碎屑岩储层的基本特征.doc

碎屑岩系油气储层沉积学第二章第二章 碎屑岩储层的基本特征全球主要油气田的储层是沉积成因的碎屑岩和碳酸盐岩地层，这就要求研究油气储层的沉积环境、古地理条件、沉积体的空间展布特征及各沉积相带的相互配置关系；从而此建立储层的沉积模式及其地质模型，以便全面而准确地评价和预测储层的空间分布、形态特征与纵、横向上的物性变化规律，来满足油气勘探与开发所需要了解的储层的范围（外延井的确定）和井间特性（物理特性和空间特性）。碎屑岩储层与碳酸盐岩和其它岩类储层相比具有四个优点：孔隙以粒间孔为主，而碳酸盐岩多为粒内孔；沉积作用控制强；粒度的粗细对孔、渗的影响通常具有较好的规律性；压实过程比较清楚，并易进行定量分析。第一节 储层的物理特性油气储层的物理特性主要是指其孔隙度、渗透率、饱和度的基本特征，它们不仅是储层研究的基本对象，而且是储层评价和预测的核心内容，同时也是进行定量储层研究的最基本参数。一、储集岩的孔隙性岩石的孔隙广义上讲是指岩石中未被固体物质所充填的空间部分，也称储集空间或空隙；它包括粒间孔、粒内孔、裂缝、溶洞等。而狭义的孔隙则是指岩石中颗粒间、颗粒内和填隙物内的空隙。一）孔隙分类根据不同的研究内容和目的，孔隙可按不同的方法进行分类，如按孔隙成因、孔隙大小、与颗粒的接触关系等，因此得出的分类结果有所不同（表21）。按照孔隙的成因可将孔隙分为两大类：原生孔隙：指沉积物沉积后，成岩作用之前或同时所形成的孔隙；次生孔隙：指在成岩作用之后，由于溶解、重结晶和白云岩化作用等产生的孔隙。严格来讲，地壳上的各类岩石或多或少都存在着孔隙，只不过是孔隙大小、结构和多少不同。表21 碎屑岩的常见孔隙分类方案分类方法分类标准分类结果按孔隙与颗粒的接触关系孔隙在岩石中分布的位置粒间孔隙粒内孔隙填隙物内孔隙按孔隙成因成岩作用前或中原生孔隙成岩作用后次生孔隙按孔径大小和裂缝宽度孔径0.5mm超毛细管孔隙0.5mm孔径0.0002mm毛细管孔隙孔径0.0002mm微毛细管孔隙按孔隙对流体的渗流情况孔隙连通有效孔隙孔隙孤立无效孔隙依据孔隙直径和裂缝或裂隙宽度，以及对流体的作用，可将孔隙划分为三种类型：超毛细管孔隙：孔径大于0.5mm，或裂缝宽度大于0.25mm。自然条件下，流体在重力作用下可在其中自由流动，胶结疏松的砂体大多属于超毛细管孔隙。流体的流动遵循静水力学的一般性规律。毛细管孔隙：孔隙直径在0.50.0002mm，裂隙宽度在0.250.0001mm之间。在这种孔隙中，无论是在流体质点间，还是流体和孔隙壁间均处于分子引力的作用之下。由于毛细管的作用，流体不能自由流动，只有在外力大于本身的毛细管力时，流体才能在其中流动，一般的砂岩孔隙多属于此类。微毛细管孔隙：孔隙直径小于0.0002mm，裂缝宽度小于0.0001mm。在此类孔隙中，分子间的引力很大，要使液体在孔隙中流动需要非常高的压力梯度。因而，在正常地层条件下流体不易流动，这就是人们常将孔道半径大于或小于0.1m作为流体能否在其中流动的一个分界线的原因。粘土岩和致密页岩一般属此种孔隙。按孔隙对流体的渗流情况分类：有效孔隙：孔隙间互相连通，流体在自然条件下可在其中流动的孔隙空间。无效孔隙：指岩石中那些孤立而互不连通的孔隙及微毛细管孔隙。二）孔隙度由于孔隙度是控制油气储量及储能的重要物理参数，因此，在对储层进行研究、评价及预测的过程它是人们不可回避的研究对象。可以说它是储层研究的最基本标量。通常依据孔隙的大小和连通情况，孔隙度可分为绝对孔隙度和有效孔隙度两类：1、绝对孔隙度岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样总体积的比值。可用下式表示：式中：绝对孔隙度；岩样中全部孔隙体积之和，（cm3）；岩样全部体积，（cm3）。