不同体系域碎屑岩储集体成岩演化差异——以渤南洼陷沙三段为例

刘 鹏

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015；2.中国石化胜利油田博士后流动工作站，山东东营257001）

近年来关于储集体成岩演化研究已取得大量成果，但以往研究往往针对某一地区，以组、段为地质单元开展成岩演化过程分析［1-3］，虽然分析过程、运用手段、采用数据类型等有所差异，但最终结论一般认为某一地质单元储集体具有统一的成岩演化序列和演化过程［4-5］。实际上，断陷盆地构造活动的多期性［6］和活动强度的区域差异性［7］造成了其在空间上具有较强分隔性，从而使断陷盆地不同沉积时期储集体在母岩区位置、母岩类型、搬运距离等物源体系方面存在差异［8-9］，物源体系的差异可在储集体成分和结构上有所反映，而储集体的成分和结构决定着抗压实程度，影响成岩演化过程。此外，断陷盆地的组、段地层单元横跨5～20 Ma，漫长的地质时期古气候往复循环，不同时期的古气候条件存在差异［10］，咸水湖盆与淡水湖盆交替出现，水体环境的差异使储集体在同沉积乃至早成岩阶段的成岩流体存在差异，必然会影响储集体成岩演化过程。为此，笔者以渤南洼陷沙三段为例，基于沉积、成岩环境差异性分析，明确不同体系域储集体成岩演化差异。

图1 渤南洼陷区域位置及地层综合柱状图Fig.1 Regional location and stratigraphic comprehensive histogramof Bonan Sag

1 区域地质概况

渤南洼陷为渤海湾盆地济阳坳陷中一个北断南超的箕状构造单元，北部陡坡带紧邻埕东凸起，东、西两侧分别被孤岛潜山带和义和庄凸起所夹持，南部与陈家庄凸起相接，东南部与三合村洼陷毗邻（图1），受多期构造运动影响，研究区主要发育北东、北西以及近东西向3组断裂。渤南洼陷主要的油气勘探层系为古近系沙河街组，自下而上可分为沙四段、沙三段、沙二段以及沙一段，其中沙四段上亚段、沙三段下亚段以及沙三段中上亚段构成一个完整的二级层序［11］，自沙四段上亚段—沙三段下亚段—沙三段中上亚段沉积时期古气候经历了由干变湿的过程，水体古盐度相应呈由高到低的变化趋势［12］，同时在构造沉降、物源供应等因素的控制下［11］，沉积基准面经历了先升高再降低的过程（图1）。总体上在古气候、古构造及古物源等因素影响下，受控于沉积基准面的升降旋回，沙四段上亚段、沙三段下亚段以及沙三段中上亚段分别对应于低位域、湖侵域和高位域沉积阶段，呈现出咸水半深湖、半咸水深湖以及淡水半深湖的沉积面貌（图1）。

2 不同体系域沉积环境差异

碎屑岩成岩作用主要分为物理成岩作用及化学成岩作用［13-15］，其中物理成岩作用以机械压实为主［13-14］，在埋深一定情况下其抗压实能力主要取决于原始沉积组分；而化学成岩作用主要包括溶蚀、胶结、交代等［13-14］，其水岩反应强度主要取决于成岩流体类型及浓度演化，沉积期水体环境往往决定着早期成岩流体演化［15］。总体上沉积环境对成岩作用的影响主要集中在原始沉积组分与水体环境2个方面，原始沉积组分与水体环境多由古物源与古气候决定，而古物源、古气候又控制着体系域类型的差异，因此不同体系域往往具有不同的沉积环境。本文表征沉积、储层的一系列分析测试参数均由中国石化重点实验室——胜利油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心提供。

图2 渤南洼陷沙三段不同体系域砂岩沉积组分柱状图Fig.2 Sandstone sedimentary componentshistograms in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

图3 渤南洼陷沙三段碎屑岩成岩现象Fig.3 Clastic rock diagenesis of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

