低孔低渗储集层成因及类型

低孔低渗储集层成因及类型

0低孔低渗储集层测井评价的主要技术特点世界石油资源总量约为1890亿1890亿t，其中传统石油约占30%，其他70%为不规则石油。目前,中高孔渗储集层的石油勘探开发已到中后期,世界石油工业已经将目光和重点转向了低孔低渗和稠油等非常规油藏的勘探与开发。中国陆上各个盆地几乎发育低孔低渗储集层,而且面积大,成因复杂,在各个盆地所属的地质年代不同,物源的母岩类型不同导致成岩后的矿物成分有差异,此外,沉积环境、沉积相带和成岩作用的差异使得这些低孔低渗储集层孔隙类型多样,且在物性和生产能力上有很大的区别;在低孔低渗储集层测井解释中,各个地区的测井评价方法特点不同且无规律性,对于一个地区适用的测井解释评价方法不能适用于另一个地区。为形成“低孔低渗储集层测井评价”的整体概念,有必要探索不同类型低孔低渗储集层测井评价方法的规律性。本文通过对中国陆上松辽盆地D区白垩系、鄂尔多斯盆地J区二叠系—三叠系和准葛尔盆地B区侏罗系3个具有代表性地层的物源、沉积环境、沉积相带和成岩作用的对比,总结了低孔低渗储集层成因,分析其成因的不同、储集层物性的差异及控制因素,并根据不同类型低孔低渗储集层的岩石物理特征提出了相应的测井评价对策。1储层的物理影响因素中国陆上的低孔低渗储集层几乎是湖盆沉积的地层,其储集层物性受多种地质因素的控制。1.1英美法上的母岩和火山岩物源区是沉积物产生的地方,每种母岩类型都具有其特殊的矿物组合,因此构成了沉积岩石特征的指标。物源区母岩类型有花岗片麻岩、花岗岩、沉积岩和火山岩等,由于在沉积岩石成分中,石英的硬度较高而且稳定性好,所以母岩为花岗片麻岩和花岗岩的物源沉积形成的储集层趋向于物性较好;而母岩为火山岩的物源,由于含有较多的可塑性矿物成分,沉积形成的储集层物性最差;其他类型母岩的物源所沉积形成的储集层物性介于两者之间。在沉积环境中,湖盆有淡水湖盆、微咸水湖盆、半咸水湖盆、含盐湖盆和湖泊、沼泽交替湖盆等,对于储集层物性最为有利的湖盆水介质是淡水、微咸水和半咸水。1.2储集层物性特征大量统计资料表明,沉积相是影响物性的最基本因素,不同沉积砂体和不同沉积相带储集层往往具有不同的物性参数,一般水动力强的环境下沉积的储集层粒级相对较粗且岩石中填隙物少,分选好,其物性常较好,即使经受长期成岩作用改造,物性仍较好。松辽盆地、鄂尔多斯盆地众多油田不同亚相的储集层物性表明,三角洲河口坝、河道及水下分流河道等砂体储集层物性较好。1.3胶结作用及交代作用成岩作用对储集层物性的改造,主要以压实作用、胶结作用、溶解作用、交代作用及破裂作用的影响最为明显,其中机械压实作用和胶结作用是破坏原生孔隙的重要原因。压实作用与上覆地层厚度、埋藏深度、埋藏时间、岩石骨架颗粒粒级、成分、物理化学稳定性、填隙物含量有关,还与构造应力作用强弱、有无异常高压存在等有关。胶结作用包括碳酸盐、硫酸盐、各类沸石及石英、长石次生加大和各种自生黏土矿物的析出,它们对孔隙及喉道大小有重要影响,使孔隙和渗透性变差。溶解作用有利于物性的改善。溶解作用除与埋藏过程中有机酸的溶解有关以外,表生淋滤作用下形成的次生孔隙在我国碎屑岩储集层中也有广泛分布。交代作用是指一种矿物为另一种矿物替代的作用,是砂岩中常见的重要的成岩和后生变化。交代矿物可以交代颗粒的边缘,将颗粒交代成锯齿状或鸡冠状不规则的边缘;也可以完全交代碎屑颗粒,从而成为它的假象。后来的胶结物还可以交代早成的胶结物。交代完全时甚至可以使被交代的矿物印迹消失。砂岩中常见的交代作用有氧化硅和方解石的相互交代作用、氧化硅交代黏土矿物、方解石交代黏土矿物、黏土矿物交代石英等作用。交代作用使得储集层物性变差。