東營凹陷古近系沙四上亞段近岸水下扇砂體碳酸鹽膠結(jié)物的分布特征

張立強(qiáng)，羅曉容，穆洋洋，高永明，張 曼，羅紅梅

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

碳酸鹽膠結(jié)物會(huì)降低砂巖儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，增強(qiáng)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，影響生產(chǎn)過程中流體的流動(dòng)［1］。對碳酸鹽膠結(jié)物的分布特征及其影響因素的研究表明，在不同沉積相帶中，膠結(jié)物的分布特征差異較大，如深水塊狀濁積砂巖中的方解石膠結(jié)帶常以層控結(jié)核的形式出現(xiàn)［1-4］;膠結(jié)帶在濁積扇朵葉或邊緣相的分布比河道相更豐富、橫向上更加連續(xù)［2，4］;塊狀河道砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)帶呈分散狀、橫向延伸?。?］。三角洲相砂巖中，砂體頂部、高滲透率巖相中的膠結(jié)物含量高，通常以透鏡體方式分布［5］。河流相砂巖中，鈣質(zhì)礫巖的分布與古水流方向有關(guān)［6］。針對湖相近岸水下扇砂體的研究較少［7］，而近岸水下扇相的砂礫巖發(fā)育、成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度都較差，碳酸鹽膠結(jié)物分布對儲(chǔ)層影響更復(fù)雜。因此，筆者依據(jù)巖心、薄片、測井等資料對東營凹陷北部陡坡帶沙四段近岸水下扇砂體碳酸鹽膠結(jié)物的分布特征及其對儲(chǔ)層性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東營凹陷北部陡坡帶東部的鹽家和永安地區(qū)(圖1)，古近系沙河街組發(fā)育沖積扇、扇三角洲、近岸水下扇等近源粗碎屑砂礫巖扇體沉積［8，9-11］。其中，沙四段縱向上呈水進(jìn)、巖性正旋回、退積式充填的特征，沙四上亞段自下而上分為S1、S2、S3、S4和 S5 等5 個(gè)砂層組［11］，下部的 S1 以礫巖為主、上部的S4和S5以暗色泥巖夾薄層粉細(xì)砂巖為主。沙四上亞段主要發(fā)育近岸水下扇和扇三角洲等砂體類型［8-11］。近岸水下扇相的礫巖、含礫砂巖等成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)成熟度低，依據(jù)沉積特征的差異，近岸水下扇分為內(nèi)扇、中扇和外扇3 個(gè)亞相［9，12］。

2 碳酸鹽膠結(jié)物的識(shí)別及其特征

2.1 沙四上亞段近岸水下扇砂礫體的巖石學(xué)特征

沙四上亞段近岸水下扇相砂巖和砂礫巖的顆粒平均粒徑變化大，一般為0.1～2 mm。碎屑中，石英的含量(體積分?jǐn)?shù))為20% ～55%，巖屑含量為15%～40%，長石略高于巖屑。依照碎屑組分分類，屬于長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖或長石砂巖。其中，西側(cè)的N224、N222等井石英含量低(平均為15% ～16.7%)，巖屑含量高(平均為40% ～48%)。東部的Y933等井長石和巖屑含量較高(石英30% ～45%，長石35% ～45%，巖屑15% ～35%)，巖屑類型以變質(zhì)巖巖屑為主。中部的Y928、Y930等井長石和石英含量較高(石英32.9% ～45%，長石35% ～65%)，巖屑含量較低(15% ～32%)，含有較多的鮞?；?guī)r、晶粒白云石等碳酸鹽巖屑。南部F8、FS10地區(qū)，砂巖粒度較細(xì)，粒徑一般為0.05～0.15 mm，分選中等到較好;碎屑中的石英、長石含量較高，石英平均含量39.5%、長石為53.83%、巖屑為5.66%［11］。膠結(jié)和交代物以碳酸鹽為主(圖2)，含量為0～30%，平均為7%。

縱向上，沙四上亞段下部(S1、S2砂組)砂礫巖發(fā)育，成分及結(jié)構(gòu)成熟度低、礫石中的灰?guī)r礫石含量高，上部S4、S5砂組粒度較細(xì)，成分及結(jié)構(gòu)成熟度相對較高。

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物的類型及識(shí)別特征

碳酸鹽膠結(jié)物的識(shí)別是依據(jù)巖心、薄片和測井資料的綜合分析。碳酸鹽膠結(jié)層的顏色較淺，滴鹽酸起泡。茜素紅S和鐵氧化鉀混合染色薄片中的方解石膠結(jié)物在單偏光下呈紅色、鐵方解石呈紫紅色、鐵白云石呈藍(lán)色、白云石不染色。對無取芯井，結(jié)合孔滲分析數(shù)據(jù)(膠結(jié)層具有低孔滲性)，由聲波時(shí)差、密度、電阻率和自然伽馬等測井響應(yīng)特征來確定膠結(jié)層。

