松遼盆地德惠凹陷下白堊統(tǒng)儲層成巖作用研究

孟培偉，李志臻，張 雨，李瑞雪

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 塘沽 300452)

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)特大油田、油氣資源最為豐富的非海相沉積盆地，面積為26.0×104km2，德惠凹陷位于松遼盆地東南隆起區(qū)中部，是晚古生代淺變質(zhì)巖的基底上發(fā)展起來的中生代沉積盆地。作為吉林油田新的勘探區(qū)，德惠凹陷目前已發(fā)現(xiàn)了農(nóng)安油氣藏、布海油氣藏和小合隆氣藏三個油氣藏，但是，德惠地區(qū)地層劃分較混亂。本文根據(jù)薄片鑒定、掃描電鏡、X衍射以及包裹體等資料，研究目的層的成巖作用類型，并分析各種成巖作用類型對儲集性能的影響；判別各種成巖作用類型在地質(zhì)歷史上出現(xiàn)的順序；最終確定最有利的成巖作用類型及其對改善儲層的貢獻(xiàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)地理位置

德惠凹陷位于吉林省中北部，隸屬松遼盆地東南隆起區(qū)內(nèi)次一級構(gòu)造單元，位于東南隆起區(qū)中部，北部與王府?dāng)嘞萁尤?，西南部隔懷德凸起與梨樹斷陷相鄰，面積約4 100 km2(見圖1)。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.2.1 地層特征

德惠凹陷深層發(fā)育的地層自下而上為火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組，其中沙河子組分布面積最廣，厚度最大。該研究區(qū)發(fā)育的地層從老到新簡述如下：

1)火石嶺組 火石嶺組是在長期上升剝蝕的基礎(chǔ)上、伸展裂陷初期產(chǎn)物，以各種火山巖極為發(fā)育為特征。據(jù)前人資料，火石嶺組一般為200～1 500 m厚?；鹗瘞X組以火山碎屑巖和火山噴出巖為主，具有碎屑堆積快、粒度粗的特點(diǎn)，火山巖可見如凝灰質(zhì)角礫巖、玄武巖、安山巖，部分部位含煤建造，未見化石[1]。

2)沙河子組 據(jù)前人資料，沙河子組一般厚600～1 400 m，最厚可達(dá)2 500 m。沙河子組自下而上是一個“粗-細(xì)-粗”完整沉積旋回，但局部可能是正旋回或反旋回。沙河子組厚度在研究區(qū)目的地層中為最大，以碎屑巖沉積為主，火山巖含量明顯減少。與火石嶺組對比顯著。沙河子組是碎屑巖為主的地層，是全區(qū)最重要的烴源巖發(fā)育地層[2]。

3)營城組 據(jù)前人資料，營城組地層厚200～800 m，最厚可達(dá)2 000 m，德惠凹陷西部和西北部沉積厚度大。營城組濱淺湖沉積發(fā)育，其中深湖-半深湖亞相沉積范圍相對減小，開始出現(xiàn)辮狀河三角洲沉積，巖性以砂巖為主，故也為研究區(qū)的烴源巖發(fā)育層。

4)登婁庫組 登婁庫組沉積時期是一個穩(wěn)定的斷坳過渡階段，總體厚度變化不大，為100～300 m，具凹陷地層特征，廣泛發(fā)育辮狀河三角洲沉積和濱淺湖沉積，從德惠西北部到王府?dāng)嘞?，主要發(fā)育砂礫巖和紫紅色泥巖互層的辮狀河沉積[3]。

1.2.2 構(gòu)造及演化特征

德惠凹陷構(gòu)造斷裂復(fù)雜，深層凹陷是東南隆起區(qū)內(nèi)面積最大的凹陷，其主要受控于張性斷裂構(gòu)造。德惠凹陷生成演化過程中經(jīng)歷了早期斷陷和晚期凹陷兩大階段(見圖2)。德惠凹陷演化歷史中，火石嶺期熱拱運(yùn)動奠定了該區(qū)伸展斷陷形成的基礎(chǔ)，促成沙河子組-營城組斷陷形成，使得水域體系擴(kuò)大，沉積物源豐富，為烴源巖的沉積創(chuàng)造了條件。營城組沉積末期的剝蝕作用，使區(qū)內(nèi)營城組及其之前沉積層遭受強(qiáng)烈改造，形成全區(qū)角度不整合，并對上覆地層的沉積有較大影響[4]。

