碳酸盐岩储层的主要影响因素.pdf

ISSN 100922722CN3721118/P海洋地质动态Marine Geology Letters第26卷第4期Vol 26 No 4文章编号:100922722(2010)0420019207碳酸盐岩储层的主要影响因素陈金勇,李振鹏(山东科技大学地质科学与工程学院,青岛266510)摘 要:我国的碳酸盐岩形成时间早,埋藏深,沉积环境多样,经历构造演化期次多,成岩演化复杂,非均质性强,而影响碳酸盐岩储层的因素各有不同。结合前人研究成果,我们认为影响碳酸盐岩储层的主要因素有4个:岩性、沉积环境、成岩作用和构造作用,其中成岩作用又分为建设性成岩作用、破坏性成岩作用和复合性成岩作用。建设性成岩作用主要指白云岩化、古岩溶、溶蚀、破裂;破坏性成岩作用主要指胶结、充填、压实(溶)、去白云化;复合性成岩作用主要指重结晶、交代、泥晶化等。碳酸盐岩储层是岩性、沉积环境、成岩作用和构造作用相互叠加的产物。关键词:岩性;沉积环境;成岩作用;构造作用;主要影响因素;碳酸盐岩储层中图分类号:P618.21 文献标识码:A 碳酸盐岩作为油气藏的重要储集层,蕴藏着非常丰富的油气资源。据统计,世界碳酸盐岩储层的油气产量约占油气总产量的60%,储量的47%。与国外相比,中国碳酸盐岩储层受到大陆板块和盆地沉积条件控制,储层埋深大(4 000m),普遍经历了多旋回发育和多次构造运动,地质条件复杂123。现在世界上已查明以碳酸盐岩为主要烃源岩的含油气盆地20多个,我国也有近300104km2的碳酸盐岩分布4。1 碳酸盐岩储层的类型1972年Jodry根据孔隙结构与岩石类型相互关系对碳酸盐岩进行了分类评价,将西威利斯顿盆地密西西比系碳酸盐岩划分为4类,即非储集岩、差的储集岩、中等储集岩、好的储集岩。1995年冯福凯依据碳酸盐岩所经历的演化历史及其主要地质因素将其划分为5种成因类型,如粒屑滩(礁)型、白云石化 生物礁型、溶蚀孔洞白云(灰)岩型、古风化溶蚀型、裂缝型。范嘉松5将收稿日期:2009212203作者简介:陈金勇(1984),男,硕士,从事盆地分析与资源评价方面的研究.Email:jinyong20060309 世界碳酸盐岩储层划分为6种类型:不整合面之下的储层;白云岩;鲕粒和团粒浅滩;生物礁;微孔隙;微裂缝(表1)。2 碳酸盐岩储层的主要影响碳酸盐岩储层发育的因素主要包括岩性、沉积环境、成岩作用、构造作用等。夏义平等6对塔里木盆地轮南地区下奥陶系碳酸盐岩储层的发育控制因素研究后发现储层储集性能主要受构造作用和成岩作用控制,与沉积环境没有直接联系。苏立萍等7对苏桥潜山带奥陶系碳酸盐岩裂缝 孔隙型储集层形成条件研究后发现,岩性和沉积环境是储集层发育的物质基础,岩溶水是储集层发育的外部条件,裂缝、断层对储集层发育具控制作用,表生岩溶体系控制埋藏岩溶带的展布。陶云光8对轮古西地区奥陶系碳酸盐岩储层特征研究认为,原生孔隙的发育是基础条件,构造运动产生的裂缝是促进岩溶发育、控制储层发育的关键因素,岩溶作用是储层发育的主要因素。2.1 岩性对碳酸盐岩储层的影响影响碳酸盐岩原生孔隙发育的主要因素是岩性和沉积环境9,10。碳酸盐岩的化学成分、矿物Marine Geology Letters 海洋地质动态 2010年4月 表1 碳酸盐岩储层的分类(据文献5)Table 1The classification of carbonate reservoirs碳酸盐岩储层类型孔隙类型成因代表性实例不整合面之下的储层内模孔隙、孔洞、受溶解增大的裂缝、角砾孔隙近地表的白云石化或溶解作用、裂缝、角砾孔隙阿曼的费胡德(Fahud)油田、鄂尔多斯盆地等白云岩储层晶间孔隙、粒间孔隙、内模孔隙、孔洞准同生白云岩化作用、深埋藏白云石化作用等形成的白云石川东二叠纪生物礁的白云岩储层、美国西部特拉华(Delaware)盆地等鲕粒和团粒浅滩储层粒间孔隙、内模孔隙、孔洞原生粒间孔隙或颗粒被溶解而成的内模孔隙沙特阿拉伯、阿联酋上侏罗统阿拉伯(Arab)组等生物礁储层生长骨架孔隙、受溶解作用增大的孔隙骨架之间的原始孔隙、礁前角砾之间的孔隙墨西哥白垩纪厚壳蛤(Rudist)礁、阿联酋布哈萨生物礁油田等微孔隙储层粒间孔隙在灰泥沉积稳定期生成的微方解石之间的孔隙阿联酋早白垩世萨马马群的北海油田等微裂缝储层裂缝、微裂缝受挤压力而产生的张性裂缝伊朗渐新世到晚第三纪的阿斯马力石灰岩(Asmari limestone)等成分和岩石的结构及岩石组合等对岩溶发育速度、发育程度和发育特征都具有明显的影响11。