渤南洼陷沙河街組四段下亞段成巖作用與儲層孔隙演化①

宋國奇 劉 鵬 劉雅利

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 山東青島 266580;2.中國石化勝利油田分公司 山東東營 257001;3.中國石化勝利油田分公司地質科學研究院 山東東營 257015)

我國各大油田中淺層的勘探和開發程度均已較高，穩產面臨一定困難，而國民經濟對石油資源的需求量日趨增大，故像渤南洼陷沙四下亞段這種深層的石油勘探日益成為備受關注的問題。深層油氣勘探的關鍵在于尋找有利儲集層，但由于埋深較大，深部儲集層的原生孔隙已所剩無幾，故次生孔隙的形成和演化逐漸成為研究熱點［1～5］，而成巖作用與次生孔隙的形成和演化又有著密不可分的關系，因此深部儲集層的成巖演化及其對孔隙演化產生何種影響是預測深部有利儲集層必須要開展的工作。前人對渤南洼陷淺層的成巖演化及孔隙發育情況的認識程度已較高［6，7］，但對深部儲集層成巖作用研究較少，已嚴重制約著對次生孔隙發育情況的認識，從而阻礙了勘探進展。因此，本文結合前人研究成果，利用大量分析化驗資料開展了渤南洼陷沙四下亞段成巖作用研究，并分析了成巖演化對次生孔隙形成的影響，預測了有利勘探區，研究結果不僅為渤南洼陷沙四下亞段的油氣勘探指出了方向，而且還為地質條件相似的盆地深層尋找有利勘探區提供了思路和方法。

1 區域地質概況

渤南洼陷為沾化凹陷中部的一個三級負向構造單元，為一北斷南超的箕狀洼陷，其北靠埕東凸起，南臨陳家莊凸起，西接義和莊凸起，東為孤島凸起，是濟陽坳陷古近系、新近系發育最全、沉積厚度最大、成藏條件最好的洼陷［8，9］。渤南洼陷鉆遇的基底由下往上為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系及下白堊統，洼陷內充填古近系的孔店組、沙河街組、東營組，新近系的館陶組、明化鎮組及第四系的平原組。本文研究的沙四下亞段地層厚度多在200～500 m，埋深普遍大于3 000 m，為干旱環境下形成的一套紅色地層，這一時期在洼陷南部邊緣以沖積扇為主，北部邊緣以扇三角洲為主，巖性主要為礫巖、砂礫巖夾薄層紅色泥巖，沖積扇前端發育辮狀河道，河道往北部深洼區綿延，發育廣泛的泛濫平原，多條河道在北部深洼區匯聚，形成小范圍湖盆，在河道入湖處又形成了辮狀河三角洲(圖1)。總體上，渤南洼陷沙四下亞段沉積期形成了一套干旱環境下的沖積體系。

圖1 渤南洼陷區域位置與沙四下亞段沉積體系展布圖Fig.1 The location and distribution of depositional systems of the lower section of Es4about Bonan sag

2 成巖作用類型

渤南洼陷沙四下亞段埋深較大，普遍在3 000 m以下，在漫長的地質歷史時期中經歷了多個成巖演化階段，現今普遍處于中成巖B期和晚成巖期［10］，同時也出現了多種成巖作用類型，主要有壓實作用、壓溶作用、膠結作用、溶蝕作用以及交代作用。

2.1 壓實、壓溶作用

渤南洼陷沙四下亞段儲集層埋藏較深，加之碎屑組份分選較差，因此具有成分成熟度、結構成熟度均較低但泥質雜基含量高的特點，故壓實、壓溶作用普遍存在，且特征明顯。偏光顯微鏡下觀察可見:泥巖巖屑、云母等塑性顆粒在壓實作用下發生塑性變形;碎屑顆粒緊密排列，顆粒之間呈線接觸、凹凸接觸甚至鑲嵌狀(圖2a);長石、石英等剛性顆粒在壓實作用下容易發生破碎、斷裂等。

