郭局子地區(qū)沙河街組深層砂礫巖成巖作用

劉 鳳,王延章,曹小麗,蔡宏興,楊 靜

(1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營 257061; 2.中國石化地球物理公司勝利分公司 物探研究所,山東 東營 257093; 3.中國石化勝利油田分公司 現(xiàn)河采油廠,山東 東營 257068; 4.中石油大港油田分公司 采油工藝研究院,天津 300280)

郭局子地區(qū)陡坡帶沙三、沙四段砂礫巖儲層埋藏深度大,相帶和巖性變化快,非均質(zhì)強(qiáng),成巖演化過程復(fù)雜,有利儲層展布規(guī)律不清,急需對該區(qū)的成巖作用進(jìn)行研究,尋找優(yōu)質(zhì)儲層,以期解決該地區(qū)的勘探問題。筆者通過巖心分析測試、鑄體薄片、掃描電鏡等手段,對郭局子地區(qū)砂礫巖成巖作用進(jìn)行研究,闡明砂礫巖體成巖演化的規(guī)律性。

1 工區(qū)情況

郭局子地區(qū)位于濟(jì)陽坳陷北部車鎮(zhèn)凹陷東部,具有典型中國古新生代陸相斷陷湖盆特征。其物源、油源都十分豐富(圖1)。北部陡坡帶廣泛發(fā)育沖積扇、扇三角洲、近岸水下扇、濁積扇等各種類型砂礫巖扇體[1-3],擁有剩余資源量約2億t,是勝利油區(qū)勘探重要方向之一[4]。

陡坡帶各種類型扇體具有物源多、沉積速率快、沉積厚度大、多期疊置的特征。其砂礫巖扇體成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低,有利儲層分布成為制約勘探實(shí)踐的關(guān)鍵因素。深層砂礫巖扇體儲集性能演化受內(nèi)因(物源成分、沉積相)與外因(成巖作用、流體作用、構(gòu)造活動) 雙重因素影響[5]。

目前對車鎮(zhèn)凹陷成巖作用研究較多[4,6-7],但是對東北部郭局子地區(qū)成巖作用研究處于空白,由于其在物源供給、構(gòu)造演化、埋藏歷史、流體性質(zhì)、成巖過程具有自己的獨(dú)特性,需要對該區(qū)成巖作用進(jìn)行剖析,闡明優(yōu)質(zhì)儲層的演化和發(fā)育規(guī)律,為該區(qū)的勘探提供依據(jù)。

郭局子地區(qū)沙河街組砂礫巖發(fā)育顆粒支撐礫巖、雜基支撐礫巖,粒度上劃分為粗礫巖、中礫巖和細(xì)礫巖,礫石以花崗巖礫石為主,部分為石灰?guī)r礫石。部分井段發(fā)育砂巖,以巖屑砂巖、長石質(zhì)巖屑砂巖、巖屑質(zhì)長石砂巖為主。

巖石組分石英含量8%～42.5%,細(xì)砂巖最高;長石含量2%～23.5%,粗砂巖最高;巖屑含量24.5%～80%,角礫巖、粉砂巖最高;砂巖巖屑組分以巖漿巖和變質(zhì)巖為主,其次是沉積巖。

膠結(jié)物以白云石、泥質(zhì)和方解石膠結(jié)物為主;總體上填隙物含量較均勻,細(xì)礫巖、含礫砂巖、細(xì)砂巖填隙物含量高。結(jié)構(gòu)分選差,磨圓度以次棱狀、顆粒支撐、線-點(diǎn)線接觸、孔隙式膠結(jié)為主。

砂礫巖儲層孔隙度介于5%～20%,平均為11.2%;滲透率介于(0.1～10)×10-3μm2,平均為8.0×10-3μm2,屬于特低滲儲層。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 成巖作用類型

成巖作用一般可分為建設(shè)性成巖作用(溶蝕作用、破裂作用) 和破壞性成巖作用(壓實(shí)作用、膠結(jié)作用等),還包括重結(jié)晶作用、交代作用和黏土礦物的演化等。也可以劃分為物理成巖作用和化學(xué)成巖作用,化學(xué)成巖作用實(shí)質(zhì)是礦物化學(xué)組分在新的地質(zhì)條件下的物質(zhì)平衡與轉(zhuǎn)化,包括長石的溶解與轉(zhuǎn)化、方解石的溶解與沉淀、黏土礦物的形成與轉(zhuǎn)化、石英增生與溶解[6-7]。通過鏡下巖石微觀特征觀察及化驗(yàn)分析資料,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)成巖作用主要有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶解作用和交代作用。

