大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖演化

蘇妮娜，宋璠，邱隆偉，陳世悅，張娜

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大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖演化

蘇妮娜1, 2，宋璠1, 2，邱隆偉1, 2，陳世悅1, 2，張娜3

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島，266580；2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266071；3. 中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安，710018)

綜合巖石薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光、流體包裹體及激光拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖作用類型及特征進(jìn)行研究，精細(xì)刻畫成巖作用活動期次，對儲層成巖演化過程進(jìn)行階段劃分，探討儲層致密化過程與烴類流體多期充注的次序關(guān)系。研究結(jié)果表明：大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層以中砂巖為主，巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主；強(qiáng)壓實(shí)、強(qiáng)硅質(zhì)膠結(jié)、堿性溶解是下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌，膠結(jié)作用是引起儲層致密化的主要原因，可細(xì)分出3期硅質(zhì)膠結(jié)與2期鈣質(zhì)膠結(jié)；儲層的成巖演化過程可依次劃分為快速壓實(shí)、酸堿交替、致密化和致密后4個階段，儲層成巖演化過程中存在3期含烴流體充注，含烴流體充注時(shí)間早于儲層完全致密化時(shí)期，儲層總體呈“先成藏—后致密”的特征。

成巖作用；成巖演化；致密砂巖儲層；下石盒子組；大牛地氣田

致密砂巖是一種重要的非常規(guī)油氣儲層[1]，致密砂巖氣藏幾乎存在于所有的含油氣區(qū)，氣藏儲量巨大，在我國具有重要的勘探與開發(fā)潛力[2?4]。致密砂巖儲層大都埋藏較深并且往往經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用過程，特別是對儲層孔隙保存不利的破壞性成巖作用造成儲層巖性致密、物性變差、非均質(zhì)性強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致氣藏分布復(fù)雜、預(yù)測難度大，大大影響了致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)進(jìn)程[5?7]。因此，研究致密砂巖儲層的地質(zhì)特征、查明其氣藏的成因類型及分布規(guī)律已成為我國非常規(guī)油氣勘探的重要任務(wù)。鄂爾多斯盆地上古生界儲層經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化，砂巖遭受了強(qiáng)烈的成巖作用，前人研究初步明確了大牛地氣田成巖作用類型主要包括降低儲層物性的機(jī)械壓實(shí)作用、膠結(jié)作用以及提高儲層物性的溶蝕作用、白云化作用及裂縫作用 等[8]，但對于成巖作用的活動期次以及儲層致密化過程解剖不夠精細(xì)。為此，本文作者選取大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層為研究對象，綜合大量儲層成巖作用及成巖環(huán)境研究手段，刻畫研究區(qū)儲層成巖作用特征，劃分成巖期次，剖析儲層的成巖演化歷程，分析成巖環(huán)境對儲層致密化及氣藏形成的影響，這對于尋找致密砂巖儲層次生孔隙發(fā)育帶及其氣藏的勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)背景

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部，總面積約為2 000 km2(圖1)，鉆遇地層自上而下依次為第四系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系[9]，地層總厚度約為2.80 km。在石炭系太原組、二疊系山西組和下石盒子組中均發(fā)現(xiàn)了具有開采價(jià)值的致密砂巖氣藏，其中下石盒子組氣儲量最為富集，是該區(qū)的主力產(chǎn)氣層[10]。二疊系下石盒子組主要發(fā)育砂泥巖互層沉積，巖性以淺灰色、灰色含礫砂巖、粗砂巖及中—細(xì)砂巖、棕褐及灰綠色泥巖為主，夾少量碳質(zhì)泥巖、煤層及凝灰?guī)r。自下而上可分為3個大的正旋回，分別對應(yīng)于盒1、盒2、盒3段，整體具有北粗南細(xì)、北薄南厚的特點(diǎn)。前人研究認(rèn)為下石盒子組發(fā)育辮狀河三角洲前緣—辮狀河三角洲平原沉積體系。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 儲層巖石學(xué)特征

