成巖作用對生儲蓋層的影響與成巖史模擬
——以北部灣盆地福山凹陷為例

田 偉 志

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

碎屑巖儲集層的物性主要受成巖作用和沉積相的影響與控制[1-2]。有關(guān)沉積相的研究頗多，但成巖作用方面的研究較少，而且不夠深入。實際上，生、儲、蓋層均與成巖作用密切相關(guān)[3]，且生、儲、蓋層發(fā)育史受成巖史的影響與控制。本文以北部灣盆地福山凹陷為例，探討這些問題，以期指導北部灣盆地以及其他沉積盆地碎屑巖的油氣勘探工作。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

福山凹陷是北部灣盆地的一個新生界斷陷，總面積約為2 880 km2。其陸上部分由白蓮次凹、花場次凸、皇桐次凹、博北斷階帶和南部斜坡帶五個次級構(gòu)造單元組成(圖1)。在古近紀，該盆地處于同裂陷期，構(gòu)造活動劇烈，形成大量構(gòu)造圈閉。進入新近紀之后，北部灣盆地進入裂后期，整體下沉，接受海相沉積，構(gòu)造運動減弱，僅造成構(gòu)造圈閉較小幅度變動。從下到上，福山凹陷發(fā)育了長流組、流沙港組、潿洲組的陸相沉積，下洋組、角尾組、燈樓角組、望樓港組的海相沉積和第四系的灰黃色砂層及黏土。流沙港組生、儲、蓋層發(fā)育，是主要的勘探目的層段，進一步可劃分為流三段、流二段和流一段三個巖性段。

圖1 構(gòu)造單元劃分[4]

2 不同成巖階段生、儲、蓋層特征

2.1 成巖階段劃分

應用流體包裹體Th、Ro、泥巖熱解、XRD、普通薄片、鑄體薄片鏡下鑒定、SEM、電子探針等分析化驗資料，依據(jù)SY/T 5477-2003《碎屑巖成巖階段劃分》[5]，將福山凹陷的碎屑巖成巖作用劃分為兩個階段和若干(亞)期(表1)。

表1 福山凹陷碎屑巖成巖階段劃分及標志和對生、儲、蓋層的控制

為了更詳盡地研究成巖作用對生、儲、蓋層的影響與控制，本文在現(xiàn)行成巖階段劃分標準的基礎上，根據(jù)福山凹陷花場-白蓮地區(qū)砂巖的成巖特征，以生油高峰(Ro=1.0%)為界，將中成巖階段A2亞期，進一步細分為A21和A22兩個成巖微期(表1)。劃分依據(jù)為，福山凹陷烴源巖在生油高峰(Ro=1.0%)之后，干酪根中的雜原子鍵斷裂減緩，脫羧作用基本完成，表現(xiàn)為干酪根O/C原子比的減小速度變慢(圖2)。從此之后，有機酸的生成量較小，儲集層的溶蝕作用減弱，孔隙度下降加快。也就是說，烴源巖有機酸的生成和排出主要發(fā)生在生油高峰之前。

圖2 福山凹陷H/C原子比與O/C原子比關(guān)系

成巖相是成巖環(huán)境與成巖作用的綜合[6]。在福山凹陷，不同成巖階段(期/亞期/微期)，發(fā)育不同的成巖相(表1)。

2.2 成巖作用對生、儲、蓋層的影響與控制

2.2.1 成巖演化對有機質(zhì)熱演化的影響與控制

流二段是福山凹陷深陷期形成的沉積建造，以暗色泥巖為主，為該凹陷的主力烴源巖發(fā)育段，其TOC平均為1.25%，S1+S2平均為3.69 mg/g，有機質(zhì)類型為Ⅱ型干酪根(圖2)。有機質(zhì)的熱演化是泥巖的一種成巖作用，福山凹陷的有機質(zhì)熱演化與成巖演化密切相關(guān)(圖3)。在早成巖階段A期，Ro<0.35%，有機質(zhì)未成熟，只能生成少量生物甲烷氣；在早成巖階段B期， 0.35%≤Ro<0.5%，有機質(zhì)半成熟；在中成巖階段A1亞期， 0.5%≤Ro<0.7%，有機質(zhì)低熟，源巖進入生烴門限，開始生烴；在中成巖階段A21微期，0.7%≤Ro<1.0%，有機質(zhì)處于成熟早期，烴源巖開始大量生油；在中成巖階段A22微期，有機質(zhì)處于成熟晚期，1.0%≤Ro<1.3%，在生油高峰(Ro=1.0%)之后，有機質(zhì)開始熱裂解生成凝析油氣。

