牛永斌, 程梦园, 程怡高, 邵威猛, 荆楚涵. (2023). 琼东南盆地北部新近系三亚组 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的储层改造效应* [J]. 古地理学报, 25(6): 1407-1420.
NIU Yongbin, CHENG Mengyuan, CHENG Yigao, SHAO Weimeng, JING Chuhan. (2023). Reservoir modification effect of Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric in the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin [J]. Journal Of Palaeogeography, 25(6): 1407-1420.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.06.053
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琼东南盆地北部新近系三亚组 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的储层改造效应*
牛永斌, 程梦园, 程怡高, 邵威猛, 荆楚涵
河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454003

第一作者简介 牛永斌,男,1980年生,博士,河南理工大学资源环境学院教授,主要从事应用遗迹学与沉积学研究工作。E-mail: niuyongbin@hpu.edu.cn。

收稿日期:2023-04-05 修回日期:2023-05-16
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41472104,42272178)、河南省高校科技创新团队(编号: 21IRTSTHN007)和河南理工大学科技创新团队(编号: T2020-4)联合资助
摘要

琼东南盆地北部新近系三亚组储集层中生物扰动非常发育。在岩心详细观测和描述的基础上,利用偏光显微镜、扫描电镜和微米CT等方法分别对含生物扰动样品和不含生物扰动样品的微观孔隙进行了定量表征和连通性分析,并重点对 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的储层改造效应进行了研究。结果表明: (1)琼东南盆地北部新近系三亚组 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构发育,且生物潜穴对储集层的原始结构具有重要的改造作用,岩心上最显著特征是其破坏了原生层理; (2)生物潜穴充填物主要为石英、长石及少量海绿石和黏土矿物,孔隙发育,以粒间孔和少量粒内溶孔为主, 而围岩基质泥质含量较高,孔隙发育较差; (3)孔喉形态特征较为一致,孔隙体积、孔隙面积、孔隙等效半径和喉道面积均呈左偏单峰分布,喉道等效半径和喉道长度呈近似双峰分布,含生物扰动样品的大孔隙和喉道数量、有效孔隙度、渗透率和配位数平均值都要明显大于不含生物扰动样品。上述结果揭示 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构增强了研究区三亚组储集层微观孔隙的储集能力和连通性,这对于分析生物扰动对油气储层的改造效应及推进研究区油气增储、上产和提高采收率具有重要意义。

关键词: 生物扰动; 遗迹组构; 新近系; 三亚组; 琼东南盆地
中图分类号:Q911.28 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)06-1407-14
Reservoir modification effect of Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric in the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin
NIU Yongbin, CHENG Mengyuan, CHENG Yigao, SHAO Weimeng, JING Chuhan
School of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Henan Jiaozuo 454003,China

About the first author NIU Yongbin,born in 1980,is a professor with a doctoral degree. He is engaged in researches on applied ichnology and sedimentology. E-mail: niuyongbin@hpu.edu.cn.

Fund:National Natural Science Foundation of China(No.41472104,42272178),the Program for Innovative Research Team(in Science and Technology)in Universities of Henan Province,China(Grant No.21IRTSTHN007),and the Program for Innovative Research Team(in Science and Technology)of Henan Polytechnic University(Grant No. T2020-4)
Abstract

Bioturbation is well developed in the reservoir of the Neogene Sanya Formation in the northern Qiongdongnan Basin. Based on detailed observations of cores,quantitative characterization and connectivity analysis of the microscopic pores of reservoir rock samples with and without bioturbation were carried out using polarized light microscopy,scanning electron microscopy and micro-CT. The reservoir modification effect reflected by the Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric was studied in detail. The results show that the Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric in the Neogene Sanya Formation is well developed in northern Qiongdongnan Basin. The burrows obviously modified the initial sedimentary structure of the reservoirs,and the primary sedimentary bedding was destroyed. The burrows are mainly filled with quartz,feldspar,chlorite and a small amount of clay minerals. Many intergranular pores and a small amount of intra-grain dissolution pores developed,while the mud content of the surrounding rocks is high,and the pores were poorly developed. Quantitative analysis shows that the morphological characteristics of the pores and pore throats are consistent. The pore volume,pore area, equivalent radius of pore and throat area all present left-skewed unimodal distribution,while the equivalent radius of throat and throat length show approximate bimodal distribution. The number of large pores and throats,effective porosity,permeability and average coordination number of samples with bioturbation are significantly greater than those of samples without bioturbation. This reveals that the Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric enhances the reserve capacity and connectivity of microscopic pores in the Sanya Formation reservoir. This study is of great significance for analyzing the modification effect of bioturbation on oil and gas reservoirs,increasing reserve capcity, production and recovery of oil and gas in the study area.

