基于岩相约束的致密砂岩储层分类评价
--以苏里格东二区盒8段致密砂岩储层为例

李 玢,张 林,吕凤清,严锐涛,孙盼科,周瑞丰,王 江,甘春玲,

引言

致密砂岩气作为一类重要的非常规天然气,在我国能源结构调整中发挥着举足轻重的作用[1-2]。我国的致密砂岩气主要分布在中西部盆地,且资源量巨大[3-4]。其中,作为典型代表的鄂尔多斯盆地苏里格气田,其致密砂岩气总资源量近5.5×104亿m3[5]。然而,由于致密砂岩储层物性差、微观孔隙结构复杂、非均质性强,导致致密砂岩气藏开发难度大[6]。因此,亟需开展储层非均质性特征及分类评价研究,为后续致密砂岩气藏高效开发提供地质指导。

目前,关于致密砂岩储层非均质性特征及分类评价研究主要围绕储层的岩性、物性、含油性及微观孔隙结构等不均一性开展相关研究,并在此基础上开展储层综合分类评价[7],而岩相结构对致密砂岩储层质量的影响有待深入研究。针对研究中存在的技术难题,本文以苏里格东二区盒8下亚段为研究对象,基于物性、铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、测井等资料,开展宏观岩相结构、微观孔隙结构及其非均质性共同约束下的储层特征、综合分类评价研究,更新了储层发育模式的认识。

1 研究区概况

研究区为苏里格气田东二区,地处内蒙古两旗地区,构造上位于陕北斜坡坡折带[8-9](图1),面积约2 007 km2。苏里格气田东二区上古生界自下而上发育本溪组、太原组、山西组、石盒子组地层[10]。根据地层岩性、测井电性组合等特征,石盒子组可进一步分为盒1-盒8共8个段。盒8段为研究区主力含气层段,被划分为盒8下、盒8上这2个亚段。盒8下亚段为典型的辫状河沉积,盒8上亚段为典型的曲流河沉积[11]。研究区河流相储层致密且非均质性强,为典型的低孔、低渗致密砂岩储层[12]。

图1 研究区区域构造位置及地层综合柱状图

2 岩相类型及其特征

岩相是指在一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合,是沉积微相单元的重要组成部分[12]。目前,岩相类型的划分主要依据岩性特征和层理类型综合确定[13]。本文通过对盒8下亚段典型辫状河沉积的岩心进行观察与描述,共确定出图2所示的6种岩相类型。

图2 研究区岩相类型划分及其模式示意图

块状层理砾岩相(图2(a))主要发育在水动力条件较强的辫状河河道底部滞留沉积中;块状层理中粗砂岩相(图2(b))多发育于水动力条件相对较强的心滩坝中下部;交错层理中粗砂岩相(图2(c)),多发育在水动力条件较强的心滩坝中部;平行层理细砂岩相(图2(d))所处环境水动力最强,在心滩坝中上部以及河道中较为常见;波状层理/块状层理粉细砂岩相(图2(e))多发育于较弱的水动力条件环境,在心滩坝顶部及河道中上部较常见。水平层理/块状层理泥岩相(图2(f))主要发育于较弱的水动力条件下,在泛滥平原及废弃河道顶部较常见。

3 基于岩相的储层基本特征分析

3.1 基于岩相的储层岩矿特征

在岩相识别的基础上,基于薄片资料,以岩相为基本单元对储层的岩矿特征进行总结。薄片面积百分比分析结果表明,盒8下亚段矿物成分主要为石英,次为岩屑,长石含量极少,储层岩石类型主要为石英砂岩、岩屑质石英砂岩以及岩屑砂岩(图3)。

图3 研究区不同岩相岩石类型

不同岩相之间岩石类型略有差异。其中,块状层理砾岩相岩石类型复杂,以岩屑质石英砂岩与岩屑砂岩为主;块状层理中粗砂岩相岩石类型以岩屑质石英砂岩与石英砂岩为主;交错层理中粗砂岩相岩石类型以石英砂岩为主;平行层理细砂岩相岩石类型以岩屑质石英砂岩与岩屑砂岩为主;波状层理/块状层理粉细砂岩相岩石类型单一,以岩屑砂岩为主。总体而言,水动力条件较强位置石英含量较高,岩屑含量相对较低。

