鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖成巖演化特征及其對(duì)儲(chǔ)層性能的影響

鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖成巖演化特征及其對(duì)儲(chǔ)層性能的影響

根據(jù)之前對(duì)鄂爾多斯盆地古生代含氣砂巖巖漿巖的成巖作用的研究，砂巖埋深大，埋歷歷長(zhǎng)，熱發(fā)育，成巖作用復(fù)雜，儲(chǔ)層儒學(xué)發(fā)育與成巖發(fā)育密切相關(guān)（惠寬陽(yáng)等，2002；張明等，2002；朱洪泉、張錫南，2004；趙泉等，2005；趙文志等，2005；劉曉紅等，2006；李向波和王建偉，2007；寧寧等，2007；羅景蘭等，2010）。然而，上述巖漿巖的研究很少考慮對(duì)祖母巖性質(zhì)及其巖石學(xué)組成的原始砂巖特征的控制，以及由此產(chǎn)生的巖漿巖的起源和孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異，這忽略了儲(chǔ)層容量、巖漿巖發(fā)育的各種因素。砂巖的物質(zhì)成分及其在成巖演化過(guò)程中經(jīng)歷的物理的、特別是水-巖反應(yīng)引起的化學(xué)成分的變化,將影響成巖產(chǎn)物的類型及其分布特征,后者直接導(dǎo)致各砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)集物性的差異,并可能影響產(chǎn)能與開發(fā)效果.本研究通過(guò)多種分析測(cè)試手段,研究了鄂爾多斯盆地北部主力含氣層盒8段母巖性質(zhì)對(duì)砂巖類型、礦物組合與原始物性等原始特征的控制,分析了不同砂巖類型的成巖產(chǎn)物及其特征、成巖序列與成巖演化過(guò)程、孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)砂巖儲(chǔ)集性能與產(chǎn)能的影響機(jī)理.該研究對(duì)于深入理解致密砂巖在成巖過(guò)程中發(fā)生的流體-巖石相互作用、成巖演化及其對(duì)砂巖儲(chǔ)集性能的影響,以及砂巖致密化過(guò)程的機(jī)理,尋找更多的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層及天然氣有利儲(chǔ)集地帶,加快鄂爾多斯盆地天然氣的勘探開發(fā)步伐及增儲(chǔ)上產(chǎn)都具有重要的理論意義與實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值.1巖石學(xué)成分的性質(zhì)對(duì)巖石學(xué)組成的特征和原始性質(zhì)的影響1.1巖石學(xué)和古生界盒8砂巖中碎屑鋯石的LA-ICP-MS微區(qū)U-Pb同位素峰期年齡(2000~1800Ma、2450~2350Ma、400~300Ma)及次峰期年齡(2300~2100Ma)(圖1),與前人揭示的陰山地塊東部集寧地區(qū)孔茲巖系碎屑鋯石的2060Ma、1940Ma和1890Ma3期峰值年齡(Xiaoetal.,2006),西部烏拉山地區(qū)孔茲巖系碎屑鋯石的3個(gè)峰期年齡2200Ma、2000Ma和1800Ma(吳昌華等,2006),以及早元古界TTG片麻巖、麻粒巖和片麻狀花崗巖的形成年齡(1800~2500Ma),古生界花崗巖及火山巖的年齡(300~400Ma)(邵濟(jì)安,1991;陳斌等,2001)可基本對(duì)應(yīng).盒8砂巖中出現(xiàn)的少量太古代古老巖石年齡(3690±35Ma),與華北克拉通東部陸塊發(fā)現(xiàn)的>3.3Ga的變質(zhì)巖系的巖石年齡(Gaoetal.,2004)接近,也與華北克拉通其他地方發(fā)現(xiàn)的>3.3Ga的變質(zhì)巖系的巖石年齡(Zhaietal.,2000)相似.