海相碳酸盐岩中蕴藏丰富的油气资源, 主要分布在中东、中亚–俄罗斯以及北美地区。中东是全球最富集油气的地区, 其石油探明储量占全球总探明储量的 48.3%, 原油产量占全球总产量的 31.3%,其中侏罗系–白垩系的油气储量在中东各层系中的占比达 77%[1–4]。大约有 46%的碳酸盐岩油气资源蕴藏在膏盐岩–碳酸盐岩共生层系中, 如桑托斯盆地、阿姆河盆地和西伯利亚盆地等以及我国塔里木盆地、鄂尔多斯盆地和四川盆地等[5–7]。
通常情况下, 蒸发岩沉积的同时伴生多种白云岩, 形成白云岩–蒸发岩共生体系。近年来, 大量研究揭示膏盐岩之下发育白云岩储层和生屑灰岩储层, 同时膏盐岩的封盖有利于油气的成藏与保存,但其微观结构特征与储层精细描述较为复杂, 膏盐岩–碳酸盐岩共生层系储层的发育规律仍然具有重要研究意义[8–9]。
阿联酋阿布扎比 B 油田(简称 B 油田)主要的油气富集层位 Arab 组为一套典型的膏盐岩–碳酸盐岩共生层系, 其中 Arab-C 和 Arab-D 油藏储量大, 物性条件优越[10–11]。但是, 由于其结构和组分复杂,储层非均质性极强, 油气勘探开发面临挑战。目前,B 油田注水开发过程中, 同井层间或同层井间的岩性与储层品质差异较大, 注水开发效果不佳, 亟需开展微观岩石学研究和储层精细描述, 探明 Arab 组储层发育和分布的主控因素。
微相分析对解释碳酸盐岩的沉积环境和成岩演化具有重要意义[12]。Flügel [13]将“微相”定义为“所有源自薄片、岩石揭片、抛光片或岩石标本的, 能够被分类的沉积学和古生物学标志”, 并对微相分析、微相解释和微相应用做了全面的总结, 为碳酸盐岩的基础研究以及碳酸盐岩油气勘探提供了重要的理论指导。
本文基于 B 油田两口取芯井的岩芯、薄片及物性资料, 采用微相分析方法, 研究 Arab 组碳酸盐岩的微相类型、沉积模式、储层发育特征及成岩作用演化过程, 以期深化对 Arab 组碳酸盐岩储层非均质性的认识, 厘定储层发育的主控因素, 进而为油田下一步注水开发方案的调整提供科学依据。
1 地质背景
阿拉伯板块在中生代的沉积主要受新特提斯洋扩张的影响。晚二叠世, 冈瓦纳大陆东部解体, 板块之间发生大陆裂谷作用和海底扩张, 新特提斯洋开启; 从早侏罗世开始, 阿曼东南海岸逐渐形成新的被动大陆边缘; 中侏罗世卡洛夫期至晚侏罗世牛津期(Callovian-Oxfordian, 164.4～154.1 Ma), 海平面的相对上升致使盆地内沉积富有机质烃源岩; 晚侏罗世钦莫利期—提塘期(Kimmeridgian-Tithonian,154.12～144 Ma), 被动大陆边缘广泛发育浅海碳酸盐岩, 由于周期性的海平面相对下降以及提塘期热带辐合带相关的干旱气候, 强烈的硫酸盐置换导致沉淀大量硬石膏, 蒸发岩广泛发育, 覆盖在浅海碳酸盐岩之上[14–15](图1)。
图1 阿拉伯板块晚侏罗世古地理图(修改自文献[15])
Fig.1 Late Jurassic paleogeographic map of the Arabian Plate (modified from Ref.[15])
中生界侏罗系含油气系统发育多套成藏组合,以上侏罗统钦莫利阶–提塘阶(Kimmeridgian-Tithonian)的成藏组合最为重要, 由生油岩 Diyab 组的富有机质泥岩、储层 Arab 组的灰岩和白云岩以及盖层 Hith 组的蒸发岩构成[16–17]。其中, 储层 Arab 组的碳酸盐岩是世界上最高产的含油气单元之一[18–20]。Arab 组在阿拉伯板块许多地区(如阿联酋陆上、阿联酋近海、沙特阿拉伯、巴林和卡塔尔)都发育大型油气藏[21–22]。Arab 组优质储层和 Hith 组盖层的展布范围控制了油气的有力勘探区带, 烃源岩热演化程度决定了阿联酋阿布扎比海域地区以油为主,陆上地区以油气为主[23]。
本文研究区 B 油田即为阿联酋阿布扎比近海典型的碳酸盐岩油藏, 属于波斯湾盆地鲁卜哈里盆地的东次盆构造单元, 其形成和演化与阿拉伯板块的演化密切相关。B 油田地处阿布扎比北部海域附近Das 与 Zirku 群岛之间, 位于阿布扎比陆上西北方向约 155 km 处, 油田整体上呈北东–南西向展布的小型背斜构造(图2(a)和(b))。
图2 阿布扎比B油田构造位置及Arab组地层特征
Fig.2 Location of B Oilfield in Abu Dhabi and stratigraphic characteristics of the Arab Formation
(a) 阿布扎比油田位置(修改自文献[24–25]), 实线为地质构造界线, 虚线为阿联酋国界线; (b) B 油田 Arab 组顶面构造图,等值线表示深度(m), 红色粗线表示断层; (c) 侏罗系钦莫利阶–提塘阶 Arab 组岩性(修改自文献[26])
