巖相約束下的深層致密砂巖氣藏儲(chǔ)層演化特征

林建力,張憲國(guó),2,林承焰,2,段冬平,黃 鑫,孫小龍,董春梅,2

[1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580； 2.山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266580;3.中海石油(中國(guó))有限公司 上海分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院,上海 200335]

隨著近年來(lái)油氣勘探的不斷深入,東海西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶中北部深層天然氣顯示出巨大潛力[1-3],成為東海盆地油氣勘探開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域,但是鉆井顯示該區(qū)域發(fā)育深層強(qiáng)非均質(zhì)性致密氣藏,“甜點(diǎn)”的認(rèn)識(shí)成為制約氣藏開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究分析了沉積和成巖作用在深層致密儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”發(fā)育中的影響[4-10],但是在不同地區(qū)儲(chǔ)層中,沉積和成巖影響下的不同儲(chǔ)層孔隙演化存在差異性[11-21]。就東海盆地西湖凹陷深層致密氣藏而言,前人主要從儲(chǔ)層特征與成巖作用類型、成巖環(huán)境演變與孔隙演化以及致密化機(jī)理與烴類充注等方面進(jìn)行較大范圍尺度的研究[22-27],而不同沉積-成巖耦合下,儲(chǔ)層的成巖演化及其對(duì)孔隙發(fā)育的影響尚未有詳細(xì)的研究報(bào)道。本文以東海盆地西湖凹陷北部N氣田典型深層致密氣藏為例,探究主力沉積砂體中不同巖相類型儲(chǔ)層的成巖演化,為認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層的致密化及“甜點(diǎn)”成因提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部,呈狹條狀分布(圖1),面積約為5.9×104km2。其構(gòu)造上先后經(jīng)歷了裂陷期、坳陷期和區(qū)域沉降期3個(gè)演化階段。地層整體埋深較大,由于遭受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),總體呈現(xiàn)出“兩洼夾一隆”且具有“東西分帶,南北分塊”特征的構(gòu)造格局[28-29]。由西向東可劃分為西部斜坡帶、西部次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東部次凹和東部斷階帶5個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[1](圖1)。自下而上依次發(fā)育古新統(tǒng)(E1)、始新統(tǒng)平湖組(E2p)、漸新統(tǒng)花港組(E3h)、中新統(tǒng)龍井組(N1l)、玉泉組(N1y)、柳浪組(N1ll)、上新統(tǒng)三潭組(N2s)和第四系東海群(Qd)[30](圖1)。西湖凹陷始新統(tǒng)至中新統(tǒng)發(fā)育海相和陸相兩種沉積環(huán)境,海相沉積環(huán)境主要發(fā)育海灣三角洲相、海灣潮坪相和海灣淺海相；陸相沉積環(huán)境又可進(jìn)一步劃分為辮狀河流相、湖泊辮狀三角洲相和湖泊相[2]。其中花港組是主要的儲(chǔ)集層,主力源巖為下伏平湖組煤系烴源巖,中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶始新統(tǒng)平湖組烴源巖于中新世進(jìn)入大規(guī)模生烴期,排烴高峰期在中新世中期[31]。目前中央構(gòu)造帶中部N地區(qū)花港組已發(fā)現(xiàn)3套砂巖氣藏儲(chǔ)層,主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積,砂體厚度大,分布連續(xù)穩(wěn)定,厚度均達(dá)100多米,總氣藏厚度超過(guò)400 m,具備了良好的開(kāi)發(fā)前景,但整體埋藏較深(深度范圍3 400～4 400 m),非均質(zhì)性強(qiáng),屬于深層低滲-致密型儲(chǔ)層。

2 巖相類型及特征

2.1 巖相分類及其巖石學(xué)特征

結(jié)合研究區(qū)沉積特征來(lái)看,西湖凹陷中央構(gòu)造帶N地區(qū)花上段下部主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相,主要沉積微相類型為水下分流河道、水下分流間灣和河口壩[27]。由于河道頻繁的改道,河口壩和水下分流間灣遭受不同程度的沖刷改造和破壞,能保留下來(lái)的砂體相對(duì)較少,因而水下分流河道沉積構(gòu)成了厚層砂巖儲(chǔ)層的主體。針對(duì)這一特點(diǎn),利用取心井巖心觀察描述以及鑄體薄片、粒度分析和X-衍射等測(cè)試分析資料,按照粒度,成分和沉積構(gòu)造特征,將研究區(qū)水下分流河道砂巖分為以下主要的4類:塊狀層理中-粗砂巖、礫質(zhì)砂巖、平行層理中-細(xì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖(圖2)。研究區(qū)水下分流河道厚層疊置砂體中以塊狀層理中-粗砂巖和平行層理中-細(xì)砂巖為主,其次為礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖。

圖1 西湖凹陷地層概況、構(gòu)造演化與構(gòu)造單元?jiǎng)澐?據(jù)參考文獻(xiàn)[27]修改)Fig.1 Stratum overview,tectonic evolution and tectonic unit division of the Xihu sag(modified after reference[27])

圖2 西湖凹陷水下分流河道砂巖主要巖相類型Fig.2 The main lithofacies types of sandstones in underwater distributary channels of the Xihu saga.塊狀層理中-粗砂巖,N4井,埋深3 507.3 m；b.礫質(zhì)砂巖,N4井,埋深3 913.1 m；c.平行層理中-細(xì)砂巖,N4井,埋深3 918.5 m；d.泥礫質(zhì)砂巖,N2井,埋深3 890.1 m

