鎮(zhèn)涇地區(qū)東北部長812低滲透碎屑巖儲層成巖演化及致密化成因

吉園園，高一龍，鄭 錕.

(中石化華北油氣分公司，甘肅慶陽 745000)

鎮(zhèn)涇地區(qū)位于甘肅省慶陽—平?jīng)鲆粠?，在區(qū)域構(gòu)造上屬于鄂爾多斯盆地天環(huán)向斜南部，地層向西北平緩傾斜(圖1)。東鄰伊陜斜坡，南鄰渭北隆起，西鄰西緣逆沖推覆帶[1-3]。紅河油田12井區(qū)位于鎮(zhèn)涇地區(qū)的東北部，在歷經(jīng)多階段開發(fā)試驗之后，延長組長8油層組共實現(xiàn)探明地質(zhì)儲量3 285.95×104t、含油面積85.61 km2，其中動用面積為39.51 km2，動用地質(zhì)儲量為1 797×104t。前人研究表明，優(yōu)質(zhì)儲層是影響開發(fā)區(qū)內(nèi)油井高產(chǎn)的主要地質(zhì)因素[4-6]，尤其對于低滲透致密碎屑巖儲層而言，由于其成巖作用類型多樣、成巖強度較大、成巖過程繁復(fù)，因此明確低滲透致密儲層特征、準(zhǔn)確劃分成巖階段、反演地質(zhì)歷史時期儲層成巖作用及物性變化的演化過程極其重要[7-10]。本文以紅河12井區(qū)為例，綜合運用巖心觀察、鑄體薄片鑒定等手段明確鎮(zhèn)涇東北部地區(qū)長812低滲透儲層特征，進(jìn)一步結(jié)合掃描電鏡、陰極發(fā)光、巖石熱解及黏土礦物X射線衍射分析等測試手段，構(gòu)建其成巖作用演化及物性變化過程，并對其致密化成因進(jìn)行了剖析，以期對鄂爾多斯盆地天環(huán)凹陷南部鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組重點產(chǎn)油層層系后續(xù)優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測及致密油開發(fā)選區(qū)提供地質(zhì)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置及長8段地層柱狀圖Fig.1 Location of the study area and the columnar view of Chang-8

1 碎屑巖儲層特征

通過巖心觀察以及普通薄片、鑄體薄片、陰極發(fā)光的鑒定表明，紅河12井區(qū)長812砂巖為陸源碎屑巖。巖石類型以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，少部分為長石砂巖(圖2)。

圖2 巖石類型圖Fig.2 Rock types diagram

碎屑顆粒中石英含量在34%～61%范圍內(nèi)，平均為43.3%；可見石英的次生加大現(xiàn)象，部分石英顆粒邊緣被自生膠結(jié)物交代(圖3a)。長石顆粒含量總體較高，在27%～36%范圍內(nèi)，主要以斜長石為主，其次是鉀長石，兩者的平均含量分別為22%和10%，且多被方解石膠結(jié)物交代(圖3b)。黑云母含量在2%～14%范圍內(nèi)，順層分布，定向排列，受壓實作用的影響發(fā)生彎曲變形(圖3c)，少部分發(fā)生泥質(zhì)膨化現(xiàn)象和綠泥石化(圖3d)。除此之外，長812砂巖中的重礦物還有鋯石、綠簾石和綠泥石，它們的總含量不超過1%。巖屑平均含量為21.5%，主要以火成巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑為主?；鸪蓭r巖屑主要以中、酸性火成巖巖屑為主，少部分為基性火成巖巖屑(圖3e)。變質(zhì)巖巖屑主要是變質(zhì)石英巖、千枚巖，少量板巖(圖3f)。研究區(qū)長812砂巖孔隙度主要分布于3%～11%的范圍內(nèi)，孔隙度平均值為8.3%；滲透率多小于0.7 mD，滲透率平均值為0.246 mD(圖4)。

