方正斷陷白堊系砂礫巖成巖作用及對儲層物性的控制

王有智，鄭洪濤，田彥林

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712；2.遼河石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000；3.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

隨著理論和技術(shù)的不斷革新，致密儲層油氣勘探不斷獲得重大突破[1-2]?，敽吞锷暗[巖油藏的發(fā)現(xiàn)，使得凹陷區(qū)砂礫巖體有望成為未來油氣勘探的重大接替領(lǐng)域[3-4]。眾所周知，砂礫巖體可以作為優(yōu)質(zhì)儲層，與成巖作用密切相關(guān)[5-7]。例如，瑪湖凹陷西斜坡百口泉組砂礫巖中長石等礦物溶解，形成了次生孔隙發(fā)育帶，顯著改善了砂礫巖的儲集性能[8]；渤海灣盆地秦南凹陷東南緣深層砂礫巖儲層發(fā)育高孔高滲帶，儲集空間以溶蝕孔、生物體腔孔為主[9]；松遼盆地南部深層有利致密砂礫巖儲層與次生孔隙及裂縫有關(guān)[10]。濟陽坳陷陡坡帶沙河街組三段、四段發(fā)育近岸水下扇砂礫巖體，扇中辮狀水道砂礫巖即使受到強烈的壓實和膠結(jié)作用，但由于有機酸多期溶蝕，依然可以形成次生孔隙帶，形成有效儲層[11-12]。

方正斷陷位于黑龍江省東部，是以第三系為主要油氣勘探目的層的裂谷型盆地[13]。其白堊系砂礫巖儲層十分發(fā)育，多口井見到良好油氣顯示，展現(xiàn)出良好勘探前景。此次研究通過大量取心井的巖石薄片、掃描電鏡、能譜分析和XRD等測試方法，對方正斷陷白堊系砂礫巖的成巖作用類型、成巖演化序列進行詳細研究，探討成巖作用與儲層物性的關(guān)系，為研究區(qū)下步油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

方正斷陷位于松遼盆地東部的依-舒地塹北段，大地構(gòu)造上屬于郯廬斷裂的北延部分[13-15]。受右旋走滑變形的影響，依-舒地塹內(nèi)發(fā)育一系列走滑斷陷盆地，方正斷陷是其中之一。方正斷陷呈不對稱的雙斷式結(jié)構(gòu)，伊漢通斷裂將其分割成東部斷陷帶和西部斷陷帶2個二級構(gòu)造單元。東部斷陷帶進一步劃分為玉山屯單斜帶、李家店次凹、民豐斷裂構(gòu)造帶、德善屯次凹、腰屯隆起帶、大林子次凹、大羅密斷階帶和興旺次凹8個三級單元；西部斷陷帶進一步劃分為小蘭屯隆起、柞樹崗次凹、祥順潛山帶(圖1)[13]。

圖1 方正斷陷構(gòu)造綱要簡圖

方正斷陷在古生界變質(zhì)基底之上，共充填了4套沉積序列，自下而上劃分為白堊系及第三系的新安村+烏云組、達連河組、寶泉嶺組、富錦組和第四系[16]。方正斷陷白堊系主要分布在小蘭屯背斜帶和柞樹崗次凹，與第三系不整合接觸，目前沒有探井鉆穿白堊系，推測厚度超過3 000 m，充填了沖積扇—扇三角洲近源粗碎屑沉積。

2 儲層巖石類型與儲集空間

2.1 巖石類型

方正斷陷白堊系砂礫巖儲層主要為扇三角洲平原及前緣砂體，扇體砂礫巖間發(fā)育少量淺灰色泥巖，顯示扇體沉積水體較淺。儲層巖石類型主要包括扇三角洲平原辮狀河道砂礫巖、前緣水下分流河道砂質(zhì)細礫巖(圖2)。碎屑顆粒磨圓較差，以次圓—次棱角狀為主，分選較差，以點-線接觸為主，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)。巖屑成分均以巖漿巖為主，其他成分含量較低。掃描電鏡和X衍射分析表明，研究區(qū)填隙物總量平均小于10%。