2.2.2 成巖演化對儲集層物性的影響與控制

流沙港組是北部灣盆地福山凹陷斷陷期形成的砂泥巖沉積建造。流一段、流二段和流三段儲集層的平均孔隙度分別為21.45%、23.55%、16.8%，平均滲透率分別為42.5、95.4、16.8 mD。流沙港組流一段是主要產(chǎn)油層(圖4)，其巖性主要為長石巖屑砂巖(Ⅵ)和巖屑砂巖(Ⅶ)。

在不同成巖階段，砂巖具有不同的孔隙類型。福山凹陷的成巖演化對儲集層物性具有良好的控制作用。早成巖階段A期、B期，中成巖階段A1亞期及中成巖階段A21、A22微期，主要發(fā)育高-特高孔隙度、中-高孔隙度、低-中孔隙度、特低-低孔隙度(含超低孔隙度)儲集層。高-特高孔隙度儲集層僅發(fā)育在早成巖階段A、B期，中成巖階段A1亞期主要為低-中孔隙度儲集層，中成巖階段A2亞期的兩個成巖微期主要發(fā)育低-特低孔隙度儲集層。但Ro≥1.0%之后，烴源巖進入A22微期，干酪根O/C原子比下降緩慢、脫羧產(chǎn)酸能力明顯減弱(圖2)，溶蝕作用減弱，儲集層孔隙度迅速降低，出現(xiàn)大量超低孔隙度儲集層(圖5)。此外，在不同成巖階段(期、亞期、微期)，具有不同的孔隙類型(表1)，孔隙類型從原生-次生混合孔(圖6a)，演變?yōu)榇紊?圖6b、圖6c、圖6d)。

圖3 北部灣盆地福山凹陷區(qū)有機質(zhì)熱演化與成巖演化剖面

圖4 流沙港組儲集層礦物組成

圖5 福山凹陷成巖作用對儲集層孔隙度的影響

圖6 福山凹陷典型成巖照片

2.2.3 成巖演化對蓋層封堵能力的影響與控制

隨著地層埋深增加，Ro升高，壓實作用增強，孔隙度減小，泥巖蓋層排替壓力增大，封堵能力變強。因此，泥巖蓋層的封閉性能與成巖作用密切相關(guān)。付廣等[7]研究表明，泥巖蓋層的排替壓力與Ro呈正相關(guān)，但各沉積盆地的相關(guān)關(guān)系不同。隨埋深和成巖強度的增加，黏土礦物中可塑性和膨脹性較強的蒙皂石轉(zhuǎn)化為可塑性和膨脹性較差的伊利石和綠泥石[2]，與此同時排放大量Si4+、Ca2+、Fe3+、Mg2+：

KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20·10H2O(蒙皂石)+4.5K++8Al3+→3Si4++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++Na++10H2O+K5.5Mg2Fe1.5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)

(1)

這些陽離子可進一步形成二氧化硅、碳酸鹽和含鐵碳酸鹽礦物，使蓋層的硅質(zhì)和鈣質(zhì)含量增加，脆性增大，容易產(chǎn)生裂縫，蓋層封蓋能力變小。依據(jù)式(1)，可計算黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中脆性礦物生成的量。計算結(jié)果表明，1 mol蒙皂石形成1 mol伊利石的過程中，所生成的脆性礦物占生成物的20%左右。

孟元林[8]通過許多盆地的研究，得出了成巖演化過程中蓋層封閉能力的變化規(guī)律，本文在此基礎上，結(jié)合福山凹陷的具體地質(zhì)特征，研究了福山凹陷成巖演化與生、儲、蓋發(fā)育的關(guān)系(表1)。在碎屑巖成巖演化過程中，蓋層的封閉性能發(fā)生規(guī)律性的變化，從早成巖階段A期到中成巖階段A21微期，蓋層的封堵性能逐漸增加，在A21微期達到最大(表1)。而后，由于黏土礦物中脆性礦物的增加，封閉性能開始減弱。在中成巖階段A21微期末，85%的蒙皂石均發(fā)生了轉(zhuǎn)化，形成大量脆性礦物。

