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克拉蘇沖斷帶白堊系儲層成巖作用及其對儲層質量的影響①

2014-12-02 02:36:50朱筱敏張劍鋒
沉積學報 2014年5期

潘 榮 朱筱敏 劉 芬 李 勇 張劍鋒

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院 北京 102249;2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 新疆庫爾勒 841000)

0 引言

隨著油氣勘探開發的不斷深入,常規儲層勘探開發的潛力和產量有所降低,而低滲透油氣資源在全球油氣增儲上產中扮演了越來越重要的角色,也越來越受到地質學家們的關注[1~4]。成巖作用對儲層物性質量具有重要影響,國內外學者做了較多的研究[5~10]。柳益群等(1996)對陜甘寧盆地東部上三疊統延長組儲層的研究表明,濁沸石、方解石及綠泥石的膠結作用、化學壓實作用直接降低儲層儲集性能,而濁沸石、長石的溶解使砂巖物性得到改善[6];朱筱敏等(2008)在對蘇北盆地上白堊統泰州組砂巖成巖作用分析后指出,壓實和膠結作用降低孔隙度,且碳酸鹽膠結物含量小于15%時,膠結作用對儲層質量影響較小,溶蝕作用形成了大量的粒間溶孔[7];Morad等(2010)認為成巖作用對大多數碎屑巖儲層的質量和非均質性有著重要的影響[8];Ajdukiewicz等(2010)對墨西哥灣侏羅紀深部Norphlet組儲層研究認為,沉積作用后快速形成的綠泥石包殼(chlorite coats)是深埋儲層(6 645 m)孔隙度達20%,滲透率達 200×10-3μm2的主要原因[9];張霞等(2012)就自生綠泥石黏土對儲層物性的影響,做過詳細的研究,其認為早成巖階段形成的綠泥石襯里對儲層具有雙重影響,但建設性大于破壞性[10]。

白堊系是庫車坳陷克拉蘇沖斷帶油氣勘探的主力層系之一,該沖斷帶白堊系三角洲砂巖儲層質量直接影響主力油氣產層的油氣分布及富集程度,因此,探討其成巖作用及其對儲集層物性影響對于儲層研究及油氣勘探開發均具有重要意義。

1 研究區地質概況

克拉蘇沖斷帶位于庫車坳陷北部,北臨北部單斜帶,南為拜城凹陷,是目前庫車坳陷油氣最富集的構造帶。克拉蘇斷裂為一條高角度斷穿基底的斷裂,該斷裂形成于三疊紀,新近紀以來在南北向擠壓作用下[11],逆沖推覆活動較為強烈,上盤地層大幅度抬升,具有較大垂向位移,而下盤發育大量北傾的分支逆沖斷層,形成楔狀疊瓦構造帶(圖1),以其為界,上盤為克拉蘇區帶,包括克拉區、吐北區;下盤為克深—大北區帶,包括克深區及大北區。研究區內鉆井揭示了第四系、新近系、古近系、白堊系及侏羅系等(總厚度可逾萬米)。本次研究選取埋深差異大的克拉區和克深區,以白堊系儲層為研究對象。克拉蘇斷裂活動直接造成克拉蘇斷裂上下盤儲層埋深、成巖作用的明顯差異。該區白堊系主要沉積類型有沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲等[12~14]。

近年來克拉蘇沖斷帶白堊系的勘探已取得巨大的經濟效益,巴什基奇克組為主力產層。以古近系庫姆格列木群膏鹽巖為界,豐富的鹽下斷塊、斷背斜圈閉和鹽上背斜圈閉提供了廣闊的勘探前景。研究區白堊系儲層非均質性強,埋深大,直接影響了油氣勘探效益。因此,通過對白堊系儲集層的性質、成巖作用及有效儲層發育控制因素等進行研究,以期為油氣勘探開發提供依據。前人從沉積微相、構造擠壓、成巖環境等方面對庫車坳陷不同構造帶白堊系儲層控制作用做過研究[15~17];也有學者對克拉蘇沖斷帶下盤西段大北區塊儲層研究后指出,在穩定構造背景下發育的辮狀河三角洲前緣環境下分選好的中—細砂巖,經歷早期表生溶蝕、弱碳酸鹽膠結作用及晚期構造破裂的疊加作用的儲層為優質高產儲層,溶蝕作用和構造作用為儲層質量主控因素[18,19]。本文在前人研究工作的基礎上[15~19],基于研究區 14 口井的1 081塊巖石薄片、11口井的457塊鑄體薄片、5口井47塊掃描電鏡和45塊陰極發光等樣品觀察,著重分析對比上盤克拉區及下盤克深區白堊系成巖作用和孔隙演化特征,討論成巖作用對儲集空間演化的控制作用及對儲層質量的影響。

