准噶尔盆地四棵树凹陷头屯河组孔‒缝双重介质致密砂岩储层特征分析

袁波1 董雪梅1 关旭同2,† 周天琪2,3 王心强1 魏凌云1 赵进雍1 冯庚2 吴朝东2,3,†

1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院地球物理研究所, 乌鲁木齐 830013; 2.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 100871; 3.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871; †通信作者, E-mail: guanxt@pku.edu.cn (关旭同), cdwu@pku.edu.cn (吴朝东)

摘要综合利用岩芯、露头和测井资料, 恢复准噶尔盆地四棵树凹陷头屯河组的沉积环境, 对致密砂岩储层进行岩相学、储集空间种类和成岩作用分析, 并分析影响储层性能的主要因素。结果表明, 四棵树凹陷头屯河组孔‒缝双重介质型致密砂岩储层具有“三低一弱”的特征: 低成分成熟度, 低泥质含量, 较低胶结物含量, 较弱的溶蚀作用。孔隙主要由残余粒间孔及少量粒内溶孔组成, 裂缝主要为层理缝和成岩缝。控制四棵树凹陷头屯河组致密砂岩储层物性的主要因素为沉积环境、埋藏过程、压实作用以及构造作用。发育于高泉背斜和西湖背斜中的辫状河三角洲前缘的致密砂岩储层具有良好的勘探前景, 具有少量塑性颗粒含量的中‒粗砂岩物性较好。储层物性主要受压实作用控制, 溶蚀增孔和胶结减孔作用较弱, 裂缝发育层段储层的物性较好。

近年来, 准噶尔盆地东部以及西北缘二叠系致密砂岩油气勘探相继取得重大突破, 具有良好的勘探潜力[1‒6]。致密砂岩具有非均质性强、孔喉网络复杂和裂缝发育的特点, 其储集空间可能受到烃类充注作用、热液活动作用、强烈成岩作用以及构造活动的影响。控制致密砂岩储集空间的因素很多, 沉积环境决定储集空间的基本性质, 成岩作用对原始孔隙具有强烈的改造作用, 多介质孔隙结构对渗透率的提高起着极大的作用。

2019 年 1 月在四棵树凹陷的高泉背斜部署的高探 1 井测试获日产千吨油和 30 万立方米气, 实现准噶尔盆地南缘下组合大构造勘探的首次突破[7‒9]。中侏罗统头屯河组属于下组合的重要储层, 为孔‒缝双重介质控制的致密砂岩储层。明确孔隙和裂缝对储层的控制作用, 对准噶尔盆地南缘侏罗系储层的勘探潜力评价以及致密砂岩储层的预测具有重大意义。本研究利用岩芯资料以及铸体薄片和物性测试等多种方法, 分析四棵树凹陷头屯河组孔‒缝双重介质的致密砂岩储层的孔喉和裂缝特征, 恢复成岩过程, 并总结控制储层物性的主要因素。此外, 根据裂缝与孔喉空间交切关系与发育情况, 归纳改善致密砂岩储层低孔低渗特性的 3 种主要孔‒缝配置关系, 为推进准噶尔盆地南缘侏罗系致密砂岩储层的勘探开发提供依据。

1 区域地质背景

四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘西段, 属于北天山山前冲断带, 北部是车排子凸起, 西南边界是天山北缘, 东邻昌吉凹陷。盆地内发育燕山期和喜山期断裂及相关褶皱, 目前已发现独山子、西湖和卡因迪克等含油气构造[6,10](图 1)。

