致密天然气砂岩储层：成因和讨论.pdf

第 2 9卷第 1期 - 5 天然气化 O I LG A S G E O L O G Y 2 0 0 8年 2月 文章编号 0 2 5 3 9 9 8 5 【 2 0 0 8 0 l一 0 0 0 11 0 致密天然气砂 岩储 层 成 因和讨 论 张哨 楠 成都理工大学 “ 油气藏地质及开发工程” 国家重点实验室， 四川 成都 6 1 0 0 5 9 摘要 致密天然气砂岩储层具有高的毛管压力和束缚水饱和度， 孔 隙类型以次生孔隙为主。根据致密成因可以将致密砂 岩储层划分为4种类型 1 由自生粘土矿物的大量沉淀所形成的致密砂岩储层； 2 由胶结物的晶出改变原生孔隙形成的 致密砂岩储层； 3 高含量塑性碎屑因压实作用形成的致密砂岩储层； 4 粒间孔隙被碎屑沉积时的泥质充填形成的致密砂 岩储层。有关致密砂岩储层次生孔隙的成因有多种理论， 但是由于致密砂岩储层的复杂性， 没有一种理论可以将所有的 孔隙成因完全解释清楚， 因此次生孔隙的成因机制仍然存在争议。尽管致密砂岩储层经历了复杂的成岩演化历史， 成岩 作用对储层的致密化起决定作用， 然而沉积环境依然是控制致密砂岩储层形成的基本 因素。深入了解沉积环境和成岩作 用对致密砂岩储层的共同作用， 有助于对致密天然气砂岩储层的预测和评价。 关键词 次生孔隙； 砂岩； 致密储层； 成因； 天然气 中图分类号 T E l 2 2 ． 2 文献标 识码 A Ti g ht s a n d s t o ne g a s r e s e r v o i r s t he i r o r i g i n an d d i s c us s i o n Zh a ng S h a o n a n S ta t e K e y L a b o r a t o r y o fO i l a n d G a s R e s e r v o i r G e o l o g y a n d E x p loi t a t i o n ， C h e n g d u U n i v e r s it y of T e c h n o lo gy ， C h e n g d u ， S i c h u a n 6 1 0 0 5 9， C h i n a Abs t r a c t Ti g ht g a s r e s e r v o i r s a n ds t o n e s a r e g e n e r a l l y d e fin e d a s g a s - b e a r i n g an d - y i e l d i ng s an d s t o ne s wi t h p o - r o s i t y o f l e s s t h an 1 0 ％ an d p e r me a b i l i t y t o g a s l e s s t h an 0 ． 1 md ． T i g h t g a s r e s e r v o i r s and s t o n e s are c h ara c t e r i z e d b y h i gh c a p i l l a r y e n t r y p r e s s u r e s ， h i gh i r r e d u c i b l e w a t e r s a t u r a t i o n s and p r e d o mi n anc e o f s e c o n d a r y p o r e s ． T h i s p a p e r s u g g e s t s tha t t i ght r e s e rv o i r s and s t o n e s b e c l ass i fi e d i n t o f o u r t y p e s i n t e rms o f t h e o ri g i n 1 t i ght s a n d f o rme d b y s e d i m e n t a t i o n o f l arg e a m o u n t o f a u thi g e n i c c l a y mi n e r a l s ； 2 t i ght s and r e s u l t e d