黃文彪, 盧雙舫, 鄧守偉, 王 民, 逯瑞敬, 楊 亮, 郝桂憲， 石 瑾

(1.中國石油大學(xué)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580; 2.中國石油吉林油田公司勘探開發(fā)研究院,吉林松原 138001; 3.中國石油大慶油田公司第四采油廠,黑龍江大慶 163511; 4.中國石油大港油田石油工程研究院，天津 300280)

儲層品質(zhì)在時空上的演變受到沉積物的原始沉積、機(jī)械壓實、膠結(jié)作用以及構(gòu)造活動等諸多因素的影響[1-3]。在沉積成巖過程中,流體與巖石的相互作用致使儲層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變,從而成為影響致密油氣富集和高效產(chǎn)出的關(guān)鍵因素[4]。致密儲層發(fā)育大量微—納米級儲集空間,空間的類型、尺寸及結(jié)構(gòu)隨著不同成巖事件時刻發(fā)生著變化,從而使儲層的儲集性能和滲流能力在空間上呈現(xiàn)較強(qiáng)的非均質(zhì)性[5]。儲集空間類型及尺寸的演變,對致密油氣的分布和富集有著顯著的影響,開展相關(guān)研究對指導(dǎo)致密油氣的勘探開發(fā)有著重要的意義。泉四段是松遼盆地南部坳陷結(jié)構(gòu)中重要的含油氣層位之一,是構(gòu)造型油氣藏勘探時期的主力層位。在凹陷和斜坡帶,泉四段儲層以低滲透的河道砂巖為主,油氣來源于上覆地層的青山口組湖相泥巖,形成上生下儲的生儲蓋組合[6]。恒速壓汞實驗發(fā)現(xiàn),該地區(qū)較多的致密砂巖樣品中喉道的進(jìn)汞飽和度遠(yuǎn)大于孔隙的進(jìn)汞飽和度,從而引發(fā)了對孔隙和喉道進(jìn)汞飽和度有貢獻(xiàn)的儲集空間類型以及這些空間演化機(jī)制的思考。筆者通過大量的薄片和掃描電鏡觀察,并結(jié)合恒速壓汞實驗特征及結(jié)果,剖析研究區(qū)不同成巖環(huán)境下的成巖事件,以及這些成巖事件對儲層儲集空間類型及尺寸的影響,探討致密油氣在不同尺寸儲集空間的賦存和分布特征。

1 成巖環(huán)境及演化特征

受細(xì)菌活動、有機(jī)質(zhì)演化、流體-礦物反應(yīng)等影響,地層中的流體酸堿性總是在不斷地變化。特定礦物的沉淀或溶解,是區(qū)分地層水酸堿性的典型標(biāo)志。如碳酸鹽/長石溶解、高嶺石的形成、石英加大等是酸性環(huán)境下典型的成巖事件;而石英的溶解、長石加大、鐵方解石和鐵白云石等礦物的沉淀、以及黏土礦物中綠泥石、伊利石的形成標(biāo)志著堿性成巖環(huán)境[7]。

薄片觀察發(fā)現(xiàn),松遼盆地南部泉四段致密砂巖成巖環(huán)境呈現(xiàn)從堿性到酸性再到堿性的演變。綠泥石包殼的形成(圖1(a)、(b))和基底式碳酸鹽膠結(jié)(圖1(c))是原始堿性沉積環(huán)境的具體體現(xiàn)。地層水中豐富Fe2+、Mg2+是綠泥石形成的關(guān)鍵因素,其來源有河流帶入[8]、火成巖巖屑水[9]、泥巖壓實脫水[10]以及外部流體滲入[11]等。松遼盆地南部泉四段為炎熱干旱或半干旱的堿性沉積環(huán)境[12],在河流入湖/海處,因電解質(zhì)發(fā)生絮凝沉淀,在地層中形成富含 Fe2+、Mg2+的堿性流體[13]。在沉積初期壓實作用較弱的情況下,綠泥石可圍繞顆粒呈薄膜式生長。