2.2 儲集空間類型

白堊系砂礫巖具有較為復(fù)雜的儲集空間，根據(jù)187張鑄體薄片資料統(tǒng)計顯示，白堊系砂礫巖儲集空間包括原生孔隙(約占21%)、次生孔隙(約占75%)和微裂縫(約占4%)3種類型。原生孔隙類型為殘余粒間孔，一般在顆粒支撐的砂質(zhì)細礫巖中可見，孔隙中常充填膠結(jié)礦物，膠結(jié)物邊緣形狀規(guī)則，與孔隙之間界限清晰(圖2a)。次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間孔；粒間溶孔主要為雜基和膠結(jié)物溶蝕形成，由于溶蝕程度不同，粒間溶孔的孔隙形態(tài)多不規(guī)則(圖2b)；粒內(nèi)溶孔指長石等不穩(wěn)定成分溶蝕形成的孔隙，溶蝕作用一般沿著長石解理縫方向發(fā)生，形成的孔隙會保留原晶格形態(tài)，并具有一定方向性，溶蝕作用較強時，長石顆粒呈蜂窩狀連通( 圖2c)，當(dāng)溶蝕完全時形成鑄?？?圖2d)；晶間孔主要為自生高嶺石等結(jié)晶較好的黏土礦物集合體內(nèi)之間的孔隙(圖2e)。微裂縫主要為構(gòu)造成因，常切穿長石、石英等碎屑顆粒及膠結(jié)物(圖2f)；微裂縫既為溶蝕流體提供路徑，擴大溶蝕影響范圍，又可以連通孤立的孔隙，對儲層整體物性有改善作用。

圖2 方正斷陷白堊系砂礫巖儲層的儲集空間特征

3 成巖作用及對儲層物性的影響

3.1 成巖作用類型

3.1.1 壓實作用

對于砂礫巖儲層而言，成巖作用中對儲層物性產(chǎn)生較大影響的是壓實作用。方正斷陷白堊系砂礫巖經(jīng)歷了強度較大的壓實作用。在上覆地層壓力影響下，可見云母等塑性顆粒變形、破碎，石英和長石等脆性顆粒破裂，部分脫落的碎粒堵塞了粒間孔隙。

3.1.2 溶蝕作用

儲層中的流體進入砂礫巖的孔隙系統(tǒng)中，導(dǎo)致不穩(wěn)定礦物和膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，可以改善砂礫巖的物性。白堊系砂礫巖儲層中發(fā)生的的溶蝕作用包括在長石、巖屑以及泥質(zhì)雜基中的溶蝕。其中，長石晶體較易發(fā)生溶蝕，鉀長石沿著雙晶縫發(fā)生溶蝕，孔隙呈蜂窩狀或鏤空狀(圖3a、b)；鈉長石晶面相對完整，沒有溶蝕痕跡，可見鈉長石自生晶體以及自生石英(圖3c)、高嶺石和少量綠泥石(圖3d)。

3.1.3 膠結(jié)作用

通過鏡下觀察，白堊系砂礫巖中膠結(jié)以自生石英和自生黏土礦物為主。自生石英一般呈六方短柱狀，晶形完整(圖3e)。儲層中也可見自生方解石，在顆粒間以粗晶膠結(jié)物形式存在，也可充填在長石溶孔中。高嶺石呈定向排列或者雜亂堆積的狀態(tài)充填在顆粒之間或附著在長石表面(圖3e)。晶體呈團粒狀、疊片狀等，沒有受到磨損或擠壓變形。綠泥石常與自生長石共生，主要以針片狀單體的形式生長在長石解理縫或包裹于顆粒的表面。伊蒙混層多呈雜亂狀充填在顆粒之間[17]。

圖3 方正斷陷白堊系砂礫巖成巖現(xiàn)象

3.1.4 交代作用

交代作用發(fā)生的范圍很廣，可使巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[18]。研究區(qū)常見的交代作用包括黏土礦物交代長石和黏土礦物之間的相互交代轉(zhuǎn)化。前者主要為鉀長石和斜長石發(fā)生高嶺石化，會生成一些晶間孔隙，但是由于連通性較差對物性提升有限；后者主要指蒙皂石的伊利石化(圖3f)，伊蒙混層是白堊系砂礫巖中比較常見的黏土礦物類型，多呈雜亂狀充填于粒間孔隙之間或包裹在其他顆粒上形成包膜。

3.2 成巖作用對砂礫巖儲層物性的影響

3.2.1 壓實作用對儲層的影響

方正斷陷白堊系砂礫巖埋深范圍跨度大，壓實作用的影響隨著埋深的不同，強度存在一定的差異性。在2 800 m以淺儲層中，顆粒主要為點-線接觸，超過3 500 m，儲層顆粒表現(xiàn)為凹凸接觸和縫合接觸；與此同時，白堊系砂礫巖結(jié)構(gòu)成熟度較低，顆粒粒徑差異大，雜基含量高，使得顆粒之間接觸更加緊密，孔隙度急劇下降。總體而言，白堊系砂礫巖壓實作用較強，是導(dǎo)致砂礫巖儲層致密的最主要的原因(圖4)[18]。

