西湖凹陷某構(gòu)造低滲儲(chǔ)層成巖演化研究

程 超， 朱文娟， 廖恒杰， 丁 芳， 李爽爽

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335)

0 引言

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，面積約為4.6×104km2，是東海陸架盆地最具勘探潛力的凹陷[1]，沉積了一套以砂泥巖為主的碎屑巖系，厚度達(dá)15 km。隨著研究的不斷深入，近年西湖凹陷低滲儲(chǔ)層的勘探獲得重大突破，發(fā)現(xiàn)了一批低滲天然氣田，某構(gòu)造即為其中之一。據(jù)最新初步估算，西湖凹陷低滲氣藏資源潛力巨大，約占凹陷內(nèi)天然氣總資源量的80%，低滲氣藏構(gòu)成了西湖凹陷獨(dú)特的資源分布特征[2]。西湖凹陷中心埋深普遍大于3 000 m，由于成巖作用和孔隙演化歷史的不同，砂巖儲(chǔ)層普遍呈現(xiàn)非常規(guī)儲(chǔ)層特征[3]。

成巖作用對(duì)砂巖埋藏演化過(guò)程中孔隙度和滲透率的產(chǎn)生、破壞以及改造起著關(guān)鍵作用； 而沉積物本身的內(nèi)在特征(碎屑組分和結(jié)構(gòu))一定程度上制約著成巖作用的發(fā)展，從而導(dǎo)致不同的成巖演化序列(即各成巖作用事件發(fā)生的先后順序),產(chǎn)生不同的孔隙演化過(guò)程，直接導(dǎo)致砂巖物性的不同，由此影響產(chǎn)能與開(kāi)發(fā)效果[4-6]。西湖凹陷低滲儲(chǔ)層成巖演化序列和孔隙演化過(guò)程是決定研究區(qū)低滲儲(chǔ)層滲透性和含油氣性的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)對(duì)西湖凹陷某構(gòu)造常規(guī)巖石薄片、鑄體薄片、掃描電鏡及儲(chǔ)層物性資料的分析，探討了研究區(qū)低滲儲(chǔ)層孔隙演化的成巖影響因素，恢復(fù)了研究區(qū)低滲儲(chǔ)層成巖演化及孔隙演化過(guò)程，以期為西湖凹陷類似低滲氣藏優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征及儲(chǔ)集空間類型

1.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

研究區(qū)巖石類型主要有淺灰色細(xì)砂巖、中砂巖、含礫中砂巖和粗砂巖。砂巖類型為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖。儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒中，石英體積分?jǐn)?shù)為62.2%～63.8%，長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)為19.0%～19.5%，巖屑體積分?jǐn)?shù)為17.2%～18.5%。填隙物主要由泥質(zhì)雜基和膠結(jié)物組成，膠結(jié)物主要為碳酸鹽和硅質(zhì)，碳酸鹽膠結(jié)物以方解石為主，白云石含量較少。巖石的結(jié)構(gòu)成熟度中等，顆粒磨圓以次棱—次圓狀為主，分選中等—好，接觸類型以點(diǎn)—線接觸為主，少量凹凸—線接觸以及線—點(diǎn)接觸，膠結(jié)類型以接觸式膠結(jié)為主。

1.2 儲(chǔ)集空間類型

根據(jù)鑄體薄片、掃描電鏡資料分析，研究區(qū)低滲儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間由次生孔隙和原生孔隙組成，微裂縫基本不發(fā)育，平均面孔率4.2%(表1)。

表1 研究區(qū)低滲儲(chǔ)層孔隙類型統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，孔隙類型以次生孔隙為主，其中粒間溶孔在次生孔隙中含量最高，面孔率為2.03%，其次是鑄?？缀土?nèi)溶孔，面孔率分別為1.04%和0.66%，保存少量原生粒間孔，面孔率為0.46%。次生孔隙的富集區(qū)就是研究區(qū)整體低滲儲(chǔ)層背景下相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育區(qū)。

2 成巖作用特征及成巖孔隙定量演化

定性分析成巖作用過(guò)程和定量計(jì)算孔隙演化是分析儲(chǔ)層致密原因的必要手段。致密儲(chǔ)層物性受成巖作用影響，隨著埋藏深度的增加，儲(chǔ)層成巖作用加強(qiáng)，儲(chǔ)層物性發(fā)生相應(yīng)變化，可以通過(guò)孔隙度的演化來(lái)表征儲(chǔ)層物性的演化規(guī)律[7]。為方便孔隙度的定量演化研究，結(jié)合研究區(qū)的成巖序列，將成巖作用過(guò)程簡(jiǎn)化為機(jī)械壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。本次研究參考深部?jī)?chǔ)層孔隙演化模型[8-13]，根據(jù)主要成巖作用對(duì)孔隙發(fā)育的影響建立適合研究區(qū)的孔隙度演化模型。

