柯柯亚地区中-下侏罗统致密砂岩气成藏条件分析

柯柯亚地区中-下侏罗统致密砂岩气成藏条件分析

2007年，塔哈盆地科柯亚地区的科19号通过中-下侏罗统八道湾组的致密砂岩储量获得了肥沃的天然气流，结束了科科亚地区致密砂岩的勘探和开发启动阶段。目前该地区下侏罗统预测天然气地质储量335.85×108m3,是吐哈盆地最重要的天然气勘探区带之一。前人对于致密砂岩气的气藏特征、成藏机理和富集规律都做过较深入的研究,但对于储层“甜点”却只给出了定性的描述,并没有对其进行系统的分类以及针对不同类型的“甜点”进行成因分析。前人对于柯柯亚地区致密砂岩气的储层特征有过一定程度的研究,但大多只限于对其沉积背景和成岩作用的分析。目前研究认为柯柯亚地区侏罗系致密砂岩储层为北物源辫状河三角洲沉积,压实作用是引起储层致密化的最主要原因,溶解作用是储层改造的主要因素,交代作用和胶结作用等也对储层的物性具有一定影响。本文通过研究区大量致密砂岩储层的物性统计、薄片观察和岩心描述,并结合测井资料和目的层产量,对柯柯亚地区致密砂岩储层“甜点”进行分类;同时通过沉积微相、矿物组成、地层水成分、盆地模拟和构造演化等分析,对不同类型甜点的成因进行系统研究。本文试图较为全面系统地从沉积、成岩和构造等方面对致密砂岩储层“甜点”进行综合分析,为中国致密砂岩气的勘探开发提供借鉴。1柯柯亚地区的岩溶地层吐鲁番—哈密盆地简称吐哈盆地,位于新疆东部,呈EW向展布,面积约4.8×104km2,是中国西部主要的含油气盆地之一。它是在前二叠系褶皱基底上发育的以中生界和新生界为主体的内陆沉积盆地,其中侏罗系平均厚度大于2000m,以湖泊、沼泽和河流相的灰黑色泥岩、煤岩、棕红色泥岩及灰白色砂岩为主,蕴藏着丰富的石油、天然气和煤炭资源。柯柯亚地区位于吐哈盆地台北凹陷北部山前冲断带前缘部位(图1),为晚燕山期大型鼻隆构造。本区致密砂岩气主要发育在中-下侏罗统水西沟群,地层从老到新分别为八道湾组、三工河组和西山窑组。层序上可以分为3个三级层序和6个四级层序旋回。该区以煤系地层为主,煤层、泥页岩和致密砂岩呈紧密互层式分布(图2)。2储层致密砂岩气发育区关于“甜点”(sweetspots)的定义,国内外学者有着类似却不完全一致的看法。1999年美国地质调查局(USGS)把“甜点”定义为可以持续提供30a产量的致密砂岩气区块。Law认为致密砂岩气藏中的“甜点”是沉积和构造作用所造成的局部高产气区。张金川等则将“甜点”定义为致密砂岩气藏内部孔、渗物性相对发育处的天然气浓集区带。目前“甜点”这一名词并不只限于致密砂岩气,它已经在页岩气和页岩油等非常规油气领域得到了广泛应用。笔者综合前人的研究结果,认为在致密砂岩气勘探开发过程中的储层“甜点”可以被认为是在砂岩整体物性较差背景下的局部高孔高渗区,并且能够提供较高天然气日产量和持久经济产量的致密砂岩气发育区。吐哈盆地中-下侏罗统煤系源岩生气能力强,水西沟群源岩和致密砂岩广泛分布于全盆地,致密砂岩和源岩配置关系较好。通过储层分析表明柯柯亚地区致密砂岩相比盆内其他地区同层系物性更好,渗流性能更强。该区针对水西沟群致密砂岩的13口钻井中有9口井获得工业气流,其他4口井测井解释有气层存在。产气井日均产量为4.2×104m3,单井最高日产量为9.8×104m3,并且有多口井连续4年保持在日产气量4×104m3以上。从吐哈盆地来看,经过十多年的勘探开发,柯柯亚地区致密砂岩气不论是从探明储量还是产量来说都是盆内致密砂岩气最成功的代表,因此可以判断吐哈盆地北部山前带地区的柯柯亚构造带具有大量致密砂岩气“甜点”分布。2.1储层储层孔隙度吐哈盆地水西沟群致密砂岩分布广泛,埋深在3000~4000m,单层厚度以20~50m为主。储层以中、粗砂岩为主,部分为细砂岩和粉砂岩,成分以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩为主,部分地区可见石英质砂岩;整体分选中等—差,磨圆较差,泥质含量呈东高西低的特点;成岩演化程度较高,孔隙度和渗透率都很低。