不同體系域碎屑巖儲集體成巖演化差異
——以渤南洼陷沙三段為例

劉 鵬

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.中國石化勝利油田博士后流動(dòng)工作站，山東東營257001）

近年來關(guān)于儲集體成巖演化研究已取得大量成果，但以往研究往往針對某一地區(qū)，以組、段為地質(zhì)單元開展成巖演化過程分析［1-3］，雖然分析過程、運(yùn)用手段、采用數(shù)據(jù)類型等有所差異，但最終結(jié)論一般認(rèn)為某一地質(zhì)單元儲集體具有統(tǒng)一的成巖演化序列和演化過程［4-5］。實(shí)際上，斷陷盆地構(gòu)造活動(dòng)的多期性［6］和活動(dòng)強(qiáng)度的區(qū)域差異性［7］造成了其在空間上具有較強(qiáng)分隔性，從而使斷陷盆地不同沉積時(shí)期儲集體在母巖區(qū)位置、母巖類型、搬運(yùn)距離等物源體系方面存在差異［8-9］，物源體系的差異可在儲集體成分和結(jié)構(gòu)上有所反映，而儲集體的成分和結(jié)構(gòu)決定著抗壓實(shí)程度，影響成巖演化過程。此外，斷陷盆地的組、段地層單元橫跨5～20 Ma，漫長的地質(zhì)時(shí)期古氣候往復(fù)循環(huán)，不同時(shí)期的古氣候條件存在差異［10］，咸水湖盆與淡水湖盆交替出現(xiàn)，水體環(huán)境的差異使儲集體在同沉積乃至早成巖階段的成巖流體存在差異，必然會影響儲集體成巖演化過程。為此，筆者以渤南洼陷沙三段為例，基于沉積、成巖環(huán)境差異性分析，明確不同體系域儲集體成巖演化差異。

圖1 渤南洼陷區(qū)域位置及地層綜合柱狀圖Fig.1 Regional location and stratigraphic comprehensive histogramof Bonan Sag

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷為渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷中一個(gè)北斷南超的箕狀構(gòu)造單元，北部陡坡帶緊鄰埕東凸起，東、西兩側(cè)分別被孤島潛山帶和義和莊凸起所夾持，南部與陳家莊凸起相接，東南部與三合村洼陷毗鄰（圖1），受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)主要發(fā)育北東、北西以及近東西向3組斷裂。渤南洼陷主要的油氣勘探層系為古近系沙河街組，自下而上可分為沙四段、沙三段、沙二段以及沙一段，其中沙四段上亞段、沙三段下亞段以及沙三段中上亞段構(gòu)成一個(gè)完整的二級層序［11］，自沙四段上亞段—沙三段下亞段—沙三段中上亞段沉積時(shí)期古氣候經(jīng)歷了由干變濕的過程，水體古鹽度相應(yīng)呈由高到低的變化趨勢［12］，同時(shí)在構(gòu)造沉降、物源供應(yīng)等因素的控制下［11］，沉積基準(zhǔn)面經(jīng)歷了先升高再降低的過程（圖1）。總體上在古氣候、古構(gòu)造及古物源等因素影響下，受控于沉積基準(zhǔn)面的升降旋回，沙四段上亞段、沙三段下亞段以及沙三段中上亞段分別對應(yīng)于低位域、湖侵域和高位域沉積階段，呈現(xiàn)出咸水半深湖、半咸水深湖以及淡水半深湖的沉積面貌（圖1）。

2 不同體系域沉積環(huán)境差異

碎屑巖成巖作用主要分為物理成巖作用及化學(xué)成巖作用［13-15］，其中物理成巖作用以機(jī)械壓實(shí)為主［13-14］，在埋深一定情況下其抗壓實(shí)能力主要取決于原始沉積組分；而化學(xué)成巖作用主要包括溶蝕、膠結(jié)、交代等［13-14］，其水巖反應(yīng)強(qiáng)度主要取決于成巖流體類型及濃度演化，沉積期水體環(huán)境往往決定著早期成巖流體演化［15］?？傮w上沉積環(huán)境對成巖作用的影響主要集中在原始沉積組分與水體環(huán)境2個(gè)方面，原始沉積組分與水體環(huán)境多由古物源與古氣候決定，而古物源、古氣候又控制著體系域類型的差異，因此不同體系域往往具有不同的沉積環(huán)境。本文表征沉積、儲層的一系列分析測試參數(shù)均由中國石化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——?jiǎng)倮吞锓止究碧介_發(fā)研究院石油地質(zhì)測試中心提供。