在阿布扎比近海地区, 上侏罗统 Arab 组膏盐岩–碳酸盐岩层系由互层的颗粒灰岩、泥粒灰岩、泥晶灰岩、白云岩和蒸发岩组成, 分为 Arab-A, Arab-B, Arab-C 和 Arab-D 共 4 段, 每段以浅海碳酸盐岩沉积开始, 以硬石膏岩沉积结束[24]。其中, Arab-D段细分为 9 个小层, Arab-C 段细分为 10 个小层。从底部 Arab-D 段至顶部 Arab-A 段, 硬石膏岩和白云岩逐渐增加, 灰岩逐渐减少, 直到上覆Hith组全部为干旱萨布哈环境形成的硬石膏岩(图2(c))。Arab-D 段和 Arab-C 段是 B 油田的主力产油层段, Arab-D段由部分白云石化的泥晶灰岩组成, 中间夹多孔的泥粒灰岩、颗粒灰岩和白云岩, 向上渐变为硬石膏岩; Arab-C 段由部分白云石化的颗粒灰岩、泥粒灰岩、粒泥灰岩和泥晶灰岩组成, 中间夹含硬石膏或膏质白云岩, 向上渐变为硬石膏岩。
2 微相类型及沉积模式
2.1 微相类型
碳酸盐岩的基本组构可分为生物碎屑(骨骼颗粒)、非骨骼颗粒和碳酸盐岩杂基三部分, 不同结构组分的特征可为微相类型的划分提供重要的生物地层或古环境信息[27]。基于 W-002 和 W-003 两口取芯井的岩芯观察及 219 个铸体薄片鉴定的定量–半定量统计结果, B 油田 Arab 组 C 段和 D 段发育蒸发岩、灰岩和白云岩三大类岩石, 根据主要结构组分, 共识别出 12 种微相类型(图3 和 4, 表1)。蒸发岩类以硬石膏岩(MF1)为典型代表。白云岩类共识别出膏质细晶白云岩(MF2)、细晶白云岩(MF3)、膏质粉晶白云岩(MF4)和残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10) 4 种微相。根据邓哈姆分类方案, 将灰岩划分为泥晶灰岩、泥粒灰岩、颗粒灰岩三大类。结合生物碎屑、白云石和硬石膏含量, 识别出云质泥晶灰岩(MF5)、膏质泥晶灰岩(MF6)、泥晶灰岩(MF7)、含硬石膏泥粒灰岩(MF8)、腹足生屑颗粒灰岩(MF9)、球粒颗粒灰岩(MF11)和膏质颗粒灰岩(MF12) 7 种微相类型。
表1 阿布扎比B油田Arab组微相类型
Table 1 Microfacies types in the Arab Formation of B Oilfield, Abu Dhabi
微相类型 岩性 结构 主要结构组分 水体能量等级沉积环境 主要成岩作用MF1 硬石膏岩 结晶粒状结构 板状/长柱状硬石膏、硬石膏结核 低–中 潮上带 硬石膏化作用、溶蚀作用MF2 膏质细晶白云岩 细晶结构 自形细晶白云石, 板状/长柱状硬石膏、硬石膏结核 低–中 潮上带 白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用MF3 细晶白云岩 细晶结构 自形细晶白云石 低–中 潮上带 白云石化作用MF4 膏质粉晶白云岩 粉晶结构 自形粉晶白云石, 板状/长柱状硬石白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用MF5 云质泥晶灰岩 泥晶结构 泥晶方解石, 自形粉细晶白云石 低 潮间带 白云石化作用, 溶蚀作用MF6 膏质泥晶灰岩 泥晶结构 泥晶方解石, 板状/长柱状硬石膏,少量双壳、有孔虫生屑 低 潮间带 溶蚀作用, 硬石膏化作用MF7 泥晶灰岩 泥晶结构 泥晶方解石, 少量双壳、棘皮、介膏、硬石膏结核 低–中 潮上带-潮间带形虫、有孔虫生屑 低 潮间带-潟湖 溶蚀作用, 硬石膏化作用MF8 含硬石膏泥粒灰岩 泥粒结构 颗粒、球粒、似球粒, 板状/长柱状硬石膏, 少量自形细晶白云石 中 潟湖-障壁滩胶结作用、溶蚀作用, 硬石膏化作用MF9 腹足生屑颗粒灰岩 颗粒结构大量腹足生屑颗粒, 有孔虫、双壳、介壳生屑, 极少量自形细晶白云石,极少量板状/长柱状硬石膏中–高 障壁滩 胶结作用、白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用MF10 残余颗粒结构膏质细晶白云岩 残余颗粒结构 自形细晶白云石, 板状/长柱状硬石膏、硬石膏结核 中–高 障壁滩 胶结作用、白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用MF11 球粒颗粒灰岩 颗粒结构球粒、似球粒, 少量腹足、有孔虫、双壳、介壳生屑, 极少量自形细晶白云石中–高 障壁滩 胶结作用、白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用MF12 膏质颗粒灰岩 颗粒结构腹足生屑颗粒, 有孔虫、双壳、介壳生屑, 粒内孔充填大量硬石膏, 极少量自形细晶白云石中–高 障壁滩 胶结作用、白云石化作用、溶蚀作用、硬石膏化作用
图3 阿布扎比B油田Arab组综合地层柱状图
Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of the Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
