碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)制及其對(duì)渤海海域C12和Q17構(gòu)造中生界碎屑巖儲(chǔ)層的影響

盧 歡,徐長貴,王清斌,杜曉峰,劉曉健

[中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300450]

碳酸鹽膠結(jié)物在碎屑巖儲(chǔ)層中具有分布廣泛、形成期次多、成因多樣等特征，因此對(duì)于碳酸鹽膠結(jié)物富集區(qū)，其形成期次和成因機(jī)制的探討是沉積學(xué)和石油地質(zhì)學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。一般而言，碳酸鹽膠結(jié)物按照形成期次，可以分為早期和晚期膠結(jié)物；按照產(chǎn)狀，可以分為充填孔隙和交代顆粒膠結(jié)物；按照成因，可以分為原始沉積形成和后期成巖流體的水一巖作用機(jī)制形成兩種。而不同時(shí)期、不同產(chǎn)狀、不同成因形成的膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層物性和產(chǎn)能有著不同程度的影響。眾所周知，碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量普遍具負(fù)面的影響，這也得到了本次工作研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物含量與孔隙度的基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的證實(shí)。然而，對(duì)于中生界埋藏較淺的岐口17構(gòu)造(Q17)，1 000～2 000 m深度附近的地層而言，高的碳酸鹽膠結(jié)物含量卻對(duì)應(yīng)著較高的孔隙度。另外，早期碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀對(duì)巖石骨架顆粒具有固結(jié)作用，能提高儲(chǔ)層的抗壓性能，屬于典型的“保護(hù)型成巖作用”，而晚期碳酸鹽膠結(jié)物占據(jù)儲(chǔ)集空間，降低儲(chǔ)層物性,屬于典型“破壞型成巖作用”。因此，研究認(rèn)為，對(duì)于碳酸鹽膠結(jié)物和儲(chǔ)層物性的關(guān)系不能一概而論，碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀對(duì)于儲(chǔ)層孔隙的演化并非簡單的破壞性成巖作用，不同埋藏條件、不同成因、不同時(shí)期沉淀的碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層的控制作用是有所差異的。因此，弄清碳酸鹽膠結(jié)物的形成期次和成因，分析其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響對(duì)于恢復(fù)儲(chǔ)層孔隙演化過程、預(yù)測有利儲(chǔ)層分布顯得尤為必要。

渤海灣盆地中生界碎屑巖層普遍發(fā)育碳酸鹽巖膠結(jié)物。中生界碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性差異較大，主要有中孔中滲和低孔低滲儲(chǔ)層兩大類，分別以位于渤海灣盆地沙壘田凸起的東西兩翼的Q17構(gòu)造和C12構(gòu)造為代表。由于中生界儲(chǔ)層具厚度變化大、盆地分割性強(qiáng)、儲(chǔ)層演化復(fù)雜、埋藏深度較大等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著該區(qū)的勘探。前人對(duì)于研究區(qū)中生界儲(chǔ)層的研究，更多地集中在埋深、物源體系的影響，而對(duì)于碳酸鹽膠結(jié)物，未進(jìn)行過深入剖析。本次研究，采用傳統(tǒng)的分析手段，如巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡、熱演化史分析等，為中生界儲(chǔ)層提供了模式化的定性的分析；在此基礎(chǔ)上，采用激光微區(qū)碳氧同位素分析，對(duì)研究區(qū)的碳酸鹽富集段進(jìn)行了精細(xì)的測定，對(duì)碳酸鹽類型、賦存狀態(tài)和形成期次進(jìn)行了定量研究。其測試原理如下：取碳酸鹽膠結(jié)物富集的樣品，將其用高能激光探針加熱分解，產(chǎn)生二氧化碳，送質(zhì)譜儀測定碳氧同位素，即微區(qū)原位取樣。該方法空間分辨率高、精確度高、所需樣品量小，克服了傳統(tǒng)磷酸法的不足。研究認(rèn)為，埋藏條件、淋濾作用、構(gòu)造條件、成巖環(huán)境等因素引起的碳酸鹽膠結(jié)含量、賦存形態(tài)和形成期次差異是引起兩個(gè)地區(qū)碎屑巖儲(chǔ)層物性差異的重要原因。本次研究不僅豐富了碳酸鹽膠結(jié)物成因及成巖系統(tǒng)方面的研究，建立了成巖演化模式，具有理論意義；也為渤海灣盆地中生界儲(chǔ)層的研究提供一個(gè)可以借鑒的范本，以期促進(jìn)渤海灣盆地中生界碳酸鹽儲(chǔ)層的勘探開發(fā)，具有實(shí)際意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

