致密砂岩储层小尺度非均质性与石油富集特征

致密砂岩储层小尺度非均质性与石油富集特征

作者：天天论文网 日期：2015-12-30 9:50:17 点击：0

摘要:以鄂尔多斯盆地合水地区长６储层为例,运用岩心、扫描电镜、高压压汞、微Ｇ纳米CT 技术,从毫米、微米和纳米３个尺度分析致密储层的非均质性,揭示致密砂岩储层小尺度非均质性对致密油富集的影响,明确了小尺度非均质性的特征及其对致密油富集的影响,确定了含油孔喉半径的下限．结果表明:致密储层毫米尺度下层理缝、块状层理与粒序层理发育,岩心内存在钙质胶结与大量的泥质条带．微米尺度下粒间孔隙(２~５０μm)与微裂缝(５０~３００μm)发育,纳米尺度下粒内孔隙(５０~５００nm)发育．毫米尺度下,层理缝的发育导致致密油的局部富集．其中块状层理最有利于石油的富集,正韵律与中间突进韵律影响致密油的分布,钙质胶结与泥质条带不利于致密油的富集．微纳米尺度下,致密油主要发育在较大的条带状孔隙中,孤立的孔隙如果有微裂缝的沟通也有致密油的富集．致密储层的孔喉半径下限为５０~８０nm．

关键词:小尺度;微纳米;非均质性;致密砂岩;长６段;合水地区

我国致密油勘探与开发具有广阔的前景,其中鄂尔多斯盆地延长组长６段是我国致密油勘探开发的重点,其储层的非均质性很强．储层非均质性是指储层在形成过程中受沉积环境、成岩作用和构造作用的影响,在空间分布及内部属性上都存在不均匀的变化[１]．这些变化影响地下石油的运移与分布[２Ｇ３]．碎屑岩储层可以划分为层间、层内、平面和孔隙四类非均质性[４];储层非均质性的研究包括地质分析、储层建模与实验分析３种方法[２]．国内外的研究现状表明,致密砂岩储层物性差,储层的非均质性较强[５Ｇ６],储层的微观孔隙结构影响致密储层孔隙流体的流动[７]．１)近些年来许多学者通过地质手段综合研究致密储层的宏观非均质性[８Ｇ９],并通过实验分析致密储层的微观非均质性特征[３,１０Ｇ１１];认为致密砂岩储层宏观与微观的非均质性强,储层的非均质性影响石油的运移与分布,但是从多个尺度探讨致密砂岩储层非均质的研究比较少．２)关于碎屑沉积地质体的分级,文献[１２]将储层非均质性划分为“巨尺度”、“大尺度”、“小尺度”与“微尺度”４个级别;文献[１３]从构型的角度将碎屑沉积体划分为１２级构型单元;文献[１４]将油气储层的孔隙划分为毫米级、微米级和纳米级孔隙３种类型,并从微Ｇ纳米尺度表征致密储层微观孔喉分布及结构特征[１５],但是没有进一步分析微观孔喉与油气富集的关系．本文在前人研究的基础上从毫米、微米与纳米３个尺度揭示鄂尔多斯盆地合水地区长６段储层的非均质性,研究致密储层非均质性对石油富集的影响．本文中毫米尺度是指在岩心或露头上可以识别的层理缝与层理构造;微米与纳米尺度是通过扫描电镜与微Ｇ纳米CT 扫描可以识别的微观孔隙形态与空间特征(图１)．

图１ 致密砂岩储层非均质性分级示意Fig．１

ClassificationChartoftightsandstonereservoirheterogeneity１ 研究区地质概况鄂尔多斯盆地从晚三叠世开始进入内陆盆地演化阶段后发育了广泛的陆相碎屑岩沉积[１１]．长６沉积期湖盆在稳定发展的基础上开始收缩,四周水系活跃,各类进积型三角洲发育,尤其在盆地的东北部与西南部均形成巨大的复合三角洲沉积体系,为油气的聚集提供了有利的场所[１６]．合水地区位于伊陕斜坡构造单元的西南部,整体上受西南与东北物源的控制,研究区西起驿马,东至张岔,北抵华池,南达宁县,面积约为６０００km２(图２)．合水地区三叠系长６沉积期位于湖泊中心,浊积水道微相与浊积水道间微相发育,长６段油藏主要集中在北部的华池与南部的合水．

