大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖演化

蘇妮娜，宋璠，邱隆偉，陳世悅，張娜

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大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖演化

蘇妮娜1, 2，宋璠1, 2，邱隆偉1, 2，陳世悅1, 2，張娜3

(1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東青島，266580；2. 海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島，266071；3. 中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安，710018)

綜合巖石薄片、掃描電鏡、陰極發光、流體包裹體及激光拉曼光譜等實驗技術，對大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖作用類型及特征進行研究，精細刻畫成巖作用活動期次，對儲層成巖演化過程進行階段劃分，探討儲層致密化過程與烴類流體多期充注的次序關系。研究結果表明：大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層以中砂巖為主，巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主；強壓實、強硅質膠結、堿性溶解是下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌，膠結作用是引起儲層致密化的主要原因，可細分出3期硅質膠結與2期鈣質膠結；儲層的成巖演化過程可依次劃分為快速壓實、酸堿交替、致密化和致密后4個階段，儲層成巖演化過程中存在3期含烴流體充注，含烴流體充注時間早于儲層完全致密化時期，儲層總體呈“先成藏—后致密”的特征。

成巖作用；成巖演化；致密砂巖儲層；下石盒子組；大牛地氣田

致密砂巖是一種重要的非常規油氣儲層[1]，致密砂巖氣藏幾乎存在于所有的含油氣區，氣藏儲量巨大，在我國具有重要的勘探與開發潛力[2?4]。致密砂巖儲層大都埋藏較深并且往往經歷了復雜的成巖作用過程，特別是對儲層孔隙保存不利的破壞性成巖作用造成儲層巖性致密、物性變差、非均質性強，進而導致氣藏分布復雜、預測難度大，大大影響了致密砂巖氣藏的勘探開發進程[5?7]。因此，研究致密砂巖儲層的地質特征、查明其氣藏的成因類型及分布規律已成為我國非常規油氣勘探的重要任務。鄂爾多斯盆地上古生界儲層經歷了漫長的地質演化，砂巖遭受了強烈的成巖作用，前人研究初步明確了大牛地氣田成巖作用類型主要包括降低儲層物性的機械壓實作用、膠結作用以及提高儲層物性的溶蝕作用、白云化作用及裂縫作用 等[8]，但對于成巖作用的活動期次以及儲層致密化過程解剖不夠精細。為此，本文作者選取大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層為研究對象，綜合大量儲層成巖作用及成巖環境研究手段，刻畫研究區儲層成巖作用特征，劃分成巖期次，剖析儲層的成巖演化歷程，分析成巖環境對儲層致密化及氣藏形成的影響，這對于尋找致密砂巖儲層次生孔隙發育帶及其氣藏的勘探開發具有重要的現實意義。

1 地質背景

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部，總面積約為2 000 km2(圖1)，鉆遇地層自上而下依次為第四系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系[9]，地層總厚度約為2.80 km。在石炭系太原組、二疊系山西組和下石盒子組中均發現了具有開采價值的致密砂巖氣藏，其中下石盒子組氣儲量最為富集，是該區的主力產氣層[10]。二疊系下石盒子組主要發育砂泥巖互層沉積，巖性以淺灰色、灰色含礫砂巖、粗砂巖及中—細砂巖、棕褐及灰綠色泥巖為主，夾少量碳質泥巖、煤層及凝灰巖。自下而上可分為3個大的正旋回，分別對應于盒1、盒2、盒3段，整體具有北粗南細、北薄南厚的特點。前人研究認為下石盒子組發育辮狀河三角洲前緣—辮狀河三角洲平原沉積體系。