f r o m c r y s t a l l i z a t i o n and p r e c i p i t a t i o n o f c e m e n t s al t e ri n g p ri m a r y p o r e s ； 3 fi g h t s a n d c a u s e d b y c o m p a c t i o n o f l arg e a mo u n t o f d u c t i l e c l a s t s ； 4 t i g h t s and f o rme d b y fi ll i n g o f i n t e r g r anu l a r p o r e s b y d e t r i t al c l a y ma t r i x ． T o e x p l a i n the o ri gi n o f s e c o n d a r y p o r e s i n the s e s an ds t o n e s， r e s e arc h e r s h a v e d e v e l o p e d man y the o rie s ． Ho we v e r ， n o n e o f t he the o rie s are c a p a b l e o f c l e a r i n g a l l t h e d o u b t s d u e t o the c o mp l e x i ty o f thi s k i n d o f r e s e rvo i r s ． As a r e s u l t ， t h e i s s u e i s s t i ll i n d e b a t e ． D e s p i t e the i r c o m p l e x b u r i al h i s t o ry o f t i ght r e s e rvo i r s and s t o n e s and d i a g e n e s i s b e i n g d e t e rmi n ant i n t i g h t e n i n g o f s and s t o n e s ， o ri gin al d e p o s i t i o n al e n v i r o n me n t i s s t i l l a b a s i c f a c t o r c o n t r o ll i n g t h e f o rma t i o n o f fi g h t s an d s t o ne r e s e rvo i r ． De e p e r un d e r s t an d i n g o f th e i r d e po s i t i o n al e n v i r o nme n t an d the d i a g e n e t i c hi s t o ry i s c r i t i c al t o t h e p r e d i c t i o n and e v alu a t i o n o f t i ght r e s e r v o i r s and s t o n e s ． K e y w o r d s s e c o n d a r y p o r e ；s and s t o n e ；t i ght g as r e s e rvo i r ； o r i gin ；n a t u r al g a s 随着人类对清洁、 环保、 高效能源需求的持续 高涨， 天然气需求的增加 日益明显。然而， 常规的 天然气藏到 目前为止 已经基本上被 发现 ， 石油地 质学家的 目光在 2 0世 纪就集 中在非常规天然气 藏的勘探和开发领域。这一方面是 因为在致密砂 岩储层 中蕴藏 了巨大 的天然气 资源潜力 ， 另一 方 面是由于天然气价格的上涨。1 9 8 5年在美国召开 了非常规天然气勘探 和开发 的学术讨论会 ， 1 9 8 6 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 - 2 9 。 作者简介 张哨楠 1 9 5 7 一 ， 男， 教授、 博士生导师， 石油地质、 储层地质。