王玉祥

(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠地質(zhì)大隊(duì),黑龍江大慶163511)

砂礫巖致密儲(chǔ)層填隙物特征及其對(duì)孔隙的影響

王玉祥

(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠地質(zhì)大隊(duì),黑龍江大慶163511)

徐家圍子斷陷沙河子組致密砂礫巖氣展現(xiàn)出較好的勘探潛力,致密砂礫巖儲(chǔ)層以高填隙物含量為典型特征,隙物的類型、成巖變化與儲(chǔ)層孔隙發(fā)育密切相關(guān)。通過(guò)鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射、物性測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)砂礫巖中發(fā)育泥質(zhì)雜基、火山灰、碳酸鹽、硅質(zhì)、黏土礦物、黃鐵礦等填隙物類型;填隙物中泥質(zhì)雜基和碳酸鹽含量最高,黏土礦物次之,硅質(zhì)、火山灰發(fā)育少,黃鐵礦偶爾發(fā)育;泥質(zhì)雜基、火山灰為同沉積填隙物,硅質(zhì)和黏土礦物多數(shù)形成于早-中成巖期,碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于成巖晚期。填隙物類型與砂礫巖孔隙度研究表明,早期硅質(zhì)膠結(jié)增加了儲(chǔ)層強(qiáng)度并促進(jìn)了原生孔隙的保存,火山灰的溶蝕增加了孔隙空間;泥質(zhì)雜其減少了原始孔隙并抑制次生溶蝕的發(fā)育,是減少砂礫巖儲(chǔ)層孔隙度先天因素;黏土礦物破壞大孔隙的完整性,將大孔隙分割為若干微孔并提供晶間微孔,減少砂礫巖總孔隙度,但不是很顯著;早期碳酸鹽填隙多被溶蝕,晚期碳酸鹽膠結(jié)物填充殘余孔隙,導(dǎo)致儲(chǔ)層進(jìn)一步致密。

徐家圍子斷陷; 沙河子組; 致密; 砂礫巖; 儲(chǔ)層; 填隙物; 孔隙

徐家圍子斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組致密砂礫巖氣的勘探初見成效,目前該區(qū)4口水平井和2口直井獲得了工業(yè)氣流[1-2],并有多口未試氣井見到活躍的氣測(cè)顯示,展現(xiàn)出較好的致密砂礫巖氣勘探潛力。同時(shí),砂礫巖儲(chǔ)層極其致密,儲(chǔ)集空間以長(zhǎng)石和巖屑溶孔為主,其次是晶間孔和微裂縫[3]。此類儲(chǔ)層中填隙物的含量高,填隙物的類型、成巖變化與孔隙發(fā)育及保存密切相關(guān)[4-7]。深入研究填隙物特征是該區(qū)儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)的必要工作,也是該區(qū)下一步儲(chǔ)層預(yù)測(cè)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

徐家圍子地區(qū)是松遼盆地深層天然氣最富集的地區(qū)[8-9],在下白堊統(tǒng)登婁庫(kù)組、營(yíng)城組常規(guī)天然氣資源不斷枯竭的形勢(shì)下,下白堊統(tǒng)沙河子組致密砂礫巖氣被寄予資源接替領(lǐng)域的厚望。沙河子組致密砂礫巖氣的勘探剛剛起步,經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究,目前已經(jīng)認(rèn)識(shí)到扇三角洲和辮狀河三角洲是砂礫巖儲(chǔ)層發(fā)育的主體環(huán)境,斜坡區(qū)是砂礫巖體發(fā)育的主體部位[2],暗色泥巖夾持或包裹砂礫巖體形成了有利的富氣條件[3];同時(shí)認(rèn)識(shí)到,砂礫巖的孔隙度多數(shù)低于6.0%,滲透率多數(shù)小于0.1 mD,屬于低孔、超低滲儲(chǔ)層范疇,孔隙類型主要為次生孔隙,孔隙尺寸主要為納米-微米級(jí)別[10]。隨著勘探的深入,為滿足勘探選區(qū)和探井部署的需求,當(dāng)前亟需深入認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的影響因素。填隙物含量高、類型多、產(chǎn)狀復(fù)雜是沙河子組砂礫巖的重要特征,薄片分析表明填隙物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%以上,類型包括泥雜基、硅質(zhì)、碳酸鹽、黏土礦物等,產(chǎn)狀包括泥質(zhì)充填、黏土礦物包殼、次生加大等。填隙物直接填充砂礫巖的孔隙空間,對(duì)儲(chǔ)層物性影響最為直接。因此,系統(tǒng)分析填隙物的類型、含量、成巖演化是分析砂礫巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育影響因素的可行方法之一。