圖1 研究區構造位置

2 儲層巖石學特征

大牛地氣田下石盒子組碎屑巖儲集層厚度約 200 m，為一套砂泥巖互層沉積。薄片鑒定資料和粒度分析資料統計表明：中砂巖為下石盒子組致密氣藏的主力儲層，其次為粗砂巖和細砂巖，含少量含礫粗砂巖、礫巖和粉砂巖。巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主，含少量長石巖屑砂巖和石英砂巖(圖2)。砂巖碎屑成分中，碎屑顆粒質量分數平均為85.42%，其中石英、長石和巖屑的平均質量分數分別為71.30%，3.10%和25.60%，整體上成分成熟度較低；填隙物質量分數平均為14.58%，其中雜基主要為泥質，平均質量分數為9.98%，膠結物主要為方解石、石英和少量的高嶺石和綠泥石。巖石為顆粒支撐，孔隙式膠結，顆粒間以點—線接觸、線接觸為主。碎屑顆粒分選中等，磨圓度主要為次棱角狀，部分為次棱角—次圓狀，總體上儲層巖石顆粒結構成熟度中等。

圖2 大牛地氣田下石盒子組巖石組分特征

3 成巖作用類型及特征

綜合利用薄片觀察、掃描電鏡、陰極發光等實驗技術，對大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層成巖作用類型及特征進行綜合研究，精細刻畫了成巖作用活動期次，進一步明晰成巖作用活動過程及其對儲層質量的影響。

3.1 壓實作用

研究區壓實作用主要表現為機械壓實作用，壓溶作用少見，這與該區砂巖巖屑質量分數較高有關。由于埋藏較深，研究區壓實作用普遍且強度較大，常見碎屑顆粒主要呈線狀接觸，部分呈鑲嵌式接觸(見圖3(a))，云母等塑性礦物壓彎變形以及剛性顆粒壓實破裂形成微裂縫(見圖3(b))。碎屑組分類型是影響砂巖壓實作用的重要因素，研究區石英、鉀長石等剛性組分質量分數較高，具有一定抗壓能力，因此，可以保留少量原生孔隙。然而，儲層中泥質質量分數較高，抗壓能力相對較差的黏土巖和泥質粉砂巖質量分數較多，導致壓實過程中原生孔隙數量急劇減少，是造成低孔低滲致密砂巖儲層的重要因素[11]。

(a) 顆粒鑲嵌接觸，大11井，2 604.38 m，正交光；(b) 壓裂縫，大14井，2 694.54 m，單偏光；(c) Ⅰ期石英加大邊，大15井，2 575.41 m，正交光；(d) Ⅱ期石英加大邊，大15井，2 581.85 m，正交光；(e) 暗棕色Ⅱ期石英加大邊，DK13井，2 658.19 m，陰極發光；(f) 多期石英加大邊，大8井，2 749.95 m，正交光；(g) 多期鈣質膠結，大33井，2 593 m，陰極發光；(h) 石英加大邊被溶蝕，大8井，2 749.95 m，單偏光

3.2 膠結作用

本次研究對大牛地氣田致密砂巖儲層的膠結作用進行了精細刻畫，劃分其形成期次。研究結果表明，研究區存在硅質膠結、碳酸鹽膠結及少量黏土礦物膠結作用，其中硅質和碳酸鹽膠結是大牛地氣田下石盒子組存在的主要膠結作用方式，石英加大與方解石膠結均存在明顯的多期次特征。

3.2.1 硅質膠結

薄片觀察表明研究區硅質膠結作用十分普遍且顯著，硅質膠結物主要以2種形式存在：石英次生加大和分布于粒間的自形石英微晶。鏡下觀察明顯可以識別出3期石英加大邊：第Ⅰ期石英加大邊多發育于石英顆粒某一側，寬度較小(＜0.02 mm)，部分可見自形晶面，數量較少，溶蝕現象明顯(圖3(c))，通過對加大邊內包裹體進行均一溫度測定，結果為78 ℃；第Ⅱ期石英加大邊不均勻環繞石英顆粒，發育自形晶面，加大邊寬度較大(圖3(d))，含有一定量的包裹體，陰極發光呈暗棕色(圖3(e))，包裹體均一溫度為91.6 ℃，在本區發育數量最多；第Ⅲ期石英加大邊多呈鑲嵌狀與縫合線狀接觸，鏡下可見清晰的2期塵線(圖3(f))，加大邊幾乎占據了所有的剩余粒間孔隙，寬度多大于0.05 mm，自形晶面基本消失，包裹體均一溫度為112.4 ℃，本區發育較多。