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 石 油 与 天 然 气 地 质 第 2 9卷 年由 C ． W． S p e n c e r 和 R ． F ． Ma s t 对会议 文章进行 了编辑， 出版了 G e o lo g y o f T i g h t G a s R e s e r v o ir s -- 书， 从而在世界范围内掀起 了对致密砂 岩天然气 藏研究的高潮。由于致 密砂 岩储 层的复杂性 ， 无 论在地质 、 地球物理测井还是地震识别 、 储层 的孔 隙结构、 气藏的压力特征及其分布、 天然气 的成藏 机制 、 钻井过程 中的储层保护 、 开发时期 的储层改 造工艺等方面都存在着一系列有待进一步认识和 研究 的问题。本文针对致密天然气储层 的基本特 征进行总结描述， 讨论致密砂岩储层 的成 因类型 和致密砂岩储层次生孔隙发育的主要机制 。 0． 1 X1 0I 3 p , m ，致密储层 的孔 隙度为 2 ％ ～8 ％、 渗透率为 0 ． 1 X 1 0 ～ ～0 ． 0 0 1 X 1 0 p , m 。对于天 然气致密砂岩储层 的划分 ， 各 家对储 层孔隙度 的 标准相差较大 ， 但是 对于渗 透率的划分标准基本 一 致， 表 明在天然气 致密储 层划分 的认识上不 同 地区具有不 同标准 ， 但 是都强调 了致密砂岩储层 的渗透率特征 ， 亦 即致密砂岩储层 的致密与否与 孔隙度的关系不大 ， 而主要取决于储层的渗透率。 因此 ， 考虑不同专家的标准 以及近年来对 四川盆 地和鄂尔多斯盆地致 密砂岩储层 的研究 ， 此处将 孔 隙度低于 1 0 ％、 渗透率小 于 0 ． 1 X 1 0 p , m 的 天然气砂岩储层定义为致密砂岩储层。 l 致密天然气砂岩储层的基本特征 1 ． 2致密砂岩储层的基本特征 1 ． 1 致密砂岩的定义 致密砂岩储层通常是指储层渗透率低的砂岩 储层。由于不 同学 者所研 究 的对象和角度不 同， 如油藏和气藏对孔隙度和渗透率的要求不一样， 对致密的理解也不相同。低渗透储层本身就是一 个相对概念， 随着资源状况和技术条件 的变化 ， 致 密储层的标准和界限也会 随之变化 ， 因此 长期 以 来致密砂岩储层一直没有一个完整 的、 明确 的定 义和界限。美 国联邦能源管理委员会 F E R C 把 低渗透 致密 天然气储层定义为估算的原始地层 渗透率为 0 ． 1 X 1 0 p , m 或者小于 0 ． 1 X 1 0 p , m B ． E ． L a w等 ， 1 9 8 6 的储层⋯ 。S p e n c e r 1 9 8 5 根据储层孔隙度的大小将致密储层划分为高孔 隙 度致密储层和低孔隙度致密储层。高孔 隙度致密 砂岩储层的岩性为粉砂 岩和细砂岩 ， 在粉砂 岩 中 孔隙度的变化范围为 1 0 ％ ～ 3 0 ％， 细砂岩的孔隙度 为 2 5 ％ ～ 4 0 ％， 但是渗透率都小于 0 ． 1 1 0 ～ m ； 低孔 隙度 致密砂 岩储 层 的孔 隙度 范 围在 3 ％ ～ 1 2 ％之间， 渗透率一般都小于 0 ． 1 X 1 0 ～ m 。王 允诚等人 2 0 0 4 根据储层物性将低渗透性储层 的孔隙度划分为 8 ％ ～ 1 5 ％、 渗透率为 1 01 0 ～ 一 致密砂岩储层一 般具有较高 的毛细管压力 ， 束缚水饱和度变化也 比较大 ， 一般储层 中的束缚 水饱和度都 比较高。根据对鄂尔多斯盆地上古生 界致密砂岩储层束缚水饱 和度 的分 析， 束缚水饱 和度都在4 0 ％以上； 在孔隙度为 4 ％ ～1 1 ％的范 围 内， 束 缚 水饱 和度 在 4 2 ％ ～5 6 ％之 间变 化。 S p e n c e r 1 9 8 9 认为致密砂岩储层的束缚水饱和 度在 4 5 ％ ～ 7 0 ％之 间， 原因在于致 密砂 岩储层 的 孔隙空间主要是 由分散 的小孔隙组成 ， 孔 隙的连 通性很差。根据对四川盆地上 三叠统致密砂岩储 层孔隙度和束缚水 饱和度 的统计 表 1 ， 用两种 方法测试的结果表明束缚水饱 和度和孔 隙度之间 存在负相关关系。鄂尔多斯盆地上古生界致密砂 岩储层的孔隙度、 渗透率 和束缚水饱 和度之间 的 关系同样说明致密砂岩储层 的束缚水饱和度随着 孔隙度和渗透率的降低而增高 图 1 。 