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地球科学进展, 2018, 33(3): 305-320
doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0305
库车坳陷迪北侏罗系深部储层孔隙演化特征与有利储层评价——埋藏方式制约下的成岩物理模拟实验研究
Reservoir Porosity Evolution Characteristics and Evaluation of the Jurassic Deep Reservoir from Dibei in Kuqa Depression: Insight from Diagenesis Modeling Experiments Under the Influence of Burial Mode
冯佳睿, 高志勇, 崔京钢, 周川闽
1.中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心,北京 100083;2.中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室,北京 100083
Feng Jiarui, Gao Zhiyong, Cui Jinggang, Zhou Chuanmin
1.Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Petroleum Geology Research and Laboratory Center, Beijing 100083, China;2.Key Laboratory of Oil and Gas Reservoirs, China National Petroleum Corporation, Beijing 100083, China
 引用本文:
冯佳睿, 高志勇, 崔京钢, 周川闽. 库车坳陷迪北侏罗系深部储层孔隙演化特征与有利储层评价——埋藏方式制约下的成岩物理模拟实验研究[J]. 地球科学进展, 2018, 33(3): 305-320, doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0305
Feng Jiarui, Gao Zhiyong, Cui Jinggang, Zhou Chuanmin. Reservoir Porosity Evolution Characteristics and Evaluation of the Jurassic Deep Reservoir from Dibei in Kuqa Depression: Insight from Diagenesis Modeling Experiments Under the Influence of Burial Mode[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(3): 305-320, doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2018.03.0305

摘要:

利用自主研发的成岩物理模拟系统,对库车坳陷迪北侏罗系粗砂岩储层在特有的埋藏方式下,即沉积早期长期浅埋、后期快速深埋、晚期构造抬升影响下的成岩演化过程开展成岩物理模拟实验。研究表明:随着模拟的温度、压力、埋深的逐渐增大和压实作用的持续加强,石英、长石等脆性颗粒出现裂纹,长石更易形成次生溶蚀;粗砂岩成岩样品的孔隙、孔喉和成岩流体中K,Na,Ca,Al,Si,Ti和Mn等主要阳离子均呈现一定的变化规律;自生矿物和黏土矿物发育,如方解石、石英、自生I/S混层和绿泥石等较常见。快速深埋藏阶段3 000~6 500 m,溶蚀作用强烈,孔径和喉径均达到最大值,方解石胶结和石英加大发育。构造抬升阶段5 000~4 500 m,在降温卸压作用影响下,砂岩孔隙回弹,油气充注的酸性水使长石和岩屑等强烈溶蚀。实验表明,深部溶蚀作用、早期长期浅埋、后期快速深埋、晚期构造抬升的埋藏方式和构造作用引起的侧向挤压、裂缝等因素,是我国西部挤压型油气盆地中深部优质储层形成的重要条件。

关键词: 库车坳陷 ; 成岩物理模拟 ; 深部储层 ; 成岩作用

Abstract:

In this study, using an independently developed diagenetic physical modeling system, we conducted a series of diagenesis physical modeling experiments to simulate reservoir physical property of the Jurassic coarse sandstone from Dibei in Kuqa depression. These experiments reproduced the geological process of early, long-term, shallow burial and subsequent rapid, deep burial, and late tectonic uplift. As the gradual increasing of the simulated temperature, pressure, depth and the continuous strengthening of the compaction, intragranular irregular cracks appeared in quartz, and secondary dissolution could be more easily discovered in feldspar; Porosity, pore throat and K, Na, Ca, Al, Si, Ti, Mn in diagenetic fluid all showed significant evolution and regularity; Calcite, quartz, I/S mixed layer and chlorite were commonly found in modeling samples. At the depth of 3 000~6 500 m, accompanied by strong dissolution, pore diameter and throat diameter reached the maximum, and calcite cementation and quartz overgrowth also increased quickly. At the tectonic uplift stage of 5 000~4 500 m, under the influence of temperature and pressure relief, sandstone porosity began to rebound, and feldspar and rock debris were obviously dissolved under the acidic water from hydrocarbon charging. The formation of effective reservoirs in Western China’s oil and gas basins can be deeply influenced by the factors of dissolution, the process of early, long-term, shallow burial and subsequent rapid, deep burial, and late tectonic uplift, lateral extrusion and cracks induced by tectonic action.

Key words: Kuqa depression ; Diagenesis physical modeling ; Deep reservoirs ; Diagenesis.
1 引言

早期长期浅埋、后期快速深埋、晚期构造抬升是我国西部盆地典型的地质演化过程,这种特殊的埋藏方式影响下的深部储层成岩和物性特征明显,并在此类储层中获得了一系列重要的油气勘探成果[1,2,3,4,5,6]。迪北气藏位于塔里木盆地库车坳陷东部依奇克里克断裂带中段、阳霞凹陷北缘,近年来在侏罗系勘探取得较大突破,展示了天然气勘探的良好态势,是我国西部致密砂岩气的重点勘探领域[7,8,9,10,11]。该区的侏罗系砂岩储层非均质性强,总体上为低孔、低渗型储集层,裂缝通常较发育[12,13]。砂岩成分成熟度普遍较低,多为岩屑砂岩,石英含量一般为30%~42%,平均37.5%,胶结物含量低。前人研究发现,岩石组分、填隙物含量、粒径、成岩压实差异和构造作用等诸多因素,都会对该区侏罗系储层的物性造成影响[14,15]。整体而言,石英、花岗岩岩屑等刚性颗粒含量高和粗粒级岩性,如粗砂岩、砂砾岩等,通常物性较好,如依南2井阳霞组砂砾岩段在4 545~4 570 m井段局部有中高孔渗层段。对于库车坳陷迪北侏罗系这种非均质性极强的深部储层,实现该区优质储层成岩演化规律的物理模拟,客观重现机械压实作用下岩石的各种物理和化学变化过程,势必会对侏罗系深部储层物性特征的定量性评价提供宝贵的实验依据。

