范彩偉,曹江駿,羅靜蘭,李珊珊,吳仕玖,代龍,侯靜嫻,毛倩茹
(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057;2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069)
異常高壓作為地層壓力系統(tǒng)中一種特有的現(xiàn)象,于1951年在美國(guó)墨西哥灣被發(fā)現(xiàn)[1]以來(lái)的70余年時(shí)間里,一直是含油氣盆地研究的熱點(diǎn)。異常高壓對(duì)儲(chǔ)集層壓實(shí)作用強(qiáng)度[2]、黏土礦物轉(zhuǎn)化及膠結(jié)作用[3-4]、烴源巖生烴窗口及生烴時(shí)間、溶蝕作用強(qiáng)度[5-6]、裂縫發(fā)育及儲(chǔ)集層滲流能力[7]均有重要影響,并直接影響了儲(chǔ)集層的質(zhì)量。一般而言,異常高壓環(huán)境下儲(chǔ)集層應(yīng)具有較好的物性,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層更發(fā)育。但在實(shí)際勘探中,異常高壓背景下仍然存在與常壓下相似的低孔、低滲,特低孔、特低滲儲(chǔ)集層,并表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。因此,研究異常高壓下儲(chǔ)集層非均質(zhì)性特征及其影響因素,對(duì)弄清異常高壓盆地中深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)制、預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層分布至關(guān)重要。
中國(guó)的異常高壓地層多分布于海相多旋回疊合盆地中。鶯歌海盆地是中國(guó)異常高壓盆地的典型代表,隨著勘探開(kāi)發(fā)力度的不斷加大,相繼在 DF、LD等區(qū)塊發(fā)現(xiàn)一系列大氣田。特別是近年來(lái),中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司在LD區(qū)塊中新統(tǒng)黃流組海相重力流砂體中勘探再獲突破,并發(fā)現(xiàn)了 LD10區(qū)大氣田。前人針對(duì)黃流組的研究主要集中在儲(chǔ)集層沉積特征及砂體發(fā)育機(jī)制[8-9]、異常高壓對(duì)儲(chǔ)集層成巖作用的影響[10]、儲(chǔ)集層特征及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)理[11]、儲(chǔ)集層地層水特征與油氣關(guān)系[12]、異常高壓下儲(chǔ)集層孔喉結(jié)構(gòu)特征[13]、異常高孔帶分布與油氣有利聚集區(qū)等方面[14-15],針對(duì)異常高壓下儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的研究相對(duì)薄弱。本文以鶯歌海盆地LD10區(qū)中新統(tǒng)黃流組為研究對(duì)象,在儲(chǔ)集層微觀特征研究基礎(chǔ)上,分析儲(chǔ)集層非均質(zhì)性特征及其演化過(guò)程,明確非均質(zhì)性的影響因素,為L(zhǎng)D10區(qū)黃流組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)理、有利儲(chǔ)集層分布預(yù)測(cè)提供借鑒與思路。
鶯歌海盆地為北西—南東向的新生代高溫(地溫梯度約4.6 ℃/100 m)、異常高壓(壓力系數(shù)最高可達(dá)2.3)轉(zhuǎn)換-伸展盆地,總面積約11.3×104km2[16-17],是中國(guó)海上天然氣勘探的主要區(qū)域之一。該盆地自西向東由鶯西斜坡、中央坳陷、鶯東斜坡 3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元組成。LD10區(qū)位于中央坳陷的底辟構(gòu)造帶與鶯東斜坡帶之間的凹陷斜坡帶(見(jiàn)圖1a),其構(gòu)造演化經(jīng)歷了裂陷期與裂后期兩大階段,裂陷期包括斷陷期(距今28.5~66.0 Ma)與斷拗期(距今23.0~28.5 Ma),裂后期包括熱沉降期(距今 5.5~28.5 Ma)與加速熱沉降期(距今0~5.5 Ma)[18]。盆地具有強(qiáng)烈沉降、快速充填、高溫超壓、底辟發(fā)育等顯著特征,自下而上依次沉積了古近系始新統(tǒng)嶺頭組(E2l),漸新統(tǒng)崖城組(E3y)、陵水組(E3l),新近系中新統(tǒng)三亞組(N1s)、梅山組(N1m)、黃流組(N1h),上新統(tǒng)鶯歌海組(N2y)及第四系的樂(lè)東組(Ql)(見(jiàn)圖 1b),沉積厚度約 17 km[16]。黃流組發(fā)育淺海相峽谷水道、海底扇等2 種沉積類(lèi)型。LD10區(qū)黃流組二段(N1h2)為峽谷水道沉積,平面上整體沿盆地長(zhǎng)軸方向呈北西向展布,海底扇在黃一段(N1h1)、黃二段都有發(fā)育[19],其中的深水重力流砂體為研究區(qū)天然氣勘探的主要目標(biāo)。