2.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是沉積物最重要的成巖作用之一,沉積物沉積后,由于上覆沉積物不斷加厚,在重荷壓力下所發(fā)生的作用。由于研究區(qū)發(fā)育的砂礫巖具有多巖屑及高雜基的特點(diǎn),砂礫巖體抗壓實(shí)能力較弱,經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用,壓實(shí)作用主要有以下3種:碎屑顆粒間多為線-凹凸接觸,偶見縫合接觸;長石等剛性碎屑顆粒發(fā)生壓實(shí)破碎,發(fā)育壓裂縫;泥巖巖屑、云母等塑性顆粒發(fā)生壓實(shí)變形(圖2)。

圖2 郭局子地區(qū)沙河街組壓實(shí)作用類型

剛性顆粒和塑性顆粒組分含量對壓實(shí)作用影響較大,塑性組分含量在50%～80%,塑性組分高,導(dǎo)致壓實(shí)作用較強(qiáng),塑性組分與孔隙度的關(guān)系成反比。從剛性組分含量看,隨著深度的加大,剛性組分含量降低,約為10%～50%。

2.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用對儲層物性有重要影響,指從孔隙溶液中沉淀出的礦物質(zhì),將松散的沉積物固結(jié)起來的作用。研究區(qū)膠結(jié)類型可見碳酸鹽膠結(jié)作用和石英次生加大作用、黏土礦物膠結(jié)和黃鐵礦膠結(jié)。但以碳酸鹽膠結(jié)作用為主,碳酸鹽膠結(jié)物的成分包括方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石等,其中白云石、方解石膠結(jié)物最為多見。郭局子地區(qū)方解石膠結(jié)物平均含量為 3.93%,以充填于粒間孔隙形式或基底形式進(jìn)行膠結(jié);白云石膠結(jié)物7.46%,呈團(tuán)狀分布于孔隙和基質(zhì)中,二者膠結(jié)物含量11.39%[7]。碳酸鹽巖膠結(jié)要求pH值大于8～9,屬于堿性成巖環(huán)境,碳酸鹽巖礦物的沉淀作為堿性成巖作用的標(biāo)志。碳酸鹽巖膠結(jié)物呈它形粒狀充填孔隙,膠結(jié)作用強(qiáng)度差別大,有的孔隙局部充填,有的已完全充填,有的充填在裂縫中。其產(chǎn)狀不同又可劃分為基底式膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)、充填顆粒溶孔等。

碳酸鹽巖膠結(jié)分為早晚兩期,在早成巖期,在堿性成巖環(huán)境下大量Ca2+和HCO3-的孔隙水發(fā)生碳酸鹽巖沉淀,形成早期碳酸鹽巖膠結(jié)物,早期碳酸鹽沉淀作用不強(qiáng),但地層水不斷補(bǔ)充Ca2+和HCO3-,使方解石晶體呈鑲嵌狀越來越大。鐵方解石和鐵白云石是主要的晚期碳酸鹽巖膠結(jié)物。

本區(qū)方解石膠結(jié)物含量為0%～10%,在2 800 m以下出現(xiàn)較大值,在3 100 m以下出現(xiàn)最大值,說明在該時期方解石膠結(jié)作用最強(qiáng);白云石膠結(jié)物含量為0%～15%,在2 700 m以下出現(xiàn)最大值,說明在2 700 m以下白云石的膠結(jié)作用較強(qiáng)。

石英主要發(fā)生次生加大或者產(chǎn)生自生石英充填,自生石英呈自型或半自型充填在孔隙中。石英次生加大可見兩期,次生石英含量小于1%,含量低。隨著儲層埋深的加大,硅質(zhì)膠結(jié)作用增強(qiáng)。起膠結(jié)作用的自生石英呈晶粒充填于顆粒間隙。石英的次生加大和自生石英晶粒的產(chǎn)生屬于酸性成巖環(huán)境的標(biāo)志,在酸性成巖環(huán)境中,長石溶蝕蝕變和黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的SiO2為自生石英提供了物質(zhì)來源,導(dǎo)致了石英的次生加大和自生石英晶粒的產(chǎn)生,由于次生石英含量低,其他溶蝕作用發(fā)育,所以往往具有較高的孔隙度。從石英次生加大來看,在2 100 m以下石英次生加大作用較發(fā)育,含量在0.5%左右。

