浅析不同埋深条件下砂泥岩互层中砂岩储层物性变化规律

2022-09-10

1 引言

当前, 人们在评价砂岩储层时, 通常会将砂层当作一个整体, 对其孔隙演化、成岩作用及物性特征等展开讨论, 而较少注意砂岩内部与砂泥岩界面附近间所存在的无性差异, 而且对界面至砂层内部所存在的物性变化规律也了解不深, 甚至是较少去研究与剖析此种变化的机理。本文根据既往已有研究结果, 结合笔者自身认识, 以某坳陷为例, 剖析不同砂泥岩组合方式与埋藏深度下, 砂岩内部以及砂泥岩界面附近储层的物性变化规律。

2 砂泥岩互层的基本组合类型分析

(1) 泥夹砂组合型。针对此种组合类型而言, 泥岩在整个地层剖面中占据着较大部分, 砂/泥岩的厚度处于变化中 (处于0.1~0.5内) , 砂岩主要是泥质粉砂岩与粉砂岩, 较薄, 通常小于0.2m, 但有时也会大于1m。依据砂岩厚度有三类划分, 分别为厚层泥岩夹中-厚层砂岩、厚层泥岩夹中-薄层砂岩与巨厚泥岩夹极薄层砂岩, 另外, 针对砂岩百分含量而言, 其依次呈现出递减趋向, 此种类型以三角洲环境较为多见。 (2) 上泥下砂型。针对此种组合类型而言, 大套厚层泥岩为其上部, 而多层中-薄层砂岩为其下部, 或者下部是厚层砂岩夹薄层泥岩, 砂岩的厚度区间为1~5m, 从总体上来讲, 砂/泥岩的厚度比值一般为0.5~0.8, 但是, 针对下部砂岩而言, 砂泥比均大于1。深-半深湖浊积砂岩体的相应上侧, 为此种组合类型的形成区域。 (3) 下泥上砂型。此种组合类型和第二类基本相同, 均为镜像关系。在砂/泥岩厚度比上较相近, 砂岩厚度基本相同, 不同之处仅为砂泥岩叠置样式。此种组合类型以深-半深湖浊积砂岩体下侧处较多见。 (4) 砂泥互层型。针对此种组合类型而言, 泥岩与砂岩具有基本相同的厚度, 砂/泥岩厚度比值区间0.7~1.2, 砂、泥岩厚度区间0.2~0.5m;有时是中-厚层互层, 砂泥岩厚约0.4~2.0m。此类型以滨浅湖环境较为多见。 (5) 砂夹泥层。砂岩中-厚层状, 单层的厚度约为2~5m, 泥岩通常小于1m, 而砂/泥岩厚比值大于1.5, 占据主导地位的是砂岩, 以河流、三角洲前缘水下分流河道较为多见。

3 砂泥岩互层储层的基本物性特征

某坳陷 (见图1) 有凹陷永116井、沾化凹陷义3-7-7井、凹陷盘45井及河155井与史102井等井, 通过深入研究得知, 不同的砂泥岩组合类型与埋藏深度, 砂泥岩界面附近储层有着差异性的物性特征:

(1) 若为浅埋藏条件, 即埋藏深度小于2500m, 则各种砂泥岩组合类型对于内部储层物性以及砂泥岩界面均具有不大的影响, 基本上均为砂泥岩界面附近物性相比砂层中部, 均偏好。比如凹陷盘45井, 砂泥岩界面周围孔隙度大于30%, 通常为27~34%, 而对于中部而言, 通常为24~27%, 另外, 界面向砂岩内, 其孔隙度呈现出逐渐降低趋向。经镜下观察得知, 此些碳酸盐均为方解石胶结物 (形成于成岩早期) , 孔隙多为溶蚀孔隙。由此现象可知, 对于较浅埋藏的地质条件, 砂岩界面周围的溶蚀作用, 相比于砂岩中部, 明显强于后者。

