渤南洼陷沙四上亞段成巖機(jī)制研究

劉雅利

(中石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

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渤南洼陷沙四上亞段成巖機(jī)制研究

劉雅利

(中石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

針對(duì)渤南洼陷深層有利儲(chǔ)集體形成機(jī)制研究程度較低的問(wèn)題，應(yīng)用鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物X衍射分析等實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在渤南洼陷沙四上亞段成巖環(huán)境分析基礎(chǔ)上，對(duì)成巖機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：有機(jī)酸和石膏層發(fā)生的堿性流體共同作用下，形成了酸堿交替的成巖環(huán)境；受成巖環(huán)境影響，不同類型儲(chǔ)集體所經(jīng)歷的成巖作用類型不一、強(qiáng)度不同；碎屑巖儲(chǔ)集體2 800 m以上以溶蝕作用為主，2 800～3 300 m之間以膠結(jié)作用為主，3 300 m以下則以溶蝕和壓實(shí)作用為主；碳酸鹽巖總體上溶蝕作用較弱，膠結(jié)作用較強(qiáng)。研究結(jié)果為渤南洼陷沙四上亞段尋找有利儲(chǔ)集體奠定了基礎(chǔ)。

渤南洼陷；沙四上亞段；成巖機(jī)制；成巖環(huán)境

引 言

深層油氣勘探的關(guān)鍵是尋找有利儲(chǔ)集層，因而深部?jī)?chǔ)集層次生孔隙的形成機(jī)制和演化模式逐漸成為了研究熱點(diǎn)[1-3]。關(guān)于次生孔隙的形成機(jī)制已有較為成熟的認(rèn)識(shí)[4-5]，但對(duì)深部?jī)?chǔ)集層的成巖機(jī)制以及由此帶來(lái)的次生孔隙演化規(guī)律還缺少深入研究[6-7]，加之前人對(duì)渤南洼陷深部?jī)?chǔ)集層成巖作用的研究只停留在現(xiàn)象表征層面[8-9]，未涉及到成巖機(jī)制分析，已嚴(yán)重制約著深部有利儲(chǔ)集層的探尋。因此，結(jié)合前人研究成果，利用大量分析化驗(yàn)資料，針對(duì)深層的渤南洼陷沙四上亞段開(kāi)展了成巖機(jī)制研究，研究結(jié)果不但為渤南洼陷沙四上亞段尋找有利儲(chǔ)集體奠定了基礎(chǔ)，而且還加深了多重成巖環(huán)境下的成巖演化認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷為濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷的一個(gè)三級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元，研究區(qū)沙四上亞段為一完整的三級(jí)層序。低位域沉積期，沉積環(huán)境為溫暖潮濕的中鹽湖盆環(huán)境，主要沉積灰色厚層礫巖、砂巖夾濱淺湖暗色泥巖。湖侵和高位域沉積期，沉積環(huán)境演變?yōu)槎帑}湖盆環(huán)境[8]，在洼陷邊緣部位以礫巖、砂巖為主，夾薄層泥巖，洼陷中部為厚層泥巖夾薄層灰?guī)r、膏巖?？傮w上，研究區(qū)沙四上亞段沉積期，碎屑巖與碳酸鹽巖共生，形成了縱向相互疊置、橫向相鄰分布這一錯(cuò)綜復(fù)雜的沉積面貌，并由此衍生出酸堿交替的成巖環(huán)境。

2 成巖環(huán)境分析

2.1 現(xiàn)象表征

成巖環(huán)境分析是成巖機(jī)制研究的基礎(chǔ)[9-10]，依據(jù)黏土礦物以及膠結(jié)物含量的垂向分布特征對(duì)研究區(qū)沙四上亞段的成巖環(huán)境進(jìn)行了研究。