通過薄片分析，沙四上亞段碳酸鹽膠結(jié)物類型主要有鐵方解石和鐵白云石，含少量方解石和白云石。鐵方解石分布于粒間孔、溶蝕孔隙或交代碎屑顆粒，常見以下3種類型:①連晶狀鐵方解石膠結(jié)、交代(圖2(a)、(b))，膠結(jié)物局部富集，部分樣品顆粒呈漂浮狀;②粒狀含鐵方解石膠結(jié)、充填孔隙，或呈淀雜基的形式充填于孔隙中;③ 殘余連晶狀膠結(jié)，粒間溶孔發(fā)育，顆粒邊緣見溶蝕殘余方解石，往往與鐵白云石共生(圖2(b))。另外在部分內(nèi)扇亞相的礫巖及含礫砂巖中，方解石膠結(jié)與灰?guī)r礫石共存、壓實(shí)作用強(qiáng)烈(圖2(c))。

鐵白云石多呈環(huán)邊或分散狀分布于長石和石英顆粒周圍，或充填粒間孔隙中。分散狀單晶粒徑20～50 μm，晶形好，呈半自形、自形粒狀，含量一般小于10%(圖2(b)、(d))，少量樣品為櫛殼式或粒狀膠結(jié)。白云石主要見于礫巖粒間孔隙，呈粒狀或櫛殼狀充填孔隙(圖2(e))。

鐵白云石膠結(jié)物環(huán)繞鐵方解石、鐵白云石交代鐵方解石、方解石，鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)、交代石英加大邊，鐵白云石無被交代和溶蝕現(xiàn)象，含礫砂巖鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物的δ18OPDB值較低，一般為－10‰ ～－16‰，代表與有機(jī)物的脫羧反應(yīng)有關(guān)的晚期膠結(jié)。上述現(xiàn)象表明鐵白云石晚于鐵方解石和方解石膠結(jié)，碳酸鹽膠結(jié)物晚于石英加大的現(xiàn)象。成巖演化序列為:壓實(shí)作用→方解石和白云石膠結(jié)→長石及巖屑溶解/石英次生加大→鐵方解石等膠結(jié)/石英溶蝕→碳酸鹽和長石的晚期溶蝕→鐵白云石膠結(jié)。

圖2 近岸水下扇砂巖碳酸鹽膠結(jié)物的主要類型Fig.2 Main kinds of carbonate cement in sandstone of nearshore subaqueous fan

圖3為Y921井沙四上亞段碳酸鹽膠結(jié)層分布及其測井曲線特征，在Y921井2.797～2.815 km井段，解釋為8層，平均0.5層/m。碳酸鹽膠結(jié)層具有聲波時(shí)差低(AC為50～90 μs/m)、密度和電阻率較高、自然伽馬值較高(GR一般大于80 API)、中子孔隙度較低的特征［13］。碳酸鹽膠結(jié)層往往對應(yīng)著物性低的井段。

3 沙四上亞段碳酸鹽膠結(jié)物分布特征

3.1 縱向分布特征

剖面上，近岸水下扇的不同相帶具有不同的碳酸鹽膠結(jié)特征:

(1)外扇亞相，巖石類型以泥巖為主，夾砂巖、粉砂巖或含礫砂巖，砂層的厚度對其中碳酸鹽膠結(jié)作用的影響比較重要。一般薄層砂巖的碳酸鹽膠結(jié)比厚層強(qiáng);碳酸鹽膠結(jié)在薄層外扇末梢砂巖中普遍較強(qiáng)，在外扇深切水道砂巖中較弱(圖3)。圖3中的5個(gè)碳酸鹽膠結(jié)層段，單層厚度一般小于0.3 m，中厚層砂巖中碳酸鹽膠結(jié)層一般小于砂層厚度的10%，這一特征說明砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的形成可能與泥巖中析出的CaCO3有關(guān)。

(2)中扇亞相，砂礫巖單層厚度較大，縱向上具有多期河道疊復(fù)沖刷的特征，膠結(jié)層出現(xiàn)在厚層砂巖體的底部，砂層的中部碳酸鹽膠結(jié)作用明顯比邊部弱。圖4中，Y930井3.752、3.756 km井段發(fā)育的兩個(gè)膠結(jié)層均對應(yīng)于底沖刷砂礫巖段，單個(gè)膠結(jié)層厚度不大。

(3)內(nèi)扇亞相，巖性以雜基支撐礫巖為主，期次劃分不明顯。碳酸鹽膠結(jié)層段的灰?guī)r礫石往往含量較高，壓實(shí)強(qiáng)(圖4)，鈣質(zhì)層上、下含油氣性明顯變好、具有溶蝕現(xiàn)象、含少量鐵白云石膠結(jié)，測井曲線對應(yīng)于較高GR值。

