南华北盆地鹿邑凹陷上古生界煤系地层砂岩储层特征

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.102

现代地质 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (02): 373-384.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.102

南华北盆地鹿邑凹陷上古生界煤系地层砂岩储层特征

常海亮¹(), 杜春彦¹(), 张宏伟¹, 王宏伟², 祝朝辉¹, 陈敬轶³

1.河南省国土空间调查规划院,河南郑州 450053
2.华北理工大学轻工学院,河北唐山 064000
3.华北水利水电大学地球科学与工程学院,河南郑州 450046

收稿日期:2023-02-12 修回日期:2023-08-31 出版日期:2024-04-10 发布日期:2024-05-22
通讯作者: 杜春彦,女,正高级工程师,1972年出生,古生物学与地层学专业,主要从事地质勘查与规划研究工作。Email: chunyan1991@163.com。
作者简介:常海亮,男,高级工程师,1986年出生,沉积学专业,主要从事地质勘查与研究工作。Email: hlchang1986@qq.com。
基金资助:
河南省财政地质勘查基金项目(豫国土资发[2016]46号);河南省财政地质勘查基金项目(豫自然资发[2019]22号)

Sandstone Reservoir Characteristics of the Upper Paleozoic Coal-bearing Strata in Luyi Sag, Southern North China Basin

CHANG Hailiang¹(), DU Chunyan¹(), ZHANG Hongwei¹, WANG Hongwei², ZHU Chaohui¹, CHEN Jingyi³

1. Henan Provincial Land and Space Survey and Planning Institute, Zhengzhou, Henan 450053, China
2. Qinggong College, North China University of Science and Technology, Tangshan, Hebei 064000, China
3. College of Geosciences and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, Henan 450046, China

Received:2023-02-12 Revised:2023-08-31 Online:2024-04-10 Published:2024-05-22

摘要/Abstract

摘要：

鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层特征认识不清,制约该区天然气藏相关研究和勘探部署。本文综合运用岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜、压汞和声发射试验等分析方法查明砂岩储层特征,并阐释储层发育影响因素。结果表明,砂岩储层岩性以细-中粒、细粒岩屑石英砂岩为主,成岩作用类型多样,压实和胶结作用对储层破坏明显,溶解及破裂作用对储层贡献较大。储层属超低孔、超低渗的致密储层,储集空间类型以溶孔、晶间微孔、裂缝、少量剩余原生孔和铸模孔组合为主。孔隙结构分为3类,Ⅰ类的孔隙结构和物性最好,但发育规模小;Ⅱ类和Ⅲ类的发育规模大,但孔隙结构和物性差。储层发育受多种因素影响,构造背景决定其长期处于中-深埋藏环境;沉积微相控制其发育位置;压实作用导致储层原始孔隙度降低22.01%;多期次矿物胶结使储层更加致密化;含有机酸流体是促使不稳定组分溶解形成次生孔隙的主要因素;破裂作用极大程度地改善储层渗透性,但发育局限。该认识对煤系地层非常规天然气藏的研究具有促进作用,也可为鹿邑凹陷相关勘探工作的部署提供基础参考。

关键词: 储层特征, 致密化, 主控因素, 煤系地层, 鹿邑凹陷

Abstract:

Sandstone reservoir characteristics of the Upper Paleozoic coal-bearing strata in Luyi Sag are not yet clearly understood, and this hinders the relevant research and exploration deployment of natural gas in this area. In this study, we use analytical methods such as core observation, thin section identification, scanning electron microscopy, mercury intrusion testing, and acoustic emission testing to investigate the characteristics of sandstone reservoirs and further identify the factors affecting the reservoir development. The study results show that the sandstone reservoirs are dominated by fine and medium-grained and fine lithic quartz sandstone. There are various types of diagenesis, among which compaction and cementation are the ones mostly damaging the reservoirs, while dissolution and fracturing contribute more to the damaging. The reservoirs are tight ones with ultra-low porosity and ultra-low permeability, and the reservoir spaces are dominated by dissolved pores, intergranular micropores, fractures, with minor residual primary pores and mold pore. The reservoir pores can be divided into three categories based on the structures. Type I are good in structures and physical property, but with limited development; type Ⅱ and type Ⅲ are widely developed, but are poor in structures and physical properties. The reservoir development can be affected by many factors and the tectonic setting affecting the reservoirs are in a moderate-depth buried diagenetic environment for a long time; the sedimentary microfacies control its position of the development. The compaction reduces the primary porosity by 22.01%. The organic acid-bearing diagenetic fluids are the main factor promoting the dissolution of unstable components to form the secondary pores; fracturing greatly improves the reservoir permeability but its development scale is limited. This understanding is of great significance to the study of unconventional gas reservoirs in coal-bearing strata, and it provides a key reference for the deployment of relevant exploration in this area.