(2) 对于较大埋深的地质剖面 (大于2500m) , 比如沾化凹陷义3-7-7等井, 在储层性质方面, 不同于上述情况。如3-7-7井, 当砂泥岩剖面为非常厚的泥岩夹极薄层砂岩 (小于20cm) , 那么砂岩会具有非常低的渗透率, 而孔隙度也较低, 一般情况下, 孔隙度仅为5%, 而渗透率小于10×10-3μm2, 如3070~3100m的井段, 通过镜下观察得知, 砂岩孔隙并未发育, 全部孔隙均填充的是晚期含铁方解石与早期的方解石。在显微镜下 (阴极发光型) 早期、晚期方解石分别呈橙黄色与暗红色。若砂岩厚度增至中-厚层时, 砂岩层内部物性开始有变化, 而中层物性与砂泥岩界面附近物性相比, 更好且更加稳定。若埋深处于3000~3500m时, 其中部孔隙度通常处于17%, 并且向泥岩界面方向, 其孔隙度呈现出逐年降低趋向, 从中部的17%下降到9%, 与砂泥岩界面越近, 则其孔隙度便越低。自砂泥岩界面至砂层内部, 物性呈现出不断变好状态, 当至中部某一特定位置时, 便会呈现稳定状态, 在此过程间, 即为物性过渡带。若砂层的厚度维持在2m时, 过渡带的厚度为0.3m, 若砂层厚度为7m, 则过渡带厚度为1.7m, 由此表明, 过渡带厚度始终为砂层厚度的1/5~1/4之间。若为下泥上砂或上泥下砂的砂泥岩组合类型, 那么在与厚层泥岩接触处一侧的砂岩, 其物性显著变差, 当处于3200~3300m埋深条件时, 对于孔隙度而言, 其自砂岩层中部的20%, 会降至砂泥岩界面处的5%。当砂层的厚度为7m, 过渡带的厚度为1.6m;当前者厚度为8m, 后者约为1.7m。当将此低孔低渗带越过之后, 向砂岩层内部的物性会逐渐变好。若为砂泥薄-中等互层的砂泥岩组合类型时, 当处于3100m埋深条件, 砂泥岩界面附近物性相比于内部, 仍然较差, 中间有着物性过渡带, 此外, 伴随砂岩单层厚度的逐渐降低, 泥岩厚度的比例呈现越发增加的状态, 而其物性则持续变差。

4 互层砂泥岩储层的基本物性变化机理

本文依据既往对该地区砂岩成岩作用及岩石学特征的研究结论, 经分类、汇总, 得出该地区砂岩多为岩屑长石砂岩与长石岩屑砂岩, 若埋深不足800m, 则砂岩当中的孔隙即为原生粒间孔隙 (压实后残余) ;若埋深处于800~1650m之间, 因碳酸盐与少量黏土矿物间存在一定的胶结作用, 孔隙会从之前的压实剩余粒间孔, 逐渐成为压实胶结剩余粒间孔;若果埋深处于650~2500m, 因泥岩中充斥的有机质呈持续成熟状态, 会生成许多有机酸, 在砂岩中, 经溶蚀作用, 会产生许多次生孔隙;若埋深大于2500m, 因晚期状态的黏土、碳酸盐胶结作用, 会持续减小砂岩孔隙度。所以, 若砂泥岩埋藏小于800m, 那么泥岩当中的黏土矿物多为蒙脱石, 此石实为一种2∶1型层状铝硅酸盐矿物, 由一个八面体层与二个四面体层组成, 在层层间, 含大量可交换型阳离子 (Fe3+、Ca2+等) 与层间水, 当处于浅埋藏条件时, 受压实作用的影响, 格架的抗压能力相比长石、石英等, 要小于后者, 因此, 泥岩孔隙流体的压力相比砂岩, 要大于后者, 受此影响, 于砂泥岩界面位置, 会出现泥岩中压实流体流向砂岩的情况。在此时期, 自泥岩外流的流体, 多为孔隙水, 不会较大程度影响到孔隙演化与砂岩的成岩作用。在砂岩当中, 往往有着较大孔隙, 另外, 还多为原生粒间孔, 孔隙内较少沉淀有自生矿物。