黃鐵礦含量0%～6%,平均為0.79%,主要出現(xiàn)在2 700 m以下,也是膠結(jié)類型之一(圖3)。

黏土礦物多充填于粒間孔隙或呈黏土膜狀包圍在顆粒表面,堵塞孔隙和吼道,使孔隙度降低物性變差。黏土礦物含量高,介于0.5%～10%,主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、伊蒙混層礦物、綠泥石等。高嶺石常呈蠕蟲狀、假六方板狀集合體分布在孔隙中,高嶺石在2 350～3 100 m廣泛分布,淺層主要呈書頁狀或片狀而在深層呈假六邊形;隨著埋深的增加(2 000 m以下)黏土礦物中伊利石含量增加,伊利石出現(xiàn)在2 350～3 100 m。伊蒙混層礦物含量少,伊蒙混層礦物高值區(qū)在2 650～3 100 m。

2.3溶解作用

溶解作用可產(chǎn)生次生孔隙,改善儲集層的儲集性能。研究區(qū)可見石英、長石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物的溶解,其中以長石和碳酸鹽巖礦物溶解較常見[8](圖4)。

溶解作用劃分為酸性溶蝕和堿性溶蝕,以酸性溶蝕為主。酸性溶蝕是由于有機(jī)質(zhì)隨著埋藏深度的增大成熟產(chǎn)生的有機(jī)酸和二氧化碳形成的酸性水,與巖石組分發(fā)生反應(yīng),使大量的長石和碳酸鹽巖膠結(jié)物組成碎屑顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成次生孔隙[7]。堿性溶蝕作用主要表現(xiàn)為石英及其次生加大邊被溶蝕,在本地區(qū)發(fā)育差。

圖4 郭局子地區(qū)沙河街組溶解作用類型

儲層的碳酸鹽巖礦物含量越高,說明溶蝕作用越弱,儲層的物性越差。碳酸鹽巖溶蝕主要是方解石溶蝕,其決定因素是酸性成巖環(huán)境。中淺層從泥巖中排出的有機(jī)酸使方解石膠結(jié)物和長石溶解。中深層熱解作用和干酪根成熟產(chǎn)生的CO2導(dǎo)致第二期碳酸鹽礦物溶解。碳酸鹽巖溶解作用常常不徹底,表現(xiàn)為選擇性溶解,存在溶解殘余,也常成港灣狀。

長石的溶蝕產(chǎn)物主要是SiO2和高嶺石,所以在長石溶蝕的層位往往高嶺石的含量較高,長石溶蝕常常形成港灣狀、鋸齒狀溶蝕邊或鑄?？?溶蝕孔往往被方解石、白云石或鐵方解石充填。長石溶蝕2 800～3 000 m為強(qiáng)溶蝕帶,在該時期高嶺石含量最高,與有機(jī)質(zhì)向烴類大規(guī)模轉(zhuǎn)化的深度一致,長石溶解與有機(jī)質(zhì)熱成熟關(guān)系密切[8]。

成巖作用的根本原因是長石溶解作用使流體中K+、Na+、Ca2+等離子濃度增加,Ca2+濃度增加有利于方解石沉淀。當(dāng)埋深增大溫度達(dá)165～210℃時,偏堿性的環(huán)境會使高嶺石和蒙脫石向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化,富Mg2+環(huán)境形成綠泥石而富K+環(huán)境形成伊利石。

總之,酸性成巖作用以溶解作用和石英次生加大為特征,主要包括各種碳酸鹽礦物溶解、各類長石蝕變?yōu)楦邘X石或者石英次生加大等為標(biāo)志,堿性成巖作用以石英及其次生加大邊溶解、碳酸鹽礦物沉淀和長石次生加大為標(biāo)志。成巖環(huán)境由淺至深經(jīng)歷了堿性-酸性-酸性堿性交替-堿性-弱堿性的演化過程[9]。

