鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層成巖作用及孔隙演化*

董紫睿,張金亮,李德勇

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島266100;2.北京師范大學資源學院,北京100875)

鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層成巖作用及孔隙演化*

董紫睿1,張金亮2,李德勇1

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島266100;2.北京師范大學資源學院,北京100875)

鹽家地區(qū)位于東營凹陷北部陡坡帶,沙四上亞段形成了近岸水下扇沉積體系。本次研究利用掃描電鏡、鑄體薄片等方法,結(jié)合X-射線衍射分析化驗資料,著重對成巖作用以及孔隙演化等方面做了研究。該區(qū)儲層巖石類型主要為巖屑長石砂巖,成分成熟度和結(jié)構成熟度低;對儲層有顯著影響的成巖作用主要有機械壓實作用,膠結(jié)作用,以及長石、巖屑等不穩(wěn)定碎屑的溶蝕作用;通過有機質(zhì)熱演化、黏土礦物的含量變化及相互轉(zhuǎn)化、石英加大程度以及溶蝕作用等的分析,可以推知鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層處于中成巖階段A期;2個次生孔隙發(fā)育帶的形成分別與長石溶解與碳酸鹽溶解有關。

鹽家地區(qū);沙四上亞段;成巖作用;成巖階段;孔隙演化及成因

鹽家地區(qū)位于東營凹陷北部陡坡帶,坨莊—勝利村—永安鎮(zhèn)斷裂構造帶的東段,北鄰陳家莊凸起,東部為青坨子凸起,兩凸起均系花崗片麻巖的古凸起,南臨民豐生油洼陷。研究區(qū)的基底上發(fā)育了鹽16古沖溝,在鹽16古沖溝的前方發(fā)育的沙四段砂礫巖體是主要含油層段。前人對永北沙三段及沙四段儲層成巖作用及次生孔隙形成機理所作出的研究并不多,而針對鹽家地區(qū)所作的此方面的研究更是涉及甚少,在一定程度上制約了進一步對有利儲集層的預測。通過利用薄片鑒定、掃描電鏡等實驗方法,筆者著重對鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層進行了巖石學特征、成巖作用類型、成巖階段等方面的研究,該研究結(jié)果對下一步的油氣勘探和開發(fā)有一定的指導意義。

1 儲層巖石學特征

鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層巖性主要為巖性為礫巖、礫狀砂巖和含礫砂巖,根據(jù)73塊砂巖樣品的薄片鑒定結(jié)果,石英含量在25%～35.5%之間;長石含量介于33%～42.75%之間,主要為鉀長石和斜長石;巖屑23.25%～36.08%,其組分以變質(zhì)巖巖屑為主,火成巖巖屑和沉積巖巖屑及內(nèi)碎屑含量較少。填隙物以碳酸鹽居多,泥質(zhì)次之。成分成熟度和結(jié)構成熟度均較低,且成分成熟度在平面分布無明顯規(guī)律,反映了沉積物在近物源處經(jīng)歷了快速搬運和沉積。

2 儲層成巖作用

利用鑄體薄片、掃描電鏡、顯微鏡等方法,并結(jié)合X-射線衍射分析資料,對研究區(qū)沙四上亞段儲層成巖作用進行了深入研究,研究表明,壓實作用、膠結(jié)作用以及溶蝕作用對研究區(qū)儲層物性影響最為明顯。

2.1 壓實作用

壓實作用是導致研究區(qū)儲層物性變差的主要因素之一,本區(qū)壓實作用以機械壓實為主,表現(xiàn)在:顆粒的壓實定向,塑性顆粒的壓實變形(見圖1a),剛性顆粒壓裂(見圖1b),構造裂隙的產(chǎn)生(見圖1c),另外碎屑顆粒從以點-線接觸或線接觸為主,變?yōu)橐园纪菇佑|為主。壓實作用不僅降低粒間孔隙,也降低粒間體積,并使之不能恢復[2]。

