陇东地区长7段致密油储层成岩作用及微观成因

陇东地区长7段致密油储层成岩作用及微观成因

致密油是目前世界非常常见的勘探和油气开发热点。根据研究，这些油藏具有共源性和储层性的共生油，储层密度高，但通常大规模分布，环境线少，水分和石油关系差等地质特征。鄂尔多斯盆地长7段典型的致密油分布在长71和长72亚段，储层土壤引用时间一般小于0.3md。国内外典型的致密油储层一般为细粒沉积,其孔隙等微观特征及物性的控制因素是研究的重点之一.文献认为威利斯顿盆地的中巴肯段致密油储层是一套低渗的白云质砂岩、粉砂岩,其物性与黏土含量有关,总体上随黏土杂基含量减少而变好.文献对阿尔及利亚Krechba油田下白垩统的粉砂岩研究认为其物性主要受控于伊利石和云母含量以及绿泥石和石英胶结.文献通过对比常规与非常规储层数据,总结了不同碎屑岩孔隙直径分布,认为细粒、极细粒及粗粉砂岩的孔隙直径一般小于100μm.国内近年来对致密油研究多集中于地质条件,主控因素,资源潜力分析等宏观上的研究,对长7致密油储层的微观特征只有少量研究,如姚泾利等认为长7致密油储层主要孔隙类型为残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔,致密化原因为早期压实作用和晚期水云母、含铁碳酸盐胶结,邹才能等则认为纳米级孔喉系统发育,孔径分布范围为50~900nm,只在局部发育微米-毫米级孔隙.也有学者对致密砂岩中含量较高的伊利石的成因做了探讨,如王芳等认为长7伊利石来源于原生沉淀、早期蒙脱石和晚期高岭石转化,而田建锋等认为伊利石由大量蒙脱石等杂基转化而来,出现于早成因B期和中成岩A期.总体上上述研究成果或不够深入或只集中于某一方面,缺少对致密油储层成岩作用、孔隙等微观特征及物性控制因素的系统分析.本文利用铸体薄片、扫描电镜、黏土矿物及全岩分析数据、恒速压汞、岩心物性等资料对鄂尔多斯西南部长7段致密油砂岩储层的微观特征进行详细研究,侧重于讨论:1)致密油砂岩各类成岩作用特点,包括压实,溶蚀作用特征及对孔隙的影响,各类自生矿物发育程度、时期及成因;2)构造背景、沉积条件、埋藏过程、烃源岩、成岩作用等不同尺度的因素对致密储层物性的控制.1地质背景及沉积特征鄂尔多斯盆地位于中国东部构造域与西部构造域结合部位,面积约25×104km2,盆地可划分为6个一级构造单元:北部伊盟隆起、西缘掩冲带、西部天环坳陷、中部陕北斜坡、南部渭北隆起和东部晋西挠褶带.研究区位于鄂尔多斯盆地西南部,西起环县、东至太白,南至正宁,北至定边,该区也是致密油勘探的核心区(图1).延长组自下而上可划分为10个油层组(长10-长1),其沉积特征反映了湖盆形成、发展和消亡的演化全过程.长7期为延长期最大湖侵时期,深湖区域大面积分布,沉积了一套暗色泥岩和油页岩,是主要的生油层,研究区内砂体多为三角洲前缘及半深湖-深湖重力流成因,纵向上与湖相泥岩互层共生,平面上主要来自于东北(定边—吴旗一带)和西南(环县—华池—正宁一带)两大物源区.2岩屑类型及特征研究区长7段致密油砂岩主要岩石类型以岩屑质长石砂岩、长石质岩屑砂岩为主,其次为长石砂岩和少量岩屑砂岩(图2).碎屑石英质量分数为11%~70%,平均值为38.8%,长石质量分数为7%~60%,平均值为22.5%,岩屑质量分数为7%~44%,平均值为23.7%,云母含量较高,质量分数最多可达30%,平均值为5.0%.岩屑类型以石英岩、千枚岩、喷发岩、白云岩为主,次为板岩、片岩、隐晶岩及少量泥岩和粉砂岩岩屑.填隙物包括杂基和胶结物,以杂基为主,平均质量分数为9.92%,主要为伊利石、高岭石和凝灰质.