在常温状态含高浓度的碳酸水(或Pco2较大)介质条件下,灰岩比白云岩的溶蚀速度大,其溶蚀速度随方解石的含量增加而增大,但在含一定量SO2-4的高浓度碳酸水介质条件下,对白云岩的溶蚀速度的影响大于灰岩。对于微晶灰岩、泥质灰岩,虽然它们的方解石含量高,CaCO3的溶解度大,但它们结构细、孔隙小,不利于地下水的渗透溶蚀。可见对于不同的岩性,成岩作用对其影响也不一样,比如压实作用对颗粒灰岩、白云岩影响很小,而对泥灰岩等细粒岩石的影响就比较大12。在白云岩中,白云石化作用使孔隙度增大,孔隙类型增多,增加了可溶岩的溶解速度和含水性,因溶蚀分解和物理崩塌而产生白云岩整体岩溶化作用,其岩溶化强度并不比灰岩弱,尤其是潮坪及潮上坪环境中形成的含膏质微晶 粉晶白云岩。在白云岩储层中,MgO的含量也是影响储层物性的重要影响因素之一13。另外,影响岩石裂缝发育的因素包括岩石类型、温度、有效区域压力和应变率,而在相同的区域压力、温度和孔隙压力条件下,白云岩断裂前允许的应变百分比较石灰岩低得多10,即与石灰岩相比,白云岩更易发生破裂,形成裂缝。因此,在地下深处,有效的开放裂缝系统在白云岩中比石灰岩中更容易形成,因而随埋藏深度增加,白云岩储集性能明显优于石灰岩。2.2 沉积环境对碳酸盐岩储层的影响虽然各种环境中沉积的碳酸盐岩都有可能由于沉积的和成岩的影响而成为储集岩,但不同相的碳酸盐岩成为储集岩的潜力却不相同,储层的孔隙特征也不一样10。也就是说,沉积环境对碳酸盐岩储层的发育具有重要的控制作用,储层储集条件的好坏及后期变化均与沉积物类型和沉积环境有明显关系14。同时,岩性是受沉积环境控制的,碳酸盐沉积物中,原生孔隙网络主要取决于沉积环境中动能的高低15。水动力能量较强或有利于生物繁殖环境的碳酸盐岩原生孔隙较发育,如高能浅滩相及岸滩相沉积环境,各种颗粒云岩和藻云岩发育,有利于形成良好的储层。水动力能量低的深湖 半深湖环境微晶或隐晶石灰岩发育,晶间孔隙小,生物少,不能产生较多的有机酸和CO2,因此在沉积时期和成岩阶段都不利于形成孔隙型储层。图1概括了沉积环境与储集岩主要特征之间的关系,包括正常碳酸盐沉积物及其伴生沉积物、可能的储层形态、颗粒大小的相对含量、主要孔隙类型相对丰度等。其中沉积环境02 第26卷 第4期 陈金勇,等:碳酸盐岩储层的主要影响因素包括近滨、滨岸平原、台地内部、台地边缘、台地斜坡或礁前和半深水到深水盆地。近滨沉积物粒度中 细,以粒间孔为主,常发生白云石化而发育微型溶孔和细小粒间孔。白云化的或破裂的藻席纹层或滨线砂质沉积常形成良好储层。局限台地沉积物通常是低能灰泥,在局限台地细结构低能沉积中,有时可发育白垩孔隙,但除非发生白云石化,一般不形成有效储层。开阔台地沉积颗粒大小变化很大,可发育小到大的溶孔,但以粒间和晶间孔为主,储层成层性较好,垂向上储层间连通性较差,水平渗透率局部可以很高。台地边缘以高能、搅动环境沉积的骨骼碎屑或鲕粒构成的灰砂浅滩为特征。沉积物粒度粗 中,因高能环境中细粒物质被淘洗掉,储层为条带状,通常较厚,溶孔、粒内、粒间孔隙发育。储集岩成层性较差,但水平和垂直渗透率都可以很好。台地斜坡和礁前(前斜坡)沉积物类型变化大,很大程度上取决于斜坡陡度和台地边缘性质。在不同条件下可形成斜坡塌积、灰砂、灰泥、泥丘和塔礁沉积。般由台地边缘向盆地方向沉积物粒度逐渐变细,因而孔隙度、渗透率也逐渐降低。斜坡上的生物礁面积小,但厚度大,可成为极好储层。盆地的碳酸盐岩通常为细的灰泥岩,不能成为储集岩,但却是良好的生油岩。特殊情况下,巨厚的白垩沉积可以成为储层。淹没台地储层的意义在于大型环礁的发育,典型的沉积环境是礁内泻湖,主要沉积成层性好的局限相灰泥,局部发育的灰沙滩可构成垂向连通性差的不连续的储层,边缘礁体主要由生物骨架和伴生的礁碎屑组成。