2.2 膠結(jié)作用

(1)硅質(zhì)膠結(jié) 通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),研究區(qū)沙四上亞段砂體儲層中硅質(zhì)膠結(jié)物主要有2種形式:石英次生加大(見圖1e)和分布于粒間的微粒自形石英(見圖1d)。石英的自生加大分為無痕加大和有痕加大,對有痕加大一般在偏光顯微鏡下便可識別,而要鑒別無痕加大,有時則需要借助于陰極發(fā)光顯微鏡,在陰極發(fā)光顯微鏡下,多數(shù)加大邊顯黑色,不發(fā)光,晚期的或二期的加大邊呈暗棕色[3]。研究區(qū)2 800～3 400 m范圍內(nèi)普遍存在石英次生加大,深部儲層常見多期次石英次生加大,加大級別為Ⅱ～Ⅲ級,石英的次生加大程度是判斷儲層成巖階段的依據(jù)之一。(2)碳酸鹽膠結(jié) 碳酸鹽類膠結(jié)物在研究區(qū)儲層中十分普遍,且隨著深度變化而變化,膠結(jié)物種類主要有方解石、白云石等早期碳酸鹽膠結(jié)物以及鐵方解石、鐵白云石等晚期碳酸鹽膠結(jié)物。方解石與白云石常共生,兩者的置換與平衡取決于Ca2+/M g2+比值及溫度,溫度升高有利于白云石沉淀,Ca2+/M g2+增加則有利于方解石沉淀。經(jīng)統(tǒng)計分析,研究區(qū)3 000～4 000 m儲層中方解石和白云石均呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢,平均含量分別為5.9%和6.7%,說明在深部砂巖儲層中碳酸鹽發(fā)生了去膠結(jié)作用。鐵白云石主要出現(xiàn)在3 400～4 000 m之間,平均含量2.7%,前期的溶蝕作用,包括長石、巖屑、方解石等的溶蝕,黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化為鐵白云石的形成提供了物質(zhì)和條件,尤其是泥巖中粘土礦物之間的轉(zhuǎn)化,與(含)鐵白云石沉淀有密切關系。鐵碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育帶,正是蒙脫石向伊利石迅速轉(zhuǎn)化帶[1],在鹽家地區(qū)沙四上亞段砂巖儲層中,鐵白云石出現(xiàn)的深度段內(nèi)伊/蒙混層比為20%左右,說明蒙脫石已大量向伊利石轉(zhuǎn)化。通常情況下,碳酸鹽膠結(jié)物對儲集層的發(fā)育起著雙重影響:一方面,碳酸鹽膠結(jié)會堵塞孔隙,從而使儲層質(zhì)量變差,研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的含量超過5%時,儲層物性明顯變差;另一方面,膠結(jié)物在儲層中的沉淀可以起到支撐作用,有效降低砂巖的壓實程度,為酸性水溶蝕和次生孔隙形成創(chuàng)造了有利條件[4-5]。

