沈 珊,湛佳能
(1.中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院,上海 200120;2.中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司,上海 200120)
位于東海陸架盆地的西湖凹陷油氣資源豐富[1-3]。保俶斜坡中部作為西湖凹陷油氣勘探的主要油氣聚集帶之一,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)武云亭、寶云亭、孔雀亭、冷泉亭等含油氣構(gòu)造[4-5]。隨著勘探目的層系向深層拓展,深部?jī)?chǔ)層問題已成為地質(zhì)研究的重點(diǎn)。保俶斜坡中部目前已有鉆井揭示的深部(4 000 m以下)儲(chǔ)層中皆有油氣發(fā)現(xiàn),但3 900 m以下儲(chǔ)層普遍為特低滲(K< 1×10-3μm2)[6],所以深部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)對(duì)平北地區(qū)油氣勘探具有重要意義。
西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部,是一個(gè)呈北東東向展布的狹長(zhǎng)型中-新生代沉積、古近系富油氣凹陷[7-8]。構(gòu)造格局上,自西向東可以分為5個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造帶(圖1),研究區(qū)覆蓋了保俶斜坡帶中部的寶云亭、孔雀亭、碧松亭等若干含油氣構(gòu)造,是近年來東海油氣勘探的重要區(qū)域。該地區(qū)油氣集中賦存在始新統(tǒng)平湖組[9],且據(jù)目前已有鉆井揭示:其深部(4 000 m以下)儲(chǔ)層均有一定的油氣發(fā)現(xiàn)。始新統(tǒng)平湖組系斷坳轉(zhuǎn)換期的潮坪海灣-受潮汐影響的三角洲沉積,儲(chǔ)層主要以平湖組中上段的受潮汐影響的三角洲前緣水下分流河道砂體和平湖組下段的潮道砂為主[10-11]。前人對(duì)這一地區(qū)的平湖組儲(chǔ)層特征及成巖演化等方面已有一定研究[12-16],但對(duì)于其深部(4 000 m以下)儲(chǔ)層主控因素方面討論較少。利用該地區(qū)252片鑄體薄片、85個(gè)掃描電鏡、421塊巖心物性等資料,對(duì)研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層的控制因素進(jìn)行分析,以期為該地區(qū)進(jìn)一步油氣勘探提供依據(jù)。
研究區(qū)平湖組深部(4 000 m以下)儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖為主,其次為巖屑砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖(圖2)。從砂巖成分來看,長(zhǎng)石含量平均為9.71%,巖屑為21.95%,合計(jì)31.66%,不穩(wěn)定成分較高,有利于后期溶蝕改造形成次生孔隙。砂巖以細(xì)—中粒砂巖為主,部分中粒、粗—中粒砂巖。分選為中等—好,磨圓度以次棱—次圓為主,雜基含量5%左右,結(jié)構(gòu)成熟度中等。碎屑顆粒的接觸關(guān)系以點(diǎn)—線和凹凸—線為主,少量線接觸,膠結(jié)類型以接觸—壓嵌式膠結(jié)為主,其次為接觸—孔隙和次生加大—孔隙膠結(jié)。膠結(jié)物以硅質(zhì)和鈣質(zhì)為主,含少量的鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)。
圖1 西湖凹陷區(qū)域構(gòu)造格局及研究區(qū)位置圖
圖2 研究區(qū)深層砂巖(平湖組)成分三角圖(Q:石英,F(xiàn):長(zhǎng)石,R:巖屑)
研究區(qū)平湖組深部?jī)?chǔ)層的孔隙以次生溶蝕孔隙為主(70%左右,部分深度段高達(dá)90%以上),有一定量的原生粒間孔(30%左右)保存下來。原生粒間孔多為邊緣平直的三角形或多邊形,未見明顯溶蝕痕跡(圖3a)。研究區(qū)次生溶蝕孔隙以粒間溶孔為主,多為圍繞原生粒間孔發(fā)育的碎屑顆粒或雜基、膠結(jié)物等部分溶蝕形成,粒間溶孔的邊緣常呈不規(guī)則狀(圖3b);次生溶蝕孔隙中碎屑顆粒(多為長(zhǎng)石)內(nèi)部溶蝕形成的粒內(nèi)溶孔相對(duì)次之,可見長(zhǎng)石溶蝕的“肋條狀”殘余(圖3c);鑄??拙植堪l(fā)育,隱約見顆粒輪廓(圖3d)。