Key words: bioturbation; ichnofabric; Neogene; Sanya Formation; Qiongdongnan Basin
1 概述

生物扰动是沉积物的原生构造和属性被生活在其中的生物改造的过程, 可能会对原始沉积物颗粒造成搅动、混合和破坏(Knaust, 2017)。在生物—沉积物相互作用中, 生物通过开挖、翻转和回填改变了原生沉积组构, 导致充填物与宿主沉积物之间的岩石物理性质发生变化, 从而降低或提高了原生地层的孔隙度和渗透率, 并影响到储集层的岩石物性和流体流动特征(Gingras et al., 2004; Baniak et al., 2014; Ben-Awuah and Padmanabhan, 2015; Dey and Sen, 2017; Quaye et al., 2019; Oliveira de Araú jo et al., 2021; Baniak et al., 2022; Singh et al., 2022)。因此, 深入研究生物扰动储集层的微观孔隙结构, 是准确描述和理解生物扰动储集层微观孔隙结构中流体分布形态及流动状态的基础(Raeini, 2019)。

依据不同的表征方法(刘向君等, 2017), 学者们目前对岩石的孔隙结构特征取得了一定的认识(Loucks et al., 2009; Chalmers et al., 2012; Clarkson et al., 2012a; Clarkson et al., 2012b; Curtis et al., 2012; Li et al., 2018)。表征岩石孔隙结构常用的方法包括铸体薄片、扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FESEM)、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、核磁共振(NMR)、压汞法(MIP)和低压气体吸附法(N2、CO2)等。上述方法可通过观察来定性分析岩石孔隙结构特征, 如孔隙半径、孔隙几何形状和孔隙类型等, 也可通过计算参数来定量描述岩石孔隙结构特征, 如孔隙半径、孔径分布、孔喉大小、孔体积、比表面积和分形维数等, 然而它们通常对样品有损伤或者无法获得非连通孔隙的参数, 从而导致无法准确定量表征和分析样品的真实孔隙结构。微米CT(micro-CT)、纳米CT(nano-CT)等新型无损检测技术可以实现多孔材料内部结构的三维可视化(Ketcham and Carlson, 2001), 近年来被广泛应用于研究砂岩、页岩和煤的构造特征(Bera et al., 2011; Tiwari et al., 2013; Wang et al., 2016; Liu et al., 2017; Shi et al., 2020), 不仅提高了相关资源量评估的准确性, 而且推动制定出更合理的开发方案。

琼东南盆地新近系油气资源丰富, 能源战略地位显著, 是中国海上油气勘探的重要区域。前人研究表明, 该盆地新近系油气储集层类型和规模多样、结构复杂, 目前仍面临众多难题, 严重影响了油气勘探进程(Yuan et al., 2009; Yu et al., 2014; 黄卫等, 2015; 张伟等, 2015; Su et al., 2016; 付超等, 2017; 李超等, 2017)。笔者所在的团队近期通过对岩心观察分析, 发现琼东南盆地新近系三亚组储集层中生物扰动非常发育, 以Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构最为典型, 且这些生物扰动对储层物性和孔隙结构具有显著的改造作用。文中应用偏光显微镜和扫描电镜对含生物扰动样品和不含生物扰动样品的微观孔隙特征进行了研究, 并选取典型样品利用微米CT对含Ophiomorpha-Thalassinoides类生物扰动的柱塞样品进行扫描, 在图像预处理和分割的基础上, 建立了所分析样品的三维孔隙结构模型; 通过数字岩心软件(Avizo)提供的最大球和配位数等一系列高级算法, 定量、可视化地表征了生物扰动储集层微观孔隙结构的几何特征, 并进行了孔隙结构的连通性分析。该项研究对分析生物扰动对油气储集层的改造效应及推进研究区油气增储、上产和提高采收率具有重要意义。

