濟(jì)陽(yáng)坳陷義和莊—大王莊地區(qū)二疊系儲(chǔ)集層成巖作用及孔隙演化

王曄磊，邱隆偉，楊勇強(qiáng)，吳宛秋，楊保良，喬雨鵬

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）a.地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

近年來(lái)，隨著油氣需求增加和油氣勘探工作深入，上古生界砂巖儲(chǔ)集層成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。中國(guó)已在多個(gè)盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)上古生界砂巖油氣藏，其中，以鄂爾多斯盆地上古生界致密氣藏為典型代表[1-2]。在渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)部上古生界砂巖儲(chǔ)集層中，先后在孤北地區(qū)、高青地區(qū)和義和莊—大王莊地區(qū)發(fā)現(xiàn)油氣資源[3-6]。

前人針對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷二疊系碎屑巖儲(chǔ)集層與成藏的研究多集中于烴源巖及其演化、儲(chǔ)集層巖石學(xué)特征、成巖作用定性描述等[7-11]，但針對(duì)義和莊—大王莊地區(qū)儲(chǔ)集層成巖作用定量研究較少。本文在前人研究基礎(chǔ)上，利用巖心觀察和鑄體薄片鑒定，結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡、能譜、巖石學(xué)特征等，對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷義和莊—大王莊二疊系砂巖儲(chǔ)集層成巖作用進(jìn)行定量分析，并探討研究區(qū)儲(chǔ)集層成巖作用與孔隙成因，以期為砂巖儲(chǔ)集層勘探開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

義和莊凸起位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷西北部，是沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷之間的大型正向構(gòu)造單元，包括主體和斜坡2 部分[12]，西北部為相對(duì)寬緩的斜坡[13-14]。大王莊地區(qū)位于車鎮(zhèn)凹陷東南部、義和莊凸起的北部[15]。本文研究區(qū)涉及義和莊凸起主體和車鎮(zhèn)凹陷大王莊地區(qū)，總面積約100 km2，是濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)部富油氣區(qū)（圖1）。

圖1 濟(jì)陽(yáng)坳陷構(gòu)造分區(qū)Fig.1.Tectonic zones of Jiyang depression

鉆井揭示，研究區(qū)二疊系自下而上主要發(fā)育山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。前人研究表明：研究區(qū)經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)期擠壓逆斷、燕山運(yùn)動(dòng)期拉張斷陷、燕山運(yùn)動(dòng)—喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期擠壓轉(zhuǎn)拉張的復(fù)雜構(gòu)造演化[16]。印支運(yùn)動(dòng)期，揚(yáng)子板塊向北俯沖，與華北板塊相碰撞，受北北西—南南東向左旋剪切應(yīng)力作用，形成了義和莊—大王莊地區(qū)中—古生代構(gòu)造格局[17]。在印支運(yùn)動(dòng)擠壓作用下，義和莊—大王莊地區(qū)抬升剝蝕，導(dǎo)致二疊系石千峰組和上石盒子組上部大面積缺失。燕山運(yùn)動(dòng)期，揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞結(jié)束，在印支運(yùn)動(dòng)期形成的擠壓逆沖斷層發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)而成為正斷層。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期，研究區(qū)在區(qū)域張扭應(yīng)力的作用下，最終形成義和莊—大王莊地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造格局[18-19]。

義和莊—大王莊地區(qū)二疊系上石盒子組發(fā)育一套曲流河沉積體系[20]，其中，上石盒子組中部奎山段曲流河邊灘微相和河道底部滯留微相發(fā)育大套儲(chǔ)集砂體，砂巖厚度累計(jì)可達(dá)50 m，是研究區(qū)主要的油氣勘探目的層。該儲(chǔ)集層埋深多大于2 500 m，整體物性較差。

