于生云

(東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

成巖作用一直是儲(chǔ)層地質(zhì)研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。傳統(tǒng)成巖作用研究主要根據(jù)各種成巖指標(biāo)劃分成巖階段，探討各種成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的綜合影響[1-4]；成巖流體也是成巖作用研究的一個(gè)重要方面，成巖流體包括重力和壓實(shí)作用驅(qū)動(dòng)下的大氣水、沉積物壓實(shí)-相變釋放流體、有機(jī)成因流體和深部熱液流體，有關(guān)學(xué)者在水巖相互作用方面做了大量工作[5-8]；成巖相劃分在成巖作用研究中具有重要意義，有助于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[9-12]；成巖數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)技術(shù)在成巖作用研究中的應(yīng)用，該技術(shù)可反演成巖史，重現(xiàn)儲(chǔ)層成巖演化過(guò)程，確定成巖相的時(shí)空分布[13-16]。

隨著世界油氣需求不斷加大，傳統(tǒng)的常規(guī)油氣產(chǎn)量已不能滿足要求[17]，人們把目光轉(zhuǎn)向低滲透致密性的非常規(guī)油氣資源[18-19]，因而非常規(guī)油氣儲(chǔ)層成巖作用成為近幾年研究的熱點(diǎn)[20-23]，通過(guò)成巖作用及其它相關(guān)研究對(duì)于預(yù)測(cè)和尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層即甜點(diǎn)具有重要意義[24-27]。

靶區(qū)位于松遼盆地南部長(zhǎng)嶺凹陷，屬于青山口組低滲透砂巖儲(chǔ)層，由于該區(qū)整體勘探程度低，儲(chǔ)層研究力度不夠，地質(zhì)認(rèn)識(shí)不夠深入，影響了油氣高效開(kāi)發(fā)。針對(duì)上述情況，文中利用鑄體薄片、掃描電鏡、物性資料、X 射線衍射和地球化學(xué)等資料對(duì)其成巖作用進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期對(duì)低滲透致密性砂巖儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)有所幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷。長(zhǎng)嶺凹陷位于松遼盆地中央坳陷區(qū)南部，為二級(jí)構(gòu)造單元，按其構(gòu)造特征，進(jìn)一步劃分為西部階地、乾安次凹、黑帝廟次凹、大情字井低凸起、東部陡坡帶、華字井階地等6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)，各構(gòu)造單元走向呈近南北向帶狀展布。研究區(qū)地層自下而上分別為：石炭—二疊系變質(zhì)巖基底、白堊系下統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組、泉頭組、白堊系上統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組、第三系依安組、大安組、泰康組和第四系。目的層為青山口組，沉積相屬于河流三角洲相，氣測(cè)孔滲結(jié)果表明，研究區(qū)青山口組孔隙度為4.10%～16.14%，平均 9.30%；滲透率則分布在(0.01～1.55)×10-3μm2，平均 0.98×10-3μm2，為低滲透致密砂巖儲(chǔ)層。

圖1 長(zhǎng)嶺凹陷構(gòu)造

2 巖石學(xué)特征

按照Folk的砂巖分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層巖石類型主要為長(zhǎng)石砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，含少量長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖(圖2)。分析青山口組砂巖各組分，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～41%，平均19.1%；長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高為17%～81%，平均59.0%，以鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石為主，且多數(shù)樣品斜長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于鉀長(zhǎng)石；巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～45%，平均20.5%，其中以巖漿巖巖屑為主，次為少量變質(zhì)巖巖屑和沉積巖巖屑，巖漿巖巖屑類型以英安巖最為常見(jiàn)，次為安山巖，變質(zhì)巖巖屑主要為千枚巖和石英巖巖屑，沉積巖巖屑主要為泥巖巖屑。填隙物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～19%，雜基主要為泥質(zhì)，膠結(jié)物以碳酸鹽礦物和自生黏土礦物為主。碎屑粒徑多為0.1～0.2 mm，巖性主要為細(xì)砂巖；碎屑顆粒分選性為中等；碎屑以呈次棱角狀為主，少數(shù)呈次圓狀，可見(jiàn)棱角狀顆粒，磨圓程度低；接觸關(guān)系以點(diǎn)-線狀為主,偶見(jiàn)凹凸接觸及縫合狀接觸。總體上，研究區(qū)巖石成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

圖2 研究區(qū)青山口組砂巖儲(chǔ)層巖性組分三角圖

3 成巖作用類型與階段劃分

3.1 成巖作用類型

研究區(qū)成巖作用主要包括壓(溶)作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶解作用和破裂作用。

