地表风化在地层油藏碎屑岩储层中的作用

陈 涛

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257015)

0 引 言

地层油气藏是含油气盆地中一种重要的油气藏类型，综合世界上已发现油气田情况来看，43%的石油储量和30%的天然气储量储存在地层圈闭中[1-4]。济阳坳陷发育多种类型的不整合，目前已识别出12个规模比较大的不整合，包括2期Ⅰ级不整合，4期Ⅱ级不整合，6期Ⅲ级不整合[5-9]，地层油气成藏主要受这些不整合控制[10-13]。不整合对储集岩的改造作用是地层油藏有效性的首要因素，目前针对灰岩、火成岩、片麻岩等储集岩的风化改造作用研究较多，关于碎屑岩储集岩风化改造作用鲜有报道，制约着该类油藏的勘探开发。通过对济阳坳陷第三系不整合碎屑岩储集岩特征研究，以期阐明地表风化作用对碎屑岩储集岩的改造过程及影响因素，明确碎屑岩有效储集岩的预测方法，为地层油藏勘探提供指导。

1 济阳坳陷地层油藏特征

地层圈闭是济阳坳陷主要的隐蔽圈闭类型之一，是高勘探程度区下步勘探的重要对象。截至2016年，济阳坳陷地层油藏上报探明石油地质储量为4.1×108t，占济阳坳陷探明石油地质储量的7.7%，油藏埋藏浅、产量高，是济阳坳陷下步重要的增储领域。

济阳坳陷地层油藏储集岩类型以碎屑岩为主，纵向上油层主要分布于不整合面下5～30 m范围内的高孔隙发育带内，深部以干层为主，如高64(Ng与Mz之间不整合)、花古1(Ng与Mz之间不整合)、官斜17(Es4上与Es4下之间不整合)等井(图1)，均为地层圈闭，油层位于不整合面下30 m范围内，平均孔隙度达到30%。从孔隙度纵向变化来看，不整合面下风化改造带是主要的孔隙发育区，油气显示较好，也是油气主要富集区，深部地层基本未见显示，以干层为主。从平面分布看，有效储层主要分布在盆缘超剥带、洼陷带、斜坡带等储层物性差的深部地区，储层分布与现今油藏分布相吻合，储层的好坏是地层油藏成藏的关键要素之一。

图1 济阳坳陷典型地层油藏井分布及孔隙度变化关系

从地层油藏储集空间结构来看，风化作用形成的溶蚀孔隙和裂缝是主要的储集空间。如沾北2井、广9井，不整合面下碎屑岩储集岩发育大量溶蚀孔洞和少量风化裂缝(图2)。

图2 不整合面下风化碎屑岩储集层镜下特征

2 碎屑岩地表风化过程

造成碎屑岩次生孔隙发育的原因主要有酸性流体、硫酸盐热化学还原反应机理及大气降水等[14-17]。到20世纪90年代，大气降水的溶蚀作用逐渐受到重视，大气降水可造成碎屑岩不稳定骨架颗粒溶蚀形成溶蚀孔隙[18-26]。地层圈闭储集岩次生孔隙主要是地表风化作用形成的。

2.1 风化碎屑岩矿物成分特征

在地表水的风化淋滤作用下，成岩矿物会发生一定的溶蚀、水解与水合作用，长石、云母等矿物发生风化蚀变。通过对风化碎屑岩岩石成分、矿物含量进行测试发现，这些岩石中长石、方解石等不稳定矿物的含量明显低于正常岩石。

通过济阳坳陷12口井风化岩石矿物含量的对比发现，风化碎屑岩中50%的长石和几乎全部的方解石遭到风化淋滤，如广9井(Ng与Es4之间不整合)、郑366井(Ng与Es1之间不整合)不整合面下长石、方解石含量非常低(表1)。矿物成分的改变，必然会导致岩石中储集空间及物性的变化。