研究發(fā)現(xiàn)：黏土礦物高嶺石在1 800～2 800 m的體積含量較高，最高達(dá)60%，伊利石和綠泥石含量相對(duì)較低，其中綠泥石含量普遍低于20%；同時(shí)膠結(jié)物黃鐵礦在此深度段體積含量也相對(duì)較高，達(dá)到4%左右，而方解石含量在此深度段卻相對(duì)下覆地層低，僅有20%。高嶺石、黃鐵礦的相對(duì)高含量以及伊利石、綠泥石和方解石的相對(duì)低含量反映出此深度段處于酸性成巖環(huán)境中。在此影響下，方解石膠結(jié)較弱，普遍存在長(zhǎng)石、巖屑溶蝕和石英次生加大等成巖現(xiàn)象(圖1a、b)。

當(dāng)埋深到2 800 m時(shí)，黏土礦物高嶺石以及膠結(jié)物黃鐵礦的體積含量逐漸降低，而伊利石、綠泥石和方解石含量連續(xù)升高，此規(guī)律一直持續(xù)到3 300 m，這一變化反映出成巖環(huán)境已經(jīng)由上覆地層的酸性演變?yōu)閴A性。同時(shí)，堿性成巖環(huán)境的存在也從成巖現(xiàn)象上得到了證實(shí)，表現(xiàn)為碳酸鹽巖膠結(jié)作用強(qiáng)烈(圖1c)，長(zhǎng)石、巖屑溶蝕作用較弱甚至不發(fā)育(圖1d)，石英次生加大邊溶蝕。

當(dāng)埋深超過(guò)3 300 m時(shí)，高嶺石及黃鐵礦的體積含量開(kāi)始穩(wěn)步上升，而伊利石、綠泥石和方解石含量則出現(xiàn)了不同程度下降。反映出研究區(qū)儲(chǔ)集體在經(jīng)歷了堿性成巖環(huán)境后，逐漸演變?yōu)槿鯄A性、堿酸過(guò)渡和強(qiáng)酸性的成巖環(huán)境。這一變化在成巖現(xiàn)象上也有所反映，表現(xiàn)在溶蝕作用的逐步增強(qiáng)和膠結(jié)作用的不斷減弱，3 300 m以下普遍可見(jiàn)巖屑、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖膠結(jié)物溶蝕和石英次生加大現(xiàn)象(圖1e、f)。

圖1 渤南洼陷沙四上亞段成巖現(xiàn)象

2.2 成因機(jī)制

關(guān)于成巖環(huán)境成因機(jī)制，廣大學(xué)者普遍認(rèn)為烴源巖生烴作用產(chǎn)生的有機(jī)酸是形成酸性成巖環(huán)境的主要因素[9-10]，而對(duì)于堿性成巖環(huán)境的成因研究較少，目前沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。據(jù)成巖環(huán)境分析可知，研究區(qū)沙四上亞段2800m以上為酸性成巖環(huán)境，2 800～3 300 m為堿性成巖環(huán)境，3 300 m以下在經(jīng)歷了弱堿性、堿酸過(guò)渡環(huán)境后演變?yōu)樗嵝猿蓭r環(huán)境。

研究發(fā)現(xiàn)：渤南洼陷沙四上亞段在埋深到達(dá)2 800 m時(shí)，鏡質(zhì)體反射率達(dá)到0.5%，此時(shí)烴源巖開(kāi)始生烴，并伴有大量有機(jī)酸排出，且2 800 m以下異常高壓普遍發(fā)育，有機(jī)酸在異常高壓的驅(qū)動(dòng)下向上覆地層中運(yùn)移，因此，2 800 m以上地層中形成了酸性成巖環(huán)境。