縱向上，沙四上亞段不同層段碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征不同。對研究區(qū)150個(gè)巖石薄片按層位進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，碳酸鹽膠結(jié)物平均含量為7.12%，但不同層位碳酸鹽膠結(jié)物的含量呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。S1和 S5砂層組含量較高，分別為 8.06%和10.67%;S3砂層組含量最低，平均值為2.9%。上部(S3、S4、S5砂層組)隨深度增加碳酸鹽膠結(jié)物含量減小，而呈現(xiàn)下部(S1、S2砂層組)隨深度增加碳酸鹽膠結(jié)物含量增加的趨勢。

圖3 碳酸鹽膠結(jié)層在Y921井外扇亞相中的分布及其測井響應(yīng)特征Fig.3 Distribution and log response characteristics of carbonate cementation layers of nearshore subaqueous fans in well Y921

3.2 剖面及平面分布特征

圖5為平行于砂體延伸方向的剖面對比圖。由圖5可見，外扇碳酸鹽膠結(jié)帶的側(cè)向延伸廣泛、呈薄層狀，單層厚度一般小于1 m，但側(cè)向延伸達(dá)十幾千米。它們一般發(fā)育在湖泛面之下，在較大湖泛面之下發(fā)育得更好。其聲波時(shí)差、密度等電性特征明顯，井間連續(xù)性好。由于單砂層的厚度較薄，膠結(jié)層在單砂層中的比例較高。在中扇、內(nèi)扇亞相，碳酸鹽膠結(jié)層連續(xù)性較差，膠結(jié)層在砂體中的百分比較低。在中扇亞相，主要限定在溝道的下部、砂礫巖中的粗粒部分，他們的形狀、幾何形態(tài)受砂體的巖性非均質(zhì)性控制。溝道中的碳酸鹽膠結(jié)層被弱膠結(jié)、無膠結(jié)的砂巖分隔成近透鏡狀延伸的碳酸鹽膠結(jié)體。

結(jié)合沉積相研究，分別對研究區(qū)沙四上亞段五個(gè)砂層組的內(nèi)扇、中扇、外扇砂礫巖碳酸鹽膠結(jié)物的百分含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，圖6為沙四上亞段S4砂層組碳酸鹽膠結(jié)物分布。碳酸鹽膠結(jié)物在外扇亞相相對富集，含量可超過20%，中扇亞相含量相對較低，一般為0～5%。而內(nèi)扇的鈣質(zhì)含量(包括鈣質(zhì)顆粒、雜基和膠結(jié)物)總體較高，但變化較大。內(nèi)扇砂礫巖中的鈣質(zhì)礫石含量差異較大，與不同物源影響［23］及距物源區(qū)距離有關(guān)，遠(yuǎn)離物源區(qū)，鈣質(zhì)礫石或巖屑的含量少。內(nèi)扇鈣質(zhì)礫石及雜基溶蝕形成的包含碳酸鹽的孔隙流體成為中扇砂礫巖碳酸鹽膠結(jié)的重要鈣質(zhì)來源。Y930、Y929等井內(nèi)扇礫巖中的灰?guī)r礫石的含量較高，其對應(yīng)的中扇砂礫巖鐵方解石膠結(jié)物含量相對較高;西部N22井及其北部內(nèi)扇礫巖中的灰?guī)r礫石含量較低，其相鄰的中扇砂巖中的鐵方解石膠結(jié)物含量相對較低。

4 近岸水下扇砂礫巖體碳酸鹽膠結(jié)物的分布模式

根據(jù)膠結(jié)物在單井、剖面以及平面中的分布特征，總結(jié)出近岸水下扇砂礫巖體的碳酸鹽膠結(jié)的分布模式如下:

(1)外扇的薄層末梢或濁積砂巖易形成層狀碳酸鹽膠結(jié)帶、橫向分布廣，縱向差異小、膠結(jié)物分布均勻;對于分選相對較好的外扇砂巖或含礫砂巖，隨粒度變細(xì)、單層變薄，碳酸鹽膠結(jié)物含量呈現(xiàn)增大的趨勢。

(2)中扇主要發(fā)育溝道砂礫巖，單層厚度較大，整體上膠結(jié)物含量較低(一般小于10%)，砂礫巖層底部往往發(fā)育較薄、橫向呈透鏡狀分布的碳酸鹽膠結(jié)層;此外，中扇溝道砂礫巖中的后期溶蝕作用和晚期鐵白云石膠結(jié)普遍發(fā)育。

(3)分選差、雜基支撐的內(nèi)扇礫巖或砂礫巖，碳酸鹽礫石、灰質(zhì)雜基含量高、壓實(shí)作用強(qiáng)烈，礫巖中的碳酸鹽膠結(jié)物呈多期性。