2、有效孔隙度是指那些互相连通的、且在一定压差下允许流体在其中流动的孔隙总体积（即有效孔隙体积）与岩石总体积的比值。可用下式表示：表22 我国东部碎屑岩储层孔隙度的常用标准级别范围（%）评价I25极好II2520好III2015较好IV1510中等V105较差VIK500高渗透率III500K100中渗透率IV100K10低渗透率VK3050010-3m2中孔中渗型储层302050010010-3m2中孔低渗型储层20101001010-3m2低孔低渗型储层1510101.010-3m2致密型储层1050.10.0210-3m2超致密型储层20.0210-3m2方成正比，同时与喉道迂曲度有关。表26 我国某气田的孔、渗、喉储层分类标准一览表（于兴河等，1996）孔隙度（%）15低孔中孔高孔渗透率（10-3m2）20低渗中渗高渗喉道半径（m）5.8细喉中喉粗喉近年来，随着储层评价的要求，人们开始采用孔喉半径、孔隙度和渗透率相互配置关系的综合分类方案（表26）。由于喉道半径与排驱压力有着较好的定量关系。因此，该方法不仅克服了其他分类方案的不足，而且能够更好地体现出孔隙结构的物性特征与孔、渗的对应关系。然而，储层物性的分类区间对于评价和预测储层的物性变化十分重要，其确定方法应是在统计直方图的基础，依据其分布的规律，最是遵循正态分布的规律进行。它直接影响着油气储层的综合评价与随机建模的门限和步长。第二节 储层的几何特性地质体的几何特征长期一来就是地质学描述的主要对象之一，由于地质形态与研究者的想象的原因，使得其描述语言和名词多样，并无法量化。某种程度上讲，这种现象制约了其沉积学的研究、认识与总结升华。油气储层的几何特性是研究与预测油气储层两大特性的重要组成部分之一，尤其是碎屑岩系油气储层的几何特性研究更为重要，它的研究不仅对油气田的勘探与开发起着至关重要的作用，而且它也是确定油层连通性、油水界面位置的重要参数，同时，单油层或成因单元的空间几何特征还是确定其沉积环境，预测砂体展布规律不可忽视的内容。砂体几何形态是判断沉积环境的重要标志之一，这是因为砂体的形态、大小和分布通常是其对形成环境与沉积作用的反映，与沉积环境有着直接的关系，因而它成为地震相识别的重要依据之一。砂体的几何形态包括形状和大小两方面的内容：其形状既有平面形态，又有剖面形态，另外，大小的概念只是相对的和定性的，较难规定出一个具体的定量标准。此外，砂体的几何形态特征是建立储层地质模型，尤其砂体中骨架模型的主要证据和原则之一，在进行随机模拟时，它是确定变异函数主要结构参数的判别依据。一、砂体的剖面几何特征研究砂体的剖面几何特征不仅可以帮助人们识别其沉积环境，同时在进行井间砂体对比时，尤其是不同几何特征砂体的空间叠置时，是研究者应遵循的原则和研究重点。因此，研究储集单砂体剖面的几何特征，通常可起到五个作用：井间对比的原则；确保砂体的连通形式，即叠置关系；推测砂体延伸范围；分析沉积（微）相的空间展布；建立储层骨架模型的依据。1、顶平底凹型透镜体此种剖面形态，通常为各种水道沉积砂体横剖面的主要特征和各种充填沉积的结果。在垂向上多为向上变细的正韵律结构，其底部常具有冲刷面；测井曲线上多表现为钟形，或低幅锯齿状钟形，个别情况下为箱形（辫状河）。其宽/厚比的大小取决于不同的水道或河流性质。2、平顶凸型透镜体这种形态的砂体主要是由前积作用，如三角洲河口坝沉积的产物，另外，沿岸坝、远砂坝以及障壁岛的剖面形态也属此类。在垂向上为向上变粗的反韵律结构；测井曲线上则多表现为漏斗型，其宽厚比的大小，主要取决物源供给和地形坡度的陡缓。3、顶凸底凹型透镜体此种形态类型的单个砂体并不多见，通常是一些小规模沉积砂体，如三角洲前缘的指状砂坝等可成为此种形态。此种砂体的宽/厚比一般较小。