南堡凹陷高南地區(qū)東營組儲(chǔ)層成巖作用及孔隙演化研究

王光強(qiáng)，邱隆偉 潘 耀

(中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院，山東 東營 257061)(中海石油深圳分公司惠州油田分公司，廣東 深圳 518067)

南堡凹陷高南地區(qū)東營組儲(chǔ)層成巖作用及孔隙演化研究

王光強(qiáng)，邱隆偉 潘 耀

(中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院，山東 東營 257061)(中海石油深圳分公司惠州油田分公司，廣東 深圳 518067)

根據(jù)鉆井取心分析測(cè)試、巖石薄片和掃描電鏡觀察等手段，對(duì)南堡凹陷高南地區(qū)東營組成巖作用和次生孔隙發(fā)育特征進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上劃分了成巖階段。研究結(jié)果表明，東營組碎屑巖地層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用、復(fù)雜的交代作用和多期次的溶蝕作用，原生孔隙大部分被破壞，主要以次生孔隙為主，長(zhǎng)石的溶蝕是儲(chǔ)層中次生孔隙形成的主要原因。從早成巖B期到中成巖A1期，有機(jī)質(zhì)成熟過程、粘土礦物轉(zhuǎn)化等造成的酸性地層水介質(zhì)，使東營組碎屑巖儲(chǔ)層在縱向上主要發(fā)育3個(gè)次生孔隙發(fā)育帶。粘土礦物的結(jié)晶、石英次生加大作用及碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀對(duì)孔隙度的降低起到了關(guān)鍵性作用。

東營組；成巖作用；孔隙演化；南堡凹陷

1 地質(zhì)概況

圖1 南堡凹陷地質(zhì)簡(jiǎn)圖及工區(qū)位置

南堡凹陷位于渤海灣盆地西北部、燕山褶皺帶南麓(圖1)，屬中新生代北斷南超的小型箕狀含油氣凹陷[1]，其面積為1932km2，是一個(gè)中、新生代疊合發(fā)育，經(jīng)歷了多期裂陷演化，油氣資源非常豐富的小型含油氣凹陷[2]。

新近系東營組三亞段(東三亞段，Ed3)是該區(qū)的主要產(chǎn)油層系，截至2005年，高南東三段已經(jīng)動(dòng)用石油地質(zhì)儲(chǔ)量1212×104t。高南地區(qū)Ed1段的沉積相類型以三角洲相為主，Ed3段以三角洲相和湖泊相為主，砂體以三角洲前緣亞相水下分流河道微相、分流河口砂壩微相以及濱淺湖亞相灘壩微相為主。研究區(qū)成巖作用類型非常復(fù)雜，在埋藏過程中各種成巖作用對(duì)砂巖原生孔隙和次生孔隙的形成和破壞都有一定的影響[3,4]。次生孔隙在東營組碎屑巖儲(chǔ)層發(fā)育非常廣泛，成為該砂巖最主要的儲(chǔ)集空間，次生孔隙的發(fā)育狀況直接影響了儲(chǔ)集砂巖的孔滲條件。因此東營組碎屑巖成巖作用研究對(duì)該區(qū)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)具有重要意義。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

圖2 高南東營組儲(chǔ)層巖石組分三角圖

高南地區(qū)東營組儲(chǔ)層以砂巖為主，砂礫巖次之，含少量的粉砂巖。巖石類型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖，其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖。砂巖多為灰色、灰白色，顆粒大多呈點(diǎn)-線接觸，分選中等，磨圓度為次棱角狀-次圓，呈接觸-孔隙式膠結(jié)。砂巖中石英占17.02%～51.4%(圖2)，石英大多為單晶，可見其次生加大；長(zhǎng)石含量在21.39%～52.4%，長(zhǎng)石類型主要為正長(zhǎng)石，次為斜長(zhǎng)石，多見長(zhǎng)石的高嶺土化及絹云母化；巖屑含量相當(dāng)高，在4.5%～51.4%之間，巖屑成分主要為酸性火成巖，其次為變質(zhì)巖，再次為沉積巖，其他巖屑含量相對(duì)較少。填隙物以鈣質(zhì)為主，平均含量為14.1%；其次為云母泥質(zhì)，其平均含量為3.91%；白云石平均含量為2.63%；泥質(zhì)平均含量為2.47%，高嶺石平均含量為1.25%。

3 成巖作用類型

成巖作用類型較多，根據(jù)各種成巖作用對(duì)儲(chǔ)集層儲(chǔ)集性能的影響，可分為2大類，即降低或破壞孔、滲性的成巖作用和增加或改善孔、滲性的成巖作用。前者包括壓實(shí)作用(機(jī)械壓實(shí)、化學(xué)壓實(shí))、膠結(jié)作用等，后者主要是各種溶蝕作用[5]。經(jīng)薄片、掃描電鏡鑒定，將高南地區(qū)東營組所經(jīng)歷的成巖作用歸納為4類，即壓實(shí)作用、膠結(jié)與交代作用、粘土礦物演化、溶蝕作用。

