松遼盆地青山口組砂巖的成巖作用與影響

于生云

(東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

成巖作用一直是儲(chǔ)層地質(zhì)研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。傳統(tǒng)成巖作用研究主要根據(jù)各種成巖指標(biāo)劃分成巖階段，探討各種成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的綜合影響[1-4]；成巖流體也是成巖作用研究的一個(gè)重要方面，成巖流體包括重力和壓實(shí)作用驅(qū)動(dòng)下的大氣水、沉積物壓實(shí)-相變釋放流體、有機(jī)成因流體和深部熱液流體，有關(guān)學(xué)者在水巖相互作用方面做了大量工作[5-8]；成巖相劃分在成巖作用研究中具有重要意義，有助于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和預(yù)測[9-12]；成巖數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)技術(shù)在成巖作用研究中的應(yīng)用，該技術(shù)可反演成巖史，重現(xiàn)儲(chǔ)層成巖演化過程，確定成巖相的時(shí)空分布[13-16]。

隨著世界油氣需求不斷加大，傳統(tǒng)的常規(guī)油氣產(chǎn)量已不能滿足要求[17]，人們把目光轉(zhuǎn)向低滲透致密性的非常規(guī)油氣資源[18-19]，因而非常規(guī)油氣儲(chǔ)層成巖作用成為近幾年研究的熱點(diǎn)[20-23]，通過成巖作用及其它相關(guān)研究對(duì)于預(yù)測和尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層即甜點(diǎn)具有重要意義[24-27]。

靶區(qū)位于松遼盆地南部長嶺凹陷，屬于青山口組低滲透砂巖儲(chǔ)層，由于該區(qū)整體勘探程度低，儲(chǔ)層研究力度不夠，地質(zhì)認(rèn)識(shí)不夠深入，影響了油氣高效開發(fā)。針對(duì)上述情況，文中利用鑄體薄片、掃描電鏡、物性資料、X 射線衍射和地球化學(xué)等資料對(duì)其成巖作用進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期對(duì)低滲透致密性砂巖儲(chǔ)層的勘探開發(fā)有所幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于松遼盆地長嶺凹陷。長嶺凹陷位于松遼盆地中央坳陷區(qū)南部，為二級(jí)構(gòu)造單元，按其構(gòu)造特征，進(jìn)一步劃分為西部階地、乾安次凹、黑帝廟次凹、大情字井低凸起、東部陡坡帶、華字井階地等6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)，各構(gòu)造單元走向呈近南北向帶狀展布。研究區(qū)地層自下而上分別為：石炭—二疊系變質(zhì)巖基底、白堊系下統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組、白堊系上統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組、第三系依安組、大安組、泰康組和第四系。目的層為青山口組，沉積相屬于河流三角洲相，氣測孔滲結(jié)果表明，研究區(qū)青山口組孔隙度為4.10%～16.14%，平均 9.30%；滲透率則分布在(0.01～1.55)×10-3μm2，平均 0.98×10-3μm2，為低滲透致密砂巖儲(chǔ)層。

圖1 長嶺凹陷構(gòu)造

2 巖石學(xué)特征

按照Folk的砂巖分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層巖石類型主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖，含少量長石巖屑砂巖和巖屑砂巖(圖2)。分析青山口組砂巖各組分，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～41%，平均19.1%；長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高為17%～81%，平均59.0%，以鉀長石和斜長石為主，且多數(shù)樣品斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于鉀長石；巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～45%，平均20.5%，其中以巖漿巖巖屑為主，次為少量變質(zhì)巖巖屑和沉積巖巖屑，巖漿巖巖屑類型以英安巖最為常見，次為安山巖，變質(zhì)巖巖屑主要為千枚巖和石英巖巖屑，沉積巖巖屑主要為泥巖巖屑。填隙物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～19%，雜基主要為泥質(zhì)，膠結(jié)物以碳酸鹽礦物和自生黏土礦物為主。碎屑粒徑多為0.1～0.2 mm，巖性主要為細(xì)砂巖；碎屑顆粒分選性為中等；碎屑以呈次棱角狀為主，少數(shù)呈次圓狀，可見棱角狀顆粒，磨圓程度低；接觸關(guān)系以點(diǎn)-線狀為主,偶見凹凸接觸及縫合狀接觸?？傮w上，研究區(qū)巖石成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