包殼綠泥石包裹顆粒生長后,硅質(zhì)膠結(jié)物充填于粒間孔(圖1(b)),標(biāo)志著地層流體由堿性向酸性轉(zhuǎn)變。長石的溶蝕作用(圖1(d))、片鈉鋁石交代長石(圖1(e))以及石英次生加大(圖1(f))等成巖作用也隨之發(fā)生。幔源的CO2是該地區(qū)泉四段地層環(huán)境由堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝缘闹匾?。王國棟等[14]在松遼盆地青山口組二+三段所發(fā)現(xiàn)的震積巖便是火山-構(gòu)造活動引發(fā)地震在深水環(huán)境中的記錄。幔源巖漿中的CO2從底部向上運移,受到青山口組大套泥巖的阻隔,大量CO2聚集于泉四段地層中并長時間保持高CO2分壓狀態(tài)[15],從而引發(fā)長石等不穩(wěn)定礦物的溶解,并釋放大量的Na+、Al3+。這些離子和重碳酸根的絡(luò)合,使得片鈉鋁石充填于粒間孔或交代長石碎屑顆粒(圖1(e))。

隨著成巖蝕變反應(yīng)對酸性流體的消耗,地層水中堿性陽離子增多,孔隙流體逐漸由酸性向堿性轉(zhuǎn)變。諸多研究業(yè)已證實,地層流體的pH值隨著埋藏和成巖演化而逐漸升高[16]。在晚期堿性環(huán)境中,研究區(qū)典型成巖作用表現(xiàn)為長石的次生加大(圖1(g))、碳酸鹽交代長石(圖1(h))、碳酸鹽充填壓裂縫(圖1(i))以及鐵方解石、鐵白云石的膠結(jié)/交代作用(圖1(j)～(l))等。從結(jié)構(gòu)關(guān)系上判定,這些成巖礦物的形成時期明顯晚于強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(圖1(i))、長石溶蝕(圖1(g)、(h)、(k)、(l))以及石英加大(圖1(i)、(j))等酸性環(huán)境下的成巖作用。

圖1 不同成巖演化下的鏡下照片F(xiàn)ig.1 Photomicrographs showing different diagenetic alterations

2 黏土礦物演化及生長特征

2.1 黏土礦物類型演化

黏土礦物是致密砂巖中重要的填隙物,其類型和演化特征對儲層物性有著顯著的影響[17]。研究區(qū)泉四段自生黏土礦物含量在0.57%～26%,均值為7.9%,主要為伊利石(I)、伊蒙混層(I/S)、高嶺石(K)和綠泥石(C),存在I+I/S、I+I/S+K、I+I/S+K+C和I+I/S+C這4種組合方式。其中伊/蒙混層和伊利石含量較高,其次為綠泥石,3種黏土礦物的高含量深度段出現(xiàn)在1 000 m以下(圖2);高嶺石含量隨著埋深的增大逐漸降低,在埋深小于500 m時具有較高的含量(圖2)。

黏土礦物的形成及演化受到溫壓、時間和地層水酸堿性的影響[18-19],故此不同類型的黏土礦物在一定程度上可反映形成時的水介質(zhì)條件和成巖環(huán)境。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),伊/蒙混層和伊利石普遍共存(圖3(a)),這是在富Al3+和K+的堿性環(huán)境下蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的直觀證據(jù)。Berger等[19]通過動力學(xué)模擬證明了高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化的可能性,但只有當(dāng)孔隙流體中的K+活度超過鉀長石沉淀的臨界值該反應(yīng)才會進(jìn)行。在研究區(qū)的早期堿性環(huán)境中,由于地層埋藏較淺,地層流體通暢,硅鋁酸鹽溶解提供的K+被迅速帶走,難以使得高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化。在晚期的堿性環(huán)境中,由于地層逐漸致密且之前經(jīng)歷了酸性環(huán)境下鉀長石的溶蝕,K+的帶出受限,為高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化提供條件。鏡下觀察也可發(fā)現(xiàn)高嶺石與伊利石共生現(xiàn)象(圖3(b)),此外伊利石和高嶺石含量在垂向上也呈現(xiàn)互補的趨勢(圖2)。