3.1壓實(shí)作用

高南地區(qū)東營組儲(chǔ)集層所經(jīng)歷的壓實(shí)作用主要有以下表現(xiàn)：

1)顆粒發(fā)生壓實(shí)定向 上覆地層壓力使長(zhǎng)形碎屑顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)至與壓力方向垂直或近于垂直的位置，從而在鏡下觀察到眾多顆粒的長(zhǎng)軸方向近于平行伸展。

2)剛性顆粒被壓裂 電子顯微鏡下可以看到碎屑顆粒表面出現(xiàn)一道道的裂紋，這種現(xiàn)象在高南地區(qū)中深層儲(chǔ)集層砂體中較為常見，其中發(fā)生破裂最多的就是長(zhǎng)石(圖3-1)，甚至因壓實(shí)而形成裂縫；其次石英也發(fā)生一定程度的破裂。

3)軟屑的壓實(shí)變形 砂巖中所含酸性噴出巖巖屑、泥巖巖屑及云母等，經(jīng)壓實(shí)他們可以被壓扁、被硬顆粒壓入，進(jìn)一步壓實(shí)可將軟屑?jí)簲?、甚者壓碎成為假雜基。東營組儲(chǔ)層壓實(shí)作用強(qiáng)烈，顆粒之間線接觸到凹凸接觸，經(jīng)過壓實(shí)作用使儲(chǔ)層孔隙度減少了15%以上。

3.2膠結(jié)及交代作用

1)碳酸鹽的沉淀及交代 早成巖期形成的碳酸鹽膠結(jié)物多呈顆粒狀分布于碎屑顆粒之間，占據(jù)原生孔隙，破壞儲(chǔ)集性能；有時(shí)局部呈嵌晶式膠結(jié)[6]。另一種形成于中成巖期的碳酸鹽是在溶蝕、溶解作用之后再沉淀的(圖3-3)。高南地區(qū)中深層?xùn)|營組砂層中的碳酸鹽膠結(jié)物以早期方解石為主，方解石膠結(jié)物晶形較好，方解石呈孔隙式膠結(jié)，但分布不均，并且多呈交代石英或長(zhǎng)石的形式出現(xiàn)(圖3-2)，這種方解石是造成早成巖B期的中期儲(chǔ)層物性下降的主要原因。研究區(qū)晚期碳酸鹽膠結(jié)相對(duì)較弱，也以孔隙式膠結(jié)為主，并在一定程度上造成了晚成巖期物性的降低。

2)硅質(zhì)膠結(jié) 高南東營組砂巖的硅質(zhì)膠結(jié)主要為石英次生加大。偏光顯微鏡下石英的次生加大邊常表現(xiàn)得比原顆粒光潔，兩者之間常有薄層粘土膜(圖3-4)。加大邊終端或規(guī)則或不規(guī)則，加大強(qiáng)烈可使顆粒間呈線接觸或縫合接觸。有的加大邊可被溶蝕或被鐵方解石或鐵白云石交代。石英加大邊的寬窄是不均一的，這主要是由于其生長(zhǎng)時(shí)受周圍空間的限制，或者是由于壓溶作用造成的。石英的次生加大在儲(chǔ)層成巖作用過程的各個(gè)時(shí)期都有所發(fā)育，并隨成巖作用程度的加深，加大的幅度也隨之增加，在儲(chǔ)層物性演化中也起到了一定的負(fù)向作用。

3)硬石膏的沉淀交代 硬石膏常呈團(tuán)斑狀出現(xiàn)，在正交光下顯現(xiàn)鮮艷的干涉色(圖3-5)，比較容易識(shí)別。在巖芯中常表現(xiàn)為白色斑點(diǎn)，偏光下發(fā)現(xiàn)硬石膏斑塊總是出現(xiàn)在雜基含量少的位置上，硬石膏是成巖較晚階段既晚成巖期的產(chǎn)物，可以成為嵌晶狀或?yàn)槭鵂罴象w，常與白云石一起充填孔隙，也可交代方解石，對(duì)原生孔隙起到破壞作用，但是由于其含量較低，對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響較小。

3.3粘土礦物演化

1) 粘土礦物重結(jié)晶及轉(zhuǎn)化 在砂巖、粉砂巖中主要是泥質(zhì)雜基重結(jié)晶，使得部分原雜基變?yōu)檎s基。重結(jié)晶作用只是粘土礦物轉(zhuǎn)化的一個(gè)方面。在埋藏過程中，大量的泥質(zhì)沉積物還將發(fā)生礦物成分上的轉(zhuǎn)化。