C12構(gòu)造位于渤海灣盆地渤中凹陷西斜坡沙壘田凸起東部向渤中凹陷過渡的東北傾末端上，緊鄰渤中生烴洼陷。Q17構(gòu)造位于渤海灣盆地埕子口凸起北部的岐口凹陷內(nèi)，西臨沙南凹陷，油氣資源豐富(圖1)。

通過巖心觀察、巖石薄片和粒度分析、測井曲線等資料，中生界巖性包括碎屑巖、火山碎屑巖、巖漿巖、煤層(圖2)。碎屑巖主要以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、中粒長石巖屑砂巖為主，此外局部有砂礫巖；縱向上與火山碎屑巖和巖漿巖互層分布。結(jié)合測井曲線特征，將中生界碎屑巖段沉積相劃分為辮狀河和湖泊相。其中，辮狀河相包括河道和河漫亞相。河道亞相可以進(jìn)一步分為河床滯留沉積(圖2a)和心灘微相(圖2b，c)，河漫亞相可以進(jìn)一步分為漫灘(圖2d，e)、岸后沼澤微相(圖2f)；而該區(qū)的湖泊相主要為半深湖的湖泥。此外，研究區(qū)還存在由于火山噴發(fā)形成的火山爆發(fā)相(圖2g，h)，氣候較為干旱。綜上所述，C12和Q17構(gòu)造存在一定相似性，都同屬中下侏羅統(tǒng)地層，發(fā)育辮狀河河流相-湖泊相沉積體系，都受到含煤地層、火山巖物源的影響，因此具備對(duì)比基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景和區(qū)域位置Fig.1 Tectonic settings and location of the study area

圖2 岐口凹陷中生界沉積微相相標(biāo)志Fig.2 Facies markers of the sedimentary micro-facies in the Mesozoic of Qikou Depressiona. Q17-3井，埋深2 419.9 m，大小礫石混雜，河床滯留沉積相；b. Q17-3井，埋深2 220.04 m，沖刷面，心灘微相；c. Q17-3井，埋深2 218.7 m，平行層理，心灘微相；d. Q17-3井，埋深2 178.8 m，漫灘相；e. Q17-3井，埋深2 214.74 m，漫灘相；f. Q17-3井，埋深2 409 m，岸后沼澤相；g. Q17-3井，埋深2 190.86 m，凝灰?guī)r，火山碎屑巖相；h. Q17-3井，埋深2 190.86 m，火山碎屑巖相

2 研究區(qū)中生界儲(chǔ)層特征

2.1 儲(chǔ)層物性特征

按照中海油儲(chǔ)層物性劃分標(biāo)準(zhǔn)，C12構(gòu)造中生界儲(chǔ)層孔隙度和滲透率較低，屬于低孔低滲儲(chǔ)層，孔隙度范圍在1.5%～14.6%，平均孔隙度為5%，滲透率范圍在(0.01～0.17)×10-3μm2，平均滲透率為0.03×10-3μm2(表1)，而碳酸鹽含量較高；Q17構(gòu)造中生界儲(chǔ)層孔隙度和滲透率整體較高，孔隙度范圍在12.2%～24.1%，平均孔隙度為16.57%，滲透率范圍在(1.70～54.92)×10-3μm2，平均滲透率為16.07×10-3μm2(表1)，屬中孔中滲和低孔低滲儲(chǔ)層，而碳酸鹽含量較低。Q17構(gòu)造中生界儲(chǔ)層明顯好于C12構(gòu)造。

2.2 儲(chǔ)集空間特征

在巖心觀察和薄片分析的基礎(chǔ)上，將本區(qū)中生界碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間歸納為孔隙和裂縫兩種類型。其中，Q17構(gòu)造主要為孔隙型儲(chǔ)層，孔隙類型多為原始沉積時(shí)形成的原生粒間孔和長石、巖屑以及碳酸鹽礦物等易溶組分發(fā)生溶解形成的次生溶蝕孔；C12構(gòu)造主要為裂縫型儲(chǔ)層，儲(chǔ)層空間類型多為早期形成的裂縫和少量次生粒內(nèi)溶蝕孔，原生孔幾乎消失殆盡。

2.3 碳酸鹽膠結(jié)物類型和賦存狀態(tài)

Q17和C12兩個(gè)構(gòu)造的中生界儲(chǔ)層都受到了碳酸鹽膠結(jié)的改造，但又存在一定差異，主要體現(xiàn)在碳酸鹽膠結(jié)物含量、膠結(jié)類型和賦存狀態(tài)3個(gè)方面。

2.3.1 碳酸鹽膠結(jié)物含量

C12構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物含量高，范圍在3.4%～43.9%，平均為15%；而Q17構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物含量低，范圍在1%～34%，平均為8%(表1)。

2.3.2 碳酸鹽膠結(jié)類型和賦存狀態(tài)