致密砂岩储层 的孔隙类型与常规砂岩储层 的 孔 隙类型相 比， 孔 隙类型多 以次生孔 隙为主 图 2 ， 残余粒间原生孔隙依然存在， 但是在孔隙的含 量上以次生孔隙为主。次生孔 隙主要为不稳定矿 物的溶蚀 ， 以及 自生粘土矿物 的晶 间微孔隙。在 表 1 四川盆地上三叠统致密砂岩储层孔隙度和束缚水饱和度之间的关系 Ta b l e 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n p o r o s i t y a n d i r r e d u c i b l e wa t e r s a t u r a t i o n i n t h e Up p e r Tr i a s s i c t i g h t s a n d s t o n e r e s e r v o i r s - t h e S i c h u a n Ba s i n 注 表 中数据为 2 0口井 l 0 0 0块样 品的统计结果 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张哨楠 ．敛密天然气砂岩储层成l 划和讨论 3 ≯ 型 昆 矧 芒 甓 ≯ t 世 品 吲 若 蠊 谣 }L隙度，％渗透率／10 、 Ltl l l i 罔】鄂尔多斯盆地J古尘 界致密砂岩储层孑 L隙度、渗透牢与束缚水饱和度之问的火系 Fi g ．1Relation shi pb etw een porosi ty，perm eabilityandin Pdu 。i b lcw ater ’ salu r aLio nil lLheN eo pal eo zo ic ti ghtsa ndst on er eservoil ’S ，theOrdosBasi n ‘● ●’ ‘ 隧 。 ∞ tt ‰藏 戋矗盛 图2致密砂岩储层的孔隙组合类犁 F i g ．2Por eassP nlb lagesinti ghtsand shm ereser vo l r s a．粒内溶孔 、粒间溶4L1 1残余粒 问孔隙的孔隙空间绀合红色部分为铸体，鄂尔多斯盆地定北6仆，外深3 717．om b． 粒内溶孔、高岭石 品问微孔 和微裂缝的孔隙卒间组合，鄂尔 多斯盆地定北5蚪，蚪深374 99 Il l 照片比例尺K边为2 Il l Ill 致密砂岩储层中，储集空间的组合类型多为粒 问 孔隙和溶蚀孑 L隙的组合，以及粒问孔 隙、溶蚀孔隙 和微裂缝 的绀合． ．致密天然气储层的琏小地质特 征及其Lj 常规储层的对比总结于表2。 表2致密砂岩储层的基本地质特征及其与常规储层的对比 Table2Basic geol ogicalfeatures oftightsandstone reservoirs andtheircorrelationwiththose of convent jonalreservoirs l Il 擒 一 募 一 。 尹～ ． 麓_ 。 ， 纛 ． 、 、 ， ． 便扩 寥 、 妒 ． 势 r 弋 羲 ， ． _ | 、 ≯ R 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 石 油 与 天 然 气 地 质 第 2 9卷 2 致密砂岩储层的成因类型 致密砂岩储层与常规砂岩储层相 比具有特殊 的特征 。S o e d e r和 R a n d o l p h 1 9 8 7 将致密砂 岩储层划分出 3种类型 ， 即由 自生粘 土矿物沉淀 造成 的岩石孔隙堵塞的致密砂岩储层 、 由于 自生 胶结物的堵塞而改变原生孔隙的致密砂岩储层和 由于沉积时杂基充填原生孔 隙的泥质砂岩。S h a n l e y等 2 0 0 4 “ 认为 了解 常规储层和致密储层之 间的岩石学特征对 于理解致密储层和预测致密储 层是非常关键的； 而且指 出， 致密砂岩储层并不总 是由于砂岩成分 的不成 熟、 泥质杂基含量 高所造 成的， 在成分成熟度较高 的砂岩 中一样存 在着致 密储层 。因此 ， 按照砂岩储层的致 密成 因， 可 以将 致密砂岩储层划分为 4种类型。 2 ． 