淺析東海西湖凹陷砂—泥巖協(xié)同成巖作用

淺析東海西湖凹陷砂—泥巖協(xié)同成巖作用

陳琳琳，萬麗芬，黃龍澤

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海 200120）

摘 要：隨著東海西湖凹陷深層勘探不斷深入，深部儲層甜點分布的復雜性問題已經(jīng)日益突出。此文從有機質(zhì)演化、黏土脫水及轉(zhuǎn)化問題引入“協(xié)同成巖”概念，綜合分析有機質(zhì)及黏土演化過程中的幾種重大成巖事件，分析有機質(zhì)熱演化過程產(chǎn)生的有機酸、CO2以及油氣對儲層成巖環(huán)境的影響，探討泥巖成巖后生過程中，黏土脫水、轉(zhuǎn)化與儲層之間產(chǎn)生的物質(zhì)交換，試圖在砂巖、泥巖的相關(guān)檢測資料的相互聯(lián)系中提出新的見解，從而深化儲層成巖作用分析，幫助建立可靠的儲層預測模型，為深部儲層研究開拓思路。

關(guān)鍵詞：東海；西湖凹陷；協(xié)同成巖作用

中圖分類號：TE122.1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.02.018

文章編號：1008-2336（2015）02-0018-07

收稿日期：2014-10-22；

作者簡介：第一陳琳琳，男，1964年生，高級工程師，碩士，1998年畢業(yè)于成都地質(zhì)學院石油系，長期從事石油地質(zhì)方面研究。E-mail：951530704@qq.com。

改回日期：2015-03-03

Analysis of Coordinated Diagenesis of Sandstones and Mudstones in Xihu Sag, East China Sea

CHEN Linlin, WAN Lifen, HUANG Longze

（Institute of SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract:Along with the deep exploration of the Xihu Sag in East China Sea, the complexity of deep sweet reservoir distribution has become increasingly prominent. From organic matter evolution, clay dehydration and the conversion problem, the concept of coordinated diagenesis has been introduced in this paper. Through integrated analysis about organic matter and the clay evolution process in several major diagenetic events, the influence of organic acid, CO2, and hydrocarbons generated during thermal evolution process of organic matters on reservoir diagenetic environments has been analyzed. In addition, study has been conducted on clay dehydration, transformation and material exchange between the reservoir during the process of the epigenetic, trying to find the relationship from testing data of sandstones and mudstones and put forward some new ideas in order to deepen the analysis of reservoir diagenesis, and help to establish a reliable reservoir prediction model for deep reservoir study.

Keywords:East China Sea; Xihu Sag; coordinated diagenesis

砂泥巖交互地層，不是兩種不同的成巖系統(tǒng)的簡單交互，而是一個統(tǒng)一的砂—泥巖協(xié)同成巖系統(tǒng)，“協(xié)同成巖作用”正是這樣一種整體觀。

因此，如果要探討砂巖成巖、儲層物性、有利次生空隙帶，就有必要了解砂泥巖協(xié)同成巖作用在不同埋深、不同溫壓條件、不同酸堿性成巖環(huán)境下的內(nèi)在聯(lián)系（圖1）。

協(xié)同成巖作用所關(guān)注的，在傳統(tǒng)的儲層研究之外，側(cè)重于相鄰泥巖所發(fā)生的成巖作用，以及泥巖中有機質(zhì)熱演化過程，為探討儲層成巖環(huán)境、孔隙演化、自生礦物注入新的思想和內(nèi)容。

1　有機質(zhì)演化的協(xié)同成巖作用

圖1　有機質(zhì)演化、黏土礦物演化與砂巖成巖作用對比圖

早在1989年，Surdam和Crossey通過實驗發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)演化經(jīng)歷三個階段[1]：

（1）對應于油氣大量生成時期（80～120℃），泥巖中干酪根脫去含氧官能團形成大量的有機酸，這些有機酸促進了砂巖中的鋁硅酸鹽的溶解，也促進了碳酸鹽的溶解，這一階段溶液的pH值一般在5～6之間。

（2）當溫度達到120～160℃之間時，有機酸開始脫羧變成烴類和CO2，有機酸濃度逐漸降低，CO2大量生成。這一階段除對鋁硅酸鹽有溶蝕作用外，不斷增強的CO2濃度有可能使碳酸鹽向生成碳酸鹽的方向移動：

