深層儲層原生孔隙成巖作用保存機制及模式
——以珠江口盆地惠州凹陷南部恩平組和文昌組為例

常思遠， 陳冬霞， 汪 成， 王翹楚， 劉子驛， 王福偉

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 2. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 )

0 引言

隨世界對油氣資源需求量的加大，深層油氣資源逐步取代中淺層，深層油氣藏成為未來油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一[1]。2008～2018年，全球深層—超深層(儲層埋深大于4.0 km)石油探明儲量約為1.43×1010t，深層—超深層天然氣探明儲量約為9.10×109t[2]。深層油氣資源存在物性差異，多數(shù)儲層平均孔隙度約為5%，平均滲透率小于1×10-3μm2[3]。非均質(zhì)性強，開采難度大，識別優(yōu)質(zhì)儲層是油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵。

近年來，在塔北隆起西側(cè)英買力地區(qū)埋深為4.9～5.2 km的巴西改組深層儲層，黃驊坳陷東北部南堡凹陷4構(gòu)造帶埋深為3.8～4.2 km的古近系深層儲層，準噶爾盆地腹部埋深為3.5～4.5 km的深層儲層，以及北海盆地埋深為3.4～4.4 km的侏羅統(tǒng)深層儲層發(fā)現(xiàn)大量原生孔隙。人們對不同地區(qū)深層儲層原生孔隙保存機制進行研究：塔北巴西改組深層儲層原生孔隙主要是由雜基含量少和低地溫使壓實作用不充分而保存的[4]；黃驊坳陷古近系深層儲層原生孔隙是油氣充注抑制碳酸鹽膠結(jié)和異常高壓抑制壓實作用共同形成的[5]；準噶爾盆地深層儲層原生孔隙分布受控于厚層欠壓實泥巖帶[6]；北海盆地侏羅統(tǒng)深層儲層原生孔隙是在早期綠泥石包膜抑制石英次生加大形成的[7]。不同地區(qū)深層儲層原生孔隙的保存機制存在差異，不同控制因素對深層儲層原生孔隙的影響程度也不同。

中國南海東部珠江口盆地惠州凹陷勘探開發(fā)取得進展，深層恩平組、文昌組發(fā)現(xiàn)較多油氣顯示。研究區(qū)儲層孔隙類型以原生孔隙為主，原生孔隙的保存機制是形成深層優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵[8-10]。目前，研究區(qū)儲層埋藏深，導(dǎo)致成巖流體—成巖環(huán)境—成巖礦物復(fù)雜，使成巖演化機理認識不清。以珠江口盆地惠州凹陷南部恩平組和文昌組為研究對象，結(jié)合巖石薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡、儲層物性、埋藏史等資料，分析儲層特征，研究深層儲層成巖作用原生孔隙保存機制，建立原生孔隙保存模式，為研究區(qū)深層勘探及完善深層優(yōu)質(zhì)儲層形成機理提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

珠江口盆地是中國近海新生代被動大陸邊緣的裂谷盆地，惠州凹陷是重要的油氣富集區(qū)，位于華南大陸南緣珠江口盆地的珠一坳陷中部，東西兩側(cè)分別以惠陸低凸起和惠西低凸起陸豐凹陷、西江凹陷相分隔，面積約為1×104km2?；葜莅枷菡w經(jīng)歷晚白堊世—早漸新世斷陷期、晚漸新世—中中新世拗陷階段和晚中新世—至今的塊斷升降期，研究區(qū)位于惠州凹陷南部，分布西江23洼、西江24洼、惠州25轉(zhuǎn)換斜坡帶、惠州26洼等構(gòu)造單元(見圖1(a))。

受多期構(gòu)造運動影響，惠州凹陷南部主要沉積古近系神狐組、文昌組、恩平組、珠海組和新近系珠江組、韓江組、粵海組、萬山組。目的層埋深為3.5～4.5 km，其中，恩平組發(fā)育湖沼、河流—三角洲平原沉積，沉積一套灰白色砂巖與黑灰色泥巖互層的巖性組合；文昌組以湖相沉積為主，發(fā)育一套厚層暗色泥巖，二者組成研究區(qū)重要的烴源巖層與儲集層(見圖1(b))。

圖1 珠江口盆地惠州凹陷南部構(gòu)造劃分及綜合柱狀圖Fig.1 Structural division and comprehensive histogram in the Southern Huizhou Sag, Pearl River Mouth Basin

