沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征①

李 超 朱筱敏 朱世發(fā) 耿名揚(yáng) 畢玉泉 束青林 徐福剛

(1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠 黑龍江大慶 151108;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;3.中國(guó)石化勝利油田 山東東營(yíng) 225200)

0 引言

渤海灣盆地沾化凹陷位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部。沾化凹陷東接黃河口凹陷，東南與墾東—青坨子凸起相接，南部地層與陳家莊凸起呈超覆接觸，西與車鎮(zhèn)凹陷毗鄰，北以埕東凸起與埕北凹陷相連。盆地平面上呈向西南端收斂、向北東撒開的喇叭狀，面積約2 800 km2(圖1)。

圖1 沾化凹陷位置及次級(jí)構(gòu)造單元格局圖Fig.1 The location and the second structural pattern of the Zhanhua sag

羅家地區(qū)位于沾化凹陷中部羅家鼻狀構(gòu)造帶上，在鼻狀構(gòu)造背景上發(fā)育了一系列正斷層。該區(qū)沙三段沉積時(shí)期氣候溫暖，沉積了厚100～300 m、碳酸鹽巖礦物含量較高的泥質(zhì)巖，是本區(qū)的主要生油層和含油層，屬還原的湖相沉積［1-3］。鉆探資料表明油氣顯示活躍，其中羅42井獲得高產(chǎn)，已累計(jì)產(chǎn)油13 605 t，水1 079 m3，反映該區(qū)頁(yè)巖油氣資源十分豐富。羅家地區(qū)沙三下段分為 10、11、12上、12下、13上、13下六個(gè)層組，羅69井為該地區(qū)系統(tǒng)取芯井，羅67井和新義深9井沙三下段有部分的取芯［4］。

由于羅家地區(qū)沙河街組泥頁(yè)巖裂縫性儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，識(shí)別和評(píng)價(jià)難度大，給油氣開采(井間動(dòng)態(tài)差異大)帶來巨大困難。因此，有效泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的識(shí)別、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)是這類非常規(guī)油氣藏勘探與開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)問題。

前人針對(duì)該地區(qū)巖石類型及特征、儲(chǔ)集空間類型研究較多，如劉惠民等［5］將研究區(qū)沙三段下段頁(yè)巖劃分為10余種巖相，以紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r相為主，儲(chǔ)集空間可識(shí)別順層微裂縫、斜交微裂縫、不規(guī)則微裂縫及超壓微裂縫、黏土礦物、碳酸鹽礦物晶間微孔等;鄧美寅等［6］認(rèn)為沙三下泥頁(yè)巖主要發(fā)育紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、薄層狀灰質(zhì)泥巖相、薄層狀含泥質(zhì)灰?guī)r相等巖相類型，儲(chǔ)集空間類型主要有張裂縫、剪裂縫、層間微裂縫、超壓破裂縫、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物晶間孔、方解石晶間孔等，但前人對(duì)沉積環(huán)境及儲(chǔ)層控制因素的研究比較少。故本文主要依據(jù)羅69井以及羅67井、新義深9井巖芯資料，結(jié)合常規(guī)薄片鑒定、掃描電鏡、物性測(cè)試、X衍射分析等試驗(yàn)方法，從礦物組成、巖相類型、沉積環(huán)境、儲(chǔ)集空間及儲(chǔ)層控制因素等方面分析了該套泥頁(yè)巖的沉積儲(chǔ)層特征，開展了有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究。

1 礦物特征

圖2 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井沙三下段巖芯柱狀綜合分析圖Fig.2 Lithologic column of the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Well Luo 69

通過對(duì)羅家地區(qū)羅69井取芯(芯長(zhǎng)197m)的約500塊樣品全巖X衍射、薄片鑒定及掃描電鏡等分析，發(fā)現(xiàn)羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖巖石礦物以方解石為主，含量為43.96%～61.54%，平均含量52.23%，從羅69井下部到上部，方解石含量逐漸變少，代表了水體加深的過程;黏土礦物含量為12.36%～23.93%，平均含量為18.05%，以伊蒙混層和伊利石為主;石英多為粉砂級(jí)至泥級(jí)，含量為14.9%～20.38%，平均含量為18.05%(圖2)。另外，指示還原沉積環(huán)境的黃鐵礦平均含量為4.2%，還含有少量的白云石、菱鐵礦等，偶可見長(zhǎng)石、介形蟲及磷質(zhì)脊椎動(dòng)物碎片。