1.4中侏罗统储集层构造应力作用对物性的影响,既有有利的一面,也有不利的一面。如吐哈盆地台北凹陷中侏罗统一般物性较差,但由于裂缝的发育并伴随有溶解作用的产生,使物性得到明显改善,所以有的储集层可达中孔中渗级别。其不利方面是由于挤压应力使岩石变得更加致密,如台北凹陷的博格达山由北而南的挤压,使山前带储集层物性在全区内是最差的。2岩性、岩相及沉积体系低孔低渗储集层发育的松辽、鄂尔多斯、准噶尔盆地都属于坳陷盆地,具有较为宽阔平缓的湖盆区域和比较稳定的古水系物源供给,其岩性、岩相和沉积厚度分布较为稳定,并且沉积体系平面规模较大,而且普遍具有多物源、多沉积体系、相带呈环状分布的特点。本文在这3个盆地各选择了1个典型地区,即松辽盆地D区、鄂尔多斯盆地J区和准噶尔盆地B区,对其低孔低渗储集层进行对比分析,发现3个典型地区低孔低渗储集层的物源、矿物组成、成岩作用和储集层物性有着各自的特点。2.1储集层的母岩类型松辽盆地D区白垩系储集层和鄂尔多斯盆地J区上三叠统储集层都为三角洲前缘沉积,准噶尔盆地B区侏罗系为三角洲前缘复合带沉积。这符合低孔低渗储集层一般存在于冲积扇和三角洲前缘沉积中的条件。三角洲前缘沉积所形成储集层一个最重要的特点就是岩石颗粒细和分选性好。大量的研究表明,砂岩粒径是影响储集层性质的重要因素,相对粗粒级砂岩常常是相对优质储集层,相反,细粒级的砂岩经过压实后往往形成孔渗条件差的储集层。查阅国内外资料,有关物源方面的研究较少,但碎屑沉积岩中的沉积物来自于物源区的母岩这一点肯定无疑。尽管物源区母岩经历风化剥离、搬运时的磨蚀及成岩作用时的蚀变作用或溶解作用而发生了变化,使得储集层中沉积物的成分和物源区母岩的成分有区别,但其主要的矿物成分则与物源区的母岩密切相关。松辽盆地D区重矿物是锆石+石榴石组合,含特征矿物白钛矿和磁铁矿,按照表1中不同母岩类型的矿物组合分析,得出该重矿物组合表明其物源的母岩类型以火山岩为主,其次是变质岩;鄂尔多斯盆地J区延长组砂岩中的重矿物主要为锆石+电气石+石榴石、榍石+绿帘石组合,其他重矿物有金红石、绿泥石、黑云母,同时电气石和金红石矿物普遍存在,故其母岩类型应该是变质岩为主,其次是火山岩和少量沉积岩;准噶尔盆地B区碎屑岩中的重矿物组合以钛铁矿、石榴石、褐铁矿、白钛石、电气石为主,其次为重晶石、黄铁矿、尖晶石、榍石和少量的绿帘石、黑云母和普通辉石等,由此可以推测物源区母岩应以中基性—酸性火山岩为主,其次为变质岩。从3个地区地层中重矿物分析得出的母岩类型可以看出,它们的母岩类型有一个共同的特点,就是其母岩类型中都含有大量的火山岩,这使得沉积形成的储集层含有较多的可塑性岩屑,经压实后造成物性较差,这也是形成低孔低渗储集层的一个重要因素。2.2储层岩石矿物的组成、连接材料和连接类型的分析上述3个地区地层在沉积物源上有所区别,在储集层的矿物组成和成岩作用上也同样存在差异。2.2.1储集层的主要岩石类型通过对该地区16口重点取心井共82块岩心样品的分析定名结果统计,其中,中、细粒岩屑砂岩共39块,粉砂岩、砂质粉砂岩等37块,沉凝灰岩2块,亮晶介形虫岩2块,砂质砾岩1块,粉砂质泥岩1块。该统计结果表明,岩性细是该地区储集层的主要特点,细粒岩屑砂岩和粉砂岩是主要的岩石类型。颗粒矿物组成以岩屑为主,岩屑含量最高达82%,最低为28%,平均为51.72%;石英颗粒含量次之,最高达55%,最低为14%,平均为37.08%;长石颗粒含量较少,一般为10%左右,平均为11.1%。岩屑颗粒组成以火山岩岩屑为主,平均达43.95%;变质岩岩屑次之,平均含量为5.62%。根据砂岩分类部颁标准,该地区砂岩类型几乎为岩屑砂岩,在砂岩岩石类型三角分类图上(见图1a),所有样品均落在岩屑砂岩区内。