图２ 合水区域位置Fig．２ PositionofHeshuiarea２ 储层特征２．１ 岩石学合水地区长６段主要发育砂岩、粉砂岩、碳质泥岩及泥岩等岩石类型,常见砂泥互层沉积．砂岩主要为岩屑长石砂岩,其次为长石砂岩和长石岩屑砂岩(图３),砂岩的成份成熟度普遍较低,碎屑颗粒中石英的质量分数平均仅为４１％,长石质量分数达到３２．２％,岩屑质量分数为２６．８％,岩屑以喷发岩、隐晶岩、千枚岩、板岩和沉积岩屑为主．杂基含量明显较低,平均质量分数为１％~２％左右,主要由水云母和绿泥石填隙物组成,还有少量凝灰质和网状粘土矿物．胶结物平均含量为６．８％,主要以高岭石、绿泥石、方解石、铁方解石、铁白云石和硅质胶结物为主．

２．２ 储层物性合水地区长６段储层致密,物性差、非均质性强．依据１４３６块岩心样品实测物性资料统计的结果,合水地区长６段储层孔隙度的分布呈现出单峰状态,孔隙度主要为８％~１０％,最大值为

１８％,平均为９．９％;长６段渗透率的分布呈现出递减状,渗透率主要分布在０~０．１mD 之间,平均为０．２mD(图３)．合水地区长６段为典型的致密砂岩储层．

图３ 长６段致密油储层物性特征Fig．３ ReservoirpropertiesoftightoilofChang６sections３ 小尺度储层非均质性文献[１７]从矿物组份、孔隙和微裂缝３个方面研究过微观尺度下海相页岩储层的非均质性,但是陆相致密储层的小尺度的非均质性研究较少．合水地区长６段致密储层具有很强的非均质性,本文依据发育的规模将其划分为岩心或露头可以辨识的毫米级非均质性,以及通过扫描电镜及微Ｇ纳米CT可以辨识的微米级和纳米级非均质性３种类型．

３．１ 毫米级非均质性毫米级非均质性即宏观的层内非均质性,可通过岩心或露头判识其空间形态与展布特征．合水地区长６段储层毫米级非均质性主要为岩心内部层理缝构造与沉积层理构造．

３．１．１ 层理缝层理缝是地层受到各种地质作用而沿着沉积层理裂开的裂缝[１８],层理缝是油气的重要储集空间[１９]．通过鄂尔多斯盆地３４口井,约２１００m 取心层段岩心的详细观察,发现其中１２口井岩心内部低角度与水平裂缝非常发育,裂缝密度大小不均匀,最大可达２条/cm．沉积层理是层理缝发育的基础[２０],层理缝沿沉积层理面分布,其延伸的长度受沉积层理面发育规模的控制．较短的层理缝一般为５~１０mm;较长层理缝可以达到１５cm 左右;缝宽多小于１mm．缝面平直、无充填,层理缝之间相互平行,部分层理缝相互交叉,多条层理缝构成了层理缝系统,沿层分布(图４a)．

３．１．２ 沉积层理构造合水地区长６油层组沉积期整体为半深湖—深湖与浊积扇沉积相[２１],以细砂Ｇ粉砂岩为主的浊积水道与以粉砂Ｇ泥质粉砂及泥岩互层的浊积水道间沉积微相发育．根据３４口取心井岩心观察的结果,合水地区长６段储层发育水平层理,波状砂纹层理、楔状交错层理、槽状交错层理、粒序层理与块状层理６种沉积层理构造(图４b~４g);层理的存在引起储层渗透率的各向异性,增加储层的非均质性．岩心内部的钙质胶结与泥质条带现象非常普遍(图４h,i)．

图４ 层理缝与层理构造Fig．４ Beddingfractureandbeddingstructures３．２ 微纳米级非均质性部分学者对碎屑岩储层的孔隙类型进行了研究,依据孔隙的成因将碎屑岩储层的孔隙划分为原生粒间孔隙与次生溶蚀孔隙[２２]．合水地区长６段发育致密砂岩储层的微孔隙－裂缝系统．通过扫描电镜的观察,致密砂岩内部存在粒间孔隙、粒内孔隙与微裂隙３种储集空间类型．粒间孔与微裂隙为微米级储集空间,结合微米CT三维扫描重构的分析,微米级孔隙的孔径大小主要分布在１~２０μm之间．