圖2 研究區(qū)青山口組砂巖儲(chǔ)層巖性組分三角圖

3 成巖作用類型與階段劃分

3.1 成巖作用類型

研究區(qū)成巖作用主要包括壓(溶)作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶解作用和破裂作用。

3.1.1 壓實(shí)(溶)作用

在上覆載荷或側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力作用下，研究區(qū)鏡下可見到碎屑顆粒的定向排列，碎屑顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)狀接觸發(fā)展到線狀、凹凸?fàn)罱佑|(圖3a)；對(duì)于石英、長石等剛性顆粒，常見到破裂現(xiàn)象，而對(duì)于云母、泥巖巖屑等塑性物質(zhì)，常發(fā)生塑性變形(圖3b)；隨著埋藏深度增大，溫度和壓力逐漸增高，成巖環(huán)境發(fā)生改變，產(chǎn)生壓溶作用，碎屑顆粒呈凹凸?fàn)罱佑|或縫合狀接觸(圖3c)。

3.1.2 膠結(jié)與交代作用

(1)碳酸鹽礦物膠結(jié)與交代作用。研究區(qū)發(fā)育多種自生碳酸鹽礦物，包括方解石、鐵方解石、鐵白云石等；可見粉晶含鐵白云石呈斑點(diǎn)狀充填于孔隙中(圖3d)，含鐵方解石呈嵌晶式膠結(jié)，晶體較粗大，常將1個(gè)或幾個(gè)碎屑顆粒包含在1個(gè)晶體中(圖3e)；碳酸鹽礦物的交代作用主要為碳酸鹽礦物之間的交代作用，包括鐵方解石交代方解石以及鐵白云石交代鐵方解石，還有方解石對(duì)巖屑以及石英和長石的交代作用(圖3f)。

(2)硅質(zhì)膠結(jié)作用。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物主要為石英，一種產(chǎn)狀為次生加大式，自生部分呈環(huán)帶狀緊貼陸源碎屑石英顆粒生長，界線清晰可辨，因?yàn)樽陨⑴c陸源碎屑石英光性方位相同，在偏光顯微鏡下觀測，可出現(xiàn)同時(shí)消光的現(xiàn)象(圖3g)；另一種產(chǎn)狀則為孔隙充填式，石英雛晶晶粒細(xì)小,晶粒粒度泥晶至細(xì)粉晶級(jí)，自形程度較高，分布于由陸源碎屑顆粒圍限的孔隙空間內(nèi)(圖3h)。

(3)自生長石膠結(jié)作用。如石英次生加大一樣，該研究區(qū)也可見到長石呈次生加大式膠結(jié)。因長石礦物穩(wěn)定性較差，在埋藏過程中，陸源碎屑長石顆粒往往遭到蝕變，變得很臟，而再生部分顯得十分干凈，很容易識(shí)別(圖3i)。

(4)黏土礦物膠結(jié)與交代作用。研究區(qū)發(fā)育的自生黏土礦物主要有高嶺石、綠泥石、伊利石和伊/蒙混層。高嶺石晶體呈六方板片狀,集合體為書頁狀和蠕蟲狀，主要為孔隙充填式膠結(jié)。綠泥石晶體形態(tài)呈葉片狀，集合體形態(tài)為絨球狀、卷心菜狀，主要以薄邊式或孔隙襯里式膠結(jié)，少部分為孔隙充填式膠結(jié)(圖3j)。伊利石單體形態(tài)呈針狀，集合體形態(tài)為絲發(fā)狀、絮狀、網(wǎng)狀，主要以薄式或孔隙襯里式膠結(jié)，少部分為孔隙充填式膠結(jié)(圖3k)。伊/蒙混層單體形態(tài)呈彎曲片狀，集合體形態(tài)為蜂窩狀，主要以薄邊式或孔隙襯里式膠結(jié)。黏土礦物的交代作用主要為高嶺石交代長石和黏土礦物間的交代作用。

3.1.3 溶蝕作用

溶蝕作用是研究區(qū)一種重要的成巖作用，主要包括長石碎屑、巖屑和碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕。研究區(qū)巖礦組成特征決定了長石碎屑和巖屑含量的豐富性。長石的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生溶蝕作用，而研究區(qū)巖屑中長石含量較高，所以巖屑的溶蝕作用實(shí)質(zhì)是其所含長石礦物遭到了溶蝕。長石碎屑和巖屑溶蝕形成粒內(nèi)溶孔和鑄?？?圖3l)，在掃描電鏡下觀測，長石碎屑沿解理發(fā)生溶蝕的現(xiàn)象更加明顯(圖3m)。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕主要為方解石膠結(jié)物的溶蝕，形成膠結(jié)物內(nèi)溶孔(圖3n)。