壓實、壓溶作用使儲集層原生孔隙不斷減少，孔隙度降低，是該區儲集層物性變差的影響因素之一。渤南洼陷沙四下亞段儲集層對壓實作用產生重要影響的因素是埋深、方解石膠結及異常流體壓力的分布，一般情況下埋深越大壓實越強烈，但發育在碎屑顆粒之間的早期碳酸鹽巖膠結物可有效填充原生孔隙，對壓實作用有所抑制，且后期碳酸鹽巖膠結物發生溶蝕，對粒間孔隙的形成又有積極的意義，同時早期欠壓實和后期生烴作用形成的異常流體壓力都可有效阻止壓實作用的發生。

2.2 膠結作用

按膠結物的類型，渤南洼陷沙四下亞段儲集層的膠結作用包括碳酸鹽巖膠結、硅質膠結、黏土礦物膠結等多種類型。

圖2 渤南洼陷沙四下亞段成巖作用類型Fig.2 The diagenesis types of the lower section of Es4in Bonan sag

2.2.1 碳酸鹽巖膠結作用

研究區出現的碳酸鹽巖膠結物有方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石，在空間上分布廣泛。碳酸鹽膠結物可以形成于成巖作用的各個階段，不同的膠結物形成的時期有所不同，方解石膠結在區內最常見，鏡下可見方解石沉淀于顆粒的邊緣，呈襯邊狀、包殼狀(圖2b)，白云石則常呈菱形自形晶體充填在粒間孔隙中。在偏光顯微鏡下觀察碳酸鹽巖膠結物的分布位置及相互疊置關系可知，充填原生孔隙的方解石、鐵方解石形成較早，白云石形成較晚。

碳酸鹽巖膠結物在現今狀態下的垂向和平面上分布不均勻。垂向上，頂部地層和底部地層分別受早、晚期堿性成巖環境影響較強，因此頂部碳酸鹽巖膠結物以及底部鐵碳酸鹽膠結物含量較高;平面上，由于這一時期氣候干旱，形成的小型湖泊水體鹽度較高、堿性明顯，因此在成巖作用早期向湖盆方向碳酸鹽巖膠結作用逐漸增強，形成的膠結物充填粒間孔隙可有效阻止壓實作用，保存了大量原生孔隙，但由于有機酸通常經斷裂系統進入到儲集體中，因此現今狀態下斷裂較發育的洼陷中部地區碳酸鹽巖含量較低，而洼陷邊部碳酸鹽巖含量相對較高。

2.2.2 硅質膠結作用

渤南洼陷沙四下亞段儲集層硅質膠結的表現主要為石英次生加大，偏光顯微鏡下普遍可見石英次生加大現象(圖2c)。由于埋深較大，渤南洼陷主要以二、三級加大為主，石英次生加大部分會填充原生孔隙并導致原生孔隙度降低，除非有強堿性流體進入，否則被石英加大填滿的原生孔隙將很難再發生溶蝕作用，因而硅質膠結作用強烈的地區次生溶孔一般不發育，往往形成致密儲集層。此外，在研究中發現黏土雜基發育的井段石英的次生加大不發育;反之，石英次生加大發育的井段內黏土雜基不發育。分析認為:一方面黏土雜基的發育說明巖石成分成熟度較低，石英含量較低，從而石英加大現象就較少見;另一方面，高含量的黏土雜基充填粒間孔隙，有效抑制了石英次生加大邊的出現，盡管成巖演化階段中可能經歷了多重成巖環境，但黏土雜基中以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，當成巖環境變化時，伊利石、綠泥石和高嶺石之間相互轉化［11，12］，黏土雜基的總含量基本不變，還是充填粒間孔隙，因此石英次生加大邊沒有空間得以存在。

