柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段储层微观孔隙结构特征

2023-01-18夏青松杨朝屹聂俊杰朱云舫李立芳

岩性油气藏 2023年1期

夏青松，陆江，杨鹏，张昆，杨朝屹，聂俊杰，朱云舫，李立芳

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东湛江 524000）

0 引言

中国是一个以陆相生油为主的国家，湖相碳酸盐岩的分布较为广泛［1］，最早的湖相碳酸盐岩沉积始于二叠纪，特提斯洋海水从中国北方开始退出，形成了著名的“南海北陆”的地质格局。准噶尔盆地和三塘湖盆地等在挤压构造背景下，在其前陆坳陷区沉积了一套半深湖—深湖相混积碳酸盐岩［2］，岩石成分以泥晶碳酸盐、细粒陆源碎屑、泥质组分和各种盐类矿物为主，为半封闭-半开放的咸水湖沉积环境［3］。二叠系风城组［4］和芦草沟组［5-7］均发育典型的“自生自储”型湖相致密碳酸盐岩油气藏，这2套地层因物性较差、含油性好，通常被定义为致密油储层，部分泥质含量较高的层段也可能被定义为页岩油。中三叠世—晚三叠世，印支运动造成中国南方发生大规模海退，使得南北陆地连成一片，陆地内部发育多个湖盆，如鄂尔多斯盆地三叠系延长组［1］。侏罗纪—白垩纪，松辽盆地、四川盆地和银额盆地等湖相碳酸盐岩沉积较为广泛，沉降背景使得其厚度较大，微生物繁盛，有机质大多得以保存，富含油气资源，这些盆地均获得了较好的油气勘探实效，如四川盆地侏罗系大安寨段［8］、松辽盆地白垩系青山口组［9］、银额盆地白垩系泥质云岩和云质泥岩［10］等。古近纪，中国湖相碳酸盐岩的沉积达到鼎盛时期，分布极为广泛，其中最典型的是柴达木盆地西部坳陷渐新统混积岩［11］，获得亿吨级储量规模。柴西坳陷渐新统为伸展构造背景下的凹陷区沉积，至中新世，伸展背景逐渐反转为走滑挤压背景，此时形成的英雄岭构造带为油气聚集和成藏提供了有利场所［12］，具有较大的勘探潜力。袁剑英等［13-14］提出“柴西坳陷区渐新统下干柴沟组上段为咸化湖盆沉积，极易发育岩性油气藏”的观点，并认为其主要储集层为相对优质的混积白云岩。黄成刚等［15］认为柴达木盆地英西地区油气藏为“自生自储”型油气藏，其储集层和烃源岩的形成与沉积时的咸化环境紧密相关，并提出勘探部署的重点不再是钻探构造高部位，对于“满凹含油、井井见油”的英西地区应重点关注油气富集规律和盖层的有效性研究。

英西地区位于柴西坳陷英雄岭构造带西部，20世纪七八十年代，青海油田在该地区开始部署探井，曾在下干柴沟组上段（E32）获得工业油流，但后续勘探成效不佳。以往研究认为，该地区位于湖相沉积中心，可能缺乏有效储集层，且晚期构造活动频繁，可能对原生油气藏的破坏较大。近年来，柴达木盆地英西地区油气勘探取得了重大进展，在其下干柴沟组上段页岩中持续获得油气发现，高产井的日产油气当量超过千吨，预测储量规模已达数亿吨。李国欣等［16］通过研究认为，该区储集岩主要为富有机质纹层状页岩与灰质白云岩高频互层，具有源储一体、甜点厚度大、含油级别高、盐间与盐下压力系数高、地层能量充足等特征。结合下干柴沟组上段烃源岩厚度、烃源岩面积、油层累计厚度和游离烃含量等参数，估算英西地区页岩油资源量达到21×108t，有利勘探面积约800 km2。在平面分布特征上，油气富集区域与构造高点并不完全吻合；纵向上产油层位也存在较大差异，英西地区稳产、高产油气井的分布与储集空间和孔隙结构密切相关［17-18］，但这些湖相细粒沉积岩的非均质性强，矿物成分复杂，其孔隙结构方面的研究尚不够深入。在微观岩石学、结构学特征研究的基础上，利用核磁共振、高压压汞、铸体薄片等分析资料，探讨英西地区下干柴沟组上段特殊咸化环境下湖相碳酸盐岩的孔隙类型和孔隙结构特征及其对油气稳产、高产的影响，以期为陆相非常规油气勘探提供技术支持。