結(jié)合前期對(duì)盒8段與山1段砂巖的重礦物組合、骨架礦物成分及其平面分布規(guī)律等研究成果(羅靜蘭等,2010),鄂爾多斯盆地北部上古生界沉積物源主要來(lái)自:陰山地塊元古界孔茲巖、TTG片麻巖與片麻狀花崗巖,陰山地塊泥盆紀(jì)-石炭紀(jì)火山-巖漿活動(dòng)產(chǎn)物,華北地塊太古代古老變質(zhì)巖系.1.2巖石學(xué)組分分布規(guī)律根據(jù)碎屑組分特征,盒8砂巖可分為石英砂巖、巖屑石英砂巖、高塑性巖屑(塑性巖屑含量>15%)砂巖、鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖(碳酸鹽膠結(jié)物含量>15%)4種砂巖類型.其碎屑成分、巖屑類型存在較明顯的差別(圖2).石英砂巖以高石英(平均78.3%)、低巖屑(平均5.1%)為特點(diǎn);高塑性巖屑砂巖的特點(diǎn)是高巖屑(平均27.5%),較低石英(平均60.8%)含量;巖屑石英砂巖中石英含量(平均67.9%)與巖屑含量(15.0%)介于上述兩類砂巖之間;鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖中石英含量最低(平均52.1%),巖屑含量(平均17.9%)中等.砂巖類型與巖石學(xué)組分在平面上顯示出一定分布規(guī)律:研究區(qū)西部主要為石英砂巖、淺變質(zhì)巖+石英巖巖屑、重礦物鋯石集中分布區(qū);中部為巖屑砂巖與巖屑石英砂巖混合分布地帶;東部主要為巖屑砂巖分布區(qū)(羅靜蘭等,2010).巖屑石英砂巖分布區(qū)以淺變質(zhì)+石英巖+火山巖+沉積巖巖屑組合、磁鐵礦+褐鐵礦+白鈦礦重礦物組合為主;巖屑砂巖分布區(qū)主要為淺變質(zhì)巖+火山巖巖屑組合、磁鐵礦+褐鐵礦+白鈦礦+鋯石重礦物組合.自北而南,由東向西,砂巖中的石英含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),巖屑含量則逐漸降低.由源區(qū)母巖性質(zhì)與砂巖的巖石學(xué)組成平面分布特征可以推斷,石英砂巖的物源主要受陰山地塊早元古代富含石英與石英巖的孔茲巖帶(或孔茲巖帶所在的物源區(qū))以及TTG片麻巖與片麻狀花崗巖的控制;巖屑砂巖除受到孔茲巖帶、TTG片麻巖與片麻狀花崗巖的影響外,來(lái)自陰山地塊的太古界古老變質(zhì)巖與泥盆系-石炭系花崗巖及火山巖對(duì)其,特別是研究區(qū)東部高塑性巖屑砂巖的物質(zhì)組成,也產(chǎn)生了較大影響;巖屑石英砂巖的物源同時(shí)受到與石英砂巖和巖屑砂巖相同物源的控制.1.3巖屑石英砂巖相似樣品結(jié)構(gòu),樣品含量為母巖性質(zhì)決定了砂巖類型、原始礦物組合特征及砂巖的原始物性特征.計(jì)算結(jié)果表明,盒8段石英砂巖的原始孔隙度最高(在33.0%~36.4%之間,平均35.1%,44塊樣品);巖屑石英砂巖次之(在29.8%~36.4%之間,平均34.0%,135塊樣品);巖屑砂巖的原始孔隙度較低(在31.6%~36.4%之間,平均33.6%,84塊樣品),其中高塑性巖屑砂巖的原始孔隙度最低(在25.7%~35.7%之間,平均32.7%,34塊樣品).鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖的原始孔隙度在28.5%~35.8%之間,平均33.8%,7塊樣品).2砂巖孔隙演化規(guī)律母巖性質(zhì)同時(shí)影響砂巖成巖作用過(guò)程與成巖產(chǎn)物的類型.不同的砂巖類型及其巖石學(xué)特征在成巖作用過(guò)程中發(fā)生的變化不同,膠結(jié)物成分及產(chǎn)狀存在差異,因而對(duì)砂巖的孔隙演化有不同的影響,進(jìn)而決定了孔隙發(fā)育狀況、孔隙結(jié)構(gòu)特征及儲(chǔ)集性能的優(yōu)劣.2.1壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層塑性巖屑的影響對(duì)盒8段砂巖的成巖演化過(guò)程研究顯示,高塑性巖屑砂巖的主要成巖作用事件發(fā)生在早成巖作用階段(圖3).