圖2 渤南洼陷沙三段不同體系域砂巖沉積組分柱狀圖Fig.2 Sandstone sedimentary componentshistograms in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

圖3 渤南洼陷沙三段碎屑巖成巖現(xiàn)象Fig.3 Clastic rock diagenesis of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

2.1 沉積組分差異

在宏觀沉積背景控制下，渤南洼陷沙三段下亞段沉積時(shí)期為湖侵域，水體快速上升導(dǎo)致可容空間急劇增大，物源供應(yīng)不足使得沙三段下亞段以近源碎屑扇體沉積為主［16］，沉積物粒度相對較粗，以含礫砂巖、粗砂巖為主，且礦物成分以碳酸鹽巖屑（塑性礦物）為主，平均含量可達(dá)64%，而石英（剛性礦物）平均含量僅為18%左右（圖2）。到沙三段中上亞段沉積時(shí)期，湖平面達(dá)到最高點(diǎn)且有緩慢下降趨勢，為高位域，除渤南洼陷四周凸起提供少量物源形成緊鄰斷裂邊界發(fā)育的小規(guī)模扇體外，來自濟(jì)陽坳陷南部凸起物源區(qū)的遠(yuǎn)源河流-三角洲沉積體系，途經(jīng)富林洼陷、三合村洼陷至研究區(qū)演變?yōu)槿侵耷熬壍幕瑒?dòng)、滑塌砂體，并逐漸向砂質(zhì)碎屑流和濁流轉(zhuǎn)化［17］，遠(yuǎn)物源體系控制下沉積的砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高，以中-細(xì)砂巖為主，礦物成分主要為石英，平均含量可達(dá)59%，碳酸鹽巖屑僅占12%（圖2）?？傮w上沙三段湖侵域以碳酸鹽巖屑為主（圖3a，3b），而高位域以石英為主（圖3c）。沉積組分的差異性導(dǎo)致二者抗壓實(shí)能力存在差異，以塑性礦物為主的湖侵域儲集體壓實(shí)率從淺層往深層逐漸降低，當(dāng)埋深大于2 500 m時(shí)壓實(shí)率達(dá)60%（圖4），埋深大于3 500 m時(shí)已達(dá)壓實(shí)極限，壓實(shí)率不再升高；以剛性顆粒為主的高位域儲集體壓實(shí)率也呈現(xiàn)出隨埋深增加而減少的趨勢，但總體上壓實(shí)率低于湖侵域儲集體，顯示出整體抗壓實(shí)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖4 渤南洼陷沙三段不同體系域砂巖壓實(shí)率、膠結(jié)率、溶蝕率Fig.4 Compaction rate，cementation rate and dissolution rate of sandstone in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

圖5 渤南洼陷沙三段不同體系域砂巖水體環(huán)境差異分析結(jié)果Fig.5 Difference of water environment in different systemtract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

