郭局子地区沙河街组深层砂砾岩成岩作用

刘 凤,王延章,曹小丽,蔡宏兴,杨 静

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257061; 2.中国石化地球物理公司胜利分公司 物探研究所,山东 东营 257093; 3.中国石化胜利油田分公司 现河采油厂,山东 东营 257068; 4.中石油大港油田分公司 采油工艺研究院,天津 300280)

郭局子地区陡坡带沙三、沙四段砂砾岩储层埋藏深度大,相带和岩性变化快,非均质强,成岩演化过程复杂,有利储层展布规律不清,急需对该区的成岩作用进行研究,寻找优质储层,以期解决该地区的勘探问题。笔者通过岩心分析测试、铸体薄片、扫描电镜等手段,对郭局子地区砂砾岩成岩作用进行研究,阐明砂砾岩体成岩演化的规律性。

1 工区情况

郭局子地区位于济阳坳陷北部车镇凹陷东部,具有典型中国古新生代陆相断陷湖盆特征。其物源、油源都十分丰富(图1)。北部陡坡带广泛发育冲积扇、扇三角洲、近岸水下扇、浊积扇等各种类型砂砾岩扇体[1-3],拥有剩余资源量约2亿t,是胜利油区勘探重要方向之一[4]。

陡坡带各种类型扇体具有物源多、沉积速率快、沉积厚度大、多期叠置的特征。其砂砾岩扇体成分成熟度和结构成熟度低,有利储层分布成为制约勘探实践的关键因素。深层砂砾岩扇体储集性能演化受内因(物源成分、沉积相)与外因(成岩作用、流体作用、构造活动) 双重因素影响[5]。

目前对车镇凹陷成岩作用研究较多[4,6-7],但是对东北部郭局子地区成岩作用研究处于空白,由于其在物源供给、构造演化、埋藏历史、流体性质、成岩过程具有自己的独特性,需要对该区成岩作用进行剖析,阐明优质储层的演化和发育规律,为该区的勘探提供依据。

郭局子地区沙河街组砂砾岩发育颗粒支撑砾岩、杂基支撑砾岩,粒度上划分为粗砾岩、中砾岩和细砾岩,砾石以花岗岩砾石为主,部分为石灰岩砾石。部分井段发育砂岩,以岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩、岩屑质长石砂岩为主。

岩石组分石英含量8%～42.5%,细砂岩最高;长石含量2%～23.5%,粗砂岩最高;岩屑含量24.5%～80%,角砾岩、粉砂岩最高;砂岩岩屑组分以岩浆岩和变质岩为主,其次是沉积岩。

胶结物以白云石、泥质和方解石胶结物为主;总体上填隙物含量较均匀,细砾岩、含砾砂岩、细砂岩填隙物含量高。结构分选差,磨圆度以次棱状、颗粒支撑、线-点线接触、孔隙式胶结为主。

砂砾岩储层孔隙度介于5%～20%,平均为11.2%;渗透率介于(0.1～10)×10-3μm2,平均为8.0×10-3μm2,属于特低渗储层。

图1 研究区构造位置

2 成岩作用类型

成岩作用一般可分为建设性成岩作用(溶蚀作用、破裂作用) 和破坏性成岩作用(压实作用、胶结作用等),还包括重结晶作用、交代作用和黏土矿物的演化等。也可以划分为物理成岩作用和化学成岩作用,化学成岩作用实质是矿物化学组分在新的地质条件下的物质平衡与转化,包括长石的溶解与转化、方解石的溶解与沉淀、黏土矿物的形成与转化、石英增生与溶解[6-7]。通过镜下岩石微观特征观察及化验分析资料,发现研究区成岩作用主要有压实作用、胶结作用、溶解作用和交代作用。

2.1 压实作用

压实作用是沉积物最重要的成岩作用之一,沉积物沉积后,由于上覆沉积物不断加厚,在重荷压力下所发生的作用。由于研究区发育的砂砾岩具有多岩屑及高杂基的特点,砂砾岩体抗压实能力较弱,经历了强烈的压实作用,压实作用主要有以下3种:碎屑颗粒间多为线-凹凸接触,偶见缝合接触;长石等刚性碎屑颗粒发生压实破碎,发育压裂缝;泥岩岩屑、云母等塑性颗粒发生压实变形(图2)。

图2 郭局子地区沙河街组压实作用类型

刚性颗粒和塑性颗粒组分含量对压实作用影响较大,塑性组分含量在50%～80%,塑性组分高,导致压实作用较强,塑性组分与孔隙度的关系成反比。从刚性组分含量看,随着深度的加大,刚性组分含量降低,约为10%～50%。

