王有智，鄭洪濤，田彥林

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712；2.遼河石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000；3.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

隨著理論和技術(shù)的不斷革新，致密儲(chǔ)層油氣勘探不斷獲得重大突破[1-2]?，敽吞锷暗[巖油藏的發(fā)現(xiàn)，使得凹陷區(qū)砂礫巖體有望成為未來油氣勘探的重大接替領(lǐng)域[3-4]。眾所周知，砂礫巖體可以作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，與成巖作用密切相關(guān)[5-7]。例如，瑪湖凹陷西斜坡百口泉組砂礫巖中長(zhǎng)石等礦物溶解，形成了次生孔隙發(fā)育帶，顯著改善了砂礫巖的儲(chǔ)集性能[8]；渤海灣盆地秦南凹陷東南緣深層砂礫巖儲(chǔ)層發(fā)育高孔高滲帶，儲(chǔ)集空間以溶蝕孔、生物體腔孔為主[9]；松遼盆地南部深層有利致密砂礫巖儲(chǔ)層與次生孔隙及裂縫有關(guān)[10]。濟(jì)陽坳陷陡坡帶沙河街組三段、四段發(fā)育近岸水下扇砂礫巖體，扇中辮狀水道砂礫巖即使受到強(qiáng)烈的壓實(shí)和膠結(jié)作用，但由于有機(jī)酸多期溶蝕，依然可以形成次生孔隙帶，形成有效儲(chǔ)層[11-12]。

方正斷陷位于黑龍江省東部，是以第三系為主要油氣勘探目的層的裂谷型盆地[13]。其白堊系砂礫巖儲(chǔ)層十分發(fā)育，多口井見到良好油氣顯示，展現(xiàn)出良好勘探前景。此次研究通過大量取心井的巖石薄片、掃描電鏡、能譜分析和XRD等測(cè)試方法，對(duì)方正斷陷白堊系砂礫巖的成巖作用類型、成巖演化序列進(jìn)行詳細(xì)研究，探討成巖作用與儲(chǔ)層物性的關(guān)系，為研究區(qū)下步油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

方正斷陷位于松遼盆地東部的依-舒地塹北段，大地構(gòu)造上屬于郯廬斷裂的北延部分[13-15]。受右旋走滑變形的影響，依-舒地塹內(nèi)發(fā)育一系列走滑斷陷盆地，方正斷陷是其中之一。方正斷陷呈不對(duì)稱的雙斷式結(jié)構(gòu)，伊漢通斷裂將其分割成東部斷陷帶和西部斷陷帶2個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。東部斷陷帶進(jìn)一步劃分為玉山屯單斜帶、李家店次凹、民豐斷裂構(gòu)造帶、德善屯次凹、腰屯隆起帶、大林子次凹、大羅密斷階帶和興旺次凹8個(gè)三級(jí)單元；西部斷陷帶進(jìn)一步劃分為小蘭屯隆起、柞樹崗次凹、祥順潛山帶(圖1)[13]。

圖1 方正斷陷構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖

方正斷陷在古生界變質(zhì)基底之上，共充填了4套沉積序列，自下而上劃分為白堊系及第三系的新安村+烏云組、達(dá)連河組、寶泉嶺組、富錦組和第四系[16]。方正斷陷白堊系主要分布在小蘭屯背斜帶和柞樹崗次凹，與第三系不整合接觸，目前沒有探井鉆穿白堊系，推測(cè)厚度超過3 000 m，充填了沖積扇—扇三角洲近源粗碎屑沉積。

2 儲(chǔ)層巖石類型與儲(chǔ)集空間

2.1 巖石類型

方正斷陷白堊系砂礫巖儲(chǔ)層主要為扇三角洲平原及前緣砂體，扇體砂礫巖間發(fā)育少量淺灰色泥巖，顯示扇體沉積水體較淺。儲(chǔ)層巖石類型主要包括扇三角洲平原辮狀河道砂礫巖、前緣水下分流河道砂質(zhì)細(xì)礫巖(圖2)。碎屑顆粒磨圓較差，以次圓—次棱角狀為主，分選較差，以點(diǎn)-線接觸為主，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)。巖屑成分均以巖漿巖為主，其他成分含量較低。掃描電鏡和X衍射分析表明，研究區(qū)填隙物總量平均小于10%。

