烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層成巖作用及孔隙演化

許 同, 劉洛夫, 汪 洋, 季煥成, 宋光建, 萬青青, 羅澤華,李曉中, 李林澤, 李婧儀

( 1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2. 中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249; 3. 中國石油新疆油田分公司 風(fēng)城油田作業(yè)區(qū),新疆 克拉瑪依 834000 )

0 引言

成巖作用對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性演化有重要影響，是當(dāng)今沉積學(xué)方向研究較為活躍的領(lǐng)域之一[1-3]。成巖作用研究主要采用鑄體薄片、碳氧同位素、掃描電鏡、XRD等測(cè)試分析方法。碎屑巖自沉積埋藏之后經(jīng)歷的成巖演化過程對(duì)儲(chǔ)層孔隙的保存與改造有重要影響，加強(qiáng)成巖作用研究對(duì)深化碎屑巖儲(chǔ)層形成和演化的認(rèn)識(shí)具有重要意義[4-5]。

孔隙度在埋藏成巖過程中是一個(gè)連續(xù)變化的過程，主要受到沉積、構(gòu)造、成巖等方面作用的影響[6-7]，恢復(fù)一個(gè)地區(qū)的儲(chǔ)層孔隙演化過程是研究油氣成藏過程及儲(chǔ)層發(fā)育特征的重要內(nèi)容。目前，孔隙演化研究的主要方法有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法[8]、鑄體薄片加成巖序列法[9-10]及數(shù)值模擬方法[11]。

烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)是新疆風(fēng)城油田、風(fēng)南油田作業(yè)區(qū)油氣勘探工作的重點(diǎn)區(qū)塊，其三疊系百口泉組是研究區(qū)的主要油氣產(chǎn)層之一，深化層位的研究對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地油氣的進(jìn)一步勘探開發(fā)具有重要意義。目前,對(duì)烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組的研究主要針對(duì)其沉積相、成巖相分布及構(gòu)造演化等方面[12-18]，對(duì)該地區(qū)儲(chǔ)層孔隙演化的研究較為薄弱。筆者采用鑄體薄片加成巖序列法，以鑄體薄片鏡下觀測(cè)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)各種成巖作用對(duì)孔隙的影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，再結(jié)合成巖演化序列對(duì)各孔隙變化量進(jìn)行歸位，重建孔隙演化過程，恢復(fù)結(jié)果相較其他方法更為準(zhǔn)確。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地是我國西北部重要的大型含油氣疊合盆地，其西北緣是國家重要的油氣資源富集區(qū)之一，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)克拉瑪依、風(fēng)城等重要的工業(yè)油氣田。烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)隸屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起帶，以烏夏斷裂帶為北界，克烏斷裂帶為西界，東南部為瑪湖坳陷，總面積約為600 km2(見圖1)。區(qū)域地層發(fā)育較為齊全，基底為海西期結(jié)晶基底及石炭系早期褶皺基底組成的雙基底構(gòu)造，蓋層發(fā)育石炭系至白堊系沉積物。其中二疊系風(fēng)城組(P1f)、夏子街組(P2x)和烏爾禾組(P3w)是區(qū)域主力烴源巖；三疊系百口泉組(T1b)、克拉瑪依組(T2k)，以及二疊系風(fēng)城組(P1f)、烏爾禾組(P3w)為區(qū)域主要儲(chǔ)集層[13-20]。

研究區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層距西北部火成巖物源區(qū)較近，主要為砂巖和砂礫巖，整體粒度較粗，分選差，巖屑含量較高。百口泉組與上覆克下組為連續(xù)沉積，與下伏烏爾禾組為角度不整合接觸。區(qū)域不整合面較為發(fā)育，是油氣輸導(dǎo)的良好通道[17,20-21]。

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 巖石學(xué)

圖2 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層巖性成分三角圖Fig.2 Lithologic composition triangle plot of Baikouquan formation clastic reservoir in Wuerhe-Fengnan area