Key words: reservoir characteristics, densification, main controlling factor, coal-bearing stratc, Luyi sag

中图分类号:

常海亮, 杜春彦, 张宏伟, 王宏伟, 祝朝辉, 陈敬轶. 南华北盆地鹿邑凹陷上古生界煤系地层砂岩储层特征[J]. 现代地质, 2024, 38(02): 373-384.

CHANG Hailiang, DU Chunyan, ZHANG Hongwei, WANG Hongwei, ZHU Chaohui, CHEN Jingyi. Sandstone Reservoir Characteristics of the Upper Paleozoic Coal-bearing Strata in Luyi Sag, Southern North China Basin[J]. Geoscience, 2024, 38(02): 373-384.

图/表 8

图1 鹿邑凹陷位置(a)及基岩分布图(b)

Fig.1 Geologic sketch map of the study area (a) and bedrock distribution (b) in Luyi Sag

图2 鹿邑凹陷上古生界煤系地层柱状图(以LY1井为例)

Fig.2 Stratigraphic column of the Upper Paleozoic coal-bearing strata in Luyi Sag (taking the drilling well LY1 for an example)

图3 鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层储集空间类型及成岩作用特征 (a) 细-中粒岩屑石英砂岩,颗粒分选磨圆均较差,LY1井,3250.07 m,下石盒子组,正交偏光,铸体薄片;(b) 细粒岩屑砂岩,碎屑颗粒分选磨圆均较差,LY1井,3412.73 m,太原组,正交偏光,铸体薄片;(c) 含砾石英砂岩,LY1井,3249.62 m,下石盒子组,岩心;(d) 灰色细-中粒岩屑石英砂岩,碎屑颗粒呈线接触-凹凸接触关系,LY1井,3250.92 m,下石盒子组,单偏光,铸体薄片;(e) 中-细粒岩屑砂岩,云母碎片被挤压变形,LY1井,3255.25 m,下石盒子组,正交偏光,铸体薄片;(f) 细-中粒岩屑石英砂岩,石英次生加大作用较强,局部见剩余粒间孔,LY1井,3250.07 m,下石盒子组,扫描电镜;(g) 细-中粒岩屑石英砂岩,颗粒表面生长包膜绿泥石和高岭石,自生石英生长于黏土矿物晶体间,LY1井,3250.07 m,下石盒子组,扫描电镜;(h) 细粒岩屑砂岩,早期方解石呈镶嵌式胶结,见少量剩余原生粒间孔,LY1井,3460.83 m,山西组,扫描电镜;(i) 细粒岩屑砂岩,菱铁矿充填粒间孔隙,LY1井,3377.08 m,太原组,扫描电镜;(j) 中-粗粒岩屑石英砂岩,第1期垂缝被方解石全充填,第2期高角度斜交缝切穿垂缝,且未充填,LY1井,3248.82 m,下石盒子组,岩心;(k) 细粒岩屑砂岩,自生菱铁矿充填钠长石溶孔,LY1井,3293.37 m,山西组,扫描电镜;(l) 中粒岩屑石英砂岩,片状高岭石集合体部分充填粒间孔隙,LY1井,3233.45 m,下石盒子组,扫描电镜;(m) 细粒岩屑砂岩,伊蒙混层和伊利石呈片状、片丝状产出,发育少量晶间微孔隙,LY1井,3274.74 m,山西组,扫描电镜;(n) 细粒岩屑石英砂岩,绿泥石呈膜壳状包裹颗粒,并见自形菱铁矿晶体充填孔隙,见少量黏土矿物晶间微孔隙,LY1井,3421.46 m,太原组,扫描电镜;(o) 细粒岩屑石英砂岩,溶孔中常见片状绿泥石和黑云母充填铁方解石溶蚀孔隙,LY1井,3421.46 m,太原组,扫描电镜;(p) 中-粗粒岩屑石英砂岩,发育粒间溶孔和铸模孔,LY1井,3248.82 m,下石盒子组,单偏光,铸体薄片;(q) 细-中粒岩屑石英砂岩,长石颗粒被溶蚀,形成窗格状粒内溶孔,LY1井,3250.07 m,下石盒子组,扫描电镜;(r) 细粒岩屑砂岩,方解石胶结物溶孔,其内充填高岭石,LY1井,3293.37 m,山西组,扫描电镜;(s) 中-粗粒岩屑石英砂岩,早期裂缝边缘被溶蚀,形成扩溶缝和溶洞,LY1井,3249.62 m,下石盒子组,岩心;(t) 细-中粒岩屑石英砂岩,长石边缘被高岭石交代后再次被石英交代,LY1井,3250.07 m,下石盒子组,扫描电镜;Ab.长石;Bt.黑云母;Cal.方解石;Chl.绿泥石;Ill.伊利石;Ill+Sme.伊蒙混层;Kln.高岭石;Qz.石英;Sd.菱铁矿