研究區(qū)花上段儲(chǔ)層以巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石或巖屑質(zhì)石英砂巖為主(圖3)。砂巖骨架顆粒百分含量總體特點(diǎn)為石英相對(duì)較高(60%～90%),長(zhǎng)石(5%～25%)和巖屑相對(duì)較低(4%～20%)。其中,斜長(zhǎng)石含量稍大于鉀長(zhǎng)石,巖屑多以剛性變質(zhì)石英巖為主,次為燧石和中酸性火山巖巖屑,可見(jiàn)少量白云母和沉積巖巖屑。填隙物中雜基和膠結(jié)物百分含量都相對(duì)較低,雜基含量平均小于5%,主要為粘土雜基；膠結(jié)物含量大都在3%～6%,主要發(fā)育方解石、硅質(zhì)、綠泥石、伊利石和少量高嶺石膠結(jié)?？傮w上砂巖成分成熟度較高,顆粒為次圓狀和棱角狀,分選性中等-好,碎屑顆粒多以線、凹凸接觸為主,整體壓實(shí)壓溶程度較強(qiáng)。不同巖相砂巖巖石組分上存在著差異性(表1),其中塊狀層理中-粗砂巖、礫質(zhì)砂巖石英含量大都在70%以上,最高可達(dá)89%,除了少部分夾雜大量雜基的礫質(zhì)砂巖,粘土含量大都小于5%；平行層理中-細(xì)砂巖石英含量多在60%～70%,粘土含量多在5%～15%；泥礫質(zhì)砂巖石英含量多在50%～70%,粘土含量多在20%～25%。礫質(zhì)砂巖中礫石成分以變質(zhì)石英巖為主,次為中酸性火山巖,燧石等,礫石粒度以0.5～1 cm為主,顆粒堆積緊密,分選較差；泥礫質(zhì)砂巖中礫石多為混亂排列狀泥質(zhì)撕裂屑,大小不一。

圖3 西湖凹陷水下分流河道砂巖巖性三角圖Fig.3 The ternary diagram showing the sandstone lithologies in underwater distributary channels of the Xihu sagⅠ.石英砂巖；Ⅱ.長(zhǎng)石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長(zhǎng)石砂巖；Ⅴ.巖屑長(zhǎng)石砂巖；Ⅵ.長(zhǎng)石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖

2.2 不同巖相的儲(chǔ)層特征

2.2.1 不同巖相的儲(chǔ)層物性特征

塊狀層理中-粗砂巖為研究區(qū)物性較好的儲(chǔ)層類型(圖4),孔隙度(Φ)最大值為16.2%,平均值為9.28%,主要介于6%～15%,滲透率(K)最大值為435×10-3μm2,平均值為7.65×10-3μm2,主要介于0.2×10-3～50.6×10-3μm2。平行層理中-細(xì)砂巖為研究區(qū)次一級(jí)的儲(chǔ)層類型(圖4),孔隙度最大值為14.9%,平均值為8.49%,主要介于3%～14%,滲透率最大值為31.6×10-3μm2,平均值為0.94×10-3μm2,主要介于0.05×10-3～8.1×10-3μm2。礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖由于粒度較粗且含大量礫石,在取樣測(cè)試過(guò)程中易造成樣品缺損或產(chǎn)生人工裂縫,因而可靠數(shù)據(jù)樣品數(shù)量較少,其孔隙度大都小于5%,滲透率均小于0.8×10-3μm2(圖4)。塊狀層理中-粗砂巖與平行層理中-細(xì)砂巖孔隙度相差較小,但是滲透率卻相差較大,顯然二者微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異很大程度上決定了物性優(yōu)劣；礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖整體孔隙度較小,整體物性相對(duì)較差。

圖4 西湖凹陷不同巖相砂巖孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.4 Relationship between porosity and permeability of sandstones of different lithofacies in the Xihu sag

2.2.2 不同巖相的孔隙類型

鑄體薄片和掃描電鏡微觀照片顯示,塊狀層理中-粗砂巖主要發(fā)育均勻分布的殘余粒間孔和次生溶孔,整體連通性較好；平行層理中-細(xì)砂巖主要發(fā)育局部集中的殘余粒間孔和次生溶孔,局部壓實(shí)緊密,孔隙集中發(fā)育處連通性較好；礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖微觀照片上僅能觀察到少量肉眼可見(jiàn)孔隙,整體壓實(shí)緊密,主要發(fā)育微孔隙。研究區(qū)殘余粒間孔是經(jīng)歷了壓實(shí)壓溶、綠泥石襯里膠結(jié)、石英加大和溶蝕等成巖作用之后所殘留下來(lái)的,次生溶孔中粒間溶孔和鑄?？姿急壤?主要為長(zhǎng)石和火山巖屑的溶蝕所致,少量為火山凝灰質(zhì)和硅質(zhì)碎屑顆粒或膠結(jié)物溶蝕而成。

表1 西湖凹陷不同巖相砂巖全巖和粘土礦物X-衍射分析平均值Table 1 The average values of X-diffraction analysis of the whole rock and clay minerals in sandstones of different lithofacies in the Xihu sag