百口泉組(T1b)碎屑巖儲(chǔ)層整體為一套扇三角洲平原及前緣亞相的粗碎屑巖沉積物[16]，埋深在700～3 800 m之間，沉積厚度為100～200 m，垂向上可劃分為3個(gè)正韻律砂層組，整體具有向上粒度變細(xì)、泥質(zhì)含量增加、平原亞相縮小、前緣亞相增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為湖侵進(jìn)積的沉積特點(diǎn)[19-20]。

百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層大多數(shù)為巖屑砂巖，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖(見圖2)。其中石英碎屑體積分?jǐn)?shù)為1.0%～45.7%，平均為10.6%；長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)為1.0%～35.0%，平均為5.6%；巖屑體積分?jǐn)?shù)為27.0%～97.3%，平均為83.8%，主要為凝灰質(zhì)、流紋質(zhì)等火山巖巖屑，其次為泥質(zhì)巖屑；碎屑巖成分成熟度(Q/(R+F))低，為0.06～0.62，平均為0.14，顆粒分選差，大小混雜，磨圓為次圓狀—次棱角，表現(xiàn)為近物源快速堆積的特點(diǎn)[13]。

2.2 物性

研究區(qū)百口泉組碎屑巖孔隙度為3.2%～27.8%，平均為14.8%，滲透率為1.50×10-5～0.96 μm2，平均為72.76×10-3μm2，屬于低孔—中滲儲(chǔ)層(見圖3)，滲透率在一定程度上受控于孔隙度參數(shù)，但兩者相關(guān)性較差，相關(guān)因數(shù)為0.19，與儲(chǔ)層收縮縫及微裂縫的發(fā)育有關(guān)。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層排驅(qū)壓力中等，介于1.36～10.88 MPa，平均為5.35 MPa；分選因數(shù)平均為1.78，相對(duì)較高，分選較差，儲(chǔ)層孔隙喉道分布不均勻，整體非均質(zhì)性較強(qiáng)。

圖3 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度及滲透率頻率直方圖

2.3 孔隙類型

烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層的孔隙類型包括殘余粒間孔(見圖4(a))、長(zhǎng)石—石英—巖屑粒內(nèi)溶孔(見圖4(b-d)、黏土礦物收縮縫(見圖4(e))及構(gòu)造微裂縫(見圖4(f))。其中以粒內(nèi)溶孔和殘余粒間孔最為發(fā)育，分別占總孔隙的38%和29%；其次為構(gòu)造微裂縫和黏土礦物收縮縫，分別占總孔隙的18%和14%。雖然黏土礦物收縮縫和構(gòu)造微裂縫在總孔隙的占比相對(duì)較少，但可極大提高儲(chǔ)層的滲流能力，并對(duì)溝通孔隙流體及后期成巖改造具有重要意義[22]。

圖4 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型Fig.4 Reservoir space types of Baikouquan formation clastic reservoir in Wuerhe-Fengnan area

3 成巖作用類型及特征

研究區(qū)百口泉組發(fā)育的成巖作用類型主要有壓實(shí)—壓溶作用，鈣質(zhì)、硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)作用，長(zhǎng)石、巖屑、石英的溶蝕作用，構(gòu)造裂縫作用及烴類侵位作用等。

3.1 壓實(shí)—壓溶作用

研究區(qū)百口泉組儲(chǔ)層最大埋深可達(dá)3 800 m，遭受壓實(shí)作用較強(qiáng)，隨埋深增加巖石孔滲明顯下降，壓實(shí)作用是導(dǎo)致原生孔隙減少的重要原因。鏡下薄片觀察可見碎屑顆粒接觸緊密，以點(diǎn)—線狀接觸為主；由于顆粒長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，在部分顆粒的結(jié)合處發(fā)生壓溶現(xiàn)象，顆粒邊緣溶解后再沉淀，從而使礦物顆粒間呈凹凸接觸(見圖5(a-b))，石英、長(zhǎng)石壓溶釋放的SiO2是儲(chǔ)層重要的硅質(zhì)來源；部分剛性顆粒在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂(見圖4(f))，提高儲(chǔ)層的孔滲條件；塑性組分(部分巖屑、云母)受到擠壓作用而彎曲變形、重新排列，充填粒間孔隙而形成假雜基化(見圖5(c))。壓實(shí)作用在研究區(qū)普遍發(fā)育，盡管壓實(shí)強(qiáng)度隨碎屑巖組分及深度不同而有差異，但整體表現(xiàn)為中—強(qiáng)壓實(shí)，原生孔隙的減少很大程度上受到強(qiáng)烈壓實(shí)作用的控制。