鶯歌海盆地普遍發(fā)育異常高壓。前人研究表明,盆地晚期的快速沉降是異常高壓形成的重要條件,以泥巖欠壓實(shí)作用為主,構(gòu)造擠壓、流體熱增壓及烴類(lèi)充注等多種作用為輔是異常高壓形成的主要原因[20]。根據(jù)中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/HS 1023—2007《地層壓力預(yù)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)指南》中的壓力劃分標(biāo)準(zhǔn),將地層壓力分為常壓帶(壓力系數(shù)小于1.20),異常高壓帶(壓力系數(shù)大于1.20),并將異常高壓帶進(jìn)一步細(xì)分為壓力過(guò)渡帶(壓力系數(shù)為1.20~1.70)、超壓帶(壓力系數(shù)為1.70~1.95)及強(qiáng)超壓帶(壓力系數(shù)大于1.95)[21]。LD10區(qū)8口井的模塊式地層壓力動(dòng)態(tài)檢測(cè)(MDT)結(jié)果顯示,在深度約2 250 m處(鶯歌海組中下部)壓力系數(shù)達(dá) 1.20,開(kāi)始進(jìn)入壓力過(guò)渡帶。黃流組現(xiàn)今壓力系數(shù)為1.37~2.30,平均值為1.85,超壓帶主要位于黃流組中上部(黃一段),強(qiáng)超壓帶主要位于黃流組中下部(黃二段)。壓力過(guò)渡帶僅在LD-C1與LD-A5兩口井中檢測(cè)到。
本研究采集到鶯歌海盆地涵蓋整個(gè)LD10區(qū)8口取心井(深度為3 710~4 412 m)不同地層壓力條件下的167個(gè)黃流組砂巖樣品(超壓帶41個(gè),強(qiáng)超壓帶126個(gè))作為主樣品,用于研究異常高壓下儲(chǔ)集層非均質(zhì)性特征;同時(shí)獲得與LD10區(qū)相鄰的瓊東南盆地BD19區(qū)4口取心井相似深度段(3 462~4 200 m)30個(gè)常壓帶砂巖樣品作為輔助樣品,用于對(duì)比常壓帶與異常高壓帶儲(chǔ)集層非均質(zhì)性及成巖-孔隙演化差異。樣品主要用于鑄體薄片、全巖及黏土礦物X-射線衍射、圖像孔喉分析、高壓壓汞等分析測(cè)試。此外,還收集到中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司提供的20份模塊式地層動(dòng)態(tài)檢測(cè)資料、13口取心井的巖屑錄井資料及埋藏?zé)崾穲D、65份圖像粒度資料、80張掃描電鏡照片、197個(gè)巖心物性分析數(shù)據(jù)等用于本次研究。
①鑄體薄片分析。將直徑25 mm的鉆柱抽真空后用藍(lán)色環(huán)氧樹(shù)脂注入,磨制成厚度0.03 mm的巖石薄片,并用茜素紅及鐵氰化鉀混合液進(jìn)行染色后用多功能偏光顯微鏡進(jìn)行觀察,為定量統(tǒng)計(jì)薄片中各組分含量,每個(gè)薄片至少統(tǒng)計(jì)300個(gè)點(diǎn)。②全巖及黏土礦物X衍射分析。將樣品粉碎后加入乙醇進(jìn)行研磨后在60 ℃下干燥,用離心分離法提取粒徑小于2 μm的粉末狀樣品,在104 300 Pa、18 ℃條件下,用X射線衍射儀進(jìn)行X衍射分析,用于確定黏土礦成分及含量。③圖像孔喉分析。在鑄體薄片顯微鏡下觀察基礎(chǔ)上,采用彩色圖像分析系統(tǒng)數(shù)字化儀器,對(duì)每個(gè)薄片視域中孔隙與喉道進(jìn)行刻畫(huà),每個(gè)視域至少刻畫(huà) 250個(gè)點(diǎn),以便得出主要的微觀孔喉參數(shù)。④高壓壓汞分析。將外觀完整、無(wú)裂縫、直徑為 2.5 cm左右、圓柱狀砂巖在104 300 Pa、18 ℃條件下采用壓汞儀將汞注入到巖樣孔隙中,當(dāng)進(jìn)汞飽和度達(dá)最大時(shí)降低壓力,記錄汞進(jìn)入和退出的體積及壓力變化,以此取得各項(xiàng)參數(shù),繪制壓汞曲線。上述實(shí)驗(yàn)均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。
致密砂巖儲(chǔ)集層非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在砂巖骨架礦物成分、結(jié)構(gòu)成熟度、填隙物含量及類(lèi)型、孔喉結(jié)構(gòu)、物性差異性等[22-23]。通過(guò)對(duì)比異常高壓與常壓下儲(chǔ)集層骨架礦物與結(jié)構(gòu)成熟度非均質(zhì)性、填隙物非均質(zhì)性、孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性及物性非均質(zhì)性的差異,系統(tǒng)研究異常高壓下儲(chǔ)集層非均質(zhì)性特征。
