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  中国石油勘探  2020, Vol. 25 Issue (4): 86-94  DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2020.04.009
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引用本文 

毛凤军, 刘计国, 姜虹, 袁圣强, 李早红, 郑凤云, 陈忠民, 程顶胜, 王玉华. 西非裂谷系Termit盆地白垩系砂岩成岩作用及有利储层发育区预测[J]. 中国石油勘探, 2020, 25(4): 86-94. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2020.04.009.
Mao Fengjun, Liu Jiguo, Jiang Hong, Yuan Shengqiang, Li Zaohong, Zheng Fengyun, Chen Zhongmin, Cheng Dingsheng, Wang Yuhua. Diagenesis of Cretaceous sandstone and prediction of favorable reservoir development area in the Termit Basin of the West African rift system[J]. China Petroleum Exploration, 2020, 25(4): 86-94. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2020.04.009.

基金项目

中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“乍得—尼日尔重点盆地勘探领域评价和目标优选”(2019D-4308)

第一作者简介

毛凤军(1965-),男,河北衡水人,硕士,1991年毕业于青岛海洋大学,高级工程师,现主要从事海外油气勘探方面的研究工作。地址:北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院非洲研究所,邮政编码:100083。E-mail: maofengjun@petrochina.com.cn

文章历史

收稿日期:2020-05-14
修改日期:2020-06-16
西非裂谷系Termit盆地白垩系砂岩成岩作用及有利储层发育区预测
毛凤军, 刘计国, 姜虹, 袁圣强, 李早红, 郑凤云, 陈忠民, 程顶胜, 王玉华     
中国石油勘探开发研究院
摘要: 成岩作用在沉积岩形成演化过程中占有重要位置。由于不同盆地沉积及构造演化的差异性,导致其成岩作用也有不同的特点。以样品实验分析为基础,开展尼日尔Termit盆地白垩系砂岩成岩作用研究,明确了该盆地白垩系砂岩成岩作用的主要类型及其对储层的影响;根据成岩现象、黏土矿物特征与变化规律、包裹体均一温度等多个方面对该盆地白垩系砂岩储层进行成岩阶段划分,认为研究区白垩系砂岩大多处于中成岩A阶段,埋藏较浅的砂岩处于早成岩B阶段。Termit盆地白垩系砂岩的岩石类型是影响成岩作用的一个重要因素,由于该盆地白垩系砂岩以石英砂岩为主,石英颗粒的强支撑作用减弱了压实作用对储层的破坏,原生粒间孔是最为发育的孔隙类型,此外还发育少量粒内孔隙、粒间溶孔等孔隙。Termit盆地不同区带白垩系砂岩储层的发育具有一定的差异,Fana低凸起和Yogou斜坡储层相对较发育,储层物性好;Soudana隆起带和Dinga断阶储层物性差。Fana低凸起具有很好的勘探潜力,从钻探结果中也得到了证实,是后续白垩系勘探的重点区带。
关键词: Termit盆地    白垩系    砂岩    成岩作用    
Diagenesis of Cretaceous sandstone and prediction of favorable reservoir development area in the Termit Basin of the West African rift system
Mao Fengjun , Liu Jiguo , Jiang Hong , Yuan Shengqiang , Li Zaohong , Zheng Fengyun , Chen Zhongmin , Cheng Dingsheng , Wang Yuhua     
PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development
Abstract: Diagenesis plays an important role in the formation and evolution of sedimentary rocks. Due to the differences in sedimentary and tectonic evolution in different basins, diagenesis also has different characteristics. Based on the experimental analysis of samples, the diagenesis study of Cretaceous sandstones in the Termit Basin of Niger was carried out. The main types of diagenesis of Cretaceous sandstones in the basin and its influence on reservoirs are clarified. The diagenetic stages of Cretaceous sandstone reservoirs in the basin are divided according to diagenesis appearance, clay mineral characteristics and transformation laws, and homogenization temperature of inclusions. It indicates that most of the Cretaceous sandstones in the study area are in the phase A of middle diagenesis, and the sandstones with shallower burial depth are in the phase B of early diagenesis. The rock type of the Cretaceous sandstones in the Termit Basin is an important factor affecting the diagenesis. The Cretaceous sandstones in the basin is dominated by quartz sandstones. The strong support of quartz grains resisted the reservoir damage from compaction. The primary intergranular pore is the dominant pore type. In addition, a small number of pores such as intragranular pores, intergranular dissolved pores, and grain-edge fractures are also developed. There are some differences in the development of Cretaceous sandstone reservoirs in different zones of the Termit Basin. Reservoirs in the Fana low bulge and Yogou slope are relatively developed with good physical properties, while they are relatively poor in the Soudana uplift belt and Dinga fault terrace. There is good exploration potential in the Fana Low bulge, which has been proved by drilling results. It is the key area for future Cretaceous exploration.
Key words: Termit Basin    Cretaceous    sandstone    diagenesis    
0 引言