2.2.3 黏土礦物膠結作用

渤南洼陷沙四下亞段出現的黏土礦物膠結物主要有高嶺石、伊利石、綠泥石和伊蒙混層等。高嶺石一般呈假六邊形片狀、書頁狀或蠕蟲狀集合體充填孔隙(圖2d)，高嶺石膠結物的形成一般與長石的溶蝕作用有關，因此其高含量代表了酸性成巖環境，其在渤南洼陷主要分布于洼陷中心的斷裂帶處，說明斷裂帶處的儲集層受到酸性流體影響較強烈，有次生孔隙發育。伊利石一般呈絲發狀、片狀充填于粒間孔隙中或在粒表以膜狀分布，在垂向上其分布主要集中在研究層段頂部，在平面上圍繞洼陷邊緣分布，向湖盆方向含量有逐漸降低的趨勢，其高含量反映出堿性成巖環境，因此渤南洼陷沙四下亞段現今狀態下洼陷邊緣儲集體總體處于堿性成巖環境中，而洼陷中心儲集體則處于酸性成巖環境中。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用是次生孔隙形成的主要原因［13～16］，其有效的提高了儲集層的儲集性能。受物源區母巖性質和搬運距離的影響，渤南洼陷沉積的砂巖、砂礫巖多為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖，填隙物含量較高，原生孔隙較少，但是物性研究發現，在埋深大于3 500 m的深層中仍然有孔隙度近20%的儲集層存在，這很大程度上是后期的溶蝕作用造成的。渤南洼陷的溶蝕作用空間上主要分布在洼陷中部的斷裂帶上，發育的范圍較小，最常見的是長石被溶蝕為蠶食狀、殘余狀或港灣狀的次生孔隙，常形成粒內溶孔或鑄模孔;其次為巖屑和碳酸巖膠結物的溶蝕，碳酸鹽膠結物的溶蝕主要形成大量的粒間溶孔(圖2e)，巖屑溶解又可形成巖屑內溶孔，溶孔多為微孔，且多呈孤立狀，連通性差。

渤南洼陷沙四下亞段溶蝕作用的形成機制主要是成巖過程中有機質成熟產生的有機酸和二氧化碳所形成的酸性水使長石和巖屑等發生溶蝕，但由于沙四下亞段至今沒有發現有效烴源巖，其油氣主要來自上覆沙四上亞段烴源巖①宋國奇，劉雅利，程付啟，等.渤南孤北地區沙四段多儲集類型油藏富集規律［R］.東營:勝利油田地質科學研究院，2013:141-143，因此控制沙四下亞段儲集層發生溶蝕作用的有機酸應與沙四上亞段烴源巖的生排烴活動有關。分析認為:沙四上亞段的烴源巖在生排烴的過程中產生的大量有機酸在異常高壓的驅動下，以斷層為輸導進入到沙四下亞段儲集體中并發生溶蝕作用，因此沙四下亞段溶蝕作用較強烈的地區應分布在與沙四上亞段烴源巖對接且斷層發育的洼陷中心斷裂帶上，這也與沙四下亞段溶蝕作用的實際分布情況一致。

2.4 交代作用

渤南洼陷沙四下亞段的交代作用在空間上的分布很不均勻，主要以多層、薄層狀為特點，平面上延伸的規模也不大，而且主要以方解石對長石的交代為主，顆粒邊緣呈鋸齒狀或港灣狀，甚至可以完全交代碎屑顆粒形成方解石假象(圖2f)，交代作用是由一種礦物演變為另一種礦物，其對孔隙增大或減小的貢獻基本可忽略。

3 成巖模式及孔隙演化

3.1 成巖模式

渤南洼陷沙四下亞段沉積期干旱的氣候造就了多鹽少雨的沉積環境，在這種沉積環境下形成了沉積期偏堿性的湖泊水體［17～18］，因此渤南洼陷沙四下亞段在早期沉積到后期埋深小于2 600 m之前經歷的都是弱堿性成巖環境，這一過程為早成巖階段，機械壓實作用為主要成巖作用類型，顆粒之間由早期的不接觸-點接觸到中期的點-線接觸直到晚期的線接觸，儲集層的原生粒間孔不斷減少，已變得較為致密，同時弱堿性的成巖環境致使方解石膠結物出現和黏土雜基沉淀，進一步減少了粒間孔隙。