2.2.3 不同巖相的孔隙結(jié)構(gòu)特征

由于礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖孔隙度小,肉眼可見(jiàn)孔隙不發(fā)育,微孔隙為其主要儲(chǔ)集空間類型,整體相對(duì)致密,因而沒(méi)有針對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)研究進(jìn)行額外的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)。研究區(qū)主要選取同一單井上相似深度,相同巖性的塊狀層理砂巖和平行層理砂巖進(jìn)行恒速壓汞和核磁共振實(shí)驗(yàn)分析。

恒速壓汞分析顯示(圖5),塊狀層理砂巖進(jìn)汞飽和度相對(duì)較大(最終進(jìn)汞飽和度Sf=73.73%,總孔隙進(jìn)汞飽和度Sb=44.06%,總喉道進(jìn)汞飽和度St=29.67%),排驅(qū)壓力為0.165 MPa,飽和度中值壓力為0.876 MPa,孔隙半徑分布較集中,主要介于120～140 μm,平均值為128.90 μm,喉道半徑分布較分散,主要介于0.8～4 μm,平均值為2.571 μm,發(fā)育一定數(shù)量的粗喉道,孔喉比分布整體偏左,介于40～80；核磁共振分析顯示(圖6a),T2譜呈雙峰分布,弛豫時(shí)間較大的峰高,呈近單峰右邊分布,束縛水飽和度相對(duì)較低(29.51%),T2截止值相對(duì)較大(8.03 ms),所對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較好。

平行層理砂巖進(jìn)汞飽和度中等(最終進(jìn)汞飽和度Sf=64.56%,總孔隙進(jìn)汞飽和度Sb=39.98%,總喉道進(jìn)汞飽和度St=24.58%)(圖5),排驅(qū)壓力為0.415 MPa,飽和度中值壓力1.995 MPa,孔隙半徑分布較集中,主要介于120～140 μm,平均值為127.21 μm,喉道半徑分布也較集中,主要介于0.4～1.2 μm,平均值為1.059 μm,主要發(fā)育細(xì)喉道,孔喉比分布集中在中間,介于100～180；核磁共振分析顯示(圖6b),T2譜呈雙峰分布,兩峰幅度中等且相差較小,束縛水飽和度相對(duì)較高(40.71%),T2截止值相對(duì)較大(9.64 ms),所對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)中等。

3 不同巖相的成巖作用特征

研究區(qū)花港組整體為低滲-致密儲(chǔ)層,其中導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度損失最大的是壓實(shí)作用,原生孔隙保存多少是決定儲(chǔ)層質(zhì)量的關(guān)鍵因素；其次是碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)作用,進(jìn)一步加快了儲(chǔ)層致密化進(jìn)程；而溶蝕作用在一定程度上改善了儲(chǔ)層物性；自生粘土礦物以綠泥石膠結(jié)、伊/蒙混層和伊利石膠結(jié)為主,在儲(chǔ)層強(qiáng)壓實(shí)的情況下,占據(jù)孔喉空間,對(duì)儲(chǔ)層滲透率造成較大的影響。

圖5 西湖凹陷不同巖相類型砂巖恒速壓汞曲線和參數(shù)特征Fig.5 Rate-controlled porosimetry curves and parameter characteristics of sandstones of different lithofacies in the Xihu sagA.塊狀層理,細(xì)砂中砂巖,N4井,埋深3 506.7 m,Φ=11.10%,K=4.98×10-3 μm2；B.平行層理,細(xì)砂中砂巖,N4井,埋深3 511.2 m,Φ=9.60%,K=0.97×10-3 μm2

圖6 西湖凹陷不同巖相類型砂巖核磁共振特征Fig.6 Characteristics of NMR T2 spectra in sandstones of different lithofacies in the Xihu saga.塊狀層理,細(xì)砂中砂巖,N4井,埋深3 915.8 m,Φ=11.70%,K=9.25×10-3 μm2；b.平行層理,細(xì)砂中砂巖,N4井,埋深3 911.6 m,Φ=8.70%,K=0.32×10-3 μm2

3.1 壓實(shí)作用

高石英含量砂巖雖然能夠在一定程度上抑制壓實(shí)作用,但結(jié)合研究區(qū)埋藏史研究可知[27,32],中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶花上段地層在中新統(tǒng)玉泉組沉積時(shí)就已達(dá)到最大埋深[27],壓實(shí)程度相對(duì)較高?？傮w來(lái)看,石英、長(zhǎng)石及石英質(zhì)巖屑顆粒之間多呈線-壓嵌式接觸,壓溶現(xiàn)象顯著(圖7a),同時(shí)可見(jiàn)少量剛性顆粒破裂。其中,塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖石英含量最高,前者由于具有較好的分選性而有效地抑制了壓實(shí),保留了一定數(shù)量均勻分布的原生孔隙,而后者碎屑顆粒大小不一,分選較差,在經(jīng)歷深埋之后往往呈現(xiàn)硅質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)烈,壓實(shí)緊密堆積狀態(tài)(圖7b)。平行層理中-細(xì)砂巖由于沉積分異的作用,不同粒度碎屑顆粒呈層狀定向排列堆積,鏡下可見(jiàn)較強(qiáng)的壓實(shí)差異,導(dǎo)致孔隙常呈局部條帶富集狀(圖7c),僅有局部少量原生孔隙得以保存。泥礫質(zhì)砂巖中塑性泥巖撕裂屑含量較高,同時(shí)還混雜著大量泥質(zhì)雜基,往往在埋藏早期就已經(jīng)發(fā)生強(qiáng)烈變形和破碎,使其大部分孔隙早已喪失殆盡(圖7d)。