2 地质背景

琼东南盆地位于海南岛东南方向, 面积约8.3×104 km2(图 1-a)(刘见宝和孙珍, 2012; 何小胡等, 2017)。该地区新近系厚度极大, 一般大于3000 m, 最厚超过6000 m, 自下而上依次发育了三亚组、梅山组、黄流组和莺歌海组(蔡佳, 2017), 其中梅山组与黄流组之间存在角度不整合, 其他组之间都为整合接触(图 1-b)(赵民等, 2010)。琼东南盆地整体上呈北东向展布, 西部以红河断裂为界与莺歌海盆地相邻, 东北以神狐隆起与珠江口盆地珠三凹陷相接, 东部为西北次海盆, 北为海南隆起, 南接永乐隆起, 具有明显的“南北分带”特征(吴敬武等, 2013; 雷超等, 2015; 雷振宇等, 2016; 王彬等, 2018), 自北向南划分为北部坳陷带、中央隆起带、中央坳陷带以及南部隆起带。目前, 对中央坳陷带和南部隆起带研究较多, 而北部坳陷带和中央隆起带相对较少。文中主要以琼东南盆地北部中央隆起带内松涛断凸起三亚组储集层为研究对象, 重点分析三亚组一段储集层中Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构对储层物性的改造效应。三亚组一段主要为灰色细砂岩及少量灰白色灰质细砂岩, 发育槽状交错层理、板状交错层理和平行层理(图 2), 一般认为是滨岸—浅海环境的沉积产物(蔡佳, 2017)。

图 1 琼东南盆地地理位置和新近系地层柱状图
a—琼东南盆地地理位置; b—琼东南盆地新近系地层柱状图Fig.1 Location and the Neogene stratigraphic column of Qiongdongnan Basin

图 2 琼东南盆地北部新近系三亚组取心段地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of core section of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

从中新世开始, 由于新生代的第2次降温事件及太平洋海道的开启和关闭, 在太平洋西岸形成暖池(汪品先等, 2018)。适宜的古气候条件和优越的古地理环境非常有利于底栖生物发育, 因此三亚组沉积时期(25~20 Ma)研究区多毛虫、蠕虫、有孔虫、双壳类和虾类等生物极为繁盛(林景星等, 2007; 谢金有等, 2012; 麦文等, 2015, 2016), 在活动过程中可能会建造复杂的生物潜穴系统。研究区三亚组岩心上以Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构最为发育, 可识别出Thalassinoides、Ophiomorpha、Palaeophycus和Rhizocorallium等潜穴。这些生物潜穴相互交切, 呈空间网状分布, 对三亚组储集层的原始结构具有重要的改造作用, 岩心上最显著特征就是其破坏了原生层理构造(图 3)。

图 3 含Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的岩心照片及其阶层示意图
a—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 以Ophiomorpha和Thalassinoides为主, 有少量Palaeophycus, 2573.47~2573.72 m; b—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 以Thalassinoides为主, 有少量Palaeophycus和Rhizocorallium, 2575.40~2575.65 m; c—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 以Thalassinoides为主, 有少量Ophiomorpha和Palaeophycus, 2575.65~2575.90 m; d—遗迹组构示意图; e—遗迹组构交切关系; f—遗迹组构阶层分布。Op: Ophiomorpha; Th: Thalassinoides; Pa: Palaeophycus; Rh: RhizocoralliumFig.3 Core photographs and tiering structures of Ophiomorpha-Thalassinoides ichnofabric