该地区岩心基质含量普遍较低,一般在3%以下,基质成分主要为黏土和凝灰质。胶结物成分以方解石最为普遍,其次为硅质、含铁方解石、白云石、铁白云石等。颗粒胶结类型以孔隙式为主。2.2.2岩屑颗粒及胶结充填岩根据该地区15口取心井的岩心样品的分析定名结果,其储集层的岩石主要是细、中粒岩屑长石砂岩,另有少量的极细粒岩屑长石砂岩和细粒长石砂岩。该统计结果表明,砂岩颗粒分选中等、岩性较细是该地区储集层的主要特点。根据取心的薄片鉴定结果,其岩石矿物组成以长石为主,长石颗粒含量最高达68%,最低为14%,平均为47.64%;石英颗粒含量次之,最高达52%,最低为17.5%,平均为27.0%;岩屑颗粒总量较少,一般为10%左右,平均为11.7%。根据砂岩碎屑成分图(见图1b),岩石定名一般为长石砂岩,其次是岩屑长石砂岩。胶结物成分以绿泥石和方解石最为普遍,其次为高岭石和硅质等,胶结形式以绿泥石和方解石为主,即绿泥石胶结+晚期铁方解石交代,绿泥石的胶结主要作为孔隙衬里或颗粒环边产出,并不出现在颗粒接触处,且以近于等厚的环边为主。胶结类型多为孔隙式或薄膜-孔隙式。2.2.3储集层岩性结构及含矿量特征该区侏罗系砂岩储集层在岩石学上表现为低成分成熟度、低胶结物含量和高结构成熟度的特征。成分成熟度低指砂岩储集层的岩石均为岩屑砂岩(见图1c),岩屑含量一般在39.6%～62.2%,平均48%。砂岩的成分成熟度主要受控于沉积母岩性质,其次也受沉积物搬运距离和沉积环境的影响。结构成熟度高指砂岩储集层岩石颗粒的分选性较好、泥质杂基含量较低(一般低于3.0%,平均泥质含量在1.0%左右,中、上侏罗统略偏高,平均约3.5%～5.3%)、磨圆度中等。低胶结物含量指砂岩储集层在成岩过程中形成的各种自生矿物的总量很低。胶结物主要以(含铁)方解石和少量(含铁)白云石、高岭石、硅质和菱铁矿等为主,其次为沸石类胶结。胶结类型多为孔隙式、压嵌式,其次是孔隙-压嵌和再生-孔隙式。2.3成岩作用对储集层物性的影响如果说物源(沉积物的成分)和沉积相是决定储集层物性的先天条件,那么成岩作用则是影响储集层物性的后天因素,且成岩作用控制储集层的孔隙类型。2.3.1储集层物性分布松辽盆地D区平均地热梯度3.7℃/100m,白垩系储集层成岩阶段属于晚成岩阶段的A期,典型的成岩系列为压实作用—胶结作用—溶解作用。成岩作用以溶解为主,火山岩岩屑具有强的塑性、压实敏感性和易溶性,原生粒间孔隙由于塑性颗粒受机械压实作用强烈变形而几乎不能保存,储集层中孔隙类型以次生粒间溶蚀孔隙为主。溶蚀孔隙的出现改善了储集层的物性,一般情况下溶蚀孔隙之间的连通性较差(见图2a),溶蚀作用比较强烈的部位可以形成构造溶蚀缝,与粒间溶蚀孔隙相连,连通性较好(见图2b)。这样就造成了该地区的大部分储集层孔隙空间的连通性较差,不压裂就不能形成产能;而处于强烈溶蚀带的储集层,孔隙之间具有较好的连通性,测试时可以获得自然产能。松辽盆地D区白垩系储集层的成岩过程导致了其储集层孔隙度和渗透率的分布范围较宽,1133块样品的统计结果也说明了这一点。图3是基于对1133块样品的统计结果绘制的储集层物性分布直方图。由图可见,孔隙度分布在0～22%,以6%～18%为主,峰值为12%～14%(见图3a);渗透率分布在0～100mD,以0.01～50mD为主,峰值为2～5mD(见图3b),属于物性中等的低孔低渗储集层。由于该地区储集层孔隙的连通性差异大,孔隙结构比较复杂,属于孔隙空间分布非均质性较强的储集层,其测井电性不但与储集层的岩性、物性、含油性及地层水性质有关,也与孔隙的连通性有关。