砂岩孔隙成因对孔隙度_渗透率关系的控制作用_以鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组为.docx

文章编号 167129727 (2004) 0620648206砂岩孔隙成因对孔隙度/ 渗透率关系的控制作用以鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组为例黄思静张萌朱世全武文慧黄成刚“( 油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 ,成都理工大学地球科学学院 ,成都 610059) 摘要 鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组砂岩储层分布于印支期不整合面之下 ,砂岩次生孔隙的成因与印支期暴露时间间隔中大气淡水的溶解作用有关 ,因而越靠近不整合面的上部 油层组 ,砂岩物性越好 ,同时储集空间中次生孔隙的比例也越大 。孔隙的这种成因模式和构成方式直接影响了砂岩的孔隙度/ 渗透率关系 ,越靠近不整合面的上部油层组 ,要获得相同的渗 透率所需要的孔隙度越大 ,砂岩的孔隙度/ 渗透率关系越差 。基于这种原理 ,在考虑陇东地区三叠系储层砂岩的孔隙度下限时 (如在定义渗砂岩时或在进行与孔隙度下限有关的储量计算时) ,不同油层组应有不同的标准 ,假定以 0 . 1 10 - 3 m2 的渗透率作为标准 , 对陇东地区而 言 ,长 1 长 2 油层组的孔隙度下限可能应在 11 %左右 ,而长 8 油层组可能只要 8 %左右就足够了 。 关键词 陇东地区 ;延长组 ;砂岩 ;大气淡水 ;孔隙度 ;渗透率 分类号 T E122 . 23 文献标识码 A孔隙体 积 显 著 大 于 沉 淀 高 岭 石 的 体 积 ( 分 别 是111 % 0 . 7 % 和 0 . 3 % 0 . 4 %) 6 ; Emery 等 (1990) 7 、Ramm ( 1992 ) 8 、Bloch 等 ( 1993 ) 9 也 注意到了近地表暴露和淡水淋滤作用对砂岩物理 性质的影响 ,认为深埋地层中孔隙增加现象的存 在并不能证明孔隙的产生和铝的迁移就是在深埋 地层中发生的 ,孔隙的产生和铝的迁移可能发生 在大气水作用带 ,在以后的继续深埋藏过程中 ,这碎屑岩储层次生孔隙的成因是近年来地学界关注的重要问题之一 。20 世纪 70 年代以来 , 砂 岩储层及相应成岩作用研究的最重要突破是在砂 岩中发现了大量次生孔隙 。现已证实至少有 1/ 3的砂岩油气储集空间是在成岩过程中形成的 。国 内外地质学家为此做了大量的工作 ,包括在实验 室的模拟和在油田勘探实践中提出的许多新观点 。Surdan 等人在 20 世纪 80 年代1 , 2从有机2无机相互作用的角度研究了储层成岩作用和次生孔隙的形成与演化 ,其成果对次生孔隙形成机理 和有关理论产生了巨大的影响 。20 世纪 80 年代到 90 年代 ,人们普遍认为有 机酸在地下岩石孔隙形成过程中具有巨大的作些孔隙可以被保存下来8 , 9。黄思静等 ( 2003) 10 从鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩储层分布于印支期不整合面之下这一 基本事实出发 ,根据碎屑中长石含量的纵向变化 规律及其与不整合面的关系 、高岭石含量的纵向 变化规律及其与不整合面的关系 、岩石物性的纵 向变化规律及其与不整合面的关系 、次生孔隙在 储集空间中比例的纵向变化规律及其与不整合面 的关系 ,以及次生孔隙发育带与主要烃源层之间用1 5;然而 20 世纪 90 年代以来 ,人们开始注意到开放体系中大气淡水对砂岩骨架颗粒溶解产生次生孔隙的现象 ,如美国 San Joaquin 盆地处于 大气水作用带的 Vedder 砂岩中 ,长石溶解形成的 收稿日期 2004207208 作者简介 黄思静 (1949 - ) ,男 ,硕士 ,教授 ,博士生导师 ,沉积学专业 . ( E2mail : hsj cdut . edu. cn)第 6 期黄思静等 :砂岩孔隙成因对孔隙度/ 渗透率关系的控制作用649 的配套关系的研究结果 ,认为印支期暴露时间间隔中大气淡水的淋滤作用是鄂尔多斯盆地延长组 砂岩次生孔隙形成最为重要的成岩机制 。然而 , 孔隙成因模式和构成方式的这种变化是否会对岩 石的孔隙度/ 渗透率关系造成影响 ,已有的研究并没有对此作出回答 。