秦 紅,戴琦雯,袁文芳,劉洛夫,曹少芳,蘇天喜,張 博,姜振學(xué)
(1.中國石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000; 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 102249; 3.中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心,北京 102249; 4.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249)
侏羅紀(jì)煤系地層是中國廣泛分布的重要含油氣層位,在準(zhǔn)噶爾盆地、焉耆盆地、塔里木盆地庫車坳陷等侏羅系油氣勘探中均有重大發(fā)現(xiàn).煤系地層或與煤系地層相鄰的儲層多為低孔—低滲到特低孔—特低滲的致密儲層,儲層物性差,成巖作用復(fù)雜,有利區(qū)預(yù)測困難.鄭浚茂等研究發(fā)現(xiàn)華北石炭—二疊系煤系地層有利儲層分布受表生成巖作用控制[1];朱國華等研究認(rèn)為浙皖長廣地區(qū)龍?zhí)督M砂巖內(nèi)中—粗粒以上河道砂巖有利于孔隙的保存[2];楊曉萍等研究認(rèn)為鄂爾多斯和四川盆地煤系地層優(yōu)質(zhì)儲層主要受到不整合面或?qū)有蚪缑?、有利沉積相帶、酸性水溶蝕作用等因素的控制[3].研究煤系地層的成巖作用與孔隙演化、分析高孔滲儲層的形成原理、尋找有利儲層分布規(guī)律,是煤系地層油氣勘探的重要研究內(nèi)容[4].塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)主要由煤系地層組成,其中依南2井在下侏羅統(tǒng)發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流,儲層致密且非均質(zhì)性強(qiáng).恢復(fù)儲層成巖演化序列,分析儲層孔隙演化過程,以及庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)砂巖儲層沉積作用、成巖及構(gòu)造作用與孔隙演化的關(guān)系,有助于尋找有利儲層、預(yù)測氣藏分布.
塔里木盆地是我國最大的中、新生代內(nèi)陸沉積盆地.根據(jù)下古生界“三隆四坳”的構(gòu)造格局可將盆地劃分為7個構(gòu)造單元,即庫車坳陷、塔北隆起、北部坳陷、中央隆起、西南坳陷、塔南隆起和東南坳陷.研究區(qū)位于塔里木盆地庫車坳陷東部依奇克里克構(gòu)造帶,北部為天山褶皺帶,南部為秋里塔格構(gòu)造帶和陽霞凹陷[5](見圖1).侏羅紀(jì)早期研究區(qū)為靠近山前的辮狀河三角洲平原,沉積了阿合組的辮狀河河道沉積,砂巖粒度較粗、分選較差,在平面上大片分布;阿合組之上的陽霞組沉積時期水體加深,主要為辮狀河三角洲前緣及湖泊—沼澤相沉積,陽霞組沉積物主要為泥巖,尤其是頂部的大套泥巖代表在早侏羅世晚期水體已經(jīng)變深,陽霞組內(nèi)夾有煤層.
圖1 塔里木盆地庫車坳陷東部構(gòu)造分區(qū)Fig.1 Tectonic zoning map of eastern Kuqa depression,Tarim basin
庫車坳陷中生界地層發(fā)育一套連續(xù)沉積、厚度巨大的沖積—湖泊沉積體系,地層中碎屑巖占絕大部分,局部層段夾薄層狀泥灰?guī)r,地層層序發(fā)育完整.下侏羅統(tǒng)沉積地層自上而下分別為陽霞組和阿合組(見圖2).陽霞組地層厚度為300~700m,砂巖厚度約占地層厚度的30%,是灰色砂(礫)巖與深灰色—淺綠灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖、煤巖互層的煤系地層;阿合組地層厚度為100~500m,砂巖厚度占地層厚度的80%~90%,主要為淺灰—灰白色辮狀河三角洲粗碎屑巖沉積.地層厚度自西北向東南變薄,砂巖體積分?jǐn)?shù)及粒度逐漸降低,反映物源距西北更近.
