煤系烴源巖對(duì)砂巖致密化發(fā)育的影響

程 娜，韓淑喬，龍 慧

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心）

大量的勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在與煤系烴源巖共生的砂巖中，硅質(zhì)膠結(jié)極為普遍，同時(shí)發(fā)生石英的多期次生加大，導(dǎo)致砂巖致密化嚴(yán)重，多形成低孔、低滲的致密砂巖氣儲(chǔ)層。這一現(xiàn)象在我國(guó)鄂爾多斯盆地上古生界、四川盆地侏羅系、吐哈盆地侏羅系的砂巖中都很常見［1-4］。本文從煤系烴源巖中有機(jī)酸的來(lái)源及對(duì)不穩(wěn)定礦物的溶蝕、SiO2膠結(jié)及石英次生加大等方面進(jìn)行論述，探討鄂爾多斯盆地上古生界煤系烴源巖與致密砂巖發(fā)育關(guān)系。

1 有機(jī)流體充注對(duì)儲(chǔ)層礦物改造作用

油田水中的有機(jī)酸之所以被廣泛關(guān)注，主要是由于其可影響礦物的成巖作用，促使不穩(wěn)定礦物溶解，產(chǎn)生次生孔隙，而次生孔隙的發(fā)育狀況是影響儲(chǔ)層物性的主要因素之一。

1.1 有機(jī)酸的來(lái)源

油田水中的有機(jī)酸來(lái)源包括：干酪根熱成熟、烴類微生物降解、烴類熱化學(xué)硫酸巖還原（TSR）或熱變作用。其作用機(jī)理有以下幾種：

（1）有機(jī)酸可能是H＋的主要來(lái)源和受體，故可以通過(guò)直接或間接地控制地下水的pH 值，影響礦物的成巖演化。MacGowan（1990）［5］等認(rèn)為羧酸陰離子（CAA）緩沖pH 值的能力比任何一種水溶性碳酸鹽都大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）有機(jī)酸能夠與金屬（如鋁）或其它無(wú)機(jī)元素組分形成可溶性絡(luò)合物，從而促進(jìn)這些無(wú)機(jī)組分的遷移，改變它們的成巖反應(yīng)。在沉積物逐漸埋藏過(guò)程中，孔隙度的增大受孔隙流體搬運(yùn)鋁的能力的限制，在缺乏絡(luò)合物的情況下，當(dāng)pH 值為4～8時(shí)，鋁的溶解度特別低，這樣，任何從礦物顆粒溶解下來(lái)的物質(zhì)都會(huì)在顆粒周圍再沉淀，結(jié)果造成孔隙度降低，二元酸的存在所引起的鋁的活度因子的增強(qiáng)，使鋁硅酸鹽及碳酸鹽發(fā)生大量遷移。

（3）在熱和細(xì)菌的促進(jìn)下，有機(jī)酸可以脫羧形成CO2和氣態(tài)烴，CO2的溶解，能夠降低地層水的pH值和碳酸根的相對(duì)活度，從而引起碳酸鹽和其它礦物的溶解。

（4）有機(jī)酸作為還原劑，控制地下水的氧化態(tài)（Eh）和多價(jià)元素的濃度。

當(dāng)（含各種陰、陽(yáng)離子）有機(jī)酸、酚及液態(tài)烴類的有機(jī)流體進(jìn)入到碎屑巖儲(chǔ)層后，與無(wú)機(jī)的礦物（石英、長(zhǎng)石、綠泥石、云母等）之間發(fā)生的相互作用，其結(jié)果就是礦物的溶解、交代、重結(jié)晶和次生加大。由于煤系烴源巖為富含氧元素的Ⅲ型干酪根在生烴過(guò)程中可以形成比Ⅰ、Ⅱ型干酪根更多的有機(jī)酸，其進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層后，通常會(huì)使長(zhǎng)石發(fā)生溶解，石英次生加大，同時(shí)也會(huì)形成高嶺石等粘土礦物。

1.2 有機(jī)酸對(duì)礦物穩(wěn)定性的影響

有機(jī)酸對(duì)礦物穩(wěn)定性的影響是通過(guò)提供H＋、絡(luò)合金屬元素，來(lái)提高礦物的溶解度。有機(jī)酸對(duì)石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物及鋁硅酸鹽礦物等都具有一定程度的溶蝕作用。江陵凹陷新溝嘴組下段砂巖，在晚成巖期時(shí)有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟階段，釋放出大量的有機(jī)酸，溶蝕作用較發(fā)育，發(fā)生了碳酸鹽、長(zhǎng)石、巖屑等的溶蝕［6］。有機(jī)酸溶蝕石英、長(zhǎng)石，可產(chǎn)生SiO2，形成石英次生加大，使儲(chǔ)層孔隙度大量減少。