本次通過(guò)鑄體薄片、X-衍射、掃描電鏡、物性測(cè)試綜合分析,系統(tǒng)研究了沙河子組砂礫巖中填隙物的類型、含量和產(chǎn)狀特征,在此基礎(chǔ)上,研究了不同類型填隙物對(duì)砂礫巖孔隙的影響。

1 地質(zhì)概況

徐家圍子斷陷位于松遼盆地北部古中央隆起區(qū)東側(cè),呈北北西向狹長(zhǎng)展布,勘探面積超過(guò)5 000 km2。斷陷內(nèi)下白堊統(tǒng)依次為火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組和登婁庫(kù)組,上白堊統(tǒng)分別為泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組和明水組。下白堊統(tǒng)沙河子組是徐家圍子斷陷致密砂礫巖氣勘探的攻關(guān)地層,該套地層沉積于徐家圍子斷陷的鼎盛期,物源來(lái)自東西短軸方向,斷陷東部緩坡帶主要發(fā)育辮狀河三角洲,東側(cè)陡坡帶主要發(fā)育扇三角洲,深凹中心發(fā)育湖相沉積,局部發(fā)育湖底扇。辮狀河(扇)三角洲向湖盆中心迅速演化為濱淺湖或半深湖相,沿物源方向相變快,垂直物源方向相帶窄,垂向上多期三角洲疊合。沙河子組地層巖性以泥巖為主,砂礫巖在斷陷斜坡帶也較為發(fā)育,泥巖與砂礫巖接觸面積較大,具有近源成藏優(yōu)勢(shì)。

2 填隙物類型及特征

填隙物沉積和成巖作用的綜合產(chǎn)物,包括雜基和膠結(jié)物兩類。借助普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射分析手段,發(fā)現(xiàn)礫巖中發(fā)育泥質(zhì)雜基、火山灰、碳酸鹽、硅質(zhì)、黏土礦物、黃鐵礦、濁沸石等填隙物類型。其中,黃鐵礦、濁沸石含量低,對(duì)砂礫巖孔隙的影響也不明顯,不作為本次探討的內(nèi)容。

2.1 填隙物類型與含量

累計(jì)開展了100余塊砂礫巖樣品的填隙物測(cè)試,表1列出了部分測(cè)試結(jié)果。由表1可知,砂礫巖中的雜基主要為泥質(zhì)和少量的粉砂巖,體積分?jǐn)?shù)一般3%～10%,平均為9.1%;碳酸鹽填隙物成分包括方解石、鐵方解石和鐵白云石,體積分?jǐn)?shù)0.5%～11.2%,平均為4.6%;硅質(zhì)填隙物含量較低,體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)2.2%,平均為0.5%;黏土礦物類型主要為綠泥石,伊蒙混層和伊利石,體積分?jǐn)?shù)一般15%～35%,平均為21.4%;黃鐵礦含量較少,主要以交代碳酸鹽的形式發(fā)育,體積分?jǐn)?shù)平均為0.5%;濁沸石僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn),體積分?jǐn)?shù)平均為0.1%。

表1 沙河子組砂礫巖中填隙物的類型與含量Table 1 Content and types of interstitial fillings in sandy conglomerates of Shahezi formation

續(xù)表1

2.2 填隙物的顯微特征

泥質(zhì)雜基為同沉積填隙物,與碎屑顆粒同時(shí)沉積,含量反映水動(dòng)力強(qiáng)弱,并影響儲(chǔ)層的成巖演化[11]。根據(jù)薄片觀察,該區(qū)高雜基含量(高于10%)砂礫巖中巖石顆粒多呈棱角-次棱角狀,雜基支撐特征比較明顯(圖1(a)),粒間孔隙較少發(fā)育;低雜基含量砂礫巖中巖石顆粒多呈次棱角-次圓狀,顆粒支撐為主,粒間孔隙相對(duì)發(fā)育(圖1(b))。低雜基含量砂礫巖一般對(duì)應(yīng)水動(dòng)力較強(qiáng)的辮狀河三角洲和扇三角洲分流河道微相,高雜基含量砂礫巖一般對(duì)應(yīng)水動(dòng)力偏弱的濱淺湖和沖擊平原微相[12]。

圖1 沙河子組砂礫巖中填隙物顯微照片F(xiàn)ig.1 Micrographs of interstitial fillings in sandy conglomerates of Shahezi formation