伴随埋藏深度的持续增加, 若埋深达800~1650m时, 古地温为60~75℃时, 那么泥岩当中的蒙脱石, 便会从起初的混层物相, 逐渐转化为无序混层物相, 并且有少量层间水脱出, 此外, 一些Ca2+与此些层间水会一并流入邻近砂岩, 最终形成早期方解石胶结。针对混层物相混层比而言, 其约占50%~70%。如果泥岩当中有有机质, 那么这些有机质正处在半成熟状态。此期间, 砂岩内多为早期方解石胶结, 能够查知并不显著的石英次生加大, 而在砂岩边部或中部, 其具有并不明显的流体-岩石相互作用。所以, 针对砂层边部与中部的物性而言, 特性基本相同。若砂泥岩剖面埋藏深度为1650~2500m时, 古地温处于75~120℃区间内, 此时, 易出现较大变化, 首先, 针对泥岩当中的黏土矿物而言, 会快速转化, 也就是说, 蒙脱石开始快速转化为混层矿物, 形成有序混层矿物或部分有序矿物, 此外, 混层比也发生改变, 从起初的50%, 快速将至20%, 在此期间内, 由于黏土矿物发生转化, 会脱出的许多层间水与一些Fe3+;在此阶段, 如果泥岩当中含有大量有机质, 那么因温度的影响 (热催化) , 以及在Fe3+持续无机氧化的作用下, 脱羧, 形成许多CO2与有机酸, 此些有机酸与CO2, 与脱出的层间水混合, 进至邻近砂岩, 促使部分长石、粒间碳酸盐胶结物, 产生强烈的溶蚀作用, 与砂泥岩界面较接近的部位, 因长期接触酸性流体, 因此, 有着较大的溶蚀程度, 当孔隙越加发育, 则具有越好的物性;而对于与界面较远的部位, 因溶蚀不强, 因此物性较差。若藏深超过2500m, 此时泥岩当中的黏土矿物, 多为混层矿物 (混层比较低) 与不多的蒙脱石, 此时期, 混层矿物会加速转化为伊利石, 转化中释放Mg2+、Fe2+、Na+、Si4+等。在此时期, 黏土矿物经转化而形成的流体, 多进行沉淀作用, 所以, 在与泥岩较接近的砂泥岩界面处, 当碳酸盐胶结表现越强, 那么会具有越差的物性。

5 结语

综上所述, 砂泥岩剖面架构中, 互层的泥岩与砂岩, 实为一个相对统一且完备的地质整体, 两者所处地质背景相同, 在小于2500m的埋藏深度条件下, 因泥岩内外排的是富含有机酸且低矿化度的流体, 因此, 邻近泥岩的砂岩界面周围, 溶蚀作用较强, 所以物性相比砂岩内部, 要明显偏好, 而大于2500m埋藏时, 外排物多沉淀, 使得砂泥岩界面周围胶结作用, 相比内部, 明显偏强, 所以, 砂泥岩界面附近的物性差于砂岩内部。至此, 在对砂岩孔隙特征与成岩演化进行研究与剖析时, 需注重砂岩接触泥岩成岩的基本特点, 在不同的砂泥岩组合类型、埋藏深度情况下, 距砂泥岩界面的位置不同的砂岩, 其物性特征及孔隙演化历史存在差异性。

摘要：在不同埋深条件下, 砂泥岩组合方式会对砂泥岩界面附近储层特性产生直接影响。本文基于此状况, 首先简要分析了砂泥岩互层的组合类型, 剖析了砂泥岩互层储层的物性特征, 探讨了互层砂泥岩储层的物性变化机理, 最后指出在不同的砂泥岩组合类型、埋藏深度下, 砂岩距砂泥岩界面的位置不同, 其孔隙演化历史、物性特征会存在差异。

关键词：砂泥岩互层,砂岩储层,埋藏深度,物性变化规律