1.2.3 沉積特征

德惠凹陷下白堊統(tǒng)地層主要發(fā)育以下幾種沉積相類型：辮狀河三角洲、近岸水下扇、扇三角洲、湖相沉積。其中，火石嶺組發(fā)育近岸水下扇、扇三角洲、湖相；沙河子組發(fā)育近岸水下扇、扇三角洲和湖相；營城組發(fā)育近岸水下扇、辮狀河三角洲、扇三角洲和湖相；登婁庫組發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲和湖相(見表1)。

表1 德惠凹陷沉積相類型及分布表

1.2.4 巖石學(xué)特征

研究區(qū)德惠凹陷儲層的碎屑顆粒組分包括石英、長石、巖屑，這是該區(qū)主要的碎屑組分。其中，火石嶺組樣品較少，不具普遍意義；沙河子組以長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖為主，含少量的巖屑砂巖，石英平均含量20.79%，長石平均含量26.11%，火山巖巖屑平均含量42.58%；營城組以長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖為主，含少量長石砂巖和巖屑砂巖，石英平均含量28.23%，長石平均含量36.34%，火山巖巖屑平均含量27.57%；登婁庫組以長石砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖為主，含少量的長石質(zhì)巖屑砂巖，石英平均含量32.33%，長石平均含量41.72%，巖屑平均含量23.16%。從各層位碎屑組分含量特征來看，沙河子組到登婁庫組，穩(wěn)定組分石英含量逐漸增高，不穩(wěn)定組分巖屑含量逐漸降低。

2 成巖作用

沉積物沉積以后至固結(jié)成巖前，由于溫度、壓力等條件變化發(fā)育一系列成巖作用，使儲層儲集空間受到改造[3]，因此成巖作用的研究對了解儲層特征有重要意義。通過普通薄片、鑄體薄片的鏡下觀察及掃描電鏡、陰極發(fā)光、X衍射等資料的研究，確定了德惠凹陷目的層儲層內(nèi)對碎屑巖儲層有重要影響的成巖作用主要有三種，分別是壓實(shí)、膠結(jié)和溶蝕作用[5]。

2.1 壓實(shí)、壓溶作用

壓實(shí)作用表現(xiàn)為沉積物的孔隙空間及總體積減少而變致密，常由上覆沉積物和水體靜壓力以及構(gòu)造應(yīng)力造成，壓溶作用使砂巖顆粒接觸部位發(fā)生溶解及嵌合接觸[6](見圖3)。

研究區(qū)壓實(shí)作用占主體，少見壓溶作用。通過對研究區(qū)大量樣品點(diǎn)的巖石組分進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究區(qū)深部砂巖儲層普遍受到強(qiáng)壓實(shí)作用，顆粒之間多呈線接觸-凹凸接觸關(guān)系(見圖3a)。大量鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn)，儲層半塑性-塑性碎屑成分受壓變形現(xiàn)象較常見，鏡下可觀察到凝灰?guī)r巖屑、片巖等變質(zhì)巖巖屑、泥巖巖屑等(見圖3b、圖3c)，部分甚至擠入孔隙中形成假雜基[7]。剛性顆粒，如長石在強(qiáng)壓實(shí)作用下發(fā)生顆粒破碎以及雙晶紋錯位現(xiàn)象(見圖3d)。

2.2 膠結(jié)作用

德惠凹陷膠結(jié)作用也較發(fā)育。膠結(jié)作用是儲層中分散的碎屑顆粒在孔隙流體里礦物質(zhì)的作用下固結(jié)起來，也導(dǎo)致儲層孔滲物性降低，致使儲層性質(zhì)變差[8]。膠結(jié)作用主要類型有碳酸鹽膠結(jié)作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用以及黏土礦物膠結(jié)作用等[9]。