2.1 沉积组分差异

在宏观沉积背景控制下，渤南洼陷沙三段下亚段沉积时期为湖侵域，水体快速上升导致可容空间急剧增大，物源供应不足使得沙三段下亚段以近源碎屑扇体沉积为主［16］，沉积物粒度相对较粗，以含砾砂岩、粗砂岩为主，且矿物成分以碳酸盐岩屑（塑性矿物）为主，平均含量可达64%，而石英（刚性矿物）平均含量仅为18%左右（图2）。到沙三段中上亚段沉积时期，湖平面达到最高点且有缓慢下降趋势，为高位域，除渤南洼陷四周凸起提供少量物源形成紧邻断裂边界发育的小规模扇体外，来自济阳坳陷南部凸起物源区的远源河流-三角洲沉积体系，途经富林洼陷、三合村洼陷至研究区演变为三角洲前缘的滑动、滑塌砂体，并逐渐向砂质碎屑流和浊流转化［17］，远物源体系控制下沉积的砂岩成分成熟度和结构成熟度均较高，以中-细砂岩为主，矿物成分主要为石英，平均含量可达59%，碳酸盐岩屑仅占12%（图2）。总体上沙三段湖侵域以碳酸盐岩屑为主（图3a，3b），而高位域以石英为主（图3c）。沉积组分的差异性导致二者抗压实能力存在差异，以塑性矿物为主的湖侵域储集体压实率从浅层往深层逐渐降低，当埋深大于2 500 m时压实率达60%（图4），埋深大于3 500 m时已达压实极限，压实率不再升高；以刚性颗粒为主的高位域储集体压实率也呈现出随埋深增加而减少的趋势，但总体上压实率低于湖侵域储集体，显示出整体抗压实能力较强的特点。

图4 渤南洼陷沙三段不同体系域砂岩压实率、胶结率、溶蚀率Fig.4 Compaction rate，cementation rate and dissolution rate of sandstone in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

图5 渤南洼陷沙三段不同体系域砂岩水体环境差异分析结果Fig.5 Difference of water environment in different systemtract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

2.2 水体环境差异

前人研究认为渤南洼陷沙三段下亚段到沙三段中上亚段水体盐度经历了由高到低的过程［18］，在元素地球化学以及泥页岩碳酸盐岩含量上都有所体现。元素地球化学分析表明（图5），沙三段下亚段湖侵域沉积期Sr/Ba值普遍大于1，Mg/Ca值为0.25～0.5，并从下往上有逐渐减小的趋势；到沙三段中上亚段高位域沉积期Sr/Ba值主要小于1，Mg/Ca值小于0.25，反映出由湖侵域沉积期向高位域沉积期水体盐度逐渐降低［18］。同时硼元素计算结果显示湖侵域沉积期水体古盐度为2‰～30‰，并从下往上逐渐变淡，到高位域沉积期水体古盐度普遍小于1‰，反映出水体由湖侵域沉积期的半咸水向高位域沉积期的微咸水和淡水转变［18］。由于水体盐度决定着碳酸盐岩的沉淀速率［19］，因此泥页岩中碳酸盐岩含量也可反映出水体盐度差异。渤南洼陷湖侵域沉积期泥页岩中碳酸盐岩含量总体较高，为40%～80%，平均可达65%，并从深至浅呈现由高到低变化，到高位域沉积期，碳酸盐岩含量递减较快，反映水体由咸变淡的过程。总体上，前人研究结果与本次所展示的多方面证据共同指示研究区湖侵域比高位域水体环境更为咸化，咸化水体环境使沉积物在成岩早期往往受到碱性同沉积水体的影响［15，20-21］，造成咸化与淡水环境下形成的沉积物在成岩早期碳酸盐岩胶结程度方面存在差异。

3 不同体系域成岩环境差异

一般而言除沼泽环境下的同沉积水体呈酸性外［22-23］，储集体在成岩早期的成岩流体环境受控于同沉积水性质多呈碱性，随埋深增大，有机质热演化过程中排出的有机酸又会使储集体在成岩中期的流体呈酸性，当埋深继续增大，温度进一步升高时有机酸中的主要成分羧酸逐渐被分解，成岩环境又向碱性转变［23-24］。虽然大部分储集体具有碱酸交替的成岩环境，但由于成岩早期同沉积水体性质以及成岩中期有机酸作用强度存在差异，导致不同体系域储集体的成岩环境演化具有一定差异。

