楊楷樂,何勝林,楊朝強,王 猛,張瑞雪,任雙坡,趙曉博,姚光慶
(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057;2.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海口 570311;3.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠,湖北潛江 433124;4.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室,武漢 430074;5.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢 430074)
致密砂巖油氣作為國內外非常規油氣勘探開發領域的重點目標,在我國鄂爾多斯盆地、珠江口盆地、鶯歌海盆地、四川盆地、松遼盆地以及準噶爾盆地等多個含油氣盆地內廣泛分布[1-3]。近年來,鶯歌海盆地天然氣勘探在底辟波及帶LD 區中深層取得了重大突破。LD10-1-P/Q 井含氣顯示標志著鶯歌海盆地LD 區中深層勘探取得初步成功,LD10-1-R井黃二段試氣成功證實LD10 區高溫超壓、低孔、低滲儲層具有較大的勘探潛力。與國內大多數致密砂巖氣藏相比,鶯歌海盆地東部LD10 區中新統梅山組—黃流組致密砂巖氣藏兼具“三低”(低孔、低滲、低含氣飽和度)和“三高”(高溫、高壓、高CO2含量)特征。測試數據顯示,LD10 區梅山組—黃流組氣層具有典型的高溫、超壓特征,地層溫度超過180 ℃、壓力系數高達2.19~2.29[4]。試氣資料表明,氣藏中CO2含量較高,局部CO2體積分數超過70%。
盡管目前已在LD10 區取得了較好的勘探成效,且在重力流沉積體系研究方面取得了一系列成果[5-7],但對于高溫、超壓、高CO2環境下的流體-巖石相互作用特征及其對儲層形成與改造過程中的作用研究尚淺,對儲層的成巖演化過程及模式尚未形成共識。基于此,擬對鶯歌海盆地LD10 區梅山組—黃流組高溫、超壓、高CO2條件下的成巖作用特征展開研究,以期為進一步確定LD10 區中深層有利勘探區帶提供一定依據。
鶯歌海盆地位于南海西北部,總面積約11.3×104km2,呈北北西向紡錘狀展布,是始新世初期受印度板塊俯沖、青藏造山作用與南海海底擴張作用影響而形成的新生代轉換-伸展型含油氣盆地[8-9]。鶯歌海盆地包括中央坳陷、鶯東斜坡和鶯西斜坡3 個一級構造單元(圖1),其中中央坳陷又進一步劃分為河內凹陷、臨高凸起、中央凹陷和中央底辟帶4個二級構造單元。鶯歌海盆地具有劇烈沉降、快速充填、高溫超壓等特征,自新近紀以來,依次發育中新統三亞組、梅山組和黃流組,上新統鶯歌海組以及第四系樂東組地層。其中,三亞組—梅山組下部深灰色淺海相泥巖是研究區的主力烴源巖,生烴潛力大,烴源條件較好。梅山組—黃流組重力流水道、海底扇沉積體是研究區中深層最重要的儲層,也是研究區天然氣勘探的重點區塊,巖性以深灰色及灰色泥巖夾泥質粉砂巖和粉砂質泥巖為主,平均地溫梯度為3.95 ℃/100 m,平均壓力系數為1.96,具有典型的高溫超壓特征[10-12]。

圖1 鶯歌海盆地構造單元劃分(a)及研究區巖性地層綜合柱狀圖(b)(據文獻[13]修改)Fig.1 Tectonic units of Yinggehai Basin(a)and stratigraphic column of LD10 area(b)
本文主要針對鶯歌海盆地LD10-1,LD10-2區的新近系梅山組—黃流組儲層進行研究。LD10-1 區黃流組主要發育海底峽谷限制性重力流水道沉積[14];LD10-2 區梅山組—黃流組主要發育斜坡背景下的海底扇沉積,并受后期改造[5,7]。研究區梅山組—黃流組地層巖性以中砂巖、細砂巖為主,屬于低孔、低滲—特低滲儲層。
LD10-1-T 井整體以灰色砂巖為主,泥巖相對不發育,塊狀沉積構造最為發育(圖2a,2b),可觀察到典型的鮑瑪序列(圖2c)及無定向排列泥礫(圖2a,2d),指示典型的重力流成因。