1)碳酸鹽膠結(jié)作用 德惠凹陷薄片資料中可廣泛觀察到碳酸鹽膠結(jié)現(xiàn)象，可分為早期和晚期碳酸鹽膠結(jié)形式。研究區(qū)碳酸鹽礦物膠結(jié)作用常見，可觀察到的類型主要為方解石膠結(jié)，膠結(jié)程度較淺，常常膠結(jié)并交代顆粒(見圖4)。薄片下方解石膠結(jié)物零星出現(xiàn)，少見連片的嵌晶膠結(jié)，各層位碳酸鹽膠結(jié)物平均含量在1%～6.8%，個別層段最高可達(dá)15%。

2)硅質(zhì)膠結(jié)作用 碎屑顆粒石英次生加大是研究區(qū)碎屑巖硅質(zhì)膠結(jié)作用的主要表現(xiàn)形式[8]。地下流體中的硅質(zhì)來源于地下水、生物骨骼的溶解、石英顆粒的溶蝕以及長石顆粒的溶蝕等[9]，可通過顯微鏡下原碎屑顆粒與加大部分之間的黏土薄膜來識別加大邊(見圖5a)。掃描電鏡下?？梢杂^察到具有完整晶面的石英加大邊(見圖5b)，有時也可觀察到生長紋和表面孔洞出現(xiàn)在晶面上。研究區(qū)石英次生加大充填顆粒間孔隙，其生長方向是向孔隙方向(見圖5c、圖5 d)，通過粒間孔演變，可產(chǎn)生晶間孔，次生加大強(qiáng)烈時有標(biāo)準(zhǔn)的幾何形態(tài)。鏡下也可觀察到結(jié)晶程度好的自形石英顆粒，在電鏡下呈六方柱狀，是流體中的硅質(zhì)物質(zhì)，與孔隙壁貼合形成。通過薄片觀察鏡下石英各層位硅質(zhì)膠結(jié)物平均含量在0.5%～1%，個別層位最高可達(dá)4%[10]。

3)黏土膠結(jié)作用 研究區(qū)砂巖中黏土礦物非常發(fā)育，儲層中廣泛分布伊利石、伊蒙混層、少量高嶺石以及綠泥石礦物等。黏土礦物類型受埋藏深度、流體性質(zhì)的影響，埋藏淺時以高嶺石和蒙脫石為主，地層壓力、地層溫度、流體性質(zhì)隨埋藏的加深而增加、變高，造成層間水中陽離子釋放，黏土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)換甚至重結(jié)晶[11]。黏土礦物膠結(jié)主要為絲縷狀和搭橋狀的伊利石和伊蒙混層礦物(見圖6a)；薄片下和掃描電鏡下均可見自生高嶺石(見圖6b、圖6c)，電鏡下呈現(xiàn)典型的書頁狀或蠕蟲狀。另外薄片中可見少量綠泥石包膜[12](見圖6d)。

2.3 溶蝕作用

德惠凹陷砂巖儲層中長石顆粒和火山巖巖屑含量高，為溶蝕作用提供了大量的可溶物質(zhì)，故溶蝕作用較為普遍。鏡下可觀察到長石顆粒和巖屑的溶蝕，尤其可見條紋長石以及微斜長石。溶蝕作用貫穿整個成巖階段，無論是成巖早期還是成巖晚期均有不同程度的溶蝕現(xiàn)象發(fā)生[13]。鏡下薄片中可觀察到鋸齒形邊緣，這是受到強(qiáng)烈溶蝕的斜長石，斜長石常沿解理被溶蝕，溶蝕末期可觀察到斜長石殘骸[14](見圖7a)，還可觀察到發(fā)育港灣狀邊緣的斜長石(見圖7b)，形成粒內(nèi)溶孔，甚至鑄?？祝芪g作用在縱、橫向分布不均勻。電鏡下?？梢姷介L石溶蝕成蜂窩狀(見圖7c)、窗格狀和殘骸狀，形成鑄模孔、包殼孔和肋骨狀孔。研究區(qū)還多見火山巖碎屑和巖屑的溶蝕現(xiàn)象，巖屑常被溶蝕成蜂巢狀，形成粒內(nèi)孔及鑄?？?見圖7d)，火山碎屑溶蝕為后期綠泥石和含鐵碳酸鹽的沉淀提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。

