鄂尔多斯盆地高桥地区致密砂岩储层成岩作用研究

鄂尔多斯盆地高桥地区致密砂岩储层成岩作用研究

位于鄂尔多斯盆地中部的高桥地区的上古生代构造是中国石油天然气集团最近天然气勘探的重要战略替代之一。其中,该区块下石盒子组盒8气层组含气性较好,具有良好的勘探潜力。但目前该地区已有的天然气开发井的开发效果差别较大,其原因主要与该区块盒8段致密砂岩储层的成岩演化、孔隙演化等因素有关。因此,研究区盒8段致密砂岩储层的成岩演化、孔隙演化研究成为了下一步天然气勘探开发的关键因素之一。所以,本文在众多前人研究成果基础上,深入研究高桥地区盒8段致密砂岩沉积后成岩作用类型、特征及其对孔隙演化的影响,以期为该地区盒8段致密砂岩储层预测、评价及大规模勘探开发奠定基础。1晚石炭世盆地群高桥地区位于鄂尔多斯盆地中部偏北,区域上位于伊陕斜坡中部(图1),构造平缓,西倾单斜平均坡降3~5m/km。区内上古生界主要发育上石炭统本溪组、二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组。其中,中二叠统下石盒子组盒8段是上古生界天然气勘探的主力产层,可进一步划分为盒8下、盒8上两个砂层组。受鄂尔多斯盆地海西期构造活动及沉积演化影响,晚石炭世本溪期,来自东西两侧的海侵,以明显平行不整合超覆于下奥陶统的风化夷平面之上,鄂尔多斯盆地东西两侧分别发育陆表海盆地和裂陷盆地;早二叠世太原期,陆表海进一步发展,并与西部祁连海连通,成为统一的陆表海;山西期,北部物源区快速上升,鄂尔多斯盆地在区域海退的基础上,发育近海湖泊河流-三角洲沉积;中二叠世下石盒子期开始,由于海西构造使盆地北部构造活动进一步加剧,海水退出鄂尔多斯盆地,接受巨厚的冲积-河流相沉积;直至晚二叠世石千峰期,盆地北缘兴蒙海槽因西伯利亚板块与华北板块对接而消亡,盆地南部秦岭海槽向北的俯冲加剧,华北地台整体遭受抬升,盆地由近海湖盆逐渐演变为内陆湖盆。其中盒8期开始,气候已由温暖潮湿转为干旱炎热,由于北部内蒙古陆进一步抬升,坡度变陡,沉积物供给充分,整个盒8段以发育大型辫状河-辫状河三角洲体系,并表现出大幅度向南推进的特征。2储层精细成岩作用宏观岩心观察及微观薄片鉴定资料表明:高桥地区上古生界盒8段储集砂岩的岩石类型以岩屑石英砂岩、石英砂岩为主,同时可见少量岩屑砂岩(图2),石英含量较高,一般为80%~90%;岩屑含量较低,一般为10%~20%,主要为变质岩岩屑。众所周知,储层的形成受沉积作用和成岩作用的共同制约,沉积是基础、成岩是关键。高桥地区盒8段储集岩在成岩演化过程中所发生的多种成岩作用类型都或多或少的对砂岩的储集性能具有一定的控制作用,控制了原生孔隙的保存和次生孔隙的发育。系统研究成岩作用对研究区储层评价和预测具有重要的实际意义。盒8段储集砂岩在成岩过程中经历的成岩作用主要包括:2.1塑性组分变化压实作用主要在成岩早期发生,表现为:(1)使颗粒发生定向排列。(2)颗粒接触关系从点接触—线接触—局部凹凸接触的变化。(3)云母、泥岩屑等塑性组分发生弯曲变形。(4)硬性石英、长石等颗粒发生脆性破裂(图3a,b)。压实作用的结果最终会导致原生粒间孔大量丧失。2.2储层物性变差胶结作用在研究区主要表现为硅质胶结、钙质胶结等。这些胶结物充填于颗粒之间的孔隙空间,进一步降低原生粒间孔,但同时也增加了骨架颗粒的强度,有利于残余原生粒间孔的保存(图3c,d)。研究区胶结作用主要包括碳酸盐胶结、硅质胶结和粘土矿物胶结。(1)碳酸盐胶结高桥地区盒8段储集砂岩中碳酸盐胶结作用主要表现为方解石、铁方解石的形成,胶结类型主要为基底式和孔隙式,胶结致密,常在河道砂体的底部形成钙质胶结致密层,从而导致研究区储层物性变差。(2)硅质胶结高桥地区盒8段储集砂岩中硅质胶结物主要为石英的自生加大边,加大边厚0.02~0.08mm,以Ⅱ-Ⅲ级自生加大常见。自生石英的发育导致储集砂岩的孔隙被堵塞,降低了孔渗性能。