王國壯 陳 紅 鐘建華

摘要:高臺子油層為龍虎泡地區(qū)主要含油層,儲層巖性以含泥粉砂巖為主。通過巖心觀察和化驗分析對其成巖作用研究表明:壓實作用使原始孔隙減少,不利于儲集空間的保存;膠結(jié)作用和溶蝕作用同步進行,早期膠結(jié)作用抑制壓實作用強度,膠結(jié)物后期溶解可有效改善儲層物性。根據(jù)蒙脫石、高嶺石、伊利石等黏土礦物特征及演化階段推斷儲集巖成巖作用已達到晚成巖階段中期。另外,研究區(qū)高臺子油層主要為三角洲前緣相沉積,巖石碎屑顆粒間孔隙被泥質(zhì)充填,加之后期大量自生黏土礦物生成,使巖石碎屑顆粒間孔隙以小孔為主,孔隙結(jié)構(gòu)復雜,沉積作用與成巖作用共同決定了高臺子油層中孔、低滲特征。

關鍵詞:高臺子油層;成巖作用;儲集物性;中孔低滲;龍虎泡地區(qū)

中圖分類號:TE122.2文獻標識碼:A

前 言

成巖作用包括沉積物在沉積后到變質(zhì)作用前所發(fā)生的各種物理、化學作用及生物化學作用,而不僅僅是狹義的沉積物的石化和固結(jié)作用。成巖作用對碎屑巖儲層物性有著非常重要的影響,是儲層性質(zhì)研究的重要依據(jù)。高臺子油層是龍虎泡地區(qū)主要含油目的層,儲層孔隙度中等,但滲透率較低,開發(fā)難度較大。為了改善其開發(fā)效果,提高油藏采收率,必須對其中孔、低滲的成因進行分析,才能有針對性地開展儲層改造,改善儲層物性,增加產(chǎn)能。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域背景

龍虎泡地區(qū)位于松遼盆地北部,包括龍虎泡階地及齊家—古龍凹陷的北半部,東與大慶長垣相連,西以西部斜坡與中央凹陷的一級構(gòu)造邊界為界,南至他拉哈油田,北至齊家油田,總面積2 500 km²。龍虎泡地區(qū)是目前大慶外圍第一個以高臺子油層為主要目的層的大型含油區(qū),為軸向近南北的背斜構(gòu)造,構(gòu)造兩翼傾角略大于1°,位于松遼盆地中央坳陷區(qū)齊家—古龍凹陷西側(cè),泰康隆起向東傾沒的斜坡上(圖1)。龍虎泡油田高臺子油層為中生界白堊系下統(tǒng)青山口組二、三段地層,主要發(fā)育三角洲前緣亞相和前三角洲亞相,儲集巖體主要為沉積于河口砂壩和三角洲前緣的席狀砂[1-3]。

1.2 儲層巖石學特征

儲集層巖石孔隙結(jié)構(gòu)是影響油藏流體(油、氣、水)儲集能力和開采油、氣的主要因素[4]。高臺子油層平均滲透率為0.51×10^-3μm²,平均孔隙度為15.3%,泥質(zhì)含量高達23.0%,儲層物性較差。巖心觀察和分析結(jié)果表明,巖石裂縫與微裂縫不發(fā)育,油井普遍無自然產(chǎn)能,需經(jīng)壓裂改造后才能獲得工業(yè)油流[5]。

高臺子儲層屬低滲透、中等致密—致密砂巖油層,巖性以含泥粉砂巖為主,其次為含介形蟲粉砂巖和含鈣粉砂巖,石英含量較低,長石和巖屑含量較高。儲集巖以巖屑質(zhì)長石粉砂巖為主,少部分為長石質(zhì)巖屑粉砂巖。碎屑顆粒占巖石體積的80%～90%,石英占碎屑顆粒的20%～37%,以單晶石英為主;長石占碎屑顆粒的23%～41%;巖屑占碎屑顆粒的14%～35%,以火山巖巖屑和沉積巖巖屑常見。儲集巖中還含有一定量的碳酸鹽顆粒,一般不超過5%,主要為介形蟲骨粒,大部分介形蟲骨粒為碎片,少數(shù)為完整個體。雜基總量一般為4.33%～19.76%,平均為8.96%。儲集巖一般具顆粒支撐結(jié)構(gòu),碎屑顆粒直徑小于0.5 mm,分選差,成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均低,具有典型陸相沉積特征。

