西湖凹陷Y構(gòu)造花港組致密砂巖儲(chǔ)層孔隙演化模式

李 倩，張 萍，閆 潔，楊鵬程

（1. 中國(guó)石化股份公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

致密砂巖儲(chǔ)層作為一類分布廣泛、油氣資源潛力巨大的非常規(guī)儲(chǔ)層已受到廣泛關(guān)注，并已逐漸成為當(dāng)今油氣勘探開發(fā)的新熱點(diǎn)。研究致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙演化特征是尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)鍵[1-4]。目前對(duì)于研究區(qū)低孔滲的致密砂巖儲(chǔ)層的研究更多的集中在成巖作用定性研究上，針對(duì)孔隙演化的定量研究還較少[5-7]。

東海盆地油氣勘探開始于20世紀(jì)70年代，目前發(fā)現(xiàn)了一批重要的氣田，表現(xiàn)了極好的勘探前景。近年來更是在中央背斜帶揭示了多套低孔滲的致密砂巖氣藏，顯示出極大的低孔低滲油氣勘探潛力，而該類儲(chǔ)層的成巖作用對(duì)孔隙演化特征的影響尚不明確，制約了下一步的勘探。因此要對(duì)其成巖作用進(jìn)行研究，明確致密砂巖儲(chǔ)層孔隙演化模式[8-11]。本文以西湖凹陷三潭深凹Y構(gòu)造花港組儲(chǔ)層為目標(biāo)，應(yīng)用流體包裹體系統(tǒng)測(cè)試、鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡和X衍射等手段，從成巖作用特征入手，對(duì)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙演化進(jìn)程進(jìn)行定量研究，總結(jié)了花港組致密砂巖儲(chǔ)層孔隙演化模式，對(duì)今后的勘探具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，為NNE向展布的狹長(zhǎng)盆地，共經(jīng)歷了斷陷、拗陷和區(qū)域沉降三大演化階段，形成了現(xiàn)今“東西分帶，南北分塊”的地質(zhì)特征[12]，且盆地自西向東依次發(fā)育保俶斜坡帶、三潭深凹、中央背斜帶、白堤深凹和天屏斷裂帶五個(gè)構(gòu)造帶。本次研究的Y構(gòu)造位于西湖凹陷三潭深凹中北部（圖1），它是在早期古隆起的基礎(chǔ)上繼承性發(fā)展并同時(shí)受斷層影響形成的低幅背斜—斷鼻構(gòu)造，具有典型的凹中隆構(gòu)造特點(diǎn)。中新生代地層自下而上分別為：寶石組、平湖組、花港組、龍井組、玉泉組、柳浪組、三潭組及東海組。本文主要研究對(duì)象為漸新統(tǒng)的花港組氣層，以低孔滲致密砂巖儲(chǔ)層為主，并在測(cè)試中獲得高產(chǎn)油氣流。

圖1 西湖凹陷Y構(gòu)造位置與地層、構(gòu)造演化示意圖

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)花港組儲(chǔ)層砂巖類型主要為長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖，其次為長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖，極少數(shù)為巖屑砂巖。碎屑成分中石英含量為52%~72%，長(zhǎng)石含量為10%~21%，巖屑含量為13%~36%。膠結(jié)物主要是方解石、硅質(zhì)和黏土礦物，黏土礦物主要是伊利石、綠泥石及少量高嶺石等。顆粒分選中等到好或好到中等，磨圓多為次棱—次圓狀，顆粒接觸類型多以凹凸—線和線接觸方式為主，膠結(jié)類型以壓嵌—接觸型為主，少數(shù)為接觸—孔隙。風(fēng)化程度淺—中等，分布較均勻。

2.2 孔隙特征

研究區(qū)的孔隙類型按照孔隙成因可分為原生孔（剩余粒間孔、粒間微孔）、次生孔隙（粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？祝┖臀⒘芽p，其中次生孔隙是主要的孔隙類型。

研究區(qū)花港組原生孔隙較少，多呈不規(guī)則多邊形或弧三角形狀。部分儲(chǔ)層砂巖中可見粒緣有較薄綠泥石膜生長(zhǎng)，剩余粒間孔間可見石英、長(zhǎng)石及黏土礦物的充填。研究區(qū)次生孔隙主要來源于長(zhǎng)石的溶解，形成粒內(nèi)溶孔甚至鑄?？?，同時(shí)粒間易溶礦物溶蝕后，常形成港灣狀、不規(guī)則狀孔隙，增大了孔隙體積。研究區(qū)發(fā)育的少量裂縫連通了微小孔隙和較孤立的粒內(nèi)溶孔，提高了巖石的滲透率，可作為油氣運(yùn)移的重要通道（圖2）。