1 由自生粘土矿物的大量 沉淀所 形成的致密 砂岩储层 此类致密储层可 以是结构成熟度和成分成熟 度均比较高的砂岩， 也可 以是结构成熟度较高而成 分成熟度不高的砂岩。如图 3所示 ， 岩石类型为石 英砂岩， 硅质岩碎屑含量比较高， 岩石的分选性好 ， 颗粒之间没有任何粘土杂基存在； 但是在埋藏过程 中由于 自生的伊利石堵塞了颗粒间的喉道 ， 喉道间 的连通主要依靠伊利石矿物间的微孔隙， 这使得岩 石的渗透率极低 ， 然而孔隙度的降低与渗透率相 比 不太明显 ， 主要形成中孔、 低渗的致密储层。 2 ． 2 胶结物 的晶出改变原生孔隙 形成 的致密 砂 岩储层 在砂岩储层埋 藏过程 中， 由于石英和方解石 以胶结物的形式存 在于碎屑颗粒之 间， 极大地降 低了储层的孔隙度 ， 储层 的渗透率也 随之降低 ， 形 成低孔 、 低渗 的致 密储层。在孔 隙中可 以保存形 成时间比较早 的次生孔 隙。如图 4所示 ， 岩石类 型为岩屑石英砂岩， 岩石的分选较好 ， 含有少量 的 长石 ， 孔隙类型主要有长石早期溶 蚀形成 的粒 内 溶孔 以及高岭石的沉淀形成 的晶间微孔隙。 2 ． 3 高含量塑性碎屑 因压实作用形成 的致密砂 岩储层 对于距离物源 比较 近 、 沉积环境水体能量 不 高 、 沉积物成分比较复杂 、 尤其是塑性 和不稳定碎 屑含量较高的储层 ， 在埋藏过程 中在 没有 异常压 力形成 的条 件下， 因压实作用使塑性 碎屑变形从 而呈假杂基状充填 于碎屑颗粒之间 ， 导致砂岩储 层成为致密储层 。图 5所示就是塑性碎屑在压实 作用下变形形成致 密砂岩储层 ， 在扫描 电镜下可 见不稳定碎屑的溶蚀作用形成的微孔 隙。 2 ． 4 粒间孔隙被碎屑 沉积时的泥质充填形成 的 致密砂岩储层 在低能条件下或者 在浊流条件下 ， 由于沉 积 水体浑浊或者 因水体能 量不高 ， 碎屑颗 粒间杂基 含量 比较高 ， 成为泥质砂岩。由于粒间孔隙被杂 图3 石英砂岩中粘土矿物的包壳 F i g ． 3 C o a t o f c l a y mi n e r M i n q u a r t z s a n d s t o n e 塔 里木盆地 满西 1 井 ， 井深 5 2 8 7 ． 8 m， 由于粘土在孔隙喉中的沉 淀， 使得储层 的渗透率迅速降低 而孔隙度则降低不大 ； 左侧为薄片照相 ， 照片 比例尺长边为 2 mm， 右侧为扫描电镜 照片 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张哨楠 ．致密天然气砂岩储层 成闪和讨论 图4强的方解石和臼英的胶结作用 F i g ．4Strongcementationofcalciteandqu artz a． 定北6Jt ，井深3703 ．6m ，石英胶结作用强，甓凹凸接触，孔隙被亓英胶结物全充填．形成致密砂储层； b． 鄂尔多斯盆地塔巴庙地区犬6井，井深2524 ．5m ，方解石发生强烈胶结作用．保留原来的粒内溶蚀微孔隙 照片比例心长边 为2I| 11II 图5不稳定碎屑在压实作用下变形 导致岩行致密 Fi g ．5Ti ghtsandslo ne eau sed bydefor mationotductileclastsundercom pacti on a． 鄂尔多斯盆地 杭锦趱地区锦评l井，井深2 329 ．0『 1 1 _不稳定变形碎屑的溶蚀形成微孔隙 h 鄂尔多斯雒地定北地区定北6井 ，深度3 749 ．9 I『 11照片比例尺k边为2 111111 ，不饱定碎鹏 H 主实变形后呈假杂基状充填孔隙，云母的弯曲和断裂现 象明硅 ，孔隙均 为微孔 隙 基所占据，孔隙问的流体交换不顺 畅，无论 早期还 是晚期的溶蚀性流体都很难进入到孑L隙中，因此 粒问孔隙或者粒内孔隙都不发育；在泥质杂基中 冈成岩作用 的关系可能发 生 重结 晶或者微弱的溶 蚀，形成杂基内的溶蚀微孔隙。如图6所示，岩石 中泥质杂基含量比较高，在杂基重结 晶后可以形 成粘土矿物 晶问微孔。图6中储层 4j -／ L隙全部 为 微孔隙，孔隙FLI杂基 的溶蚀和重结晶形成。 3 致密砂岩储层次生孔隙的形成机制 醛管致 密砂岩储层 的孔隙度和渗透率都比较 低，但是在致密砂 岩中依然蕴 藏 有 大艟的天然气 储垃，因此人们的注 意力就集巾于女 l l何住致街砂 岩储层巾寻找 相 对比较 好的储层，亦 即具有31l k 开采价值的天然气储集层 ，也就是 比较流行 的 “ 甜 点 ” 。