超壓封存箱內(nèi)堿性成巖作用的發(fā)現(xiàn)
——以車66扇體為例

滕建彬，謝忠懷，王偉慶

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015)

超壓封存箱內(nèi)堿性成巖作用的發(fā)現(xiàn)
——以車66扇體為例

滕建彬，謝忠懷，王偉慶

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015)

對車鎮(zhèn)凹陷車66井區(qū)深部儲(chǔ)層巖石學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，石英溶蝕顯著、碳酸鹽礦物穩(wěn)定賦存，揭示了砂礫巖體超壓封存箱內(nèi)處于典型的堿性成巖環(huán)境。石英溶蝕型孔隙占儲(chǔ)層總孔隙的50%左右，其形成機(jī)制分為三步：堿性環(huán)境的塑造、石英礦物的溶蝕、黏土礦物間的轉(zhuǎn)化。超壓封存箱內(nèi)的堿性成巖環(huán)境對儲(chǔ)層的影響具有兩面性：一是形成石英溶蝕孔隙，對儲(chǔ)集性起建設(shè)作用；二是易于沉淀大量方解石膠結(jié)物，充填部分微裂縫和次生孔隙，起破壞性作用。粒緣縫和構(gòu)造縫組成的裂縫系統(tǒng)作為早期超壓釋放和水-巖作用的流體通道，改善了深部儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性，利于油氣運(yùn)聚，促使處于高壓封存箱內(nèi)的車66沙三下砂礫巖儲(chǔ)層成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

車鎮(zhèn)凹陷;砂礫巖;堿性成巖作用;超壓封存箱

1 地質(zhì)概況

車鎮(zhèn)凹陷北部陡坡帶發(fā)育多類型、多期次的砂礫巖扇體，處于油氣運(yùn)移的路徑之上，蘊(yùn)藏著巨大的勘探潛力。車66井區(qū)位于車鎮(zhèn)凹陷西部，車66井在沙三段的深水濁積扇體鉆遇含油砂礫巖體，埋深4 300～4 465 m，8 mm油嘴試油237 m3/d，氣2.5×104m3，是繼車古201、車古204、車571井后又一口百噸高產(chǎn)井，也是車西北帶碳酸鹽礫巖體首次突破百噸的高產(chǎn)井。

車66井區(qū)具備形成異常高壓的地質(zhì)條件，多口井鉆遇異常高壓層，車66井出油井段壓力系數(shù)高達(dá)1. 72。生產(chǎn)勘探壓力測試證實(shí)，在研究區(qū)沙三段下亞段底部存在異常高壓流體封存箱(圖1)[1-3]，封存箱是沉積盆地發(fā)展演化過程中由于巖石非均質(zhì)性，不平衡壓實(shí)作用和不均一成巖作用的產(chǎn)物[4-7]，具有復(fù)雜的成巖作用。

圖1 車西北帶車66井區(qū)超壓流體封存箱[3]

2 堿性成巖環(huán)境的證據(jù)

目前對酸堿性成巖環(huán)境的認(rèn)定主要基于兩方面：一是參考地層水的分析資料[7]；二是基于埋藏成巖過程中水-巖作用生成礦物所體現(xiàn)的巖石學(xué)特征進(jìn)行判識(shí)[8-10]?，F(xiàn)今的地層水是水-巖反應(yīng)后的殘液，大多已達(dá)化學(xué)平衡，故一般呈中性，不利于儲(chǔ)層成巖過程中酸堿環(huán)境的認(rèn)定，有鑒于此，本文從研究區(qū)的巖石學(xué)特征方面揭示其堿性環(huán)境，發(fā)現(xiàn)主要存在三方面的證據(jù)。

2.1 石英溶蝕現(xiàn)象

石英是儲(chǔ)層中最穩(wěn)定的組分之一，在堿性水的作用下，石英易于直接溶解形成次生孔隙已被眾多學(xué)者所認(rèn)同[3,11]。車66井區(qū)石英等碎屑顆粒邊緣溶蝕非常顯著。主要溶蝕現(xiàn)象包括：①被明顯溶蝕的石英巖巖屑“懸浮”在碳酸鹽膠結(jié)物中；②石英巖巖屑粒內(nèi)溶孔發(fā)育；③形成狹長狀溶蝕孔隙，后期多被方解石充填；④溶蝕型石英顆粒殘余、石英顆粒具有港灣狀或不規(guī)則狀溶蝕邊緣 。

假如這些溶蝕現(xiàn)象屬于石英的間接溶蝕，那么鄰近的碳酸鹽巖屑或膠結(jié)物也必然遭受強(qiáng)烈的改造。而在車66井區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層中，即使在石英巖巖屑被明顯溶蝕的位置，仍然出現(xiàn)晶型保存完好的白云石自形晶粒，石英巖巖屑和溶蝕孔隙直接接觸，菱形晶白云石膠結(jié)物無明顯溶解痕跡，說明薄片中所見的溶解現(xiàn)象并不是石英間接溶解交代的結(jié)果[3]。