根據(jù)Folk的砂巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[24],超壓帶與強(qiáng)超壓帶黃流組砂巖均以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主(見(jiàn)圖2a),骨架礦物成分及其含量相近。超壓帶、強(qiáng)超壓帶砂巖中石英平均含量分別為51.9%和52.9%,長(zhǎng)石分別為11.2%和11.3%,巖屑分別為15.0%和14.2%。長(zhǎng)石均以堿性長(zhǎng)石為主(平均值為 9.9%)、少量斜長(zhǎng)石(平均值為1.4%);巖屑均以變質(zhì)巖為主,其次為火成巖,沉積巖最少(見(jiàn)圖2b)。超壓帶與強(qiáng)超壓帶砂巖的結(jié)構(gòu)特征基本相同,磨圓度主要為次棱角—次圓狀(平均占73.4%),粒徑主要為0.25~0.50 mm(平均占51.3%);但超壓帶砂巖顆粒的分選性略好于強(qiáng)超壓帶,前者以差—中等(占41.5%)與中等(占34.1%)為主,后者以中等(占 45.2%)與差—中等(占 37.3%)為主。BD19區(qū)常壓帶儲(chǔ)集層巖性也以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主(見(jiàn)圖2a),石英平均值為53.0%;長(zhǎng)石平均值為8.5%,以堿性長(zhǎng)石為主(占8.3%);巖屑平均值為20.5%,以變質(zhì)巖巖屑為主(占 18.9%)(見(jiàn)圖 2b)。顆粒磨圓度主要為次棱角—次圓狀(占82.5%);粒徑以小于0.25 mm者為主(占42.9%);分選性主要為中等(占57.1%)。
圖2 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組及與其相似深度不同壓力帶砂巖類(lèi)型(a)、及巖屑成分(b)圖(巖屑分類(lèi)圖版據(jù)文獻(xiàn)[23],有修改)
LD10區(qū)黃流組超壓帶、強(qiáng)超壓帶及與其相似深度常壓帶儲(chǔ)集層在巖性、碎屑成分及其含量、巖石結(jié)構(gòu)成熟度及其非均質(zhì)程度方面基本相同(見(jiàn)圖3a—圖3f)。表明黃流組沉積期它們來(lái)自相同的物源及母巖源區(qū)。儲(chǔ)集層骨架礦物與結(jié)構(gòu)成熟度非均質(zhì)性相對(duì)較弱。
圖3 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組及與其相似深度不同壓力帶砂巖巖石學(xué)特征對(duì)比圖
鑄體薄片與全巖及黏土礦物 XRD衍射分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,LD10區(qū)黃流組異常高壓帶及BD19區(qū)常壓帶砂巖孔隙內(nèi)的填隙物包括泥質(zhì)雜基、碳酸鹽礦物(方解石、鐵方解石、白云石、鐵白云石、菱鐵礦)、自生黏土礦物(伊利石、伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石)、黃鐵礦及硅質(zhì)膠結(jié)物。由于砂巖中同沉積的泥質(zhì)雜基含量很低,常壓帶、超壓帶、強(qiáng)超壓帶含量為0~14.5%,平均分別為2.7%,1.1%,0.5%,其對(duì)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的影響十分有限。因此,填隙物非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在成巖作用過(guò)程中形成的膠結(jié)物類(lèi)型及其含量方面。
常壓帶、超壓帶、強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層中成巖膠結(jié)物存在一定差別(見(jiàn)圖3g)。常壓帶、超壓帶、強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層中的膠結(jié)物均以碳酸鹽礦物為主(平均分別為14.4%、9.3%、8.2%),其中的主要成分鐵方解石在常壓帶儲(chǔ)集層中的含量變化范圍最大,在碳酸鹽膠結(jié)物中占比最高(平均占87.5%),膠結(jié)物非均質(zhì)性最強(qiáng)。鐵方解石膠結(jié)物含量由常壓帶(0.1%~37.0%,平均值12.6%)→超壓帶(0~27.5%,平均值為 8.0%)→強(qiáng)超壓帶(0~25.0%,平均值為5.4%)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。常壓帶、超壓帶、強(qiáng)超壓帶自生黏土礦物(平均含量分別為5.1%、4.4%、3.7%)均以伊利石為主,常壓帶含量(平均值為2.8%)略高于超壓帶(平均值為 2.1%)和強(qiáng)超壓帶(平均值為2.6%);硅質(zhì)膠結(jié)物也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)(平均含量分別為 1.0%、0.5%、0.2%)(見(jiàn)圖3g)。