马朗凹陷沉凝灰岩致密储集层特征及主控因素

2015-02-17司学强刘书强姚梦多

特种油气藏 2015年6期

关键词：储集层凝灰岩火山灰

陈旋，司学强，刘书强，王鑫，姚梦多

(1.中国石油吐哈油田分公司，新疆哈密 839009；2.中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 310023)

马朗凹陷沉凝灰岩致密储集层特征及主控因素

陈旋1，司学强2，刘书强1，王鑫2，姚梦多1

(1.中国石油吐哈油田分公司，新疆哈密 839009；2.中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 310023)

马朗凹陷条湖组发育沉凝灰岩致密油储集层，基于电子探针、X衍射、CT扫描及压汞数据等实验分析，开展致密油储集层岩性、物性、储集空间和孔隙结构等方面的研究。研究表明，储集体岩性为中酸性晶屑玻屑沉凝灰岩，具有中高孔、特低渗和高含油饱和度的特征，脱玻化微孔和晶屑溶蚀微孔是主要的储集空间，纳米级喉道发育。水体安静的浅湖—半深湖区是该套沉凝灰岩形成的有利环境，中酸性的火山灰和空降成因的沉积方式是优质储集层形成的内在控制因素，后期的脱玻化和溶蚀作用有效地改善了储集空间。储层反演结果表明，Ma15井东南和Ma702井所在区块储集层厚度大，是下一步区域扩展的有利区带。

致密油；沉凝灰岩；储集层特征；主控因素；马朗凹陷

0 引言

致密油是指以吸附或游离状态赋存于生油岩中，或与生油岩互层，紧邻致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩，未经过大规模长距离运移的石油聚集[1]。目前，致密油已经成为国内外油气勘探的热点[2-6]，美国已经成功进行了致密油的商业化开采[7]。中国致密油勘探起步晚，总体勘探程度与地质认识程度低。随着勘探的深入，已证实鄂尔多斯盆地三叠系延长组致密砂岩、松辽盆地白垩系青山口组粉细砂岩等储集层中蕴含丰富的致密油资源[4-6]。储集层岩性粒度细和储集层致密是致密储集层区别于常规储集层的重要特征[1，4-6]，已发现的致密储集层岩性主要为细砂岩、白云岩、云质岩及泥灰岩等，而沉火山碎屑岩作为致密油储集层的论述鲜见。

2012年，三塘湖盆地马朗凹陷的M55井在中二叠统条湖组火山碎屑岩储集层中试油压裂获得12.7 t/d的工业油流，之后相继在M56、M706H等井相同层位获得突破，分析认为，油藏为一套分布广泛、受岩性和物性控制的致密油藏。开展该油藏储集层岩性、物性、储集空间、孔隙结构以及有效储集层主控因素的研究，对该区的勘探具有一定的指导意义，同时也对丰富致密油储集层类型、表征致密油储集层特征有一定的理论和实践意义。

1 研究区概况

三塘湖盆地位于新疆东北部的巴里坤哈萨克自治县与伊吾县，呈NW—SE向条带状夹持于莫钦乌拉山与苏海图山之间。盆地西临准噶尔盆地，南临吐哈盆地，东北部与蒙古国接壤。经历了海西期、燕山期及喜马拉雅期构造运动，分为北部冲断隆起带、中央坳陷带和南缘逆冲推覆带3个一级构造单元，马朗凹陷属于中央坳陷带的次一级构造单元，沉积地层自下而上包括石炭系、二叠系、三叠系—第四系等，其中二叠系分为芦草沟组和条湖组。条湖组沉积时期，受印支运动影响，发育一套富含火山岩的湖相沉积。凹陷内条湖组地层南厚北薄，自下而上分为3段，一段、三段是一套以喷溢相为主的火山岩，二段是一套火山间歇期湖相沉积，下部发育一套约20 m厚的沉凝灰岩。目前，钻遇条湖组沉凝灰岩的M55、Lu1和M58H等多口探井在沉凝灰岩层段获得高产工业油流，展现了条湖组沉凝灰岩致密油良好的勘探前景，已成为三塘湖盆地油气勘探的重要接替领域。

2 储集层特征

选取Lu1、Ma15、M55等9口井198块样品，应用扫描电子显微镜、电子探针、X衍射、激光共聚焦显微镜和CT扫描等分析方法，结合压汞实验数据，系统开展沉凝灰岩致密油储集层的岩石学特征、孔隙结构和物性特征研究。