2 成巖作用類型及其對儲層物性的影響

2.1 壓實作用

壓實作用主要受巖石結(jié)構(gòu)成熟度及成分成熟度(塑性巖屑含量)、煤層、砂體厚度及埋藏深度等控制[6]。在埋藏深度相同的情況下,沉積物顆粒越細、分選越差、塑性越高、雜基含量越高,壓實作用對其儲集物性影響越大。

高臺子油層儲集巖中石英、長石和巖屑碎屑顆粒多成線接觸和凹凸接觸,點接觸和縫合接觸基本未見,原始粒間孔隙的縮小十分明顯;云母和介形蟲碎屑的塑性形變也常見。儲集巖埋藏深度中等,但由于沉積物顆粒細、分選差,加之含有一定量的雜基和塑性較強的碳酸鹽顆粒,因此,壓實作用對沉積物的影響已達到中—深的程度。

2.2 膠結(jié)作用

2.2.1 膠結(jié)作用類型

(1) 碳酸鹽膠結(jié)。高臺子油層膠結(jié)作用以方解石膠結(jié)為主,方解石膠結(jié)物體積分數(shù)一般為0～40%。方解石呈嵌晶狀,硅質(zhì)碎屑常“漂浮”于其中,碎屑顆粒周圍無其他類型膠結(jié)物,反映方解石膠結(jié)物形成于沉積物輕微壓實階段,其他膠結(jié)物尚未析出。

(2) 硅質(zhì)膠結(jié)。高臺子油層硅質(zhì)膠結(jié)作用少見,硅質(zhì)膠結(jié)物體積分數(shù)一般小于1%,膠結(jié)形態(tài)以石英為主,偶見玉髓。自生石英多呈加大邊形式出現(xiàn),加大邊很窄,一般為不完全加大,且加大邊寬度小于0.005 mm。石英加大僅為1～2級,且只見于局部區(qū)域少數(shù)樣品。極少數(shù)樣品見充填于粒間孔隙的自生石英,掃描電鏡下可見具有良好晶形的自生石英由孔壁向中心生長。

(3) 長石膠結(jié)。長石的膠結(jié)作用強度則遠低于硅質(zhì)膠結(jié)作用,僅在少量樣品出現(xiàn)。長石膠結(jié)常呈碎屑長石加大邊或微小自形晶體出現(xiàn),偶見自生長石晶體。

(4) 黏土礦物膠結(jié)。自生黏土礦物包括伊利石、蒙皂石、高嶺石、綠泥石、伊蒙混層和綠蒙混層等,較自生石英常見,體積分數(shù)一般為1%～2%。自生黏土礦物往往在碎屑顆粒表面形成薄膜,在孔隙中由孔壁向中心生長,晶形好,黏土顆粒較粘土雜基粗。偏光顯微鏡與掃描電鏡結(jié)合可以很好地對自生粘土和粘土雜基進行區(qū)別。

2.2.2 膠結(jié)作用的影響

膠結(jié)作用對儲層物性的影響較為復雜,通常膠結(jié)物充填孔隙將使儲層物性變差,但早期膠結(jié)作用能抑制壓實作用強度,膠結(jié)物后期溶解也能有效改善儲層物性[6]。高臺子油層膠結(jié)作用以方解石膠結(jié)為主,隨著方解石含量的增加,巖石的孔隙度減少,但兩者并不呈嚴格的線性關系。自生黏土、石英、長石等由于含量較低,對儲層孔隙演化影響較小。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用可以開始于碎屑顆粒進入沉積盆地之前,最常見的溶蝕作用是長石和中基性火山巖巖屑的溶蝕作用,幾乎所有的長石和中基性火山巖巖屑顆粒都會有不同程度的溶蝕。成巖作用初期,方解石主要沉淀于粒間孔隙中,對長石的粒內(nèi)溶蝕孔沒有破壞,長石碎屑顆粒骨架抵抗了壓實作用的影響,原來存在的粒內(nèi)溶蝕孔得以保存;壓實作用初期,具有大氣淡水性質(zhì)的酸性孔隙水,由下向上運動,過程中可能進入已存在的孔隙進一步對長石和中基性火山巖巖屑進行溶蝕;隨著埋藏深度的增加,干酪根成熟及蒙皂石、高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO₂將對長石和中基性火山巖巖屑進一步溶解。各種溶蝕作用對長石和中基性火山巖巖屑的溶蝕,使巖石形成粒內(nèi)或粒間溶蝕孔,或使原有孔隙進一步改造、擴大。溶蝕作用甚至可以將整個長石和中基性火山巖巖屑顆?；净蛲耆芪g,形成殘余鑄?？谆蜩T?？住?/p>