2 儲層特征

珠江口盆地惠州凹陷南部恩平組主要發(fā)育長石巖屑質(zhì)石英砂巖，文昌組主要發(fā)育長石巖屑砂巖(見圖2(a))，其中w(石英)介于17.0%～87.5%，平均為35.0%；w(長石)介于3.0%～40.0%，平均為28.5%；w(巖屑)介于15.0%～62.0%，平均為28.0%(見圖2(b))?？紫抖冉橛?.9%～17.3%，平均為13.3%；滲透率介于(0.034～152.683)×10-3μm2，平均為18.050×10-3μm2(見圖3)。儲層分選以中等為主，粒度以中砂巖、粗砂巖為主，孔隙類型以原生孔隙為主，次生孔隙次之。沉積微相主要以水動力較強的水下分流河道為主，少部分為堤岸、河口壩和前緣席狀砂沉積微相(見圖4)，原生孔隙貢獻的面孔率介于0～27.00%，平均為6.36%；次生孔隙貢獻的面孔率介于0～14.00%，平均為1.44%，各孔隙類型面孔率分布范圍和平均值見表1。原生孔隙主要為原生粒間孔，為經(jīng)壓實作用后未被其他物質(zhì)充填的原生顆粒之間的孔隙，同時存在由方解石、高嶺石、石英次生加大，以及黃鐵礦等次生礦物充填后形成的充填剩余原生粒間孔(見圖5 (a-d))。次生孔隙以長石沿解理發(fā)育的蜂窩狀粒內(nèi)溶孔(見圖5(e-g))為主，其次是經(jīng)歷壓實作用后，粒間孔變小，對孔內(nèi)充填的硅質(zhì)膠結(jié)或伊利石雜基進行溶蝕而形成的粒間溶孔(見圖5(h))；此外，掃描電鏡可觀察自生高嶺石黏土礦物晶體之間的晶間孔也有發(fā)育(見圖5(i))。整體上，碎屑顆粒之間大多呈線接觸特征，并偶見有凹凸接觸特征(見圖5(f-h))。

圖2 惠州凹陷南部恩平組、文昌組巖性三角圖及碎屑組分柱狀圖Fig.2 Lithological triangle map and clastic composition content of the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

圖3 惠州凹陷南部恩平組、文昌組孔隙度、滲透率與埋深關(guān)系Fig.3 The relationship between porosity, permeability and burial depth of the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

表1 惠州凹陷南部恩平組、文昌組不同孔隙類型面孔率

圖4 惠州凹陷南部恩平組、文昌組沉積微相、分選、粒度、孔隙類型分布直方圖Fig.4 Histogram of sedimentary microfacies, sorting, grain size, and pore type distribution of the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

圖5 惠州凹陷南部恩平組、文昌組孔隙類型鏡下特征Fig.5 Microscopic characteristics of reservoir pore types of the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

3 原生孔隙影響因素

在巖石沉積或成巖過程中形成的原生孔隙，最初孔隙度達到40%，隨埋深的增大，原生孔隙減??；粒間孔發(fā)生晶體沉淀與生長，形成膠結(jié)物堵塞粒間孔，壓實作用和膠結(jié)作用是導(dǎo)致原生孔隙損失的兩大因素[8,11-13]。

惠州凹陷恩平組、文昌組鏡下可識別的接觸類型主要為線接觸，局部可見點接觸、凹凸接觸(見圖6(a-c))，整體呈較強的壓實作用。膠結(jié)物類型主要為黏土礦物膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)，少量為硅質(zhì)膠結(jié)。黏土礦物膠結(jié)以高嶺石膠結(jié)為主，一種為長石蝕變形成的晶體較小的早期成巖產(chǎn)物(見圖6(g))，另一種為呈蠕蟲狀分布(見圖6(d、f))。碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石，以孔隙式產(chǎn)出，充填于孔隙間(見圖6(e、h))。硅質(zhì)膠結(jié)主要為石英次生加大邊(見圖6(i))。整體上，恩平組膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)普遍小于5.0%(見圖7(a(i)))，文昌組膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)介于5.0%～10.0%(見圖7(a(ii)))，膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)與孔隙度呈負相關(guān)關(guān)系。根據(jù)HOUSEKNECHT D W等[12]提出的評估壓實作用與膠結(jié)作用圖版，惠州凹陷恩平組、文昌組由壓實作用導(dǎo)致的原生孔隙損失率普遍介于40.0%～ 70.0%，由膠結(jié)作用導(dǎo)致的原生孔隙損失率普遍小于20.0%，文昌組相比于恩平組埋深更深、膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)更高，所以文昌組壓實作用與膠結(jié)作用導(dǎo)致的原生孔隙損失更大(見圖7(b))。