2.1 储集层岩石学特征

岩心观察显示，岩石中碎屑颗粒细小，具波状层理，含油级别以油迹—油斑为主，部分为油浸级别(图1a)，颜色为灰色、深灰色。铸体薄片镜下显示大部分颗粒粒级细，单偏光下呈无色透明，正交偏光下颗粒呈麻点状，颗粒直径一般小于15 μm，少量可达50 μm左右，极细的颗粒占总组分的85%左右，无法有效确定其成分。此外，可见少量相对较大的颗粒，主要为长石晶屑，以钠长石晶屑为主，其次为钾长石晶屑，晶屑直径为20～200 μm，占总组分的5%，同时可见长条状生物碎屑(图1b)。针对铸体薄片镜下无法确定成分的细颗粒，应用扫描电镜分析，显示颗粒直径为1～16 μm，形状不规则，可见石英、长石的隐晶或微晶，分析认为该生物碎屑由长英质玻屑脱玻化作用产生(图1c)，化学元素主要为O和Si，其次为Al、Na和K，此外包含微量的Mg、Fe和Ca等，为中酸性长英质玻屑。

图1 马朗凹陷条湖组岩心及显微照片

通过对7口井94块岩石样品进行全岩X衍射分析。结果表明，矿物组成主要为石英和长石，石英含量为30%～75%，长石含量为20%～60%，石英+长石含量为70%～98%，此外，含有少量的碳酸盐矿物，黏土矿物含量极少。综合以上研究，确定该类沉凝灰岩为中酸性晶屑玻屑沉凝灰岩，铸体薄片镜下可见到内碎屑、碳酸盐矿物充填的泄水缝以及粒序层理等水下沉积特征(图1d～f)，结合岩心特征，推测该套沉凝灰岩为以玻屑为主的火山灰，经空中漂移后降落，在水下沉积而成。

2.2 储集层物性特征

国内外不同的机构和学者对致密油做过定义[8-9]，主要强调致密油储集层的渗透性极低，并没有对致密油储集层的孔隙度进行描述，而众多研究表明，致密油储集层孔隙度一般小于10%，渗透率小于1×10-3μm2[10-11]。对该层段7口井191个样品的孔隙度、渗透率及含油饱和度进行测定(表1)，条湖组沉凝灰岩致密油储集层的孔隙度为7.07%～19.13%，孔隙度大于18%的占46.3%以上，大于14%的占68.3%左右，大于6%的占97.2%，说明沉凝灰岩储集层具有中高孔隙度的特征；各井渗透率平均值均较低，普遍小于0.50×10-3μm2，小于0.10×10-3μm2的占66.8%左右，小于0.05×10-3μm2的占58.0%左右，具有特低渗的特征，含油饱和度为36.10%～87.58%。由此看出，该储集层孔隙度和含油饱和度具有正相关关系。总之，该储集层表现为中高孔、特低渗、高含油饱和度的特征。

表1 马朗凹陷条湖组致密油储集层物性及含油饱和度统计

2.3 储集层孔隙结构特征

选取6口井85块样品，应用扫描电镜、激光共聚焦显微镜和CT扫描等实验方法，结合压汞分析数据，确定该套储集层主要发育火山灰粒间微孔、脱玻化微孔及晶屑溶蚀微孔3类微孔隙及微缝。

火山灰粒间微孔属于原生微孔，是火山灰颗粒沉积后在颗粒间形成的微孔，由于一定体积内火山灰颗粒数量非常多，粒间孔数量也较多，直径普遍小于10 μm(图2a)；脱玻化微孔是玻屑发生脱玻化作用形成的微孔隙[12]。岩石学特征表明，大部分的火山灰颗粒是玻屑，极易发生脱玻化作用，原玻屑所占据的部分空间被少量转化来的石英和长石微晶充填，大部分空间未被充填，从而形成脱玻化微孔，脱玻化微孔直径为1～16 μm，镜下显示脱玻化微孔数量较多，直径大于火山灰粒间微孔，是该区储集层中最主要的微孔类型；晶屑溶蚀微孔是指火山灰颗粒里的晶屑发生溶蚀后形成的微孔，微孔大小取决于晶屑的大小和晶屑的溶蚀程度(图2b)，镜下显示，晶屑溶蚀微孔直径大小为14～60 μm，该类微孔直径大于火山灰粒间微孔和脱玻化微孔，但数量较少；微缝是指火山灰中的玻屑边缘发生脱玻化作用，使得相邻2个颗粒体积缩小，从而在玻屑之间形成了收缩性的微缝，也称为成岩微缝，这种微缝直径大小一般小于10 μm(图2c)。

通过对Ma15井的样品进行CT扫描显示，储集层中微孔隙数量大，且分布均匀(图2d)，孔隙半径为0.403～13.130 μm，平均为2.554 μm，受CT扫描分辨率的限制(仪器的分辨率为0.600 μm)，实际孔径应更小。Ma15井压汞数据分析，孔喉半径中值平均为0.05 μm，孔喉半径为0.05～0.10 μm，具有纳米级喉道的特征，进汞曲线形态为细歪度，孔隙分选好。综合评价认为，该套储集层具有孔隙小、数量多、分布均匀和喉道细小的特征。