3.2 膠結(jié)作用

百口泉組儲(chǔ)層經(jīng)歷的膠結(jié)作用主要包括方解石膠結(jié)，伊/蒙混層、高嶺石、伊利石等黏土礦物膠結(jié)，硅質(zhì)膠結(jié)及部分黃鐵礦膠結(jié)。

3.2.1 黃鐵礦膠結(jié)

鏡下觀察可見黃鐵礦為不透明礦物，在單偏光及正交偏光下呈黑色(見圖5(d))，反射光下呈淺黃銅色，具金屬光澤，外形呈瘤狀或草莓狀。黃鐵礦膠結(jié)是區(qū)域較為次要的膠結(jié)物，體積分?jǐn)?shù)較小(1.00%～6.00%)，平均為2.13%，但對(duì)反映成巖環(huán)境具有重要意義，百口泉組成巖早期可能處于較強(qiáng)的還原成巖環(huán)境[23-24]。

3.2.2 方解石膠結(jié)

百口泉組鈣質(zhì)膠結(jié)物較為發(fā)育，主要為方解石和含鐵方解石，還有少量白云石、鐵白云石。百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層中鈣離子的來源主要有兩種[25]：一是來自內(nèi)部火山巖巖屑釋放的Ca2+，二是來自臨近泥巖層，由泥巖中有機(jī)質(zhì)通過多種方式產(chǎn)生Ca(HCO3)2，經(jīng)流體攜帶進(jìn)入儲(chǔ)層中并沉淀[26]。方解石膠結(jié)是研究區(qū)百口泉組儲(chǔ)層中最主要的膠結(jié)類型，體積分?jǐn)?shù)為1.00%～20.00%，平均為4.50%，鏡下觀察主要呈基底式膠結(jié)(見圖5(e))而充填于粒間孔隙，以早期泥晶方解石及中期(含)鐵方解石膠結(jié)物為主，后期部分碳酸鹽巖膠結(jié)物被溶蝕，形成膠結(jié)物內(nèi)溶蝕孔隙。

3.2.3 硅質(zhì)膠結(jié)

百口泉組硅質(zhì)膠結(jié)較為常見，占總礦物體積分?jǐn)?shù)的1.00%～8.00%，主要來源于早期地層水中SiO2局部達(dá)到過飽和狀態(tài)后的沉淀，其次還存在壓溶作用及硅酸鹽礦物溶解釋放的SiO2。儲(chǔ)層硅質(zhì)膠結(jié)物以石英次生加大邊和自生石英顆粒為主，長(zhǎng)石質(zhì)膠結(jié)物極少。石英次生加大邊主要為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)，沿石英顆粒邊緣生長(zhǎng)，厚度為20～80 μm，和主礦物之間可見明顯的顆粒線(綠泥石膜等)(見圖4(a、e)、圖5(b-c))，掃描電鏡下可見自形晶面發(fā)育(見圖6(a))。石英次生加大邊整體發(fā)育程度較低，往往發(fā)育不完全，很少有環(huán)邊狀，鏡下可見部分被溶蝕呈不規(guī)則港灣狀(見圖4(a))，少數(shù)為Ⅲ級(jí)加大邊，寬度為50～100 μm；自生石英相對(duì)較少，且個(gè)體較小，鏡下可觀察到較為完整的六方雙錐晶形(見圖6(b))。

圖6 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層黏土礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 Scanning electron microscopy image of clay minerals of Baikouquan formation clastic reservoir in Wuerhe-Fengnan area

3.2.4 黏土礦物膠結(jié)

百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層XRD測(cè)試結(jié)果表明，黏土礦物占總礦物體積分?jǐn)?shù)的4.00%～8.00%，平均為6.23%，主要為伊/蒙混層、高嶺石、伊利石和綠泥石。

