文昌X油田珠海組低滲儲層成巖作用與孔隙演化

楊麗，彭志春，劉薇，覃利娟，張翥

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?570311）

0 引言

文昌X油田是南海西部海域近幾年新發(fā)現(xiàn)的低滲油田，該區(qū)域石油地質(zhì)條件優(yōu)越、生儲蓋組合發(fā)育，具有很高的含油氣潛力。目的層珠海組二段（ZH2）厚層砂巖分布穩(wěn)定，但是沉積微相變化快、沉積構(gòu)造豐富，儲層巖性變化大、局部膠結(jié)致密、非均質(zhì)性較強(qiáng)、成巖現(xiàn)象豐富、受成巖作用改造明顯。碎屑巖儲層的成巖作用及演化特征與勘探開發(fā)緊密相關(guān)，近幾年在石油地質(zhì)研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［1-5］。成巖作用及演化特征是儲層形成和發(fā)育過程中主要的控制因素，直接影響孔隙的演化趨勢［6］。研究區(qū)低滲儲層物性展布規(guī)律不僅受沉積因素的影響，還主要受后期成巖改造作用的控制。相比常規(guī)儲層，低滲儲層經(jīng)歷了更為復(fù)雜的埋藏史，成巖改造作用強(qiáng)烈，孔喉系統(tǒng)復(fù)雜多變，儲集性能差，增儲上產(chǎn)難［7-8］。低滲儲層物性演化過程及成因異常復(fù)雜，儲層成巖作用及其對孔隙演化的定量研究顯得尤為重要。

本文基于鑄體薄片鏡下分析、掃描電鏡、碳氧同位素及常規(guī)物性分析等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了文昌X油田珠海組二段低滲儲層的巖石學(xué)特征、成巖作用特征及孔隙類型等，并在此基礎(chǔ)上建立了基于成巖序列約束下的孔隙演化定量分析方法，以期為低滲儲層的有利區(qū)預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

文昌A凹陷是珠江口盆地天然氣勘探的主要區(qū)域［9］，是南海北部珠江口盆地珠三坳陷的二級構(gòu)造單元，東鄰神狐隆起，西南與文昌B，C凹陷相接，北鄰陽江低凸起［10］。文昌A凹陷為典型的“南斷北超”“下斷上拗”箕狀凹陷，整體呈北東向展布。文昌X油田位于文昌A凹陷六號斷裂帶與珠三南斷裂帶之間的斷階轉(zhuǎn)換帶，為斷塊/斷鼻圈閉，處于鼻狀隆起高部位。文昌X油田主要目的層為珠海組二段、三段（ZH3）及恩平組一段、二段，本次研究目的層為珠海組二段。珠海組為海灣背景受潮汐影響的濱?！獪\海相沉積，其沉積物主要來自東南部神狐隆起。由于相對海平面發(fā)生頻繁變化及間歇構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該區(qū)域經(jīng)歷了較復(fù)雜的沉積演化，自下而上發(fā)育受潮汐影響的濱海潮坪沉積、濱海—淺海內(nèi)陸架沉積及三角洲沉積，總體為海侵沉積層序。珠海組二段主要為扇三角洲前緣—潮坪沉積。

2 儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)6口井252顆井壁取心資料，對珠海組二段開展巖石學(xué)特征研究。珠海組二段儲層整體以灰色、褐灰色粗砂巖和中粗砂巖為主，局部含礫。碎屑成分以巖屑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5%～59.5%，平均為31.4%）為主，主要為多晶石英；其次為石英（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%～69.0%，平均為28.0%），長石相對較少 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%～25.0%，平均為13.3%）。巖石類型主要為長石質(zhì)巖屑砂巖，其次為長石巖屑質(zhì)石英砂巖（見圖1）。陸屑成熟度指數(shù)分布在0.1～4.5，平均為0.9，總體上成分成熟度較低。泥質(zhì)雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，平均為2.7%。儲層分選性中—差及中等，顆粒支撐，磨圓度為次棱—次圓，顆粒間呈點(diǎn)—線接觸，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

綜上所述，文昌X油田珠海組二段儲層在物源供給充足的沉積環(huán)境中，砂體厚度大、粒度中—粗，石英、長石等剛性顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，泥質(zhì)雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，儲層成分成熟度低、結(jié)構(gòu)成熟度中等。

