東濮凹陷潛山致密砂巖儲(chǔ)層成巖演化特征

高航

（河南省濮陽縣自然資源局，河南 濮陽 457100）

0 引言

碎屑巖儲(chǔ)層成巖演化特征與含油氣盆地勘探開發(fā)緊密相關(guān)，近年來在石油地質(zhì)研究領(lǐng)域受到日益廣泛的關(guān)注［1-5］。成巖作用在儲(chǔ)層形成發(fā)育過程中是重要的控制因素，直接影響著儲(chǔ)層孔隙的演化趨勢(shì)。國內(nèi)外學(xué)者在成巖作用及孔隙演化過程方面已經(jīng)開展了大量研究工作［6-11］。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，致密砂巖儲(chǔ)層具有低孔特低滲特點(diǎn)，成巖作用更為強(qiáng)烈，物性演化過程和有效儲(chǔ)層成因非常復(fù)雜［12-15］，因此，定量評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層成巖作用對(duì)孔隙演化過程的影響具有重要意義［16-18］。從鉆探資料來看，東濮凹陷上古生界潛山具有巨大的勘探潛力和廣闊的勘探空間，但油氣藏埋藏深，勘探成本高，難度大，對(duì)有效儲(chǔ)層成巖過程中孔隙的演化模式和孔隙定量演化表征的研究較為缺乏。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，利用鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡、包裹體測(cè)溫及X衍射分析等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)東濮凹陷上古生界潛山致密砂巖儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征、成巖作用及其對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化規(guī)律的影響進(jìn)行了研究，明確了研究區(qū)目的層的成巖特征與孔隙演化規(guī)律，以期為研究區(qū)致密砂巖油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東濮凹陷是我國環(huán)渤海灣斷陷盆地群中富含鹽、油氣的沉積盆地，地處盆地群西南緣，橫跨河南、山東兩省，面積約 5 400 km2［19-20］。東濮凹陷上古生界縱向上主要發(fā)育上石炭系和二疊系海陸交互相、含煤地層和陸相碎屑巖地層，包括太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，含煤地層主要在太原組和山西組發(fā)育。太原組發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地相和碎屑濱岸沉積，以海相沉積為主；山西組和下石盒子組發(fā)育三角洲沉積，為海陸過渡相；上石盒子組和石千峰組主要發(fā)育以河流沉積體系為主的陸相沉積體系［21-22］。東濮凹陷上古生界儲(chǔ)層經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的成巖演化階段，形成了當(dāng)前典型的低孔低滲特征。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石類型及組分特征

東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層巖石類型以細(xì)粒長石巖屑砂巖為主，含少量巖屑長石砂巖和巖屑砂巖。石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%～80%，平均52.2%；長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～41%，平均20.3%；巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%～94%，平均27.5%。砂巖中巖屑成分主要為變質(zhì)巖巖屑和火成巖巖屑。變質(zhì)巖巖屑主要為石英巖，火成巖巖屑主要為酸性噴出巖，見少量沉積巖巖屑和內(nèi)碎屑。分選性較好，成分成熟度在1.0～1.6。填隙物以泥質(zhì)、石灰質(zhì)、白云質(zhì)為主，局部見少量硅質(zhì)及菱鐵礦膠結(jié)；縱向上，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)自太原組至石千峰組逐漸增加，碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少。

2.2 物性特征

上古生界儲(chǔ)層孔隙度0.2%～9.8%，平均3.9%，79.3%的樣品孔隙度分布在6.0%以下；滲透率1.64×10-6～7.22×10-3μm2，平均 0.283×10-3μm2，93.4%的樣品滲透率低于0.50×10-3μm2。致密砂巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)致密，物性差，依據(jù)SY/T 6285—1997《中國石油天然氣行業(yè)儲(chǔ)層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［23］，研究區(qū)屬于特低孔—超低孔、超低滲—非滲透儲(chǔ)層。

2.3 孔隙類型

東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型豐富，縱向分帶明顯，發(fā)育3個(gè)孔隙帶：1）原生孔隙發(fā)育帶，以原生殘余粒間孔隙為主（見圖1a），主要分布在石千峰組；2）次生孔隙發(fā)育帶，以次生溶蝕孔和次生晶間孔為主（見圖1b—1d），主要分布在上、下石盒子組；3）含煤地層山西組—太原組為微裂縫發(fā)育帶，受強(qiáng)壓實(shí)作用影響，構(gòu)造微裂縫發(fā)育（見圖1e，1f）。

圖1 東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層孔隙類型

3 儲(chǔ)層成巖作用特征

運(yùn)用鑄體薄片、掃描電鏡等方法對(duì)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷的成巖作用進(jìn)行定性分析，結(jié)果顯示，東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的成巖作用，主要包括壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕和交代作用。

