伦坡拉盆地是青藏高原众多古近系陆相盆地中唯一发现工业油流的含油盆地;牛堡组是盆地主要的含油层系,砂砾岩是主力储层,受到业界的普遍关注。已有多位学者针对牛堡组沉积相和地震相开展了精细研究,雷清亮等[1]、马立祥等[2]、杜佰伟等[3]、李宇平等[4]认为“缓坡扇三角洲、陡坡水下扇”的沉积模式控制了优质储油砂砾岩的分布,并成功开展了不同沉积环境下砂砾岩储层的地震预测;但是,针对储层微观特征的研究较少,仅艾国华[5]开展了牛堡组砂砾岩储层特征及成岩作用研究,明确了压实作用、胶结作用以及溶蚀作用是控制储层发育的3大成岩作用,但并未深入分析这3大成岩作用是如何控制储层发育的,也未提及储层致密化过程及孔隙演化的相关内容,有利孔隙发育区不明确,无法有针对性地指导油气勘探工作。截至2016年,针对牛堡组部署的20口钻井全部钻遇砂砾岩储层,但储层质量差,开采难度大,优质储层预测成为阻碍油气勘探的一大难题。本文认为,前人主要利用地震勘探技术宏观预测砂砾岩展布,淡化了成岩作用对储层的微观改造,只有深入开展储层致密化因素分析,明确孔隙发育过程,寻找适合孔隙保存的有利区,才能最终预测优质储层的分布。因此,本文在已有岩矿分析资料基础上,新采、补采各类岩矿样品800余件,综合岩石学、沉积学等研究方法,着重从成岩角度开展储层致密化及孔隙形成的有利因素研究,首次探索孔隙的形成与保存机理,为井位部署提供理论依据。
1 区域地质伦坡拉盆地面积约为3 600 km2,在大地构造上沿班公湖-怒江缝合带呈东西向展布(图 1a)。
伦坡拉盆地可分为3个二级构造单元,即北部挤压断裂带、中部拗陷带和南部冲断隆起斜坡带,中部拗陷带由蒋日阿措、江加错和爬错3个次级凹陷构成[6](图 1b)。始新世,盆地经历了拉张断陷的构造过程,沉积了以泥页岩和碎屑岩为主的牛堡组,牛堡组底部与基底变质岩不整合接触,顶部与丁青湖组呈微角度不整合接触[7](图 1c)。工区位于中部拗陷带,区内牛堡组呈现西厚东薄、北厚南薄的特征,自下而上细分为牛一段、牛二段和牛三段,暗色泥页岩和含油砂砾岩发育在牛二段中、上部和牛三段中、下部,泥页岩和砂砾岩纵向上多期叠置形成“三明治”式的生储盖组合;D1
工区牛堡组砂砾岩为复成分砂砾岩,由砾岩、含砾砂岩、中砂岩、细砂岩和少量粉砂岩混合构成[8]。通过D1
工区牛堡组砂砾岩储层发育粒间孔、粒内溶孔和铸模孔(图 3a,图 3b,图 3c),分别占总孔隙的34%、38%和10%,其他类型孔隙包括溶蚀扩大缝、杂基孔等,占总孔隙的8%(裂缝除外);各类孔隙原始形态受到不同程度的破坏,均为残余孔隙。
统计分析257件砂砾岩样品物性,发现其孔隙度为0.19%
根据毛细管压力和铸体薄片分析结果,工区牛堡组砂砾岩储层排驱压力(
沉积作用和成岩作用共同控制了储层的质量,沉积作用包括沉积环境、物源条件等,成岩作用包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用、重结晶作用等[9]。笔者从宏观和微观角度开展砂砾岩储层发育控制因素研究后发现,机械压实作用、沉积环境和碳酸盐胶结作用与储层的致密化有关。