斜長(zhǎng)石(P)；長(zhǎng)石(F)；石英(Q)；石英加大邊(Qa)；方解石(C)；石膏(G)1：斜長(zhǎng)石被壓裂，高193x1井，2243.10m，×10(+)；2：長(zhǎng)石被碳酸鹽礦物方解石交代，高28x3井，3087.55m，×10(+)；3：方解石充填粒間孔隙，高31井，2445.8m，×4(-)；4：石英的次生加大，高28x3井，2977.4m，×10(+)；5：石膏交代顆粒而顆粒后來發(fā)生溶解，石膏呈漂浮狀，高31井，2475.31m，×10(+)；6：長(zhǎng)石溶解成殘骸狀，高75x9井，2920.55m，×4(-)。圖3 高南地區(qū)東營組碎屑巖儲(chǔ)層巖石薄片

通過對(duì)高南地區(qū)7口取芯井的106塊樣品的X-衍射分析，發(fā)現(xiàn)高南東三段中伊利石含量為3%～54%，平均12.6%；綠泥石含量在5%～38.2%，平均為13.2%；高嶺石含量在15%～86%，加權(quán)求得平均含量為51.3%；伊蒙混層含量范圍從3%～59%，平均含量為20.3%；而蒙皂石則很少見，幾乎轉(zhuǎn)化殆盡。

2)伊利石趨于增加 伊利石含量在早成巖期較低，但在晚成巖期則大幅增加。掃描電鏡下伊利石常為片狀、絲狀或毛發(fā)狀；伊利石主要是由蒙皂石或伊/蒙混層粘土轉(zhuǎn)化而來，因而蒙皂石(高南東三段含量幾乎為0)和伊/蒙混層粘土含量總是隨深度的增加而減小的趨勢(shì)較明顯，這是因?yàn)橐?蒙混層粘土在成巖作用過程中逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石的結(jié)果。伊利石含量的增加是造成晚成巖期儲(chǔ)層物性損害的主要原因之一。

3) 綠泥石含量趨于減少 掃描電鏡下綠泥石晶體呈針狀垂直碎屑顆粒表面向孔隙空間中心生長(zhǎng)，形成櫛殼狀結(jié)構(gòu)，呈顯微片狀密集生長(zhǎng)。通過X-衍射分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，綠泥石含量隨深度的增加而減小，但是在晚成巖期的早期，綠泥石含量仍然較高，綠泥石是早成巖晚期和晚成巖早期儲(chǔ)層孔隙度降低的主要原因。

4) 高嶺石的沉淀 X-衍射分析表明，高南東三段高嶺石在所有粘土礦物中含量最高，甚至高達(dá)86%，平均為51.3%。這與一般情況是相反的，高嶺石通常在淺層較發(fā)育，而在3000m以下常常會(huì)消失。高嶺石的發(fā)育會(huì)受到有機(jī)質(zhì)排烴作用所形成的酸性成巖條件控制，這就表明高南東三段處于有機(jī)質(zhì)成熟演化期，即晚成巖A期階段。大量高嶺石主要形成于晚成巖期，有的甚至在次生孔隙之后形成，主要由長(zhǎng)石的溶蝕作用而形成，隨地層水的遷移，高嶺石也發(fā)生遷移，并在適當(dāng)?shù)奈恢贸恋硐聛矶畛淇紫丁?/p>

3.4溶蝕作用

顯微鏡下觀察表明，研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和鑄膜孔等次生孔隙。溶蝕作用是決定高南地區(qū)東營組儲(chǔ)層發(fā)育程度的關(guān)鍵因素之一，溶蝕作用所形成次生孔隙，對(duì)改善儲(chǔ)集層物性起到積極作用。研究區(qū)溶蝕作用強(qiáng)烈，被溶蝕的碎屑組分主要為長(zhǎng)石，其次為巖屑、碳酸鹽砂屑；膠結(jié)物發(fā)生溶蝕的主要為碳酸鹽礦物，其他膠結(jié)物如硫酸鹽類鮮有溶蝕。長(zhǎng)石的溶蝕是研究區(qū)次生孔隙形成的最主要成因，鏡下分析表明，長(zhǎng)石的溶蝕產(chǎn)物為孔隙及高嶺石粘土，長(zhǎng)石顆粒被溶蝕形成呈網(wǎng)格狀、蜂巢狀，形成粒內(nèi)溶孔，溶蝕強(qiáng)烈時(shí)則近于完全溶蝕(圖3-6)，甚至完全溶蝕形成鑄?？住r屑溶蝕較少見且溶蝕較弱，多為部分溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔。長(zhǎng)石的溶蝕作用是研究區(qū)最明顯和最強(qiáng)烈的溶蝕作用，對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層中次生孔隙發(fā)育帶的形成起到了至關(guān)重要的作用。