綠泥石是富Fe2+、Mg2+的堿性環(huán)境下產(chǎn)物,也是研究區(qū)常見的一種黏土礦物。包膜或孔襯型綠泥石形成于較早的成巖階段,往往以葉片狀賦存于礦物表面(圖3(c)),主要產(chǎn)于三角洲前緣環(huán)境[20]。以單礦物充填粒間孔的綠泥石可由蒙脫石、伊利石、高嶺石以及鉀長石等在富Fe2+、Mg2+的堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)化而成[21],多以疊層狀、絨球狀向孔隙中心生長(圖3(d))。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中生成大量的Fe2+、Mg2+,使得蒙脫石向綠泥石轉(zhuǎn)化成為可能。此外,高嶺石在堿性環(huán)境下不穩(wěn)定,高嶺石的溶解可導(dǎo)致晚期綠泥石、伊利石以及石英的沉淀。可以觀察到,隨著埋深的增大高嶺石的含量急劇減小,而綠泥石和伊利石含量逐漸增大(圖2)。

圖2 松遼盆地南部泉四段黏土礦物垂向演化特征Fig.2 Vertical evolution characteristics of clay minerals in Quantou4 member of southern Songliao Basin

酸性環(huán)境下蒙脫石易向高嶺石轉(zhuǎn)換,長石等硅鋁酸鹽在酸性環(huán)境下脫去堿性離子富集硅、鋁而形成高嶺石,伴生的SiO2成為硅質(zhì)膠結(jié)的物質(zhì)基礎(chǔ)。由掃描電鏡可觀察到,蒙脫石與高嶺石共生于粒間孔隙中(圖3(e));此外,在溶蝕的長石附近,也伴生著蠕蟲狀的高嶺石(圖3(f))。

圖3 掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs

由于地層水的酸堿性演化,黏土礦物中包膜綠泥石最早形成,并在此階段蒙脫石經(jīng)伊/蒙混層逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化;在隨后的酸性環(huán)境下,高嶺石大量形成,同時伴生著石英加大等其他成巖作用。隨著成巖環(huán)境再次演變?yōu)閴A性環(huán)境,伊利石、綠泥石的含量急劇增多,且繼續(xù)向孔隙中心生長;高嶺石向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化,含量逐漸降低。

2.2 黏土礦物生長形態(tài)演化

Neasham[22]將黏土礦物劃分為離散型、孔襯型和孔橋型。離散型黏土礦物以隨機(jī)序列充填于孔隙內(nèi),如高嶺石晶體;孔襯型黏土礦物垂直附著在孔壁表面,通常表現(xiàn)為富含微孔的連續(xù)黏土層;孔橋型黏土附著在孔隙表面,且向孔隙內(nèi)延伸生長,甚至可以貫穿整個孔隙成搭橋作用。綠泥石、伊/蒙混層以及伊利石等在粒間孔內(nèi)均可呈孔襯或孔橋形態(tài)生長。

在成巖早期,研究區(qū)泉四段主要為堿性環(huán)境,黏土礦物也主要為包膜綠泥石(圖4(a))以及孔襯型生長的伊/蒙混層和伊利石(圖4(b))。當(dāng)成巖環(huán)境演變呈酸性,高嶺石晶體大量形成并充填孔隙(圖4(c))。從圖4(d)中可以看出,離散狀高嶺石緊鄰綠泥石包膜生長,這是高嶺石的形成時期晚于綠泥石包膜的佐證。晚期的堿性環(huán)境是伊/蒙混層、伊利石、綠泥石等黏土礦物主要的形成時期,隨著含量的增大,黏土礦物從孔襯型逐漸向孔橋型轉(zhuǎn)變,粒間孔逐漸被黏土礦物所充填(圖4(e)、(f))。