2.2 儲(chǔ)集空間類型

白堊系砂礫巖具有較為復(fù)雜的儲(chǔ)集空間，根據(jù)187張鑄體薄片資料統(tǒng)計(jì)顯示，白堊系砂礫巖儲(chǔ)集空間包括原生孔隙(約占21%)、次生孔隙(約占75%)和微裂縫(約占4%)3種類型。原生孔隙類型為殘余粒間孔，一般在顆粒支撐的砂質(zhì)細(xì)礫巖中可見，孔隙中常充填膠結(jié)礦物，膠結(jié)物邊緣形狀規(guī)則，與孔隙之間界限清晰(圖2a)。次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間孔；粒間溶孔主要為雜基和膠結(jié)物溶蝕形成，由于溶蝕程度不同，粒間溶孔的孔隙形態(tài)多不規(guī)則(圖2b)；粒內(nèi)溶孔指長(zhǎng)石等不穩(wěn)定成分溶蝕形成的孔隙，溶蝕作用一般沿著長(zhǎng)石解理縫方向發(fā)生，形成的孔隙會(huì)保留原晶格形態(tài)，并具有一定方向性，溶蝕作用較強(qiáng)時(shí)，長(zhǎng)石顆粒呈蜂窩狀連通( 圖2c)，當(dāng)溶蝕完全時(shí)形成鑄模孔(圖2d)；晶間孔主要為自生高嶺石等結(jié)晶較好的黏土礦物集合體內(nèi)之間的孔隙(圖2e)。微裂縫主要為構(gòu)造成因，常切穿長(zhǎng)石、石英等碎屑顆粒及膠結(jié)物(圖2f)；微裂縫既為溶蝕流體提供路徑，擴(kuò)大溶蝕影響范圍，又可以連通孤立的孔隙，對(duì)儲(chǔ)層整體物性有改善作用。

圖2 方正斷陷白堊系砂礫巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間特征

3 成巖作用及對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

3.1 成巖作用類型

3.1.1 壓實(shí)作用

對(duì)于砂礫巖儲(chǔ)層而言，成巖作用中對(duì)儲(chǔ)層物性產(chǎn)生較大影響的是壓實(shí)作用。方正斷陷白堊系砂礫巖經(jīng)歷了強(qiáng)度較大的壓實(shí)作用。在上覆地層壓力影響下，可見云母等塑性顆粒變形、破碎，石英和長(zhǎng)石等脆性顆粒破裂，部分脫落的碎粒堵塞了粒間孔隙。

3.1.2 溶蝕作用

儲(chǔ)層中的流體進(jìn)入砂礫巖的孔隙系統(tǒng)中，導(dǎo)致不穩(wěn)定礦物和膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，可以改善砂礫巖的物性。白堊系砂礫巖儲(chǔ)層中發(fā)生的的溶蝕作用包括在長(zhǎng)石、巖屑以及泥質(zhì)雜基中的溶蝕。其中，長(zhǎng)石晶體較易發(fā)生溶蝕，鉀長(zhǎng)石沿著雙晶縫發(fā)生溶蝕，孔隙呈蜂窩狀或鏤空狀(圖3a、b)；鈉長(zhǎng)石晶面相對(duì)完整，沒有溶蝕痕跡，可見鈉長(zhǎng)石自生晶體以及自生石英(圖3c)、高嶺石和少量綠泥石(圖3d)。

3.1.3 膠結(jié)作用

通過鏡下觀察，白堊系砂礫巖中膠結(jié)以自生石英和自生黏土礦物為主。自生石英一般呈六方短柱狀，晶形完整(圖3e)。儲(chǔ)層中也可見自生方解石，在顆粒間以粗晶膠結(jié)物形式存在，也可充填在長(zhǎng)石溶孔中。高嶺石呈定向排列或者雜亂堆積的狀態(tài)充填在顆粒之間或附著在長(zhǎng)石表面(圖3e)。晶體呈團(tuán)粒狀、疊片狀等，沒有受到磨損或擠壓變形。綠泥石常與自生長(zhǎng)石共生，主要以針片狀單體的形式生長(zhǎng)在長(zhǎng)石解理縫或包裹于顆粒的表面。伊蒙混層多呈雜亂狀充填在顆粒之間[17]。