伊/蒙混層是儲(chǔ)層最主要的黏土礦物，呈孔隙襯邊式膠結(jié)，外形為蜂窩狀或棉絮狀(見圖6(c-d))，占總黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的23.00%～87.00%，平均為52.56%。隨埋深和地溫增大，伊/蒙混層(I/S)中蒙皂石層的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小(見圖7)，為14.00%～81.00%，后期伊/蒙混層逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。

其次為高嶺石，鏡下可見沿顆粒表面呈書頁狀或蠕蟲狀排列(見圖6(b、e))，占總黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的5.00%～58.00%，平均為21.25%。隨埋深增大，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，根據(jù)高嶺石多附著于長(zhǎng)石質(zhì)顆粒表面的特點(diǎn)(見圖5(f))，其成因主要與長(zhǎng)石和巖屑內(nèi)硅鋁質(zhì)組分蝕變有關(guān)。

綠泥石占總黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的0.30%～46.00%，平均為13.45%，包括早期表生綠泥石(見圖5(c))和晚期自生綠泥石，以晚期自生綠泥石為主，多分布于儲(chǔ)層和泥巖接觸區(qū)域，可能與臨近烴源巖排出的富鐵鎂流體有關(guān)[24]；表生綠泥石體積分?jǐn)?shù)較低，主要為顆粒沉積時(shí)表面附著的綠泥石膜。

伊利石在鏡下呈針狀或葉片狀(見圖6(f))，占總黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的5.00%～19.00%，平均為7.61%。隨埋深增大呈上升趨勢(shì)。伊利石除由伊/蒙混層轉(zhuǎn)化外，還可能源于成巖作用后期鉀長(zhǎng)石和高嶺石的反應(yīng)[22]。

圖7 蒙皂石層在伊/蒙混層中比例隨深度變化關(guān)系Fig.7 Diagram of the proportion of the smectite layer in the I/S mixed layer with depth

顆粒間發(fā)育的黏土礦物膠結(jié)物填充粒間孔隙、堵塞喉道，但早期的黏土礦物膠結(jié)對(duì)減緩壓實(shí)作用,以及后期黏土礦物脫水收縮產(chǎn)生的大量收縮縫(成巖裂縫)對(duì)改善儲(chǔ)層條件具有重要意義[27-28]。

3.3 溶蝕作用

研究區(qū)百口泉組儲(chǔ)層中長(zhǎng)石、石英及巖屑粒內(nèi)溶蝕現(xiàn)象較為常見，其次為方解石膠結(jié)物溶蝕。長(zhǎng)石、石英被流體溶蝕而形成粒內(nèi)溶孔(見圖5(a、f))甚至鑄模孔(見圖4(b-c))；方解石膠結(jié)物溶蝕形成少量粒間膠結(jié)物溶孔。長(zhǎng)石溶蝕是研究區(qū)最常見的溶蝕類型，鏡下可見長(zhǎng)石顆粒沿邊緣、解理面或雙晶結(jié)合面等較薄弱的部位開始溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔(見圖5(f))。研究區(qū)石英溶蝕在區(qū)域較為常見，鏡下可見石英粒內(nèi)溶孔和石英次生加大邊不規(guī)則溶蝕，甚至整個(gè)石英顆粒被強(qiáng)烈溶蝕而形成鑄?？?見圖4(c))。

研究區(qū)巖屑粒內(nèi)溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，其溶蝕機(jī)理主要分為兩種，分別對(duì)應(yīng)鋁硅酸鹽礦物和硅質(zhì)礦物的溶蝕過程(見圖4(d)、圖5(d))。由于研究區(qū)巖屑類型以凝灰質(zhì)、流紋質(zhì)等火山巖巖屑為主，巖屑內(nèi)部包含很多長(zhǎng)石和石英顆粒，在相應(yīng)的流體環(huán)境下與外界長(zhǎng)英質(zhì)物質(zhì)同時(shí)受到溶蝕，形成粒內(nèi)次生孔隙[29-30]。