3 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构宏观特征

在松涛断凸起三亚组一段岩心上的Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构发育段, 可识别出Ophiomorpha、Thalassinoides、Palaeophycus和Rhizocorallium共4种遗迹化石(图 3-a, 3-b, 3-c)。生物扰动区域统计结果表明, Ophiomorpha和Thalassinoides遗迹化石分布面积较大, 其中Thalassinoides约占62.2%, Ophiomorpha约占24.5%, 而Palaeophycus约占11.1%, Rhizocorallium约占2.2%(图 3-d, 3-f)。在Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构发育段, 按Knaust(2012)的划分方案, 生物扰动等级一般为2~4。生物潜穴交切关系分析表明, 通常由Thalassinoides或Ophiomorpha交切Palaeophycus和Rhizocorallium, 以Thalassinoides交切Ophiomorpha最为常见(图 3-e)。岩心上, Ophiomorpha和Thalassinoides遗迹化石潜穴系统可垂向洞穿底质数米, 这对其他生物潜穴具有一定的串连作用, 形成宏观上复杂的网状生物潜穴系统。前人研究认为, Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构通常发育于海洋滨岸环境内上临滨(Upper Shoreface)的滩相沉积微环境中(Knaust, 2017; Niu et al., 2020; Oliveira de Araú jo et al., 2021)。

4 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的微观孔隙特征
4.1 储集层微观孔隙结构

大量的勘探与开发实践表明, 微观孔隙结构对储集层的储集和渗流能力、流体分布、水驱油效率及采收率等均具有直接影响(郝乐伟等, 2015)。文中采用数字岩心技术, 通过对所采集样品微观孔隙结构的定量表征及连通性分析, 研究了琼东南盆地北部新近系三亚组Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构对储集层的改造效应。

4.1.1 薄片分析 在对新近系岩心观测的基础上, 本次研究优选样品磨制148块岩石薄片, 在河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室利用偏光显微镜和扫描电镜对这些岩石薄片进行观测和分析, 详细记录潜穴充填物和围岩基质的镜下特征, 确定生物潜穴充填物的矿物成分和微观孔隙类型。结果发现: 琼东南盆地新近系三亚组生物扰动储集层潜穴充填物的矿物成分主要为石英和长石, 含少量海绿石以及黏土矿物, 颗粒平均粒径为0.3~0.5 mm, 分选中—好, 一般呈棱角状—次棱角状, 孔隙类型主要为粒间孔, 含少量的粒内溶孔(图 4-a); 生物潜穴宿主围岩基质部分泥质含量明显高于潜穴充填物(图 4-b)。通过扫描电镜也可以看出, 基质部分胶结较致密, 仅少量孔隙发育, 整体孔隙发育较差(图 4-c), 而潜穴充填物中孔隙发育整体良好, 有少量孔隙被充填(图 4-d)。

图 4 生物潜穴充填物和围岩基质的偏光显微镜和扫描电镜下的显微特征
a—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 潜穴充填物; b—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 黄色虚线上部为潜穴, 泥质含量少, 孔隙发育, 含油性饱满, 黄色虚线下部为基质, 泥质含量多, 孔隙发育较差, 含油性较差; c—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 基质部分胶结较致密, 整体孔隙发育较差; d—琼东南盆地, 三亚组, STXX-X-1井, 潜穴部分孔隙发育, 少量孔隙被充填, 整体孔隙发育良好Fig.4 Microscopic characteristics of burrow fills and host sediments under polarizing and scanning electron microscopes

4.1.2 数字岩心技术 由于利用偏光显微镜进行薄片观察时仅能观测单个面上的矿物特征和孔隙结构特征, 缺乏对其三维空间上的认识, 因此本次研究还应用微米CT对含Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的柱塞样品进行扫描, 以获得高精度三维数据体。在此基础上, 利用数字岩心软件进行孔隙结构提取, 定量表征了生物扰动储层微观孔隙结构。

精选出含Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构岩心样品(图 5), 钻取不同尺度柱塞样品2个(样品号:sa1、sa2), 同时选取不含生物扰动岩心样品钻取柱塞样品1个(样品号:sa3)(高度: 4 cm; 直径: 2 cm), 在中国地质科学院地质力学研究所自然资源部古地磁与古构造重点实验室完成X射线显微镜扫描, 获得高精度的三维数据体。实验采用的新型无损检测设备X-micro CT型号为ZEISS Xradia 510 Versa, 扫描样品参数设置如表 1。

图 5 琼东南盆地北部三亚组2574.27 m处岩心上典型的Ophiomorpha潜穴
a—俯视图; b—侧视图Fig.5 Typical Ophiomorpha burrow in depth of 2574.27 m cores from the Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