圖3 方正斷陷白堊系砂礫巖成巖現(xiàn)象

3.1.4 交代作用

交代作用發(fā)生的范圍很廣，可使巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[18]。研究區(qū)常見的交代作用包括黏土礦物交代長(zhǎng)石和黏土礦物之間的相互交代轉(zhuǎn)化。前者主要為鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石發(fā)生高嶺石化，會(huì)生成一些晶間孔隙，但是由于連通性較差對(duì)物性提升有限；后者主要指蒙皂石的伊利石化(圖3f)，伊蒙混層是白堊系砂礫巖中比較常見的黏土礦物類型，多呈雜亂狀充填于粒間孔隙之間或包裹在其他顆粒上形成包膜。

3.2 成巖作用對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層物性的影響

3.2.1 壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層的影響

方正斷陷白堊系砂礫巖埋深范圍跨度大，壓實(shí)作用的影響隨著埋深的不同，強(qiáng)度存在一定的差異性。在2 800 m以淺儲(chǔ)層中，顆粒主要為點(diǎn)-線接觸，超過3 500 m，儲(chǔ)層顆粒表現(xiàn)為凹凸接觸和縫合接觸；與此同時(shí)，白堊系砂礫巖結(jié)構(gòu)成熟度較低，顆粒粒徑差異大，雜基含量高，使得顆粒之間接觸更加緊密，孔隙度急劇下降?？傮w而言，白堊系砂礫巖壓實(shí)作用較強(qiáng)，是導(dǎo)致砂礫巖儲(chǔ)層致密的最主要的原因(圖4)[18]。

3.2.2 溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層的影響

長(zhǎng)石、方解石等可溶礦物的大量發(fā)育，有利于形成次生孔隙發(fā)育帶。研究區(qū)長(zhǎng)石顆粒發(fā)生選擇性溶蝕，在顆粒內(nèi)部形成了大量的次生孔隙，孔隙直徑為5～20 μm，最大孔徑超過150 μm(圖3a、b)。部分長(zhǎng)石破裂后，附近的長(zhǎng)石被溶蝕，裂縫規(guī)模擴(kuò)大，連通了附近的孔隙，對(duì)儲(chǔ)層物性改善作用明顯(圖2c)。通過面孔率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有效儲(chǔ)層溶蝕面孔率超過5%，溶蝕孔隙含量超過20%，最高可達(dá)70%，而非儲(chǔ)層的溶蝕面孔率較小，一般不超過2%。白堊系砂礫巖經(jīng)歷了2期酸性成巖環(huán)境，分別是早期自身形成有機(jī)酸和后期烴類流體的充注。由于烴源巖不夠發(fā)育，埋藏過程中進(jìn)入儲(chǔ)層的有機(jī)酸量較少，溶蝕作用相對(duì)較弱，后期的酸性流體的大量進(jìn)入儲(chǔ)層，促使次生孔隙帶的形成?？傮w而言，溶蝕作用對(duì)白堊系砂礫巖儲(chǔ)層的改造作用顯著，既豐富了孔隙含量，又?jǐn)U展了孔隙喉道，對(duì)致密儲(chǔ)層而言非常重要。

圖4 方正斷陷白堊系砂礫巖粒間孔隙體積占比和膠結(jié)物含量關(guān)系

3.2.3 膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層的影響

膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的另一個(gè)因素。在酸性成巖環(huán)境下，黏土礦物轉(zhuǎn)換加速，釋放出的金屬陽離子促使砂礫巖邊緣發(fā)生方解石膠結(jié)，膠結(jié)形式以孔隙式膠結(jié)為主；石英的次生加大和方解石膠結(jié)，不利于粒間孔隙的保存；高嶺石在垂向上分布具有差異性，主要富集在內(nèi)部各段平行不整合面附近及細(xì)粒巖性與砂礫巖接觸面附近。因此，該段砂礫巖物性變差。

3.2.4 交代作用對(duì)儲(chǔ)層的影響

長(zhǎng)石在向黏土礦物轉(zhuǎn)化的過程中會(huì)產(chǎn)生一些微小孔隙，這些孔隙直徑一般小于5 μm，呈獨(dú)立分布，孔隙之間不連通，對(duì)儲(chǔ)層物性的影響較小，隨著蒙脫石向伊利石不斷轉(zhuǎn)化，這些伊蒙混層有序化，會(huì)形成一定的裂縫，這些裂縫在一定范圍內(nèi)起到溝通孔隙的作用，對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層的滲透性有較好的改善作用。