1 地质概况

柴达木盆地位于青藏高原北部，夹于祁连山、阿尔金山和昆仑山之间，呈不规则菱形。自新生代以来，盆地在青藏高原隆升背景下，海拔逐渐变高，气候干寒，周边盐源供给充足且湖盆封闭，形成了典型的高原咸化湖盆。盆地可划分为北缘块断带、西部坳陷区和东部坳陷区等3 个一级构造单元。英西地区位于西部坳陷区英雄岭构造带，西部坳陷区在下干柴沟组下段沉积期开始湖侵，至下干柴沟组上段沉积时期，湖平面范围达到最大，沉积水体最深，全盆地均接受沉积，英西地区为湖相沉积中心（图1a），发育一套混积的暗色碳酸盐岩和泥页岩，为相对最优质的烃源岩，生成的油气可沿断裂运移至上覆地层，也可原地滞留形成致密油藏。研究区古近系自下而上发育有路乐河组、下干柴沟组下段和下干柴沟组上段（E32）。目的层下干柴沟组上段为整个西部坳陷的主力生烃层段，岩性整体上粒度较小，岩石矿物组成较为复杂，主要包括碳酸盐和泥质，含细粒的陆源碎屑和各种盐类矿物，现今埋藏普遍较深，多为3 500～4 500 m，储层较为致密。以往研究将渐新统下干柴沟组上段自上而下进一步细分为Ⅰ—Ⅵ共6 个油层组［19］，在全区具有较好的对比性，其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ属于“盐间”油层组，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ属于“盐下”油层组（图1b）。

图1 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段沉积相展布（a）与岩性地层综合柱状图（b）（据文献［19］修改）Fig.1 Sedimentary facies distribution（a）and stratigraphic column（b）of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin

2 岩石学特征

英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石整体较为致密，层理和微裂缝发育（图2）。储层样品的X 射线衍射分析结果显示：①储集层的矿物成分以碳酸盐、陆源碎屑和黏土矿物为主（表1）；②碳酸盐矿物质量分数一般为40.00%～70.00%，平均为44.19%，以白云石和铁白云石为主；③陆源碎屑矿物质量分数一般为20.00%～35.00%，平均为23.62%，其中长石质量分数平均为12.32%，且以斜长石为主，平均质量分数为10.58%，而钾长石含量较低，平均质量分数约为1.74%，石英平均质量分数为12.36%，长石和石英多为粉砂级颗粒，呈条带状或分散状分布，陆源碎屑矿物含量低于北美Marellus 页岩和中国南方海相页岩（质量分数为30%～60%）；④黏土矿物质量分数一般为15.00%～25.00%，平均为16.71%，低于海相页岩中黏土矿物含量，与物源供给息息相关。黏土矿物中以伊蒙混层含量最高（平均质量分数为45.31%），其次为伊利石（平均质量分数为43.68%），含有少量绿泥石（平均质量分数为10.71%），几乎不含高岭石、绿蒙混层。

图2 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石学特征Fig.2 Petrology characteristics of E3 2in Yingxi area，Qaidam Basin

表1 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石的矿物组成Table 1 Whole rock mineral composition of E32in Yingxi area，Qaidam Basin %

细粒沉积岩岩石类型组合复杂，针对陆相湖盆细粒沉积岩进行岩相划分方案应遵循的原则是：①要体现细粒沉积岩的矿物组成；②要反映细粒沉积岩的宏观与微观沉积构造多样性，以便于开展岩相发育机制以及沉积环境的研究；③分类方案应当遵循易于鉴定和操作的原则，在油田勘探开发实践中具有实用性［20-22］。

