2. 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室, 中国地质大学, 北京 100083
2. Key Laboratory for Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Abundance Mechanism, Ministry of Education, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
珠江口盆地深水区珠江组地层具有极大的油气勘探潜力, 2006年在深水区发现的L气田, 探明地质储量达5.0×1010m3, 主要目的层为珠江组深水扇砂岩, 储层物性好, 孔隙度达到25%[1-2]。在L气田中, X1井和X2井珠江组含气砂岩在地震上表现为明显的亮点特征和Ⅲ类AVO异常。但随着勘探的深入, 发现该区亮点型目标较少[3], 且在位于L气田北侧断层下降盘的构造圈闭中, X3井钻遇了30m厚的非亮点型含气砂岩, 地震反射振幅较弱, 分析显示为Ⅱ类AVO异常。
造成珠江组含气砂岩多种AVO响应特征的原因以及AVO方法如何在该区勘探中更好地发挥作用, 成为了亟待解决的问题。前人对影响AVO特征的岩石物理性质和地质因素进行过深入的研究:耿斌等[4]分析了成岩作用对砂岩纵波速度-孔隙度关系的影响; 马中高[5]研究了成岩作用和岩石结构对砂岩纵横波速度的影响; DVORKIN等[6]分析了岩石孔隙胶结物对砂岩弹性速度的影响; 尹帅等[7]研究了压实和胶结作用与孔隙刚度参数的关系; 印兴耀等[8]研究了通过孔隙度预测砂岩纵横波速度的方法; 金莉等[9]研究了早成岩阶段的硅质岩中微孔隙对AVO异常的影响; 徐仲达等[10]讨论了纵波速度、密度、泊松比对AVO异常的影响; 党玉琪[11]证明了当上、下介质密度相同时, 影响振幅随偏移距变化的主要参数是泊松比。
本文从影响AVO响应特征的地质因素出发, 分析研究区压实作用、胶结作用、溶蚀作用对珠江组含气砂岩AVO响应特征的影响, 找出了含气砂岩存在不同AVO响应的原因, 并根据不同的成岩作用, 将研究区划分为3个成岩组合区, 分区开展AVO分析并预测含气砂岩, 取得了很好的应用效果。
1 研究区地质背景研究区位于珠江口盆地深水区, 17Ma前后南海中央海盆的扩张活动逐渐停止, 南海北部陆缘开始稳定热沉降, 此时陆架向海方向推进, 在陆坡下倾方向, 古珠江大河携带丰富的沉积物质, 形成了珠江组相当低位域的、极富砂的大型深水扇沉积体系[12]。
珠江组储层以岩屑石英砂岩和石英砂岩为主, 其次为长石石英砂岩。储集空间主要为粒间扩大孔和粒内溶孔, 其中粒间扩大孔由长石、石英及岩屑, 或早期的碳酸盐胶结物等溶蚀、溶解形成。粒内溶孔以长石和硅质岩屑颗粒内部溶孔较为多见, 其次为碎屑颗粒被钙质胶结物交代后再溶蚀产生。
勘探证实, 深水扇厚层席状砂和水道充填砂体是珠江组最好的储层, 如L气田X1井和X2井, 砂体含气后表现为明显的强振幅和Ⅲ类AVO异常, 且振幅异常与构造、含气范围叠合程度很高。但本区类似的“亮点”型目标较少, 后续钻探的X3井构造圈闭含气砂岩地震反射振幅较弱, AVO分析显示为Ⅱ类异常(图 1和图 2)。并且在构造高部位的X4井区, 虽然含气砂岩顶面为Ⅲ类AVO异常, 但在叠后地震剖面上却没有显示出强振幅特征。
SHUEY[13]给出了P波反射系数R(θ)与sin2θ的近似关系:
$ R\left( \theta \right) = I + G{\rm{si}}{{\rm{n}}^2}\theta + \frac{1}{2}\Delta \frac{{{v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{P}}}}}({\rm{ta}}{{\rm{n}}^2}\theta - {\rm{si}}{{\rm{n}}^2}\theta ) $ | (1) |
$ I = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta {v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{P}}}}} + \frac{{\Delta \rho }}{\rho }} \right) $ | (2) |
$ G = \frac{{ - 3 - 7\sigma }}{{2 - 2\sigma }}\Delta \frac{{{v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{P}}}}} - \frac{{1 - 2\sigma }}{{1 - \sigma }}\frac{{\Delta \rho }}{\rho } + \frac{{\Delta \sigma }}{{{{(1 - \Delta \sigma )}^2}}} $ | (3) |
式中:θ为入射角; I是垂直入射时的纵波反射系数, 称为截距; G是纵波反射振幅随sin2θ变化的梯度; vP, ρ, σ分别为反射界面上、下介质的平均纵波速度、密度、泊松比; ΔvP, Δρ, Δσ分别为反射界面上、下介质的纵波速度、密度、泊松比的变化量。当θ小于30°时, (1)式第3项可以忽略, 此时R(θ)与sin2θ为线性关系。
SHUEY[13]和夏红敏等[14]证明了梯度G主要由泊松比的变化决定, 当上、下介质的波阻抗一定时, 泊松比差越大, 振幅随入射角的变化也越大。RUTHERFORD等[15]根据含气砂岩和围岩的波阻抗差, 将AVO响应划分为4种类型, 各类型特征如表 1所示。因此, 根据截距和梯度的正负可以确定含气砂岩的AVO响应类型, 又由公式(1)~公式(3)可知, 截距I的符号由ΔvP和Δρ决定, 而梯度G的符号则主要是由σ和Δσ决定。碎屑岩的vP, ρ, σ取决于其矿物组成(岩性)、孔隙度、孔隙流体的性质、温度等多种因素[16]。其中, 矿物组成由物源、沉积相等决定, 孔隙度由沉积相、成岩作用决定。所以, 对于同一沉积相带内的含气砂岩, 成岩作用就成为影响vP, ρ, σ的主要因素。
研究区珠江组成岩作用可分为建设性和破坏性成岩作用两类。破坏性成岩作用包括机械压实作用、胶结作用等; 建设性成岩作用主要为溶蚀作用[17]。
2.1 压实作用压实作用是珠江组重要的破坏性成岩作用, 自渐新世以来, 随着盆地基底持续沉降, 沉积物埋深不断加大, 地层现今埋深即为最大埋深[18](由于研究区位于深水区, 且海水深度变化较大, 为了便于对比研究, 将海水厚度按密度换算成地层厚度, 本文中所指埋深都为换算后的埋深)。压实作用对砂岩物性的影响显著, 随压力的增大, 沉积物颗粒堆积方式发生变化, 部分颗粒产生塑性变形进入孔隙, 造成砂岩孔隙度降低。研究区砂岩孔隙度随埋深变化大致可以划分为3个阶段, 2500m以上为高孔锐减段, 孔隙度范围15%~32%, 并且随埋深加大而快速降低; 2500~3300m为稳定下降段, 孔隙度范围8%~25%, 随埋深加大而稳定降低; 3300m以下为缓慢缩减段, 孔隙度比较稳定, 一般小于10%。