3.2 成巖階段

3.2.1 黏土礦物發(fā)育特征

為搞清整個(gè)區(qū)塊黏土礦物發(fā)育情況，所選7口取樣井均勻分布于研究區(qū)，共取得樣品數(shù)106個(gè)(表1)。高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～61%，綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%～77%，伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%?？傮w上看，綠泥石和伊利石較發(fā)育，伊/蒙混層和高嶺石次之。伊/蒙混層w1為14%～23%，其中TM2井w1為14%，發(fā)育超點(diǎn)陣有序混層黏土礦物，其余井w1大于15%，發(fā)育有序混層黏土礦物。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477—2003)，研究區(qū)儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期，少部分處于中成巖B期。

表1 研究區(qū)典型井黏土礦物組成

3.2.2Ro和TAI演化特征

鏡質(zhì)體反射率Ro來自于研究區(qū)10口井，Ro分布范圍為0.5%～1.5%(圖4)，生油母質(zhì)多數(shù)處于低成熟—成熟階段，少數(shù)處于高成熟階段，根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477—2003)，研究區(qū)多數(shù)儲(chǔ)層處于中成巖A期，少數(shù)已經(jīng)進(jìn)入中成巖B期。

圖4 研究區(qū)鏡質(zhì)體反射率

熱變指數(shù)TAI數(shù)據(jù)取自于HD1井(表2)，取樣深度h為2 190～2 700 m，巖性涵蓋了研究區(qū)發(fā)育的細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，具有代表性。 TAI 分布范圍為3.55～3.74， 孢粉顏色主要以橘黃和棕色為主，還可見到棕黑色，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)儲(chǔ)層主要處于中成巖A期，個(gè)別為中成巖B期。

表2 HD1井熱變指數(shù)

3.2.3 自生石英包裹體均一溫度分布特征

石英次生加大現(xiàn)象在該研究區(qū)十分常見，其內(nèi)部包裹體均一溫度代表成巖時(shí)古地溫t。對(duì)樣品內(nèi)的50個(gè)包裹體進(jìn)行均一溫度測定，其主要分布在4個(gè)溫度區(qū)間，110～120 ℃之間有6個(gè)，120～130 ℃之間有15個(gè)，130～140 ℃之間有27個(gè)，140～150 ℃之間有2個(gè)。分布在130～140 ℃溫度區(qū)間最多，占比k為54%；分布于120～130 ℃溫度區(qū)間次之，占30%；分布于110～120 ℃溫度區(qū)間的位居第3位，占12%；分布于140～150 ℃溫度區(qū)間的最少，占4%(圖5)。對(duì)照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)儲(chǔ)層多數(shù)處于中成巖A期，少數(shù)為中成巖B期。

圖5 研究區(qū)自生石英包裹體均一溫度分布

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鏡下觀察到的成巖特征、黏土礦物發(fā)育情況、鏡質(zhì)體反射率Ro和熱變指數(shù)TAI變化，以及自生石英包裹體均一溫度分布，確定研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期，少部分已進(jìn)入中成巖階段B期，其成巖演化模式(圖6)為：沉積初期，在上覆水體及地層的重荷下發(fā)生壓實(shí)作用，孔隙中水分被排出，沉積物體積縮小，孔隙度由最初的40%左右降到30%左右。早成巖B期末，壓實(shí)作用較前一階段要弱，伊蒙混層、方解石和石英等礦物沉淀析出，長石呈現(xiàn)次生加大，孔隙度降至最低，為20%左右。中成巖A期，伴隨著埋深增加，溫度升高，進(jìn)入生油窗，青一段烴源巖生成的烴類中含有大量有機(jī)酸，在酸性物質(zhì)作用下,長石、巖屑和方解石發(fā)生溶蝕，長石溶蝕被高嶺石和石英交代。溶蝕作用導(dǎo)致大量溶蝕孔隙形成，儲(chǔ)層物性得到改善，孔隙度升至25%。中成巖B期，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟階段，有機(jī)酸生成量大為減少，溶蝕作用也大為減弱，膠結(jié)作用增強(qiáng)；混層黏土礦物轉(zhuǎn)化為伊利石和綠泥石，方解石轉(zhuǎn)化為鐵方解石，鐵方解石轉(zhuǎn)化為鐵白云石，膠結(jié)物充填大部分殘余粒間孔隙和溶蝕孔隙，致使儲(chǔ)層孔隙度降至10%左右，儲(chǔ)層物性變差，形成現(xiàn)今低滲透致密性儲(chǔ)層。