2.2 胶结作用

胶结作用对储层物性有重要影响,指从孔隙溶液中沉淀出的矿物质,将松散的沉积物固结起来的作用。研究区胶结类型可见碳酸盐胶结作用和石英次生加大作用、黏土矿物胶结和黄铁矿胶结。但以碳酸盐胶结作用为主,碳酸盐胶结物的成分包括方解石、白云石、铁方解石和铁白云石等,其中白云石、方解石胶结物最为多见。郭局子地区方解石胶结物平均含量为 3.93%,以充填于粒间孔隙形式或基底形式进行胶结;白云石胶结物7.46%,呈团状分布于孔隙和基质中,二者胶结物含量11.39%[7]。碳酸盐岩胶结要求pH值大于8～9,属于碱性成岩环境,碳酸盐岩矿物的沉淀作为碱性成岩作用的标志。碳酸盐岩胶结物呈它形粒状充填孔隙,胶结作用强度差别大,有的孔隙局部充填,有的已完全充填,有的充填在裂缝中。其产状不同又可划分为基底式胶结、孔隙式胶结、充填颗粒溶孔等。

碳酸盐岩胶结分为早晚两期,在早成岩期,在碱性成岩环境下大量Ca2+和HCO3-的孔隙水发生碳酸盐岩沉淀,形成早期碳酸盐岩胶结物,早期碳酸盐沉淀作用不强,但地层水不断补充Ca2+和HCO3-,使方解石晶体呈镶嵌状越来越大。铁方解石和铁白云石是主要的晚期碳酸盐岩胶结物。

本区方解石胶结物含量为0%～10%,在2 800 m以下出现较大值,在3 100 m以下出现最大值,说明在该时期方解石胶结作用最强;白云石胶结物含量为0%～15%,在2 700 m以下出现最大值,说明在2 700 m以下白云石的胶结作用较强。

石英主要发生次生加大或者产生自生石英充填,自生石英呈自型或半自型充填在孔隙中。石英次生加大可见两期,次生石英含量小于1%,含量低。随着储层埋深的加大,硅质胶结作用增强。起胶结作用的自生石英呈晶粒充填于颗粒间隙。石英的次生加大和自生石英晶粒的产生属于酸性成岩环境的标志,在酸性成岩环境中,长石溶蚀蚀变和黏土矿物转化形成的SiO2为自生石英提供了物质来源,导致了石英的次生加大和自生石英晶粒的产生,由于次生石英含量低,其他溶蚀作用发育,所以往往具有较高的孔隙度。从石英次生加大来看,在2 100 m以下石英次生加大作用较发育,含量在0.5%左右。

黄铁矿含量0%～6%,平均为0.79%,主要出现在2 700 m以下,也是胶结类型之一(图3)。

黏土矿物多充填于粒间孔隙或呈黏土膜状包围在颗粒表面,堵塞孔隙和吼道,使孔隙度降低物性变差。黏土矿物含量高,介于0.5%～10%,主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、伊蒙混层矿物、绿泥石等。高岭石常呈蠕虫状、假六方板状集合体分布在孔隙中,高岭石在2 350～3 100 m广泛分布,浅层主要呈书页状或片状而在深层呈假六边形;随着埋深的增加(2 000 m以下)黏土矿物中伊利石含量增加,伊利石出现在2 350～3 100 m。伊蒙混层矿物含量少,伊蒙混层矿物高值区在2 650～3 100 m。

2.3溶解作用

溶解作用可产生次生孔隙,改善储集层的储集性能。研究区可见石英、长石、岩屑及碳酸盐胶结物的溶解,其中以长石和碳酸盐岩矿物溶解较常见[8](图4)。

溶解作用划分为酸性溶蚀和碱性溶蚀,以酸性溶蚀为主。酸性溶蚀是由于有机质随着埋藏深度的增大成熟产生的有机酸和二氧化碳形成的酸性水,与岩石组分发生反应,使大量的长石和碳酸盐岩胶结物组成碎屑颗粒发生化学反应,形成次生孔隙[7]。碱性溶蚀作用主要表现为石英及其次生加大边被溶蚀,在本地区发育差。

图4 郭局子地区沙河街组溶解作用类型

储层的碳酸盐岩矿物含量越高,说明溶蚀作用越弱,储层的物性越差。碳酸盐岩溶蚀主要是方解石溶蚀,其决定因素是酸性成岩环境。中浅层从泥岩中排出的有机酸使方解石胶结物和长石溶解。中深层热解作用和干酪根成熟产生的CO2导致第二期碳酸盐矿物溶解。碳酸盐岩溶解作用常常不彻底,表现为选择性溶解,存在溶解残余,也常成港湾状。