C12構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)非常強(qiáng)烈、類型多樣，早期、晚期碳酸鹽膠結(jié)物均十分發(fā)育，包括方解石、鐵方解石、白云石，鐵白云石(圖3a—f)；而Q17構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物主要以早期碳酸鹽為主，包括方解石、白云石、鐵白云石(圖3g—l)。C12構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物在孔隙和裂縫中充填，或交代顆粒，其賦存方式主要有：早期粒狀方解石(圖3a)、鐵方解石(圖3b)、白云石(圖3c)充填孔隙，晚期脈狀白云石(圖3e)、鐵白云石(圖3f)充填孔隙、早期構(gòu)造裂縫(圖3d)，這些膠結(jié)物的大量發(fā)育對(duì)致密儲(chǔ)層影響明顯。Q17構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物僅在細(xì)粒層段局部富集，呈大面積連晶膠結(jié)(圖3h，i)，物性較差；而在粗粒層段碳酸鹽膠結(jié)物本身含量低(圖3j)，或發(fā)生早期碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕(圖3k，l)，因此物性相對(duì)較好，而在這些早期發(fā)生溶蝕的部位往往出現(xiàn)鐵白云石膠結(jié)(圖3l)。

3 碳酸鹽膠結(jié)物成因及其對(duì)儲(chǔ)層影響

3.1 埋藏條件差異

埋藏深度是本區(qū)儲(chǔ)層質(zhì)量的主要控制因素之一。研究表明，在消除了沉積微相、構(gòu)造作用和可能的成巖作用對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量的影響后，砂巖樣品的孔隙度和滲透率值是隨著埋深增加而逐漸減小的，總體而言，埋深對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的破壞是絕對(duì)的、永恒的、不可逆的。進(jìn)一步地，埋藏程度的不同，對(duì)儲(chǔ)層的影響也有所差異。

3.1.1 反復(fù)深埋藏

C12構(gòu)造的中生界儲(chǔ)層中I/S混層中蒙脫石含量較上覆地層明顯降低，約為20%(圖4a)以下，屬有序混層和超點(diǎn)陣有序混層帶，通過成巖期次劃分，C12構(gòu)造中生界儲(chǔ)層屬成巖階段的中成巖A期或中成巖B期。Ro資料顯示，進(jìn)入中生界之后，其Ro值迅速增加，達(dá)到了1.2%左右(圖4b)，為高成熟，結(jié)合DTS地溫恢復(fù)熱史法得出的C12構(gòu)造埋藏史(圖4c)，認(rèn)為C12構(gòu)造以反復(fù)深埋藏為主，熱演化程度高。

3.1.2 淺埋藏

Q17構(gòu)造中生界儲(chǔ)層中I/S混層中蒙脫石含量為40%～60%(圖4d)，屬無序混層帶，成巖階段劃分為早成巖B期和中成巖A1期。Ro資料顯示，進(jìn)入中生界之后，Q17構(gòu)造Ro值呈略微增加的趨勢，在0.5%左右(圖4e)，屬于未成熟。結(jié)合構(gòu)造埋藏史(圖4f)，認(rèn)為Q17構(gòu)造以淺埋藏為主，熱演化程度低。而正是兩個(gè)構(gòu)造中生界儲(chǔ)層不同的埋藏條件，造成了兩個(gè)地區(qū)為淋濾作用的差異。

表1 C12和Q17構(gòu)造中生界儲(chǔ)層物性分布Table 1 Physical property distribution of the Mesozoic reservoir in the C12 and Q17 structures

圖3 C12和Q17構(gòu)造中生界碳酸鹽膠結(jié)類型和賦存狀態(tài)Fig.3 Types and preservation status of the carbonate cements in the Mesozoic strata of the C12 and Q17 structuresa. C12-1井，埋深3 139 m，早期方解石，白云石充填孔隙；b. C12-1井，埋深3 186 m，晚期鐵方解石充填孔隙；c. C12-1井，埋深3 103.5 m，晚期鐵白云石充填孔隙；d. C12-1井，埋深3 110 m，裂縫發(fā)育；e. C12-1井，埋深3 100 m，早期白云石充填裂縫，晚期鐵白云石充填孔隙；f. C12-1井，埋深3 265-3 270 m，晚期鐵白云石充填裂縫；g. Q17-3井，埋深2 423 m，原生孔；h. Q17-2井，埋深2 317.4 m，早期方解石充填孔隙；i. Q17-1D井，埋深2 674 m，局部溶蝕發(fā)育；j. Q17-1D井，埋深2 672 m，局部方解石，連晶膠結(jié)；k. Q17-1D井，埋深2 850.7 m，早期方 解石充填孔隙；l. Q17-1D井，埋深2 690 m，孔隙發(fā)育(a—c. C12構(gòu)造細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物演化；d—f. C12構(gòu)造粗粒砂巖儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物演化；g—i. Q17構(gòu)造粗粒砂巖儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物 演化；j—l. Q17構(gòu)造粗粒砂巖儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物演化。)

