孫藏軍 別旭偉 聶玲玲 黃 磊 姜 永
(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)
近年來(lái),渤海海域油氣勘探已逐漸從淺層轉(zhuǎn)移到中深層甚至深層,并取得了一定成效[1-2]。有關(guān)渤海海域中深層儲(chǔ)層研究,大多學(xué)者多側(cè)重于古地貌、古物源、沉積作用等宏觀控制因素研究[3-5],忽視成巖作用的影響。而成巖作用對(duì)于碎屑巖儲(chǔ)層孔隙的演化具有重要改造作用,直接影響著儲(chǔ)集層孔隙的演變[6-7],尤其中深層碎屑巖儲(chǔ)層經(jīng)歷深埋藏,成巖改造過(guò)程較淺層而言更為復(fù)雜。因此,開(kāi)展中深層儲(chǔ)層成巖作用研究,明確成巖改造過(guò)程中孔隙演化史,對(duì)于指導(dǎo)渤海海域中深層儲(chǔ)層的進(jìn)一步勘探生產(chǎn)工作具有重要意義。本文利用鑄體薄片、掃描電鏡、常規(guī)物性、X射線衍射、流體包裹體等分析化驗(yàn)資料,以曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層為研究對(duì)象,探索定量恢復(fù)其成巖演化過(guò)程中孔隙演化史,旨在為該區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
曹妃甸6-4油田為近年來(lái)渤海中西部發(fā)現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)整裝中型油田(圖1)。區(qū)域構(gòu)造上處于石臼坨凸起西段石南一號(hào)大斷層下降盤(pán)陡坡帶,南部緊鄰渤中凹陷西次洼,西靠南堡凹陷,成藏位置十分有利。自上而下揭示第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營(yíng)組和沙河街組。其中,東三段為曹妃甸6-4油田主力含油層位,地層厚度300 m左右,埋深2 600~3 100 m,與下伏沙河街組呈平行不整合接觸。沉積相為近距離搬運(yùn)的扇三角洲沉積,母巖為石臼坨凸起基巖中生界火成巖、太古界變質(zhì)花崗巖和寒武—奧陶系碳酸鹽巖。
圖1 曹妃甸6-4油田所處區(qū)域構(gòu)造位置[3]
通過(guò)4口井71個(gè)鑄體薄片樣品統(tǒng)計(jì)分析(圖2),研究區(qū)東三段儲(chǔ)層以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主,其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖。碎屑顆粒中石英含量17%~44%,平均36.3%;長(zhǎng)石含量21%~47%,平均36.8%,以鉀長(zhǎng)石為主,斜長(zhǎng)石次之;巖屑含量8%~55%,平均26.2%,成分以中酸性火成巖為主,其次為變質(zhì)巖及碳酸鹽巖巖屑;成分成熟度較低,Q/(F+R)為0.20~0.83,平均為0.56;分選中等,磨圓度次棱角—次圓狀。
圖2 曹妃甸6-4油田東三段巖石類型[3]
研究區(qū)東三段儲(chǔ)層填隙物含量1.0%~39.0%,平均10.3%。膠結(jié)物主要為碳酸鹽礦物(圖3),含量1.0%~18.0%,平均4.4%,以鐵白云石為主,可見(jiàn)菱鐵礦、白云石、方解石和鐵方解石。黏土礦物以高嶺石為主,平均含量2.4%,其次為伊利石。石英次生加大極少發(fā)育,僅個(gè)別樣品見(jiàn)到。雜基以泥質(zhì)為主,平均含量4.0%。
圖3 曹妃甸6-4油田東三段膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)直方圖
通過(guò)研究區(qū)東三段儲(chǔ)層的鑄體薄片、掃描電鏡和陰極發(fā)光等資料分析,認(rèn)為主要成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用,其中交代作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙變化影響較小。主要呈現(xiàn)以下特征:
1) 壓實(shí)作用。鏡下主要表現(xiàn)為碎屑顆粒點(diǎn)-線接觸,偶見(jiàn)凹凸接觸,壓實(shí)中等(圖4a)。