圖4 自生礦物生長形態(tài)Fig.4 Growth morphology of autogenic minerals

3 儲集空間特征及成巖作用的影響

3.1 致密砂巖儲集空間特征

恒速壓汞能很好地區(qū)分孔隙和喉道而被廣泛應(yīng)用于孔喉結(jié)構(gòu)的定量表征,并根據(jù)毛管壓力曲線的變化特征來區(qū)分孔隙和喉道。汞每當(dāng)突破喉道進(jìn)入尺寸較大的微米級孔時,均會表現(xiàn)為壓力驟降,孔隙的尺寸即是根據(jù)壓力下降至再次回升至下降前壓力期間所充注的汞量來計算;當(dāng)汞進(jìn)入類似晶間孔的納米級孔隙時,由于其尺寸與喉道相當(dāng),甚至更小,壓力曲線一般不會產(chǎn)生明顯的壓降[23]。所以,恒速壓汞中的喉道進(jìn)汞飽和度不僅僅由連通粒間孔的喉道貢獻(xiàn),還由諸如自生礦物晶間孔、粒內(nèi)蜂窩狀溶蝕孔等納米級孔隙所貢獻(xiàn)。

30塊樣品的恒速壓汞實驗結(jié)果揭示,致密砂巖中孔隙和喉道的進(jìn)汞飽和度呈現(xiàn)3種關(guān)系:①類型Ⅰ，孔隙進(jìn)汞飽和度遠(yuǎn)大于喉道進(jìn)汞飽和度(圖5(a));②類型Ⅱ，孔隙和喉道的進(jìn)汞飽和度相當(dāng)(圖5(b));③類型Ⅲ，喉道的進(jìn)汞飽和度遠(yuǎn)超過孔隙的進(jìn)汞飽和度(圖5(c))。整體上,隨著致密砂巖孔隙度和滲透率的降低,樣品的孔隙進(jìn)汞飽和度逐漸降低(圖5(d)、(e)),喉道的進(jìn)汞飽和度逐漸升高(圖5(f)、(g))。其中,類型Ⅰ樣品通常具有較高的孔滲、較高的孔隙進(jìn)汞飽和度以及較低的喉道進(jìn)汞飽和度,類型Ⅲ樣品反之,類型Ⅱ樣品介于二者之間(圖5(d)～(g))。孔隙和喉道進(jìn)汞飽和度的變化體現(xiàn)了儲集空間的尺寸隨著物性的變差逐漸由微米級向納米級演變,這種演變受控于成巖演化,制約著致密砂巖的儲集和滲流能力。雖然機(jī)械壓實對儲層物性的消極影響貫穿于整個成巖階段,是微米級儲集空間減少的成因之一,但并非是納米級儲集空間增多的根源。從鏡下觀察來看,不穩(wěn)定礦物的溶蝕、硅質(zhì)/鈣質(zhì)的重結(jié)晶以及黏土礦物的生長等是納米級儲集空間的主要來源。長石被溶蝕后,不僅增大了微米級儲集空間,同時還形成大量蜂窩狀溶蝕孔(圖6(a))。石英、長石等礦物重結(jié)晶也是大量納米級晶間孔形成的主要原因(圖6(b)～(e))。更重要的,黏土礦物的廣泛發(fā)育是致密砂巖納米級空間增多的重要機(jī)制(圖6(f))。

圖5 致密砂巖恒速壓汞的進(jìn)汞特征以及孔、喉進(jìn)汞飽和度與孔隙度和滲透率關(guān)系Fig.5 Mercury injection characteristics of tight sandstones in rate-controlled mercury injection experiments and relationship among mercury saturation of pores and throats, porosity and permeability

