西湖凹陷北部花港組深部儲層次生溶蝕帶分析

陳琳琳，鞏興會，李 昆

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120）

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西湖凹陷北部花港組深部儲層次生溶蝕帶分析

陳琳琳，鞏興會，李 昆

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120）

摘 要：西湖凹陷北部花港組深部儲層成巖作用研究是深部有利儲層預測的基礎(chǔ)工作。西湖凹陷北部GZZ構(gòu)造四口鉆井取樣分析揭示了深部儲層次生溶蝕帶分布特征，分析指出其主控因素有兩點：（1）砂巖成分構(gòu)成提供了后期改造溶蝕空間，自生石英增強了抗壓實能力；（2）成巖環(huán)境酸堿性轉(zhuǎn)換控制了溶蝕與膠結(jié)兩個成巖過程。酸性溶蝕環(huán)境下長石、巖屑溶蝕以及伊蒙混層黏土轉(zhuǎn)換極大地改善了儲層孔滲條件，而堿性成巖環(huán)境下的碳酸鹽重結(jié)晶、連晶膠結(jié)作用，以及綠泥石、伊利石自生黏土析出堵塞孔喉，致使儲層物性變差。

關(guān)鍵詞：儲層次生溶蝕帶；主控因素；花港組深層；東海西湖凹陷

東海陸架盆地西湖凹陷北部已經(jīng)進入深層勘探探索階段，深部儲層物性問題已經(jīng)成為深層成藏機制中主控因素。2013 ～ 2014年間，凹陷中央背斜帶中北部GZZ構(gòu)造鉆井四口，并在漸新統(tǒng)花港組上段底部巨厚的濕地扇砂體中測試獲得工業(yè)氣流，主力氣層位即位于深部儲層次生溶蝕帶（埋深3 700 ～ 3 900 m之間），這一勘探成果為西湖凹陷深部天然氣資源勘探展示了寬闊的前景，也引發(fā)了對深部儲層物性改善機制研究熱點，豐富了深部儲層的認識，從而推動深層天然氣資源勘探。

1 西湖凹陷漸新統(tǒng)花港組地質(zhì)背景

西湖凹陷是一個從古近紀到新近紀，由斷陷轉(zhuǎn)入坳陷的大陸邊緣盆地，沉積中心在坳陷階段不斷向北轉(zhuǎn)移。古新世 ～ 始新世，西湖凹陷為陸緣海陸過渡相斷陷盆地，沉積充填受海平面升降控制。漸新世進入陸相坳陷充填階段，直到中新世末期構(gòu)造擠壓（龍井運動）形成現(xiàn)今縱貫凹陷中央的背斜帶，也定型了一大批背斜、斷背斜構(gòu)造圈閉。GZZ構(gòu)造是位于坳陷深部的背斜構(gòu)造（圖1），現(xiàn)有四口鉆井，揭示了凹陷東坡沿岸短軸沖積體系內(nèi)部沉積層序的復雜變化，而有利儲層出現(xiàn)在漸新統(tǒng)花港組濕地扇巨厚砂體中，現(xiàn)今埋深3 600 m以下。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造格局及GZZ構(gòu)造位置圖

西湖凹陷漸新統(tǒng)花港組系內(nèi)陸坳陷結(jié)構(gòu)中充填的一套濕地扇、辮狀河三角洲、湖泊相巖相組合，侵蝕基準面升降背景下，發(fā)育了兩套三級層序，分別為上段、下段。

（1）花港組下段

花下段與下伏平湖組呈角度不整合關(guān)系?；ㄏ露纬练e時，整個西湖凹陷沖積扇、河流活動強烈，湖泊局限。鉆井揭示了一套濕地扇、辮狀河三角洲沉積，巖性下粗上細呈正向沉積韻律，其底部往往具沖刷面，沖刷面之上為灰白色的砂礫巖。該層序下部中砂巖、細砂巖，可見大型板狀、槽狀交錯層理。自下而上粒徑逐漸變細，巖性為細砂巖和粉砂巖，可見小型交錯層理和波狀層理；其中間互深灰色、灰色湖進泥巖，以水平層理為主。