通过对吐哈盆地和柯柯亚地区水西沟群致密砂岩产气层的物性对比分析,显示柯柯亚地区产气层孔隙度和渗透率平均值和峰值均高于吐哈盆地(图3)。吐哈盆地水西沟群砂岩整体孔隙度平均值为4.6%,峰值在4%~6%[图3(a)];而柯柯亚地区产气层的孔隙度平均值则为7.5%,峰值在6%~8%,90%以上的孔隙度位于4%~10%[图3(b)]。吐哈盆地水西沟群砂岩渗透率整体较低,其中35%的储层渗透率小于0.05mD[图3(c)];而柯柯亚气层的渗透率明显大于前者,且分布范围相对集中,87%的储层渗透率分布于0.1~1.0mD[图3(d)]。铸体薄片观察表明,柯柯亚地区孔隙类型以原生孔隙为主,次生孔隙在局部地区也有一定程度发育。相对高的基质孔隙度和渗透率是致密砂岩气成藏的关键,这是因为在整体孔渗低的背景下,具有相对较高基质孔隙度和渗透率的储层不仅具备了更好的储气空间,而且在开发过程中更有利于天然气的渗流,从而造成局部高产。值得注意的是,柯柯亚地区产层90%的孔隙度和渗透率都分别集中在4%~10%和0.1~1.0mD,而孔隙度大于10%和具较高渗透率的产层所占比例并不大,因此在致密砂岩气勘探过程中并不一定是孔隙度和渗透率越高越有利,这可能跟高孔渗储层的成藏过程和保存条件有一定的关系。总之,相对高的基质孔隙度和渗透率是柯柯亚地区成为吐哈盆地致密砂岩气藏“甜点”区的一个重要原因。2.2盆地水西沟群砂岩孔隙度发育原因碎屑岩储层的物性通常是沉积、成岩和构造共同作用的结果。分析研究表明,沉积作用和成岩作用是控制吐哈盆地水西沟群砂岩孔隙度发育的主要原因。特定的沉积微相决定了储层的岩石组成和孔隙类型,机械压实作用和胶结作用控制了整体孔隙度的大小,地层水和有机酸与不稳定矿物的溶蚀作用是储层改造的重要因素。2.2.1柯柯亚地区水西沟群致密砂岩微相特征水西沟群可以划分为3个三级层序和6个四级层序旋回(图2)。沉积体系先后经历了辫状河三角洲—浅湖—河流沼泽—辫状河三角洲—浅湖—辫状河三角洲的演变序列。通过对柯柯亚地区13口井的岩心观察发现,水西沟群致密砂岩储层以辫状河三角洲相为主。河道迁移形成的冲刷构造及底部滞留泥砾比较常见,层理以反映三角洲前缘分流河道的槽状交错层理和河口坝的块状层理为主。重矿物分析和古水流方向研究表明,柯柯亚地区辫状河三角洲物源来自北部地区。目前柯柯亚地区八道湾组为致密砂岩气主力产层。在八道湾组主力产气层所对应的SC2沉积旋回沉积微相平面图上(图4),处于水下分流河道和河口砂坝微相的柯19井、柯191井、柯26井和柯27井等均获高产气流,而位于远砂坝微相、席状砂微相和前三角洲亚相的柯13井、柯17井、柯23井和柯12井等无工业气流。通过沉积微相并结合砂体厚度、物性、矿物组成和试采情况等研究,发现柯柯亚地区水西沟群致密砂岩不同沉积微相的砂地比、平均孔隙度、岩屑含量和含气性都有一定差别(表1),其中三角洲前缘水下分流河道和河口坝微相的孔隙度相对较高,而远砂坝微相和前三角洲亚相的孔隙度则相对较低。水下分流河道微相为近源沉积的辫状河三角洲河道的水下部分,相对于水下分流间湾和三角洲前缘席状砂等沉积微相,具有粒度较粗、分选和磨圆相对较差、岩屑含量高的特点,结构成熟度和成分成熟度较低。水下分流河道微相和河口坝微相具有相对较高的基质孔隙度,特别是水下分流河道微相具有较大刚性颗粒和较高岩屑含量,不仅有利于在压实过程中保存原始孔隙,同时也为溶蚀作用提供了更多的不稳定成分,因此目前发现的高产气层多为水下分流河道微相和河口坝微相。2.2.2柯柯亚地区及吐哈盆地不同层位的侏罗系地层孔隙度变化吐哈盆地水西沟群整体埋深在2800~4300m,自晚侏罗世开始经历快速沉降,并一直保持较大的埋深至今,整体压实作用很强。