地表風(fēng)化在地層油藏碎屑巖儲(chǔ)層中的作用

陳 濤

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

地層油氣藏是含油氣盆地中一種重要的油氣藏類型，綜合世界上已發(fā)現(xiàn)油氣田情況來看，43%的石油儲(chǔ)量和30%的天然氣儲(chǔ)量?jī)?chǔ)存在地層圈閉中[1-4]。濟(jì)陽坳陷發(fā)育多種類型的不整合，目前已識(shí)別出12個(gè)規(guī)模比較大的不整合，包括2期Ⅰ級(jí)不整合，4期Ⅱ級(jí)不整合，6期Ⅲ級(jí)不整合[5-9]，地層油氣成藏主要受這些不整合控制[10-13]。不整合對(duì)儲(chǔ)集巖的改造作用是地層油藏有效性的首要因素，目前針對(duì)灰?guī)r、火成巖、片麻巖等儲(chǔ)集巖的風(fēng)化改造作用研究較多，關(guān)于碎屑巖儲(chǔ)集巖風(fēng)化改造作用鮮有報(bào)道，制約著該類油藏的勘探開發(fā)。通過對(duì)濟(jì)陽坳陷第三系不整合碎屑巖儲(chǔ)集巖特征研究，以期闡明地表風(fēng)化作用對(duì)碎屑巖儲(chǔ)集巖的改造過程及影響因素，明確碎屑巖有效儲(chǔ)集巖的預(yù)測(cè)方法，為地層油藏勘探提供指導(dǎo)。

1 濟(jì)陽坳陷地層油藏特征

地層圈閉是濟(jì)陽坳陷主要的隱蔽圈閉類型之一，是高勘探程度區(qū)下步勘探的重要對(duì)象。截至2016年，濟(jì)陽坳陷地層油藏上報(bào)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量為4.1×108t，占濟(jì)陽坳陷探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量的7.7%，油藏埋藏淺、產(chǎn)量高，是濟(jì)陽坳陷下步重要的增儲(chǔ)領(lǐng)域。

濟(jì)陽坳陷地層油藏儲(chǔ)集巖類型以碎屑巖為主，縱向上油層主要分布于不整合面下5～30 m范圍內(nèi)的高孔隙發(fā)育帶內(nèi)，深部以干層為主，如高64(Ng與Mz之間不整合)、花古1(Ng與Mz之間不整合)、官斜17(Es4上與Es4下之間不整合)等井(圖1)，均為地層圈閉，油層位于不整合面下30 m范圍內(nèi)，平均孔隙度達(dá)到30%。從孔隙度縱向變化來看，不整合面下風(fēng)化改造帶是主要的孔隙發(fā)育區(qū)，油氣顯示較好，也是油氣主要富集區(qū)，深部地層基本未見顯示，以干層為主。從平面分布看，有效儲(chǔ)層主要分布在盆緣超剝帶、洼陷帶、斜坡帶等儲(chǔ)層物性差的深部地區(qū)，儲(chǔ)層分布與現(xiàn)今油藏分布相吻合，儲(chǔ)層的好壞是地層油藏成藏的關(guān)鍵要素之一。

圖1 濟(jì)陽坳陷典型地層油藏井分布及孔隙度變化關(guān)系

從地層油藏儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)來看，風(fēng)化作用形成的溶蝕孔隙和裂縫是主要的儲(chǔ)集空間。如沾北2井、廣9井，不整合面下碎屑巖儲(chǔ)集巖發(fā)育大量溶蝕孔洞和少量風(fēng)化裂縫(圖2)。

圖2 不整合面下風(fēng)化碎屑巖儲(chǔ)集層鏡下特征

2 碎屑巖地表風(fēng)化過程

造成碎屑巖次生孔隙發(fā)育的原因主要有酸性流體、硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)機(jī)理及大氣降水等[14-17]。到20世紀(jì)90年代，大氣降水的溶蝕作用逐漸受到重視，大氣降水可造成碎屑巖不穩(wěn)定骨架顆粒溶蝕形成溶蝕孔隙[18-26]。地層圈閉儲(chǔ)集巖次生孔隙主要是地表風(fēng)化作用形成的。

