南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖作用特征及演化序列

喬海波，王時林，張博明，李 亮，郭 穎

(1.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004；2.中國石油冀東油田分公司油藏評價處)

南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖作用特征及演化序列

喬海波1，王時林1，張博明1，李 亮1，郭 穎2

(1.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004；2.中國石油冀東油田分公司油藏評價處)

南堡凹陷1號構(gòu)造東營組儲層埋藏深，經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用改造，導(dǎo)致儲層物性平面上和縱向上分布不均勻。以巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡觀察為基本手段，結(jié)合黏土礦物X-衍射分析、電子探針分析及陰極發(fā)光分析，研究了南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖作用類型及特征，劃分了成巖演化階段、成巖演化序列和成巖體系。結(jié)果表明，南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖作用包括壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶解作用，主要處于中成巖A1亞期。研究結(jié)果為預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層的分布提供了依據(jù)。

南堡凹陷；成巖作用；成巖序列

南堡1號構(gòu)造東營組儲層中低孔中低滲特征明顯，非均質(zhì)性嚴(yán)重，對油氣的勘探開發(fā)帶來了許多困難。通過前人對儲層的研究認(rèn)識到，沉積環(huán)境控制的巖石結(jié)構(gòu)、成分變化和原生孔隙等成巖作用的影響，成為改變儲層性質(zhì)的外因[1-3]。因此，研究成巖作用對于孔隙成因、儲層綜合認(rèn)識及儲層評價等具有重要意義。南堡1號構(gòu)造東營組儲層在平面上和縱向上分布極不均勻；縱向上有利儲層主要分布于砂體的中上部，橫向上有利儲層受沉積相、成巖作用和構(gòu)造控制。對儲層次生孔隙成因、有利儲層的發(fā)育主控因素和分布的預(yù)測研究較少，認(rèn)識不足。本文對該區(qū)成巖作用進行研究，旨在明確成巖作用對南堡1號構(gòu)造東營組儲層的影響，為優(yōu)質(zhì)儲層分布規(guī)律的預(yù)測提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡凹陷北靠西南莊斷層，南鄰沙北斷層，東北以柏各莊斷層為界，是渤海灣中-新生代盆地內(nèi)部的一個亞一級構(gòu)造單元，一級構(gòu)造單元隸屬于黃驊坳陷中新生代裂谷盆地[4-5](圖1)。南堡1號構(gòu)造位于整個南堡油田西南部，主要構(gòu)造軸向為北東走向，是在潛山背景上發(fā)育并被多條斷層切割成復(fù)雜斷塊的古近系及新近系背斜構(gòu)造[6-7]。目前已發(fā)現(xiàn)明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組多套含油層系，主要的勘探層系為東營組。

2 成巖作用類型及特征

巖石樣品鏡下的研究表明，南堡1號構(gòu)造古近系東營組儲層成巖作用類型主要有壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶解作用。

圖1 南堡1號構(gòu)造位置

2.1 壓實作用

南堡1號構(gòu)造東營組地層隨著埋深增大，上覆壓力不斷增加，巖石壓實程度不斷增強，顆粒緊密堆積，孔隙空間逐漸減少。比如NP1井儲層埋深為2 475～3 650 m，顆粒之間以線接觸-凹凸接觸為主(圖2a)，鏡下鑄體薄片可見長石等脆性顆粒壓實破碎現(xiàn)象以及部分云母等塑性顆粒的撓曲變形(圖2b)。

對砂巖儲層壓實作用的影響因素有儲層本身的碎屑組分、粒度、雜基含量、膠結(jié)物含量及地層壓力等[8-9]，但對南堡1號構(gòu)造東營組地層薄片的觀察發(fā)現(xiàn)，粒間孔和包裹體中可見亮黃色至淺褐色的熒光(圖2c、d)，表明南堡1號構(gòu)造古近系東營組儲層曾發(fā)生過烴類充注。烴類充注增加了孔隙流體壓力，從而增加了巖石對壓實作用的抵抗能力，抑制了壓實作用。

2.2 膠結(jié)作用

南堡1號構(gòu)造東營組儲層膠結(jié)作用普遍，膠結(jié)物類型多樣。主要發(fā)育的膠結(jié)作用有碳酸鹽膠結(jié)作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用、黏土礦物膠結(jié)作用及黃鐵礦膠結(jié)作用等。其中，以碳酸鹽膠結(jié)作用為主，硅質(zhì)、高嶺石/伊利石/綠泥石、黃鐵礦膠結(jié)作用次之。