圖6 惠州凹陷南部恩平組、文昌組減孔作用鏡下特征Fig.6 Microscopic characteristics of reservoir porosity reduction in Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

圖7 惠州凹陷南部恩平組、文昌組膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)與孔隙度、粒間體積的關(guān)系Fig.7 Relationship between cement mass fraction and porosity and intergranular volume of reservoirs in Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

4 原生孔隙保存機制——壓實作用抑制

4.1 地溫梯度

砂巖的壓實作用表現(xiàn)為兩種方式，一種是機械壓實作用，另一種是熱效應(yīng)壓實作用。機械壓實作用表現(xiàn)埋深加大，導(dǎo)致上覆巖石載荷增大而引起原生孔隙減少。熱效應(yīng)壓實作用表現(xiàn)地層溫度升高，使巖石或礦物內(nèi)部的激活能增加，各組成部分或質(zhì)點之間的內(nèi)聚力降低，導(dǎo)致巖石和礦物易于變形，造成巖石或礦物的破裂強度或屈服強度降低，最終使原生孔隙減小[14]。在成巖過程中，地溫場不僅影響水巖反應(yīng)的類型和速率，還影響砂巖的壓實速率，高地溫梯度下，砂巖的壓實速率越快，儲層的壓實減孔效應(yīng)越明顯，原生孔隙損失越快[8,15-17]。

惠州凹陷地溫梯度(G)平均為3.1 ℃/100 m，屬于較低的地溫梯度，與張麗等[17]研究的珠二坳陷高地溫梯度(地溫梯度>4 ℃/100 m)的鏡下薄片比較：在砂巖顆粒的接觸關(guān)系方面，二者為點接觸—線接觸—凹凸接觸，但存在較大差異，用線接觸代表較強的壓實作用，惠州凹陷線接觸埋深最淺為3.0 km，最深為4.5 km，在埋深4.0～4.5 km之間還可觀察到點接觸。珠二坳陷地溫梯度介于4.0～4.5 ℃/100 m時，線接觸埋深最淺為2.5 km，最深為3.7 km；地溫梯度大于4.5 ℃/100 m時，線接觸埋深最淺為2.0 km，最深為2.4 km。隨地溫梯度的增大，線接觸的埋深越淺，線接觸的埋深范圍更窄(見圖8)。由圖8可知，在相同埋深下，高地溫梯度砂巖顆粒呈緊密的凹凸接觸；較低的地溫梯度砂巖顆粒之間處于線接觸，局部可觀察到點接觸。因此，較低的地溫梯度降低砂巖的壓實速率，導(dǎo)致壓實作用不充分，有利于原生孔隙的保存。

4.2 埋藏方式

埋藏方式對原生孔隙的保存有重要作用，一方面，在早期淺埋藏階段形成的方解石膠結(jié)物使顆粒之間呈點接觸，并承載上覆地層壓力，抑制壓實作用；另一方面，由于早期較長時間淺埋藏使巖石骨架顆粒的排列和顆粒之間的接觸方式已經(jīng)定型，晚期快速埋藏階段時間短，壓實作用沒有對改變顆粒排列和顆粒接觸方式發(fā)揮充分作用[4,18-20]。

惠州凹陷沉積埋藏史見圖9。由圖9可知，自47.8 Ma開始沉積，沉積至43.8、33.0 Ma時，發(fā)生兩次抬升，30.0 Ma開始，構(gòu)造穩(wěn)定，持續(xù)沉降。整體特征為：早期沉降緩慢，同時沉降幅度小，文昌組埋深在1.0 km左右；晚期沉降迅速，沉降幅度大。這種早期較長時間淺埋藏、晚期快速持續(xù)埋藏的方式，使巖石顆粒在早期成巖階段排列方式和接觸方式基本定型；同時，一些早期的碳酸鹽膠結(jié)物充填于顆粒之間，在后期快速埋藏過程中，壓實作用對顆粒的排列方式和接觸方式改變減弱，有利于原生孔隙的保存(見圖6(a))。

圖8 珠江口盆地不同地溫梯度砂巖顆粒接觸關(guān)系(圖(a-b)數(shù)據(jù)來源于文獻 [17])Fig.8 Contact relationship of sandstone particles under different geothermal gradients in the Pearl River Mouth Basin (fig.(a-b) data are from reference[17])