高含量的塑性巖屑(平均17.9%)受早期成巖階段壓實(shí)作用的影響發(fā)生塑性變形、吸水膨脹及與假雜基化(圖4a),凝灰質(zhì)雜基的蝕變產(chǎn)物(圖4b)使大量粒間孔與喉道堵塞.砂巖中的塑性巖屑含量與孔隙度、特別是滲透率呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5),當(dāng)砂巖不發(fā)育微裂縫時(shí),孔隙度>10%、滲透率>1mD的砂巖其塑性巖屑含量普遍小于10%.巖屑砂巖與高塑性巖屑砂巖由壓實(shí)作用造成的平均孔隙喪失分別為18.3%和22.8%,高塑性巖屑砂巖經(jīng)歷早成巖階段后,孔隙基本喪失或喪失殆盡,成為低孔低滲儲(chǔ)層,部分甚至成為致密儲(chǔ)層.2.2膠結(jié)充填巖孔隙結(jié)構(gòu)薄片鑒定與統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:盒8段各砂巖類型中膠結(jié)物類型及其含量存在一定差異.高塑性巖屑砂巖由于主要受壓實(shí)作用影響孔隙迅速減少,后期膠結(jié)作用及其產(chǎn)物的量(10.0%)受到限制,膠結(jié)物以伊利石(4.9%)為主,少量高嶺石(1.6%)、硅質(zhì)(1.4)、碳酸鹽(1.2%)和綠泥石膜(0.8%)(圖6).由膠結(jié)作用造成的孔隙喪失率較低,平均僅為6.2%.成巖演化序列較簡(jiǎn)單:綠泥石薄膜→烴類充注Ⅰ→壓實(shí)作用→石英加大→高嶺石→烴類充注Ⅱ-伊利石(圖3).鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖以碳酸鹽膠結(jié)物為主(平均23.50%),少量伊利石(平均1.40%)、綠泥石(平均0.12%)與高嶺石(平均0.09%)(圖6).經(jīng)歷的成巖作用相對(duì)較簡(jiǎn)單,其成巖演化序列為:綠泥石薄膜→烴類充注Ⅰ→壓實(shí)作用→高嶺石→方解石Ⅰ→伊利石→構(gòu)造作用→方解石Ⅱ(圖3).鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)物可分為早期基底式(圖4d)與晚期為孔隙式(圖4e)膠結(jié)兩種類型.成巖-烴類充注演化研究以及砂巖中方解石膠結(jié)物中流體包裹體均一溫度(90~140℃)測(cè)定結(jié)果顯示,碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于中成巖階段A期,是導(dǎo)致這類砂巖低孔、低滲-致密儲(chǔ)層的主要膠結(jié)物,由膠結(jié)作用造成的孔隙喪失平均高達(dá)21.40%.經(jīng)歷中成巖階段A期之后,鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖基本成為致密的非儲(chǔ)層(其平均孔隙度4.20%,面孔率為零).這類砂巖由壓實(shí)作用造成的孔隙喪失率較低,平均12.40%.但早期碳酸鹽膠結(jié)物的存在為后期發(fā)生溶蝕作用形成次生溶孔奠定了物質(zhì)基礎(chǔ).石英砂巖與巖屑石英砂巖經(jīng)歷了較復(fù)雜的多期成巖作用過(guò)程,其中,石英砂巖的成巖演化序列為:綠泥石膜Ⅰ→烴類充注Ⅰ→壓實(shí)作用→石英加大Ⅰ→綠泥石膜Ⅱ→石英加大Ⅱ→高嶺石Ⅰ→伊/蒙混層→溶蝕Ⅰ→烴類充注Ⅱ→高嶺石Ⅱ→微晶硅質(zhì)→伊利石→構(gòu)造作用→方解石→溶蝕Ⅱ→烴類充注Ⅲ(圖3).膠結(jié)物(15.20%)主要為硅質(zhì)(6.40%)、高嶺石(4.20%)與伊利石(2.90%),由膠結(jié)作用造成的平均孔隙喪失為15.00%;巖屑質(zhì)石英砂巖的膠結(jié)物(12.60%)成分相對(duì)較復(fù)雜,包括伊利石(5.20%)、硅質(zhì)(2.90%)、高嶺石(2.40%)、綠泥石膜(1.10%)、碳酸鹽(1.00%).