2.1 風(fēng)化碎屑巖礦物成分特征

在地表水的風(fēng)化淋濾作用下，成巖礦物會(huì)發(fā)生一定的溶蝕、水解與水合作用，長(zhǎng)石、云母等礦物發(fā)生風(fēng)化蝕變。通過對(duì)風(fēng)化碎屑巖巖石成分、礦物含量進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這些巖石中長(zhǎng)石、方解石等不穩(wěn)定礦物的含量明顯低于正常巖石。

通過濟(jì)陽坳陷12口井風(fēng)化巖石礦物含量的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化碎屑巖中50%的長(zhǎng)石和幾乎全部的方解石遭到風(fēng)化淋濾，如廣9井(Ng與Es4之間不整合)、鄭366井(Ng與Es1之間不整合)不整合面下長(zhǎng)石、方解石含量非常低(表1)。礦物成分的改變，必然會(huì)導(dǎo)致巖石中儲(chǔ)集空間及物性的變化。

2.2 碎屑巖風(fēng)化過程及礦物體積變化規(guī)律

碎屑巖主要由石英、長(zhǎng)石和各種巖屑組成，其中，石英礦物比較穩(wěn)定，不易風(fēng)化，巖屑、長(zhǎng)石類組分易遭受風(fēng)化[22-25]。這些不穩(wěn)定礦物如長(zhǎng)石、巖屑等，容易遭受溶解蝕變，蝕變前后礦物體積發(fā)生改變，可以形成次生孔隙。下面以鉀長(zhǎng)石和方解石的風(fēng)化過程為例進(jìn)行分析。

2.2.1 鉀長(zhǎng)石風(fēng)化過程

在酸性環(huán)境下，鉀長(zhǎng)石產(chǎn)生非全等反應(yīng)：

2KAlSi3O8+ 3H2O =2K++2OH-+

4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

從鉀長(zhǎng)石的反應(yīng)過程可以看出，2 mol的鉀長(zhǎng)石遭受蝕變后，會(huì)產(chǎn)生1 mol的高嶺石和4 mol的石英。其中，2 mol鉀長(zhǎng)石體積為216.342 cm3，1mol高嶺石體積為96.629～100 cm3，此外鉀長(zhǎng)石的蝕變還產(chǎn)生4 mol的石英，4 mol石英體積為90.566 cm3。

即上述溶蝕過程中，蝕變?cè)斐傻捏w積變化為25.776～29.147 cm3。由于蝕變前后礦物所占體積發(fā)生變化，導(dǎo)致次生孔隙發(fā)育，當(dāng)巖石中長(zhǎng)石溶蝕量為0.5%～3.0%時(shí)，孔隙度改善為5%～30%，最高可達(dá)32%。

2.2.2 方解石風(fēng)化過程

方解石在CO2和H2O參與情況下極易發(fā)生全等溶解，溶于水中。在巖石暴露地表過程中，外界可以提供大量的CO2，導(dǎo)致巖石中方解石不斷溶解。1 mol的方解石溶解可產(chǎn)生260 cm3的孔隙空間變化，若以原始礦物方解石所占體積為準(zhǔn)，上述反應(yīng)過程中方解石所占體積完全轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫丁?/p>

礦物在其溶解過程中，由于反應(yīng)前后礦物成分的差異，產(chǎn)生體積變化，從而導(dǎo)致次生孔隙空間的產(chǎn)生。假設(shè)碎屑巖中長(zhǎng)石含量為35%、方解石含量為10%，這2種礦物溶蝕可以產(chǎn)生20%的次生孔隙，大幅改善儲(chǔ)集巖儲(chǔ)集性能。

統(tǒng)計(jì)了濟(jì)陽坳陷不整合面下220多口井的碎屑巖物性分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化碎屑巖長(zhǎng)石、方解石等礦物明顯遭受了蝕變，產(chǎn)生次生孔隙。不整合面下砂巖孔隙度可以增大1%～15%，滲透率可以增大1×10-3～100×10-3μm2，儲(chǔ)層改善深度能達(dá)到幾米至十幾米。如沾北2井(Es1與Mz之間不整合)從不整合結(jié)構(gòu)層X射線衍射圖譜上可以看出，風(fēng)化巖石的斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石含量明顯低于深部未風(fēng)化巖石(圖3)，風(fēng)化巖石鉀長(zhǎng)石減少50%，鈉長(zhǎng)石減少60%，方解石減少95%。由于蝕變后礦物體積的變化，儲(chǔ)集巖孔隙度增加15%，滲透率增加70×10-3μm2，不整合面下儲(chǔ)集巖錄井見油浸顯示，測(cè)井解釋油層7 m，深部地層未見顯示，儲(chǔ)集物性差，以干層為主。