Termit盆地位于西非裂谷系西支的北部,面积约为30000km2,是在白垩纪大西洋裂开的背景下发育的裂谷盆地[1-2]。白垩纪发育第一裂谷旋回,古近纪发育第二裂谷旋回。沉积地层自下而上依次为白垩系、古近系、新近系与第四系。下白垩统以陆相碎屑沉积为主;上白垩统发育Donga组—Yogou组海陆过渡相地层,从水进期的砂泥岩互层沉积到最大海平面时期的钙质泥岩沉积再到水退期以砂岩为主的沉积,为一完整的海侵—海退旋回。Yogou组上部作为盆地烃源岩的主要发育层段,同时也发育河流相—三角洲相砂岩储层,是白垩系的主要勘探目的层。

1970年至2006年,德士古石油公司、道达尔石油公司和埃克森石油公司等公司先后在Termit盆地进行勘探,认为没有商业价值而退出。2008年中国石油天然气集团公司(简称中国石油)进入后,在古近系的勘探取得了巨大成功,针对该层系构造、沉积及储层的研究相对比较多。近年来中国石油勘探的主要目的层开始由古近系转为白垩系,因此加强白垩系的研究是十分必要的。在此之前针对白垩系的构造演化、地球化学和沉积的研究相对比较多[3-5],普遍认为在晚白垩世,受显生宙全球海平面上升影响[6],包括Termit盆地在内的西非裂谷系各盆地发生了大规模海侵和海退[7],这一完整的海侵—海退旋回也为烃源岩和砂岩储层的形成创造了较好的地质条件,交互沉积的砂岩与泥岩可形成自生自储油气藏。目前对白垩系砂岩储层成岩作用的研究相对比较少,制约了对储层的认识及后续白垩系的勘探。本文从上白垩统砂岩储层的样品实验入手,开展成岩作用方面的研究,并探讨其对储层的影响,以期深化对盆地各区带白垩系储层的认识,并对该盆地白垩系勘探发挥积极的指导作用。

1 白垩系砂岩储层岩石学特征及主要成岩作用 1.1 储层岩石学特征

根据研究区薄片鉴定和全岩X射线衍射分析结果,石英砂岩是Termit盆地白垩系砂岩储层主要的岩石类型,主要矿物成分是石英,长石含量少(约占7%);填隙物主要为黏土杂基,含量约为7%,矿物成分以高岭石为主。砂岩储层结构主要以细粒结构和少量的不等粒结构为主,分选为中等—差,磨圆度一般为次棱角状—次圆状,磨圆差;重矿物类型为磁铁矿、赤铁矿、锆石、磷灰石[8],推测物源区的母岩类型主要为花岗岩。

1.2 白垩系砂岩储层压实作用

在深埋过程中,沉积物整体被压缩,孔隙减小,渗透率变差[8-11],但不同类型的岩石其压实作用有不同的特点。

本文对白垩系勘探目的层Yogou组砂岩储层样品薄片的观察结果进行了统计分析,埋藏较浅样品的颗粒接触关系主要为点接触,当埋深超过2000m时,开始出现线接触。整体来看,点接触样品约为75%,点—线接触样品约为15%,线接触样品约为5%(图 1),另外可见少量凹凸接触和缝合接触。