2.1 機(jī)械壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是研究區(qū)儲(chǔ)層質(zhì)量變差的重要因素之一。主要壓實(shí)特征有： 火山巖巖屑、云母等塑性顆粒的壓實(shí)變形(圖1(a))； 長(zhǎng)石、石英等脆性顆粒在壓實(shí)作用下破碎、斷裂(圖1(b))； 碎屑顆粒在機(jī)械壓實(shí)作用呈現(xiàn)凹凸—線接觸(圖1(c))； 泥巖巖屑擠壓變形，呈現(xiàn)假雜基特征(圖1(d))。

(a) 云母壓彎變形(正交光)(b) 長(zhǎng)石顆粒被壓斷(單偏光)

(c) 石英凹凸一線接觸(單偏光) (d) 泥巖巖屑塑性變形(單偏光)

(1)砂巖初始孔隙度恢復(fù)。砂巖原始孔隙度的恢復(fù)是定量評(píng)價(jià)不同成巖作用對(duì)原生孔隙和次生孔隙產(chǎn)生影響的基本前提。通常采用Beard等建立的未固結(jié)砂巖的初始孔隙度與分選系數(shù)的關(guān)系式[14]來(lái)恢復(fù)砂巖原始孔隙度，其公式為

Φ0=20.91+22.9/S0

。

(1)

通過(guò)計(jì)算,研究區(qū)低滲儲(chǔ)層平均原始孔隙度為30.7%。

(2)機(jī)械壓實(shí)作用后的剩余孔隙度。視壓實(shí)率是對(duì)原始沉積顆粒間孔隙空間被壓實(shí)減少程度的定量表征，與儲(chǔ)層原始孔隙度、填隙物含量及次生孔隙空間體積密切相關(guān)[8-13,15]，計(jì)算公式為

視壓實(shí)率(a)=(原始孔隙體積-膠結(jié)物體積-

粒間孔體積)/原始孔隙體積×100% 。

(2)

研究區(qū)低滲儲(chǔ)層視壓實(shí)率主要分布區(qū)間為62%～68%，壓實(shí)作用導(dǎo)致原始孔隙度減少為19.0%～20.7%，壓實(shí)后剩余孔隙度為9.8%～11.7%。

2.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)膠結(jié)作用類型較多，主要包括碳酸鹽膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)，但總體含量較少，對(duì)儲(chǔ)層物性影響相對(duì)較小。

(1)硅質(zhì)膠結(jié)作用主要表現(xiàn)為石英的次生加大，少見(jiàn)長(zhǎng)石次生加大。石英次生加大可見(jiàn)2期，常形成自形晶面或交錯(cuò)狀連接的鑲嵌結(jié)構(gòu)，較多石英次生加大邊的形成減小了原生孔隙空間，同時(shí)也不利于次生孔隙發(fā)育(圖2(a))。

(2)碳酸鹽膠結(jié)物主要表現(xiàn)為孔隙式膠結(jié)的方解石膠結(jié)物(圖2(b))和鐵方解石膠結(jié)物(圖2(c))。

(3)黏土礦物膠結(jié)物主要有伊利石、伊蒙混層和綠泥石。其中綠泥石單體形態(tài)呈針葉狀，集合體形態(tài)多為鱗片狀、絨球狀包裹在顆粒表面，早期綠泥石襯邊膠結(jié)能夠有效抑制石英的次生加大，對(duì)儲(chǔ)層孔隙具有較好的保護(hù)作用(圖2(d))； 伊利石常以蜂窩狀和絲縷狀附著在顆粒表面或填充于粒間孔隙、喉道中，使得孔隙連通性變差(圖2(e))。

(a) 石英次生加大(正交光) (b) 方解石孔隙式膠結(jié)(單偏光)(c) 晚期鐵方解石孔隙式膠結(jié)(單偏光)

(d) 綠泥石膠結(jié)(掃描電鏡) (e) 伊利石膠結(jié)(掃描電鏡)