3.2 淋濾作用差異

渤海灣盆地中生代盆地經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)及喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，地層遭受多期強(qiáng)烈剝蝕，發(fā)育多個(gè)區(qū)域不整合，屬于典型的殘余盆地[1-3]。兩個(gè)構(gòu)造都遭受了淋濾，但由于埋藏條件、砂巖原始條件的差異性，導(dǎo)致了兩個(gè)構(gòu)造淋濾作用影響范圍和強(qiáng)度的差異性。C12構(gòu)造的淋濾作用主要發(fā)生在中生界頂部不整合附近，早期的碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕程度低，Q17構(gòu)造的淋濾作用對(duì)整個(gè)儲(chǔ)層的影響都較為顯著，早期的碳酸鹽膠結(jié)物廣泛溶蝕。

3.2.1 中生界頂部的淋濾

按照各個(gè)階段的構(gòu)造類型和成巖作用，C12構(gòu)造中生界儲(chǔ)層經(jīng)歷沉積期、埋藏期、構(gòu)造抬升期、再埋藏期，在構(gòu)造抬升期發(fā)生了大規(guī)模的風(fēng)化淋濾(圖5i)。壁心和陰極發(fā)光資料顯示，C12構(gòu)造不整合面附近對(duì)應(yīng)高嶺石的高含量帶、同時(shí)對(duì)應(yīng)高孔滲發(fā)育帶(圖5a)；元素錄井顯示，不整合附近的風(fēng)化淋濾易造成K+，Ba2+，Ca2+，Mg2+等易溶元素流失。這表明C12構(gòu)造的風(fēng)化淋濾作用多發(fā)生在不整合附近。

淋濾作用的產(chǎn)生與埋藏深度、溫度、成巖環(huán)境有著密切關(guān)系。一般來說，溫度和吉布斯能有一定的相關(guān)性，溫度越高，越有利于鉀長石的溶解；溫度越低，越有利于斜長石的溶解[4]。C12構(gòu)造，在深埋藏的高溫下，鉀長石不穩(wěn)定，易發(fā)生水解，陰極發(fā)光資料顯示研究區(qū)中生界儲(chǔ)層鉀長石含量明顯減少，多為發(fā)藍(lán)光、綠色光的斜長石(圖5c)，說明鉀長石已被大量溶蝕。

圖4 C12和Q17構(gòu)造中生界成巖階段劃分依據(jù)Fig.4 The division of diagenetic stages in the Mesozoic strata of the C12 and Q17 structuresa. C12構(gòu)造中生界伊/蒙混層中蒙皂石含量；b. C12構(gòu)造中生界Ro含量散點(diǎn)圖；c. Q17構(gòu)造中生界伊/蒙混層中蒙皂石含量；d. Q17構(gòu)造中生界Ro含量散點(diǎn)圖；e. C12構(gòu)造中生界埋藏史；f. Q17構(gòu)造中生界埋藏史

一方面，鉀長石的溶蝕提供了伊利石中鉀的來源，伊利石大量發(fā)育。通過掃描電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，伊利石多以搭橋狀充填鉀長石溶蝕形成的粒間孔隙(圖5d)，這說明鉀長石溶解孔隙中充填的伊利石沒有被壓實(shí)，是后期形成的。另一方面，高嶺石大量轉(zhuǎn)化為伊利石。粘土礦物組合顯示，高嶺石僅在中生界頂部發(fā)育(圖5e)，隨著深度增大，高嶺石大規(guī)模地減少，而伊利石大量增多，說明大量高嶺石轉(zhuǎn)化為伊利石[5]。這些伊利石往往具有較大的比表面積和纖維狀的晶體形態(tài)，它們會(huì)通過分割孔隙空間網(wǎng)絡(luò)的方式導(dǎo)致砂巖滲透率的嚴(yán)重降低[6]。而正是這種伊利石的大規(guī)模發(fā)育，抑制了后期酸性、堿性流體、油氣的遷移，因此碳酸鹽膠結(jié)物不易被溶蝕。

