西湖凹陷某構造花港組致密砂巖儲層成巖作用與孔隙演化

張 武 徐 發(fā) 徐國盛 高偉中 唐健程

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030）

在對東海盆地西湖凹陷某構造漸新統(tǒng)花港組的勘探與研究中，一致認為該區(qū)域花港組屬于致密砂巖儲層，但從未進行細致的成巖作用研究及其對孔隙演化影響的分析。近年來，隨著低孔低滲氣田勘探開發(fā)配套技術的重大突破，西湖凹陷多口開發(fā)井低孔滲儲層改造實踐獲得成功。目前，該凹陷的2構造帶已發(fā)現低孔滲氣藏，具備了低孔滲氣藏勘探開發(fā)的良好資源條件[1]。因此，通過對該構造低孔滲儲層巖石學、物性、孔隙結構特征及成巖作用研究，分析低孔滲儲層孔隙演化的影響因素，恢復致密砂巖儲層成巖作用及孔隙演化過程，為相對優(yōu)質儲層的預測與評價奠定地質基礎。

1 地質背景

西湖凹陷某構造位于下揚子海上陸架盆地的東北部，呈北北東向展布。構造上西湖凹陷總體為“兩洼夾一隆”的構造格局，且具有“東西分帶，南北分塊”之構造特征。根據新生代的構造格局、沉積特點、斷裂發(fā)育及油氣賦存狀態(tài)等特征，西湖凹陷由西向東可劃分為西部斜坡帶、西部次凹、中央反轉構造帶、東部次凹和東部斷階帶5個次級構造單元（圖1）[2，3]。

西湖凹陷始新統(tǒng)至中新統(tǒng)發(fā)育海相和陸相兩種沉積環(huán)境。海相沉積環(huán)境主要發(fā)育海灣三角洲相、海灣潮坪相和海灣淺海相；陸相沉積環(huán)境又可進一步劃分為辮狀河流相、湖泊辮狀三角洲相和湖泊相。該凹陷是一個以新生代充填為主的沉積凹陷，以新生界作為尋找油氣的主要目的層，其基底是新生代沉積基底[4]。

西湖凹陷花港組中深層（埋深＞3.5km）儲層證實為致密砂巖儲層，其物性受沉積相和成巖作用共同控制[5]。沉積相決定了儲集巖的碎屑（骨架）成分、組分的成熟度等儲集物性；而成巖作用對儲層物性的控制則表現為隨儲層埋藏深度不同，儲層所受的成巖作用類型和強度存在明顯差異。

圖1 西湖凹陷各構造帶及油氣田分布圖Fig.1 Distribution graph of various structural belts and oil－gas fields in the Xihu depression（據陶士振等，2005）

2 儲層基本特征

2.1 巖石學特征

通過對西湖凹陷花港組3口鉆井的巖石礦物成分分析：1井和2井以巖屑長石砂巖為主，次之為長石巖屑砂巖；3井以長石巖屑石英砂巖為主，次之為巖屑長石砂巖。儲層砂巖成分成熟度較低，結構成熟度中等偏好；具有較高的長石和巖屑含量，其質量分數分別為11%～20%和13%～15%；石英含量普遍較低，其質量分數多數在75%以下；巖屑組分以火山巖屑為主，變質巖屑、沉積巖屑均有，另見有云母碎屑。多數砂巖粒度為細—中砂巖；碎屑具中等以上分選性；碎屑顆粒呈次棱角—次圓及次圓—次棱角狀，接觸方式以點－線接觸為主。膠結類型主要為孔隙－接觸式或壓嵌－接觸式。儲集層中除泥質雜基外，膠結物主要有自生黏土礦物、自生碳酸鹽、自生硅質等。膠結物平均質量分數僅為3.91%；而黏土雜基含量較高，其質量分數為5.67%。

2.2 儲集空間類型

鑄體薄片鑒定表明：西湖凹陷花港組砂巖儲層的儲集空間由原生孔隙和次生孔隙構成，僅見極少量微裂縫。根據統(tǒng)計分類，次生孔隙為主要的儲集空間類型，平均面孔率為5.8%；而原生孔隙平均面孔率為4.48%。在次生孔隙類型中，粒間溶孔和長石溶孔是最主要的次生孔隙類型，二者的平均面孔率值分別為2.68%和3.21%（表1）。