暗示異常高壓對(duì)儲(chǔ)集層中鐵方解石、黏土礦物及硅質(zhì)膠結(jié)物的形成起了一定抑制作用,并且隨地層壓力的增高,這種抑制作用逐漸增強(qiáng),致使儲(chǔ)集層由主要膠結(jié)物造成的非均質(zhì)性逐漸減弱。自生黃鐵礦由常壓帶→超壓帶→強(qiáng)超壓帶則表現(xiàn)出略有增加的趨勢(shì)(平均含量分別為 0.1%,0.2%,0.3%)(見(jiàn)圖3g)。這是因?yàn)辄S鐵礦形成于較強(qiáng)還原條件下,處在強(qiáng)超壓帶的儲(chǔ)集層其埋藏深度更大,更趨于強(qiáng)還原成巖環(huán)境,致使深部形成更多的自生黃鐵礦。
其他膠結(jié)物如方解石、(鐵)白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、硅質(zhì)、黏土礦物膠結(jié)物及泥質(zhì)雜基雖然存在局部含量較高現(xiàn)象,但整體含量較低,對(duì)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性影響較?。ㄒ?jiàn)圖3g)。因此,鐵方解石是不同地層壓力條件下影響填隙物含量差異、并造成填隙物強(qiáng)非均質(zhì)性的主要膠結(jié)物。
鑄體薄片觀察及圖像孔喉分析表明,LD10區(qū)黃流組儲(chǔ)集層超壓帶、強(qiáng)超壓帶及 BD19區(qū)常壓帶儲(chǔ)集層均以次生溶孔為主(平均分別占總孔隙的 88%、63%和80%),包括粒間溶孔、長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔及碳酸鹽溶孔,其次為粒間孔與少量微裂隙。其中,常壓帶儲(chǔ)集層面孔率、各類(lèi)孔隙含量、孔隙半徑、喉道寬度、平均孔喉比等均低于或小于超壓帶儲(chǔ)集層,特別是低于或小于強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層(見(jiàn)表1)。
表1 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組及與其相似深度不同壓力帶巖石孔隙類(lèi)型與孔喉特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表
高壓壓汞測(cè)試結(jié)果表明,不同地層壓力下,儲(chǔ)集層孔喉結(jié)構(gòu)具有一定差異性。由常壓帶→超壓帶→強(qiáng)超壓帶,排驅(qū)壓力與中值壓力逐漸降低,中值半徑逐漸變大,孔喉分選系數(shù)與變異系數(shù)逐漸變小,進(jìn)汞率逐漸增大(見(jiàn)表 2)。退汞效率以強(qiáng)超壓帶最高,其次為常壓帶,超壓帶較低(見(jiàn)表 2)。整體上,從常壓帶到強(qiáng)超壓帶,隨著壓力系數(shù)增高,儲(chǔ)集層孔隙含量增多、面孔率增加,孔徑及喉道寬度變大、孔喉分選性變好、孔喉連通性增強(qiáng),孔喉結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)集性能變好,孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性變?nèi)酢?/p>
表2 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組及與其相似深度不同壓力帶儲(chǔ)集層高壓壓汞參數(shù)統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)壓汞參數(shù)及曲線形態(tài),將異常高壓帶儲(chǔ)集層的孔喉結(jié)構(gòu)分為3類(lèi)。其中,Ⅰ型曲線排驅(qū)壓力最低、進(jìn)汞飽和度及退汞效率最高,該類(lèi)曲線對(duì)應(yīng)孔喉結(jié)構(gòu)最好,物性最高,非均質(zhì)性最弱(見(jiàn)表3),以強(qiáng)超壓樣品分布居多(占Ⅰ型樣品的74%)。Ⅱ型曲線排驅(qū)壓力有所上升、進(jìn)汞飽和度及退汞效率有所下降,該類(lèi)曲線對(duì)應(yīng)孔喉結(jié)構(gòu)較好,物性及非均質(zhì)性中等(見(jiàn)表3)。Ⅱ型樣品在超壓帶與強(qiáng)超壓帶均有分布(各占Ⅱ型樣品的43%與57%)。Ⅲ型曲線排驅(qū)壓力最高、進(jìn)汞飽和度及退汞效率最低,該類(lèi)曲線對(duì)應(yīng)孔喉結(jié)構(gòu)較差,物性較低,非均質(zhì)性最強(qiáng)(見(jiàn)表 3),這類(lèi)樣品以超壓帶分布居多(占Ⅲ型樣品的68%)??傮w上,隨地層壓力的增加,砂巖儲(chǔ)集層的孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性變?nèi)?,孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變好。