3 地表風(fēng)化影響因素分析

碎屑巖風(fēng)化過程中物性變化規(guī)律非常復(fù)雜，物性改善程度和風(fēng)化深度均存在較大差異。通過統(tǒng)計(jì)濟(jì)陽坳陷220多口井的物性數(shù)據(jù)，明確了碎屑巖風(fēng)化過程中物性演化過程，明確了儲(chǔ)集層物性演化主控因素。

3.1 巖性

巖石是風(fēng)化的物質(zhì)基礎(chǔ)，原有孔隙結(jié)構(gòu)是風(fēng)化的優(yōu)勢(shì)路徑，為大氣水開辟了通道。當(dāng)母巖具有較好的滲透性時(shí)，會(huì)加快巖石風(fēng)化速度，加大巖石的風(fēng)化深度；對(duì)非滲透性地層來說，由于缺少大氣水滲透的通道，巖石風(fēng)化速度較慢，風(fēng)化深度較淺。通過對(duì)比濟(jì)陽坳陷不同巖性巖石風(fēng)化程度發(fā)現(xiàn)，砂巖、礫巖物性改善明顯，可產(chǎn)生高孔、高滲儲(chǔ)集帶，泥巖類物性改善特征不明顯，物性整體較差(表2)。

圖3 沾北2井(Es1與Mz不整合)不整合結(jié)構(gòu)層X射線衍射圖譜

表2 濟(jì)陽坳陷第三系不整合風(fēng)化碎屑巖物性對(duì)比

濟(jì)陽坳陷不整合面下砂礫巖經(jīng)風(fēng)化改造后，孔隙度、滲透率值分別在原來基礎(chǔ)上增加2%～15%和1×10-3～100×10-3μm2。而對(duì)泥巖層來說，改造程度比較差，不整合面下泥巖基本不具滲透性，孔隙度一般小于1%，滲透率一般小于0.5×10-3μm2[27]。

3.2 埋深

風(fēng)化巖石二次深埋后，后期成巖作用會(huì)對(duì)形成的次生孔隙再次產(chǎn)生影響，埋深過程中的壓實(shí)和膠結(jié)作用導(dǎo)致物性進(jìn)一步變差。通過濟(jì)陽坳陷新近系—古近系不整合面下巖石物性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不整合面下風(fēng)化巖石物性改善程度隨埋深的增加逐漸減小。

不同深度不整合面下風(fēng)化儲(chǔ)集巖與未風(fēng)化儲(chǔ)集巖孔隙度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不整合面埋深較淺，一般埋深小于1 000 m時(shí)，孔隙度改善程度最大可以達(dá)到20%，不整合面埋藏深度增加物性變差，當(dāng)二次埋深超過4 000 m時(shí)，孔隙度改善值小于1%，地表風(fēng)化改善作用基本消失。

3.3 不整合級(jí)別

地表風(fēng)化作用隨出露時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)，出露時(shí)間長(zhǎng)會(huì)增加流經(jīng)碎屑巖的孔隙水體積，蝕變將增強(qiáng)。不整合級(jí)別越高地層出露時(shí)間越長(zhǎng)，Ⅰ級(jí)不整合受區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，沉積間斷一般大于5 Ma；而Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)不整合受幕式構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，沉積間斷一般小于1 Ma。

不整合級(jí)別越高，地表風(fēng)化時(shí)間越長(zhǎng)，巖石風(fēng)化程度越高，物性改善越明顯。Ⅰ級(jí)不整合孔隙度改善值最大可達(dá)到20%，而Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)不整合孔隙度改善值最大為10%(圖4)，不整合級(jí)別還影響巖石的風(fēng)化深度，不整合級(jí)別越高風(fēng)化深度越大。

