低渗致密砂岩储层成岩作用的几个相关问题探讨课件

低渗致密砂岩储层储层 成岩作用 的几个相关问题问题 探讨讨 一、沉积与成岩 对低渗致密砂岩储层沉积成 岩作用来说，受成岩作用的影 响更大，成岩作用与沉积作用 的研究密切相关。 单砂体类型孤立型简单层 状叠加型交错迁移叠加型 储量比例(%)13.723.951.3 交错迁移 叠加型 (PI22、4、5、8、9) 孤立型 （(PI1、21) 简单层 状 叠加型 (PI3、6、7) PI3 PI51 PI21 厚油层精细解剖，建立厚油层单砂体叠加模式。 沉积单 砂体的成岩作用？ （据J.M. Slomka and C.H. Eyles, Characterizing heterogeneity in a glaciofluvial deposit using architectural elements, Limehouse, Ontario, Canada, 2013,vol.50, 911-929） 六种不同沉积相得成岩相？ Andrew Nicholas, Morphodynamic diversity of the worlds largest rivers, GEOLOGY, 2013, 41(4):475478 A-D模拟E-G中的砂体的形成； H模拟I、J代表的现代沉积； K-N模拟河道随时间推移的垂向演变。 针对美洲几条现代河流地形、水动力、沉积物搬运的数值模拟情况 成岩模拟？ 随着参数和边界条件变化模拟的不同河流形态 辫状 辫状 辫状 D颗粒直径；S 河道倾斜度；C粗糙系数；E河岸可蚀性；Tveg时间； Hcr 主要水流深度；VS /V* 沉积物沉降速率/横向平均速率。 Andrew Nicholas, Morphodynamic diversity of the worlds largest rivers, GEOLOGY, 2013, 41(4):475478 成岩模拟？ 沉积与成岩：各类成因类型砂体成岩作用特征 （S. Morad et al. ，2011） 畅，溶蚀作用较强， 油井平均产能3.5 t/d；上部2个中期 旋回成岩流体运移 通道发育较差，溶 蚀作用较差，物性 变差，油井平均产 能1.7 t/d。 1.扶余油层下部砂体溶蚀作用较强，改善储层 物性，油 井产能较高。 下部2个中期旋回 储层更发育，成岩 流体运移通道更通 砂体成因类型平均砂体 厚度/m 平均孔隙 度/% 平均渗透 -32 率/10m 平均杂基平均溶蚀 含量/%面孔率/% 分流河道6.710.40.712.00.59 水下分流河道3.610.30.421.10.47 河口坝与席状砂2.710.10.532.10.56 天然堤及漫溢2.18.90.261.10.28 水下天然堤及漫溢1.79.00.295.20.20 决口河道2.48.90.314.00.40 让字井斜坡带扶余油层沉积模式 扶余油层主要砂体成因类型对储层 的控制作用 道，下部、砂层组 发育于水上环境，砂体 较发育，纵向多为两期 河道切叠，连通性较好， 粒度相对粗、物性较好； 向上砂层组开始向水 下环境过渡，砂体发育 变差；至砂层组砂体 发育明显变差，多为单 期河道，连通性及物性 变差。 2. 沉积微相存在成岩差异和储层 物性差异。 平面上，不同微相 的砂体在原生物性、组 合样式及展布方向上各 具特点，导致不同的成 岩流体输导能力。 