3.1.1 壓實(shí)(溶)作用

在上覆載荷或側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力作用下，研究區(qū)鏡下可見(jiàn)到碎屑顆粒的定向排列，碎屑顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)狀接觸發(fā)展到線狀、凹凸?fàn)罱佑|(圖3a)；對(duì)于石英、長(zhǎng)石等剛性顆粒，常見(jiàn)到破裂現(xiàn)象，而對(duì)于云母、泥巖巖屑等塑性物質(zhì)，常發(fā)生塑性變形(圖3b)；隨著埋藏深度增大，溫度和壓力逐漸增高，成巖環(huán)境發(fā)生改變，產(chǎn)生壓溶作用，碎屑顆粒呈凹凸?fàn)罱佑|或縫合狀接觸(圖3c)。

3.1.2 膠結(jié)與交代作用

(1)碳酸鹽礦物膠結(jié)與交代作用。研究區(qū)發(fā)育多種自生碳酸鹽礦物，包括方解石、鐵方解石、鐵白云石等；可見(jiàn)粉晶含鐵白云石呈斑點(diǎn)狀充填于孔隙中(圖3d)，含鐵方解石呈嵌晶式膠結(jié)，晶體較粗大，常將1個(gè)或幾個(gè)碎屑顆粒包含在1個(gè)晶體中(圖3e)；碳酸鹽礦物的交代作用主要為碳酸鹽礦物之間的交代作用，包括鐵方解石交代方解石以及鐵白云石交代鐵方解石，還有方解石對(duì)巖屑以及石英和長(zhǎng)石的交代作用(圖3f)。

(2)硅質(zhì)膠結(jié)作用。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物主要為石英，一種產(chǎn)狀為次生加大式，自生部分呈環(huán)帶狀緊貼陸源碎屑石英顆粒生長(zhǎng)，界線清晰可辨，因?yàn)樽陨⑴c陸源碎屑石英光性方位相同，在偏光顯微鏡下觀測(cè)，可出現(xiàn)同時(shí)消光的現(xiàn)象(圖3g)；另一種產(chǎn)狀則為孔隙充填式，石英雛晶晶粒細(xì)小,晶粒粒度泥晶至細(xì)粉晶級(jí)，自形程度較高，分布于由陸源碎屑顆粒圍限的孔隙空間內(nèi)(圖3h)。

(3)自生長(zhǎng)石膠結(jié)作用。如石英次生加大一樣，該研究區(qū)也可見(jiàn)到長(zhǎng)石呈次生加大式膠結(jié)。因長(zhǎng)石礦物穩(wěn)定性較差，在埋藏過(guò)程中，陸源碎屑長(zhǎng)石顆粒往往遭到蝕變，變得很臟，而再生部分顯得十分干凈，很容易識(shí)別(圖3i)。

(4)黏土礦物膠結(jié)與交代作用。研究區(qū)發(fā)育的自生黏土礦物主要有高嶺石、綠泥石、伊利石和伊/蒙混層。高嶺石晶體呈六方板片狀,集合體為書頁(yè)狀和蠕蟲狀，主要為孔隙充填式膠結(jié)。綠泥石晶體形態(tài)呈葉片狀，集合體形態(tài)為絨球狀、卷心菜狀，主要以薄邊式或孔隙襯里式膠結(jié)，少部分為孔隙充填式膠結(jié)(圖3j)。伊利石單體形態(tài)呈針狀，集合體形態(tài)為絲發(fā)狀、絮狀、網(wǎng)狀，主要以薄式或孔隙襯里式膠結(jié)，少部分為孔隙充填式膠結(jié)(圖3k)。伊/蒙混層單體形態(tài)呈彎曲片狀，集合體形態(tài)為蜂窩狀，主要以薄邊式或孔隙襯里式膠結(jié)。黏土礦物的交代作用主要為高嶺石交代長(zhǎng)石和黏土礦物間的交代作用。

3.1.3 溶蝕作用

溶蝕作用是研究區(qū)一種重要的成巖作用，主要包括長(zhǎng)石碎屑、巖屑和碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕。研究區(qū)巖礦組成特征決定了長(zhǎng)石碎屑和巖屑含量的豐富性。長(zhǎng)石的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生溶蝕作用，而研究區(qū)巖屑中長(zhǎng)石含量較高，所以巖屑的溶蝕作用實(shí)質(zhì)是其所含長(zhǎng)石礦物遭到了溶蝕。長(zhǎng)石碎屑和巖屑溶蝕形成粒內(nèi)溶孔和鑄模孔(圖3l)，在掃描電鏡下觀測(cè)，長(zhǎng)石碎屑沿解理發(fā)生溶蝕的現(xiàn)象更加明顯(圖3m)。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕主要為方解石膠結(jié)物的溶蝕，形成膠結(jié)物內(nèi)溶孔(圖3n)。