通常采用視膠結(jié)率對(duì)膠結(jié)程度進(jìn)行定量表示[8-13,15]，其公式為

研究區(qū)低滲儲(chǔ)層為弱膠結(jié)作用，平均視膠結(jié)率8%，膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度減少2.5%左右，膠結(jié)后剩余孔隙度為7.4%～9.5%。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用為建設(shè)性成巖作用，是次生孔隙發(fā)育的主要原因，是形成或擴(kuò)大儲(chǔ)集空間的重要成巖作用，能夠有效地改善低滲透儲(chǔ)層質(zhì)量。研究區(qū)的巖石類型多為亞長(zhǎng)石砂巖、亞巖屑砂巖等，被溶蝕的物質(zhì)多為不穩(wěn)定顆粒(如長(zhǎng)石、巖屑等)，部分樣品中見(jiàn)石英溶蝕、碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕等。長(zhǎng)石穩(wěn)定性差，在酸性流體介質(zhì)下常發(fā)生溶解作用，常被溶蝕為蠶食狀、殘余狀甚至形成鑄?？?圖3(a))，在掃描電鏡下?？梢?jiàn)到長(zhǎng)石溶蝕成殘骸狀(圖3(b))； 巖屑溶解形成巖屑粒內(nèi)溶孔，多呈孤立狀，連通性差(圖3(c))； 石英較為穩(wěn)定，一般不易發(fā)生溶蝕，僅在堿性條件下發(fā)生少量溶蝕。

(a) 長(zhǎng)石鑄?？缀土?nèi)孔(單偏光) (b) 長(zhǎng)石溶蝕(掃描電鏡) (c) 巖屑溶蝕(單偏光)

視溶蝕率為反映溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙空間體積影響程度的定量表征，主要表征次生孔隙發(fā)育情況[8-13,15]，其公式為

研究區(qū)視溶蝕率在3.7%～4%，溶蝕作用導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度增加1.2%左右，成巖過(guò)后的現(xiàn)今孔隙度為8.5%～10.4%。

2.4 交代作用

研究區(qū)內(nèi)交代作用主要以方解石膠結(jié)物交代碎屑顆粒為主，其邊緣呈鋸齒狀、港灣狀甚至殘留顆粒假象。方解石交代長(zhǎng)石的現(xiàn)象非常普遍(圖4(a))，長(zhǎng)石和部分巖屑化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較弱，方解石交代作用主要沿長(zhǎng)石顆粒邊緣、解理縫進(jìn)行，使顆粒邊緣齒化，或交代殘余后顆粒呈“殘骸”狀，此外還可見(jiàn)到鐵方解石交代長(zhǎng)石(圖4(b))。自生礦物之間的交代關(guān)系通常作為判斷不同成巖作用發(fā)生先后順序的主要依據(jù)。

(a) 方解石交代長(zhǎng)石(單偏光)(b) 鐵方解石交代長(zhǎng)石(單偏光)

3 成巖階段劃分及成巖演化序列

3.1 成巖階段劃分

依據(jù)《碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范》(SY/T 5477—2003)[16]，根據(jù)本區(qū)礦物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及孔隙類型,自生礦物分布、形成順序,黏土礦物組合及伊利石/蒙脫石混層黏土礦物的轉(zhuǎn)化,有機(jī)質(zhì)成熟度,古地溫(包括流體包裹體均一溫度、自生礦物形成溫度),儲(chǔ)層沉積和構(gòu)造演化史等信息，判斷研究區(qū)低滲儲(chǔ)層處于中成巖階段A2期和中成巖階段B期(表2)。

表2 研究區(qū)低滲儲(chǔ)層成巖階段劃分與孔隙演化模式

(1)沉積物埋藏早期階段，壓實(shí)作用表現(xiàn)得比較明顯，顆粒接觸關(guān)系以線接觸、凹凸接觸為主，是本區(qū)儲(chǔ)層物性致密的最重要因素。

(2)多見(jiàn)碳酸鹽、硅質(zhì)、黏土礦物3種膠結(jié)物。碳酸鹽膠結(jié)物以方解石為主，方解石多以連晶形式出現(xiàn)。硅質(zhì)膠結(jié)物主要為石英次生加大，最多可見(jiàn)Ⅱ級(jí)次生加大。

(3)自生黏土礦物含量在5%～10%之間，主要類型有伊利石、綠泥石和伊蒙混層等，隨深度的增加，高嶺石的含量減少，伊利石的含量相對(duì)增加，蒙脫石的第一迅速轉(zhuǎn)化帶和第二迅速轉(zhuǎn)化帶的界限在3 850 m附近。