因此，這個階段是長石被溶解和碳酸鹽膠結(jié)物沉淀共存的階段。

（3）當溫度進一步升高（大于160℃），有機酸將全部分解產(chǎn)生CO2和烴：

圖2　西湖凹陷R o統(tǒng)計

此時，高濃度CO2使溶液pH值持續(xù)降低至2，這種酸性溶液有利于碳酸鹽礦物溶蝕，從而形成深層次生孔隙。

勘探實踐已經(jīng)證實，在生油窗、生油高峰期，有機質(zhì)熱演化、降解生烴的同時，可生成有機酸和CO2，可以有效地溶蝕儲層中的長石類和碳酸鹽類礦物，形成次生孔隙。因此，大量有機酸的產(chǎn)生時期一般對應著酸性次生溶孔發(fā)育的階段。

油氣注入儲層后，可形成油氣包裹的惰性成巖場，導致成巖作用的終止。但是，惰性成巖場是短暫的，已經(jīng)有實驗證實：進入儲層中的原油在熱解作用下仍能形成大量有機酸。

有機質(zhì)演化的三階段論與盆地的熱演化差異相結(jié)合，必然在深層空間給成巖作用差異增添變數(shù)。以西湖凹陷區(qū)域鏡質(zhì)體反射率資料看（圖2），

有機質(zhì)熱成熟差異在不同構(gòu)造區(qū)帶之間，差別較大。

（1）不同構(gòu)造帶Ro垂向分布特征的差異反映了凹陷不同地區(qū)地溫梯度差異較大，但在2 500 m深度同時出現(xiàn)Ro拐點，斜坡地區(qū)拐點Ro大致在0.5%，中央背斜帶南部、北部拐點Ro值都在0.6%，向深部發(fā)展，中央背斜帶北部尤為異常。

（2）成熟度的差異不僅反映了有機質(zhì)演化過程的差異，也反映了泥巖成巖演化的區(qū)塊差異。這一因素必然也包含了區(qū)域性流體勢動力學特征差異。

1.1 有機酸對長石的溶蝕作用

1.1.1 西湖凹陷長石溶蝕現(xiàn)象

西湖凹陷儲層中長石（斜長石及鉀長石）普遍存在溶蝕現(xiàn)象，或邊緣溶蝕，或節(jié)理溶蝕，或粒間孔擴大，或粒內(nèi)溶蝕，顆粒未溶部位與粒內(nèi)孔相間呈現(xiàn)柵狀，窗格狀、蜂巢狀、殘骸狀、肋條狀（圖3-1），形成鑄?？?、粒內(nèi)孔、粒間擴大孔（圖3-2）。

1.1.2 溶蝕機理

據(jù)于川淇等研究[2]，長石溶解分3種情況：（1）溶解物質(zhì)全部隨溶液遷移它處；（2）僅K和Na等元素溶出，SiO2和Al2O3等在附近形成高嶺石（圖3-3），或進一步溶蝕形成伊利石等黏土礦物；（3）僅剩下SiO2形成硅質(zhì)填隙物，同時出現(xiàn)自生鈉長石。

有機酸溶蝕長石是通過Al3+與有機酸陰離子絡(luò)合反應實現(xiàn)的，由于有機酸陰離子與Al3+結(jié)合形成的絡(luò)合離子在溶液中比較穩(wěn)定，加大了礦物元素進入溶液的速率[3]，反應式為：

特別需要注意，長石蝕變生成高嶺石有利于孔隙增大。長石蝕變?yōu)楦邘X石的反應式為：

因此，從有機酸大量出現(xiàn)深度開始，長石就長期處于溶解和轉(zhuǎn)化的狀態(tài)之中。西湖凹陷寶云亭1、2井資料揭示了長石、高嶺石含量隨深度變化的相互關(guān)系即驗證了這一點（圖4）。當長石隨深度減少時，高嶺石含量不斷增高。

圖3　巖石薄片及電鏡照片

1.2 有機酸與黏土礦物的相互作用

目前，有機酸與黏土礦物相互作用的研究還很薄弱。

圖4　寶云亭1井、2井石英、長石、高嶺土質(zhì)量分數(shù)深度變化圖

由于黏土礦物化學組成復雜、結(jié)構(gòu)多變，黏土演化過程中存在多種歧化反應。PITTMAN等人[4]認為：黏土礦物與有機酸之間的反應包括吸附、催化兩個方面，吸附過程將減少流體中有機酸離子，從而抑制對長石等礦物的溶解；而催化反應所引發(fā)的脫羧基過程，降低了地層水中有機酸離子濃度，同樣抑制長石等礦物的溶解。