3.2.2 鈣質膠結

研究區鈣質膠結物種類主要有方解石、白云石等早期碳酸鹽膠結物以及鐵方解石、鐵白云石等晚期碳酸鹽膠結物。借助陰極發光實驗，在大牛地氣田下石盒子組砂巖儲層中識別出2期方解石膠結：第Ⅰ期膠結主要為方解石膠結粒間孔隙，有少量白云石，常呈薄膜狀繞孔隙分布，質量分數較少，陰極發光呈暗黃色；第Ⅱ期膠結主要為方解石、鐵方解石充填粒間孔隙，質量分數高，分布普遍，由于鐵離子質量分數較高，陰極發光顏色較亮，一般呈亮黃色，與早期膠結物區別明顯(圖3(g))。

3.3 溶解作用

溶解作用是儲層中重要的一種改善儲集物性的成巖作用，按成因可以分為酸性溶解、堿性溶解、酸 性—堿性交替溶解等。在酸性介質條件下，巖屑、長石骨架顆粒以及碳酸鹽膠結物溶蝕作用較強，易形成高嶺石、自生石英、石英加大邊等溶解產物；在堿性介質條件下，易導致石英溶解，能造成堿性礦物的膠結，如方解石及綠泥石的形成。研究區整體溶蝕現象不明顯，主要表現為石英加大邊的溶蝕以及部分石英顆粒內部的溶蝕，鏡下多見石英顆粒邊緣溶蝕呈港灣狀(圖3(h))，進一步表明研究區存在堿性流體活動。溶解作用是決定儲層發育的關鍵因素，碎屑顆粒及填隙物溶解形成的次生孔隙可以大大改善致密砂巖的儲層物性[12?13]?？傮w看來，強壓實、強硅質膠結、堿性溶解是大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌。

4 成巖演化序列

在成巖作用特征研究基礎上，結合流體包裹體、激光拉曼光譜等實驗技術以及大牛地氣田埋藏熱演化史，精細刻畫了研究區致密砂巖儲層的成巖序列，將成巖演化過程按時間次序依次劃分為快速壓實、酸堿交替、致密化和致密后4個階段(圖4)，在此基礎上，探討儲層致密化過程與烴類流體多期充注的次序關系。

圖4 大牛地氣田埋藏熱演化史及成巖演化階段

4.1 快速壓實成巖階段

該階段處于沉積物埋藏成巖早期，成巖事件以強壓實為主，大致對應深度小于2.3 km，溫度小于90 ℃。根據成巖礦物的共生組合關系，確定出該階段成巖礦物由早到晚形成的相對順序為早期方解石、泥晶菱鐵礦—綠泥石薄膜—石英Ⅰ期加大。其中早期方解石含鐵離子較少，陰極發光呈暗黃色，主要分布于孔隙邊部，后期有被溶蝕的現象。該階段方解石的沉淀作用主要與(鋁)硅酸鹽礦物的水化作用有關，水化作用的結果使成巖作用早期的孔隙流體pH由中性或中偏堿性向堿性轉變，并提供各種金屬離子，除早期連生方解石的物質來源與之有關以外，水化作用也為同生—早成巖階段菱鐵礦的形成提供了物質來源(圖5(a)和5(b))。綠泥石薄膜主要分布于剩余粒間孔邊緣，鏡下觀察表明其形成早于石英Ⅰ期加大(圖5(c)和5(d))，綠泥石環邊不僅保護了原生粒間孔隙，同時也保護了由溶解作用形成的次生孔隙。然而，綠泥石薄膜并未能阻止石英生長，研究表明綠泥石薄膜必須達到一定的厚度才能對石英加大起抑制作用[14?15]，因此，在綠泥石薄膜不發育的地方，石英加大通常為Ⅲ級。激光拉曼光譜實驗顯示石英Ⅰ期加大邊內包裹體無有機組分(圖6(a))，表明石英Ⅰ期加大邊形成時本區尚未進入烴成熟分解階段，即沒有發生烴組分的運移。從上述特征可以看出：石英Ⅰ期加大邊屬于早成巖階段B期的成巖壓實作用階段產物，由原巖中的石英壓溶而成。