3.2 成巖作用對儲集空間的影響

在早期的堿性成巖環(huán)境下,包膜綠泥石以及由蒙脫石轉(zhuǎn)化的伊/蒙混層、伊利石以孔襯型生長于孔隙內(nèi)壁(圖4(a)、(b))。此階段的黏土礦物對砂巖的儲集性能具有雙重作用,既縮小了孔隙半徑,又一定程度上增強(qiáng)了巖石的抗壓性[20]。由于此階段自生礦物的數(shù)量較為有限,溶蝕作用也不甚發(fā)育,故此納米級儲集空間也較為有限,依然以微米級粒間孔為主,在恒速壓汞實驗中表現(xiàn)為孔隙的進(jìn)汞飽和度遠(yuǎn)超過喉道(圖5(a))。隨著地層環(huán)境從堿性轉(zhuǎn)化為酸性,在酸性流體的侵蝕下,不穩(wěn)定礦物的溶蝕延緩了砂巖孔隙度降低的趨勢。如長石的溶蝕,雖然可以形成大量高嶺石,但由于物質(zhì)守恒以及長石與高嶺石密度的差異,使得長石轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X石依然可以增孔被溶長石體積的12.5%,巖石的總孔隙度有所增加[24]。需要注意的是,形成的高嶺石以離散型占據(jù)微米級粒間孔(圖3(f)),且自生高嶺石晶間孔也促進(jìn)了納米級儲集空間的增多(圖4(c)、(d))。此外,蒙脫石、長石向高嶺石轉(zhuǎn)化過程中釋放出SiO2,使得次生石英晶體在此階段廣泛發(fā)育。次生石英在占據(jù)微米級的粒間孔的同時,也提供了部分納米級的晶間孔(圖6(b))。因此,這個過程總體上依然是儲層致密化的過程,是將“宏孔”轉(zhuǎn)化為“微孔”以及“微孔”納米化的過程。由于該階段巖石中微米級的粒間孔逐漸減少,納米級晶間孔、蜂窩狀溶蝕孔逐漸增多,在恒速壓汞實驗中表現(xiàn)為孔隙和喉道的進(jìn)汞量相當(dāng)(圖5(b))。在晚期的堿性環(huán)境下,由于壓實、膠結(jié)作用的進(jìn)一步增強(qiáng),大量的粒間孔/溶蝕孔被膠結(jié)或被自生礦物充填(如鐵方解石、鐵白云石、次生長石、黏土礦物等),殘留的粒間孔體積急劇降低。同時,這些自生礦物的大規(guī)模生長,促使納米級儲集空間顯著增多(圖6(c)～(f)),在恒速壓汞中表現(xiàn)為喉道的進(jìn)汞量遠(yuǎn)超過孔隙的進(jìn)汞量(圖5(c))。

圖6 納米級孔類型及發(fā)育特征Fig.6 Nano-pore type and development characteristics

除了自生礦物含量引起儲集空間特征的改變外,自生礦物的生長形態(tài)的差異,也會使得流體的儲集性能和滲流能力發(fā)生改變。Neasham[22]提出隨著自生礦物的生長形態(tài)從離散型、孔襯型到孔橋型的轉(zhuǎn)變,砂巖的孔隙度和滲透率逐漸降低。離散型自生礦物以分散質(zhì)點形式充填于孔隙中,主要是通過細(xì)小顆粒遷移堵塞喉道來影響巖石的滲透性,如高嶺石(圖4(d))。隨著高嶺石含量的增加儲層滲透率呈減小的趨勢(圖7(a));然而孔隙度隨高嶺石含量的增加卻呈增大的趨勢(圖7(b)),這可能是長石的高嶺石化引起增孔所致?？滓r型黏土礦物雖然對巖石的抗壓性起到積極的作用,但同樣侵占了大量的粒間孔,且縮小了孔喉半徑,諸如孔襯型的綠泥石和伊/蒙混層(圖4(a)、(b))。隨著綠泥石和伊/蒙混層含量的增加,雖然滲透率變化趨勢不明顯(圖7(c)、(e)),但孔隙度呈典型的減小趨勢(圖7(d)、(f))。對儲層物性影響最大的為孔橋型自生礦物(如絲狀或纖維狀的伊利石,圖4(f)),這類自生礦物基本充填整個粒間孔隙,縱橫交錯分布,將粒間孔/溶蝕孔分割成諸多更加細(xì)小的微孔,使?jié)B流通道更加曲折,滲流能力降低(圖7(g))。由于孔橋型伊利石主要使微孔納米化,因此對于總孔隙度大小影響并不明顯(圖7(h))。此外,由于黏土礦物較大的比表面以及較強(qiáng)的吸水能力會使致密儲層內(nèi)具有較好的束縛水飽和度,也大幅度降低儲層的儲集性能。