從上述兩點可以看出：

（1）黏土礦物與有機酸的相互作用有降低地層水有機酸離子濃度的作用；而有機酸作為有機質(zhì)演化的階段性產(chǎn)物，與黏土礦物的作用結(jié)果必定隨埋深促成酸性成巖環(huán)境的強弱變化，以及酸性與堿性成巖環(huán)境的相互轉(zhuǎn)化。

（2）當有機酸大量出現(xiàn)時，黏土礦物作用微弱，不會影響酸性溶蝕帶出現(xiàn)；當有機酸含量較低時，黏土礦物主導著地層水的堿性屬性，儲層進入堿性溶蝕階段。

（3）當泥巖演化酸性環(huán)境強烈時，排出酸性地層水的同時自身容易形成硅質(zhì)膠結(jié)；而堿性環(huán)境強烈，排出堿性地層水的同時，自身形成鈣質(zhì)膠結(jié)。

1.3 有機酸對碳酸鹽巖的溶蝕、沉淀作用

泥巖成巖早期的碳酸鹽膠結(jié)現(xiàn)象與淺埋藏階段發(fā)酵細菌在還原環(huán)境中分解有機質(zhì)有關(guān)，致使殘余HCO3-與巖石中鈣離子相結(jié)合形成。而砂巖早期的碳酸鹽膠結(jié)其成因是相似的，氧碳穩(wěn)定同位素資料已經(jīng)證實了這一點。

而砂巖成巖演化進入晚成巖階段后（80℃），相鄰泥巖中有機質(zhì)釋放大量有機酸進入儲層，促使早期碳酸鹽溶解，這一過程可以表達為：

這是一個由CO2分壓控制的平衡反應，因此，這一階段碳酸鹽溶解、沉淀或可并存（圖3-4）。

當成巖溫度升至100℃后，砂巖中晚期碳酸鹽膠結(jié)物的形成則與有機酸的脫羧作用有關(guān)，有機酸脫羧形成CO2，其化學反應式如下：

雖然脫羧反應生成的CO2使CO2分壓升高，有機酸大量減少，而弱酸根水解大于電離，碳酸根、碳酸氫根的水解呈堿性：

因此，100～200℃之間成巖環(huán)境偏向堿性，使碳酸鹽礦物變得穩(wěn)定[1]，從而導致碳酸鹽礦物沉淀，這就是晚期碳酸鹽的重結(jié)晶現(xiàn)象（圖3-5）。

隨著成巖階段的深入，地層溫度持續(xù)升高致使有機質(zhì)脫羧作用產(chǎn)生的CO2愈來愈多，地層溶液酸性提高又將造成晚期碳酸鹽的溶解。

有機酸對碳酸鹽的影響是通過調(diào)節(jié)流體pH值實現(xiàn)的，有實驗發(fā)現(xiàn)證明：有機酸提供H+的能力是碳酸的6～350倍，有機酸鈣的溶解度比碳酸鈣高大約3個數(shù)量級[5]。

綜上，可以分析兩點：

（1）有機酸和CO2分壓是控制孔隙溶液pH值的兩大主要因素[6]。但是有機質(zhì)演化過程決定了兩大因素又有主導先后差異。有機酸顯然側(cè)重于晚成巖A期（圖1），CO2分壓則在有機酸減少之后晚成巖B、C階段。

（2）比較CO2分壓在相對封閉和開放的成巖體系中的作用，可以解釋相對封閉的成巖環(huán)境孔隙水運移緩慢，很容易造成碳酸鹽溶解停滯甚至重新沉淀，鈣質(zhì)膠結(jié)致密；而開放的、流動暢通的成巖環(huán)境導致碳酸鹽被大量溶蝕。

2　黏土礦物演化的協(xié)同成巖作用

2.1 黏土脫水

地層中的黏土礦物，如高嶺石、蒙脫石、綠泥石等，多屬于層狀或?qū)渔湢罟杷猁}結(jié)構(gòu)。它是由一個四面體的（Si，Al）O4-層和一個八面體的（Al，Mg）（OH）6-層按不同規(guī)律（有序或無序）呈層狀或?qū)渔湢罱M合起來的一種結(jié)構(gòu)。