可形成厚层状具良好侧向和垂向连通性的储层。应该强调的是,上述简单模式在地下很少存在。2.3 成岩作用对碳酸盐岩储层的影响近年来,成岩作用和构造作用越来越被确认是碳酸盐岩储层的重要因素17。许多大型油气藏都与碳酸盐岩储层的埋藏成岩作用有关18,即在埋藏成岩过程中储集空间将受到成岩作用的改造。成岩作用既可以促进次生孔隙的发育,又可图1 碳酸盐岩储层特征概要(据文献16)Fig.1Summary of carbonate reservoir characteristics(after reference16)12Marine Geology Letters 海洋地质动态 2010年4月 破坏原生孔隙,使原生孔隙分布发生变化,甚至变得面目全非19221(图2)。因此,按对储层储集的影响主要划分为3种类型:建设性成岩作用、破坏性成岩作用及复合性成岩作用。建设性成岩作用主要有白云岩化作用、古岩溶作用、溶蚀作用、破裂作用;破坏性成岩作用主要有胶结作用、充填作用、压实(溶)作用、去白云岩化作用;复合性成岩作用主要有重结晶作用、交代作用、泥晶化作用。图2 各类碳酸盐岩沉积孔隙与埋藏深度的相关性Fig.2Correlation between porosity and burial depthin various types of carbonate rocks2.3.1 白云岩化作用白云岩化作用形成大量的晶间孔、晶间隙,不仅改善了储集性能,并为以后的溶蚀作用创造了条件22。白云石化作用的机理很多,如准同生白云石化、回流渗透白云石化、混合白云石化、调整白云石化和埋藏白云石化等成因模式。一般来说,石灰岩被白云石化作用以后,晶粒增大,岩性变疏松,孔隙度和渗透率大为增加11。此外,岩石原生孔隙度是成岩白云岩储层形成的必要条件23。2.3.2 古岩溶作用古岩溶作用使储层物性进一步提高,对油气储层的改造具有积极的意义,可形成优质的碳酸盐岩岩溶储层。据罗平等24研究,岩溶储层受构造运动控制,对应于3种岩溶阶段,形成3种大的类型(图3)。整体抬升型:岩溶地貌高差小,岩溶储层分布面积广,但储层较薄,呈层状,处于岩溶老年期,如鄂尔多斯盆地、四川盆地;挤压隆升型:岩溶沿断裂展布,地貌高差大,储层厚度大,形成非均质性强的缝洞单元储集体,处于岩溶壮年期,如塔里木盆地塔北地区;伸展断块型:单个断块面积小,岩溶储层厚度大,暴露和隐伏岩溶都可形成优质储层,处于岩溶的青年期,如渤海湾盆地。A 整体抬升型,岩溶储层分布面积广,但厚度薄;B 挤压隆起型,岩溶储层分布面积较广,储层厚度大;C 拉张断块翘倾型,单个断块面积小,岩溶储层厚度较大,暴露型和埋藏型均可发育岩溶储层。图3 风化壳岩溶储层模式(据文献24)Fig.3Patterns of karst weathering crust reservoir22 第26卷 第4期 陈金勇,等:碳酸盐岩储层的主要影响因素2.3.3 胶结及充填作用胶结作用是一种孔隙水的物理化学和生物化学的沉淀作用,作用的结果把松散的沉积物颗粒转变为固结的坚硬岩石。胶结与充填常常相互伴生,胶结作用主要发生在海底及浅地表大气淡水成岩环境,可以使沉积物中的原生孔隙及早期溶蚀孔隙全被充填,造成碳酸盐岩孔隙度的降低,对储层储集空间具有破坏作用12。2.3.4 压实及压溶作用压实作用使岩石颗粒发生变形,颗粒或晶粒呈镶嵌状接触,储层变得更加致密,导致储集层原生孔隙减少。压溶作用是压实作用的继续和发展,最明显的组构是各种形态的缝合线发育,也同样使岩石变得更加致密22。因此,压实和压溶作用是原始沉积物孔隙度大幅度下降的重要因素25。2.3.5 重结晶作用重结晶作用对储层物性的影响具有两面性20。它能导致矿物晶体的大小和形状发生变化,使矿物晶体结构变粗,晶间空隙增大,有利于改善储层的储集空间12。但是,如果重结晶过甚,晶体继续增大,晶粒镶嵌,晶间孔变小,喉道变窄,孔隙度和渗透率反而会降低。此外,结晶形成的石灰岩更容易发生溶解,形成溶蚀孔隙15。2.3.6 其他的成岩作用溶蚀作用为储层提供各种溶蚀孔、缝隙,自早期同生成岩期的大气淡水阶段到晚期成岩期或表生成岩期都可发生25。