圖3 研究區(qū)深層砂巖孔隙類型及特征
根據(jù)研究區(qū)6口井鉆井421塊(B3井70塊、B4井81塊、K3井95塊、K5井106塊、K4井36塊、S1井33塊)樣品取心資料分析,平湖組深部?jī)?chǔ)層(4 000 m以下)的孔隙度從6%以下到26%均有分布,但大部分分布在10% ~ 18%之間,滲透率則大部分分布在(1 ~ 100)×10-3μm2之間,這說明該地區(qū)平湖組深部也發(fā)育大量?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層(圖4)。
圖4 研究區(qū)深層物性統(tǒng)計(jì)
沉積作用決定儲(chǔ)層的原始孔隙特征,而成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的進(jìn)一步改造影響儲(chǔ)層物性[17]。研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層物性主要受控于成巖作用的影響:壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕作用相互獨(dú)立又相互影響。壓實(shí)作用固然造成儲(chǔ)層原生孔隙的減少,但膠結(jié)作用則增強(qiáng)儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力從而保存了部分原生孔隙;而溶蝕與膠結(jié)作用的并存或轉(zhuǎn)換則反映了成巖環(huán)境的酸堿性動(dòng)態(tài)變化。
儲(chǔ)層物性和鑄體薄片顆粒接觸關(guān)系都反應(yīng)了儲(chǔ)層的壓實(shí)作用。從研究區(qū)6口井實(shí)測(cè)孔隙度、滲透率與埋深關(guān)系整體來看(圖5),孔隙度、滲透率具有隨埋深增加而減小的趨勢(shì),且4 200 m具有明顯的拐點(diǎn)特征。4 200 m以上儲(chǔ)層物性實(shí)測(cè)樣品大量出現(xiàn)中孔(孔隙度15% ~ 25%)中滲[(10 ~ 100)×10-3μm2],少量高滲(> 100 mD);其孔隙度均值為14.4%,滲透率均值為41.23×10-3μm2,對(duì)應(yīng)其顆粒接觸關(guān)系以點(diǎn)-線和線接觸為主,且兩者比例相近。而4 200 m以下儲(chǔ)層物性迅速轉(zhuǎn)向低孔(10% ~ 15%)低滲[(1 ~ 10)×10-3μm2],并出現(xiàn)大量特低孔(<10%)特低滲(<1×10-3μm2);物性明顯變差,顆粒接觸關(guān)系表現(xiàn)出明顯的點(diǎn)-線接觸減少,線接觸增多。這說明隨埋深增加,壓實(shí)作用逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致儲(chǔ)層物性變差。
圖5 研究區(qū)深層物性、顆粒接觸關(guān)系與埋深關(guān)系圖
硅質(zhì)膠結(jié)物在砂巖儲(chǔ)層中一般以石英的次生加大形式出現(xiàn),其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響具有兩面性。在硅質(zhì)膠結(jié)物含量較低時(shí),石英的次生加大可以增加儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力,對(duì)原生孔隙起到一定的保護(hù)作用,但隨著硅質(zhì)膠結(jié)物含量增加,原生孔隙進(jìn)一步被填充,儲(chǔ)層物性變差。對(duì)比不同埋深儲(chǔ)層的薄片顆粒接觸關(guān)系,埋深位于4 100 m左右的K3井鑄體薄片顆粒為點(diǎn)-線接觸,而埋深位于4 200 m左右的B4、K5井為線、凹凸-線接觸,從顆粒接觸關(guān)系及埋深上可以判斷出B4、K5井儲(chǔ)層的壓實(shí)作用明顯強(qiáng)于K3井。但對(duì)比三口井實(shí)測(cè)孔隙度、滲透率值,其物性差別不大,結(jié)合薄片、掃描電鏡資料,B4、K5井石英的次生加大普遍出現(xiàn)(圖6a、圖6b);4 200 m以下,當(dāng)埋深進(jìn)一步增加,研究區(qū)儲(chǔ)層物性明顯變差,且其薄片中的石英次生加大現(xiàn)象普遍很強(qiáng),電鏡照片普遍見自生石英充填在孔隙中(圖6i、圖6j),同時(shí)出現(xiàn)碳酸鹽膠結(jié)(圖6k、圖6l)。