3.4 烴類侵位作用

百口泉組是研究區(qū)重要的油氣產(chǎn)層，緊鄰二疊系烴源巖層且存在深大斷裂溝通深部烴源巖[13,15]，儲(chǔ)層巖石薄片中可以觀察到大量的殘余瀝青(見圖8(a-b))，顯示經(jīng)歷過烴類物質(zhì)的侵入過程。百口泉組儲(chǔ)層早期烴類物質(zhì)充注早于巖屑、長(zhǎng)石溶蝕(見圖8(c-d))，有機(jī)質(zhì)生烴的早期產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，低濃度高活性的酸性流體進(jìn)入儲(chǔ)層后對(duì)百口泉組儲(chǔ)層改造產(chǎn)生重要影響，可以極大地促使碳酸鹽巖膠結(jié)物、長(zhǎng)石及部分鋁硅酸鹽巖屑等易溶礦物發(fā)生溶蝕[31]，現(xiàn)今儲(chǔ)層殘余瀝青附近可見溶蝕作用發(fā)育(見圖8(c-d))。

3.5 構(gòu)造裂縫作用

受印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)的影響，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣褶皺山系受到持續(xù)的推覆作用，百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層處于較強(qiáng)的應(yīng)力環(huán)境[15]。隨埋深逐漸增大，應(yīng)力逐漸積累，當(dāng)應(yīng)力超出顆粒破裂極限時(shí)，部分剛性礦物顆粒發(fā)生破裂，產(chǎn)生構(gòu)造裂縫，百口泉組儲(chǔ)層滲透率明顯提高(見圖4(f))，也有利于后期流體的溝通改造。鏡下觀察到，部分早期形成的裂縫受后期火山巖巖屑蝕變及流體改造作用影響，沉淀形成石英等膠結(jié)物充填裂縫，呈脈狀展布(見圖5(f))。

4 成巖演化序列

烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層埋深多為700～3 800 m，壓實(shí)—壓溶作用較強(qiáng)，顆粒間主要呈線狀接觸，鈣質(zhì)膠結(jié)物以方解石和含鐵方解石為主，發(fā)育Ⅰ和Ⅱ級(jí)石英次生加大邊及自生石英，可見大量的儲(chǔ)層殘余瀝青。根據(jù)研究區(qū)烴源巖埋藏史—熱史研究結(jié)果，百口泉組有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率Ro為0.3%～1.2%，有機(jī)質(zhì)大多已演化到成熟階段[18,22]，蒙皂石層在伊/蒙混層中比例為14.0%～81.0%，碎屑巖儲(chǔ)層目前處于早成巖階段B期—中成巖階段A期。

根據(jù)大量的鑄體薄片觀察，分析不同成巖礦物之間的空間占位關(guān)系及溶蝕情況：(1)早期烴類物質(zhì)侵入晚于石英次生加大邊(見圖8(a))，早于長(zhǎng)石、巖屑、石英溶蝕作用(見圖8(b-d))；(2)早期綠泥石黏土膜發(fā)育早于石英次生加大邊。在石英次生加大邊和主礦物之間可以觀察到明顯的綠泥石黏土膜(見圖8(e))；(3)石英次生加大邊早于泥質(zhì)膠結(jié)。泥質(zhì)膠結(jié)物覆蓋在石英次生加大邊外圍，說明先發(fā)生石英次生加大邊，后發(fā)生泥質(zhì)膠結(jié)(見圖8(f))；(4)黃鐵礦膠結(jié)早于泥質(zhì)膠結(jié)。碎屑顆粒表面先附著黃鐵礦膠結(jié)物，被泥質(zhì)膠結(jié)物包裹，說明黃鐵礦膠結(jié)早于泥質(zhì)膠結(jié)(見圖8(g))；(5)泥質(zhì)膠結(jié)早于方解石膠結(jié)。顆粒邊緣為黏土礦物，外緣為方解石膠結(jié)物，粒間方解石膠結(jié)物幾乎被黏土礦物完全包裹，說明先發(fā)生泥質(zhì)膠結(jié)，后發(fā)生方解石膠結(jié)(見圖8(h-i))；(6)方解石膠結(jié)早于溶蝕作用。方解石幾乎充填所有的粒間孔，沒有在石英、長(zhǎng)石溶孔中沉淀，說明先發(fā)生方解石膠結(jié)，后發(fā)生石英、長(zhǎng)石溶蝕(見圖8(j-l))。