2.3.2上三叠统储集层物性特征鄂尔多斯盆地J区虽然地热梯度不高,一般在2.8～2.9℃/100m,但该地区上三叠统储集层形成时间早,成岩阶段处于晚成岩阶段的A—B期,根据各种成岩自生矿物形成的先后次序及叠加关系,其典型的成岩序列特征为压实作用—黏土膜形成—长石强烈溶蚀、溶解—次生孔隙形成—自生高岭石、自生石英—晚期铁方解石和铁白云石胶结、交代作用。胶结作用较强,特别是晚期铁方解石和铁白云石胶结、交代的胶结物充填于次生溶蚀孔洞中,降低了总孔隙度及其连通性,破坏了储集层物性(见图4a),造成该类储集层孔隙空间的连通性很差,不压裂就不能形成产能。另外,该区的上三叠统储集层岩石类型以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主,杂基含量高(平均为10%),在成岩过程中由绿泥石胶结形成的黏土膜较发育,孔隙衬里或颗粒环边绿泥石的沉淀大大增加岩石的机械强度和抗压实能力(见图4b),有利于保存原生孔隙,加上长石的易溶解性造成鄂尔多斯盆地J区上三叠统储集层具原生粒间孔和粒间溶孔并存的储集空间特点。鄂尔多斯盆地J区延长组储集层的沉积和成岩过程,使其储集层孔隙度和渗透率在本文研究的3个典型地区中最低。图5为基于对848块样品的统计结果绘制的储集层物性分布直方图。由图可见,孔隙度为0～20%,以6%～16%为主,峰值为10%～12%(见图5a);渗透率为0～200mD,以0.05～5mD为主,峰值为0.2～0.5mD(见图5b),属于物性差的低孔低渗储集层。由于储集层孔隙连通性差,孔隙结构复杂,测井的电性不但与储集层的岩性、物性、含油性及地层水性质有关,还与孔隙的连通性有关。2.3.3储集层物性特征准噶尔盆地B区侏罗系储集层的形成年代虽早于松辽盆地D区的白垩系储集层,但由于其地热梯度低(一般在1.9～2.2℃/100m),导致成岩演化慢。准噶尔盆地B区侏罗系储集层的成岩阶段处于早成岩B—晚成岩A期,其典型的成岩系列为压实作用—压溶作用—胶结作用,局部地区或层段存在溶解作用。储集层中的孔隙空间以粒间孔隙为主,少量溶蚀孔。图6是反映该地区侏罗系储集层颗粒粗细、塑性岩屑含量与储集层物性关系的岩心薄片镜下观察结果。该地区的岩屑砂岩塑性岩屑的含量高,岩石颗粒抗压强度弱,压实作用是形成低孔低渗储集层的重要原因,同时储集层物性受岩性的影响,在成岩环境和埋深基本一致的情况下,岩石颗粒越粗,塑性矿物的含量越少,砂岩的抗压强度就越高(砂岩颗粒呈点状、线-点状接触),储集层的物性越好(见图6a);否则,岩石颗粒越细,塑性矿物的含量越高,储集层物性越差(见图6b)。岩石颗粒的粗细和塑性矿物的多少形成了该地区两类性质不同的储集层,物性好的储集层全部可获得自然产能,物性差的储集层由于其塑性岩屑含量高,在测试时如果得不到自然产能,即使实施压裂也不会有好的效果。准噶尔盆地B区侏罗系储集层以粒间孔隙为主,与松辽盆地D区的白垩系储集层相比,其孔隙度的分布范围较集中。图7为基于628块样品的统计结果绘制的储集层物性分布直方图,可见孔隙度基本分布在2%～36%范围内,以12%～20%为主,峰值为12%～14%(见图7a);渗透率分布在0～1000mD,以0.5～200mD为主,峰值为10～20mD(见图7b),属于物性较好的低孔低渗储集层。由于该地区储集层孔隙空间以粒间孔隙为主,孔隙的分布形式相对比较均一,基本属于均质储集层,测井评价无需考虑孔隙分布的非均质性,物性评价建模相对比较简单,测井电性除与岩性、物性及地层水性质有关外,主要与含油性有关。3不同类型低孔低渗储存层的分类及工程评价对策3.1低孔低渗储集层的分类国家储量委员会根据国内主要油气田储集层物性分布规律和相关储集层分类方案研究,于1997年颁布了碎屑岩储集层和非碎屑岩储集层物性分级的一个标准。表2为碎屑岩储集层物性分级标准。