圖9 惠州凹陷南部Hz25-7-2井埋藏史Fig.9 Burial history of well Hz25-7-2 in the southern part of Huizhou Sag

4.3 碳酸鹽差異膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)作用的最終結(jié)果是占據(jù)孔隙空間，堵塞孔隙，降低儲層物性，對儲層物性起破壞性作用；早期膠結(jié)物的形成對碎屑顆粒提供支撐作用，有效抑制壓實作用對孔隙空間的破壞，為后期溶蝕提供物質(zhì)基礎(chǔ)，對儲層物性也有積極的一面[21-25]。

4.3.1 碳酸鹽膠結(jié)物賦存狀態(tài)

結(jié)合鏡下薄片觀察，惠州凹陷發(fā)育3期碳酸鹽膠結(jié)物。第一期碳酸鹽膠結(jié)物呈連晶狀膠結(jié)于碎屑顆粒之間，碎屑顆粒通常呈點接觸或不接觸，碎屑顆粒未見明顯由壓實作用產(chǎn)生的壓裂紋，為早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物(見圖10(a))；同時，陰極發(fā)光顯示早期碳酸鹽膠結(jié)物呈亮橙色(見圖10(g-h))。第一期碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于壓實期以前，對之后的壓實作用起抑制作用，是一種建設(shè)性成巖作用，一方面增強砂巖的抗壓實能力，另一方面為后期的溶蝕作用提供可溶物質(zhì)。第二期碳酸鹽膠結(jié)物成分主要為鐵方解石，鏡下呈紫紅色，陰極發(fā)光呈暗橙色，主要充填于顆粒之間(見圖10(b、i))，或是交代長石(見圖10(c))、黑云母(見圖10(d))，碎屑顆粒多呈線接觸，表明砂巖受到較強的壓實作用。第三期碳酸鹽膠結(jié)物主要為無色的鐵白云石，多呈分散狀分布于剩余粒間孔(見圖10(e-f))，陰極發(fā)光呈無色(見圖10(i))。

圖10 惠州凹陷南部恩平組、文昌組碳酸鹽膠結(jié)物鏡下特征Fig.10 Characteristics of carbonate cemented objectives in the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

4.3.2 碳酸鹽膠結(jié)物對儲層物性的影響

碳酸鹽膠結(jié)物的形成占據(jù)孔隙空間，結(jié)合孔隙度、碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)與埋深的關(guān)系，相對高的碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)的孔隙度相對較低(見圖11(a))。碳酸鹽膠結(jié)物對儲層是一種破壞性成巖作用，通過統(tǒng)計碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)與砂泥接觸面距離關(guān)系，表現(xiàn)差異膠結(jié)的現(xiàn)象，對儲層原生孔隙保存有積極的一面。與砂泥接觸面距離<1 m時，w(碳酸鹽膠結(jié)物)>10.0%；與砂泥接觸面距離介于1～2 m時，w(碳酸鹽膠結(jié)物)介于3.0%～10.0%；與砂泥接觸面距離>2 m時，w(碳酸鹽膠結(jié)物)<3.0%(見圖11(a))。這種差異膠結(jié)的現(xiàn)象是由水巖反應(yīng)強度的差異造成的，隨埋深的增加，泥巖受壓實作用排水，通過砂泥巖界面向砂巖內(nèi)部滲透，在緊鄰泥巖部位的砂巖處形成碳酸鹽膠結(jié)，導(dǎo)致砂體的頂?shù)撞孔兊弥旅?，連通性差，阻止之后的膠結(jié)作用，使砂體中部形成疏松層，保護原生孔隙。碳酸鹽膠結(jié)為后期次生孔隙提供酸性流體的通道，使砂體中部的物性好于砂體兩端的(見圖11(b))。

4.4 早期油氣充注

油氣充注對儲層原生孔隙保存產(chǎn)生影響，油氣占據(jù)孔隙，一方面為顆粒增加抗壓實能力，另一方面導(dǎo)致孔隙水無機離子濃度降低，使石英次生加大邊、碳酸鹽礦物沉淀和黏土礦物的生長受到抑制，二者對儲層原生孔隙的保存起積極作用。

圖11 惠州凹陷南部恩平組、文昌組碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分數(shù)特征與模式Fig.11 Characteristics and models of carbonate cement mass fractions in the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