由于石英的化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，方解石一般從其顆粒邊緣進(jìn)行溶蝕交代，形成鋸齒狀或港灣狀邊緣。從結(jié)構(gòu)上看，石英顆?！捌　庇谔妓猁}膠結(jié)物中，這種“漂浮”結(jié)構(gòu)部分歸因于方解石對石英碎屑的溶蝕交代。關(guān)于石英被方解石交代機(jī)理較一致的認(rèn)識(shí)是：當(dāng)孔隙水pH值由低變高，大于8.5時(shí)，石英呈不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生溶蝕作用，如果此時(shí)Ca2+濃度適中，則進(jìn)一步發(fā)生碳酸鹽交代石英的反應(yīng)[12]。

2.2 長石未發(fā)生溶蝕

酸性環(huán)境中長石屬于不穩(wěn)定組分，容易在酸性水的作用下發(fā)生溶蝕，傳統(tǒng)的酸性地層水的理論推測地層中酸性條件的塑造主要來源于四方面：①有機(jī)質(zhì)成熟排除大量的有機(jī)酸；②有機(jī)質(zhì)脫羧作用生成CO2，使流體呈酸性；③深部來源的CO2使流體呈酸性；④硫酸鹽熱分解效應(yīng)。

長石的溶蝕實(shí)驗(yàn)表明：長石溶蝕速度受控于所處水體的離子濃度和礦物化學(xué)平衡，隨反應(yīng)趨于平衡而減慢，最終達(dá)到溶解與沉淀的動(dòng)態(tài)平衡[13]。若使礦物繼續(xù)溶解，則必須改變溫壓條件，打破此平衡。相較于常壓儲(chǔ)層，超壓封存箱內(nèi)具有更大的壓力，相對更有利于長石的溶解，這也是其他洼陷深部儲(chǔ)層長石溶蝕發(fā)育的主要原因。而研究區(qū)深部砂礫巖儲(chǔ)層內(nèi)充填的斜長石邊緣未見被溶蝕的現(xiàn)象，斜長石的破裂縫邊緣也未發(fā)生溶蝕，說明研究區(qū)儲(chǔ)層中地層水的性質(zhì)與酸性地層水作用理論格格不入，而應(yīng)該是堿性地層水。

2.3 碳酸鹽膠結(jié)物無溶蝕現(xiàn)象

一般認(rèn)為溫壓增大有利于碳酸鹽的溶解[14]，但在車66井區(qū)深部砂礫巖儲(chǔ)層的勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：碳酸鹽的溶蝕作用并沒有因?yàn)樯畈績?chǔ)層溫壓條件的增大而加強(qiáng)，主要有兩方面的原因：其一，以堿性地層水為主的強(qiáng)烈改造，導(dǎo)致未見碳酸鹽溶蝕現(xiàn)象；常見白云巖巖屑保存完好，而與之對應(yīng)的石英顆粒及石英質(zhì)巖屑被強(qiáng)烈溶蝕交代，表明儲(chǔ)層必然經(jīng)過以堿性水為主的地層水的強(qiáng)烈改造；其二，由于處于異常高壓的壓力封存箱內(nèi)，流體與外界交換能力減弱，碳酸鹽礦物的溶解速率大幅降低。

碳酸鹽膠結(jié)物溶解現(xiàn)象不明顯，特別是與油氣等地層流體直接接觸的碳酸鹽晶體晶型完好(圖2)，表明其處于堿性流體環(huán)境。劉寶珺(1992)[15]認(rèn)為方解石的沉淀需要pH值較高的堿性環(huán)境，一般pH值大于8～9。埋深的加大及環(huán)境溫度的升高促進(jìn)了水-巖反應(yīng)的進(jìn)行，白云質(zhì)成分中的堿金屬離子和堿土金屬離子活度加大并隨礦物水解進(jìn)入地層水中，使溶液的pH值進(jìn)一步升高，堿性程度進(jìn)一步增強(qiáng)，這極可能是研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物非常發(fā)育的主要原因之一。

圖2 碳酸鹽晶型完好

3 堿性成巖機(jī)制探討

車66井區(qū)的深層砂礫巖在沉積期遭受堿湖水的改造，堿湖沉積的泡堿類(Na2CO3·10H2O)，芒硝(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)等礦物塑造了強(qiáng)堿性的地層流體，在后期中和了烴類有機(jī)質(zhì)生成的有機(jī)酸，導(dǎo)致地層中地層流體的冷凝液堿性十分強(qiáng)。參考史宏才等(1998)[16]的水巖作用實(shí)驗(yàn)，推測研究區(qū)石英溶蝕作用主要分以下三步：