2.2 孔隙類型

碎屑巖孔隙按照成因可劃分為原生孔隙和次生孔隙［11］。通過顯微鏡下觀察鑄體薄片可以發(fā)現(xiàn)，文昌X油田珠海組二段儲層孔隙類型包括原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔、長石溶孔、粒間溶孔、鑄?？?、巖屑溶孔、高嶺石晶間孔、膠結(jié)物溶孔和生物體腔孔。由孔隙定量分析結(jié)果可知：珠海組二段孔隙類型以長石粒內(nèi)溶孔和鑄模孔為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32.0%，28.8%；其次為原生粒間孔，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.1%；偶見生物體腔孔、膠結(jié)物溶孔。整體上以次生孔隙為主，原生孔隙為輔，平均面孔率為12.6%。主力油組ZH2Ⅰ油組的含礫粗砂巖及粗砂巖孔隙發(fā)育好，以粒間孔、鑄?？诪橹?，發(fā)育少量超大溶孔，含小型溶洞（見圖2）。

2.3 物性特征

對研究區(qū)儲層實(shí)測常規(guī)物性統(tǒng)計(jì)可知：珠海組二段孔隙度主要分布在12%～18%，平均為14%，孔隙度中值為 15.2%；滲透率分布在2×10-3～32×10-3μm2，平均為 75.4×10-3μm2，滲透率中值為 10.8×10-3μm2，屬于中孔低滲儲層（見圖3）。根據(jù)研究區(qū)儲層測井物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，主力油組ZH2Ⅰ油組各井孔隙度平均值在11.2%～18.0%，滲透率平均值在 1.3×10-3～262.2×10-3μm2?？拷洗髷嗔训膬勇裆钶^淺、物性最好；而在水道側(cè)緣區(qū)的砂巖厚度薄、巖性較細(xì)、物性較差。

3 成巖作用特征與成巖階段

研究區(qū)成巖現(xiàn)象豐富，包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用等，其中壓實(shí)作用主要為機(jī)械壓實(shí)作用，膠結(jié)作用主要為碳酸鹽膠結(jié)。儲層的物性特征就是這些成巖作用共同改造的結(jié)果。

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用存在于埋藏成巖階段的整個(gè)過程［12］，是研究區(qū)最主要的成巖作用，對儲層來說，是一種破壞性成巖作用［13］。顯微鏡下可觀察到：泥質(zhì)條帶、云母等軟塑性顆粒被壓彎變形；細(xì)砂、極細(xì)砂巖的碎屑顆粒受壓呈定向排列；顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)—線接觸、線接觸，甚至凹凸接觸；巖屑被壓變形，呈假雜基化等（見圖4）。

壓實(shí)損失的孔隙度和壓實(shí)率可以對壓實(shí)強(qiáng)度進(jìn)行定量評價(jià)。根據(jù)文昌X油田11口井珠海組和恩平組297塊樣品鑄體薄片的鑒定結(jié)果可知：珠海組二段整體埋深較淺，壓實(shí)后損失的孔隙度在11.2%～23.4%，壓實(shí)率在29.8%～62.8%，平均為49.2%，屬于弱壓實(shí)—中等壓實(shí)成巖相；壓實(shí)作用的影響因素主要為埋深，隨著埋深增加，上覆地層壓力增大，壓實(shí)作用增強(qiáng)，壓實(shí)率和埋深呈明顯正相關(guān)關(guān)系。此外，沉積物粒度和分選性對砂巖抗壓實(shí)作用有重要影響。粗砂巖、含礫粗砂巖抗壓能力強(qiáng)，顆粒呈點(diǎn)接觸、點(diǎn)—線接觸；而細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖抗壓能力較弱，受壓后顆粒呈定向排列，顆粒呈線接觸，石英顆粒甚至被壓裂。例如：在埋深2800～3 200m（大體為珠海組二段），粗砂巖（包括含礫粗砂巖、含礫中粗砂巖、粗砂巖、中粗砂巖）的壓實(shí)率在25.0%～77.6%，平均為52.9%；而細(xì)砂巖的壓實(shí)率在27.6%～85.0%，平均為65.4%。

3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)膠結(jié)現(xiàn)象較為普遍，主要膠結(jié)作用有碳酸鹽膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)及自生黏土礦物膠結(jié)?？傮w上，膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～19.0%，膠結(jié)率在4.6%～42.1%，平均為27.8%，主要為弱膠結(jié)。

