盐家地区沙四上亚段储层成岩作用及孔隙演化*

董紫睿,张金亮,李德勇

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛266100;2.北京师范大学资源学院,北京100875)

盐家地区沙四上亚段储层成岩作用及孔隙演化*

董紫睿1,张金亮2,李德勇1

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛266100;2.北京师范大学资源学院,北京100875)

盐家地区位于东营凹陷北部陡坡带,沙四上亚段形成了近岸水下扇沉积体系。本次研究利用扫描电镜、铸体薄片等方法,结合X-射线衍射分析化验资料,着重对成岩作用以及孔隙演化等方面做了研究。该区储层岩石类型主要为岩屑长石砂岩,成分成熟度和结构成熟度低;对储层有显著影响的成岩作用主要有机械压实作用,胶结作用,以及长石、岩屑等不稳定碎屑的溶蚀作用;通过有机质热演化、黏土矿物的含量变化及相互转化、石英加大程度以及溶蚀作用等的分析,可以推知盐家地区沙四上亚段储层处于中成岩阶段A期;2个次生孔隙发育带的形成分别与长石溶解与碳酸盐溶解有关。

盐家地区;沙四上亚段;成岩作用;成岩阶段;孔隙演化及成因

盐家地区位于东营凹陷北部陡坡带,坨庄—胜利村—永安镇断裂构造带的东段,北邻陈家庄凸起,东部为青坨子凸起,两凸起均系花岗片麻岩的古凸起,南临民丰生油洼陷。研究区的基底上发育了盐16古冲沟,在盐16古冲沟的前方发育的沙四段砂砾岩体是主要含油层段。前人对永北沙三段及沙四段储层成岩作用及次生孔隙形成机理所作出的研究并不多,而针对盐家地区所作的此方面的研究更是涉及甚少,在一定程度上制约了进一步对有利储集层的预测。通过利用薄片鉴定、扫描电镜等实验方法,笔者着重对盐家地区沙四上亚段储层进行了岩石学特征、成岩作用类型、成岩阶段等方面的研究,该研究结果对下一步的油气勘探和开发有一定的指导意义。

1 储层岩石学特征

盐家地区沙四上亚段储层岩性主要为岩性为砾岩、砾状砂岩和含砾砂岩,根据73块砂岩样品的薄片鉴定结果,石英含量在25%～35.5%之间;长石含量介于33%～42.75%之间,主要为钾长石和斜长石;岩屑23.25%～36.08%,其组分以变质岩岩屑为主,火成岩岩屑和沉积岩岩屑及内碎屑含量较少。填隙物以碳酸盐居多,泥质次之。成分成熟度和结构成熟度均较低,且成分成熟度在平面分布无明显规律,反映了沉积物在近物源处经历了快速搬运和沉积。

2 储层成岩作用

利用铸体薄片、扫描电镜、显微镜等方法,并结合X-射线衍射分析资料,对研究区沙四上亚段储层成岩作用进行了深入研究,研究表明,压实作用、胶结作用以及溶蚀作用对研究区储层物性影响最为明显。

2.1 压实作用

压实作用是导致研究区储层物性变差的主要因素之一,本区压实作用以机械压实为主,表现在:颗粒的压实定向,塑性颗粒的压实变形(见图1a),刚性颗粒压裂(见图1b),构造裂隙的产生(见图1c),另外碎屑颗粒从以点-线接触或线接触为主,变为以凹凸接触为主。压实作用不仅降低粒间孔隙,也降低粒间体积,并使之不能恢复[2]。