参考碎屑沉积岩的岩相划分方法，遵循“三级命名”原则，以细粒沉积岩的矿物组分为组分端元，将英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石划分为3种类型，即陆源碎屑岩、黏土岩和碳酸盐岩［23-24］。由于研究区目的层的岩石矿物成分过于复杂多样，因此对分类方案进行简化，同时，由于研究区内白云石和方解石虽然可以通过矿物含量以及岩性扫描测井定量或定性区分，但是受样品以及测井资料质量的限制，难以在所有钻井资料中进行区分，故为了保证实用性，此次定名不细分灰岩和白云岩，将两者含量之和纳入岩石命名，如“灰云质”或“云灰质”。

此次研究忽略相对质量分数少于20%的矿物组分，将矿物相对质量分数大于75%的岩相定为纯岩石类，将细粒沉积岩划分为四大类，分别是碳酸盐岩、黏土岩、陆源碎屑岩和混合细粒沉积岩类。相对质量分数为50%～75%的定为主名，其他矿物组分相对质量分数为20%～50%的定为“质”。结合沉积构造进行细分，将英西地区渐新统下干柴沟组上段共划分出12 种细粒沉积岩（表2）。

表2 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段细粒沉积岩类型划分Table 2 Classification of fine-grained sedimentary rocks of E3 2in Yingxi area，Qaidam Basin

3 物性特征

通过对英西地区渐新统下干柴沟组上段储集岩进行岩心观察、偏光显微镜鉴定以及场发射扫描电镜分析，得出研究区目的层岩石整体上较为致密，298 个样品的实测氦孔隙度为1.0%～14.5%，平均为4.0%；渗透率为0.011～6.146 mD，平均为0.125 mD，具有低孔特低渗特征（图3）。按照油气储层评价方法［25］中碳酸盐岩储层孔隙度、渗透率的类型划分，可将其划归为低孔、特低渗级别。由于测试孔渗过程之前需要对岩心进行钻柱取样，当钻遇裂缝较多的部位时，圆柱体容易崩塌，从而被废弃。因此，测试的物性结果可能因取样部位的问题而比实际物性偏小，尤其是渗透率可能存在数量级的差异。

图3 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段孔渗关系Fig.3 Relationship between permeability and porosity of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin

4 孔隙类型与孔隙结构

4.1 孔隙类型

根据岩石薄片鉴定结果及扫描电镜超微观分析结果，柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段孔隙类型主要为晶间孔、溶蚀孔和溶洞。①晶间孔。因其孔径小，肉眼无法识别，显微镜下可见其呈弥散状分布，扫描电镜下可见到晶间孔的完整形态，棱角分明，极为发育，部分呈三角形、锯齿状或其他不规则形状（图4）。能谱成分分析结果显示，组成晶间孔孔隙的围岩矿物为白云石，白云石晶粒直径约为0.5～2.5 μm，孔径多小于1 μm，少数组合孔的孔径可达数微米。②溶蚀孔和溶洞。156 个铸体薄片鉴定结果显示，多数样品仅发育晶间孔，蓝色孔隙（有色环氧树脂）分布广泛，但溶蚀孔洞少见。部分铸体薄片中可见晶间孔被溶蚀加大现象，仅占样品总数的3.8%，可见研究区溶蚀作用较弱。微弱的溶蚀改造作用多发生在2 个区域，一是沿裂缝溶蚀裂缝周缘矿物，形成溶蚀缝加大现象，也有学者将其单独归为第3 种孔隙类型，二是在晶间孔的孔壁发生微弱溶蚀扩大，使之成为加大晶间孔。这2 类溶蚀作用发生的前提条件是必须具有酸性流体的运移通道，且酸性流体运移通道的形成时间必须早于烃类成熟过程中有机酸的生成时间。溶洞主要是因强烈的岩溶作用对白云石内部溶蚀扩大而形成，部分孔径大于0.2 mm，后期可被渗流粉砂、膏质及白云石胶结物胶结充填，充填物在成岩过程中可再次发育微孔隙，有利于储集性能的改善。综上所述，晶间孔、溶蚀孔、溶洞和裂缝均为研究区有效的储集空间类型。