3 成巖史數(shù)值模擬的數(shù)學模型

本文應用東北石油大學的成巖作用數(shù)值模擬與優(yōu)質(zhì)儲集層預測系統(tǒng)(2012SR016332)[8]，進行了北部灣盆地福山凹陷的成巖作用數(shù)值模擬，恢復了成巖演化史，探討了成巖演化過程中生、儲、蓋層的發(fā)育史。該軟件綜合考慮壓力(P)、古地溫(T)、時間(t)和巖性(X)四種地質(zhì)因素對碎屑巖成巖作用的影響：首先定量模擬古地溫T、鏡質(zhì)組反射率Ro(%)、甾烷異構(gòu)化指數(shù)SI(甾烷C29S/S+R)、黏土礦物I/S混層中蒙皂石層的含量S(%)、自生石英含量Vq(%)這五項參數(shù)在古代隨時間的變化規(guī)律；然后對這些參數(shù)線性組合，構(gòu)建成巖作用數(shù)值模擬的數(shù)學模型，在時-空域內(nèi)自動計算成巖指數(shù)ID，恢復成巖史：

ID(x,y,z,t)=a1T(x,y,z,t)/TB+a2Ro(x,y,z,t)/RB+a3[100-S(x,y,z,t)]/(100-SB)+a4SI(x,y,z,t)/SIB+a5Vq(x,y,z,t)/VB

(2)

式中：ID為成巖指數(shù)；x，y，z為三維空間坐標；t為時間，Ma；TB、RB、SB、SIB、VB為中成巖階段末期T、Ro、S、SI和Vq的值，其值分別為175℃、2.0%、15%、0.56、12%；a1、a2、a3、a4、a5為權(quán)系數(shù)，其和為1.0。

4 成巖史與生、儲、蓋發(fā)育史

基于上述數(shù)學模型，本文模擬了福山凹陷白蓮次凹的一口典型井——H 2-2井的古埋深、古地溫、鏡質(zhì)組反射率Ro、黏土礦物I/S混層中蒙皂石層的含量S(混層比，%)、甾烷異構(gòu)化指數(shù)SI(甾烷C29S/S+R)、自生石英含量Vq(%)隨時間變化的規(guī)律。將各種參數(shù)輸入成巖作用模擬系統(tǒng)，計算不同地質(zhì)時期的成巖指數(shù)ID，得出了該井的埋藏史、成巖演化史(圖7)，圖中橫坐標是時間(Ma)，縱坐標是深度(km)。H 2-2井埋藏史的最大特點是：流沙港組和潿洲組沉積時期(E2l3+E2l2+E2l1+E3w)，福山凹陷處于同裂陷期(斷陷期)[4,9-10]，沉積速率快，埋藏史的斜率大；在N+Q沉積時期，福山凹陷進入裂后期(坳陷期)，整體下沉，接受新近紀和第四紀海相沉積，沉積速率降低，埋藏史的斜率減小，沉積速率僅為33 m/Ma。符合裂谷盆地的沉降史模式。

4.1 早成巖階段A期生、儲、蓋層特征

如圖7所示，ID=0.19、ID=0.32和ID=0.43三條等值線把H 2-2井的埋藏史和成巖史圖分為四個時-空域。

其中ID<0.19的時-空域，屬于早成巖階段A期。在早成巖階段A期，Ro<0.35%，流沙港組烴源巖有機質(zhì)未成熟，只能生成生物甲烷，脫羧、產(chǎn)酸也較少，溶蝕作用不強，儲集層主要發(fā)育原生孔隙；埋深和地溫較低，膠結(jié)作用很弱，砂巖中主要的自生礦物為蒙皂石和I/S混層；機械壓實作用不強，發(fā)育早期壓實相，孔隙度較高，主要發(fā)育高-特高孔隙度儲集層(圖5)。泥巖處于蒙皂石帶，具有較好的可塑性，但壓實不強，孔隙度較高，封閉性能差-中。