孔隙度降低会使含气砂岩的纵波速度和泊松比随之增大[19-20]。图 3显示, 埋深较浅的X2井珠江组纵波速度从泥岩到砂岩有较明显的降低, 即ΔvPX2 < 0, 而较深的X3井砂岩纵波速度与上覆泥岩接近甚至稍高, 即ΔvPX3≈0。压实作用对密度的影响更为显著, 从图 4看, 泥岩和砂岩密度整体都随埋深增大而增大, 而且X2井含气砂岩与上覆泥岩的密度差明显大于X3井。同时, X2井的泊松比变化量也大于X3井(图 5)。
因此, 压实作用对X2井和X3井含气砂岩与围岩的ΔvP, Δρ, Δσ有明显影响, 具体表现为:ΔvPX2 < ΔvPX3≈0, ΔρX2 < ΔρX3 < 0, ΔσX2 < ΔσX3 < 0, 由公式(1)~公式(3)可知, X2井含气砂岩顶面的AVO截距IX2 < 0, 梯度GX2 < 0, 为Ⅲ类AVO特征; X3井含气砂岩顶面的AVO截距IX3≈0, 梯度GX2 < 0, 为Ⅱ类AVO特征。这就是在图 1和图 2中看到的X2井和X3井含气砂岩地震响应不同的原因。
2.2 胶结作用研究区珠江组砂岩胶结作用主要为硅质胶结和钙质胶结, 其次为粘土胶结(图 6)。硅质胶结作用在珠江组砂岩中普遍发育, 其主要形式是石英的次生加大, 加大边向粒间孔扩展而占据部分粒间孔隙(图 6a和图 6b), 对孔隙度有一定影响。钙质胶结作用也是珠江组砂岩中常见的成岩方式, 随着压实和压溶作用的增强, 孔隙水向孔隙集中, 温度也随之升高, 孔隙水的pH值相应的由弱碱性变为较强碱性, 对碳酸盐的溶解度降低, 使方解石等碳酸盐矿物析出, 形成碳酸盐胶结物[21]。观察岩心薄片可见局部钙质胶结物表现为连晶式胶结, 碎屑颗粒“悬浮”于钙质胶结物之间, 造成储层孔隙度的急剧降低(图 6e和图 6f)。粘土类胶结物包括杂基和次生粘土矿物, 杂基成分以伊利石为主, 次生粘土矿物大多生长在颗粒周围或前期胶结物表面, 以高岭石为主。
从已钻井岩心薄片观察发现, 胶结物的发育程度主要与埋深有关。X4井位于研究区东北部, 珠江组砂岩埋藏较浅, 处于早成岩阶段的弱碱性环境, 胶结作用相对发育, 砂岩孔隙主要被方解石(或铁方解石)充填[22], 对储层造成不利影响(图 6d~图 6f)。而X2井珠江组砂岩埋藏较深, 深层烃源岩中的有机质热降解生成的大量酸性地层水沿断裂向上, 最先对较深处的岩石碎屑、胶结物等强烈溶蚀, 从而生成丰富的溶蚀孔隙(图 6c)。图 7对比了从岩心薄片观察到的X2井和X4井胶结物平均含量, X4井砂岩胶结物含量明显高于X2井, 而且从图 8看, 孔隙度随胶结物增加明显降低。
胶结物起到了“粘合”矿物颗粒的作用, 使岩石的刚度显著增加[23], 因此胶结物含量的差异会影响砂岩的岩石物理性质, 进而造成地震响应特征的不同。X4井位于构造高部位, 珠江组砂岩普遍含气, 平均孔隙度16%, 虽然压实作用相对较弱, 但X4井含气砂岩顶并没有明显的强振幅特征(图 9, 图 10)。对其井旁CRP道集进行分析表明, 含气砂岩顶是Ⅲ类AVO特征(图 11), 但在较大角度出现了振幅随偏移距减小的现象。
胶结物含量的差异是造成X2井和X4井含气砂岩AVO和叠后地震响应差异的主要原因。X4井珠江组砂岩处于早成岩阶段, 孔隙度较高, 因此胶结作用对其体积模量K和剪切模量μ的影响可以用接触胶结模型来解释[24]:
$ K = \frac{1}{6}C(1 - {\phi _0}){M_c}{S_n} $ | (4) |
$ \mu = \frac{3}{5}K + \frac{3}{{20}}C(1 - {\phi _0}){\mu _c}{S_\tau } $ | (5) |
式中:ϕ0为砂岩的临界孔隙度; C为颗粒的平均配位数; Mc和μc分别为胶结物的体积和剪切模量; Sn和Sτ为两个胶结在一起的颗粒组合的正向刚度和切向刚度, 它们取决于胶结物的含量。随着胶结物的增加, 体积模量K和剪切模量μ增大, 但K比μ增大更快从而使纵波速度vP和泊松比σ均随胶结物含量的增加而增大, 同时密度也随之增大。