3.2.2 溶蝕作用對儲層的影響

長石、方解石等可溶礦物的大量發(fā)育，有利于形成次生孔隙發(fā)育帶。研究區(qū)長石顆粒發(fā)生選擇性溶蝕，在顆粒內(nèi)部形成了大量的次生孔隙，孔隙直徑為5～20 μm，最大孔徑超過150 μm(圖3a、b)。部分長石破裂后，附近的長石被溶蝕，裂縫規(guī)模擴大，連通了附近的孔隙，對儲層物性改善作用明顯(圖2c)。通過面孔率統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有效儲層溶蝕面孔率超過5%，溶蝕孔隙含量超過20%，最高可達70%，而非儲層的溶蝕面孔率較小，一般不超過2%。白堊系砂礫巖經(jīng)歷了2期酸性成巖環(huán)境，分別是早期自身形成有機酸和后期烴類流體的充注。由于烴源巖不夠發(fā)育，埋藏過程中進入儲層的有機酸量較少，溶蝕作用相對較弱，后期的酸性流體的大量進入儲層，促使次生孔隙帶的形成?？傮w而言，溶蝕作用對白堊系砂礫巖儲層的改造作用顯著，既豐富了孔隙含量，又?jǐn)U展了孔隙喉道，對致密儲層而言非常重要。

圖4 方正斷陷白堊系砂礫巖粒間孔隙體積占比和膠結(jié)物含量關(guān)系

3.2.3 膠結(jié)作用對儲層的影響

膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層致密的另一個因素。在酸性成巖環(huán)境下，黏土礦物轉(zhuǎn)換加速，釋放出的金屬陽離子促使砂礫巖邊緣發(fā)生方解石膠結(jié)，膠結(jié)形式以孔隙式膠結(jié)為主；石英的次生加大和方解石膠結(jié)，不利于粒間孔隙的保存；高嶺石在垂向上分布具有差異性，主要富集在內(nèi)部各段平行不整合面附近及細粒巖性與砂礫巖接觸面附近。因此，該段砂礫巖物性變差。

3.2.4 交代作用對儲層的影響

長石在向黏土礦物轉(zhuǎn)化的過程中會產(chǎn)生一些微小孔隙，這些孔隙直徑一般小于5 μm，呈獨立分布，孔隙之間不連通，對儲層物性的影響較小，隨著蒙脫石向伊利石不斷轉(zhuǎn)化，這些伊蒙混層有序化，會形成一定的裂縫，這些裂縫在一定范圍內(nèi)起到溝通孔隙的作用，對砂礫巖儲層的滲透性有較好的改善作用。

3.3 成巖演化與孔隙演化

3.3.1 成巖演化序列

根據(jù)成巖作用的觀察與分析，建立方正斷陷白堊系砂礫巖成巖演化序列(圖5)。在早成巖階段(早白堊世晚期—晚白堊世)，古地溫低于85 ℃[19]，巖石處于逐漸固結(jié)階段，受上覆地層的壓實作用影響，原生孔隙減少；泥巖被壓實后會排出酸性流體，使得儲層流體環(huán)境呈弱酸性。隨著這種流體在孔隙之間流動，自生的蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，在顆粒邊緣形成綠泥石等黏土礦物薄膜。進入古近系，砂礫巖儲層埋深加大，進入中成巖階段，古地溫為85～140 ℃[20]。成巖礦物中鉀長石和碳酸鹽巖發(fā)生溶蝕，同時，德善屯深部烴源巖生成的油氣通過伊漢通斷裂進入白堊系砂礫巖儲層，這些酸性物質(zhì)大大降低了地層水pH值，加速了長石和鉀長石的溶蝕；與此同時，蒙脫石進一步向伊利石轉(zhuǎn)化[21]，導(dǎo)致蒙脫石含量減少，高嶺石和自生伊利石的含量增加，局部有富綠泥石沉淀。

3.3.2 孔隙演化

通過對鏡下薄片成巖作用階段和埋藏史-熱史分析，建立方正斷陷白堊系砂礫巖成巖環(huán)境演化模式。利用孔隙度定量評價，分析成巖作用與孔隙演化的關(guān)系(圖5)。

方正斷陷白堊系沉積時期，湖盆處于快速充填階段，具有沖積扇特征。此時砂礫巖處于準(zhǔn)同生期至早成巖B期，相當(dāng)于埋藏深度2 000 m，以機械壓實為主。此時，隨著埋深的加大，上覆地層壓力增加，砂礫巖持續(xù)受到壓實作用的影響，顆粒之間的接觸關(guān)系表現(xiàn)為點接觸或點-線接觸。雖然礫石顆粒粒徑之間差異較大，具有一定抗壓能力，但隨著上覆壓力的增大，大的脆性顆粒破碎堆積在原生孔隙之中，使得孔隙度快速減小，石英次生加大和綠泥石襯邊造成孔隙度繼續(xù)損失。據(jù)Beard和Scherer的孔隙度恢復(fù)公式，以方16井砂質(zhì)細粒巖為例，計算出原始孔隙度平均為24.04%，到早成巖階段末期，孔隙度降至8.61%，其中，壓實作用導(dǎo)致孔隙度平均減少14.28%，膠結(jié)損失孔隙度平均為1.15%。進入到中成巖A1期，埋深繼續(xù)加大，發(fā)生石英顆粒壓溶作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用，此時砂礫巖已經(jīng)變得較為致密，原生孔隙已經(jīng)十分少見，但是大長石顆粒被壓碎，發(fā)育裂縫，為溶蝕作用提供進入儲層的通道。此時孔隙度降至4.68%，壓實作用平均減少孔隙度1.69%，膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙平均較少2.24%。