總之，壓實(shí)、壓溶、膠結(jié)作用使儲層物性變差，其中壓實(shí)、壓溶作用是儲層物性降低的關(guān)鍵，膠結(jié)作用可在一定程度上降低儲層物性。溶蝕作用是改善儲層物性的關(guān)鍵。

3 成巖階段

不同成巖階段的儲層具有不同的儲集空間組合，劃分成巖階段可預(yù)測其儲集體類型及儲集性能，沉積物在成巖之后發(fā)生變質(zhì)作用之前的階段即為成巖階段。根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司(2003)頒布的我國陸相湖盆碎屑巖成巖作用階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，成巖階段可分為為同生成巖、早成巖、中成巖、晚成巖和表生成巖五個階段。

依據(jù)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，主要是I/S混層黏土礦物的演化及自生礦物的組合變化對研究區(qū)儲層進(jìn)行了成巖階段劃分[17]，認(rèn)為其正處于中成巖A到中成巖B期。其中火石嶺處于中成巖B期，沙河子組處于中成巖A-B期，營城組、登婁庫組處于中成巖A期(見圖8)。

中成巖A期：由于壓實(shí)和膠結(jié)作用，巖石固結(jié)較致密，溶蝕作用發(fā)育，導(dǎo)致次生孔隙發(fā)育，孔隙類型主要為粒內(nèi)溶孔和鑄?？?。本期是以酸性為主的成巖環(huán)境。此時有機(jī)質(zhì)處于成熟階段，鏡質(zhì)體反射率Ro在0.5～1.3，巖石最高熱解峰溫(Tmax)在435～460 ℃。砂巖中黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，混層中蒙皂石的含量為15%～50%。伊利石呈絲縷狀或絲片狀。有機(jī)質(zhì)開始大量生烴，并釋放出大量的低碳脂肪酸和CO2，使水介質(zhì)變?yōu)樗嵝?，造成了鋁硅酸鹽和碳酸鹽礦物的溶解，形成次生孔隙，改善了儲層物性。

中成巖B期：膠結(jié)作用非常強(qiáng)烈，顆粒之間為線-縫合狀接觸，砂巖致密，孔隙類型主要為少量的溶蝕孔和裂縫。此時有機(jī)質(zhì)處于高成熟階段，Ro在1.3～2.0，巖石最高熱解峰溫(Tmax)在460～490 ℃。由于有機(jī)質(zhì)產(chǎn)酸能力降低，使孔隙水介質(zhì)中的酸性程度減弱而向堿性發(fā)展，從而使膠結(jié)作用大于溶蝕作用。尤其是方解石含量增加使次生溶孔被充填，孔隙度降低。砂巖中黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，混層中蒙皂石的含量小于15%，伊利石呈絲縷狀或絲片狀。隨著深度的增加，膠結(jié)物主要為鐵方解石、鐵白云石組合，成巖環(huán)境為堿性。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)德惠凹陷儲層的巖石類型主要為長石砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，儲層整體低成分成熟度、低結(jié)構(gòu)成熟度，從沙河子組向上至登婁庫組成分成熟度逐漸升高。

2)研究區(qū)的成巖作用分有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用三種，分為破壞性成巖作用以及建設(shè)性成巖作用。其中破壞性成巖作用包括，壓實(shí)作用降低孔滲，黏土礦物膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)以及硅質(zhì)膠結(jié)等三種膠結(jié)作用使孔隙變窄；溶蝕作用是建設(shè)性成巖作用，改善儲層物性。

3)對研究區(qū)儲層進(jìn)行成巖階段劃分，認(rèn)為其正處于中成巖A到中成巖B期。其中火石嶺處于中成巖B期，沙河子組處于中成巖A-B期，營城組、登婁庫組處于中成巖A期。