长石的溶蚀产物主要是SiO2和高岭石,所以在长石溶蚀的层位往往高岭石的含量较高,长石溶蚀常常形成港湾状、锯齿状溶蚀边或铸模孔,溶蚀孔往往被方解石、白云石或铁方解石充填。长石溶蚀2 800～3 000 m为强溶蚀带,在该时期高岭石含量最高,与有机质向烃类大规模转化的深度一致,长石溶解与有机质热成熟关系密切[8]。

成岩作用的根本原因是长石溶解作用使流体中K+、Na+、Ca2+等离子浓度增加,Ca2+浓度增加有利于方解石沉淀。当埋深增大温度达165～210℃时,偏碱性的环境会使高岭石和蒙脱石向伊利石和绿泥石转化,富Mg2+环境形成绿泥石而富K+环境形成伊利石。

总之,酸性成岩作用以溶解作用和石英次生加大为特征,主要包括各种碳酸盐矿物溶解、各类长石蚀变为高岭石或者石英次生加大等为标志,碱性成岩作用以石英及其次生加大边溶解、碳酸盐矿物沉淀和长石次生加大为标志。成岩环境由浅至深经历了碱性-酸性-酸性碱性交替-碱性-弱碱性的演化过程[9]。

2.4 交代作用

交代作用也是普遍发育的一种成岩作用,常见的是石英与方解石的交代作用,方解石的溶解度随着pH值升高而降低,而石英溶解度随着pH值升高而增大,在碱性成岩作用下有利于方解石交代石英,在酸性成岩作用下有利于石英交代方解石。方解石也可以沿着长石边缘、节理缝交代,形成粒间晶间充填,或者彻底交代形成铸模。

3 储集空间类型

通过对研究区岩石薄片的观察及分析,认为郭局子地区沙河街组砂砾岩储层储集空间类型主要有原生孔隙、次生孔隙及裂缝。

3.1 原生孔隙

研究区古近系浅层可见大量的原生粒间孔隙和混合孔隙,砂砾岩遭受强烈的物理-化学作用,保留的原生孔隙极少。良好的扇中沉积相带、欠压实作用以及烃类的早期充注、绿泥石膜等均有利于原生孔隙的保存。

3.2 溶蚀孔隙

溶蚀次生孔隙是车镇凹陷郭局子地区深层砂砾岩具有储集能力的重要孔隙类型,研究区的溶蚀次生孔隙主要包括溶蚀粒间孔隙、溶蚀粒内孔隙两类,以长石的溶解最为常见。溶蚀粒间孔隙是方解石或杂基黏土等胶结物被溶解而形成的次生孔隙;溶蚀粒内孔隙是碎屑颗粒(长石、岩屑、石英)粒内被溶解形成的蜂窝、港湾状孔隙。

次生孔隙成因是有机质成熟产生的羧酸和CO2形成的酸性水或者与大气水渗流、深部地层水上升、黏土矿物转化过程中释放出的H+有关[10]。

3.3 裂 缝

从岩心观察看,裂缝在陡坡带砂砾岩储层中发育少,主要为构造裂缝、超压裂缝和成岩缝。裂缝对储集空间的贡献小,但是能够连通孔隙,极大地提高渗流能力。

构造裂缝是由于构造应力变化引起岩石破裂而形成的裂缝。其根据力学性质的不同,可分为张性缝及剪性缝等。张裂缝一般绕过颗粒延伸,不切穿颗粒;剪裂缝沿一定延伸方向常切穿颗粒构造活动有利于裂缝的发育。超压裂缝是由于异常高压导致岩石破裂而产生,大多呈树根状或撕裂状,一般在3 000 m以下产生;成岩缝主要是脱水作用形成的收缩缝。

从孔隙类型分布来看,主要以原生孔隙为主,次生孔隙为辅(表1)。

表1 各组分孔隙类型含量

原生孔隙在各种砂砾岩中含量不同,在岩屑长石砂岩中最为发育,其次为长石岩屑砂岩,岩屑砂岩中最少。次生孔隙在岩屑长石砂岩中最为发育,其次为砂质砾岩、长石岩屑砂岩。总面孔率在岩屑长石砂岩中最为发育,其次为长石岩屑砂岩,岩屑砂岩中最少(表1)。原生孔隙、次生孔隙及裂缝构成了立体连通网络,能够提升深层砂砾岩的渗流性能,使之成为有利储层。

