3.1.1 碎屑颗粒 选取辽河西部凹陷南段沙三中亚段、沙三下亚段和沙四段孔隙度小于10%的致密砂岩, 统计了其碎屑颗粒组成。157块样品的统计结果( 图 4)表明, 致密砂岩中各种砂岩都有, 岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩和长石砂岩的数据点在图中呈约“ 右下— 左上” 的方向展布。在横向上, 从盆地边部到凹陷区, 相对稳定的矿物石英和长石的含量逐渐增大, 而稳定性较差的岩屑的含量逐渐减小, 岩屑砂岩主要发育在近物源的欢曙斜坡带以及笔架岭构造带。沙三段与沙四段储集层均发育(半)深湖— 扇三角洲沉积体系, 碎屑颗粒组成在空间上的这种变化规律相近。沙三中亚段、下亚段和沙四段致密砂岩中岩屑、长石和石英颗粒的含量分别为19.60%~26.15%、33.82%~40.10%、35.96%~40.87%。碎屑颗粒组成与常规储集层(孔隙度不小于10%)差异不大, 沙一段、沙二段和沙三上亚段常规砂岩中岩屑的平均含量为22.3%(焦金鹤, 2013), 而沙三中亚段、沙三下亚段和沙四段致密砂岩中岩屑的平均含量为25.2%, 致密砂岩中岩屑的含量略高于常规砂岩。虽然岩屑的含量高, 其抗压实能力弱, 易于形成致密储集层(Holditch, 2006), 但以上矿物成分微细的差别难以造成物性上明显的差异。由上可见, 致密砂岩的形成与岩性的关系不太密切。换言之, 3个研究层段的矿物成分与物性关系不大。

图4

Fig.4

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	图4 辽河坳陷西部凹陷南段致密砂岩(孔隙度小于10%)岩石类型Fig.4 Rock types of tight sandstones(porosity value lower than 10%) in southern West Sag, Liaohe Depression

3.1.2 填隙物 选取储集层孔隙度不大于10%的样品, 统计了其填隙物的含量。157块样品的统计结果表明, 致密砂岩填隙物总含量较高, 平均为21.68%。其中泥质含量为7.92%, 主要为沉积成因。成岩自生矿物碳酸盐和石英的含量分别为13.55%、0.21%。而胶结作用中又以碳酸盐胶结对砂岩的致密最为重要, 即成岩成因的碳酸盐含量大于沉积成因为主的泥质含量。碳酸盐胶结物的形成主要与温度、压力和流体的pH值有关(黄思静, 2010; 杨智等, 2010), 当温度升高或压力降低时, CO₂分压降低, pH值升高, 碳酸盐胶结物沉淀。而西部凹陷南段致密砂岩埋藏较深, 地层温度较高, 而且其中发育异常低压, 压力系数在0.5~0.9之间(胡安文等, 2014), 因此西部凹陷南段深层致密砂岩的碳酸盐胶结物含量较高。碳酸盐胶结物中, 铁的含量并不高, 其原因是西部凹陷南段泥岩中发育超压, 而超压抑制了黏土矿物的转化和铁离子的形成(孟元林等, 2006)。含铁碳酸盐胶结物主要发育在早成岩阶段B期— 中成岩阶段成岩阶段, 含铁方解石的形成时间晚于方解石, 铁白云石的形成时间晚于白云石( 表 1)。由上可见, 对致密砂岩的形成而言, 成岩作用比沉积作用更具影响力。进一步的统计表明, 致密砂岩的胶结方式主要为孔隙式, 其次为基底— 孔隙式及基底式胶结( 图 5-a, 5-b)。孔隙式胶结、基底— 孔隙式及基底式胶结所占的比例分别为62.75%、19.61%和7.84%。这样的胶结方式也是研究区内致密砂岩形成的主要原因之一。

储集层的岩石结构控制着粒间孔隙的大小、形态和发育程度, 从而影响储集层的渗透率, 进而决定储集层物性的好坏(Bjø rlykke, 2010; 冯增昭等, 2013)。

3.2.1 岩石粒度 粒度对储集层物性、尤其是渗透率影响较大。沙四段沉积时期, 西部凹陷进入湖盆的初陷期, 主要发育来自西部物源牵引流机制形成的扇三角洲沉积。西部凹陷南段的储集层以砂砾岩、砂岩和粗粉砂岩为主。在欢曙斜坡带, 中砂岩和细砂岩所占的比例最高, 超过20%。沙三段沉积时期, 西部凹陷进入断陷湖盆的深陷期, 断裂活动强烈, 水体加深, 主要发育重力流机制形成的扇三角洲粗碎屑沉积, 储集层岩性从中砾岩到粗粉砂岩均有, 岩石类型多样, 分选较差。作者选取孔隙度小于10%的致密砂岩, 统计了其岩石类型。372块样品的统计结果表明, 致密砂岩中各种粒度的砂岩均有, 砾岩、砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩所占的比例分别为:2.42%、23.92%、2.69%、9.95%、41.94%、19.08%。由此可见, 致密砂岩的形成与粒度的关系不大, 这一统计结果与Beard 和 Weyl(1973)实验结果相同, 即砂岩的孔隙度主要与分选性有关, 而与粒度关系不大; 但砂岩的渗透率与粒度和分选性有关, 粒度越粗, 分选性越好, 渗透率越高。