值得一提的是，2 800～3 300 m烴源巖雖已到達(dá)生烴門(mén)限并排出了有機(jī)酸，但仍為堿性成巖環(huán)境。分析認(rèn)為：堿性成巖環(huán)境的形成是沉積環(huán)境以及埋藏作用過(guò)程中水巖相互作用的結(jié)果，在渤南洼陷沙四上亞段的湖侵和高位域沉積期發(fā)育了較厚的石膏層并由此帶來(lái)了堿鹵水，研究區(qū)的石膏層雖主要發(fā)育在洼陷中部，但由于同等深度地層中流體容易發(fā)生橫向交換，因此存在的堿鹵水和膏巖發(fā)育段的酸性地層水都發(fā)生了強(qiáng)度不一的中和，使得該層段雖處于生烴門(mén)限之下，但受堿鹵水影響而處于堿性成巖環(huán)境中。

當(dāng)埋深到3 300 m以下時(shí)，鏡質(zhì)體反射率大于0.7%，進(jìn)入大量生油氣階段，不同學(xué)者對(duì)這一階段是否有有機(jī)酸產(chǎn)生持不同看法。Surdam等認(rèn)為有機(jī)酸主要生成于烴類開(kāi)始大量生成之前，但后來(lái)經(jīng)過(guò)大量學(xué)者實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)酸的生成過(guò)程可以持續(xù)到整個(gè)烴類生成過(guò)程，因此在干酪根成熟過(guò)程中，一直存在著有機(jī)酸的生成。故研究區(qū)沙四上亞段埋深超過(guò)3 300 m且鏡質(zhì)體反射率大于0.7%時(shí)，仍有大量有機(jī)酸生成并中和掉堿鹵水，因此，堿性成巖環(huán)境變?nèi)?。隨著埋深的增大，石膏層厚度逐漸減薄，加之有機(jī)酸數(shù)量的增多，成巖環(huán)境往酸性過(guò)渡。當(dāng)埋深超過(guò)4 000 m時(shí)，膏巖和灰?guī)r消失，不再產(chǎn)生堿性流體，加之有機(jī)酸的不斷產(chǎn)生，成巖環(huán)境已為強(qiáng)酸性環(huán)境。

總之，研究區(qū)酸堿交替的成巖環(huán)境是在烴源巖生烴過(guò)程中排出的有機(jī)酸和石膏層產(chǎn)生的堿鹵水共同控制下形成的，酸性流體和堿性流體此消彼長(zhǎng)一同控制著各類型儲(chǔ)集體的成巖演化。

3 成巖機(jī)制研究

渤南洼陷沙四上亞段由于埋深較大，在經(jīng)歷了早成巖階段后，目前整體處于中成巖A期，少數(shù)進(jìn)入中成巖B期。由于這一時(shí)期碎屑巖和碳酸鹽巖共生，而2類巖石的沉積、成巖的環(huán)境都不盡相同，故此次分別對(duì)碎屑巖和碳酸鹽巖的成巖機(jī)制進(jìn)行了探討。

3.1 碳酸鹽巖儲(chǔ)集層

碳酸鹽巖出現(xiàn)在研究區(qū)沙四上亞段湖侵和高位域沉積階段，是多鹽湖盆的產(chǎn)物，在時(shí)間和空間上都和膏巖伴生。因此，其受石膏層產(chǎn)生的堿性流體影響較大，使之整體處于堿性成巖環(huán)境中，即使有機(jī)酸注入碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中，但大部分也被堿性流體所中和，故在碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的成巖演化階段中，其所經(jīng)歷的成巖環(huán)境是一致的，即整體經(jīng)歷堿性環(huán)境或酸堿交替環(huán)境，不同成巖作用對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的改造能力同等，總體上溶蝕率極低，膠結(jié)率相對(duì)較高。因此，和碎屑巖儲(chǔ)集層不同，碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中沒(méi)有出現(xiàn)次生孔隙發(fā)育帶，其物性隨著埋深的增加有規(guī)律的減小，孔隙演化呈現(xiàn)的是1條正常壓實(shí)曲線(圖2)。