圖3 碎屑顆粒鏡下照片F(xiàn)ig.3 Photographs of debris particles under the microscopea.HH8井，2 059.73 m，石英顆粒，CL；b.HH111井，2 036.06 m，斜長石和鉀長石，OM；c.HH162井，2 070.20 m，黑云母，OM；d.HH16井，2 114.03 m，黑云母綠泥石化，OM；e.HH162井，2 067.60 m，安山巖(巖漿巖)巖屑，OM； f.HH162井，2 067.60 m，流紋巖、火山燧石(變質(zhì)巖)巖屑，OM。

圖4 研究區(qū)長812小層物性分布特征Fig.4 Characteristics of physical distribution of Chang-812 layers in the study area

2 成巖階段劃分標(biāo)志

研究區(qū)長812砂巖的沉積環(huán)境為陸相湖泊沉積環(huán)境[11-13]，本文利用鑄體薄片鑒定、黏土礦物X射線衍射分析、掃描電鏡及巖石熱解等測試手段，系統(tǒng)地對長812砂巖的成巖階段進(jìn)行了劃分。

2.1 最大熱解峰溫(Tmax)特征

巖石熱解能夠得到眾多分析參數(shù)，其中最大熱解峰溫Tmax主要用來判斷有機質(zhì)成熟度，Tmax值隨有機質(zhì)成熟度的增高而增大[10]。有機質(zhì)成熟度與碎屑巖成巖演化階段有著必然的聯(lián)系，從而Tmax值能夠反映碎屑巖成巖演化階段。

對來自HH8、HH12、HH16、HH111、HH14、HH21、HH26、HH44、HH45等井的41塊長812油層組泥巖樣品進(jìn)行了巖石熱解分析，最大熱解峰溫(Tmax)分布如圖5所示。從圖中可以看出，泥巖的最大熱解峰溫主要分布在445～463 ℃范圍內(nèi)，少部分樣品超過470 ℃，平均值為454 ℃。依據(jù)上述的碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)志，最大熱解峰溫(Tmax)處于435～460 ℃范圍內(nèi)時，碎屑巖成巖階段處于中成巖階段A期。所以研究區(qū)長812砂巖的成巖階段目前處于中成巖階段A期。

圖5 長812油層組中泥巖的最大熱解峰溫Fig.5 Maximum pyrolysis peak temperatures of mudstones in Chang-812

2.2 伊/蒙混層中蒙脫石的含量

對來自HH111和HH162井的15塊長812砂巖樣品進(jìn)行了黏土礦物X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)伊蒙混層中蒙脫石的含量(S%(I/S))分布在20%～25%范圍內(nèi)(圖6)，平均值為22.6%。由此可以看出，長812砂巖中蒙脫石的伊利石化程度較高，依據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)志，伊/蒙混層中蒙脫石的含量(S%(I/S))處于15%～50%范圍內(nèi)時，碎屑巖成巖階段處于中成巖階段A期。所以，從此方面又可證明研究區(qū)長812砂巖的成巖階段目前處于中成巖階段A期。

圖6 部分長812砂巖樣品的伊/蒙混層中蒙脫石的含量Fig.6 The montmorillonite content in illite/smectite formation of Chang-812 sandstone samples

2.3 自生礦物組合及黏土礦物形態(tài)

研究區(qū)長812砂巖中的自生礦物組合及黏土礦物形態(tài)符合中成巖階段A期的特征。長812砂巖的膠結(jié)作用所包含的自生礦物主要有伊/蒙混層、高嶺石、伊利石、綠泥石、石英次生加大、亮晶方解石、濁沸石和硬石膏。

2.3.1 綠泥石

長812砂巖中自生綠泥石的平均含量為2.7%，多數(shù)呈孔隙襯里式生長，它在孔隙周圍形成10 μm厚的綠泥石被膜，少部分呈孔隙充填式生長?？紫兑r里式綠泥石呈葉片狀，晶體結(jié)晶好，相互之間呈互鎖狀?？紫冻涮钍骄G泥石呈玫瑰花狀，在粒間其他自生礦物表面結(jié)晶，一般相對孤立生長(圖7a、7b)。長812砂巖中的綠泥石是直接從孔隙流體中結(jié)晶形成的，其從早成巖階段A期便開始形成。砂巖中含有大量的火成巖巖屑，這為綠泥石的形成提供了重要的物質(zhì)條件。砂巖進(jìn)入早成巖階段后，隨著火山物質(zhì)發(fā)生水化作用，逐漸形成了富Fe、Mg的堿性孔隙流體環(huán)境[14-16]，在這種環(huán)境中，綠泥石逐漸從孔隙流體中沉底析出。