2.2 水體環(huán)境差異

前人研究認(rèn)為渤南洼陷沙三段下亞段到沙三段中上亞段水體鹽度經(jīng)歷了由高到低的過程［18］，在元素地球化學(xué)以及泥頁巖碳酸鹽巖含量上都有所體現(xiàn)。元素地球化學(xué)分析表明（圖5），沙三段下亞段湖侵域沉積期Sr/Ba值普遍大于1，Mg/Ca值為0.25～0.5，并從下往上有逐漸減小的趨勢；到沙三段中上亞段高位域沉積期Sr/Ba值主要小于1，Mg/Ca值小于0.25，反映出由湖侵域沉積期向高位域沉積期水體鹽度逐漸降低［18］。同時(shí)硼元素計(jì)算結(jié)果顯示湖侵域沉積期水體古鹽度為2‰～30‰，并從下往上逐漸變淡，到高位域沉積期水體古鹽度普遍小于1‰，反映出水體由湖侵域沉積期的半咸水向高位域沉積期的微咸水和淡水轉(zhuǎn)變［18］。由于水體鹽度決定著碳酸鹽巖的沉淀速率［19］，因此泥頁巖中碳酸鹽巖含量也可反映出水體鹽度差異。渤南洼陷湖侵域沉積期泥頁巖中碳酸鹽巖含量總體較高，為40%～80%，平均可達(dá)65%，并從深至淺呈現(xiàn)由高到低變化，到高位域沉積期，碳酸鹽巖含量遞減較快，反映水體由咸變淡的過程?？傮w上，前人研究結(jié)果與本次所展示的多方面證據(jù)共同指示研究區(qū)湖侵域比高位域水體環(huán)境更為咸化，咸化水體環(huán)境使沉積物在成巖早期往往受到堿性同沉積水體的影響［15，20-21］，造成咸化與淡水環(huán)境下形成的沉積物在成巖早期碳酸鹽巖膠結(jié)程度方面存在差異。

3 不同體系域成巖環(huán)境差異

一般而言除沼澤環(huán)境下的同沉積水體呈酸性外［22-23］，儲集體在成巖早期的成巖流體環(huán)境受控于同沉積水性質(zhì)多呈堿性，隨埋深增大，有機(jī)質(zhì)熱演化過程中排出的有機(jī)酸又會使儲集體在成巖中期的流體呈酸性，當(dāng)埋深繼續(xù)增大，溫度進(jìn)一步升高時(shí)有機(jī)酸中的主要成分羧酸逐漸被分解，成巖環(huán)境又向堿性轉(zhuǎn)變［23-24］。雖然大部分儲集體具有堿酸交替的成巖環(huán)境，但由于成巖早期同沉積水體性質(zhì)以及成巖中期有機(jī)酸作用強(qiáng)度存在差異，導(dǎo)致不同體系域儲集體的成巖環(huán)境演化具有一定差異。

渤南洼陷沙三段湖侵域沉積期主要為半咸水環(huán)境，同沉積水體呈弱堿性，而高位域沉積期淡水環(huán)境下的同沉積水體呈微堿性，使高位域儲集體在成巖早期所經(jīng)歷的堿性流體濃度略小于低位域儲集體，成巖環(huán)境的差異在碳酸鹽巖膠結(jié)物含量和膠結(jié)率上都有所體現(xiàn)，具有弱堿性成巖環(huán)境的湖侵域儲集體膠結(jié)率略高于微堿性成巖環(huán)境下的高位域儲集體（圖4），而且在平均膠結(jié)率及碳酸鹽巖膠結(jié)物含量上湖侵域儲集體都高于高位域儲集體，其中湖侵域儲集體平均膠結(jié)率為51%，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量為10.3%，高位域儲集體平均膠結(jié)率為30%，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量為5%（圖6）?？傮w上在成巖早期，湖侵域儲集體比高位域儲集體成巖環(huán)境堿性更強(qiáng)。

圖6 渤南洼陷沙三段不同體系域成巖強(qiáng)度差異Fig.6 Difference of diagenetic strength in different systemtract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

圖7 渤南洼陷沙三段不同體系域成巖環(huán)境分析Fig.7 Analysis of diagenetic environment in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