當晶層作層狀或?qū)渔湢钪貜投训鼤r，相鄰晶層之間的空隙一般含有水和各種陽離子。因此，黏土礦物一般都具有含水的特性。

層間域中水的結(jié)合方式也有不同，吸附水是由吸附作用而保留在層間域中的水分，結(jié)合力最弱，一般100℃左右即可脫出；層間結(jié)合水是以吸收作用保存在層間域中近層面處呈規(guī)則配位排列的水分，它的結(jié)合力較強，脫水溫度一般為100～200℃。而以（OH）-的形式存在于晶體結(jié)構(gòu)八面體中的結(jié)構(gòu)水則是由化合作用結(jié)合在晶格中的水分，結(jié)合力最強，一般> 500℃才能脫出。

常見黏土礦物層間水脫水溫度的100～200℃之間（表1），如果考慮到埋藏條件的時間因素，該脫水溫度窗口將向低溫方向移動。對比圖1可見，層間水脫出與運動將參與有機質(zhì)演化、儲層演化以及油氣運移驅(qū)動的完整過程。

從淺埋藏至深埋藏階段，黏土脫水分三個階段：

（1）壓實脫水，這部分脫水約占沉積物含水30%，其中多數(shù)為半固化層間水狀態(tài)，發(fā)生在埋深千米左右。

（2）層間水脫出，水的運動總量是壓實體積數(shù)量的10% ～ 15%，既有黏土礦物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的因素，也有低溫脫水反應。

（3）結(jié)構(gòu)水脫出，深部埋藏階段的高溫脫水反應。

其實最具有石油地質(zhì)意義的是第二個脫水階段，其發(fā)生的深度段不僅與主要生油氣階段相交，并表現(xiàn)為一種重要的流體驅(qū)動載體，還能使地下流通物質(zhì)重新分布，深刻影響著相鄰儲層的成巖作用方式和內(nèi)容。

綜上所述，黏土脫水有兩點值得關(guān)注：

（1）脫水與生烴基本同步

成巖過程中黏土礦物和有機質(zhì)隨著埋深同時發(fā)生演變，這種演變必然會相互影響。黏土礦物的成巖演化不但能促進有機質(zhì)向石油的轉(zhuǎn)化，而且脫水過程中析出的層間水為油氣初次運移提供了介質(zhì)和動力。油氣窗口與脫水窗口的部分疊合，表明油氣初次運移必以混相方式。

（2）脫水存在“漸進滲透”和“幕式爆發(fā)”兩種方式

由溫度控制的層間水脫水，必定存在溫度窗口內(nèi)爆發(fā)式脫水現(xiàn)象。而黏土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程的脫水，則受黏土成巖后生過程控制，這一過程伴隨著埋藏緩慢發(fā)生。

“幕式爆發(fā)”脫水方式，往往容易在脫水窗口深度形成欠壓實現(xiàn)象。以西湖凹陷寶云亭4井為例：黏土脫水在2 000 m左右就開始了，多幕并存則說明地層封閉條件下“幕式爆發(fā)”脫水方式的存在（圖5）。

表1　常見黏土礦物脫水溫度

2.2 黏土礦物轉(zhuǎn)換

西湖凹陷最常見的黏土礦物轉(zhuǎn)化關(guān)系就是高嶺石向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化，以及蒙脫石經(jīng)由伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)換的過程。

圖5　斜坡帶中部寶云亭4井泥巖、砂巖壓實曲線

2.2.1 高嶺石向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化

高嶺石在富鉀水介質(zhì)中向伊利石轉(zhuǎn)化過程中可產(chǎn)生H+，其表達式為：

3Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+2K+→2KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+3H2O+2H+

高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化出現(xiàn)在水介質(zhì)富鐵、鎂的情況下。高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化釋放出H+：

4Fe2++2Mg2++9H2O+3Al2Si2O5（OH）4→Fe4Mg4Al6Si6O20（OH）16+14H+

轉(zhuǎn)化過程脫出的層間水中H+增多有利于酸溶性礦物的溶解，而堿性成巖環(huán)境有利于推動這一轉(zhuǎn)化過程。

高嶺石向綠泥石蝕變轉(zhuǎn)化，通常保持了原高嶺石聚片蠕蟲狀的顆粒聚集特征，顆粒形狀為六角板狀（圖3-6）。

2.2.2 蒙脫石轉(zhuǎn)化

蒙脫石經(jīng)由伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)換的過程，發(fā)生在黏土礦物成巖至后生階段。