3.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物包括白云石、方解石、鐵白云石、鐵方解石和菱鐵礦，其中最普遍的是鐵白云石，粉晶、細(xì)晶、中晶均有分布。鐵白云石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～4%，部分井區(qū)高達(dá)5%～7%。

作為晚期碳酸鹽膠結(jié)物，既有自形晶，也有半自形晶。結(jié)晶較好的鐵白云石解理清晰、閃突起顯著；結(jié)晶較差的鐵白云石，呈微晶集合體存在，解理不發(fā)育（見圖4a）。研究區(qū)的方解石和鐵方解石具有整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、局部富集的特征，個(gè)別樣品鐵方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%，幾乎占據(jù)了所有孔隙空間，使得儲層變成鈣質(zhì)夾層，成為非有效儲層（見圖4b，4c）。菱鐵礦膠結(jié)物主要形成于堿性還原環(huán)境，大多數(shù)晶型較完整，呈團(tuán)塊狀集合體產(chǎn)出，或者呈顆粒包殼出現(xiàn)。鑄體薄片顯微鏡下可見研究區(qū)泥質(zhì)雜基普遍菱鐵礦化，尤其是細(xì)砂巖或者泥質(zhì)雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的粗砂巖，菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（見圖4d）。

3.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)在研究區(qū)發(fā)育較為普遍，膠結(jié)方式包括次生加大式膠結(jié)和孔隙充填式膠結(jié)，其中以次生加大式膠結(jié)最為常見。鑄體薄片顯微鏡下可見與原石英光性一致的加大邊及原石英顆粒邊緣的塵線（見圖4e）?？紫冻涮钍侥z結(jié)一般表現(xiàn)為單個(gè)自形石英晶體產(chǎn)出，充填孔隙空間，在掃描電鏡下顯示自形程度較高。根據(jù)薄片觀察，石英次生加大發(fā)育區(qū)常伴隨著強(qiáng)烈的長石溶蝕，且周邊產(chǎn)出大量蠕蟲狀高嶺石。據(jù)此推測，研究區(qū)石英次生加大主要來源為長石的轉(zhuǎn)化。

3.2.3 自生黏土礦物膠結(jié)

研究區(qū)黏土礦物包括伊利石、高嶺石、伊/蒙混層和綠泥石。根據(jù)黏土礦物X衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，伊/蒙混層為15.7%，高嶺石為5.3%，綠泥石為2.7%；目的層以伊利石為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在56.0%～91.0%，平均為76.5%。掃描電鏡下可見：伊利石呈粒表膜狀包裹顆粒表面，或呈絲片狀、發(fā)絲狀充填孔隙空間（見圖4g）；高嶺石晶形較好，常呈書頁狀或蠕蟲狀集合體產(chǎn)出，充填粒間孔隙（見圖4h）；伊/蒙混層多以孔隙充填式膠結(jié)出現(xiàn)，呈蜂窩狀（見圖4i）。隨著埋深的增加，蒙皂石經(jīng)伊/蒙混層轉(zhuǎn)化為伊利石，伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相應(yīng)不斷增加，因此在現(xiàn)今深度下未見蒙皂石。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用對儲層物性可以起改善作用［14］。研究區(qū)低滲儲層的溶蝕作用以長石、巖屑等易溶顆粒的酸性溶蝕為主。長石種類繁多、性質(zhì)各異，其溶蝕性能也不盡相同。相比鈉長石和鈣長石，鉀長石更容易發(fā)生溶蝕。文昌X油田長石類型以鉀長石為主，尤其是粗砂巖中鉀長石單井平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.0%～14.2%，多井為11.2%；斜長石單井平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.9%～4.0%，多井為1.9%。而細(xì)砂巖中鉀長石單井平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.4%～12.7%，多井為9.3%；斜長石單井平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～7.3%，多井為3.9%。相比較而言，粗砂巖中鉀長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，溶解現(xiàn)象最為普遍。長石的解理和雙晶發(fā)育，孔隙水可沿解理和雙晶縫進(jìn)行溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，顯微鏡下可見蜂窩狀和窗格狀，溶蝕強(qiáng)烈時(shí)長石顆粒僅剩殘骸，甚至完全溶解，生成的鑄?？壮使铝罘植?，孔隙連通性差［15］。整體上，研究區(qū)珠海組二段溶蝕作用強(qiáng)烈，常伴有大量蠕蟲狀、書頁狀高嶺石生成及石英次生加大。