所谓 “ 甜点 ” 是指孔 隙度和渗透率远高于致 密储层平均值的储集岩石 叫1引 。ff ]f致密砂 岩储 层经历 了复杂的成岩历史，因此正确认识 致密 砂 岩储层的形成机理以及建立孑L隙的发育和分们馍 式是指导致密犬然气砂 岩储层勘探的关键。前人 曾经提 出过 多种储层 次q孔隙的形成机理，1t目 的就是希望能够通过这些成因模式预测仃利储层 发育的地区和埋藏深度。。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 石 油卜 j天然 气地质第29卷 图6泥质砂岩形成 的致密砂岩储层 a，鄂尔多斯盆地 定北地区定5井 ，井深3 8 2 8，61]1 ，杂基的溶蚀形成微孔隙，红色为铸体．胜示徽孔隙的仔九； 1，． 鄂尔多斯盆地塔巴庙地区大探 1井 ，井深2 7379f f l ．杂基 的重结 品形成晶形比较葵 于 -的商岭 fi，从 而使高岭{i晶问做扎隙发育 3．1 弱碳酸溶蚀机理 1977年 ，V ．Shimidt 汜’等 人 首先 往北 海干 u 加拿大北部的砂措储层 中发现次牛孔隙，随后 石 油地质学家逐渐认识到次生孔隙在储层中的重 要 作用。 V．S himidt等人 对次牛孔隙的鉴定 标 志和 成因给出 厂较 为详细的解释，目前所用 的描述次 牛孔 隙类型以及次生孔 隙集合形态 的术语都 是 V．S himidl等人提 出米 的。V．Shimidt等人认为 ， 仃机质演化过程中释放 出的二氧化碳在 一 定的压 力条件下住地层L} J形成弱碳酸，从而使砂岩中方 解石胶结物发牛溶解，形成次生孔隙。这 一 机 理 和有机质 的演化相结合，很 好地解释 了酸的来源， 而且有机地球化学的研究也证实了往有机质演化 过样 ，扣确有二 氧化碳 的析出，从m使得这 一 成因 机理在解释砂岩储层中方解石胶结物的溶蚀作用 时得到完善。 3．2 有机酸溶蚀机理 随着石油地质学家和沉积地质学家对次牛_扎 隙的研究逐渐 深入，发现在 砂岩储层 中方解白 不 是唯 一 的被溶蚀矿物． ．往砂岩碎屑中吖以 虬到大 量的不稳定长石矿 物碎 屑具有 明显的溶蚀特征。 然而由于长石矿物属于铝 硅酸 盐类，而三氧化 铝在常温条件下 的溶解度极低pH值为 4 ～ 8时 溶解度约为 110 山 ，如果要使大量的k右发生 溶解，则必须将二氧化二铝从孔隙水 中移走 ，这样 才能使溶解方程继续进 行，但足 弱 碳 酸没有能 ／ ， J 做到、， Carothers和K haraka1978 ⋯ 川 在 对 油田水 的研究中发现，油『 丁 1水 中 一 元羧酸、乙酸 和丙酸的 含量较 高，l l J ‘ 达 10 00010 ‘。。 ，而JL有机酸仵 100 ～ 200℃之间出现极大值 ，住80 ～ 120℃之问有 机酸的浓度最高 “ J5] 。 Bevan和Savage198 9 ⋯0 认为存pH值 为4、温度为95℃时，缓 冲的有机酸 溶液可 以使长石的 溶 解 度 提 高 4 00％ 。 Fein 1991 ⋯ 指出，醋酸铝络 合物在p} {值小于 5 、温 度为80％时比醋酸钙和醋酸镁更加稳定 。 Cr ossey 1986 驯 对3种类型的_ 1 j 酪根向台机酸 的转 化 作了详细 的研究，给出了在j价铁 离子存在的情 况下千酪根氧化转化 为有机酸的反应方程。对于 3种类犁的十酪根来讲 ，腐殖型 十酪根含有比其他 干酪根更多的含氧官能圃 引 。基 于对十酪根m有 机酸 转 化的作用机理， Sudam 等人198 9， 1993[ 20,210和 Meshri198 6 [22‘等提 出了有机酸的 溶蚀作用机理，这 一 作用机理 也是 基于有机质在 演化过程所形 成 的羧酸、酯、醚类衍 生物，这些物 质住孔隙溶液 中具有极 强的酸性，使得 砂岩 中不 稳定的铝硅酸盐矿物发生溶解 ，形成次生孔 隙。 这机理解释 了在埋藏比较深 的砂岩储层中，尤 其是和烃源岩相邻的砂岩储层 中次生孔隙发育的 原因。 3．3 淡水溶蚀机理 很多学者对弱碳酸和有 机酸的溶蚀机 理研究 较 多，而 Bjorl yk k e1994[ 23。 