3.2 膠結(jié)作用

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)十分普遍,最常見(jiàn)的形式是以規(guī)則完整加大邊狀和不定形狀圍繞碎屑顆粒發(fā)育,或以一定數(shù)量的自生石英微晶形式沉淀在原生孔隙或次生孔隙中(圖7e),鏡下可觀察到強(qiáng)烈的壓溶作用和硅質(zhì)膠結(jié)使石英顆粒成團(tuán)塊狀集合體分布(圖7f)。塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖由于粒度較粗,剛性石英含量較高,埋藏壓實(shí)過(guò)程中得以保留有足夠的晶體生長(zhǎng)空間,而顯著的壓溶作用和酸性流體的充分溶蝕又提供了充足的硅質(zhì)來(lái)源,容易形成寬度較大,形狀規(guī)則完整的石英加大邊(圖7g);同時(shí)這些早期發(fā)育,均勻分布的硅質(zhì)膠結(jié)也在一定程度抑制了進(jìn)一步的壓實(shí)作用。平行層理中-細(xì)砂巖粒度較細(xì),剛性石英含量低,抗壓實(shí)能力較弱,硅質(zhì)來(lái)源與晶體生長(zhǎng)空間受限,因而發(fā)育的硅質(zhì)膠結(jié)往往是少量不定形狀的且主要分布在局部孔隙帶中；泥礫質(zhì)砂巖塑性泥礫含量高,在埋藏早期壓實(shí)致密的情況下僅發(fā)育少量硅質(zhì)膠結(jié)。

3.2.2 碳酸鹽膠結(jié)作用

研究區(qū)主要發(fā)育方解石和含鐵方解石膠結(jié),其他碳酸鹽膠結(jié)少量發(fā)育。方解石膠結(jié)主要存在兩期,相對(duì)早期方解石呈基底式膠結(jié),陰極發(fā)光顯示橙黃色(圖7h),含鐵較低；相對(duì)晚期含鐵方解石呈分散粒狀或局部連晶狀占據(jù)原生粒間孔和次生溶孔(圖7h),陰極發(fā)光顯示為暗紅色,同時(shí)可觀察到方解石交代其他碎屑顆粒(圖7i)。從分布范圍來(lái)看,高含量碳酸鹽膠結(jié)多發(fā)育在巖性界面物性較好區(qū)域,形成薄層鈣質(zhì)砂巖層,尤其是砂泥界面最為明顯[33]?？傮w而言,研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)范圍比較局限,對(duì)儲(chǔ)層主體質(zhì)量影響較小。

圖7 西湖凹陷花港組儲(chǔ)層成巖作用特征Fig.7 Diagenetic characteristics of the Huagang reservoir in the Xihu saga.剛性顆粒之間壓嵌壓溶現(xiàn)象顯著，N1，埋深3 462.5 m;b.顆粒分選較差,堆積緊密，N4，埋深3 913 m;c.差異壓實(shí)形成的局部孔隙帶，N4，埋深3 919.17 m;d.泥礫變形破碎,泥質(zhì)雜基富集，N2，埋深3 598.5 m;e.自生石英晶體充填孔隙，N1，埋深3 645 m;f.石英顆粒呈團(tuán)塊狀集合體分布，N1，埋深3 458.5 m;g.具有規(guī)則外形的石英加大邊，N1，埋深3 459.5 m;h.早期方解石連晶膠結(jié),呈橙黃色,晚期含鐵方解石呈粒狀充填孔隙,呈暗紅色，N4，埋深3 915.7 m;i.晚期含鐵方解石交代碎屑顆粒，N2，埋深3 604 m;j.絨球狀綠泥石充填孔隙，N1，埋深3 467.1 m;k.伊/蒙混層、片絲狀伊利石和綠泥石膜相伴生，N2，埋深3 968.2 m;l.薄層綠泥石膜和硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育,僅在孔喉狹窄處可見(jiàn)少量伊利石，N1，埋深3 447.6 m;m.泥質(zhì)環(huán)繞碎屑顆粒分布，N2，埋深4 324 m;n.石英加大邊被溶蝕呈鋸齒狀,伴生絲狀伊利石，N2，埋深4 322 m;o.孤立發(fā)育且溶蝕完全的巖屑、長(zhǎng) 石鑄模孔隙，N2，埋深3 621 m;p.差異壓實(shí)形成的局部孔隙帶,較厚的綠泥石膜,少量硅質(zhì)膠結(jié)和少量次生溶孔，N4，深埋3 919 m

3.2.3 自生粘土礦物膠結(jié)