a—粗粒長(zhǎng)石巖屑砂巖,碎屑顆粒點(diǎn)-線接觸,局部凹凸接觸,粒間可見(jiàn)鐵方解石、菱鐵礦呈斑塊狀膠結(jié),CFD6-4-A井,2 646.5 m,單偏光;b—礫質(zhì)中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖,菱鐵礦呈斑塊狀膠結(jié),局部見(jiàn)溶孔,CFD6-4-A井,3 141.7 m,單偏光;c—粗粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,早期方解石呈環(huán)帶狀膠結(jié)顆粒表面,CFD6-4-B井,3 052.5 m,單偏光;d—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,白云石和鐵白云石斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,部分泥晶白云石圍繞顆粒邊緣分布,CFD6-4-A井,2 877.3 m,正交偏光;e—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,鐵方解石呈斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,CFD6-4-A井,2 993.5 m,單偏光;f—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,鐵白云石充填長(zhǎng)石溶孔,CFD6-4-A井,2 875.2 m,單偏光;g—粗粒長(zhǎng)石巖屑砂巖,高嶺石呈小米粒狀充填粒間孔隙,溶蝕粒間孔、溶蝕顆??准安糠指邘X石晶間微孔發(fā)育,CFD6-4-A井,3 139.76 m,單偏光;h—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,鱗片狀高嶺石和絲片狀伊利石充填粒間孔隙,CFD6-4-B井,2 875.1 m,掃描電鏡;i—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,搭橋狀伊利石和書(shū)頁(yè)狀高嶺石充填粒間孔隙,CFD6-4-B井,2 876.3 m,掃描電鏡;j—細(xì)—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,石英次生加大,CFD6-4-A井,2 646.5 m,正交偏光;k—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,次生石英加大(Q)、絲片狀伊利石(I)和鱗片狀高嶺石(K)充填粒間孔隙,見(jiàn)伊利石附著于自生石英表面生長(zhǎng),CFD6-4-A井,3 000.5 m,掃描電鏡;l—粗粒長(zhǎng)石巖屑砂巖,菱鐵礦呈斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,鐵方解石交代菱鐵礦,CFD6-4-C井,2 946.5 m,單偏光;m. 中—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,白云石呈斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,鐵白云石交代白云石,CFD6-4-A井,2 928.1 m,正交偏光;n—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖,長(zhǎng)石顆粒沿解理溶蝕,CFD6-4-B井,3 142.6 m,單偏光;o—礫質(zhì)中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖,碳酸鹽巖巖屑溶蝕孔,CFD6-4-B井,3 139.88 m,單偏光。
圖4 曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層成巖作用顯微照片
Fig.4 Reservoir diagenesis micrograph of Ed3in CFD6-4 oilfield
2) 膠結(jié)作用。主要為碳酸鹽膠結(jié),黏土礦物膠結(jié)次之,硅質(zhì)膠結(jié)極少見(jiàn)。①碳酸鹽膠結(jié)。鏡下可見(jiàn)碳酸鹽膠結(jié)物在東三段儲(chǔ)層普遍發(fā)育,早期多見(jiàn)菱鐵礦,方解石、白云石次之,呈微晶狀或斑塊狀膠結(jié)粒間孔(圖4b、c、d),中晚期鐵方解石、鐵白云石呈斑塊狀膠結(jié)充填粒內(nèi)溶孔(圖4e、f)。②黏土礦物膠結(jié)。自生黏土礦物主要為高嶺石,主要呈小米粒狀充填粒間孔隙(圖4g),掃描電鏡下以六方形集合體呈鱗片狀或蠕蟲(chóng)狀充填粒間孔隙(圖4h)。伊利石主要呈絲片狀包裹在顆粒表面(圖4h),偶見(jiàn)搭橋狀堵塞孔隙(圖4i)。③硅質(zhì)膠結(jié)。偶見(jiàn)石英發(fā)生次生加大邊(圖4j),可見(jiàn)伊利石附著于自生石英表面生長(zhǎng)(圖4k)。