四棵树凹陷内侏罗系发育较完整, 底部与小泉沟群平行不整合接触, 顶部与吐谷鲁群呈局部不整合接触。钻井揭示, 侏罗系自下而上为八道湾组、三工河组、西山窑组、头屯河组和齐古组。头屯河组砂砾岩厚 60~160m, 占侏罗系总厚度的 90%以上; 具有较好物性的目的层砂岩横向上分布稳定, 为一套块状厚层褐灰色砂砾岩及含砾中‒粗砂岩与中细砂岩互层, 夹少量泥质中细砂岩和砂质泥岩。根据已知钻井和野外剖面资料, 从四棵树凹陷南东至北西, 侏罗系被逐层剥蚀, 头屯河组二段和齐古组在西湖背斜以北缺失。头屯河组厚度大, 具有较大的尤其储藏潜力, 是四棵树凹陷下一步油气勘探的重点层段[2]。

2 沉积特征

四棵树凹陷头屯河组的沉积环境为辫状河三角洲和湖泊。卡 6 井头屯河组钻遇厚 119.7m 的辫状河三角洲平原的叠置辫状河道砂体, 砂地比高达0.98, 厚层砂体的形态为箱形或带锯齿状的箱型。四参 1 井头屯河组钻遇厚 240m 的辫状河三角洲平原的叠置辫状河道砂体, 砂地比为 100%。独山 1井头屯河组为辫状河三角洲沉积, 从测井曲线上可识别出辫状河三角洲前缘的水下分流河道砂体与分流间湾砂体, 其厚度为 178m, 砂地比为 0.85。

在头屯河组沉积时期, 艾 4 井、卡 10 井和卡 6井所在区域的主要沉积环境为辫状河三角洲平原, 砂体厚 113~175m。西湖 1 井和高探 1 井的主要沉积环境为辫状河三角洲前缘, 砂体厚 161.4~185m。5 口井的对比描绘出来自西北方向的辫状河三角洲(图 2)。四棵树河剖面位于南部的辫状河三角洲沉积相带, 高探 1 井受到南部和北部辫状河三角洲物源的影响。

3 致密砂岩储层孔‒缝双重介质特征

四棵树凹陷头屯河组孔‒缝双重介质型致密砂岩储层大多具有“三低一弱”的特征: 低成分成熟度, 低泥质含量, 较低胶结物含量, 较弱的溶蚀作用。孔隙主要由残余粒间孔及少量粒内溶孔组成, 其中层理缝和成岩缝有效地改善了储层的物性, 有利于渗透率的增加。

3.1 储层物性特征

四棵树凹陷头屯河组的孔隙度为 6%~10%。由于存在南北双向物源, 受沉积环境以及成岩作用类型的影响, 储层物性差异较大: 四棵树凹陷北部卡因迪克油田头屯河组主要为辫状河三角洲平原相, 砂岩储层的岩性以块状砂岩和砾岩为主, 平均孔隙度为 8.45%, 平均渗透率为 1.43mD, 储层物性条件较好; 四棵树凹陷中部高泉背斜和西湖背斜砂体厚度为 60~100m, 平均孔隙度为 16.6%, 平均渗透率为 13.2mD, 物性条件总体上优于卡因迪克油田, 沉积环境为辫状河三角洲前缘; 四棵树凹陷南部砂砾岩明显变薄, 砂体分布不连续, 物性条件变差。四棵树河头屯河组发育稳定的厚层砂岩, 平均孔隙度为 15.4%, 渗透率具有较强的非均一性, 分布在0.3~33.9 mD之间。

3.2 储层岩石学特征

沉积环境的差别体现在沉积构造和粒度上。对钻井岩芯的分析表明, 四棵树凹陷各钻井砂岩在头屯河组一段的沉积环境均为辫状河三角洲相, 但其亚相存在差异。四参 1 井头屯河组岩芯中可见辫状河道底部滞留沉积物, 大小不均一的砾石和泥砾不定向分布, 存在大量被水流搅动过的植物碎片(图3(a)和(b)); 粒度较粗且粒度级别较宽, 分选性较差, 粒度概率曲线常表现为三段式, 颗粒组分总体上以滚动和跳跃为主。独山 1 井的岩芯中存在大量低角度交错层理和灰色水平层理, 低角度裂缝发育, 细砾沿着明显的小型冲刷面定向排列(图 3(c)和(d)); 粒度比四参 1 井细, 碎屑颗粒分选性较好, 概率累计曲线呈两段式, 沉积作用以悬浮和跳跃为主, 主要表现为水下分流河道沉积特征。