表3 鶯歌海盆地LD10區(qū)異常高壓下黃流組儲(chǔ)集層高壓壓汞曲線分類(lèi)特征表
物性資料統(tǒng)計(jì)表明,常壓帶儲(chǔ)集層孔隙度為3.20%~12.00%,滲透率為(0.05~9.50)×10-3μm2;超壓帶儲(chǔ)集層孔隙度為 1.00%~14.00%,滲透率(0.05~5.51)×10-3μm2;強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層孔隙度為1.00%~16.00%,滲透率為(0.05~33.70)×10-3μm2。由常壓帶→超壓帶→強(qiáng)超壓帶,平均孔隙度(分別為7.27%,7.83%,8.60%)與平均滲透率(分別為0.57×10-3,0.69×10-3,1.75×10-3μm2)逐漸增高(見(jiàn)圖4a、圖4b)。常壓下,當(dāng)埋藏深度超過(guò)3 400 m時(shí),主要為特低孔、特低滲及致密儲(chǔ)集層(見(jiàn)圖4c、圖4d)。隨埋藏深度的加深,儲(chǔ)集層物性逐漸變差(見(jiàn)圖 4a、圖 4b);異常高壓下,相似深度段內(nèi)以特低孔、特低滲儲(chǔ)集層為主,其次為低孔、低滲及致密儲(chǔ)集層(見(jiàn)圖 4c、圖 4d),但在埋藏較深地帶儲(chǔ)集層的孔隙度與滲透率表現(xiàn)出異常增大的現(xiàn)象(見(jiàn)圖4a、圖4b)。3個(gè)帶儲(chǔ)集層的孔隙度與滲透率呈正相關(guān),說(shuō)明儲(chǔ)集層滲流能力主要受基質(zhì)孔隙的影響(見(jiàn)圖4e)。異常高壓主要通過(guò)影響儲(chǔ)集層的孔隙結(jié)構(gòu)繼而控制儲(chǔ)集層的滲透率。
綜上所述,由于砂巖原始骨架礦物與結(jié)構(gòu)成熟度非均質(zhì)性較弱,研究區(qū)黃流組超壓及強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層非均質(zhì)性主要由膠結(jié)物非均質(zhì)性與孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性決定,并最終決定儲(chǔ)集層物性的非均質(zhì)性。膠結(jié)物非均質(zhì)性主要受鐵方解石膠結(jié)強(qiáng)度的制約,孔喉非均質(zhì)性主要受孔喉結(jié)構(gòu)差異的控制。與常壓帶儲(chǔ)集層相比,隨著壓力系數(shù)的增大,超壓帶及強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層膠結(jié)物及孔喉非均質(zhì)性逐漸減弱,從而導(dǎo)致黃流組中下部強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層非均質(zhì)性弱于、儲(chǔ)集層物性好于黃流組中上部超壓帶儲(chǔ)集層。
壓實(shí)作用是影響儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的重要成巖作用之一。通常情況下,位于常壓帶的儲(chǔ)集層,隨埋藏深度增大,壓實(shí)作用增強(qiáng),儲(chǔ)集層顆粒間接觸關(guān)系由淺部的點(diǎn)接觸、點(diǎn)-線接觸逐漸過(guò)渡為以線接觸及線-凹凸接觸為主,局部甚至可見(jiàn)縫合線接觸[25]。
Beard等[26]認(rèn)為,成巖作用發(fā)生前,儲(chǔ)集層初始孔隙度主要受儲(chǔ)集層顆粒分選性的影響,并提出以Trask分選系數(shù)定量計(jì)算儲(chǔ)集層初始孔隙度((1)、(2)式)。計(jì)算結(jié)果表明,研究區(qū)超壓儲(chǔ)集層的初始孔隙度為34.52%~37.72%(平均值為 36.05%);強(qiáng)超壓儲(chǔ)集層的初始孔隙度為32.98%~38.72%(平均值為36.12%);BD19區(qū)常壓儲(chǔ)集層的初始孔隙度為 33.69%~39.99%(平均值為 36.89%)。常壓、超壓及強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層的初始孔隙度基本相同。暗示儲(chǔ)集層的初始非均質(zhì)性較弱。