2.2 胶结作用

(1)硅质胶结 通过扫描电镜观察发现,研究区沙四上亚段砂体储层中硅质胶结物主要有2种形式:石英次生加大(见图1e)和分布于粒间的微粒自形石英(见图1d)。石英的自生加大分为无痕加大和有痕加大,对有痕加大一般在偏光显微镜下便可识别,而要鉴别无痕加大,有时则需要借助于阴极发光显微镜,在阴极发光显微镜下,多数加大边显黑色,不发光,晚期的或二期的加大边呈暗棕色[3]。研究区2 800～3 400 m范围内普遍存在石英次生加大,深部储层常见多期次石英次生加大,加大级别为Ⅱ～Ⅲ级,石英的次生加大程度是判断储层成岩阶段的依据之一。(2)碳酸盐胶结 碳酸盐类胶结物在研究区储层中十分普遍,且随着深度变化而变化,胶结物种类主要有方解石、白云石等早期碳酸盐胶结物以及铁方解石、铁白云石等晚期碳酸盐胶结物。方解石与白云石常共生,两者的置换与平衡取决于Ca2+/M g2+比值及温度,温度升高有利于白云石沉淀,Ca2+/M g2+增加则有利于方解石沉淀。经统计分析,研究区3 000～4 000 m储层中方解石和白云石均呈现先增多后减少的趋势,平均含量分别为5.9%和6.7%,说明在深部砂岩储层中碳酸盐发生了去胶结作用。铁白云石主要出现在3 400～4 000 m之间,平均含量2.7%,前期的溶蚀作用,包括长石、岩屑、方解石等的溶蚀,黏土矿物之间的转化为铁白云石的形成提供了物质和条件,尤其是泥岩中粘土矿物之间的转化,与(含)铁白云石沉淀有密切关系。铁碳酸盐胶结物发育带,正是蒙脱石向伊利石迅速转化带[1],在盐家地区沙四上亚段砂岩储层中,铁白云石出现的深度段内伊/蒙混层比为20%左右,说明蒙脱石已大量向伊利石转化。通常情况下,碳酸盐胶结物对储集层的发育起着双重影响:一方面,碳酸盐胶结会堵塞孔隙,从而使储层质量变差,研究区碳酸盐胶结物的含量超过5%时,储层物性明显变差;另一方面,胶结物在储层中的沉淀可以起到支撑作用,有效降低砂岩的压实程度,为酸性水溶蚀和次生孔隙形成创造了有利条件[4-5]。

图1 成岩作用特征(图中标尺为300μm)Fig.1 Features of diagenesis

(3)黏土矿物胶结 据全岩矿物X衍射分析,盐家地区黏土矿物含量在1%～33%之间,平均含量3.98%,广泛分布有高岭石、绿泥石、伊利石、伊/蒙混层等黏土矿物,各黏土矿物相对含量随深度的增加经历了复杂变化(见图2)。随着埋深增加伊利石含量有增多趋势,在黏土矿物中的相对含量较高在21%～100%之间,主要以片状、丝缕状充填于孔隙当中(见图1f),伊利石形成于富钾的碱性条件下,在成岩演化过程中多来源于伊蒙混层的转化以及高岭石的转化,从图2中可以看出,研究区高岭石的迅速减少与伊利石的增多相对应,可见高岭石的伊利石化很有可能是该区伊利石的一个重要来源;高岭石相对含量1%～67%,在埋深3 440 m以下随深度增加相对含量迅速减少且一般小于10%,高岭石形成于酸性环境,主要分布在早期成岩阶段至中成岩阶段早期,其聚合体多呈蠕虫状和书本状充填于粒间孔隙和长石溶孔中,在油气成熟期因有机质排烃会使成岩介质条件变为弱酸性,在这一环境中常形成高岭石充填缝、洞,甚至沉淀在次生孔隙中[6];伊/蒙混层由蒙脱石转变而来,在研究区储层中经历了由少变多再变少的过程,相对含量在2%～43%之间;绿泥石形成于富铁镁的环境中,绿泥石衬垫呈针叶状聚合体向孔隙中央生长(见图1g),孔隙衬垫绿泥石的发育对原生粒间孔的保存起到有利的作用[7],孔隙充填绿泥石则多表现为玫瑰花朵状或绒球状,相对含量在2%～32%之间。

2.3 溶蚀作用

溶蚀作用的发生受到区域构造背景和省油洼陷位置的控制[8]。溶蚀现象在研究区非常普遍,根据镜下铸体薄片和扫描电镜的观察,主要有长石、岩屑以及碳酸盐胶结物的溶蚀。长石的溶解现象最常见,在整个埋藏过程中均可发生,被溶的长石往往具有港湾状、锯齿状、蜂窝状溶蚀边缘(见图1h,图1i)。不同程度的溶蚀作用可以产生粒内孔、铸模孔以及超大孔隙,增大孔隙度和渗透率,改善储层物性,提高储层的储集性能。从物性数据可以看出,随深度的增加孔隙度和渗透率先减小后增大,这也是不稳定组分发生溶蚀作用造成的。碳酸盐矿物的溶解主要发生在3 400 m以下的储层中,以方解石溶解为主。