3) 交代作用??梢?jiàn)早期菱鐵礦呈斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,中晚期鐵方解石交代菱鐵礦(圖4l),白云石呈斑塊狀膠結(jié)、交代碎屑顆粒,鐵白云石交代白云石(圖4m)。
4) 溶蝕作用。受母巖巖性影響,鏡下主要見(jiàn)長(zhǎng)石顆粒邊緣及內(nèi)部沿解理因溶蝕多形成殘余狀粒內(nèi)溶孔(圖4n),中酸性火成巖巖屑、碳酸鹽巖屑及膠結(jié)物中不穩(wěn)定組分溶蝕形成粒內(nèi)溶孔或粒間溶孔(圖4o)。
研究區(qū)東三段儲(chǔ)層所夾泥巖鏡質(zhì)體反射率為0.54%~0.63%,有機(jī)質(zhì)演化達(dá)到低成熟—成熟階段,且最大熱解峰溫Tmax介于437~441 ℃,儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度介于98~120 ℃,主要為105~115 ℃,伊/蒙混層礦物中蒙皂石層含量介于15%~20%。綜合巖石結(jié)構(gòu)、孔隙類型、自生礦物產(chǎn)出特征、溶蝕-充填關(guān)系以及相互交代關(guān)系特征,根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5477—2003,認(rèn)為研究區(qū)東三段儲(chǔ)層所經(jīng)歷的成巖演化序列為壓實(shí)作用→早期碳酸鹽膠結(jié)→長(zhǎng)石、巖屑、碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕→高嶺石膠結(jié)/石英加大→伊利石膠結(jié)/晚期碳酸鹽膠結(jié)[8],現(xiàn)主要處于中成巖A期(圖5a)。
圖5 曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層成巖階段劃分、埋藏史-古地溫史及孔隙綜合演化史
沉積物進(jìn)入埋藏成巖階段,儲(chǔ)層孔隙度的演變受壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用等成巖作用的共同影響,直至形成現(xiàn)今儲(chǔ)集空間特征。為了便于分析復(fù)雜成巖過(guò)程中各個(gè)階段儲(chǔ)層孔隙度演化及發(fā)育特征,本次研究在參考前人研究結(jié)果基礎(chǔ)上[9-12],假設(shè)各個(gè)成巖階段是相對(duì)獨(dú)立的,同時(shí)考慮壓實(shí)作用貫穿整個(gè)埋藏成巖過(guò)程,設(shè)定研究區(qū)東三段扇三角洲沉積體埋藏成巖后,依次經(jīng)歷了早成巖A期壓實(shí)減孔→早成巖B期壓實(shí)+早期膠結(jié)減孔→中成巖A期壓實(shí)-溶蝕增孔→中成巖A期壓實(shí)+中晚期膠結(jié)/交代減孔4個(gè)孔隙演化階段,并建立相應(yīng)的孔隙演化模型方程(表1)。
表1 曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層成巖演化過(guò)程中孔隙度定量計(jì)算公式
注:D25為粒度概率累積曲線上25%處對(duì)應(yīng)的顆粒直徑,mm;D75為粒度概率累積曲線上75%處對(duì)應(yīng)的顆粒直徑,mm;Φce為現(xiàn)今膠結(jié)物含量,%;Φce1為早期膠結(jié)物含量,%;Φce2為中晚期膠結(jié)物含量,%;Φori為鑄體薄片中粒間孔面孔率,%;Φmatr為鑄體薄片中雜基原生微孔面孔率,%;Φ為樣品實(shí)測(cè)孔隙度,%;Φpor為鑄體薄片中總孔隙面孔率,%;Φdiss為鑄體薄片中溶蝕孔面孔率,%;n為樣品編號(hào),n=1,2,…,71。
因埋藏成巖過(guò)程中壓實(shí)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層持續(xù)減孔,引入“時(shí)間深度指數(shù)”對(duì)埋藏成巖過(guò)程壓實(shí)減孔量進(jìn)行校正[13]。Sombra和Chang認(rèn)為時(shí)間深度指數(shù)(即埋藏史曲線與深度軸、時(shí)間軸所組成面積)綜合反映了儲(chǔ)層埋深的過(guò)程及其所經(jīng)歷的溫度和壓力變化,定量表征了埋藏過(guò)程對(duì)儲(chǔ)層壓實(shí)效應(yīng)的影響[13]。根據(jù)埋藏史圖,分別計(jì)算不同埋藏階段的時(shí)間深度指數(shù)所占比率,以此來(lái)校正不同階段壓實(shí)減孔量[14]。因不同埋藏階段壓實(shí)減孔效應(yīng)存在差異且埋藏越深壓實(shí)作用越強(qiáng),選用埋藏因子(α)修正不同埋藏時(shí)期壓實(shí)減孔量[14-15]。劃分曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層經(jīng)歷4次埋藏壓實(shí)階段(圖5b),式(1)為每次沉降壓實(shí)減孔比率計(jì)算式,表2為計(jì)算結(jié)果。