图 12是X4井和X2井珠江组含气砂岩的纵波速度-泊松比交会图, 数据来源于测井, 图中的理论曲线是根据接触胶结模型计算的硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结曲线。从图 12可以看出, X4井部分砂岩位于泥质胶结线右侧, 说明硅质、钙质和泥质胶结发育, X2井大部分砂岩位于泥质胶结线左侧, 说明硅质和钙质胶结不发育, 仅部分孔隙被泥质胶结物充填, 并且其孔隙度整体大于X4井, 这与薄片观察到的实际情况相符, 也验证了接触胶结模型在本区的适用性。
较高的胶结物含量造成了X4井珠江组含气砂岩“好而不亮”的现象。通过与上覆泥岩对比发现, X4井含气砂岩与上覆泥岩的纵波速度相差不大, 甚至略高于上覆泥岩(图 13); 从密度变化来看, X4井含气砂岩密度并没有因为埋深较浅而低于X2井砂岩, 且与上覆泥岩密度相差较大(图 14); 从泊松比变化来看, X4井含气砂岩与上覆泥岩的泊松比差异较X2井小(图 15)。即ΔvPX2 < 0 < ΔvPX4, ΔρX2≈ΔρX4 < 0, ΔσX2 < ΔσX4 < 0。由公式(1), 当入射角大于30°时, 公式(1)右侧第3项不能忽略, 因此, 在ΔσX4较小, ΔvPX4又略大于0的情况下, 就会出现大角度时振幅随入射角减小的现象, 而较大的密度差ΔρX4又保证了截距IX4 < 0, 即含气砂岩波阻抗比上覆泥岩低。所以, X4井珠江组含气砂岩顶面呈现出了一个相对较弱的Ⅲ类AVO响应, 使得在叠后地震剖面上也没有明显的强振幅特征。
溶蚀作用是珠江组主要的建设性成岩作用[25]。溶蚀作用主要受深部烃源岩有机质分解产生的酸性热液影响, 珠江组气源来自于深部烃源岩, 其有机质成熟度已达到成熟-高成熟阶段, 大量酸性热液在这一阶段生成, 并沿断层进入上部珠江组砂岩中, 对长石碎屑及碳酸盐胶结物进行强烈溶蚀而形成大量次生溶孔, 在2000~2750m深度形成一个次生孔隙发育带, 孔隙度为10%~15%。已钻井的珠江组储层大部分处于此成岩阶段内。
次生孔隙中对储层改造作用较大的是钙质胶结物溶蚀生成的孔隙, 岩心薄片观察也常见长石与硅质岩屑强烈溶蚀的现象, 有的仅剩残骸(图 6c), 形成了部分连通的粒间孔和粒内溶孔、铸模孔, 改善了储层孔渗性。溶蚀作用使砂岩向颗粒结构转化, 其作用与胶结作用相反, 使孔隙刚度减小, 孔隙度降低, 含气砂岩的纵波速度及泊松比降低, 从而影响储层的AVO响应特征。
3 依据成岩作用分区的AVO分析以上分析表明, 研究区成岩作用的差别是造成含气砂岩AVO响应特征不同的主要因素, 因此, 研究各类成岩作用在研究区的发育情况是应用AVO方法预测含气砂岩的基础。梁建设等[22]通过对邻区已钻井大量岩心的分析, 认为按成岩作用不同, 研究区在纵向上可划分为4个成岩区带, 分别是:早期碳酸盐胶结弱溶蚀带, 埋深小于2800m;中等压实-强溶蚀带, 埋深1800~2800m;较强压实-较强溶蚀带, 埋深2800~3800m;强压实-弱溶蚀带, 埋深大于3800m。本文在参考前人研究成果的基础上, 根据研究区珠江组多口钻井资料成岩作用的分析结果, 以及珠江组地层横向的埋深变化, 认为珠江组可划分为3个成岩作用组合区, 在不同的成岩组合区, 含气砂岩有不同的AVO特征(图 16)。
该成岩组合主要分布在研究区东北部埋藏较浅的弱碱性成岩环境中, 埋深1700~2300m。该区砂岩中往往有较强烈的钙质胶结层, 孔隙被方解石充填严重, 但由于埋藏较浅, 原生孔隙较发育, 砂岩平均孔隙度约为15%, 储层发育条件较好。砂岩储层波阻抗小于围岩, 而由于胶结作用较强, 泊松比比围岩略小但相近, 该成岩组合区域的含气砂岩表现为Ⅲ类AVO异常, 但在入射角大于30°后, 振幅随入射角增大而减小, 使得在叠后地震剖面上, 含气砂岩储层并没有出现明显的强振幅特征。