破裂作用具有促进岩溶作用发育的特点,可形成良好的油气储集空间。去白云化作用对储集空间会形成不良的影响22。在交代作用过程中,岩石会发生体积变化,因而会造成碳酸盐岩孔隙度的增加或降低。泥晶化作用25是湖底成岩环境的标志。一些藻类、真菌和钻孔生物附着在这些碳酸盐颗粒表面,同时分泌植物酸,这种作用可使碳酸盐颗粒外表形成泥晶套,对储层物性的影响具有两面性。2.4 构造作用对碳酸盐岩储层的影响 对于碳酸盐岩储层而言,构造作用对储层的影响和改造作用是显而易见的,受构造运动的影响碳酸盐岩储层常常会伴生大量的裂缝发育,对储层进行改善或者将非储层改造为有利于油气运移的通道或油气储集的场所12。构造运动会产生各种断裂,裂缝等,形成沉积间断面和不整合面,断裂活动不但进一步导致碳酸盐岩裂缝的发育,而且也能促使热液白云岩的形成26。而碳酸盐岩油气田也一般是沿着断裂带、裂缝带和不整面等分布4,如阿曼费胡德(Fahud)油田储层和较好的油气层分布明显与不整合面有关(图4)。可见,断裂裂缝发育带控制碳酸盐岩岩性地层油气田的分布和富集3。此外,构造作用也对古岩溶具有促进和控制作用。构造运动,特别是断层、裂缝为古岩溶作用提供了地下水的渗透和运移的空间。构造运动形成的断裂主要起垂向运移作用,不整合面主要起侧向运移作用,从而组成一个良好的岩溶系统,使岩溶分布具有垂向分带、侧向连片的特征3,27(图5)。因此,古岩溶在沉积间断面和不整合面附近极为发育。由此可见,构造作用对碳酸盐岩储集空间的形成和演化也具有非常重要的意义。3 结论通过对碳酸盐岩储层的研究和分析,归纳出其主要的影响因素有岩性、沉积环境、成岩作用和构造作用,其中成岩作用又分为建设性成岩作用、破坏性成岩作用和复合性成岩作用。碳酸盐岩储层特征是岩性、沉积环境、多种成岩作用和构造活动等多因素控制的综合结果,即碳酸盐岩储层通常是岩性、沉积环境、成岩作用和构造作用相互叠加的产物。一般来说,碳酸盐岩都经过复杂的成岩历史、各种各样的成岩作用以及复杂的构造活动,所以,研究碳酸盐岩储层,就要从各个地区的实际地质情况着手,结合各种影响因素来综合分析和解决问题。32Marine Geology Letters 海洋地质动态 2010年4月 图4 阿曼费胡德(Fahud)油田储盖层分布(据Alsharhan和N airn,1997)Fig.4Distribution of reservoir and cap rocks in the Fahud oil field图5 塔里木盆地雅克拉地区断裂与不整合面共同控制岩溶发育带的分布(据李振宏等,2003)Fig.5Both faults and unconformities control the distribution of karst zones in Yakela area,Tarim basin参考文献:1 刘大伟,康毅力,雷 鸣,等.保护碳酸盐岩储层屏蔽暂堵技术研究进展J.钻井液与完井液,2008,25(5):57261.2 金之钧.中国海相碳酸盐岩层系油气勘探特殊性问题J.地学前缘,2005,12(3):15222.3Zou C N,Tao S Z.Major factors controlling the formationof middle and large marine carbonate stratigraphic fieldsJ.Chinese Science Bulletin,2007,52:44253.4 吕修祥,金之钧.碳酸盐岩油气田分布规律J.石油学报,2000,21(3):8212.5 范嘉松.世界碳酸盐岩油气田的储层特征及其成藏的主要控制因素J.地学前缘,2005,12(3):232306 夏义平,柴桂林,汪昌贵,等.塔里木盆地轮南地区下奥陶统碳酸盐岩储层的控制因素分析J.现代地质,2000,14(2):1852190.7 苏立萍,罗 平,胡社荣,等.苏桥潜山带奥陶系碳酸盐岩储集层研究J.石油勘探与开发,2003,306):54257.8 陶云光.轮古西地区奥陶系碳酸盐岩储层特征研究J.