为此 ,我们在研究鄂尔多斯 盆地陇东地区延长组 ( 长 1 长 9) 砂岩物性纵向 变化规律 、孔隙成因和构成方式纵向变化规律的 基础上 ,进一步研究了砂岩孔隙度/ 渗透率关系的 纵向变化规律 ,企图以此说明印支期不整合面在控制砂岩物性 、孔隙成因和孔隙构成的基础上 ,进 一步控制了砂岩的孔隙度/ 渗透率关系 。3216 % ,因而长石是延长组砂岩最为重要的骨架组分 ,其在成岩过程中的溶解及相应次生孔隙的 形成是最为重要的成岩作用 。据陇东地区三叠系 延长组 543 个砂岩样品铸体薄片分析结果 ,粒间 孔隙约占岩石储集空间的 52 % ,已知的次生孔隙(指骨架颗粒的溶蚀孔隙和自生矿物的晶间孔隙) 约占岩石储集空间的 41 % ( 余下的 7 %由微孔和 微裂隙构成 , 图 1B) 。由于粒间孔隙中也包括一 部分次生孔隙 ( 这部分次生孔隙是难于判断和定 量的) ,因而估计原生孔隙和次生孔隙各占储集空间的一半 。在次生孔隙中 ,长石溶孔及与长石溶 解有关的高岭石晶间孔是最为重要的次生孔隙类 型 ,其提供的储集空间占次生的 3/ 4 以上 。地质背景陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部 ,三叠系 延长组是重要的石油储层和产层之一11 。延长 组是以河流和湖泊相为主的陆源碎屑沉积 ,底部 与中三叠统纸坊组呈不整合接触 ( 平行不整合) , 顶部在印支期暴露时间间隔中受到不同程度的剥 蚀 ,与侏罗系延安组或富县组呈不整合接触 (平行 不整合) (表 1) 。人们通常将延长组划分为五段 、10 个油层组 (表 1) ,长 7 油层组是最为重要的烃源层 ,而长 2 、 长 6 和长 8 油层组都是较为重要的储集层 。在岩 石学特征上 ,陇东地区延长组储集层主要由岩屑长石砂岩和长石砂岩构成 ,两种岩石占全部砂岩 类型的 80 %以上 ( 图 1A) ; 1717 个薄片分析结果 表 明 , 碎 屑 中 长 石 端 元 含 量 的 平 均 值 高 达12不同油层组的孔隙构成和成因已有的研究10 表明 ,鄂尔多斯盆地延长组储层砂岩次生孔隙的成因主要与印支期暴露时间间隔中大气淡水的溶解作用有关 ,而不是埋藏成岩 过程中有机酸溶解作用造成的 ,其依据主要有这 样几点 : (1) 延长组砂岩中碎屑长石含量的纵向变化特征 ,靠近不整合面的上部油层组长石显著减 少 。(2) 延长组砂岩中自生高岭石含量的纵向变 化特征 ,靠近不整合面的上部油层组自生高岭石 含量显著增加 ,它们是长石溶解的产物 。(3) 延长 组砂岩岩石物性的纵向变化特征 ,靠近不整合面的上部油层组的孔隙度和渗透率显著增加 。( 4) 延长组砂岩次生孔隙含量的纵向变化特征 ,靠近 不 整合面的上部油层组的孔隙构成中 ,次生孔隙表 1 鄂尔多斯盆地三叠系延长组地层的划分 3Table 1 St ratigrap hic classificatio n of Triassic , Ordos Basin煤线 ,常因剥蚀而缺失凝灰岩据文献10 , 虚线表示不整合关系地 层 时 代厚度/ m岩 性 特 征系组段油层组侏罗系延安组或富县组三 叠 系延 长 组第五段长 10240暗色泥岩 、泥质粉砂岩 、粉 细砂岩 、砂岩的不等厚互层 ,夹炭质泥岩及第四段长 20150灰绿色块状细砂岩夹暗色泥岩 ,可因剥蚀而缺失长 3120150浅灰 、灰褐色细砂岩夹暗色泥岩第三段长 4 + 580110浅灰色粉 细砂岩与暗色泥质互层长 6100130褐灰色块状细砂岩 、粉 细砂岩 、泥质粉砂岩 、灰色或暗色泥岩 ,夹薄层第二段长 780100暗色泥岩 、炭质泥岩 、油页岩夹薄层粉 、细砂岩长 87085暗色泥岩 、砂质泥岩夹灰色粉细砂岩长 990120暗色泥岩 、页岩夹灰色粉细砂岩第一段长 1050300暗色厚层块状中 - 细砂岩 、极细砂岩 ,底部为粗砂岩纸 坊 组灰紫色泥岩 、砂质泥与紫红色中 、细砂岩互层成都理工大学学报 (自然科学版)第 31 卷650的比例显著增加 。( 5) 次生孔隙的增加主要发生在远离主要烃源层 ( 长 7 油层组) 、但靠近不整合 面的长 1 和长 2 等上部油层组 。位于鄂尔多斯盆地西南的陇东地区延长组砂 岩次生孔隙的成因与整个盆地一致13 :碎屑长石含量的纵向变化 、自生高岭石含量的纵向变化 、物 性的纵向变化 、孔隙构成 ( 次生孔隙出现的频率) 的纵向变化特征都说明了次生孔隙成因与印支期 暴露时间间隔中大气淡水的溶解作用有关 。