經(jīng)歷了早期堿性成巖環(huán)境后，各體系域儲集體隨著埋深增大，地溫升高，有機(jī)質(zhì)熱演化程度逐漸增加，有機(jī)酸排出后又經(jīng)歷了酸性成巖環(huán)境。對于渤南洼陷沙三段湖侵域儲集體而言，其埋深相對高位域儲集體更大，主要集中在2 500m以下，鏡質(zhì)組反射率（Ro）普遍大于0.5%（圖7），烴源巖已經(jīng)歷生排有機(jī)酸階段，有機(jī)酸對湖侵域儲集體進(jìn)行溶蝕改造，早期碳酸鹽巖膠結(jié)物被溶蝕（圖3d，3e），同時(shí)出現(xiàn)石英次生加大現(xiàn)象（圖3f，3g），但現(xiàn)階段烴源巖已達(dá)到生排烴高峰乃至過成熟階段［25-26］，隨著地溫升高、羧酸分解，湖侵域儲集體在經(jīng)歷了酸性成巖環(huán)境后，處于弱堿性成巖環(huán)境下，伊利石含量較高，同時(shí)鐵質(zhì)碳酸鹽巖膠結(jié)物普遍發(fā)育且含量較高（圖3h，3i，圖6），值得提出的是，晚期弱堿性成巖環(huán)境下水體pH值依然不足9.5，中期酸性環(huán)境下形成的石英次生加大邊難以被溶蝕［27-29］，因此現(xiàn)今湖侵域儲集體中增生石英含量較高（圖7）。對于高位域儲集體，其埋深主要在2 500 m之上，同沉積層系的烴源巖熱演化程度相對較低，Ro值普遍小于0.5%，未達(dá)到生烴門限，但埋深為2 000～2 500 m的烴源巖處于即將到達(dá)生烴門限之前的生排有機(jī)酸階段，現(xiàn)今地層水類型主要為反映酸性地層水環(huán)境的氯化鈣和氯化鎂型，水體pH值普遍小于7，埋深小于2 000 m和大于2 500 m地層水則以反映堿性地層水環(huán)境的碳酸氫鈉以及硫酸鈉型水為主（圖7），總體而言大部分高位域儲集體現(xiàn)今處于酸性流體溶蝕改造階段，長石顆粒以及早期形成的少量碳酸鹽巖膠結(jié)物出現(xiàn)溶蝕（圖3j，3k），但未經(jīng)歷晚期弱堿性成巖環(huán)境，在酸性成巖環(huán)境影響下，高位域儲集體伊利石含量較低、高嶺石含量較高，同時(shí)存在部分石英次生加大現(xiàn)象（圖3l），增生石英含量為0.5%左右（圖7），鐵質(zhì)碳酸鹽巖膠結(jié)物含量較低（圖6）。

綜上所述，渤南洼陷沙三段湖侵域儲集體經(jīng)歷了早期弱堿性、中期酸性以及晚期弱堿性3期成巖流體影響（圖8a），而高位域儲集體則經(jīng)歷了早期微堿性以及中期酸性2期成巖流體影響，目前仍處于中期酸性流體改造階段，未經(jīng)歷晚期弱堿性成巖環(huán)境（圖8b）。

圖8 渤南洼陷沙三段不同體系域成巖模式Fig.8 Diagenetic models in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

4 不同體系域成巖演化差異

研究區(qū)湖侵域與高位域儲集體早期沉積環(huán)境的差異性導(dǎo)致其成巖演化過程中抗壓實(shí)能力與成巖環(huán)境存在差異，致使各自具有不同的成巖演化模式，現(xiàn)今儲層物性存在明顯差異。

湖侵域儲集體在成巖早期弱堿性流體影響下，發(fā)育較多碳酸鹽巖膠結(jié)物，加之塑性礦物較多，抗壓實(shí)能力較弱，在水巖作用時(shí)間增長、埋深不斷增大的情況下，原生孔隙不斷被壓實(shí)的同時(shí)還被膠結(jié)物充填，這一階段孔隙度遞減速率較快，高于正常壓實(shí)曲線（圖8a），在經(jīng)歷了成巖早期的膠結(jié)與壓實(shí)作用后，原生孔隙保留相對較少；隨著成巖環(huán)境向酸性轉(zhuǎn)變，有機(jī)酸進(jìn)入之初，可溝通有機(jī)酸的通道以及可容納有機(jī)酸的空間有限，酸性溶蝕緩慢發(fā)生，但隨著次生孔隙的增多，有機(jī)酸運(yùn)移的通道更加順暢，有機(jī)酸與可溶礦物的接觸面積也逐漸增加，酸性溶蝕規(guī)模增大，溶蝕改造作用進(jìn)入良性循環(huán)，次生孔隙帶形成（圖8a）；隨著埋深增大、地溫增加，有機(jī)酸逐漸被分解，又一次進(jìn)入弱堿性成巖環(huán)境，鐵質(zhì)碳酸鹽巖膠結(jié)物沉淀，加之機(jī)械壓實(shí)作用隨埋深進(jìn)一步增強(qiáng)，在鐵質(zhì)碳酸鹽巖膠結(jié)物充填和機(jī)械壓實(shí)的雙重作用下次生孔隙與殘留的原生孔隙迅速減少（圖8a），到埋深較大情況下儲層已較為致密?？傮w上，湖侵域儲集體平均壓實(shí)率可達(dá)55%，膠結(jié)率可達(dá)51%，溶蝕率僅為11%（圖6），現(xiàn)今平均孔隙度僅為10.84%，滲透率為89 mD，物性相對較差。