結(jié)合薄片顆粒接觸關(guān)系分析:4 200 m以下隨埋深增加,K4井鑄體薄片顆粒仍以點(diǎn)-線接觸為主,但其物性明顯變差,說明研究區(qū)儲(chǔ)層在4 200 m左右由于硅質(zhì)膠結(jié)作用儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力增強(qiáng),其孔隙得到了一定保存,因此隨埋深增加,其儲(chǔ)層的硅質(zhì)膠結(jié)進(jìn)一步增強(qiáng),自生石英充填于孔隙中,同時(shí)出現(xiàn)了碳酸鹽膠結(jié),方解石、鐵方解石充填在孔隙中,使巖性變得致密,雖然提高了儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力,但降低了儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率。
3.2.1 酸性成巖環(huán)境
在儲(chǔ)層成巖中期,伴隨有機(jī)質(zhì)熱解生烴會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸,成巖環(huán)境主要為酸性,此時(shí)儲(chǔ)層中的長(zhǎng)石、巖屑容易發(fā)生溶蝕,形成次生溶孔,改善儲(chǔ)層的物性。長(zhǎng)石在有機(jī)酸的作用下溶蝕常沿著長(zhǎng)石顆粒的邊緣或沿其解理進(jìn)行,形成粒間溶孔或粒內(nèi)溶孔,部分溶蝕的長(zhǎng)石顆粒多呈柵狀、格狀殘余在孔隙中,局部見長(zhǎng)石顆粒完全溶蝕形成的鑄??祝▓D3c、圖3d)。
長(zhǎng)石在有機(jī)酸作用下溶蝕的過程如下:
因此該過程常伴隨硅質(zhì)膠結(jié)以石英次生加大方式普遍出現(xiàn),黏土礦物以高嶺石為主(圖6e、圖6f)。隨著溶蝕作用進(jìn)一步加深,K+、Na+等金屬元素遷移出去,高嶺石會(huì)進(jìn)一步溶蝕形成伊利石。在酸性環(huán)境中,蒙脫石也會(huì)經(jīng)伊/蒙混層逐漸轉(zhuǎn)化形成伊利石。
圖6 研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層(平湖組)成巖作用表現(xiàn)
長(zhǎng)石在有機(jī)酸作用下蝕變形成高嶺石的過程是一個(gè)脫去K+、Na+、SiO2的過程,礦物成分轉(zhuǎn)變的同時(shí)體積明顯減小,形成一定的孔隙,因此長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化成高嶺石的過程有利于次生孔隙的形成,高嶺石可以指示長(zhǎng)石溶蝕和次生孔隙的發(fā)育。根據(jù)研究區(qū)6口井72塊巖石樣品的X衍射數(shù)據(jù)分析,該地區(qū)深部?jī)?chǔ)層(4 000 m以下)長(zhǎng)石、高嶺石含量隨埋深變化具有較好的相關(guān)性。4 200 m以上儲(chǔ)層隨埋深增加,長(zhǎng)石含量明顯減少,高嶺石含量明顯增加;4 200 m以下儲(chǔ)層隨埋深增加,長(zhǎng)石含量逐漸增加,高嶺石含量明顯減少,這說明4 200 m以上儲(chǔ)層隨埋深增加,溶蝕作用逐漸增強(qiáng),4 200 m左右研究區(qū)儲(chǔ)層受溶蝕作用的影響最大,當(dāng)埋深繼續(xù)增加,溶蝕作用逐漸減弱(圖7)。
溶蝕作用的影響因素主要有:充足的有機(jī)酸供給、儲(chǔ)層中可溶組分的含量、流體運(yùn)移通道。
(1)有機(jī)酸供給
研究區(qū)緊鄰三潭深凹,整體處于區(qū)內(nèi)發(fā)育的古新統(tǒng)、始新統(tǒng)主力烴源巖覆蓋和包圍之中,烴源巖發(fā)育。根據(jù)研究區(qū)有機(jī)地化資料并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析,研究區(qū)的生烴門限約為2 600 ~ 2 750 m。因此,研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層是在中新世末(上覆地層達(dá)到2 700 m厚)侵入大量伴隨烴源巖熱演化過程產(chǎn)生的有機(jī)酸,上新世伊始進(jìn)入酸性成巖環(huán)境有利于儲(chǔ)層溶蝕改造。