（2）花港組上段

花上段沉積時，地貌趨向平坦，湖盆逐步擴大。層序下部仍為濕地扇、辮狀河三角洲沉積，上部為三角洲/湖泊相交互沉積。三角洲砂體以細-中砂巖為主，砂體分選好，分布較穩(wěn)定，湖泊相泥巖可形成很好的蓋層。

2 深部儲層次生溶蝕帶分析

對于GZZ構(gòu)造而言，3 600 m以下儲層處于什么樣的成巖階段？綜合以下有機質(zhì)演化，黏土轉(zhuǎn)化以及石英包裹體等多方面資料相互驗證，可以確定GZZ構(gòu)造深部次生溶蝕帶處于晚成巖A-B階段［1］。

（1）物性資料所反映的深部壓實、溶蝕現(xiàn)狀（圖2），次生溶蝕帶向深部演化情況表明深部次生孔隙迅速減少。

圖2 GZZ構(gòu)造鉆井實測物性資料匯總

（2）GZZ-1井3 862 ～ 3 872 m之間泥巖夾層鏡質(zhì)體反射率（Ro）平均值0.742%，表明該套地層正處于生烴高峰期，而伴隨有機質(zhì)成熟窗口的酸性溶蝕階段為深層儲層改造創(chuàng)造了有利條件。

（3）GZZ構(gòu)造鉆井揭示砂巖石英次生加大包裹體均一溫度主要發(fā)生在125 ～ 150 ℃，成巖深度大約3 050 ～ 3 750 m（以現(xiàn)今地溫梯度3.5 ℃/100 m測算）；部分層段樣品達到160 ℃，對應(yīng)成巖深度達到4 050 m（圖3）。

圖3 石英次生加大包裹體溫度資料

（4）砂巖黏土雜基的X衍射資料中，伊蒙混層（I/S）中的蒙脫石（S）質(zhì)量分數(shù)在深層臺階式減少，3 600 m之下為15% ～ 20%，4 000 m之下為10% ～ 15%；而高嶺石在3 600 m之下明顯減少，伊利石、綠泥石則顯著增多（圖4）。

成巖過程始終貫穿著壓實與抗壓實、溶蝕與膠結(jié)兩條主線。當同期地層埋深至有機質(zhì)演化成熟門限（理論上Ro＞0.5%，埋深超過2 500 m），原生孔隙大量消失的同時（壓實作用），儲層成巖環(huán)境因為酸性溶蝕作用出現(xiàn)，發(fā)育部分次生孔隙，使深部儲層儲集條件得以改善。

花港組砂巖主要由長石砂巖、巖屑砂巖構(gòu)成，統(tǒng)計四口鉆井3 000 ～ 4 700 m井段薄片資料，石英質(zhì)量分數(shù)為64%、長石為18%、巖屑為18%，這樣的成分構(gòu)成中有36%的不穩(wěn)定碎屑可能轉(zhuǎn)化為溶蝕孔隙。隨著埋深加深，壓實作用逐步主控著深部儲層整體物性特征，而次生溶蝕作用僅僅在特定條件下改善了局部層段的物性條件，形成所謂“深部甜點”。從GZZ構(gòu)造物性資料匯總看（圖2），深部儲層從3 700 m到4 300余米出現(xiàn)了強弱不等的三個次生溶蝕帶，綜合薄片、X衍射、電鏡、包裹體等資料分析，可以確定GZZ構(gòu)造次生溶蝕帶發(fā)育受益于以下兩點。

2.1 石英次生加大增強抗壓實能力

匯總四口鉆井薄片資料，從接觸關(guān)系分析（圖5），從3 100 m至4 700 m，以線接觸為主，其中3 500 ～ 4 400 m井段，即便在4 000 m之下，仍保留一定數(shù)量的線-點、點-線接觸關(guān)系。如果對應(yīng)物性資料（圖2），分三個深度段統(tǒng)計，線-凹凸接觸關(guān)系向深層沒有明顯增多，而3 950 ～ 4 700 m井段的線-點、點-線成倍增加，線接觸明顯減少，顯示了抗壓實能力。