3.2 碎屑巖儲(chǔ)集層

研究區(qū)沙四上亞段沉積的碎屑巖按照與膏巖的關(guān)系，又可分為2類：一類是低位域中鹽湖盆沉積期形成的與膏巖非共生的碎屑巖；另一類是湖侵和高位域多鹽湖盆沉積期與膏巖共生的碎屑巖。2類碎屑巖由于和膏巖的遠(yuǎn)近親疏關(guān)系不同，其所受堿性流體的影響程度不同，因而所經(jīng)歷的成巖演化過(guò)程也有所差異。

圖2 碳酸鹽巖儲(chǔ)集體成巖機(jī)制

3.2.1 多鹽湖盆

成巖演化受控于成巖環(huán)境[9-10]，由成巖環(huán)境研究可知，研究區(qū)沙四上亞段多鹽湖盆沉積的膏巖造就了堿性成巖環(huán)境，因此多鹽湖盆碎屑巖是受堿性成巖環(huán)境影響最深的儲(chǔ)集體。

膏巖發(fā)育在多鹽湖盆2 800 m以下，膏巖層之間還沉積有大量暗色泥巖以及部分膏質(zhì)泥巖，膏質(zhì)泥巖的地化指標(biāo)顯示著其有比純泥巖更好的生烴能力*宋國(guó)奇，劉雅利，程付啟，等.渤南孤北地區(qū)沙四段多儲(chǔ)集類型油藏富集規(guī)律[R].勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院內(nèi)部資料，2013.，因此膏質(zhì)泥巖生烴作用過(guò)程中排出的有機(jī)酸數(shù)量也較純泥巖多。故膏質(zhì)泥巖生烴過(guò)程中排出的大量有機(jī)酸在異常高壓的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入2 800 m以上地層，造成了大量長(zhǎng)石和巖屑溶蝕，溶蝕率最高可達(dá)0.8，同時(shí)有機(jī)酸的注入還抑制了膠結(jié)作用的發(fā)生，膠結(jié)率只有0.4左右。當(dāng)然，壓實(shí)作用伴隨著整個(gè)成巖過(guò)程，但壓實(shí)的減孔效應(yīng)遠(yuǎn)小于溶蝕的增孔效應(yīng)。因此，2 800 m之上以溶蝕增孔效應(yīng)為主，形成了第1個(gè)次生孔隙發(fā)育帶(圖3)。

到2 800 m以下地層時(shí)，碎屑巖儲(chǔ)集層和膏巖層共生在多鹽湖盆中，這一深度段的碎屑巖儲(chǔ)集層受堿性成巖環(huán)境的影響，溶蝕率下降到0.3，而膠結(jié)率極速上升到0.9，發(fā)育的膠結(jié)物不僅充填原生孔隙，而且對(duì)前期溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生的次生孔隙進(jìn)行充填，使孔隙度大大降低，同時(shí)阻礙了壓實(shí)作用的發(fā)生，使地層處于欠壓實(shí)狀態(tài)，這種情況一直延續(xù)到埋深3 300 m處。總體上，2 800～3 300 m這一深度段受膠結(jié)減孔和欠壓?？椎木C合效應(yīng)，次生孔隙不甚發(fā)育(圖3)。

圖3 多鹽湖盆碎屑巖儲(chǔ)集體成巖機(jī)制

當(dāng)埋深超過(guò)3 300 m時(shí)，成巖環(huán)境研究可知堿性流體已不能完全中和有機(jī)酸。成巖環(huán)境也由堿性逐漸過(guò)渡到弱酸性，伴隨而來(lái)的是成巖作用的改變，這種改變首先體現(xiàn)在膠結(jié)作用的減弱，其次是壓實(shí)作用的正?；?，再次是溶蝕作用顯著增強(qiáng)，溶蝕率回歸到0.6以上。這一階段以溶蝕增孔為主導(dǎo)，膠結(jié)減孔為次要，形成了第2個(gè)次生孔隙發(fā)育帶。這一次生孔隙發(fā)育帶縱向跨度較大，當(dāng)埋深超過(guò)4 000 m時(shí)，仍有部分次生孔隙發(fā)育，這是認(rèn)為4 000 m以下膏巖不再發(fā)育，成巖環(huán)境完全演變?yōu)樗嵝?，雖埋藏壓實(shí)作用已十分強(qiáng)烈，但溶蝕增孔效應(yīng)的存在仍保留了部分次生孔隙(圖3)。