綠泥石膠結(jié)、伊/蒙混層和伊利石膠結(jié)是研究區(qū)最主要的自生粘土礦物類型,在不同類型砂巖中均可觀察到,高嶺石膠結(jié)含量較低,比較少見(jiàn)(表1)。綠泥石膠結(jié)主要以孔隙襯里和孔隙充填狀產(chǎn)出(圖7j),其中孔隙襯里型綠泥石形成較早,能在一定程度上抑制早期硅質(zhì)膠結(jié)；少量孤立柱狀石英晶體僅在綠泥石不連續(xù)或顆粒破裂處發(fā)育,但在埋藏后期,隨著地溫升高,可進(jìn)一步生長(zhǎng)成連續(xù)的石英加大邊。除了考慮地層溫度,綠泥石厚度和石英晶體生長(zhǎng)空間也是決定綠泥石能否抑制硅質(zhì)膠結(jié)的關(guān)鍵因素。埋藏早期,不同巖相砂巖壓實(shí)程度普遍較弱,早期形成的綠泥石占據(jù)硅質(zhì)膠結(jié)的成核基底,同時(shí)造成石英壓溶溶解障礙,抑制硅質(zhì)的供應(yīng)而在一定程度上抑制了硅質(zhì)膠結(jié)。埋藏晚期,地層溫度升高,硅質(zhì)膠結(jié)克服成核障礙[34-35],能夠覆蓋孔隙襯里綠泥石而形成連續(xù)的石英加大邊,這也是能夠在研究區(qū)埋深較大部位觀察到綠泥石與大量硅質(zhì)膠結(jié)共生的原因。伊蒙混層和伊利石膠結(jié)主要呈蜂窩狀,片絲狀或毛發(fā)狀占據(jù)孔喉空間(圖7k),對(duì)滲透率有著顯著影響。隨著埋深增加,伊蒙混層的轉(zhuǎn)化或與不穩(wěn)定礦物溶蝕導(dǎo)致自生伊利石含量不斷增加,使原本壓實(shí)強(qiáng)烈的儲(chǔ)層孔喉狀況更為復(fù)雜,大大地降低了滲透率?？偟膩?lái)看,塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖成分成熟度高,粘土含量低,砂巖孔隙較為發(fā)育,流體活動(dòng)性強(qiáng),物質(zhì)帶入帶出相對(duì)頻繁；埋藏過(guò)程轉(zhuǎn)化的粘土礦物含量較少,主要形成以薄層綠泥石為主的粘土礦物膠結(jié),伊蒙混層和伊利石僅在孔喉狹窄處發(fā)育(圖7l).平行層理中-細(xì)砂巖成分成熟度相對(duì)較低,粘土含量高,雖然流體活動(dòng)性受限,但由于碎屑成分相對(duì)復(fù)雜,能夠在水-巖反應(yīng)中形成不同種類的自生產(chǎn)物,因而可以觀察到多種粘土礦物緊密共生(圖7j)；泥礫質(zhì)砂巖中沉積物快速混雜堆積,分選較差,夾雜著大量雜基,同時(shí)泥巖撕裂屑容易發(fā)生變形破碎,在后期相對(duì)致密的空間下轉(zhuǎn)化難度大,因而容易形成厚層粘土集合體(圖7 m)。

3.3 溶蝕作用

研究區(qū)儲(chǔ)層埋深跨度大(3 400～4 400 m),不同深度、不同巖相砂巖溶蝕類型和溶蝕強(qiáng)度存在差異。埋深小于4 100 m時(shí),以長(zhǎng)石和火山巖屑的酸性溶蝕為主；埋深大于4 100 m時(shí),壓實(shí)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),原生孔隙和次生孔隙大都被破壞,地層逐漸處于封閉狀態(tài),成巖環(huán)境逐漸由酸性向堿性轉(zhuǎn)變,開(kāi)始出現(xiàn)高嶺石伊利石化；此反應(yīng)在地層溫度大于140 ℃時(shí)自發(fā)進(jìn)行[36],主要導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石的溶蝕,但溶蝕程度較小。另外還可以觀察到石英顆粒邊緣或石英加大邊遭到部分溶蝕(圖7n)。溶蝕強(qiáng)度很大程度上取決于流體活動(dòng)空間的通暢性和可溶蝕物質(zhì)的含量,塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖具有較高的成分成熟度,酸性環(huán)境下可溶蝕的碎屑組分相對(duì)較少,但由于其具有足夠的孔隙空間使得酸性流體易于運(yùn)移流通,因而溶蝕往往更加充分(圖7o)；平行層理中-細(xì)砂巖雖然能夠提供更多的可溶蝕物質(zhì),但由于抗壓實(shí)能力較差,流體活動(dòng)性弱,僅在局部原生孔隙保存較好的空間中發(fā)育溶蝕孔隙(圖7p)；進(jìn)入埋藏后期,不但原始孔隙空間進(jìn)一步被壓實(shí)破壞,而且流體活動(dòng)受限,僅能使少量碎屑顆粒發(fā)生溶蝕。泥礫質(zhì)砂巖在埋藏早期就被壓實(shí)致密,后期基本不發(fā)生溶蝕。