碳酸鹽膠結(jié)物是最主要的膠結(jié)物類型，主要以方解石、白云石為主，平均含量為14.8%。

硅質(zhì)膠結(jié)主要的表現(xiàn)形式為石英次生加大邊。南堡1號構(gòu)造東營組石英的次生加大可見兩期。

黏土礦物膠結(jié)物包含高嶺石、伊利石和綠泥石等，其中主要為高嶺石(圖2e)。自生高嶺石主要是在酸性環(huán)境下，伴隨著長石溶蝕作用而形成[10-12]。鏡下研究結(jié)果統(tǒng)計表明，南堡1號構(gòu)造東營組儲層中自生高嶺石的含量與長石的溶蝕孔隙含量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，并且隨著埋藏深度的增加，儲層中高嶺石逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。自生高嶺石的充填作用可以將部分原生孔隙轉(zhuǎn)化成晶間微孔，黏土礦物附著可以使顆粒的比表面增加，吸附性增強，使巖石的孔隙度、滲透率降低。

南堡1號構(gòu)造東營組儲層中黃鐵礦膠結(jié)物普遍發(fā)育(圖2f)，但含量較低。黃鐵礦膠結(jié)物的出現(xiàn)表明儲層經(jīng)歷了較封閉還原的成巖環(huán)境。

2.3 交代作用

自生礦物之間的交代作用通常作為判斷成巖作用發(fā)生先后順序的主要依據(jù)[13-15]。南堡1號構(gòu)造東營組交代作用普遍發(fā)育，不僅有自生礦物對巖石顆粒的交代，例如方解石、白云石沿著長石的各種縫面對長石顆粒、石英顆粒以及石英加大邊的交代(圖2g)；還有自生礦物之間的交代，例如鐵方解石和鐵白云石分別交代方解石和白云石等。除此之外，還存在碳酸鹽礦物對黏土礦物的交代以及黏土礦物(例如高嶺石)對長石的交代等。

2.4 溶解作用

南堡1號構(gòu)造東營組儲層溶解作用也普遍發(fā)育，顆粒、顆粒加大邊以及膠結(jié)物等都可發(fā)生不同程度的溶解，整體表現(xiàn)出以酸溶為主、堿溶為輔的特征。巖屑顆粒溶解和長石溶解十分發(fā)育，可見巖屑及長石顆粒邊緣溶蝕、粒內(nèi)溶解，甚至可見長石鑄模孔隙。碳酸鹽巖屑顆粒和膠結(jié)物溶蝕常見(圖2h)，石英顆粒和加大邊溶蝕作用偶見，溶解后的石英呈現(xiàn)不規(guī)則邊緣。

3 成巖階段劃分

基于南堡1號構(gòu)造古近系東營組鏡質(zhì)體反射率(R0)分布、生油巖熱解分析的最大熱解峰溫(Tmax)及泥巖中黏土礦物的演化、成巖作用演化、孔隙度演化剖面等的研究，將古近系成巖作用階段劃分為早成巖B期、中成巖A1亞期、中成巖A2亞期、中成巖B期四個階段。

3.1 早成巖B期

該期古地溫小于85 ℃，鏡質(zhì)體反射率R0小于0.5%，Tmax小于435 ℃，泥巖中混層礦物為無序混層，I/S混層礦物中S層質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上。在這個時期內(nèi)發(fā)生的成巖作用主要為壓實作用以及少量的早期黃鐵礦膠結(jié)。

3.2 中成巖期A1亞期

古地溫為85 ℃～120 ℃，R0為0.5%～0.7%，Tmax為435 ℃～440 ℃，泥巖中混層礦物為有序混層，I/S混層礦物中S層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～50%。此期內(nèi)發(fā)生的成巖作用主要是壓實作用和溶蝕作用。溶蝕作用與有機質(zhì)大量轉(zhuǎn)化時釋放出來的大量有機酸、二氧化碳有關(guān)，在此溫度范圍內(nèi)有機酸穩(wěn)定保存，使長石、巖屑等顆粒發(fā)生溶蝕，并且石英加大和自生高嶺石普遍出現(xiàn)。