鑄體薄片統(tǒng)計(jì)表明,不同地層壓力下,研究區(qū)儲(chǔ)集層由粒間接觸關(guān)系反映的壓實(shí)作用強(qiáng)度有差異(見(jiàn)圖 5)。黃流組超壓帶樣品顆粒接觸關(guān)系以線接觸(占總樣品數(shù)的44%)和點(diǎn)-線接觸(占32%)為主,其次為線-凹凸接觸(占20%)與點(diǎn)接觸(占4%)(見(jiàn)圖5b)。強(qiáng)超壓帶樣品以線接觸為主(占 59%),其次為點(diǎn)-線接觸(占 19%)與線-凹凸接觸(占 14%),少量點(diǎn)接觸(占8%)(見(jiàn)圖5c)。但BD19區(qū)相似深度常壓帶樣品,粒間點(diǎn)- 線接觸者明顯減少(占4%),線接觸者也降低(占38%),線-凹凸接觸者明顯增加(占33%),并出現(xiàn)了較高比例的凹凸接觸(占25%),基本無(wú)點(diǎn)接觸(見(jiàn)圖5a)。研究區(qū)常壓下,埋藏深度超過(guò)3 400 m時(shí)儲(chǔ)集層受到強(qiáng)壓實(shí)作用,粒間接觸較緊密;異常高壓下相似深度段由于超壓在一定程度上抵抗了一部分靜巖壓實(shí)作用,儲(chǔ)集層受到的壓實(shí)作用程度降低,粒間接觸體現(xiàn)出相對(duì)較松散的特征。
圖5 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組和與其相似深度不同壓力帶儲(chǔ)集層壓實(shí)作用特征(a)—(c)及對(duì)孔隙的影響(d)
任大忠等[27]認(rèn)為,壓實(shí)作用后儲(chǔ)集層剩余孔隙度可由膠結(jié)物總量、儲(chǔ)集層剩余粒間孔面孔率、微孔面孔率、總面孔率及實(shí)測(cè)孔隙度計(jì)算得出((3)式)。單祥等[28]認(rèn)為,微孔面孔率在鏡下難以測(cè)得,其主要由實(shí)測(cè)孔隙度減去總面孔率計(jì)算得出。經(jīng)計(jì)算,常壓儲(chǔ)集層經(jīng)壓實(shí)作用后剩余孔隙度為 5.37%~27.10%(平均值為15.72%),壓實(shí)作用減少了8.07%~33.63%的孔隙度(平均值為21.18%);超壓儲(chǔ)集層經(jīng)壓實(shí)作用后剩余孔隙度為5.90%~28.19%(平均值為16.06%),壓實(shí)作用減少了 7.66%~30.62%的孔隙度(平均值為19.99%);強(qiáng)超壓儲(chǔ)集層經(jīng)壓實(shí)作用后剩余孔隙度為5.55%~27.64%(平均值為15.32%),壓實(shí)作用減少了7.21%~30.30%的孔隙度(平均值為20.80%)。與常壓帶相比,異常高壓帶黃流組儲(chǔ)集層受壓實(shí)作用影響損失的孔隙較少,壓實(shí)后保存的孔隙較多(見(jiàn)圖5d)。整體上,異常高壓下,壓實(shí)后剩余的孔隙度主要為8.00%~27.00%,仍然增強(qiáng)了儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性。
羅靜蘭等[29]認(rèn)為,壓實(shí)、膠結(jié)作用后剩余孔隙度可由剩余粒間孔面孔率、總面孔率及實(shí)測(cè)孔隙度計(jì)算得出:
經(jīng)計(jì)算,常壓帶儲(chǔ)集層膠結(jié)作用后剩余孔隙度為0~1.68%(平均值為0.47%),膠結(jié)作用減少了5.37%~27.10%的孔隙度(平均值為 15.25%);超壓帶儲(chǔ)集層膠結(jié)作用后剩余孔隙度為0~3.03%(平均值為1.66%),膠結(jié)作用減少了 3.60%~27.39%的孔隙度(平均值為14.40%);強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層膠結(jié)作用后剩余孔隙度為0~7.19%(平均值為 1.49%),膠結(jié)作用減少了3.54%~27.28%的孔隙度(平均值為13.83%)。異常高壓在一定程度上抑制了膠結(jié)作用的強(qiáng)度。
黃流組儲(chǔ)集層以碳酸鹽、特別是鐵方解石膠結(jié)為主,從常壓帶到強(qiáng)超壓帶,鐵方解石含量存在降低趨勢(shì)(見(jiàn)圖6a)。碳酸鹽礦物的溶解與沉淀,受地層溫度與壓力的控制,以方解石為例,其沉淀-溶解反應(yīng)方程式如下[30]:
CaCO3(方解石)+CO2+H2O ? Ca2++2HCO3-
鶯歌海盆地自始新世以來(lái)共發(fā)生了 3次走滑伸展活動(dòng),伴隨3期CO2熱流體活動(dòng),其中以第3期(距今 0.4~1.9 Ma)伸展活動(dòng)期間的基底熱流峰值(70 mW/m2)和 CO2熱流體充注規(guī)模最大[31-33]。筆者研究認(rèn)為,鶯歌海盆地黃流組發(fā)育早、中、晚 3期方解石膠結(jié)作用。其中,晚期鐵方解石膠結(jié)最發(fā)育,其δ13C值為-6.32‰~-4.02‰,δ18O 值為-17.0‰~-11.9‰,為中成巖A期深部CO2熱流體活動(dòng)影響的產(chǎn)物。LD10區(qū)發(fā)育的由走滑伸展活動(dòng)形成的深部斷裂,為深部CO2熱流體的泄放提供了通道[16],CO2熱流體在異常高壓驅(qū)動(dòng)下沿著斷裂、孔隙通道向上幕式排放過(guò)程中,在深部較高壓力及 CO2分壓影響下方解石發(fā)生溶蝕,淺部隨地層中 CO2分壓及孔隙流體鹽度降低,方解石發(fā)生沉淀充填,從而在縱向上表現(xiàn)出隨著壓力系數(shù)的降低,以鐵方解石為主的碳酸鹽膠結(jié)物在黃流組中下部?jī)?chǔ)集層(強(qiáng)超壓帶)含量較低,膠結(jié)后損失的孔隙略少,剩余的孔隙較多;而黃流組中上部?jī)?chǔ)集層(超壓帶)中碳酸鹽膠結(jié)物含量較高,膠結(jié)后損失的孔隙略多,剩余的孔隙略少(見(jiàn)圖6b)。膠結(jié)作用強(qiáng)度也隨著壓力系數(shù)的增加而減弱,其對(duì)黃流組中上部?jī)?chǔ)集層非均質(zhì)性的影響強(qiáng)于中下部。