4.2 酸堿交替成巖階段

酸堿交替成巖階段對應深度范圍為2.3~2.8 km，溫度為90~110 ℃，成巖環境經歷了酸—堿—酸—堿的復雜演化過程。該階段是大牛地氣田致密砂巖儲層次生孔隙形成的主要階段。根據成巖礦物的共生組合關系與典型的成巖現象，可以將該階段成巖演化總結為如下過程：第1酸性階段(長石、巖屑溶解至早期高嶺石膠結)—第1堿性階段(石英溶解、高嶺石溶解與轉化)—第2酸性階段(石英Ⅱ期加大與自生石英形成、晚期高嶺石膠結)—第2堿性階段(石英再次溶解、Ⅱ期含鐵)—鐵方解石膠結。該階段石英Ⅱ期加大與Ⅱ期含鐵?鐵方解石膠結物中均捕獲了一定數量的流體包裹體，其中存在部分弱熒光顯示的氣烴包裹體，指示該階段存在兩期含烴流體充注。對包裹體進行均一溫度及拉曼光譜成分測定，結果表明石英Ⅱ期加大邊內包裹體均一溫度平均為91.6 ℃，鹽度平均為5.5%，無機組分主要為SO2，CO2和CO等，有機組分以C6H6為主(圖6(b))；Ⅱ期含鐵—鐵方解石膠結物內包裹體均一溫度平均為104.5 ℃，無機組分主要為Cl2，F2和CO2等，還普遍存在NH3，有機組分以CH4和C4H6為主(圖6(c))，表明Ⅱ期含鐵?鐵方解石膠結物內流體成分以酸性、堿性成分共存為特征。

(a) 早期方解石連晶膠結，大23井，2 593.3 m，單偏光；(b) 泥晶菱鐵礦充填孔隙，大8井，2 718 m，掃描電鏡；(c) 綠泥石薄膜與自生石英，大18井，2 595 m，單偏光；(d) 泥質與硅質膠結，大18井，2 595.7 m，單偏光；(e) 鐵方解石溶蝕形成粒內溶孔，大33井，2 593 m，單偏光；(f) 泥鐵質充填粒間孔隙，大25井，2 697.75 m，單偏光

(a) DK3井，2 665.7 m，H3-2；(b) 大4井，2 746.5 m，H3-1；(c) 大8井，2 749.95 m，H3-2；(d) DK18井，2 694.3 m，H3-1

4.3 致密化階段

研究區砂巖儲層經歷了快速壓實、酸堿交替成巖作用之后，進入致密化的最后階段。該階段的典型成巖現象為石英的Ⅲ期加大，強烈的硅質膠結幾乎完全占據了剩余粒間孔隙。包裹體測溫實驗顯示該階段存在一期流體充注，通過對Ⅲ期石英加大邊內的流體包裹體進行均一溫度及拉曼光譜成分測定，結果表明包裹體均一溫度平均為112.4 ℃，鹽度平均為6.2%，流體中無機組分、有機組分共存，包括CO2，SO2和C4H6等，其中以無機組分為主，有機組分相對較少(圖6(d))。由于含烴流體充注，該階段存在方解石、鐵方解石溶蝕現象(圖5(e))，但數量較少，對儲層物性改善作用并不明顯。另外，可見明顯的泥鐵質充填、交代碎屑顆粒與膠結物(圖5(f))。正是由于強烈的硅質膠結、泥鐵質膠結，砂巖儲層完全致密化。結合流體充注期次與典型成巖事件的先后次序，可以看出大牛地氣田儲層含烴流體充注時間早于完全致密化時期，總體呈“先成藏—后致密”的特征。