當渤南洼陷沙四下亞段儲集層埋深超過2 600 m時，上覆沙四上亞段烴源巖埋深超過2 200 m，進入到中成巖A期，有機質Ro大于0.5%并開始生烴，生排烴過程中產生了有機酸開始對沙四下亞段的儲集層產生影響。需要指出的是:沙四上亞段的有機酸對沙四下亞段儲集層的影響只局限在洼陷中心的斷裂帶，在這里沙四上亞段烴源巖厚度較大，生烴能力強，生烴增壓效應形成了異常高壓，同時斷裂體系發育，生烴過程中產生的有機酸在異常高壓的驅動下順斷層面進入到沙四下亞段儲集層中，因此烴源巖發育、異常高壓和斷裂體系是控制沙四上亞段有機酸能順利進入到沙四下亞段儲集層中的三個因素，三因素缺一不可，共同控制了渤南洼陷沙四下亞段只在洼陷中心的斷裂帶處發生了較強的溶蝕作用(圖3)。由于這一時期為沙四上亞段烴源巖初次生烴期，生排烴量不是很大，產生的有機酸數量有限，能進入到沙四下亞段地層中的有機酸更是稀少，因此只在洼陷中心斷裂帶處產生了微弱的溶蝕作用，并出現了石英次生加大現象，但在渤南洼陷的其它區域還是以弱堿性成巖環境為主，沒有發生溶蝕作用。

圖3 渤南洼陷沙四下亞段成巖模式圖Fig.3 The diagenetic model of the lower section of Es4in Bonan sag

當渤南洼陷沙四下亞段儲集層埋深超過3 700 m時，進入到中成巖B期，其上覆的沙四上亞段烴源巖開始大量生烴并產生了大量有機酸，有機酸優先進入與烴源巖橫向對接的沙四下亞段儲集層中，同時還在異常高壓的驅動下順斷層向下注入到下伏儲集層中。有機酸的大量注入，使得洼陷中心斷裂帶處的儲集層中早期碳酸鹽巖膠結物和長石發生溶蝕，形成大量粒間、粒內溶蝕孔。這一時期已達到機械壓實的末期，整個渤南洼陷顆粒呈凹凸接觸，并有裂縫出現，在洼陷中心斷裂帶處可見石英次生加大現象(圖3)。

隨著埋深的進一步增大，當超過5 000 m時已到晚成巖階段，這一時期整個渤南洼陷機械壓實作用都已停止，并由于不再受到有機酸影響，成巖環境逐漸向后期弱堿性轉變，鐵白云石膠結物出現，顆粒呈縫合線接觸，儲集空間以壓溶縫和構造裂縫為主。

圖4 渤南洼陷沙四下亞段儲集層成巖現象與孔隙演化圖Fig.4 The diagenetic phenomenon and evolution of porosity about reservoir of the lower section of Es4in Bonan sag

3.2 孔隙演化

此次研究首先在前期進行了大量的取樣和分析化驗，并根據分析所得的大量鏡下薄片資料對成巖作用及孔隙演化進行了定量分析，分析中只考慮了三種主要成巖作用對孔隙演化的影響，也既是壓實、膠結作用減少孔隙度，溶蝕作用增加孔隙度。

