東營凹陷沙四段灘壩砂油藏耗水作用與成藏機制探討

高 翔，張守鵬

(1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院,甘肅天水 741025；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015)

0 引言

東營凹陷位于渤海灣盆地東南緣，郯廬斷裂帶西側，是晚白堊世末期伸展斷陷作用構造背景上發(fā)育起來的中、新生代斷陷盆地，是濟陽坳陷的一個次級凹陷(圖1)，面積5 700km2。凹陷內(nèi)地層自下而上依次為白堊系西洼-王氏組、古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組。其中主力含油層系為沙河街組。

圖1 東營凹陷構造位置Figure 1 Tectonic setting of Dongying depression

本項研究的目標層即東營凹陷廣泛分布的沙河街組四段上部—灘壩砂體。該砂體多處于烴源巖夾層內(nèi)，單層厚度薄，一般在2～5m之間，但呈現(xiàn)大面積含油、且非油即干的特點，砂體內(nèi)原始地層水殘留量極低，水的去向一直是灘壩砂成藏機制探索的重點。運用常規(guī)油氣成藏理論，對在缺少明顯構造圈閉和斷層發(fā)育條件下的該類“透鏡體狀”砂巖普遍飽含油而無底水的現(xiàn)象很難做出合理解釋。

前期研究發(fā)現(xiàn)，沉積物埋藏至一定深度后，壓實及排水作用顯著減弱，膠結作用逐漸占居主導，巖石固結化程度增高，鉀、鈉長石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中有大量的孔隙水被新生礦物晶格所占據(jù)，巖石固、液兩相總體積亦呈現(xiàn)減小趨勢，對此現(xiàn)象概括為成巖“耗水”作用[1-3]。試驗證實，“耗水”作用能夠誘發(fā)新生礦物對地層孔隙水的吸附，減少地層水含量、提高儲層孔隙度，提供為油氣聚集的動力條件—流體勢差。成巖過程中“耗水”作用的提出對解釋灘壩砂體成藏提供了一條新思路。

本文依據(jù)耗水作用原理，根據(jù)對東營凹陷沙四段灘壩砂體儲層成巖特征的分析，對其存在耗水作用的可能性進行求證，尋求該類砂體成藏的控制因素，為下一步針對該領域的深化勘探提供指導。

1 勘探現(xiàn)狀分析與思考

東營凹陷灘壩砂體受古地貌地形的控制，主要沿盆地邊緣廣泛分布，雖然單層厚度薄，但層數(shù)累積數(shù)量多，有時多達20層以上。傳統(tǒng)觀點認為，油氣成藏大多受控于構造，該類砂體不具備較好的圈閉條件，缺少聚油構造背景，但卻能連片含油，規(guī)模儲量達到數(shù)億噸，后期勘探潛力較大，但成藏機制和動力來源一直有待于新的認識突破[4-6]。

2004年初，在盆內(nèi)完鉆的高89井鉆遇灘壩砂巖油層，厚度相對較大，含油飽和度高。雖然儲層屬低孔低滲類型，自然產(chǎn)能低，但灘壩砂體的高充滿度含油還是引起了廣泛關注[7-9]。傳統(tǒng)的水浮力驅動成藏機制理論始終無法解釋這一低位巖性體高充滿度含油現(xiàn)象?；趲r石成巖特征和油層物性的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該類儲層普遍見有長石的強烈蝕變作用，蝕變產(chǎn)物為被伊利石交代的高嶺石殘晶。由此發(fā)現(xiàn)，烴酸流體營造了弱酸性環(huán)境，長石的第一期蝕變產(chǎn)物為自形晶粒狀高嶺石，后期酸性成巖環(huán)境趨弱，巖石回歸堿性化環(huán)境，高嶺石開始為伊利石所交代。但對這個轉化過程化學方程式的深化研究發(fā)現(xiàn)，這一過程需要有水的參與，而耗水反應前后的總體積也有變化，即體積是減小的，這也就意味著巖石內(nèi)空間體積得到擴大，油氣儲集空間在耗水后有增無減[10-15]。