图 1 Termit盆地白垩系砂岩储层(Yogou组)接触关系统计柱状图 Fig. 1 Statistical histogram of contact relation of Cretaceous sandstone reservoir (Yogou Formation) in the Termit Basin

Termit盆地白垩系砂岩主要为石英砂岩,石英颗粒占比非常高,长石和杂基含量低,在压实过程中石英颗粒的刚性支撑作用相对较强,机械压实作用对原生孔隙产生一定的破坏作用,但相对长石砂岩等其他类型的砂岩来说,这种破坏作用相对较弱。压实作用作为一种破坏性的成岩作用,是Termit盆地白垩系砂岩物性变差的主要因素。

1.3 白垩系砂岩储层胶结作用

因成岩环境的不同,在成岩作用的各个阶段均有可能发生胶结作用[12-13]。由于胶结作用占据并堵塞了颗粒之间原有的孔隙,其对砂岩储层的破坏性显而易见。根据样品测试分析,Termit盆地上白垩统碎屑岩中出现的胶结作用主要有硅质胶结、黏土矿物胶结、碳酸盐胶结和铁质胶结。

Termit盆地上白垩统碎屑岩储层以石英砂岩为主,其中黏土矿物的含量较少,黏土矿物胶结作用相对较弱。高岭石是主要的黏土矿物类型,占黏土矿物的80%左右。扫描电镜下,高岭石单晶体为假六方板状,一般为3~15μm,多充填于粒间孔隙,常与自生石英伴生,长石溶蚀是研究区高岭石的重要成因。一方面研究区内高岭石结晶程度不一,同时多数高岭石遭受了不同程度溶蚀;另一方面高岭石晶体的存在对延缓压实过程也有一定的积极意义。高岭石对孔隙度的影响要远大于对渗透率的影响。

除高岭石外,黏土矿物中还见绿泥石、伊利石和伊/蒙混层。绿泥石是研究区储层中常见的自生矿物,其含量占黏土矿物含量的20%左右。伊利石和伊/蒙混层在研究区储层中是不太常见的黏土矿物,约占黏土矿物的4%。与高岭石类似,这些黏土矿物的存在都会减小砂岩的孔隙,但与高岭石相比,这些黏土矿物更易堵塞砂岩的孔隙喉道,因此对砂岩渗透性的破坏作用更大。

碳酸盐胶结作用在研究区砂岩储层中也相对比较普遍,主要为方解石胶结。镜下观察到的方解石胶结物零星地分布在矿物颗粒之间,但在Termit盆地Yogou斜坡的样品中发现了方解石亮晶连片胶结,并且样品在阴极发光下呈红褐色(图 2a),表明方解石中含铁,为晚期胶结产物。

图 2 Termit盆地白垩系Yogou组石英砂岩方解石胶结和铁质胶结 Fig. 2 Calcite cementation and iron cementation of quartz sandstones in the Cretaceous Yogou Formation, Termit Basin

Termit盆地碎屑岩中铁质胶结作用比较常见(图 2b),黄铁矿是主要胶结物类型,一般在颗粒间零星分布。研究区储层中的黄铁矿胶结物是在还原环境中产生的,从胶结物统计结果来看,Termit盆地Fana低凸起铁质胶结物含量相对高。

硅质胶结作用在Termit盆地白垩系砂岩储层中相对不发育,硅质胶结物约占胶结物总量的0.5%~ 5%,平均为1.5%。在一些样品中观察到有石英次生加大现象,加大边往往较窄且不连续,加大边宽度小于10μm。

1.4 白垩系砂岩储层溶蚀作用

溶蚀作用主要为长石、石英等碎屑颗粒的溶蚀[14-15]。根据镜下铸体薄片和扫描电镜观察,研究区长石、石英的溶蚀常形成粒内溶孔(图 3),常可见到长石溶蚀成窗格状和残骸状,形成铸模孔、包壳孔和肋骨状孔。黏土基质的溶蚀常形成粒间溶孔和混合孔隙,云母沿解理缝溶蚀现象也在镜下被观察到。