眾所周知，每個巖石樣品點的原始孔隙度(φ原始)可應用Sneider圖版通過顆粒的分選性進行估算得到，而現今孔隙度(φ現今)可由分析化驗所得，這也是孔隙演化定量研究的基礎。在得知了每個樣品點的原始孔隙度和現今孔隙度后，選取位于早成巖階段結束時所對應深度段附近的樣品點進行分析，此時基本無溶蝕作用發生，依據膠結物的含量可估算出膠結作用減少的孔隙度(φ早膠結)，由原始孔隙度減掉現今孔隙度再減掉膠結作用減少的孔隙度，即可得到由壓實作用減少的孔隙度(φ早壓實)，把所有樣品點數據進行平均后所得數值可以認為是早成巖階段壓實和膠結作用減少的孔隙度。然后，再選取位于中成巖A階段結束時所對應深度段附近的樣品點，根據早成巖階段孔隙演化的定量研究結果可估算出樣品點在中成巖 A期開始時的孔隙度(φ中A開始)，也既是“φ中A開始=φ原始-φ早膠結-φ早壓實”，然后通過鏡下觀察估計出每個樣品點的面孔率，把面孔率和現今孔隙度進行擬合可建立面孔率與現今孔隙度之間的關系，在此基礎上估計出由溶蝕作用產生的面孔率后可求取溶蝕作用增加的孔隙度(φ中A溶蝕)，由于中成巖A期酸性流體所溶蝕的主要為早期碳酸鹽巖膠結物，因此可根據溶蝕孔隙和現今膠結物的含量之和估算出成巖作用開始直到中成巖A期結束時膠結作用減少的孔隙度(φ膠結)，此數值減掉早成巖階段膠結作用減少孔隙度(φ早膠結)便可得中成巖A期膠結作用減少的孔隙度(φ中A膠結)，至此得知了中成巖A期溶蝕作用增加的孔隙度(φ中A溶蝕)和膠結作用減少的孔隙度(φ中A膠結)，再由樣品點中成巖A期開始時的孔隙度(φ中A開始)減掉現今孔隙度(φ現今)減掉膠結作用減少的孔隙度(φ中A膠結)，然后加上溶蝕作用增加的孔隙度(φ中A溶蝕)便可得到由壓實作用減少的孔隙度(φ中A壓實)，也既是“φ中A壓實=φ中A開始-φ現今-φ中A膠結+φ中A溶蝕”。根據這種思路便可以分別求出中成巖 B和晚成巖階段各成巖作用對孔隙演化的定量影響，需要指出的是在中成巖B及晚成巖階段酸性流體所溶蝕的不單是早期碳酸鹽巖膠結物，還有長石，因此研究中要在鏡下分別估計出膠結物溶蝕孔隙和長石溶蝕孔隙所占比例，只把膠結物溶蝕孔隙和膠結物含量相加才可準確得出膠結作用減少孔隙度。

由成巖模式研究可知渤南洼陷沙四下亞段在埋深較淺時一直為弱堿性成巖環境，成巖作用以機械壓實為主，有少量的膠結作用發生，依據成巖作用定量研究結果，其中壓實作用減少了19.71%的孔隙度，膠結作用減少了8.52%的孔隙度，孔隙空間類型以原生粒間孔為主(圖4)，孔隙度演化曲線呈正常壓實曲線(圖5);當埋深超過2 600 m時，上覆沙四上亞段烴源巖產生的有機酸開始進入到沙四下地層中，在洼陷中心的斷裂帶處發生溶蝕，溶蝕作用在有機酸注入的早期較微弱，成巖作用仍以機械壓實為主，壓實減孔達18.67%，同時溶蝕增加了5.23%的孔隙度，孔隙空間類型以殘余粒間孔為主，有少量粒間、粒內溶孔發育;伴隨著埋深的增大，沙四上亞段烴源巖生烴過程中產生的有機酸大量注入到沙四下地層中，分布在洼陷中心斷裂帶處的辮狀河道儲集體和辮狀河三角洲儲集體遭受了較強烈的溶蝕，這一時期溶蝕可增大8.58%的孔隙度，由于到達機械壓實末期，壓實作用只減少3.13%的孔隙度，從而形成了次生孔隙發育帶，這一階段殘余粒間孔已較少，孔隙空間類型以粒間、粒內溶蝕孔為主(圖4)。需要指出的是:由于溶蝕作用只在洼陷中心斷裂帶處較強烈，因此次生孔隙在平面上主要分布在斷裂帶處沉積的辮狀河道和辮狀河三角洲儲集體中，而在洼陷邊緣沉積的沖積扇和扇三角洲中不甚發育，從而洼陷邊緣儲集體的孔隙演化曲線呈現的是正常壓實曲線;垂向上，由于斷裂帶處沉積的辮狀河道和辮狀河三角洲埋深相對較大，因此次生孔隙主要集中在辮狀河道和辮狀河三角洲儲集體發育的3 200～4 600 m地層中(圖5)。