RT, RLA3和RLA5: 三电阻率测井, 0.1～100000 ohm/m; DT: 声波时差测井, 140～40 μs/ft; RHOB: 密度测井, 1.95～2.95 g/cm3; NPHI: 中子孔隙度测井(体积比), 0.45～−0.15; 测井孔隙度: 测井曲线计算孔隙度(体积比); 岩芯孔隙度: 岩芯实测孔隙度(体积比), 0.3～0; 测井渗透率:测井曲线计算渗透率; 岩芯渗透率: 岩芯实测渗透率, 0.01～1000 mD; Sw_Archie: 含水饱和度, 100%～0; So: 含油饱和度, 0～100%
1) 硬石膏岩微相(MF1)。岩芯呈灰白色, 不含油, 致密块状构造, 花斑状, 主要矿物为硬石膏。显微镜下可见其由板状、柱状硬石膏晶体构成, 正交光下呈高级干涉色, 板柱状变晶结构(图4(a))。该微相主要出现在 Arab 组 C5 和 C10 层。硬石膏为高度浓缩海水环境中沉积的石膏成岩脱水的产物,反映平均高潮线以上的潮上带萨布哈干旱环境。
图4 阿布扎比B油田Arab组碳酸盐岩显微镜下照片
Fig.4 Photos under the microscope of carbonate rocks of Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
(a) MF1, 硬石膏岩, W002 井, 3013.56 m, Arab-C10; (b) MF2, 膏质细晶白云岩, W003 井, 2982.94 m, Arab-D1; (c) MF3, 细晶白云岩, W003井,2976.85 m, Arab-C9; (d) MF4, 膏质粉晶白云岩, W003井, 2984.08 m, Arab-D1; (e) MF5, 云质泥晶灰岩, W003井, 3056.02 m, Arab-D6; (f) MF6,膏质泥晶灰岩, W003井, 3017.49 m, Arab-D4; (g) MF7, 泥晶灰岩, W003井, 2987.67 m, Arab-D2; (h) MF8, 含硬石膏泥粒灰岩, W003井, 2975.78 m, Arab-C9; (i) MF9, 腹足生屑颗粒灰岩, W003井, 2969.48 m, Arab-C7; (j) MF10, 残余颗粒结构膏质细晶白云岩, W003井, 2960.23 m, Arab-C5; (k) MF11, 球粒颗粒灰岩, W002井, 3001.98 m, Arab-C7; (l) MF12, 膏质颗粒灰岩, W003井, 2967.53 m, Arab-C6
2) 膏质细晶白云岩微相(MF2)。岩芯呈灰白–灰褐色, 块状构造, 可见少量硬石膏结核。显微镜下可见硬石膏主要充填于溶蚀孔洞中, 部分孔洞未被充填, 孔隙边缘见细晶自形白云石(图4(b))。原始沉积的膏质结核部分发生溶蚀形成孔洞, 部分发生石膏向硬石膏的脱水转变。原岩为含石膏的潮上带碳酸盐沉积物, 受萨布哈蒸发环境准同生白云石化影响, 石膏转变过程中发生迁移和部分溶蚀。硬石膏中的自形白云石为原始膏质结核中的灰泥经白云石化形成。孔隙类型主要为溶孔、模孔和晶间孔。该微相主要出现在 Arab 组 C1 和 D1 层, 反映平均高潮线以上的潮上带萨布哈干旱环境。
3) 细晶白云岩微相(MF3)。岩芯呈灰白–灰褐色, 细晶结构, 块状构造。显微镜下可见其由自形细晶白云石构成, 发育晶间孔, 孔径较小, 但相互连通, 局部晶间孔中见沥青, 偶见硬石膏(图4(c))。该微相发育于 Arab 组 C9 和 D5 层, 反映平均高潮线以上的潮上带萨布哈沉积环境。
4) 膏质粉晶白云岩微相(MF4)。岩芯呈灰白–灰褐色, 粉晶结构, 块状构造, 可见少量硬石膏结核。显微镜下可见含大量硬石膏结核, 与方解石及白云石共生(图4(d))。发育晶间孔, 见少量晶间溶孔, 孔隙尺度较小, 但相互连通, 局部发生溶蚀作用, 形成较大的溶孔。具残余颗粒结构特征, 硬石膏充填往往与方解石相伴生。该微相出现在 Arab组 C1, C9 和D1 层, 反映平均低潮线以上的潮上–潮间带沉积环境。
5) 云质泥晶灰岩微相(MF5)。岩芯呈灰色, 结构致密。微观上呈泥晶结构(Mudstone), 含极少生物碎屑, 偶见小型底栖有孔虫, 均匀地分布大量自形白云石粉晶, 成因为蒸发干旱环境下的萨布哈白云石化(图4(e))。孔隙发育极差, 仅有少量细小的溶孔。该微相主要出现在 Arab 组 D2, D4 和 D6 层,反映平均高潮线至平均低潮线之间水体能量低的潮间带环境。
6) 膏质泥晶灰岩微相(MF6)。岩芯呈灰色, 结构致密, 可见灰白色硬石膏矿物纤维状集合体。微观呈泥晶结构(Mudstone), 可见少量生物碎屑, 主要为底栖有孔虫和双壳类; 含大量硬石膏, 部分呈团块状, 部分呈板条状或长柱状, 指示干旱气候条件下的萨布哈潮坪环境(图4(f))。发育少量溶孔和铸模孔, 局部被自形白云石晶体充填, 孔隙中见沥青充填, 孔隙连通性差。该微相主要出现在 Arab 组C4 和 D4 层, 反映平均低潮线以下水体能量低的潟湖环境。