图 3 Termit盆地白垩系Yogou组石英砂岩显微镜下溶蚀作用 Fig. 3 Dissolution of quartz sandstones under microscope in the Cretaceous Yogou Formation, Termit Basin
2 白垩系砂岩成岩阶段划分

碎屑岩沉积物在被埋藏后的成岩过程中会经历各种作用的改造,一般划分为同生成岩作用阶段、早成岩阶段、中成岩阶段、晚成岩阶段和表生成岩阶段[14, 16]。本文主要从研究区成岩现象、黏土矿物特征与变化规律、包裹体均一温度等方面对上白垩统碎屑岩储层进行成岩阶段划分,以便了解储层的孔隙类型及发育特点。

2.1 成岩现象分析

成岩现象主要从颗粒接触关系、溶蚀颗粒类型、孔隙类型及胶结物类型4个方面进行研究,从这些成岩现象中可以大致判断储层所处的成岩阶段[17]

研究区白垩系砂岩主要以点接触为主,少量样品中存在线接触及点—线接触,总体来看白垩系储层所处成岩阶段较早;根据铸体薄片镜下观察结果,主要孔隙类型为原生孔隙,其次为长石溶蚀孔隙,从孔隙类型角度分析,应属于早成岩B阶段;一般情况下,主要的溶蚀对象为长石,但由于白垩系储层多为石英砂岩,长石含量极少,所以从砂岩储层矿物成分的角度分析,由于岩石成分单一,导致溶蚀孔隙相对较少,溶蚀孔隙不发育并非是由于成岩阶段早造成的;此外,从胶结物类型分析,由于大部分地区的硅质胶结主要为石英次生加大,但含量低,在Yogou斜坡的部分深层样品中见方解石连片胶结,且含少量铁,这表明不同区带所处成岩阶段存在一定差异性。

2.2 黏土矿物特征与变化规律

研究区黏土矿物主要为高岭石、绿泥石、伊利石与伊/蒙混层,本次研究主要利用泥岩中伊/蒙混层中蒙皂石含量(I/S中的S)、伊/蒙混层分布及黏土矿物纵向变化对白垩系储层成岩阶段进行判断。

通过对泥岩进行X射线衍射分析,并对结果进行统计,发现白垩系中泥岩的伊/蒙混层中蒙皂石含量为34%左右(图 4),从浅到深分布稳定,测试样品主要处在中成岩A阶段。

图 4 Termit盆地白垩系泥岩伊/蒙混层中蒙皂石含量随深度变化图 Fig. 4 Variation of smectite content with depth in illite/smectite mixed layer of Cretaceous mudstones, Termit Basin

对黏土矿物X射线衍射图谱进行分析,可以判断伊/蒙混层的分布。通过对样品进行分析发现,泥岩样品X射线衍射谱图中缺少17Å峰,表明伊/蒙混层以有序混层形式分布,判断应处于中成岩A阶段。

2.3 包裹体均一温度

包裹体均一温度是恢复成岩作用发生时古地温的最好证据,本次研究对石英次生加大边中气液两相包裹体进行了均一温度测试,测温结果显示,均一温度为85~140℃,判断测试样品所反映的成岩阶段为中成岩A阶段。

根据Termit盆地白垩系砂岩储层的成岩现象、黏土矿物特征与变化规律及包裹体均一温度进行综合分析,认为研究区内上白垩统碎屑岩储层大多处于中成岩A阶段(图 5),埋藏较浅的白垩系砂岩储层处于早成岩B阶段。

图 5 Termit盆地白垩系砂岩成岩阶段综合划分图 Fig. 5 Comprehensive division of diagenetic stages of Cretaceous sandstones in the Termit Basin
3 白垩系砂岩储层孔隙特征 3.1 孔隙类型

经各种作用的共同影响,被埋藏后的沉积物仍保存一定比例的孔隙,按成因通常分为原生孔隙和次生孔隙[18-21]。研究区上白垩统砂岩储层主要以原生孔隙为主,含少量次生孔隙。