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)屬于三角洲—湖泊沉積體系,下部阿合組主要發(fā)育辮狀河三角洲平原和前緣微相;上覆陽霞組主要發(fā)育淺湖、沼澤及辮狀河三角洲前緣微相,且煤層發(fā)育[6].儲層巖石類型主要為巖屑砂巖,部分為長石巖屑砂巖(見圖3(a)、(b)).巖屑成分主要為變質(zhì)巖,其次為巖漿巖,沉積巖最少(見圖4(a)、(b)).變質(zhì)巖巖屑成分主要為石英巖、片巖及千枚巖;巖漿巖巖屑成分主要為中酸性噴出巖及花崗巖;沉積巖巖屑成分主要為細(xì)砂巖及泥巖巖屑.鏡下觀察統(tǒng)計結(jié)果表明,粒間泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高,黏土礦物體積分?jǐn)?shù)約為7%,主要為高嶺石及伊利石.其他膠結(jié)物包括石英加大邊及碳酸鹽膠結(jié)物等,硅質(zhì)膠結(jié)物平均體積分?jǐn)?shù)較低,一般少于0.6%;碳酸鹽膠結(jié)物平均體積分?jǐn)?shù)略高,一般少于0.7%.顆粒分選為中—好,磨圓以次棱—次圓為主.顆粒間接觸關(guān)系以點(diǎn)—線接觸及線接觸為主,部分地區(qū)層段為凹凸接觸.總體上,塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)砂巖儲層成分成熟度較低,結(jié)構(gòu)成熟度中等,不利于儲層原生孔隙的保存.
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層中沒有發(fā)現(xiàn)大量由方解石、沸石、石膏等成巖作用早期形成的易溶膠結(jié)物,原因是煤系地層的成巖作用早期處于酸性水介質(zhì)環(huán)境中.總體上,儲層膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)較低,一般小于10%;膠結(jié)物主要成分包括高嶺石、伊利石、硅質(zhì)、方解石、白云石和菱鐵礦等,其中高嶺石、伊利石體積分?jǐn)?shù)較高(見圖5).碳酸鹽膠結(jié)物主要以晚期連晶方解石和鐵白云石為主.與其他煤系地層相比,庫車坳陷東部早侏羅世地層中伊利石膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)較高,石英加大邊較窄(見圖6).
一般在成巖早期酸性水介質(zhì)影響下,儲層中高嶺石及硅質(zhì)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)占優(yōu)勢,但是庫車坳陷東部儲層經(jīng)歷早期快速深埋和長時間成巖演化過程,早期形成的高嶺石膠結(jié)物在中成巖—晚成巖階段的堿性水介質(zhì)環(huán)境中向伊利石轉(zhuǎn)化,形成較高體積分?jǐn)?shù)的伊利石膠結(jié)物;掃描電鏡下可見長石溶蝕、自生鉀長石向高嶺石及伊利石轉(zhuǎn)化,以及高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象[7].在早期硅質(zhì)膠結(jié)物形成期間,快速埋藏作用和較高體積分?jǐn)?shù)的黏土礦物使硅質(zhì)膠結(jié)物加大邊的形成受到抑制[8],表現(xiàn)為儲層中硅質(zhì)加大邊級別較高,一般為Ⅱ—Ⅲ級,但加大邊寬度較小.因此,在掃描電鏡中常見顆粒表面加大的石英晶體,但顯微鏡中少見廣泛分布的石英加大邊,僅在局部觀察到較窄的加大邊現(xiàn)象.
圖2 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)三疊系—侏羅系地層柱狀圖Fig.2 Triassic and Jurassic stratigraphic column of eastern Kuqa depression,Tarim basin
圖3 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層巖石類型及體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Rock types and content of Reservoir bed
圖4 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)巖屑成分及體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Detritus types and content of Reservoir bed
圖5 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層黏土礦物體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Histogram of clay mineral content of Lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression
圖6 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層石英加大邊(依南2C井,4 743.20m)Fig.6 The secondary concrescence of quartz edge(Well Yinan 2C,4 743.20m)
分析鑄體薄片資料表明,庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層孔隙類型以次生溶孔(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔)及微孔隙為主,局部發(fā)育溶蝕縫及收縮縫(見圖7(a)).研究區(qū)儲層普遍埋深較大,最大埋深為6 000~7 000m,受壓實(shí)作用等成巖作用影響,原生孔隙(原生粒間孔)基本消失,僅在最大埋深相對較淺(約為4 000m)的明南1井附近發(fā)育較多(見圖7(b)).
