高 翔，張守鵬

(1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅天水 741025；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015)

0 引言

東營(yíng)凹陷位于渤海灣盆地東南緣，郯廬斷裂帶西側(cè)，是晚白堊世末期伸展斷陷作用構(gòu)造背景上發(fā)育起來的中、新生代斷陷盆地，是濟(jì)陽坳陷的一個(gè)次級(jí)凹陷(圖1)，面積5 700km2。凹陷內(nèi)地層自下而上依次為白堊系西洼-王氏組、古近系孔店組、沙河街組、東營(yíng)組，新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組。其中主力含油層系為沙河街組。

圖1 東營(yíng)凹陷構(gòu)造位置Figure 1 Tectonic setting of Dongying depression

本項(xiàng)研究的目標(biāo)層即東營(yíng)凹陷廣泛分布的沙河街組四段上部—灘壩砂體。該砂體多處于烴源巖夾層內(nèi)，單層厚度薄，一般在2～5m之間，但呈現(xiàn)大面積含油、且非油即干的特點(diǎn)，砂體內(nèi)原始地層水殘留量極低，水的去向一直是灘壩砂成藏機(jī)制探索的重點(diǎn)。運(yùn)用常規(guī)油氣成藏理論，對(duì)在缺少明顯構(gòu)造圈閉和斷層發(fā)育條件下的該類“透鏡體狀”砂巖普遍飽含油而無底水的現(xiàn)象很難做出合理解釋。

前期研究發(fā)現(xiàn)，沉積物埋藏至一定深度后，壓實(shí)及排水作用顯著減弱，膠結(jié)作用逐漸占居主導(dǎo)，巖石固結(jié)化程度增高，鉀、鈉長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中有大量的孔隙水被新生礦物晶格所占據(jù)，巖石固、液兩相總體積亦呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，對(duì)此現(xiàn)象概括為成巖“耗水”作用[1-3]。試驗(yàn)證實(shí)，“耗水”作用能夠誘發(fā)新生礦物對(duì)地層孔隙水的吸附，減少地層水含量、提高儲(chǔ)層孔隙度，提供為油氣聚集的動(dòng)力條件—流體勢(shì)差。成巖過程中“耗水”作用的提出對(duì)解釋灘壩砂體成藏提供了一條新思路。

本文依據(jù)耗水作用原理，根據(jù)對(duì)東營(yíng)凹陷沙四段灘壩砂體儲(chǔ)層成巖特征的分析，對(duì)其存在耗水作用的可能性進(jìn)行求證，尋求該類砂體成藏的控制因素，為下一步針對(duì)該領(lǐng)域的深化勘探提供指導(dǎo)。

1 勘探現(xiàn)狀分析與思考

東營(yíng)凹陷灘壩砂體受古地貌地形的控制，主要沿盆地邊緣廣泛分布，雖然單層厚度薄，但層數(shù)累積數(shù)量多，有時(shí)多達(dá)20層以上。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，油氣成藏大多受控于構(gòu)造，該類砂體不具備較好的圈閉條件，缺少聚油構(gòu)造背景，但卻能連片含油，規(guī)模儲(chǔ)量達(dá)到數(shù)億噸，后期勘探潛力較大，但成藏機(jī)制和動(dòng)力來源一直有待于新的認(rèn)識(shí)突破[4-6]。

2004年初，在盆內(nèi)完鉆的高89井鉆遇灘壩砂巖油層，厚度相對(duì)較大，含油飽和度高。雖然儲(chǔ)層屬低孔低滲類型，自然產(chǎn)能低，但灘壩砂體的高充滿度含油還是引起了廣泛關(guān)注[7-9]。傳統(tǒng)的水浮力驅(qū)動(dòng)成藏機(jī)制理論始終無法解釋這一低位巖性體高充滿度含油現(xiàn)象?；趲r石成巖特征和油層物性的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該類儲(chǔ)層普遍見有長(zhǎng)石的強(qiáng)烈蝕變作用，蝕變產(chǎn)物為被伊利石交代的高嶺石殘晶。由此發(fā)現(xiàn)，烴酸流體營(yíng)造了弱酸性環(huán)境，長(zhǎng)石的第一期蝕變產(chǎn)物為自形晶粒狀高嶺石，后期酸性成巖環(huán)境趨弱，巖石回歸堿性化環(huán)境，高嶺石開始為伊利石所交代。但對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)化過程化學(xué)方程式的深化研究發(fā)現(xiàn)，這一過程需要有水的參與，而耗水反應(yīng)前后的總體積也有變化，即體積是減小的，這也就意味著巖石內(nèi)空間體積得到擴(kuò)大，油氣儲(chǔ)集空間在耗水后有增無減[10-15]。