大牛地氣田下石盒子組碎屑巖儲集層厚度約 200 m，為一套砂泥巖互層沉積。薄片鑒定資料和粒度分析資料統(tǒng)計(jì)表明：中砂巖為下石盒子組致密氣藏的主力儲層，其次為粗砂巖和細(xì)砂巖，含少量含礫粗砂巖、礫巖和粉砂巖。巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主，含少量長石巖屑砂巖和石英砂巖(圖2)。砂巖碎屑成分中，碎屑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為85.42%，其中石英、長石和巖屑的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71.30%，3.10%和25.60%，整體上成分成熟度較低；填隙物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為14.58%，其中雜基主要為泥質(zhì)，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.98%，膠結(jié)物主要為方解石、石英和少量的高嶺石和綠泥石。巖石為顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，顆粒間以點(diǎn)—線接觸、線接觸為主。碎屑顆粒分選中等，磨圓度主要為次棱角狀，部分為次棱角—次圓狀，總體上儲層巖石顆粒結(jié)構(gòu)成熟度中等。

圖2 大牛地氣田下石盒子組巖石組分特征

3 成巖作用類型及特征

綜合利用薄片觀察、掃描電鏡、陰極發(fā)光等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖作用類型及特征進(jìn)行綜合研究，精細(xì)刻畫了成巖作用活動期次，進(jìn)一步明晰成巖作用活動過程及其對儲層質(zhì)量的影響。

3.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為機(jī)械壓實(shí)作用，壓溶作用少見，這與該區(qū)砂巖巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高有關(guān)。由于埋藏較深，研究區(qū)壓實(shí)作用普遍且強(qiáng)度較大，常見碎屑顆粒主要呈線狀接觸，部分呈鑲嵌式接觸(見圖3(a))，云母等塑性礦物壓彎變形以及剛性顆粒壓實(shí)破裂形成微裂縫(見圖3(b))。碎屑組分類型是影響砂巖壓實(shí)作用的重要因素，研究區(qū)石英、鉀長石等剛性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有一定抗壓能力，因此，可以保留少量原生孔隙。然而，儲層中泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，抗壓能力相對較差的黏土巖和泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，導(dǎo)致壓實(shí)過程中原生孔隙數(shù)量急劇減少，是造成低孔低滲致密砂巖儲層的重要因素[11]。

(a) 顆粒鑲嵌接觸，大11井，2 604.38 m，正交光；(b) 壓裂縫，大14井，2 694.54 m，單偏光；(c) Ⅰ期石英加大邊，大15井，2 575.41 m，正交光；(d) Ⅱ期石英加大邊，大15井，2 581.85 m，正交光；(e) 暗棕色Ⅱ期石英加大邊，DK13井，2 658.19 m，陰極發(fā)光；(f) 多期石英加大邊，大8井，2 749.95 m，正交光；(g) 多期鈣質(zhì)膠結(jié)，大33井，2 593 m，陰極發(fā)光；(h) 石英加大邊被溶蝕，大8井，2 749.95 m，單偏光

3.2 膠結(jié)作用

本次研究對大牛地氣田致密砂巖儲層的膠結(jié)作用進(jìn)行了精細(xì)刻畫，劃分其形成期次。研究結(jié)果表明，研究區(qū)存在硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)及少量黏土礦物膠結(jié)作用，其中硅質(zhì)和碳酸鹽膠結(jié)是大牛地氣田下石盒子組存在的主要膠結(jié)作用方式，石英加大與方解石膠結(jié)均存在明顯的多期次特征。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

薄片觀察表明研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)作用十分普遍且顯著，硅質(zhì)膠結(jié)物主要以2種形式存在：石英次生加大和分布于粒間的自形石英微晶。鏡下觀察明顯可以識別出3期石英加大邊：第Ⅰ期石英加大邊多發(fā)育于石英顆粒某一側(cè)，寬度較小(＜0.02 mm)，部分可見自形晶面，數(shù)量較少，溶蝕現(xiàn)象明顯(圖3(c))，通過對加大邊內(nèi)包裹體進(jìn)行均一溫度測定，結(jié)果為78 ℃；第Ⅱ期石英加大邊不均勻環(huán)繞石英顆粒，發(fā)育自形晶面，加大邊寬度較大(圖3(d))，含有一定量的包裹體，陰極發(fā)光呈暗棕色(圖3(e))，包裹體均一溫度為91.6 ℃，在本區(qū)發(fā)育數(shù)量最多；第Ⅲ期石英加大邊多呈鑲嵌狀與縫合線狀接觸，鏡下可見清晰的2期塵線(圖3(f))，加大邊幾乎占據(jù)了所有的剩余粒間孔隙，寬度多大于0.05 mm，自形晶面基本消失，包裹體均一溫度為112.4 ℃，本區(qū)發(fā)育較多。

