三塘湖盆地牛圈湖油田低孔特低滲儲(chǔ)集層特征及形成機(jī)理

文 靜，楊 明，齊韋林，姚孟多，侯全政

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059； 2.中國(guó)石油 吐哈油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 哈密 839009；3.中國(guó)石油 拉美公司，委內(nèi)瑞拉； 4.中國(guó)石油 吐哈油田公司 工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202)

特低滲透油氣藏被關(guān)注的程度正伴隨油氣勘探的進(jìn)程而逐漸增高，其儲(chǔ)集層特征的研究及其物性影響因素的分析也逐漸受到重視[1-6]。三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層無(wú)論從宏觀儲(chǔ)集層的構(gòu)筑，還是微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其滲流機(jī)理而言，都十分復(fù)雜[7-9]。雖然埋深僅1 520～1 920 m，卻比同在西部的埋深6 000 m的儲(chǔ)集層孔隙度、滲透率更差，為低孔、特低滲、低壓的“三低”復(fù)雜油藏。目前的勘探開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)證實(shí)，早期對(duì)儲(chǔ)集層特征的研究與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)存在一定矛盾，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)效果較差，嚴(yán)重制約了西山窯組儲(chǔ)集層油氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。因此，系統(tǒng)地開(kāi)展低孔特低滲儲(chǔ)集層特征及形成機(jī)理分析，為牛圈湖油田的基礎(chǔ)地質(zhì)研究及深入開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。同時(shí)，也期望為相似油田儲(chǔ)集層特征的研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

三塘湖盆地位于新疆東北部的巴里坤哈薩克自治縣與伊吾縣，北接蒙古，西鄰準(zhǔn)噶爾盆地，南臨吐哈盆地。受海西期、燕山期及喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，盆地劃分為南緣逆沖推覆帶、北部沖斷隆起帶和中央坳陷帶3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[1-2]。牛圈湖油田位于馬朗凹陷牛圈湖構(gòu)造帶，根據(jù)構(gòu)造特征和油水分布特點(diǎn)，平面上分為北區(qū)、東區(qū)和南區(qū)，其目的層位于中侏羅統(tǒng)西山窯組Ⅱ砂組底部，整個(gè)砂組分布穩(wěn)定，厚度介于115～246 m，目的層厚度介于15～30 m(圖1)。

2 儲(chǔ)集層特征

2.1 巖石學(xué)特征

25口井1 203塊薄片資料的分析顯示，牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層巖石類型以細(xì)砂巖為主，其次為粉砂巖、中砂巖、粗砂巖和砂礫巖；成分以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，含量達(dá)90%以上，少數(shù)樣品可見(jiàn)巖屑砂巖(圖2)。石英平均含量為26.50%(北區(qū)27.03%，東區(qū)27.50%，南區(qū)24.98%)，石英次生加大較為普遍，次生石英晶體晶形發(fā)育較好；長(zhǎng)石含量為23.34%(北區(qū)23.53%，東區(qū)23.38%，南區(qū)23.10%)，主要為鉀長(zhǎng)石，普遍具輕度的泥化和中度的高嶺石化、絹云母化；巖屑含量平均為47.66%(北區(qū)47.42%，東區(qū)45.95%，南區(qū)49.62%)，以火山碎屑巖巖屑為主，巖漿巖巖屑次之，少量變質(zhì)巖巖屑。

根據(jù)25口井125塊鑄體薄片的填隙物含量統(tǒng)計(jì)分析，南區(qū)高嶺石含量最高為5.74%，北區(qū)含量最低為3.40%，平均為4.51%；凝灰質(zhì)在北區(qū)最發(fā)育，含量為3.04%，東區(qū)為1.42%，南區(qū)為1.08%；3個(gè)區(qū)塊均含鐵方解石和硅質(zhì)膠結(jié)，個(gè)別井見(jiàn)少量?jī)?nèi)碎屑、片沸石、菱鐵礦、黃鐵礦和重晶石等。

