实对孔隙的减少, 有利于粒间孔的保存。另一方面, 绿泥石环边抑制石英次生加大。绿泥石环边贴附在石英颗粒表面, 占据了石英的结晶基底, 抑制了碎屑石英表面的成核作用, 进而抑制了石英的胶结作用。

图16 陇东地区长82储集层绿泥石胶结物含量与储集层物性关系图Fig.16 Relationship between chlorite cementation content and reservoir physical property of the Chang 82 interval of Yanchang Formation in Longdong area

图17 绿泥石环边的孔隙保存作用Fig.17 Pore preservation effect of chlorite rim cementation

4.4 溶蚀作用

溶蚀作用是次生孔隙形成的最主要成岩作用, 陇东地区延长组长82储集层中溶蚀现象较为普遍, 溶蚀组分主要为长石、岩屑, 早期碳酸盐胶结物溶蚀较少。研究区储集层主要为岩屑质长石砂岩, 长石平均含量为31.04%, 为溶蚀作用提供了有利的物质基础。镜下观察统计表明, 长82储集层砂岩溶蚀面孔率一般在0.13%~3.57%之间, 溶蚀作用较弱。分析认为, 延长组砂岩早期快速深埋, 致使储集层短时间内致密化, 不利于后期有机质成熟产生的酸性流体的流通, 因此溶蚀作用非常有限。尽管相对较弱, 溶蚀作用产生的次生孔隙对储集层物性起到了改善作用。

5 结论

1)陇东地区延长组长82普遍低孔低渗。储集层压实作用强烈, 压实作用使原始孔隙度大大降低, 碳酸盐胶结作用造成储集层物性进一步变差。

2)长82储集层局部发育相对高孔渗的优质储集层。优质储集层具有较低的塑性组分含量, 孔隙类型以残余粒间孔和溶孔为主, 具有较好的孔隙结构参数, 孔隙结构以中小孔— 中细喉为主。优质储集层主要分布在环县— 庆城— 合水一带。

3)分流河道、河口坝等微相高能厚层砂体有利于优质储集层发育。分流河道、河口坝砂体沉积时水动力强, 沉积物粒度粗, 原始孔隙度较高, 且砂体厚度大, 黏土含量较低, 有利于原生孔隙的保存。

4)相对低的塑性组分含量及绿泥石环边胶结有利于原生孔隙的保存。绿泥石环边胶结可以起到增强岩石抗机械压实的强度, 同时对石英自生加大有一定的抑制作用, 有利于粒间孔隙的保存。

5)溶蚀作用是次生孔隙形成的最主要成岩作用, 对储集层物性起到极大的改善作用。

(责任编辑 庞凌云)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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