3.2 成巖階段

3.2.1 黏土礦物發(fā)育特征

為搞清整個(gè)區(qū)塊黏土礦物發(fā)育情況，所選7口取樣井均勻分布于研究區(qū)，共取得樣品數(shù)106個(gè)(表1)。高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～61%，綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%～77%，伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%?？傮w上看，綠泥石和伊利石較發(fā)育，伊/蒙混層和高嶺石次之。伊/蒙混層w1為14%～23%，其中TM2井w1為14%，發(fā)育超點(diǎn)陣有序混層黏土礦物，其余井w1大于15%，發(fā)育有序混層黏土礦物。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477—2003)，研究區(qū)儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期，少部分處于中成巖B期。

表1 研究區(qū)典型井黏土礦物組成

3.2.2Ro和TAI演化特征

鏡質(zhì)體反射率Ro來(lái)自于研究區(qū)10口井，Ro分布范圍為0.5%～1.5%(圖4)，生油母質(zhì)多數(shù)處于低成熟—成熟階段，少數(shù)處于高成熟階段，根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477—2003)，研究區(qū)多數(shù)儲(chǔ)層處于中成巖A期，少數(shù)已經(jīng)進(jìn)入中成巖B期。

圖4 研究區(qū)鏡質(zhì)體反射率

熱變指數(shù)TAI數(shù)據(jù)取自于HD1井(表2)，取樣深度h為2 190～2 700 m，巖性涵蓋了研究區(qū)發(fā)育的細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，具有代表性。 TAI 分布范圍為3.55～3.74， 孢粉顏色主要以橘黃和棕色為主，還可見(jiàn)到棕黑色，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)儲(chǔ)層主要處于中成巖A期，個(gè)別為中成巖B期。

表2 HD1井熱變指數(shù)

3.2.3 自生石英包裹體均一溫度分布特征

石英次生加大現(xiàn)象在該研究區(qū)十分常見(jiàn)，其內(nèi)部包裹體均一溫度代表成巖時(shí)古地溫t。對(duì)樣品內(nèi)的50個(gè)包裹體進(jìn)行均一溫度測(cè)定，其主要分布在4個(gè)溫度區(qū)間，110～120 ℃之間有6個(gè)，120～130 ℃之間有15個(gè)，130～140 ℃之間有27個(gè)，140～150 ℃之間有2個(gè)。分布在130～140 ℃溫度區(qū)間最多，占比k為54%；分布于120～130 ℃溫度區(qū)間次之，占30%；分布于110～120 ℃溫度區(qū)間的位居第3位，占12%；分布于140～150 ℃溫度區(qū)間的最少，占4%(圖5)。對(duì)照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)儲(chǔ)層多數(shù)處于中成巖A期，少數(shù)為中成巖B期。

圖5 研究區(qū)自生石英包裹體均一溫度分布

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鏡下觀察到的成巖特征、黏土礦物發(fā)育情況、鏡質(zhì)體反射率Ro和熱變指數(shù)TAI變化，以及自生石英包裹體均一溫度分布，確定研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期，少部分已進(jìn)入中成巖階段B期，其成巖演化模式(圖6)為：沉積初期，在上覆水體及地層的重荷下發(fā)生壓實(shí)作用，孔隙中水分被排出，沉積物體積縮小，孔隙度由最初的40%左右降到30%左右。早成巖B期末，壓實(shí)作用較前一階段要弱，伊蒙混層、方解石和石英等礦物沉淀析出，長(zhǎng)石呈現(xiàn)次生加大，孔隙度降至最低，為20%左右。中成巖A期，伴隨著埋深增加，溫度升高，進(jìn)入生油窗，青一段烴源巖生成的烴類中含有大量有機(jī)酸，在酸性物質(zhì)作用下,長(zhǎng)石、巖屑和方解石發(fā)生溶蝕，長(zhǎng)石溶蝕被高嶺石和石英交代。溶蝕作用導(dǎo)致大量溶蝕孔隙形成，儲(chǔ)層物性得到改善，孔隙度升至25%。中成巖B期，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟階段，有機(jī)酸生成量大為減少，溶蝕作用也大為減弱，膠結(jié)作用增強(qiáng)；混層黏土礦物轉(zhuǎn)化為伊利石和綠泥石，方解石轉(zhuǎn)化為鐵方解石，鐵方解石轉(zhuǎn)化為鐵白云石，膠結(jié)物充填大部分殘余粒間孔隙和溶蝕孔隙，致使儲(chǔ)層孔隙度降至10%左右，儲(chǔ)層物性變差，形成現(xiàn)今低滲透致密性儲(chǔ)層。