图4 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段储层孔隙类型Fig.4 Reservoir pore type of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin

4.2 孔隙形态特征

选取3 口井的10 个样品进行XRD 矿物组成分析，该地区样品的矿物组成如表3 所示。其中BJ-1 和BJ-7 号样品为纹层状粉砂质灰云岩，BJ-2号样品为纹层状泥质粉砂岩，BJ-3 和BJ-4 号样品为块状灰云岩，BJ-8 号样品为纹层状灰云岩，BJ-5和BJ-6 号样品为块状灰云质粉砂岩，BJ-9 和BJ-10号样品的黏土含量较高，BJ-9 号样品为块状灰云质泥岩，BJ-10 号样品为纹层状粉砂质泥岩（表3）。

表3 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段矿物组成及岩相特征Table 3 Mineral composition and lithofacies characteristics of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin %

利用等温吸附-脱附曲线形态可分析出储集岩的孔隙形态。发育微孔隙的岩石，在吸附试验中随着相对压力的升高，孔隙会发生毛细凝聚作用，再进行减压时孔隙会出现吸附质逐渐解吸蒸发的现象，二者并不是严格的可逆过程。岩石中每个孔隙及其连通的喉道的具体形状均不相同，同一个孔隙发生凝聚与蒸发时的相对压力有可能不同。假设发生凝聚与蒸发作用时的相对压力相同，则吸附等温线的吸附分支与解吸分支会完全重叠；假设发生凝聚与蒸发作用时的相对压力不同，则吸附等温线的吸附分支与解吸分支会分开，从而形成吸附回线［26］。

国际理论与应用化学联合会（IUPAC）把N2吸附的滞回环类型分为H1，H2，H3 和H4 型（图5），其中H2 型陡直、宽大，代表墨水瓶型的细颈广体孔隙；H3 型滞回环狭小、陡直，反映为平行板状狭缝型孔隙；H4 型滞回环吸附-脱附曲线比较平缓且接近重合，反映为单边狭缝型孔隙［27］。

图5 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段氮气吸附-脱附滞后环特征分类及其对应孔隙类型Fig.5 Classification of nitrogen adsorption-desorption hysteresis loop and corresponding pore types of E32 in Yingxi area，Qaidam Basin

英西地区渐新统下干柴沟组上段细粒碎屑岩类岩相（纹层状泥质粉砂岩、块状灰云质粉砂岩、块状灰云质泥岩、纹层状粉砂质泥岩）的氮气吸附-脱附曲线呈现出H3 型滞回环特征，说明此类岩相孔隙形态为平行狭缝型孔隙（图6）；碳酸盐类岩相（纹层状粉砂质灰云岩、块状灰云岩、纹层状灰云岩）氮气吸附-脱附曲线亦呈现出H3 型滞回环特征，说明此类岩相孔隙形态与细粒碎屑岩类岩相一致，均为平行狭缝型孔隙（图7）。

图6 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段细粒碎屑岩氮气吸附-脱附曲线Fig.6 Nitrogen adsorption-desorption curves of fine-grained clastic rocks of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin

图7 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段碳酸盐岩氮气吸附-脱附曲线Fig.7 Nitrogen adsorption-desorption curves of carbonate rocks of E3 2in Yingxi area，Qaidam Basin

4.3 孔径分布特征

近年来，由于非常规油气成为勘探开发的热点，国内外对储层孔隙结构的研究较多，尤其是低渗储层，并发展了较多定性和定量的技术方法，如气体吸附法、核磁共振以及自发渗吸等方法［28-30］。CO2和N2吸附以及高压压汞等实验技术均可表征致密储层孔隙分布特征，但上述3 种实验方法的孔径表征精度存在差异：CO2吸附实验技术可表征致密储层中孔径小于2 nm 的微孔，N2吸附实验技术可表征孔径为2～50 nm 的中孔，高压压汞实验技术可表征孔径大于50 nm 的宏孔，利用上述3 种实验技术相结合的方法，可获得致密储层全孔径分布特征［31］。