石英的溶蝕程度很弱,僅發(fā)生在石英碎屑顆粒的邊緣,使其呈鋸齒狀或港灣狀。

方解石的溶蝕作用也很弱,僅介形蟲體腔中的膠結(jié)物有溶蝕現(xiàn)象,介形蟲碎片和硅質(zhì)碎屑顆粒間的方解石膠結(jié)物很少被溶蝕。

高臺子油層溶蝕孔隙占孔隙總量的1/3左右。壓實作用使巖石粒間孔隙大大縮小,喉道變窄,小孔喉阻礙了酸性孔隙溶液的流動,未形成次生孔隙帶,方解石膠結(jié)物也因此很少被溶蝕;但長石和中基性火山巖巖屑骨架抵抗了壓實作用,使粒內(nèi)溶蝕孔不被壓實作用破壞,因此,溶蝕孔主要為長石和中基性火山巖巖屑溶蝕孔,其他碎屑溶蝕的意義不大。長石、中基性火山巖巖屑和石英等碎屑顆粒被溶蝕使壓實作用下已縮小的粒間孔得以擴大,但其恢復程度遠不如壓實作用造成的縮小的程度。

3 成巖作用序列及成巖階段確定

成巖階段劃分主要依據(jù)包括鏡質(zhì)體反射率、孢粉顏色、古地溫、次生石英加大級別和自生粘土礦物組合等[7]。高臺子儲集巖粘土礦物以伊利石為主,少量綠泥石,高嶺石基本消失,蒙皂石已基本轉(zhuǎn)化為伊蒙混層(少數(shù)轉(zhuǎn)化為綠蒙混層)。鏡質(zhì)體反射率能夠很好地反映有機質(zhì)成熟度,龍虎泡地區(qū)高臺子油層埋藏深度為1 537～2 402 m,選取深度為1 798.0～1 821.5 m的6口井11個樣品,測得鏡質(zhì)體反射率為0.61%～1.39%,反映有機質(zhì)已成熟。

第1期王國壯等:松遼盆地龍虎泡地區(qū)高臺子油層成巖作用研究

根據(jù)前人總結(jié)的中國陸相碎屑巖中蒙皂石經(jīng)伊蒙混層演變?yōu)橐晾囊?guī)律[8],高臺子油層碎屑巖中的粘土轉(zhuǎn)化已進入第4階段。由有機質(zhì)成熟度判斷儲集巖也處于第4階段,相當于儲集巖成巖作用已進入晚成巖階段中期。進一步綜合儲集巖結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物性質(zhì)、黏土礦物轉(zhuǎn)變狀況、鏡質(zhì)體反射率和古地溫等特征,可以確定高臺子儲集巖成巖作用已進入晚成巖階段中期。成巖作用序列如圖所示:壓實作用、方解石膠結(jié)作用、自生石英、球狀黃鐵礦集合體在早成巖作用階段較為發(fā)育,反映未到達晚成巖階段;蒙脫石、高嶺石、伊利石等黏土礦物及長石和中基性火山巖巖屑的溶蝕等類型在成巖作用的各個階段均有發(fā)育,并已進入晚成巖階段的中期(圖2)。

4 儲層物性影響因素

4.1 沉積作用

龍虎泡地區(qū)高臺子油層為三角洲前緣相沉積,儲層巖性以粉砂巖為主,泥質(zhì)含量較高,儲層物性較差與以細粒沉積為主的三角洲前緣亞相砂體的存在密切相關。同時,巖石碎屑顆粒間孔隙被泥質(zhì)充填也造成孔隙縮小,加之后期大量自生粘土礦物的生成,使巖石碎屑顆粒間孔隙以小孔為主,且孔隙結(jié)構(gòu)復雜。根據(jù)2口評價井鑄體薄片資料,高臺子油層砂巖平均孔隙直徑為23.44 μm,其中,孔隙直徑小于25 μm的占70%,小于50 μm的占90.56%,儲層孔隙以小孔為主,滲透能力較低。