圖6 研究區(qū)成巖演化模式

4 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

4.1 壓實(shí)(溶)作用

淺埋藏的壓實(shí)作用主要為物理性的機(jī)械壓實(shí)作用，機(jī)械壓實(shí)作用可使碎屑顆粒發(fā)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，導(dǎo)致顆粒重新排列而使儲(chǔ)層變得緊實(shí)致密，特別是對(duì)于云母、泥巖巖屑等柔性物質(zhì)，發(fā)生塑性變形甚至假雜基化，使原生孔隙和喉道嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性嚴(yán)重變差，其孔隙度損失量遠(yuǎn)超過剛性顆粒同深度下機(jī)械壓實(shí)作用所造成的孔隙度損失量[28]。深埋藏的壓溶作用是一種物理-化學(xué)成巖作用，壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層的破壞性要強(qiáng)于單純的機(jī)械壓實(shí)作用，它不僅使碎屑顆粒接觸更加緊密，而且使溶解物質(zhì)重新沉淀充填孔隙中，嚴(yán)重影響儲(chǔ)層物性，使?jié)B流能力降低。隨著埋藏深度增加，研究區(qū)由機(jī)械壓實(shí)作用過渡到化學(xué)壓溶作用，碎屑顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)-線接觸逐漸變?yōu)榘纪菇佑|，直至縫合接觸，總的來說，儲(chǔ)層物性逐漸變差。

4.2 膠結(jié)與交代作用

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)非常普遍，在各種碳酸鹽膠結(jié)物充填孔隙中占據(jù)儲(chǔ)集空間，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性變差。根據(jù)鏡下觀測所做的面孔率數(shù)據(jù)分析，碳酸鹽膠結(jié)造成的孔隙度損失率達(dá)到20%～40%。由圖7可以看出，隨著w(M2CO3)的增加，儲(chǔ)層孔隙度φk變小，呈負(fù)相關(guān)。黏土礦物膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層的影響一般是負(fù)面的，呈網(wǎng)狀或搭橋式分布的伊利石導(dǎo)致孔喉減小，迂曲度增加，物性變差。伊/蒙混層黏土礦物易發(fā)生水敏反應(yīng)，堵塞喉道，滲透率降低。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物產(chǎn)狀主要為孔隙充填式和次生加大式，相對(duì)于充填孔隙中的自生石英雛晶來說，次生加大式膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層的影響更大，不僅造成孔隙損失，而且會(huì)使喉道變窄，導(dǎo)致毛細(xì)管阻力變大，滲流能力變?nèi)鮗29]。交代作用可為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成提供前提條件，如碳酸鹽礦物交代長石、石英，使儲(chǔ)層具備溶蝕作用發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖7 碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙度關(guān)系

4.3 溶蝕作用

溶蝕作用是研究區(qū)重要的建設(shè)性成巖作用，尤其對(duì)于該研究區(qū)低滲透儲(chǔ)層具有非常重要的意義[30]。在中成巖A期，Ro介于0.5%～1.3%，有機(jī)質(zhì)處于生油窗，以生成液態(tài)烴為主，同時(shí)伴生大量有機(jī)酸，成巖流體呈酸性，研究區(qū)內(nèi)長石類礦物、富含長石的巖屑以及碳酸鹽膠結(jié)物在酸性介質(zhì)作用下發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生大量次生孔隙，提高了儲(chǔ)層滲流能力[31-32]。長石和碳酸鹽膠結(jié)物溶解反應(yīng)的方程式如下：

長石在pH為5時(shí)開始溶解，此乃長石類礦物固有性質(zhì)。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層主要發(fā)育長石砂巖和巖屑長石砂巖，含少量長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，巖石成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

(2)研究區(qū)儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期,少部分進(jìn)入中成巖B期，主要成巖作用包括壓實(shí)(溶)作用、膠結(jié)和交代作用、溶蝕作用；前兩種主要為破壞性成巖作用，使儲(chǔ)層致密，物性變差，后一種為建設(shè)性成巖作用，改善儲(chǔ)層物性。