原生粒间孔是上白垩统砂岩储层中最为发育的孔隙类型(图 6),其孔隙大,喉道粗,连通性好,储集能力和渗透能力都非常好。

图 6 Termit盆地上白垩统石英砂岩原生粒间孔 Fig. 6 Primary intergranular pores of Upper Cretaceous quartz sandstones in the Termit Basin

次生孔隙在研究区相对不太发育,常见的次生孔隙主要有粒内溶孔(图 7)、粒间溶孔和晶间孔等。粒间溶孔一般为粒间填隙物如泥质、粉砂颗粒及成岩作用过程中形成的假杂基等被溶蚀所形成。晶间孔为高岭石微小晶体之间的微孔隙,其孔隙微小、连通性差,对储层实际意义不大。

图 7 Termit盆地上白垩统储层粒内溶孔 Fig. 7 Intragranular dissolved pores of Upper Cretaceous reservoirs in the Termit Basin
3.2 喉道类型及特征

砂岩储层的颗粒接触关系、颗粒大小、颗粒形状及胶结类型的不同,会导致砂岩储层具有不同的孔隙喉道类型[22-23]。由于喉道连接着砂岩储层中的孔隙,其几何形态、大小和分布都对砂岩储层的渗滤特征有重要的控制作用[24]

根据镜下观察,研究区砂岩储层常见的喉道类型为孔隙缩小型喉道(图 8a)。孔隙缩小型喉道常形成于颗粒支撑的孔隙系统中,或杂基支撑及基底式胶结砂岩中杂基和胶结物大部分被溶蚀之后的孔隙系统中,常与特大孔伴生,往往在以原生粒间孔隙为主或在扩大粒间溶孔的砂岩中比较常见。另外,断面收缩型喉道也是研究区砂岩储层常见的喉道类型(图 8b)。

图 8 Termit盆地上白垩统Yogou组储层喉道类型 Fig. 8 Pore throat types of reservoirs in the Upper Cretaceous Yogou Formation, Termit Basin
4 白垩系砂岩有利储层发育区预测

Termit盆地呈北西—南东走向,盆地西部为Dinga断阶带和Yogou斜坡,中部为Dinga凹陷和Moul凹陷,东部为Araga地堑带和Trakes斜坡,北部为Soudana低隆起,Fana低凸起位于南北两个凹陷之间(图 9)。

图 9 Termit盆地构造单元划分图 Fig. 9 Division of structural units in the Termit Basin

Termit盆地白垩系Yogou组上部既是好的储层发育段,同时也是主要烃源岩发育段,砂岩储层与泥岩交互发育,可形成有利的自生自储生储盖组合,该层系是Termit盆地继古近系取得规模发现后最具潜力的勘探层系,但白垩系埋深相对较大,寻找有利储层发育区对后续勘探具有重要的意义。

影响砂岩储层质量的因素有很多,首先与砂岩储层原始的沉积环境有关,三角洲前缘水下分流河道、河口坝形成的储层常常具有厚度大、物性好的特点;此外还受成岩过程中压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用的影响。从样品的实验结果来看,研究区砂岩的成岩作用以压实作用为主,胶结作用、溶蚀作用和交代作用相对较弱。由于研究区白垩系砂岩以石英砂岩为主,石英颗粒的刚性支撑作用相对较强,在一定程度上延缓了砂岩的压实过程,对储层原生孔隙的保存相对比较有利。通过实验分析发现,随着埋深增加,压实作用使研究区砂岩储层的原生孔隙逐渐减少,但胶结作用相对较弱,研究区白垩系砂岩的储层物性相对较好。

晚白垩世赛诺曼末期至坎潘期,Termit盆地遭受了大范围的海侵和海退,Donga组和Yogou组形成了完整的水进和水退沉积旋回,Yogou组沉积末期的水退期储层相对发育。当时东部物源相对发育,受其影响,Trakes斜坡和Fana低凸起广泛发育三角洲沉积,储层最发育,储层物性最好,受西南物源影响的Yogou斜坡储层相对也比较发育;而盆地西侧的Dinga断阶带和北部的Soudana低隆起受物源的影响较小,主要以滨浅海相沉积为主,储层相对不发育,储层物性也相对较差(图 10)。