由此可見,自生礦物的重結(jié)晶、轉(zhuǎn)化及其生長形態(tài)是儲集空間從微米級向納米級演變的關(guān)鍵,也是制約致密砂巖儲集性能和滲流能力的重要因素。致密油氣的運聚成藏是油氣驅(qū)動力(超壓)和儲層毛管阻力間的動態(tài)平衡,而儲集空間尺寸的納米化,大幅增加了儲層的毛管阻力,油氣充注的能力下降,儲集空間的有效性隨之降低。多尺度儲集空間的非均質(zhì)性以及烴類流體驅(qū)動力的差異,造成不同區(qū)域/層段致密儲層含油性有所不同。烴類流體的驅(qū)動力達(dá)到致密砂巖的進(jìn)入壓力后,油氣先充注微米級孔喉系統(tǒng)。隨著微米級的(縮小)粒間孔逐漸充滿油氣,流體壓力逐漸回升,開始充注諸如黏土礦物晶間孔等納米級儲集系統(tǒng)。松遼盆地南部泉四段致密油藏主要以青一段超壓為驅(qū)動力沿斷層下排倒灌、然后沿砂體側(cè)向運移而致。統(tǒng)計與青一段嫩江組末期超壓相當(dāng)(18～20 MPa)但與斷層距離不同的井含油飽和度與儲層滲透率的關(guān)系。結(jié)果表明,儲層的含油飽和度為35.8%～55.7%,均值為46.4%,但單井與斷層距離超過500 m的儲層滲透率要明顯大于與斷層距離小于500 m的儲層(圖8)。在油氣驅(qū)動力較大時(油氣運移距離較短),即使是孔滲較差、以納米級儲集空間為主的致密砂巖也依然能夠具有相對較高的含油飽和度。但當(dāng)油氣運移距離相對較遠(yuǎn)時,油氣可能僅僅賦存于孔、滲條件較好、以微米級儲集空間為主的致密儲層中。

圖7 不同類型黏土礦物含量與孔隙度、滲透率之間關(guān)系Fig.7 Relationship among porosity, permeability and clay content of different types

圖8 含油飽和度與滲透率關(guān)系Fig.8 Relationship between oil saturation and permeability

4 結(jié) 論

(1)松遼盆地南部泉四段經(jīng)歷了堿性—酸性—堿性的成巖環(huán)境。包膜綠泥石、基底式碳酸鹽膠結(jié)以及部分伊/蒙混層、伊利石是早期堿性環(huán)境下的產(chǎn)物;長石溶蝕、自生高嶺石的形成、石英次生加大是酸性環(huán)境下的主要成巖事件;晚期的堿性環(huán)境中,高嶺石逐漸轉(zhuǎn)變成伊利石和綠泥石,同時隨著蒙脫石向伊/蒙混層和伊利石轉(zhuǎn)化的持續(xù),伊/蒙混層、伊利石以及綠泥石含量快速增加,生長形態(tài)從孔襯型向孔橋型轉(zhuǎn)變。此外,長石次生加大、鐵方解石/鐵白云石的膠結(jié)交代也是晚期堿性環(huán)境下的成巖事件。

(2)恒速壓汞實驗揭示隨著孔隙度和滲透率的降低,致密砂巖中微米級孔隙的含量逐漸減少,而納米級孔的含量逐漸增多。微—納米儲集空間的演變是不同環(huán)境下成巖作用的結(jié)果。除了機(jī)械壓實外,膠結(jié)作用以及自生礦物的充填是微米級儲集空間減少的主要原因;而粒內(nèi)蜂窩狀溶蝕孔、自生礦物的晶間孔構(gòu)成了納米級儲集空間的主體,是溶蝕、黏土礦物轉(zhuǎn)化以及其他自生礦物重結(jié)晶的結(jié)果。

(3)致密砂巖中微—納米儲集空間的演變不僅影響這儲層的孔滲,更對致密油氣的賦存和分布有著重要的影響。納米級儲集空間的增多使得油氣的充注需要更大的驅(qū)動力,致使致密油氣在遠(yuǎn)源地區(qū)往往富集在微米級孔占主導(dǎo)的砂巖中。但在近源地區(qū),以往不具開發(fā)效益的、納米級儲集空間占主導(dǎo)的致密砂巖,由于具有充足的油氣驅(qū)動力,也將成為致密油氣勘探的范疇。

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