2.2 孔隙類型

圖1 三塘湖盆地構(gòu)造分區(qū)和侏羅系綜合地層柱狀圖

圖2 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層巖石成分三角圖

西山窯組儲(chǔ)集空間類型較為復(fù)雜，主要包括3類：沉積過(guò)程中形成的原生粒間孔隙、成巖后由溶解及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用形成的溶蝕孔，以及各階段發(fā)育的微裂縫等(圖3)。原生粒間孔隙為西山窯組儲(chǔ)集層主要的儲(chǔ)集空間(圖3a，b)，達(dá)45.2%，多為壓實(shí)和膠結(jié)作用形成的殘留孔。其次為溶蝕孔，多為有機(jī)酸對(duì)殘留粒間孔的擴(kuò)大及粒間填隙物被溶解形成，包括粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔，其中大部分為粒間溶孔，以長(zhǎng)石內(nèi)和巖屑內(nèi)溶孔為主，鑄模孔較常見(jiàn)(圖3a，b，c)。微裂縫對(duì)孔隙的連通性起到了重要作用，在牛圈湖西山窯油藏一些井中可見(jiàn)(圖3d)。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

對(duì)該區(qū)油層段20口井56塊樣品的壓汞資料分析結(jié)果顯示，西山窯組油藏孔隙結(jié)構(gòu)較差，以儲(chǔ)集層主力巖性細(xì)砂巖為例：北區(qū)細(xì)砂巖平均孔喉半徑為0.92 μm，主要分布區(qū)間為0.1～0.5 μm，排驅(qū)壓力平均值為1.30 MPa，超過(guò)0.5 MPa的樣品占到70%左右，平均退汞效率為46.48%，歪度1.49，分選系數(shù)2.65；東區(qū)細(xì)砂巖平均孔喉半徑為1.45 μm，主要分布區(qū)間為0.1～0.5 μm和1～5 μm，排驅(qū)壓力平均值為0.89 MPa，超過(guò)50%的樣品小于0.5 MPa，平均退汞效率為48.57%，歪度1.51，分選系數(shù)2.67；南區(qū)細(xì)砂巖平均孔喉半徑為3.11 μm，主要分布區(qū)間為1～10 μm，排驅(qū)壓力平均值為0.34 MPa，超過(guò)75%的樣品小于0.5 MPa，平均退汞效率為51.13%，歪度1.37，分選系數(shù)2.33(表1)。

總體表明，北區(qū)儲(chǔ)集層孔喉半徑小，排驅(qū)壓力和飽和度中值壓力大，退汞效率不高，孔隙結(jié)構(gòu)差，總體呈現(xiàn)為中—差分選、細(xì)歪度分布不均勻的微喉；東區(qū)儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)有所變好，平均孔喉半徑增大，排驅(qū)壓力和飽和度中值壓力降低，退汞效率升高；南區(qū)儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)最好，孔喉半徑大，排驅(qū)壓力和飽和度中值壓力低，退汞效率高，孔喉細(xì)—中歪度，分選較好；南區(qū)的物性要好于東區(qū)，北區(qū)最差，孔喉半徑及中值半徑越大則滲透率越高，微細(xì)喉比例越大，滲透率越低[10]。

圖3 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層孔隙類型

區(qū)塊平均孔喉半徑/μm最大孔喉半徑/μm排驅(qū)壓力/MPa中值壓力/MPa中值半徑/μm最大進(jìn)汞飽和度/%殘留汞飽和度/%退汞效率/%歪度分選系數(shù)北區(qū)0．921．611．3020．940．0884．8843．2346．481．492．65東區(qū)1．452．330．8914．020．1586．0945．6448．571．512．68南區(qū)3．114．680．343．940．2692．6845．3151．131．372．33

2.4 物性特征

16口井1 695塊巖心的物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，西山窯組儲(chǔ)集層物性普遍較差，根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6285—2011《油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法》[11]，結(jié)合單井進(jìn)行劃分，北區(qū)為特低孔—低孔特低滲儲(chǔ)集層，東區(qū)為低孔低滲—特低滲儲(chǔ)集層，南區(qū)為中低孔低滲儲(chǔ)集層，總體評(píng)價(jià)牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層為低孔特低滲儲(chǔ)集層(表2)。