图2 黏土矿物相对百分含量纵向分布图Fig.2 The relative amount of clay mineral content of the vertical distribution

图3 盐家地区成岩演化序列Fig.3 Diagenetic evolution of the upper fourth member reservoir in Yanjia area

3 成岩演化阶段及成岩演化模式

3.1 成岩演化阶段

孔隙类型以次生孔隙为主,接触关系多为点-线接触。胶结作用增强,伊/蒙混层广泛发育,混层比(蒙脱石占混层)为20%左右,也可见绿/蒙混层,伊利石和绿泥石含量增多,高岭石开始减少,蒙脱石少见,晚期碳酸盐如含铁白云石、含铁方解石等开始出现,石英加大为Ⅰ～Ⅲ级别。从有机质方面考虑,研究区地温介于120～150℃之间,有机质已成熟并进入了生油阶段。在扫描电镜和铸体薄片中多观察到长石、岩屑的溶蚀现象。据以上成岩特征推断盐家地区沙四上亚段大部分储层成岩阶段处于中成岩阶段A期(见图3)。

3.2 成岩演化模式

研究区沙四上亚段自开始接受沉积埋藏成岩到东营组沉积时期一直处于持续沉降阶段,总厚度700～1 000 m,古近纪末期东营凹陷沙四段上亚段烃源岩进入生油门限深度,有机质进入初期生烃阶段,喜马拉雅运动东营幕的构造活动形成了第一期油气运聚,由于该期烃源岩生成和排出的油气非常有限,这些有限的油气首先会在洼陷内或洼陷附近的岩性油气藏和构造油气藏内聚集[9],研究区沙四上亚段的砂砾岩体被沙三段及以上地层超覆造成差异压实,成为良好的油气聚集场所,东营组末期最大埋深约为2 900 m,原生孔隙缩小,次生孔隙开始发育,处于早成岩B期。随着馆陶组—明化镇组的沉积,沙四上亚段烃源岩埋深加大,进入生油门限,有机质进入中-高成熟阶段,油气大量生成,地层中有机酸和CO2来源丰富,发生了大规模溶蚀作用,从馆陶组至今一直处于中成岩阶段A期。

4 孔隙演化及成因

据薄片统计资料,盐家地区沙四上亚段各小层面孔率为0.83%～1.5%,且随深度的增加表现出增大的趋势,研究区储层经过了强烈的机械压实,除有少量保留的原生孔隙以外,孔隙类型以次生孔隙为主(见图4)。次生孔隙的形成机制概括起来有以下几种[10-11]:大气淡水淋滤,碳酸水溶液引起的溶解,有机酸引起的溶解,收缩裂缝以及粘土矿物转化和硫酸盐溶解。而粘土矿物转化和有机质热成熟演化生成的大量酸性水溶液是控制该区溶孔发育的主要因素[12]。经过研究,盐家地区沙四上亚段在3 200～3 500 m和3 760～3 990 m 2个深度段分别存在2个次生孔隙发育带,与研究区有机质的主要生油窗(2 900～4 800 m)相吻合;另一方面,这2个次生孔隙发育带与绿泥石突变深度(绿泥石第一突变深度3 200 m±;第二突变深度3 900 m±)相对应,说明黏土矿物脱水过程中产生的酸性物质是研究区次生孔隙形成的原因之一。经铸体薄片以及扫描电镜的观察,研究区中孔隙类型主要有粒间孔、粒内孔、铸模孔、裂隙等。

从溶解对象的角度考虑,第一次生孔隙发育带主要发生了长石溶解,第二次生孔隙发育带则主要发生了碳酸盐的溶解,长石溶解次之。研究区碳酸盐在第一次生孔隙发育带附近含量较高(见图4),且在电镜下少见碳酸盐溶解现象,说明碳酸盐溶解不是第一次生孔隙发育带形成的主要原因。在第二次生孔隙发育带处碳酸盐含量减少,可见发生了碳酸盐的溶解。