胶结物平均质量分数为5.53%,包括硅质、碳酸盐、黏土、钠长石等自生矿物.平面上研究区西南部环县—庆阳—正宁地区以岩屑长石和长石岩屑砂岩为主,而东北部定边—靖边—吴旗一带长石含量增加,以长石砂岩、岩屑长石砂岩为主.长7段结构特征表现为粒度细、分选较好,磨圆差.砂岩粒径主要分布于0.04~0.30mm,平均为0.16mm,主要为细砂岩(59.1%),其次为粉细砂岩(22.7%)、细中砂岩(12.0%)和少量不等粒砂岩(4.6%).整体上分选较好,以中等为主(52.7%),其次为好(22.7%)和差(24.6%),绝大部分碎屑磨圆为次棱角状.3烃源岩发生体系与常规储层相比,研究区长7段致密油砂体粒度细,杂基,云母类等铁镁矿物含量高,而空间上与烃源岩互层共生,因此在埋藏中经历一定特色的成岩过程,表现为:1)压实作用强烈但溶蚀较普遍;2)硅质胶结偏少,晚期铁方解石和铁白云石胶结发育;3)黏土矿物胶结发育,其中以伊利石含量最高且来源多样;4)成岩晚期钠长石化常见.3.1砂岩视压实情况压实作用是储层孔隙损失,物性变差的主要原因.长7段粒度细、杂基、云母含量高,整体压实强烈,碎屑颗粒紧密排列,石英等刚性颗粒破裂,泥岩,板岩、千枚岩等塑性岩屑及云母碎屑压实弯曲变形(图3a).钟大康等(2013)根据砂岩原始孔隙的计算公式Ф0=20.91+22.90/S0(Ф0为砂体原始孔隙度,S0为特拉斯科分选系数)对研究区长7段砂岩进行了原始孔隙度计算,然后根据现今粒间体积计算出长7段砂岩的视压实率达到80%,是延长组各个层段中压实程度最高的.3.2结合作用3.2.1石英晶体发育研究区长7段硅质胶结作用较弱,质量分数为0~9.7%,平均值为1.0%,主要以石英次生加大边和充填粒间、粒内孔隙的自生石英晶体形式出现(图3b~3d),目的层硅质胶结发育2~3期,为Ⅰ~Ⅱ级,部分可达Ⅲ级.早期硅质胶结以石英加大形式出现,时间早于绿泥石环边胶结,较为晚期的多以石英晶体充填粒间孔隙或粒内溶孔.硅质胶结偏弱与长7段砂岩杂基含量高、早期快速压实有关.一般认为长7段硅质主要来源于斜长石、钾长石的溶蚀作用,在溶蚀反应中一个单位体积的钾长石可产生0.43个单位体积的SiO2.3.2.2铁方解石、白云石的沉淀后颗粒间孔和颗粒溶蚀碳酸盐胶结在长7段则普遍发育,质量分数变化大:0~40%,平均值为4.1%,胶结物类型以铁方解石、铁白云石为主,平均质量分数分别为1.9%,1.8%,次为方解石,平均质量分数为0.2%,少量白云石、菱铁矿胶结.碳酸盐胶结在各个阶段均可发育,早期方解石常以交代颗粒或基底式胶结形式出现,质量分数可达40%.铁方解石常附着被方解石交代的颗粒边缘生长或直接交代颗粒充填粒间孔隙(图3e).铁白云石则常沿着白云石岩屑或白云石晶体边缘生长(图3f,g),也可呈自形晶充填于粒间孔和颗粒溶孔中(图3h,i),说明铁方解石、铁白云石沉淀的同时存在对早期方解石、白云石的交代且出现时间较晚,甚至晚于颗粒溶蚀.含铁碳酸盐胶结发育有两方面原因:1)Ca2+,Mg2+,Fe3+,CO32-等胶结所需离子来源丰富,长7段砂岩云母、凝灰质含量在延长组各层中最高,云母、凝灰质加之碎屑溶蚀、黏土矿物转化均会产生大量的离子,同时相邻泥岩在埋藏成岩过程发生的矿物溶蚀(长石、方解石)、黏土矿物转化、有机质热解也可提供碳酸盐胶结所需离子;2)长7段砂岩黏土矿物半渗透膜效应,长7段黏土含量高,在压实过程中,半渗透膜效应使得粒径较大的钙离子较难随水分子排出,随着孔隙流体盐度增加钙离子会不断沉淀.