3 成巖作用類型及其對儲層發(fā)育的影響

利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等對巖石鑄體薄片中各種成巖組構、孔隙類型和自生礦物組合等特征進行觀察發(fā)現：壓實作用、自生礦物的膠結作用和溶解作用是西湖凹陷花港組儲層砂巖經歷和發(fā)生的主要成巖作用。

3.1 壓實作用

沉積物沉積下來后，在上覆載荷的壓力下，首先發(fā)生機械壓實作用。片巖、千枚巖巖屑等低級變質巖巖屑、火山巖巖屑以及云母等塑性顆粒在埋藏過程中發(fā)生塑性變形是花港組砂巖經歷壓實作用的表現。經過壓實碎屑顆粒的接觸關系為線－凹凸接觸，甚至為縫合線接觸（圖2－A）；同時也常見云母塑性變形、定向排列，以及泥巖巖屑、片巖和千枚巖等低級變質巖巖屑由于壓實作用形成假雜基等現象。本區(qū)壓實作用表現為中強壓實特點，造成碎屑顆粒多以點－線接觸為主。

表1 西湖凹陷花港組砂巖儲集空間類型（共291個樣品）Types of reservoir space in the Huagang Formation sandstone in the Xihu depression

圖2 西湖凹陷某構造3口井花港組儲層成巖作用之顯微特征Fig.2 Microscopic characteristics of diagenesis of the Huangang Formation sandstone reservoirs in three wells in a structure of the Xihu depression

對于儲集砂巖來說，壓實作用是典型的破壞性成巖作用。從圖3可以明顯看出，3口井總體上都表現為隨著埋藏深度的增加其孔隙度都是下降的，壓實作用直接造成原生孔隙度降低[6]。本區(qū)壓實作用是造成儲層孔隙度下降的最主要原因。

3.2 膠結作用

自生礦物在很大程度上因占據了較多的粒間孔隙空間而明顯減小了儲層的原始孔隙度和滲透率。西湖凹陷花港組砂巖中常見有自生伊利石、綠泥石、硅質、高嶺石、自生碳酸鹽礦物白云石、方解石等的膠結，其中尤以碳酸鹽膠結物分布最為廣泛。從薄片分析可知只有碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、高嶺石、綠泥石和自生石英對儲層致密化造成明顯的影響，其他自生礦物因含量少對儲層沒有實質性影響。

圖3 西湖凹陷某構造3口井花港組孔隙度與井深投點圖Fig.3 Porosity－depth plots for Huagang Formation sandstone reservoirs of three wells in a structure of the Xihu depression

在砂巖的埋藏成巖過程中，機械壓實作用和膠結作用是造成孔隙度減少的主要因素。相對于機械壓實作用，膠結作用并沒有直接減少粒間體積，而是堵塞粒間體積[7]。一般來說，膠結作用的總體效果是使砂巖的儲集空間減小；然而，越來越多的研究表明，一些自生礦物的膠結作用（如自生綠泥石和早期的粒間孔中的硅質）在儲集空間演化過程中具有雙重作用，它們的膠結占據了孔隙空間，但它們所伴生的其他成巖作用又可直接或間接地使儲集空間得以保護[8]。

3.2.1 碳酸鹽礦物的膠結作用

碳酸鹽膠結物是西湖凹陷花港組含量最高的自生礦物（占膠結物總量的60%左右），主要類型包括方解石和白云石（圖2－B）。方解石膠結物主要以分散狀、斑塊狀和嵌晶狀賦存方式存在，平均質量分數一般為0.2%～10%，大多數方解石都沒有構成鐵方解石；少量的白云石具有較高的鐵含量，主要屬于含鐵白云石，呈分散的半自形—自形粒狀膠結物的形式存在。

自生碳酸鹽礦物的膠結是砂巖儲層中主要的破壞性成巖作用之一。西湖凹陷花港組砂巖中碳酸鹽膠結物與面孔率投點圖（圖4）中顯示出二者的負相關關系，也就是說碳酸鹽膠結物的膠結作用對儲層孔隙空間的發(fā)育具有一定的損害作用；然而其相關系數很低（R2＝0.039 3），說明碳酸鹽膠結物的發(fā)育對儲層質量的影響程度有限。