3.2.2 分选性 西部凹陷南段379块样品的统计结果表明, 沙河街组致密储集层沙三中亚段、沙三下亚段和沙四段的分选性好、中、差均有, 三者所占的比例分别为10.20%、44.22%、45.58%。即使是致密砂岩, 碎屑颗粒的分选性也受搬运距离的影响, 搬运距离越大, 分选性越好, 这是碎屑颗粒机械分异作用的结果, 同一层位凹陷中央双台子构造带各层段砂岩颗粒的分选性比位于欢曙斜坡带好。

镜下铸体薄片的观察结果表明, 西部凹陷南段的致密储集层主要发育次生孔隙( 图 5-c, 5-d), 次生孔隙的发育与岩性密切相关, 被溶蚀的碎屑颗粒主要是碎屑岩中的长石颗粒和中酸性岩浆岩岩屑, 其次为碳酸盐胶结物。

在致密砂岩中, 原生孔、粒间溶孔、填隙物溶孔、铸模孔、粒内溶蚀孔、构造缝所占的比例分别为1.14%、91.11%、4.84%、1.49%、1.36%、0.06%, 原生孔很少, 粒间溶孔占绝对优势。储集层孔隙类型以及其他一些微观特征主要受埋深和成岩演化的影响与控制, 在1389, m以上早成岩阶段A期的砂岩中, 主要发育原生孔( 表 1, 图5-e); 在1389~2840, m之间的早成岩阶段B期, 随埋深和地温的增加, 干酪根脱羧、产酸, 开始溶蚀储集层, 形成次生孔隙, 砂岩中既有原生孔也有次生孔; 在2840, m以下, 储集层进入中成岩阶段, 主要发育次生孔, 次生孔的类型有粒内溶孔、铸模孔、粒间溶孔( 图 5-c)和填隙物溶孔( 图 5-d)。

图5

Fig.5

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	图5 辽河坳陷西部凹陷南段致密砂岩胶结作用和孔隙类型显微照片Fig.5 Micrographs of cementation and pore types of the tight sandstones in southern West Sag, Liaohe Depression

根据辽河油田的具体地质特征, 参考辽河油田孟卫工和孙洪斌(2007)最新提出的孔隙结构分类标准, 在前面沙河街组砂岩岩石学特征的基础上, 进一步研究了其孔隙结构特征。辽河西部凹陷南段致密砂岩的孔隙结构包括了3种类型:中孔径— 微细喉道— 不均匀型、中孔径— 微细喉道— 较均匀型、小孔径— 微细喉道— 不均匀型( 图 6)。但总体上, 致密砂岩具有“ 中孔— 微细喉— 不均匀型” 的孔隙结构。68块孔隙度小于10%的致密砂岩的统计结果表明, 93.94%的致密砂岩具中孔径, 92.65%的致密砂岩具微细喉, 70.31%的样品均值程度α < 0.25, 孔喉分选不好, 为不均匀型。

图6

Fig.6

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	图6 辽河坳陷西部凹陷南段沙河街组致密储集层典型毛管压力曲线图Fig.6 Typical capillary force curves of tight reservoirs in the Shahejie Formation of southern West Sag, Liaohe Depression

致密砂岩中孔径、特低渗透的原因是致密储集层的储集空间主要为次生孔隙, 溶蚀作用可以形成次生孔隙( 图 5-c, 5-d), 但溶蚀作用使喉道变得更加弯曲和复杂, 使得储集层的渗透率降低(Siebert et al., 1984)。辽河西部凹陷南段储集层的统计结果表明, 次生孔隙在孔隙中所占的比例越高, 储集层的渗透率越低( 图 7), 在国内外, 均有这样的例子(Siebert et al., 1984; 史基安等, 1994; 孟元林等, 2010)。

图7

Fig.7

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	图7 辽河坳陷西部凹陷南段储集层次生孔隙含量与渗透率交会图Fig.7 Crossplot of content of secondary pores and permeability of reservoirs in southern West Sag, Liaohe Depression

在致密砂岩特征研究的基础上, 下面进一步研讨其成因。根据成因不同, 目前人们一般将致密砂岩分为原生型致密储集层和次生型致密储集层两大类( 表 2)(Meckel and Thomasson, 2008; 伊培荣等, 2011 ^①; 邹才能, 2013)。