图4 盐家地区沙四上亚段孔隙度垂向演化模式Fig.4 Vertical porosity evolution model of Yanjia A rea

长石颗粒发生溶解后,大都首先以自生高岭石形式沉淀在粒间孔隙中,但也可以直接或间接地形成其它自生粘土矿物,如高岭石在120～150℃温度下变得不稳定,转变成伊利石,或与长石反应生成伊利石和石英[13-14]。从图4可以看出,高岭石突变带与第一次生孔隙带相对,间接地反映长石发生了强烈的溶蚀作用,高岭石后期迅速减少,这一现象不难得到解释,研究区地温介于120～150℃之间,再加之p H的增大,离子浓度改变等,使得高岭石向其它矿物发生了转化。

以长石溶解为主到以碳酸盐溶解为主,这一现象的出现不难得到解释。第一次生孔隙带处于有机质成熟阶段,生烃过程释放的有机酸是溶蚀长石的主要原因。而有机酸对碳酸盐的影响不在于其能大量溶解碳酸盐,因为碳酸盐的溶解与否与孔隙流体p H值、CO2分压等地球化学条件密切相关,p H值减低、CO2分压升高有利于其溶解。生烃过程刚开始时产生的大量有机酸使得孔隙水p H降低,发生反应:

随着反应进行,孔隙流体中CO2分压增大,CO2分压未超过反应平衡常数所要求的量时,则溶解反应会持续进行。当成岩温度超过100℃,有机酸脱羧作用大量释放CO2:

该反应使CO2分压超过反应平衡所需的量,从而导致碳酸盐的再沉淀。随着成岩温度继续升高[15],脱羧作用将生成更多CO2,而溶解长石的有机酸减少,孔隙水p H值主要受CO2控制,此时将发生碳酸盐的溶解。这一过程说明了研究区第二次生孔隙带主要不是由长石溶解而是碳酸盐溶解形成的原因。

5 结论

(1)盐家地区沙四上亚段储层发生的主要成岩作用有机械压实作用、胶结作用、以及溶蚀作用,其中,压实作用、硅质胶结是引起储层物性变差主要因素,碳酸盐胶结对储层物性具有双方面的影响,溶蚀作用是次生孔隙形成的主要原因,改善了微观孔喉结构,大大提高了储集性能。研究区储层处于中成岩阶段A期。

(2)研究区储层纵向发育了2个次生孔隙带,有机质热演化过程中以及粘土矿物转化过程中产生的酸性物质是次生孔隙形成的主要因素,第一次生孔隙带的形成主要与长石溶蚀作用有关,而第二次生孔隙带则主要与碳酸盐的溶蚀有关。

致谢:胜利油田东辛采油厂为本次研究提供了宝贵的资料和样品,特致谢忱。

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Diagenesis and Po re Evolution of the Upper Fourth Member of Sha Hejie Formation of Yanjia Area

DONG Zi-Rui1,ZHANG Jin-Liang2,L IDe-Yong1
(1.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.College of Resources Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

Yanjia Area is located in the no thern steep slope of Dongying Sag,w hose upper fourth member of Sha Hejie formation form s nearshore subaqueous fan sedimentary system.The research is carried out on diagenesis and pore evolution of the research area,using methods such as casting thin sections,SEM,and data of X-Ray Diffraction.Results are given as follow s:(1)The rocks of the reservoir,with low maturity of both structure and composition,are constituted of debris-arkosic sandstone.(2)The reservoir has experienced main diagenetic events of mechanical compaction,cementation,and corrosion of unstable grains such as feldspar and debris.(3)Analysis on thermal evolution of organic matter,content change and transformation of clay minerals,rank of quartz overgrow th,as well as corrosion,indicates that the upper fourth member of Sha Hejie formation of Yanjia Area has entered Asubstage of middle diagenetic stage.(4)The two secondary dissolved porous belts have something to do with feldspar dissolution and carbonate dissolution separately.

Yanjia Area;genesis of secondary pores;diagenesis;diagenetic stage;pore evolution

P581

A

1672-5174(2010)12-135-06

“:十一五”国家科技支撑项目:国际重大资源态势评价与预测技术开发(2006BAC18B05)资助

2010-01-29;

2010-09-06

董紫睿(1987-),女,硕士生。E-mail:dzr010@163.com

责任编辑 徐 环