2 儲(chǔ)集層基本特征

研究區(qū)上石盒子組自下向上分為萬(wàn)山段、奎山段和孝婦河段，其中，儲(chǔ)集層主要發(fā)育在奎山段砂巖中，該段砂巖占儲(chǔ)集層厚度的76%，其次為孝婦河段和萬(wàn)山段。儲(chǔ)集層巖性以含礫砂巖和粗砂巖為主，厚度占儲(chǔ)集層總厚度的82%；其次為中砂巖和細(xì)砂巖，約占總厚度的11%；粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖所占比例較小。砂巖主要為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖（圖2a），通過(guò)鑄體薄片觀察統(tǒng)計(jì)，石英、長(zhǎng)石和巖屑的鏡下含量分別為78%、10%和12%；變質(zhì)石英巖屑在巖屑中占主導(dǎo)地位。砂體總體上具有粒度粗、石英含量高、長(zhǎng)石含量低和純凈的特點(diǎn)。儲(chǔ)集層孔隙類型主要為凝灰質(zhì)雜基溶孔及裂縫；除此之外，也有長(zhǎng)石溶孔、微孔隙、石英溶孔等，但總體數(shù)量較少。儲(chǔ)集層質(zhì)量直接受凝灰質(zhì)雜基的溶蝕和裂縫發(fā)育程度影響（圖2b）。研究區(qū)鉆遇二疊系砂巖取心井共計(jì)8 口，統(tǒng)計(jì)252 塊巖心樣品孔滲數(shù)據(jù)，儲(chǔ)集層孔隙度為1.4%～21.3%（圖2c），滲透率為0.01～35.00 mD（圖2d）；平均孔隙度約13.2%，平均滲透率約20.69 mD；總體屬于低孔低滲砂巖儲(chǔ)集層。

圖2 研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層特征Fig.2.Features of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3 儲(chǔ)集層成巖作用

強(qiáng)烈的成巖作用對(duì)于砂巖儲(chǔ)集層影響較大，使得巖石孔隙類型、礦物含量與分布變得更加復(fù)雜，其對(duì)儲(chǔ)集層孔隙的形成、破壞、改造等起到非常關(guān)鍵的作用。在成巖過(guò)程中，壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用是影響儲(chǔ)集層形成的關(guān)鍵因素，共同控制著儲(chǔ)集層孔隙的發(fā)育。本文挑選了現(xiàn)象明顯且具有代表性的16塊樣品對(duì)研究區(qū)成巖作用進(jìn)行分析。

3.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層現(xiàn)今埋深為2 500～3 000 m，壓實(shí)作用較強(qiáng)；通過(guò)顯微鏡下統(tǒng)計(jì)總石英含量（顆粒+變質(zhì)石英巖屑）可達(dá)89%，平均總石英含量約88%，高剛性顆?？稍鰪?qiáng)儲(chǔ)集層抗壓實(shí)能力，但儲(chǔ)集層埋深大，機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)烈；其主要表現(xiàn)為塑性顆粒壓實(shí)變形以及塑性顆粒擠壓變形發(fā)生假雜基化（圖3a），石英等剛性顆粒呈現(xiàn)線—凹凸接觸（圖3b）[21]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層的16 塊樣品進(jìn)行粒度統(tǒng)計(jì)，計(jì)算樣品分選系數(shù)、原始孔隙度和與視壓實(shí)率。研究區(qū)目的層儲(chǔ)集層平均視壓實(shí)率達(dá)59.65%，平均壓實(shí)減孔28.65%，根據(jù)強(qiáng)壓實(shí)（視壓實(shí)率大于70%）、中等壓實(shí)（視壓實(shí)率30%～70%）和弱壓實(shí)（視壓實(shí)率小于30%）劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要為中等壓實(shí)強(qiáng)度（表1）。

表1 研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層壓實(shí)情況統(tǒng)計(jì)Table 1.Compaction statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.2 膠結(jié)作用

通過(guò)鑄體薄片、陰極發(fā)光薄片和掃描電鏡觀察，結(jié)合黏土礦物X 射線衍射分析，明確義和莊—大王莊地區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層主要膠結(jié)作用類型包括方解石膠結(jié)、鐵方解石膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)、黃鐵礦膠結(jié)、自生石英次生加大等；各類膠結(jié)物含量差異較大。

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)內(nèi)具有總體含量較高，局部非常富集的特征。碳酸鹽膠結(jié)物富集段多為奎山段粗粒石英砂巖，推測(cè)其與砂體原始孔隙度較高、富Ca2+流體易沉淀有關(guān)[22]。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物類型主要包括顆粒狀白云石（圖3c）和顆粒狀含鐵白云石2類（圖3d）。

研究區(qū)儲(chǔ)集層內(nèi)黃鐵礦膠結(jié)同樣很富集，推測(cè)可能與成巖環(huán)境為還原環(huán)境有關(guān)或受熱液活動(dòng)影響。薄片觀察上石盒子組連片狀黃鐵礦，呈基底式或孔隙式充填，且可見(jiàn)顆粒多呈漂浮狀（圖3e）。