2.3.2 高嶺石

長812砂巖中自生高嶺石的平均含量為4.8%，以充填粒間孔隙的方式產(chǎn)出。在單偏光下可以看到很好的晶型，晶體呈蠕蟲狀和書頁狀集合體的形式，區(qū)別于粒間泥質(zhì)雜基；在陰極發(fā)光下，呈靛藍(lán)色，與方解石膠結(jié)物呈交互式生長(圖7c)。在含油性好的層段，它們普遍被原油浸染。前人研究結(jié)果表明，鉀長石、鈉長石、鈣長石受大氣淡水淋濾最易形成高嶺石[17]，因此從高嶺石的形成機理及鏡下礦物交切關(guān)系判斷，研究區(qū)長812儲層中的自生高嶺石形成于綠泥石及長石溶解之后。

圖7 研究區(qū)長812儲層自生礦物顯微特征Fig.7 Microscopic characteristics of authigenic minerals in Chang-812 reservoirs of the study areaa.HH12井，2 096.89 m，孔隙襯里式綠泥石，OM；b.HH361井，2 026.79 m，顆粒間及粒表多分布針葉狀綠泥石，部分顆粒被綠泥石呈薄膜狀包裹，SEM；c.HH31-A井，2 447.30 m，部分顆粒邊緣被溶蝕，其間充填自生高嶺石等，CL；d.HH111井，2 031.30 m，部分顆粒間充填伊利石，SEM；e.HH111井，2 040.20 m，個別顆粒部分被溶蝕，其間充填伊利石等，SEM；f.HH312井，2 139.78 m，部分顆粒間充填自生石英、絲縷狀伊利石及少量伊/蒙混層等，填隙物晶間微孔少量，SEM。

2.3.3 伊利石、蒙脫石及伊/蒙混層

在地層逐漸埋深過程中，當(dāng)?shù)販厣仙?0 ℃左右時，蒙脫石開始向伊/蒙混層轉(zhuǎn)化[17-18]。研究區(qū)長812儲層中伊/蒙混層平均含量為2.3%，呈片絲狀和蜂窩狀覆蓋于碎屑顆粒表面(圖7f)。蒙脫石的伊利石化是一個耗鉀的過程，受砂巖中鉀長石等含鉀不穩(wěn)定礦物的控制，鉀長石作為反應(yīng)物參與此過程。蒙脫石的伊利石化同時是一個低耗能的自發(fā)過程，砂巖中有蒙脫石和K+的存在，該過程就會普遍發(fā)生[18]。伊/蒙混層從早成巖階段B期開始形成，其中蒙脫石的平均含量為21.1%，這表明蒙脫石的伊利石化發(fā)生較為普遍。

研究區(qū)長812碎屑巖儲層中伊利石的平均含量為1.2%，多呈片狀或絲狀分布于砂巖孔隙及顆粒表面(圖7d、7e、7f)。伊利石一方面由早期的伊/蒙混層等黏土礦物轉(zhuǎn)化而來，另一方面因富鉀流體環(huán)境中長石溶解沉淀生成[17]，因此其形成晚于伊/蒙混層，且兩者的形成都晚于綠泥石。

3 低滲透碎屑巖儲層演化過程

借助礦物形成理論及鏡下顯微觀察礦物交切關(guān)系等，結(jié)合研究區(qū)長812砂巖的埋藏史，恢復(fù)了其成巖演化序列及孔隙度的演化史。

3.1 成巖作用演化史

早成巖階段A期：隨著上覆沉積物的增厚，研究區(qū)長812砂巖所經(jīng)受的機械壓實作用強度隨埋深的增大而增強，巖石密度快速增大，孔隙度迅速降低；火成巖巖屑沿顆粒邊緣被溶解，孔隙襯里式綠泥石開始形成，蒙脫石逐漸進(jìn)入生成高峰；隨后，因有機質(zhì)生成有機酸及CO2的溶解等，地層水介質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，長石、巖屑被溶解，自生石英以碎屑顆粒邊緣次生加大邊形式產(chǎn)出。