机械压实作用使碎屑颗粒由游离状、点状接触逐步调整为线状接触,造成粒间孔隙的大量损失。吐哈盆地自燕山期以来发育类前陆构造格局,盆地中心的前渊带普遍沉降,接受了巨厚沉积,而山前带柯柯亚地区自燕山期以来一直较前渊带埋深浅1000m左右,特别是在晚喜马拉雅期还经受了一次强烈的构造抬升。柯柯亚地区和吐哈盆地凹陷区侏罗系地层埋藏史的对比分析表明,柯柯亚地区自白垩纪以来整体埋深都明显小于其他地区(图5),因此经历了相对较弱的上覆机械压实作用,进而造成该地区具有相对较好的孔渗条件。在假定原始孔隙度相同的情况下,只考虑压实作用对孔隙度的影响,通过BasinMod软件可以模拟出吐哈盆地不同地区不同层位孔隙度随埋深的变化。柯柯亚地区、鄯善地区和丘陵地区下侏罗统孔隙度演化史分析表明,柯柯亚地区致密砂岩在晚侏罗世的快速沉降阶段基本定型,由于后期没有明显的沉降压实,因而平均孔隙度一直保持在7%左右[图6(a)];鄯善地区砂岩则经历了2期压实作用,晚侏罗世之前其孔隙度演化与柯柯亚地区类似,而早白垩世的巨厚沉积使其平均孔隙度缩小至5%左右[图6(b)];丘陵地区则由于晚侏罗世的持续埋深所产生的巨大压实作用使得孔隙度直接降至4.5%左右[图6(c)]。2.2.3地层水的类型及其岩相特征溶蚀作用是储层次生孔隙形成的最主要因素。柯柯亚地区发育由溶蚀作用所形成的次生孔隙,其中最主要的溶蚀方式是长石的粒内溶蚀和岩屑的粒间溶蚀(图7)。柯柯亚地区目的层岩矿组成和地层水成分分析显示,较强的溶蚀作用是储层高易溶蚀岩矿含量和较活跃外来水侵共同作用的结果。柯柯亚地区水西沟群砂岩成分成熟度和结构成熟度较低。碎屑成分中石英平均含量为34.3%,长石平均含量为18.3%,岩屑平均含量为45.9%,其他成分平均含量为1.5%。岩屑成分主要为岩浆岩(包括花岗岩、喷发岩)、变质岩(包括板岩、千枚岩、片岩等)和少量沉积岩岩屑。总体上大颗粒长石含量和岩屑含量都较高,局部地区岩屑含量超过50%,特别是水下分流河道微相等具有更低的成分成熟度,这为溶蚀作用提供了物质基础。地层水和晚期成岩阶段富含有机酸的酸性流体是溶蚀作用的主要介质。地层水据其来源可以分为渗入水、深成水、沉积水和转化水。其中渗入水和深成水作为“外来水”对储层的溶蚀作用最明显。它们的侵入与盖层封盖性、构造抬升剥蚀、断裂活动和岩浆活动等密切相关。通过对地层水类型的分类、变质系数和钠氯系数的分析研究,可以对储层的原生性和“外来水”的侵入特征进行定量评价。苏林根据地层水所处的环境将其分为硫酸钠型、重碳酸钠型、氯化镁型和氯化钙型。其中氯化钠型是深层水的标志,代表原生性较好的地层水,而重碳酸钠型地层水则表明有过大陆水的侵入,显示保存条件较差。通过对柯柯亚地区5口井30个地层水样品的测试分析发现,16个样品为重碳酸钠型地层水(表2),说明本区外来水侵入特征明显。变质系数[r(Cl--Na+)/r(Mg2+)]可反映地层水在运移过程中离子置换的程度,一般而言,水岩作用时间越长,离子交换作用越彻底,变质系数较大;钠氯系数[(r(Na+)/r(Cl-)]可以反映地层水的浓缩变质作用程度和地层水文地球化学环境,一般认为,地层水封闭越好、越浓缩,变质作用越深,钠氯系数越小。柯柯亚地区平均变质系数和平均钠氯系数分别为6.3和3.4,远大于吐哈全盆地的0.6和0.8,说明柯柯亚地区曾大面积发生过地层与地表水接触或混合,其原因可能是柯柯亚地区频繁的构造活动造成了地层的破裂,进而使水西沟群与地表水连通。2.3裂缝发育情况除了具有相对较高孔渗的孔隙型“甜点”外,高裂缝是柯柯亚致密砂岩的另一“甜点”类型。虽然严格意义上说裂缝发育的砂岩也可以具有较高的渗透率,因而与高孔渗型“甜点”在概念上可能有重叠,但柯柯亚地区某些致密砂岩高产气段裂缝十分发育,而基质孔隙度和基质渗透率却并不高,因而有必要将高裂缝型“甜点”单独列出。裂缝从规模上可以分为宏观裂缝和微观裂缝。