研究區(qū)儲(chǔ)集層內(nèi)黏土礦物膠結(jié)物包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙混層。通過(guò)鑄體薄片、陰極發(fā)光和掃描電鏡觀察，自生高嶺石多充填于粒間溶蝕和長(zhǎng)石溶蝕孔隙中，推測(cè)其形成可能與長(zhǎng)石溶蝕有關(guān)；高嶺石膠結(jié)非常普遍（圖3f），掃描電鏡下多呈板狀或書(shū)頁(yè)狀集合體（圖3g），晶形較好，陰極發(fā)光圖像呈深藍(lán)色。綠泥石膠結(jié)物分布也比較廣泛，但晶型較差，多表現(xiàn)為孔隙充填，掃描電鏡下可見(jiàn)少量鱗片狀綠泥石環(huán)繞石英顆粒生長(zhǎng)（圖3h）；伊利石和伊蒙混層在研究區(qū)分布較高嶺石與綠泥石少，X 射線衍射測(cè)試數(shù)據(jù)顯示伊蒙混層含量為0～40%，反映研究區(qū)較強(qiáng)的成巖作用。研究區(qū)二疊系上石盒子組自生石英含量整體較低，主要以石英次生加大邊的形式產(chǎn)出，最大厚度可達(dá)50 μm（圖3i），但總體發(fā)育較差。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)樣品視膠結(jié)率的計(jì)算，將樣品受到膠結(jié)作用強(qiáng)度按照強(qiáng)膠結(jié)（視膠結(jié)率大于20%）、中等膠結(jié)（視膠結(jié)率10%～20%）和弱膠結(jié)（視膠結(jié)率小于10%）劃分（表2）。結(jié)果表明，大671 井區(qū)和大677 井區(qū)主要為中等膠結(jié)，其主要膠結(jié)物類型為高嶺石和黃鐵礦；大古81 井區(qū)為強(qiáng)膠結(jié)，其主要膠結(jié)物類型為含鐵白云石。

表2 研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層膠結(jié)情況統(tǒng)計(jì)Table 2.Cementation statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.3 溶蝕作用

義和莊—大王莊地區(qū)二疊系上石盒子組碎屑巖儲(chǔ)集層溶蝕作用極為發(fā)育，溶蝕礦物多樣，以凝灰質(zhì)雜基溶蝕（圖3j）、長(zhǎng)石溶蝕（圖3k）等酸性溶蝕為主，也可見(jiàn)少量的石英及其加大邊的堿性溶蝕（圖3g）。通過(guò)對(duì)重點(diǎn)井溶蝕率和溶蝕增加孔隙度的分析，研究區(qū)二疊系儲(chǔ)集層平均視溶蝕率為28.44%，平均溶蝕增加孔隙度9.80%，按照強(qiáng)溶蝕（視溶蝕率大于65%）、中等溶蝕（視溶蝕率20%～65%）和弱溶蝕（視溶蝕率小于20%）進(jìn)行劃分，主要為中等溶蝕（表3）。

表3 研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層溶蝕情況統(tǒng)計(jì)Table 3.Dissolution statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

圖3 研究區(qū)二疊系上石盒子組主要成巖特征Fig.3.Primary diagenetic features of the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.4 儲(chǔ)集層孔隙成因分析

通過(guò)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)井樣品原始孔隙度、壓實(shí)后孔隙度、壓實(shí)率、壓實(shí)損失孔隙度、膠結(jié)物總量、膠結(jié)后孔隙度、膠結(jié)率、溶蝕增加孔隙度、溶蝕后孔隙度和溶蝕率，分析壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響，結(jié)果表明，壓實(shí)作用是研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙破壞的主要因素，其壓實(shí)減孔量占45%～90%。膠結(jié)作用減孔所占比例較少，一般小于25%，膠結(jié)作用是研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙破壞的次要因素，但個(gè)別井（如大古81井）儲(chǔ)集層受膠結(jié)作用影響較大，屬于局部現(xiàn)象（圖4）。

圖4 研究區(qū)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用評(píng)價(jià)Fig.4.Evaluation of compaction and cementation in the study area

4 儲(chǔ)集層孔隙演化差異性與控制因素

4.1 儲(chǔ)集層演化差異性

通過(guò)對(duì)研究區(qū)壓實(shí)作用減孔、膠結(jié)作用減孔和溶蝕作用增孔的綜合影響研究（表4），建立研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙綜合演化圖（圖5）。分析認(rèn)為，研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙演化總體上可分為“先破壞，再溶蝕”和“破壞后，未溶蝕”2 種類型。結(jié)合鑄體薄片與儲(chǔ)集層孔隙演化，以大671 井和大677 井樣品為代表，表現(xiàn)為“先破壞，再溶蝕”，其以原始凝灰質(zhì)雜基含量高，快速壓實(shí)減孔明顯，后期凝灰質(zhì)雜基蝕變后溶蝕，增孔較明顯為特征，形成義和莊—大王莊地區(qū)二疊系砂巖儲(chǔ)集層甜點(diǎn)段。以大古81 井為代表，表現(xiàn)為“破壞后，未溶蝕”，其原始凝灰質(zhì)雜基含量低，剛性顆?？箟簩?shí)能力強(qiáng)，壓實(shí)后孔隙度較高，但大規(guī)模鐵白云石膠結(jié)使孔隙度驟降，后發(fā)生溶蝕作用較弱，現(xiàn)今孔隙度低。