早成巖階段B期：機械壓實持續(xù)作用于地層，長石顆粒及巖屑顆粒溶解強度增大，石英次生加大、高嶺石及綠泥石包殼進(jìn)入生成高峰期，蒙脫石開始向伊/蒙混層轉(zhuǎn)化。該階段中后期亮晶方解石以膠結(jié)物形式充填于巖石孔隙之中。

中成巖階段A期：巖石作用持續(xù)進(jìn)行，但強度明顯減弱，第一期方解石膠結(jié)物在經(jīng)歷生成高峰之后，生成強度隨深度增加而減弱；伊利石、孔隙式充填綠泥石、自生石英晶體、硬石膏及濁沸石等開始生成。此外，方解石膠結(jié)物在此階段發(fā)生了部分溶蝕(圖8)。

3.2 孔隙度演化史

隨著各成巖事件的發(fā)生，孔隙度也發(fā)生明顯變化(圖8)。長812砂巖原始孔隙度為33.8%，隨埋深增大，早成巖A期砂巖密度受壓實作用影響而快速降低，54.36%的孔隙因此喪失。但在侏羅紀(jì)末期，它因第一期構(gòu)造裂縫的發(fā)育有降低減緩或升高的趨勢；從早成巖階段B期到中成巖階段A期，因機械壓實作用的持續(xù)影響和各膠結(jié)物的大量形成，尤其是亮晶方解石和高嶺石，孔隙度迅速降低到10%左右，損孔率約為41.45%；但在白堊紀(jì)末期到古近紀(jì)，受區(qū)域構(gòu)造運動影響，二期發(fā)育的裂縫對儲層質(zhì)量稍有改善，但因后期裂縫的快速關(guān)閉以及膠結(jié)物充填，此次建設(shè)性增孔作用并不明顯，孔隙度先增后減并最終維持在10%以下。

圖8 長812砂巖儲層演化綜合圖Fig.8 Comprehensive map of Chang-812sandstone reservoir evolution

由圖8中孔隙體積百分比的變化可知，研究區(qū)長812砂巖中顆粒占比約為65%，原始孔隙及流體占比約為35%，孔隙體積隨成巖作用的進(jìn)行而發(fā)生改變。儲層致密化演進(jìn)過程中，對巖石減孔貢獻(xiàn)最大的為壓實作用，約55%的原生孔隙受其影響而減損。其次為膠結(jié)作用，其中方解石膠結(jié)、自生高嶺石膠結(jié)作用的減孔效果最為顯著，致使約40%的原生孔隙因此而喪失；其他類型的膠結(jié)物對碎屑巖儲集空間的破壞強度較小。溶解作用所產(chǎn)生的次生溶蝕孔隙及構(gòu)造裂縫的出現(xiàn)對儲層的孔隙度起著建設(shè)性作用，增孔率約為4.13%，在一定程度上改善了儲層物性。

4 結(jié)論

長812作為鎮(zhèn)涇地區(qū)東北部延長組最為重要的產(chǎn)油層系，其巖性以中—細(xì)粒巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，且低滲透致密砂巖儲層特征明顯，砂巖平均孔隙度為7.2%，平均滲透率為0.246 mD。研究區(qū)長812砂巖目前處于中成巖階段A期，砂巖孔隙度隨成巖事件的相繼發(fā)生總體上呈逐漸降低的趨勢，最后穩(wěn)定在10%以下；但在侏羅紀(jì)末期、白堊紀(jì)末期—古近紀(jì)，由于兩期構(gòu)造裂縫的發(fā)育，孔隙度有所升高。成巖作用控制了致密砂巖儲層的物性演化，其中破壞性成巖作用控制了相對致密儲層的發(fā)育及分布：機械壓實作用對原生孔隙的破壞程度最大，平均損孔率高達(dá)54.36%；膠結(jié)作用對儲層致密化的貢獻(xiàn)次之，平均損孔率約為41.45%；溶蝕作用就裂縫的發(fā)育雖對儲層質(zhì)量有所改善，但效果甚微，平均增孔率僅為4.13%。