碳酸盐胶结不仅充填粒间孔和溶蚀孔,且出现时间较晚,沉淀之后难以再次被溶蚀形成次生孔隙,造成了孔隙度和渗透率减低.3.2.3伊利石的产状特征及产状特征X衍射、扫描电镜和岩石薄片分析显示研究区延长组中长7段黏土矿物最为发育,长71至长733个小层黏土矿物质量分数分别为10.0%,9.4%和12.5%.X衍射数据显示黏土类型以伊利石最为发育,其次为绿泥石、高岭石及混层黏土矿物(表1).其中伊利石含量最高(平均质量分数为50.0%),其次为绿泥石矿物(28.8%),高岭石(10.1%)和伊蒙混层(9.9%).1)伊利石.延长组中长7段伊利石非常发育,电镜下以变形片状最为常见,其次为丝缕状、搭桥状.其中卷曲叶片状伊利石既可平行贴附于颗粒表面呈鳞片状排列,也可充填粒间孔隙(图4a),这类伊利石最为发育.而丝缕状、搭桥状伊利石主要呈粒间孔、溶孔充填状产出,集合体可呈羽毛状,蜂窝状(图4b,c).此外还有一部分没有明显晶形特征的伊利石充填粒间孔隙(图4d).丰富的产状显示伊利石具有多种成因:部分平贴颗粒表面的片状伊利石晶体边缘有时可见一些磨损,说明可能为他生成因,还有部分片状伊利石充填于孔隙中,这类伊利石可能与白云母水化有关.片状伊利石在埋藏期易发生转化或重结晶,形成根部位片状而边部丝缕状的伊利石(图4b).蜂窝状伊利石具蒙脱石转化特征,杂基蚀变多形成晶形较差的伊利石,此外长石溶解及钠长石化也常常伴随着伊利石的沉淀.伊利石不同的产状说明其具有多期成因,但以片状为主的产状特征又说明主要形成时期为早期阶段.2)绿泥石.长7段绿泥石矿物平均含量次于伊利石,但其含量要明显低于延长组的其他层位.绿泥石主要以孔隙衬边或颗粒环边形式出现(图4e),环边平均厚度8~10μm,电镜下绿泥石多为针叶状或叶片状,聚合体常呈玫瑰花状或绒球状,常与伊利石、高岭石、自生石英晶粒共生.绿泥石膜大量形成于早成岩A期,发生在石英一期加大之后,增加砂岩储层的抗压能力,另外绿泥石膜隔断孔隙水,阻止颗粒继续自生加大,抑制后期胶结,利于原生孔隙的保存.3)高岭石.高岭石在长7段含量较少,在偏光显微镜下呈粉末状质点分布,电镜下呈假六边形晶体或不规则板状,聚合体多为书页状、蠕虫状分布(图4f),高岭石主要以填隙物形式充填粒间孔或长石溶孔.埋藏后期在富钾离子条件下,高岭石可向发丝状、丝缕状伊利石转化(图4g).4)伊蒙混层矿物.伊蒙混层矿物为蒙脱石向伊利石转化的中间产物,镜下形态介于伊利石和蒙皂石之间,更相似于丝缕状伊利石,集合体呈蜂窝状、棉絮状覆盖在颗粒表面或充填于孔隙中.根据长7段121个样品的X衍射资料显示,56个样品伊蒙混层比小于10%,43个样品为15%,16个样品为20%,总体上蒙脱石转化程度较高.长7段蒙脱石主要来源于大量凝灰质的蚀变,随着埋藏进行,蒙脱石转化是伊利石的重要来源.3.2.4钠长石与伊利石的共生作用长7段广泛分布着自生钠长石,其正交光下呈较为纯净的一级灰白色干涉色,电镜下呈板状自形晶,主要以细小晶体充填颗粒溶蚀孔隙.与碎屑长石相比,自生钠长石没有溶蚀痕迹,也没有被高岭石等黏土交代或被绿泥石膜包裹,说明钠长石沉淀于碎屑溶蚀之后或伴随着溶蚀形成,出现时间较晚.关于钠长石的来源,朱国华(1985)认为延长组钠长石是长石蚀变成浊沸石的伴生矿物,李荣西(2012)通过镜下观察认为由于延长组存在钠长石、浊沸石和高岭石的共生组合,因此也存在斜长石转化成钠长石和高岭石的反应.