圖6 研究區(qū)成巖演化模式

4 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

4.1 壓實(shí)(溶)作用

淺埋藏的壓實(shí)作用主要為物理性的機(jī)械壓實(shí)作用，機(jī)械壓實(shí)作用可使碎屑顆粒發(fā)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，導(dǎo)致顆粒重新排列而使儲(chǔ)層變得緊實(shí)致密，特別是對(duì)于云母、泥巖巖屑等柔性物質(zhì)，發(fā)生塑性變形甚至假雜基化，使原生孔隙和喉道嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性嚴(yán)重變差，其孔隙度損失量遠(yuǎn)超過(guò)剛性顆粒同深度下機(jī)械壓實(shí)作用所造成的孔隙度損失量[28]。深埋藏的壓溶作用是一種物理-化學(xué)成巖作用，壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層的破壞性要強(qiáng)于單純的機(jī)械壓實(shí)作用，它不僅使碎屑顆粒接觸更加緊密，而且使溶解物質(zhì)重新沉淀充填孔隙中，嚴(yán)重影響儲(chǔ)層物性，使?jié)B流能力降低。隨著埋藏深度增加，研究區(qū)由機(jī)械壓實(shí)作用過(guò)渡到化學(xué)壓溶作用，碎屑顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)-線接觸逐漸變?yōu)榘纪菇佑|，直至縫合接觸，總的來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層物性逐漸變差。

4.2 膠結(jié)與交代作用

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)非常普遍，在各種碳酸鹽膠結(jié)物充填孔隙中占據(jù)儲(chǔ)集空間，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性變差。根據(jù)鏡下觀測(cè)所做的面孔率數(shù)據(jù)分析，碳酸鹽膠結(jié)造成的孔隙度損失率達(dá)到20%～40%。由圖7可以看出，隨著w(M2CO3)的增加，儲(chǔ)層孔隙度φk變小，呈負(fù)相關(guān)。黏土礦物膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層的影響一般是負(fù)面的，呈網(wǎng)狀或搭橋式分布的伊利石導(dǎo)致孔喉減小，迂曲度增加，物性變差。伊/蒙混層黏土礦物易發(fā)生水敏反應(yīng)，堵塞喉道，滲透率降低。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)物產(chǎn)狀主要為孔隙充填式和次生加大式，相對(duì)于充填孔隙中的自生石英雛晶來(lái)說(shuō)，次生加大式膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層的影響更大，不僅造成孔隙損失，而且會(huì)使喉道變窄，導(dǎo)致毛細(xì)管阻力變大，滲流能力變?nèi)鮗29]。交代作用可為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成提供前提條件，如碳酸鹽礦物交代長(zhǎng)石、石英，使儲(chǔ)層具備溶蝕作用發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖7 碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙度關(guān)系

4.3 溶蝕作用

溶蝕作用是研究區(qū)重要的建設(shè)性成巖作用，尤其對(duì)于該研究區(qū)低滲透儲(chǔ)層具有非常重要的意義[30]。在中成巖A期，Ro介于0.5%～1.3%，有機(jī)質(zhì)處于生油窗，以生成液態(tài)烴為主，同時(shí)伴生大量有機(jī)酸，成巖流體呈酸性，研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)石類礦物、富含長(zhǎng)石的巖屑以及碳酸鹽膠結(jié)物在酸性介質(zhì)作用下發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生大量次生孔隙，提高了儲(chǔ)層滲流能力[31-32]。長(zhǎng)石和碳酸鹽膠結(jié)物溶解反應(yīng)的方程式如下：

長(zhǎng)石在pH為5時(shí)開(kāi)始溶解，此乃長(zhǎng)石類礦物固有性質(zhì)。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)青山口組儲(chǔ)層主要發(fā)育長(zhǎng)石砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，含少量長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖，巖石成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

(2)研究區(qū)儲(chǔ)層大部分處于中成巖A期,少部分進(jìn)入中成巖B期，主要成巖作用包括壓實(shí)(溶)作用、膠結(jié)和交代作用、溶蝕作用；前兩種主要為破壞性成巖作用，使儲(chǔ)層致密，物性變差，后一種為建設(shè)性成巖作用，改善儲(chǔ)層物性。