火山灰也是同沉積填隙物,一般含有較高的不穩(wěn)定組分,在成巖過(guò)程中很容易發(fā)育蝕變[4]。沙河子組砂礫巖的母巖成分主要為凝灰?guī)r、流紋巖、粗面巖和安山巖[3],火山灰與這些碎屑顆粒一同經(jīng)過(guò)短距離搬運(yùn)后入湖堆積,因此火山灰的穩(wěn)定性較差。根據(jù)薄片鑒定,砂礫巖中的火山灰主要為凝灰質(zhì),受水化作用的溶蝕,僅有較少的火山灰被保留下來(lái)(圖1(c)),因此薄片中可觀察到的火山灰較少。此外,凝灰質(zhì)在成巖早期偏堿性介質(zhì)條件下極易水化蝕變釋放出Fe2+、Mg2+,有利于蒙脫石、綠泥石礦物的形成。

碳酸鹽膠結(jié)物的成分以鐵方解石(圖1(a))和鐵白云石(圖1(e))為主,呈細(xì)晶-中晶產(chǎn)狀,呈斑點(diǎn)狀交代碎屑顆?；蝠ね岭s基(圖1(f))。根據(jù)薄片觀察,碳酸鹽膠結(jié)物分兩期形成:成巖早期堿性火山灰填隙物表面Ca2+、Mg2+與有機(jī)質(zhì)氧化提供的CO2-3、HCO-3反應(yīng)形成了少量方解石膠結(jié)物,但這部分膠結(jié)物多數(shù)被溶蝕,僅有少部分殘留;中成巖A晚期之后,隨著成巖環(huán)境由酸性向堿性轉(zhuǎn)變,孔隙水中的CO2與Ca2+、Fe2+及Mg2+結(jié)合形成鐵方解石和鐵白云石。

硅質(zhì)膠結(jié)物的形成與煤系烴源巖所產(chǎn)生的酸性流體息息相關(guān),SiO2可由長(zhǎng)石顆粒溶蝕或黏土礦物的轉(zhuǎn)化提供,在酸性環(huán)境下,各種來(lái)源的SiO2極易就近沉淀于顆粒之間。鏡下觀察到的硅質(zhì)填隙物主要有兩種賦存狀態(tài),一是以細(xì)晶或微晶分布在粒間孔隙或次生孔隙內(nèi),沿著孔隙壁生長(zhǎng),晶形狀較細(xì),石英含量較低,呈星點(diǎn)狀分布(圖1(h));二是石英自次生加大邊(圖1(i)),環(huán)邊狀包裹碎屑石英顆粒,部分顆粒邊緣能夠見到明顯的黏土或?qū)訝铍s質(zhì)的環(huán)邊線,加大級(jí)別為2級(jí),最寬可達(dá)到0.4 mm。

黏土礦物也是砂礫巖中重要的填隙物類型,成分以綠泥石,伊蒙混層、伊利石為主。綠泥石在掃描電鏡下主要呈絨球狀(圖1(j))、葉片狀發(fā)育(圖1 (k)),絨球狀綠泥石一般充填在孔隙中,葉片狀綠泥石多包于顆粒表面;伊利石是介于云母和高嶺石及蒙脫石間的中間礦物,研究區(qū)伊利石在掃描電鏡下呈葉片狀貼附于硅質(zhì)、高嶺石、綠泥石顆粒表面,或充填于粒間孔隙內(nèi),把孔隙分割成許多小孔隙,增加了迂回度(圖1(l));伊蒙混層是水敏性礦物,是蒙脫石向伊利石過(guò)渡的礦物,砂礫巖儲(chǔ)層中伊蒙混層多呈蜂窩狀(圖1(m))、發(fā)絲狀(圖1(n))發(fā)育。

2.3 填隙物的成巖演化

通過(guò)對(duì)孔隙中各類填隙物切割關(guān)系和充填關(guān)系的分析,總結(jié)出砂礫巖孔隙中各類填隙物成巖演化順序(見圖2):同沉積火山灰的早期水化反應(yīng)-壓實(shí)和壓溶作用-少量高嶺石膠結(jié)-綠泥石膠結(jié)、石英加大-早期方解石膠結(jié)-長(zhǎng)石、巖屑溶蝕-晚期石英加大-晚期方解石膠結(jié)-黃鐵礦交代。

圖2 砂礫巖的成巖演化Fig.2 The diagenetic evolution of sandy conglomerates

值得注意的是,不同薄片中觀察到的成巖現(xiàn)象也存在一定的差異:在石英含量高、分選性較好的砂礫巖中,主要發(fā)育壓實(shí)作用、早期膠結(jié)作用、溶蝕作用、晚期膠結(jié)作用、交代作用;在泥質(zhì)雜基含量高、分選性差的砂礫巖中,由于早期的壓實(shí)作用導(dǎo)致原生孔隙大量減少,此后成巖流通在砂礫巖中的流通不暢,被溶蝕的物質(zhì)不能及時(shí)的排出,導(dǎo)致溶蝕作用欠發(fā)育,成巖作用類型主要有壓實(shí)作用、早期膠結(jié)作用、晚期膠結(jié)作用。