3.2.2 鈣質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)鈣質(zhì)膠結(jié)物種類主要有方解石、白云石等早期碳酸鹽膠結(jié)物以及鐵方解石、鐵白云石等晚期碳酸鹽膠結(jié)物。借助陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)，在大牛地氣田下石盒子組砂巖儲層中識別出2期方解石膠結(jié)：第Ⅰ期膠結(jié)主要為方解石膠結(jié)粒間孔隙，有少量白云石，常呈薄膜狀繞孔隙分布，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，陰極發(fā)光呈暗黃色；第Ⅱ期膠結(jié)主要為方解石、鐵方解石充填粒間孔隙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，分布普遍，由于鐵離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，陰極發(fā)光顏色較亮，一般呈亮黃色，與早期膠結(jié)物區(qū)別明顯(圖3(g))。

3.3 溶解作用

溶解作用是儲層中重要的一種改善儲集物性的成巖作用，按成因可以分為酸性溶解、堿性溶解、酸 性—堿性交替溶解等。在酸性介質(zhì)條件下，巖屑、長石骨架顆粒以及碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕作用較強(qiáng)，易形成高嶺石、自生石英、石英加大邊等溶解產(chǎn)物；在堿性介質(zhì)條件下，易導(dǎo)致石英溶解，能造成堿性礦物的膠結(jié)，如方解石及綠泥石的形成。研究區(qū)整體溶蝕現(xiàn)象不明顯，主要表現(xiàn)為石英加大邊的溶蝕以及部分石英顆粒內(nèi)部的溶蝕，鏡下多見石英顆粒邊緣溶蝕呈港灣狀(圖3(h))，進(jìn)一步表明研究區(qū)存在堿性流體活動。溶解作用是決定儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素，碎屑顆粒及填隙物溶解形成的次生孔隙可以大大改善致密砂巖的儲層物性[12?13]?？傮w看來，強(qiáng)壓實(shí)、強(qiáng)硅質(zhì)膠結(jié)、堿性溶解是大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌。

4 成巖演化序列

在成巖作用特征研究基礎(chǔ)上，結(jié)合流體包裹體、激光拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及大牛地氣田埋藏?zé)嵫莼?，精?xì)刻畫了研究區(qū)致密砂巖儲層的成巖序列，將成巖演化過程按時(shí)間次序依次劃分為快速壓實(shí)、酸堿交替、致密化和致密后4個階段(圖4)，在此基礎(chǔ)上，探討儲層致密化過程與烴類流體多期充注的次序關(guān)系。

圖4 大牛地氣田埋藏?zé)嵫莼芳俺蓭r演化階段

4.1 快速壓實(shí)成巖階段

該階段處于沉積物埋藏成巖早期，成巖事件以強(qiáng)壓實(shí)為主，大致對應(yīng)深度小于2.3 km，溫度小于90 ℃。根據(jù)成巖礦物的共生組合關(guān)系，確定出該階段成巖礦物由早到晚形成的相對順序?yàn)樵缙诜浇馐?、泥晶菱鐵礦—綠泥石薄膜—石英Ⅰ期加大。其中早期方解石含鐵離子較少，陰極發(fā)光呈暗黃色，主要分布于孔隙邊部，后期有被溶蝕的現(xiàn)象。該階段方解石的沉淀作用主要與(鋁)硅酸鹽礦物的水化作用有關(guān)，水化作用的結(jié)果使成巖作用早期的孔隙流體pH由中性或中偏堿性向堿性轉(zhuǎn)變，并提供各種金屬離子，除早期連生方解石的物質(zhì)來源與之有關(guān)以外，水化作用也為同生—早成巖階段菱鐵礦的形成提供了物質(zhì)來源(圖5(a)和5(b))。綠泥石薄膜主要分布于剩余粒間孔邊緣，鏡下觀察表明其形成早于石英Ⅰ期加大(圖5(c)和5(d))，綠泥石環(huán)邊不僅保護(hù)了原生粒間孔隙，同時(shí)也保護(hù)了由溶解作用形成的次生孔隙。然而，綠泥石薄膜并未能阻止石英生長，研究表明綠泥石薄膜必須達(dá)到一定的厚度才能對石英加大起抑制作用[14?15]，因此，在綠泥石薄膜不發(fā)育的地方，石英加大通常為Ⅲ級。激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)顯示石英Ⅰ期加大邊內(nèi)包裹體無有機(jī)組分(圖6(a))，表明石英Ⅰ期加大邊形成時(shí)本區(qū)尚未進(jìn)入烴成熟分解階段，即沒有發(fā)生烴組分的運(yùn)移。從上述特征可以看出：石英Ⅰ期加大邊屬于早成巖階段B期的成巖壓實(shí)作用階段產(chǎn)物，由原巖中的石英壓溶而成。

