斷陷湖盆致密砂礫巖儲層成巖作用及其對孔隙演化的影響

郝 杰，周立發(fā),2，袁義東,3，楊 燕，劉艷妮，程兆兆，劉 挺

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069； 2.陜西省能源化工研究院，西安 710050；3.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000； 4.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018；5.長城鉆探工程有限公司 壓裂公司， 遼寧 盤錦 124107)

松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)深層天然氣資源非常豐富[1]，繼下白堊統(tǒng)營城組和登婁庫組常規(guī)天然氣勘探取得巨大成功之后，為尋找新的天然氣儲量增長點，開始探索深層非常規(guī)天然氣的勘探潛力[2-3]。近年來針對下白堊統(tǒng)沙河子組致密砂礫巖儲層部署的水平井和直井均有工業(yè)氣流發(fā)現(xiàn)[4-5]，展現(xiàn)出良好的致密砂礫巖氣勘探前景。

經(jīng)過近幾年的攻關(guān)，該區(qū)構(gòu)造演化[6]、沉積相類型[7]、烴源巖分布[8]的研究已經(jīng)取得進展，但是砂礫巖儲層成巖作用及其對孔隙演化影響的研究還十分薄弱。儲層成巖作用與孔隙演化是致密砂(礫)巖氣勘探研究的熱點[9]，總結(jié)和梳理國內(nèi)外相關(guān)研究報道得到致密砂(礫)巖儲層的如下特征：(1)巖石成分復(fù)雜，成熟度低，成巖強度高，成巖作用普遍達到中—晚成巖階段[10]；(2)孔隙類型多樣，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，次生孔隙對儲集空間的貢獻大[11-12]；(3)孔隙演化與成巖作用的類型、時期和強度相關(guān)，壓實作用破壞原生孔隙，是儲層致密最重要的原因之一[13]；膠結(jié)作用與儲層孔隙的關(guān)系具有雙重性，一般認為早期適量的硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)或綠泥石包殼有利于原生孔隙的保存，而晚期膠結(jié)或膠結(jié)物大量發(fā)育則不利于儲層孔隙的保留[14]；溶蝕作用通過侵蝕巖石中的巖屑、長石、火山灰，甚至石英礦物來增加孔隙空間[15]；交代和重結(jié)晶作用也影響儲層孔隙，但程度不如壓實作用、溶蝕作用和膠結(jié)作用顯著[16]。

與前陸盆地或克拉通盆地背景下的海相、海陸過渡相致密砂巖儲層不同，沙河子組沉積于斷陷湖盆，儲集層主要為粒度粗、分選差、成分復(fù)雜、成巖程度高且致密程度高的砂礫巖。低成熟砂礫巖儲層的成巖作用與孔隙演化相對復(fù)雜，一方面較高的塑性組分和填隙物含量不利于原生孔隙的保存，另一方面相對富集的長石、巖屑組分容易形成次生溶孔，同時，成巖過程中還伴隨著多種礦物的沉淀、交代和重結(jié)晶。從勘探實踐看，該區(qū)相對高孔隙度(大于4.0%)砂礫巖儲層的含氣性較好，產(chǎn)能較高，目前發(fā)現(xiàn)的工產(chǎn)氣層都屬于此類范疇[5]。開展砂礫巖儲層成巖作用與孔隙演化研究不僅具有理論意義，對該區(qū)有利儲層預(yù)測和提高探井部署的成功率也具有現(xiàn)實意義。

為明確沙河子組砂礫巖儲層成巖作用對孔隙演化的影響，通過普通薄片鑒定、鑄體薄片鑒定、掃描電鏡和X-衍射測試手段，對致密砂巖儲層的巖石學(xué)與成巖作用特征進行了系統(tǒng)分析，定量計算了成巖作用減少或增加的孔隙量。在此基礎(chǔ)上，分析了沙河子組致密砂礫巖儲層成巖-孔隙演化特征，得到“早期壓實、中期溶蝕、晚期膠結(jié)”的成巖-孔隙演化關(guān)系模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