4.2 成巖作用

成巖作用是造成龍虎泡地區(qū)高臺子油層儲層中孔、低滲的根本原因。砂巖成巖作用主要包括機械壓實作用、化學固結(jié)作用及溶解作用等[9]。成巖作用對砂巖儲層儲集物性和產(chǎn)能影響明顯,是決定儲層性質(zhì)和產(chǎn)能的重要因素。

(1) 相對較弱的機械壓實作用是龍虎泡地區(qū)高臺子油層形成中等孔隙度儲層的關鍵。高臺子油層儲層砂巖中碎屑顆粒均為點狀、點-線狀、線狀接觸;巖石膠結(jié)類型以再生-孔隙式、孔隙-再生式、薄膜-孔隙式、再生-薄膜式等為主;孔隙中存在較發(fā)育的自生石英、自生黏土礦物晶體和莓狀黃鐵礦;碳酸巖含量較高,以方解石膠結(jié)物的形式存在于儲層中,薄片鑒定方解石膠結(jié)物含量為1.0%～25.7%,平均為9.5%。以上特征反映龍虎泡地區(qū)高臺子油層成巖初期埋藏深度較小,未遭受較強的機械壓實作用,屬淺埋藏階段成巖作用,在沉積物顆粒排列較疏松的情況下發(fā)生成巖作用,使沉積物固化、巖化。隨著埋藏深度增加,成巖作用加強,但機械壓實作用造成的巖石骨架結(jié)構(gòu)改變較輕微,儲層原生粒間孔隙得以保留。雖然較強烈的化學固結(jié)作用使原生孔隙減少,但大量長石顆粒被溶蝕形成的次生孔隙使巖石總孔隙度得到較好恢復,因此,龍虎泡地區(qū)高臺子油層儲集砂體雖然經(jīng)歷了較強的成巖作用,但其總孔隙度仍然較高。

(2) 較強的化學固結(jié)作用使龍虎泡地區(qū)高臺子油層孔喉結(jié)構(gòu)復雜,是造成龍虎泡地區(qū)高臺子油層低滲透的根本原因。高臺子油層黏土礦物以伊利石為主,最高含量可達75.14%。伊利石常貼附于顆粒表面并充填孔隙,常呈葉片狀、網(wǎng)狀或纖維狀:葉片狀伊利石邊緣常明顯向上翻卷,并從邊緣長出纖維狀雛形;網(wǎng)狀和纖維狀伊利石一般充填于孔隙或喉道中。另外,孔隙中自生石英發(fā)育,自生石英晶體向孔隙空間生長,交錯相接。自生黏土礦物和自生石英充填并逐漸堵塞孔隙,貼附于顆粒表面的伊利石不僅使孔隙發(fā)育程度變差,還可以造成連通孔隙的喉道變窄甚至堵塞,使喉道迂曲度增大,孔隙間的連通性變差。

5 結(jié) 論

(1) 龍虎泡地區(qū)高臺子油層的砂巖儲層的成巖作用主要有壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。綜合儲集巖的結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物的性質(zhì)、粘土礦物的轉(zhuǎn)變狀況、鏡質(zhì)體反射率和古地溫等特征可以確定儲集巖成巖作用已進入晚成巖階段中期。

(2) 沉積物在早成巖階段受壓實作用和方解石的膠結(jié)作用影響很大,在晚成巖階段膠結(jié)作用和溶蝕作用較弱;另外,龍虎泡地區(qū)高臺子油層以三角洲前緣亞相細粒沉積為主,受此沉積作用以及成巖作用的共同影響,油層孔隙連通性差,孔隙結(jié)構(gòu)復雜化,從而造成儲層中孔低滲特征明顯。

(3) 針對龍虎泡地區(qū)高臺子油層孔隙度較高,鈣質(zhì)膠結(jié)物含量高的特征,可以采用酸化壓裂措施對儲層進行改造,從而有效地改善油層的存儲空間和導流能力,增加油井產(chǎn)量。

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編輯 董志剛