3 低孔特低滲形成機(jī)理

牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層所表現(xiàn)的低孔特低滲物性特點(diǎn)，主要受沉積、成巖和構(gòu)造作用影響。巖石的組分、結(jié)構(gòu)和類型由沉積環(huán)境決定[12-17]；成巖作用可以改造儲(chǔ)集層，具建設(shè)性和破壞性兩重作用[18-24]；儲(chǔ)集層物性可被構(gòu)造作用改善。各因素對(duì)物性的影響程度不同[25-27]。

3.1 沉積作用

3.1.1 粒級(jí)對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響

牛圈湖油田不同區(qū)塊不同巖性對(duì)應(yīng)著不同孔隙度和滲透率，總體上表現(xiàn)為隨巖性粒級(jí)的增加，孔隙度和滲透率變大，物性變好。但顆粒分選、磨圓等因素也影響其孔隙度和滲透率，當(dāng)粒徑增大至一定程度后，顆粒粒徑與孔隙度、滲透率的正相關(guān)關(guān)系變差?？梢?jiàn)，粒徑和孔隙度、滲透率的正相關(guān)關(guān)系在一定范圍內(nèi)存在，且顆粒粒徑對(duì)滲透率影響相對(duì)更明顯(圖4)。

3.1.2 填隙物對(duì)物性的影響

25口井1 203塊薄片資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，填隙物中黏土、高嶺石、方解石含量對(duì)面孔率影響較大。黏土是影響儲(chǔ)集層面孔率的主要因素，當(dāng)面孔率大于2%時(shí)，黏土含量普遍小于2%；當(dāng)黏土含量大于2%時(shí)，面孔率小于2%，兩者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而對(duì)于高嶺石含量，在牛9-8井13號(hào)樣品中存在其與面孔率成正相關(guān)關(guān)系，高嶺石含量近3%時(shí)，面孔率仍接近4%，原因在于高嶺石主要以雜亂堆積方式存在于碎屑顆粒間，這種發(fā)育產(chǎn)狀導(dǎo)致砂巖的微孔增加，但孔喉減小，滲透性明顯變差，對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響比較嚴(yán)重。

總體上西山窯組儲(chǔ)集層沉積作用有效控制了儲(chǔ)集層的原始物性特征。

表2 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層物性統(tǒng)計(jì)

注：表中算式含義為：最小值～最大值/平均值。

圖4 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層不同區(qū)塊不同巖性平均孔隙度和平均滲透率統(tǒng)計(jì)

3.2 成巖作用

3.2.1 壓實(shí)作用、膠結(jié)作用為破壞性成巖作用

西山窯組儲(chǔ)集層在成巖過(guò)程中壓實(shí)作用較強(qiáng)，對(duì)儲(chǔ)集層物性影響較大[28]，主要表現(xiàn)為碎屑顆粒呈半定向、定向重新排列(圖5a)；儲(chǔ)集層中石英、長(zhǎng)石等剛性顆粒所受應(yīng)力隨著儲(chǔ)集層埋深增加、地層壓力增大而不斷變大直至破裂(圖5b)；同時(shí)可見(jiàn)火山巖巖屑、凝灰質(zhì)、云母等柔性組分變形呈假雜基擠入顆?？臻g，導(dǎo)致儲(chǔ)集空間減小(圖5c)；顆粒之間逐漸由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化成點(diǎn)—線接觸及線接觸，降低了孔隙空間(圖5d)。

不同類型的膠結(jié)作用將對(duì)儲(chǔ)集層物性產(chǎn)生明顯不同的影響[29]，西山窯組儲(chǔ)集層主要受黏土礦物、碳酸鹽礦物及硅質(zhì)膠結(jié)作用控制。煤系地層的酸性環(huán)境造成該儲(chǔ)集層中高嶺石含量較高，在黏土礦物中的相對(duì)含量達(dá)到65.04%；其次為綠泥石，相對(duì)含量為17.45%；伊利石為12.30%；伊蒙混層為7.30%；蒙皂石含量較低，為2.59%。高嶺石主要以分散質(zhì)點(diǎn)式分布，充填于砂巖的粒間孔隙中(圖6a)，減小了砂巖的孔隙度。掃描電鏡下高嶺石顯示為蠕蟲狀、書本狀或雜亂堆積(圖6b)。綠泥石膜主要呈葉片狀或者針葉狀附于顆粒表面，形成綠泥石薄膜(圖6c)。伊利石產(chǎn)狀對(duì)儲(chǔ)集層物性影響較大，較多的大孔隙、大喉道被其分割成復(fù)雜的小孔隙、小喉道，嚴(yán)重影響儲(chǔ)集層的滲流能力。在孔隙內(nèi)部伊/蒙混層多呈孔隙襯墊式出現(xiàn)，減少孔隙度，通常呈蜂巢狀形態(tài)(圖6d)。

