浅不同埋深条件下砂泥岩互层中砂岩储层物性变化规律

浅不同埋深条件下砂泥岩互层中砂岩储层物性变化规律

现在，对砂岩储层的评价通常以砂层为一个整体，讨论其物理特征、成岩作用、孔隙类型和孔隙发育。然而，很少有人关注砂层和界面附近砂岩的物理差异，以及界面中砂层的物理变化规律。然而，关于这一变化的机制研究很少。国外的suliven等人（1991年）、zhongyoe（1993年）、syliri度（2000年）、gilsey等人（2002年）和e40t等人（2002年）进行了一些探索。假设砂层靠近绿色粘土结合，砂岩的物理性质减少，但相关文献很少。国内在这方面的研究也较薄弱,孙永传等(1996)、郑浚茂等(1996)分别对南阳凹陷和黄骅坳陷砂岩成岩作用研究过程中提及过在砂岩顶底与泥岩接触的界面上存在钙质胶结的现象,但对其机理未作深入研究。虽然前人对济阳坳陷古近系砂岩储层的沉积背景(王秉海等,1992;戴启德等,1994;狄明信等,1994;赵澄林等,1999)、成岩作用(蔡进功等,2001,2002;吕正谋,1985;周自立等,1987)、水岩反应(张枝唤等,2000;曾溅辉,2000,2001)、储层演化与盆地地热史(杨绪充,1984;彭大钧等,1988;苗建宇等,2000,2003;史卜庆等,2003;邱楠生等,2004)以及物性控制因素(钟大康等,2003)等多方面作了大量研究,但是对不同埋深互层砂泥岩界面附近储层物性变化规律研究较少。近来笔者在对济阳坳陷古近系储层研究中,通过对砂泥岩界面附近进行大量密集采样研究发现,从砂泥岩界面向砂岩内部其物性有一定的变化规律,而且这种变化随砂岩和泥岩各自的厚度、组合方式以及埋藏深度不同而异。故本文将以济阳坳陷为例探讨不同埋藏深度以及不同砂泥岩组合方式下砂泥岩界面附近和砂岩内部储层的物性变化规律及其机理。1砂厚层储岩组合类型济阳坳陷位于渤海湾盆地的东部,自西向东由惠民凹陷、东营凹陷、沾化凹陷和车镇凹陷以及一系列的凸起组成(图1)。古近纪沉积了一套河湖相、多旋回的砂泥岩地层,通过研究可以把这套砂泥岩在垂向上的组合方式归结为五大类型(表1)。第一类为泥岩夹砂岩组合型(即泥夹砂),在这种组合类型中,泥岩占地层剖面的绝大部分,砂/泥岩厚度比在0.1～0.5内变化,砂岩多为粉砂岩和泥质粉砂岩,厚度较薄,一般在0.2m以下,有时可达1m以上。根据砂岩的厚度又可分为3小类:即巨厚泥岩夹极薄层砂岩、厚层泥岩夹中—薄层砂岩和厚层泥岩夹中—厚层砂岩,且砂岩的相对百分含量依次逐步增加。这种类型多形成于深—半深湖夹浊积扇环境或前(扇)三角洲环境。第二类为上部泥岩下部砂岩组合型(即上泥下砂),在这种组合类型中,上部为大套厚层泥岩,下部为多层中—薄层砂岩或厚层砂岩夹薄层泥岩,砂岩厚1～5m不等,总体上砂/泥岩厚度比为0.5～0.7,但在下部砂岩中,砂泥比基本上都在1以上。这种组合类型多形成于深—半深湖浊积砂岩体的上侧。第三类为下部泥岩上部砂岩组合型(即下泥上砂),这种组合类型与第二类基本上为一种镜像关系。在砂岩厚度和砂/泥岩厚度比方面基本上都很相近,仅仅只是砂泥岩叠置样式不同。常形成于前三角洲向三角洲前缘河口坝过渡环境或深—半深湖浊积砂岩体的下侧。