研究认为长石、岩屑、碳酸盐等酸性组分的溶蚀以及构造运动是深层次生孔隙形成的主导因素。垂向上次生孔隙发育带对应深度为2 700～2 900 m。其主要形成机理有:有机质热演化过程中产生的酸性流体的溶蚀作用,异常高压加速有机质热演化和对已形成孔隙的保护作用,构造作用、脱水收缩作用等[11]。

4 成岩阶段

根据车镇凹陷郭局子洼陷沙河街组的成岩阶段的划分,可以划分为早成岩B、晚成岩A1、晚成岩A2三个阶段(图5)。

图5 郭局子地区成岩阶段划分

不同的成岩阶段的储层物性不同,有效储层所占的百分比也不同,早成岩B有效储层的比例达92%,晚成岩A1有效储层的比例占60%左右,晚成岩A2有效储层的比例仅占5%左右[12-13]。

5 结 论

(1)岩性特征以岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩、岩屑质长石砂岩为主。砂岩岩屑组分以岩浆岩和变质岩为主,胶结物以白云石、泥质和方解石胶结物为主。细砂岩石英含量较高,粗砂岩长石含量最高,角砾岩、粉砂岩岩屑含量最高,填隙物含量较均匀。砾岩黏土矿物以伊利石和伊蒙间层为主,砂岩、粉砂岩高岭石含量较高。分选差,磨圆度以次棱状、颗粒支撑、线-点线接触、孔隙式胶结为主。

(2)成岩作用类型主要有压实作用、胶结作用、溶解作用、交代作用。砂砾岩储层砂砾岩具有多岩屑及高杂基的特点,塑性组分含量在50%～80%,砂砾岩体抗压实能力较弱,经历了强烈的压实作用。碳酸盐胶结是最主要的胶结作用,碳酸盐胶结物的成分以白云石、方解石胶结物最为多见。碳酸盐岩胶结要求pH值大于8～9,其矿物的沉淀作为碱性成岩作用的标志;方解石胶结在2 800～3 100 m胶结作用最强;白云石胶结在2 700 m以下胶结作用最强。石英的次生加大和自生石英晶粒的产生属于酸性成岩环境的标志,在2 100 m以下石英次生加大作用较发育,含量在0.5%左右。黄铁矿含量0～6%,主要出现在2 700 m以下,也是胶结类型之一。

(3)溶解作用划分为酸性溶蚀和碱性溶蚀,以酸性溶蚀为主,长石和碳酸盐岩胶结物组成碎屑颗粒发生化学反应,形成次生孔隙。可见石英、长石、岩屑及碳酸盐胶结物的溶解,其中以长石、碳酸盐岩溶解较常见。长石的溶蚀产物主要是SiO2和高岭石,2 800～3 000 m为长石强溶蚀带,在该时期高岭石含量最高。泥岩中排出的有机酸、热解作用和干酪根成熟产生的CO2是碳酸盐矿物溶解的酸的主要来源。碳酸盐岩溶解存在溶解残余,常成港湾状。酸性成岩作用以溶解作用和石英次生加大为特征,主要包括各种碳酸盐矿物溶解、各类长石蚀变为高岭石或者石英次生加大等为标志,碱性成岩作用以石英及其次生加大边溶解、碳酸盐矿物沉淀和长石次生加大为标志。

(4)交代作用常见的是石英与方解石的交代,方解石的溶解度随着pH值升高而降低,而石英溶解度随着pH值升高而增大,在碱性成岩作用下有利于方解石交代石英,在酸性成岩作用下有利于石英交代方解石。

(5)黏土矿物含量介于0.5%～10%,主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、伊蒙混层矿物、绿泥石等。高岭石在2 350～3 100 m广泛分布,伊利石出现在2 350～3 100 m,伊蒙混层矿物高值区在2 650～3 100 m。

(6)储层物性孔隙度主频5%～20%,渗透率主频(0.1～10)×10-3μm2,属于特低渗储层。郭局子地区沙河街组砂砾岩储层储集空间类型主要有原生孔隙、次生孔隙及裂缝,主要以原生孔隙为主,次生孔隙为辅,次生孔隙发育带对应深度为2 700～2 900 m。

(7)划分为早成岩B、晚成岩A1、晚成岩A2三个阶段,早成岩B有效储层的比例达92%,晚成岩A1有效储层的比例占60%左右,晚成岩A2有效储层的比例仅占5%左右。