4.4 致密后階段

研究區上古生界儲層在成巖演化晚期，經歷了一定的構造抬升作用，地層壓力急劇降低，應力釋放后形成了很多規模相對較大的微裂縫。薄片統計裂縫長度主要大于1.0 mm，寬度大于20 μm，裂縫面孔率通常大于10%。此類裂縫的分布及切割關系無明顯規律，與常規構造、成巖作用形成的裂縫有明顯區別，裂縫內部基本無包裹體存在。

5 結論

1) 大牛地氣田下石盒子組致密砂巖儲層以中砂巖為主，巖石類型以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主，總體上巖石成分成熟度較低，結構成熟度中等。

2) 下石盒子組砂巖儲層主要經歷了壓實作用、膠結作用和溶解作用等成巖作用。壓實作用主要為機械壓實作用；膠結作用主要為硅質膠結和碳酸鹽膠結，可細分出3期硅質膠結與2期鈣質膠結，是引起儲層致密化的主要原因；溶解作用主要為石英加大邊及部分石英顆粒內部的溶蝕。強壓實、強硅質膠結、堿性溶解是下石盒子組致密砂巖儲層的總體成巖面貌。

3) 下石盒子組致密砂巖儲層的成巖演化過程按時間次序可劃分為快速壓實、酸堿交替、致密化和致密后4個階段。儲層成巖演化過程中存在3期含烴流體充注，含烴流體充注時間早于儲層完全致密化時期，儲層總體呈“先成藏—后致密”的特征。

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(編輯 陳燦華)

Diagenetic evolution of tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation from Daniudi gas field

SU Nina1, 2, SONG Fan1, 2, QIU Longwei1, 2, CHEN Shiyue1, 2, ZHANG Na3

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China;3. Exploration and Development Research Institute of Changqing Oilfield Company, Petro China, Xi’an 710018, China)

The diagenesis types and characteristics of the tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation from Daniudi gas field were studied by means of many experimental technologies, such as chip observation, scanning electron microscope, cathodoluminescence, fluid inclusions, laser raman spectroscopy and so on. The diagenesis activity times and diagenetic evolution process were divided. The order relationship between the reservoir densification process and multiphase hydrocarbon fluid filling was discussed. The results show that the sandstone reservoir of lower Shihezi formation is mainly medium sandstone and the rock types are mainly lithic sandstone and lithic quartz sandstone. Strong compaction, strong siliceous cementation and alkaline dissolution are the general diagenetic features of the tight sandstone reservoir in lower Shihezi formation. Cementation can be subdivided into three periods of siliceous cementation and two periods of calcareous cementation, and cementation is the main cause of reservoir densification. Diagenetic evolution process of the reservoir can be divided into four stages, i.e., fast compact stage, acidic and alkaline alternate stage, intense cement stage and the late transform stage. Hydrocarbon fluid filling exists in the three stages of the diagenetic evolution process. The time of hydrocarbon fluid filling is earlier than the period of reservoir densification. Overall reservoir has the characteristics of “hydrocarbon accumulation comes first and then reservoir densification”.

diagenesis; diagenetic evolution; tight sandstone reservoir; lower Shihezi formation; Daniudi gas field

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.036

TE122

A

1672?7207(2016)10?3555?07

2015?10?15；

2015?12?21

山東省自然科學基金資助項目(ZR2011DL005)；國家科技重大專項(2011ZX05009-002)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(11CX04013A)(Project(ZR2011DL005) supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province; Project(2011ZX05009-002) supported by the National Science and Technology Major Project; Project(11CX04013A) supported by the Fundamental Research Funds for Central Universities)

蘇妮娜，博士，講師，從事沉積學、儲層地質學等研究；E-mail：sunina1981@163.com