根据对薄片的显微镜下观察和统计结果(表 1), 四棵树凹陷头屯河组以岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主, 分选程度多为中等至好, 整体结构成熟度为中等至好, 成分成熟度较低。碎屑组分中, 石英含量较低(29.33%~37%), 棱角状至次棱角状; 长石(含量为 16.50%~27%)和岩屑(含量为 17%~78%)多为次圆状, 岩屑成分以沉积岩和岩浆岩为主, 含少量片麻岩。杂基含量较低(1.00%~2.83%), 泥质成分主要为绿泥石, 鳞片结构。胶结物以方解石、硅质和方沸石为主, 含量较低(小于 4.5%), 对储层物性的影响较小。

3.3 储集空间特征

四棵树凹陷头屯河组致密储层具有孔隙和裂缝共同发育的特点。孔隙类型以残余粒间孔为主, 发育成岩缝、层理缝以及不同尺度的构造裂缝。

3.3.1 储集空间类型

铸体薄片观察结果表明, 头屯河组砂岩储层主要发育残余粒间孔、粒间孔及少量粒内溶孔, 孔隙类型以残余粒间孔为主(图 4)。其中, 粒间孔占比2%~12%, 粒内溶孔占比一般小于 0.5%, 同时可见少量粒间溶蚀孔隙和铸模孔隙。部分颗粒为包膜状的自生绿泥石, 原始粒间孔隙多呈不规则的形状。此外, 虽然杂基微孔隙、长石和岩屑溶蚀微孔隙以及少量黏土矿物晶间孔在一定程度上改善了致密砂岩储层的低孔隙度状况, 但由于喉道不发育或过于微小, 导致这些微孔成为孤立的死孔[3]。

西湖背斜辫状河三角洲前缘的砂岩厚约150m, 平均孔隙度为 7.19%, 平均渗透率为 0.12mD, 孔喉半径一般小于 0.75μm, 属于低孔低渗致密砂岩储层。孔隙‒喉道具有中孔、小孔、细喉、分选性较好的结构特征; 孔喉结构一般为单峰正偏态或微负偏态细孔喉型, 孔喉分布呈单峰状且偏向细孔喉一侧, 优势孔喉半径一般在 0.3~5μm 之间, 排驱压力一般小于 0.5MPa。浅水辫状河三角洲水下分流河道砂体往往具有较好的物性[11], 具有中低孔‒低渗‒特低渗储层的特征, 孔隙度在 2%~10%之间(图 5(a)),渗透率小于 2.5 mD (图 5(b))。

3.3.3 裂缝发育特征

露头、岩芯和薄片观察都发现大量未充填的裂缝(图 6(a)、(c)和(d)), 其主要特征是岩石在构造及成岩过程中形成, 微裂缝多数未充填, 但一些早期产生的裂缝通常被方解石和沥青充填(图 6(b))。此外, 在岩芯和野外露头上常见到呈网状、不规则状或近垂直的裂缝。这些裂缝可能与天山中‒晚侏罗世的隆升相关, 头屯河组时期四棵树凹陷地层褶皱变形, 抬升剥蚀现象非常普遍, 此时车莫古隆起已形成, 裂缝主要是在地层受构造挤压应力后形成。裂缝的发育可以促使地下流体更加有效地对储层进行溶蚀, 增加次生孔隙, 改善储层的储集性能[12]。