圖1 成巖作用特征(圖中標尺為300μm)Fig.1 Features of diagenesis

(3)黏土礦物膠結(jié) 據(jù)全巖礦物X衍射分析,鹽家地區(qū)黏土礦物含量在1%～33%之間,平均含量3.98%,廣泛分布有高嶺石、綠泥石、伊利石、伊/蒙混層等黏土礦物,各黏土礦物相對含量隨深度的增加經(jīng)歷了復雜變化(見圖2)。隨著埋深增加伊利石含量有增多趨勢,在黏土礦物中的相對含量較高在21%～100%之間,主要以片狀、絲縷狀充填于孔隙當中(見圖1f),伊利石形成于富鉀的堿性條件下,在成巖演化過程中多來源于伊蒙混層的轉(zhuǎn)化以及高嶺石的轉(zhuǎn)化,從圖2中可以看出,研究區(qū)高嶺石的迅速減少與伊利石的增多相對應,可見高嶺石的伊利石化很有可能是該區(qū)伊利石的一個重要來源;高嶺石相對含量1%～67%,在埋深3 440 m以下隨深度增加相對含量迅速減少且一般小于10%,高嶺石形成于酸性環(huán)境,主要分布在早期成巖階段至中成巖階段早期,其聚合體多呈蠕蟲狀和書本狀充填于粒間孔隙和長石溶孔中,在油氣成熟期因有機質(zhì)排烴會使成巖介質(zhì)條件變?yōu)槿跛嵝?在這一環(huán)境中常形成高嶺石充填縫、洞,甚至沉淀在次生孔隙中[6];伊/蒙混層由蒙脫石轉(zhuǎn)變而來,在研究區(qū)儲層中經(jīng)歷了由少變多再變少的過程,相對含量在2%～43%之間;綠泥石形成于富鐵鎂的環(huán)境中,綠泥石襯墊呈針葉狀聚合體向孔隙中央生長(見圖1g),孔隙襯墊綠泥石的發(fā)育對原生粒間孔的保存起到有利的作用[7],孔隙充填綠泥石則多表現(xiàn)為玫瑰花朵狀或絨球狀,相對含量在2%～32%之間。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用的發(fā)生受到區(qū)域構造背景和省油洼陷位置的控制[8]。溶蝕現(xiàn)象在研究區(qū)非常普遍,根據(jù)鏡下鑄體薄片和掃描電鏡的觀察,主要有長石、巖屑以及碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕。長石的溶解現(xiàn)象最常見,在整個埋藏過程中均可發(fā)生,被溶的長石往往具有港灣狀、鋸齒狀、蜂窩狀溶蝕邊緣(見圖1h,圖1i)。不同程度的溶蝕作用可以產(chǎn)生粒內(nèi)孔、鑄?？滓约俺罂紫?增大孔隙度和滲透率,改善儲層物性,提高儲層的儲集性能。從物性數(shù)據(jù)可以看出,隨深度的增加孔隙度和滲透率先減小后增大,這也是不穩(wěn)定組分發(fā)生溶蝕作用造成的。碳酸鹽礦物的溶解主要發(fā)生在3 400 m以下的儲層中,以方解石溶解為主。

圖2 黏土礦物相對百分含量縱向分布圖Fig.2 The relative amount of clay mineral content of the vertical distribution

圖3 鹽家地區(qū)成巖演化序列Fig.3 Diagenetic evolution of the upper fourth member reservoir in Yanjia area

3 成巖演化階段及成巖演化模式

3.1 成巖演化階段

孔隙類型以次生孔隙為主,接觸關系多為點-線接觸。膠結(jié)作用增強,伊/蒙混層廣泛發(fā)育,混層比(蒙脫石占混層)為20%左右,也可見綠/蒙混層,伊利石和綠泥石含量增多,高嶺石開始減少,蒙脫石少見,晚期碳酸鹽如含鐵白云石、含鐵方解石等開始出現(xiàn),石英加大為Ⅰ～Ⅲ級別。從有機質(zhì)方面考慮,研究區(qū)地溫介于120～150℃之間,有機質(zhì)已成熟并進入了生油階段。在掃描電鏡和鑄體薄片中多觀察到長石、巖屑的溶蝕現(xiàn)象。據(jù)以上成巖特征推斷鹽家地區(qū)沙四上亞段大部分儲層成巖階段處于中成巖階段A期(見圖3)。