徐家圍子斷陷位于松遼盆地北部古中央隆起區(qū)東側(cè)，斷陷形成時受到西太平洋板塊俯沖和地幔上涌作用的擠壓，但變形程度不高，規(guī)模也不大，僅興城地區(qū)可見鏟式逆斷層和坡平式逆沖斷層[17-18]。徐家圍子斷陷油氣勘探的主要層系為下白堊統(tǒng)的火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組。其中，沙河子組是致密砂礫巖氣的勘探目標層，該套地層沉積于斷陷的強烈拉張期，暗色泥巖全盆發(fā)育，辮狀河三角洲和扇三角洲砂礫巖體在斜坡區(qū)相對發(fā)育，煤層厚度局部可達到120 m以上，暗色泥巖、煤層和砂礫巖密切接觸，形成了有利的富氣條件。目前該區(qū)多口直井和水平井相繼獲得工業(yè)氣流，展示出較好的勘探潛力。

2 巖石學(xué)特征

沙河子組砂礫巖儲層的沉積分選程度低，儲層成分復(fù)雜、成熟度低[2]。根據(jù)巖石薄片鑒定，砂礫巖儲層中火山巖巖屑含量最高，平均為42.29%；長石類礦物(鉀長石和斜長石)的含量也較高，平均為25.64%；石英相對欠發(fā)育，含量平均為15.26%，沉積巖和變質(zhì)巖巖屑偶爾可見，合計占2.34%(圖1a)。沙河子組砂礫巖儲層的填隙物成分復(fù)雜，其中泥質(zhì)雜基和碳酸鹽的體積分數(shù)分別為9.07%和4.56%，兩者合計占填隙物總量的94.06%(圖1b)。

根據(jù)大量的巖心測試(表1)，沙河子組砂礫巖的孔隙空間很少，孔隙度數(shù)值分布在0.8%～11.7%之間，平均值僅為5.1%，主頻為2.0%～8.0%；砂礫巖的滲透性很差，68.1%樣品的滲透率小于0.1×10-3μm2，滲透率超過1×10-3μm2的樣品比例不超過4.3%。沙河子組低孔、超低滲砂礫巖儲層的形成，與沉積時期砂礫巖中較高的泥質(zhì)填隙物和塑性組分含量不無關(guān)系，同時也是成巖作用對砂礫巖進行強烈改造的結(jié)果[4-5]。因此，研究砂礫巖儲層孔隙的演化，則有必要對成巖作用類型和特征進行分析。

3 成巖作用類型與特征

沙河子組砂礫巖儲層發(fā)育壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用、交代作用和重結(jié)晶作用等多種成巖作用，綜合分析認為壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用對砂礫巖孔隙度的影響更大。

表1 松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組砂礫巖儲層孔隙度和滲透率分布Table 1 Porosity and permeability distribution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

3.1 壓實作用

壓實作用是沉積物在重荷壓力作用下所發(fā)生的作用，貫穿于成巖作用的始終[15]。沙河子組砂礫巖儲層的埋深普遍超過3 000 m，壓實作用非常強烈，鏡下可見云母壓彎變形(圖2a)和塑性巖屑壓彎(圖2b)。在壓實作用下，砂礫巖中原生孔隙大量減少，礫巖顆粒主要表現(xiàn)為線—凹凸接觸(圖2c)，少數(shù)為點—線接觸。顯然，壓實作用與砂礫巖孔隙度的演化密切相關(guān)。