扶余油层主力微相 类型为三角洲平原分流 河道及前缘水下分流河 砂体成因类型平均砂体 厚度/m 平均孔隙 度/% 平均渗透 -32 率/10m 平均杂基平均溶蚀 含量/%面孔率/% 分流河道6.710.40.712.00.59 水下分流河道3.610.30.421.10.47 河口坝与席状砂2.710.10.532.10.56 天然堤及漫溢2.18.90.261.10.28 水下天然堤及漫溢1.79.00.295.20.20 决口河道2.48.90.314.00.40 道道积 河河沉 砂 状 口扇 流 分 流溢 分漫 席 下及 与 水堤 坝 然 口 天 河 决口 河道 和 决 扶余油层分流河道及河口坝与席状砂微相砂体的溶蚀面 孔率明显高于其它类型砂体。 扶余油层主要砂体成因类型对储层 的控制作用 河道及河口坝 水动力强，杂基含 量较低、有利于原 生孔隙的保存。这 些原生孔隙的存在 也为后期溶蚀作用 的发生提供了通道 和空间，更易形成 次生孔隙。 统计 表明，扶 余油层分流河道、 水下分流河道及河 口坝与席状砂微相 砂体的溶蚀面孔率 明显高于其它相类 型砂体。 60 40 20 0 井数（口） 100 80 工业油流井 低产油流井 油气层井 油气显示井 3. 岩石的成分成熟度低，不稳定组分含量高，压实 作用 强烈，不利于后期溶蚀和储层 改善。 岩石成分、组构决定储层 成岩作用及储层 物性。 成分成熟度指数小于1， 不稳定组分含量高。 碎屑 组成 碎屑 相对含量（%） 石英 41.4 长石 35.2 岩屑总 火山岩 变质 岩 石英质 量 屑 屑 岩屑 23.4 20.0 1.2 1.1 其他类 1.1 岩屑中含有一定量的塑性组 分，造成储层易于压实，物 性随岩屑含量增加而变差。 乾227井，1744.7m，岩屑含量较高，（）100 百分含量/% 孔隙度(%) 岩石 结构 Trask分选系数平均2.21,分选较 差，小颗粒易充填于大颗粒间的 孔隙和喉道。 30 25 20 15 10 5 0 砾岩粉砂泥岩中粗砂 细砂 极细砂 扶余油层岩石类型 古地形平缓，碎屑粒度 偏细，在上覆载荷作用 下更易滑动和重新排列， 造成紧密压实。 2 0 6 4 10 8 16 14 12 00.050.150.2 0.1 粒度中值(mm) 原生孔隙度偏低 o=（20.91+22.9/So）%= 31.7% 岩石组构特征导致储层易于压实； 在酸性流体运移期，储集空间和 通道条件已较差，不利于矿物溶 蚀。 4.沉积粒度偏细，易压实 ，不利于后期溶蚀作用的进行和 储层 的改善。 岩石组构决定储层 物理压实 强烈，进而不利于后期溶蚀作用的进行。 35 胶结作用使河道底部储层变 差，更加致密，含油性变差。 乾229 乾228 乾228，2338.55，（），蓝色铸体乾228，2342.75，（），蓝色铸体 同为河道砂岩，处于河道主 体部位的砂岩孔隙性较好，日 产油0.31t； 处于河道底部的砂岩，由于 钙质 胶结的存在（底钙），使 得孔隙性很差，无油气显示。 二、成岩作用过程与油气成藏 在成岩作用和成烃演化史研究基础上，预测储层发 育有利区 成岩事件演化及影响 烃流体演化 预 测 有 利 区 扶余油层上覆青一段源岩发育超压，青一段上覆青二、青三段地层仍以泥岩为主， 断穿青一段底部T2构造层的断裂密集成带，向下断穿扶余油层，向上多消失于青一段、 青二段泥岩中，由于其上覆泥岩层的封盖导致向上排液通道不畅。这种地层组合与断裂 的耦合，导致青一段流体的向上运移受阻，为超压流体“倒灌”创造了条件。盆地模拟 表明，在嫩江期末、明水期末构造运动影响下，大部分T2断裂都曾复活开启。