3.2.2 中鹽湖盆

中鹽湖盆碎屑巖的成巖演化及其對(duì)孔隙演化的影響和多鹽湖盆相似，但中鹽湖盆的成巖作用程度及次生孔隙的發(fā)育程度都與多鹽湖盆有明顯不同(圖4)。

圖4 中鹽湖盆碎屑巖儲(chǔ)集體成巖機(jī)制

首先，在2 800 m以上第1個(gè)次生孔隙發(fā)育帶，中鹽湖盆發(fā)育的純泥巖生烴能力不如多鹽湖盆發(fā)育的膏質(zhì)泥巖，因此中鹽湖盆碎屑巖儲(chǔ)集層所受的有機(jī)酸溶蝕作用較多鹽湖盆弱，次生孔隙發(fā)育程度也較多鹽湖盆低；其次，在2 800～3 300 m深度段，中鹽湖盆沒(méi)有膏巖沉積，不會(huì)產(chǎn)生堿性流體，其只是受橫向堿性水體交換作用影響，膠結(jié)作用比多鹽湖盆弱，壓實(shí)作用比多鹽湖盆強(qiáng)，溶蝕作用比多鹽湖盆高，故保留了比多鹽湖盆更多的孔隙；再次，到3 300 m以下，隨著生烴過(guò)程中大量有機(jī)酸的排出，中鹽湖盆碎屑巖儲(chǔ)集層成巖環(huán)境過(guò)渡為純酸性環(huán)境，因此膠結(jié)作用比多鹽湖盆弱，溶蝕作用則比多鹽湖盆強(qiáng)，故形成第2個(gè)次生孔隙發(fā)育帶且孔隙度總體大于多鹽湖盆(圖4)。

4 結(jié) 論

(1) 渤南洼陷沙四上亞段2 800 m之上為酸性成巖環(huán)境，2 800～3 300 m為堿性成巖環(huán)境，3 300 m之下在經(jīng)歷了弱堿性、堿酸過(guò)渡環(huán)境后演變?yōu)樗嵝猿蓭r環(huán)境，有機(jī)酸注入和石膏層產(chǎn)生的堿性流體是形成酸堿交替環(huán)境的成因機(jī)制。

(2) 渤南洼陷沙四上亞段碎屑巖儲(chǔ)集層在2 800 m以上以溶蝕作用為主，2 800～3 300 m之間以膠結(jié)作用為主，3 300 m以下以溶蝕和壓實(shí)作用為主，其中多鹽湖盆在2 800 m以上的溶蝕作用強(qiáng)于中鹽湖盆，而3 300 m以下的溶蝕作用則弱于中鹽湖盆，在2 800～3 300 m之間的膠結(jié)程度大于中鹽湖盆；碳酸鹽巖整個(gè)成巖演化階段所經(jīng)歷的成巖環(huán)境一致，不同成巖作用對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的改造能力同等，總體上溶蝕作用極弱，膠結(jié)作用相對(duì)較強(qiáng)。

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編輯 張耀星

20141013；改回日期：20150127

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地油氣勘探關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05006-001)

劉雅利(1970-)，男，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油與天然氣地質(zhì)勘查專業(yè)，2011年畢業(yè)于中科院廣州地化所構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣勘探開(kāi)發(fā)及相關(guān)地質(zhì)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.008

TE122.2

A

1006-6535(2015)02-0035-05