渤南洼陷沙三段湖侵域沉积期主要为半咸水环境，同沉积水体呈弱碱性，而高位域沉积期淡水环境下的同沉积水体呈微碱性，使高位域储集体在成岩早期所经历的碱性流体浓度略小于低位域储集体，成岩环境的差异在碳酸盐岩胶结物含量和胶结率上都有所体现，具有弱碱性成岩环境的湖侵域储集体胶结率略高于微碱性成岩环境下的高位域储集体（图4），而且在平均胶结率及碳酸盐岩胶结物含量上湖侵域储集体都高于高位域储集体，其中湖侵域储集体平均胶结率为51%，碳酸盐岩胶结物含量为10.3%，高位域储集体平均胶结率为30%，碳酸盐岩胶结物含量为5%（图6）。总体上在成岩早期，湖侵域储集体比高位域储集体成岩环境碱性更强。

图6 渤南洼陷沙三段不同体系域成岩强度差异Fig.6 Difference of diagenetic strength in different systemtract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

图7 渤南洼陷沙三段不同体系域成岩环境分析Fig.7 Analysis of diagenetic environment in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

经历了早期碱性成岩环境后，各体系域储集体随着埋深增大，地温升高，有机质热演化程度逐渐增加，有机酸排出后又经历了酸性成岩环境。对于渤南洼陷沙三段湖侵域储集体而言，其埋深相对高位域储集体更大，主要集中在2 500m以下，镜质组反射率（Ro）普遍大于0.5%（图7），烃源岩已经历生排有机酸阶段，有机酸对湖侵域储集体进行溶蚀改造，早期碳酸盐岩胶结物被溶蚀（图3d，3e），同时出现石英次生加大现象（图3f，3g），但现阶段烃源岩已达到生排烃高峰乃至过成熟阶段［25-26］，随着地温升高、羧酸分解，湖侵域储集体在经历了酸性成岩环境后，处于弱碱性成岩环境下，伊利石含量较高，同时铁质碳酸盐岩胶结物普遍发育且含量较高（图3h，3i，图6），值得提出的是，晚期弱碱性成岩环境下水体pH值依然不足9.5，中期酸性环境下形成的石英次生加大边难以被溶蚀［27-29］，因此现今湖侵域储集体中增生石英含量较高（图7）。对于高位域储集体，其埋深主要在2 500 m之上，同沉积层系的烃源岩热演化程度相对较低，Ro值普遍小于0.5%，未达到生烃门限，但埋深为2 000～2 500 m的烃源岩处于即将到达生烃门限之前的生排有机酸阶段，现今地层水类型主要为反映酸性地层水环境的氯化钙和氯化镁型，水体pH值普遍小于7，埋深小于2 000 m和大于2 500 m地层水则以反映碱性地层水环境的碳酸氢钠以及硫酸钠型水为主（图7），总体而言大部分高位域储集体现今处于酸性流体溶蚀改造阶段，长石颗粒以及早期形成的少量碳酸盐岩胶结物出现溶蚀（图3j，3k），但未经历晚期弱碱性成岩环境，在酸性成岩环境影响下，高位域储集体伊利石含量较低、高岭石含量较高，同时存在部分石英次生加大现象（图3l），增生石英含量为0.5%左右（图7），铁质碳酸盐岩胶结物含量较低（图6）。

综上所述，渤南洼陷沙三段湖侵域储集体经历了早期弱碱性、中期酸性以及晚期弱碱性3期成岩流体影响（图8a），而高位域储集体则经历了早期微碱性以及中期酸性2期成岩流体影响，目前仍处于中期酸性流体改造阶段，未经历晚期弱碱性成岩环境（图8b）。

图8 渤南洼陷沙三段不同体系域成岩模式Fig.8 Diagenetic models in different system tract of 3rd member of Shahejie Formation in Bonan Sag