2 巖相特征

2.1 巖性劃分

根據(jù)羅家地區(qū)約500塊樣品的X衍射全巖分析結(jié)果與薄片觀察，將羅家地區(qū)泥頁(yè)巖劃分為泥巖和灰?guī)r兩種類型和多種亞類(表1，其中“泥質(zhì)”為黏土礦物和石英、長(zhǎng)石等陸源碎屑的總和)，泥質(zhì)灰?guī)r為其主要巖石類型。

羅家地區(qū)泥頁(yè)巖發(fā)育水平層理，通過不同厚度、暗淺色紋層交替出現(xiàn)而顯現(xiàn)。淺色紋層為方解石紋層，暗色紋層由有機(jī)質(zhì)及黏土礦物組成。根據(jù)紋層的厚度、組合方式、比例和穩(wěn)定性將沉積構(gòu)造分為紋層狀、薄層狀和塊狀構(gòu)造;紋層狀構(gòu)造的紋層薄(一般小于1 mm)而且分布均勻，明暗界限清晰，在巖芯上和顯微鏡下，成層性均非常清晰，薄層狀構(gòu)造的紋層厚度一般大于1 mm，鏡下可見其發(fā)育的水平紋層，巖芯上成層性不好;結(jié)合研究區(qū)發(fā)育的沉積構(gòu)造和巖性可將巖相分為六種類型:紋層狀含泥灰?guī)r、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥—灰?guī)r、薄層狀灰—泥巖、塊狀灰質(zhì)泥巖巖相［5-8］。

沾化凹陷羅69井沙三下段由深到淺，方解石含量變少，黏土礦物含量增加，沉積構(gòu)造逐漸由紋層狀到薄層狀再到塊狀沉積(圖2)。

在羅69井3 040～3 130 m井段，以豐富的灰質(zhì)含量為主要特征，紋層狀(含)泥質(zhì)灰?guī)r為主要巖性，夾薄層的薄層狀泥—灰?guī)r、灰—泥巖;顏色由灰色、深灰色，逐漸變?yōu)榛液谏?3 000～3 040 m井段以灰黑色薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、泥—灰?guī)r為主，有機(jī)碳含量高;2 960～3 000 m井段為深灰色薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層灰質(zhì)泥巖;2 920～2 960 m井段為深灰色薄層狀灰—泥巖夾薄層薄層狀泥—灰?guī)r，并出現(xiàn)較多的塊狀灰質(zhì)泥巖。

2.2 巖相特征

(1)紋層狀含泥灰?guī)r巖相

紋層狀含泥灰?guī)r顏色為灰色和深灰色，碳酸鹽礦物含量可高達(dá)70%以上，黏土礦物以及粉砂質(zhì)陸源碎屑含量很低，從巖芯及薄片上均可看到明暗相間的紋層，單個(gè)紋層厚度小于1 mm，紋層水平分布，明暗相間的紋層界線分明，突變接觸(圖3a，b)。

(2)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r巖相

灰色和深灰色紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r方解石含量大于50%，黏土礦物含量小于50%，粉砂質(zhì)陸源碎屑含量很低，鏡下紋層狀構(gòu)造明顯，明暗相間的紋層界限清晰，紋層產(chǎn)出較密集(圖3c，d)。

(3)薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r巖相

灰黑色、深灰色薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r薄層狀構(gòu)造明顯、單個(gè)紋層厚度較大(＞1 mm)，方解石礦物含量大于50%，有機(jī)質(zhì)含量較大(＞2%，平均3.87%)。該巖相為羅家地區(qū)沙三下泥頁(yè)巖的主要類型(圖3e，f)。

(4)薄層狀泥—灰?guī)r巖相

薄層狀泥—灰?guī)r方解石礦物含量大于暗色礦物含量，二者含量均小于50%，多為隱薄層狀構(gòu)造，巖芯上紋層成層性不好，薄層狀構(gòu)造不明顯;鏡下成層性較清晰(圖3g，h)。