3.2.2 整個(gè)中生界的淋濾

Q17構(gòu)造中生界儲(chǔ)層經(jīng)歷了沉積期、埋藏期，在淺埋藏條件下，低溫和強(qiáng)大氣水淋濾，使得不穩(wěn)定的斜長石容易發(fā)生溶蝕，掃描電鏡下可見到大量斜長石溶蝕產(chǎn)生的次生溶蝕孔隙(圖5f)。中生界全井段砂巖儲(chǔ)層中伊利石含量低，高嶺石含量高(圖5b，g)，整個(gè)中生界儲(chǔ)層都得到了較為充分的淋濾(圖5j)。這是由于①該區(qū)成巖階段砂巖成巖系統(tǒng)處于開放或半開放條件，這種與大氣水有關(guān)的成巖條件有利于長石、碳酸鹽膠結(jié)物的溶解；②煤系地層(圖5b，h)酸性物質(zhì)的加入，有利于早期排酸，因此相鄰砂巖儲(chǔ)層中長石等鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物易于發(fā)生溶蝕[7]。③這些長石等鋁硅酸鹽溶解產(chǎn)生的水溶物的遷移速率較大，往往大于長石的溶解速率，長石溶解產(chǎn)生的鉀離子會(huì)被迅速帶走[8]。④本區(qū)發(fā)育分選磨圓好的厚層粗砂體，儲(chǔ)層原始物性好，淋濾作用影響范圍大、深度廣。正是這種先天的沉積優(yōu)勢加上后期成巖條件的改造，造成了大規(guī)模的淋濾作用，為后期有機(jī)酸溶蝕長石和早期的碳酸鹽膠結(jié)物提供了豐富的空間。

圖5 C12和Q17構(gòu)造中生界風(fēng)化淋濾作用對(duì)比Fig.5 The diagram showing weathering and leaching stages of the Mesozoic strata of the C12 and Q17 structuresa. C12-1井中生界儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)；b. Q17-1D井中生界儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)；c. C12-1井，埋深3 175 m，細(xì)粒長石巖屑砂巖，石英發(fā)深藍(lán)色光，斜長石發(fā)藍(lán)色光為主，部分發(fā)綠色；d. C12-1井，埋深3 190 m，玻脫化作用形成絲片狀伊利石充填孔隙，長石見溶蝕現(xiàn)象；e. C12-1井，埋深3 105 m，玻璃質(zhì)蝕變?yōu)楦邘X石，發(fā)藍(lán)色光，石英發(fā)深藍(lán)色光；f. Q17-3井，埋深2 218.44 m，斜長石溶蝕產(chǎn)生粒內(nèi)孔隙，并見鈉長石加大現(xiàn)象；g. Q17-3井，埋深2 409 m，石英、高嶺石共生；h. Q17-1D井，埋深2 848.25 m，煤層；i. C12構(gòu)造中生界儲(chǔ)層淋濾作用模式；j. Q17構(gòu) 造井中生界儲(chǔ)層淋濾作用模式

3.3 構(gòu)造條件差異

通過地震螞蟻體分析技術(shù)、古地貌恢復(fù)技術(shù)對(duì)研究區(qū)斷裂活動(dòng)性進(jìn)行了分析，研究表明，兩個(gè)構(gòu)造條件存在較大差異。

3.3.1 早期斷層活動(dòng)

C12構(gòu)造位于沙壘田凸起東北傾沒端上，受郯廬斷裂的影響，C12構(gòu)造發(fā)育早期走滑斷層，薄片下多見石英波狀消光、X型共軛裂縫(圖6a)，而這種早期走滑運(yùn)動(dòng)為堿性流體運(yùn)移提供了通道。

早成巖B期，儲(chǔ)層流體的堿性增強(qiáng)，從而形成有利于方解石沉淀的條件(pH=8～9)，成為方解石的主要沉淀期[9]。受壓實(shí)和各種自生礦物的沉淀和膠結(jié)作用的影響，原生孔減少。在早成巖B期活動(dòng)的斷層，斷層附近的裂縫系統(tǒng)構(gòu)成良好的堿性流體運(yùn)移的通道，靠近斷層附近的儲(chǔ)層容易形成早期碳酸鹽膠結(jié)帶(圖6e)。因此，在鏡下可觀察到早期碳酸鹽膠結(jié)物充填裂縫，同時(shí)裂縫周圍的孔隙則膠結(jié)物也較多(圖3c)。在中成巖A1期，酸性流體進(jìn)入，充滿早期碳酸鹽膠結(jié)物的裂縫和儲(chǔ)層較致密，形成了“堵車”現(xiàn)象，酸性流體無法通過，無法溶蝕，只能沿未“堵車”的微孔發(fā)生溶蝕(圖6b，d)；進(jìn)入中成巖A2期，沿著裂縫形成晚期白云石鐵白云石膠結(jié)(圖6c，e)。