根据这一分类标准,松辽盆地D区白垩系储集层、鄂尔多斯盆J区上三叠统储集层及准噶尔盆地B区侏罗系储集层绝大部分均属于低孔低渗和特低孔低渗储集层,其储集层物性、储集性能、产液性能及岩石物理特征应该基本一致,但从上述分析发现它们之间存在着差异。如果将沉积体系和物源看作是形成低孔低渗储集层的前提条件,则岩石的岩屑含量、颗粒粗细、胶结物及胶结类型是低孔低渗储集层形成的内在因素;而地热梯度和地质年代则是控制成岩演化过程导致不同孔隙类型、不同类型低孔低渗储集层形成的重要外因条件。根据这些内因和外因条件的不同,可将低孔低渗储集层分为3类,分别称之为远源型次生粒间溶孔为主的岩屑砂岩低孔低渗储集层(属于储集层物性中等的低孔低渗储集层)、成岩型次生孔+原生孔的长石砂岩低孔低渗储集层(属于储集层物性较差的低孔低渗储集层)、近源型粒间孔为主的岩屑砂岩低孔低渗储集层(属于储集层物性较好的低孔低渗储集层)。表3是这3类低孔低渗储集层成因与物性特征对比表。3.2低孔低渗油气藏测井评价技术根据低孔低渗油气藏勘探开发对测井评价技术所提出的需求及其测井评价技术的难点,低孔低渗油气藏测井评价的主要需求是:建立精细孔渗饱模型、储集层参数计算、产能级别评估、储集层性能评价,其核心内容是储集层孔隙结构评价。3.2.1低孔低渗储集层岩石结构及井内物特性低孔低渗油气藏测井评价的技术面临着许多技术难点,主要体现在以下几点:①次生孔隙的存在使储集层孔隙结构变得复杂化。低渗透储集层次生孔隙发育,孔隙类型多样,孔隙结构十分复杂,非均质性强,具有特殊的渗流特性,即低渗透层孔喉半径与渗透率往往呈非线性函数关系;同时,孔隙结构的复杂化使岩石的导电性与含油性偏离阿尔奇的线性关系,使其成为非阿尔奇岩石。②储集层的低孔低渗特性导致测井响应复杂。储集层物性差,含油饱和度低,测井响应中来自油气的信息较少,相对而言,岩性(大多含有含量较高的沉积岩、变质岩和火山岩等岩屑)、孔隙结构等非流体因素对测井响应的影响增大,造成测井信噪比低,油气水层难以识别,工业产层与低产层、干层界限模糊,其孔渗饱模型将更加复杂、建立难度也更大。③泥饼不容易形成,侵入作用严重。相对于高孔高渗储集层而言,低孔低渗储集层更易受钻井液侵入的污染,钻井液滤液对低孔低渗储集层的侵入较深,进一步加剧了测井区分油(气)、水层的难度。④产能级别评估与储集层性能评价困难。影响储集层产能的因素很多,其中有些因素是在测井采集之后发生的,因此测井信息不能反映,即使有些因素在测井采集之前已经产生,但测井揭示的能力往往也较弱,再加上低孔低渗储集层的渗流特性并不完全满足达西定律,造成应用测井资料进行产能评价的难度很大。⑤测井精度要求高,常规测井系列难以满足要求。3.2.2低孔低渗油藏测井采集关键技术应注重四个方面根据上述分析认为,提高低孔低渗储集层测井评价质量的对策应从以下几个主要方面入手。①选择储集层测井评价的重点和解释方法时,应视储集层的具体情况区别对待。低孔低渗储集层有多种类型,不同类型的低孔低渗储集层测井评价的重点和解释方法应根据其地质成因、岩性矿物成分、孔隙类型及孔隙结构情况而变化。②优选低孔低渗油藏测井系列,力求准确采集信息,使用测井新技术,重视声电成像、核磁共振、偶极声波、模块式地层测试及元素俘获测井的应用,并与常规测井相结合,形成以储集层分类为基础的测井方法及技术,提高低孔低渗油藏测井采集精度。③重视储集层孔隙结构的测井评价,建立以岩石物理为基础的测井孔隙结构评价方法,发挥测井新技术(核磁共振、偶极横波和阵列电法测井等)在孔隙结构评价中的独到优势,建立评价孔隙结构的方法。④建立精细的孔渗饱模型。针对低孔低渗、孔隙结构复杂,而且岩性矿物成分也较复杂的储集层,在有效的测井系列的前提下,结合岩石物理研究建立基于储集层分类