青一段排 出大量的流体在超压驱动 下，沿T2断裂向下排泄、垂向运聚于下伏扶余油层，从而影响 源下储层的物性演化。 流体活动演变 “倒灌”成藏模式影响源下储层 的物性，改善储层 物性。 研究区在嫩江组末期、 明水组末期发生两个构造 挤压活动，一方面水平挤 压应力可以造成水平方向 压实程度加强；另一方面 构造抬升是一个地层减压 的过程，砂岩回弹可以形 成巨大抽吸力，造成低势 区，酸性流体更易充注。 让字井斜坡带扶余油层埋藏史与孔隙演化 嫩江组沉积期末、明水组沉积期末青一段烃源岩处于80120 的有机酸高浓度 时期，两次构造运动导致烃类大规模运移，对储集层质量具有一定改善作用。 主要排烃期有机酸对储 集层质 量具有一定改善作用。 连通砂岩和断层为 成岩流体提供通道，溶蚀作用 多发生在主河道及近断层部位。 溶蚀作用强度与至距断层距离的关系 断层是酸性流体运移的重要通道，近断层部位具备有机酸优势 运移条件。 砂 组 砂 组 砂 组 砂 组 研究区储层 的酸源为上覆青一段， 其运移模式类似于成藏的“倒灌” 模式，受控于酸源层内部异常高压 的幕式释放及酸性流体输导 体系。 纵向上，下部的、砂层组 由于 原始物性保存更好，酸性流体运移更通 畅，后期可进入更多有机酸性水，整体 上溶蚀作用较上部2个砂层组 更强。 在原始物性相近的条件下，距离酸源 层越近，溶蚀作用越强，镜下观察发现 、砂层组 溶蚀作用分别较 、砂 层组 更强，即距离上覆源岩层越近，溶 蚀作用越强。 距离上覆源岩层越近，溶蚀作用越强，、砂层组 溶 蚀作用分别较 、砂层组 更强。 河道中下部砂岩粒度粗，分选好， 溶蚀作用发育，储层质 量好。 河道上部粒度变细 ，泥质含量增高， 有时“顶钙 ”胶结；河道底部有时也 发育“底钙”胶结：导致储层质 量变 差。 储层 成岩特征差异性，对砂体聚油气能力和输导 能力 差异性有影响，形成成藏的非均质性。 成岩作用的后期改造 储层质 量 油气分布 沉积条件：分流河道中部，细砂岩、 粉砂岩，结构成熟度高，原始物性好。 成岩条件：细砂岩、粉砂岩弱胶结强 溶蚀成岩相是最有利成岩相带，次生孔 隙发育。 构造条件：断层遮挡，处于圈闭中部 “沉积+成岩+构造”综合控制成藏 成岩作用的后期改造 储层质 量 油气分布 具有高孔隙度且位于最有利成岩相带的砂体往往是最 有利的储层 ，但只有在最有利构造部位的井才具有较好的 产油气能力。 乾227区泉四段6小层成岩相与渗透率平面叠合图乾227区泉四段6小层成岩相与孔隙度平面叠合图 有利储层预测 TAW-1000型微机伺服岩石三轴试验 机 (岩石 力学参数) 泥页岩可改造性研究 泥、页岩岩石可改造性相关实验 研究 岩石三轴应 力分析实验 ，P-S波综合测试 开展泥、页岩在不同温度、压力及流体状态下物理参数、力学参数分析； 泥页岩可压性影响因素分析 P-S波综合测试仪 （岩石弹性参数） 三、结构成岩作用与岩石可改造性 杨氏模量和泊松比 关系 动、静态杨氏模量矫正图版 结构成岩作用（Structural diagenesis ）是成岩研究中一种 新类型（S.E. Laubach et al.，2010）。它强调从岩石形态变化 到成分变化之间的结构因素。 它是研究沉积物在沉积过程中的发生的形态结构变化及化 学成分变化的新学科，它将构造地质学、沉积学甚至变质岩石 学有机的结合在一起。 起初只应用于成岩作用中高温形变的研究，但越来越多 的实例表明，结构成岩作用研究还可运用于相对低温环境中 的沉积盆地成岩作用研究，这无疑是成岩作用研究的新思路。 