3.3 成巖演化與孔隙演化

3.3.1 成巖演化序列

根據(jù)成巖作用的觀察與分析，建立方正斷陷白堊系砂礫巖成巖演化序列(圖5)。在早成巖階段(早白堊世晚期—晚白堊世)，古地溫低于85 ℃[19]，巖石處于逐漸固結(jié)階段，受上覆地層的壓實(shí)作用影響，原生孔隙減少；泥巖被壓實(shí)后會(huì)排出酸性流體，使得儲(chǔ)層流體環(huán)境呈弱酸性。隨著這種流體在孔隙之間流動(dòng)，自生的蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，在顆粒邊緣形成綠泥石等黏土礦物薄膜。進(jìn)入古近系，砂礫巖儲(chǔ)層埋深加大，進(jìn)入中成巖階段，古地溫為85～140 ℃[20]。成巖礦物中鉀長(zhǎng)石和碳酸鹽巖發(fā)生溶蝕，同時(shí)，德善屯深部烴源巖生成的油氣通過伊漢通斷裂進(jìn)入白堊系砂礫巖儲(chǔ)層，這些酸性物質(zhì)大大降低了地層水pH值，加速了長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的溶蝕；與此同時(shí)，蒙脫石進(jìn)一步向伊利石轉(zhuǎn)化[21]，導(dǎo)致蒙脫石含量減少，高嶺石和自生伊利石的含量增加，局部有富綠泥石沉淀。

3.3.2 孔隙演化

通過對(duì)鏡下薄片成巖作用階段和埋藏史-熱史分析，建立方正斷陷白堊系砂礫巖成巖環(huán)境演化模式。利用孔隙度定量評(píng)價(jià)，分析成巖作用與孔隙演化的關(guān)系(圖5)。

方正斷陷白堊系沉積時(shí)期，湖盆處于快速充填階段，具有沖積扇特征。此時(shí)砂礫巖處于準(zhǔn)同生期至早成巖B期，相當(dāng)于埋藏深度2 000 m，以機(jī)械壓實(shí)為主。此時(shí)，隨著埋深的加大，上覆地層壓力增加，砂礫巖持續(xù)受到壓實(shí)作用的影響，顆粒之間的接觸關(guān)系表現(xiàn)為點(diǎn)接觸或點(diǎn)-線接觸。雖然礫石顆粒粒徑之間差異較大，具有一定抗壓能力，但隨著上覆壓力的增大，大的脆性顆粒破碎堆積在原生孔隙之中，使得孔隙度快速減小，石英次生加大和綠泥石襯邊造成孔隙度繼續(xù)損失。據(jù)Beard和Scherer的孔隙度恢復(fù)公式，以方16井砂質(zhì)細(xì)粒巖為例，計(jì)算出原始孔隙度平均為24.04%，到早成巖階段末期，孔隙度降至8.61%，其中，壓實(shí)作用導(dǎo)致孔隙度平均減少14.28%，膠結(jié)損失孔隙度平均為1.15%。進(jìn)入到中成巖A1期，埋深繼續(xù)加大，發(fā)生石英顆粒壓溶作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用，此時(shí)砂礫巖已經(jīng)變得較為致密，原生孔隙已經(jīng)十分少見，但是大長(zhǎng)石顆粒被壓碎，發(fā)育裂縫，為溶蝕作用提供進(jìn)入儲(chǔ)層的通道。此時(shí)孔隙度降至4.68%，壓實(shí)作用平均減少孔隙度1.69%，膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙平均較少2.24%。

進(jìn)入成巖A2亞期，埋深超過3 000 m，該時(shí)期最主要的成巖作用就是溶蝕作用，利用殘余的原生孔隙和長(zhǎng)石形成的裂縫，有機(jī)酸對(duì)可溶組分進(jìn)行充分溶蝕，形成的孔隙增量平均為6.79%，膠結(jié)作用持續(xù)降低孔隙度，平均為2.36%，在中成巖A階段末期孔隙度平均為9.11%?？梢娙芪g作用對(duì)儲(chǔ)層物性改善較為明顯。