(5)薄層狀灰—泥巖巖相

羅家地區(qū)薄層狀灰黑色、深灰色灰—泥巖巖芯上層理不明顯，鏡下可見很好的成層性(圖3i，j)。有機(jī)質(zhì)含量較大(＞2%，平均3.23%)，暗色礦物含量大于方解石含量。

表1 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段巖石類型Table 1 Rock types of the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Luojia area

(6)塊狀灰質(zhì)泥巖巖相

顏色為深灰色、灰黑色，均勻塊狀，巖芯上無紋層顯示，鏡下泥晶方解石與泥質(zhì)組分混雜分布，無成層性，局部介形蟲碎片富集，泥質(zhì)含量大于50%，灰質(zhì)含量較低，含有一定的陸源碎屑(圖3k，l)。

圖3 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井沙三下段巖相類型及其特征Fig.3 Lithologic characteristics of the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Luojia area

2.3 沉積環(huán)境分析

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段沉積環(huán)境為堿性、還原較深水沉積環(huán)境。

(1)Sr/Ba和V/Ni分析

沉積物Sr/Ba比值和V/Ni比值可以較好地反映湖泊水體鹽度的變化，比值較低，指示水體鹽度較低，氣候濕潤(rùn);反之，則指示氣候干旱，如Sr/Ba＞1表示咸水環(huán)境［9-10］。

羅家地區(qū)Sr/Ba主要范圍1.5～3.5，V/Ni主要范圍2～4，指示羅家地區(qū)沉積環(huán)境的鹽度較大，表2是分別對(duì)羅69井和羅67井按照每個(gè)層組計(jì)算的平均值，由數(shù)據(jù)可以看出羅家地區(qū)沙三下段每個(gè)層組沉積時(shí)期水體鹽度不同。沙三下段早期沉積水體鹽度大于晚期，沉積早期氣候干旱，晚期水體較濕潤(rùn)。

(2)V/(V+Ni)分析

一般認(rèn)為，在富含有機(jī)質(zhì)的巖石中微量元素V/(V+Ni)可作為沉積水體環(huán)境氧化還原條件的反映［7-8］。高比值(＞0.84)反映水體分層強(qiáng)及底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境，易沉積紋層狀構(gòu)造，方解石紋層和泥質(zhì)紋層沉積差異性明顯;中等比值(0.54～0.72)為水體分層不強(qiáng)的厭氧環(huán)境，易沉積薄層狀構(gòu)造;低比值時(shí)(0.46～0.60)為水體分層弱的貧氧環(huán)境。

表2 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井與羅67井沙三下段各個(gè)層組Sr/Ba和V/Ni平均值Table 2 Sr/Ba and V/Ni average value of the Lower 3th Member of Shahejie Formation in Well Luo 69 and Luo 67，Luojia area

通過對(duì)羅69井V/(V+Ni)的統(tǒng)計(jì)可知，V/(V+Ni)主體分布在0.72～1，水體分層為中等到強(qiáng)，厭氧環(huán)境，由表3可知，沙三下早期沉積水體分層性較強(qiáng)，以紋層狀構(gòu)造為主，晚期分層性變?nèi)?，沉積薄層狀、塊狀構(gòu)造沉積。

表3 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段各個(gè)層組V/(V+Ni)值Table 3 V/(V+Ni)of the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Luojia area

(3)有機(jī)碳含量分析

沉積物有機(jī)碳含量(TOC)在一定程度上也能反映古生產(chǎn)力的高低［8-9］。在保存條件相同的情況下，湖水的生產(chǎn)力越高，保存的有機(jī)質(zhì)越豐富，有機(jī)碳含量也就越高。在溫暖潮濕的環(huán)境下，有利于湖盆中生物的繁盛，這是大量有機(jī)質(zhì)能夠保存的前提。因此有機(jī)碳含量較高，可以側(cè)面反映當(dāng)時(shí)生物的大量繁盛，指示古氣候的暖濕性。羅家地區(qū)羅69井沙三下段有機(jī)碳含量峰值分布在1%～4%之間(圖4)，其中TOC含量大于1%的占94.2%，表明沙三下段整體有機(jī)質(zhì)含量高。自下而上TOC含量增大，說明沙三下早期氣候干旱，古生產(chǎn)力低，晚期氣候濕潤(rùn)，古生產(chǎn)力高。