至此，4 000 m之下儲層的物性特征與顆粒接觸方式似乎矛盾，但是，X衍射資料中（圖4、圖6）碳酸鹽和黏土向深部均沒有明顯增多，僅伊利石含量略有增多；反觀包裹體溫度資料，堿性環(huán)境下仍有自生石英生長，X衍射資料則表明石英含量向深部增多。這些證據(jù)表明：石英次生加大或許成為堵塞孔隙、喉道的主要原因。

2.2 酸性溶蝕作用主導次生溶蝕帶

成巖作用主要經(jīng)歷了堿性膠結(jié)、酸性溶蝕、堿性交代三個階段。成巖作用類型的變化反映了成巖環(huán)境酸堿性的轉(zhuǎn)化［2-3］。

理論上講，成巖環(huán)境包括儲層礦物組成、溫度、壓力以及水介質(zhì)化學性質(zhì)等多方面［4］。成巖環(huán)境隨埋藏深度的變化必然導致陸源碎屑的穩(wěn)定性的變化，并由此對儲層性質(zhì)造成影響。但水介質(zhì)化學性質(zhì)的變化往往具有主導作用，目前所認識的主要成巖類型，自生礦物，黏土轉(zhuǎn)化等都反映了水介質(zhì)化學性質(zhì)的變化決定了成巖作用過程中的水-巖反應(yīng)的發(fā)展方向。酸性或堿性成巖環(huán)境中，石英、長石等主要碎屑礦物以及碳酸鹽礦物、黏土礦物等主要填隙物都具有不同的形態(tài)和行為。

圖4 鉆井取心砂巖黏土雜基X衍射資料

圖5 GZZ構(gòu)造碎屑顆粒接觸關(guān)系分析

結(jié)合西湖凹陷區(qū)域研究成果，不同成巖階段酸堿性成巖環(huán)境變化及成巖特點歸納如下：

2.2.1 早成巖階段——堿性成巖環(huán)境

孔隙-基底、基底-孔隙、基底式膠結(jié)類型，以碳酸鹽膠結(jié)（粉晶-細晶）、泥質(zhì)膠結(jié)為主，都是大規(guī)模壓實效應(yīng)之前的膠結(jié)類型。

早成巖階段堿性成巖環(huán)境主要受沉積水體影響，淺埋藏階段（地溫低于80 ℃），細菌等微生物非?；钴S，低熟有機質(zhì)或可生成少量有機酸但很快被細菌消耗［5］。淺埋藏階段，泥質(zhì)沉積物可在上覆地層壓力下快速脫水，泥巖中的Ca2+、Mg2+和Fe2+等堿離子進入砂巖，使地層水趨于弱堿性，這些條件都有利于方解石沉淀。早期堿性成巖環(huán)境中大量出現(xiàn)的Mg2+和Fe2+離子也解釋了碎屑表面常見的綠泥石膜，無論是薄片中的壓嵌（或接觸）-薄膜膠結(jié)類型，還是電鏡資料，都可以證實這一點。

2.2.2 晚成巖A-B階段——酸性成巖環(huán)境

這是次生溶蝕的重要階段，也是有機質(zhì)演化，泥巖脫水協(xié)同成巖作用的重要時期。

圖6 X衍射資料中碳酸鹽、黏土及石英質(zhì)量分數(shù)比較圖

從物性改造角度看，這一階段酸性溶蝕作用表現(xiàn)強烈，尤其集中在鏡質(zhì)體反射率為0.4% ～ 0.7%，有機質(zhì)已經(jīng)進入到成熟窗口，伴隨發(fā)生的CO2和有機酸使得孔隙流體呈酸性，為碎屑組分的溶蝕提供了必要條件。薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，早期碳酸鹽膠結(jié)嚴重，堵塞了孔隙水的流通，或?qū)е麓紊紫恫话l(fā)育；而在碳酸鹽膠結(jié)較弱的部分，溶蝕作用很明顯。