由于耗水作用能夠導致儲層壓力降低(能量虧空)，加大了烴源巖與儲層之間的流體壓力勢差，增強了油氣運聚的動力。因此，運用耗水作用原理可以解釋灘壩砂體大面積飽含油現(xiàn)象。但這種推斷必須滿足三個條件，一是灘壩砂體確實存在耗水現(xiàn)象；二是耗水階段與主排烴階段在時間上應該吻合；三是灘壩砂體必須具備與油氣成藏規(guī)模相匹配的耗水量。

2 灘壩砂體耗水成巖相與主耗水成巖階段的確立

對東營凹陷鉆遇灘壩砂體的利671、利57、梁75、梁109四口探井3 314～4 311m井段巖心樣品進行了X衍射半定量分析，發(fā)現(xiàn)灘壩砂巖中殘存的黏土礦物類型主要是伊利石，約占黏土礦物的90%左右，綠泥石5%左右，在不同井區(qū)分布不均。僅含微量高嶺石和伊/蒙混層礦物，偶見綠/蒙混層礦物(洼陷邊緣)。黏土礦物質量分數(shù)2.85%～11.95%(表1)，作為前期確定的主要耗水礦物相—自生高嶺石，其質量分數(shù)僅為0.2%左右。這個測試結果表明：晚成巖A期的巖石中高嶺石的進一步伊利石化程度較高，這個化學作用過程同樣提現(xiàn)耗水與體積縮減。

表1 東營凹陷灘壩砂油藏黏土礦物組成

偏光鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，東營凹陷沙四段灘壩砂體內(nèi)占主導地位的伊利石和微量的綠泥石均是一類繼承性黏土化產(chǎn)物，其蝕變原礦物并非來源于長石、云母類顆粒，而是來源于中繼產(chǎn)物—自生高嶺石(兩類礦物的交代現(xiàn)象)(圖2)。

為了分析目前灘壩砂體中兩類主要的成巖反應—高嶺石伊利石化和高嶺石綠泥石化是否存在耗水現(xiàn)象，進行如下化學反應式的摩爾量計算：

高嶺石的伊利石化反應過程：

晚成巖B期伊利石化的高嶺石殘晶 晚成巖A期自生高嶺石的標準集晶利671井3917.47m 河142井3028.19m圖2 晚成巖A、B期兩種高嶺石形態(tài)的比較Figure 2 Morphologic comparison of two kinds of kaolinite from later diagenetic period stages A and B respectively

(1)

摩爾克數(shù)3×2582×1002×4203×182×62比重2.62.172.611.05體積29792.216554118.1

反應前摩爾體積389.2，反應后摩爾體積347.1；

反應前后摩爾體積差：42.1；

體積縮小率：42.1/389.2×100%=10.8%。

高嶺石的綠泥石化反應過程：

3Al2Si2O5(OH)4+5(Fe，CaMg)(CO3)2+SiO2+2H2O=(Fe,Mg)5Al2Si3O10(OH)8+5CaCO3+5CO2

(2)

摩爾克數(shù)3×2585×240602×187785×100比重2.82.62.651.02.72.7體積428.699.222.636288.1185.2

反應前摩爾體積550.37，反應后摩爾體積473.1；

反應前后摩爾體積差77.23cm3；

體積縮小率：77.23/550.37×100%=14.0%。

由反應式(2)計算出：由高嶺石向綠泥石轉化過程中，每生成1 000g綠泥石需要130g水，每轉化1 000g高嶺石需要46.51g水。

通過化學反應方程式的平衡和計算，證實了高嶺石的伊利石化現(xiàn)象不存在耗水反應，相反，水分子有排出反應后礦物晶格的趨勢，即存在增水效應，但分子體積有所減小。高嶺石的綠泥石化作用產(chǎn)生耗水效應，但規(guī)模甚微，對儲層孔隙度貢獻較小。