3.2 中等压实-强溶蚀-弱胶结成岩组合该成岩组合主要分布在研究区东部埋深2200~2500m的弱酸性成岩环境中。压实作用使部分颗粒发生较轻形变, 砂岩颗粒之间以点接触为主, 其次为点-线接触, 砂岩的原生孔隙保存良好, 对溶蚀作用的进行有利。孔隙类型以原生粒间孔为主, 其次为粒间和粒内溶孔, 铸模孔, 常见特大溶孔。砂岩平均孔隙度达18%, 是最有利于储层发育的成岩组合。该区域含气砂岩储层波阻抗和泊松比都明显小于围岩, 因此表现为Ⅲ类AVO异常, 在叠后地震剖面上为强振幅“亮点”型特征。
3.3 强压实-中等溶蚀-弱胶结成岩组合该成岩组合主要分布在研究区西部埋藏较深的弱酸性成岩环境中, 埋深范围2500~3600m, 该区域以压实作用为主导, 是影响砂岩孔隙度的主要因素, 孔隙类型以经压实的剩余原生粒间孔为主, 其次为溶蚀孔隙、铸模孔, 砂岩平均孔隙度小于10%, 对储层发育不利。含气砂岩储层波阻抗与围岩接近, 其泊松比小于围岩的泊松比, 表现为Ⅱ类AVO异常, 在叠后地震剖面上, 含气砂岩没有明显的强振幅特征。
4 分区域AVO分析预测含气砂岩分布因为在不同的成岩组合区, 含气砂岩的AVO响应特征不同, 所以需要对这3个区域分别开展AVO分析。在强压实-中等溶蚀-弱胶结成岩组合区内, 以寻找Ⅱ类AVO响应为目标; 在中等压实-强溶蚀-弱胶结成岩组合区内, 以寻找强振幅“亮点”型Ⅲ类AVO响应为目标; 在弱压实-弱溶蚀-强胶结成岩组合区内, 不考虑叠后振幅强弱, 而以寻找全部Ⅲ类AVO响应为目标。最终全区的含气砂岩预测结果如图 17所示。
从图 17可以看出, 在地震上表现为较弱振幅特征的X2井和X4井, 以及强振幅特征的X3井, 预测结果都显示为含气。整体上珠江组含气砂岩大多分布在强压实-中等溶蚀-弱胶结成岩组合区和弱压实-弱溶蚀-强胶结成岩组合区, 主要因素与压实作用不强烈, 砂岩原生孔隙较发育有关, 而在强压实-中等溶蚀-弱胶结成岩组合区分布较少, 这主要因为在强压实作用下, 砂岩孔隙度较低, 不利于储层的发育。
5 结论1) 含气砂岩的AVO特征与反射界面上、下的波阻抗和泊松比有关, 对于珠江组含气砂岩, 决定其波阻抗和泊松比变化的主要因素是成岩作用, 包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用。压实作用和胶结作用的增强会使储层孔隙度降低, 波阻抗和泊松比都增加; 溶蚀作用的增强会使储层孔隙度增加, 波阻抗和泊松比降低。
2) 按照砂岩成岩作用的不同, 将研究区珠江组砂岩划分为3个区域, 即:弱压实-弱溶蚀-强胶结成岩组合区、中等压实-强溶蚀-弱胶结成岩组合区、强压实-中等溶蚀-弱胶结成岩组合区。在不同成岩区中, 含气砂岩都有不同的AVO响应特征。对3个区域分别开展AVO含气性预测, 解决了珠江组含气砂岩叠后振幅响应多变, AVO特征认识不清的难点。
3) 本文从影响地震响应的地质因素出发, 认为成岩作用是造成含气砂岩地震响应不同的主要原因, 通过划分不同的成岩组合区, 分区域开展砂岩含气性地震预测, 取得了较好的应用效果, 该研究方法对类似地区的油气勘探具有借鉴意义。对于储层地震响应复杂的情况, 以地质研究为基础, 分析造成不同地震响应的主要地质因素, 然后对不同的地质情况, 采用针对性的地震解释方法, 是提高储层预测准确率的有效途径。
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