圖5 研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙綜合演化圖Fig.5.Evolution of pores in the Permian Shangshihezi formation in the study area

表4 研究區(qū)二疊系上石盒子組砂巖儲(chǔ)集層成巖作用統(tǒng)計(jì)Table 4.Diagenesis statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

4.2 儲(chǔ)集層演化差異性控制因素

“先破壞，再溶蝕”和“破壞后，未溶蝕”2 種類型儲(chǔ)集層中孔隙發(fā)育類型的差異主要體現(xiàn)在凝灰質(zhì)雜基溶蝕和裂縫發(fā)育程度。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)華北地臺(tái)二疊紀(jì)火山事件，其主要發(fā)育凝灰熔巖類、火山角礫巖類、凝灰?guī)r類、沉凝灰?guī)r類和凝灰質(zhì)沉積巖類[23]；其中，徐興等[24]研究山東地區(qū)二疊紀(jì)火山事件沉積特征，指出山東地區(qū)的火山事件沉積是以降落型和水?dāng)y型為主。這也是研究區(qū)砂巖中凝灰質(zhì)雜基較為發(fā)育的原因，其為研究區(qū)儲(chǔ)集層溶蝕作用提供母質(zhì)。

大王莊鼻狀構(gòu)造斷裂系統(tǒng)具有繼承性多期活動(dòng)的特點(diǎn)，在古近紀(jì)活動(dòng)最為強(qiáng)烈，在沙四段—沙二段沉積期，活動(dòng)速率達(dá)到峰值，新近紀(jì)以后斷層活動(dòng)逐漸減弱，但始終維持在較高水平[25-27]，因此研究區(qū)斷裂系統(tǒng)發(fā)育，構(gòu)造破碎，斷塊發(fā)育。構(gòu)造裂隙發(fā)育為酸性流體運(yùn)移提供了有效通道，因此也促進(jìn)了溶蝕作用的進(jìn)行。在“先破壞，再溶蝕”儲(chǔ)集層中可以觀察到薄片中微裂縫周圍凝灰質(zhì)溶蝕極其發(fā)育，溶蝕孔隙面孔率與裂縫面孔率正相關(guān)，表明孔隙度增大以及孔隙連通性的改善非常明顯。這類儲(chǔ)集層樣品在單位視域（放大25倍視域）內(nèi)裂縫條數(shù)多大于2條，凝灰質(zhì)雜基溶蝕明顯。相反，“破壞后，未溶蝕”儲(chǔ)集層由于缺少裂縫的溝通，其僅見(jiàn)少量凝灰質(zhì)雜基和長(zhǎng)石輕微的溶蝕，對(duì)儲(chǔ)集層物性改善程度較低。

5 結(jié)論

（1）濟(jì)陽(yáng)坳陷義和莊—大王莊地區(qū)二疊系上石盒子組儲(chǔ)集層以河流相粗砂巖和含礫粗砂巖為主；主要為石英含量較高的巖屑石英砂巖，總體屬于低孔低滲砂巖儲(chǔ)集層。

（2）研究區(qū)二疊系上石盒子組儲(chǔ)集層砂巖經(jīng)歷了多種類型的成巖作用，包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。壓實(shí)作用為研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙破壞的主要因素，膠結(jié)作用為次要因素。

（3）研究區(qū)儲(chǔ)集層孔隙演化總體上可分為“先破壞，再溶蝕”和“破壞后，未溶蝕”2 種類型，前者以原始凝灰質(zhì)雜基含量高，快速壓實(shí)減孔明顯，裂縫發(fā)育，后期凝灰質(zhì)雜基蝕變后溶蝕，增孔較明顯為特征，形成濟(jì)陽(yáng)坳陷義和莊—大王莊地區(qū)二疊系砂巖儲(chǔ)集層甜點(diǎn)段。后者原始凝灰質(zhì)雜基含量低，剛性顆?？箟簩?shí)能力強(qiáng)，壓實(shí)后孔隙度較高，但大規(guī)模鐵白云石膠結(jié)使孔隙度驟降，裂縫發(fā)育程度弱，后期發(fā)生溶蝕作用也較弱，現(xiàn)今孔隙度低。