圖7 福山凹陷H 2-2井埋藏史和成巖演化史

4.2 早成巖階段B期生、儲、蓋層特征

圖7中0.19≤ID<0.32的時-空域處于早成巖階段B期。此時， 0.35%≤Ro<0.5%，烴源巖半成熟，只能生成低熟油和未熟油；烴源巖脫羧、產(chǎn)酸作用增強，生成的有機酸溶蝕相鄰儲集層，形成混合孔隙，發(fā)育早期膠結(jié)-溶蝕相，自生礦物主要為高嶺石和碳酸鹽，孔隙度較高，主要為中-高孔隙度儲集層(圖5)。泥巖壓實作用增強，孔隙度減小，封閉能力中等。

4.3 中成巖階段A1亞期生、儲、蓋層特征

圖7中0.32≤ID<0.43的時-空域?qū)儆谥谐蓭r階段A1亞期。在潿洲組沉積早期(E3w)，流沙港組進入中A1亞期。此時，0.5%≤Ro<0.7%，烴源巖進入生油門限，開始生油，導致H/C原子比迅速下降，在生烴的同時，干酪根脫羧、產(chǎn)酸，導致O/C原子比下降(圖2)；干酪根降解形成的有機酸溶蝕相鄰儲集層，形成次生孔隙，在這一時期，儲集層發(fā)育次生孔隙，孔隙度較高，主要為中-低孔隙度儲集層(圖5)。由于成巖強度增加，壓實作用增強，泥巖蓋層的孔隙度減小，蓋層的封堵能力達到中-好。

4.4 中成巖階段A21微期生、儲、蓋層特征

圖7中0.43≤ID<0.55的時-空域?qū)儆谥谐蓭r階段A21微期。在新近紀中新世(N1)，流沙港組進入A21成巖微期。在中成巖階段A21微期，Ro≥0.7%，烴源巖進入成熟階段，大量生烴。在干酪根大量生烴的同時，產(chǎn)生有機酸，溶蝕儲集層，形成次生孔隙，儲集層孔隙度有所改善，但壓實作用較強，孔隙度發(fā)育為低-特低孔；由于烴源巖處于大量生烴的成熟階段，烴源巖生成的天然氣大量溶于地層水中，增大了天然氣的濃度，使向上遞減的天然氣濃度梯度減小，擴散作用減弱，從而對下伏呈擴散運移的天然氣起到了封閉作用，形成烴濃度封閉。蓋層可能同時發(fā)育毛細管力封閉和烴濃度封閉，封閉能力達到最好，生、儲、蓋層發(fā)育俱佳。而且福山凹陷的大部分圈閉在古近紀形成，圈閉形成與生、儲、蓋層發(fā)育史匹配良好。十分有利于油氣藏的形成，油氣藏開始大規(guī)模形成。

4.5 中成巖階段A22微期生、儲、蓋層特征

圖7中ID≥0.55的時-空域?qū)儆谥谐蓭r階段A22微期。福山凹陷A22成巖微期，Ro>1.0%，有機質(zhì)成熟度較高，過了生油高峰，干酪根脫羧、產(chǎn)酸能力下降(圖2)，溶蝕作用變?nèi)?，次生孔隙減少。而且隨成巖強度增加，膠結(jié)作用漸強，孔隙度下降加快。儲集層主要為低孔-超低孔砂巖，物性條件相對上部地層整體上變差。

H 2-2井因發(fā)現(xiàn)工業(yè)油流停鉆，并做了大量分析化驗，資料比較齊全，但完鉆井深小于3 250 m，未鉆遇A22微期。目前，本區(qū)對該微相研究資料相對較少，待其他井獲取更多相關(guān)數(shù)據(jù)后，可做進一步深入分析。

5 結(jié) 論

(1)福山凹陷的碎屑巖成巖作用可分為早成巖階段A期、B期，中成巖階段A1亞期、A2亞期。以生油高峰為界(Ro=1.0%)，A2亞期又可分為A21和A22兩個微期，進入A22微期，溶蝕作用減弱。

(2)成巖作用對福山凹陷的生、儲、蓋層的發(fā)育均有明顯的控制作用。在不同成巖階段(期/亞期/微期)，生、儲、蓋層的發(fā)育特征明顯不同。

(3)成巖史影響控制著生、儲、蓋發(fā)育史和成藏史。在古近紀潿洲組沉積早期(E3w)，流沙港組烴源巖開始生烴；但直到新近紀中新世(N1)，福山凹陷流沙港組的生、儲、蓋層才發(fā)育俱佳，進入主成藏期，開始大規(guī)模成藏。