表 1 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1、sa2和sa3扫描参数设置 Table 1 Scan parameter setting of core samples sa1, sa2 and sa3 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

实验过程分5步完成: (1)利用Xradia 510 Versa对岩心柱塞样品进行扫描, 获取构建三维孔隙结构所需的连续二维切片; (2)在Avizo中对所获取的连续二维切片进行图像预处理以提高图像数据质量, 使得到的三维孔隙结构模型更为精确; (3)通过阈值分割区分二维切片中的孔隙部分和基质部分, 即图像的二值化处理; (4)将二值化处理后的图像进行三维重构, 得到所分析样品的三维孔隙结构模型; (5)通过Avizo中提供的最大球算法将三维孔隙结构模型转化为等效的孔隙网络模型并对相关参数进行提取, 实现样品微观孔隙结构的定量表征(图 6)。

图 6 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品孔隙结构定量表征工作流程Fig.6 Workflow of quantitative characterization of pore structure of core samples from the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

在进行孔隙结构定量表征过程中考虑到计算机的性能和运行时间, 往往需要从待分析的数据体中提取一个能够反应整体特性的子域空间进行后续的计算, 即表征单元体(REV, Representative Elementary Volume)。REV为一个尺度的概念, 是Bear(1972)在进行土体渗流分析时提出的, 在数字岩心分析中它表示岩心某个计算参数趋于稳定时的最小模型尺寸。通过对数字岩心孔隙结构中边长体素和孔隙度的关系分析发现, 选取边长体素为450×450×450的立方体可作为分析样品的最优REV。本次研究在每个岩心柱塞样品中都分别切割出2个REV模型用来进行后续的观察研究, 其中sa1-1和sa1-2来自岩心柱塞样品sa1; sa2-1和sa2-2来自岩心柱塞样品sa2; sa3-1和sa3-2来自岩心柱塞样品sa3。sa1-1/2和sa2-1/2均以潜穴充填物为主, 而sa3-1/2以生物潜穴的围岩基质为主。

孔隙网络模型(PNM, Pore network model), 是指从二值化的三维岩心孔隙模型中提取出具有参数化的几何形状和连通性的简化孔隙和喉道模型(Dong and Blunt, 2009), 以进行孔隙结构与连通性分析。文中采用最大球法提取三维孔隙结构的PNM, 最大球法的基本原理是对孔隙空间的任意一点找出其最大内切球半径, 用局部最大的球体表示孔隙, 连接2个局部最大球之间的较小球体表示喉道, 从而形成“孔隙—喉道—孔隙”的对应关系(Silin and Patzek, 2006; 盛军等, 2019; Shi et al., 2020)。

图 7为利用数字岩心软件建立的三维孔隙结构栅格模型, 图 8为利用数字岩心软件建立的三维孔隙网络模型。孔隙网络模型(PNM)由多个黄色圆球和蓝色棍棒组成, 模型中的黄色圆球表示的是被分割的每一个孔隙的等效球体, 孔隙尺寸的大小按照等效半径来展示, 被分割出孔隙尺寸的等效半径越大, 球体就越大; 蓝色棍棒表示的是连通孔隙的喉道, 其大小也同样按照喉道的等效半径来展示, 喉道的等效半径越大, 蓝色棍棒就越粗。由图 8可知孔隙网络内部结构非常复杂, 孔隙空间由不同大小的球体所代替, 连通的球体由多个喉道连接, 不连通的球体无喉道连接, 单独存在。

图 7 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2三维孔隙结构模型
a—样品sa1-1三维孔隙结构模型; b—样品sa1-2三维孔隙结构模型; c—样品sa2-1三维孔隙结构模型; d—样品sa2-2三维孔隙结构模型; e—样品sa3-1三维孔隙结构模型; f—样品sa3-2三维孔隙结构模型Fig.7 3D pore structure models of core samples sa1-1/2, sa2-1/2, sa3-1/2 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

图 8 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2孔隙网络模型
a—样品sa1-1孔隙网络模型; b—样品sa1-2孔隙网络模型; c—样品sa2-1孔隙网络模型; d—样品sa2-2孔隙网络模型; e—样品sa3-1孔隙网络模型; f—样品sa3-2孔隙网络模型Fig.8 Pore network models of core samples sa1-1/2, sa2-1/2, sa3-1/2 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