第四类为砂泥岩互层型(即砂泥互层),在这种组合类型中,砂岩和泥岩的厚度很接近,砂/泥岩厚度比在0.8～1.2之间变化,有时为砂、泥岩的薄互层,砂、泥岩厚度大约为0.2～0.5m;有时为砂泥岩的中—厚层互层,砂泥岩厚度大约为0.5～2m。前者多形成于滨浅湖环境,后者多形成于三角洲前缘或平原环境。第五类为中—厚层砂岩夹薄层泥岩型(即砂夹泥),砂岩中—厚层状,单层厚2～5m,泥岩一般在1m以下,砂/泥岩厚度比在1.5以上,砂岩占主导地位,其多形成于河流、三角洲平原的分流河道、三角洲前缘的水下分流河道及河口坝砂体内部。2埋深较大时的储层储层物性根据对济阳坳陷惠民凹陷盘45井、商641井和商747井,沾化凹陷义3-7-7井以及东营凹陷永116井、河155井和史102井的研究发现,不同埋藏深度以及不同砂泥岩组合类型下砂泥岩界面附近储层的物性具有如下特征:(1)在浅埋藏条件下(深度<2500m),不同的砂泥岩组合类型对砂泥岩界面和内部储层物性的影响不大,除巨厚的泥岩夹极薄层砂岩组合类型外,基本上都是砂泥岩界面附近的物性好于砂层的中部。如惠民凹陷盘45井,砂泥岩界面附近的孔隙度可达30%以上,一般为28%～35%,而中部的一般25%～28%,且从界面向砂岩内部,孔隙度逐渐降低(图2)。与之相对应的碳酸盐胶结物含量,在砂岩中部较高,一般在10%以上,最高可达20%,而砂泥岩界面附近均较低,一般只有5%左右。镜下观察结果表明,这些碳酸盐都是成岩早期形成的方解石胶结物,孔隙基本上为溶蚀孔隙。这一现象说明在埋藏较浅的地质条件下,砂岩界面附近的溶蚀作用强于砂岩中部。东营凹陷永116和永921也存在类似的现象。(2)在埋深较大(深度>2500m)的地质剖面中如沾化凹陷义3-7-7、东营凹陷牛35、樊104等井,储层性质与上述情况有明显不同。以义3-7-7井为例:①当砂泥岩剖面为巨厚的泥岩夹极薄层砂岩(<20cm)时,砂岩的孔隙度和渗透率都非常低,孔隙度一般只有5%左右,渗透率低于10×10-3μm2,如3070～3100m井段。镜下观察砂岩孔隙不发育,所有孔隙基本上被早期的方解石和晚期含铁方解石充填。在阴极发光显微镜下早期方解石发橙黄色,晚期含铁方解石为暗红色。当砂岩厚度增加达中—厚层时,砂岩层内部物性开始出现差异,砂层中部的物性一般比砂泥岩界面附近的物性好,且稳定。在埋深3000～3500m,其中部的孔隙度一般稳定在18%左右,向砂泥岩界面方向孔隙度逐渐降低,从18%降到10%,越靠近砂泥岩界面孔隙度越低。从砂泥岩界面向砂层内部物性逐渐变好,到中部某一位置趋于稳定,其间存在一个物性过渡带。当砂层厚度为2m左右时,该过渡带约0.4m厚(图3a),当砂层厚度达7m左右时,该过渡带可达1.8m(图3b),说明过渡带厚度是砂层厚度的1/5至1/4左右。而与之对应的是砂层中部的碳酸盐含量较低,边部碳酸盐含量较高,孔隙度的变化与碳酸盐的变化呈现完全的镜像关系,而与砂岩的粒度关系不大。阴极发光薄片观察发现,砂层中部为早期的无铁方解石胶结物,且具有溶蚀特征,有时可见少量的晚期含铁方解石胶结物,且石英次生加大也不发育;而在砂泥岩界面附近,碳酸盐的胶结基本上为两期,即早期的无铁方解石和晚期的含铁方解石,还可见到石英次生加大,从而造成砂岩顶底部位物性比中部差。