3.2 膠結(jié)作用

根據(jù)掃描電鏡和鑄體薄片觀察，沙河子組砂礫巖主要發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)，硅質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)也有一定程度的發(fā)育。(1)碳酸鹽膠結(jié)物的主要成分為鐵方解石(圖2d)和鐵白云石(圖2e)，體積分數(shù)在0.5%～12.3%之間，平均為4.3%。(2)硅質(zhì)膠結(jié)主要以石英次生加大和自生硅質(zhì)沉淀形式發(fā)育，發(fā)育頻率較碳酸鹽膠結(jié)低，在部分樣品中可觀察到石英次生加大(圖2f)和自生硅質(zhì)沉淀(圖2g)，硅質(zhì)膠結(jié)物的體積分數(shù)在0.3%～2.4%之間，平均為0.6%。(3)黏土礦物膠結(jié)物的主要成分為綠泥石和伊利石，綠泥石以薄膜方式包裹巖石顆粒(圖2h)，綠泥石膜上有硅質(zhì)膠結(jié)物生長，表明綠泥石膜的形成時間早于硅質(zhì)膠結(jié)；伊利石呈發(fā)絲狀(圖2i)產(chǎn)于顆粒表面，將大孔隙分割為多個小孔隙。盡管少量的硅質(zhì)和綠泥石包殼膠結(jié)在成巖過程中有利于儲層孔隙的保存，但高含量的碳酸鹽膠結(jié)物對殘余原生粒間孔和溶蝕孔隙起充填和破壞作用更顯著。顯然，膠結(jié)作用與砂礫巖孔隙度的演化密切相關(guān)。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是巖石中孔隙流體對巖石內(nèi)易溶礦物或組分的溶解作用[15]。溶蝕作用增大了砂礫巖儲層的孔隙空間，研究區(qū)被溶蝕的成分主要是長石(圖2j)、火山巖屑(圖2k)和少量碳酸鹽膠結(jié)物(圖2l)。溶蝕孔隙形態(tài)十分不規(guī)則，不同成分被溶蝕的程度也存在差別，長石礦物和火山巖屑被溶蝕程度較高，增孔作用比較明顯；碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕程度較低，增孔作用十分有限。溶蝕孔隙是該區(qū)砂礫巖儲層的主要儲集空間，因此，溶蝕作用也與砂礫巖孔隙度的演化密切相關(guān)。

3.4 破裂作用

破裂作用指地層壓力對剛性巖石顆粒的破碎作用。破裂作用在沙河子組砂礫巖儲層中表現(xiàn)為礫石顆粒破裂形成的微裂縫(圖2m)。破裂作用對砂礫巖孔隙度的貢獻不大，但有利于改善儲層的滲透性。

3.5 其他成巖作用

除了上述成巖作用以外，沙河子組還發(fā)育交代作用和重結(jié)晶作用。交代作用不是很常見，偶爾可見長石被方解石交代(圖2n)和火山巖屑被方解石交代。重結(jié)晶作用也比較少見，主要表現(xiàn)為泥質(zhì)重結(jié)晶(圖2o)。由于發(fā)育頻率較低，交代作用和重結(jié)晶作用對砂礫巖孔隙度的影響不大。

4 成巖作用與孔隙演化關(guān)系

由砂礫巖儲層巖石學(xué)特征和成巖作用分析可知，壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用與孔隙度的關(guān)系最密切，以下重點分析這3種成巖作用增加或減少孔隙的量。

4.1 原始孔隙度的恢復(fù)

利用SCHERER[12]建立的原始孔隙度與分選系數(shù)的定量關(guān)系(公式1)，恢復(fù)研究區(qū)砂礫巖原始孔隙度：

Φ原=20.91+22.9/S0

(1)

式中，Φ原為儲層原始孔隙度；S0為分選系數(shù)，數(shù)值上等于粒度累計曲線上25%處的粒徑和75%處的粒徑之比的平方根。根據(jù)大量的薄片統(tǒng)計確定分選系數(shù)S0為2.3，得到砂礫巖儲層原始孔隙度為30.9%。

4.2 壓實作用的減孔量

徐家圍子斷陷錯綜復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)發(fā)揮了較好的泄壓作用[6,18]，導(dǎo)致其沙河子組地層難以形成大規(guī)模的超壓系統(tǒng)，沙河子組3口探井的實測地層壓力為34～47 MPa(埋深3 466～4 377 m)，計算地層壓力系數(shù)為0.98～1.07，揭示地層為正常壓力系統(tǒng)，即超壓不是控制儲層演化的重要因素。沙河子組砂礫巖儲層中較高的塑性組分含量降低了其抗壓實能力，在強烈的機械壓實作用下，巖石顆粒以線—凹凸接觸為主，原生孔隙大量減少。壓實作用減少孔隙度的量通過如下公式計算：

(1)原油/CO2的MMP與構(gòu)成原油組分的碳數(shù)和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原油中低碳數(shù)烴類越多，MMP越小，高碳數(shù)的不飽和芳香烴含量越高，MMP越大，混合烴組分的MMP小于單一烴組分的MMP。

Φ壓=Φ原-Φ粒

(2)