1.2.1 有機(jī)酸對(duì)石英的影響

石英是砂巖中最常見的、含量最多的礦物組分，它的溶解與沉淀對(duì)次生孔隙的發(fā)育有著重要影響。pH 值是決定石英溶解作用的關(guān)鍵因素，Bennett［7］等通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了25～70℃時(shí)石英在草酸、醋酸等溶液中的溶解速率，發(fā)現(xiàn)有機(jī)酸溶液中石英的溶解速率取決于溶液的pH 值，當(dāng)pH 值大于8.5時(shí)，有利于SiO2的溶 解，pH 值 大 于9 時(shí)，SiO2溶 解 度 會(huì)隨著pH 值的增加而迅速增加。另外，大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸的存在基本上不會(huì)影響石英的溶解度，但可以影響石英溶解的速率。前人先后通過(guò)實(shí)驗(yàn)［7-8］研究了石英與草酸等有機(jī)酸作用，認(rèn)為一般情況下有機(jī)酸濃度增大，可以提高石英的溶解速率，但同時(shí)他們都發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸只是對(duì)石英溶蝕的速率產(chǎn)生影響，而對(duì)石英的溶解度沒有顯著影響。

1.2.2 有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)石的影響

生烴過(guò)程中可以產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，在80～200℃溫度范圍內(nèi)油田水中的羧酸含量可達(dá)8000×10-12以上，含烴熱流體中的有機(jī)酸使長(zhǎng)石不斷被溶蝕。有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)石的溶解與孔隙流體的pH 值有關(guān)，同時(shí)長(zhǎng)石類型及結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)石溶解也具有一定影響，在相同的成巖溫壓條件下，鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石的穩(wěn)定性依次減弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)，鉀長(zhǎng)石是長(zhǎng)石類礦物在地下水化學(xué)作用下最穩(wěn)定的礦物。且有機(jī)酸對(duì)粗粒長(zhǎng)石溶解程度要遠(yuǎn)大于細(xì)粒長(zhǎng)石。

2 SiO2 膠結(jié)及石英次生加大

2.1 SiO2 來(lái)源

2.1.1 長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生

煤系烴源巖中，Ⅲ型干酪根中含氧基團(tuán)斷裂可以生成大量的有機(jī)酸，鄭浚茂等通過(guò)對(duì)煤及淡水-半咸水泥巖中的有機(jī)酸含量進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)煤層所產(chǎn)生的有機(jī)酸，要比其它地層高數(shù)百倍［1］，是長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物溶解的主要因素。有機(jī)酸促使長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生高嶺石及SiO2，為石英的次生加大提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其化學(xué)反應(yīng)方程式（以鉀長(zhǎng)石為例）為：

2KAlSi3O8（鉀長(zhǎng)石）＋2H＋＋H2O＝Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）＋4SiO2＋2K＋。

2.1.2 碎屑石英壓溶作用產(chǎn)生

壓溶作用是指石英顆粒相互接觸處因壓力較大而使其發(fā)生溶蝕，致使這些顆粒呈線狀或凹凸?fàn)罱佑|，溶出的SiO2往往在壓溶顆粒附近的孔隙中沉淀成石英次生加大，壓溶作用使碎屑石英溶解提供SiO2主要發(fā)生在較晚的成巖階段。壓溶作用是SiO2的重要來(lái)源之一，上覆壓力增加及溫度增加，都會(huì)造成SiO2的溶解度增加，溶解的SiO2通過(guò)擴(kuò)散作用在附近的石英表面上沉淀［9］。另外，粘土礦物的轉(zhuǎn)化，如蒙脫石向高嶺石礦物的轉(zhuǎn)化也可以生成SiO2［10］。

2.2 SiO2 沉淀及膠結(jié)、石英次生加大

2.2.1 SiO2沉淀及膠結(jié)

影響SiO2沉淀的因素主要有沉積環(huán)境的pH值、溫度及其它因素。當(dāng)pH 值大于8.5時(shí)，有利于SiO2的溶解，大 于9 時(shí)，SiO2的 溶 解 度 隨 著pH 值的增大而迅速增加，而當(dāng)pH 值小于8.5時(shí)，則有利于SiO2的沉淀；石英在高溫條件下易于溶解，在低溫條件下易于沉淀，溫度的降低很容易造成石英的沉淀；另外，油氣的充注及顆粒表面特征等因素也會(huì)對(duì)SiO2的沉淀及膠結(jié)作用產(chǎn)生一定影響，例如干凈的顆粒表面有利于石英次生加大的形成，而當(dāng)顆粒表面被其它礦物（如粘土礦物等）包裹后，則可以明顯抑制石英次生加大。