圖4 濟(jì)陽坳陷不同級(jí)別不整合儲(chǔ)集巖孔隙度變化

4 應(yīng)用效果分析

研究成果應(yīng)用于濟(jì)陽坳陷高青、草橋、義和莊、三合村等油田的勘探實(shí)踐中，取得了較好的效果，為盆緣帶油氣藏勘探提供了有利的技術(shù)支撐，為高青、草橋、三合村3個(gè)千萬噸級(jí)儲(chǔ)量的發(fā)現(xiàn)提供了有效的理論依據(jù)。高青油田是一個(gè)多層系含油的復(fù)式油氣聚集帶，已上報(bào)探明儲(chǔ)量2 809.29×104t，儲(chǔ)量以古近系油藏為主，中生界勘探程度低，探井成功率低于40%，遠(yuǎn)低于新生界石油地質(zhì)探井成功率(高于70%)，實(shí)鉆井揭示中生界物性差，是研究區(qū)的低效層系，勘探效益差。利用研究成果對(duì)中生界儲(chǔ)集性能進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，中生界巖性為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，石英占26%、長(zhǎng)石占31%、巖屑占43%，巖石成熟度低；館陶組沉積前構(gòu)造抬升，中生界地層暴露地表遭受長(zhǎng)期風(fēng)化，沉積間斷時(shí)間大于5 Ma；現(xiàn)今地層埋深小于1 000 m，利于地表風(fēng)化碎屑巖儲(chǔ)集巖的發(fā)育；研究區(qū)中生界儲(chǔ)集巖由于地表風(fēng)化作用，在不整合面以下可以發(fā)育穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，是地層油藏成藏的有利區(qū)，具有較大勘探潛力。

在此認(rèn)識(shí)指導(dǎo)下，先后部署鉆探了高64、高56、高102等井，均獲得成功。在不整合面下鉆遇優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，儲(chǔ)層平均厚度為30 m，孔隙度大于25%，滲透率大于200×10-3μm2，均解釋為油層。其中，高64井試油獲日產(chǎn)油為11.8 t/d的工業(yè)油流。投產(chǎn)4口井(高41-22、高41-平1、高41-平2、高64-1)，千米井深日產(chǎn)油為8.2 t/d，其中，高41-22井獲32.8 t/d的高產(chǎn)工業(yè)油流，打開了該區(qū)中生界的勘探局面。

5 結(jié) 論

(1) 地層油藏是濟(jì)陽坳陷下步重要的增儲(chǔ)領(lǐng)域，儲(chǔ)集巖以碎屑巖為主，縱向上油層主要分布在不整合面下5～30 m范圍內(nèi)，平面上油層主要分布在盆緣超剝帶，儲(chǔ)集巖是決定油藏分布的首要因素，儲(chǔ)集空間以次生孔隙為主，主要為風(fēng)化溶蝕的孔隙、孔洞、裂縫等。

(2) 巖石暴露過程中，在地表水風(fēng)化淋濾作用下，成巖礦物會(huì)發(fā)生一定的溶蝕、水解、水合作用，巖石溶蝕前后礦物組成發(fā)生改變，同時(shí)礦物所占體積減少，導(dǎo)致次生孔隙生成。

(3) 地表風(fēng)化作用使碎屑巖儲(chǔ)層在原有孔隙基礎(chǔ)上，孔隙度最大可增加15%，滲透率最大可提高100×10-3μm2，風(fēng)化改造帶厚度為3～20 m，碎屑巖風(fēng)化過程中物性變化影響因素復(fù)雜，改善程度及深度存在較大差異，主要受巖性、埋深、不整合級(jí)別等控制。

[1] 付廣，許澤劍，韓冬玲，等.不整合面在油氣藏形成中的作用[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，25(1)：1-4.

[2] 隋風(fēng)貴，趙樂強(qiáng)，林會(huì)喜，等. 濟(jì)陽坳陷第三系地層油藏形成機(jī)制與組合模式[J]. 油氣地質(zhì)與采收率，2005，12(6)：1-5.

[3] 袁秉衡，林梁，劉秋生.重要的油氣圈閉不整合圈閉[J].石油勘探與開發(fā)，1985，12(1)：1-7.

[4] 張克銀，艾華國，吳亞軍.碳酸鹽巖頂部不整合面結(jié)構(gòu)層及控油意義[J].石油勘探與開發(fā)，1996，23(5)：16-19.