4 不同巖相的成巖演化特征

4.1 花港組砂巖的成巖演化

結(jié)合西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中部典型井埋藏演化史可知(圖8),研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層主要經(jīng)歷了4個(gè)埋藏演化階段:緩慢沉降階段、快速沉降階段、短暫抬升階段和穩(wěn)定沉降階段。自生伊利石測(cè)年結(jié)果和流體包裹體系統(tǒng)測(cè)試分析顯示[31,37-38],中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶花港組儲(chǔ)層主要存在3期油氣充注:即早期低熟黃色熒光油,充注時(shí)期為21～16.2 Ma;中期成熟藍(lán)綠色熒光油,充注時(shí)期為10.4～6.1 Ma;晚期天然氣及高成熟度藍(lán)白色熒光油,充注時(shí)期為2.2～0 Ma。其中后兩期是研究區(qū)最重要的成藏時(shí)期。緩慢沉降階段,研究區(qū)儲(chǔ)層主要處于同生期-早成巖期,有機(jī)質(zhì)處于未成熟到半成熟階段。煤系地層早期呈弱堿性,顆粒之間以點(diǎn)-線接觸為主,早期綠泥石以薄層環(huán)邊形式產(chǎn)出,同時(shí)堿性孔隙水過(guò)飽和析出少量早期基底式膠結(jié)方解石,隨著埋深增加,地層流體環(huán)境由弱堿性向弱酸性轉(zhuǎn)變,同時(shí)部分石英顆粒壓溶產(chǎn)生少量硅質(zhì)膠結(jié)?？焖俪两惦A段,研究區(qū)儲(chǔ)層進(jìn)入中成巖期并主要處于中成巖A期,由于埋深急劇增加,有機(jī)質(zhì)由早成熟階段向完全成熟階段轉(zhuǎn)變,下伏平湖組煤系烴源巖通過(guò)有機(jī)質(zhì)熱演化開(kāi)始釋放出大量有機(jī)酸。此時(shí)地層流體環(huán)境酸性逐漸增強(qiáng),大量長(zhǎng)石、巖屑等不穩(wěn)定組分遭受強(qiáng)烈溶蝕,同時(shí)產(chǎn)生部分高嶺石和硅質(zhì)膠結(jié)。另外壓溶作用程度的不斷加大也提供了大量的硅質(zhì)來(lái)源。隨著埋深繼續(xù)增加以及有機(jī)酸的不斷消耗,地層流體環(huán)境逐漸過(guò)渡到弱堿性,蒙脫石伊利石化和高嶺石與鉀長(zhǎng)石的自發(fā)反應(yīng)也生成了一定數(shù)量的伊利石,這些反應(yīng)釋放出的大量堿性陽(yáng)離子為之后含鐵方解石和綠泥石的再次沉淀提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；短暫抬升階段,龍井運(yùn)動(dòng)的大規(guī)模發(fā)生造成地層抬升剝蝕,由于研究區(qū)儲(chǔ)層位于花上段地層下部,因而受大氣淡水酸性介質(zhì)的影響不大,地層流體環(huán)境仍然保持為堿性；穩(wěn)定沉降階段,經(jīng)歷了短暫強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升之后,地層再次沉降,研究區(qū)儲(chǔ)層主要處于中成巖B期,此時(shí)下伏平湖組煤系烴源巖生成的有機(jī)酸發(fā)生脫羧作用,儲(chǔ)層溶蝕耗酸和堿性陽(yáng)離子增多,以伊利石、綠泥石和含鐵方解石膠結(jié)為主的成巖作用普遍發(fā)生,同時(shí)伴隨著少量堿性條件下的硅質(zhì)溶蝕作用,直至形成現(xiàn)今的砂巖儲(chǔ)層。綜上所述,可以大致確定研究區(qū)花港組砂巖總體成巖演化序列如下(圖5):早期機(jī)械壓實(shí)(點(diǎn)接觸為主)—早期綠泥石膠結(jié)—早期方解石膠結(jié)—機(jī)械壓實(shí)(線接觸為主,部分壓溶)—少量硅質(zhì)膠結(jié)-強(qiáng)烈壓溶/有機(jī)酸溶蝕—大量硅質(zhì)膠結(jié)/少量高嶺石膠結(jié)—蒙脫石伊利石化/高嶺石伊利石化/晚期綠泥石膠結(jié)—少量硅質(zhì)溶蝕/含鐵方解石膠結(jié)。

4.2 不同巖相的成巖演化

研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖雖然都經(jīng)歷了上述主要成巖作用類型,但由于砂巖原始組構(gòu)的差異性,不同巖相砂巖所經(jīng)歷的成巖作用序列和成巖作用強(qiáng)度上有所不同(圖9,圖10),相應(yīng)的成巖產(chǎn)物類型,產(chǎn)狀和含量也存在著較大的差異性,從而使砂巖儲(chǔ)層的致密化過(guò)程和孔隙發(fā)育情況不盡相同,最終造成了不同巖相砂巖儲(chǔ)層質(zhì)量時(shí)空上的非均質(zhì)性。

圖8 西湖凹陷花港組儲(chǔ)層埋藏-熱演化史和成巖演化序列Fig.8 The burial-thermal evolution and diagenetic sequence of the Huagang reservoir in the Xihu sag

4.2.1 塊狀層理中-粗砂巖相

塊狀層理中-粗砂巖由于具有石英含量高、粒度粗和分選好的特點(diǎn),在埋藏演化過(guò)程中始終保存有一定的原生孔隙,這為流體活動(dòng)的進(jìn)行和自生礦物的沉淀提供了足夠的空間,因此經(jīng)歷的成巖作用是相對(duì)完全的(圖9,圖10a)。此類砂巖抗壓實(shí)能力較強(qiáng),壓溶和溶蝕作用強(qiáng)烈,埋藏早期綠泥石膠結(jié)厚度較薄,在埋藏后期高溫狀態(tài)下難以抑制硅質(zhì)膠結(jié)的大量生成,造成連續(xù)規(guī)則的石英加大邊十分發(fā)育,孔隙類型主要為壓嵌-硅質(zhì)膠結(jié)殘余原生孔、不穩(wěn)定組分溶蝕鑄?？缀蜕倭渴⑷芸?整體粘土礦物含量低,對(duì)物性影響較小。