第一步：碳酸氫鹽在100～150℃發(fā)生熱分解：

HCO3-→CO32-+ CO2↑+ H2O

(1)

H2O + CO32-→OH-+ CO2

(2)

(1)和(2)疊加HCO3-→OH-+ CO2↑(堿性環(huán)境的塑造)。

第二步：SiO2+Ca2++2H2O+HCO3-→

CaCO3+H4SiO4+H+

(3)

W.D.Gunter、G.W.Bird、Z.Zhou等人研究[17]證明:

M++高嶺石+ H2O+SiO2(石英)→蒙脫石+ H++ H2O

高嶺石+白云石+石英→蒙脫石+方解石+H2O+CO2↑

第三步：蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，造成儲(chǔ)層內(nèi)伊利石含量高，而蒙脫石和高嶺石含量低(表1)，該脫水反應(yīng)可以引起地層增壓。

5K++8Al3++蒙脫石→伊利石+Na++Ca2++Mg2++Fe3++Si4++H2O

表1 車660井沙三段巖樣X衍射黏土礦物分析數(shù)據(jù)

Ca2+、Mg2+、Fe3+與前述過程產(chǎn)生的CO2一起在晚成巖期形成(含鐵)白云石或(含鐵)方解石(方解石脈體)，在研究區(qū)的儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)的大量方解石脈體也是堿性環(huán)境對埋藏期的成巖起到?jīng)Q定性作用的極好證據(jù)。CO2過量時(shí)進(jìn)而生成碳酸氫鹽，使得反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，由于堿性環(huán)境的存在，Si4+一般不能形成次生石英，多被黏土化，而Fe3+和Mg2+則形成自生綠泥石，這些成巖效應(yīng)在薄片中已被發(fā)現(xiàn)。

綜上，巖石學(xué)特征分析表明車66井區(qū)的沙三下砂礫巖體所處的地層流體環(huán)境總體上呈堿性，經(jīng)歷的是強(qiáng)堿性成巖作用改造。研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層中含有較多的灰?guī)r和白云巖，在埋藏成巖過程中，伴隨著有機(jī)質(zhì)鹽化程度的升高產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2，使地層水pH值降低，但堿性地層水及堿性礦物的存在使得有機(jī)質(zhì)演化產(chǎn)生的有機(jī)酸和CO2迅速被中和，趨于并保持堿性成巖環(huán)境。

此外，超壓流體使得巖石易于形成礫緣縫和微裂縫，加之堿性環(huán)境下石英溶蝕孔的發(fā)育，形成了孔縫系統(tǒng)發(fā)育的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層(圖3)。車66井區(qū)沙三、沙四段儲(chǔ)層中，石英顆粒、石英巖巖屑的溶蝕作用提高了孔隙度和滲透率，80塊薄片孔隙圖像分析的平均總面孔率為10.5%，石英溶蝕型孔隙約為5%，角礫間孔、顆粒間孔及晶間約為3%，礫緣縫等占2.5%。

4 結(jié)論

(1)通過對車66井區(qū)超壓儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征研究，首次認(rèn)定了車66井區(qū)深部砂礫巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了堿性流體成巖作用的改造，主要證據(jù)包括：石英礦物具有顯著的溶蝕邊緣、長石礦物未發(fā)生溶蝕、碳酸鹽礦物自形晶賦存等。

(2)高壓封存箱內(nèi)超壓流體泄壓過程的多次幕式釋放使得巖石易于形成礫緣縫、微裂縫，而堿性成巖作用利于形成石英溶蝕孔，孔縫系統(tǒng)發(fā)育是車66沙三下砂礫巖儲(chǔ)層成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要原因，這也是對車西深部超壓砂礫巖儲(chǔ)層成巖作用及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的最新認(rèn)識(shí)。

(3)車西北帶深部砂礫巖尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的重要方向和突破口之一是：加大對埋深大于3 600 m深層碳酸鹽礫石為主的深水濁積扇、近岸水下扇勘探力度，因?yàn)檫@些砂礫巖沉積體在超壓堿性成巖環(huán)境中易于形成油氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

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圖3 車66井區(qū)堿性成巖作用與酸性成巖作用主要特征對比

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)01-0004-04

2014-08-22

滕建彬,工程師，碩士，1980年生，2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油工程專業(yè)，2007年畢業(yè)于中科院研究生院石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油儲(chǔ)層綜合研究工作。

中石化科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“致密砂礫巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理與保護(hù)改造措施研究”(P14019)和“斷陷湖盆碎屑巖儲(chǔ)層成巖演化與評(píng)價(jià)-以濟(jì)陽坳陷為例”(P06010)聯(lián)合資助。

TE111.3

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