（1）長石等硅酸鹽礦物的溶蝕

薄片和電鏡資料，均發(fā)現(xiàn)大量溶蝕現(xiàn)象。

薄片中長石的溶蝕特征為：部分長石顆粒邊緣被溶蝕，粒間孔擴大，溶蝕的長石與周圍顆粒呈不接觸狀態(tài)；部分長石顆粒發(fā)生粒內(nèi)溶蝕，單一長石顆粒內(nèi)部可見幾個小的溶孔；也有的長石顆粒沿節(jié)理溶蝕，顆粒未溶部位與粒內(nèi)孔相間呈現(xiàn)柵狀。

電鏡下長石溶蝕后，多數(shù)粒間孔中存在長石被溶蝕之后形成伊利石、綠泥石、高嶺石、自生石英的共生現(xiàn)象。有機酸對長石的溶蝕主要是針對Al3+展開。在孔隙水溶液中，有機酸陰離子與Al3+結(jié)合形成絡(luò)合離子，降低了溶液中Al3+的有效濃度，從而促使了長石的溶蝕。另外，長石在有機酸及CO2作用下會發(fā)生蝕變而生成高嶺石，使長石體積減小，孔隙增大。

（2）碳酸鹽礦物的溶蝕

碳酸鹽在孔隙水中存在電離平衡，因此碳酸鹽的溶蝕受控于孔隙水中的H+和CO2的濃度。而在早期碳酸鹽膠結(jié)致密處，孔隙水運移緩慢，CO2分壓很快便超過碳酸鹽溶解的平衡常數(shù)，從而造成碳酸鹽溶解停滯甚至重新沉淀。

而在早期碳酸鹽膠結(jié)較弱，或者后期壓實產(chǎn)生裂縫的地區(qū)，有機質(zhì)成熟過程中釋放出的大量有機酸隨著黏土脫水作用進入儲層，使孔隙水中H+濃度增大，pH值降低，首先造成了早期碳酸鹽的溶解。

碳酸鹽的沉淀與溶解取決于孔隙溶液中CO2分壓，這是一個動態(tài)平衡反應(yīng)。只要CO2分壓值沒有超過碳酸鹽溶解時所需的平衡常數(shù)，碳酸鹽將持續(xù)溶解［6-7］。

（3）石英次生加大

石英次生加大現(xiàn)象普遍存在，從包裹體資料分析（圖3），125 ～ 150 ℃為主要均一溫度區(qū)間，這個溫度區(qū)間表明晚成巖A-B階段為主要酸性成巖階段，與GZZ-1井同期泥巖夾層中的Ro達0.74%相互驗證。

而150 ～ 160 ℃之間的少量數(shù)據(jù)點，表明有機酸演化進入后期，除各種成巖反應(yīng)消耗外，自身熱演化的脫羧基作用使有機酸迅速減少［8］，成巖環(huán)境轉(zhuǎn)入堿性，石英次生加大作用減少。

（4）蒙脫石伊利石化

酸性溶蝕環(huán)境中，蒙脫石經(jīng)伊-蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化。

蒙脫石伊利石化的控制因素是溫度、壓力、時間、孔隙流體化學性質(zhì)以及原始化學構(gòu)成。作為砂巖中黏土構(gòu)成的蒙脫石在滲透性良好的深度段更易于伊利石化。

蒙脫石經(jīng)伊-蒙混層形成伊利石的過程是一個由Si4+，Na+，H2O的帶出和K+，Al3+帶入的過程，也是黏土脫水過程。從本質(zhì)上說，還是蒙脫石溶解和伊利石重結(jié)晶的過程。因此，是一個次生孔隙增加的過程。

從X衍射資料看，伊蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分數(shù)從25%，20%，15%臺階式減少均伴隨脫水效應(yīng)（圖4），因此，脫水深度大致在3 600、4 000 m?？紤]到泥巖中蒙脫石伊利石化由于壓力抑制因素以及滲透性較差，轉(zhuǎn)換深度比砂巖中黏土雜基稍晚，伊蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分數(shù)從25%到20%的轉(zhuǎn)換深度與有機質(zhì)成熟深度及溫度基本重疊，這一脫水效應(yīng)造成了儲層酸性溶蝕環(huán)境。