成岩物理模拟是一项先进而有效的技术手段,学者们进行过一些成岩模拟实验方面探索性的研究,实验目的主要为碎屑岩成岩压实作用对物性的影响[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29]和次生孔隙形成机制等2个方面[30,31,32,33,34,35,36,37]。操应长等[38]利用不同的现代沉积物样品,开展了砂岩机械压实作用的模拟实验,实验表明,相同物源、相同分选的砂岩,颗粒粒度越粗,压实减孔率越小,最终保存的孔隙越多,砂岩渗透性越好。另外,CO2流体与砂岩或长石等单颗粒矿物之间相互作用的模拟实验也取得了一系列成果和认识[39,40,41,42]。日本Tohoku大学Liu等[43]利用高压釜在100~300 ℃进行了CO2-H2O-岩石(砂岩或花岗岩)体系与H2O-岩石(砂岩或花岗岩)体系对比水热实验,认为过量CO2的存在促进了砂岩和花岗岩(长石和石英)的溶解和次生矿物(钙铝硅酸盐矿物)的沉淀。1986年美国飞利浦石油公司研发的单炉体、单功能的模拟实验装置为较早期成岩物理模拟实验设备的典型代表,该设备以溶蚀模拟为目的,实验温度最高为285 ℃,可模拟的流体类型为地层水、蒸馏水,实验过程数据为人工记录。国内也有相关仪器设备的报道,如成都理工大学和长庆油田共同组装的溶蚀实验装置、中国石油大学(北京)的压实模拟实验装置、中国石油天然气股份有限公司制造的成岩作用模拟实验的测量装置、中石化无锡所的成岩溶蚀模拟实验装置等[44]。然而,以上设备主要应用于单一实验研究的模拟,难以将实际地层条件下的温度、静岩压力和流体成分对整个沉积岩在形成过程中的影响体现出来。结合前人研究成果和模拟实验目的,我们自主研发了一套多功能、自动化的成岩物理模拟实验设备,该装置耐高温、耐酸碱、密封性强,能够完成最高温度500 ℃,最高静岩压力275 MPa,流体最高压力120 MPa的实验,最大限度地模拟了真实地史中的成岩过程,实现了压实、溶蚀、胶结作用过程的综合模拟。

本文依托自主研发的成岩物理模拟实验设备,再现库车坳陷迪北侏罗系储层在沉积成岩后经历的早期长期浅埋—后期快速深埋—晚期构造抬升地质过程中的储层成岩演化过程,开展对深部储层在不同温度、压力和地质流体条件下孔隙、孔喉演化、自生矿物及流体成分变化等方面的研究,为库车坳陷深部储层成岩作用提供理论依据,这对我国西部典型盆地有利储层的评价和预测具有重要意义。

2 地质背景

库车坳陷是在古生代被动大陆边缘基础上发育起来的典型叠合前陆盆地,先后经历了多期构造运动,尤其是燕山期、喜山期两幕构造运动形成了天山山前大型逆冲褶皱带及一系列逆冲断层,从而形成了现今库车坳陷“四带三凹”构造格局[45,46]。前人研究资料认为,该区侏罗纪平均地温梯度值较低,地温梯度范围为18~28 ℃/km,与我国其他大、中型沉积盆地相比仍然偏低,是个低温冷盆[47]。库车坳陷侏罗系发育良好,为一套陆相含煤沉积,分为中、下部的煤系地层和上部的杂色碎屑沉积2个部分, 与下伏三叠系整合接触。迪北地区位于库车坳陷克拉苏—依奇克里克构造带东部,其中侏罗系阿合组是重要的储层发育层段,主要由浅灰、灰白色厚层、块状砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩组成,局部地区夹灰、灰绿色中至细砂岩、灰黑色泥岩及煤线[48]。砂岩碎屑组分中岩屑含量通常较高,其次是石英和长石,岩屑类型主要为硅质岩、花岗岩、石英岩、千枚岩和流纹岩,填隙物主要为泥质、方解石、高岭石和少量硅质[49,50]。库车坳陷迪北侏罗系煤系地层分布广泛,有机酸含量较高,因此储集层地层水整体上属于酸性还原环境,同时包含CaCl2和NaHCO3等。

3 实验方法

本次成岩物理模拟实验,是在充分了解前陆盆地特有的沉积埋藏方式的地质基础上,对实际地质条件的温度、压力和实验过程中发生的水岩反应等进行充分考虑,结合实际地史过程与仪器设备参数等设计具体的实验方案,试图在最大程度上进行实际埋藏过程的历史重现,进而研究在埋藏过程中深部储层物性的变化特征、孔喉演化规律等,对有利储层评价及预测等提供有效的依据。

3.1 实验设备系统简介

成岩物理模拟系统主要由反应釜体、压力泵、中央控制系统和流体供输系统4个部分组成(图1)。成岩物理模拟实验过程中,压力和温度是最关键的实验条件,代表实际地史过程中储层所处的埋深及其地温梯度,分别由系统中的压力泵和中央控制系统控制。


图1

成岩物理模拟系统照片

Fig.1

Photos of diagenetic physical simulation system

反应釜体是整个成岩物理模拟系统中的核心组件,耐高温、耐酸碱、密封性强,能够完成最高温度500 ℃,最高静岩压力275 MPa,流体最高压120 MPa的实验,最大限度地模拟了真实地史中的成岩过程。反应釜体共有6组,分别标记为Ⅵ号、Ⅴ号、Ⅳ号、Ⅲ号、Ⅱ号和Ⅰ号釜体,通常设定为不同的从低到高的温度和压力条件。压力泵是向反应釜体供给压力的主要设备,可以同时对6个釜体供以不同的压力,形成一个压力系列,以便更接近于岩石埋藏过程的压力条件。中央控制系统主要用来调控实验中各个釜体的压力、温度及模拟时间,系统所使用的计算机软件可以时刻记录各个釜体内样品所承受的温度、压力情况等。流体供输系统控制流体的供给和运移情况。