３．２．１ 孔隙类型１)粒间孔粒间孔是指矿物颗粒或是晶体颗粒之间的孔隙,在成岩演化过程中,石英与方解石等脆性颗粒之间、岩屑颗粒之间以及矿物颗粒与岩屑颗粒之间相互支撑与重叠,形成粒间孔隙．通过扫描电镜的观察合水地区长６段粒间孔隙多为微米级别,孔径大小为几微米到几十微米,主要是石英颗粒之间、长石颗粒之间及石英与长石颗粒之间的孔隙,孔隙的形态多为三角形或多边形,也有长条形或不规则的形态(图５a)．同时伊利石呈针状与片状充填于矿物颗粒之间,粘土矿物集合体相互堆积形成大量的微米级孔隙,形态复杂(图５b)．随着压实作用的增强,由于彼此存在硬度差异,片状黏土矿物可以发生塑性变形,与石英或长石颗粒接触的边缘也会形成粒间孔隙(图５c)．

２)粒内孔粒内孔是指矿物颗粒内部的孔隙,主要是石英、方解石和白云石等矿物溶蚀作用而产生的孔隙,溶蚀孔隙的形状不规则,成群发育．烃源岩生烃过程中产生的有机酸或是CO２ 溶于水形成的碳酸等酸性流体聚集到长石颗粒发育的区域,酸性流体沿长石节理缝溶蚀长石颗粒,发育大量的溶蚀孔隙．合水地区长６段粒内孔隙一般较小,大多为几百纳米,彼此之间的连通性较差,多为一些孤立的孔隙(图５d)．

３)微裂隙微裂隙的宽度一般为１~５μm,长度为５０~３００μm,大多数裂缝切穿矿物颗粒,部分裂缝被限制在矿物颗粒的内部,通常分布在长石与石英等刚性和脆性颗粒中(图５e,f)．

图５ 微Ｇ纳米级孔隙与裂缝Fig．５ MicronＧnanoporeandfracture３．２．２ 孔喉空间分布扫描电镜可以获取微观尺度下二维孔隙的形态特征与孔隙的大小,但是不能刻画孔喉的空间结构与连通情况

[２３Ｇ２４],要全面了解三维孔喉的空间分布特征目前主要应用X射线(CT)三维成像技术．

与常规岩心分析相比,CT 扫描三维成像技术,可以在不破坏岩心外部形态与内部结构的条件下,对岩心的空间分布图像进行表征,进一步研究岩心的渗流特征[２５Ｇ２６]．文献[２７Ｇ２８]依据CT 扫描的结果对储层的微观非均质性及孔隙的结构进行研究,文献[２９]通过CT扫描系统对岩心连续扫描,并应

用三维重构技术得到岩心内部三维孔隙的变化,从而观察岩心内部的非均质性[２９]．依据X射线微米CT扫描的结果,长６段致密砂岩粒间孔与微裂缝主要为微米级储集空间,体积多为１０~５０μm３,部分孔隙体积可以达到１００~５００μm３,孔隙的半径多分布在０~１０μm(图６)．三维空间内发育许多微米尺度的孤立状孔隙,直径较小孔隙之间不连通,部分孔隙呈现出条带状与管束状形态,具有一定的连通性．喉道半径分布在０．９~１１μm,喉道的半径多为０．９~５μm,部分喉道半径可以达到８~１０μm．

三维空间内喉道分布均匀,具有较好的连通性．

致密砂岩粒内孔隙主要为纳米级孔隙,依据X射线纳米CT扫描的结果,长６段致密砂岩纳米孔隙的形状主要为管束状和球状,纳米级孔隙体积主要分布在１０－５ ~１０－６ nm３,多数孔隙体积小于１０－７nm３,孔隙半径多小于０．５μm(图７)．孔喉垂向上分布具有不均匀性,半径较小的纳米级孔隙呈孤立状分布,纳米级管束状孔隙具有一定的连通性．喉道半径的分布区间为３０~１２００nm,喉道半径多为３０~５００nm,部分喉道半径可以达到１０００~１２００nm．三维空间内喉道的分布不均匀,连通性较差．４ 石油富集特征４．１ 毫米级尺度下石油的富集特征层理构造的发育对储层的含油性有重要的影响[３０],长６段不同井位不同井段发育不同的层理构造,从而导致岩心的油气显示存在差异．