图2 马朗凹陷条湖组储集层孔隙结构微观照片

3 沉凝灰岩致密油储集层主控因素

3.1 沉凝灰岩的成分是形成储集层的关键

岩石学研究认为，条湖组沉凝灰岩是以中酸性晶屑玻屑为主的火山灰颗粒经一定距离空中漂移后，降落在安静的水体中形成的，其成分是形成优质致密油储集层的关键因素。

中酸性火山喷发有利于形成富Si、K、Na、Fe、Mg的玻屑及长石晶屑等细粒火山灰物质，中酸性的玻屑为刚性颗粒，其化学成分主要为SiO2，随玻屑含量增加，岩石的刚性程度增加，抗压能力增强，储集层脆性增强[13]，颗粒质点间孔隙保存机会增加，同时在后期的脱玻化过程中易于向石英转化，岩石脆性指数与储集层物性呈较好的正相关关系。长石晶屑或颗粒为脆性成分，虽受压易碎但不变形，在上覆地层压力未达到其破裂压力之前，对储集层起支撑作用，但由于长石质成分易溶蚀，镜下均可见长石晶屑溶蚀的现象，利于颗粒溶蚀孔隙的形成。此外，沉凝灰岩中含少量塑性的黏土，受压易变形，含量越多，对储集层孔隙保存越不利。研究认为，其含量与物性呈负相关关系，说明成分对储集层物性影响较大。

3.2 火山灰空降和安静水体保存是储集层连续稳定分布的基础

火山灰颗粒经空中漂移后直接落入水体中，避免了风化搬运可能造成的成分流失，由于火山灰颗粒极细，以粉砂级、泥级为主，在陆源输入及水动力较强的滨湖地带不易保存，不利于形成连续稳定分布的储集层。目前发现的沉凝灰岩普遍发育波状层理或粒序层理，证实了其形成时期水动力较弱。此外，岩心中有泥质纹层、方解石充填的泄水构造和生物碎屑，进一步说明了沉凝灰岩沉积时期陆源碎屑影响较小[14]。分析认为，有效的沉凝灰岩致密油储集层的形成环境为浅湖—半深湖。同时，由于马朗凹陷条湖组沉积时期，坡度相对较缓的凹陷北部浅湖—半深湖区域发育多个局部低洼部位，也为大面积连续性沉凝灰岩致密油储集层的形成和保存提供了有利场所。

3.3 脱玻化作用和溶蚀作用是储集层微储集空间形成的主要因素

孔隙结构研究表明，条湖组沉凝灰岩致密油储集层发育火山灰粒间微孔、脱玻化微孔及晶屑溶蚀微孔3类微孔隙及微缝，其中脱玻化微孔是主要的储集空间，其次是晶屑溶蚀微孔。

玻屑是极不稳定组分，受时间、温度和压力等因素的影响，容易发生蚀变，一部分成分随孔隙水流失，剩余组分发生重组[15]。当玻屑中Mg、Fe含量高时，玻屑易于向绿泥石转化；而当Si、Na、K含量高时，玻屑易于向石英和长石转化，特别是在酸性成岩环境下，可同时形成石英和长石微晶[16]。扫描电镜和电子探针分析表明，条湖组的沉凝灰岩呈中酸性，长英质含量高，玻屑脱玻化常形成碱性长石(钾长石、钠长石)、石英微晶及少量绿泥石黏土矿物，同时由于体积变小，释放出大量的微孔隙。条湖组沉积时期，湖盆中有机质丰富，沉凝灰岩层段的上部和下部均发育富有机质的泥岩，且已处于低成熟至中成熟阶段，在热演化过程中释放出的有机酸对玻屑、长石质晶屑及早期脱玻化形成的长石进行溶蚀，形成次生溶蚀孔隙，最终形成了中高孔、特低渗和高含油饱和度的致密油储集层。

4 勘探潜力评价

综合钻测井、分析化验资料及三维地震解释成果，精细恢复条湖组二段沉积期古构造图，同时结合试油资料，采用Jason软件的多井约束条件下的约束稀疏脉冲反演，系统开展马朗凹陷条湖组沉凝灰岩储集层反演预测(图3)。结果可以看出，沉凝灰岩储集层厚度较大的区域主要分布在凹陷北部斜坡，厚度普遍大于20 m，具有连片的趋势，目前已发现的沉凝灰岩油藏主要位于该区域，钻探的M56、Lu1等井已经获得成功，从反演效果看，Ma15井东南和Ma702井所在区块沉凝灰岩厚度较大，且该区带均处于浅湖—半深湖沉积，是有利勘探区带。