通过提取孔隙网络模型(PNM)的孔喉参数可以实现储集空间的定量表征, 如孔隙体积、孔隙面积、孔隙等效半径、喉道面积、喉道等效半径和喉道长度。本次研究绘制了6个样品的孔喉形态特征分布折线图(图 9)和孔喉的频率分布直方图(图 10), 6个样品的孔隙体积主要分布在10~102 μm3范围内, 孔隙面积主要分布在10~102 μm2范围内, 孔隙等效半径主要分布在小于4 μm的范围, 喉道面积主要分布在10~103 μm2范围内, 喉道等效半径都主要分布在1~8 μm和大于10 μm范围内, 喉道长度主要分布在20~90 μm和大于100 μm范围内。因此, 6个样品的孔喉形态分布规律较为一致, 其中孔隙体积、孔隙面积、孔隙等效半径和喉道面积都呈左偏单峰分布, 而喉道等效半径和喉道长度呈近似双峰分布(图 9)。

图 9 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心的孔隙和喉道形态分布
a—孔隙体积形态分布图; b—孔隙面积形态分布图; c—孔隙等效半径形态分布图; d—喉道面积形态分布图; e—喉道等效半径形态分布图; f—喉道长度形态分布图Fig.9 Morphology distribution diagram of pores and throats of the Neogene Sanya Formation core in northern Qiongdongnan Basin

图 10 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心的孔隙和喉道频率分布
a—孔隙体积频率分布图; b—孔隙面积频率分布图; c—孔隙等效半径频率分布图; d—喉道面积频率分布图; e—喉道等效半径频率分布图; f—喉道长度频率分布图Fig.10 Frequency distribution diagram of pores and throats of the Neogene Sanya Formation core in northern Qiongdongnan Basin

从孔隙体积的分布频率(图 10)来看, 当孔隙体积大于102 μm3时, 样品sa1-1/2和sa2-1/2的频率明显大于样品sa3-1/2的频率; 当孔隙体积大于104 μm3时, 样品sa3-1/2的频率几乎为0。从孔隙面积的分布频率来看, 当孔隙面积大于102 μm2时, 样品sa1-1/2和sa2-1/2的频率同样大于样品 sa3-1/2 的频率; 尤其当孔隙面积大于104 μm2时, 样品 sa3-1/2 的频率接近于0。

从孔隙等效半径的分布频率来看, 当孔隙等效半径大于2 μm时, 样品 sa1-1/2 和sa2-1/2的频率依旧大于样品 sa3-1/2 的频率, 并有明显优势。从喉道面积的分布频率来看, 当喉道面积大于102 μm2时, 样品sa1-1/2和sa2-1/2的频率明显大于样品sa3-1/2的频率; 当大于103 μm2时, 样品sa3-1/2的频率近乎为0。从喉道等效半径的分布频率来看, 当喉道等效半径大于5 μm时, 样品sa1-1/2和 sa2-1/2 的频率大于样品sa3-1/2的频率。但从喉道长度的分布频率来看, 6个样品并无明显的优势频率, 这可能与提取样品的PNM所使用的最大球算法有关。

4.2 储集层微观孔隙连通性分析

储层连通性分析也是多孔储集层介质中孔隙空间形态学研究的重要内容, 不仅和有效储集空间有关, 还与有效渗透率直接相关(牛永斌等, 2020)。本次研究通过分析6个样品的有效孔隙度、渗透率和配位数来研究生物扰动储集层微观孔隙的连通性。

所分析样品的有效孔隙是在数字岩心软件(Avizo)中运用连通性算法“Axis Connectivity”将孤立孔隙和有效孔隙分离开来, 并用不同的颜色进行展示, 其中红色代表样品的孤立孔隙, 蓝色代表样品的连通孔隙(图 11)。然后, 利用数字岩心软件(Avizo)中的数学算法“Volume Fraction”和“Absolute permeability experiment simulation”计算出每个样品的有效孔隙度和渗透率(表 2)。由表 2可知, 含生物扰动样品中sa1-1/2和sa2-1/2的有效孔隙度分别为4.12%、16.19%、2.77%、7.04%, 渗透率分别为172.36 ×10-3 μm2、78.16 ×10-3 μm2、238.92 ×10-3 μm2、180.19 ×10-3 μm2, 而不含生物扰动样品sa3-1/2的有效孔隙度分别为2.36%和0.85%, 渗透率分别为15.57 ×10-3 μm2和40.78 ×10-3 μm2。