7) 泥晶灰岩微相(MF7)。岩芯灰色, 结构致密,偶见生物碎屑。微观上呈泥晶结构(Mudstone), 主要组分为泥晶方解石; 可见少量生物碎屑, 以双壳类、有孔虫和小的介形虫为主, 指示浅水局限环境;含少量自形白云石晶体和硬石膏板状晶体(图4(g))。孔隙极少, 局部发育少量溶孔、铸模孔和有孔虫体腔孔, 部分被方解石、白云石或硬石膏半充填, 孔洞边缘偶见沥青, 偶见大型双壳动物遮蔽作用。该微相主要出现在 Arab 组 D1, D2, D4, D5 和D6 层, 反映平均低潮线以下水体能量低的潟湖环境。
8) 含硬石膏泥粒灰岩微相(MF8)。岩芯呈灰褐色, 可见少量硬石膏的板状和长柱状晶体。微观上呈泥粒结构(Packstone), 由方解石颗粒和灰泥支撑,颗粒主要为内碎屑、球粒和似球粒, 偶见少量生物碎屑, 含自形白云石晶体, 颗粒之间分布少量自形白云石, 硬石膏的粗大晶体呈板条状, 与颗粒之间为突变接触关系(图4(h))。胶结作用较少见, 导致颗粒紧密排列, 孔隙发育较差, 仅见少量残余粒间孔和粒间溶孔, 连通性较差。该微相主要出现在Arab 组 C5, C9, C10 和 D1 层, 反映中等水体能量的潟湖–障壁滩环境。
9) 腹足生屑颗粒灰岩微相(MF9)。岩芯呈灰褐色, 颗粒结构, 可见少量大型腹足动物碎屑。微观上呈颗粒结构(Grainstone), 面孔率高, 含大量腹足动物碎屑, 少量有孔虫和介形虫, 部分颗粒可能是腹足动物成岩蚀变形成(图4(i))。腹足动物碎屑由方解石质的外部单壳体和文石质的内层组成, 大多具外部壳体, 呈螺旋卷曲状, 内部文石质被全部溶蚀, 形成大量组构选择性的粒内溶孔和铸模孔, 反映准同生溶蚀作用极为发育。此外, 原始粒间孔部分保存, 后期成岩叠加溶蚀作用形成粒间溶孔, 使该微相孔隙连通性好。颗粒边缘被亮晶胶结, 硬石膏充填部分孔隙, 部分颗粒内含自形细晶白云石。该微相主要出现在 Arab 组 C5 和 C7 层, 反映中–高等水体能量的局限障壁滩环境。
10) 残余颗粒结构膏质细晶白云岩微相(MF10)。岩芯呈灰白–灰褐色, 细晶结构, 块状构造, 可见少量硬石膏结核。显微镜下呈残余颗粒结构, 面孔率高, 发育大量溶孔、模孔、晶间孔、粒间孔和粒内孔, 局部可见较大的溶孔洞, 孔隙连通性较好, 部分孔隙中充填细晶白云石和硬石膏(图4(j))。该微相原岩为滩相颗粒灰岩, 原始颗粒被大气淡水淋滤,溶蚀后形成模孔, 颗粒外缘被方解石等厚环边胶结,形成孔隙反转现象。残余颗粒之间被细晶白云石充填, 硬石膏优先充填于较大的溶孔洞中, 较小的孔隙则保存下来。现今观察到的晶间孔和溶孔, 实际上为原始颗粒的粒间孔、粒间溶孔和粒内溶孔经白云石化形成的。该微相主要出现在 Arab 组 C1, C3和 C5 层, 反映中–高等水体能量的障壁滩环境。
11) 球粒颗粒灰岩微相(MF11)。岩芯呈灰色,颗粒结构, 颗粒紧密排列。显微镜下呈颗粒结构(Grainstone), 以球粒为主, 含少量生物碎屑, 主要为腹足、有孔虫和双壳类, 颗粒边缘见少量方解石胶结物, 是潜流带方解石胶结作用的产物(图4(k))。颗粒内部含自形白云石晶体, 局部含沥青。孔隙以粒间孔和粒间溶孔为主, 连通性中等。该微相主要出现在 Arab 组 C5, C6 和 C7 层, 反映中–高等水体能量的障壁滩环境。
12) 膏质颗粒灰岩微相(MF12)。岩芯呈灰白–灰褐色, 颗粒结构。显微镜下呈颗粒结构(Grainstone), 颗粒边缘被亮晶胶结, 生物碎屑以腹足、有孔虫、小的介壳及双壳为主(图4(l))。孔隙以粒间孔、粒间溶孔和粒内溶孔为主, 颗粒内发育微溶孔。粒内溶孔中含自形白云石晶体, 白云石化作用较弱; 硬石膏充填部分粒内溶孔, 呈团块状聚集分布, 为成岩作用的产物, 往往具有统一消光的特征。粒内溶孔形成于淡水潜流带, 原始颗粒内部发生组构选择性溶蚀, 同时伴随粒间方解石的胶结作用, 导致孔隙反转现象, 原始粒间孔被破坏。该微相主要出现在 Arab 组 C3, C5, C6, C7 和 C10 层, 反映中–高等水体能量的障壁滩环境。
2.2 微相组合和沉积模式
厘清沉积相在空间和时间上的相互关系有助于解释盆地的沉积演化史。随着时间推移, 沉积相界面在海侵–海退事件的影响下横向迁移, 地理位置相邻的沉积相形成微相组合[28]。微相类型能够反映控制原始沉积和生物碎屑分布的环境条件, 典型的微相组合可以指示特定的沉积相带[13]。本文在微相分析的基础上, 厘定了阿布扎比 B 油田侏罗系Arab 组的 4 种微相组合, 并解释其沉积环境。
阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组的沉积环境总体上为中–高能水体的碳酸盐岩内缓坡, 依据 12 种微相类型, 划分出潮上带(萨布哈)、潮间带、潟湖和障壁滩 4 种相带。
1) 潮上带相带。微相组合硬石膏岩(MF1)、膏质细晶白云岩(MF2)、细晶白云岩(MF3)和膏质粉晶白云岩(MF4)指示潮上带(图5), 后 4 种微相中均可见大量硬石膏与白云石的结合体。潮上带位于平均高潮线以上, 通常暴露于水面之上, 为局限海平原干旱潮坪的典型区域, 属于海岸萨布哈类型。在炎热干旱气候条件下, 陆源供给泥质充足, 含丰富Mg 和 Ca 离子的海水周期型补给, 为潮上带强蒸发条件下石膏的沉淀提供物质基础, 膏盐与环潮坪碳酸盐伴生。在随后的地表或近地表环境中, 硫酸盐以结核状或鸡笼状的硬石膏形式存在于沉积体中,细粒碳酸盐大多被准同生白云石化, 形成白云岩。