通過對伊利石的殘晶結構觀察分析發(fā)現(xiàn)，局部視域呈現(xiàn)伊利石的它形晶片呈似蠕蟲狀的集晶分布，集晶的單晶呈殘缺的假六邊形狀。因此可以斷定，現(xiàn)今灘壩砂體內(nèi)殘留的伊利石實際上是由上一個成巖期—晚成巖A期長石高嶺石化后，由高嶺石進一步蝕變轉化的產(chǎn)物(圖3)。究其這種變化的原因，是與成巖環(huán)境由弱酸性向偏堿性環(huán)境的過渡有關。大規(guī)模的烴類運聚發(fā)生在晚成巖A期，進入晚成巖B期后，地層中的有機酸多已耗盡，堿性礦物(長石類為主)的游離離子促成了弱堿性環(huán)境的形成，從而生成了大量的伊利石。局部存在的高嶺石綠泥石化與高壓環(huán)境中鐵、鎂離子的富集有關。

盡管高嶺石的伊利石化現(xiàn)象不利于耗水作用的發(fā)生，高嶺石的綠泥石化作用(存在耗水現(xiàn)象)規(guī)模甚微，但所有這些反應均發(fā)生于現(xiàn)今成巖階段，即晚成巖B期。而灘壩砂的主成藏期(大規(guī)模烴類運聚階段)發(fā)生于晚成巖A期(圖2)，對應的有機質熱演化指標Ro為0.5～0.7之間，此階段以發(fā)育長石的高嶺石化作用為主，期間發(fā)生了大規(guī)模耗水作用，已經(jīng)被伊利石化取代的高嶺石殘晶結構就是前耗水成巖相的證據(jù)。

根據(jù)對示烴成巖礦物[10]—含鐵碳酸鹽及黃鐵礦示烴球(圖4)的微量元素、硫同位素及部分包裹體數(shù)據(jù)顯示，晚成巖A期是灘壩砂油藏主要的聚油階段，自生高嶺石的生成伴隨大量示烴礦物的出現(xiàn)，而高嶺石殘晶顯示了發(fā)生大量高嶺石化的階段與成藏聚油階段完全一致，與前期研究所確定的東營中、北部區(qū)域主耗水深度段2 500m～2 700m成巖階段是完全吻合的。因此，灘壩砂主成藏期與耗水作用在時間上是吻合的。

圖3 東營凹陷成巖階段劃分與黏土礦物分布(參考文獻[10])Figure 3 Stage partitioning in diagenetic period and clay minerals distribution in Dongying depression (after reference [10])

圖4 油氣充注期的示烴成巖礦物Figure 4 Hydrocarbon indicating minerals during oil andgas filling stage

這一結論意味著灘壩砂體在前成巖期依舊是主要的耗水作用階段，成巖礦物學標志揭示了耗水作用發(fā)生的過程。

3 耗水作用對成藏動力來源的貢獻

由鉀長石轉化為高嶺石的化學反應式計算得出(表2)，鉀長石蝕變?yōu)楦邘X石后，巖石體積縮小率計算式為：

(217.2-99.2-92.3)/217.2×100%=11.75%

表2 鉀長石蝕變高嶺石體積變化表

從現(xiàn)今伊利石在儲層孔喉中的形態(tài)和含量判斷，前成巖期高嶺石化階段形成的自生高嶺石在10%左右，與長石的轉化率相對應，這一轉化過程僅從體積變化上就貢獻了1.33%。考慮消耗水的體積，則由耗水作用導致了約5%以上的孔隙度貢獻值。由于前成巖期儲層經(jīng)歷了充分的壓實，按照壓實-埋深曲線所對應的孔隙度范圍應在15%以下，已屬中低滲透層。因此，耗水作用對處于前成巖期階段的灘壩砂而言，其對孔隙度的貢獻值是非常明顯的。