圖4 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段羅69井有機(jī)碳含量直方圖Fig.4 TOC distribution of the Lower 3thMember of Shahejie Formation in Well Luo 69

綜合以上分析，以羅69井為例(圖5)，下部紋層狀(含)泥質(zhì)灰?guī)r形成于氣候相對(duì)干旱、水體相對(duì)淺的沉積環(huán)境;下部及中部薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、泥—灰?guī)r、灰—泥巖形成于相對(duì)氣候濕潤(rùn)，水體相對(duì)深的沉積環(huán)境;上部塊狀灰質(zhì)泥巖代表沉積水體進(jìn)一步加深。綜合來講，羅家地區(qū)沙三下時(shí)期整體為水體較封閉、鹽度較高、氣候由相對(duì)干旱變?yōu)闈駶?rùn)、水體逐漸加深的還原深湖—半深湖沉積環(huán)境，湖水整體呈堿性，有利于方解石的沉積;水體分層性較強(qiáng)，有利于紋層狀、薄層狀構(gòu)造的發(fā)育。

3 儲(chǔ)層特征

3.1 儲(chǔ)層物性特征

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率整體呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不好，說明物性受裂縫影響，為典型的裂縫性儲(chǔ)層。儲(chǔ)層孔隙度為1.4%～13.7%，主要分布在2%～8%，平均5.3%;滲透率變化較大，一般為(1～10)×10-3μm2，平均為 7.5×10-3μm2，為低孔低滲儲(chǔ)層(圖6)。

3.2 儲(chǔ)集空間類型

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中微米和納米級(jí)孔喉和微裂縫是主要的儲(chǔ)集空間，裂縫為油氣主要的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道［11-12］。

羅家地區(qū)沙三下段的儲(chǔ)集空間類型包括以下幾種:

3.2.1 孔隙

(1)有機(jī)質(zhì)孔

圖5 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段羅69井沉積環(huán)境分析Fig.5 Sedimentary environment of Lower 3th Member of Shahejie Formation in Well Luo 69

圖6 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井沙三下段儲(chǔ)層物性特征Fig.6 Reservoir properties characteristics of Well Luo 69，Luojia area

羅家地區(qū)沙三下段整體有機(jī)質(zhì)含量較高(1%～4%)，易發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔。有機(jī)質(zhì)孔是由泥巖中的固體干酪根轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài)的烴類而形成的次生孔隙［12］。在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔多呈橢圓狀，孔徑大者3～4 μm，小至幾個(gè)納米，一般都大于100～200 nm(圖7a)。在紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育更多有機(jī)質(zhì)孔，其他巖性中有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量較少。

(2)晶間孔

礦物的晶間孔是各種礦物晶體原地堆積形成的孔隙，羅家地區(qū)沙三下段晶間孔包括方解石晶間孔，黏土礦物晶間孔，黃鐵礦晶間孔等?？讖綖?～3 μm，并常被充填，孔滲性較差，各種礦物的晶間孔含量與分布受礦物的類型和含量影響。羅69井下部的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r中晶間孔較發(fā)育，羅69井上部的塊狀灰—泥巖、薄層狀灰—泥巖、薄層狀泥—灰?guī)r中黏土礦物晶間孔、縫和黃鐵礦晶間孔數(shù)量較多(圖7b)。

圖7 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井沙三下段儲(chǔ)集空間特征Fig.7 Characteristics of reservoir space in the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Luojia area

(3)溶蝕孔

受溶蝕作用的影響，羅家地區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中還可見溶蝕孔隙，如方解石溶蝕孔、長(zhǎng)石溶蝕孔等。溶蝕孔小于6 μm，羅家地區(qū)沙三下段儲(chǔ)層溶蝕作用主要來源于有機(jī)質(zhì)生排烴釋放的有機(jī)酸對(duì)周圍易溶礦物的溶蝕(圖7c)，羅69井沙三下段13下層組中紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和紋層狀含泥灰?guī)r中溶蝕孔數(shù)量較多。

3.2.2 裂縫

(1)構(gòu)造裂縫

羅家地區(qū)沙三下段發(fā)育較多的與巖層近垂直的高角度構(gòu)造裂縫(圖7d)，裂縫傾角大于 60°者占80%以上(圖8)。裂縫長(zhǎng)度達(dá)10～15 cm，寬度約為2～4 mm，裂縫的高度小于10 cm，線密度約為 0.6～1.6條/m。

羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖中的構(gòu)造裂縫廣泛分布在各種巖相中，常成組出現(xiàn)，方向性明顯，主要發(fā)育北東—北東東向、北西—北西西向兩組裂縫。在巖芯和薄片上可見微觀的構(gòu)造縫有不同程度上的填充:未充填、半充填、充填。根據(jù)羅69、羅67和新義深9巖芯中的裂縫統(tǒng)計(jì)情況，未充填裂縫所占比例分別高達(dá)60%、70%和95%。這反映了羅家地區(qū)的裂縫主要為有效裂縫，裂縫在沙三下段低滲透儲(chǔ)層中能起到很好的儲(chǔ)集空間和滲流通道的作用。

圖8 沾化凹陷羅69井沙三下段巖芯裂縫高度分布圖Fig.8 Core fracture height distribution of Lower 3thMember of Shahejie Formation in Well Luo 69

(2)層間微裂縫

羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中普遍存在具有分段密集發(fā)育特點(diǎn)的層間微裂縫。由于羅家地區(qū)沙三下段發(fā)育特殊的紋層狀和薄層狀構(gòu)造，方解石紋層與泥質(zhì)紋層力學(xué)性質(zhì)差異較大，在較小的應(yīng)力作用下就可產(chǎn)生與紋層平行的微裂縫［13-15］。紋層狀泥頁(yè)巖中發(fā)育最多的層間微裂縫。該類裂縫長(zhǎng)度大、較連續(xù)，開度為幾微米，部分層間微裂縫可見溶蝕現(xiàn)象，部分被充填(圖7h)。

(3)成巖縫

羅家地區(qū)沙三下段成巖縫包括超壓破裂縫和成巖收縮裂縫。超壓破裂縫是局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫，這種縫一般縫面不規(guī)則，不成組系(圖7g)，集中分布。巖芯研究表明，羅家地區(qū)異常壓力縫是在有機(jī)質(zhì)演化過程中產(chǎn)生的局部異常壓力導(dǎo)致巖石破裂而形成的裂縫;成巖收縮微裂縫是在成巖作用過程中，黏土礦物轉(zhuǎn)化脫水以及有機(jī)質(zhì)排烴，導(dǎo)致黏土礦物層間產(chǎn)生很多微裂縫，裂縫開度為0.5～5 μm。

對(duì)羅69井巖芯裂縫密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，紋層狀含泥灰?guī)r中構(gòu)造縫最為發(fā)育;層間微裂縫主要發(fā)育在紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀含泥灰?guī)r中，礦物收縮縫多存在于順層排列的黏土礦物中。異常壓力縫和有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育受有機(jī)質(zhì)含量的控制，在有機(jī)質(zhì)含量大的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r中多見，溶蝕孔在紋層狀含泥灰?guī)r中多見，晶間孔則多為黏土礦物晶間孔和黃鐵礦晶間孔，在薄層狀灰—泥巖、泥—灰?guī)r中常見(圖9)。

圖9 羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖各類儲(chǔ)集空間發(fā)育程度模式圖Fig.9 The development mode of reservoir space in Luojia area

3.3 儲(chǔ)層控制因素

3.3.1 巖石類型

羅家地區(qū)沙三下段發(fā)育6種巖相類型，由于不同巖相具有不同的礦物成分和沉積構(gòu)造，故對(duì)儲(chǔ)層的物性影響不同。

羅家地區(qū)沙三下段發(fā)育紋層狀構(gòu)造和薄層狀構(gòu)造，紋層狀和薄層狀巖石中方解石紋層與泥質(zhì)紋層力學(xué)性質(zhì)差異較大，在較小應(yīng)力作用下易產(chǎn)生層間微裂縫，羅家地區(qū)沙三下段中下部井段層間縫發(fā)育，但當(dāng)脆性礦物方解石含量高于60%時(shí)，方解石易發(fā)生重結(jié)晶，層間縫易被充填，使儲(chǔ)層物性降低。