3.2 样品制备与实验流程

对迪北地区迪北102井、依南2井、依南4井和依南5井900余件岩心样品碎屑组分统计分析发现,粗砂岩组分中石英含量约为40%,长石含量约为10%(钾长石8%,斜长石2%),岩屑含量为50%,填隙物为7%。本次成岩物理模拟实验样品成分按照该区下侏罗统阿合组粗砂岩(井深4 500~5 000 m)的实际碎屑组分配比制备(表1),选取的砂质为0.50~1 mm的粗砂质,填隙物中泥质的矿物组成为石英、钠长石、方解石、赤铁矿、方沸石和黏土矿物等,黏土矿物类型包括伊/蒙混层、伊利石、蒙皂石和少量高岭石。制备样品时,将石英、长石、岩屑和填隙物按照等量组分混合,放入6个烧杯中,同时将相同体积的褐色泥岩分别装入6个烧杯中,边加入适量去离子水,边用玻璃棒搅拌均匀,待砂岩和泥岩样品充分静置8小时后,将样品依此装入反应釜体中(图2)。每个釜体中装填的样品均为两段式,下部为暗褐色泥岩,厚2.5 cm,上部为砂岩,厚8.5 cm。实验流体设定为质量分数为3%的氯化钙和碳酸氢钠溶液,实验过程后期(构造抬升后期)加入质量分数为0.5%的醋酸溶液,模拟侏罗系的酸性流体环境,为粗砂岩中长石、岩屑等易溶组分的次生溶蚀提供条件。酸性溶液的选取是结合实际岩心样品溶蚀特征和多次模拟实验结果对比确定的。在相同实验条件下,分别选取浓度1%和0.25%的醋酸溶液模拟酸性流体环境,溶蚀程度太强或太弱,与实际岩心样品不符,故选取0.5%的醋酸溶液来模拟酸性流体环境,模拟效果也最为理想。实验中,流体以0.5 mL/min的恒流方式在不同成岩阶段分别供给。每个釜体内的流体供应达到一定数量(釜体内流体供给接近样品总体积的20%)时,停止供液,闭合反应釜的上、下阀门,使内部为一封闭环境,待流体和釜体内样品发生充分水岩反应之后将其放出收集,如此循环往复到实验结束。

表1

库车迪北侏罗系粗砂岩碎屑组分配比

Table 1

Detrital components of the Jurassic coarse sandstone from Dibei in Kuqa depression


图2

砂岩和泥岩样品照片

Fig.2

Photos of the sandstone and mudstone samples

3.3 实验条件

库车迪北侏罗系沉积距今203 Ma左右,地层沉降—抬升可划分为3个阶段:①早期长期浅埋,即距今203~23 Ma地层缓慢沉降至3 500 m左右;②后期快速深埋,即23 Ma的新近纪至上新世5 Ma,快速沉降至6 500 m左右;③构造抬升地层剥蚀阶段,上新世5 Ma至今,侏罗系地层抬升遭受剥蚀,地层抬升至4 500 m左右(图3)。本次成岩物理模拟实验试图模拟这种前陆盆地特殊的埋藏方式,然而一组实验的完成时间与实际地史时间存在的巨大差异,使得成岩物理模拟实验整个过程不可能与实际地质条件完全一致,因此在用实验温度和压力等对地史时间补偿时,主要参考实际的埋藏地史条件,同时还需兼顾实验仪器设备条件的可实施性。


图3

库车坳陷迪北中新生代埋藏演化史[51]

Fig.3

Meso-Cenozoic burial history from Dibei in Kuqa depression[51]

根据模拟目的层RO值(注:这里可以说Easy RO)与地层埋深的对应关系(表2),库车前陆盆地地层埋深在1 261 m时,RO值只有0.1%左右,埋深在1 445 m时,RO值只有0.5%左右,由此推测库车前陆盆地储集层沉降至2 000 m时,RO值可能在0.6%左右;沉降至3 000 m时,RO值可能在0.8%左右。当储集层埋深至4 000 m时,RO值可能为1.0%左右;埋深至5 000 m时,RO值可能为1.4%左右;埋深至6 000 m时,RO值达到1.5%左右[53]。整个实验过程设置为几个阶段:① 早期浅埋藏阶段,模拟储集层经历埋深2 000 m(模拟温度300 ℃,静岩压力110 MPa)、2 500 m(模拟温度325 ℃,静岩压力123.75 MPa)、3 000 m(模拟温度350 ℃,静岩压力137.5 MPa);② 快速深埋藏阶段,4 000 m(模拟温度375 ℃,静岩压力165 MPa)、4 500 m(模拟温度387.5 ℃,静岩压力178.75 MPa)、5 000 m(模拟温度400 ℃,静岩压力192.5 MPa)、5 500 m(模拟温度412.5 ℃,静岩压力206.25 MPa)、6 000 m(模拟温度425 ℃,静岩压力220 MPa)、6 500 m(模拟温度437.5 ℃,静岩压力233.75 MPa);③ 构造抬升阶段,5 000 m(模拟温度400 ℃,静岩压力192.5 MPa)、4 500 m(模拟温度387.5 ℃,静岩压力178.75 MPa)。整个实验过程分2次进行,每次实验分别持续20天左右(表3)。经过完整的成岩物理模拟实验后,松散的砂质固结成砂岩,为后续的储层微观特征分析奠定了很好的基础。

表2

有机质热模拟实验中加热时间、加热温度及有机质地质成熟时间关系对比表

Table 2

Comparison of heating time, heating temperature and organic matter maturity time in the heat simulation experiment of organic matter

表3

成岩物理模拟实验温度和压力参数表

Table 3

Temperature and pressure parameters for diagenetic physical modeling experiments


图4

库车迪北侏罗系粗砂岩成岩物理模拟实验成型效果图

Fig.4

Molding sample photos of the Jurassic coarse sandstone from Dibei in Kuqa depression
6:375 ℃,165 MPa;5:400 ℃,192.5 MPa;4:412.5 ℃,206.25 MPa;3:425 ℃,220 MPa;2:400 ℃,192.5 MPa;1:387.5 ℃,178.75 MPa