3.2.2 自生高嶺石的膠結作用

圖4 花港組砂巖中碳酸鹽含量與面孔率投點圖Fig.4 Carbonate content－plane porosity plots in the Huagang Formation sandstone（261個薄片）

西湖凹陷花港組儲層砂巖中自生高嶺石的平均質量分數為0.62%，僅次于碳酸鹽，也是含量最高的自生黏土礦物。普通薄片和鑄體薄片的觀察表明，自生高嶺石有2種主要的賦存方式：第一種是以孔隙充填的形式，或者出現在綠泥石留下的殘余粒間孔中（圖2－C）；第二種賦存方式是以蝕變高嶺石出現，高嶺石中保留了原巖泥質殘余物并分布于碎屑顆粒間。高嶺石普遍發(fā)育晶間孔；在掃描電子顯微鏡下，自生高嶺石單晶呈假六方板狀，集合體呈書頁或蠕蟲狀（圖2－D）。

自生高嶺石含量與孔隙度之間顯示出明顯的正相關關系，而且相關系數在0.1以上（圖5）。同時，自生高嶺石往往具有較高的晶間孔隙。高嶺石的發(fā)育一方面指示了相對發(fā)育的次生孔隙，另一方面由于高嶺石常常作為長石等鋁硅酸鹽溶解及酸性的成巖介質的伴生礦物，因而砂巖中較高的高嶺石含量往往代表較強的溶解作用，在改善致密砂巖物性方面具有積極的作用。

圖5 花港組砂巖中自生高嶺石含量與孔隙度投點圖Fig.5 Authigenic kaolinite content－porosity plots in the Huagang Formation sandstone（261個薄片）

3.2.3 自生綠泥石的膠結作用西湖凹陷花港組總體具有比較低的自生綠泥石含量（質量分數僅為0.34%），主要呈環(huán)邊狀賦存（圖2－E）。掃描電子顯微鏡觀察表明，大多數作為孔隙襯里或顆粒包膜方式產出的綠泥石具有葉片狀結構。

發(fā)育環(huán)邊自生綠泥石的砂巖通常具有較低的顆粒接觸強度。綠泥石在粒間孔內膠結后，起到平衡埋藏成巖過程中不斷增加的上覆載荷，改善儲層物性。Moraes和 De Ros（1990）、Ehrenberg（1993）研究發(fā)現，綠泥石黏土包膜的存在可以抑制石英次生加大[9]。劉金庫、彭軍等研究認為，早期形成的綠泥石環(huán)邊（襯里）可阻止自生石英生長，增強巖石抗機械壓實的強度，減小巖石變形，使剩余粒間孔得到很好的保存[10]?；ǜ劢M儲層砂巖中自生綠泥石含量與孔隙度之間顯示出正相關關系，雖然相關系數較低（圖6），但已經表明總體上自生綠泥石的膠結作用對儲層孔隙空間演化的積極作用大于消極作用。

圖6 花港組砂巖中自生綠泥石含量與孔隙度投點圖Fig.6 Autogeny chlorite content－porosity plots in the Huagang Formation sandstone（261個薄片）

3.2.4 自生硅質的膠結作用西湖凹陷花港組具有較低的自生石英含量（質量分數為0.56%）。通常石英的賦存狀態(tài)有2種：一種是以石英次生加大邊的方式存在（圖2－E），并堵塞一部分孔隙。另一種賦存狀態(tài)仍然是以加大的形式存在，但石英圍繞原生粒間孔周邊生長，并形成自形的晶體面。這種自生石英膠結，一方面占據了孔隙空間，導致儲層孔隙的減少；另一方面，相對較為早期的石英膠結（甚至早于碳酸鹽膠結物的膠結）對于抵抗后期的壓實作用保存原生粒間孔也有一定的積極作用。因此，自生硅質對儲層具有一定程度的破壞及保護兩種作用。