羅家地區(qū)沙三下段巖石礦物以方解石為主，并含少量石英，脆性礦物占主導(dǎo)，根據(jù)羅69、羅67和新義深9井脆性礦物與裂縫密度關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，脆性礦物的含量與裂縫密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，即在相同的構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石中的灰質(zhì)、白云石等脆性礦物的含量越高，巖石的脆性程度越大，巖石越容易發(fā)生脆性破裂，裂縫的發(fā)育程度越高［16］。如羅67井脆性礦物含量最多，裂縫密度最大(圖10)。

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段各類巖相儲(chǔ)層孔隙度和滲透率都很低，其中，紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r的物性最好(平均孔隙度6.5%，平均滲透率12×10-3μm2)，其次為紋層狀含泥灰?guī)r，這正是與巖石發(fā)育的礦物成分和沉積構(gòu)造有關(guān)(圖11)。

3.3.2 成巖作用

羅家地區(qū)羅69井沙三下段各泥頁(yè)巖段有機(jī)質(zhì)豐度及成熟度與物性關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，羅69井沙三下亞段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ～Ⅱ1型，有機(jī)碳含量由下而上增大，為0.71%～9.32%，成熟度由上而下增高，Ro:0.70%～0.93%，埋藏深度2 500～3 500 m，對(duì)應(yīng)于有機(jī)質(zhì)的熱催化生油氣階段，大量生液態(tài)烴?，F(xiàn)今羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖成巖作用處于中成巖A亞段(圖12)，以成烴作用、溶蝕作用為主，并有一定的黏土礦物轉(zhuǎn)化作用，有利于裂縫的形成和改造。

羅69井黏土礦物中發(fā)育晶間孔和晶間隙，伊利石片狀礦物中發(fā)育微裂隙，增加了孔隙空間，提高了儲(chǔ)層孔隙度。在成巖階段，3 015 m以上黏土礦物含量相對(duì)高并且比較穩(wěn)定，隨深度的增加，高嶺石和綠泥石逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石和伊/蒙間層，在成巖轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生脫水作用，使流體壓力增加，有利于形成成巖收縮縫［17］(圖13)。同時(shí)，黏土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的脫羥和裂化有催化作用，也有利于形成成巖縫和異常壓力縫。所以沙三下段3 015 m以下對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層中成巖收縮縫多于上部。

3.3.3 有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖10 沾化凹陷羅家地區(qū)各井裂縫密度與脆性礦物含量關(guān)系圖Fig.10 Relationship of fracture density and brittle mineral content in Luojia area

圖11 沾化凹陷羅家地區(qū)羅69井沙三下段不同巖相物性特征Fig.11 Properties characteristics of different lithofacies of Well Luo 69，Luojia area

圖12 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段成巖演化序列Fig.12 Diagenetic evolution sequence of Luojia area

圖13 羅家地區(qū)羅69井沙三下段黏土礦物含量與儲(chǔ)層物性關(guān)系Fig.13 Relationship between clay mineral content and reservoir properties of the Lower 3th Member of Shahejie Formation，Luojia area

圖14 羅家地區(qū)羅69井沙三下段物性與有機(jī)碳含量(TOC)交匯圖Fig.14 Relationship between properties and TOC of Well Luo 69，Luojia area

在相同的地球動(dòng)力學(xué)背景、巖石礦物學(xué)組成和力學(xué)性質(zhì)條件下，有機(jī)質(zhì)含量是影響泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的重要因素。

羅家地區(qū)羅69井沙三下段全井段的有機(jī)碳含量峰值分布在1%～4%之間，其中TOC大于1%的占94.2%，表明沙三下段整體有機(jī)質(zhì)含量高。羅家地區(qū)羅69井沙三下段物性與有機(jī)碳含量關(guān)系研究表明(圖14)，有機(jī)碳含量與物性呈正相關(guān)，即有機(jī)碳含量越高，孔隙度和滲透率越大。

形成上述正相關(guān)的關(guān)系(圖14)主要有以下幾點(diǎn)原因:

(1)烴源巖生烴膨脹增壓有效改善儲(chǔ)層物性

在沙三下段烴源巖生油氣過程中，會(huì)發(fā)生體積膨脹形成高壓，生烴產(chǎn)生的體積膨脹力和有機(jī)碳含量、成熟度有關(guān)。羅家地區(qū)沙三下段大部分井段有機(jī)質(zhì)豐度為2%～5%，當(dāng)Ro為0.8%時(shí)，生烴作用所引起的體積膨脹力高達(dá)50 MPa左右，易導(dǎo)致泥頁(yè)巖破裂形成異常高壓縫，并且縫面不規(guī)則，不成組系。羅家地區(qū)發(fā)育的異常壓力縫在垂向上發(fā)育在有機(jī)質(zhì)含量較高的井段，表明羅家地區(qū)形成的異常壓力縫的主因?yàn)闊N源巖有機(jī)質(zhì)生烴作用引起的異常高壓導(dǎo)致泥頁(yè)巖破裂，所以有機(jī)質(zhì)的生烴作用可有效改善儲(chǔ)層物性。

(2)有機(jī)質(zhì)多，發(fā)育的有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔較多

有機(jī)質(zhì)孔是由泥巖中的固體干酪根轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài)的烴類而形成的次生孔隙，這些孔隙大者3～4 μm，一般都大于100～200 nm。沙三下段13層組有機(jī)碳含量低，對(duì)應(yīng)的孔隙度和滲透率均較低;13層組以上井段，有機(jī)碳含量明顯高于下部，對(duì)應(yīng)孔隙度和滲透率數(shù)值也變大，并且變化趨勢(shì)和有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)類似，說明羅家地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，對(duì)應(yīng)的物性較好(圖14)。

(3)有機(jī)質(zhì)排烴釋放有機(jī)酸有利于溶蝕

有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為烴類時(shí)，釋放大量有機(jī)酸，有機(jī)酸溶解碳酸鹽礦物對(duì)于碳酸鹽礦物含量較高的泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層的孔隙度和滲透率具有一定的改造作用［18］。

巖石熱解法獲得的產(chǎn)率指數(shù)S1/(S1+S2)表示巖石中游離烴的豐度，即烴類的產(chǎn)率，反應(yīng)了有機(jī)質(zhì)的演化程度。羅家地區(qū)沙三下段在3 100 m井深以下產(chǎn)率指數(shù)明顯比上部大，有機(jī)碳含量明顯小于上部(圖15)，表示有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為烴類的產(chǎn)率較大，可釋放大量的有機(jī)酸，對(duì)周圍的礦物進(jìn)行溶蝕，通過掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，羅69井上部溶蝕作用相對(duì)較弱。隨著方解石含量增加，3 080 m以下溶蝕作用逐漸增強(qiáng)，方解石溶蝕孔主要集中發(fā)育在羅69井下部，觀察結(jié)果和有機(jī)質(zhì)排酸井段相對(duì)應(yīng)，也說明了羅家地區(qū)形成溶蝕孔隙的酸主要為有機(jī)質(zhì)生烴釋放的有機(jī)酸，溶蝕孔隙對(duì)改造羅69井下部的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和紋層狀含泥灰?guī)r的儲(chǔ)層物性具有重要作用。

(4)有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

有機(jī)質(zhì)孔是羅家地區(qū)沙三下段儲(chǔ)層重要的孔隙類型，連續(xù)的有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)可增加有效的油氣儲(chǔ)集空間，而有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性決定于有機(jī)質(zhì)存在的狀態(tài)。根據(jù)羅家地區(qū)沙三下段紋層的發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)含量將有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)分為三種:分散型，局部富集型，成層分布型［19］。

圖15 羅家地區(qū)羅69井沙三下段有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率曲線Fig.15 Organic hydrocarbon yield curve of Well Luo 69

成層分布型:當(dāng)紋層發(fā)育，有機(jī)碳含量達(dá)到2.5%～3.0%以上，有機(jī)質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)較高，易順紋層方向形成連續(xù)的有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，多呈薄層狀、條帶狀出現(xiàn)，存在于紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r中(圖16);分散型:當(dāng)紋層不發(fā)育時(shí)，有機(jī)質(zhì)組分呈分散狀分布于黏土基質(zhì)之中，無一定分布規(guī)律，一般不能形成連續(xù)的有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，這種賦存形式分布在塊狀灰質(zhì)泥巖中;局部呈富集型:當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量小于2.5%時(shí)，雖然存在紋層層理，但有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相對(duì)低，部分有機(jī)質(zhì)順紋層層理方向能形成連續(xù)的網(wǎng)格，有機(jī)質(zhì)組分呈彎曲狀、短線狀、呈斑塊形不均勻分布，局部富集型兼有成層分布型和分散型的過渡賦存特點(diǎn)，主要存在于紋層狀含泥灰?guī)r、薄層狀泥—灰?guī)r、薄層狀灰—泥巖中。