4 实验结果

本次成岩物理模拟实验前在6个釜体中制备的泥岩和砂岩碎屑组分经过机械压实作用,目的是形成下部为泥,上部为砂的均匀短柱体。第一次模拟实验样品部分成型,有碎裂现象,这可能是由于后期供液不充分,水岩反应较弱,样品偏干导致的。实验方案进一步改进后,第二次加密实验的成型效果较好,基本上都形成了高度约为10 cm的短柱体,实验后粗砂岩样品的成型效果如图4。除4号样品出现部分碎裂外,1,2,3,5和6号均保持了样品的完整性。我们分别对物理模拟实验后获得的成岩样品进行了铸体薄片观察、扫描电镜图像分析及成岩流体离子成分测试等工作,对模拟后成岩样品的物性特征、长石溶蚀度、孔径、喉径变化趋势、自生矿物类型及生长规律、成岩流体等分别开展研究并取得重要认识。

4.1 成岩样品镜下微观特征

对2次成岩物理模拟实验后获得的11个完全成型和部分成型的柱状样品的上部砂岩部分进行了铸体薄片的显微镜观察和扫描电镜图像分析。扫描电镜图像分析使用仪器为TESCAN-VEGAII扫描电子显微镜,测试单位为中国石油勘探开发研究院实验中心。研究发现,模拟埋深4 500 m开始,石英、长石等脆性颗粒逐渐出现裂缝,且随着温度、压力和埋深的增加,压裂程度和规模逐渐加大(图5)。在模拟温度387.5 ℃、压力178.75 MPa时,颗粒仅出现了细微的不定向裂纹,而在模拟温度425 ℃、压力220 MPa时,颗粒发生了大规模的压裂,产生的裂隙宽而深,局部有共轭现象。前人研究的岩心铸体薄片资料显示,依南4井在4 500 m左右埋深普遍发育裂缝(图6),裂缝的走向通常比较稳定,多呈雁列式排列或以共轭剪裂缝的形式出现,裂缝中偶见方解石、石英等矿物充填现象,裂缝面上可见擦痕。扫描电镜照片可以清晰的呈现出粗砂岩样品中石英和长石颗粒的压裂的不同情况:石英颗粒压裂多为边界破裂或者贯穿颗粒的破裂,这样的颗粒破裂通常不容易产生溶蚀;长石颗粒压裂多为沿解理面的2组断裂,而颗粒溶蚀通常沿解理面产生。成岩样品中长石溶蚀普遍发育,对溶蚀的长石采用恢复原形态计算溶蚀度的方式,将偏光显微镜下观察到的所有晶体较好的长石溶蚀度统计计算,认为成岩物理模拟的成岩样品中长石溶蚀度范围为4%~9%。

成岩物理模拟实验过程中,长石的溶解现象极其普遍,多形成粒间溶孔、粒内孔及少量铸模孔。通过对模拟成岩的砂岩样品进行显微镜下观察发现,长石的溶蚀程度强烈,颗粒内部和边缘均有溶蚀,长石次生溶蚀现象主要分为以下几种类型:① 长石的溶蚀从边缘开始逐渐向中心扩散,溶蚀程度逐渐增强(图7a);② 长石的溶蚀沿解理缝的方向扩展,这是长石溶蚀作用较为常见的一种特征(图7b);③ 长石颗粒大部分被溶蚀,仅剩少部分溶蚀残余,甚至几乎被全部溶蚀(图7c);④ 长石颗粒溶蚀程度强烈,已区分不出溶蚀作用发生的具体方式,形成溶蚀扩大孔(图7d)。


图5

石英和长石颗粒压裂现象的扫描电镜照片
SEM HV:扫描电压;SEM MAG:放大倍数;WD: 工作距离;Det (探头):BSE Detector背散射探头;Name:样品照片编号;Digital Microscopy Imaging:数字显微成像

Fig.5

SEM photos of the quartz and feldspar fracturing
SEM HV:Scanning voltage; SEM MAG:Magnification; WD:Working distance; BSE Detector: Backscatter Detector; Name:Sample number


图6

依南4井碎屑颗粒定向裂缝的铸体薄片特征
(a)依南4井,4 560.33 m,20(-);(b)依南4井,4 575.64 m,40(-)

Fig.6

Microscopic characteristics of clastic particle fractures from Yi’nan 4 Well
(a)Yi’nan 4 Well, 4 560.33 m, 20(-); (b) Yi’nan 4 Well, 4 575.64 m, 40(-)


图7

长石溶蚀作用的铸体薄片图像
(a)长石溶蚀从边缘向中心扩散,钾长石破裂后被溶蚀,100(-);(b)斜长石溶蚀沿解理缝方向扩展,100(-);(c)长石溶蚀残余,40(-);(d)溶蚀扩大孔,100(-)

Fig.7

Casting thin sections of feldspar dissolution
(a) Feldspar dissolution from edge to center and ruptured potassium feldspar dissolution, 100(-);(b) Plagioclase dissolution along cleavage,100(-); (c)Residual feldspar dissolution, 40(-); (d) Mold holes, 100(-)

4.2 孔隙变化特征

在不同的模拟实验温度、压力条件下,成岩样品的原生粒间孔面孔率、溶蚀孔面孔率和总面孔率呈现一定的变化规律。2次模拟实验的不同温度、压力和模拟埋深条件下,粗砂岩模拟成岩样品总面孔率变化呈现出先增大后减小再增大的过程(表4)。在模拟埋深2 000 m时,总面孔率为21.95%,早期发生微弱溶蚀现象,溶蚀孔面孔率约为2.8%,模拟埋深4 500 m时,砂岩中长石和石英等脆性颗粒发生大量碎裂及溶蚀作用,原生粒间孔面孔率降低至约19.76%,溶蚀孔面孔率约为3.55%,总面孔率为21.55%,随着模拟埋深不断加大总面孔率呈现逐渐递减的趋势,埋深6 500 m时总面孔率为11.65%,原生粒间孔仅约为8.15%,之后抬升至4 500 m,总面孔率值有增大趋势,达到18.39%,溶蚀孔面孔率约为5.13%(图8)。