圖6 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組和與其相似深度不同壓力帶儲(chǔ)集層膠結(jié)作用特征(a)及對(duì)孔隙的影響(b)
羅靜蘭等[29]認(rèn)為,溶蝕作用增加的孔隙度由溶蝕孔面孔率、總面孔率及實(shí)測(cè)孔隙度計(jì)算得出?,F(xiàn)今孔隙度則為膠結(jié)后剩余孔隙度與溶蝕作用增加的孔隙度之和:
經(jīng)計(jì)算,常壓帶儲(chǔ)集層由溶蝕作用增加的孔隙度為 2.48%~8.80%(平均值為 5.41%),現(xiàn)今孔隙度為3.10%~8.80%(平均值為5.88%);超壓帶儲(chǔ)集層由溶蝕作用增加的孔隙度為 2.80%~7.54%(平均值為5.57%),現(xiàn)今孔隙度為 2.80%~9.60%(平均值為7.23%);強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層由溶蝕作用增加的孔隙度為0.41%~13.49%(平均值為 7.32%),現(xiàn)今孔隙度為4.50%~14.53%(平均值為 8.81%)?,F(xiàn)今孔隙度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)孔隙度間誤差小于0.1%。
前人的研究顯示,異常高壓可抑制有機(jī)質(zhì)演化,拓寬生油窗的范圍,延長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)熱演化生成有機(jī)酸和CO2產(chǎn)出的時(shí)間,增加酸性流體與硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的接觸時(shí)間和強(qiáng)度[34]。產(chǎn)生的大量有機(jī)酸、CO2水解形成的無(wú)機(jī)酸、黏土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中析出的酸性水等熱流體對(duì)儲(chǔ)集層產(chǎn)生溶蝕,形成次生孔隙發(fā)育帶[35-36]。LD10區(qū)黃流組存在3期烴類(lèi)充注過(guò)程。發(fā)生在早成巖B期末的早期烴類(lèi)充注規(guī)模較??;中成巖A期的大規(guī)模烴類(lèi)充注使埋藏更深、壓力系數(shù)更大,處在強(qiáng)超壓環(huán)境中的黃流組中下部?jī)?chǔ)集層受到有機(jī)酸的影響更強(qiáng)烈。此外,區(qū)域上大規(guī)模 CO2熱流體活動(dòng)發(fā)生在距今1.9 Ma之后,其活動(dòng)深度段主要在3 900 m以深的黃流組中下部強(qiáng)超壓帶。在有機(jī)酸溶蝕基礎(chǔ)上,CO2熱流體從深部向上運(yùn)移過(guò)程中,使黃流組中下部強(qiáng)超壓儲(chǔ)集層同時(shí)受到 CO2熱流體的影響,造成該帶次生孔隙更為發(fā)育。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,溶蝕作用使常壓帶、超壓帶、強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層形成的溶蝕孔分別為 0.1%~5.4%(平均值為 2.2%)、0.2%~9.5%(平均值為3.9%)和0.5%~15.3%(平均值為6.6%)。從常壓帶→超壓帶→強(qiáng)超壓帶,溶蝕孔含量及溶蝕作用貢獻(xiàn)的孔隙度均存在增高的趨勢(shì)。以強(qiáng)超壓帶現(xiàn)今孔隙度最高,其次為超壓帶與常壓帶(見(jiàn)圖 7)。溶蝕作用減弱了儲(chǔ)集層非均質(zhì)性,對(duì)黃流組中下部?jī)?chǔ)集層的影響高于中上部。
圖7 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組和與其相似深度不同壓力帶儲(chǔ)集層溶蝕作用特征(a)及對(duì)孔隙的影響(b)
在上述研究基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)埋藏?zé)崾?,?duì)LD10區(qū)黃流組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性演化時(shí)序與過(guò)程進(jìn)行了分析。LD10區(qū)黃流組成巖階段達(dá)中成巖A2亞期[37],儲(chǔ)集層非均質(zhì)性主要受異常高壓背景下的成巖-孔隙演化過(guò)程控制。