3.1 低成熟度加大了压实作用对储层物性的影响压实作用是导致碎屑岩储层原生孔隙损失的首要因素,储层埋藏深度越大,经历的压实强度越大[10]。碎屑颗粒的接触方式是压实强度最直接的反映[11],根据薄片观察结果,本区牛堡组砂砾岩颗粒接触方式主要为线接触,局部可见凹凸接触,表明储层经历了较强烈的压实作用;将砂砾岩物性与现今埋深交会后发现,孔隙度随埋深的增加急剧降低,当埋深大于1 500 m,平均孔隙度降低至10%以下,平均渗透率降低至0.5 mD以下(图 5)。
工区牛堡组现今平均埋深仅1 400 m,为什么压实作用对储层物性的影响较大?马鹏飞、张克银、潘磊等对伦坡拉盆地沉降和埋藏史进行了系统研究[12-14],认为,牛堡组在距今20 Ma之前经历了两次快速沉降,在距今20 Ma埋深最大,达25 00
同时,笔者通过岩芯描述、粒度分析和薄片观察后认为,低成熟度加大了压实作用对储层物性的影响:(1)砂砾岩泥质杂基含量高,当压实作用发生时,岩石颗粒间的泥质杂基起到“润滑”作用,促进了颗粒的相对挤压滑动,加大了机械压实作用对粒间孔隙的破坏程度。(2)砂砾岩分选差,当压实作用发生时,大小岩石颗粒相互挤压滑动,小颗粒被挤入大颗粒之间,堵塞了部分粒间孔隙。(3)砂砾岩岩屑含量高,当压实作用发生时,千枚岩、板岩等塑性岩屑发生变形,与其他颗粒的接触面积增大,粒间孔隙减小或消失,片状石英岩、云母等刚性岩屑发生断裂(图 7d),断裂的岩屑体积缩小,常充填在较大的粒间孔隙中。
牛堡期,盆地气候偏干旱,水体咸化程度高,盆缘断裂及火山活动频繁,周缘碳酸盐岩地层遭受强烈剥蚀[15],此沉积背景下形成的砂砾岩具有多种类型岩屑、盆屑和矿物混积的特征(图 6):(1)除去石英和长石,远源颗粒以盆外砂砾岩、生屑灰岩、砂屑灰岩、鲕粒灰岩和白云岩等沉积岩岩屑为主(图 3e,图 3f),X3和X6井区生屑和鲕粒灰岩岩屑含量较高,碎屑岩和云岩岩屑含量较低,W2井区碎屑岩和白云岩岩屑含量较高,灰岩岩屑含量较低。(2)近源颗粒以盆内或盆缘火山岩岩屑为主,X3和X6井区以中基性玄武岩和安山岩为主,SiO
胶结作用是破坏储层孔隙的成岩作用,胶结物的形成具有多类型、多期次的特征[18],牛堡组砂砾岩储层经历了早期和中晚期胶结作用;根据3.2所述,盆地北部、西北部和东南部、南部地区形成碳酸盐胶结物的物质基础存在差异,特别是Ca
早期碳酸盐胶结物形成于浅埋藏阶段,与沉积作用形成的碳酸盐矿物相比,早期碳酸盐胶结物具有区别于前者的两大特征(图 3i):(1)常“群体”发育,围绕在孤立的原生沉积碳酸盐矿物周缘;(2)晶体更小,半径一般小于20
随着地层埋深继续增大,地层温度和压力也随之升高,部分早期碳酸盐胶结物发生重结晶作用,占据了更多的储集空间;同时,黏土矿物蚀变产生大量Fe
溶蚀作用是扩大碎屑岩储集空间的有利成岩作用,可分为酸性溶蚀和碱性溶蚀作用[19]。牛堡组岩浆岩岩屑中包含长石、方沸石等易溶矿物,当烃源岩开始成熟并释放出大量有机酸时,这些易溶矿物在封闭性水循环的成岩环境中被选择性溶蚀,大量次生溶孔形成(图 3m)。随着烃源岩热演化程度不断提高,有机酸的生成量减少,成岩中晚期是否还存在发生大规模酸性溶蚀的成岩环境?石英次生加大主要发生于中性-偏酸性成岩环境,石英的溶蚀主要发生于碱性成岩环境[20],长石、方沸石等易溶矿物中富含大量Si
根据伦坡拉盆地牛堡组烃源岩热演化史,牛堡组早期石油充注大致发生在距今46.4