图8

成岩物理模拟实验粗砂岩成岩样品孔隙变化曲线图

Fig.8

Porosity evolution diagram of the modeling sandstone samples

4.3 孔喉演化规律

在机械压实作用下,库车迪北侏罗系粗砂岩最大孔径、平均孔径和最大喉径、平均喉径整体上都表现为减小、增大后减小,再增大的过程,具体数据见表5。模拟埋深2 000 m时,最大孔径约为287.39 μm,平均孔径约为89.02 μm,最大喉径约为49.02 μm,平均喉径约为9.86 μm。模拟埋深2 500 m时,孔径和喉径有一定的减小趋势。随着埋深的不断加大,孔径和喉径整体上有逐渐增加的趋势。模拟埋深4 500~5 500 m时,孔径和喉径表现出明显的递增趋势,最大孔径和最大喉径均达到最大值,约为519.13和48.41 μm,平均孔径和平均喉径约为182.84 μm和13.24 μm。在模拟埋深6 000 m时,孔径和喉径均开始减少,二次抬升至5 000~4 500 m时二者又呈现增大趋势,最大孔径为343.42 μm,最大喉径为42.51 μm(图9)。


图9

成岩物理模拟实验粗砂岩成岩样品孔径与喉径演化曲线图

Fig.9

Pore diameter and throat diameter evolution profiles of the coarse sandstone samples from diagenetic physical modeling

4.4 成岩流体与自生矿物特征

成岩流体离子成分测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成,仪器型号为PerkinElmer,5300 DV型ICP-OES。成岩流体中多种阳离子含量随着模拟埋深增大,其含量变化表现出不同规律。第一次模拟实验中流体的主要阳离子变化趋势如图10所示。

(1)模拟埋深3 000 m时,K,Na和Si离子含量急剧增加,表明钾长石、钠长石的溶解,其中,K离子含量由初始埋藏的86 mg/L持续增大至埋藏3 000 m的771 mg/L,Si离子含量增加到243 mg/L。Ti和Mn离子含量急剧增加,分别达到35.7和139 μg/L,这可能与富Ti和Mn的火山岩岩屑等溶解的有关。

(2)模拟埋深2 500 m时,Al离子达到最大值,可能与含铝硅酸盐矿物,如易溶的黏土类矿物等大量溶蚀有关,模拟埋深3 000 m时,Al离子含量急剧减少,指示长石溶蚀产生的铝离子不能稳定存在,主要以A1(OH和Al(OH)3的形式存在,模拟埋深4 500~5 500 m时,Al离子含量急剧增加,反映岩石又发生一次较强的溶蚀过程,如斜长石溶蚀等。

(3) 模拟埋深3 000~4 500 m时,Na,Ca和Si离子含量急剧降低,模拟埋深4 500 m时,Na离子含量为21.5 mg/L, Ca离子含量为11.7 mg/L,Si离子含量仅为3.85 mg/L,这与此时钠长石形成、方解石胶结、石英开始加大发育有密切关系。


图10

成岩流体中主要阳离子含量随埋深变化曲线

Fig.10

Main cationic content evolution profiles of diagenetic fluid changing with depth

同时,随着埋深的不断加大,砂岩和泥岩中有大量的自生矿物生成。砂岩中自生矿物主要为方解石、钠长石和石英晶体,方解石晶体普遍发育,在模拟温度375,387.5,400和412.5 ℃时均有出现,多为立方体状,钠长石晶体出现较少,多为柱状,石英晶体仅在模拟埋深6 500 m时观察到较好晶形(图11)。

表4

库车迪北粗砂岩成岩物理模拟实验孔隙分析数据

Table 4

Pore analysis data of the coarse sandstone samples from Dibei in Kuqa depression

表5

库车迪北侏罗系粗砂岩样品孔喉、孔径变化分析结果

Table 5

Pore diameter and throat diameter data of the coarse sandstone samples from Dibei in Kuqa depression

下部泥岩中黏土矿物主要有自生I/S混层、伊利石和绿泥石,I/S混层和伊利石多为片状和丝状,绿泥石早期为不规则状,随着温度压力的升高,出现花朵状、针状、叶片状等(图12)。实验中泥质成岩演化过程中的黏土矿物转化具有较好规律性,随着模拟埋藏深度的增大,泥岩中蒙皂石向伊利石转化序列是最常见的黏土矿物转化序列。库车迪北侏罗系粗砂岩模拟样品中的蒙皂石含量由模拟埋深2 000 m的67%逐渐减少并向伊利石转化,模拟埋深在6 500 m时伊利石含量达到58%(表6)。


图11

砂岩中自生矿物扫描电镜照片
(a)石膏(4 600倍),400 ℃,192.5 MPa,5 000 m;(b) 奥长石(2 600倍),412.5 ℃,206.25 MPa,5 500 m;(c) 钠长石(5 110倍),412.5 ℃, 206.25 MPa,5 500 m;(d) 方解石(4 510倍),387.5 ℃,178.5 MPa,4 500 m;(e) 方解石(1 530倍),412.5 ℃,206.25 MPa,5 500 m; (f) 石英(15 340倍),437.5 ℃,233.75 MPa,6 500 m

Fig.11

SEM photos of the authigenic minerals in sandstone
(a)Gypsum (×4 600), 400 ℃, 192.5 MPa, 5 000 m; (b)Oligoclase (×2 600), 412.5 ℃, 206.25 MPa, 5 500 m;(c)Albite(×5 110),412.5 ℃, 206.25 MPa, 5 500 m; (d)Calcite (×4 510), 387.5 ℃, 178.5 MPa, 4 500 m;(e) Calcite(×1 530),412.5 ℃, 206.25 MPa, 5 500 m; (f) Quartz (×15 340),437.5 ℃, 233.75 MPa, 6 500 m