圖2 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組重力流水道沉積構造特征Fig.2 Sedimentary structure of gravity channels of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
對研究區梅山組—黃流組儲層共計299 塊巖石薄片進行巖石成分統計分析,其中LD10-1 區僅有黃二段(5 個氣組)的巖石薄片樣品。根據Gar‐zanti[15-16]提出的砂巖分類方案,LD10 區巖石類型主要為長石巖屑石英砂巖,其次為長石石英砂巖,含有少量的巖屑長石石英砂巖(圖3)。

圖3 鶯歌海盆地LD10 區中新統砂巖組分三角圖Fig.3 Triangular diagram of Miocene sandstone composition in LD10 area,Yinggehai Basin
LD10-1 區陸源碎屑石英的體積分數平均為65.06%,長石體積分數為10.00%~24.86%,平均為14.15%,巖屑體積分數平均為20.79%;LD10-2 區陸源碎屑石英的體積分數平均為65.23%,長石體積分數為10.00%~24.78%,平均為15.15%,巖屑體積分數平均為19.62%;LD10-3 區陸源碎屑石英的體積分數平均為78.36%,長石體積分數為10.1%~21.5%,平均為12.3%,巖屑體積分數為6.40%~11.84%,平均為9.35%。砂巖碎屑顆粒分選性較差,磨圓度以次棱—次圓狀為主,顆粒之間以線接觸為主,顆粒間膠結類型主要表現為壓嵌式,巖石成分成熟度和結構成熟度中等。
鶯歌海盆地LD10-1 區及LD10-3 區以原生粒間孔隙為主,LD10-2 區次生孔隙相對發育,占比達57.08%,并以粒內溶孔及長石溶孔為主。LD10 區梅山組—黃流組儲層實測物性數據顯示,研究區儲層孔隙度平均為9.76%,滲透率平均為1.49 mD。其中LD10-1 區重力流水道儲層以中砂巖為主,巖心與壁心的實測孔隙度為1.97%~14.51%,平均為9.34%,滲透率為0.05~33.70 mD,平均為1.79 mD;LD10-2 區、LD10-3 區海底扇儲層壁心實測孔隙度為1.65%~17.51%,平均為10.32%,滲透率為0.05~26.38 mD,平均為1.09 mD。總體上研究區儲層以特低—低孔、特低滲特征為主。
機械壓實作用是鶯歌海盆地LD10 區砂巖儲層經歷的最重要的成巖作用之一,是造成儲集性能降低的主要原因。LD10 區儲層處于強超壓背景下[17],埋深達4 000 m 的儲層段仍可觀察到碎屑顆粒呈點—線接觸(圖4a),反映超壓在一定程度上抵御了機械壓實作用的進行,但機械壓實作用會隨埋藏深度增大而增強。隨著埋藏深度增大,碎屑顆粒之間的接觸關系也由點接觸過渡至線接觸再到凹凸接觸(圖4a,4b);云母等塑性礦物呈壓扁狀,發生彎曲變形(圖4c,4d),長石、石英等脆性礦物發生破裂、位移(圖4d);碎屑顆粒呈定向排列(圖4f)。以上信息均表明儲層經歷了較強的壓實作用。