3.2 成巖演化模式

研究區(qū)沙四上亞段自開始接受沉積埋藏成巖到東營組沉積時期一直處于持續(xù)沉降階段,總厚度700～1 000 m,古近紀末期東營凹陷沙四段上亞段烴源巖進入生油門限深度,有機質(zhì)進入初期生烴階段,喜馬拉雅運動東營幕的構造活動形成了第一期油氣運聚,由于該期烴源巖生成和排出的油氣非常有限,這些有限的油氣首先會在洼陷內(nèi)或洼陷附近的巖性油氣藏和構造油氣藏內(nèi)聚集[9],研究區(qū)沙四上亞段的砂礫巖體被沙三段及以上地層超覆造成差異壓實,成為良好的油氣聚集場所,東營組末期最大埋深約為2 900 m,原生孔隙縮小,次生孔隙開始發(fā)育,處于早成巖B期。隨著館陶組—明化鎮(zhèn)組的沉積,沙四上亞段烴源巖埋深加大,進入生油門限,有機質(zhì)進入中-高成熟階段,油氣大量生成,地層中有機酸和CO2來源豐富,發(fā)生了大規(guī)模溶蝕作用,從館陶組至今一直處于中成巖階段A期。

4 孔隙演化及成因

據(jù)薄片統(tǒng)計資料,鹽家地區(qū)沙四上亞段各小層面孔率為0.83%～1.5%,且隨深度的增加表現(xiàn)出增大的趨勢,研究區(qū)儲層經(jīng)過了強烈的機械壓實,除有少量保留的原生孔隙以外,孔隙類型以次生孔隙為主(見圖4)。次生孔隙的形成機制概括起來有以下幾種[10-11]:大氣淡水淋濾,碳酸水溶液引起的溶解,有機酸引起的溶解,收縮裂縫以及粘土礦物轉(zhuǎn)化和硫酸鹽溶解。而粘土礦物轉(zhuǎn)化和有機質(zhì)熱成熟演化生成的大量酸性水溶液是控制該區(qū)溶孔發(fā)育的主要因素[12]。經(jīng)過研究,鹽家地區(qū)沙四上亞段在3 200～3 500 m和3 760～3 990 m 2個深度段分別存在2個次生孔隙發(fā)育帶,與研究區(qū)有機質(zhì)的主要生油窗(2 900～4 800 m)相吻合;另一方面,這2個次生孔隙發(fā)育帶與綠泥石突變深度(綠泥石第一突變深度3 200 m±;第二突變深度3 900 m±)相對應,說明黏土礦物脫水過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)是研究區(qū)次生孔隙形成的原因之一。經(jīng)鑄體薄片以及掃描電鏡的觀察,研究區(qū)中孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、鑄模孔、裂隙等。

從溶解對象的角度考慮,第一次生孔隙發(fā)育帶主要發(fā)生了長石溶解,第二次生孔隙發(fā)育帶則主要發(fā)生了碳酸鹽的溶解,長石溶解次之。研究區(qū)碳酸鹽在第一次生孔隙發(fā)育帶附近含量較高(見圖4),且在電鏡下少見碳酸鹽溶解現(xiàn)象,說明碳酸鹽溶解不是第一次生孔隙發(fā)育帶形成的主要原因。在第二次生孔隙發(fā)育帶處碳酸鹽含量減少,可見發(fā)生了碳酸鹽的溶解。

圖4 鹽家地區(qū)沙四上亞段孔隙度垂向演化模式Fig.4 Vertical porosity evolution model of Yanjia A rea

長石顆粒發(fā)生溶解后,大都首先以自生高嶺石形式沉淀在粒間孔隙中,但也可以直接或間接地形成其它自生粘土礦物,如高嶺石在120～150℃溫度下變得不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變成伊利石,或與長石反應生成伊利石和石英[13-14]。從圖4可以看出,高嶺石突變帶與第一次生孔隙帶相對,間接地反映長石發(fā)生了強烈的溶蝕作用,高嶺石后期迅速減少,這一現(xiàn)象不難得到解釋,研究區(qū)地溫介于120～150℃之間,再加之p H的增大,離子濃度改變等,使得高嶺石向其它礦物發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