圖5 方正斷陷白堊系方16井細(xì)礫巖地質(zhì)歷史時(shí)期儲(chǔ)層孔隙度演化

進(jìn)入中成巖B階段，成巖作用包括溶蝕、伊利石以及綠泥石和碳酸鹽膠結(jié)交代作用。該階段儲(chǔ)層中仍存在少量酸性流體，僅部分長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕，對(duì)膠結(jié)物作用甚微，對(duì)儲(chǔ)層改善作用較小，使得砂礫巖儲(chǔ)層持續(xù)致密。膠結(jié)減少的孔隙度平均為0.78%，現(xiàn)今最終孔隙度平均為8.33%。

4 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成規(guī)律

通過分析可知，成巖作用對(duì)白堊系砂礫巖儲(chǔ)層發(fā)育起到關(guān)鍵的控制作用。白堊系沉積初期，凹陷具有雙斷特征，兩側(cè)的物源攜帶的大量礫巖向湖盆中快速沉積，此時(shí)顆粒分選磨圓差，顆粒之間雜基充填，原始孔隙度不高；隨著斷陷的沉降，水體加深，粗碎屑物源向斷陷中注入的速度減慢，砂質(zhì)礫巖等沉積物在扇三角洲前緣水下被不斷改造，顆粒之間的雜基含量降低，礫石的分選和磨圓較之前變好，結(jié)構(gòu)成熟度相對(duì)高，巖性由雜亂的砂質(zhì)礫巖變?yōu)樯百|(zhì)細(xì)礫巖，初始物性變好；扇三角洲前緣砂體和平原砂體在垂向上疊置，平原砂礫巖十分致密，成為儲(chǔ)層的天然封堵層。白堊系自身泥巖的成熟度增加和后期油氣的大量充注，促使細(xì)礫巖中長(zhǎng)石和方解石等礦物的大量溶蝕，對(duì)致密儲(chǔ)層的改造具有重要意義。由于白堊系儲(chǔ)層靠近伊漢通油源斷裂，儲(chǔ)層的孔隙優(yōu)勢(shì)與上傾構(gòu)造特征的匹配，形成次生孔隙發(fā)育帶，成為有效儲(chǔ)層。在前緣細(xì)礫巖儲(chǔ)層中見到良好的油氣顯示即是證據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 方正斷陷致密儲(chǔ)層巖性涵蓋砂礫巖和砂質(zhì)細(xì)礫巖。碎屑顆粒磨圓較差，以次圓—次棱角狀為主，分選較差，以線接觸為主，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)具有較為復(fù)雜的儲(chǔ)集空間，原生孔隙主要為粒間殘余孔，約占21%；次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間孔，約占75%；微裂縫約占4%。

(2) 方正斷陷白堊系砂礫巖經(jīng)歷的成巖作用主要包括壓實(shí)、溶蝕(鉀長(zhǎng)石)、膠結(jié)(自生石英和自生黏土礦物)和交代作用(蒙皂石伊利石化)。壓實(shí)作用嚴(yán)重破壞了儲(chǔ)層的原生孔隙，平均減孔15.97%。膠結(jié)作用充填原生和次生孔隙，平均減孔6.53%，兩者是導(dǎo)致白堊系砂礫巖儲(chǔ)層致密化的最主要原因。外來烴類流體攜帶有機(jī)酸注入砂礫巖儲(chǔ)層，促進(jìn)了鉀長(zhǎng)石等礦物的溶解，改善了砂礫巖儲(chǔ)集性能，平均增孔6.79%。交代作用對(duì)儲(chǔ)層物性影響較小。

(3) 基于成巖作用和孔隙演化過程分析，方正斷陷白堊系中靠近油源斷裂的扇三角洲前緣水下分流河道細(xì)礫巖體具備成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的潛力。白堊系砂質(zhì)礫巖等沉積物在扇三角洲前緣水下被不斷改造，砂質(zhì)細(xì)礫巖分選和磨圓變好，結(jié)構(gòu)成熟度變高，原始孔隙度較高?？拷翝h通油源斷裂，油氣大量充注，攜帶的有機(jī)酸促使細(xì)礫巖中長(zhǎng)石和方解石等礦物的大量溶蝕，形成次生孔隙帶，兩者匹配成為有效儲(chǔ)層。