2.3 物性特征

研究區(qū)花港組儲(chǔ)層總體致密，剔除由于破損無法真實(shí)反映物性的樣品，最終研究區(qū)物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，孔隙度分布范圍1.9%~12.0%，主要分布在6%~10%，平均孔隙度7.6%；滲透率分布范圍 0.01~44.1h10-3μm2， 主 要 分 布 在 0.1~1h10-3μm2，平均滲透率 0.88h10-3μm2。其中孔隙度整體小于12%，滲透率小于1h10-3μm2的樣品占總數(shù)的87.1%（圖3）。因此研究區(qū)花港組儲(chǔ)層主要以低孔滲的致密砂巖儲(chǔ)層為主。

3 孔隙演化

儲(chǔ)層形成受沉積作用和成巖作用的共同制約，其中成巖作用是形成低孔低滲儲(chǔ)層的重要因素[13]。

3.1 主要成巖作用

（1）壓實(shí)作用

研究區(qū)儲(chǔ)層非常致密，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒接觸緊密，呈線—凹凸接觸，甚至縫合線接觸（圖2a、2b）；云母塑性變形（圖2c），石英、長(zhǎng)石等顆粒脆性破裂（圖2d）；原生粒間孔較少，整體以強(qiáng)壓實(shí)為主。

（2）膠結(jié)作用

研究區(qū)儲(chǔ)層的膠結(jié)現(xiàn)象普遍發(fā)育，主要以硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和粘土礦物膠結(jié)為主。

圖2 Y構(gòu)造花港組儲(chǔ)集層顯微照片

圖3 Y構(gòu)造儲(chǔ)層孔隙度、滲透率分布直方圖

其中硅質(zhì)膠結(jié)的表現(xiàn)形式為自生石英晶體以及石英加大邊，它們以充填粒間孔隙及圍繞石英邊緣的形式出現(xiàn)。常見Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)石英加大現(xiàn)象（圖2e、2f）。研究區(qū)的石英顆粒加大邊中檢測(cè)到的鹽水包裹體均一溫度范圍主要集中在120 ℃~160 ℃（圖4），表明石英次生加大主要發(fā)生在中成巖階段。中成巖作用階段長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生的自生石英沉淀發(fā)生在有效壓實(shí)之后，此時(shí)顆粒間關(guān)系基本固定，其巖石機(jī)械強(qiáng)度增加對(duì)孔隙保持沒有實(shí)際意義，反而由于占據(jù)孔隙空間而導(dǎo)致孔隙度降低[14]。

陰極發(fā)光顯示，該區(qū)存在兩期碳酸鹽巖膠結(jié)現(xiàn)象：第一期膠結(jié)物在陰極發(fā)光下呈橙黃色，為早期的成巖方解石，它們以連晶膠結(jié)方式沉淀于巖石顯著壓實(shí)之前（圖2e、2g）；第二期的膠結(jié)物在陰極發(fā)光下呈暗紅色，為晚期生成的含鐵方解石，它們主要以分散狀沉淀于長(zhǎng)石、巖屑等的溶解空間，所以其沉淀于長(zhǎng)石溶解之后（圖2e），且從圖2h可以看出，含鐵方解石充填于早期石英加大保存的孔隙，說明石英加大后遭遇含鐵方解石膠結(jié)。方解石膠結(jié)物中的鹽水包裹體均一溫度主要分布在兩個(gè)區(qū)間：一是80 ℃~90 ℃區(qū)間，對(duì)應(yīng)早期沉淀的方解石，二是132 ℃~154℃區(qū)間，對(duì)應(yīng)晚期含鐵方解石（圖4）；分別為早成巖階段B期和中成巖階段。