圖7 研究區(qū)深層長(zhǎng)石、高嶺石含量與埋深關(guān)系圖
(2)可溶組分含量
酸性成巖環(huán)境下,儲(chǔ)層中的長(zhǎng)石、泥質(zhì)巖屑、碳酸鹽膠結(jié)物等常被溶解形成次生孔隙。通過研究區(qū)6口井252塊樣品鑄體薄片和85塊樣品掃描電鏡照片觀察,綜合X衍射等資料分析認(rèn)為,研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層中可溶蝕組分比較豐富:研究區(qū)4 000 m以下砂巖儲(chǔ)層中不穩(wěn)定組合達(dá)31.66%,其中長(zhǎng)石含量平均為10%左右。以鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石為主,在有機(jī)酸的作用下,鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石的現(xiàn)象在研究區(qū)儲(chǔ)層樣品中普遍出現(xiàn)(圖6c、圖6f),4 200 m以上長(zhǎng)石的次生溶蝕作用廣泛而強(qiáng)烈。而可溶組分較低的儲(chǔ)層段,比如B3井、B4井4 200 m左右儲(chǔ)層的長(zhǎng)石含量低于3%,高嶺石在黏土礦物中含量低于5%;則對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性孔隙度10% ~ 20%,滲透率大部分僅在10×10-3μm2左右。泥質(zhì)巖屑的溶蝕在研究區(qū)局部存在,常呈細(xì)小蜂窩狀、麻點(diǎn)狀微孔(圖6d);碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕主要是方解石溶蝕,該現(xiàn)象在研究區(qū)比較少見。
(3)流體運(yùn)移通道
長(zhǎng)石溶蝕的過程是一個(gè)去K+、Na+、SiO2的過程,當(dāng)儲(chǔ)層具備良好的流體運(yùn)移通道時(shí),K+和Na+等金屬離子及SiO2可以被孔隙水流動(dòng)帶出,不形成或形成較少的高嶺石、伊利石等黏土礦物,產(chǎn)生一定量的次生孔隙,改善儲(chǔ)層物性;若儲(chǔ)層內(nèi)流體運(yùn)移通道不暢,長(zhǎng)石溶蝕形成的高嶺石、伊利石等和自生石英堵塞在粒間孔隙中,形成局部高鹽度從而轉(zhuǎn)向沉淀,則不利于次生孔隙形成。根據(jù)實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)分析,K3井在4 108 ~ 4 112 m取心段、K5井在4 194 ~ 4 196 m和4 198 ~ 4 200 m取心段都發(fā)育較好的次生溶蝕現(xiàn)象。結(jié)合巖心觀察情況分析,以K3井為例,K3井次生溶蝕發(fā)育層段為24 m左右的厚砂體,巖性為含礫粗砂巖,為低孔-中孔、中滲-高滲儲(chǔ)層,而其頂部、底部發(fā)育的板狀交錯(cuò)層理形成物性致密層帶,實(shí)測(cè)樣品表明物性明顯變差,為低孔低滲的非滲透帶(圖8)。這樣的巖性組合構(gòu)成了砂體內(nèi)部或獨(dú)立、或在側(cè)向匯合的,由致密層理、泥質(zhì)披蓋等沉積控制的不確定流動(dòng)單元。流動(dòng)單元內(nèi),儲(chǔ)層中長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的金屬離子和SiO2可以被孔隙水順利帶出,形成一定量的次生孔隙,使儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率值在局部得到一定程度的改善。在平湖組中頻繁出現(xiàn)的巨厚潮道砂體內(nèi),這一現(xiàn)象或許很普遍。
圖8 K3井巖芯段次生溶蝕帶分析
3.2.2 堿性成巖環(huán)境
當(dāng)有機(jī)質(zhì)演化程度進(jìn)一步加深,地層溫度隨埋深增加進(jìn)一步升高,烴源巖熱解產(chǎn)生的有機(jī)酸會(huì)發(fā)生脫羧,原先的酸性環(huán)境遭到破壞,地層水逐漸轉(zhuǎn)變成堿性。堿性成巖環(huán)境下的膠結(jié)作用具有以下特征:
(1)黏土礦物轉(zhuǎn)化沉淀