2.2 碎屑岩风化过程及矿物体积变化规律

碎屑岩主要由石英、长石和各种岩屑组成，其中，石英矿物比较稳定，不易风化，岩屑、长石类组分易遭受风化[22-25]。这些不稳定矿物如长石、岩屑等，容易遭受溶解蚀变，蚀变前后矿物体积发生改变，可以形成次生孔隙。下面以钾长石和方解石的风化过程为例进行分析。

2.2.1 钾长石风化过程

在酸性环境下，钾长石产生非全等反应：

2KAlSi3O8+ 3H2O =2K++2OH-+

4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

从钾长石的反应过程可以看出，2 mol的钾长石遭受蚀变后，会产生1 mol的高岭石和4 mol的石英。其中，2 mol钾长石体积为216.342 cm3，1mol高岭石体积为96.629～100 cm3，此外钾长石的蚀变还产生4 mol的石英，4 mol石英体积为90.566 cm3。

即上述溶蚀过程中，蚀变造成的体积变化为25.776～29.147 cm3。由于蚀变前后矿物所占体积发生变化，导致次生孔隙发育，当岩石中长石溶蚀量为0.5%～3.0%时，孔隙度改善为5%～30%，最高可达32%。

2.2.2 方解石风化过程

方解石在CO2和H2O参与情况下极易发生全等溶解，溶于水中。在岩石暴露地表过程中，外界可以提供大量的CO2，导致岩石中方解石不断溶解。1 mol的方解石溶解可产生260 cm3的孔隙空间变化，若以原始矿物方解石所占体积为准，上述反应过程中方解石所占体积完全转变为孔隙。

矿物在其溶解过程中，由于反应前后矿物成分的差异，产生体积变化，从而导致次生孔隙空间的产生。假设碎屑岩中长石含量为35%、方解石含量为10%，这2种矿物溶蚀可以产生20%的次生孔隙，大幅改善储集岩储集性能。

统计了济阳坳陷不整合面下220多口井的碎屑岩物性分析数据，发现风化碎屑岩长石、方解石等矿物明显遭受了蚀变，产生次生孔隙。不整合面下砂岩孔隙度可以增大1%～15%，渗透率可以增大1×10-3～100×10-3μm2，储层改善深度能达到几米至十几米。如沾北2井(Es1与Mz之间不整合)从不整合结构层X射线衍射图谱上可以看出，风化岩石的斜长石、钾长石、方解石含量明显低于深部未风化岩石(图3)，风化岩石钾长石减少50%，钠长石减少60%，方解石减少95%。由于蚀变后矿物体积的变化，储集岩孔隙度增加15%，渗透率增加70×10-3μm2，不整合面下储集岩录井见油浸显示，测井解释油层7 m，深部地层未见显示，储集物性差，以干层为主。

3 地表风化影响因素分析

碎屑岩风化过程中物性变化规律非常复杂，物性改善程度和风化深度均存在较大差异。通过统计济阳坳陷220多口井的物性数据，明确了碎屑岩风化过程中物性演化过程，明确了储集层物性演化主控因素。

3.1 岩性

岩石是风化的物质基础，原有孔隙结构是风化的优势路径，为大气水开辟了通道。当母岩具有较好的渗透性时，会加快岩石风化速度，加大岩石的风化深度；对非渗透性地层来说，由于缺少大气水渗透的通道，岩石风化速度较慢，风化深度较浅。通过对比济阳坳陷不同岩性岩石风化程度发现，砂岩、砾岩物性改善明显，可产生高孔、高渗储集带，泥岩类物性改善特征不明显，物性整体较差(表2)。

图3 沾北2井(Es1与Mz不整合)不整合结构层X射线衍射图谱

表2 济阳坳陷第三系不整合风化碎屑岩物性对比

济阳坳陷不整合面下砂砾岩经风化改造后，孔隙度、渗透率值分别在原来基础上增加2%～15%和1×10-3～100×10-3μm2。而对泥岩层来说，改造程度比较差，不整合面下泥岩基本不具渗透性，孔隙度一般小于1%，渗透率一般小于0.5×10-3μm2[27]。