4 不同体系域成岩演化差异

研究区湖侵域与高位域储集体早期沉积环境的差异性导致其成岩演化过程中抗压实能力与成岩环境存在差异，致使各自具有不同的成岩演化模式，现今储层物性存在明显差异。

湖侵域储集体在成岩早期弱碱性流体影响下，发育较多碳酸盐岩胶结物，加之塑性矿物较多，抗压实能力较弱，在水岩作用时间增长、埋深不断增大的情况下，原生孔隙不断被压实的同时还被胶结物充填，这一阶段孔隙度递减速率较快，高于正常压实曲线（图8a），在经历了成岩早期的胶结与压实作用后，原生孔隙保留相对较少；随着成岩环境向酸性转变，有机酸进入之初，可沟通有机酸的通道以及可容纳有机酸的空间有限，酸性溶蚀缓慢发生，但随着次生孔隙的增多，有机酸运移的通道更加顺畅，有机酸与可溶矿物的接触面积也逐渐增加，酸性溶蚀规模增大，溶蚀改造作用进入良性循环，次生孔隙带形成（图8a）；随着埋深增大、地温增加，有机酸逐渐被分解，又一次进入弱碱性成岩环境，铁质碳酸盐岩胶结物沉淀，加之机械压实作用随埋深进一步增强，在铁质碳酸盐岩胶结物充填和机械压实的双重作用下次生孔隙与残留的原生孔隙迅速减少（图8a），到埋深较大情况下储层已较为致密。总体上，湖侵域储集体平均压实率可达55%，胶结率可达51%，溶蚀率仅为11%（图6），现今平均孔隙度仅为10.84%，渗透率为89 mD，物性相对较差。

高位域储集体在成岩早期微碱性流体影响下，仅少量碳酸盐岩胶结物沉淀，同时较高的石英含量可有效抵御压实作用，使储集体整体处于弱胶结、弱压实状态，这一阶段孔隙度递减速率相对较慢，略低于正常压实曲线（图8b），在经历了成岩早期的弱胶结与弱压实作用后，原生孔隙保留相对较多；随埋深增大，有机质热演化过程中生排的有机酸进入到储集体中，成岩环境向酸性演变，成岩早期保留的大量原生孔隙可有效沟通酸性流体，酸性流体与可溶矿物充分接触，次生溶蚀孔隙大量形成（图8b）。由于高位域储集体埋深普遍较浅，大部分仍处于有机酸生成阶段，未经历晚期弱碱性成岩环境，总体上平均溶蚀率相对较高，达17%，胶结率相对较低，平均为30%，压实率为32%（图6），现今平均孔隙度高达19.07%，渗透率为280 mD，储层物性好于湖侵域储集体。

5 结论

渤南洼陷沙三段湖侵域沉积期具有近源、半咸水的沉积环境，储集体矿物组成以碳酸盐岩屑等塑性颗粒为主；高位域沉积期具有远源、淡水的沉积环境，储集体矿物组成以石英等刚性颗粒为主。沙三段湖侵域储集体经历了早期弱碱性、中期酸性以及晚期弱碱性成岩环境演变，高位域储集体则经历了早期微碱性以及中期酸性成岩环境演变。在原始沉积组分与成岩环境影响下，渤南洼陷沙三段湖侵域储集体在成岩早期经历了较强压实和胶结作用，原生孔隙递减较快，致使成岩中期有机酸溶蚀作用相对较弱，伴随着成岩晚期又一碱性胶结作用发生，现今储集体物性相对较差；高位域储集体在成岩早期经历了弱压实和弱胶结作用，原生孔隙保留较多，成岩中期有机酸溶蚀作用相对较强，加之现阶段普遍未经历晚期碱性胶结作用，储集体物性相对较好。

对碎屑岩储集体而言，以机械压实为主的物理成岩作用和以溶蚀、胶结为主的化学成岩作用控制其成岩演化过程，在埋深一定的情况下，决定机械压实强度的本质因素在于储集体的原始沉积组分；而溶蚀、胶结强度则是由水体环境决定。因此，对于某一地区某一层系碎屑岩储集体的成岩演化研究，应首先从沉积环境及其伴生的沉积组分差异性出发，建立成岩演化研究单元，以此为基础运用多种方法、结合多种资料开展不同单元的成岩流体演化研究，确定成岩演化序列、成岩作用强度，最终建立储集体成岩及孔隙演化模式。

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