2.2.3 晚成巖階段Ⅳ幕——堿性交代階段

酸性溶蝕環(huán)境的進一步演化必然進入堿性交代階段，因為：

（1）隨著H+的消耗、CO2分壓升高，弱酸根的水解，孔隙溶液轉(zhuǎn)向堿性。

（2）泥巖中的伊-蒙混層中S的質(zhì)量分數(shù)從20%減少至15%伴隨有脫水效應(yīng)，酸性溶蝕產(chǎn)生的堿金屬離子、堿土金屬離子的水解促使地層水pH值升高，堿性增強。

伊-蒙混層轉(zhuǎn)化的過程是蒙脫石不斷溶解，而伊-蒙混層脫水并釋放大量的Fe3+和Mg2+，成為晚期鐵方解石和鐵白云石形成的重要物質(zhì)來源。

高嶺石在酸性孔隙水介質(zhì)中穩(wěn)定，隨著水介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性并加上Fe2+，Mg2+離子的局部富集，高嶺石就會向綠泥石轉(zhuǎn)變，如果水介質(zhì)富K+離子，高嶺石就會向伊利石轉(zhuǎn)變。由此可見，堿性條件有助于高嶺石向綠泥石、伊利石轉(zhuǎn)化。當泥巖脫水將富含鐵或鎂的流體帶入相鄰地層時，促使原來的層狀硅酸鹽（伊利石、高嶺石和蒙脫石）轉(zhuǎn)化成綠泥石，如果轉(zhuǎn)化速度快，綠泥石常常保留原有黏土礦物的結(jié)構(gòu)特征。而晚期碳酸鹽膠結(jié)、交代作用以及自生黏土的出現(xiàn)對儲層物性極為不利。

（3）晚期連晶碳酸鹽，交代碳酸鹽。堿性成巖環(huán)境導致晚期連晶狀碳酸鹽膠結(jié)和碳酸鹽交代作用明顯增加。對于堿性成巖環(huán)境而言，泥質(zhì)、隱微晶長英質(zhì)雜基和巖屑以及石英顆粒和加大邊都是溶蝕的對象。而前期酸性溶蝕作用為進一步堿性環(huán)境中的碳酸鹽交代作用提供了良好的“通道”條件，晚期碳酸鹽大部分含鐵，陰極發(fā)光顯示具云質(zhì)環(huán)邊。

（4）孔隙內(nèi)襯綠泥石。富含F(xiàn)e3+和Mg2+的堿性孔隙溶液有利于綠泥石自生析出。自生綠泥石呈玫瑰花狀或分散片狀，充填在滲流性良好的孔隙空間?？紫秲?nèi)襯綠泥石占據(jù)大孔隙、大吼道空間，導致儲層質(zhì)量下降，這一觀點已有探討［9］。

（5）伊利石。伊利石大量轉(zhuǎn)化發(fā)生在堿性成巖環(huán)境，常見轉(zhuǎn)化中的伊利石、高嶺石、I/S混層共生現(xiàn)象，伊利石保留著高嶺石外形。需要注意的是，粒間孔之間的自生伊利石橋式生長破壞了孔隙滲流性。

3 結(jié)論

綜上論述，西湖凹陷北部花港組深層儲層物性主控因素有兩點：

（1）砂巖成分構(gòu)成既提供了次生溶蝕改造空間，也具備一定抗壓實能力。

花港組長石砂巖、巖屑砂巖中不穩(wěn)定碎屑質(zhì)量分數(shù)達到36%，為后期成巖階段儲層改造提供了空間，溶蝕過程伴生的自生石英增強了巖石抗壓實能力。