高位域儲集體在成巖早期微堿性流體影響下，僅少量碳酸鹽巖膠結(jié)物沉淀，同時(shí)較高的石英含量可有效抵御壓實(shí)作用，使儲集體整體處于弱膠結(jié)、弱壓實(shí)狀態(tài)，這一階段孔隙度遞減速率相對較慢，略低于正常壓實(shí)曲線（圖8b），在經(jīng)歷了成巖早期的弱膠結(jié)與弱壓實(shí)作用后，原生孔隙保留相對較多；隨埋深增大，有機(jī)質(zhì)熱演化過程中生排的有機(jī)酸進(jìn)入到儲集體中，成巖環(huán)境向酸性演變，成巖早期保留的大量原生孔隙可有效溝通酸性流體，酸性流體與可溶礦物充分接觸，次生溶蝕孔隙大量形成（圖8b）。由于高位域儲集體埋深普遍較淺，大部分仍處于有機(jī)酸生成階段，未經(jīng)歷晚期弱堿性成巖環(huán)境，總體上平均溶蝕率相對較高，達(dá)17%，膠結(jié)率相對較低，平均為30%，壓實(shí)率為32%（圖6），現(xiàn)今平均孔隙度高達(dá)19.07%，滲透率為280 mD，儲層物性好于湖侵域儲集體。

5 結(jié)論

渤南洼陷沙三段湖侵域沉積期具有近源、半咸水的沉積環(huán)境，儲集體礦物組成以碳酸鹽巖屑等塑性顆粒為主；高位域沉積期具有遠(yuǎn)源、淡水的沉積環(huán)境，儲集體礦物組成以石英等剛性顆粒為主。沙三段湖侵域儲集體經(jīng)歷了早期弱堿性、中期酸性以及晚期弱堿性成巖環(huán)境演變，高位域儲集體則經(jīng)歷了早期微堿性以及中期酸性成巖環(huán)境演變。在原始沉積組分與成巖環(huán)境影響下，渤南洼陷沙三段湖侵域儲集體在成巖早期經(jīng)歷了較強(qiáng)壓實(shí)和膠結(jié)作用，原生孔隙遞減較快，致使成巖中期有機(jī)酸溶蝕作用相對較弱，伴隨著成巖晚期又一堿性膠結(jié)作用發(fā)生，現(xiàn)今儲集體物性相對較差；高位域儲集體在成巖早期經(jīng)歷了弱壓實(shí)和弱膠結(jié)作用，原生孔隙保留較多，成巖中期有機(jī)酸溶蝕作用相對較強(qiáng)，加之現(xiàn)階段普遍未經(jīng)歷晚期堿性膠結(jié)作用，儲集體物性相對較好。

對碎屑巖儲集體而言，以機(jī)械壓實(shí)為主的物理成巖作用和以溶蝕、膠結(jié)為主的化學(xué)成巖作用控制其成巖演化過程，在埋深一定的情況下，決定機(jī)械壓實(shí)強(qiáng)度的本質(zhì)因素在于儲集體的原始沉積組分；而溶蝕、膠結(jié)強(qiáng)度則是由水體環(huán)境決定。因此，對于某一地區(qū)某一層系碎屑巖儲集體的成巖演化研究，應(yīng)首先從沉積環(huán)境及其伴生的沉積組分差異性出發(fā)，建立成巖演化研究單元，以此為基礎(chǔ)運(yùn)用多種方法、結(jié)合多種資料開展不同單元的成巖流體演化研究，確定成巖演化序列、成巖作用強(qiáng)度，最終建立儲集體成巖及孔隙演化模式。

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