煤系地層中水介質(zhì)呈酸性，而在酸性介質(zhì)條件下，硅質(zhì)不能遠(yuǎn)距離遷移，大部分沉淀，進(jìn)行著廣泛的硅質(zhì)膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)物在鄂爾多斯盆地上古生界的成巖礦物構(gòu)成中十分常見，含量一般在4%～8%，最高介于12%～15%，平均值高達(dá)3.8%［11］。

2.2.2 石英次生加大

SiO2膠結(jié)的主要表現(xiàn)形式為石英次生加大，石英次生加大根據(jù)發(fā)育程度分為4級(jí)，其中Ⅰ級(jí)加大：少量石英窄加大邊或自形晶面；Ⅱ級(jí)加大：大部分石英和少量長(zhǎng)石加大，有石英雛晶；Ⅲ級(jí)加大：所有石英和長(zhǎng)石加大邊，呈鑲嵌狀；Ⅳ級(jí)加大：顆?？p合接觸，自形晶面消失。鄂爾多斯盆地山西組砂巖中石英次生加大現(xiàn)象普遍而且量較多，山西組層段硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育，次生加大邊寬0.05～0.10 mm，加大邊連續(xù)，再生膠結(jié)發(fā)育，以石英顆粒次生加大為主要特征，其中山西組氣層石英次生加大膠結(jié)普遍，石英次生加大邊多屬II～I(xiàn)II級(jí)。II級(jí)以上加大邊較寬，呈鑲嵌狀接觸，使得粒間孔隙大量減少。

3 成巖過(guò)程中孔隙度變化

煤系地層在早期泥炭化過(guò)程中，可產(chǎn)生多種酸類，使水介質(zhì)呈酸性，在早成巖階段，植物遺體被氧化分解，形成大量腐植酸，這種酸性水介質(zhì)對(duì)砂巖顆粒表面及粒間的泥鈣質(zhì)進(jìn)行溶解，使得同沉積的泥鈣質(zhì)很少保留［1］，碳酸鹽膠結(jié)物、硅酸鹽膠結(jié)物等難以保存，因此在成巖作用早期壓實(shí)作用強(qiáng)烈，原生孔隙大量減少，這一階段孔隙中只有少量的石英次生加大邊；在中晚期成巖階段，煤系烴源巖中Ⅲ型干酪根中含氧基團(tuán)斷裂產(chǎn)生大量有機(jī)酸，溶蝕石英、長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物，產(chǎn)生大量SiO2，另外石英壓溶作用等也可產(chǎn)生SiO2，石英次生加大普遍發(fā)育，儲(chǔ)層孔隙度減少。在早成巖階段，因腐殖質(zhì)氧化產(chǎn)生少量的有機(jī)酸，長(zhǎng)石等礦物部分被溶蝕產(chǎn)生次生孔隙，硅質(zhì)沉淀形成Ⅰ級(jí)石英次生加大；在中成巖階段因有機(jī)質(zhì)成熟釋放大量的有機(jī)酸，形成大量次生孔隙，Ⅱ～Ⅲ級(jí)石英次生加大。

在陰極發(fā)光下，在上古生界下石盒子組盒8段中可以觀察到大量發(fā)棕褐色光的石英，同時(shí)具有淺褐色的石英次生加大邊，棕褐色的硅質(zhì)充填在發(fā)褐色光石英顆粒裂縫中，發(fā)藍(lán)色光的為斜長(zhǎng)石，發(fā)朱紅色光為鈉長(zhǎng)石交代，顆粒間見高嶺石膠結(jié)，發(fā)靛藍(lán)色光。陰極發(fā)光分析表明，在砂巖骨架顆粒中長(zhǎng)石含量較少，其主要原因是埋藏成巖過(guò)程中與煤系地層有關(guān)的酸性流體的溶解作用，至少有10%～20%的長(zhǎng)石在埋藏成巖過(guò)程中溶解，物源和埋藏前的改造并非這些砂巖具有較高成分成熟度的主要原因。

鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲(chǔ)層，在早成巖階段，以壓實(shí)作用和蝕變作用為主，經(jīng)過(guò)早成巖期階段的演化之后，其中西部地區(qū)盒8、山l段，石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖的孔隙度分別減少了18.3%、18.9%和18%，東部地區(qū)盒8、山1段儲(chǔ)層中，巖屑石英砂巖和巖屑砂巖的孔隙度分別減少了17%和18.5%；晚期成巖階段，主要以膠結(jié)作用和溶解作用為主，同早成巖階段末相比，西部地區(qū)盒8、山1段石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖的孔隙度分別減少了7.6%、5.6%和5.9%；東部地區(qū)盒8、山1段，巖屑石英砂巖、巖屑砂巖的孔隙度分別減少了7.5%和5.8%。