图12

泥岩中自生黏土矿物扫描电镜照片
(a) 片状I/S混层(5 020倍),325 ℃,123.5 MPa,2 500 m;(b) 片状I/S混层(2 130倍),387.5 ℃,178.5 MPa,4 500 m;(c) 片状I/S混层(4 350倍),400 ℃,192.5 MPa,5 000 m;(d) 丝状伊利石(7 500倍),375 ℃,165 MPa,4 000 m;(e) 片状伊利石(3 920倍),425 ℃,220 MPa,6 000 m;(f) 片状伊利石(5 160倍),437.5 ℃,233.75 MPa,6 500 m;(g) 针状、片状绿泥石(2 390倍),325 ℃,123.5 MPa,2 500 m;(h) 花朵状、片状绿泥石(4 010倍),375 ℃,165 MPa,4 000 m;(i) 针状、片状绿泥石(4 870倍),412.5 ℃,206.25 MPa,5 500 m

Fig.12

SEM photos of the authigenic clay minerals in mudstone
(a) Flake-like I/S mixed layer (×5 020), 325 ℃,123.5 MPa, 2 500 m; (b) Flake-like I/S mixed layer (×2 130),387.5 ℃,178.5 MPa, 4 500 m; (c)Flake-like I/S mixed layer(×4 350),400 ℃,192.5 MPa,5 000 m; (d)Filiform illite (×7 500), 375 ℃,165 MPa, 4 000 m; (e)Flake-like illite (×3 920), 425 ℃, 220 MPa, 6 000 m; (f)Flake-like illite(×5 160), 437.5 ℃, 233.75 MPa, 6 500 m; (g)Acicular, flake-like chlorite (×2 390), 325 ℃, 123.5 MPa, 2 500 m; (h)Flower-like, flake-like chlorite (×4 010), 375 ℃,165 MPa,4 000 m; (i)Acicula, flake-like chlorite (×4 870), 412.5 ℃,206.25 MPa, 5 500 m

表6

库车迪北侏罗系粗砂岩成岩物理模拟实验黏土矿物相对含量统计表

Table 6

The clay minerals relative content of the coarse sandstone samples from Dibei in Kuqa depression

5 讨论

成岩物理模拟实验再现了库车坳陷迪北地区深部粗砂岩储层分别在埋深2 000~3 000 m的浅埋藏阶段、埋深3 000~6 500 m的快速深埋藏阶段,以及埋深5 000~4 500 m的构造抬升阶段的地质演化过程。在这种特殊的埋藏方式制约下,深部储层孔隙和孔喉的变化趋势、成岩流体中离子成分等都呈现出规律性变化。

模拟埋深2 000~3 000 m的早成岩阶段,即早期的浅埋藏阶段,属含煤地层的早期酸性成岩环境,不利于碳酸盐胶结,岩石的抗压实能力弱,剩余原生孔减少,物性普遍较差,溶蚀孔面孔率仅为1%~2%。在沉积早期沉积物不断堆积,深部储层承受的压实作用逐渐加大,碎屑颗粒以点接触为主。砂岩面用既对岩石有挤压作用,使得碎屑颗粒接触关系达到点—线接触,也可使岩石产生断裂、裂缝,从而构成流体的有利通道。成岩样品中次生孔隙局部发育,长石及岩屑颗粒等溶蚀作用主要发生在碎裂纹及裂缝周围,孔径和喉径均表现出明显的增大趋势, 颗粒间孔隙的连通能力增强,孔隙类型为少量孔率急剧衰减,模拟埋深2 000 m时,面孔率由40%左右衰减为21.95%。

模拟埋深3 000~6 500 m的快速深埋藏阶段,伴随着较强烈的构造活动,构造活动产生的应力作残余粒间孔和溶蚀扩大孔,方解石胶结发育。砂岩面孔率由19.94%减少至11.65%,该阶段是原生孔快速减小、溶蚀孔快速增加的阶段。在4 500~5 000 m层段,库车东部迪北侏罗系砂岩储层裂缝发育,多为雁列式排列或以共轭剪裂缝的形式出现,裂缝中见有方解石、石英等矿物充填现象,但裂缝充填程度整体较弱,只有15%左右被完全充填,孔隙度和渗透率均达到最大值,孔隙度达到22%,渗透率可超过1 000 mD。

构造抬升早期阶段,由于受到降温卸压作用的影响,砂岩储层产生成岩张裂缝,收缩缝有利于提高储层孔隙连通性和溶蚀作用的发生,进一步促进储层的改造作用;构造抬升晚期阶段,砂岩孔隙继续回弹,油气充注带来的酸性水使长石和岩屑发生强烈溶蚀,地层抬升至4 500 m时,溶蚀孔面孔率约为5.13%,孔径和喉径呈现再次增大趋势。

砂岩中次生孔隙的产生,尤其是埋藏成岩过程中形成的次生孔隙应与含K和Na的铝硅酸盐成分相关,而与钾长石的关系最为密切,其次是钠长石。地层中富钾离子,通常伴随长石溶解后沉淀产出伊利石。Al离子含量的增大可能指示含铝硅酸盐矿物,如黏土类矿物、长石等的大量溶蚀,Na,Ca和Si离子含量急剧降低与钠长石形成、方解石胶结和石英加大有关。