3.2 埋深

风化岩石二次深埋后，后期成岩作用会对形成的次生孔隙再次产生影响，埋深过程中的压实和胶结作用导致物性进一步变差。通过济阳坳陷新近系—古近系不整合面下岩石物性统计发现，不整合面下风化岩石物性改善程度随埋深的增加逐渐减小。

不同深度不整合面下风化储集岩与未风化储集岩孔隙度对比发现，在不整合面埋深较浅，一般埋深小于1 000 m时，孔隙度改善程度最大可以达到20%，不整合面埋藏深度增加物性变差，当二次埋深超过4 000 m时，孔隙度改善值小于1%，地表风化改善作用基本消失。

3.3 不整合级别

地表风化作用随出露时间延长而增强，出露时间长会增加流经碎屑岩的孔隙水体积，蚀变将增强。不整合级别越高地层出露时间越长，Ⅰ级不整合受区域性构造运动控制，沉积间断一般大于5 Ma；而Ⅱ级、Ⅲ级不整合受幕式构造运动控制，沉积间断一般小于1 Ma。

不整合级别越高，地表风化时间越长，岩石风化程度越高，物性改善越明显。Ⅰ级不整合孔隙度改善值最大可达到20%，而Ⅰ级、Ⅲ级不整合孔隙度改善值最大为10%(图4)，不整合级别还影响岩石的风化深度，不整合级别越高风化深度越大。

图4 济阳坳陷不同级别不整合储集岩孔隙度变化

4 应用效果分析

研究成果应用于济阳坳陷高青、草桥、义和庄、三合村等油田的勘探实践中，取得了较好的效果，为盆缘带油气藏勘探提供了有利的技术支撑，为高青、草桥、三合村3个千万吨级储量的发现提供了有效的理论依据。高青油田是一个多层系含油的复式油气聚集带，已上报探明储量2 809.29×104t，储量以古近系油藏为主，中生界勘探程度低，探井成功率低于40%，远低于新生界石油地质探井成功率(高于70%)，实钻井揭示中生界物性差，是研究区的低效层系，勘探效益差。利用研究成果对中生界储集性能进行重新评价，结果表明，中生界岩性为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，石英占26%、长石占31%、岩屑占43%，岩石成熟度低；馆陶组沉积前构造抬升，中生界地层暴露地表遭受长期风化，沉积间断时间大于5 Ma；现今地层埋深小于1 000 m，利于地表风化碎屑岩储集岩的发育；研究区中生界储集岩由于地表风化作用，在不整合面以下可以发育稳定、优质储层，是地层油藏成藏的有利区，具有较大勘探潜力。

在此认识指导下，先后部署钻探了高64、高56、高102等井，均获得成功。在不整合面下钻遇优质储层，储层平均厚度为30 m，孔隙度大于25%，渗透率大于200×10-3μm2，均解释为油层。其中，高64井试油获日产油为11.8 t/d的工业油流。投产4口井(高41-22、高41-平1、高41-平2、高64-1)，千米井深日产油为8.2 t/d，其中，高41-22井获32.8 t/d的高产工业油流，打开了该区中生界的勘探局面。

5 结 论

(1) 地层油藏是济阳坳陷下步重要的增储领域，储集岩以碎屑岩为主，纵向上油层主要分布在不整合面下5～30 m范围内，平面上油层主要分布在盆缘超剥带，储集岩是决定油藏分布的首要因素，储集空间以次生孔隙为主，主要为风化溶蚀的孔隙、孔洞、裂缝等。

(2) 岩石暴露过程中，在地表水风化淋滤作用下，成岩矿物会发生一定的溶蚀、水解、水合作用，岩石溶蚀前后矿物组成发生改变，同时矿物所占体积减少，导致次生孔隙生成。

(3) 地表风化作用使碎屑岩储层在原有孔隙基础上，孔隙度最大可增加15%，渗透率最大可提高100×10-3μm2，风化改造带厚度为3～20 m，碎屑岩风化过程中物性变化影响因素复杂，改善程度及深度存在较大差异，主要受岩性、埋深、不整合级别等控制。

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