圖4 Y構(gòu)造花港組儲(chǔ)層自生礦物鹽水包裹體均一溫度分布圖

研究區(qū)黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，僅有及少量的高嶺石存在。其中伊利石以纖維狀、搭橋狀分布于孔隙空間中，極大地降低了滲透率（圖2i）；綠泥石多以包膜形式存在，認(rèn)為是在成巖作用早期形成的，并在一定程度上減輕了顆粒的接觸緊密程度，抑制了顆粒進(jìn)一步遭受壓溶作用，從而使孔隙得以保存（圖2j、2k），另一方面也阻止了石英的次生加大[15]。研究區(qū)花港組砂巖中的黏土礦物中高嶺石含量很低，且和伊利石呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5），推測(cè)高嶺石與鉀長(zhǎng)石反應(yīng)形成伊利石。

圖5 高嶺石與伊利石含量關(guān)系圖

（3）溶蝕作用

研究區(qū)的溶蝕作用改善了儲(chǔ)層孔隙度，其主要表現(xiàn)為早期斜長(zhǎng)石和中期鉀長(zhǎng)石的酸性溶蝕[16]（圖2l、2m、2n），研究區(qū)裂縫及礫石粒緣的存在進(jìn)一步促進(jìn)了溶蝕作用的發(fā)生（圖2d、2o、2p），其中圖2p沿裂縫溶蝕的長(zhǎng)石表明，其溶解發(fā)生在裂縫化之后。

3.2 孔隙演化定量分析

為探討不同成巖作用對(duì)孔隙度大小變化的影響，同時(shí)定量研究孔隙演化過程，首先要恢復(fù)砂巖儲(chǔ)層的原始孔隙度φ1，然后模擬計(jì)算各成巖作用對(duì)孔隙度的影響。

對(duì)砂巖原始孔隙度對(duì)的估算，Beard等[17]指出在地表?xiàng)l件下的分選系數(shù)與孔隙度的關(guān)系如下：

φ1= 20.91+22.90 /S0式中：φ1為地表?xiàng)l件下的原始孔隙度；S0為特拉斯克分選系數(shù)，S0=（Q1/Q3）1/2；Q1為第一四分位數(shù)，即相當(dāng)于25%處的粒徑大小；Q3為第三四分位數(shù)，即相當(dāng)于75%處的粒徑大小。

Y地區(qū)花港組有利儲(chǔ)層砂巖分選一般中等—好，分選系數(shù)在1.25左右，初始孔隙度39.2%。

壓實(shí)作用是孔隙度損失最主要的原因，所以機(jī)械壓實(shí)作用損失的孔隙度φ2主要為殘余原生粒間孔孔隙度變化[18-20]，其關(guān)系如下：

φ2=φ1-（殘余原生粒間孔面孔率/總面孔率×實(shí)測(cè)孔隙度）

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)經(jīng)早期機(jī)械壓實(shí)作用后，損失的孔隙度最大為37.1%，最小為31.5%，平均為34.6%（圖6a）?？v向上可見，隨埋深增加，壓實(shí)作用是逐漸增強(qiáng)的。

膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層中孔隙空間被膠結(jié)物所充填，所以認(rèn)為膠結(jié)作用損失的孔隙度φ3是指在各成巖期內(nèi)膠結(jié)作用占據(jù)的孔隙，大致等于膠結(jié)物的含量：

φ3= 硅質(zhì)膠結(jié)物含量+碳酸鹽巖膠結(jié)物含量+粘土膠結(jié)物含量

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)膠結(jié)作用減小的孔隙度在0.5%~24.3%之間，平均為3.3%。其中碳酸鹽巖膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙度減小平均為1.3%，且在深度5 000 m以下膠結(jié)作用最強(qiáng)，認(rèn)為與第二期含鐵方解石膠結(jié)有關(guān)；硅質(zhì)膠結(jié)導(dǎo)致孔隙度減小1%；粘土礦物膠結(jié)導(dǎo)致孔隙度減小0.9%（圖6b）。

溶蝕作用增加的孔隙度φ4指示儲(chǔ)集空間中所有溶蝕孔占據(jù)的孔隙度，其公式如下：

φ4=（粒間溶孔面孔率+粒內(nèi)溶孔面孔率+鑄?？酌婵茁剩?總面孔率h實(shí)測(cè)孔隙度

所以溶蝕作用后增加的孔隙度在3.7%~11.2%之間，平均增加孔隙度為7.1%。其中主要的溶蝕改善來源于溶蝕粒間孔，它使孔隙度平均增加了3.8%；其次為鑄?？资箍紫抖绕骄黾恿?.8%，粒內(nèi)溶孔使孔隙度平均增加了1.5%（圖6c）。隨埋深增加溶蝕作用整體上也有逐漸減小的趨勢(shì)，但是在深度4 200 m~4 400 m和4 600 m~4 700 m，溶蝕作用較強(qiáng)，認(rèn)為是次生孔隙帶。