次生 孔隙的这种形成方式显著控制了陇东地区砂岩物性的纵向变化特征 (图 2A) ,同时也控制了砂岩的 孔隙的构成方式 ,次生孔隙的主要类型 (长石溶孔 及与长石溶解有关的高岭石晶间孔) 在靠近不整 合面的上部油层组的含量显著较高 (图 2B) 。3不同油层组砂岩的孔隙构成对其孔隙度/ 渗透率关系的控制作用表 2 列出了鄂尔多斯盆地陇东地区延长组长1 长 9 油层组储层砂岩的孔隙度/ 渗透率关系方程 ,图 3A 显示了这些方程所对应的孔隙度/ 渗透 率曲线之间的相对位置 。图 3A 说明 , 从靠近不整合面的长 1 (上部油层组) 到远离不整合面的长9 (下部油层组) ,孔隙度/ 渗透率关系方程表现出 较有规律的变化 。总体上说 ,从长 1 到长 9 油层 组 ,孔隙度2渗透率关系曲线是逐渐下移的 , 它们在 y 轴 ( 孔隙度轴) 上的截距是逐渐变小的 ,因而 在相同渗透率的条件下 ,孔隙度的数值是逐渐变 小 的 ( 图 3B ) 。我们可以从这些关系方程得到各图 1 鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组砂岩的构成 (A) 和孔隙的构成 (B)Fig. 1 Plot of Q , F , R sandsto ne f rom analysis result s of t hin sectio ns (A) , and Histogram fo r po ro sit yco nstit utio n of sandsto ne reservoir (B) in YanchangFo rmatio n of Triassic , eastern Gansu , Ordo s Basin碎屑成分三角投点图各端元的意义据刘宝 (1980) 12图 2 延长组不同油层组储层砂岩的孔隙度( A) 和主要次生孔隙 ( 长石溶孔和高岭石晶间孔) 在不同油层组的分布状况(B)Fig. 2 Variation of t he porosit y (A) and dist ribution of t he main t ypes of secondary porosit y (B) for different members of Yanchang sandstone ( Chang 1Chang 9) of Triassic , eastern Gansu , Ordos Basin第 6 期黄思静等 :砂岩孔隙成因对孔隙度/ 渗透率关系的控制作用651 表 2 延长组 (长 1 长 9 油层组) 储层砂岩的孔隙度/ 渗透率方程及不同渗透率所对应的孔隙度Table 2 Equatio ns of porosit y/ permeability and t he porosities calculated f ro m t he equatio ns of different members of Yanchang sandsto ne ( Chang 1Chang 9) of Triassic , east er n Gansu , Ordo s Basi n 渗透率所对应的孔隙度 / %样品数 (个)油层组孔隙度/ 渗透率方程相关系数K = 0 . 1 10 - 3m2K = 1 10 - 3m2K = 10 10 - 3m2长 1长 2长 3长 4 + 5长 6 长 7 长 8 长 9 = 1 . 2414 ln K + 14 . 209 = 1 . 2903 ln K + 13 . 313 = 1 . 1883 ln K + 13 . 247 = 1 . 2614 ln K + 14 . 049 = 0 . 8741 ln K + 11 . 706 = 1 . 3729 ln K + 12 . 011 = 1 . 3168 ln K + 10 . 753 = 1 . 6032 ln K + 11 . 410 . 590 . 510 . 550 . 560 . 440 . 590 . 600 . 6740012192775133335053580278013911 . 410 . 310 . 511 . 19 . 78 . 87 . 77 . 714 . 213 . 313 . 214 . 011 . 712 . 010 . 811 . 417 . 116 . 316 . 017 . 013 . 715 . 213 . 815 . 1延长组 ( 长 1 长 9 油层组) 储层砂岩的孔隙度/ 渗透率关系曲线 ( A) 和 0 . 