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用作為主要的成巖作用，貫穿儲(chǔ)層演化的整個(gè)過程。隨著埋深的增加，壓實(shí)作用變強(qiáng)。深層的山西組—太原組壓實(shí)作用最強(qiáng)，以線接觸為主，具定向性排列，部分塑性顆粒受壓變形；石千峰組—上石盒子組以點(diǎn)-線接觸為主，石千峰組部分為點(diǎn)接觸，壓實(shí)作用逐漸變?nèi)酢簩?shí)作用雖然是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的主要因素，但是對(duì)后期儲(chǔ)層裂縫的產(chǎn)生也起到一定積極作用（見圖 2a，2b）。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是造成儲(chǔ)層孔隙損失的重要因素，同時(shí)對(duì)孔隙也有一定的建設(shè)性作用。上古生界膠結(jié)作用以泥質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)為主，局部井段見少量硅質(zhì)、石膏、黃鐵礦等膠結(jié)物。

石千峰組多見同沉積期泥質(zhì)轉(zhuǎn)化形成的綠泥石膜。一方面充填了孔隙，阻塞了部分喉道；另一方面也抑制了石英次生加大，起到部分抗壓實(shí)作用，保護(hù)了部分原始孔隙。上、下石盒子組多見高嶺石及伊利石膠結(jié)，黏土礦物膠結(jié)占據(jù)了部分粒間孔隙，破壞了原始孔隙結(jié)構(gòu)，也阻止了晚期碳酸鹽膠結(jié)作用，保留了晶間微孔隙。山西組—太原組以晚期碳酸鹽膠結(jié)作用為主，是儲(chǔ)層致密的主要因素之一（見圖2c—2h）。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是改善上古生界儲(chǔ)層物性的主要作用。研究區(qū)以酸性溶蝕為主：1）同沉積期植物腐殖酸性水溶蝕主要發(fā)生在含煤地層的山西組—太原組；2）中成巖早期生排烴期的烴類充注有機(jī)酸溶蝕，主要發(fā)生在上、下石盒子組，表現(xiàn)為早期方解石膠結(jié)及長石溶蝕。堿性溶蝕作用少見，主要表現(xiàn)為上石盒子組局部自生高嶺石溶蝕（見圖 2i—2k）。

3.4 交代作用

交代作用較弱，主要見于太原組，表現(xiàn)為鐵方解石、鐵白云石交代長石顆粒（見圖2l）。

圖2 東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層特征成巖作用

4 成巖階段及孔隙演化

4.1 成巖階段劃分

石千峰組和上、下石盒子組均一溫度主要分布在85～140℃，太原組主要分布在140～175℃。根據(jù)SY/T 5477—2003《碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)》［24］，認(rèn)為上古生界經(jīng)歷了早成巖期，目前處于中成巖A期，與鏡質(zhì)組反射率 Ro（0.9%～1.3%）及伊/蒙混層（I/S）中蒙皂石質(zhì)量分?jǐn)?shù)（15%～50%）指示的成巖階段一致。

4.2 成巖演化序列

對(duì)上古生界致密砂巖儲(chǔ)層不同沉積背景及典型成巖作用分析后認(rèn)為，東濮凹陷上古生界具有2種不同的成巖環(huán)境：1）石千峰組和上、下石盒子組是三角洲平原-前緣沉積背景下的非含煤地層，為堿性成巖環(huán)境；2）山西組和太原組為潮坪-沼澤亞相沉積背景下的含煤地層，為酸性成巖環(huán)境。結(jié)合研究區(qū)上古生界致密砂巖儲(chǔ)層埋藏?zé)嵫莼罚ㄒ妶D3），通過包裹體測(cè)溫、掃描電鏡、陰極發(fā)光等手段可確定成巖作用的先后順序。

圖3 東濮凹陷上古生界致密砂巖儲(chǔ)層孔隙演化模式

非含煤地層以石千峰組為例，其成巖演化序列為上古生界沉積期機(jī)械壓實(shí)—綠泥石等黏土礦物膠結(jié)—古近紀(jì)方解石膠結(jié)—古近紀(jì)埋藏壓實(shí)—強(qiáng)生烴區(qū)酸性溶蝕/弱生烴區(qū)晚期碳酸鹽膠結(jié)（見圖4a—4d）。含煤地層的山西組—太原組以酸性成巖環(huán)境為主，經(jīng)歷了同沉積期堿性環(huán)境、含煤地層早期腐殖酸溶蝕酸性環(huán)境及后期堿性成巖環(huán)境。分析成巖作用先后順序認(rèn)為，成巖演化序列為上古生界同沉積期方解石膠結(jié)—同生成巖期方解石、長石腐殖酸溶蝕—上古生界沉積期機(jī)械壓實(shí)—古近紀(jì)埋藏二次壓實(shí)—生排烴有機(jī)酸二次溶蝕—晚期碳酸鹽膠結(jié)（強(qiáng)）（見圖4e—4h）。