根据对北海 油f f l和 墨 两哥湾油气Ⅲ储层孔隙的成因研究，认为在沉积 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张哨楠． 致密天然气砂岩储层 成因和讨论 7 盆地 中孔隙水流动具有两个基本 的成 因 ， 一个是 在水利势头 的驱动下大气淡水 流人 盆地 ， 另一个 是随着沉积物的埋藏由沉积物的压实作用迫使孔 隙水 向上流动 。溶解成 因的次生孔隙需要孔隙水 的连续流动 ， 而流动 的孔隙水对一些矿物 相是不 饱和的。根据化学分析 ， 现代地下水在地下 1 0 0 m 对于钠长石 、 斜 长石、 微斜 长石 、 铝泥石 和方解石 都是不饱和的 J 。北海布伦特组砂岩经历 了较长 时间的淡水淋滤。B j o r l y k k e 1 9 9 4 对干酪根演化 中所释放出 C O 的含量进行 了计算 ， 并考 虑到形 成的这种 C O 在运移过程 中尤其是在烃源岩 内部 运移的过程中和微粒 长石 以及方解石 的反应， 认 为 C O 在到达被溶解砂岩之前就被消耗掉 了， 因 此即便是干酪根生成 了 C O ， 由于生成 的量太少 ， 它对砂岩 中次生孔隙形成 的影响可以忽略。地下 水的循环 已经被水文工作者研究得 比较清楚 ， 大 气淡水影响 的深度和广度 在 2 0世纪后期也 开始 逐渐被了解 。大气 淡水 在佛 罗 里达 可 以注入 到 1 2 0 k m以外的浅海 ， 深海钻探计划在大陆架上 发现了淡水 J ， 这些资料都表 明大气淡水 的活动 范 围和深度都是很大 的。 由于大气淡水对大部分 碎屑沉积颗粒都是不饱 和的 ， 因此 大气淡 水 的溶 蚀作用一样 可以形成 大量的次生孔 隙， 因而没有 必要用有机酸的理论来解释次生孔隙的形成 。 4 讨论 致密砂岩 的成 因可 以划分 为 大类 型 一类 是由于沉积条件的控制， 分选不好， 造成原生就是 致密砂岩 ， 这种砂岩可 以在 以后 的成岩 作用 过程 趟 壁 中被改造成为可 以作 为储层 的岩石 ； 一类是 由于 复杂成岩作用所造成 的致密。成岩作用造成 的致 密储层是讨论和研究最多的储层类型。致密砂岩 的孔隙发育机理和影响因素在不 同的地 区和不同 的层位都有很大差别 ， 到现在为止对 于这类储层 的研究也没有取得统 一的认 识 ， 因此 一直在争论 和研究之中。 4 ． 1 沉积作用对致密砂岩储层的影响 不同的沉积环境 具有不同 的水动力 特征 ， 所 形成的砂体在岩相组成 、 厚度 、 内部非均质性以及 砂岩碎屑成分组成、 泥质 含量、 颗粒 的粒度 、 分选 等多方面各具特色 ， 造成 不同沉积环境所形成 的 砂体具有不同的原始孔隙度和渗透率。虽然成岩 作用对原始孔隙度 的改造较强 ， 但是成岩作用 是 在沉积作用 的基础上进行 的， 因而早期 的成 岩作 用也受到沉积环境 的影 响 ， 从而影 响进一 步成岩 作用 的类型 、 强度 ， 对砂岩的孔 隙演化起一定 的控 制作用。 4 ． 1 ． 1 碎屑 成分 与储 层物 性之 间的关 系 尽管碎屑成分 主要 受到物源 的影 响， 但环境 的改造作用可 以根本上改变不稳定 碎屑的含量。 根据对鄂尔多斯盆地北部致密砂岩碎屑成分的统 计发现 ， 随着 稳定 的 刚性 碎屑 的增加 ， 孔 隙度增 加 ； 当塑性碎屑增加时 ， 则渗透率 降低 图 7 。这 表明当沉积物 在高 能 的环境 中受 到强 烈 的改造 时 ， 不稳定碎屑被磨蚀掉 ， 同时刚性碎屑抵抗压实 作用的能力强 ， 从 而使储 层 的孔 隙度 和渗 透率都 比较好 。 趟 壁 图7 鄂尔多斯盆地北部塔巴庙地区储层碎屑成分与孔隙度之间的关系 F i g ． 7 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n p o r o s i t y a n d c l a s t c o mpo n e n t s o f t h e r e s e r v o i r s i n T a b a mi a o a r e a ， t h e N o r t h Or d o s B a s i n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 石 油 与 天 然 气 地 质 第2 9卷 篮 妄 b 0 ＼ 褂 螋 骢 图 8 鄂尔多斯盆地北部塔 巴庙地 区石炭一二叠 系砂 岩物性与粒度 的关系 Fi g ．