4.2 酸堿交替成巖階段

酸堿交替成巖階段對應(yīng)深度范圍為2.3~2.8 km，溫度為90~110 ℃，成巖環(huán)境經(jīng)歷了酸—堿—酸—堿的復(fù)雜演化過程。該階段是大牛地氣田致密砂巖儲層次生孔隙形成的主要階段。根據(jù)成巖礦物的共生組合關(guān)系與典型的成巖現(xiàn)象，可以將該階段成巖演化總結(jié)為如下過程：第1酸性階段(長石、巖屑溶解至早期高嶺石膠結(jié))—第1堿性階段(石英溶解、高嶺石溶解與轉(zhuǎn)化)—第2酸性階段(石英Ⅱ期加大與自生石英形成、晚期高嶺石膠結(jié))—第2堿性階段(石英再次溶解、Ⅱ期含鐵)—鐵方解石膠結(jié)。該階段石英Ⅱ期加大與Ⅱ期含鐵?鐵方解石膠結(jié)物中均捕獲了一定數(shù)量的流體包裹體，其中存在部分弱熒光顯示的氣烴包裹體，指示該階段存在兩期含烴流體充注。對包裹體進(jìn)行均一溫度及拉曼光譜成分測定，結(jié)果表明石英Ⅱ期加大邊內(nèi)包裹體均一溫度平均為91.6 ℃，鹽度平均為5.5%，無機(jī)組分主要為SO2，CO2和CO等，有機(jī)組分以C6H6為主(圖6(b))；Ⅱ期含鐵—鐵方解石膠結(jié)物內(nèi)包裹體均一溫度平均為104.5 ℃，無機(jī)組分主要為Cl2，F(xiàn)2和CO2等，還普遍存在NH3，有機(jī)組分以CH4和C4H6為主(圖6(c))，表明Ⅱ期含鐵?鐵方解石膠結(jié)物內(nèi)流體成分以酸性、堿性成分共存為特征。

(a) 早期方解石連晶膠結(jié)，大23井，2 593.3 m，單偏光；(b) 泥晶菱鐵礦充填孔隙，大8井，2 718 m，掃描電鏡；(c) 綠泥石薄膜與自生石英，大18井，2 595 m，單偏光；(d) 泥質(zhì)與硅質(zhì)膠結(jié)，大18井，2 595.7 m，單偏光；(e) 鐵方解石溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，大33井，2 593 m，單偏光；(f) 泥鐵質(zhì)充填粒間孔隙，大25井，2 697.75 m，單偏光

(a) DK3井，2 665.7 m，H3-2；(b) 大4井，2 746.5 m，H3-1；(c) 大8井，2 749.95 m，H3-2；(d) DK18井，2 694.3 m，H3-1

4.3 致密化階段

研究區(qū)砂巖儲層經(jīng)歷了快速壓實(shí)、酸堿交替成巖作用之后，進(jìn)入致密化的最后階段。該階段的典型成巖現(xiàn)象為石英的Ⅲ期加大，強(qiáng)烈的硅質(zhì)膠結(jié)幾乎完全占據(jù)了剩余粒間孔隙。包裹體測溫實(shí)驗(yàn)顯示該階段存在一期流體充注，通過對Ⅲ期石英加大邊內(nèi)的流體包裹體進(jìn)行均一溫度及拉曼光譜成分測定，結(jié)果表明包裹體均一溫度平均為112.4 ℃，鹽度平均為6.2%，流體中無機(jī)組分、有機(jī)組分共存，包括CO2，SO2和C4H6等，其中以無機(jī)組分為主，有機(jī)組分相對較少(圖6(d))。由于含烴流體充注，該階段存在方解石、鐵方解石溶蝕現(xiàn)象(圖5(e))，但數(shù)量較少，對儲層物性改善作用并不明顯。另外，可見明顯的泥鐵質(zhì)充填、交代碎屑顆粒與膠結(jié)物(圖5(f))。正是由于強(qiáng)烈的硅質(zhì)膠結(jié)、泥鐵質(zhì)膠結(jié)，砂巖儲層完全致密化。結(jié)合流體充注期次與典型成巖事件的先后次序，可以看出大牛地氣田儲層含烴流體充注時(shí)間早于完全致密化時(shí)期，總體呈“先成藏—后致密”的特征。