肉眼能够识别的裂缝都属于宏观裂缝,而宽度小于0.1mm的裂缝为微观裂缝,通常只能在镜下观察到。通过对研究区8口井的岩心和薄片镜下观察发现,柯柯亚地区宏观裂缝及微观裂缝十分发育(图8),宏观裂缝频度平均1.8条/m,而吐哈盆地凹陷区目的层岩心裂缝却相对较少。柯柯亚地区裂缝型“甜点”的典型代表为柯191井。由于裂缝发育或气层的存在,在声波测井中会使距发射器较远的接收器只能记录比首波滞后一至几个周期的续至波时差数值,这种首波在两个接收器之间发生严重衰减的现象称为“周波跳跃”。柯191井在3604~3632m井段和3650~3670m井段的声波时差测井曲线上出现“周波跳跃”现象,地层倾角测井出现电导率异常,测井解释为气层(图9),压裂后日产气分别为9.8×104m3和8.32×104m3。通过岩心观察,在3604~3632m发现裂缝218条,裂缝密度为7.8条/m。裂缝以高角度缝为主,角度在75°以上的裂缝占50%以上。裂缝长度一般小于1m,最大可达2.5m,宽度在0.05~0.2mm,中值约为0.1mm,以半充填缝为主,充填物主要为泥质,其次为钙质,岩性越细充填程度越高。天然形成的裂缝不仅是致密砂岩气良好的储集空间,而且是有效的渗流通道,大规模分布的天然裂缝会沟通更多的孔隙和裂缝,从而增加天然气的流动能力。层内裂缝由于储集空间较大,在一定地质背景下有可能保持超压,进而在开发过程中形成高产。大规模的穿层裂缝也有可能对致密砂岩气藏起到破坏作用,但由于致密砂岩整体连通性差,因而裂缝对气藏的破坏作用十分有限。总体上看,一定规模的裂缝对致密砂岩气藏的建设性作用通常大于破坏作用。2.4石进行压实、收缩柯柯亚地区成岩裂缝和构造裂缝都较为发育。成岩裂缝主要是成岩过程中岩石经过压实、收缩而形成的,通常规模较小,对储层改造作用有限。柯柯亚地区构造裂缝十分发育,对致密砂岩气的“甜点”发育贡献较大,研究发现构造裂缝的发育与该地区特殊的构造演化和储层所处的构造部位关系密切。2.4.1晚期—构造运动吐哈盆地的形成与演化与自晚古生代以来准(噶尔)—吐(鲁番)微板块和西伯利亚板块、塔里木板块的俯冲消减、碰撞缝合以及博格达陆间裂谷形成与回返关闭的板块构造环境有关,同时在一定程度上又受到印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应影响。盆地先后经历了晚二叠世—三叠纪的周缘前陆盆地演化阶段、侏罗纪—古近纪早期的再生前陆盆地演化阶段和古近纪晚期—第四纪晚期的再生前陆盆地演化阶段,是一个多阶段多类型盆地叠置形成的多旋回复合盆地。自燕山期以来,吐哈盆地类前陆盆地构造格局逐步形成,柯柯亚构造带位于吐哈类前陆盆地中的山前冲断带地区。通过埋藏史和构造演化分析(图5、图10),可以看出柯柯亚地区在侏罗纪就明显受到前陆逆冲作用影响,晚喜马拉雅期又再次经历了强烈的抬升。这2期强烈的构造活动不仅造成了地层的大幅抬升,而且形成了较大规模的基底断裂和一系列裂缝系统。其中在燕山期周缘盆地演化阶段,柯柯亚地区在70Ma内持续抬升了800m左右,此阶段山前冲断构造带内由一系列山前逆冲断裂和背斜组成,背斜一般为南陡北缓的不对称背斜,南部多发育逆冲断层,为博格达山向南挤压的结果。柯柯亚地区再次在喜马拉雅期不足20Ma间内强烈抬升400m左右。这一阶段形成的裂缝对目前该区致密砂岩气勘探开发意义更为重大。由于较短地质时期内的剧烈构造运动更容易形成分布广泛、规模较大的裂缝系统,从而导致致密砂岩气在漫长的地质时期内逐渐向裂缝中渗流、聚集,再加上喜马拉雅期之后该地区无强烈构造活动,因此这一时期所形成的裂缝型“甜点”能够更好地保存下来。2.4.2构造裂缝系统储层所处的特殊构造位置是造成裂缝发育的另一原因。柯柯亚构造带为一鼻隆构造,背斜转折端部位由于具有更强的弯曲形变和更大的构造作用力而更容易突破岩石破裂极限,从而发育密集的构造裂缝。柯柯亚地区背斜核部的平均构造裂缝密度为