圖4 東濮凹陷上古生界成巖演化過程中的典型成巖現(xiàn)象

4.3 孔隙演化

研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層成巖演化過程復(fù)雜，以“反演回剝法”為基礎(chǔ)，參考前人研究成果［25-27］，建立了適用于研究區(qū)不同成巖階段孔隙度的計(jì)算方法（見表1），定量恢復(fù)了2種成巖類型儲(chǔ)層的孔隙演化過程。

表1 東濮上古生界儲(chǔ)層不同成巖階段砂巖孔隙度計(jì)算方法

恢復(fù)結(jié)果表明：1）石千峰組—上石盒子組非含煤地層早期黏土礦物膠結(jié)損失孔隙度3.50百分點(diǎn)，方解石膠結(jié)作用發(fā)生在古近紀(jì)淺埋藏期，損失孔隙度6.92百分點(diǎn)，在晚期受中生界烴源巖排烴有機(jī)酸溶蝕作用，增加孔隙度3.90百分點(diǎn)；2）山西組—太原組含煤地層早期方解石沉淀發(fā)生在同沉積期，早成巖階段就被植物腐殖酸溶蝕，在古近紀(jì)埋藏壓實(shí)過程中，抗壓實(shí)能力弱，晚期碳酸鹽膠結(jié)損失孔隙度5.70百分點(diǎn)。石千峰組—上石盒子組非含煤地層壓實(shí)損失的孔隙度比含煤地層壓實(shí)損失的孔隙度低4.78百分點(diǎn)。

綜合分析埋藏?zé)嵫莼芳俺蓭r過程，認(rèn)為石千峰組—上石盒子組非含煤地層孔隙演化過程為：上古生界沉積期機(jī)械壓實(shí)（孔隙度損失14.15百分點(diǎn)）—綠泥石等黏土礦物沉淀（孔隙度損失3.50百分點(diǎn)）—古近紀(jì)方解石膠結(jié)（孔隙度損失6.92百分點(diǎn)）—古近紀(jì)埋藏壓實(shí)（孔隙度損失7.07百分點(diǎn)）—排烴期酸性溶蝕（孔隙度增加3.90百分點(diǎn)）—晚期碳酸鹽膠結(jié) （孔隙度損失0.50百分點(diǎn)）（見圖3a）。山西組—太原組含煤地層孔隙演化過程為：上古生界同沉積期泥晶方解石膠結(jié)（孔隙度損失5.90百分點(diǎn)）—上古生界沉積期機(jī)械壓實(shí)（孔隙度損失20.30百分點(diǎn)）—長石、早期方解石溶蝕（孔隙度增加8.10百分點(diǎn)）—古近紀(jì)壓實(shí)（孔隙度損失5.70百分點(diǎn)）—晚期碳酸鹽膠結(jié)（孔隙度損失5.70百分點(diǎn)）（見圖3b）。

5 結(jié)論

1）東濮凹陷上古生界巖性以細(xì)粒長石巖屑砂巖為主，整體分選性一般。慶古3井儲(chǔ)層平均孔隙度3.9%，平均滲透率0.28×10-3μm2，為典型的低孔低滲儲(chǔ)層，孔隙類型以原生殘余粒間孔和次生溶蝕孔為主，底部太原組見微裂縫發(fā)育。

2）東濮凹陷上古生界成巖作用類型豐富，成巖演化階段整體處于中成巖A期。石千峰組—上石盒子組非含煤儲(chǔ)層具有早膠結(jié)、晚溶蝕的特點(diǎn)，發(fā)育次生孔隙；山西組—太原組含煤儲(chǔ)層具有早溶蝕、后壓實(shí)、晚膠結(jié)、儲(chǔ)層快速致密的特點(diǎn)。

3）古近系沉積前，東濮凹陷上古生界埋藏淺，喜山期構(gòu)造活動(dòng)造成古近系差異埋深，致使不同地區(qū)壓實(shí)作用差異。石千峰組—上石盒子組非含煤儲(chǔ)層早期方解石膠結(jié)增加了抗壓實(shí)能力，為后期溶蝕作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)，使得石千峰組—上石盒子組在3 500～4 800 m的深層孔隙度仍可大于8%，與上古生界二次生烴高峰深度匹配，在總體致密化背景下成為相對(duì)有利的油氣勘探目標(biāo)，具備較大的油氣勘探前景。