4 成巖階段

根據(jù)成巖階段劃分方案，結(jié)合高南地區(qū)東營組的實(shí)際情況，將地層埋深大于2000m的地層劃分為早成巖B期和中成巖A1期(如圖4)。

圖4 高南地區(qū)東營組成巖作用及孔隙演化

4.1早成巖B期

地層埋深介于2000～2900m之間，古地溫介于79.5～98.5℃，鏡質(zhì)體反射率Ro值在0.46%～0.5%之間，泥巖中蒙皂石明顯向伊利石/蒙皂石 (I/S)混層粘土礦物轉(zhuǎn)化，蒙皂石層介于52%～65%之間。

4.2中成巖A1期

地層埋深介于2900～3500m之間，古地溫介于98.5～118.5℃之間，鏡質(zhì)體反射率Ro值在0.5%～0.6%之間，高南東三段砂層中幾乎不含蒙皂石，伊蒙混層中蒙皂石含量整體小于50%。

5 孔隙類型及演化特征

5.1孔隙類型

研究區(qū)東營組碎屑巖儲(chǔ)層在埋藏成巖過程中，經(jīng)成巖演化其原生孔隙大部分被破壞，僅剩少量原生粒間殘余孔隙，主要以次生孔隙為主。按孔隙分布的位置及顆粒和填隙物之間的關(guān)系，孔隙類型主要有粒內(nèi)孔、鑄?？?、粒間孔、雜基溶孔和晶間孔、礦晶間微孔以及構(gòu)造裂隙裂縫等幾種類型。

5.2孔隙演化特征

通過研究區(qū)成巖作用類型和成巖階段的研究，總結(jié)出該區(qū)砂巖儲(chǔ)層孔隙演化模式(見圖4)。經(jīng)過早成巖階段(A期為主，可延續(xù)到B期)的強(qiáng)烈機(jī)械壓實(shí)作用，砂巖的孔隙度損失量在15%左右，這時(shí)的原生粒間孔隙大致剩余19%左右。到了早成巖階段B期的中后期(2400～2600m)，不穩(wěn)定礦物如長(zhǎng)石、碳酸鹽、巖屑等溶蝕形成次生孔隙使孔隙度增加了6%～12%，平均增加8%，此時(shí)孔隙度可達(dá)30%。隨后由于高嶺石、綠泥石沉淀，石英次生加大，鐵方解石等碳酸鹽膠結(jié)物填充孔隙使孔隙度降低，此階段孔隙度平均損失量為14%，儲(chǔ)層中孔隙度降低至15%左右。進(jìn)入中成巖A1期，亦進(jìn)入生油門限，有機(jī)質(zhì)的熱成熟過程產(chǎn)生大量CO2和羧酸[7]，使流體成酸性，從而導(dǎo)致地下碳酸鹽礦物和鋁硅酸鹽礦物的溶解，形成第2個(gè)次生孔隙發(fā)育帶(2950～3150m)，孔隙度增加5%～10%，平均增加7%，此階段孔隙度最高達(dá)到24%，隨后高嶺石再次沉淀、伊利石含量的增加、石英的二次加大以及少量碳酸鹽膠結(jié)物沉淀使孔隙度再次降低，此階段孔隙度損失量平均為12%，孔隙度降低至12%左右。到了3500m左右，由于有機(jī)質(zhì)成烴能力減弱，有機(jī)酸減少，溶蝕作用減弱，但流體仍為弱酸性并受其影響長(zhǎng)石發(fā)生一定程度的溶解、產(chǎn)生少量的溶蝕孔隙，使孔隙度得以受到一定程度的恢復(fù)。

6 結(jié) 語

高南地區(qū)東營組儲(chǔ)層主要為一套三角洲相砂巖，儲(chǔ)集巖主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖，其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖，經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)及交代、粘土礦物重結(jié)晶和溶蝕等多種成巖作用，其中壓實(shí)、膠結(jié)作用起主要的破壞作用，溶蝕作用起主要的建設(shè)性作用。目前該區(qū)砂巖已達(dá)到晚成巖階段A期，砂巖儲(chǔ)層經(jīng)成巖演化其原生孔隙大部分被破壞，主要以次生孔隙為主，縱向上發(fā)育3個(gè)主要次生孔隙發(fā)育帶，次生孔隙發(fā)育帶主要為長(zhǎng)石，部分為碳酸鹽、巖屑等酸不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶解的結(jié)果，在3個(gè)帶之間及第3個(gè)次生孔隙發(fā)育帶的下部，粘土礦物的結(jié)晶、石英次生加大作用及碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀對(duì)孔隙度的降低起到了關(guān)鍵性作用。

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[編輯] 洪云飛

2009-06-10

王光強(qiáng)(1984-)，男，2007年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)方面的研究工作。

TE112

A

1673-1409(2009)03-N063-05