头屯河组致密砂岩中主要发育成岩缝、层理缝以及不同尺度的构造裂缝(图 6)。成岩缝和层理缝占裂缝的占比为 56%, 通常切穿矿物颗粒, 有时被胶结物堵塞, 一般与水平剪切裂缝共同连接溶蚀孔和残余粒间孔, 形成裂缝网络。层理缝与水平裂缝共同作为改善水平渗透率的重要裂缝类型, 可为致密砂岩储层提供大量储集空间, 并成为原始油气运移的重要路径[12]。出现大量层理缝的层位一般对应着含油层, 低角度裂缝与残余粒间孔的孔‒缝配置关系可以大幅度地提高致密储层的孔隙空间和渗流能力[13]。头屯河组致密砂岩中构造裂缝占比为43.6%: 其中倾角大于50°的构造裂缝往往被后期方解石和石英充填, 对渗透率的改善作用不大; 倾角在 30°~50°之间的构造裂缝没有被后期胶结物充填, 有效地改善了垂直渗透率; 倾角小于 30°的水平剪切裂缝与层理小角度相交, 可以有限度地改善水平渗透率。早期形成的裂缝如果被烃类充填, 则会成为烃类的储集空间, 裂缝往往得以保存; 如果裂缝内无烃类充填, 往往成为地下流体运移的通道。在流体运移过程中, 由于温度和压力条件的改变, 携带的大量物质会因过饱和而沉淀, 最常见的是碳酸盐的基底式胶结物沉淀, 堵塞裂缝内的渗滤空间, 使裂缝的有效性降低[14]。

4 主要成岩作用类型及成岩序列分析

四棵树凹陷头屯河组侏罗系砂岩储层的成岩作用主要包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用以及交代作用, 整体上处于中成岩 A 期。其中, 压实作用对储层具有直接的破坏性影响, 胶结作用和溶蚀作用对储层的影响不大。

压实作用是破坏头屯河砂岩储层的主要因素, 以机械压实为主, 化学压溶作用较弱, 塑性颗粒含量高是导致机械压实作用强烈的重要原因。塑性颗粒受到压实作用后挤进小孔隙和喉道, 大量堵塞原生孔喉, 尤其对渗透率的破坏性更大[15]。岩浆岩岩屑是头屯河组储层的主要颗粒组分(表 1), 岩屑经历淋滤和风化作用后, 会形成大量的假杂基, 进一步堵塞孔隙[16]。

胶结作用使研究区储层储集性能变差。各种自生矿物的胶结和充填作用一方面使储层砂岩的储集空间减少, 另一方面堵塞喉道而使砂岩的孔隙连通性变差, 渗透率降低。四棵树凹陷头屯河组储层的胶结程度以弱至中等为主, 主要胶结作用类型为早期方解石基底式胶结和石英胶结, 同时发育自生黏土矿物胶结作用以及中成岩期沸石胶结作用。碳酸盐胶结物主要有方解石、含铁方解石和铁白云石等。早期方解石不含铁, 成岩中期的方解石一般含铁, 呈基底状、斑块状和点状广泛分布于粒间孔隙中(图 7(a)~(c)), 胶结作用最强, 对储层储集性能的影响最大。石英质胶结物以自生硅质为主, 呈加大边式产出, 其次是自生石英小晶体附着在颗粒表面或充填孔隙, 主要发育于埋藏较深、石英质岩屑含量高、粒间孔隙较发育的砂岩中。硅质胶结物分布各个层位, 但含量较低。沸石类胶结作用主要发生在齐古组和头屯河组(图 7(d)和(e)), 其成因与晚侏罗世同沉积火山活动有关[17]。砂岩储层内黏土矿物种类丰富, 有一定的减孔作用, 但由于含量较低, 填隙物对储层物性的影响有限。

四棵树凹陷头屯河组储层中溶蚀作用普遍较弱, 主要表现为长石溶蚀和岩屑颗粒的选择性溶蚀(图 7(f)), 其次是方解石和方沸石等胶结物的溶蚀。从铸体薄片观察到方解石和方沸石的局部溶蚀, 但溶蚀增孔量平均不到 0.5%, 对储层的储集性能贡献不大。