机械压实 、化学压溶成岩作用与结构成岩作用 结构成岩作用，顾名思义强调“结构”在成岩过程的变 化， 这也是区分其与压溶作用的关键。 此前，普遍认为 机械压实 作用导致岩石形变，而由形变 而引起的岩石化学成分变化都归于压溶作用范畴内。 将结构成岩作用作为新的内容，与压溶作用区分开来， 是在近几年才被提出的（ Schultz, 2009)。 结构成岩作用的提出，强调了在传统 意义上的“压实 ” 与“压溶”作用中岩石结构的变化及其在成岩过程中所 起的作用。 美国内达华州火焰谷砂岩岩样的阴极发光照片 其中a为普通围岩岩样，b为位于构造形变带的岩样。 很明显，石英胶结物（深蓝色部分）在b中更发育， 这说明石英更容易在新鲜的断裂表面发生沉淀作用， 而不是碎屑颗粒表面。 (S.E. Laubach et al.,2010) 石英胶结物在不同结构模型下的发育情况(S.E. Laubach et al.,2010) （灰色为石英，绿色为石英胶结物，黑色为孔隙，橘色为长 石） a 为断裂带附近的石英砂岩（温度25-100 ）； b为模拟a的石英胶结物发育的情况（温度100-150 ）； c 为在相同情况下，长石含量增加到25%，石英减少到75%，d 为模拟石英 胶结物发育情况。 贴粒缝 丰深3-4783.35m(-)25 构造动力缝 丰8-4181.6m(-)50 异常压力缝 丰8-4195.8m(-)50 东营凹陷北部陡坡带沙四段深层天然气储层储 集空间类型及形成机理 裂 缝 （1）成岩缝 成岩缝是指在成岩过程中形成的微裂缝，包括压实 作用、脱水收缩作用形成的 收缩缝 和溶蚀或压溶作用形成的贴粒缝。 （2）构造动力缝 构造动力缝是指在构造运动影响下，由于构造应力变化引起岩石破裂而形成的 裂缝。 （3）异常压力缝 异常压力缝是指由于异常高压，致使矿物颗粒发生破裂而形成的微裂缝。 统计 源数值,%作用后值,% 原始孔隙度35.2235.22 压实 作用13.5221.70 早期胶结作用11.4110.29 溶蚀作用6.9917.28 晚期交代作用0.9018.18 沥青充填10.487.70 孔隙度 型储层孔隙演化表 东营 凹陷膏岩层系类储层 孔隙演化图 35.22% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% 40.00% 原始孔隙度 21.70% 压实作用 10.29% 早期胶结作用 17.28% 溶蚀作用 18.18% 晚期交代作用 7.70% 沥青充填 各种成岩作用 化序列可归纳为 ：早期 泥晶方解石、粘土杂基 沉淀机械压实 作用 方解石胶结碱性不 稳定矿物（如石英）溶 蚀 代作用 晚期铁方解石交 酸性不稳定 矿物溶蚀（长石、方解 石）石油侵位 。 II型储层的压 实作用相对不强， 是由上覆膏盐层所 引起的欠压实所至， 溶蚀作用一般，沥 青充填较强。 东营凹陷北部陡坡带沙四段深层天然气储层储 集空间类型及形成机理 II型储层 的成岩演 成岩演化史和成岩机制研究，恢复孔隙演化历史。 页岩中颗粒、粘土矿物按优势 方向排列 页岩成岩作用演化 页岩也存在与砂岩类似的成岩演化 页岩中有机质演化是一种特殊成岩演化 四、成岩演化对储层质 量及非均质性的 的控制 胶结作用影响储层 物性，随胶结物增加，储层质 量变差；胶结物含量大于10%后储层 物性急剧变 差。 胶结物以碳酸盐为 主，包括铁白云石（56%）、铁方解石（32%）、 方解石（3%）及菱铁矿 （9%）。 压实 作用是储层 致密的主要成岩因素。 