(1)
式(1)中:Ci為第i次沉降減孔比率;ΔHi為第i次沉降深度;ΔTi為第i次沉降所經(jīng)歷時(shí)間;α為埋藏因子(α=2m;早成巖期,m=0;中成巖期,m=1)。每次沉降埋藏減孔量為
ΔPi=P1×Ci(i=1,2,3,4) (2)
利用陰極發(fā)光及鑄體薄片資料,分析認(rèn)為研究區(qū)膠結(jié)作用主要為碳酸鹽膠結(jié)物。以溶蝕作用為界,劃分早期膠結(jié)和中晚期膠結(jié)的2個(gè)相對(duì)獨(dú)立階段,統(tǒng)計(jì)膠結(jié)物含量并分別代表早期膠結(jié)損失孔隙度(J1)和中晚期膠結(jié)損失孔隙度(J2)。
研究區(qū)溶蝕作用主要為中成巖A期有機(jī)酸溶蝕期,以長(zhǎng)石、巖屑等易溶組分發(fā)生選擇性溶蝕。根據(jù)鑄體薄片圖像統(tǒng)計(jì)資料,溶蝕增加的孔隙度Φ4=Φdiss×Φ/Φpor。
利用71塊樣品鑄體薄片鑒定結(jié)果和常規(guī)物性分析資料,根據(jù)孔隙演化模型方程(表1),推演計(jì)算各成巖階段的孔隙度演化(表3)。可以看出,研究區(qū)東三段各樣品初始孔隙度變化不大,介于27.75%~36.69%,平均32.24%,表明沉積體埋藏前碎屑顆粒的幾何堆積過(guò)程不是影響儲(chǔ)層孔隙度演變的關(guān)鍵因素。隨著埋深加大,4次埋深壓實(shí)階段導(dǎo)致孔隙度損失率平均分別為18.06%、30.00%、6.78%、11.87%,合計(jì)損失率平均值66.71%,表明隨著埋深加大,壓實(shí)作用增強(qiáng),導(dǎo)致碎屑顆粒緊密接觸,粒間孔隙急劇減少,對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化影響較大,尤其受早成巖階段機(jī)械壓實(shí)影響顯著。依據(jù)成巖演化序列,劃分研究區(qū)膠結(jié)作用為早期膠結(jié)作用(菱鐵礦、方解石、白云石)和中晚期膠結(jié)作用(高嶺石、伊利石、次生石英加大、鐵方解石、鐵白云石),中間階段為溶蝕作用。早期膠結(jié)作用導(dǎo)致孔隙度損失為1.00%~13.00%,平均2.33%;中晚期膠結(jié)作用損失孔隙度為1.00%~21.00%,平均為3.90%。研究區(qū)常見(jiàn)長(zhǎng)石顆粒溶孔,巖屑溶孔次發(fā)育。溶蝕作用導(dǎo)致孔隙度增加0%~20.60%,平均10.80%,溶蝕增孔率平均值為33.83%,可以看出,次生溶蝕受限于碎屑顆粒易溶組分,次生溶蝕孔不均勻發(fā)育,但是中深層儲(chǔ)層孔隙演化過(guò)程中重要的增孔階段。
根據(jù)孔隙演化模型,樣品計(jì)算孔隙度介于10.80%~24.30%,平均15.47%,與氣測(cè)孔隙度的相對(duì)誤差為0.21%~6.30%,平均2.52%,且二者數(shù)據(jù)點(diǎn)分布與基準(zhǔn)線整體基本一致(圖6),擬合系數(shù)較高(R2=0.97),誤差較小,計(jì)算結(jié)果具有參考價(jià)值。
表3 曹妃甸6-4油田東三段樣品不同成巖過(guò)程孔隙度演化統(tǒng)計(jì)表
注:Φ1為初始孔隙度,%;P1為壓實(shí)損失孔隙度,%;Q1為早成巖A期壓實(shí)損失孔隙度,%;Q2為早成巖B期壓實(shí)+早期膠結(jié)損失孔隙度,%;Q3為中成巖A期壓實(shí)-溶蝕增加孔隙度,%;Q4為中成巖A期壓實(shí)+晚期膠結(jié)減少孔隙度,%;n為樣品編號(hào),n=1,2,…,71;φn為計(jì)算孔隙度,%;Φ為樣品實(shí)測(cè)孔隙度,%;En為相對(duì)誤差,%。
圖6 孔隙演化模型計(jì)算孔隙度與氣測(cè)孔隙度關(guān)系
1) 早成巖A期壓實(shí)減孔階段。距今約28 Ma之前,東三段埋深約1 000 m左右,地層溫度小于50 ℃,處于早成巖階段A期(圖5)。主要發(fā)育早期機(jī)械壓實(shí)作用,表現(xiàn)為碎屑顆粒間以點(diǎn)接觸甚至未接觸為主,原生粒間孔發(fā)育,膠結(jié)作用欠發(fā)育。儲(chǔ)層孔隙度減少主要受控于早期機(jī)械壓實(shí),減少孔隙度為5.79%。