②当砂泥岩组合类型为上泥下砂或下泥上砂时,在与厚层泥岩接触处一侧的砂岩其物性明显变差,在3200～3300m的埋深条件下,孔隙度从砂岩层中部的20%左右降低到砂泥岩界面处的10%～5%,且越靠近砂泥岩界面位置,孔隙度越低,该低孔低渗过渡带基本上也为砂层厚度的1/4～1/5。即砂层厚7m时,过渡带厚约1.7m(图4a);砂层厚9m时,过渡带厚约1.8m(图4b)。越过该低孔低渗带后向砂岩层内部,物性变好,且基本上趋于稳定,孔隙度一般维持在15%～20%之间,这种物性变化与碳酸盐含量变化也有直接关系,物性变差主要与晚期的含铁方解石和白云石胶结有关。而另一侧与砂岩或极薄层泥岩接触的界面附近其物性与内部相近,基本上没有什么变化(图4a、b)。③当砂泥岩组合类型为砂泥薄—中等互层时,在3100m的埋深条件下,砂泥岩界面附近的物性仍比内部差,存在物性过渡带,且随着砂岩单层厚度减薄、泥岩厚度比例越来越高,砂岩的物性便越来越差(图5上部),而对应的是碳酸盐含量也增加。反之随着单砂层厚度的增加、砂岩比例上升,其物性也增加,而碳酸盐含量减少(即图5下端)。④当砂岩层的厚度和比例增大到以砂岩占绝对优势,出现砂夹泥时,砂岩基本上都保持较好的物性,砂泥岩界面附近也不存在物性过渡带(图6)。3砂泥岩界面发生的流体流动及其演化规律从上述分析可以看出,不同埋藏深度、不同砂泥岩组合类型的砂岩层内部不同部位物性差异主要与泥岩的厚度以及相对比例有关,这就暗示着在与砂岩埋藏的同时,泥岩的成岩演化对砂泥岩界面附近砂岩的孔隙演化有重大影响。这种影响在砂泥岩剖面埋藏的不同深度其影响性质是不一样的。根据早期对该地区砂岩岩石学特征和成岩作用与孔隙演化的研究(蔡进功等,2001,2002;钟大康等,2003),本区砂岩主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩,在埋深浅于800m时,砂岩中的孔隙为压实后残余的原生粒间孔隙;在800～1650m深度范围由于碳酸盐和少量粘土矿物的胶结作用,孔隙由压实剩余粒间孔变为压实胶结剩余粒间孔;在1650～2500m深度,由于泥岩中有机质的逐步成熟,生成大量有机酸,通过溶蚀作用在砂岩中形成大量次生孔隙;超过2500m后,由于晚期的碳酸盐、粘土和石英次生加大等胶结作用又使砂岩孔隙度迅速减小。因此认为:当砂泥岩埋藏较浅(<800m)时,泥岩中的粘土矿物以蒙脱石为主,它是一种由二个四面体层和一个八面体层组成的2:1型层状铝硅酸盐矿物,层与层之间含大量的层间水和K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等可交换型阳离子,在浅埋藏条件下,由于压实作用,因其格架的抗压能力小于石英、长石等,故泥岩孔隙流体压力大于砂岩,因此在砂泥岩界面处发生泥岩中压实流体向砂岩流动。这一时期从泥岩排出的流体主要为大量的孔隙水,对砂岩的成岩作用和孔隙演化影响不大。砂岩中的孔隙较大,且以原生粒间孔为主,孔隙内自生矿物沉淀较少。随着埋藏深度的增加,当达到800～1650m范围时,古地温大约为60～75℃,泥岩中的蒙脱石开始向混层(伊利石-蒙脱石混层)物相转化形成无序混层物相,脱出少量的层间水以及吸附于粘土颗粒表面的吸附水(赵杏媛等,1990;王行信等,1992),同时部分Ca2+和这些层间水与吸附水进入邻近砂岩形成早期的方解石胶结。