薄片及X衍射资料显示长7段浊沸石不发育,高岭石含量少,同时很少观察到高岭石与自生钠长石共生,更常见的是钠长石与铁白云石,钠长石和伊利石的矿物组合(图4h,i),一般认为两种组合分别是斜长石和钾长石蚀变之后的产物,即斜长石钠长石化之后充填溶孔的矿物组合为钠长石和铁白云石,其反应过程为而钾长石钠长石化之后则以形成钠长石和伊利石矿物组合为特征,其反应为:上述两个反应共同特点是都消耗了硅质,没有形成高岭石矿物,且钾长石钠长石化过程中还消耗了部分高岭石,这与钠长石很少和自生石英、高岭石共生的现象相一致.X衍射资料也显示高岭石和伊利石的相对含量呈明显的负相关(图5),斜长石(主要为钠长石)质量分数为7.14%~36.10%,平均值为16.33%,普遍高于钾长石质量分数(2.37%~17.98%,平均值为9.80%),这印证了钠长石,伊利石对钾长石,高岭石的交代作用.3.3储层及储层精细表征长7段砂岩虽然压实作用强,但溶蚀作用较普遍,各种溶孔是长7段主要的孔隙类型.溶蚀作用主要出现在长石颗粒中,其次为火山岩岩屑、杂基和碳酸盐胶结物.被溶长石往往具有港湾状边缘,溶解程度高时可呈残骸状,电镜下表现为窗格状、残骸状,形成粒内溶孔和铸模孔(图3i,图4h,i).岩屑溶蚀主要发生于火山岩岩屑中的长石等不稳定组分,溶蚀之后残余难溶组分.粒间杂基的溶蚀多伴随着伊利石化蚀变,形成晶形较差的伊利石矿物(图4d).而碳酸盐胶结物如铁方解石、铁白云石由于出现时间普遍较晚,早期方解石比例少,因此溶蚀较弱.由于粒度细、粒间黏土含量高,加之快速埋深导致长7段早期成岩特征表现为压实强而胶结弱,因此长7致密砂岩很难与常规储层一样形成大量的粒间胶结物溶蚀孔隙,多为长石等碎屑溶孔.另一方面,由于长7砂岩渗流能力差,流体流动性弱,颗粒溶解析出的离子不易排出而易饱和再沉淀,因此碎屑颗粒溶蚀强度不高,多为部分溶蚀,铸模孔少,且溶孔内常半充填石英、钠长石、含铁碳酸盐和伊利石等自生矿物.4物晶间微孔和构造微裂缝长7段孔隙类型丰富,按照孔隙成因可分为原生和次生两大类孔隙:原生孔隙为压实及胶结之后残余的粒间孔隙;次生孔隙类型复杂,包括颗粒边缘溶蚀的粒缘溶孔,内部溶蚀的粒内溶孔,完全溶蚀的铸模孔以及粒间胶结物溶蚀孔、杂基溶孔,黏土矿物晶间微孔和构造微裂缝.根据1669个铸体薄片统计,长7段孔隙类型以溶蚀孔和粒间残余孔为主,平均面孔率为1.94%,其中溶蚀孔面孔率为1.02%,残余粒间孔面孔率0.86%(图4c,e),还有少量晶间孔和微裂缝.溶蚀孔隙中以长石溶孔为主(图3d;图4h,i),平均面孔率为0.85%,其次为岩屑溶孔面孔率0.12%.研究区20个样品的恒速压汞资料显示(表2),平均孔隙半径149.6~166.4μm,平均为161μm,平均吼道半径:240~420nm,平均为330nm,表现为微米孔隙和纳米吼道的特征.这反应出长7段的储集空间主要为孔隙半径较大的残余粒间孔和颗粒溶蚀孔,与薄片观察结果一致,而黏土晶间微孔、残余微孔等由于孔径小,更多作为连通喉道.5层的物理控制因素5.1半深湖-深湖周缘三角洲阶段7-12沉积期岩相成岩模式构造作用是储层物性控制的最高层次的因素,除了可形成断裂、裂缝作为储集空间直接改善储层物性外,更重要的是对沉积作用和成岩作用的影响.1)长7段沉积期,盆地基底整体不均衡强烈拉张下陷,水体急剧加深,沉积了一套厚度大、有机质丰度高的暗色泥岩和油页岩.与此同时,印支构造开始加剧,盆地断裂活动频繁.在此背景下,半深湖-深湖周缘的三角洲前缘砂体在频繁的地震活动、波浪等外力触发机制影响下,普遍发生再次搬运和沉积,在湖盆中部形成了广泛分布的重力流砂体,直接控制了致密油砂岩的形成.2)长7期是延长组沉积时构造最为活跃的时期,火山活动频繁,纵向上长7段凝灰质含量明显高于其他层位,这也促进了成岩过程中伊利石的形成(凝灰质→蒙脱石→伊利石).其次,延长组沉积之后,发生了持续迅速的埋藏,压实强烈,不利于孔隙的保存.5.2岩石学特征长7段致密油砂岩多分布于湖盆中心,多为重力流砂岩沉积,搬运距离长,物理和化学分异强,最终导致砂岩粒度细,分选好、磨圆差,砂岩中岩屑较少,而石英、长石、云母、杂基多.