(4)孔隙類型以次生孔隙為主，局部層段為原生孔隙保存的復(fù)合孔，并發(fā)育2個(gè)次生溶蝕孔隙發(fā)育帶，長(zhǎng)石、巖屑大量溶蝕，可見(jiàn)鑄?？住?/p>

(5)有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為0.5%～1.8%，古地溫為108～148 ℃，有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)入成熟—高成熟階段，是有機(jī)酸生成的高峰期，導(dǎo)致了本區(qū)成巖環(huán)境以酸性為主。

3.2 成巖演化序列

研究區(qū)低滲儲(chǔ)層經(jīng)歷了多樣化的膠結(jié)、溶解以及交代過(guò)程，經(jīng)過(guò)大量薄片觀察發(fā)現(xiàn)： 石英顆粒以次生加大為主，發(fā)生2期次生加大，并可見(jiàn)石英顆粒及Ⅰ期自生加大邊發(fā)生溶解作用，未見(jiàn)Ⅱ期自生加大邊溶蝕； 方解石膠結(jié)物常常交代Ⅰ期石英自生加大邊，說(shuō)明石英Ⅰ期自生加大邊形成早于方解石膠結(jié)作用； 局部層段長(zhǎng)石、巖屑發(fā)生較為強(qiáng)烈的溶蝕作用，溶蝕孔隙后期又多被方解石充填，據(jù)此判斷長(zhǎng)石、巖屑溶解、石英Ⅰ期次生加大發(fā)育于同一時(shí)期，方解石膠結(jié)物的形成時(shí)間晚于長(zhǎng)石的溶蝕作用； 在部分薄片中可見(jiàn)晚期鐵方解石膠結(jié)物交代方解石及碎屑顆粒，并未見(jiàn)鐵方解石溶蝕，說(shuō)明鐵方解石形成于成巖晚期。研究區(qū)鹽水包裹體主要見(jiàn)于石英次生加大部分，包裹體均一溫度分布呈雙峰型特征，主峰溫度值分別為124～130 ℃和136～140 ℃，成巖過(guò)程經(jīng)歷了2期酸性流體充注，結(jié)合沉積埋藏史和古熱史，推測(cè)主要流體充注時(shí)間發(fā)生在11.5～8 Ma和4～2 Ma。

綜上分析,認(rèn)為本區(qū)低滲儲(chǔ)層成巖演化序列為： ①壓實(shí)作用，脆性顆粒破碎，塑性顆粒變形，局部綠泥石襯邊膠結(jié)； ②部分長(zhǎng)石及巖屑早期溶解，早期石英次生加大； ③碳酸鹽膠結(jié)并交代石英、長(zhǎng)石等，石英顆粒發(fā)生溶蝕作用； ④碳酸鹽、長(zhǎng)石、巖屑等礦物溶蝕形成次生孔隙,石英次生加大； ⑤晚期鐵方解石少量膠結(jié)、交代。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)儲(chǔ)集空間類型以次生溶蝕孔隙為主，粒間溶孔是最主要的次生孔隙類型，占儲(chǔ)集空間的48.5%，平均面孔率為2.03%，其次是鑄?？缀土ｉg溶孔，原生粒間孔少量。

(2)研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙演化與成巖作用密切相關(guān)。平均原始孔隙度為30.7%，壓實(shí)作用導(dǎo)致原始孔隙度減少為19.0%～20.7%，膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度減少2.5%左右，溶蝕作用導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度增加1.2%左右，成巖過(guò)后的現(xiàn)今孔隙度為8.5%～10.4%。壓實(shí)作用是造成本區(qū)孔隙度減少的主要因素，導(dǎo)致原始孔隙占比減少約65%，溶蝕作用產(chǎn)生部分次生溶蝕孔隙，在一定程度上提升了儲(chǔ)層物性。

(3)研究區(qū)儲(chǔ)層處于中成巖階段A2期和中成巖階段B期，成巖演化序列為： ①脆性顆粒破碎，塑性顆粒變形，局部綠泥石襯邊膠結(jié)； ②部分長(zhǎng)石及巖屑早期溶解，早期石英次生加大； ③碳酸鹽膠結(jié)并交代石英、長(zhǎng)石等，石英顆粒發(fā)生溶蝕作用； ④碳酸鹽、長(zhǎng)石、巖屑等礦物溶蝕形成次生孔隙，石英次生加大； ⑤晚期鐵方解石少量膠結(jié)、交代。