6 结论

成岩物理模拟作为一种新兴的研究技术手段,能够有效模拟深部储层在不同地质条件影响下的岩石类型、物性特征、胶结过程等各种地质响应。本次对库车坳陷迪北侏罗系粗砂岩的模拟研究表明:① 模拟埋深为4 500 m时,石英、长石等碎屑颗粒出现裂纹,裂纹规模逐渐增大。与石英颗粒相比,长石对次生溶蚀贡献更大,长石在埋藏溶蚀机制作用下溶蚀程度更强。② 随温度压力变化,粗砂岩样品孔隙、孔喉演化和成岩流体中K,Na,Ca,Al,Si,Ti和Mn等阳离子均表现出一定的规律性。③ 砂岩中自生矿物主要为方解石、钠长石和石英,泥岩中以自生I/S混层、伊利石和绿泥石等较为常见。实验结果表明,我国西部挤压型油气盆地中,深部溶蚀作用、早期长期浅埋、后期快速深埋、晚期构造抬升的特有埋藏方式和构造作用引起的侧向挤压、裂缝等因素,是深部优质储层形成的重要条件。同时,异常高压、膏岩效应、早期烃类充注和碎屑颗粒成分对成岩压实作用的影响等也值得关注。

致 谢:本文的铸体薄片制作和扫描电镜分析是在中国石油勘探开发研究院实验中心李豫喜、周红燕、杨一峰和朱德升几位老师的精心指导和帮助下完成的,在此表示衷心的感谢!感谢审稿专家提出的宝贵意见!

The authors have declared that no competing interests exist.

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塔里木盆地库车坳陷北部的克拉2气田的天然气主要储集于白垩系巴什基奇克组辫状河三角洲沉积的岩屑砂岩、长石岩屑砂岩中,储层孔隙发育,连通性好,以受溶蚀作用改造扩大的粒间孔隙为主。储层孔隙度为15%~20%,渗透率为200\(\times\)10-3~800\(\times\)10-3μm2,属于中孔中渗储层。通过显微镜下观察发现,岩石在埋藏过程中以机械压实作用为主,颗粒主要为点、点—线接触,压实作用弱—中等;发育碳酸盐和黏土矿物胶结,石英次生加大胶结较少,总体上胶结作用不强烈;溶蚀作用主要发育于长石和岩屑颗粒内部与边缘,以及粒间碳酸盐胶结物;目前岩石处于中期成岩阶段。优质储层的形成主要与砂岩储层早期长时间浅埋、晚期短时间快速深埋,异常高压对压实作用的抑制以及晚期溶蚀作用对孔隙一定程度的改造扩大有关。

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近年来塔里木盆地库车山前带勘探获得巨大成功,推动塔西南山前带勘探掀起新的高潮。实际上,这2个山前带的油气来源、输导模式及控藏关键因素等具有一定差异,塔西南山前带深化勘探要充分重视本身的成藏特点。库车山前带以侏罗系煤系烃源岩供烃为主,三叠系为辅,早期大断裂直接沟通源储,以“斜T”型模式输导为主,高陡逆冲构造紧密叠合,整体控制油气分布,局部构造控制成藏。而塔西南山前带以石炭系—二叠系海相烃源岩供烃为主,侏罗系煤系烃源岩为辅,早期隐伏弯褶大断裂为输导通道,以“仰F”型模式输导为主,双向对冲弯褶构造独立控藏。总体上,塔西南山前带石炭系—二叠系烃源岩、早期隐伏大断裂及完整的弯褶构造圈闭发育区是有利的勘探方向。

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“深盆气藏”是由一种“气水倒置”的特殊圈闭形成的非常规天然气聚集,构造平缓、储层致密和具有不间断供气的气源是其形成的主要条件。研究认为,库车坳陷依奇克里克构造带的依南2气藏为“深盆气藏”。依南2气藏产气层段为致密砂岩,发育于一向南倾的单斜背景之上,处于构造的下倾部位,存在生气量巨大的侏罗系—三叠系大套煤系地层。同时依南2气藏又具有气水倒置、含气饱和度高及异常高压的特点。依南2气藏在形成过程中,气源向致密砂岩充注时,运移的主要方式以扩散作用为主。具备了形成深盆气藏的地质条件。

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埋藏条件下原生孔隙的破坏与保存机制是含油气盆地砂岩储层质量研究的一个核心领域,其在油气地质学研究中的意义不言而喻。与次生孔隙的形成与保存机制相比,影响原生孔隙破坏与保存的因素有着其特殊的复杂性和多样性。在总结国内外研究进展的基础上,试图深入理解不同成岩机制在砂岩储层原生孔隙破坏与保存中的意义和作用,包括破坏机制(如机械压实、胶结作用等)和保存机制(如地层超压、颗粒包膜、盐体侵位和烃类占位等)。目前难以实现砂岩储层质量钻前准确预测的一个困难在于无法明确原生孔隙演化的动力和过程,将来成岩作用、流体作用、沉积过程和盆地演化的更紧密结合可能是解决砂岩储层原生孔隙破坏与保存机制研究中最有希望的发展方向之一。