4、楔形平行于流水方向的各类扇和三角洲，通常冲积扇或盆底扇砂体的横剖面形态常为楔状，其砂体厚度向盆地方向逐渐变薄。5、板状这种剖面形态，通常没有固定的沉积砂体类型，一般河道砂体的纵剖面和滩砂沉积横向剖面可为这种形态，在垂向剖面上粒度无明显的粗细变化，测井曲线上多为箱形，其宽/厚比通常大于3:1，小于20:1。6、条带状其宽/厚大于20:1，这种剖面形态，多为三角洲前缘席状砂和河道堤岸砂沉积的产物，此种砂体通常厚度较小，其粒度偏细，内部无明显的韵律变化。二、砂体平面的几何形态砂体的平面几何形态通常是用砂岩的厚度等值线图来表示，为了更好确地反映砂体的平面形态特征，最好是在对砂体进行科学对比的前提下，结合含砂率等值线的总体规律进行编，以反映砂体的真实形态。一）分类对砂体平面几何形态的地质描述，一般以长/宽比分类。1、席状其平面面积较大，L/W（L为长度，W为宽度）1:1，平面上呈等轴状；厚度薄而稳定，如陆棚砂或海滩砂可为席状。2、扇形可以分为扇状、朵状或朵叶状（图26），L/W3:1；砂体向盆地方向增厚并呈扇形散开，呈朵图26 扇形砂体的平面特征A扇状；B朵状；C朵叶状叶状，如冲积扇、海底扇或三角洲砂体。通常状下，冲积扇为厚层扇状；浊积扇则为层状朵体，而三角洲则为前积朵叶。但要视具体沉积条件和背景而论，如三角洲也可以是朵状。3、长形状L/W3:120:1；厚度不稳定，可进一步划分为：条带状，长宽比值大于3，有时可高达20：1或更大树枝状，一般比较弯曲，并具有分支或分叉带状，由于侧向移动条带状沙体与树枝状砂体结合起来可形成带状，如：沿岸沙坝、障壁岛、河流、三角洲及潮汐水道均可形成长形砂体鞋带状：L/W20:1。4、透镜状也称豆荚状或鸡窝状，分布面积特别小，L/W3。为了更好地反映砂体在三维空间的形态变化及展布特征，则采用长/宽/厚度的比值来加以描述（RBRobert，1986）。它们分别用L、W、T来代表。席状：L=W100T（图27）；朵状：L=W100T；椭圆状：LW100T；线状：L10W300T；指状：L10W100T。图27 砂质沉积组合体的空间形态类型（据RBRobert，1986）席状与朵状主要的区别是前者平面上呈等轴状；后者向一方向散开，而向另一个方向收敛。而指状与线状则主要是展布方向与变化趋势的不同，前者是向单方向变薄并尖灭，后者则是向两端变薄和尖灭。二）控制沉积平面形态的机制另外沉积体系的平面展布特征主要与可容纳空间（A）和沉积物供给量（S）之间的比值有关。可容纳空间的大小反映着地层基准面上升与下降所形成的沉积物可以堆积的能力，它受控于构造运动、沉积物的压实作用、分异作用以及水平面的变化等。当地表相对于基准面向下运动，即基准面上升时，沉积物贮存的潜能增大，即可容纳空变大；当地表在地层基准面之上向上运动时，剥蚀潜能增大。沉积物的供给量控制着沉积的作用、产物及其再分布，通过增加和减少沉积物，使地表向上或向下、靠近或运离地层基准面运动。制约沉积物供给量的因素主要有：气候、地形坡降、地貌高程、植被的发育状况、源区的岩石类型、营养供应、生物富集程度及生产能力、风化剥速度以及水动力能量。A/S值的增大或减小趋势与侧向上相关的沉积环境沿斜坡的上下迁移是一致的。以海岸不同三角洲类型的变化为例，随A/S值的变化产生了不同类型的三角洲沉积体（图28）。基准面下降期间，向陆方向可容纳空间减小，盆地高部位沉积物的贮存或堆积的能力降低，多数沉积物路过海岸平原而被搬运到滨面陆架上沉积。基准面上升期间，向陆方向的可容纳空间增大，高部位沉积物的贮存能力增加，沉积物大多发生沉积，而搬运至滨面的沉积物较少（Cotton，1918；Cross，等1993，邓宏文等，2002）。