2 儲集層巖石學特征

圖1 庫車坳陷克拉蘇沖斷帶位置(A)、斷裂分布圖(B)及構造剖面圖(C)Fig.1 Location(A),distribution of faults(B)and tectonic section(C)in the Kelasu structure zone,Kuqa depression

克拉蘇斷裂上盤克拉區白堊系巴什基奇克組儲層埋深為約2 300~4 000 m,最大沉積厚度可達400余米;下盤克深地區巴什基奇克組儲層埋深較深,約6 500~8 000 m,沉積厚度300余米,但因埋深深度大,大部分井未鉆穿巴什基奇克組。整體上巴什基奇克組為一套粒度相對偏粗(砂礫巖、中粗砂巖、含礫細砂巖),單層砂體偏薄的三角洲沉積儲集砂體。

上盤克拉地區白堊系巴什基奇克組儲集巖主要為紅褐色楔狀交錯層理中粗砂巖,巖石類型以長石質巖屑砂巖、巖屑砂巖為主(圖2);石英平均含量48%,巖屑含量較高,平均值為38%,其中主要為變質巖巖屑,多為石英巖、片巖、千枚巖巖屑;長石平均含量約為14%;儲層磨圓次棱角—次圓狀為主,分選中—好;顆粒間以點—線接觸為主,壓實強度中等,膠結物以碳酸鹽為主,含量約7.8%。下盤克深地區巴什基奇克組儲層巖主要為紅褐色楔狀交錯層理細砂巖、含泥礫細砂巖,較上盤克拉地區,砂體搬運距離變長,粒度略細;巖石類型以巖屑質長石砂巖為主(圖2);石英平均含量48%,巖屑含量較克拉區有所降低,平均含量為23%,主要為變質巖巖屑,類型與克拉區一致;碳酸鹽膠結物平均含量約7.3%;顆粒間接觸關系可見線接觸—凹凸接觸;在機械分異作用和沉積微相控制下,成熟度較上盤克拉區略有增高。總體上這套儲集體具有成分成熟度較低、結構成熟度中等—偏低、成巖作用強—極強、分布廣泛的特征。

圖2 克拉蘇沖斷帶巴什基奇克組儲層砂巖分類圖Fig.2 Classification plot for sandstones of the Bashijiqike Formation in the Kelasu structure zone

3 儲集層成巖作用類型及特征

對克拉蘇沖斷帶白堊系巴什基奇克組儲層的鏡下觀察分析表明,儲層在沉積之后主要經歷的成巖作用有壓實作用、膠結作用、溶蝕作用和破裂作用。克拉蘇沖斷帶白堊系儲層膠結物包裹體均一溫度分布范圍為90℃~155℃,其主峰區間為90℃~100℃;儲層中黏土礦物以伊/蒙混層、伊利石為主,其中伊/蒙混層中蒙脫石的平均含量為20%,克深地區部分埋深超過7 000 m的儲層中伊/蒙混層中蒙脫石的平均含量為14.8%,據此判定巴什基奇克組儲層主要處于中成巖A2期,克深地區部分埋深區成巖演化稍強,處于中成巖B期。儲層壓實作用及膠結作用較強。上盤克拉區溶蝕作用較強,次生溶蝕孔隙為主要的儲集空間;下盤克深地區構造破裂作用造縫明顯,對儲層性質影響較大。