圖7 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層孔隙類型Fig.7 Reservoir poretypes of lower Jurassic
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層現(xiàn)今埋深一般為3 000~5 000m,孔隙度為1%~12%,滲透率為(0.01~10.00)×10-3μm2(見圖8(a)、(b)),為低孔—低滲到特低孔—特低滲儲層,總體上,儲層物性自東向西、由北向南逐漸變差.儲層主要發(fā)育辮狀河三角洲平原—辮狀河三角洲前緣河道砂體,非均質(zhì)性強(qiáng)、物性差異較大[9].后期的成巖、構(gòu)造等作用使差異加劇,導(dǎo)致即使在成分、粒度、分選和次生礦物體積分?jǐn)?shù)相似的條件下,砂巖儲集物性的變化也很大.
圖8 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層孔隙度及滲透率分布Fig.8 Reservoir porosity and permeability of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層中,巖石顆粒接觸形式主要為線接觸(≥90%),部分為凹凸或縫合線接觸,反映儲層壓實(shí)較強(qiáng)烈(見圖9).壓實(shí)作用強(qiáng)度與埋深及構(gòu)造加壓作用強(qiáng)度相關(guān),依西地區(qū)埋深中等,構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng),儲層表現(xiàn)為強(qiáng)烈的壓實(shí)及壓溶作用,顆粒間以線接觸—凹凸接觸為主,壓溶現(xiàn)象及顆粒壓裂縫較發(fā)育,儲層普遍致密,滲透率較低;依南地區(qū)壓實(shí)強(qiáng)度中等,顆粒間以線接觸為主,儲層致密程度與溶蝕作用強(qiáng)度及粒間填隙物體積分?jǐn)?shù)等因素相關(guān);明南地區(qū)埋深較淺,后期抬升較高,壓實(shí)作用較弱,下侏羅統(tǒng)儲層受到表生淋濾作用,發(fā)育大量粒間、粒內(nèi)溶孔,顆粒間以點(diǎn)—線接觸為主,物性較好.庫車坳陷東部儲層壓實(shí)作用受到差異構(gòu)造應(yīng)力及埋藏過程影響,表現(xiàn)為自西向東壓實(shí)強(qiáng)度逐漸變?nèi)?
圖9 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層壓實(shí)作用Fig.9 Reservoir compaction of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression,Tarim basin
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)阿合組主要發(fā)育辮狀河河道沉積,巖石粒度較粗,以中—粗砂巖及含礫砂巖為主;陽霞組發(fā)育辮狀河三角洲前緣水下分流河道及濱淺湖沉積,巖石粒度偏細(xì),泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較多.分析儲層巖石粒間孔隙發(fā)育程度與顆粒間接觸關(guān)系,認(rèn)為阿合組中壓實(shí)作用的效果稍弱于陽霞組的,前者孔隙保存得更好.
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層巖石成分主要為巖屑砂巖,其抗壓性比石英砂巖的低,壓實(shí)作用對儲層物性的破壞較為強(qiáng)烈.該地區(qū)主要發(fā)育辮狀河三角洲—湖泊沼澤相沉積,砂巖分選較差,雜基體積分?jǐn)?shù)較高,儲層原生孔隙中易含有大量雜基,從而降低初始孔隙度.陽霞組儲層為含煤地層,沉積初期水介質(zhì)為酸性,不利于方解石等碳酸鹽膠結(jié)物生成,儲層孔隙之間沒有支撐性的易溶膠結(jié)物,壓實(shí)作用效果顯著.該地區(qū)儲層埋深較大,最大埋深為4 000~6 000m,在晚期強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓作用下,儲層被壓實(shí)得極為致密.到中成巖A階段,儲層孔隙度減少了15%~20%;現(xiàn)今儲層受壓實(shí)作用影響,孔隙度減少了25%~38%.因此,壓實(shí)作用是對該地區(qū)儲層物性影響最大的成巖作用(見圖10).