式中：Φ壓為壓實作用孔隙減小的量，%；Φ粒為壓實作用后剩余粒間孔隙度，%；壓實后剩余粒間孔隙度=膠結(jié)物總量+膠結(jié)后的粒間孔隙度；膠結(jié)后的粒間孔隙度=巖石現(xiàn)今孔隙度—溶蝕孔隙度；溶蝕孔隙度=面孔率×溶孔百分含量。根據(jù)巖石薄片分析數(shù)據(jù)，研究區(qū)壓實作用使砂礫巖孔隙度平均降低24.7%。

需要說明的是，沙河子組較高的古地溫環(huán)境，導(dǎo)致機械壓實作用增強，造成儲層孔隙度衰減速度大大提高。機械壓實作用所導(dǎo)致的砂礫巖孔隙損失在地層埋深1 800 m(成巖早期)左右基本結(jié)束[19-20]。在此之后，隨著成巖環(huán)境由酸性到堿性的演化，造成砂礫巖孔隙變化的主要成巖作用是長石、巖屑溶蝕和碳酸鹽膠結(jié)(詳見后文分析)。簡而言之，砂礫巖現(xiàn)今孔隙度依次是壓實作用大量減孔、溶蝕作用明顯增孔、膠結(jié)作用大量減孔的綜合結(jié)果，這也是上述各式計算壓實作用減孔量的基礎(chǔ)。

4.3 溶蝕作用的增孔量

溶蝕作用是一種建設(shè)性成巖作用[16]，溶蝕孔隙是致密砂(礫)巖重要的儲集空間類型。依據(jù)“溶蝕孔隙度=面孔率×溶孔百分含量”，通過大量的薄片統(tǒng)計，得到研究區(qū)溶蝕作用使砂礫巖孔隙度增加2.1%～9.8%，平均增加4.2%。

4.4 膠結(jié)作用的減孔量

結(jié)合鏡下觀察和X-衍射分析，沙河子組砂礫巖儲層中膠結(jié)物的體積分數(shù)為0.48%～11.22%，平均為5.3%，即膠結(jié)作用使砂礫巖孔隙度降低5.3%。從膠結(jié)物成分上看，碳酸鹽占膠結(jié)物總體積的86.1%，也就說，碳酸鹽膠結(jié)對砂礫巖孔隙度破壞最大，這也與砂礫巖孔隙度與砂礫巖中碳酸鹽膠結(jié)物含量呈明顯負相關(guān)特征相符(圖3)。

圖3 松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組砂礫巖儲層中碳酸鹽體積分數(shù)與孔隙度的關(guān)系Fig.3 Relationship between carbonate content and porosity of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation, Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

5 成巖作用與孔隙演化的定量關(guān)系

參考業(yè)內(nèi)常用的評價標準，以孔隙度10%作為致密砂礫巖儲層的上限[21]。根據(jù)黏土礦物含量隨深度的變化以及碳酸鹽膠結(jié)物類型[20]，結(jié)合徐家圍子斷陷鏡煤反射率、古地溫梯度[8]等資料對沙河子組埋藏史-熱史進行分析(圖4)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)不同成巖作用的先后順序和成巖作用增加或減少孔隙度的量，建立了“早期壓實、中期溶蝕、晚期膠結(jié)”的成巖-孔隙演化模式。

5.1 早期壓實作用大量減少原始孔隙

早成巖階段(134～122 Ma)典型的成巖作用特征表現(xiàn)為地層迅速埋深，機械壓實作用下導(dǎo)致儲層原始孔隙大量減少。對沉積埋藏史的研究可知(圖4)，沙河子組地層在沉積初期的12 Ma內(nèi)快速埋深至1 500 m以下，地層的快速埋深造成上覆地層壓力急劇增大，強烈的壓實作用促使地層水不斷排出，砂礫巖的原生孔隙快速減少。雖然該期間高嶺石、綠泥石和伊利石等黏土礦物也有發(fā)育，石英加大和微晶石英也開始形成[20]，但是由于沉積速度快、沉積時期短，這些填隙物的發(fā)育程度低，對砂礫巖孔隙空間影響較小。

