赵汉卿,陈存良,陈晓明,张博,刘超
(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300459)
储层的成岩作用、成岩演化与油气的生成、运移和成藏有着密切关系,是国内外石油地质工作者的重点研究对象,该方面的研究也取得了很多成果[1-11]。渤海湾盆地重要目的层段之一——古近系沙河街组,油气资源极其丰富,发现了大量油气田,莱州湾凹陷南斜坡垦利10-4油田就是其中之一。该油田范围内沙三上段埋藏一般在2 000 m以下,属于典型的海上中深层油田。笔者利用铸体薄片、扫描电镜、镜质体反射率及流体包裹体等多种分析测试手段,结合区域沉积体系、埋藏史等前人研究成果,分析了沙三上段储层成岩作用与油气充注期次,明确了油田内沙三上段储层成因机制和油气充注耦合关系,对于后期盆地储层预测及油气勘探具有重要意义。
垦利10-4油田位于渤海湾盆地莱州湾凹陷南部斜坡(见图1),北邻生烃凹陷,油气成藏背景十分有利[12-13]。受多期构造运动的影响,发育近东西向、北东向断裂。凹陷内沉积地层直接披覆在火山岩基底之上,依次充填了古近系的沙河街组、东营组,新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组。沙三上段为垦利10-4油田的主要含油气层段,发育近源辫状河三角洲前缘水下分流河道和河口坝沉积;岩石类型主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩,颗粒分选好—中等,颗粒粒级以中、细砂为主,次为中粗砂及细粉砂。基于2口探井85块岩心常规薄片统计,沙三上段砂岩储层孔隙度平均为29.1%,渗透率平均为 1 117.7×10-3μm2(见图2),属于高孔、中高渗储层。
图1 垦利10-4油田区域位置
图2 垦利10-4油田沙三上段砂岩储层物性分布
通过铸体薄片及扫描电镜综合分析,垦利10-4油田沙三上段成岩阶段处于中成岩阶段A期,主要成岩作用有压实作用、胶结作用及溶蚀作用等3种(见图3。其中:Cal为方解石,Q为石英,F为长石,Aq为自生石英微晶,Qo为石英次生加大,K为高岭石,I/S为伊/蒙混层,I为伊利石,Ch为绿泥石,Py为黄铁矿,Ha为石盐)。
沙三上段压实作用主要表现为塑性颗粒(如云母)的压实变形(见图3a),颗粒间以点-线接触为主,压实强度属于中—中强压实,整体上压实程度不大,使得粒间孔隙得以保存。
沙三上段总体胶结作用较弱,但胶结类型多样。根据微观镜下观察统计,沙三上段储层胶结物比例不超过10%,胶结类型以碳酸盐胶结、硅质胶结、自生黏土矿物胶结为主。
储层内碳酸盐胶结物主要发育方解石,蓝色铸体下,方解石茜素红染色显示为紫红色(见图3b)。方解石含铁,表明成岩阶段已进入中成岩阶段。方解石胶结类型以孔隙式胶结为主,胶结部位主要位于物性较差的小孔喉内部。方解石胶结物对储层早期具有抗压实作用,后期则溶蚀增孔作用明显。
储层内硅质胶结物以自生石英微晶为主,石英次生加大不明显(见图3c)。自生石英微晶的晶型完整程度取决于生长空间,可见典型的六方柱状。整体上,硅质胶结发育程度较低,自生石英微晶晶体较小,且未大量连片出现;次生加大边不明显,沙三上段石英次生加大级别总体属于Ⅰ—Ⅱ级。