經(jīng)歷成巖演化過程后現(xiàn)今孔隙度平均為8.4%；現(xiàn)今實(shí)測(cè)的孔隙度平均7.6%，兩者絕對(duì)誤差0.8%，相對(duì)誤差9%，所得結(jié)果基本可靠。

圖6 Y構(gòu)造不同成巖作用導(dǎo)致孔隙度變化曲線

3.3 孔隙演化模式

通過對(duì)研究區(qū)孔隙演化及其主要成巖控制作用的分析，做出該區(qū)碎屑巖儲(chǔ)層的孔隙演化模式圖（圖7）。

早成巖A期隨著上覆壓力增大，壓實(shí)作用逐漸增強(qiáng)，孔隙急劇減小，孔隙類型以原生粒間孔為主，該階段發(fā)生早期的碳酸鹽巖膠結(jié)，同時(shí)綠泥石開始生長(zhǎng)，在一定程度上保存了孔隙，并抑制了石英加大邊的生成。到末期孔隙度降低至25%。

早成巖B期由于烴源巖排出的有機(jī)酸和CO2導(dǎo)致長(zhǎng)石溶解，高嶺石進(jìn)一步沉淀，自生石英沉淀。壓實(shí)作用繼續(xù)進(jìn)行，原生粒間孔進(jìn)一步減小，該階段末期，孔隙度保存在16%。

中成巖A期鉀長(zhǎng)石的大量溶解驅(qū)動(dòng)高嶺石的伊利石化，為深埋藏條件下的砂巖提供一定數(shù)量的次生孔隙。伴隨著這一成巖作用的進(jìn)行，石英顆粒加大屬Ⅱ級(jí)，之后晚期碳酸鹽膠結(jié)物開始沉淀，使儲(chǔ)層孔隙度進(jìn)一步減小。從該階段開始，儲(chǔ)層孔隙類型以次生孔隙為主，該階段末期孔隙度保存在13%。

中成巖B期持續(xù)的埋藏使儲(chǔ)層的壓溶作用進(jìn)一步增強(qiáng)，硅質(zhì)膠結(jié)物和晚期碳酸鹽膠結(jié)物相繼沉淀，使儲(chǔ)層物性進(jìn)一步降低，大致在9 Ma時(shí)儲(chǔ)層孔隙度下降至12%左右。之后龍井運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了裂縫的形成，改善了部分層段儲(chǔ)層的滲透性能，直至演化成現(xiàn)今的儲(chǔ)層。

圖7 西湖凹陷Y構(gòu)造花港組砂巖成巖演化系列

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)花港組儲(chǔ)層砂巖類型主要為長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖，次生孔隙是主要的孔隙類型?？傮w上以低孔低滲的致密砂巖儲(chǔ)層為主。對(duì)儲(chǔ)層孔隙度有顯著影響的成巖作用主要有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。在整個(gè)成巖作用階段，壓實(shí)作用對(duì)孔隙度的減小占主導(dǎo)地位，隨成巖作用進(jìn)行，膠結(jié)作用也充填了部分孔隙空間，溶蝕作用產(chǎn)生的孔隙在一定程度上改善了孔隙條件。

（2）早成巖A期由于壓實(shí)作用和早期長(zhǎng)石溶解及碳酸鹽巖膠結(jié)，使孔隙度降低到25%；早成巖B期壓實(shí)作用進(jìn)一步加強(qiáng)，黏土礦物和早期硅質(zhì)沉淀和碳酸鹽巖沉淀，使孔隙度降到16%；中成巖A期壓實(shí)壓溶作用繼續(xù)進(jìn)行，黏土礦物轉(zhuǎn)化，長(zhǎng)石溶解，晚期硅質(zhì)沉淀及其后的碳酸鹽巖沉淀，導(dǎo)致孔隙度降到13%；中成巖B期由于壓溶作用和膠結(jié)作用，使孔隙度進(jìn)一步損失，從而形成了現(xiàn)今的致密砂巖儲(chǔ)層。

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