3.1 壓實作用

白堊系巴什基奇克組整體壓實作用較強,以機械壓實作用為主。平面上上盤克拉區巴什基奇克組粒度偏粗,埋深偏淺,視壓實率40%~50%,壓實強度中等;下盤克深區儲集層粒度略細,靠近盆地腹部、地勢偏低、埋藏較深、負荷壓力大,視壓實率70%~85%,壓實強度強。縱向上,單井視壓實率隨著深度增加而增大。鏡下可見顆粒被壓碎(圖3A),云母等塑性巖屑被壓彎變形(圖3B),克深區深部儲層顆粒間接觸關系可達凹凸接觸。

3.2 膠結作用

巴什基奇克組儲層的膠結作用總體較強,以碳酸鹽膠結物為主,還可見黏土礦物、硅質、長石次生加大及硬石膏等,對儲集層的孔隙空間和喉道有重要影響。上盤克拉區大部分樣品視膠結率在80%以上,而下盤克深區儲層視膠結率均在80%以上,膠結作用強。碳酸鹽膠結物中方解石最為常見,也見鐵方解石、白云石及鐵白云石,早期的碳酸鹽膠結物主要以基質形式存在,其砂巖碎屑顆粒之間的接觸關系以不接觸或點接觸為主(圖3C),缺少長的線接觸,說明這種賦存狀態的碳酸鹽膠結物形成于有效壓實作用發生前的較早的成巖階段[20],其有利于增強巖石的機械強度和抗壓實能力[21,22];晚期碳酸鹽膠結物主要以晶粒狀、連晶狀產出,充填孔隙或是裂縫(圖3D),破壞儲層物性。黏土礦物主要為片狀伊/蒙混層、片狀伊利石,其次為高嶺石和綠泥石。硅質膠結物主要為石英加大邊和自生石英(圖3E)。克深區偏光顯微鏡下偶見長石次生加大,掃描電鏡中偶見放射狀石膏(圖3F)。

3.3 溶蝕作用

從儲層巖石鑄體薄片顯微鏡下觀察表明,顆粒溶蝕現象在克拉區較為常見,溶蝕對象主要是碳酸鹽膠結物及巖石骨架中的不穩定顆粒(長石和巖屑),顆粒間碳酸鹽膠結物溶蝕較為強烈,鏡下偶見顆粒整體溶蝕而形成鑄模孔(圖3G)。上盤克拉區溶蝕增孔量為 1.2%~18.7%,平均 10.7%;下盤克深區溶蝕增孔量為0.5%~3.4%,平均1.7%。溶蝕作用主要發育于細砂巖、中砂巖儲層中,產生的次生孔隙以粒間溶孔、粒內溶孔為主,次為粒緣溶孔。

圖3 克拉蘇沖斷帶巴什基奇克組儲集層顯微特征A.克拉201井,3 932.61 m,鑄體薄片,孔隙發育,見長石及巖屑粒內縫,紅色鑄體;B.克深207井,6 795.35 m,鑄體薄片,云母被壓彎變形,還可見粒間溶孔,紅色鑄體;C.克拉201井,3 984.03 m,鑄體薄片,方解石膠結致密,顆粒間呈不接觸或點接觸;D.克深202井,6 766.01 m,鑄體薄片,早期裂縫被方解石充填,方解石被染色;E.克拉201井,3 931.96 m,鑄體薄片,孔隙發育,石英加大邊清晰可見,見長石及巖屑粒內溶孔,紅色鑄體;F.克深2002井,6 855.11 m,掃描電鏡,粒間孔隙充填石膏;G.克深207井,6 798 m,鑄體薄片,溶蝕孔隙,鑄模孔,紅色鑄體;H.克拉201井,3 736.26 m,鑄體薄片,泥礫中間收縮縫,紅色鑄體;I.克深2井,6 640 m,鑄體薄片,構造縫切碎顆粒,紅色鑄體。Fig.3 Microscopic characteristics of the Bashijiqike Formation sandstone in Kelasu structure zone