由表2可见, 原生型致密储集层的特征是粒度细、分选差、泥质和杂基含量高, 主要由沉积作用引起, 一般发育在整个沉积体系的初始端相或末端相, 孔隙度小于10%、渗透率小于1× 10^-3, μ m², 经受了强烈的改造。在美国, 按照孔隙度的大小, 把孔隙度大于10%的致密储集层称为高孔低渗型致密储集层, 把孔隙度小于10%的致密储集层称为低孔低渗型储集层(伊培荣等, 2011 ^①), 前者属于沉积型致密储集层, 后者属于成岩型致密储集层。如前所述, 西部凹陷南段的致密砂岩时代比较新(古近纪), 但埋藏深(> 3500, m), 地温梯度高(32℃/km), 成岩作用仍然较强, 目前处于中成岩阶段的A₂亚期— 中成岩阶段的B期, 孔隙类型以次生孔隙为主, 孔隙度较低(< 10%)、渗透率也很低(< 1× 10^-3 μ m²)。辽河西部凹陷南段沙三中、下亚段和沙四段的致密砂岩主要形成于扇三角洲沉积体系的扇三角洲前缘, 从中砾岩到粗粉砂岩均有, 泥质含量为7.92%, 孔隙类型以次生孔隙为主, 整体上具有中孔径— 微细喉道— 不均匀型的孔隙结构特征, 对比 表2中不同类型致密砂岩的特征及识别标志, 西部凹陷南段古近系致密砂岩属于成岩型致密储集层。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 致密储集层的成因分类及识别标志 Table2 Genetic classification and identification marks of tight sandstones 成因分类 原生型(沉积型) 致密储集层 次生型(成岩型) 致密储集层 沉积相 沉积体系的 初始端或末端相 非初始端 或末端相 粒度 粒度较细, 粉、细砂岩为主 各种粒度 的碎屑岩 岩屑含量 高 低— 中 分选性 差 中— 好 泥质、杂基含量 高 低— 中 物性特征 孔隙度为10%~25%, 渗透率小于1× 10-3 μ m2 孔隙度小于10%, 渗透率小于1× 10-3 μ m2 埋藏深度 中浅层 中深层 成岩阶段 早成岩阶段— 中成岩阶段A2早期 中成岩阶段A2晚期— 晚成岩阶段 孔隙类型 原生孔隙为主 次生孔隙为主 实例 美国北部大平原白垩系浅层(< 1220, m)致密砂岩, 松辽盆地上白垩统高台子油层致密砂岩 塔里木盆地塔东志留系致密储集层, 加拿大阿尔伯达盆地下白垩统砂岩, 美国大绿河盆地白垩系砂岩, 美国圣胡安盆地上白垩统砂岩

表2 致密储集层的成因分类及识别标志 Table2 Genetic classification and identification marks of tight sandstones

西部凹陷南段不同成岩阶段储集层的物性统计结果( 图 8, 表1)表明, 储集层的物性与埋深和成岩作用密切相关。由 图8可见, 在早成岩阶段A、B期, 储集层埋藏相对较浅, 埋深小于2840, m, 胶结作用不强, 机械压实作用较弱, 碎屑颗粒之间主要呈点接触, 甚至悬浮接触( 图 5-e, 表1), 主要发育中— 高孔隙度储集层, 孔隙度介于18.5%~27.7%之间。在中成岩阶段A₁亚期至中成岩阶段早期, 埋深进一步加大, 机械压实作用增强, 颗粒之间出现线接触, 各种胶结作用明显增强, 但烃源岩进入生烃门限, 在生成油气的同时, 产生有机酸, 溶蚀储集层形成次生孔隙( 图 5-c, 5-d)。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 西部凹陷南段碎屑岩成岩阶段划分与主要成岩特征(孟元林等, 2015) Table1 Division of diagenetic stages and the main diagenetic characteristics of clastic rocks in southern West Sag(Meng et al., 2015)

表1 西部凹陷南段碎屑岩成岩阶段划分与主要成岩特征(孟元林等, 2015) Table1 Division of diagenetic stages and the main diagenetic characteristics of clastic rocks in southern West Sag(Meng et al., 2015)

图8

Fig.8

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	图8 辽河坳陷西部凹陷南段储集层不同成岩作用阶段的孔隙度Fig.8 Porosity of the reservoirs in different diagenetic stages of southern West Sag, Liaohe Depression