综合上述分析, 准噶尔盆地南缘头屯河组孔缝双重介质型储层成岩过程的主要演化序列为早期埋藏压实作用→少量方解石、菱铁矿和高岭石胶结→早期酸性流体溶蚀作用→高岭石、硅质胶结持续作用→晚期方解石胶结作用(图8)。

5 影响储层的主要因素

四棵树凹陷的沉积物源较近, 以粗碎屑沉积为主, 砂岩结构成熟度和成分成熟度较低。据统计, 储层压实减孔量通常大于 10%, 胶结物减孔量一般小于 5%, 表明压实作用是降低砂岩孔隙度的主要因素。头屯河组长期处于浅埋藏阶段, 压实成岩作用相对较弱, 但后期经历短暂的深埋作用, 因此成岩作用也是影响砂岩储层物性不可忽视的因素。

5.1 沉积环境

沉积环境不仅对砂体的展布起决定性的作用,还对储层的物性具有控制作用。沉积环境主要影响砂岩储层的结构成熟度(粒度和塑性颗粒含量)和成分成熟度(杂基含量等), 这些参数直接控制储层的储集空间结构以及成岩作用的改造程度[18]。

头屯河组普遍发育塑性颗粒, 主要为千枚岩和云母, 含量在 5.88%~10.33%之间(表 1), 塑性颗粒含量越多, 储层孔隙度越低(图 9(a))。由于塑性颗粒抗压实能力弱, 易变形, 因此塑性岩屑含量越多, 岩石越易被压实。塑性岩屑较强的可压缩性会加速砂岩的压实进程, 成为影响储层性质的重要因素之一。

四棵树凹陷头屯河组中‒粗砂岩的储层物性好于细砂岩和砂砾岩, 较粗粒级砂岩的面孔率较大, 表面积较小, 颗粒之间的支撑力较大, 使得其抗压性也较强。细砂岩的孔隙度均小于 9%, 渗透率小于 1 mD (图 9(b)和(c))。砂砾岩分选程度差, 成分成熟度低, 泥质含量高, 因此物性较差。

四棵树凹陷头屯河组储层砂体沉积环境主要包括辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘, 辫状河三角洲前缘砂岩的塑性岩屑含量比辫状河三角洲平原低, 孔隙度好于辫状河三角洲平原(图 9)。辫状河三角洲前缘的水下分流河道、河口坝、滨岸滩坝等水下高能环境沉积为有利沉积环境。高能环境的中细砂岩物性较好, 具有较高的成分成熟度, 塑性颗粒含量相对较少。此外, 沉积环境影响砂体发育。辫状河三角洲前缘砂岩颗粒较细, 砂体累计厚度大, 平行层理和斜层理等层理构造发育, 有利于发育层理缝。分流河道和河口坝等的砂岩粒度比三角洲前缘粗, 单层厚度也变大, 裂缝发育情况比三角洲前缘差[19]。

5.2 埋藏与压实过程

四棵树凹陷侏罗系头屯河组储层经历早期缓慢浅埋及后期快速深埋的过程, 该埋藏方式大幅度地抑制成岩作用, 利于孔隙的保存。头屯河组储层深埋时间约起始于 20Ma, 在中新世末期埋深幅度迅速加大(图 10), 塑性颗粒含量和杂基含量较高的砂岩受到强烈的压实作用, 导致砂岩储层进一步致密化。虽然四棵树凹陷侏罗系储层经历了长期缓慢浅埋及后期快速深埋过程, 但高探 1 井的成藏期早于深埋期, 因此晚期深埋压实作用并未强烈地改变砂岩的储集性能。

通过砂岩粒度分析求得分选系数, 利用博里德公式对原始孔隙度进行恢复, 再根据压实系数计算压实作用造成的孔隙度损失, 得出四棵树凹陷头屯河组储层因压实作用损失的孔隙度达 5%~30%。

在头屯河组经历深埋作用时期, 受到天山的强烈构造挤压, 头屯河组砂岩薄弱面的层理面可破裂形成层理缝, 或原来已经闭合的层理缝会重新开启。同时, 机械压实作用也会使颗粒破碎, 形成微裂缝, 提高岩石的渗流能力(图 7)。