压实损 失的孔隙度占原生孔隙度的35%70%；而由胶结作用导致 的原生孔隙度损失率在5%25%。 古深埋型埋藏史 抬升剥蚀型埋藏史 不同构造带热演化轨迹特征 孤31井埋藏史图 华字井阶地：压实减 孔率59.1% 同一层位经历不同埋藏史导致储层质 量的巨 大差异。 让36井埋藏史图 扶新隆起：压实 减孔率62.4% 乾109井埋藏史图 长岭凹陷：压实 减孔率78.7% 渐进型埋藏史 埋深（m） 埋深（m） 溶蚀作用是储层 改善的主要成岩作用，酸性流体选 择性溶蚀，对致密储层质 量的改善具有重要作用。 据166块薄片统计， 溶蚀作用增加孔隙度 大约0.5%4.3%，溶 蚀孔占总孔隙度的 21%左右。 粒间溶蚀孔，长石、岩屑颗粒或填隙物被溶 蚀，乾231，1814m，（），蓝色铸体 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 0102030 孔隙度（%） 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 024 高岭石绝对 含量（%） 扶余油层孔隙度与自生高岭石含量垂向变化对 比图 研究区溶蚀作用较弱原因有：成岩早期，烃源岩生成的少量有机酸随压实流体 由下向上运移进入砂层比由上向下进入砂层更容易，研究区有机酸性流体需要克服浮 力及毛管力作用向下运移至储集层，导致流体向下运移遭受一定阻力；储集层岩屑 含量较高、盆地成岩动力学因素共同造成储集层物性在成岩早期急剧变差，酸性流体 大规模运移时期储集层渗流通道破坏严重，导致水岩反应不彻底。 成岩演化控制了储层质 量。储层 岩屑含量较高、 渐进 型埋藏史及较高的古地温梯度决定压实 减孔强烈。 源下扶余油层发 育于湖 侵早期，湖盆处于较快速 持续沉降阶段（渐进 型埋 藏史），加之较高的古地 温梯度（4.9 6.1/ 100m），导致储集层埋 藏早期压实 减孔强烈；后 期两次构造挤压 ，进一步 增强储层 水平方向的压实 效应，增加了储层 致密程 度。 岩屑含量较高，尤其是塑 性岩屑含量，导致储集层 本身易于压实。 老深101 2470.2m 方解石胶结 老深101 2452.46m 石英加大 老深101 2454.86m 溶蚀孔隙 登娄库组 流体环境经历 “酸性-碱性- 酸性-碱性”四个阶段的变化 B期：有机质处在高成熟阶段，石英呈III级加大， 受偏碱性环境影响，见碳酸盐胶结，进一步降低 储层物性，岩石致密，有裂缝发育 长岭外围成岩演化模式 中成岩A期处于主要排烃期及成藏期（青山口组），烃类 有机酸导致次生孔隙发 育和大量硅质胶结物产生,中成岩B期流体环境转变为 碱性，储层进 一步致密。 早成岩作用阶段 A期：在同生成岩阶段机械压实作用的基础上，形 成早期碳酸盐胶结，并受弱酸性环境影响，形成 少量早期硅质胶结，降低储层物性 B期：受酸性流体进一步影响，硅质胶结加强，见 石英I级次生加大，孔隙类型以原生孔隙为主， 见少量次生孔隙 中成岩作用阶段 A期：早期受碱性流体环境影响，形成大量含铁碳 酸盐类胶结物，充填早期孔隙，抑制压实作用的 进一步进行，后期由于区域排烃及成藏过程影响， 大量有机酸涌入储层，进行强烈改造，形成溶蚀 次生孔隙带 3686.3 3639.5 3609.15 3613.35 3603.9 3603.8 3761.73m 3782 3737.2m 3619.5 3632 3640.8 3584.4 3587.59 油浸块状细砂岩 富含油块状细砂岩 油浸块状细砂岩 油浸块状 细砂岩 含油块状 中砂岩 3648.2 3655.4 