４．１．１ 层理缝与层理构造岩心内部层理缝构造导致密油的局部富集,致密油沿层理缝发生外渗现象,层理缝越发育,油气的富集程度越高(图８a~８c))．沉积层理构造发育的岩心,由于储层内不渗透纹层的存在,引起渗透率垂向上的非均质性,导致岩心表面致密油的分布不均匀．长６段致密储层中,块状层理发育的岩心,有利于油气的聚集,依据致密油的富集程度,可以划分为油迹、油斑与油侵３类油气显示级别(图８d~８f)．粒序层理对致密油的分布有较强的影响,研究区发育均质韵律、正韵律与中间突进韵律３种简单的类型．其中正韵律与中间突进韵律对含油饱和度有较明显的控制作用(图８g~８i) ４．１．２ 碳酸盐与泥质含量合水地区长６段致密砂岩储层钙质胶结作用强烈．储层内部油气显示与碳酸盐含量具有明显的负相关性,含油砂岩碳酸岩含量明显低于不含油砂岩．岩心内部泥质含量同样影响致密油的分布与富集,泥质含量高,岩心的物性与含油性差,泥质含量低物性与含油性好(图９)．

图９ 碳酸岩及泥质含量与油气的关系Fig．９ Carbonatecontent,mudcontentandhydrocarbonshow４．２ 微Ｇ纳米尺度下石油的富集特征依据微纳米CT三维扫描的结果,判识出岩心内部的孔隙与孔隙内部赋存的致密油．孔隙的空间分布特征决定了石油的空间分布,微米尺度下体积较大的孔隙石油相对富集,体积较小的孤立孔隙石油的富集程度较差(图１０a)．纳米尺度下,石油往往富集在较大的孔隙空间中,如果微裂缝能够沟通孤立的纳米级孔隙,石油也可以富集在孤立的纳米级孔隙中(图１０b)．

选取长６ 段致密储层中岩心进汞饱和度＞８０％的高压压汞曲线(图１０a),分析岩心尺度的孔喉下限,通过统计发现岩心尺度下孔喉的半径下限为８０~１４０nm(图１０c)．压汞曲线能有效的反映致密储层毫微米级孔隙的大小分布,但对纳米级孔隙识别能力有限,微纳米CT能更好的反映微观尺度的孔隙结构[３１]．依据微纳米CT重构技术获取长６段致密储层微观孔隙下致密油的空间分布特征(图１０b),统计三维空间内所有含油孔隙的半径,明确了含油孔隙半径的分布范围主要为５０~３００nm(图１０c)．图１０c中半径为５０~８０nm 的孔隙也有致密油的分布,从而认为微纳米尺度下含油孔隙的孔喉下限为５０~８０nm．

图１０ 小尺度石油的富集特征Fig．１０ Oilaccumulationinsmallscale５ 结 论１)长６段致密砂岩毫米尺度的非均质性主要受层理缝、块状层理、韵律层理、钙质胶结与泥质条带差异分布的影响．微－纳米尺度的非均质性主要受粒间孔(２~５０μm)、粒内孔(５０~５００μm)与微裂缝(５０~３００μm)３种储集空间差异分布的影响．

２)长６段致密砂岩粒间孔与微裂缝为微米尺度的储集空间,其形态多为条带状与管束状．储集空间的体积多为１０~５０μm３,部分体积为１００~５００μm３,孔隙半径多分布在０~１０μm,喉道半径多为０．９~５μm,具有一定的连通性．长６段致密砂岩粒内孔主要为纳米尺度储集空间,其形态多为球状,少量为管束状．储集空间的体积主要分布在１０－５~１０－６nm３,多数孔隙体积小于１０－７ nm３,孔隙半径多小于０．５μm,喉道半径多为３０~５００nm,连通性较差．

３)毫米尺度的层理缝、层理构造与微纳米尺度的孔喉结构共同控制了致密油的分布与富集．毫米尺度下,层理缝的发育导致致密油的局部富集,块状层理最有利于石油的富集,正韵律与中间突进韵律影响致密油的分布,钙质胶结与泥质条带不利于致密油的富集．微纳米尺度下,致密油主要发育在较大的条带状孔隙中,孤立的孔隙如果有微裂缝的沟通也有致密油的富集．致密储层的孔喉半径下限为５０~８０nm．

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