1 10 - 3m2 渗透率所对应的孔隙度(B)Fig. 3 Curves for relationship of porosit y to per meabilit y ( A) , and t he porosities corresponding to t he per meabilit y of0 . 1 10 - 3m2 of Yanchang sandstone ( Chang 1Chang 9) of Triassic , eastern Gansu , Ordos Basin图 3渗透率关系的地质因素较多14 ,彼此关系和组合也十分复杂 ,如不同沉积相的砂岩可以有不同的 孔隙度/ 渗透率关系 ;岩石的粒度 、分选 、圆度和杂基含量等岩石结构参数也会分别以不同组合的方 式影响岩石的孔隙度/ 渗透率关系 ; 另外 ,岩石的 孔隙构成 ,如原生孔隙与次生孔隙的比例 、微孔隙 的比例 、以及裂缝的发育程度也都可能影响岩石 的孔隙度/ 渗透率关系 。去掉与沉积相有关的因素 ( 如粒度 、分选 、圆 度和杂基含量等) 的影响 ,以及构造因素 ( 如裂缝 的发育程度) 的影响 ,控制延长组不同油层组孔隙 度/ 渗透率关系最为重要的因素可能是次生孔隙 在储集空间中的比例 。由于次生孔隙的主要形成机制是印支期暴露时间间隔中的大气淡水溶解作 用 ,因而各油层组与不整合面之间的距离就成为油层组要获得不同渗透率所需要的孔隙度 。比如 ,对长 1 油层组而言 ,要获得 0 . 1 10 - 3 m2 的 渗透率需 要 11 . 4 %的 孔 隙 度 ; 对 长 6 油 层 组 而言 ,获得 0 . 1 10 - 3 m2 渗透率需要 9 . 7 %的孔隙度 ;而到长 8 、长 9 油层组 ,只要 7 . 7 %的孔隙度 就可以获得 0 . 1 10 - 3 m2 的渗透率 。稍有异常 的是长 4 + 5 油层组 ( 表现在 0 . 1 10 - 3 m2 的渗 透率所需要的孔隙度上) 和长 7 油层组 ( 表现在 110 - 3m2 ,10 10 - 3 m2 的渗透率所需要的孔 隙度上) ,其原因可能与这两个油层组沉积物粒度较细有关 。因此 ,总体上说 ,从靠近不整合面的上部油层组到远离不整合面的下部油层组 ,陇东地 区延长组砂岩的孔隙度/ 渗透率关系是逐渐改善 的 。当然 ,影响岩石孔隙度 、渗透率以及孔隙度/成都理工大学学报 (自然科学版)第 31 卷652 不同油层组岩石孔隙度/ 渗透率关系的主要控制因素 ,下部油层组可能是由于远离不整合面 、孔隙 构成中次生孔隙的比例较小而具有较好的孔隙度/ 渗透率关系 。如果没有沉积相和构造因素的干 扰 (粒度 、分选 、圆度和杂基含量及裂缝的发育程度等) ,各油层组孔隙度/ 渗透率关系和它们与不 整合面的距离可能有着更好的相关性 。基于上述原理 ,在考虑储层的孔隙度下限时(如在定义渗砂岩时或在进行与孔隙度下限有关 的储量计算时) ,不同油层组应有不同的标准 ,假 定我们以 0 . 1 10 - 3 m2 的渗透率作为标准 , 对 陇东地区而言 , 长 1 长 2 油层组的孔隙度下限 可能应在 11 %左右 ,而长 8 油层组可能只要 8 % 左右就足够了 。参考文献1 Surdam R C , Boese S W , Crossey L J . The chemist ryof seco ndary porosit y J . AA P G Memoir , 1984 , 37 :127 - 149 .2 Surdam R C , Crosse y L J , Hagen E S , et al . Organic2inorganic and sandsto ne diagenesis J . AA P G Bulletin ,1989 , 73 : 1 - 23 .3 Ha yes M J , Boles J R. Volumet ric relatio ns bet ween dissolved plagioclase and kaolinite in sandsto nes ; implicatio ns for aluminum mass t ransfer in t he San Joaquin Basin , California J . S pecial Publicatio n. Societ y of Eco no mic Paleo ntologist s and Mineralogist s.1992 , 47 : 111 - 123 .4 Surdam R C , Crossey L J . Integrated diageneticmodeling ; a p rocess2oriented app roach for clastic systemsJ . 