图5 阿布扎比B油田Arab组微相类型分布及沉积相带
Fig.5 Microfacies type distribution and sedimentary facies belt of the Arab Formation in B oilfield, Abu Dhabi
2) 潮间带相带。膏质粉晶白云岩(MF4)、云质泥晶灰岩(MF5)、膏质泥晶灰岩(MF6)和泥晶灰岩(MF7) 4 种微相以泥晶结构为主, 指示水体能量较低的潮间带相带(图5)。潮间带位于平均高潮线至平均低潮线之间, 被潮水交替性地淹没和暴露, 故水体能量处于频繁变化的中–低能。该相带储层潜力差, 储集空间以残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔为主, 连通性较差。
3) 潟湖相带。膏质泥晶灰岩(MF6)、泥晶灰岩(MF7), 含硬石膏泥粒灰岩(MF8)微相组合指示水体能量低的潟湖相带(图5)。局限潟湖位于海平面与正常浪基面之间, 沉积于有限的潮下–潮间带, 水体整体安静, 水动力能量弱。在干旱炎热的气候条件下, 潟湖缺乏淡水注入, 其水体蒸发量远超过注入量, 致使潟湖水面低于海洋水面, 进而海水向潟湖流动, 并不断蒸发浓缩, 含盐度逐渐提高而形成咸化潟湖。微相中出现有孔虫、介形虫等生屑类型以及少量生物体腔孔, 缺乏狭盐性浅水生物种类, 亦指示盐度较高的局限潟湖环境。
4) 障壁滩相带。含硬石膏泥粒灰岩(MF8)、腹足生屑颗粒灰岩(MF9)、残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10)、球粒颗粒灰岩(MF11)和膏质颗粒灰岩(MF12)的组合指示障壁滩相带(图5)。大量颗粒紧密排列, 指示沉积水体较高的水动力能量。腹足动物为广盐性生物, 适应含盐度变化较大的海水。因此, 腹足生屑颗粒灰岩(MF9)中大量腹足动物方解石质外壳的保留指示原始沉积处于障壁滩靠潟湖一侧的局限环境, 海水循环受到很大的限制, 盐度变化较大, 局部盐度较高。
3 储层特征
3.1 不同微相类型储层发育特征
国家能源局 2011 年颁发的中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T 6285—2011《油气储层评价方法》[29]中, 将碳酸盐岩储层的孔隙度、渗透率类型划分为高、中、低、特低 4 个等级(表2)。通过对研究区 1000 余个岩芯柱塞样测试数据的分析,可知阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组具有较好的储层物性(图6, 表3), 储集空间类型多, 孔隙度在0.40%～26.24%之间, 平均 10.38%, 渗透率在 0.01～523 mD 之间, 平均 24.66 mD。12 种岩石微相类型中, 膏质细晶白云岩(MF2)、残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10)、腹足生屑颗粒灰岩(MF9)和球粒颗粒灰岩(MF11)的孔–渗较高, 孔隙度大于 12%,渗透率大于 20 mD。
表2 碳酸盐岩储层孔隙度和渗透率类型划分行业标准[29]
Table 2 Division of industry standards about reservoir porosity and permeability type of carbonate[29]
孔隙度φ/% 孔隙度类型 渗透率K/mD 渗透率类型φ≥20 高孔 K≥100 高渗12≤φ<20 中孔 10≤K<100 中渗4≤φ<12 低孔 1≤K<10 低渗φ<4 特低孔 K<1 特低渗
表3 阿布扎比B油田Arab组微相类型及物性特征
Table 3 Microfacies types and physical properties of Arab Formation in Abu Dhabi B Oilfield
?MF1 硬石膏岩 0.50 1.10 0.74 0.01 0.09 0.03 特低孔特低渗 极差MF2 膏质细晶白云岩 4.00 25.70 14.12 1.10 523.00 82.52 中孔中渗 中等MF3 细晶白云岩 4.50 17.34 11.43 0.09 22.00 3.43 低孔低渗 差MF4 膏质粉晶白云岩 0.60 21.75 11.76 0.01 55.00 9.13 中孔中渗 中等MF5 云质泥晶灰岩 0.70 13.90 5.54 0.01 7.00 0.60 低孔低渗 差MF6 膏质泥晶灰岩 0.40 12.60 4.04 0.01 2.50 0.20 低孔特低渗 差MF7 泥晶灰岩 0.40 13.10 3.92 0.01 7.87 0.66 低孔特低渗 差MF8 含硬石膏泥粒灰岩 3.70 18.90 13.01 0.13 5.68 2.73 中孔低渗 中等MF9 腹足生屑颗粒灰岩 7.80 26.24 16.00 4.70 302.00 58.06 中孔中渗 好MF10 残余颗粒结构膏质细晶白云岩 7.40 25.00 17.50 1.99 443.00 99.25 中孔高渗 好MF11 球粒颗粒灰岩 5.00 18.70 11.95 0.82 157.20 30.83 中孔中渗 好MF12 膏质颗粒灰岩 4.20 20.13 13.19 0.12 7.32 3.18 中孔低渗 中等