3.2 基于岩相的储层物性特征

对多个样品的物性统计分析发现,研究区储层孔隙度整体小于10%,渗透率小于1×10-3μm2(表1),符合典型的低孔、低渗致密砂岩储层的标准。不同岩相的物性特征各不相同。交错层理中粗砂岩相物性最好,孔隙度平均9.32%,渗透率平均0.89×10-3μm2; 其次为块状层理中粗砂岩相,孔隙度平均8.53%,渗透率平均0.79×10-3μm2;平行层理细砂岩相物性中等,孔隙度平均7.32%,渗透率平均0.34×10-3μm2;块状层理砾岩相物性较差,孔隙度平均6.45%,渗透率平均0.42×10-3μm2;波状层理/块状层理粉细砂岩相物性最差,孔隙度平均4.36%,渗透率平均0.14×10-3μm2。

表1 研究区不同岩相的物性特征

3.3 基于岩相的储层孔隙结构特征

致密砂岩储层孔隙结构类型多样、孔喉连通程度复杂、非均质性强。选择恰当的方法精细表征微观孔隙结构特征,对致密砂岩储层分类评价具有重要作用。本文利用铸体薄片、扫描电镜、高压压汞资料,结合分形理论对微观孔隙结构特征进行定量表征。

3.3.1 储集空间类型及特征

根据研究区常规薄片、铸体薄片、扫描电镜等资料的统计分析可知,盒8下亚段储集空间类型主要有4种:一是原生孔隙经过压实、胶结作用后保留下来的残余原生粒间孔隙(图4(a));二是经历溶蚀作用形成的溶蚀孔,主要为杂基、胶结物等粒间填隙物溶蚀而形成的粒间溶孔(图4(b)),以及长石、岩屑等颗粒内部溶蚀而形成的粒内溶孔(图4(c)(d));三是分布于粒间孔和溶蚀孔中自生黏土矿物内部的晶间孔(图4(e));四是刚性颗粒受到较强压实或者构造应力作用发生破裂而形成的粒间裂缝(图4(f))。

图4 研究区储集空间类型及其特征

不同岩相类型储集空间特征各有差异:块状层理砾岩相储集空间以晶间孔为主,晶间孔主要发育于绿泥石、伊利石等黏土矿物中,呈网状、片状或不规则多边形的特征,其次为岩屑溶孔及杂基溶孔;块状层理中粗砂岩相储集空间以岩屑溶孔为主,其次为晶间孔及粒间溶孔;交错层理中粗砂岩相储集空间以粒间溶孔为主,粒间溶孔主要发育于胶结物、杂基颗粒的边缘部分,呈现锯齿状或不规则状的特征,次为粒间孔隙及岩屑溶孔;平行层理细砂岩储集空间以晶间孔为主,其次为粒内溶孔,晶间孔主要发育在黏土矿物之中,多呈不规则状;波状层理/块状层理粉细砂岩相储集空间以晶间孔为主,其次为杂基溶孔,岩屑含量较高,易发生压实,原生孔隙大量减少,导致储层物性变差。

3.3.2 基于高压压汞的孔隙结构表征

高压压汞法是目前研究储层微观孔隙结构特征应用最广泛的方法[14]。本次研究在充分分析研究区62个高压压汞资料的基础上,对微观孔隙结构进行定性和定量分析。根据压汞曲线形态及对应的压汞特征参数,将压汞曲线分为4类(图5(a)),并绘制了对应的孔径分布曲线(图5(b)-(e))。

图5 不同类型高压压汞曲线及对应孔径分布特征

Ⅰ类压汞曲线为低排驱压力-粗喉型,压汞曲线呈现宽缓的平台形态,排驱压力低,中值压力小,粗歪度,分选好(图5(a)),孔径分布曲线呈单峰状,主要集中在0.1～1.0 μm(图5(b)),孔喉半径大、连通性好,代表典型的优质储层类型;Ⅱ类压汞曲线为中排驱压力-中喉型,压汞曲线呈缓坡状,排驱压力相对较低,中值压力较小,中等歪度,分选较好(图5(a)),孔径分布在0.01～1.00 μm(图5(c)),具备该类压汞曲线特征的储层具有孔喉较大、孔喉连通性较好的特征,代表较好的储层类型;Ⅲ类压汞曲线为中排驱压力-细喉型,压汞曲线呈陡坡状,排驱压力相对较高,中值压力较大,细歪度,分选差(图5(a)),孔径分布于0.003～1.000 μm(图5(d)),孔喉较细、连通性较差,代表较差储层;Ⅳ类压汞曲线为高排驱压力-细喉型,压汞曲线呈先陡后缓的形态,排驱压力相对较高,中值压力大,细歪度,分选较好(图5(a)),孔径集中分布在0.003～0.010 μm(图5(e)),具备该类压汞曲线特征的储层具有孔喉小、连通性差的特征,代表典型的差储层类型。