3.4 成巖階段劃分

文昌X油田9口井的鏡質(zhì)組反射率（Ro）、孢粉顏色、古溫度、熱變指數(shù)和最大熱解溫度等實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：珠海組二段儲層埋深在 2 800～3 500 m，Ro在0.71～0.85，平均為0.80；孢粉顏色為深黃色—桔黃色；熱變指數(shù)為2.62～3.08，平均為2.89；伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)比介于15%～20%；最大熱解溫度隨著埋深的增加逐漸升高，珠海組二段最大熱解溫度在424～449℃，平均為439℃。文昌X油田的成巖作用特征中有少數(shù)石英具加大邊結(jié)構(gòu)，掃描電鏡下粒間充填自生石英晶體；巖石結(jié)構(gòu)為固結(jié)，顆粒間以點(diǎn)—線接觸及線接觸為主；顆粒間的伊利石多數(shù)呈絲絮狀，高嶺石呈書頁狀；膠結(jié)物以鐵白云石為主，其次為鐵方解石和菱鐵礦；膠結(jié)物呈泥粉晶、細(xì)晶—中晶結(jié)構(gòu)；大部分井區(qū)孔隙類型以粒間孔、長石溶孔、鑄?？诪橹?，部分為粒間溶孔，裂縫發(fā)育很少。綜合以上各項(xiàng)資料，根據(jù)SY/T 5477—2003《碎屑巖成巖階段劃分》［16］，判斷研究區(qū)珠海組二段成巖階段在中成巖A2期。

4 成巖序列與孔隙演化定量分析

根據(jù)自生礦物的形態(tài)、溶解充填關(guān)系、交代切割關(guān)系以及電子探針、碳氧同位素分析等，確定了研究區(qū)的成巖演化與成巖序列。研究區(qū)鐵方解石和方解石形成大體上可分為早期碳酸鹽膠結(jié)和中晚期碳酸鹽膠結(jié)。顯微鏡下可見：早期白云石、方解石一般呈他形粒狀產(chǎn)出，呈粗晶、較粗晶狀充填粒間孔隙，或呈連晶狀充填孔隙，碎屑顆粒呈漂浮狀分布于晶內(nèi)。方解石化學(xué)成分較為簡單，主要成分為CaCO3；中晚期為含鐵方解石、鐵方解石、含鐵白云石和鐵白云石，以中細(xì)晶、他形粒狀充填在顆粒間或溶蝕孔內(nèi)，說明其形成時(shí)期在溶蝕作用之后?；瘜W(xué)成分亦與早期方解石有所不同，常含F(xiàn)e2+。碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的環(huán)境和溫度可由其碳氧同位素（δ13C和δ18O）組成特征來反映。根據(jù)文昌X油田珠海組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式，得到碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)的古溫度。

早期方解石的δ13C值為-20.90‰，δ18O值為-7.59‰，形成時(shí)的古溫度平均為55.93℃，其形成時(shí)間對應(yīng)于早成巖A期。中期鐵方解石、鐵白云石的δ13C值在-12.95‰～-2.49‰，平均為-7.63‰，δ18O 值在-12.11‰～-10.68‰，平均為-11.69‰，形成時(shí)的古溫度平均為81.76℃，其形成時(shí)間對應(yīng)于早成巖B期。晚期鐵方解石、鐵白云石的 δ13C值在-11.60‰～-1.12‰，平均為-6.98‰，δ18O 值在-16.80‰～-12.17‰，平均為-13.46‰，形成時(shí)的古溫度平均為94.04℃，其形成時(shí)間對應(yīng)于中成巖A期。顯微鏡下可見長石、巖屑等塑性顆粒溶蝕被方解石充填，說明第1期溶蝕作用發(fā)生在早期碳酸鹽膠結(jié)物（即方解石、白云石）形成之前。鏡下可見早期碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕，但溶蝕現(xiàn)象不普遍，說明第2期溶蝕作用發(fā)生在早期碳酸鹽膠結(jié)物形成之后。長石等易溶礦物溶蝕強(qiáng)烈時(shí)，常伴隨高嶺石生成及石英次生加大，可認(rèn)為長石溶蝕、石英次生加大和自生高嶺石生成為同期發(fā)生的成巖作用。此外，晚期碳酸鹽膠結(jié)物鐵白云石及鐵方解石充填長石溶孔，表明第2期溶蝕作用早于晚期碳酸鹽膠結(jié)作用。