圖5 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層壓實(shí)作用

圖6 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層膠結(jié)物

a.牛17-13井，1 573.26～1 573.30 m，高嶺石雜亂堆積充填孔隙；b.湖204井，1 615.23～1 615.40 m，高嶺石蠕蟲狀、書本狀或雜亂堆積，分布于孔隙中；c.湖204井，1 618.27～1 618.43 m，綠泥石呈針葉狀、鱗片狀分布于顆粒表面；d.牛17-13井，1 568.61～1 568.99 m，伊/蒙混層呈片狀或卷曲絲發(fā)狀分布于顆粒表面；e.牛17-13井，1 583.70 m，鐵方解石連晶充填；f.牛117井，1 584.00 m，碳酸鹽膠結(jié)；g.湖201井，1 681.00 m，石英次生加大；h.湖213井，1 820.20 m，微晶石英顆粒

Fig.6 Cementation of Xishanyao Formation, Niujuanhu oil field, Santanghu Basin

西山窯組儲(chǔ)集層底部發(fā)育大量鈣質(zhì)夾層，導(dǎo)致儲(chǔ)集層膠結(jié)致密，形成無(wú)效儲(chǔ)集層。沉積晚期孔隙內(nèi)部碳酸鹽膠結(jié)物以難溶的鐵方解石為主，孔隙急劇降低，對(duì)儲(chǔ)集層物性影響嚴(yán)重(圖6e，f)。

西山窯組硅質(zhì)膠結(jié)較發(fā)育，以Ⅱ—Ⅲ期石英次生加大(圖6g)、微晶石英顆粒(圖6h)為主，生成的石英次生加大邊使石英顆粒之間呈緊密的線接觸或凹凸接觸，填充了原本存在的粒間孔；而部分加大邊改變了儲(chǔ)集層的喉道形態(tài)，嚴(yán)重減弱了滲流能力；同時(shí)微晶石英充填于顆粒之間的孔隙中，不同程度地占據(jù)了孔隙空間，降低了孔隙度。

3.2.2 溶蝕作用為建設(shè)性成巖作用

牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層主要發(fā)育凝灰質(zhì)溶孔，其次為長(zhǎng)石溶孔及少量巖屑溶孔，對(duì)儲(chǔ)集層改善起到了關(guān)鍵作用[30]。隨著煤系地層埋深的加大，生成的有機(jī)酸逐漸溶蝕巖石，形成次生孔隙，酸性流體在流動(dòng)的同時(shí)還引起滲透率的增加。酸性流體一般沿著孔道中部對(duì)區(qū)域內(nèi)大量分布的凝灰質(zhì)進(jìn)行溶蝕，溶蝕后形成的殘余凝灰質(zhì)在孔隙四周較常見(jiàn)(圖7a)。酸性流體一般沿解理縫對(duì)長(zhǎng)石進(jìn)行溶蝕，經(jīng)不完全溶蝕殘留的長(zhǎng)石輪廓比較明顯(圖7b)；在溶蝕作用較弱時(shí)而產(chǎn)生的選擇性溶蝕作用下形成了蜂窩狀溶蝕孔(圖7c)。巖屑溶孔發(fā)育相對(duì)較少且形成的孔隙較細(xì)小，對(duì)孔隙空間的增加起到一定作用，但對(duì)滲透率的影響不大(圖7b)。