4.2.2 礫質(zhì)砂巖相

礫質(zhì)砂巖的成巖演化過(guò)程總體上與塊狀層理中-粗砂巖相似,不同的是礫質(zhì)砂巖沉積時(shí)處于高能水動(dòng)力環(huán)境,沉積物快速混亂堆積,大小不一,分選較差；同時(shí)夾雜著部分雜基,往往形成較粗的礫石顆粒作為支撐骨架,其他較細(xì)碎屑顆粒緊密充填的狀態(tài)。此類砂巖在埋藏早期能夠保持流體運(yùn)移通暢,發(fā)育有一定數(shù)量的原生孔隙和次生孔隙,但隨著埋深增大,較早進(jìn)入了由強(qiáng)壓實(shí)和硅質(zhì)膠結(jié)導(dǎo)致的致密化過(guò)程(圖9,圖10b)。

4.2.3 平行層理中-細(xì)砂巖相

與前面兩類砂巖相比,平行層理中-細(xì)砂巖剛性石英含量相對(duì)較低,細(xì)粒與塑性成分相對(duì)增多,自生粘土礦物組合更加多樣,抗壓實(shí)能力也相應(yīng)減弱(圖9,圖10c)。由于沉積分異作用,在形成平行層理的同時(shí)也導(dǎo)致了不同粒度碎屑顆粒的層狀分異特點(diǎn),其中條狀云母、塑性碎屑和較細(xì)的顆粒組合排列在一起,具有明顯的定向性,極易壓實(shí)致密；而較粗的顆粒仍保持著塊狀層理砂巖的性質(zhì),具有高石英含量和分選較好的特點(diǎn),因此仍然有一定的抗壓實(shí)能力,保存著較多的原生孔隙,埋藏后期主要的流體活動(dòng)也是集中于局部發(fā)育的孔隙帶中?？傮w上,這種差異壓實(shí)導(dǎo)致的流體壓力差易造成孔隙局部發(fā)育,而孔隙帶的發(fā)育程度與層理間距和碎屑組構(gòu)有著密切的關(guān)系,值得后期更加深入的研究。

圖9 西湖凹陷不同巖相砂巖成巖演化模式Fig.9 The diagenetic evolution model of sandstones of different lithofacies in the Xihu sag

4.2.4 泥礫質(zhì)砂巖相

泥礫質(zhì)砂巖主要特點(diǎn)是富含攪動(dòng)卷起狀態(tài)的泥巖撕裂屑,其成巖事件主要發(fā)生在埋藏早期,泥巖撕裂屑經(jīng)強(qiáng)烈的壓實(shí)作用發(fā)生扭曲變形或假雜基化堵塞孔喉空間。同時(shí)由于這些撕裂屑易于破碎,夾雜著大量泥質(zhì)雜基,容易在碎屑顆粒周圍形成一層較厚的泥質(zhì)環(huán)邊。此類砂巖在埋藏早期就已經(jīng)喪失了大部分的孔隙空間,埋藏后期基本不能為流體活動(dòng)提供有效空間,溶蝕作用和膠結(jié)作用相對(duì)較弱,主要成巖產(chǎn)物也是以埋藏早期發(fā)生的為主(圖9,圖10d)。

圖10 西湖凹陷不同巖相砂巖成巖演化序列及孔隙演化曲線Fig.10 The diagenetic sequence and porosity evolution of sandstones of different lithofacies in the Xihu saga.塊狀層理中-粗砂巖；b.礫質(zhì)砂巖；c.平行層理中-細(xì)砂巖；d.泥礫質(zhì)砂巖

5 不同巖相的孔隙演化特征

不同巖相砂巖埋藏成巖演化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程,這個(gè)過(guò)程中所經(jīng)歷的壓實(shí)、膠結(jié)以及溶蝕等多種成巖作用都是相互聯(lián)系與影響的,共同控制著儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育。為了合理解釋不同類型和強(qiáng)度成巖作用對(duì)致密砂巖孔隙演化過(guò)程的影響,本文以研究區(qū)實(shí)際典型鑄體薄片資料為基礎(chǔ),定量統(tǒng)計(jì)了各種膠結(jié)物和不同孔隙類型面孔率；同時(shí)結(jié)合花上段埋藏史和已建立的不同巖相砂巖成巖演化序列,通過(guò)“反演回剝”法逐步恢復(fù)巖相約束下的儲(chǔ)層孔隙演化過(guò)程,以期能更直觀地評(píng)價(jià)不同成巖作用對(duì)砂巖孔隙度變化的影響。

砂巖原始孔隙度Ф0受控于顆粒的分選性,與顆粒粒度關(guān)系不大,可以利用未固結(jié)砂巖Ф0與砂巖分選系數(shù)S0的關(guān)系式來(lái)恢復(fù)不同巖相砂巖的原始孔隙度[39]:

Ф0=20.91+22.90/S0

(1)

研究區(qū)粒度分析資料表明,不同巖相砂巖分選系數(shù)S0相差較大,其中塊狀層理中-粗砂巖S0主要介于1.25～2.19,恢復(fù)的Ф0主要介于31.39%～39.25%,平均值為35.39%；礫質(zhì)砂巖S0主要介于1.88～2.95,恢復(fù)的Ф0主要介于28.68%～33.06%,平均值為31.31%；平行層理中-細(xì)砂巖S0主要介于1.40～2.13,恢復(fù)的Ф0主要介于31.66%～37.22%,平均值為34.81%；泥礫質(zhì)砂巖S0主要介于1.96～3.14,恢復(fù)的Ф0主要介于27.95%～32.67%,平均值為30.50%。