(3)自生粘土矿物胶结高桥地区盒8段储集砂岩中主要自生粘土矿物包括伊利石、高岭石和绿泥石。研究区伊利石在扫描电镜下多为片状集合体,在颗粒表面呈栉壳状附着,或者呈丝缕状或毛发状沿颗粒表面向孔隙与孔喉道处伸展,占有效孔隙空间,降低储集层的物性,对储层具有破坏作用。高岭石是在酸性孔隙水介质条件下,长石、花岗岩屑等颗粒蚀变生成,主要以孔隙充填形式产出。虽然高岭石充填孔隙减少了原始粒间孔隙度,但在高岭石产生的同时长石等颗粒发生溶蚀作用又导致储集砂岩的孔隙增加,即意味着次生溶蚀孔的产生。形成于成岩早期的绿泥石粘土膜可以增加岩石的抗压强度,有利于孔隙的保存,但若绿泥石含量过多,也可阻塞孔隙,使储层物性变差。2.3交叉代理交代作用在研究区盒8段储集砂岩中主要表现为高岭石交代长石以及铁方解石交代石英碎屑(图3e,f)。2.4溶蚀作用及溶蚀粒形成机理溶蚀作用使砂岩中不稳定的碎屑颗粒及胶结物溶解,从而增加储层的孔隙空间,对储层起到建设性作用。研究区盒8段常见不稳定碎屑颗粒(长石、岩屑)及填隙物(胶结物、杂基)发生溶蚀(图4a,b),溶蚀作用主要表现为两种,一种是长石、岩屑等不稳定颗粒溶解形成溶蚀粒内孔,第二种是长石、岩屑等颗粒先被碳酸盐矿物交代,然后碳酸盐矿物发生溶解而使颗粒间接被溶蚀,形成溶蚀粒内孔及溶蚀粒间孔。溶蚀作用对于改善砂岩储层的储集性能具有明显的作用。2.5中断作用破裂作用在研究区盒8段储集砂岩中表现为刚性颗粒的破裂所形成的微裂缝(图4c,d)。3成岩改造效果现今看到的储集砂岩的孔隙实际上是在原生孔隙保存的基础上经历多种成岩改造后的结果(图5)。为合理解释研究区储层孔隙演化过程,拟对不同成岩作用在储集砂岩的孔隙生成和损失方面进行定量评价(表1)。3.1未固结砂岩孔隙度即充填型砂岩目前原始孔隙度的求取主要有两种方法:①原始孔隙度Φ1(%)的估算。按照未固结砂在地表条件下的分选系数与孔隙度的关系来求取:式中:S0为特拉斯克分选系数,为筛析法粒度测得的实验数据,S0=(Q1/Q3)1/2,其中Q1是粒度概率累计曲线上25%处的粒径大小,Q3是粒度概率累计曲线上75%处的粒径大小。②按BeardandWeyl(1973)在实验室按不同分选等级人工排练研究的砂岩原始孔隙度:分选差的砂岩原始孔隙度为27.9%,分选较差的砂岩原始孔隙度为30.7%,分选中等的砂岩原始孔隙度为34%,分选较好的砂岩原始孔隙度为39%,分选好的砂岩原始孔隙度为40.8%,分选极好的砂岩原始孔隙度为42.4%。在本次研究中,针对高桥地区盒8段储集砂岩具有分选性较好的特点,估算出盒8段的原始孔隙度为39.2%。3.2压实前后粒间剩余孔隙度恢复压实作用使孔隙度减小的量可利用下列关系式:式中:Φ压为压实作用使孔隙度减小的量,%;Φ粒为压实后粒间剩余孔隙度,%;压实后粒间剩余孔隙度=胶结物总量+胶结后的粒间孔隙度。根据岩石薄片分析数据,研究区压实作用使孔隙度平均减小22.40%~33.17%,平均降低27.166%。3.3结合粘合剂和代代相传作用损失的空隙根据薄片实测的粘土矿物和碳酸盐等胶结物总含量计算:研究区胶结孔隙损失5.5%~17.00%,平均损失为10.01%。3.4平均增加3.4%,平均增加4.4%,平均增加3.4%,关注5.4%,增加2.4%,增加2.4%.5%,增加3.4%,增加3.4%,增加3.4%,5.4%.10%;利用薄片分析资料获得,包括各种溶蚀孔和微裂隙,使孔隙度增加6.86%~12.24%,平均增加8.586%。定量计算表明:研究区盒8段储集砂岩经历的压实和胶结作用使原始孔隙度减小,其中压实作用造成的孔隙损失大于胶结作用,储集砂岩经历的溶蚀作用使孔隙度增加。4成岩作用改造1)高桥地区中二叠统统下石盒子组盒8段储集砂岩沉积后主要经历了压实、胶结、交代和溶解等成岩作用的改造。2)不同的成岩作用对储层的控制作用不同。压实作用、胶结作用使孔隙度减小,溶解作用导致孔隙增加。3)压实作用使孔隙度减小22.40%~33.17%,平均降低2