在此基础上,分不同岩相单元对孔隙结构特征进行统计分析。研究发现:交错层理中粗砂岩相主要发育Ⅰ类压汞曲线,孔径分布呈单峰状,集中在0.4～5.0 μm(图6(a)),其排驱压力最小,孔隙度、渗透率及进汞饱和度大,平均值分别为9.32%、0.91×10-3μm2和89.53%(表2), 整体粒度粗,孔喉非均质性弱,连通性好,为优质孔隙结构发育的岩相类型;块状层理中粗砂岩相主要发育Ⅰ类和Ⅱ类压汞曲线,孔径分布呈双峰状,主要集中在0.01～0.04 μm及0.1～0.6 μm(图6(b)),此类岩相排驱压力较小,孔隙度、渗透率及进汞饱和度都较大,分别为8.53%、0.79×10-3μm2和88.28%(表2),孔喉非均质性较弱、连通性较好,也是较好孔隙结构发育的岩相类型;平行层理细砂岩相主要发育Ⅲ类压汞曲线,次为Ⅳ类压汞曲线,孔径分布较为分散,主要分布于0.01～1.00 μm(图6(c)),此类岩相排驱压力中等,孔隙度、渗透率及进汞饱和度都较小,分别为7.88%、0.45×10-3μm2和87.14%(表2),岩石粒度、孔喉非均质性及连通性中等,为发育中等孔隙结构的岩相类型;块状层理砾岩相主要发育Ⅲ类及Ⅳ类压汞曲线,孔径分布较为分散,主要分布于0.01～1.00 μm(图6(d)),其排驱压力较大,孔隙度、渗透率及进汞饱和度都较小,分别为6.45%、0.32×10-3μm2、84.39%(表2),整体粒度较细、孔喉非均质性较强、连通性较差,代表发育较差孔隙结构的岩相类型;波状层理/块状层理粉细砂岩相主要发育Ⅳ类压汞曲线,次为Ⅲ类孔隙结构,孔径主要分布于0.01～0.10 μm(图6(e)),排驱压力大,孔隙度、渗透率及进汞饱和度都最小,分别为4.36%、0.14×10-3μm2和83.41%(表2),岩石粒度最细、孔喉非均质性强、连通性差,代表发育差孔隙结构的岩相类型。

表2 不同岩相压汞参数特征

图6 不同岩相压汞及孔径分布曲线特征

3.3.3 基于分形理论的孔喉结构表征

为了定量表征孔隙结构的非均质特征,本次研究采用孔隙结构分形维数计算方法[15]:

lg(1-SHg)=(3-D)lgr-(3-D)lgrmax。

(1)

式中:SHg代表进汞饱和度,%;r代表孔喉半径,μm;rmax代表最大孔喉半径,μm;D代表分形维数。

当储层岩石孔隙结构的分形维数D越接近2时,岩石的孔隙结构越均匀,孔喉分选越好;当储层岩石孔隙结构的分形维数D越接近3时,岩石的孔隙结构非均质程度越强,岩石孔隙结构分选越差[16]。

基于式(1),在双对数坐标系中建立研究区致密砂岩样品分形维数拟合曲线(图7),从图中可以看出样品的分形维数拟合曲线具有明显的三段特征。通过分段线性回归确定各段趋势线的斜率,进而获得不同区间的分形维数,然后通过孔隙度加权的方法求取样品最终的分形维数DG,具体计算公式如下:

图7 不同岩相分形维数拟合曲线

(2)

式中:DG代表最终的分形维数;D1、D2和D3分别代表三段曲线的分形维数;Φ1、Φ2、Φ3分别为D1、D2和D3三段曲线所对应的孔隙度。

在分形维数计算的基础上,按不同岩相单元开展分形维数特征分析(图8),结果表明各岩相类型孔隙结构分形维数各有差异。交错层理中粗砂岩相分形维数(DG)小于2.65,平均为2.61,孔隙结构分选好,非均质性弱;块状层理中粗砂岩相分形维数(DG)介于2.6～2.69,平均为2.67,孔隙结构非均质性较弱;平行层理细砂岩相分形维数(DG)介于2.72～2.76,平均为2.71,孔隙结构非均质性中等;块状层理砾岩相分形维数(DG)介于2.73～2.8,平均为2.76,孔隙结构非均质性较强;波状层理/块状层理粉细砂岩相(DG)介于2.75～2.85,平均为2.79,孔隙结构分选差,非均质性强。