圖4 碳酸鹽膠結(jié)層在Y930井沙四上亞段中扇及內(nèi)扇亞相中的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of carbonate cementation layers of nearshore subaqueous fans in well Y930

上述碳酸鹽膠結(jié)物的差異性分布模式與沉積速率及中扇和內(nèi)扇砂礫巖的縱橫向連通性及滲透性差異有關(guān)。外扇被包圍在烴源巖之中，沉積物的供給速率及沉積速率較低，導(dǎo)致了膠結(jié)作用增加、膠結(jié)物含量高，而膠結(jié)層的延伸較遠(yuǎn)可能和湖盆中湖泛的一致性有關(guān)。而中扇溝道砂礫巖的滲透性較好，造成了后期溶蝕和鐵白云石膠結(jié)、交代作用較強(qiáng)。砂礫巖中斜長石含量與碳酸鹽含量具有很好的負(fù)相關(guān)的關(guān)系(圖4)，意味著在膠結(jié)的同時(shí)可能發(fā)生了較強(qiáng)的斜長石溶蝕作用。這一現(xiàn)象說明，富含碳酸鹽的溶液向砂礫巖搬運(yùn)過程中，砂礫巖體中的長石緩沖酸性地層水，導(dǎo)致方解石等碳酸鹽膠結(jié)物在砂礫巖體中滲透性較好的溝道砂礫巖底部優(yōu)先沉淀。此外，碳酸鹽膠結(jié)的差異性分布也造成了近岸水下扇砂礫巖體在垂向和橫向的儲(chǔ)層非均質(zhì)性加強(qiáng)。碳酸鹽膠結(jié)物的含量與砂礫巖孔隙度和滲透率有著非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物的含量小于10%時(shí)，孔隙度較高(10% ～25%);碳酸鹽膠結(jié)物含量高于10%時(shí)，孔隙度一般小于10%，膠結(jié)弱的層段及區(qū)塊發(fā)育有利儲(chǔ)層。另外，外扇雖然分布廣泛的碳酸鹽膠結(jié)層，但裂縫發(fā)育，與膠結(jié)較弱的水道砂巖成為良好的油氣輸導(dǎo)通道;內(nèi)扇致密壓實(shí)和膠結(jié)帶起到側(cè)向遮擋物的作用。如果內(nèi)扇膠結(jié)帶和中扇弱膠結(jié)層配置好，則形成物性遮擋的巖性油氣藏。縱向上膠結(jié)層頻繁，也造成了縱向上油、水、干層間互的特征。

圖6 沙四上亞段S4砂層組碳酸鹽膠結(jié)物分布Fig.6 Distribution of carbonate cementation in S4 sand sets

5 結(jié)論

(1)東營凹陷北部陡坡帶古近系沙四上亞段近岸水下扇砂礫巖體中，膠結(jié)物含量高(＞0.15)的砂巖多出現(xiàn)在薄層的外扇及滑塌濁積扇砂巖中，膠結(jié)物含量低(＜0.1)的砂巖多出現(xiàn)在中扇溝道微相的厚層砂巖中。中扇、外扇的膠結(jié)層單層較薄，外扇膠結(jié)層的橫向連續(xù)性好。

(2)中扇的碳酸鹽膠結(jié)帶僅位于溝道砂巖的頂?shù)撞?、橫向延伸小、晚期鐵白云石膠結(jié)、交代普遍。砂礫巖中的斜長石有效地中和了大部分流入砂礫巖的酸性地層水，導(dǎo)致方解石在砂礫巖體的邊緣沉淀，而膠結(jié)層往往對應(yīng)于斜長石溶蝕、而現(xiàn)今斜長石含量較低的層段。

(3)內(nèi)扇礫巖或砂礫巖分選差、膠結(jié)層段單層厚度較大。礫巖及砂礫巖的碳酸鹽含量隨粒度變粗呈現(xiàn)增大的趨勢。鈣質(zhì)礫石及雜基含量高導(dǎo)致內(nèi)扇礫巖的壓實(shí)較強(qiáng)、物性差。砂礫巖的縱橫向連通性及滲透性差別大，造成了內(nèi)扇和中扇的碳酸鹽膠結(jié)物分布差異大。

(4)鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物主要形成于深埋、晚期，碳酸鈣來源多樣，部分來源于碳酸鹽巖巖屑的溶解，也有受有機(jī)質(zhì)演化有關(guān)的酸性流體影響、來自富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖中的鈣質(zhì)。碳酸鹽膠結(jié)的發(fā)育造成儲(chǔ)層的垂向、橫向非均質(zhì)性較強(qiáng)，形成內(nèi)扇物性遮擋巖性油氣藏，縱向上油水間互。

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