圖4 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組壓實作用微觀照片Fig.4 Microscopic photos shows the compaction characteristics of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
3.2.1 碳酸鹽膠結
研究區碳酸鹽膠結物體積分數為0~46%,平均為7.48%,主要包括(鐵)方解石、(鐵)白云石和菱鐵礦。菱鐵礦作為研究區早期碳酸鹽巖膠結物[18-20],僅在研究區內部分海底扇儲層中被觀察到。
方解石多以充填粒間孔隙、交代碎屑顆粒邊緣的形式產出,多呈基底式膠結(圖5a,5b),鐵方解石分布較廣,含量相對較高,主要呈基底式膠結(圖5c—5e),形成于成巖中晚期。鐵白云石主要呈粉、細晶狀零星充填于孔隙中,產出較分散(圖5f—5h),且總體含量低(體積分數普遍低于5%),對儲層物性影響較小,形成于成巖中晚期,且與深部熱流體有關。當攜帶有機酸和CO2的高溫流體進入儲層后,使得部分長石及早期碳酸鹽礦物溶解,溶液中Fe2+含量升高,導致鐵白云石的沉淀。

圖5 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組膠結作用微觀照片Fig.5 Microscopic photos show cementation characteristics of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
使用Thermo Finnigan MAT253 氣體穩定同位素比質譜儀對研究區27 個樣品進行碳氧同位素分析。首先將巖心樣品制作成薄片并進行拋光處理,然后利用接收器采集質量數為45~47的離子,最后將所得離子的δ45 和δ46 值與標準樣品進行對比,并依據國際標準樣品Pee Dee belemite(PDB)標定δ13C 和δ18O 值。碳酸鹽膠結物碳氧同位素分析結果顯示,δ13C 值為-5.58‰~4.54‰,δ18O 值基本大于-10‰(圖6),表明碳酸鹽的來源主要為成巖碳酸鹽和與生物氣有關的碳酸鹽,說明大部分碳酸鹽膠結物形成時間較早,且部分膠結物的成因與甲烷細菌活動生成生物氣有關。

圖6 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組碳酸鹽膠結物中碳、氧同位素的交會圖Fig.6 Crossplot of carbon and oxygen isotopes of carbonate cement of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
為進一步明確形成碳酸鹽膠結物的流體來源及自生碳酸鹽膠結物的形成時期,在碳、氧同位素測試結果的基礎上,利用Keith 等[21]提出的經驗公式(式1)計算出無量綱Z值,用以粗略判斷孔隙流體性質。計算得知LD10 區的Z值為112.82~133.32,平均為123.12。根據Keith 等[21],Z值大于120 說明形成于偏海水環境(圖7)。

圖7 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組碳酸鹽膠結物的Z 值與沉淀溫度交會圖Fig.7 Crossplot of Z value and precipitation temperature of carbonate cement of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin

式中:Z為用來判斷成巖水體環境的指標。在鹽度不變時,隨著碳酸鹽膠結物的形成溫度升高,δ18O值通常變小。利用Shackleton 等[22]提出的古地溫計算公式(式2)可推斷碳酸鹽膠結物的沉淀溫度

式中:T為碳酸鹽巖膠結物的沉淀溫度,℃;δ18Ow為標準樣品形成時水介質的氧同位素值,‰。參考Fronval 等[23]的研究成果,δ18Ow取值為2‰。
據此計算樣品的碳酸鹽膠結物的形成溫度為46.56~105.32 ℃,且碳酸鹽膠結物的沉淀溫度存在2 個峰值區間,分別為60~70 ℃和80~90 ℃,說明碳酸鹽膠結物具有多期次成因的特征。
縱向上,碳酸鹽膠結物具有明顯的分區分帶性(圖8),3 700~3 900 m 以及4 000~4 200 m 為2 個碳酸鹽膠結物強發育深度帶。對薄片中膠結物含量與生物碎屑含量進行統計可知,二者具有較好的正相關關系(圖9),說明碳酸鹽巖膠結物的形成與生物碎屑的分布有關。

圖8 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組碳酸鹽膠結物含量及CO2含量隨深度的變化Fig.8 Variation of carbonate cement content and CO2content with depth of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin

圖9 鶯歌海盆地LD10 區LD10-1-T 井新近系梅山組—黃流組生物碎屑含量與碳酸鹽巖膠結物含量的交會圖Fig.9 Crossplot of bioclastic content and carbonate cement content of Neogene Meishan-Huangliu Formation of well LD10-1-T in LD10 area,Yinggehai Basin
富含CO2的高溫流體上侵至淺部地層后,形成微酸性環境,使早期方解石發生溶解,同時高溫也促進了黏土礦物的快速轉化,析出了過量的Ca2+,Fe2+,Mg2+,有利于形成鐵方解石等膠結物。此外,Liu 等[24]進行了巖石-水-二氧化碳體系高壓反應實驗,發現CO2注入砂巖后,除少量以氣體形式溶解于水,大部分與H2O 及砂巖發生反應,以次生碳酸鹽礦物形式被“固化”在砂巖中,從而增加了碳酸鹽礦物的含量。
3.2.2 黏土礦物膠結
根據薄片觀察、掃描電鏡以及X 射線衍射分析可知,研究區目的層段黏土礦物主要包括伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層。伊利石最為發育,多以絲狀、毛發狀貼附于顆粒表面或充填于孔隙中,主要有2 種成因:①由云母和長石溶蝕而形成[25],含量主要受控于沉積物源、陸源區的古氣候和構造運動等,在淺部泥巖地層中多見;②進入深埋藏階段的蒙皂石向伊利石轉化[26]。
新近紀,鶯歌海盆地經歷了大規模的底辟作用和富含CO2高溫流體活動[26],當地層埋藏深度大于3 700 m時,伊利石含量增大的速率顯著增大,伊/蒙混層相對含量和綠泥石含量減小的速率均顯著增大,說明高溫促進了黏土礦物的轉化。在鶯歌海盆地LD10 區,由于高溫流體中溶解了大量CO2,導致地下成巖環境變為酸性環境,綠泥石向高嶺石轉化的自由能遠遠小于高嶺石轉化為綠泥石的自由能[27],導致綠泥石向高嶺石轉化,并析出了過量的Fe2+和Mg2+,造成了在3 700 m 之下地層的綠泥石含量減小和高嶺石含量增大的現象(圖10)。

圖10 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組主要黏土礦物含量及CO2含量隨深度的變化Fig.10 Variation of main clay mineral content and CO2 content with depth of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
在超壓地層中,蒙皂石轉化不僅受溫度影響,超壓也是控制蒙皂石向伊利石轉化的另一關鍵要素[28]。LD10 區在2 300 m 之上的地層中,黏土礦物轉化和常壓地層無異,伊蒙混層中蒙皂石的含量(S%)隨深度連續變化,單調遞減。在接近2 300 m時開始發育超壓,S%隨深度的增大呈階梯狀跳躍變化(圖11)。

圖11 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組伊蒙混層中蒙皂石含量隨深度的變化Fig.11 Variation of smectite content in illite/smectite mixed layer with depth of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
3.2.3 石英加大
石英次生加大在LD10 區不發育,多以加大邊的形式產出,薄片鏡下鑒定結果顯示石英次生加大的體積分數僅為0~1%。地層溫度、硅質來源和流體性質等因素均會影響石英次生加大。通常當地層溫度大于80 ℃時,石英次生加大開始大量形成,隨著深度的增加和成巖作用的增強,石英次生加大的含量卻未呈現增大的趨勢,表明超壓環境抑制了石英的次生加大[29]。石英次生加大常與長石的溶解作用和黏土礦物轉化伴生。由于超壓抑制長石溶解和黏土礦物轉化,從而減少了SiO2的供應量,進而抑制了石英次生加大。
溶蝕作用主要表現為長石、巖屑和碳酸鹽膠結物的溶蝕。長石、巖屑可形成鑄模孔(圖12a)、粒內溶孔(圖12b),碳酸鹽膠結物的溶蝕則常形成粒間溶孔(圖12c)。研究區溶蝕作用具有較強的區域特征,成巖中后期底部CO2的充注造成早期方解石接觸式溶蝕(圖12d)。在成巖作用早期,孔隙流體受壓實作用從泥巖中排出,溶解的鈣離子亦隨孔隙流體進入鄰近儲層孔隙中。新近紀,中央凹陷內發育大規模的底辟活動,富含CO2的高溫流體沿凹陷斜坡帶隱伏斷裂從深部向上運移[13,30],與原始地層水相互作用形成偏酸性環境,對致密膠結層產生接觸溶蝕作用(溶蝕方解石),使致密膠結層具有一定的滲流能力,常見大量溶蝕殘余(圖12c)。