图8 不同岩相的分形维数分布特征

4 基于岩相的储层综合分类评价及模式总结

4.1 基于岩相约束的储层分类评价标准

在明确了储层基本特征的条件下,基于岩相的约束,通过物性、孔隙结构类型、高压压汞孔隙结构参数及分形维数等参数对盒8下亚段储层进行综合分类评价,将研究区储层分为4类(表3):Ⅰ类储层主要发育交错层理中粗砂岩相及块状层理中粗砂岩相,孔隙类型以粒间溶孔、粒内溶孔为主,孔渗好,排驱压力及中值压力小,孔径大,进汞饱和度大,储层连通性好,分形维数小于2.65,孔隙结构非均质弱,为研究区的优质储层。Ⅱ类储层主要发育块状层理中粗砂岩相及平行层理细砂岩相,孔隙类型以粒内溶孔、晶间孔为主,物性较好,排驱压力及中值压力较小,孔径较大,储层连通性较好,分形维数介于2.65～2.70,孔隙结构非均质较弱,储层质量较好。Ⅲ类储层主要发育平行层理细砂岩相及块状层理砾岩相,孔隙类型以粒间溶孔、晶间孔为主,物性较差,排驱压力及中值压力较大,孔径较小,储层连通性较差,分形维数介于2.7～2.75,孔隙结构非均质较强,储层质量较差。Ⅳ类储层主要发育块状层理砾岩相及波状层理/块状层理粉细砂岩相,孔隙类型以粒间溶孔、晶间孔为主,物性差,排驱压力及中值压力大,孔径小,储层连通性差,分形维数大于2.75,孔隙结构非均质强,为差储层。

表3 盒8下亚段储层综合分类评价

4.2 单井分类评价及模式总结

在明确岩相分类及其约束的储层分类之后,开展单井储层分类解释,并在此基础上总结不同储层类型的组合模式。通过分析发现,研究区发育递变型、厚层交互型、薄层频繁交互型、厚薄相间型4种储层组合模式(图9)。

图9 单井储层组合模式

递变型自下而上储层类型依此变差,整体呈现递变规律(图9(a))。下部水动力强,沉积物颗粒较粗,储层较好,以Ⅰ类储层为主;向上随着粒度变细储层变差,在中部以Ⅱ类储层为主;顶部以细-粉砂质沉积物为主,储层较差,以Ⅲ类储层为主。

厚层交互型整体呈现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类储层互层的特征,表明沉积水动力变化相对不频繁,单一类型储层厚度相对较大,无明显递变规律(图9(b))。

薄层频繁交互型整体同样为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类储层交互出现,由于沉积水动力变化频繁,导致单一类型储层厚度相对较薄,无明显递变规律(图9(c))。

厚薄相间型储层整体较差,沉积水动力变化相对频繁,Ⅰ类、Ⅱ类储层多以薄层出现,Ⅲ类、Ⅳ类储层厚度相对较大,无明显递变规律(图9(d))。

5 结 论

(1)研究区目的层主要发育块状层理砾岩相、块状层理中粗砂岩相、交错层理中粗砂岩相、平行层理细砂岩相、波状层理/块状层理粉细砂岩相、水平层理/块状层理泥岩相6种岩相类型。

(2)不同岩相类型对应的储层特征存在差异,从交错层理中粗砂岩相、块状层理中粗砂岩相、平行层理细砂岩相、块状层理砾岩相到波状层理/块状层理粉细砂岩相储层,孔喉连通性逐渐减弱,孔隙结构分选变差、非均质性增强。

(3)基于岩相约束,通过物性、高压压汞孔隙结构参数、分形维数及主要孔隙类型等参数将盒8下亚段储层划分为4类,从Ⅰ类储层到Ⅳ类储层,孔喉半径逐渐变小、连通性逐渐变差、孔隙结构非均质逐渐变强,整体储层品质逐渐变差。

(4)在明确储层分类标准的基础上,总结出递变型、厚层交互型、薄层频繁交互型、厚薄相间型4种储层组合模式。