英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石样品中的微孔、中孔和宏孔均比较发育（图8），但不同样品的孔隙质量体积分布特征存在差异，具有“多峰值”特征，0.3～0.6 nm，1.5～4.0 nm 和10～70 μm 等3个峰值的出现较为普遍，由此可见微孔、中孔和宏孔均可能成为岩石中占主导地位的孔隙类型。

图8 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段全孔径孔隙质量体积特征Fig.8 Full pore volume characteristics of E3 2in Yingxi area，Qaidam Basin

从矿物成分来看，英西地区渐新统下干柴沟组上段总体上碳酸盐类岩相（BJ-3，BJ-4，BJ-7，BJ-8）中宏孔的发育情况要好于细粒碎屑岩类岩相（BJ-2，BJ-6，BJ-9，BJ-10），部分样品中宏孔极为发育。从沉积构造来看，英西地区渐新统下干柴沟组上段总体上纹层状岩相（BJ-2，BJ-7，BJ-8，BJ-10）中宏孔和中孔的发育情况好于块状岩相（BJ-3，BJ-4，BJ-6，BJ-9）。如BJ-8 样品为纹层状灰云岩，其宏孔占总孔体积的36.22%，中孔占总孔体积的34.74%，这可能是由于其碳酸盐矿物含量高，裂缝以及溶蚀孔较为发育。英西地区渐新统下干柴沟组上段岩石样品中微孔的质量体积平均为0.005 6 mL/g，占总孔体积的34.70%；中孔的质量体积平均为0.006 6 mL/g，占总孔体积的40.84%，宏孔的质量体积相对较小，为0.003 9 mL/g，占总孔体积的24.46%，因此，对岩石储集性能贡献最大的为中孔，其次是微孔（表4）。

表4 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段样品孔体积统计表Table 4 Pore volumes of the samples of E3 2in Yingxi area，Qaidam Basin

英西地区渐新统下干柴沟组上段孔隙的比表面积主要由微孔贡献，且主要由孔径小于0.6 nm 的孔隙贡献比表面积。比表面积伴随孔径的增大整体呈现降低的趋势，中孔贡献少量的比表面积，而宏孔贡献的比表面积比微孔的比表面积要小约3个数量级（表5、图9）。

Fig.9 Characteristics of total pore size and specific surface area of E32 in Yingxi area，Qaidam Basin图9 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段全孔径比表面积特征

4.4 孔隙连通性特征

孔隙既可作为储集层中的油气储集空间，又可作为油气运移的通道，孔隙连通性的定量评价对资源量估算、渗流能力评价、目标层位优选均具有重要意义［32］。国内外目前大多基于数字岩心技术对致密储层连通性进行定量评价，但限于数字岩心的代表性、分辨率以及成本而未能大规模应用。饱和流体样品的核磁共振T2谱是全部孔隙空间的反映［33］。储集层中的孔隙可分为不连通的“死孔隙”和连通的有效孔隙，“死孔隙”中充满了流体可使得地层具有一定的抗压实能力，但难以抽取，而连通的有效孔隙在适当的采油工艺条件下可被开采和利用。

高压压汞法是指利用高压力将汞注入岩石样品的孔隙中，从而获得其孔隙结构参数。根据相应的计算公式可定量获得岩石孔径分布特征，由于汞仅仅能进入连通孔隙中，因此该方法得到的是连通孔隙的结构参数［34］。对于孔隙连通性好的常规砂岩储层，利用核磁共振方法获得的孔径分布参数与高压压汞法获得的孔径分布参数具有较好的一致性；对于致密储层，上述2 种方法获得的孔隙结构在形态上具有较好的一致性，但幅度上往往存在明显的差异，致密储层的核磁共振孔隙度一般大于压汞孔隙度，因前者包含“死孔隙”。因此，可利用这2种方法在同一坐标系下进行投点获得2 条曲线，很容易对比出不连通孔隙的分布特征（图10a）。具体方法如下：根据实际油田资料需要，在横坐标上取值r1和r2，向上作直线，与核磁共振和高压压汞所获得的2 条累积孔质量体积曲线交会（图10b），分别得到孔隙半径介于r1和r2之间的总孔隙质量体积V1和连通孔隙质量体积V2，二者相减即可得出不连通孔隙的质量体积V3=V1-V2。