圖6 C12和Q17構(gòu)造斷層發(fā)育對(duì)碳酸鹽膠結(jié)的影響Fig.6 The effect of fault development on carbonate cementation in the C12 and Q17 structuresa. C12-1井，埋深3 110 m，共軛裂縫，半充填；b.裂縫被白云石、鐵白云石膠結(jié)；c. Q17-3井，埋深2 423.03 m，晚期裂縫，未充填；d. Q17-3井，埋深2 409 m，瀝青充注；e.裂縫被早期碳酸鹽膠結(jié)物充填；f.裂縫被晚期碳酸鹽強(qiáng)膠結(jié)物充填；g.孔隙、裂縫被早期碳酸鹽膠結(jié)物充填；h.孔隙、裂縫被早期碳酸鹽膠結(jié)物充填后發(fā)生溶蝕

3.3.2 斷層持續(xù)活動(dòng)

Q17構(gòu)造處于岐南斷階帶，東、西兩側(cè)NE向斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，控制了歧口凹陷的形成，凹陷總體呈NE向展布；近EW向斷層活動(dòng)較弱，斷層的持續(xù)活動(dòng)為酸堿性流體的運(yùn)移提供了通道。而在中成巖階段的A期和B期，地層流體中會(huì)有大量有機(jī)酸和CO2，此時(shí)活動(dòng)的斷層及其附近的斷裂系統(tǒng)是酸性流體運(yùn)移的重要疏導(dǎo)通道，斷層附近的儲(chǔ)層會(huì)形成溶蝕帶，而溶蝕帶帶出的堿性離子會(huì)在粒度較細(xì)的層段形成晚期碳酸鹽膠結(jié)。Q17構(gòu)造附近的斷層及相關(guān)裂縫附近，粒間溶蝕孔隙很發(fā)育，說明酸性流體沿著裂縫運(yùn)移，并發(fā)生了大規(guī)模的溶蝕作用(圖7g)。

綜上所述，本文總結(jié)出了斷層活動(dòng)對(duì)其附近儲(chǔ)層物性控制作用的模式(圖6)。當(dāng)中生界儲(chǔ)層處于早成巖B期的時(shí)候，斷層已經(jīng)開始活動(dòng)，此時(shí)，地層流體為堿性，會(huì)沿?cái)鄬蛹捌湓诟浇膬?chǔ)層沉淀大量的碳酸鹽膠結(jié)物，降低儲(chǔ)層的物性(圖6i)。當(dāng)上覆沙河街組烴源巖開始成熟，排出了大量的含有有機(jī)酸與CO2的地層水，形成了酸性流體，儲(chǔ)層開始進(jìn)入中成巖期，這個(gè)時(shí)期活動(dòng)的斷層是良好的酸性流體運(yùn)移的通道，在斷層及其附近的斷裂系統(tǒng)內(nèi)形成了良好的溶蝕作用帶(圖6j)。當(dāng)埋深大于2 500 m，隨著生烴高峰的到來，生成的大量油氣沿著優(yōu)勢運(yùn)移通道充注到溶蝕帶，由于油氣的充注(圖6d)，孔隙流體保持酸性，抑制了晚期碳酸鹽的膠結(jié)。但隨著地層進(jìn)一步埋深，沒有發(fā)生油氣充注的地帶，會(huì)形成晚期的碳酸鹽沉淀(圖6e)。

圖7 C12和Q17構(gòu)造中生界碳、氧同位素理論模型Fig.7 The theoretical model of carbon and oxygen isotopes of the Mesozoic strata in the C12 and Q17 structuresa. C12構(gòu)造碳、氧同位素理論模型[15] ；b. Q17構(gòu)造碳、氧同位素理論模型

3.4 成巖環(huán)境差異

采用地球化學(xué)分析手段，包括元素、激光微區(qū)碳氧同位素對(duì)研究區(qū)沉積、成巖環(huán)境進(jìn)行了分析。

3.4.1 封閉的成巖環(huán)境

微量元素分析表明，C12地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的含量和反映古鹽度的硼含量、反映氧化還原的釷鈾比、反映古氣候的鍶銅比具有一致性。其中，B含量小于60，反映淡水環(huán)境；Th/U大于2，反映氧化環(huán)境；Sr/Cu大于10，反映干旱環(huán)境。據(jù)推斷，正是由于本區(qū)反復(fù)深埋藏的成巖環(huán)境，早期活動(dòng)斷層的構(gòu)造條件，辮狀河沉積條件下火山巖發(fā)育，氣候干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，碳酸鹽就會(huì)局部富集。

通過激光微區(qū)碳、氧同位素取樣，對(duì)研究區(qū)的碳酸鹽富集段進(jìn)行精細(xì)的測定，并對(duì)碳酸鹽類型、賦存狀態(tài)和形成期次進(jìn)行研究[10-14]。從測定的結(jié)果可以看到，碳、氧同位素同向增大，呈正相關(guān)，反映了封閉的成巖環(huán)境；這種正相關(guān)在埋藏成巖過程中碳、氧同位素組成重新分配的理論模型中，主要是呈趨勢Ⅰ，Ⅱ型，即δ13C 負(fù)向增大，而δ18O 也負(fù)向增大(圖7a)。反映在一定的成巖階段受到阻礙，或者由于埋藏深度較深時(shí)有機(jī)質(zhì)熱分解的碳的影響而呈這種反“J”型發(fā)展[16]。通過：