結(jié)合研究區(qū)埋藏演化史以及已建立的成巖演化序列(圖8,圖9),從砂巖經(jīng)歷的最后一期成巖作用開(kāi)始回剝,逐步恢復(fù)壓實(shí)作用之后不同成巖作用開(kāi)始或結(jié)束時(shí)的孔隙面貌。根據(jù)前文分析,可以把不同巖相砂巖孔隙演化過(guò)程分為以下幾個(gè)階段:緩慢沉降階段的早期壓實(shí)減孔和早期方解石和綠泥石膠結(jié)減孔；快速沉降至構(gòu)造抬升階段的長(zhǎng)石、巖屑溶蝕增孔和高嶺石膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)減孔，穩(wěn)定沉降階段的晚期含鐵方解石,伊利石膠結(jié)和充填綠泥石膠結(jié)減孔。依據(jù)前人提出的不同成巖作用對(duì)砂巖孔隙度改造的相關(guān)公式[18,27],定量計(jì)算不同巖相砂巖的孔隙演化特征(圖10):壓實(shí)作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度降低最主要的因素,塊狀層理中-粗砂巖、礫質(zhì)砂巖、平行層理中-細(xì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖(以下均按此順序分析)早期壓實(shí)減孔分別為22.47%,22.58%,23.24%和24.33%,壓實(shí)減孔率分別為63.50%,64.87%,74.22%和79.78%；膠結(jié)作用使儲(chǔ)層物性進(jìn)一步變差,早期方解石和綠泥石膠結(jié)減孔分別為0.47%,0.34%,0.3%和0.26%,中期伴隨溶蝕時(shí)高嶺石和硅質(zhì)膠結(jié)減孔分別為3.38%,2.19%,3.8%和0.6%,晚期含鐵方解石、伊利石和充填綠泥石膠結(jié)減孔分別為4.03%,4.58%,1.6%和2.72%,總的膠結(jié)減孔率分別為22.27%,20.43%,18.21%和11.74%；溶蝕作用在一定程度上改善儲(chǔ)層物性,中期長(zhǎng)石和不穩(wěn)定巖屑溶蝕增孔分別為4.24%,3.37%,3.26%和1.29%,溶蝕增孔率分別為11.99%,9.69%,10.41%和4.24%。不同巖相砂巖孔隙演化過(guò)程存在明顯的差異性,在經(jīng)歷復(fù)雜的埋藏演化過(guò)程中,塊狀層理中-粗砂巖原生孔隙得以保存的同時(shí)又能促進(jìn)溶蝕作用的進(jìn)行,形成原生孔隙和次生孔隙都較為發(fā)育的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層；平行層理中-細(xì)砂巖由于差異壓實(shí)作用,在一定深度范圍內(nèi)能夠形成局部孔隙帶發(fā)育的次一級(jí)“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層；而礫質(zhì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖在埋藏過(guò)程較早進(jìn)入致密化階段,孔隙難以保存,形成非“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。

6 結(jié)論

1) 研究區(qū)花港組主要發(fā)育的辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積,按照粒度、成分和沉積構(gòu)造特征可以劃分出4類主要巖相類型:塊狀層理中-粗砂巖、礫質(zhì)砂巖、平行層理中-細(xì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖。其中塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖石英含量相對(duì)較高,粘土含量相對(duì)較低；平行層理中-細(xì)砂巖和泥礫質(zhì)砂巖石英含量相對(duì)較低,粘土含量相對(duì)較高。

2) 研究區(qū)花港組砂巖儲(chǔ)層總體處于中成巖B期,成巖演化序列如下:早期機(jī)械壓實(shí)(點(diǎn)接觸為主)—早期綠泥石膠結(jié)—早期方解石膠結(jié)—機(jī)械壓實(shí)(線接觸為主,部分壓溶)—少量硅質(zhì)膠結(jié)—強(qiáng)烈壓溶/有機(jī)酸溶蝕—大量硅質(zhì)膠結(jié)/少量高嶺石—蒙脫石伊利石化/高嶺石伊利石化/晚期綠泥石膠結(jié)—少量硅質(zhì)溶蝕/含鐵方解石膠結(jié)。研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層雖然都經(jīng)歷了上述主要成巖作用類型,但由于砂巖原始組構(gòu)的差異性,不同巖相砂巖所經(jīng)歷的成巖作用序列和成巖作用強(qiáng)度上有所不同。

3) 塊狀層理中-粗砂巖和礫質(zhì)砂巖剛性石英含量較高,粘土含量較低,膠結(jié)物類型以薄層綠泥石和硅質(zhì)膠結(jié)為主,前者經(jīng)歷的成巖作用較為完全,埋藏后期仍然發(fā)育有一定的原生孔隙和次生溶孔,容易形成較好儲(chǔ)層；但后者常常因?yàn)榉诌x性較差,最終易形成壓實(shí)緊密,硅質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)烈的致密儲(chǔ)層。平行層理中-細(xì)砂巖剛性石英含量較低,粘土雜基較高,膠結(jié)物類型以厚層綠泥石、伊蒙混層和伊利石相伴生為主,由于沉積分異作用,碎屑顆粒常呈層狀定向排列,埋藏后期細(xì)粒層部分壓實(shí)致密,粗粒層部分保留有塊狀層理砂巖性質(zhì),發(fā)育局部孔隙帶,形成次一級(jí)儲(chǔ)層。泥礫質(zhì)砂巖塑性泥巖撕裂屑含量較高,同時(shí)混雜有大量泥質(zhì)雜基,在埋藏早期就已經(jīng)壓實(shí)致密,各類孔隙均不發(fā)育,基本為非儲(chǔ)層。