圖5 渤南洼陷沙四下亞段現今孔隙度分布Fig.5 The porosity distribution of the lower section of Es4in Bonan sag

4 成巖作用與有利勘探區帶關系

深層油氣勘探在于尋找次生孔隙發育的有利儲集層［19～21］，由上文研究可知渤南洼陷沙四下亞段次生孔隙較發育的儲集體集中在洼陷中心的斷裂帶處，這一點從發育次生孔隙井的位置也可得到證實(圖6)。究其原因，認為:洼陷中心的斷裂帶，其上覆沙四上亞段烴源巖厚度較大，且有異常高壓發育，同時還有大量的斷層溝通上、下地層，沙四上亞段烴源巖在生排烴過程中產生的有機酸在異常高壓驅動下順斷層進入到沙四下亞段中，使儲集體發生溶蝕作用從而形成次生孔隙。從而，在對控制次生孔隙發育的3因素進行綜合分析后認為:沙四下亞段有利勘探區應是在洼陷中心斷裂發育、上覆沙四上亞段地層中存在異常高壓和較厚烴源巖的區域(圖6)。

據2013年取得的最新勘探成果顯示:在渤南洼陷沙四下亞段發現的油氣主要集中在洼陷中部斷裂帶附近的辮狀河道及辮狀河三角洲砂體中，油氣沿斷裂帶呈東西向帶狀分布(圖6)。這一區域不但有多種類型儲集體，且上覆沙四上亞段異常壓力高、烴源巖厚度大、斷裂體系也較發育，具備研究區次生孔隙發育的3因素條件，因此形成了油氣聚集。實際取得的勘探成果不但驗證了次生孔隙發育的3因素條件，還指明了有利勘探區預測的方向，拋開已發現的含油面積，認為下一步的勘探區帶應是中西部的辮狀河道儲集體發育區以及北部辮狀河三角洲前緣儲集體發育區(圖6)。

圖6 渤南洼陷沙四下亞段有利勘探區預測Fig.6 The prediction of the favourable exploration areas of the lower section of Es4in Bonan sag

5 結論

(1)渤南洼陷沙四下亞段主要發育的成巖作用類型有壓實作用、壓溶作用、膠結作用、溶蝕作用和交代作用，沉積環境、埋深和有機酸共同控制各成巖作用的強度及分布。

(2)渤南洼陷沙四上亞段烴源巖厚度及其異常高壓分布和斷裂體系發育程度共同控制沙四下亞段不同區域的成巖演化模式，其中洼陷中心斷裂帶處的儲集體受有機酸影響經歷了堿酸交替的成巖環境，在3 200～4 600 m深度段形成了次生孔隙發育帶;而洼陷邊緣的儲集體經歷的一直是偏堿性成巖環境，孔隙演化呈現的是正常壓實曲線。

(3)渤南洼陷沙四下亞段有利勘探區應是在洼陷中心、斷裂發育、上覆沙四上亞段存在異常高壓和較厚烴源巖的區域，結合已發現含油范圍，認為下一步勘探方向應是中西部的辮狀河道儲集體發育區以及北部辮狀河三角洲前緣儲集體發育區。

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