2.4 交代作用

交代作用也是普遍發(fā)育的一種成巖作用,常見的是石英與方解石的交代作用,方解石的溶解度隨著pH值升高而降低,而石英溶解度隨著pH值升高而增大,在堿性成巖作用下有利于方解石交代石英,在酸性成巖作用下有利于石英交代方解石。方解石也可以沿著長石邊緣、節(jié)理縫交代,形成粒間晶間充填,或者徹底交代形成鑄模。

3 儲集空間類型

通過對研究區(qū)巖石薄片的觀察及分析,認(rèn)為郭局子地區(qū)沙河街組砂礫巖儲層儲集空間類型主要有原生孔隙、次生孔隙及裂縫。

3.1 原生孔隙

研究區(qū)古近系淺層可見大量的原生粒間孔隙和混合孔隙,砂礫巖遭受強(qiáng)烈的物理-化學(xué)作用,保留的原生孔隙極少。良好的扇中沉積相帶、欠壓實(shí)作用以及烴類的早期充注、綠泥石膜等均有利于原生孔隙的保存。

3.2 溶蝕孔隙

溶蝕次生孔隙是車鎮(zhèn)凹陷郭局子地區(qū)深層砂礫巖具有儲集能力的重要孔隙類型,研究區(qū)的溶蝕次生孔隙主要包括溶蝕粒間孔隙、溶蝕粒內(nèi)孔隙兩類,以長石的溶解最為常見。溶蝕粒間孔隙是方解石或雜基黏土等膠結(jié)物被溶解而形成的次生孔隙;溶蝕粒內(nèi)孔隙是碎屑顆粒(長石、巖屑、石英)粒內(nèi)被溶解形成的蜂窩、港灣狀孔隙。

次生孔隙成因是有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的羧酸和CO2形成的酸性水或者與大氣水滲流、深部地層水上升、黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中釋放出的H+有關(guān)[10]。

3.3 裂 縫

從巖心觀察看,裂縫在陡坡帶砂礫巖儲層中發(fā)育少,主要為構(gòu)造裂縫、超壓裂縫和成巖縫。裂縫對儲集空間的貢獻(xiàn)小,但是能夠連通孔隙,極大地提高滲流能力。

構(gòu)造裂縫是由于構(gòu)造應(yīng)力變化引起巖石破裂而形成的裂縫。其根據(jù)力學(xué)性質(zhì)的不同,可分為張性縫及剪性縫等。張裂縫一般繞過顆粒延伸,不切穿顆粒;剪裂縫沿一定延伸方向常切穿顆粒構(gòu)造活動有利于裂縫的發(fā)育。超壓裂縫是由于異常高壓導(dǎo)致巖石破裂而產(chǎn)生,大多呈樹根狀或撕裂狀,一般在3 000 m以下產(chǎn)生;成巖縫主要是脫水作用形成的收縮縫。

從孔隙類型分布來看,主要以原生孔隙為主,次生孔隙為輔(表1)。

表1 各組分孔隙類型含量

原生孔隙在各種砂礫巖中含量不同,在巖屑長石砂巖中最為發(fā)育,其次為長石巖屑砂巖,巖屑砂巖中最少。次生孔隙在巖屑長石砂巖中最為發(fā)育,其次為砂質(zhì)礫巖、長石巖屑砂巖。總面孔率在巖屑長石砂巖中最為發(fā)育,其次為長石巖屑砂巖,巖屑砂巖中最少(表1)。原生孔隙、次生孔隙及裂縫構(gòu)成了立體連通網(wǎng)絡(luò),能夠提升深層砂礫巖的滲流性能,使之成為有利儲層。

研究認(rèn)為長石、巖屑、碳酸鹽等酸性組分的溶蝕以及構(gòu)造運(yùn)動是深層次生孔隙形成的主導(dǎo)因素。垂向上次生孔隙發(fā)育帶對應(yīng)深度為2 700～2 900 m。其主要形成機(jī)理有:有機(jī)質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的酸性流體的溶蝕作用,異常高壓加速有機(jī)質(zhì)熱演化和對已形成孔隙的保護(hù)作用,構(gòu)造作用、脫水收縮作用等[11]。

4 成巖階段

根據(jù)車鎮(zhèn)凹陷郭局子洼陷沙河街組的成巖階段的劃分,可以劃分為早成巖B、晚成巖A1、晚成巖A2三個階段(圖5)。

圖5 郭局子地區(qū)成巖階段劃分

不同的成巖階段的儲層物性不同,有效儲層所占的百分比也不同,早成巖B有效儲層的比例達(dá)92%,晚成巖A1有效儲層的比例占60%左右,晚成巖A2有效儲層的比例僅占5%左右[12-13]。