（2）酸堿性成巖環(huán)境轉(zhuǎn)換決定了溶蝕與膠結(jié)的動態(tài)平衡。

GZZ構(gòu)造物性資料顯示出漸新統(tǒng)花港組深部次生溶蝕作用大致出現(xiàn)在三個層段（一個強溶蝕帶和兩個弱溶蝕帶），根據(jù)各種成巖現(xiàn)象匯總分析，深部次生溶蝕機制與成巖環(huán)境酸堿性轉(zhuǎn)換相關(guān)。

以石英次生加大為標志的酸性溶蝕帶與黏土脫水深度、有機質(zhì)成熟初期有機酸排出深度相重疊，這是深部次生溶蝕帶的主要成因；而酸性成巖環(huán)境的發(fā)展必將導致大量堿金屬、堿土金屬離子水解，促使孔隙溶液向堿性轉(zhuǎn)化。

從GZZ構(gòu)造鉆井所揭示次生溶蝕帶縱向分布看，溶蝕帶發(fā)育受控于酸性溶蝕環(huán)境，而溶蝕帶能否保存受控于堿性成巖環(huán)境。GZZ構(gòu)造物性資料所顯示的花港組深部次生溶蝕帶三個層段中，石英次生加大鹽水包裹體資料顯示共同的溫度段為125 ～ 150 ℃，即便在最強溶蝕帶也出現(xiàn)了灰質(zhì)、云灰質(zhì)交代長石、石英的現(xiàn)象，表明堿性成巖環(huán)境已經(jīng)出現(xiàn)。

GZZ構(gòu)造3 980 m以下兩個弱溶蝕帶表明孔滲整體變差。從石英次生加大的鹽水包裹體溫度資料看，該深度段（石英次生加大溫度段）所代表的酸性溶蝕環(huán)境已逐步遠離現(xiàn)今實測地溫梯度線，表明已經(jīng)經(jīng)歷了相當長地史時期的堿性成巖環(huán)境。

3 900 m以下石英含量持續(xù)增多，表明深部黏土轉(zhuǎn)換機制中繼續(xù)新增自生石英，也表明堿性環(huán)境中灰質(zhì)、云灰質(zhì)交代石英所引發(fā)的石英溶蝕極為有限。而方解石交代、重結(jié)晶、連晶膠結(jié)所形成的孔喉堵塞效應(yīng)明顯。因此，兩個弱溶蝕帶的物性基本呈現(xiàn)特低孔特低滲。

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中圖分類號：TE122.2

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.012

文章編號：1008-2336（2016）02-0012-07

收稿日期：2016-01-19；改回日期：2016-03-24

第一作者簡介：陳琳琳，男，1964年生，高級工程師，碩士，1998年畢業(yè)于成都地質(zhì)學院石油系，長期從事石油地質(zhì)方面研究。E-mail：951530704@qq.com。

Analysis of Secondary Dissolution Zone in the Deep Reservoir of Huagang Formation in the North Area of Xihu Sag

CHEN Linlin， GONG Xinghui， LI Kun
（Institute of Exploration and Development， SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company， Shanghai 200120， China）

Abstract：The study of diagenesis in the deep reservoir of Huagang Formation in the north area of Xihu Sag is the base for the prediction of deep favorable reservoir. Based on the analysis data of samples from four wells drilled at structure GZZ， the distribution characteristics of secondary dissolution zones in the deep reservoir were concluded. It shows that there are two controlling factors controlling the petrophysical properties of the deep reservoirs: （1） the unstable components of sandstone provided the dissolution space in later stage， and authigenic quartz enhanced the compaction resistance of sandstone to some extent； （2） the alternation of acidic and alkaline digenesis environment controlled the corrosion and cementation. In acidic environment， the dissolution of feldspar and debris and the mineral transition of mixed-layer illite/smectite signifcantly improved the petrophysical properties of the deep reservoirs； In alkaline environment， however， the recrystallization and interlocking cementation of carbonate， pore throat plugging caused by precipitation of authigenic clay （chlorite and illite） deteriorated the petrophysical properties of the deep reservoirs.

Keywords：Secondary dissolution zone in reservoir； controlling factor； deep Huagang Formation； Xihu Sag of East China Sea