圖8 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層成巖演化序列鏡下照片F(xiàn)ig.8 Evidence of diaganetic sequences of Baikouquan formation clastic reservoir in Wuerhe-Fengnan area

長(zhǎng)石溶蝕一般在酸性或弱酸性環(huán)境下發(fā)生，溶蝕作用多沿解理面發(fā)育(見圖4(b-c))，由于長(zhǎng)石溶蝕提供K+，常伴隨自生高嶺石的生成(見圖5(f))；石英在酸性條件下較為穩(wěn)定，其溶蝕一般發(fā)生在中性至堿性環(huán)境下，主要為局部成巖環(huán)境的變化及其他成巖反應(yīng)(如黏土礦物轉(zhuǎn)化)對(duì)流體中SiO2的消耗引起的，鏡下觀察到石英的邊緣呈港灣狀溶蝕(見圖4(a-b))或整體被大范圍溶蝕為鑄模孔(見圖4(c))。

百口泉組現(xiàn)今地層水介質(zhì)為中性偏堿，且酸性流體侵入發(fā)生于長(zhǎng)石溶蝕之前，因此推斷長(zhǎng)石溶蝕及高嶺石生成發(fā)生較早；后期隨成巖作用增強(qiáng)、酸性流體消耗，逐漸轉(zhuǎn)化為中性至偏堿性環(huán)境，石英在中性至(弱)堿性環(huán)境下發(fā)生溶蝕。

因此，烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層的成巖演化序列為：綠泥石膜膠結(jié)—黃鐵礦膠結(jié)—石英次生加大邊—黏土礦物膠結(jié)—方解石膠結(jié)—長(zhǎng)石溶蝕及高嶺石膠結(jié)—石英溶蝕(見圖9)。

圖9 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層成巖演化序列Fig.9 Diaganetic sequences of Baikouquan formation clastic reservoir in Wuerhe-Fengnan area

5 孔隙演化模式

5.1 成巖演化階段劃分

根據(jù)烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)的構(gòu)造演化特征，地層整體上具有早期快速沉降、晚期基本穩(wěn)定的特點(diǎn)[15]，壓實(shí)作用的影響主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層埋藏的早、中期；結(jié)合成巖演化序列將孔隙演化史劃分為壓實(shí)減孔、壓實(shí)膠結(jié)減孔和溶蝕裂縫增孔3個(gè)階段。

(1)壓實(shí)減孔階段。對(duì)應(yīng)早成巖作用A期，由于盆地早期快速沉降，儲(chǔ)層遭受強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)作用，以及早期綠泥石和黃鐵礦的膠結(jié)作用。該階段的減孔作用主要為機(jī)械壓實(shí)減孔作用，早期的快速埋藏使碎屑巖儲(chǔ)層粒間孔快速降低，儲(chǔ)層孔隙水排出，膠結(jié)作用減弱，顆粒間缺少支撐物，促使壓實(shí)減孔加劇。

(2)壓實(shí)膠結(jié)減孔階段。對(duì)應(yīng)早成巖作用B期，儲(chǔ)層持續(xù)深埋且在古地溫升高條件下持續(xù)致密。該階段的減孔作用主要為機(jī)械壓實(shí)—壓溶減孔及膠結(jié)減孔作用。鏡下觀察到，石英次生加大邊、方解石膠結(jié)物及多種黏土礦物膠結(jié)物等充填孔隙、喉道，碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度繼續(xù)降低。根據(jù)成巖演化序列，百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層膠結(jié)減孔作用主要發(fā)生在溶蝕作用之前，故將長(zhǎng)石溶蝕的大量出現(xiàn)作為階段結(jié)束的標(biāo)志。