6 结论

本文综合利用岩芯、露头和钻井资料, 恢复准噶尔盆地四棵树凹陷头屯河组的沉积环境, 对致密砂岩储层进行岩相学、储集空间种类以及成岩作用分析, 并探讨影响储层性能的主要因素, 得到以下结论。

1)准噶尔盆地四棵树凹陷头屯河组主要发育辫状河三角洲沉积, 具有“南北双向”的物源特征, 储层经历了早期缓慢浅埋及后期快速深埋的过程, 该埋藏方式大幅度地抑制成岩作用, 利于孔隙的保存。影响四棵树凹陷头屯河组储层物性的主要因素为沉积环境、埋藏过程、压实作用和构造作用。

2)四棵树凹陷头屯河组孔‒缝双重介质型有效储层具有“三低一弱”的特征: 低成分成熟度、低泥质含量、低胶结物含量、弱溶蚀作用。孔隙主要由残余粒间孔及少量粒内溶孔组成, 裂缝主要由层理缝和成岩缝组成。

3)头屯河组砂岩储层的成岩序列如下: 早期埋藏压实作用→少量方解石、菱铁矿和高岭石胶结→早期酸性流体溶蚀作用→高岭石、硅质胶结持续作用→晚期方解石胶结作用。砂岩储层主要受压实作用控制, 溶蚀增孔和胶结减孔作用有限, 裂缝有效地改善了储层物性。

4)控制四棵树凹陷头屯河组致密砂岩储层物性的主要因素有沉积环境、埋藏与压实过程以及构造作用。发育于高泉背斜和西湖背斜中的辫状河三角洲前缘的致密砂岩储层具有良好的勘探前景, 含有少量塑性颗粒的中‒粗砂岩具有较好的物性。

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Analysis of Characteristics of Tight Sandstone Reservoir with Porous-Fissure Dual Medium in Toutunhe Formation of Sikeshu Sag

YUAN Bo1, DONG Xuemei1, GUAN Xutong2,†, ZHOU Tianqi2,3, WANG Xinqiang1, WEI Lingyun1, ZHAO Jinyong1, FENG Geng2, WU Chaodong2,3,†

1. Geological Branch, Exploration and Production Research Institute, Xinjiang Oilfield Ltd., PetroChina, Urumqi 830013; 2. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, MOE, Peking University, Beijing 100871; 3. Institute of Oil & Gas, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding authors, E-mail: guanxt@pku.edu.cn (GUAN Xutong), cdwu@pku.edu.cn (WU Chaodong)

Abstract Synthesizing core, outcrop, drilling data, the sedimentary environment was reconstructed. The petrography analysis, reservoir space category summary, diagenesis recovery and controlling factors of the reservoir analysis were conducted. The tight sandstone reservoir with dual medium in Toutunhe formation fractures of Sikeshu sag has the characteristics of “three low one weak” of low component maturity, low shale content and lower cement content. The pore type is mainly composed of remaining intergranular pores and a few intragranular pores and fissure types mainly consist of bedding fissures and diagenetic fissure. The principal elements controlling the tight sandstone reservoir property of in Toutunhe formation fractures of Sikeshu sag are depositional environment, burial process, compaction and tectonism. The tight sandstone reservoir with braided river delta front subfacies that developed in the Gaoquan anticline and West Lake anticline has favorable prospect for exploration. The coarse sandstones with a small amount of plastic grain content possesses better reservoir quality.The reservoir is mainly controlled by compaction. Denudation pore increasing and cementation hole reduction is limited. Fissures improve reservoir properties effectively.

Key words tight sandstone; pore-fracture systems; sedimentary environment; diagenesis

国家科技重大专项(2016ZX05003-005)、国家油气重大专项(2016ZX05047-001-004)和中国石油重大科技专项(2017E-0403)资助