首先在长距离搬运过程中,随着水动力下降,粗碎屑优先沉积,而碰撞和摩擦作用则导致不稳定的粗碎屑破碎分解成细碎屑,最后沉积的多为粒度细、稳定性较高的碎屑,因此现今湖盆中央的长7砂岩粒度均以细粒、极细粒为主.其次在长距离的搬运过程中,岩浆岩岩屑等不稳定岩屑遭受风化破坏,相对稳定矿物则被保留下来,这就导致现今砂岩中岩屑含量偏少,而细粒的石英,不易沉积的片状云母类矿物及杂基黏土相对富集.粒度细,磨圆差,富杂基和片状矿物的岩石学特征不利于埋藏过程中孔隙的保存.5.3充填体孔隙度变化根据不同井埋藏史分析,三叠系延长组沉积之后发生迅速埋深,埋藏过程一直持续到早白垩世晚期.以盆地中部的白284为例(图7),延长组沉积之后便发生一期快速的埋藏,深度为900m,埋藏速率达75m/Ma,至侏罗纪末期(已埋深至1200m)又发生一期快速埋藏,深度达2650m,埋藏速率为36.25m/Ma.持续性的埋藏不利于早期碳酸盐岩胶结,加之长7段粒度细、杂基、云母含量高的结构和组分特征最终导致了强烈的压实作用.现今粒间体积(粒间孔隙与填隙物体积总和)与胶结物含量数据统计显示,大部分样品均落入强压实区(图8).通过选取粒度中值及分选系数,应用Sneider图版(1987)估算出的长7段重力流砂体原始孔隙度分布范围为28%~41%,平均值为37.7%,而现今长7段平均孔隙度10.1%,胶结物平均值为5.7%,根据原始孔隙度减去现今粒间体积(以现今平均孔隙度代替)和胶结物含量,可得出由压实作用损失的孔隙度平均为21.9%.但由于现今孔隙度中包括了溶蚀孔隙的贡献,即粒间孔隙度一般小于10.1%,因此压实损失孔隙度要高于21.9%,为孔隙损失的主要原因.5.4致密油砂岩溶蚀作用及邻砂岩胶结作用长7段发育厚度大、有机质丰度高的暗色泥岩和油页岩,是延长组的主力烃源岩.油页岩主要在盆地中西部呈北西-南东向展布,厚度可达35m,较厚的暗色泥岩厚度40~50m,最厚达60m.空间上,半深湖-深湖相的重力流砂岩与优质烃源岩互层共生,这种互层共生关系对致密油储层孔隙发育存在着双重影响.首先,烃源岩在成熟过程中排出的大量酸性水可直接进入相邻砂体中进行溶蚀改造,加之长7段长石含量较高,因此普遍存在的溶蚀作用使得长7段致密油砂岩溶孔发育,溶孔面孔率(1.02%)甚至高于残余粒间孔面孔率(0.86%),因此溶蚀作用是长7段在经历强烈压实之后孔隙度仍能保持10%左右的主要原因.其次,烃源岩对相邻砂岩的胶结作用也会产生影响,包括3个方面:1)胶结空间:由于致密油砂岩粒度细,粒间黏土含量高,快速埋藏后孔隙损失严重,早期胶结物少,而有机酸溶蚀形成的溶孔可以提供晚期胶结物沉淀的空间,镜下观察也显示自生矿物常充填于溶孔中;2)胶结物质来源:如前面所述,泥岩在埋藏成岩过程中可以排出相邻砂岩碳酸盐胶结所需的Ca2+,Mg2+,Fe2+,CO32-等离子,这些组分通过流体交换进入相邻砂岩中后可促进胶结作用;3)胶结时间:与烃源岩成熟有关的有机酸主要形成于早成岩晚期(Ro为0.5左右),此时孔隙流体环境偏酸性,不利于碳酸盐等胶结物沉淀,目前储层中碳酸盐胶结物、自生钠长石以及部分发丝状伊利石均晚期形成,出现于有机酸溶蚀之后.如碳酸盐胶结物常表现为富铁(铁方解石和铁白云石),孔隙式胶结,充填溶蚀孔隙及流体包裹体均一温度高(大于100℃)等中晚期胶结特征,这些中晚期自生矿物的沉淀是后期孔隙进一步损失的主要原因.5.5储层渗透性特征由于溶蚀作用的贡献,长7段平均孔隙度与延长组其他层段孔隙度较接近,各层平均孔隙