4.4.1 鏡下特征

根據(jù)惠州凹陷恩平組、文昌組鏡下薄片鑒定，儲層填隙物中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到2.0%，鏡下觀察有明顯的油氣充注痕跡和瀝青顯示，其賦存狀態(tài)類型為：(1)以瀝青形式充填于孔隙之間，儲層巖石顆粒之間多表現(xiàn)為點—線接觸，屬于相對埋深較淺時期的充注(見圖12(a、d-f))；(2)以瀝青襯墊形式產(chǎn)出于粒間孔隙外圍，也屬于早期烴類充注演化結(jié)果(見圖12(b-c))；(3)以液態(tài)形式充填于孔隙之間(見圖12(h))，在熒光照片下，較早一期的油氣顯示為綠色光，分布于孔隙邊緣，較晚一期的油氣顯示為黃綠色光，分布于孔隙之間(見圖12(i))；(4)以瀝青形式與雜基或條帶狀泥質(zhì)混雜產(chǎn)出，也屬于早期烴類充注的演化結(jié)果(見圖12(g))。

4.4.2 儲層物性影響

烴類充注類型可劃分為早期烴類和晚期烴類，與原生孔隙關(guān)系表明：隨早期烴類體積分數(shù)的增加，原生孔隙占比增加(見圖13(a))；晚期烴類充注占據(jù)原生孔隙，與原生孔隙占比呈負相關(guān)關(guān)系(見圖13(b))。早期烴類充注可以通過增加巖石顆粒的抗壓性及抑制膠結(jié)物的生成而保護原生孔隙。

圖13 惠州凹陷南部恩平組、文昌組烴類體積分數(shù)與原生孔隙占比關(guān)系Fig.13 Relationship between hydrocarbon volume fraction and primary pore proportion of the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

4.5 原生孔隙保存模式

惠州凹陷成巖作用下的原生孔隙保存模式見圖14。由圖14可知，在早期較長時間淺埋藏的背景下，巖石顆粒排列和接觸方式基本定型，后期快速深埋藏使壓實作用對巖石顆粒影響不充分。在埋藏過程中，一方面，砂體兩端與泥巖接觸，泥巖受到上覆地層壓力作用而向砂體排水，使得砂體兩端水巖反應(yīng)強烈，產(chǎn)生較多的碳酸鹽膠結(jié)；不僅增強砂巖顆粒的抗壓實能力，而且抑制水向砂體中部運移而產(chǎn)生碳酸鹽膠結(jié)，使得砂體中部較砂體兩端更為疏松，保留大量原生孔隙。另一方面，早期的烴類充注不僅增強巖石顆粒的抗壓實能力，而且降低孔隙水中的離子濃度，阻止石英次生加大的進程，對原生孔隙保存也有積極的作用。在成巖作用和埋深較深的情況下，惠州凹陷恩平組、文昌組保留大量原生孔隙。

圖14 惠州凹陷南部恩平組、文昌組原生孔隙保存模式Fig.14 Preservation model of primary pores in the Enping and Wenchang Formations in the Southern Huizhou Sag

5 結(jié)論

(1)珠江口盆地惠州凹陷南部恩平組、文昌組儲層埋深為3.5～4.5 km，恩平組主要發(fā)育長石巖屑質(zhì)石英砂巖，文昌組主要發(fā)育長石巖屑砂巖，平均孔隙度為13.3%，平均滲透率為18.050×10-3μm2。沉積微相主要以水動力較強的水下分流河道為主，分選中等，孔隙類型主要為原生孔隙。

(2)惠州凹陷南部原生孔隙巖石顆粒的接觸方式和排列方式在早期成巖階段基本定型，一方面地溫梯度為3.1 ℃/100 m，使壓實作用不充分；另一方面，早期碳酸鹽差異膠結(jié)和烴類充注使壓實作用和膠結(jié)作用較弱，保留大量原生孔隙。

(3)惠州凹陷南部原生孔隙發(fā)育模式：恩平組、文昌組儲層早期淺埋藏，后期快速埋藏和較低地溫梯度，巖石顆粒排列和接觸方式較早定型，壓實作用不充分；同時，早期的碳酸鹽膠結(jié)物充填于顆粒之間，增加巖石顆粒抗壓能力及阻止砂體中部進一步膠結(jié)，砂體在保留大量原生孔隙過程中還有早期的烴類充注，在成巖作用下，儲層保留大量原生孔隙。