針對灘壩砂油藏成藏動力機制的來源問題，通過巖石化學理論探索和上述試驗結論，發(fā)現(xiàn)耗水作用使得灘壩砂體孔隙內(nèi)水被大量消耗并形成儲層內(nèi)部壓力“虧空”(相對于靜巖壓力)，周圍烴源巖生成的油氣在靜巖壓力作用下進入這一“虧空”區(qū)域形成油藏。據(jù)此首創(chuàng)性的提出了基于儲層耗水減壓的油氣“耗水降壓、負壓充注”成藏模式，即，源巖巖石覆壓作用為油氣充注提供外部驅動力，即“壓”力；成巖耗水作用導致儲層內(nèi)部降壓，為油氣充注提供內(nèi)部抽吸力，即“吸”力。上述“壓與吸”的作用(合力)共同提供油氣充注動力，形成灘壩砂特殊的成藏機制?！昂乃祲?、負壓充注”導致了油藏含油飽和度的增大及含水率的降低，提高了深層灘壩砂巖油氣成藏效率，揭示了灘壩砂大面積含油的規(guī)律。

4 耗水量與油氣聚集規(guī)模分析

耗水現(xiàn)象發(fā)生于封閉體系中的巖石孔喉結構內(nèi)。從理論上分析，完全被水飽和的儲層架構中，水的損失體積完全為原油所占據(jù)時，耗水量即等于儲油量。

本文以正理莊的高89井區(qū)、大蘆湖的樊159井區(qū)、梁家樓的梁108至梁112井區(qū)以及濱南的梁76井區(qū)為解剖研究對象，分析了其發(fā)育的灘壩砂在油氣充注期高嶺石化所引發(fā)的耗水作用及耗水量，進而拓展至整個東營凹陷灘壩砂分布規(guī)模，進行了總耗水量的計算，從而為該區(qū)原油聚集規(guī)模提供了重要的勘探依據(jù)。

計算原理：利用長石發(fā)生高嶺石化的摩爾分子及體積的變化量、長石密度等參數(shù)值，計算出每克單位長石的耗水量，利用井、震參數(shù)對灘壩砂體總體積進行計算，利用巖石光學鑒定參數(shù)確定蝕變長石的百分率，依此形成灘壩砂體總耗水量的計算公式。

總耗水量=砂體體積×蝕變長石比率×長石比重×單位克長石耗水量。

由于：鉀長石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中，如下式：

2KAlSi3O8+2CO2+3H2O=Al2Si2O5(OH)4+2KHCO3+4SiO2

計算可得，1 000g鉀長石蝕變?yōu)楦邘X石需要97.1g水。

而鈉長石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中，如下式：

2NaAlSi3O8+ 2CO2+3H2O =Al2Si2O5(OH)4+2NaHCO3+ 4SiO2

計算可得，1 000g鈉長石蝕變?yōu)楦邘X石需要103.1g水。

本區(qū)巖石中鉀、鈉長石含量相當，因此1 000g長石蝕變?yōu)楦邘X石可取平均耗水值100.1g

則：典型區(qū)塊含油砂體中的耗水量為(表2)：

1200×106(面積)×7.3(厚度)×20%(長石蝕變率)×2.57(長石密度)×100.1(克耗水量)=4.9×108(t)

東營凹陷灘壩砂總耗水量為(表3)：

1200×106×33(厚度)×20%(長石蝕變率)×2.57(長石密度)×100.1(克耗水量)=20×108(t)

表3 耗水量計算參數(shù)取值

計算結果顯示，灘壩砂中已經(jīng)確認的含油砂體總耗水量4.9億t，灘壩砂體總耗水量達20億t，相當于提供了等量的原油儲集量。與目前勘探程度比較，如果耗水作用在油氣主成藏期形成了20億t的油氣儲量規(guī)模，則針對灘壩砂體的勘探存在巨大的潛力。

5 結語

運用耗水作用原理合理地解釋了東營凹陷灘壩砂油藏成藏動力機制和對儲集空間的貢獻，使得長期以來不被重視的薄互層灘壩砂呈現(xiàn)出良好的勘探局面，又一次體現(xiàn)了新理論、新發(fā)現(xiàn)在油區(qū)勘探實踐中解決“老問題”的實效性。沉積巖的蝕變耗水作用既然能夠在封閉體系內(nèi)提供“壓吸”動力和儲集空間，則對于其它油藏類型的運、聚、藏過程必定產(chǎn)生影響，這一領域的研究和探索仍將延續(xù)和深化。