3.3 中成巖期A2亞期

該期古地溫為120 ℃～140 ℃，R0為0.7%～1.3%，Tmax為440 ℃～460 ℃，泥巖中混層礦物為有序混層，I/S混層礦物中S層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～50%。該時期內(nèi)主要發(fā)生方解石、白云石、鐵方解石、鐵白云石等膠結(jié)作用。

3.4 中成巖B期

古地溫大于140 ℃，R0大于1.3%，Tmax大于460 ℃。泥巖中混層礦物為超點陣有序混層，I/S混層礦物中S層質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%。壓實作用繼續(xù)發(fā)育。

南堡1號構(gòu)造帶古近系埋深2 620 m以上處于早成巖B期，2 620～3 600 m處于中成巖A1亞期，3 600～4 900 m處于中成巖A2亞期，4 900 m以下處于中成巖B期。南堡1號構(gòu)造東營組埋深跨度較大，分布為2200～3400m，主要處于中成巖A1亞期(圖3)。

圖2 南堡1號構(gòu)造東營組成巖現(xiàn)象

4 成巖演化序列

通過南堡1號構(gòu)造東營組儲層薄片觀察，根據(jù)自生礦物之間交代切割關(guān)系及溶解充填關(guān)系分析結(jié)果，石英次生加大可見兩期。石英加大邊中的鹽水包裹體均一溫度存在一個主眾數(shù)范圍，為85 ℃～90 ℃，推斷硅質(zhì)來源為長石溶蝕及后期石英壓溶作用。通過碳酸鹽膠結(jié)物充填長石溶解孔隙及少量充填物的溶解現(xiàn)象，結(jié)合包裹體均一溫度分布特征，可推斷儲層經(jīng)歷了至少一期酸性溶解。由碳酸鹽交代石英顆粒次生加大邊，可推斷碳酸鹽膠結(jié)物的形成時間要晚于石英次生加大。碳酸鹽膠結(jié)物的形成以及石英溶解均需堿性環(huán)境。部分呈團塊狀及立方體形態(tài)存在的黃鐵礦，常對碳酸鹽膠結(jié)物形成交代現(xiàn)象，可推斷黃鐵礦膠結(jié)物形成的時間要晚于碳酸鹽膠結(jié)物形成的時間。熒光薄片觀察可以發(fā)現(xiàn)，長石溶孔中發(fā)出亮黃色或者是藍(lán)色熒光，可推斷油氣充注發(fā)生在長石溶蝕之后。

圖3 南堡1號構(gòu)造東營組成巖序列

南堡1號構(gòu)造南堡1井埋藏史及熱演化史研究表明(圖4)，成巖環(huán)境演化過程為：距今27.3～10.7 Ma，東營組地層溫度小于75 ℃，成巖環(huán)境開放，地層水呈弱酸性；距今10.7～2 Ma，東營組地層溫度為80 ℃～108 ℃，該時期東營組地層中是有機酸，尤其是短鏈羧酸大量生成并保存的最佳溫度范圍，有機酸溶于水后地層酸性濃度增加，地層變?yōu)樗嵝裕痪嘟? Ma～現(xiàn)今，東營組地層溫度108 ℃～112 ℃，羧酸陰離子熱脫羧，膏鹽開始脫水。東營組地層中發(fā)生蒙皂石的伊利石化、伊利石的綠泥石化，并在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生Fe2+、Mg2+、Ca2+等堿金屬離子，這些堿性金屬離子進入地層水后，地層水向中性轉(zhuǎn)變。從石英加大邊中的油氣包裹體均一溫度在埋藏史圖上投點可以發(fā)現(xiàn)，油氣充注發(fā)生在明化鎮(zhèn)組晚期(距今6～2 Ma)，在此之前成巖流體有機酸對長石等鋁硅酸鹽礦物顆粒進行了溶解，進一步說明油氣充注發(fā)生在有機酸溶解長石顆粒之后。