3.4 破裂作用

新近紀以來,由于受喜馬拉雅運動的影響,南天山造山帶向塔里木盆地發生強烈逆沖,庫車坳陷受到強烈擠壓[23],區內斷層發育,儲層裂縫發育。破裂作用形成的裂縫是深部致密砂巖儲層的重要儲集空間,同時也為后期流體貫入進行化學淋濾作用和水巖礦化作用提供良好通道。巴什基奇克組儲層巖芯中可見宏觀裂縫,多為高角度縫;鏡下薄片可見成巖收縮縫、成巖壓碎縫及構造縫(圖3H,I)。克拉區裂縫增孔量為 0.05%~4.77%,平均 0.37%;克深區塊裂縫增孔量為 0.14%~1.81%,平均為 0.22%,對克深區深埋致密的儲集層來說,儲層質量改善明顯。就裂縫發育程度相比較而言,下盤克深區更為發育。

4 孔隙類型及孔隙發育特征

4.1 儲層孔隙類型

根據研究區內的鑄體薄片、掃描電鏡的觀察和統計,發現儲層孔隙幾何形態復雜多樣,按其成因主要可分為原生孔隙和次生孔隙兩大類。原生孔隙為巖石原始沉積下來就已經形成并保存至今的孔隙[24],可細分為粒間壓實殘余孔和粒間膠結充填殘余孔。次生孔隙則是指在巖石埋藏過程中,由各種淋濾、溶蝕、交代等成巖作用或其他地質因素如構造作用等形成的孔隙,主要為粒間溶蝕孔、粒內溶孔、粒緣溶孔、構造縫、溶蝕縫、微孔隙、鑄模孔,其中上盤克拉區內溶蝕作用產生的溶蝕孔隙和下盤克深區構造作用產生的裂縫是主要的儲集空間。巴什基奇克組儲層鑄體薄片鏡下面孔率較低,克拉區均值不足10%,克深區不足6%,但兩地區鑄體薄片鏡下統計次生孔隙占孔隙空間的50%以上,次生孔隙的發育對研究區儲層物性改善具有重要意義,因此,研究次生孔隙發育特征及孔隙的演化規律對有效優質儲層的預測是有利的。

4.2 斷裂帶上下盤儲層孔隙演化差異

克拉蘇斷裂帶上下盤白堊系儲層的沉積物質、地層埋藏史以及儲層成巖作用的差異,造成巴什基奇克組儲層的孔隙演化特征及孔隙空間分布規律在斷裂帶的上下盤之間存在較大差異(圖4)。

克拉蘇沖斷帶的埋藏方式可劃分為三個階段:早期緩慢淺埋,中期快速深埋,晚期差異調整。①早期緩慢淺埋階段,上、下盤埋深均較淺,壓實作用強度較弱,原生孔隙保存較好,早期方解石膠結物有效保存原生孔隙,白堊紀末期的構造抬升使得上下盤地層長期(30 Ma±)暴露剝蝕,大氣水沿區域不整合面、風化裂縫、砂體滲入地下對儲層產生淋濾溶蝕作用[15,19];②中期快速深埋階段,下盤克深區埋深最深可達8 000余米,壓實作用較上盤克拉區強,壓實及膠結作用共同減孔明顯;③晚期差異調整,斷裂上下盤出現顯著差異演化,下盤克深區小幅抬升后繼續深埋,構造擠壓推覆減孔作用明顯,但形成的裂縫及溶蝕作用有效改善了儲層物性,上盤克拉區抬升至4 000余米,溶蝕增孔作用明顯(圖4)。

5 成巖作用對儲層性質的控制

5.1 成巖物質控制儲層質量

成巖物質對成巖作用具有明顯的控制作用。克拉區及克深區儲集巖巖石成分中,石英及石英巖巖屑等剛性顆粒含量較高,具有一定支撐巖石骨架、抵抗壓實的作用,對原生孔隙有保護作用,且有利于后期次生孔隙的形成。對比斷裂上下盤不同粒度的巖芯樣品的物性分析結果表明(圖5),粒度及埋深對儲層質量均有影響,埋深淺且粒度偏粗的儲層物性質量較好。克拉蘇斷裂上盤克拉區儲層粒度偏粗,埋深淺,抗壓能力強,中粗砂巖物性最好,平均孔隙度為13.44%;下盤克深區埋深普遍較深(>6 500 m),強烈的壓實膠結作用使得儲層致密化,不同粒度儲層物性差異不大,相比而言中粗砂巖最好,平均孔隙度為4.19%,粉砂巖最差,平均孔隙度 1.59%。