5 結(jié) 論

(1)巖性特征以巖屑砂巖、長石質(zhì)巖屑砂巖、巖屑質(zhì)長石砂巖為主。砂巖巖屑組分以巖漿巖和變質(zhì)巖為主,膠結(jié)物以白云石、泥質(zhì)和方解石膠結(jié)物為主。細(xì)砂巖石英含量較高,粗砂巖長石含量最高,角礫巖、粉砂巖巖屑含量最高,填隙物含量較均勻。礫巖黏土礦物以伊利石和伊蒙間層為主,砂巖、粉砂巖高嶺石含量較高。分選差,磨圓度以次棱狀、顆粒支撐、線-點(diǎn)線接觸、孔隙式膠結(jié)為主。

(2)成巖作用類型主要有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶解作用、交代作用。砂礫巖儲層砂礫巖具有多巖屑及高雜基的特點(diǎn),塑性組分含量在50%～80%,砂礫巖體抗壓實(shí)能力較弱,經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用。碳酸鹽膠結(jié)是最主要的膠結(jié)作用,碳酸鹽膠結(jié)物的成分以白云石、方解石膠結(jié)物最為多見。碳酸鹽巖膠結(jié)要求pH值大于8～9,其礦物的沉淀作為堿性成巖作用的標(biāo)志;方解石膠結(jié)在2 800～3 100 m膠結(jié)作用最強(qiáng);白云石膠結(jié)在2 700 m以下膠結(jié)作用最強(qiáng)。石英的次生加大和自生石英晶粒的產(chǎn)生屬于酸性成巖環(huán)境的標(biāo)志,在2 100 m以下石英次生加大作用較發(fā)育,含量在0.5%左右。黃鐵礦含量0～6%,主要出現(xiàn)在2 700 m以下,也是膠結(jié)類型之一。

(3)溶解作用劃分為酸性溶蝕和堿性溶蝕,以酸性溶蝕為主,長石和碳酸鹽巖膠結(jié)物組成碎屑顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成次生孔隙?？梢娛ⅰ㈤L石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物的溶解,其中以長石、碳酸鹽巖溶解較常見。長石的溶蝕產(chǎn)物主要是SiO2和高嶺石,2 800～3 000 m為長石強(qiáng)溶蝕帶,在該時期高嶺石含量最高。泥巖中排出的有機(jī)酸、熱解作用和干酪根成熟產(chǎn)生的CO2是碳酸鹽礦物溶解的酸的主要來源。碳酸鹽巖溶解存在溶解殘余,常成港灣狀。酸性成巖作用以溶解作用和石英次生加大為特征,主要包括各種碳酸鹽礦物溶解、各類長石蝕變?yōu)楦邘X石或者石英次生加大等為標(biāo)志,堿性成巖作用以石英及其次生加大邊溶解、碳酸鹽礦物沉淀和長石次生加大為標(biāo)志。

(4)交代作用常見的是石英與方解石的交代,方解石的溶解度隨著pH值升高而降低,而石英溶解度隨著pH值升高而增大,在堿性成巖作用下有利于方解石交代石英,在酸性成巖作用下有利于石英交代方解石。

(5)黏土礦物含量介于0.5%～10%,主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、伊蒙混層礦物、綠泥石等。高嶺石在2 350～3 100 m廣泛分布,伊利石出現(xiàn)在2 350～3 100 m,伊蒙混層礦物高值區(qū)在2 650～3 100 m。

(6)儲層物性孔隙度主頻5%～20%,滲透率主頻(0.1～10)×10-3μm2,屬于特低滲儲層。郭局子地區(qū)沙河街組砂礫巖儲層儲集空間類型主要有原生孔隙、次生孔隙及裂縫,主要以原生孔隙為主,次生孔隙為輔,次生孔隙發(fā)育帶對應(yīng)深度為2 700～2 900 m。

(7)劃分為早成巖B、晚成巖A1、晚成巖A2三個階段,早成巖B有效儲層的比例達(dá)92%,晚成巖A1有效儲層的比例占60%左右,晚成巖A2有效儲層的比例僅占5%左右。