4.4 致密后階段

研究區(qū)上古生界儲層在成巖演化晚期，經(jīng)歷了一定的構(gòu)造抬升作用，地層壓力急劇降低，應(yīng)力釋放后形成了很多規(guī)模相對較大的微裂縫。薄片統(tǒng)計(jì)裂縫長度主要大于1.0 mm，寬度大于20 μm，裂縫面孔率通常大于10%。此類裂縫的分布及切割關(guān)系無明顯規(guī)律，與常規(guī)構(gòu)造、成巖作用形成的裂縫有明顯區(qū)別，裂縫內(nèi)部基本無包裹體存在。

5 結(jié)論

1) 大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層以中砂巖為主，巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主，總體上巖石成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

2) 下石盒子組砂巖儲層主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶解作用等成巖作用。壓實(shí)作用主要為機(jī)械壓實(shí)作用；膠結(jié)作用主要為硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)，可細(xì)分出3期硅質(zhì)膠結(jié)與2期鈣質(zhì)膠結(jié)，是引起儲層致密化的主要原因；溶解作用主要為石英加大邊及部分石英顆粒內(nèi)部的溶蝕。強(qiáng)壓實(shí)、強(qiáng)硅質(zhì)膠結(jié)、堿性溶解是下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌。

3) 下石盒子組致密砂巖儲層的成巖演化過程按時(shí)間次序可劃分為快速壓實(shí)、酸堿交替、致密化和致密后4個階段。儲層成巖演化過程中存在3期含烴流體充注，含烴流體充注時(shí)間早于儲層完全致密化時(shí)期，儲層總體呈“先成藏—后致密”的特征。

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(編輯 陳燦華)

Diagenetic evolution of tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation from Daniudi gas field

SU Nina1, 2, SONG Fan1, 2, QIU Longwei1, 2, CHEN Shiyue1, 2, ZHANG Na3

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China;3. Exploration and Development Research Institute of Changqing Oilfield Company, Petro China, Xi’an 710018, China)

The diagenesis types and characteristics of the tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation from Daniudi gas field were studied by means of many experimental technologies, such as chip observation, scanning electron microscope, cathodoluminescence, fluid inclusions, laser raman spectroscopy and so on. The diagenesis activity times and diagenetic evolution process were divided. The order relationship between the reservoir densification process and multiphase hydrocarbon fluid filling was discussed. The results show that the sandstone reservoir of lower Shihezi formation is mainly medium sandstone and the rock types are mainly lithic sandstone and lithic quartz sandstone. Strong compaction, strong siliceous cementation and alkaline dissolution are the general diagenetic features of the tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation. Cementation can be subdivided into three periods of siliceous cementation and two periods of calcareous cementation, and cementation is the main cause of reservoir densification. Diagenetic evolution process of the reservoir can be divided into four stages, i.e., fast compact stage, acidic and alkaline alternate stage, intense cement stage and the late transform stage. Hydrocarbon fluid filling exists in the three stages of the diagenetic evolution process. The time of hydrocarbon fluid filling is earlier than the period of reservoir densification. Overall reservoir has the characteristics of “hydrocarbon accumulation comes first and then reservoir densification”.

diagenesis; diagenetic evolution; tight sandstone reservoir; lower Shihezi formation; Daniudi gas field

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.036

TE122

A

1672?7207(2016)10?3555?07

2015?10?15；

2015?12?21

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2011DL005)；國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05009-002)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(11CX04013A)(Project(ZR2011DL005) supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province; Project(2011ZX05009-002) supported by the National Science and Technology Major Project; Project(11CX04013A) supported by the Fundamental Research Funds for Central Universities)

蘇妮娜，博士，講師，從事沉積學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)等研究；E-mail：sunina1981@163.com