根據(jù)以上自生礦物的類型、產(chǎn)狀、相互關(guān)系及分布特征，結(jié)合盆地?zé)嵫莼泛吐癫厥罚⒘搜芯繀^(qū)成巖演化順序：自生海綠石—溶蝕作用+石英次生加大+機(jī)械壓實(shí)作用—早期方解石+白云石+菱鐵礦+機(jī)械壓實(shí)作用—溶蝕作用+自生高嶺石+石英次生加大+機(jī)械壓實(shí)作用—中晚期鐵方解石膠結(jié)+鐵白云石+菱鐵礦+黃鐵礦+機(jī)械壓實(shí)作用。具體的成巖序列及孔隙演化特征見圖 5（圖中 ZH1，ZJ2，ZJ1下，ZJ1上，HJ，YH，WS—QH分別為珠海組一段、珠江組二段、珠江組一段下、珠江組一段上、韓江組、粵海組、萬山組—瓊海組）。

同生期距今約25.3～22.0 Ma，成巖變化是顆粒邊緣黏土膜的形成，主要成分為蒙皂石。另外，自生海綠石沉積較早，發(fā)生在海解作用中，對孔隙度不產(chǎn)生影響，此時(shí)孔隙度為原始孔隙度38%。早成巖A期距今22.0～19.5 Ma，此時(shí)埋深小于1 250 m，Ro小于0.35%；早期孔隙流體是從物源帶入的具有淡水性質(zhì)的流體，在早期成巖過程中，長石、巖屑等不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕，但由于早期流體交換快，基本上無高嶺石生成，與此同時(shí)硅質(zhì)不斷析出，形成第1期石英次生加大；機(jī)械壓實(shí)作用不斷增加，儲層實(shí)際孔隙度為29.4%。早成巖B 期距今 19.5～15.0 Ma，此時(shí)的埋深在 1 250～2 300 m，Ro在0.35%～0.50%；弱酸性環(huán)境下溶蝕作用不斷進(jìn)行，隨著H+逐漸消耗，成巖流體逐漸偏堿性，從而形成早期白云石、方解石、菱鐵礦等碳酸鹽膠結(jié)物，充填孔隙空間，儲層實(shí)際孔隙度為18.1%。中成巖A1期距今15.0～4.0 Ma，快速埋藏導(dǎo)致原油大量充注，烴類注入可導(dǎo)致成巖環(huán)境變?yōu)樗嵝原h(huán)境，此時(shí)埋深在2 300～3 000 m，Ro在0.50%～0.70%；酸性環(huán)境使得不穩(wěn)定礦物發(fā)生第2期溶蝕，此時(shí)的膠結(jié)物主要為石英次生加大和高嶺石，儲層實(shí)際孔隙度為25.4%。中成巖A2期距今4.0 Ma，埋深在 3 000～3 400 m，Ro大于 0.70%；溶蝕之后，隨著H+消耗，恢復(fù)至堿性成巖環(huán)境，是形成鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦等各種碳酸鹽膠結(jié)物的原因，儲層實(shí)際孔隙度為14.0%。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)珠海組二段孔隙度平均為14.9%，滲透率平均為75.4×10-3μm2，屬于中孔低滲儲層。珠海組二段成巖現(xiàn)象豐富，成巖作用對物性影響明顯，埋深與巖性是影響壓實(shí)作用的主要因素。膠結(jié)物以碳酸鹽膠結(jié)為主，其次是硅質(zhì)膠結(jié)。溶蝕作用以長石等不穩(wěn)定礦物溶蝕為主。整體上屬于弱壓實(shí)—中等壓實(shí)成巖相，成巖階段處于中成巖A2期。

2）早成巖A期不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕，導(dǎo)致硅質(zhì)溶出，形成第1期石英次生加大，機(jī)械壓實(shí)作用不斷增加，儲層實(shí)際孔隙度從原始孔隙度38.0%降低為29.4%。早成巖B期早期碳酸鹽膠結(jié)物形成，破壞早期形成的溶蝕孔隙，儲層實(shí)際孔隙度為18.1%。中成巖A1期不穩(wěn)定礦物發(fā)生第2期溶蝕，并伴有石英次生加大和高嶺石生成，儲層實(shí)際孔隙度為25.4%。中成巖A2期晚期碳酸鹽膠結(jié)物形成，儲層實(shí)際孔隙度急劇下降，此時(shí)儲層實(shí)際孔隙度為14.0%。