3 填隙物對(duì)砂礫巖孔隙發(fā)育的影響

3.1 建設(shè)孔隙的填隙物類型

孔隙中的沉積火山灰經(jīng)歷了較短的風(fēng)化時(shí)間和搬運(yùn)距離,保留了較多的不穩(wěn)定組分,這些不穩(wěn)定組分在成巖作用早期的水化作用中被溶解,這是火山灰有利于改善儲(chǔ)層孔隙的機(jī)理。在機(jī)械壓實(shí)作用導(dǎo)致原生孔隙大量破壞的情況下,煤系烴源巖產(chǎn)生的酸性流體侵蝕火山灰形成次生溶孔,很大程度上改善了儲(chǔ)層的物性(圖1(c))。此外,砂礫巖孔隙度的測(cè)試結(jié)果也表明這一觀點(diǎn),即600余塊樣品統(tǒng)計(jì)顯示不含火山灰或凝灰質(zhì)巖屑的砂礫巖的孔隙度多數(shù)小于4.0%,而富含火山灰的砂礫巖的孔隙度平均可達(dá)6.0%以上,富含火山灰的砂礫巖儲(chǔ)層可到達(dá)Ⅰ類儲(chǔ)層級(jí)別。

硅質(zhì)膠結(jié)物的形成時(shí)期較早,沿著孔隙壁生長(zhǎng)細(xì)晶或微晶石英增加了巖石的抗壓強(qiáng)度,有效地保護(hù)了原生孔隙被壓實(shí)作用破壞(圖1(g))。此外,通過(guò)大量的薄片觀察發(fā)現(xiàn),硅質(zhì)膠結(jié)物多數(shù)發(fā)生在石英含量較高的砂礫巖中,而在石英含量較少的砂礫巖中則較少發(fā)育,原因可能與石英礦物經(jīng)壓溶作用提供了SiO2來(lái)源有關(guān),還可能與石英的支撐作用改善了成巖流體的流動(dòng)性,促進(jìn)了硅質(zhì)膠結(jié)物的析出有關(guān)。由于硅質(zhì)膠結(jié)物的含量較少,統(tǒng)計(jì)其對(duì)儲(chǔ)層孔隙影響的難度大,但與硅質(zhì)膠結(jié)物伴生的石英含量與砂礫巖孔隙度呈正相關(guān)(見圖3)。

圖3 砂礫巖孔隙度與石英含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity and quartz content of sandy conglomerages

3.2 破壞儲(chǔ)層孔隙的填隙物

雜基對(duì)該區(qū)砂礫巖孔隙度具有破壞作用,其機(jī)理包括兩方面,一是泥質(zhì)雜基自身占據(jù)一定的孔隙空間,降低儲(chǔ)層的原始孔隙度,因此砂礫巖中泥質(zhì)雜基含量越高,儲(chǔ)層孔隙度越低,即儲(chǔ)層孔隙度與泥質(zhì)雜基含量呈負(fù)相關(guān)(見圖4(a));二是泥質(zhì)雜基降低了砂礫巖抗壓強(qiáng)度,在壓實(shí)作用下容易被擠壓至孔隙中,阻礙成巖流體的流通,抑制溶蝕作用的大規(guī)模發(fā)生,這最有可能是泥質(zhì)雜基含量與砂礫巖溶蝕孔隙面孔率呈負(fù)相關(guān)的根本原因(見圖4(b))。

圖4 砂礫巖孔隙度、溶孔面孔率與泥質(zhì)雜基含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between porosity,rate of face porosity and mud matrix in sandy conglomerages