Fig.3 Reservoir space types and diagenetic characteristics of the Upper Paleozoic coal-bearing strata sandstone reservoirs in Luyi Sag

图4 鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层声发射实验AE曲线

Fig.4 AE plot of acoustic emission test on the sandstone re-servoirs in the Upper Paleozoic coal-bearing strata in Luyi Sag

图5 鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层成岩演化序列

Fig.5 Diagenesis sequence of the Upper Paleozoic coal-bearing strata sandstone reservoirs in Luyi Sag

表1 鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层孔隙结构特征参数

Table 1 Statistics of characteristic parameters of porosity texture of the Upper Paleozoic coal-bearing strata sandstone reservoirs in Luyi Sag

类型	样数	孔隙特征参数	孔隙度 (%)	渗透率 (10^-3μm²)	排驱压力(MPa)	中值压力(MPa)	最大连通半径(μm)	中值孔喉半径(μm)	最小非饱和孔喉体积百分比(%)	变异系数	分选系数	歪度
Ⅰ	1		5.20	0.6550	0.41	12.67	1.78	0.0580	11.20	0.69	2.30	-1.56
Ⅱ	10	最小值	1.20	0.0011	0.50	39.29	0.04	0.0065	11.20	0.14	1.22	-2.35
		最大值	4.70	0.1600	18.09	113.63	1.47	0.0187	25.40	0.98	1.99	-0.89
		平均值	2.45	0.0266	7.94	78.88	0.27	0.0103	17.74	0.38	1.50	-1.67
Ⅲ	7	最小值	0.50	0.0007	14.64	144.62	0.02	0.0037	11.20	0.11	1.13	-1.89
		最大值	1.80	3.2300	34.76	197.71	0.05	0.0051	35.10	0.65	2.30	1.13
		平均值	1.13	0.5235	23.40	166.09	0.03	0.0045	16.90	0.28	1.54	-1.17

图6 鹿邑凹上古生界煤系砂岩储层压汞曲线及孔喉分布特征 (a) 类型Ⅰ的毛管压力曲线;(b) 类型Ⅰ的孔喉分布特征;(c) 类型Ⅱ的毛管压力曲线;(d) 类型Ⅱ的孔喉分布特征;(e) 类型Ⅲ的毛管压力曲线;(f) 类型Ⅲ的孔喉分布特征

Fig.6 Characteristics of intrusive mercury curve and distribution of throat radius of the Upper Paleozoic coal-bearing sandstone reservoirs in Luyi Sag

表2 鹿邑凹陷上古生界煤系砂岩储层沉积微相与孔隙度和渗透率的关系

Table 2 Relations between sedimentary microfacies and porosity as well as permeability of the Upper Paleozoic coal-bearing sandstone reservoirs in Luyi Sag

沉积微相	样数	岩性	孔隙度(%)	渗透率(10^-3μm²)
决口扇	5	细粒石英砂岩、粉-细粒岩屑砂岩	0.80~1.40(1.06)	0.00068~0.00514(0.00224)
分流河道	8	细粒岩屑砂岩、细粒岩屑石英砂岩、细-中粒岩屑石英砂岩、中-粗粒岩屑石英砂岩	1.10~5.20(2.76)	0.00789~0.65500(0.10022)
水下分流河道	13	细粒岩屑砂岩、细粒岩屑石英砂岩、细粒长石岩屑砂岩、细-中粒岩屑石英砂岩、含粗砂砾岩	1.00~5.00(1.90)	0.00055~1.11882(0.08606)
局限潮坪	2	细粒长石岩屑砂岩、细粒岩屑石英砂岩	1.20~3.60(2.40)	0.00307~0.39000(0.19654)
混合坪	4	粉-细粒岩屑石英砂岩、细粒岩屑石英砂岩	1.20~3.50(2.23)	0.00202~0.16000(0.05089)
障壁岛	2	细粒岩屑石英砂岩	0.50~4.70(2.60)	0.01000~3.23000(1.62000)

参考文献 36

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Sandstone Reservoir Characteristics of the Upper Paleozoic Coal-bearing Strata in Luyi Sag, Southern North China Basin

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