孔隙的形成与保存受成岩作用和石油充注的影响,压实、溶蚀、胶结与石油充注的先后顺序不同,对孔隙的改造结果不同[22]。压实作用是最早发生的成岩作用,其对储层的影响贯穿整个成岩过程,在沉积晚期-成岩中期压实作用对孔隙的破坏最强(图 8a),在成岩中晚期,压实作用对孔隙的破坏减弱[23]。工区常见长石解理缝、长石铸模孔及其他岩屑粒内溶孔被碳酸盐矿物充填(图 8b),也可见长石及石英加大边被碳酸盐部分交代(图 8c),结合本文4.1对成岩环境的分析,认为碳酸盐胶结发生在酸性溶蚀和石英次生加大之后;长石溶孔及铸模孔周缘发现油膜,油膜常被泥微晶碳酸盐胶结物覆盖(图 8d),表明石油充注发生在酸性溶蚀之后、早期碳酸盐胶结之前;工区铁方解石和铁白云石晶粒大、晶形完整,晶体未见酸性溶蚀或交代改造痕迹(图 8e),表明含铁碳酸盐胶结物形成时间较晚;工区裂缝切穿了各类岩石颗粒,裂缝中可见石油充注痕迹,未见碳酸盐矿物(图 8f),表明裂缝形成时间晚于碳酸盐胶结。
综合全文,明确了沉积作用、成岩作用和石油充注的特点、相互关系以及发生顺序,即得到孔隙的形成过程(图 9)。
(1) 陆源颗粒、盆屑、杂基与近源火山物质混积,构成了岩石的基本骨架,颗粒接触方式以点接触为主,原生孔隙发育。(2)北部及西北部形成部分原生方解石和少量原生白云石,东南部及南部形成部分原生白云石和少量原生方解石,在压实作用的影响下,岩石颗粒相互挤压并重新排列,颗粒接触方式转变为点-线接触,粒间孔隙减小。(3)压实作用对储层影响加大,岩石颗粒以线接触为主,烃源岩释放出大量有机酸,石英颗粒发生次生加大,易溶矿物被选择性溶蚀,次生孔隙形成,石油充注发生并占据了部分储集空间,盆地北部和西北部石油充注程度明显高于南部和东南部。(4)压实作用对储层影响减弱,中晚期碳酸盐胶结物形成,石油充注影响碳酸盐的胶结程度,盆地北部、西北部碳酸盐胶结物的生长较弱,孔隙部分保存,东南部和南部碳酸盐胶结物的生长基本不受抑制,孔隙保存较差。(5)构造挤压使储层形成裂缝,一定程度改善了储层质量。
5.3 有利孔隙保存区研究表明,伦坡拉盆地牛堡组砂砾岩储层受到压实作用和中晚期碳酸盐胶结的破坏,孔隙的保存需满足两个基本条件:(1)有机酸选择性溶蚀形成大量次生孔隙,石油早期充注并占据了大量储集空间,一定程度抑制了胶结作用的发生。(2)中晚期碳酸盐胶结相对较弱,储集空间并未全部丧失。据此,油气充注程度较高区域与中晚期碳酸盐胶结较弱区域的叠合区即为有利孔隙保存区(图 10)。
(1) 沉积环境、机械压实作用和碳酸盐胶结作用是导致储层高度致密化的重要因素。碳酸盐岩、火山岩、碎屑岩混积的沉积环境富含CO
(2) 酸性溶蚀和石油充注是孔隙形成和保存的有利因素,酸性溶蚀选择性溶蚀易溶矿物颗粒,形成大量次生孔隙,也可使原有孔隙溶蚀扩大;石油充注对孔隙进行溶蚀改造,并在孔隙边缘形成油膜,油膜一定程度抑制了碳酸盐胶结物的生长,降低碳酸盐胶结对孔隙的破坏程度。
(3) 储层埋藏过程中的成岩环境由早期酸性转变为中晚期碱性,孔隙的形成与保存先后经历了以下过程:沉积物形成,原生粒间孔隙大量发育;压实作用使颗粒重新排列,原生孔隙大幅降低;溶蚀作用使次生孔隙形成;石油充注占据孔隙并在孔隙边缘形成油膜;早期和中晚期碳酸盐胶结物形成,储层孔隙被破坏;晚期构造挤压使储层形成裂缝,储集性能得到改善。
(4) 盆地X3、X6井区油气充注程度高、中晚期碳酸盐胶结弱,是孔隙保存的有利区。
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