图6 阿布扎比B油田Arab组各岩石微相孔隙度与渗透率的关系
Fig.6 Porosity-permeability relationship of microfacies types of Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
3.2 主要优势储层类型
3.2.1 白云岩储层(MF2和MF10)
MF2 和 MF10 微相类型中发育白云岩储层, 沉积于潮上带。
细晶白云岩(MF2)呈中等孔–渗特征, 孔隙度在4.0%～25.7%之间, 平均 14.12%, 渗透率介于 1.10～523.00 mD 之间, 平均 82.52 mD, 孔隙连通性好(表3)。储集空间以白云石晶间孔和溶蚀孔为主(图7(a)), 储层质量中等偏好。
图7 阿布扎比B油田Arab组碳酸盐岩储层储集空间类型
Fig.7 Types of carbonate reservoir space of Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
(a) 白云石晶间孔, 膏质细晶白云岩(MF2), W002井, 2979.42 m, Arab-C1; (b) 溶蚀孔洞, 残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10),W003井, 2960.95 m, Arab-C5; (c) 膏模孔, 残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10), W003井, 2950.10 m, Arab-C1; (d) 粒内溶孔和模孔, 残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10), W003井, 2954.61 m, Arab-C3; (e) 残余粒间孔, 残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10),W002井, 2988.87 m, Arab-C5; (f) 粒内溶孔, 腹足生屑颗粒灰岩(MF9), W003井, 2969.48 m, Arab-C7; (g) 溶蚀孔洞, 腹足生屑颗粒灰岩(MF9), W003井, 2972.24 m, Arab-C7; (h) 粒间孔, 球粒颗粒灰岩(MF11), W002井, 3000.15 m, Arab-C7; (i) 铸模孔, 膏质颗粒灰岩(MF12), W003井, 2955.34 m, Arab-C3
MF10 微相的原岩为颗粒灰岩, 沉积于障壁滩,现呈残余颗粒结构, 此类膏质细晶白云岩储层质量最佳, 呈孔–渗特征, 孔隙度在 7.4%～25.0%之间,平均 17.50%, 渗透率在 1.99～443.00 mD 之间, 平均99.25 mD, 面孔率较高, 孔隙连通性好(表3)。储集空间以白云石晶间孔(洞)、溶蚀孔(洞)、模孔、粒内溶孔和残余粒间孔为主(图7(b)～(d))。高压压汞实验结果表明, 两种白云岩储层孔喉较粗, 孔喉半径曲线呈单峰型, 排驱压力低(图8(a)～(d))。
图8 阿布扎比B油田Arab组主要优势储层孔喉半径分布和压汞曲线
Fig.8 Pore throat radius distribution and mercury injection curves of main dominant reservoirs of Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
(a)和(b) 膏质细晶白云岩(MF2); (c)和(d) 残余颗粒结构膏质细晶白云岩(MF10); (e)和(f) 腹足生屑颗粒灰岩(MF9);(g)和(h) 球粒颗粒灰岩(MF11)。样品均来自 W003 井
3.2.2 颗粒灰岩储层(MF9, MF11和MF12)
腹足生屑颗粒灰岩(MF9)、球粒颗粒灰岩(MF 11)和膏质颗粒灰岩(MF12)这 3 类颗粒灰岩微相中发育优质储层, 沉积于障壁滩环境。
腹足生屑颗粒灰岩储层质量最佳, 呈中–高孔–渗特征, 孔隙度在 7.8%～26.24%之间, 平均 16.0%,渗透率在 4.70～302.00 mD 之间, 平均 58.06 mD, 面孔率高, 孔隙连通性好(表3)。储集空间以原始粒间孔、粒间溶孔(洞)、粒内溶孔和铸模孔为主(图7(f)和(g))。孔喉半径分布呈双峰态, 10 μm 左右的较粗孔喉指示粒间溶孔和粒间孔等连通性较好的孔隙, 0.1～1 μm 的细孔喉指示铸模孔和体腔孔等连通性较差的孔隙, 排驱压力低(图8(e)和(f))。