巖屑石英砂巖由膠結(jié)作用造成的平均孔隙喪失為15.40%,其成巖演化序列如下:綠泥石膜Ⅰ→烴類充注Ⅰ→壓實(shí)作用→石英加大Ⅰ→綠泥石膜Ⅱ→高嶺石Ⅰ→伊/蒙混層→溶蝕Ⅰ→烴類充注Ⅱ→高嶺石Ⅱ→伊利石→構(gòu)造作用→方解石→溶蝕Ⅱ→烴類充注Ⅲ(圖3).石英砂巖中較發(fā)育的石英次生加大與粒間微晶硅質(zhì)(圖4f,圖4g,圖6)使部分粒間孔損失,但石英加大邊對(duì)骨架顆粒的支撐抑制了壓實(shí)作用的程度,對(duì)原生粒間孔起一定保護(hù)作用.其中的粒間高嶺石膠結(jié)物(圖4h,圖4i)提高了砂巖的抗壓性能,并在深埋藏階段向地開石轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成晶間微孔隙(圖4h)或在溶蝕作用過(guò)程中形成大量晶間微溶孔(圖4i).巖屑砂巖與巖屑石英砂巖中伊利石+伊/蒙混層粘土礦物與凝灰質(zhì)填隙物(圖4b,圖4h,圖4k,圖4l)含量(平均分別為5.80%和7.00%)較高,是造成砂巖孔、滲降低的主要膠結(jié)物之一.但隨埋深與地溫的增加、流體介質(zhì)條件的改變,蒙脫石可依次向伊/蒙混層→伊利石→埃洛石轉(zhuǎn)變.這些黏土礦物中存在大量晶間微孔隙與微裂縫,各砂巖中微孔隙含量與粘土礦物含量成正比,巖屑石英砂巖、高塑性巖屑砂巖、石英砂巖中的微孔隙平均分別為8.50%、7.80%、5.8%.盒8段各砂巖粘土礦物與凝灰質(zhì)填隙物中存在多種晶間微孔與微溶孔(圖4b,圖4h~圖4l),是天然氣十分重要的儲(chǔ)集空間.3儲(chǔ)集最佳配方的確定成巖作用的類型及其強(qiáng)度控制砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征.各砂巖的成巖演化過(guò)程的差異決定了其孔隙發(fā)育狀況、孔隙結(jié)構(gòu)特征及儲(chǔ)集性能的優(yōu)劣,最終導(dǎo)致各砂巖的儲(chǔ)集性能存在差異.3.1巖屑質(zhì)石英砂巖鑄體薄片鏡下統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,石英砂巖的平均面孔率(3.70%)高于巖屑石英砂巖(2.00%)和高塑性巖屑砂巖(1.50%).鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖的面孔率幾乎為零(圖7).石英砂巖以黏土礦物晶間微孔(5.80%)和次生溶孔(2.40%)為主,少量原生粒間孔(1.10%);巖屑質(zhì)石英砂巖以黏土礦物晶間微孔(8.50%)為主,其次是次生溶孔(1.80%);高塑性巖屑砂巖以黏土礦物晶間微孔(7.80%)為主,其次是次生溶孔(1.40%).實(shí)測(cè)孔隙度以巖屑石英砂巖最高(平均10.50%),其次是巖屑砂巖(平均9.50%)與石英砂巖(平均9.50%).實(shí)測(cè)滲透率則以石英砂巖的滲透率最高(平均為2.66mD),其次是巖屑石英砂巖(平均為0.77mD),高塑性巖屑砂巖的滲透率最低(平均0.39mD).3.2有效喉道密度與儲(chǔ)集物性的關(guān)系對(duì)于致密砂巖而言,滲透率是衡量?jī)?chǔ)集性能的主要參數(shù),而滲透率主要受與成巖演化過(guò)程密切相關(guān)的孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響.盒8砂巖的滲透率與毛細(xì)管壓力主要孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系表明,門檻壓力、中值壓力、孔喉均值系數(shù)與滲透率呈明顯的負(fù)相關(guān)性;孔喉中值半徑、變異系數(shù)與滲透率呈較明顯的正相關(guān)性(圖8).表明盒8砂巖的滲透率和儲(chǔ)集性能主要與最大孔喉與平均孔喉大小及其連通性(即最大有效孔喉與平均有效孔喉大小)密切相關(guān),砂巖的孔喉越大,其間的連通性越好,滲透率與儲(chǔ)集性能越好;滲透率和儲(chǔ)集性能好的砂巖,其孔喉大小的分選性較差,孔喉大小分布不均勻(即均值系數(shù)小、變異系數(shù)大).恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,盒8段砂巖的孔隙度、特別是滲透率主要取決于:(1)有效孔隙、特別是有效喉道的大小;(2)有效孔隙與有效喉道數(shù)量與體積.盒8段各砂巖的主要孔隙區(qū)間(90~200μm)相差無(wú)幾,大部分屬于中-大孔隙,但各砂巖主峰喉道分布區(qū)間較寬(0.5~20.0μm,細(xì)-粗喉道).總體上,孔隙度與滲透率較高的砂巖(以石英砂巖為主,少量巖屑石英砂巖)其喉道略粗,分布區(qū)間較寬(0.5~20.0μm),即分選性較差;孔隙度與滲透率較低砂巖(巖屑砂巖和部分巖屑石英砂巖)的喉道半徑峰值較小,但分布較集中(0.5~3.0μm),即分選性較好.說(shuō)明孔喉分選性較好的砂巖其孔隙、特別是喉道較細(xì),孔喉之間的連通性較差,部分孔隙成為無(wú)效孔隙,從而影響了砂巖的滲透性與儲(chǔ)集能力.圖8同時(shí)顯示出砂巖的粒度越粗其滲透率越高,表明砂巖的儲(chǔ)集物性也受沉積時(shí)水動(dòng)力條件的影響.因?yàn)槌练e時(shí)的水動(dòng)力條件越強(qiáng),砂巖的粒度越粗,碎屑顆粒間的細(xì)粒雜基含量越低,原始孔隙結(jié)構(gòu)較好,其在成巖演化過(guò)程中孔隙流體易與外界溝通成為相對(duì)開放的成巖環(huán)境而使其中的流體易于排出,從而在砂巖中形成較多連通的粒間孔隙,提高了砂巖的滲透性能.致密砂巖的滲透率是決定其產(chǎn)能的主要指標(biāo),一般滲透率高的砂巖其產(chǎn)能也高.試氣試采結(jié)果顯示,以石英砂巖的含氣性最好(圖9),55個(gè)試氣試采層中:工業(yè)氣流(>2×104m3/d)層占60.7%,低產(chǎn)(0.5~2.0)×104m3/d層占28.6%,干層(<0.5×104m3/d)占8.9%;其次是巖屑石英砂巖(圖9),214個(gè)試氣試采層中:工業(yè)氣流層占21.0%,低產(chǎn)層占32.2%,干層占23.4%;高塑性巖屑砂巖的產(chǎn)能較低(圖9),33個(gè)試氣試采層中:工業(yè)氣流層占22.2%,低產(chǎn)層占28.3%,干層占69.4%;鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖基本不含氣,17個(gè)試氣試采層中:工業(yè)氣流層與低產(chǎn)層均占5.9%,干層占88.2%)(圖9).成巖演化最終形成不同的成巖相帶.研究顯示,盒8段砂巖成巖相的縱向疊置和配套關(guān)系直接影響天然氣的產(chǎn)能.有利的成巖相帶、成巖圈閉蓋層的形成、天然氣運(yùn)移的輸導(dǎo)層或優(yōu)勢(shì)通道的空間配置與組合是形成高產(chǎn)天然氣藏的關(guān)鍵.目前已發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)氣流井縱向上均顯示出:下部為微裂縫發(fā)育或各種孔隙發(fā)育并且彼此連通較好的良好輸導(dǎo)層,中部為儲(chǔ)集性能有利的成巖相帶,頂部多為鈣質(zhì)膠結(jié)等成巖致密圈閉蓋層.4膠結(jié)作用及儲(chǔ)集特征(1)盒8段致密砂巖類型、巖石學(xué)組分與原始物性特征受源區(qū)母巖性質(zhì)的控制.石英砂巖主要受陰山地塊元古界富含石英與石英巖的孔茲巖系、TTG片麻巖與片麻狀花崗巖母巖的控制,其原始孔隙度最高;巖屑砂巖除受上述母巖影響外,來(lái)自陰山地塊太古界古老變質(zhì)巖與泥盆系-石炭系花崗巖及火山巖對(duì)其、特別是研究區(qū)東部高塑性巖屑砂巖的物質(zhì)組分產(chǎn)生了較大影響,巖屑砂巖、特別是高塑性巖屑砂巖的原始孔隙度最低;巖屑石英砂巖同時(shí)受與石英砂巖和巖屑砂巖相同物源母巖的共同控制,其原始孔隙度介于石英砂巖與巖屑砂巖之間.(2)高塑性巖屑砂巖經(jīng)歷早成巖階段壓實(shí)作用(導(dǎo)致高達(dá)22.80%的孔隙喪失)孔隙迅速減少,大部分成為低孔低滲、部分成為致密儲(chǔ)層,后期膠結(jié)作用