图 11 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2的孤立孔隙(红色)和有效孔隙(蓝色)结构模型
a—样品sa1-1三维连通和孤立孔隙结构模型; b—样品sa1-2三维连通和孤立孔隙结构模型; c—样品sa2-1三维连通和孤立孔隙结构模型; d—样品sa2-2三维连通和孤立孔隙结构模型; e—样品sa3-1三维连通和孤立孔隙结构模型; f—样品sa3-2三维连通和孤立孔隙结构模型Fig.11 Isolated pores(red)and effective pores(blue)structure model of core samples sa1-1/2, sa2-1/2, sa3-1/2 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

表 2 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1-1/2、sa2-1/2、 sa3-1/2的有效孔隙度和渗透率 Table 2 Effective porosity and permeability of core samples sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin

配位数(CN, Coordination Number)是每个孔隙所连接的喉道数目, 也可以反映出孔隙的连通性和孔隙中流体的流动能力(An et al., 2016)。表 3为含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2以及不含生物扰动样品sa3-1/2的配位数, 其中含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2的配位数最大值分别为22、102、30、27, 平均值分别为5.5、6.9、8.6、6.7, 而不含生物扰动样品sa3-1/2的配位数最大值分别为12和14, 平均值分别为4.0和4.1。

表 3 琼东南盆地北部新近系三亚组岩心样品sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2的配位数 Table 3 Coordination number of core samples sa1-1/2、sa2-1/2、sa3-1/2 of the Neogene Sanya Formation in northern Qiongdongnan Basin
5 Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的储集层改造效应分析

Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构中圆柱状的、直的或弯曲的潜穴系统不可避免地破坏了原生层理构造(图 3), 进而影响宿主围岩的储集层物理性质。

Thalassinoides潜穴系统一般是由具垂向竖管的水平网状潜穴形成的空间网络, 并伴随有“Y”型和“T”型分支结构, 在连接处通常带有膨大现象。 从含这类生物潜穴的岩石薄片上可以看到, 生物潜穴充填物中泥质含量少, 孔隙发育(图 4-a), 而围岩基质泥质含量较多, 孔隙发育较差(图 4-b); 扫描电镜图像分析也可发现基质部分胶结致密, 整体孔隙发育较差(图 4-c), 而生物潜穴部分整体孔隙发育良好(图 4-d)。因此, 这类潜穴宏观上可以在储集层垂向各层之间可起到很好的连通作用。同时这类潜穴无衬壁和被动充填的特点一般也非常有利于提高储集层的储集能力, 例如沙特阿拉伯Ghawar油田中由Thalassinoides所营造的“超渗透”储集层(Pemberton and Gingras, 2005)就是一个很好的例证。

Ophiomorpha与Thalassinoides生物潜穴最大的区别在于其所具有的衬壁结构, Ophiomorpha潜穴可能会对基质与潜穴填充物之间的流体渗流起到一定的阻碍作用。但是, 其被动的充填方式也可能会在潜穴管道内形成超渗通道, 例如在纽芬兰近海白垩系Ben Nevis组浅海地层中, Ophiomorpha主导的遗迹组构被证明是有效净产层的重要介质(Tonkin et al., 2010)。

Palaeophycus潜穴通常呈近水平圆柱形、直或微弯曲的潜穴, 一般无分支, 具有衬壁和被动充填特点, 其中砂质被动充填的Palaeophycus潜穴有助于改善储集层质量。Rhizocorallium是一种“U”形、 具有蹼状结构的潜穴, 潜穴面相对层面是近水平方向的, 潜穴充填既可以主动(如蹼状构造), 也可以被动(如边缘管), 或者是完全被动充填(Knaust, 2013), 但只有当该类潜穴被动充填时方可增加储集层质量。