混层物相的混层比(蒙脱石层占混层矿物的比例,用S/I表示)大约为70%～50%。若在泥岩中存在有机质、则有机质处于半成熟阶段,在砂泥岩界面上,仅发生有限的流体流动。此期间砂岩内以早期的方解石胶结为主,可见微弱的石英次生加大,在砂岩中部和边部的流体-岩石相互作用无大的差异。因此砂层中部和边部的物性也表现出均一特性。当砂泥岩剖面埋藏达1650～2500m深度时,古地温大约达到了75～120℃,此时情况则发生巨大变化,首先泥岩中的粘土矿物发生了快速转化,即蒙脱石迅速向混层矿物转化,出现部分有序和有序混层矿物,混层比很快由50%降低20%,此期间因粘土矿物的转化脱出大量的层间水和部分Fe3+,在此期间,若泥岩中存在有机质,则由于温度的热催化以及Fe3+的无机氧化作用下开始脱羧产生大量的有机酸和CO2(Surdametal.,1984,1989,1993),这些有机酸和CO2与脱出的大量的层间水一道进入邻近砂岩,使粒间碳酸盐胶结物和部分长石产生大规模的溶蚀作用,在越靠近砂泥岩界面的部位由于接受酸性流体的机会越多,溶蚀程度越强,孔隙越发育,物性越好;远离界面的部位,溶蚀越弱,物性越差,如前述惠民凹陷盘45井,东营凹陷利911井。当埋藏深度大于2500m时,泥岩中的粘土矿物主要为混层比较低的混层矿物和少量的蒙脱石,此时期混层矿物进一步向伊利石转化,在这一转化过程中,继续释放出Na+、Si4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+:4.5K++8Al3+蒙脱石→伊利石+Na++Ca2++Mg2++Fe3++Si4++H2OCa2+、Mg2+、Fe2+与有机质成熟产生的CO2在砂岩中形成晚期的含铁方解石和含铁白云石胶结,Si4+形成石英次生加大或自生石英小晶体,部分Fe3+、Mg2+形成绿泥石,这一时期粘土矿物的转化所排出的流体主要发生沉淀作用。因此在砂泥岩的界面处越接近泥岩的地带,碳酸盐胶结越强,物性越差,与上一阶段形成明显的对比。如前述义3-7-7井,无论是泥夹砂还是下泥上砂或上泥下砂,在这一埋深条件下,只要是在砂泥界面处,其碳酸盐或石英次生加大或粘土矿物胶结都比砂层内部要强,物性比内部差。4砂泥岩界面周边基因特征的变化在砂泥岩剖面中,互层的砂岩和泥岩是一个统一的地质整体,两者都同处于相同的地质背景中,在埋藏过程中,经历了相同的成岩地球化学场,泥岩的成岩演化对砂岩的成岩演化有着重要影响。在不同的埋藏深度下,这种影响是有差异的。在浅—中等埋藏条件下(<2500m),由于从泥岩内排出的为低矿化度、富含有机酸的流体,于是在邻近泥岩的砂岩界面附近引起较强的溶蚀作用,故物性好于砂岩内部;在深埋藏条件下(>2500m),从泥岩内排出的物质以沉淀为主,造成砂泥岩界面附近的胶结作用强于内部,故大多数情况下,砂泥岩界面附近的物性比砂岩内部差,其演化过程如图7所示。但砂泥岩组合方式、与砂岩接触的泥岩厚度以及砂泥岩的相对比例对砂泥岩界面附近的砂岩物性影响很大。在泥岩夹砂岩的情况下,当砂岩厚度极薄、比例极低时砂岩物性很差;当砂岩厚度增大到中—厚层时,则从砂岩中部