圖4 南堡1號構(gòu)造東一段埋藏史及熱演化史

5 成巖體系

成巖體系是指同一巖石、同一成巖演化體系控制的、成因上有聯(lián)系的成巖相，在時間上有規(guī)律的組合[10-15]。在成巖作用研究的基礎(chǔ)之上，以成巖演化序列為約束，確定了南堡1號構(gòu)造東營組主要的成巖體系：即強壓實—石英弱加大/黏土弱膠結(jié)/酸溶骨架顆粒中強溶解—碳酸鹽弱膠結(jié)—碳酸鹽膠結(jié)物弱溶解成巖體系。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)有機質(zhì)成熟度、黏土礦物演化、成巖礦物等標(biāo)志，認(rèn)為南堡1號構(gòu)造東營組儲層主要處于中成巖A1亞期，經(jīng)歷了早成巖B期-中成巖A1期-中成巖A2期成巖環(huán)境演化過程。

(2)南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖環(huán)境演化過程主要經(jīng)歷三個階段，分別距今27.3～10.7 Ma，東營組地層溫度小于75 ℃；距今 10.7～2 Ma，東營組地層溫度為80℃～108 ℃；距今 2 Ma～今，東營組地層溫度108 ℃～112 ℃。

(3)南堡1號構(gòu)造東營組儲層成巖體系類型為：強壓實—石英弱加大/黏土弱膠結(jié)/酸溶骨架顆粒中強溶解—碳酸鹽弱膠結(jié)—碳酸鹽膠結(jié)物弱溶解。

[1] 劉寶珺. 沉積成巖作用研究的若干問題[J].沉積學(xué)報，2009，27(5)：787-791.

[2] 李忠，韓登林，壽建峰.沉積盆地成巖作用系統(tǒng)及其時空屬性[J].巖石學(xué)報，2006，22(8)：2151-2164.

[3] 金振奎，蘇奎，蘇妮娜. 準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系深部優(yōu)質(zhì)儲層成因[J].沉積學(xué)報，2011，32(1)：26-31.

[4] 周天偉，翟瑞國.渤海灣盆地南堡凹陷構(gòu)造樣式成因與控油作用試驗研究[J].石油天然氣學(xué)報，2007，25(1)：90-97.

[5] 周海民，魏忠文，曹中宏，等.南堡凹陷的形成演化與油氣的關(guān)系[J].石油與天然氣地質(zhì)，2000，21(4)：345-349.

[6] 曹守連．南堡凹陷斷裂帶演化及成藏條件分析[J].斷塊油氣田，1997，4(2)：13-16.

[7] 周天偉，周建勛，董月霞，等.渤海灣盆地南堡凹陷新生代斷裂系統(tǒng)形成機制[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，33(1)，13-17.

[8] 萬歡，黃文輝，王華軍.東營凹陷北部陡坡帶沙河街組四段砂礫巖成巖作用[J].特種油氣藏，2012，19(3)：39-42.

[9] 薛永超，程林松.靖安油田長4 +5油藏儲集空間及成巖作用演化[J].特種油氣藏，2011，18(5)：25-28.

[10] 孫永傳，李忠，李蕙生，等.中國東部含油氣斷陷盆地的成巖作用[M].北京：科學(xué)出版社，1996：2-6.

[11] 況軍，唐勇，朱國華，等.準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系儲集層的基本特征及其主控因素分析[J].石油勘探與開發(fā)，2002，29(1)：52-55.

[12] 黃思靜，黃培培，王慶東，等.膠結(jié)作用在深埋藏砂巖孔隙保存中的意義[J].巖性油氣藏，2007，19(3)：7-13.

[13] 張磊，龔福華，任瑞清，等.鄂爾多斯盆地胡尖山-王洼子地區(qū)長4+5儲層成巖作用及成巖相研究[J].特種油氣藏，2009，16(5)：40-44.

[14] 王偉，王興志，張帆，等.四川廣安地區(qū)須家河組四段儲層成巖作用與孔隙演化[J].世界地質(zhì)，2010，29(1)：96-103.

[15] 呂正祥，劉四兵.川西須家河組超致密砂巖成巖作用與相對優(yōu)質(zhì)儲層形成機制[J].巖石學(xué)報，2009，25(10)：2373-2383.

編輯：趙川喜

1673-8217(2017)02-0033-05

2016-09-28

喬海波，碩士， 工程師，1981年生，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)從事石油地質(zhì)綜合研究工作。

國家科技重大專項“南堡凹陷油氣富集規(guī)律與增儲領(lǐng)域”(2011ZX05006-06)，中石油股份公司科技重大專項“南堡凹陷及外圍第四次油氣資源評價”(2014E-050211)資助。

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