在堿性成巖環(huán)境下,在酸性條件下穩(wěn)定存在的高嶺石會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化成伊利石、綠泥石,纖維狀、搭橋狀、毛發(fā)狀的伊利石和玫瑰花狀、絨球狀的綠泥石充填在孔喉中(圖6g、圖6h),影響儲(chǔ)層的孔滲條件。如果后期孔隙水轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝裕晾?、綠泥石則會(huì)發(fā)生退變作用重新轉(zhuǎn)化成高嶺石。
(2)碳酸鹽膠結(jié)
隨埋深增加、pH值升高,碳酸鹽膠結(jié)普遍出現(xiàn)。根據(jù)研究區(qū)鑄體薄片觀察,4 200 m以下儲(chǔ)層方解石連晶膠結(jié)普遍出現(xiàn),少量鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)(圖6k、圖6l)。碳酸鹽膠結(jié)可以一定程度的提高儲(chǔ)層的抗壓實(shí)作用,從顆粒接觸關(guān)系隨埋深變化圖中可以看出(圖5),4 200 m以下仍存在大量的點(diǎn)-線接觸,但另一方面碳酸鹽膠結(jié)充填了粒間孔和溶蝕孔,使儲(chǔ)層物性變差。如果后期孔隙水轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?,碳酸鹽膠結(jié)會(huì)再次發(fā)生溶蝕。
(3)鈉長(zhǎng)石晶體沉淀
酸性條件下不穩(wěn)定的長(zhǎng)石在一定的堿性環(huán)境中可以發(fā)生穩(wěn)定沉淀[18-20]。據(jù)研究區(qū)電鏡資料分析,其4 200 m以下儲(chǔ)層中普遍見自生鈉長(zhǎng)石晶體,呈細(xì)小自形晶體充填在溶蝕孔隙中,且自生鈉長(zhǎng)石無溶蝕痕跡,表面光滑未被高嶺石交代,這說明其形成晚于次生溶蝕。研究區(qū)常見自生鈉長(zhǎng)石與伊利石的礦物組合(圖6j),認(rèn)為是鉀長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石化的產(chǎn)物[21]。
(1)西湖凹陷保俶斜坡中部地區(qū)(4 000 m以下)儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖為主,長(zhǎng)石和巖屑含量較高,粒度以細(xì)-中粒為主,分選為中等-好,磨圓度以次棱-次圓為主,孔隙類型以次生溶蝕孔隙為主,仍有少量原生孔隙保存下來。
(2)成巖作用的兩對(duì)矛盾:壓實(shí)與抗壓實(shí)、溶蝕與膠結(jié)共同作用,相互影響,是影響研究區(qū)深部?jī)?chǔ)層物性的主要因素。壓實(shí)作用減少儲(chǔ)層的原生孔隙,硅質(zhì)膠結(jié)可以增加儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力,保存一部分的原生孔隙;酸性條件下主要發(fā)生長(zhǎng)石、巖屑等的溶蝕作用形成次生孔隙,大大改善儲(chǔ)層物性,堿性條件下碳酸鹽膠結(jié)充填在粒間孔和溶蝕孔中,大大降低了儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率。
(3)發(fā)育于不同沉積相的砂體單元內(nèi)部往往包含著由致密層理、泥質(zhì)披蓋等砂質(zhì)或泥質(zhì)非滲透性隔層所控制的次生溶蝕帶。砂體內(nèi)部由沉積微相與成巖作用共同控制的滲流單元將揭示深部甜點(diǎn)問題中技術(shù)瓶頸:既要準(zhǔn)確構(gòu)建巖相內(nèi)部流動(dòng)單元,又要預(yù)測(cè)砂體分布是否與有利構(gòu)造以及地下流體勢(shì)相契合。
(4)綜合對(duì)研究區(qū)深部(4 000 m以下)儲(chǔ)層的分析,研究區(qū)4 200 m左右儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力較強(qiáng),且在該埋深次生溶蝕現(xiàn)象普遍,當(dāng)埋深繼續(xù)增加,成巖環(huán)境逐漸由酸性向堿性轉(zhuǎn)變,溶蝕作用逐漸減弱,壓實(shí)作用隨埋深增加逐漸增強(qiáng),儲(chǔ)層物性逐漸變差,綜上所述認(rèn)為保俶斜坡中部地區(qū)埋深4 200 m左右存在物性甜點(diǎn)。