天然气工业,2007,27(2):20222.9 朱宏权,徐宏节.鄂尔多斯盆地北部上古生界储层物性影响因素J.成都理工大学学报(自然科学版),2005,32(2):42 第26卷 第4期 陈金勇,等:碳酸盐岩储层的主要影响因素1332137.10 强子同.碳酸盐岩储层地质学 M.东营:石油大学出版社,1998:17235.11 马永生,梅冥相,等.碳酸盐岩储层沉积学M.北京:地质出版社,1999:2182229.12 蒋有录,查 明.石油天然气地质与勘探 M.北京:石油工业出版社,2007:1162124.13 成永生.渤海湾盆地南堡凹陷周边地区寒武 奥陶系碳酸盐岩储层研究D.长沙:中南大学,2008.14 赵文智,张光亚,何海清,等.中国海相石油地质与叠合含油气盆地M.北京:地质出版社,2002.15 盛世锋.商河油田中南部沙一段碳酸盐岩储层研究D.东营:中国石油大学,2007.16Jardine D,Wilshart J W.Carbonate reservoir descriptionC/Reservoir 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OFCARBONATE ROCK RESERVOIRSCHEN Jin2yong,LI Zhen2peng(College of Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)Abstract:Comparatively,Chinas carbonate rocks formed earlier,were buried more deeply,and hadvarious sedimentary environments,multiple tectonic evolution episodes,complicated diagenesis evolu2tions and strong heterogeneity.There are different factors affecting carbonate rock reservoirs.Basedupon previous study results,the authors suggest that there are four major factors controlling carbon2ate rock reservoirs:lithologic characters,sedimentary environment,diagenesis and tectonics.Amongthem,diagenesis can be further divided into constructive diagenesis,destructive diagenesis and com2posite diagenesis.The constructive diagenesis mainly means dolomitization,ancient karst,corrosionand breaking2up;the destructive diagenesis mainly means cementation,filling2up,consolidation anddedolomitization;and the composite diagenesis mainly means recrystallization,metasomatism and mic2ritization.Carbonate rock reservoirs are products from lithologic characters,sedimentary environ2ment,diagenesis and tectonics.Key words:sedimentary environment;diagenesis;tectonics;major controlling factors;carbonate rockreservoir52