圖12 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組溶蝕作用微觀照片Fig.12 Microscopic photos show dissolution characteristics of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
富含CO2的高溫流體活動對于儲層孔隙度發育具有兩面性,既可以通過溶蝕作用形成次生孔隙,也可以形成碳酸鹽膠結物,降低孔隙度。在LD10 區,碳酸鹽膠結造成的減孔作用大于溶蝕作用的增孔作用(圖13),即富含CO2的高溫流體活動對儲層孔隙度發育整體上表現為負作用。

圖13 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組膠結與溶蝕作用對孔隙度的改造強度隨深度的變化Fig.13 Variation of the difference between cementation reduced porosity and dissolution increased porosity with depth of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發光等的分析結果表明,LD10 區黃流組二段主要成巖事件演化順序為:菱鐵礦膠結→石英次生加大→綠泥石膠結→早期長石溶蝕→高嶺石形成→早期方解石膠結→早期白云石膠結→長石溶蝕→方解石溶蝕→伊利石大量生成→晚期鐵方解石、鐵白云石(圖14)。

圖14 鶯歌海盆地LD10 區新近系黃流組儲層成巖演化序列Fig.14 Diagenetic sequence of Neogene Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
早成巖A 期,古地層溫度小于65 ℃,有機質熱成熟度(Ro)小于0.35%,成巖環境為弱堿性—酸性。壓實作用為主導作用,儲層原生孔隙逐漸減少,早期方解石膠結物充填部分孔隙,開放流體環境有利于早期的長石溶蝕及局部堿性條件下的菱鐵礦膠結。
早成巖B 期,古地層溫度為65~85 ℃,Ro為0.35%~0.50%,有機質處于半成熟狀態。碳酸鹽膠結物如方解石和白云石開始大量沉淀,充填孔隙;黏土礦物以高嶺石及伊蒙混層為主。
進入中成巖A 期后,地層溫度持續升高,Ro增大,Ro為0.5%~1.3%。以Ro=0.7%為界,中成巖階段可劃分為A1 和A2 共2 個亞期。其中A1 期有機質為低成熟,攜帶有機酸和CO2的高溫流體進入儲層后,成巖環境逐漸變為酸性,酸性流體與巖石礦物相互作用,大量長石和早期形成的碳酸鹽膠結物被溶解,形成次生溶蝕孔隙。中成巖A2 期有機酸濃度開始降低,水體環境逐漸變為堿性,鐵白云石及鐵方解石等碳酸鹽膠結物開始沉淀,伊利石大量生成,儲層進一步致密化。
當地層埋藏深度超過4 000 m 時,地層最高溫度大于180 ℃[12],伊蒙混層比小于15%(參見圖11),表明已達到中成巖B 期。
砂巖儲層孔隙度主要受沉積作用和成巖作用的影響[31-33]。鶯歌海盆地LD10 區巖礦成分較為一致,分選系數、粒徑、泥質含量等參數差異較小,高溫、超壓及高CO2背景下的成巖作用對研究區儲層孔隙度的保存起決定性作用。
壓實和膠結作用是儲層孔隙度降低的2 種主要因素,機械壓實作用減小沉積物的粒間體積,膠結作用往往堵塞孔隙和(或)吼道[34-36]。
為定量評價壓實和膠結作用對儲層物性的影響,利用研究區299 塊薄片鑒定分析結果,根據式(3)—(6)計算經壓實作用、膠結作用后孔隙度的變化[37]。