储层内杂基含量低,其中黏土矿物以成岩自生为主。扫描电镜分析结果表明,储层自生黏土矿物以“富高岭石、贫绿泥石”为特征,含有一定量的伊/蒙混层和伊利石。高岭石以孔隙充填为主(见图3d),在自生黏土矿物中的比例超过60%,单晶体以假六方片状、板状为主,集合体主要呈书页状、蠕虫状。扫描电镜发现,高岭石结晶程度高,晶体完整,相对富集,储层内其来源主要为酸性条件下长石的溶解产物[14-18]。伊/蒙混层和伊利石也主要以孔隙充填状态出现(见图3e),以伊/蒙混层为主,其平均体积分数一般不超过30%。伊利石呈丝片状,伊/蒙混层形态介于蒙脱石及伊利石之间,是典型自生成因。绿泥石几乎不发育,平均体积分数低于10%,以孔隙充填和颗粒包壳形式出现(见图3f)。自生绿泥石单晶多以针叶状或针片状产出,集合体以绒球状充填于孔隙中,多发育在自生石英周边。
图3 垦利10-4油田沙三上段砂岩储层成岩作用特征
储层中溶蚀作用发育,溶蚀作用对储层物性有明显改善作用。沙三上段储层溶蚀作用可以分为早期碱性溶蚀和后期酸性溶蚀2类,后期酸性溶蚀改造增孔对储层物性改善作用明显。
利用铸体薄片和扫描电镜观察发现,储层中石英颗粒存在明显溶蚀作用,石英颗粒局部被溶蚀而形成晶体内部孔隙,并被伊/蒙混层充填(见图3g)。石英一般发育稳定,普遍认为pH值大于8.5的碱性环境下,石英才会发生明显的溶蚀作用[19-21]。石英的溶蚀作用主要发生在成岩早期,碱性流体主要因岩浆岩岩屑早成岩的蚀变释放大量Na+,K+等碱性阳离子,使流体逐渐变为碱性流体,并导致石英等硅质的溶蚀。
酸性溶蚀作用对物性的改造更强烈,沙三上段储层酸性溶蚀主要是对碳酸盐胶结物和长石的溶蚀。碳酸盐胶结物溶蚀后,一定程度上重新恢复了孔隙空间;长石被酸性流体溶蚀后,颗粒呈不规则状,扫描电镜下呈骨架状(见图3h)或形成铸模孔(见图3i)。储层内酸性成岩环境一般源自有机质成熟前的有机酸排放[22-23],沙三上段有机质镜质体反射率(Ro)测定值和热解峰温(Tmax)(见表1)表明,Ro介于 0.4%~0.6%,热解峰温介于432~449°C,有机质仍处于半成熟—低成熟阶段,是有机酸大量排出的阶段。
表1 垦利10-4油田沙三上段Ro和Tmax测定值
通过镜下观察沙三上段储层内流体包裹体(见图4),发现其一般发育在石英颗粒裂纹中,是酸性流体环境下石英加大或形成微晶所捕获的,主要为盐水包裹体(蓝色箭头所指),可见烃类包裹体(透射光下(见图4a)呈褐色,荧光下(见图4b)呈黄色。红色箭头所指)。
图4 沙三上段储层流体包裹体发育特征
通过分析流体包裹体均一温度统计数据(见图5),沙三上段油气充注温度介于61~85℃,盐水包裹体温度介于61~93℃,油气初次充注温度为60℃,而充注高峰在80℃左右。
图5 沙三上段储层流体包裹体均一温度分布
结合有机质演化特征、孔隙发育特征、流体包裹体均一温度及研究区埋藏史(见图6),可以看出垦利10-4油田储层成岩作用与油气充注存在耦合关系。储层孔隙度的增加是因为有机酸的排出,有机酸酸性溶蚀碳酸盐胶结物及长石,有效增加了储层孔隙空间;而此时盆地凹陷中心的成熟烃源岩开始排烃,并在明化镇末期达到生油高峰。成岩作用的及时溶蚀增孔,为盆地内部运移而来的油气提供了大量优质储集空间。
图6 垦利10-4油田成岩作用与油气充注耦合关系
1)垦利10-4油田沙三上段储层属于高孔、中高渗储层,目前成岩作用阶段处于中成岩阶段A期,成岩作用具有“中压实、强溶蚀、弱胶结”的特征,颗粒以点-线接触为主。溶蚀作用分为早期碱性溶蚀和后期酸性溶蚀;胶结作用弱,但类型多样,包括碳酸盐胶结、硅质胶结和自生黏土矿物胶结。
2)垦利10-4油田泥岩有机质仍处于半成熟—低成熟阶段,是有机酸大量排出的阶段,沙三上段储层流体性质变为酸性,并大量溶蚀碳酸盐胶结物及长石,有效增加了储层储集空间。
3)垦利10-4油田流体包裹体数据显示,油气充注作用发生于明化镇组时期,有机酸酸性溶蚀作用恰好为油气的充注提供了储集空间。