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S pecial Publicatio n , Societ y of Eco no mic Paleo ntologist s and Mineralogist s.1992 , 47 : 111 - 123 .7 Emery D , Myers K J , Young R. Ancient subaerialexposure and f reshwater leaching in sandsto nes J .Geology (Boulder) , 1990 , 18 : 1178 - 1181 .8 Ramm M . Porosity2dep t h t rends in reservoirsandsto nes ; t heoretical models related to J urassicsandsto nes off shore Norway J . Marine and Pet roleumGeology , 1992 , 9 : 553 - 567 .9 Bloch S , Franks S G. Preservatio n of shallow plagioclase dissolutio n porosit y during burial ; implicatio ns for porosit y p redictio n and aluminum mass balance J .AA P G Bulletin , 1993 , 77 : 1488 - 1501 .10黄思静 ,武文慧 ,刘洁 ,等 . 大气水在碎屑岩次生孔隙形成中的作用 以鄂尔多斯盆地三叠系延长组为 例 J . 地 球 科 学 中 国 地 质 大 学 学 报 , 2003 , 28(4) :419 - 424 .长庆油田石油地质志编写组. 中 国 石 油 地 质 志 ( 卷12) 长庆油田 M . 北京 : 石油工业出版社 ,1992 .1 - 22 .刘宝 . 沉积岩石学 M . 北京 : 地质出版社 , 1980 .125 - 127 .黄思静 ,张萌 ,武文慧 ,等 . 鄂尔多斯盆地西部延长组111213第 6 期黄思静等 :砂岩孔隙成因对孔隙度/ 渗透率关系的控制作用653 - 侏罗系和陇东地区长 6 - 8 油层组含油气储集层特征及成岩作用研究 R . 成都 : 成都理工大学 ,乌鲁木 齐 : 中国石油天然气总公司勘探开发研究院西北 分 院 ,2003 .14黄思静 ,侯中建 . 地下孔隙度和渗透率在时间和空间上的变化及影响因素 J . 沉积学报 ,2001 ,19 ( 2) : 224- 232 .Control of origin of pores over relationship of porosity topermea bil ity in sandstone reservoir : A ca se study f romYanchang sandstone of Tria ssic of ea stern Gansu , Ordos Ba sinHUAN G Si2jing , ZHAN G Meng , ZHU Shi2quan , WU Wen2hui , HUAN G Cheng2gang( S t ate Key L aboratory of Oi l an d Gas Reservoi r Geology an d Ex ploi t at ion , Chen gd u U ni versi t y of Technology , Chi na)Abstract : Yanchang sandsto ne in easter n Gansu , Ordo s Basin lies beneat h t he unco nfo r mity at t he base oft he J urassic sectio n . The o rigin of seco ndary po res is related to t he leachi