三、砂体的空间叠置与成因砂体的连通主要受沉积作用的控制，以河流为例其连通体通常有以下几种形式（图29）：即单边式或多边式（侧向上相互连通为主）；多层式（或称叠加式）垂向上相互连通为主；孤立式（未与其它砂体连通者）。图28 随A/S值变化的不同三角洲类型及其相组成的变化（据TACross，1999）砂体的空间叠置型式同样受控于A/S比值或基准面变化的影响，当A/S比值较低时，河道砂体在垂向上相互叠置的程度明显增加，使沉积作用以垂向加积为主，侧向加积为辅，这就减少了沉积微相的多样性，使砂体以多层式或多边式为主，增加了砂体的连能性；反之，当A/S比值较高时，原始地貌要素保存程度的增强导致河道砂体以侧向加积和填积主为，使沉积微相的多样性增加，砂体以单边式至孤立式为特征（图210）。图29 砂体的垂向叠置方式或连通型式与沉积作用的关系图210 A/S比值与基准面旋回内河道砂体在垂向上叠置型式的变化与连通（据TACross，1999）四、储层结构形体壳牌石油公司的KJWebert和LCVan Geuns （1989）认为，实际上所有的储层模型都被看作是多个均质层的在空间上的重叠组合，因而，为了更好地描述和简化砂体几何特征，将砂体的在空间的叠置型式与展布特征综合成储层的空间结构形体，分为三种拼块状(Jigsaw Puzzle)；迷宫状(Labyrinth)；千层饼状(Layer Cake)。以上三种基本结构主要是针对海相碎屑岩储层的总结，但考虑到陆相碎屑岩的沉积特点，提出第四种（于兴河，1979），即夹心状或馅饼状(Stuffing Pie)。一）拼合状结构它是由一系列砂体拼合而成的，是多层式砂体叠置而形成的储集体。单元之间没有大的间隙。储层内夹偶然低渗透或非渗透砂体。某些重叠砂体之间也存在非渗透的隔层。砂层之间会出现岩石物性的大变化，某些砂体内部存在着严重的非均质性。砂体的连续性较好，单层砂体的厚度通常较大而稳定。二）迷宫状结构迷宫状是多个砂透镜体的孤立式组合。单个砂体通常小而连续性不好，在剖面上经常出现这种情况。连接部分是由薄层席状低渗透砂岩组成的，在井距小的地方可以进行详细的对比，砂体连续性经常是有方向性的。三）千层饼状结构千层饼状储层模型由非常宽广的砂体组合，也可以是由单边式或多边式砂体的叠置而成，砂体的连续性好，单层厚度通常变化较大，砂体水平渗透率在侧向上没有大的变化，但在垂向上可出现明显的渐变。四）馅饼状结构它主要是则孤立式砂体叠置所形成，砂体的连续性中等偏差，厚度变化大，砂体与砂体之间的连通性较差，在河流与河口坝发育的横向剖面上多表现为此特征，前三角洲部位发育的滑塌重力流多为此类型。以粒粗三角洲体系为例，上三角洲平原由于砾石质砂坝的叠置与洪水的平面射流作用，多形成多层式拼块状和千层饼状的结构；下三角洲平原由于河道开始发生分流与迁移，则形成多边式拼块向迷宫状过渡的结构；三角洲前缘由于河口坝的形成与席状砂的发育，则形成孤立的馅饼状和千层饼状的结构特征；前三角洲中所夹的砂体，其成因可以是滑塌和波浪改造的产物，多形成馅饼状结构。第三节 碎屑岩储层的基本特征碎屑岩油气储层与碳酸盐岩储层和其它岩类储层存在着很大的差异，这不仅仅是因为碎屑岩储层是油气田的主要储集体之一，而更重要的是由于其沉积成因、结构、构造以及物性的形成机制具有其自已的特色之处，其基本特征的规律性也相对于碳酸盐岩和其它类型的储层明显要好。一、岩石学特征一）岩石类型碎屑岩按粒度可分为砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。另外，由火山碎屑物质组成的岩石称为火山碎屑岩(为非正常碎屑岩)。砾岩主要由粒度大于2mm（50，F25，R25，Q75，R25，Q75，F8）。在泥岩与粉砂岩之间，有许多过渡类型，如泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等。