长期以来, 人们认为有机酸可以溶蚀储集层形成次生孔隙, 改善储集层的物性(Surdam et al., 1984; 郑浚茂和庞明, 1989; Barth and Bjø rlykke, 1993; Wilson, 1994; Kupecz et al., 1997; 罗平等, 2003; 应凤祥等, 2004; 李忠等, 2006)。但事情并不总是如此, 实际上孔隙演化是一个动态的过程(Bloch, 1994; Bloch and Helmod, 1995; 肖丽华等, 2014), 储集层孔隙度是各种成岩作用综合作用的结果。次生孔隙一旦形成后, 其保存也受压实和胶结作用的影响(Bloch, 1994; Bloch and Helmod, 1995), 随埋深和地温的增加, 孔隙度不断减小。在世界上许多盆地的储集层次生孔隙形成后, 又被后期强烈的胶结作用和机械压实破坏。

在西部凹陷南段, 情况的确如此。西部凹陷南段古近系储集层中发育异常低压(胡安文等, 2014), 而异常低压促进机械压实作用, 增强碳酸盐胶结和硅质胶结等胶结作用, 抑制溶蚀作用(孟元林等, 2016)。因此, 本区的溶蚀作用较弱( 图 5-c, 5-d), 而且溶蚀作用形成的次生孔隙以及最初的原生孔隙在强烈的压实作用和胶结作用下被破坏( 图 5-d至5-h)。后期形成的碳酸盐胶结物和其他胶结物充填在早期形成的次生孔隙中( 图 5-d, 5-g)。因此, 溶蚀作用没有从根本上改变孔隙度随深度的增加而减小的趋势, 对储集层的物性改善不太显著( 图 9), 在2840, m以下的储集层中没有形成明显的次生孔隙发育带。

图9

Fig.9

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	图9 辽河坳陷西部凹陷南段储集层岩心孔隙度与深度的关系Fig.9 Relationship between depth and core porosity of reservoirs in southern West Sag, Liaohe Depression

由于西部凹陷南段古近系建设性成岩作用和破坏性成岩作用综合作用的结果, 在中成岩阶段A₁亚期至中成岩阶段早期形成了低孔隙度储集层(孔隙度介于11.5%~12.6%之间)。需要说明的是, 辽河坳陷西部凹陷南段中浅层的储集层孔隙度较高, 在1000~1500, m的深度段, 孔隙度最高可达40%左右, 其原因是在这一深度段内主要发育新近系的河流相砂岩和砂砾岩, 分选、磨圆较好, 原始孔隙度较高(孟卫工和孙洪斌, 2007), 而且压实作用很弱, 碎屑颗粒之间呈悬浮— 点接触( 图 5-e)。进入中成岩阶段后期, 烃源岩达到生油高峰, R_O≥ 1.0%, 烃源岩有机质的产酸能力下降(孟元林等, 2015), 溶蚀作用减弱, 更糟糕的是, 胶结作用和机械压实作用更加强烈, 胶结物充填了储集层的绝大部分储集空间, 碎屑颗粒之间呈线— 凹凸接触( 表 1, 图5-h), 原先形成的次生孔隙和原生孔隙被破坏, 破坏性成岩作用占主导地位, 孔隙度迅速减小, 储集层致密(孔隙度小于5%)( 图 8)。随埋深和地温的增加, 机械压实作用和胶结作用增强, 储集层孔隙度逐渐减小。但机械压实作用和胶结作用对储集层致密化所起的作用不同( 图 10), 大多数砂岩样品落在图10中左下方以压实作用为主的区域, 只有辫状沟道间、沟道侧缘和前缘的少数砂岩样品落在以胶结作用为主的区域, 机械压实作用对储集层致密化所起的作用明显大于胶结作用。也就是说, 西部凹陷南段储集层的致密化主要是由机械压实作用引起的, 但在不同的沉积微相中, 胶结作用和压实作用对储集层致密所起的作用略有不同, 在水动力条件较弱的微相中胶结作用稍强。其原因是在水动力条件较弱的沉积环境中形成的砂岩粒度较细, 比表面较大, 有利于胶结物的沉淀。另一方面, 砂岩胶结物形成所需的矿物质主要来源于相邻泥岩压实过程中排出的流体, 在埋藏压实的过程中, 泥岩中富含矿物质的流体作垂向运移或侧向运移进入砂岩, 沉淀下来, 形成胶结物, 因此临近泥岩发育区的辫状沟道间、沟道侧缘和前缘砂岩具有更加丰富的物质来源。需要说明的是, 由于辽河西部凹陷南段的泥岩中发育超压, 所以尽管水动力条件较弱的砂岩物性相对较差, 但泥岩中的流体在超压的作用下仍可从泥岩中排出, 进入砂岩。

图10

Fig.10

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	图10 辽河坳陷西部凹陷南段机械压实与胶结作用对致密砂岩储集层的影响Fig.10 Influence of compaction and cementation on the tight sandstone reservoirs in southern West Sag, Liaohe Depression