以長石溶解為主到以碳酸鹽溶解為主,這一現(xiàn)象的出現(xiàn)不難得到解釋。第一次生孔隙帶處于有機質(zhì)成熟階段,生烴過程釋放的有機酸是溶蝕長石的主要原因。而有機酸對碳酸鹽的影響不在于其能大量溶解碳酸鹽,因為碳酸鹽的溶解與否與孔隙流體p H值、CO2分壓等地球化學條件密切相關,p H值減低、CO2分壓升高有利于其溶解。生烴過程剛開始時產(chǎn)生的大量有機酸使得孔隙水p H降低,發(fā)生反應:

隨著反應進行,孔隙流體中CO2分壓增大,CO2分壓未超過反應平衡常數(shù)所要求的量時,則溶解反應會持續(xù)進行。當成巖溫度超過100℃,有機酸脫羧作用大量釋放CO2:

該反應使CO2分壓超過反應平衡所需的量,從而導致碳酸鹽的再沉淀。隨著成巖溫度繼續(xù)升高[15],脫羧作用將生成更多CO2,而溶解長石的有機酸減少,孔隙水p H值主要受CO2控制,此時將發(fā)生碳酸鹽的溶解。這一過程說明了研究區(qū)第二次生孔隙帶主要不是由長石溶解而是碳酸鹽溶解形成的原因。

5 結(jié)論

(1)鹽家地區(qū)沙四上亞段儲層發(fā)生的主要成巖作用有機械壓實作用、膠結(jié)作用、以及溶蝕作用,其中,壓實作用、硅質(zhì)膠結(jié)是引起儲層物性變差主要因素,碳酸鹽膠結(jié)對儲層物性具有雙方面的影響,溶蝕作用是次生孔隙形成的主要原因,改善了微觀孔喉結(jié)構,大大提高了儲集性能。研究區(qū)儲層處于中成巖階段A期。

(2)研究區(qū)儲層縱向發(fā)育了2個次生孔隙帶,有機質(zhì)熱演化過程中以及粘土礦物轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)是次生孔隙形成的主要因素,第一次生孔隙帶的形成主要與長石溶蝕作用有關,而第二次生孔隙帶則主要與碳酸鹽的溶蝕有關。

致謝:勝利油田東辛采油廠為本次研究提供了寶貴的資料和樣品,特致謝忱。

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Diagenesis and Po re Evolution of the Upper Fourth Member of Sha Hejie Formation of Yanjia Area

DONG Zi-Rui1,ZHANG Jin-Liang2,L IDe-Yong1
(1.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.College of Resources Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

Yanjia Area is located in the no thern steep slope of Dongying Sag,w hose upper fourth member of Sha Hejie formation form s nearshore subaqueous fan sedimentary system.The research is carried out on diagenesis and pore evolution of the research area,using methods such as casting thin sections,SEM,and data of X-Ray Diffraction.Results are given as follow s:(1)The rocks of the reservoir,with low maturity of both structure and composition,are constituted of debris-arkosic sandstone.(2)The reservoir has experienced main diagenetic events of mechanical compaction,cementation,and corrosion of unstable grains such as feldspar and debris.(3)Analysis on thermal evolution of organic matter,content change and transformation of clay minerals,rank of quartz overgrow th,as well as corrosion,indicates that the upper fourth member of Sha Hejie formation of Yanjia Area has entered Asubstage of middle diagenetic stage.(4)The two secondary dissolved porous belts have something to do with feldspar dissolution and carbonate dissolution separately.

Yanjia Area;genesis of secondary pores;diagenesis;diagenetic stage;pore evolution

P581

A

1672-5174(2010)12-135-06

“:十一五”國家科技支撐項目:國際重大資源態(tài)勢評價與預測技術開發(fā)(2006BAC18B05)資助

2010-01-29;

2010-09-06

董紫睿(1987-),女,碩士生。E-mail:dzr010@163.com

責任編輯 徐 環(huán)