5.2 壓實作用和膠結作用破壞儲層物性

圖4 克拉蘇沖斷帶巴什基奇克組上下盤孔隙垂向演化特征Fig.4 Vertical evolution of pores at the hanging and foot walls of the fault belt for the Bashijiqike Formation in Kelasu structure zone

成巖物質是成巖作用進行的基礎,由前述分析可知,上下盤不同巖石類型的儲層物性均隨埋藏深度增加而變差,可見壓實作用對儲層物性的影響。從Houseknecht(1987)[25]建立的評價壓實作用與膠結作用相對作用大小評價圖可知,斷裂上盤克拉區塊壓實作用造成的平均原始孔隙損失率為54%,膠結作用造成的平均原生孔隙損失率為21%;下盤克深區塊相應數據為80%,12%。可見壓實作用和膠結作用是造成白堊系巴什基奇克組儲層原生孔隙損失的重要因素,壓實作用對下盤克深區儲層性質影響更大。

圖5 克拉蘇沖斷帶巴什基奇克組不同粒級砂巖儲層物性Fig.5 Reservoir properties for the Bashijiqike Formation with different grain sizes in Kelasu structure zone

圖6 克拉蘇沖斷帶巴什基奇克組砂巖膠結物含量—粒間體積關系圖(假定原始粒間體積為40%)Fig.6 Plot of intergranular volume vs.cement for the Bashijiqike Formation sandstone(with a depositional intergranular volume of 40%)

5.3 溶蝕作用和破裂作用有效改善儲層物性

研究區白堊紀末期的構造抬升使得區內上白堊統剝蝕殆盡,下白堊統頂部不同程度被剝蝕,大氣淡水對下白堊統地層的表生淋濾作用產生了豐富的次生孔隙[15,19]。新近紀以來克拉蘇斷裂的沖斷推覆活動產生了一系列斷層,使得斷層上盤克拉區抬升調整產生溶蝕作用,下盤克深區深埋壓實儲層產生裂縫。而克拉蘇沖斷帶烴源巖成熟時間較晚,與溶蝕階段相當,油氣運聚時期的酸性水沿斷層通道產生溶蝕作用[12,15],下盤克深區儲層內的裂縫也為流體運移提供通道(圖3I),原有構造縫得到溶蝕擴大,有效改善儲層物性。通過鏡下薄片觀察發現,克拉蘇沖斷帶的溶蝕作用主要為碳酸鹽膠結物的溶蝕,以及長石顆粒、部分巖屑的溶蝕(圖3B,E,G)。

6 結論

(1)克拉蘇沖斷帶白堊系巴什基奇克組儲層具有粒級相對偏粗,成分成熟度較低,膠結物以碳酸鹽為主,分選中—好,磨圓次棱角—次圓狀、結構成熟度中等—偏低的巖石學特征。

(2)白堊系巴什基奇克組儲層目前處于中成巖A2-B階段,其主要成巖作用類型有壓實作用、膠結作用、溶蝕作用及破裂作用。克拉蘇斷裂上、下盤的成巖作用強度、儲層埋深差異明顯。上盤克拉區儲層粒度偏粗,埋深相對較淺,經歷了中等強度的壓實作用和較強膠結作用,保留部分原生孔隙,溶蝕作用產生了豐富的次生孔隙;下盤克深區儲層埋深相對較深,壓實作用和膠結作用更強,原生孔隙基本消失,主要為破裂作用和溶蝕作用形成的次生孔隙。

(3)埋深淺且粒度偏粗的儲層質量好,成巖作用對儲層質量影響明顯。壓實作用及膠結作用直接導致原生孔隙明顯減少,這兩類成巖作用在克拉區造成75%的原生孔隙消失,克深區的原生孔隙損失率為92%;溶蝕作用及破裂作用使得儲層質量得到有效改善。

(4)近年來,隨著克拉蘇沖斷帶勘探程度的深入,油氣勘探重點逐步轉向斷裂帶中深層,但白堊系儲層的深埋狀態及儲層非均質性嚴重制約油氣勘探成效。因此,確定白堊系儲集層成巖作用特征及其對物性的影響、孔隙演化特征,對進一步的油氣勘探開發具有重要意義。

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