當(dāng)有機(jī)質(zhì)呈不同的賦存狀態(tài)時(shí)，有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性不同，有機(jī)質(zhì)孔連通性和有機(jī)質(zhì)排酸形成的溶蝕孔隙的分布特點(diǎn)不同(表4)。由表可知，有機(jī)質(zhì)成層分布時(shí)有利于有機(jī)質(zhì)孔的連通，有利于形成密集的溶蝕孔隙。有機(jī)質(zhì)分散型分布時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔基本不連通，溶蝕強(qiáng)度不大，而局部富集型則處于二者之間，對(duì)有機(jī)質(zhì)孔的連通性和溶蝕孔隙的影響程度中等。因此，有機(jī)質(zhì)成層分布時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性最好，這也正與前面統(tǒng)計(jì)得出紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r的物性最好的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖16 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)Fig.16 Organic matter occurrence mode in the Lower 3thMember of Shahejie Formation，Luojia area

表4 沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下段有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)層物性的影響Table 4 The influence to reservoir properties caused by organic matter occurrence

4 結(jié)論

(1)沾化凹陷關(guān)鍵井羅69井古近系沙三下段礦物以方解石為主，巖石發(fā)育紋層狀、薄層狀、塊狀等沉積構(gòu)造，組合成6種巖相類型:紋層狀含泥灰?guī)r、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥—灰?guī)r、薄層狀灰—泥巖、塊狀灰質(zhì)泥巖巖相，其中以泥質(zhì)灰?guī)r巖相為主。沙三下段沉積環(huán)境為鹽度較高、強(qiáng)還原性的深湖—半深湖。

(2)沾化凹陷羅69井沙三下段儲(chǔ)集空間復(fù)雜?？紫栋ǖV物晶間孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔等;儲(chǔ)層發(fā)育的裂縫包括構(gòu)造裂縫、層間微裂縫和成巖縫?？紫抖戎饕植荚?%～8%，滲透率10×10-3μm2以下，為低孔低滲儲(chǔ)層，其中紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r的物性最好(平均孔隙度6.5%，平均滲透率12×10-3μm2)，紋層狀含泥灰?guī)r中構(gòu)造縫最為發(fā)育;層間微裂縫主要發(fā)育在紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀含泥灰?guī)r中;異常壓力縫和有機(jī)質(zhì)孔在有機(jī)質(zhì)含量大的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r中多見，溶蝕孔在紋層狀含泥灰?guī)r中多見，晶間孔多為黏土礦物晶間孔和黃鐵礦晶間孔，在薄層狀灰—泥巖、泥—灰?guī)r中常見。

(3)儲(chǔ)層物性受礦物組成和巖相、成巖作用、有機(jī)質(zhì)含量等因素共同控制:①巖石類型因素:脆性礦物越多，越易產(chǎn)生裂縫，紋層狀、薄層狀沉積構(gòu)造越發(fā)育，層間縫越發(fā)育;②成巖作用因素:黏土礦物轉(zhuǎn)化作用造成脫水，易形成礦物收縮縫，成烴作用產(chǎn)生異常高壓形成異常高壓縫;③有機(jī)質(zhì)含量因素:有機(jī)質(zhì)含量增加有利于增加有機(jī)質(zhì)孔隙，提高儲(chǔ)層孔隙度;有機(jī)質(zhì)生排烴膨脹形成異常高壓，促進(jìn)異常壓力縫的形成;有機(jī)質(zhì)生排烴的過程中釋放大量有機(jī)酸，有機(jī)酸的溶蝕作用有利于形成溶蝕孔和溶蝕縫，當(dāng)有機(jī)質(zhì)成層性分布時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性最好。因此，有機(jī)質(zhì)是控制羅家地區(qū)沙三下段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要內(nèi)在因素，暗色紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r是物性最好的巖相類型。

致謝 在論文撰寫過程中，得到中國(guó)石油大學(xué)(北京)黃捍東教授、曾聯(lián)波教授和勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院和河口采油廠有關(guān)專家的大力幫助，在此表示感謝。

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