3.3 溶解作用

西湖凹陷花港組溶解作用非常發(fā)育，薄片觀察以及掃描電鏡觀察均可見到花港組砂巖中明顯的溶蝕作用特征，主要為鋁硅酸鹽礦物的溶解。其中，最常見的是長石，常沿其解理面、雙晶縫或邊緣被溶解，形成粒內溶孔，甚至形成鑄?？祝蛘麄€顆粒消失（圖2－F）?；鹕綆r的巖屑中易溶組分也選擇性地遭受溶解，同時，沿云母解理或綻開縫也可見溶蝕現象。

成巖作用過程中，鋁硅酸鹽等礦物的溶解作用導致次生孔隙的產生是最重要的改善儲層質量的成巖因素。大氣淡水是花港組儲層砂巖最重要的溶解介質來源，其溶解作用對碎屑巖儲層質量的改善起到了關鍵性的作用[11]。在深埋藏地層中，孔隙形成的另一個重要過程是有機酸的溶解作用。由于在地層條件下，鋁的溶解度通常較低，因而有機酸陰離子的絡合作用可以解決鋁的遷移問題，從而導致鋁硅酸鹽的溶解和地下孔隙度的增加[12]。

與長石溶解有關的自生礦物主要為高嶺石（高嶺石也可由泥質轉化而來），巖石中高嶺石含量與孔隙度之間顯示出明顯的正相關關系（圖5）。同時，隨著埋藏深度的增加，大氣水作用強度也應呈現出逐漸減弱的趨勢，與此相對應的高嶺石含量也表現為逐漸減少的趨勢。高嶺石主要分布在花港組上部受大氣水和煤系地層酸性水強烈改造的地層中[13]。

綜上所述，各種自生礦物對儲層物性的影響是不同的，碳酸鹽膠結物對儲層物性起顯著的破壞作用；綠泥石和硅質膠結物則不然，雖然它占據了一定的孔隙空間，但它們又對砂巖孔隙起到支撐作用，有效地保護原生粒間孔隙，其結果是一種中性的成巖作用?；ǜ劢M儲集砂巖早－晚成巖期的硅質、方解石、白云石、綠泥石等自生礦物經歷成巖作用后，保存下來的原生粒間孔中膠結物含量相當于各自引起的孔隙度縮小值。從3口鉆井填隙物含量統(tǒng)計數據反映花港組硅質膠結物引起孔隙縮小的平均值約為0.04%～1.5%，白云石引起孔隙縮小的平均值約為0.1%～1.8%，方解石引起孔隙縮小的平均值約為0.8%～9.3%。

4 成巖階段劃分與孔隙演化

4.1 成巖階段劃分

碎屑沉積物的各種成巖作用和成巖階段劃分與油氣儲集性能的關系十分密切，尤其對碎屑孔隙的發(fā)育與演化起著重要的作用，不僅影響油氣儲集層孔隙的形成、增大和減小，而且還影響原生孔隙的保存、次生孔隙的分布以及孔隙的連通與滲透性質。因此，成巖階段的劃分主要是在3口井的成巖作用現象觀察總結的基礎上，利用黏土礦物X射線衍射分析、掃描電鏡、始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)Ro值，同時結合鏡下觀察的自生礦物特征以及物性和孔隙結構類型等定量和定性數據[14]，將花港組成巖演化階段劃分為同生階段、早成巖階段A期、B期和中成巖階段A期、B期及晚成巖階段期4個階段5個期次（圖7）。

圖7 西湖凹陷花港組致密砂巖儲層的成巖階段劃分Fig.7 Diagenesis evolution stages of the Huagang Formation tight sandstone in the Xihu depression

4.2 砂巖致密化孔隙演化模式

根據上述各成巖階段的成巖作用特征及其對孔隙發(fā)育的影響分析，筆者建立了西湖凹陷花港組砂巖致密化孔隙演化的模式（圖8）。

4.2.1 同生階段

此階段，鋁硅酸鹽骨架顆粒及火山物質發(fā)生水化作用，同時發(fā)生有機質的有氧呼吸和錳的還原作用，產生泥晶—微晶碳酸鹽，尤其是菱鐵礦沉積。

圖8 西湖凹陷花港組砂巖儲層致密化孔隙演化模式Fig.8 Pore evolution pattern of densification of the Huagang Formation sandstone reservoirs in the Xihu depression