8 Re l a t i o ns h i p be t we e n g r a i n s i z e a n d g e o ph y s i c a l pr o pe r t i e s o f t h e P e r mo Ca r b o ni f e r o us s a nd s t o n e i n Ta b a mi a o are a， t h e No rth Or d o s Ba s i n 4 ． 1 ． 2碎屑 粒度 与储 层 物性之 间的 关 系 碎屑粒度的分布主要受沉积环境的水动力条 件控制 ， 因而粒度大小及其分布特 征反映 了环境 的沉积条件， 因此沉积学者用粒度 分布 曲线及其 参数来判别不同的沉积环境。从鄂尔多斯盆地北 部塔 巴庙地 区石炭一二叠系致密砂岩储层物性与 碎屑粒度统计 的结 果 图 8 可 以看 出， 随着碎屑 粒度 的增 加 ， 储 层 的 物 性 变 好 ， 而 且 趋 势 非 常 明 显。 4 ． 1 ． 3 砂 体厚 度 与储 层 物性 之 间的 关 系 砂体厚度 的大小一般取决于沉积环境是否稳 定。当沉积条件 水动力条件 、 物质供给 、 沉 积速 率等 基本不变时 ， 则沉积的砂体厚度较大 ， 在侧 向和垂向上的连通性较好 ， 层 内非均质性较小 ， 且 砂岩碎屑颗粒分选较好 ， 原始孔隙发育 ， 从而成为 较为有利的储集砂体 。对鄂 尔多斯盆地北部塔 巴 庙地区不同厚度砂体 的物性进行统计发 现， 当砂 层厚度小于 6 m时， 随着砂层厚度的增加 ， 物性有 变好的趋势； 而当砂层厚度大于 6 m时， 砂层厚度 对其物性并无大的影响。这和随着粒度变粗砂岩 物性变好的趋势是一致 的。因为当砂层厚度小 于 2 m 时， 主要 由细 一粉砂 岩 组成 ， 平 均孔 隙度 为 2 ． 8 ％， 平均渗透率为 0 ． 1 5 61 0 I．z m ， 绝大部分 样品的物性参数小于储层下 限； 而砂层厚度在 2～ 4 m之 间时 ， 岩性 以细一中砂岩为主 ， 其 平均孔 隙 度为 4 ． 7 ％ 、 孔隙度分布的主要 区间为 1 ％ ～ 5 ％ ， 平均 渗 透 率 为 0 ． 3 8 21 0 I ．z m 、 主 要 分 布 在 0 ． 0 11 0～～ 0 ． 3 01 0 ～ m 之间 ； 厚度为2～ 6 m 的砂层主要 由中一粗砂岩 、 含砾粗砂岩组成 ， 孔 隙 度平均值为 6 ． 7 ％、 主要分布在 4 ％ ～1 0 ％之间 ， 渗透率均值为 0 ． 6 6 31 0 I． z m 、 其中有相 当大一 部分样 品 的渗透 率大 于 11 0 I． z m ； 厚 度大于 6 m的砂层通常都是 由多个 向上变细的正旋 回组 成 ， 使得同一砂层 中夹层 增多 ， 非 均质性 增强 ， 从 而使砂岩物性并不随厚度增大而发生变化 。 沉积环境对储层性质 的影响并不局 限于浅埋 藏的储层。对于大多数 不是全部 储层而言 ， 尽 管储层砂体受到强烈 的成岩作用 的影响 ， 但是储 层的性质并没有本质上的改变 凹 J 。从上述特征 可以看出 ， 不管致密砂岩 的成因如何 ， 沉积环境依 然是控制储层发育的主要因素。在储层 的评价和 预测上 ， 沉积环境 的恢 复和砂体 的预测不但 是常 规储层预测 和评价 的基础 ， 对 于致 密砂 岩而言也 同样是重要 的基础条件。 4 ． 2 成岩作用对致密砂岩储层的影响 世界上大多数砂岩储层的性质 与沉积时相 比 相差甚远 ， 除了沉积环境的控制之外 ， 成岩作用对 储层性质的改造也是非常明显 的 j 。成岩作用 对储层性质 的改造基本上是在埋 藏过程 中， 碎 屑 颗粒在物理和化学条件不断变化的情况下造成碎 屑稳定性的变化。对于相 同沉积环境的砂岩储层 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张哨楠． 致密天然气砂岩储层 成因和讨论 9 来讲 ， 储层性质 由常规变为非常规 致密 的主要 原因是由成岩作用所造成 的。成岩作用对储层性 质影响的文章非常多 埘J ， 前面 已经描述 了溶蚀 作用对储层的改造 ， 亦即次生孔隙的形成