蒙脫石族礦物是2∶1型的層狀硅酸鹽，層間含有不定量的水。蒙脫石層間水的穩(wěn)定性受層間電荷、層間陽離子種類、溫度以及介質(zhì)溶影響。

導致黏土轉(zhuǎn)化的主要因素是埋藏條件下的離子交換。如果體系中有K+存在，在一定濃度下則會取代蒙脫石層間的陽離子，因其離子半徑小，可進入晶體格架中，可導致蒙脫石的吸附性降低。如果溶液中也存在著Al3+，則會取代蒙脫石晶體格架四面體中的Si4+離子，使晶體的層間電荷增大，進一步促進K+對層間陽離子的取代[7]。

轉(zhuǎn)化過程中，蒙脫石脫去層間水和吸附水，并在層間吸附更多的鉀離子；同時，四面體中失去一定量的硅，相對富集鉀和鋁。因此，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化是一個脫水、加鉀、加鋁、去硅的反應過程。

蒙脫石經(jīng)由伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)換過程經(jīng)歷兩個階段，文獻資料表明：在美國墨西哥灣沿岸高地溫梯度區(qū)（31℃/ km），蒙脫石向伊蒙混層轉(zhuǎn)化的溫度界面為90℃，進一步向伊利石轉(zhuǎn)化的溫度界面為130℃；而沿岸低地溫梯度區(qū)（24℃/ km）分別為90℃和145℃。國內(nèi)研究資料中，渤海灣盆地歧口凹陷分別為95℃和130℃；東營凹陷分別為90℃和125℃；下遼河凹陷分別為90℃和138℃[8]。

這兩個溫度界面與有機質(zhì)演化亦存在對應關(guān)系，但各個盆地略有差異。馬來群島加里曼丹島東部馬哈卡姆新近紀三角洲盆地短有序I/S礦物出現(xiàn)于鏡質(zhì)體反射率0.42%～0.47%的深度，蘇北盆地大部分地區(qū)有序I/S礦物出現(xiàn)于鏡質(zhì)組反射率0.5%～0.55%的深度[8]。

而伊利石含量急劇升高的溫度界面，不同盆地間相差甚遠。

統(tǒng)計西湖凹陷孔雀亭1井的泥巖X衍射資料，伊蒙混層猛增的界面大約在1 500 m，而急劇消失的界面大約在3 500 m，對應于Ro分別在0.4%和0.7%（圖6）。

3　結(jié)論

本文從有機質(zhì)演化、黏土脫水及轉(zhuǎn)化問題引入砂巖儲層的“協(xié)同成巖”概念，揭示有機酸熱演化過程產(chǎn)生的有機酸、CO2以及油氣對儲層成巖環(huán)境的影響，揭示泥巖成巖后生過程中，黏土脫水、轉(zhuǎn)化與儲層之間產(chǎn)生的物質(zhì)交換，為深部儲層物性分布研究開拓思路，深化認識。

綜合分析有機質(zhì)及黏土演化過程中的幾種重大成巖事件，協(xié)同成巖可歸結(jié)并延伸的認識有：

（1）富含有機質(zhì)的生油巖熱演化過程必定為成巖環(huán)境提供大量有機酸和CO2，由于伴隨有黏土脫水現(xiàn)象，有機酸和CO2主導著地層水的酸堿性。

（2）泥巖演化過程中，地層水酸化與去酸化

因素多樣并存，此消彼長的平衡關(guān)系決定了成巖環(huán)境在深度上酸堿性交替的局面。

（3）預測有利的深部儲層應盡可能靠近生油巖地層，最大的發(fā)揮酸性溶蝕對深部儲層的改造作用。

（4）有機質(zhì)干酪根熱演化決定了有機酸產(chǎn)量，這是預測縱向次生孔隙帶之關(guān)鍵。

（5）黏土脫水使泥巖中大量地層水參與到砂巖的成巖后生過程。而溶液中各種酸、鹽，各種陰、陽離子參與的水—巖反應，決定了對應深度成巖環(huán)境中膠結(jié)與溶蝕的總體走向。

（6）黏土脫水是一種流體驅(qū)動機制，不僅在滲透性地層中有利于溶解物質(zhì)的搬運，而且擴大了泥巖協(xié)同成巖的影響范圍，使儲層認識深化理解在從微觀到宏觀的聯(lián)系中。

圖6　孔雀亭1井黏土轉(zhuǎn)化界面與R o資料對比圖

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