3661.5 富含油 块状细砂岩 含油 块状细砂岩 含油块状细砂岩 岩心 录井 塔中4井 3635.5 中4-8-H8井 3610.3m 3737.2m 3603.9 3761.73m3584m 3600.79 3600.79 富含油 块状中砂岩 3578.5 3578.5 替 方 向 出 液 方 向 1cm 优势孔隙 发育带 驱 真实砂岩模型 高温高压驱 替岩心荧光分析 岩心驱替-CT扫描 成岩作用造成微观孔隙结构非均质性 微观刻蚀仿真模型 五、新技术在成岩作用及孔隙结构研究 中的应用 薄片分析和SEM-BIB所能获得的信息尺度差异 25mm 100m SEM-BIB 薄片分析 研究目的：物源分析和成岩作用研究 关注点：1.矿物颗粒的来源 2.早成岩作用事件 3.硅质碎屑岩中成岩矿物和碎屑的阴极发光特征 利用阴极发光特征鉴别石英类型流程图（M. Bernet et al. ，2011 ） 致密砂岩成岩作用研究的几个相关技术 砂岩中发光的浅灰色的石英颗粒和紫棕色的成岩胶结次生加大 钠长石 两期粘土矿物包壳 榍石 绿泥石网络结构阻挡了伊利石的进一 步生长，保护了原始孔隙。 在两期粘土矿物上生长的自形榍石与 油气运移有关。 粘土矿物包壳的存在阻止石英颗粒生长，保存原生孔隙 （Ajdukiewicz,2012） BIB-FIBSEM（宽幅-聚焦离子束扫描电镜 ） 研究目的：孔隙空间和孔隙微观结 构 毛发状伊利石和线状伊利石的FIB层析成像（G. Desbois et al. ,2011） 致密砂岩成岩作用研究的几个相关技术 CT-三维成像 研究目的：将岩石的三维微观结 构数字化，研究其中岩石和流体的性质 致密砂岩成岩作用研究的几个相关技术 (M.A.Knackstedt et al. ,2011) (M.A.Knackstedt et al. ,2011) (M.A.Knackstedt et al. ,2011) 利用SEM-EDX（或 X-ray）、BIB-SEM在um-nm尺度上识别研究成岩事件,利用BIB- cryo-SEM进行流体识别。 SEM-EDX（或 X-ray） BIB-cryo-SEM BIB-cyro-SEM可以进行矿 流体充填的孔隙 物识别、孔隙中流体识别 这对研究孔隙有效性、流 固反应机理有重要作用。 气体包裹体 流体充填的颗粒边缘 颗粒2 BIB-cyro-SEM下的湿岩盐 连续 的BIB横截面 空的孔隙 颗粒1 冻结 的流体 2、利用FIB-SEM、CT+XRF等技术建立三维孔隙网络、矿物骨架模型（胶结物、粘土 矿物、碎屑），可进行计算孔隙结构和次生孔隙体积计算 FIB 3D model 上：micro-XRF 用于识别元素组成，进而可以识 别矿物；下：micro-CT联合micro-XRF显示元素 或矿物分布 岩石微观物理模型 孔隙模型 胶结物模型 束缚水 毛管压力曲线 孔隙面孔隙骨架 剩余气 孔隙结构数字模型及成岩演化数值模拟 孔隙 胶结后 孔隙内表面 胶结前 孔隙内表面 模拟后 1、关键成岩作用与致密储层的关系 压实作用在许多地区是储层致密的主要成岩因素，是物性好坏的决定性因 素。因此，对压实 作用机制的研究至关重要，其难点在于如何评价特定工区的 埋藏史-构造活动对压实规 律的影响（如时间效应、构造挤压、砂体回弹对压 实演化的影响），建立针对具体工区的压实作用模型。 胶结作用大部分地区由胶结导致的孔隙度损失绝对值 多在10%以下。在致 密储层成岩演化进程中，最后一期胶结物的发育时间、规模等具有重要作用。 因此，针