综合研究区Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构的整体发育特征可以发现, 其组成以Ophiomorpha和Thalassinoides为主, Palaeophycus和Rhizocorallium为辅。后期生物活动在硬底上筑穴形成的大量Thalassinoides交切前期软底形成的Ophiomorpha、Palaeophycus和Rhizocorallium生物潜穴, 构成了一套复杂的网状潜穴系统, 这对改善储集层的储集能力和垂向连通性具有重要意义。

从该遗迹组构的孔隙网络模型(PNM)分析可以进一步发现, 整体上含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2的较大孔隙数量和喉道数量(图 8-a至8-d)要明显多于不含生物扰动的样品sa3-1/2(图 8-e, 8-f), 这就意味着含生物扰动样品的储集能力高于不含生物扰动样品。 这也可以从sa1-1/2、sa2-1/2和sa3-1/2的孔隙和喉道形态分布图(图 9)中得以证实, 尽管这6个样品的孔喉形态分布规律较为一致, 但从所对应的分布频率可知, 当孔隙体积大于102 μm3、孔隙面积大于102 μm2、孔隙等效半径大于2 μm、喉道面积大于102 μm2、喉道等效半径大于5 μm时, 在各个区间中含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2所对应的分布频率要明显大于不含生物扰动样品sa3-1/2, 即含生物扰动样品中较大孔喉频率同样要大于不含生物扰动样品(图 10)。因此, 生物扰动增强了储集层的储集能力。

从有效孔隙度、渗透率和配位数方面对含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2以及不含生物扰动样品sa3-1/2的连通性进行分析发现, sa1-1/2和sa2-1/2的有效孔隙度分别为4.12%、16.19%、2.77%、7.04%, 而sa3-1/2的有效孔隙度分别为2.36%和0.85%, 即含生物扰动样品的有效孔隙度明显大于不含生物扰动样品; sa1-1/2和sa2-1/2的渗透率分别为172.36 ×10-3 μm2、78.16 ×10-3 μm2、238.92 ×10-3 μm2、180.19 ×10-3 μm2, 而sa3-1/2的渗透率分别为15.57 ×10-3 μm2和40.78 ×10-3 μm2, 即含生物扰动样品的渗透率同样大于不含生物扰动样品(表 2)。孔隙的配位数分析也表明, sa1-1/2和sa2-1/2的配位数平均值分别为5.5、6.9、8.6、6.7, sa3-1/2的配位数平均值分别为4.0和4.1, 即含生物扰动的样品sa1-1/2和sa2-1/2的配位数平均值依旧大于不含生物扰动的样品sa3-1/2(表 3)。因此, 生物扰动对微观储集空间连通性也有所提高。

综上所述, 通过宏观生物扰动潜穴形态功能、微观孔隙结构和连通性分析, Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构整体上造成琼东南盆地三亚组储集层微观孔隙的储集能力和连通性都有所增强。

6 结论

1)琼东南盆地北部新近系三亚组Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构发育, 岩心上可识别出的遗迹分子有Thalassinoides、Ophiomorpha、Palaeophycus和Rhizocorallium等, 其中Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构中的生物潜穴对三亚组储层的原始结构具有重要的改造作用, 岩心上最显著特征就是其破坏了原生层理构造。生物潜穴充填物主要成分为石英和长石, 含少量海绿石以及黏土矿物, 孔隙类型主要为粒间孔以及少量的粒内溶孔。 生物潜穴充填物中泥质含量少, 孔隙发育良好, 而围岩基质泥质含量较多, 孔隙发育较差。

2)利用数字岩心软件所建立的6个样品的孔隙结构分析结果表明: 孔喉形态特征较为一致, 孔隙体积、孔隙面积、孔隙等效半径和喉道面积都呈左偏单峰分布, 而喉道等效半径和喉道长度呈近似双峰分布; 含生物扰动样品sa1-1/2和sa2-1/2的大孔隙和喉道数量、有效孔隙度、渗透率和配位数平均值要明显大于不含生物扰动样品sa3-1/2。微观孔隙结构定量表征和连通性分析表明, Ophiomorpha-Thalassinoides遗迹组构增强了琼东南盆地三亚组储集层微观孔隙的储集能力和连通性。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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