图10 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段核磁共振与高压压汞计算孔隙连通性对比Fig.10 Comparison of pore connectivity between NMR and high-pressure mercury injection calculation of E3 2 in Yingxi area，Qaidam Basin

选取英西地区渐新统下干柴沟组上段4 块不同的样品BJ-10，BJ-2，BJ-6，BJ-8 分别进行核磁共振测试和高压压汞测试，岩性分别为纹层状粉砂质泥岩、纹层状泥质粉砂岩、块状灰云质粉砂岩、纹层状灰云岩，获得的4 条孔径分布曲线在形态上具有一致性（图11a—11d），反映出通过T2谱计算出的孔隙半径结果的正确性。从曲线幅度上来看，因为任何样品中均存在“死孔隙”，核磁共振获得的孔径分布曲线均位于高压压汞获得的孔径分布曲线的上方。当样品中的“死孔隙”含量越少，通过核磁共振获得的孔隙度（φNMR）与通过高压压汞获得的孔隙度（φMICP）相差就越小，二者的孔径分布曲线也越接近重合，表明岩石样品的孔隙连通性越好。样品BJ-10的核磁共振孔隙度与高压压汞孔隙度分别为4.50%和0.90%，数值相差较大，表明“死孔隙”较多，连通孔隙体积仅占总孔隙体积的20.11%，其孔径分布曲线的幅度相差最大，孔隙连通性最差；样品BJ-2 和样品BJ-6 的连通孔隙体积分别占总孔隙体积的32.13%和39.72%，其曲线幅度差低于样品BJ-10，孔隙连通性一般；样品BJ-8 核磁共振孔隙度与压汞孔隙度分别为6.15%和4.42%，连通孔隙体积占总孔隙体积的71.94%，其核磁共振孔径分布曲线与高压压汞孔径分布曲线的幅度差最小，孔隙连通性最好。

图11 柴达木盆地英西地区渐新统下干柴沟组上段4 种岩相的孔径分布及自发渗吸曲线Fig.11 Pore size distribution and spontaneous imbibition curves of four types of lithofacies of E32 in Yingxi area，Qaidam Basin

自发渗吸作用是指岩石孔隙中的一种非润湿性流体，在毛细管力作用下自发地被另一种润湿性流体取代的过程。在这一过程中，以吸水高度（代表吸水量）的对数值（lgH）为y轴，以到达这一高度的吸水时间的对数值（lgt）为x轴作图，理论上可得到一斜率为0.5 的直线，该直线的斜率值可作为定性评价致密储层孔隙连通性的重要参数。理论上，页岩孔隙为高连通性时的自吸曲线斜率为0.5，页岩孔隙达到渗流临界值时自吸斜率为0.26。

研究区4 块样品的自发吸水曲线的斜率因其孔隙结构的差异而有所不同（图11e—11h），自吸曲线均呈两段式，前期斜率较大，后期趋缓。前期的快速吸水是由于样品的干燥表面及层理缝快速吸水作用造成的，后半段曲线反映了样品的主体孔隙的吸水特征。4 块样品BJ-10，BJ-2，BJ-6和BJ-8 的前期自吸斜率分别为0.134，0.204，0.222 和0.235，纹层状粉砂质泥岩、纹层状泥质粉砂岩、块状灰云质粉砂岩、纹层状灰云岩样品的连通性依次变好，这是由于随着纹层的增多和碳酸盐含量的增加，晶间孔、溶蚀孔/洞以及层理缝越发育，岩石的连通性越好，这与核磁共振和高压压汞方法得到的结论一致。研究区4 块样品的自发渗吸曲线的斜率均小于0.26，未达到渗流临界值，这说明目的层中油气不会发生大规模长距离运移，以近源聚集成藏为主。