5.2 中期溶蝕作用延緩儲層致密化進程

中成巖階段(122～82 Ma)的典型成巖特征是壓實作用相對緩解，有機酸的溶蝕作用產(chǎn)生次生孔隙，避免了砂礫巖儲層在壓實作用下快速致密。

“壓實作用的相對緩解”主要表現(xiàn)在中成巖A期(122～100 Ma)，受西太平洋板塊的俯沖作用，沙河子組在經(jīng)歷短暫抬升之后沉降速率明顯比沉積初期變緩，地層壓力的增速隨之變慢，進而壓實作用對孔隙的破壞作用得以緩解。然而，由于構(gòu)造抬升幅度較小，沙河子組地層并未出露地表，鉆井和地震剖面上也未識別出明顯的風(fēng)化殼，推斷砂礫巖體未經(jīng)歷大規(guī)模的風(fēng)化淋濾改造。

圖4 松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組砂礫巖儲層成巖作用與孔隙定量演化關(guān)系模式Fig.4 Relationship between diagenesis and pore evolution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

“中期有機酸的溶蝕作用”主要對應(yīng)中成巖A期—中成巖B期的早期(123～98 Ma)。推斷方法是，假定有機酸開始形成和開始脫酸的溫度區(qū)間為60～120 ℃[22]，投影到圖4中得到沙河子組有機酸形成時間為123～98 Ma，對應(yīng)中成巖A期—晚成巖B期的早期。這一認識與前人[20]通過薄片觀察、包裹體測試、孔隙演化等分析得到的徐家圍子地區(qū)溶蝕作用主要發(fā)生在1 400～3 000 m(120～93 Ma)吻合。有機酸使地層流體呈酸性，一方面抑制碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀使得殘余孔隙空間得以保存[19]，另一方面大量溶蝕砂礫巖中不穩(wěn)定的長石礦物和火山巖屑增加孔隙空間。但是，隨著烴源巖生烴強度的下降和有機酸脫酸反應(yīng)的進行，地層中有機酸濃度逐漸下降，到中成巖B期(100～82 Ma)末期時，地層水有機酸濃度已經(jīng)很低[22](地層溫度接近200 ℃)，有機酸的溶蝕作用已經(jīng)非常微弱。

在中成巖階段壓實作用相對緩解的背景下，倘若此期間未發(fā)生溶蝕作用，則砂礫巖儲層將在壓實作用和膠結(jié)作用下繼續(xù)致密，恰是由于中成巖階段酸性環(huán)境對碳酸鹽膠結(jié)作用的抑制和對不穩(wěn)定組分的溶蝕，使得砂礫巖孔隙的減少速率變緩。因此，可以說中成巖階段的溶蝕作用延緩了儲層的致密化進程。

5.3 晚期膠結(jié)作用是儲層致密的關(guān)鍵

隨著烴源巖生烴作用的減弱和有機酸的不斷消耗，成巖環(huán)境在中成巖B期開始由酸性向弱堿性過渡，晚期碳酸鹽膠結(jié)作用逐漸活躍[23-24]。如前文所述，沙河子組砂礫巖的主要膠結(jié)物為鐵方解石和鐵白云石，兩者主要形成于生烴高峰期之后的偏堿性成巖環(huán)境，大致對應(yīng)中成巖B期—晚成巖A期(88～70 Ma)，為了與早成巖階段的膠結(jié)作區(qū)分，稱其為晚期膠結(jié)。晚期碳酸鹽膠結(jié)物充填于緊密壓實的骨架之間的不規(guī)則孔隙中(圖2d)，沉淀很少被溶蝕，導(dǎo)致砂礫巖孔隙度平均降低4.56%，致使砂礫巖孔隙度大范圍降低至10%以下，進入致密階段。因此，晚期膠結(jié)作用是砂礫巖儲層致密的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

(1)松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組砂礫巖儲層成巖作用類型豐富，不同成巖作用對儲層孔隙影響程度不一。成巖作用類型以壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用為主，壓實作用平均降孔24.7%，膠結(jié)作用平均降孔5.3%，溶蝕作用平均增孔4.2%。

(2)松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組砂礫巖儲層在早成巖階段經(jīng)歷的強烈壓實作用是原生孔隙大量減少的主要原因；中成巖階段有機酸溶蝕產(chǎn)生次生孔隙，延緩了儲層致密化進程；中—晚成巖階段鐵方解石和鐵白云石充填剩余粒間孔隙，是砂礫巖儲層致密的關(guān)鍵因素。