含煤地層富含水生和陸生植物,埋藏后易產(chǎn)生腐殖酸,使成巖早期具有酸性水介質(zhì)條件.塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層在成巖演化過程中經(jīng)歷的酸性溶蝕作用主要分兩期:第一期為近地表的淺埋藏環(huán)境,溶蝕對象主要是長石巖屑等易溶組分,溶蝕強(qiáng)度較低,產(chǎn)物主要為酸性環(huán)境下的自生高嶺石;第二期為中成巖階段有機(jī)酸及CO2對長石及部分易溶巖屑的溶蝕作用.由于部分地區(qū)(如明南1井)后期地層抬升作用,導(dǎo)致儲層受到表生淋濾作用而經(jīng)歷三期溶蝕.目前儲層孔隙主要為次生溶孔與微孔隙,次生孔隙主要為粒內(nèi)溶孔及粒間溶孔,溶蝕對象為長石、部分巖屑及粒間碳酸鹽膠結(jié)物[10-12](見圖11).
圖10 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層壓實(shí)作用與膠結(jié)作用Fig.10 Comparison between reservoir compaction and cementation of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression,Tarim basin
圖11 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層溶蝕作用Fig.11 Reservoir dissolution of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression,Tarim basin
隨著埋藏深度的增加及成巖作用的進(jìn)行,地層水中酸性物質(zhì)被逐漸消耗,水介質(zhì)由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性,目前儲層處于中成巖A2—B階段,顆粒間為線—凹凸?fàn)罱佑|,儲層中出現(xiàn)含鐵方解石、鐵白云石等晚期碳酸鹽巖膠結(jié)、交代現(xiàn)象(見圖12),孔隙度下降.石英加大邊表現(xiàn)為Ⅲ級,掃描電鏡中可見長石加大及榍石、硬石膏、重晶石等,黏土礦物中高嶺石體積分?jǐn)?shù)降低,伊利石體積分?jǐn)?shù)增加.
圖12 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層交代作用Fig.12 Reservoir metasomatism of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression,Tarim basin
庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層次生孔隙普遍發(fā)育,主要形成于中成巖A—B期.次生孔隙主要由自生碳酸鹽膠結(jié)物、長石,以及不穩(wěn)定的巖屑受到有機(jī)酸、CO2和局部抬升剝蝕區(qū)的大氣淡水的溶蝕、交代作用形成,主要表現(xiàn)為顆粒內(nèi)部的溶解和部分粒間孔的擴(kuò)大,喉道細(xì)、滲透率較低.該地區(qū)次生孔隙主要發(fā)育在中成巖A期,部分發(fā)育在中成巖B期,有機(jī)質(zhì)處于低成熟—成熟階段,有機(jī)酸和CO2濃度最高.儲層在同生—早成巖階段水介質(zhì)為酸性—中性,顆粒有少量石英加大及高嶺石,I/S屬無序混層,顆粒呈點(diǎn)—線接觸;中成巖A1—A2階段水介質(zhì)為酸性(有機(jī)酸高濃度段),石英、長石和高嶺石加大普遍存在,I/S混層有序或部分有序,發(fā)育自生伊利石和綠泥石,顆粒呈線接觸或線接觸—凹凸接觸,次生孔隙主要為顆粒溶解及粒間孔擴(kuò)大,部分雜基溶解;中成巖A2—B階段水介質(zhì)為堿性—酸性,發(fā)育含鐵碳酸鹽(鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦等),石英和長石加大均表現(xiàn)為Ⅲ級,部分顆粒有裂縫,顆粒間為凹凸—縫合接觸.
東部明南地區(qū)受到表層地層水淋濾影響,可觀察到超大溶蝕孔隙及溶蝕裂縫,高嶺石體積分?jǐn)?shù)較高.西部依西—克孜地區(qū)構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,顆粒間以凹凸—縫合線接觸為主.通過礦物包裹體均一溫度與古地溫測算確定礦物形成時的古地溫,結(jié)合埋藏史可推測礦物形成時期.包裹體均一溫度測算結(jié)果表明,石英加大邊和碳酸鹽膠結(jié)物的形成時間在中成巖A階段(包裹體溫度為100~130℃).鏡下薄片觀察可知,碳酸鹽膠結(jié)物一般位于顆粒石英加大邊外(見圖13),所以其形成時間晚于石英加大邊的[13].
圖13 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層膠結(jié)物特征Fig.13 Characteristics of cement of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression,Tarim basin
結(jié)合酸性水介質(zhì)(含煤地層)的碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn),總結(jié)研究區(qū)成巖演化序列(見圖14).