由于耗水作用能夠?qū)е聝?chǔ)層壓力降低(能量虧空)，加大了烴源巖與儲(chǔ)層之間的流體壓力勢(shì)差，增強(qiáng)了油氣運(yùn)聚的動(dòng)力。因此，運(yùn)用耗水作用原理可以解釋灘壩砂體大面積飽含油現(xiàn)象。但這種推斷必須滿足三個(gè)條件，一是灘壩砂體確實(shí)存在耗水現(xiàn)象；二是耗水階段與主排烴階段在時(shí)間上應(yīng)該吻合；三是灘壩砂體必須具備與油氣成藏規(guī)模相匹配的耗水量。

2 灘壩砂體耗水成巖相與主耗水成巖階段的確立

對(duì)東營(yíng)凹陷鉆遇灘壩砂體的利671、利57、梁75、梁109四口探井3 314～4 311m井段巖心樣品進(jìn)行了X衍射半定量分析，發(fā)現(xiàn)灘壩砂巖中殘存的黏土礦物類型主要是伊利石，約占黏土礦物的90%左右，綠泥石5%左右，在不同井區(qū)分布不均。僅含微量高嶺石和伊/蒙混層礦物，偶見綠/蒙混層礦物(洼陷邊緣)。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.85%～11.95%(表1)，作為前期確定的主要耗水礦物相—自生高嶺石，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.2%左右。這個(gè)測(cè)試結(jié)果表明：晚成巖A期的巖石中高嶺石的進(jìn)一步伊利石化程度較高，這個(gè)化學(xué)作用過程同樣提現(xiàn)耗水與體積縮減。

表1 東營(yíng)凹陷灘壩砂油藏黏土礦物組成

偏光鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，東營(yíng)凹陷沙四段灘壩砂體內(nèi)占主導(dǎo)地位的伊利石和微量的綠泥石均是一類繼承性黏土化產(chǎn)物，其蝕變?cè)V物并非來源于長(zhǎng)石、云母類顆粒，而是來源于中繼產(chǎn)物—自生高嶺石(兩類礦物的交代現(xiàn)象)(圖2)。

為了分析目前灘壩砂體中兩類主要的成巖反應(yīng)—高嶺石伊利石化和高嶺石綠泥石化是否存在耗水現(xiàn)象，進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng)式的摩爾量計(jì)算：

高嶺石的伊利石化反應(yīng)過程：

晚成巖B期伊利石化的高嶺石殘晶 晚成巖A期自生高嶺石的標(biāo)準(zhǔn)集晶利671井3917.47m 河142井3028.19m圖2 晚成巖A、B期兩種高嶺石形態(tài)的比較Figure 2 Morphologic comparison of two kinds of kaolinite from later diagenetic period stages A and B respectively

(1)

摩爾克數(shù)3×2582×1002×4203×182×62比重2.62.172.611.05體積29792.216554118.1

反應(yīng)前摩爾體積389.2，反應(yīng)后摩爾體積347.1；

反應(yīng)前后摩爾體積差：42.1；

體積縮小率：42.1/389.2×100%=10.8%。

高嶺石的綠泥石化反應(yīng)過程：

3Al2Si2O5(OH)4+5(Fe，CaMg)(CO3)2+SiO2+2H2O=(Fe,Mg)5Al2Si3O10(OH)8+5CaCO3+5CO2

(2)

摩爾克數(shù)3×2585×240602×187785×100比重2.82.62.651.02.72.7體積428.699.222.636288.1185.2

反應(yīng)前摩爾體積550.37，反應(yīng)后摩爾體積473.1；

反應(yīng)前后摩爾體積差77.23cm3；

體積縮小率：77.23/550.37×100%=14.0%。

由反應(yīng)式(2)計(jì)算出：由高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化過程中，每生成1 000g綠泥石需要130g水，每轉(zhuǎn)化1 000g高嶺石需要46.51g水。

通過化學(xué)反應(yīng)方程式的平衡和計(jì)算，證實(shí)了高嶺石的伊利石化現(xiàn)象不存在耗水反應(yīng)，相反，水分子有排出反應(yīng)后礦物晶格的趨勢(shì)，即存在增水效應(yīng)，但分子體積有所減小。高嶺石的綠泥石化作用產(chǎn)生耗水效應(yīng)，但規(guī)模甚微，對(duì)儲(chǔ)層孔隙度貢獻(xiàn)較小。