图 10 Termit盆地白垩系Yogou组上部沉积相图 Fig. 10 Sedimentary facies map of the Upper Cretaceous Yogou Formation in the Termit Basin

根据Termit盆地白垩系油藏的试油结果及产能分析,参考中国石油天然气总公司对碎屑岩含油储层孔隙度、渗透率的评价标准(据SY/T 6285—1997),综合研究认为,该盆地白垩系砂岩储层的孔隙度大于20%、渗透率大于50mD,可划分为Ⅰ类储层;白垩系砂岩储层的孔隙度大于15%、渗透率为10~50mD,可划分为Ⅱ类储层。

在盆地不同的区带因沉积和构造演化的差异性,影响了不同区带砂岩储层的物性,导致不同区带储层的发育也有一定的差异[25-28]。基于储层主控因素分析,利用“单因素控制、多因素叠加”的思路对白垩系砂岩有利储层发育区进行了预测。

Fana低凸起主要发育三角洲前缘沉积,沉积的砂岩厚度大、物性好,后期成岩过程中受压实作用的影响较小,孔隙发育,为Ⅰ类储层发育区;Yogou斜坡也为Ⅰ类储层发育区,以原生孔隙为主,但随着埋深的增加会受到方解石胶结影响,应引起重视;Soudana低隆起受压实作用影响明显,并且孔喉半径较小,储层物性相对较差,为Ⅱ类储层发育区;Dinga断阶带孔隙度相对偏小,随着埋深增加储层物性越来越差,为Ⅱ类储层发育区。综合分析Termit盆地不同区带白垩系Yogou组砂岩储层,在相同埋深下,从Dinga断阶带到Soudana低隆起再到Yogou斜坡和Fana低凸起,储层物性越来越好。因此,Fana低凸起的白垩系具有很好的勘探潜力,是后续勘探的重点。

KD-1井位于Fana低凸起临近坳陷一侧,白垩系Yogou组沉积时处于东部物源控制的三角洲前缘相带,砂岩储层发育,虽然埋深较大,但后期受压实作用的影响相对较弱,有利于原生孔隙的保存,预测发育Ⅰ类储层。该井揭示,在3020m白垩系Yogou组砂岩储层的孔隙度仍可达20%,渗透率约为75mD,试油获高产,该井的成功对带动Termit盆地Trakes斜坡及Fana低凸起白垩系的勘探具有重要的指导意义。

5 结论

基于大量样品实验分析研究Termit盆地白垩系砂岩储层的成岩作用及其对储层物性的影响,认为该盆地白垩系砂岩储层成岩作用主要以机械压实作用为主,胶结作用相对较弱,并有少量的溶蚀作用。研究区白垩系砂岩大多处于中成岩A阶段,埋藏较浅的砂岩处于早成岩B阶段。孔隙类型以原生孔隙为主,含少量次生孔隙。预测Fana低凸起及盆地Yogou斜坡白垩系储层发育、物性好,是今后该盆地白垩系勘探的重点地区。

前人对该盆地白垩系储层的研究主要集中于白垩系沉积旋回、沉积层序和沉积相等方面,认为该盆地在上白垩统沉积时受海平面升降的影响发育了完整的水进和水退沉积旋回,盆地沉积以东部物源为主,推测盆地东侧白垩系储层比较发育,但由于白垩系埋藏较深,对埋深超过3000m的白垩系砂岩储层是否具有较好的物性条件一直没有明确的认识。本研究认为在3000m以下白垩系砂岩储层仍具有较好的物性条件,进一步丰富了对该盆地白垩系储层的认识,同时也增强了后续对该盆地白垩系勘探的信心。

该研究从成岩作用方面对Termit盆地白垩系储层进行了分析,相对还比较笼统,为了更好地预测白垩系储层发育的有利区带,还应结合地震和测井资料,将沉积微相与砂岩储层的成岩作用密切结合起来,进一步研究不同沉积微相下的水动力条件、砂岩结构特征、泥质含量等对成岩作用和储层物性的影响,更深入地了解盆地白垩系砂岩储层在不同区带的变化规律,为后续的勘探开发提供指导性建议。

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