球粒颗粒灰岩呈现中孔中渗特征, 孔隙度介于5.00%～18.70%之间, 平均 11.95%, 渗透率在 0.82～157.20 mD之间, 平均 30.83 mD, 面孔率高, 孔隙连通性好(表3)。储集空间为原始粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔和生物体腔孔, 储层质量中等偏好(图7(h))。高压压汞实验结果表明, 储层孔喉半径分布呈单峰态, 为 1～5 μm 的细孔喉, 排驱压力低(图8(g)和(h))。
膏质颗粒灰岩呈现中孔低渗特征, 孔隙度介于4.20%～20.13%之间, 平均 13.19%, 渗透率在 0.12～7.32 mD 之间, 平均 3.18 mD, 部分面孔率高, 孔隙连通性中等(表3)。储集空间为残余原始粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔和粒内微孔, 储层质量中等(图7(i))。
4 储层发育主控因素
阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组主要发育颗粒灰岩储层、细晶白云岩储层和残余颗粒结构膏质细晶白云岩储层, 储集空间类型主要为粒间(溶)孔、铸模孔、粒内溶孔、晶间孔、残余粒间孔和残余粒内溶孔。微相分析及各类微相储层特征表明, 优质储层的发育主要受控于沉积环境和成岩作用[30–31]。沉积环境决定岩石的组分结构和原始物性, 成岩演化决定岩石物性的次生改变, 而沉积环境对成岩演化具有一定的控制作用, 不同沉积环境具有不同的成岩作用类型[32]。
4.1 沉积环境对储层质量的控制
B 油田 Arab 组储层具有明显的相控特征(图9),障壁滩和潮上带为储层发育的有利相带, 在沉积地形整体上平缓的浅水碳酸盐岩缓坡内, 颗粒结构的原始碳酸盐岩为优质储层的形成提供了物质基础。原始沉积时, 较高的水动力条件使得大量颗粒结构沉积物得以形成。同时, Arab 组沉积期生物繁盛,以腹足类动物为典型代表, 生物碎屑颗粒分布范围广, 沉积厚度大。
图9 不同沉积相带孔隙度与渗透率的关系
Fig.9 Relationship between porosity and permeability in different sedimentary facies
碳酸盐岩颗粒比灰泥抗压实能力更强, 能够在沉积物中作为骨架起到支撑作用, 原始沉积组构直接影响原生孔隙的发育, 导致原始沉积层的孔隙度和渗透率较高[33]。此外, 后期叠加的成岩改造具有相带选择性, 滩相具有较高的沉积古地貌, 是早期大气淡水建设性成岩改造优先发生的相带。高部位的滩相带经过抬升暴露后, 生物碎屑更易受到大气淡水的溶蚀, 形成大量次生溶蚀孔隙(图10), 进而显著地提高储层质量。
图10 沉积对储层质量的控制示意图
Fig.10 Schematic diagram of reservoir quality controlled by sedimentation
4.2 成岩作用对储层质量的控制
岩芯和薄片特征表明, B 油田 Arab 组碳酸盐岩储集空间类型多, 包含原生孔和次生孔, 受原始沉积环境及成岩改造控制。沉积水体能量较高, 原始粒间孔被保存下来; 早期白云石化作用形成白云石晶间孔; 准同生溶蚀作用形成大量次生溶蚀孔/洞,为储层做建设性贡献。成岩过程中因方解石胶结和硬石膏充填等影响, 部分孔隙被破坏, 但总体储层质量较好。成岩阶段分为同生–准同生期、早成岩期和埋藏成岩期 3 个阶段, 依次经历海水环境、大气淡水环境、浅埋藏环境和中–深埋藏环境(图11)。孔隙建设性成岩作用包括准同生期溶蚀作用、白云石化作用、破裂作用、去白云石化作用和去石膏化作用等, 其中大气淡水溶蚀作用和白云石化作用显著地增强了储层质量。孔隙破坏性成岩作用包括泥晶化、硬石膏交代作用、方解石胶结作用和压实压溶作用等, 其中硬石膏交代作用、方解石胶结作用和压实作用显著地降低了储层质量。
图11 阿布扎比B油田Arab组碳酸盐岩成岩演化序列
Fig.11 Diagenetic sequence of Carbonate Rocks of Arab Formation in B Oilfield, Abu Dhabi
4.2.1 早期白云石化作用
白云石化作用对孔隙的改造具有多样性, 可强化、保持或破坏孔隙的发育[32]。早期白云石化能够增加白云石晶间孔, 改善原始孔隙结构, 同时对原始孔隙的保存起到积极作用[34]。成规模的白云岩储层中, 孔隙主要来自对原生孔隙的继承和表生溶蚀, 部分来自埋藏溶蚀[35]。对于 B 油田 Arab 组白云岩储层, 炎热干旱、蒸发量大、盐度高的环境导致成岩作用早期发生白云石化, 原岩为泥晶灰岩的岩石类型, 经萨布哈白云石化(又称蒸发泵白云石化)转变为粉晶白云岩, 贡献连通性良好的白云石晶间孔, 有效地改善了原始致密结构, 但整体孔–渗不高(图4(c)和(d))。原岩为高能滩相颗粒灰岩的岩石类型, 具有较高的初始孔隙度和渗透率, 经渗透回流白云石化, 与萨布哈成因相比, 形成的白云石粒径更粗, 晶形更平直, 构成良好的格架, 使得先存孔隙得以继承和调整, 连通性更佳, 为储层做出重要建设性贡献[35–37](图10(f)～(i), 图12)。