通過對(duì)伊利石的殘晶結(jié)構(gòu)觀察分析發(fā)現(xiàn)，局部視域呈現(xiàn)伊利石的它形晶片呈似蠕蟲狀的集晶分布，集晶的單晶呈殘缺的假六邊形狀。因此可以斷定，現(xiàn)今灘壩砂體內(nèi)殘留的伊利石實(shí)際上是由上一個(gè)成巖期—晚成巖A期長(zhǎng)石高嶺石化后，由高嶺石進(jìn)一步蝕變轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物(圖3)。究其這種變化的原因，是與成巖環(huán)境由弱酸性向偏堿性環(huán)境的過渡有關(guān)。大規(guī)模的烴類運(yùn)聚發(fā)生在晚成巖A期，進(jìn)入晚成巖B期后，地層中的有機(jī)酸多已耗盡，堿性礦物(長(zhǎng)石類為主)的游離離子促成了弱堿性環(huán)境的形成，從而生成了大量的伊利石。局部存在的高嶺石綠泥石化與高壓環(huán)境中鐵、鎂離子的富集有關(guān)。

盡管高嶺石的伊利石化現(xiàn)象不利于耗水作用的發(fā)生，高嶺石的綠泥石化作用(存在耗水現(xiàn)象)規(guī)模甚微，但所有這些反應(yīng)均發(fā)生于現(xiàn)今成巖階段，即晚成巖B期。而灘壩砂的主成藏期(大規(guī)模烴類運(yùn)聚階段)發(fā)生于晚成巖A期(圖2)，對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)熱演化指標(biāo)Ro為0.5～0.7之間，此階段以發(fā)育長(zhǎng)石的高嶺石化作用為主，期間發(fā)生了大規(guī)模耗水作用，已經(jīng)被伊利石化取代的高嶺石殘晶結(jié)構(gòu)就是前耗水成巖相的證據(jù)。

根據(jù)對(duì)示烴成巖礦物[10]—含鐵碳酸鹽及黃鐵礦示烴球(圖4)的微量元素、硫同位素及部分包裹體數(shù)據(jù)顯示，晚成巖A期是灘壩砂油藏主要的聚油階段，自生高嶺石的生成伴隨大量示烴礦物的出現(xiàn)，而高嶺石殘晶顯示了發(fā)生大量高嶺石化的階段與成藏聚油階段完全一致，與前期研究所確定的東營(yíng)中、北部區(qū)域主耗水深度段2 500m～2 700m成巖階段是完全吻合的。因此，灘壩砂主成藏期與耗水作用在時(shí)間上是吻合的。

圖3 東營(yíng)凹陷成巖階段劃分與黏土礦物分布(參考文獻(xiàn)[10])Figure 3 Stage partitioning in diagenetic period and clay minerals distribution in Dongying depression (after reference [10])

圖4 油氣充注期的示烴成巖礦物Figure 4 Hydrocarbon indicating minerals during oil andgas filling stage

這一結(jié)論意味著灘壩砂體在前成巖期依舊是主要的耗水作用階段，成巖礦物學(xué)標(biāo)志揭示了耗水作用發(fā)生的過程。

3 耗水作用對(duì)成藏動(dòng)力來源的貢獻(xiàn)

由鉀長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化為高嶺石的化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算得出(表2)，鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石后，巖石體積縮小率計(jì)算式為：

(217.2-99.2-92.3)/217.2×100%=11.75%

表2 鉀長(zhǎng)石蝕變高嶺石體積變化表

從現(xiàn)今伊利石在儲(chǔ)層孔喉中的形態(tài)和含量判斷，前成巖期高嶺石化階段形成的自生高嶺石在10%左右，與長(zhǎng)石的轉(zhuǎn)化率相對(duì)應(yīng)，這一轉(zhuǎn)化過程僅從體積變化上就貢獻(xiàn)了1.33%?？紤]消耗水的體積，則由耗水作用導(dǎo)致了約5%以上的孔隙度貢獻(xiàn)值。由于前成巖期儲(chǔ)層經(jīng)歷了充分的壓實(shí)，按照壓實(shí)-埋深曲線所對(duì)應(yīng)的孔隙度范圍應(yīng)在15%以下，已屬中低滲透層。因此，耗水作用對(duì)處于前成巖期階段的灘壩砂而言，其對(duì)孔隙度的貢獻(xiàn)值是非常明顯的。