3.3 構(gòu)造作用

牛圈湖地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了大量斷裂和裂縫。巖心和鑄體薄片顯示，早期形成的微裂縫大部分處于充填或半充填狀態(tài)，有效微裂縫大部分發(fā)育于晚期，可見(jiàn)油或?yàn)r青質(zhì)充填現(xiàn)象(圖7d)。裂縫為油氣運(yùn)移的主要通道，同時(shí)也是酸性流體運(yùn)移進(jìn)入儲(chǔ)集層的通道，是牛圈湖油田油氣成藏的重要控制因素。

3.4 孔隙演化分析

通過(guò)以上分析，結(jié)合前人研究[23,2,9]顯示：西山窯組儲(chǔ)集層伊/蒙混層礦物中蒙皂石層含量介于12%～58%，平均為26.1%；石英次生加大Ⅱ級(jí)為主，少部分為Ⅲ級(jí)，石英和長(zhǎng)石顆粒普遍發(fā)育次生加大邊，顆粒之間主要為線接觸、點(diǎn)—線接觸；砂巖中可見(jiàn)晚期含鐵碳酸鹽類膠結(jié)物；西山窯組儲(chǔ)集層鏡質(zhì)體反射率為0.53%～0.69%，平均為0.62%；巖石最大熱解峰值平均為441 ℃；研究認(rèn)為，西山窯組儲(chǔ)集層處于中成巖A期的晚期成巖階段。在成巖序列劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射等資料分析顯示，西山窯組儲(chǔ)集層依次經(jīng)歷了壓實(shí)、早期腐植酸溶蝕、高嶺石形成、石英及長(zhǎng)石的次生加大、伊蒙混層以及伊利石的形成、晚期有機(jī)酸溶蝕及晚期鐵質(zhì)—石英膠結(jié)的成巖演化序列。根據(jù)三塘湖盆地馬朗凹陷M1井埋藏史(圖8)分析認(rèn)為，西山窯組沉積后至晚白堊紀(jì)之前經(jīng)歷了快速深埋的過(guò)程，在45 Ma的過(guò)程中埋藏達(dá)2 000 m,埋藏速度達(dá)44.40 m/Ma。在早期的快速深埋過(guò)程中，由于缺乏碳酸鹽巖和硅質(zhì)膠結(jié)，造成儲(chǔ)集層快速壓實(shí)。同時(shí)，快速壓實(shí)之后的各種膠結(jié)作用，進(jìn)一步降低了西山窯組儲(chǔ)集層的孔隙度及滲透率。

圖8 三塘湖盆地馬朗凹陷M1井西山窯組埋藏史

圖9 三塘湖盆地牛圈湖油田西山窯組儲(chǔ)集層壓實(shí)與膠結(jié)作用降孔對(duì)比

量化分析了壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響。壓實(shí)減孔量遠(yuǎn)大于膠結(jié)減孔量，膠結(jié)減孔量一般在5%左右，壓實(shí)減孔量基本大于16%，平均在18%左右。成巖壓實(shí)減孔是西山窯組儲(chǔ)集層孔隙損失的主要因素，膠結(jié)損失是次要因素(圖9)。

4 結(jié)論

西山窯組儲(chǔ)集層中細(xì)砂巖為主力巖性，長(zhǎng)石巖屑砂巖占90%以上，儲(chǔ)集空間主要為原生粒間孔、溶蝕孔和裂縫等。沉積作用控制著儲(chǔ)集層原始物性，在成巖及構(gòu)造作用多重因素下共同形成了低孔特低滲儲(chǔ)集層，其形成機(jī)理表現(xiàn)為以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)早期儲(chǔ)集層頂部含煤地層形成的酸性流體導(dǎo)致顆粒間缺少碳酸鹽膠結(jié)的支撐。

(2)強(qiáng)烈的快速壓實(shí)，損失大量原生孔隙。

(3)成巖過(guò)程中酸性沉積環(huán)境導(dǎo)致高嶺石的大量富集、石英次生加大邊的發(fā)育及晚期含鐵質(zhì)碳酸鹽膠結(jié)的發(fā)育，使得物性變差。

(4)沉積過(guò)程中酸性流體的不足與早期固結(jié)致密致使溶蝕作用微弱，進(jìn)一步促使西山窯組儲(chǔ)集層向低孔特低滲演化。

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