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通过铸体薄片、扫描电镜、激光共聚焦显微镜、微纳米CT扫描等直观分析手段,对库车坳陷迪北地区致密砂岩气储层中的孔喉微观形态特征开展了系统研究。观测结果显示,该区致密砂岩储层中发育大量的狭长、扁平状孔喉,其中微纳米级的喉道、黏土矿物晶间孔是本区主要的储集空间。同时借助低温氮气吸附测试、恒速压汞试验、覆压条件下储层物性分析等定量研究手段,显示迪北致密砂岩储层中喉道大小分布在1~4μm,喉道体积占总孔隙体积的2/3。综合研究认为储层的渗流能力受喉道大小、孔喉比值影响,直观地反映了孔喉形态对渗流能力的影响;孔喉中黏土矿物对储层的渗流能力起到重要的影响。
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该文根据成岩作用过程(process oriented)模拟的原理,综合考虑了温度、压力、流体和时间4种因素对成岩作用的影响,通过模拟成岩参数镜质组反射率、古地温、伊/蒙混层中蒙皂石的含量、自生石英百分含量和甾烷异构化率在时空上的变化规律,进而模拟一个地区的成岩史并预测成岩阶段的展布特征;然后根据成岩作用对生、储、盖层的控制作用以及成岩史与构造发育史的匹配关系,确定有利的勘探区域。最后,文中以渤海湾盆地南堡凹陷老爷庙地区深层为例说明了这一方法的应用。
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<FONT face=Verdana>实验采用自行设计和组装的压实成岩模拟装置,以中砂级纯净石英碎屑为实验介质,开展压实模拟实验,通过对实验过程中所出现的物理和化学变化进行分析和研究,得到了一些认识:在压实过程中,砂体孔隙度和渗透率的变化具有明显的二分性,即压实初期的陡变带和随后出现的缓变带;缓变带实验数据分析表明,孔隙度和承载压力之间存在良好的线性关系,孔隙度和渗透率之间存在良好的半对数关系,渗透率和承载压力之间存在良好的指数关系。系统流体的实时取样测试表明,压实作用不仅仅是一个物理过程,同时也会发生化学变化,即使在较浅的埋藏条件下,石英砂体也发生了压溶现象。<BR></FONT>
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为了在发育异常高压沉积盆地的中深层进行有效的油气勘探,综合运用薄片、岩心常规、粒度分析、SEM等分析化验资料,探讨了渤中凹陷西北次凹储层压实作用和胶结作用的压力响应特征。得到了异常高压对机械压实具有抑制作用的有力证据。证实了不同胶结物类型有不同的压力响应特征。研究认为,每超静水压力7 MPa的异常高压可保存约2.0%原生孔隙。胶结强度的压力响应特征呈斜坡状:①陡坡段,远离高压界面的常压带&rarr;高压界面外280 m,胶结强度迅速增强,以弱胶结为特征,胶结物以自生黏土矿物为主,约占总胶结物的85%;②缓坡段,高压界面外280 m&rarr;异常高压带,胶结强度缓慢增大,以强&mdash;中胶结为特征,胶结物以碳酸盐为主,约占总胶结物的75%以上。在高压界面附近的常压带,碳酸盐胶结作用的压力响应厚度比自生黏土矿物的响应厚度小,前者约280 m,后者&gt;430 m。研究区原生孔隙与渗透率具有较好相关性,相关系数可达0.77,表明原生孔隙发育的砂岩是优质储层。研究结果可为在异常高压发育的盆地中深层寻找优质储层提供理论依据。

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报道了在100℃、140℃下微斜长石在不同羧酸溶液中的溶解实验数据。通过实验表明1)反应温度增高,可增强溶液中阳离子的活性和迁移性,加快长石溶解的反应速率,促进长石的溶解。2)在强酸性条件下,pH值的变化可影响长石的溶解。但在中等酸性条件下,pH值对长石的溶解影响很小。3)羧酸(乙二酸)可不同程度地促进长石溶解,可通过形成乙二酸络合物的形式,增加离子在溶液中的溶解度。但乙酸络合物的作用不明显。长石溶蚀导致岩石孔隙度变大,并且改善孔喉性质。同时,由于乙二酸络合物的存在,增加了Si在溶液中的溶解度,阻止了石英加大和其它成因SiO2的生成,有利于次生孔隙和原生孔隙的保存。4)长石溶解使溶液中Al的浓度较高,但由于铝&mdash;羧酸络合物的亲油性比亲水性强,故有一部分Al被分配到油相中,这也是目前大多数油田水中Al浓度偏低的主要原因。
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Magsci

埋藏成岩过程中碳酸盐的溶解与沉淀强烈控制着深埋藏地层中碳酸盐岩储层质量,与之有关的地质过程是人们多年来不懈研究的热点领域。热流体沿断裂向上运移所造成的碳酸盐溶解成为近年人们普遍认可的模式,但这不能圆满解释大量存在的不与断裂伴生的深埋藏碳酸盐的溶解机制。基于四川盆地东北部和塔里木盆地北部深埋藏碳酸盐溶解与沉淀机制的研究,认为埋藏过程中盆地的沉降与抬升是碳酸盐溶解与沉淀以及次生孔隙发育的另一重要机制,在改变流体对碳酸盐饱和状况方面具有和热流体沿断裂向上运移相同的重要性。研究表明:与川东北飞仙关组类似的埋藏历史更有利于深埋藏成岩过程中碳酸盐的溶解,主要特点是当前埋藏深度不是最大埋藏深度,在最大埋藏深度附近发生热化学硫酸盐还原作用,其后盆地持续抬升造成温度降低和碳酸盐溶解,与之有关的次生孔隙形成所造成的岩石力学性质的变化与上覆载荷减小可以得到平衡,次生孔隙得以保存,岩石储层质量改善|塔里木盆地北部的奥陶系埋藏历史不利于深埋藏成岩过程碳酸盐的溶解,主要特点是当前埋藏深度是最大埋藏深度,古喀斯特发生之后盆地持续沉降造成温度升高和碳酸盐沉淀,并与上覆载荷的增加同步发生,结果是孔隙的封堵、岩石的致密化和储层质量的变差。

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Magsci
基于热力学平衡理论及库车盆地的实际,建立了该区地层水温度、压力条件下方解石溶解、白云石对方解石交代作用的热力学平衡条件,并根据地层水介质特征探讨了该区方解石溶解、白云石交代方解石的具体成岩反应状况,认为该区地层水条件下正进行着方解石溶蚀及白云石对方解石的交代作用,方解石的溶蚀是形成该区深层次生孔隙的根本因素。
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结合塔里木库车前陆盆地的109口井的地温数据,给出了库车盆地的地温场分布特征. 库车盆地各构造单元的平均地温梯度值为18~28℃/km,与我国其他大、中型沉积盆地相比,仍然偏低. 库车前陆盆地整体上是属于低温冷盆,山前带部位,依奇克里克、克拉苏和大宛齐等构造分区是低温冷盆中的高地温梯度带;从山前带由北向南,地温梯度逐渐降低. 在盆地的南部,地温梯度又存在明显差异. 总体上,地温梯度随深度的增加而降低,趋于一致,但在不同地质构造条件下其变化的速率不同. 在此基础上,进一步探讨地温梯度与盆地形成和构造演化的关系以及油气勘探意义.
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