針對(duì)灘壩砂油藏成藏動(dòng)力機(jī)制的來源問題，通過巖石化學(xué)理論探索和上述試驗(yàn)結(jié)論，發(fā)現(xiàn)耗水作用使得灘壩砂體孔隙內(nèi)水被大量消耗并形成儲(chǔ)層內(nèi)部壓力“虧空”(相對(duì)于靜巖壓力)，周圍烴源巖生成的油氣在靜巖壓力作用下進(jìn)入這一“虧空”區(qū)域形成油藏。據(jù)此首創(chuàng)性的提出了基于儲(chǔ)層耗水減壓的油氣“耗水降壓、負(fù)壓充注”成藏模式，即，源巖巖石覆壓作用為油氣充注提供外部驅(qū)動(dòng)力，即“壓”力；成巖耗水作用導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部降壓，為油氣充注提供內(nèi)部抽吸力，即“吸”力。上述“壓與吸”的作用(合力)共同提供油氣充注動(dòng)力，形成灘壩砂特殊的成藏機(jī)制。“耗水降壓、負(fù)壓充注”導(dǎo)致了油藏含油飽和度的增大及含水率的降低，提高了深層灘壩砂巖油氣成藏效率，揭示了灘壩砂大面積含油的規(guī)律。

4 耗水量與油氣聚集規(guī)模分析

耗水現(xiàn)象發(fā)生于封閉體系中的巖石孔喉結(jié)構(gòu)內(nèi)。從理論上分析，完全被水飽和的儲(chǔ)層架構(gòu)中，水的損失體積完全為原油所占據(jù)時(shí)，耗水量即等于儲(chǔ)油量。

本文以正理莊的高89井區(qū)、大蘆湖的樊159井區(qū)、梁家樓的梁108至梁112井區(qū)以及濱南的梁76井區(qū)為解剖研究對(duì)象，分析了其發(fā)育的灘壩砂在油氣充注期高嶺石化所引發(fā)的耗水作用及耗水量，進(jìn)而拓展至整個(gè)東營(yíng)凹陷灘壩砂分布規(guī)模，進(jìn)行了總耗水量的計(jì)算，從而為該區(qū)原油聚集規(guī)模提供了重要的勘探依據(jù)。

計(jì)算原理：利用長(zhǎng)石發(fā)生高嶺石化的摩爾分子及體積的變化量、長(zhǎng)石密度等參數(shù)值，計(jì)算出每克單位長(zhǎng)石的耗水量，利用井、震參數(shù)對(duì)灘壩砂體總體積進(jìn)行計(jì)算，利用巖石光學(xué)鑒定參數(shù)確定蝕變長(zhǎng)石的百分率，依此形成灘壩砂體總耗水量的計(jì)算公式。

總耗水量=砂體體積×蝕變長(zhǎng)石比率×長(zhǎng)石比重×單位克長(zhǎng)石耗水量。

由于：鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中，如下式：

2KAlSi3O8+2CO2+3H2O=Al2Si2O5(OH)4+2KHCO3+4SiO2

計(jì)算可得，1 000g鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需要97.1g水。

而鈉長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的過程中，如下式：

2NaAlSi3O8+ 2CO2+3H2O =Al2Si2O5(OH)4+2NaHCO3+ 4SiO2

計(jì)算可得，1 000g鈉長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需要103.1g水。

本區(qū)巖石中鉀、鈉長(zhǎng)石含量相當(dāng)，因此1 000g長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石可取平均耗水值100.1g

則：典型區(qū)塊含油砂體中的耗水量為(表2)：

1200×106(面積)×7.3(厚度)×20%(長(zhǎng)石蝕變率)×2.57(長(zhǎng)石密度)×100.1(克耗水量)=4.9×108(t)

東營(yíng)凹陷灘壩砂總耗水量為(表3)：

1200×106×33(厚度)×20%(長(zhǎng)石蝕變率)×2.57(長(zhǎng)石密度)×100.1(克耗水量)=20×108(t)

表3 耗水量計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算結(jié)果顯示，灘壩砂中已經(jīng)確認(rèn)的含油砂體總耗水量4.9億t，灘壩砂體總耗水量達(dá)20億t，相當(dāng)于提供了等量的原油儲(chǔ)集量。與目前勘探程度比較，如果耗水作用在油氣主成藏期形成了20億t的油氣儲(chǔ)量規(guī)模，則針對(duì)灘壩砂體的勘探存在巨大的潛力。

5 結(jié)語

運(yùn)用耗水作用原理合理地解釋了東營(yíng)凹陷灘壩砂油藏成藏動(dòng)力機(jī)制和對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)，使得長(zhǎng)期以來不被重視的薄互層灘壩砂呈現(xiàn)出良好的勘探局面，又一次體現(xiàn)了新理論、新發(fā)現(xiàn)在油區(qū)勘探實(shí)踐中解決“老問題”的實(shí)效性。沉積巖的蝕變耗水作用既然能夠在封閉體系內(nèi)提供“壓吸”動(dòng)力和儲(chǔ)集空間，則對(duì)于其它油藏類型的運(yùn)、聚、藏過程必定產(chǎn)生影響，這一領(lǐng)域的研究和探索仍將延續(xù)和深化。