(3)溶蝕裂縫增孔階段。對(duì)應(yīng)早成巖作用A期，主要遭受烴類侵位作用、長(zhǎng)石和石英溶蝕、伊/蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化、黏土礦物脫水收縮等成巖作用。巖石處于高應(yīng)力狀態(tài)，部分產(chǎn)生構(gòu)造裂縫，構(gòu)造裂縫和黏土礦物收縮縫大幅提高儲(chǔ)層滲透率。沉積后期地層沉降逐漸穩(wěn)定，由于地溫升高，有機(jī)質(zhì)成熟生烴并伴隨酸性流體侵入儲(chǔ)層，長(zhǎng)石、方解石等易溶礦物發(fā)生溶蝕，改善儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，后期流體環(huán)境逐漸過渡到中性偏(微)堿環(huán)境，發(fā)育石英溶蝕。該階段產(chǎn)生的微裂隙、收縮縫和大量溶蝕孔隙，對(duì)儲(chǔ)層改造及后期油氣聚集成藏有重要意義。

5.2 孔隙演化計(jì)算方法

根據(jù)成巖演化序列及成巖演化階段，采用孔隙演化計(jì)算模型：

Φn=Φ0-ΔΦcp-ΔΦcm+ΔΦd+ΔΦf+ΔΦcl,

(1)

式中：Φn為現(xiàn)今孔隙度；Φ0為儲(chǔ)層砂巖初始沉積時(shí)的原始孔隙度；ΔΦcp為壓實(shí)作用造成的減孔量；ΔΦcm為膠結(jié)作用造成的減孔量；ΔΦd為溶蝕增孔量；ΔΦf為裂縫增孔量；ΔΦcl為黏土礦物收縮縫產(chǎn)生的增孔量。

5.2.1 原始孔隙度

根據(jù)儲(chǔ)層砂巖篩析法得到的粒度分析數(shù)據(jù)，計(jì)算Trask分選因數(shù)(S0)，可以有效估算砂巖原始孔隙度(Φ0)[32-33]，即

S0=(P75/P25)1/2,

(2)

Φ0=20.91+22.90/S0,

(3)

式(2-3)中：P25、P75分別為粒度累積曲線上顆粒累積頻率25%、75%對(duì)應(yīng)的顆粒直徑。

5.2.2 壓實(shí)減孔量

壓實(shí)減孔作用是導(dǎo)致百口泉組儲(chǔ)層孔滲條件降低的最重要因素。壓實(shí)后殘余孔隙包括鏡下觀察到的現(xiàn)今殘余粒間孔、膠結(jié)物占據(jù)的粒間孔及粒間膠結(jié)物溶蝕孔隙，原始孔隙度和壓實(shí)后孔隙度的差值為壓實(shí)減孔量(ΔΦcp)[10]：

Φ1=Ct+(φpm+φca)/φt×Φp,

(4)

ΔΦcp=Φ0-Φ1,

(5)

式(4-5)中：Φ1為壓實(shí)減孔期后的孔隙度；Ct為膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)；φpm為鏡下殘余粒間孔面孔率；φca為膠結(jié)物溶蝕孔面孔率；φt為總面孔率；Φp為實(shí)測(cè)孔隙度。

5.2.3 膠結(jié)減孔量

根據(jù)成巖演化序列，膠結(jié)減孔主要發(fā)生在大規(guī)模溶蝕作用前，膠結(jié)減少的孔隙度由現(xiàn)今膠結(jié)物充填的孔隙部分及膠結(jié)物溶蝕面孔率估算，即

Φ2=φpm/φt×Φp,

(6)

ΔΦcm=Φ1-Φ2=Ct+φca/φt×Φp,

(7)

式(6-7)中:Φ2為膠結(jié)后剩余孔隙度；ΔΦcm為膠結(jié)減孔量。

5.2.4 溶蝕、裂縫、收縮縫增孔量

溶蝕作用及構(gòu)造裂縫、黏土收縮縫等對(duì)改善儲(chǔ)層條件有重要意義。溶蝕增孔量可以通過鑄體薄片鏡下識(shí)別統(tǒng)計(jì)溶蝕孔面孔率得到[34-35]，可以求得裂縫增孔量(ΔΦf)和收縮縫增孔量(ΔΦcl)，溶蝕裂縫增孔總量(ΔΦd)為