[5] 李丕龍，龐雄奇.陸相斷陷盆地隱蔽油氣藏形成——以濟(jì)陽坳陷為例[M].北京:石油工業(yè)出版社，2004：315-357.

[6] 隋風(fēng)貴，趙樂強(qiáng).濟(jì)陽坳陷不整合結(jié)構(gòu)類型及控藏作用[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2006，30(2)：161-167.

[7] 王秉海，錢凱.勝利油區(qū)地質(zhì)研究與勘探實(shí)踐[M].東營：石油大學(xué)出版社，1992：181-187.

[8] 李丕龍，張善文，宋國奇，等.斷陷盆地隱蔽油氣藏形成機(jī)制——以渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷為例[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì), 2004，26(1) ：3-10.

[9] 潘元林，張善文，肖煥欽，等.濟(jì)陽斷陷盆地隱蔽油氣藏勘探[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003：20-150.

[10] 麻偉嬌，王峰，宋明星，等.不整合面上底礫巖控制油氣運(yùn)聚的流體證據(jù)[J]. 特種油氣藏,2017,24(1)：81-86.

[11] 王圣柱，林會(huì)喜，張奎華.關(guān)于不整合作為油氣長(zhǎng)距離運(yùn)移通道的討論[J].特種油氣藏,2016,23(6):1-6.

[12] 淡偉寧，吳劍鋒，馮松.阿爾凹陷下白堊統(tǒng)不整合與油氣成藏[J].特種油氣藏,2016,23(5):30-33.

[13] 秦峰，曾治平，宮亞軍，等.車排子地區(qū)白堊系底部不整合結(jié)構(gòu)及輸導(dǎo)作用[J].特種油氣藏,2015,22(4):1-3.

[14] DEUTSCH C V,JOURNEL A G. Geostatistical software library and user’s guide[M]. Oxfmd:Oxford Press,1992:12-45.

[15] 韓慧芬，桑宇，楊建. 四川盆地震旦系燈影組儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2016，36(1):81-88.

[16] 馮潔，宋巖，姜振學(xué)，等.塔里木盆地克深區(qū)巴什基奇克組砂巖成巖演化及主控因素[J]. 特種油氣藏,2017,24(1)：70-75.

[17] 孟濤，郭峰，穆星，等.濟(jì)陽坳陷東部中生界二次埋藏型儲(chǔ)層成巖作用[J].特種油氣藏,2016,23(6):16-20.

[18] 黃思靜，侯中建. 地下孔隙度和滲透率在時(shí)間和空間上的變化及影響因素[J].沉積學(xué)報(bào)，2001，19(2)：224-232.

[19] BLOCHS,FRANKS S G. Preservation of shallow plagioclase dissolution porosity during burial implications forporosity prediction and aluminum mass balance[J].AAPG Bulletin,1993,77 (7):1488-1501.

[20] 黃思靜，武文慧，劉潔，等. 大氣水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用：以鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組為例[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，28(4)：419-424.

[21] 楊朋.大氣淡水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2014，8(1)：16-20.

[22] 劉曦翔，丁曉琪，王嘉，等. 砂巖成分對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及天然氣富集程度的影響——以蘇里格氣田西區(qū)二疊系石盒子組8段為例[J].天然氣工業(yè)，2016，36(7):27-32.

[23] 趙澄林，朱筱敏.沉積巖石學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：6-15.

[24] ISLAM M R， STUART R， RISTO A，et al. Mineralogical changes during intense chemical weathering of sedimentaryrocks in Bangladesh [J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2002, 20(8)：889-901.

[25] BUYTAERT W,SEVINK J, LEEUW B D, et al. Clay mineralogy of the soils in the south Ecuadorian paramo region [J]. Geoderma, 2005, 127 (1/2) :114-129.

[26] NEDACHI Yoko, NEDACHI Munetomo. Geochemistry and mineralogy of the 2.45 Ga Pronto paleosols, Ontario, Canada [J]. Chemical Geology, 2005, 214(1): 21-44.

[27] 陳濤.濟(jì)陽坳陷第三系不整合結(jié)構(gòu)與輸導(dǎo)機(jī)理研究[D].東營：中國石油大學(xué)(華東)，2009.