原始孔隙度可由式(3)[38]計算得出,式中:S0為Trask 分選系數,分別為粒度概率累積曲線上25%,75%處對應的粒徑大小。
計算結果表明,壓實作用減少的孔隙度占比為45.30%~62.93%,平均為53.94%;膠結作用減少的孔隙度占比為1.65%~35.01%,平均為24.37%,其中碳酸鹽膠結減少的孔隙度占比為0.82%~35.01%,平均為21.46%,占全部膠結物減少孔隙的38.96%~100.00%,平均為85.20%。壓實作用是造成LD10區梅山組—黃流組儲層孔隙度降低的首要因素(圖15),膠結作用在LD10-1,LD10-2 及LD10-3 區無明顯差異(表1)。

表1 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組壓實、膠結作用對儲層孔隙度的影響Table 1 Effects of compaction and cementation on porosity of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin

圖15 鶯歌海盆地LD10 區新近系梅山組—黃流組粒間體積占比與膠結物含量的關系Fig.15 Relationships between intergranular volume and cement content of Neogene Meishan-Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
超壓帶內的孔隙流體可以抵消部分上覆地層壓力,從而起到保護孔隙空間的作用[39-40]。但是研究區梅山組和黃流組儲層在超壓形成時的埋藏深度已達2 700~3 000 m,壓實程度較高,因此,超壓開始形成時儲層已經較為致密,超壓對儲層的保護作用有限[41]。
鶯歌海盆地LD10 區儲層埋藏深度大,壓實作用強,孔隙喉道發育程度受到限制。通過大量巖石薄片觀察和統計,依據羅靜蘭等[42]提出的公式計算出儲層溶蝕作用使孔隙度增加了0.72%~8.00%,表明溶蝕作用是致密砂巖儲層孔隙度改善的重要條件。
鶯歌海盆地LD10 區中深層梅山組—黃流組致密砂巖儲層經歷了高溫-超壓-高CO2背景下一系列復雜的成巖作用過程,控制了有利儲層的分布。黃流組中下部砂巖儲層受到了超壓保護和CO2溶蝕作用的雙重影響,孔隙度較黃流組中上部儲層大,但是考慮到需要規避高CO2風險帶,黃流組中上部致密砂巖儲層依然可作為下一步勘探開發的重點區域。綜合沉積微相、砂體厚度、成巖作用、物性解釋以及CO2含量,對儲層進行了分類(圖16),I類儲層為研究區下一步勘探開發的重點區域。

圖16 鶯歌海盆地LD10-1 區新近系黃流組二段Ⅱ氣組儲層質量平面分布Fig.16 Reservoir distribution of the second gas group of Neogene Huangliu Formation in LD10 area,Yinggehai Basin
(1)鶯歌海盆地LD10 區新近系黃二段儲層成巖演化序列為:菱鐵礦膠結→石英次生加大→綠泥石膠結→長石淋濾溶蝕→高嶺石形成→早期方解石膠結→早期白云石膠結→長石溶蝕→方解石溶蝕→伊利石大量生成→晚期鐵方解石、鐵白云石形成。
(2)成巖作用是LD10 區黃流組儲層孔隙度的主控因素。其中,壓實作用減少的孔隙度占比為45.30%~62.93%,膠結作用減少的孔隙度占比為1.65%~35.01%,溶蝕作用增加了0.72%~8.00%的孔隙度。
(3)高溫-超壓-高CO2背景下復雜的成巖作用過程控制了LD10 區中深層梅山組—黃流組有利儲層的分布。黃流組中下部砂巖儲層受到了超壓保護和CO2溶蝕作用的雙重影響,現今孔隙度較黃流組中上部儲層更高,但是考慮到需要規避高CO2風險帶,黃流組中上部致密砂巖儲層依然可作為研究區下一步勘探開發的重點區域。