ΔΦd=φd/φt×Φp,

(8)

ΔΦf=φf/φt×Φp,

(9)

ΔΦcl=φcl/φt×Φp,

(10)

式(8-10)中：φd為溶蝕孔面孔率；φf為裂縫增孔面孔率；φcl為黏土礦物收縮縫增孔面孔率。

5.3 孔隙演化過程

孔隙演化參數(shù)計(jì)算使用的儲(chǔ)層巖石樣品性質(zhì)較為相近，主要為巖屑砂巖及部分長(zhǎng)石巖屑砂巖，分選較差，成分成熟度低，現(xiàn)今孔隙度介于10.0%～18.0%，與研究區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層的巖性基本一致。根據(jù)孔隙演化恢復(fù)結(jié)果(見表1)，計(jì)算現(xiàn)今孔隙度和巖心實(shí)測(cè)孔隙度相差較小，表明孔隙演化的恢復(fù)效果較好。建立砂巖孔隙演化模式(見圖10)，將烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層的孔隙演化過程分為3個(gè)階段：

(1)早三疊世至晚三疊世早期(255～215 Ma)，百口泉組儲(chǔ)層埋深在0～1 600 m之間，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層壓實(shí)減孔階段，快速沉降導(dǎo)致的壓實(shí)減孔是儲(chǔ)層物性變差的最主要因素，平均壓實(shí)減孔約為18.5%，砂巖壓實(shí)后孔隙度為8.5%～15.9%，平均為11.7%，儲(chǔ)層受到的強(qiáng)烈壓實(shí)作用逐漸致密。

(2)晚三疊世至早侏羅世(215～175 Ma)，百口泉組砂巖埋深在1 600～2 900 m之間，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層壓實(shí)膠結(jié)減孔階段。壓實(shí)作用仍起一定作用，單井膠結(jié)減孔量變化較大，平均膠結(jié)減孔量約為3.7%，相比壓實(shí)減孔量整體影響偏小，百口泉組儲(chǔ)層的古孔隙度為4.0%～11.3%，平均為7.7%，儲(chǔ)層孔隙度進(jìn)一步降低。

(3)早侏羅世晚期至現(xiàn)今(175～0 Ma)，百口泉組砂巖埋深在2 900～3 800 m之間，對(duì)應(yīng)溶蝕裂縫增孔階段，該階段孔隙演化以后期溶蝕裂縫增孔作用為主導(dǎo)，平均增孔量約為7.1%，現(xiàn)今孔隙度為11.8%～18.1%，平均為14.8%。

表1 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層孔隙演化參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖10 烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層孔隙演化模式

6 結(jié)論

(1)烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組碎屑巖儲(chǔ)層孔隙類型主要為殘余粒間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物收縮縫及構(gòu)造微裂縫，經(jīng)歷壓實(shí)—壓溶作用，方解石、黏土礦物、石英、黃鐵礦等膠結(jié)作用，以及后期長(zhǎng)石、石英和巖屑的溶蝕作用；儲(chǔ)層成巖演化序列依次為早期綠泥石膠結(jié)—黃鐵礦膠結(jié)—石英次生加大邊—黏土礦物膠結(jié)—方解石膠結(jié)—長(zhǎng)石溶蝕及高嶺石膠結(jié)—石英溶蝕。

(2)烏爾禾—風(fēng)南地區(qū)百口泉組儲(chǔ)層孔隙演化可以劃分壓實(shí)減孔、壓實(shí)膠結(jié)減孔、溶蝕裂縫增孔3個(gè)階段。百口泉組砂體孔隙演化早中期壓實(shí)作用占主導(dǎo)，平均壓實(shí)減孔量約為18.5%；中期膠結(jié)作用發(fā)育，平均膠結(jié)減孔量約為3.7%；成巖后期地層沉降逐漸穩(wěn)定，溶蝕作用、構(gòu)造裂縫及黏土收縮縫發(fā)育，孔隙演化以溶蝕裂縫增孔作用為主導(dǎo)，平均增孔量約為7.1%。