泥岩一般不成为储层，但在裂缝发育时，可形成裂缝型储层。火山碎屑岩是主要由火山碎屑物质(岩屑、晶屑和玻屑)组成的一种特殊碎屑岩类，具有火山岩和碎屑岩的双重特点。主要岩石类型有集块岩、火山角砾岩、凝灰岩、熔结凝灰岩和沉积凝灰岩等。二）组构特征碎屑岩包括三种基本组成部分，即碎屑颗粒、填隙物和孔隙，其中碎屑颗粒占岩石总组成的50以上。岩石碎屑以陆源碎屑为主，亦有盆内碎屑。碎屑成分主要为石英(Q)、长石(F)和岩屑(R)。石英为稳定组分，长石和岩屑为不稳定组分。通常，应用稳定组分与不稳定组分的相对含量(即Q(F+R)来表示岩石的成分成熟度。碎屑岩填隙物包括杂基和胶结物。杂基一般为粒度小于0.0315mm(大于5)的非化学沉淀的细粉及粘土。胶结物是指直接从粒间溶液中沉淀出来的化学沉淀物，主要有碳酸盐矿物(方解石、白云石、铁方解石、铁白云石和菱铁矿)、硅质矿物(石英、玉髓和蛋白石)、粘土矿物(高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石和伊蒙泥层矿物等)、硫酸盐矿物(石膏、硬石膏、天青石和重晶石等)、沸石类矿物(方沸石、浊沸石、柱沸石、杆沸石、丝光沸石和光沸石等)，以及铁质矿物(赤铁矿、褐铁矿和黄铁矿)等。碎屑岩结构包括碎屑颗粒本身的特征(粒度、形状、球度、圆度和颗粒表面特征)、颗粒的分选性、胶结物特征以及碎屑与填隙物之间的关系(胶结类型)。结构成熟度是指碎屑物质在风化、搬运和沉积作用的改造下接近终极结构特征的程度，其主要标志是杂基含量、分选性及磨圆度。三）支撑形式众所周知，碎屑岩的支撑形式一般分为两种类型，颗粒支撑和杂基支撑。但依据其颗粒大小、分布特征和杂基的含量等可分为五类（图211）：1、同级颗粒支撑：基本上由同一粒级的砾石或砂所组成的岩石颗粒支撑格架。2、多级颗粒支撑：多种粒级的颗粒依级依次构成岩石的支撑格架。所谓“依级依次”指上一级颗粒的支撑格架空隙内，由次一级的颗粒构成第二级支撑格架。顺次组成多级颗粒支撑。图211 碎屑岩的支撑形式（据纪友亮，1996）A同级颗粒支撑；B多级颗支撑；C局部杂基支撑；D杂基支撑；E混合支撑；1粗杂基和孔隙；2细杂基；3粗细混合杂基和孔隙3、局部杂基支撑：砾岩中相当大的部分为细杂基支撑。4、杂其支撑：颗粒呈游离状分布在基质中。5、混合颗粒支撑：同级颗粒支撑，多级颗粒支撑和少量的杂基支撑相组合搭配构成的支撑格架。四）沉积构造沉积构造是指沉积物沉积时或之后由于物理作用、化学作用和生物作用形成的形迹。据成因可将其分为物理成因构造、化学成因构造和生物成因构造。其中物理成因(机械成因)的沉积构造包括层理构造、层面构造和变形构造。1、物理成因构造（1）层理构造：是碎屑岩十分重要的特征，它主要是通过岩石中的矿物成分、结构、颜色等变化所显现出的成层构造，包括水平层理、波状层理、交错层理(板状交错层、槽状交错层理、楔状交错层理、羽状交错层理、丘状交错层理)、平行层理、递变层理、韵律层理、块状层理等。层理构造可使储层渗透率具有各向异性的特点。（2）层面构造：为表现在层面上的各种不平坦构造，包括波痕、泥裂、雨痕和冰雹痕、冲刷面、槽模、沟模及钵模等。（3）变形构造：是在沉积物沉积后、固结成岩之前，富含孔隙水的泥质或泥质粉砂沉积物在重力、滑塌等作用下形成的层内或层面构造，包括：重荷模、包卷层理、滑陷(塌)构造、沙火山、枕状构造（假结核）及泄水构造（如碟状构造）等。引起沉积物变形的机理通常有五种：密度大的沉积物叠覆于密度小的沉积物之上，在重力的影响下产生移动，可形成重荷模；沉积物的液化或流体化作用，指一些饱含水的细砂，粉砂及泥质物在外界的因素影响下（如负载压力、地震波及其它