T(℃)=16.9-4.2(δ18O-δw)+0.13(δ18O-δw)2，

δw=-7‰

(1)

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)

(2)

可計(jì)算出反映溫度的T(℃)和反映鹽度的Z值(無量綱)[17]。結(jié)果表明，C12構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物形成的溫度較高，為56.51～111.02 ℃，反映埋藏成巖環(huán)境；鹽度也較高，為108.86～134.6，反映了咸水的環(huán)境。通過將溫度、鹽度、反映的成巖環(huán)境和碳酸鹽類型及賦存狀態(tài)進(jìn)一步的分類和對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)交代顆粒的泥晶白云石形成于溫度低的成巖早期，充填孔隙和殘余孔隙的方解石、鐵白云石形成于溫度居中的中成巖A期，而充填脫玻化微孔的微晶白云石晶體形態(tài)較大，形成于溫度高的中成巖B期(圖8)。因此，研究認(rèn)為C12構(gòu)造的碳酸鹽膠結(jié)，特別是晚期白云石鐵白云石，會(huì)充填早期形成的孔隙和裂縫，使得儲(chǔ)層物性大幅度地降低。

3.4.2 開放的成巖環(huán)境

通過激光微區(qū)碳氧同位素分析，可以發(fā)現(xiàn)Q17構(gòu)造碳氧同位素相關(guān)性并不十分明顯，在碳氧同位素組成重新分配的理論模型中，主要是呈趨勢Ⅰ、Ⅲ型，即隨著δ13C負(fù)向增大，δ18O沒有明顯變化(圖7b)，反映了淺埋藏成巖條件；此外，計(jì)算得到，Q17構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)物形成的溫度較高，為45～80 ℃；鹽度較低，Z值為76～125，反映淺埋藏條件下受大氣淡水普遍淋濾的開放成巖環(huán)境。同樣，將Q17構(gòu)造的碳酸鹽膠結(jié)物的賦存狀態(tài)及其形成的溫度進(jìn)行了對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，連晶膠結(jié)方解石形成于早成巖B、充填孔隙的微晶白云石、充填粒內(nèi)溶蝕孔的方解石形成于中成巖A期(圖8)。此外，在Q17構(gòu)造，也可以看到鐵白云石膠結(jié)物，但它們出現(xiàn)的地方孔隙卻比較發(fā)育，這與C12構(gòu)造是截然不同的。同時(shí)，可以觀察到，這些鐵白云石出現(xiàn)在原始沉積條件好、結(jié)構(gòu)成熟度高的厚層粗砂巖段，在這些層段還可以觀察到早期的方解石膠結(jié)以及石英的次生加大；而反之，在一些完全被方解石致密膠結(jié)的薄層的細(xì)砂巖段物性較差。本文認(rèn)為這是由于鐵白云石的形成與地層水流體活動(dòng)、油氣侵位有關(guān)。

圖8 C12構(gòu)造和Q17構(gòu)造中生界激光微區(qū)碳、氧同位素測試樣品碳酸鹽膠結(jié)物特征和賦存狀態(tài)(打點(diǎn)位置如橙色箭頭所示)Fig.8 Carbonate cement features and preservation status of the samples for laser micro-sampling analysis and carbon and oxygen isotopes measurements in the Mesozoic strata of the C12 and Q17 structures (the orange arrows indicate the sampling locations)a. C12-1井，埋深3 100 m，方解石嵌晶狀充填孔隙；b. C12-1井，埋深3 115 m，泥晶白云石交代顆粒；c. C12-1井，埋深3 129 m，細(xì)晶鐵白云石粒狀充填脫?；⒖祝籨. C12-1井，埋深3 146 m，方解石嵌晶狀充填孔隙；e. C12-1井，埋深3 207 m，微晶白云石充填脫?；⒖?；f. Q17-1井，埋深2 180 m，泥晶白云石交代顆粒；g. Q17-1井，埋深2 183 m，方解石充填粒間孔隙；h. Q17-1井，埋深2 187 m，方解石連晶膠結(jié)；i. Q17-1井， 埋深2 215 m，微晶白云石充填孔隙；j. Q17-1井，埋深2 218 m，方解石充填粒內(nèi)溶蝕孔