碳酸鹽膠結(jié)物一方面堵塞孔隙,另一方面能夠增加巖石的抗壓強(qiáng)度并為后期溶蝕提供物質(zhì)基礎(chǔ),因此,不少學(xué)者指出其在儲(chǔ)層孔隙演化中扮演雙重角色[13]。然而,沙河子組砂礫巖中的原生孔隙幾乎喪失殆盡,殘留少量原生孔隙的區(qū)域與膠結(jié)物含量關(guān)系不明顯;雖然成巖早期的方解石溶解提供了一定孔隙空間,但在煤系酸性流體環(huán)境下難以形成較多的方解石膠結(jié)物[14-15],而且成巖早期形成的溶蝕孔隙很容易被后期的壓實(shí)作用破壞,因而該區(qū)碳酸鹽膠結(jié)的建設(shè)性作用微弱。在成巖后期,隨著酸性流體相對(duì)減少和儲(chǔ)層致密化導(dǎo)致的流體流動(dòng)性變差,鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物開展快速形成,這些膠結(jié)物沉淀以后很少被溶蝕,常見鐵白云石以孔隙式充填于粒間孔、粒間溶蝕孔中,進(jìn)一步減少孔隙空間。膠結(jié)作用減少的孔隙度大致等于膠結(jié)物含量,碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)與砂礫巖現(xiàn)今孔隙度具有較明顯的負(fù)相關(guān)性(見圖5)。

黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響較為復(fù)雜,一方面綠泥石礦物充填在孔隙當(dāng)中,破壞大孔隙的完整性,將大孔隙分割成小孔隙;另一方面,伊蒙混層和伊利石分布在顆粒表面,但很少見搭橋狀充填的伊利石,對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的破壞小,而且綠泥石、伊利石和伊蒙混層自生發(fā)育大量的晶間微孔(圖1(o))。因此,沙河子砂礫巖孔隙度與黏土礦物含量呈不太明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖6)。

圖5 砂礫巖孔隙度與碳酸鹽含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between porosity and carbonate content of sandy conglomerages

4 結(jié)論

(1)徐家圍子斷陷砂礫巖儲(chǔ)層中發(fā)育填隙物的種類多,含量高、期次復(fù)雜,多種填隙物同時(shí)發(fā)育,共同制約砂礫巖孔隙的發(fā)育。

(2)填隙物對(duì)砂礫巖孔隙演化的影響表現(xiàn)在:成巖早期火山灰水化反映和硅質(zhì)膠結(jié)有利儲(chǔ)層孔隙發(fā)育和保存;泥質(zhì)雜基減少原始孔隙并抑制次生溶蝕的發(fā)育,黏土礦物在破壞大孔隙的完整性的同時(shí)提供大量的晶間,晚期碳酸鹽膠結(jié)物填充殘余孔隙使得砂礫巖孔隙空間進(jìn)一步減少。

圖6 砂礫巖孔隙度與黏土礦物含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between porosity of sandstone and clay mineral content of sandy conglomerages in Shahezi formation

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(編輯 王亞新)

Characteristics of Interstitial Material in Sandy Conglomerate and Its Effects on Reservoir Porosity

Wang Yuxiang
(Geological Brigade,The Fourth Oil Extraction Plant of Daqing Oilfields Co.Ltd.,Daqing Heilongjiang163511,China)

The successful exploration of natural gas in Shahezi formation opened the prelude for sandy conglomerate gas in faulted formation of Xujiaweizi depression in Songliao basin.Sandy conglomerateare characteristics by high interstitial fillings, complex types and various origins.The relationship between interstitial material and sandy conglomerate is unclear,which restricts the effective reservoir prediction.According to characterization of thin section,scanning electron microscope,X diffraction,physical testing,the types of interstitial fillings and the influence on sandy conglomerate reservoir are analyzed.The results show that the interstitial material types include mud matrix,volcano ash,carbonate,siliceous,clay minerals,pyrite, etc.The main interstitial fillings are mud matrix and carbonate,followed by clay minerals,silica and volcanic ash,with pyrite seldom developed.Mudmatrix and volcano ashare sedimentary fillings,silica and clay minerals are formed in the early to middle diageneticstage,and carbonate cements are mostly developed in late diagenetic stages.The relationship between interstitial fillings types and rock porosity indicates that mudmatrix plugs the pore throat and reduces original pore greatly.Siliceous cementation and chlorite cladding in the early diagenetic stage increase reservoir strength,which is conducive to the preservation of primary porosity.The volcano ash is easy to be dissolved,which is favorable for the development of secondary pores.Large poresare devided into small pores by clay mineral and a large number of micro pores are provided,so clay mineral content and the porosity are negatively correlated.Residual poresare filled by late carbonate cements,which increase the density of sandy conglomerate.

Xujiaweizi depression;Shahe formation;Tight;Sandy conglomerate gas;Reservoir;Interstitial fillings;Porosity

TE345

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.015

1006-396X(2017)01-0075-07投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-23

:2016-10-10

中國(guó)石油天然氣股份公司重大科技專項(xiàng)“大慶油田原油4 000萬(wàn)噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011E-1202)。

王玉祥(1969-),男,工程師,從事石油地質(zhì)研究;E-mail:dqytwyx@sina.com。