2) 早成巖B期壓實(shí)+早期膠結(jié)減孔階段。距今10~25 Ma,東三段埋深為1 000~2 200 m,地層溫度50~80 ℃,處于早成巖階段B期(圖5)。隨著埋深加大,壓實(shí)作用增強(qiáng),碎屑顆粒間逐漸呈現(xiàn)為點(diǎn)-線接觸。壓實(shí)作用導(dǎo)致孔隙度損失9.62%,仍為影響儲(chǔ)層孔隙演化的主要因素。粒間早期膠結(jié)物中,菱鐵礦絕對(duì)含量為1.27%,白云石絕對(duì)含量為0.81%,方解石絕對(duì)含量為0.25%,早期膠結(jié)作用損失孔隙度2.33%,對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化直接影響較小,但間接增強(qiáng)了儲(chǔ)層的后期抗壓實(shí)性。同時(shí),隨埋深增大,有機(jī)質(zhì)逐漸半成熟,碎屑顆粒間成巖流體pH值降低,碎屑顆粒中長(zhǎng)石、中酸性火山巖巖屑等易溶組分開(kāi)始遭受早期微弱溶蝕,但對(duì)孔隙演化影響較小。
3) 中成巖A期壓實(shí)-溶蝕增孔階段。距今6~10 Ma,東三段埋深可達(dá)2 200~2 600 m,地層溫度80~95 ℃,處于早成巖階段B期晚期到中成巖階段A期(圖5)。隨著埋深進(jìn)一步增大,壓實(shí)作用,但地層溫度、壓力隨之增大,有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟生烴階段。大量有機(jī)酸進(jìn)入東三段儲(chǔ)層,改變了碎屑顆粒間流體介質(zhì)性質(zhì),導(dǎo)致長(zhǎng)石等易溶組分大量溶蝕,形成儲(chǔ)層大量發(fā)育的次生溶蝕孔。同時(shí),長(zhǎng)石等溶蝕產(chǎn)物造成粒間酸性溶液中Si4+、Al3+濃度逐漸增至飽和[15],為中晚期自生高嶺石和石英次生加大膠結(jié)物的產(chǎn)出提供物質(zhì)基礎(chǔ)。該階段溶蝕作用增加的孔隙度為10.80%,受壓實(shí)作用影響減少孔隙度為2.16%。
4) 中成巖A期壓實(shí)+中晚期膠結(jié)/交代減孔階段。東三段儲(chǔ)層埋深達(dá)到最大,為2 600~3 500 m,地層溫度95~120 ℃,處于中成巖階段A期。受持續(xù)壓實(shí)+早期膠結(jié)固結(jié)成巖的影響,該階段壓實(shí)作用減小孔隙度僅為3.80%。流體包裹體資料分析表明該階段為東三段原油主要充注時(shí)期。隨著原油持續(xù)充注,碎屑顆粒間流體介質(zhì)由酸性變?yōu)閴A性,加之泥巖孔隙水排放、黏土礦物轉(zhuǎn)化等作用釋放出Fe2+[9],造成中晚期膠結(jié)主要為含鐵碳酸鹽膠結(jié)物沉淀。同時(shí),地層溫度達(dá)80 ℃以上,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化[15]。該階段膠結(jié)作用減少孔隙度為3.90%,其中鐵白云石絕對(duì)含量為2.10%,鐵方解石絕對(duì)含量0.50%,伊利石絕對(duì)含量為0.10%,高嶺石絕對(duì)含量為1.16%,次生石英絕對(duì)含量0.04%。
經(jīng)過(guò)成巖過(guò)程中孔隙度演化模擬,最終得到的孔隙度平均15.47%,與常規(guī)物性氣測(cè)孔隙度15.50%接近(圖5)。
分析表明,渤海石臼坨凸起曹妃甸6-4油田東三段儲(chǔ)層埋藏成巖后經(jīng)歷4個(gè)孔隙演化階段,模型計(jì)算初始孔隙度平均為32.24%;早成巖A期壓實(shí)減孔階段,儲(chǔ)層孔隙演化受控于早期機(jī)械壓實(shí),減少孔隙度5.79%;早成巖B期壓實(shí)+早期膠結(jié)減孔階段,壓實(shí)作用減少孔隙度9.62%,早期膠結(jié)作用減少孔隙度2.33%;中成巖A期壓實(shí)-溶蝕增孔階段,溶蝕作用增加孔隙度10.80%,受壓實(shí)作用影響減少孔隙度2.16%;中成巖A期壓實(shí)+中晚期膠結(jié)/交代減孔階段,壓實(shí)作用減小孔隙度僅為3.80%,膠結(jié)作用減少孔隙度為3.90%。經(jīng)過(guò)成巖過(guò)程中孔隙度演化模擬,最終計(jì)算樣品孔隙度平均為15.47%,與氣測(cè)孔隙度相對(duì)誤差平均為2.52%,誤差相對(duì)比較小。本文研究成果對(duì)于該區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)具有一定參考意義。