图12 阿布扎比B油田Arab组白云岩储层成岩演化过程
Fig.12 Diagenetic evolution diagram of dolomite reservoir of Arab Formation in B Oilfield, ABU Dhabi
(a) 原始高能滩相颗粒结构沉积, 发育较多粒间孔; (b) 准同生期白云石化, 组构选择性地交代方解石; (c) 方解石颗粒几乎被白云石化, 颗粒被方解石灰泥胶结; (d) 方解石完全被交代为白云石, 在继承原岩大量孔隙的同时, 残留下原岩的颗粒结构; (e) 硬石膏从水体中沉淀出来, 并充填残留的粒内孔
此外, 文石和方解石转化为白云石后, 岩石强度得到增加, 在相当程度上抵抗了机械压实及压溶作用, 减少埋藏过程中方解石胶结物的形成[36–38]。发生白云石化的岩石, 其原始沉积形成的粒间孔以及准同生溶蚀作用形成的次生溶蚀孔洞得以保存下来; 未发生白云石化的颗粒灰岩, 则在埋藏期遭受压实、压溶和胶结作用。因此, 早期白云石化也充当了孔隙保存的关键因素, 成储效应佳。
4.2.2 准同生期溶蚀作用
对于 B 油田 Arab 组主力颗粒灰岩储层, 准同生期溶蚀作用产生的次生孔隙是岩石储集空间的重要组成部分, 为高质量储层提供了必要条件[39]。
准同生期大气淡水溶蚀作用是碳酸盐岩优质储层的重要成因之一[31,40–42]。碳酸盐岩矿物易溶, 当碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中孔隙水性质发生变化时, 可引起碳酸盐矿物发生溶蚀, 准同生期大气淡水倾向于溶解不稳定的矿物, 常具有针对沉积组构的选择性特征[43–44]。在高能条件产生的泥粒灰岩和颗粒灰岩中, 不稳定的文石和高镁方解石等矿物组成的生物碎屑和颗粒比方解石更易溶蚀, 优先被大气淡水淋滤, 形成大量次生孔隙(铸模孔、粒内溶孔和粒间溶孔), 极大地提高了 Arab 组储层的孔–渗性能(图12)。组构选择性溶蚀对腹足生屑颗粒灰岩(MF9)的改造主要表现为溶蚀生屑, 形成粒内溶孔, 对球粒颗粒灰岩(MF11)的改造则主要表现为球粒颗粒间溶蚀, 形成粒间溶孔。沉积相位、生物碎屑含量和非生物碎屑含量可导致成岩改造路径的差异化, 结合沉积模式可知, 海平面下降时, 位于古地貌高部位的环境更容易被大气淡水淋滤, 溶蚀作用主要发生于微生物礁、微生物潮坪和颗粒滩沉积岩石中, 对优质储层的孔隙发育具有极大的贡献。
4.2.3 硬石膏的充填和溶蚀
蒸发岩是水体强烈蒸发或完全蒸发后卤水中的矿物沉淀而成, 石膏只产生于地表附近, 硬石膏则可以形成于地表或地下, 为石膏脱水后产物[13]。在B 油田 Arab 组碳酸盐岩成岩过程中, 一方面, 自生硬石膏以板状晶体为主, 也呈结核状或鸡笼铁丝状结构产出, 大量硬石膏胶结物的充填破坏原始孔隙,降低了储层质量(图12)。埋藏条件下, 硬石膏往往倾向于选择尺度大的溶孔和铸模孔充填, 部分小孔可以保存下来, 推测是由于小孔中的界面张力和矿物晶体曲率更大, 从而导致有效溶解度更高[45]。另一方面, 潮上带萨布哈沉积环境中大量膏盐亦可形成有效封盖层, 在早成岩期有助于保存原始孔隙。硬石膏在后期成岩过程中受到大气淡水的淋滤, 被溶蚀形成膏溶孔, 亦可为储层带来极好的孔隙度和渗透率[46–47]。
5 结论
1) 阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组膏盐岩–碳酸盐岩层系共发育 12 种微相类型, 这些微相类型及组合指示局限–蒸发缓坡碳酸盐岩台地中潮上带、潮间带、潟湖和障壁滩 4 种沉积相带。
2) 阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组碳酸盐岩储层质量整体上良好, 不同微相类型的储集空间类型和发育程度不同, 其中膏质细晶白云岩微相(MF2)、残余颗粒结构膏质细晶白云岩微相(MF10)、腹足生屑颗粒灰岩微相(MF9)、球粒颗粒灰岩微相(MF11)和膏质颗粒灰岩微相(MF12)具有较好的储集质量。MF2 和 MF10 微相储集空间以晶间孔、晶间溶孔、经成岩改造后残余的粒间孔及粒内溶孔为主, MF9,MF11 和 MF12 微相储集空间以粒间孔/溶孔、铸模孔及粒内溶孔为主。
3) 阿布扎比 B 油田侏罗系 Arab 组储层发育主要受控于沉积环境和成岩作用。储层发育具有典型的相控特征, 较高能的障壁滩相为最有利储层发育带。早期白云石化、准同生期大气淡水溶蚀以及硬石膏的溶蚀显著地提高储层质量, 硬石膏的胶结充填则显著地破坏原始孔隙。
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