3.5 差異成巖作用原理

兩個(gè)地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物含量、類型和賦存狀態(tài)的差異可以用差異成巖作用原理的觀點(diǎn)進(jìn)行分析。宏觀上(圖9)，通常而言，原始地層是水平的，而本區(qū)大多為傾斜地層，并且很多都是斷層作為輸導(dǎo)通道的。因此中成巖A2期和中成巖B期的流體，無論是酸堿性流體還是烴類就會(huì)沿著地層、斷層從深部向淺部遷移，使得原本處于較早成巖階段的地方形成了中成巖B期的膠結(jié)物，因此這就是Q17地區(qū)出現(xiàn)這種早期方解石、少量晚期的零星白云石和鐵白云石膠結(jié)物共生并且孔隙度較高的原因。從微觀角度看，其具體的成巖過程如下：首先砂巖儲(chǔ)層在埋藏成巖作用下，顆粒接觸變得緊密；在成巖早期，在酸性流體作用下會(huì)產(chǎn)生石英次生加大。隨著埋藏深度的增加，儲(chǔ)層流體環(huán)境變?yōu)閴A性，分選磨圓好的厚層粗砂段和這種粒度較細(xì)的薄層砂巖段都會(huì)產(chǎn)生連晶方解石膠結(jié)；隨后，流體環(huán)境再次變?yōu)樗嵝?，此時(shí)致密膠結(jié)段由于原始滲透率低，后期很難再溶蝕產(chǎn)生孔隙，而在兩側(cè)粗粒砂巖中的連晶膠結(jié)中則會(huì)發(fā)生溶蝕，并會(huì)為油氣侵位提供充足的儲(chǔ)集空間；油氣侵位會(huì)帶來大量的富鐵離子，這就是在Q17油氣富集段出現(xiàn)鐵白云石的原因。

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)中生界碳酸鹽膠結(jié)物含量普遍較高，其中Q17早期碳酸鹽膠結(jié)后期溶蝕強(qiáng)，儲(chǔ)層發(fā)育；而C12早期碳酸鹽膠結(jié)未發(fā)生溶蝕，晚期碳酸鹽進(jìn)一步膠結(jié)充填裂縫，使得儲(chǔ)層物性降低。

2) 兩個(gè)地區(qū)儲(chǔ)層物性的差異主要由于碳酸鹽膠結(jié)物的差異導(dǎo)致，而碳酸鹽膠結(jié)物主要受到埋藏條件、淋濾作用，構(gòu)造條件和成巖環(huán)境差異4個(gè)因素的影響。第一，埋藏條件對(duì)儲(chǔ)層差異性起到?jīng)Q定性影響，反復(fù)深埋藏是C12構(gòu)造中生界碎屑巖儲(chǔ)層熱演化程度高、晚期碳酸鹽發(fā)育，儲(chǔ)層致密化的主要原因；淺埋藏條件是Q17構(gòu)造熱演化程度低、早期碳酸鹽溶蝕、儲(chǔ)層發(fā)育的主要原因。第二，不同埋藏條件下淋濾作用的差異對(duì)儲(chǔ)層起到了進(jìn)一步的影響，C12構(gòu)造的淋濾作用主要發(fā)生在中生界頂部不整合附近，早期的碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕程度低；Q17構(gòu)造的淋濾作用對(duì)整個(gè)儲(chǔ)層的影響都較為顯著，早期的碳酸鹽膠結(jié)物廣泛溶蝕。第三，構(gòu)造條件對(duì)儲(chǔ)層的影響表現(xiàn)在C12構(gòu)造受早期走滑運(yùn)動(dòng)影響，為堿性流體運(yùn)移提供了通道，會(huì)形成沉淀大量的碳酸鹽膠結(jié)物，降低儲(chǔ)層的物性。Q17構(gòu)造受斷層的持續(xù)活動(dòng)影響，為酸堿性流體的運(yùn)移提供了通道，在斷層及其附近的斷裂系統(tǒng)內(nèi)形成了良好的溶蝕作用帶。第四，C12構(gòu)造為封閉的成巖環(huán)境，氣候干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，碳酸鹽局部富集；Q17構(gòu)造為開放的成巖環(huán)境，加上原始沉積條件較好，酸堿性流體交換較強(qiáng)，淋濾作用廣泛，儲(chǔ)層發(fā)育。

圖9 差異成巖作用原理示意圖Fig.9 The schematic diagram showing the differential diagenetic mechanism

3) 本次研究對(duì)今后尋找規(guī)模性的中生界儲(chǔ)層具有一定的啟示。對(duì)于中生界碎屑巖儲(chǔ)層，需要尋找原始物性好的中粗砂巖段，或者有斷層、地層作為溝通流體運(yùn)移通道的砂體；而對(duì)于一些原始物性不好的致密儲(chǔ)層段需要通過酸化壓裂等技術(shù)手段改善儲(chǔ)層物性。

致謝:感謝中海石油(中國)有限公司天津分公司允許該文的發(fā)表。感謝審稿專家提出的寶貴建議。