4 致密化發(fā)育過(guò)程

煤系地層中或與煤系地層相鄰的儲(chǔ)集層，其儲(chǔ)集巖主要由巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖等組成，孔隙度一般在6%～8%之間，滲透率一般在（0.5～1.0）×10-3μm2之間，大部分都屬于致密儲(chǔ)層［12］。這主要是因?yàn)槊合档貙又懈缓完懮参镞z體，在早成巖階段，這些植物遺體在微生物和氧的積極參與下，形成大量腐植酸，煤系地層或含煤的泥質(zhì)地層內(nèi)的酸性水在壓實(shí)作用過(guò)程中進(jìn)入到鄰近的砂巖中，使水介質(zhì)呈酸性。早成巖階段，在這種酸性介質(zhì)條件下，孔隙中因缺乏方解石、石膏等膠結(jié)物的支撐，壓實(shí)作用強(qiáng)烈，原生孔隙大大減少，孔隙喉道變細(xì)，滲透率降低，形成小孔微喉型孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙度一般小于8%，滲透率小于0.5×10-3μm2［12］，是煤系儲(chǔ)層的主要孔隙結(jié)構(gòu)。在中成巖階段，煤系地層中Ⅲ型干酪根中含氧基團(tuán)斷裂產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，煤層中的有機(jī)酸濃度要比淡水-半咸水泥巖中有機(jī)酸的濃度高數(shù)百倍，有機(jī)酸主要溶蝕長(zhǎng)石、石英等不穩(wěn)定礦物，產(chǎn)生大量的SiO2，形成石英次生加大，占據(jù)了砂巖中大量的孔隙，使得砂巖儲(chǔ)層孔隙度大量減少。另外，由于硅質(zhì)膠結(jié)物難以溶解，在成巖作用后期，也難以溶解產(chǎn)生次生孔隙。有機(jī)酸溶蝕長(zhǎng)石、石英等礦物產(chǎn)生一定的次生孔隙，即在普遍低孔低滲的儲(chǔ)層中形成大孔細(xì)喉型孔隙結(jié)構(gòu)，但由于煤系地層中有機(jī)酸形成時(shí)，儲(chǔ)層已經(jīng)受到了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，大部分原生孔隙已經(jīng)消失，儲(chǔ)層物性普遍變差，所以有機(jī)酸也只能在原生孔隙保存較多的部位形成溶蝕次生孔隙（圖1）。

通過(guò)對(duì)山西組石英砂巖儲(chǔ)集層發(fā)育特征進(jìn)一步研究，認(rèn)為煤系砂巖儲(chǔ)層孔隙水呈酸性，抑制了早期碳酸鹽的膠結(jié)作用，降低了儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度，因壓實(shí)作用損失了50%以上的原生孔隙，硅質(zhì)膠結(jié)物損失的平均粒間孔為8.6%，壓實(shí)作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用是榆林地區(qū)山2段石英砂巖致密化的主要原因［13］。另外，在SiO2的形成過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的高嶺石、伊利石等粘土礦物，這些粘土礦物對(duì)巖石的儲(chǔ)集性能影響很大，不僅可以充填、占據(jù)砂巖原生孔隙空間，而且可以在很大程度上破壞砂巖儲(chǔ)層的滲透性能，尤其是伊利石的存在會(huì)極大地降低儲(chǔ)層的滲透率。這些都對(duì)致密砂巖的發(fā)育具有一定的影響，因此說(shuō)，煤系烴源巖與致密砂巖發(fā)育是密切相關(guān)的。

5 結(jié)論

（1）在分析有機(jī)酸來(lái)源基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了有機(jī)酸對(duì)儲(chǔ)層成巖礦物的改造作用，分析了成巖過(guò)程中孔隙度變化及致密化發(fā)育過(guò)程，認(rèn)為有機(jī)流體充注形成的有機(jī)無(wú)機(jī)相互作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度的減少，儲(chǔ)層致密化發(fā)育的主要原因。

圖1 鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)山西組砂巖儲(chǔ)集層成巖演化模式

（2）在成巖早期階段，以煤系烴源巖為代表的Ⅲ型干酪根可以生成比Ⅰ、Ⅱ型干酪根更多的有機(jī)酸，導(dǎo)致不穩(wěn)定礦物（長(zhǎng)石、巖屑）產(chǎn)生強(qiáng)烈溶蝕，同時(shí)形成大量的硅質(zhì)膠結(jié)物和石英多期次次生加大，其結(jié)果是使儲(chǔ)層大量原始孔隙被占據(jù)，導(dǎo)致孔隙度降低，隨著成烴及成巖演化的進(jìn)一步發(fā)育，儲(chǔ)層逐漸向致密化方向發(fā)育。

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