進入成巖A2亞期，埋深超過3 000 m，該時期最主要的成巖作用就是溶蝕作用，利用殘余的原生孔隙和長石形成的裂縫，有機酸對可溶組分進行充分溶蝕，形成的孔隙增量平均為6.79%，膠結(jié)作用持續(xù)降低孔隙度，平均為2.36%，在中成巖A階段末期孔隙度平均為9.11%。可見溶蝕作用對儲層物性改善較為明顯。

圖5 方正斷陷白堊系方16井細礫巖地質(zhì)歷史時期儲層孔隙度演化

進入中成巖B階段，成巖作用包括溶蝕、伊利石以及綠泥石和碳酸鹽膠結(jié)交代作用。該階段儲層中仍存在少量酸性流體，僅部分長石發(fā)生溶蝕，對膠結(jié)物作用甚微，對儲層改善作用較小，使得砂礫巖儲層持續(xù)致密。膠結(jié)減少的孔隙度平均為0.78%，現(xiàn)今最終孔隙度平均為8.33%。

4 優(yōu)質(zhì)儲層形成規(guī)律

通過分析可知，成巖作用對白堊系砂礫巖儲層發(fā)育起到關(guān)鍵的控制作用。白堊系沉積初期，凹陷具有雙斷特征，兩側(cè)的物源攜帶的大量礫巖向湖盆中快速沉積，此時顆粒分選磨圓差，顆粒之間雜基充填，原始孔隙度不高；隨著斷陷的沉降，水體加深，粗碎屑物源向斷陷中注入的速度減慢，砂質(zhì)礫巖等沉積物在扇三角洲前緣水下被不斷改造，顆粒之間的雜基含量降低，礫石的分選和磨圓較之前變好，結(jié)構(gòu)成熟度相對高，巖性由雜亂的砂質(zhì)礫巖變?yōu)樯百|(zhì)細礫巖，初始物性變好；扇三角洲前緣砂體和平原砂體在垂向上疊置，平原砂礫巖十分致密，成為儲層的天然封堵層。白堊系自身泥巖的成熟度增加和后期油氣的大量充注，促使細礫巖中長石和方解石等礦物的大量溶蝕，對致密儲層的改造具有重要意義。由于白堊系儲層靠近伊漢通油源斷裂，儲層的孔隙優(yōu)勢與上傾構(gòu)造特征的匹配，形成次生孔隙發(fā)育帶，成為有效儲層。在前緣細礫巖儲層中見到良好的油氣顯示即是證據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 方正斷陷致密儲層巖性涵蓋砂礫巖和砂質(zhì)細礫巖。碎屑顆粒磨圓較差，以次圓—次棱角狀為主，分選較差，以線接觸為主，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)具有較為復(fù)雜的儲集空間，原生孔隙主要為粒間殘余孔，約占21%；次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間孔，約占75%；微裂縫約占4%。

(2) 方正斷陷白堊系砂礫巖經(jīng)歷的成巖作用主要包括壓實、溶蝕(鉀長石)、膠結(jié)(自生石英和自生黏土礦物)和交代作用(蒙皂石伊利石化)。壓實作用嚴(yán)重破壞了儲層的原生孔隙，平均減孔15.97%。膠結(jié)作用充填原生和次生孔隙，平均減孔6.53%，兩者是導(dǎo)致白堊系砂礫巖儲層致密化的最主要原因。外來烴類流體攜帶有機酸注入砂礫巖儲層，促進了鉀長石等礦物的溶解，改善了砂礫巖儲集性能，平均增孔6.79%。交代作用對儲層物性影響較小。

(3) 基于成巖作用和孔隙演化過程分析，方正斷陷白堊系中靠近油源斷裂的扇三角洲前緣水下分流河道細礫巖體具備成為優(yōu)質(zhì)儲層的潛力。白堊系砂質(zhì)礫巖等沉積物在扇三角洲前緣水下被不斷改造，砂質(zhì)細礫巖分選和磨圓變好，結(jié)構(gòu)成熟度變高，原始孔隙度較高。靠近伊漢通油源斷裂，油氣大量充注，攜帶的有機酸促使細礫巖中長石和方解石等礦物的大量溶蝕，形成次生孔隙帶，兩者匹配成為有效儲層。