4.2.2 早成巖階段A－B期（伴有表生成巖作用）

底界深度位于2.7～3km左右，相當于花港組的上部地層。I／S混層中蒙皂石的質量分數達到50%～25%，壓實作用造成原生孔隙度迅速降低。早期由于介質偏堿性，在一些孔隙中產生膠結環(huán)邊綠泥石（孔隙襯里），此時巖石中的孔隙度保持在25%～30%。在一些高pH值層段出現早期的連生方解石膠結。大多數碎屑間的泥質被氧化鐵浸染，環(huán)邊綠泥石、泥晶菱鐵礦廣泛出現氧化，表明該時期經歷過表生成巖階段。由于大氣水的淋濾和煤巖系的氧化均可產生酸性流體，溶解其下部鋁硅酸鹽礦物，形成碎屑長石粒內溶孔并造成長石的減少，也在原生粒間孔的基礎上產生溶解，產生一些擴大的次生粒間溶蝕孔。到該階段末，受大氣水、煤系地層產生的酸性水溶解的花港組其孔隙度仍保持在30%～35%左右。

4.2.3 中成巖階段A－B期

此階段發(fā)育于3.5～4km深度，相當于花港組的下部地層，壓實作用繼續(xù)，導致原生粒間孔減少到20%，黏土礦物伊利石由無序混層向有序混層轉化。該階段進入有機酸熱液的排出期，在原生粒間孔的基礎上，隨著顆粒的溶解造成次生孔隙擴大，構成了由原生粒間孔、次生粒間孔、粒內溶孔組成的孔隙結構。自生石英的沉淀作用也在該階段發(fā)生，部分次生孔隙壁生長出自形程度高的自生石英。由于這個階段有機質處于低成熟－成熟階段，是主要的液態(tài)烴排出期。剩余原生粒間孔、次生粒間孔、粒內溶孔、高嶺石晶間孔等可保持在20%～25%左右。

4.2.4 晚成巖階段A期

該階段發(fā)育在4～4.5km深度，主要為花港組下部地層，伊／蒙混層中的蒙皂石在泥巖和砂巖中的質量分數都為＜15%，有機質演化進入高成熟階段。壓實作用繼續(xù)導致原生粒間孔減少。此階段的地層水由酸性逐漸向堿性轉化。在堿性介質條件下，富含鈣、鎂、鐵離子的堿性水開始形成含鐵方解石和含鐵白云石。少量的自生鈉長石和綠／蒙混層等自生礦物，尤其是含鐵方解石膠結，是導致該階段儲層質量變差的主要原因。由于在砂巖微孔中的結合水不容易流動，影響了儲層的滲透性、含水飽和度和巖石電阻率。該階段結束時，花港組儲層砂巖的平均孔隙度已降低至6%～18%，絕大部分儲層平均孔隙度＜10%，儲層進入致密化的范疇。

5 結論

a.西湖凹陷花港組砂巖儲集空間類型以次生孔隙為主，粒間溶孔和長石溶孔是最主要的次生孔隙類型，占整體儲集空間的41.77%；原生孔隙平均面孔率為4.48%，約占儲集空間的43.6%。極少見明顯的微裂縫和溶縫。

b.砂巖經歷了壓實、膠結和溶蝕作用的改造。機械壓實和膠結作用是造成孔隙度減少的主要因素。其中碳酸鹽膠結物對儲層物性起顯著的破壞作用；而綠泥石和硅質膠結物則不然，雖然它占據了一定的孔隙空間，但它們又對砂巖孔隙起到支撐作用，有效地保護原生粒間孔隙，其結果是一種中性的成巖作用。鋁硅酸鹽、高嶺石等礦物的溶解作用是導致次生孔隙產生的最重要的成巖因素。

c.儲層的孔隙演化與成巖作用密切相關。早成巖期的壓實作用以及碳酸鹽礦物、硅質、黏土礦物等膠結作用，使孔隙度顯著降低，同時期的大氣淡水、煤系地層酸性水的溶蝕使孔隙度回升。進入中成巖演化階段，持續(xù)的機械壓實作用使孔隙進一步減小。而這一時期有機質成熟，有機酸溶解產生次生孔隙，改良了儲層。晚成巖期，壓實作用繼續(xù)導致原生粒間孔減少，堿性環(huán)境使含鐵方解石膠結，導致儲層質量進一步變差，直至進入致密化的范疇。

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