圖14 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層成巖演化序列Fig.14 Diagenetic evolution sequence of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression
利用孔隙度推導(dǎo)模型[14-16],根據(jù)鏡下儲層成巖作用特征、自生礦物體積分?jǐn)?shù)、發(fā)育時間、埋藏史及構(gòu)造作用特征,對目的層位孔隙演化歷史進(jìn)行反演恢復(fù),得到庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層孔隙演化模式(見圖15).早成巖階段,由于受到煤系地層酸性水的影響,沉積物中缺乏早期碳酸鹽巖支撐顆粒間孔隙,壓實(shí)作用導(dǎo)致儲層孔隙快速減?。恢谐蓭r階段發(fā)生長石及巖屑溶蝕現(xiàn)象,粒內(nèi)及粒間的溶蝕孔隙有效地改善儲層物性,溶蝕作用主要發(fā)育在粒度較大或裂縫發(fā)育、地層水易于流動的儲層中;晚期碳酸鹽膠結(jié)加劇儲層的致密程度,局部可見的石英變質(zhì)現(xiàn)象體現(xiàn)快速埋藏時期強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用對儲層的影響,并在儲層中廣泛發(fā)育粒內(nèi)裂紋;現(xiàn)今主要表現(xiàn)為廣泛致密的、裂縫段的高孔滲儲層.
分析影響儲層物性的主要因素,控制儲層致密的主要沉積因素為碎屑組分、粒度和黏土礦物體積分?jǐn)?shù)等,其中粒度和物性關(guān)系緊密,粒度越粗物性越好.主要成巖作用包括垂向的地層壓實(shí)作用及側(cè)向的構(gòu)造壓實(shí)作用,長石、巖屑及自生礦物的溶蝕作用,石英及長石的次生加大等,壓實(shí)作用對儲層孔隙度的減小幅度遠(yuǎn)大于膠結(jié)作用的(見圖10).構(gòu)造作用對儲層的影響較為復(fù)雜,首先,強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓應(yīng)力導(dǎo)致儲層在垂向壓實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壓實(shí),造成孔隙度進(jìn)一步下降[12];其次,構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)化為熱能,對成巖作用及有機(jī)質(zhì)演化造成影響[17];最后,統(tǒng)計裂縫發(fā)育的巖心分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),裂縫發(fā)育段的孔隙度略有增加,但增加量不大,一般不超過2%;滲透率增加較明顯,可增加1~2個數(shù)量級.由于裂縫孔隙度較小,所以認(rèn)為裂縫不是最主要的儲集空間,但裂縫發(fā)育段的滲透率較好,可以改善儲層的滲透性(見圖16),證明構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫為流體的流動提供了通道和空間,為次生孔隙的形成和滲透率的改善創(chuàng)造了條件.
圖15 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層孔隙演化模式Fig.15 Pore evolution pattern of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression
圖16 庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)儲層裂縫孔隙度與滲透率Fig.16 Fracture porosity and permeability of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa Depression
綜上所述,有利儲層主要發(fā)育在粒度較粗的辮狀河道及裂縫發(fā)育的儲層中,粒度較粗、壓實(shí)強(qiáng)度較弱、溶蝕作用較強(qiáng),裂縫發(fā)育段普遍溶蝕強(qiáng)度大且滲透率較好.這些區(qū)域在剖面上主要位于陽霞組第Ⅲ段及阿合組第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ段,這些層段儲層溶蝕強(qiáng)度大、砂巖粒度粗且壓實(shí)強(qiáng)度較弱;平面上主要位于辮狀河道相及大型斷裂發(fā)育區(qū)中,這些地區(qū)儲層物性較好且裂縫較發(fā)育.
(1)塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統(tǒng)的煤系地層致密儲層為辮狀河三角洲沉積的巖屑砂巖,粒間泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高,硅質(zhì)膠結(jié)物及碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)較低.
(2)煤系地層沉積早期的酸性水介質(zhì)導(dǎo)致儲層早期缺乏碳酸鹽膠結(jié)物支撐,壓實(shí)作用強(qiáng),儲層致密,物性較差.受顆粒表面泥質(zhì)影響,石英加大邊級別較大而寬度較窄.壓實(shí)強(qiáng)度受控于儲層埋深和構(gòu)造擠壓作用.
(3)有利儲層分布受控于沉積相帶分布和成巖作用強(qiáng)度,主要發(fā)育在粒度較粗的辮狀河道及裂縫發(fā)育的儲層中.
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