距今10.5 Ma之前(中新世早期前),盆地處于熱沉降早期階段(距今 10.5~23.0 Ma),受東北部物源的影響,沉積砂體礦物成熟度與結(jié)構(gòu)成熟度差異較小。超壓帶、強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層初始孔隙度(平均值分別為36.05%、36.54%)基本接近,儲(chǔ)集層原始非均質(zhì)性弱(見(jiàn)圖8)。
距今4.5~10.5 Ma的同生期-早成巖A期(中新世早期—上新世早期),盆地處于熱沉降晚期向加速熱沉降早期過(guò)渡階段。該時(shí)期黃流組上覆地層快速沉降,并在距今9 Ma左右,異常高壓開(kāi)始形成[38],隨著埋深加深,壓力系數(shù)逐漸增大至 2.30。此時(shí),黃流組中上部為超壓帶(壓力系數(shù)為1.70~1.95),中下部為強(qiáng)超壓帶(壓力系數(shù)1.95~2.30)。距今5.5~10.5 Ma的熱沉降晚期,黃流組埋深加大至1 150 m,埋藏速率為192 m/Ma,壓實(shí)作用強(qiáng)度逐漸增大;距今4.5~5.5 Ma的盆地加速熱沉降早期,黃流組埋深最大為1 600 m,埋藏速率增大至450 m/Ma,地層持續(xù)快速沉降過(guò)程中,上覆地層壓力持續(xù)增大。隨著埋藏加深,地層溫度升高至 60 ℃,但Ro值小于 0.35%,熱演化程度尚未達(dá)生烴門(mén)限。該時(shí)期機(jī)械壓實(shí)作用為孔隙喪失的主要成巖作用。受異常高壓影響,黃流組中上部超壓帶、中下部強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層經(jīng)壓實(shí)后剩余孔隙度分別為5.90%~28.19%(平均值為 16.06%)、5.55%~27.64%(平均值為 15.32%)。經(jīng)壓實(shí)作用后黃流組儲(chǔ)集層整體孔隙結(jié)構(gòu)差異明顯,非均質(zhì)性增強(qiáng)(見(jiàn)圖8)。
距今3.1~4.5 Ma的早成巖B期(上新世早期—上新世中期),盆地處于加速熱沉降早—中期,黃流組最大埋深達(dá)2 500 m,埋藏速率增大至642 m/Ma。隨著埋藏加深,顆粒間的緊密接觸使壓實(shí)作用強(qiáng)度逐漸下降。地層溫度升高至90 ℃時(shí),Ro值達(dá)0.50%。地層溫度的升高使早期滲濾蒙脫石開(kāi)始向伊/蒙混層過(guò)渡并向伊利石轉(zhuǎn)化,早期泥晶方解石及硅質(zhì)膠結(jié)物開(kāi)始發(fā)育[37]。膠結(jié)作用開(kāi)始替代壓實(shí)作用成為影響儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的主要成巖作用。雖然此時(shí)有機(jī)質(zhì)熱演化程度達(dá)生烴門(mén)限,但時(shí)間較短,僅發(fā)生了小規(guī)模的烴類(lèi)充注,由此引起的早期溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)集層影響較小。
距今1.9~3.1 Ma的中成巖A1亞期(上新世中期—上新世晚期),盆地處于加速熱沉降中—晚期,黃流組最大埋深達(dá) 3 500 m,埋藏速率達(dá)到最大(833 m/Ma)。受異常高壓影響,黏土礦物的轉(zhuǎn)化速率受到抑制,形成的黏土礦物含量較低,而以晚期鐵方解石為代表的碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育,并開(kāi)始大量膠結(jié)孔隙,其膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大。超壓帶、強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層由膠結(jié)作用分別減少了 3.60%~27.39%(平均值為14.40%)、3.54%~27.28%(平均值為13.83%)的孔隙度,經(jīng)膠結(jié)作用后兩者的剩余孔隙度分別為0~3.03%(平均值為1.66%)和0~7.19%(平均值為1.49%)。膠結(jié)作用使儲(chǔ)集層孔喉間的連通性變差,孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度達(dá)到最大,非均質(zhì)性最強(qiáng),膠結(jié)作用對(duì)黃流組中上部的影響強(qiáng)于中下部。埋藏速率的增大使地層溫度升高至130 ℃,Ro值增大至0.70%(見(jiàn)圖8)。有機(jī)質(zhì)熱演化程度超過(guò)生烴門(mén)限,發(fā)生第 2期烴類(lèi)充注并進(jìn)入儲(chǔ)集層導(dǎo)致大規(guī)模溶蝕作用發(fā)生。
距今1.9 Ma之后的中成巖A2亞期(第四紀(jì)),盆地處于加速熱沉降晚期,黃流組最大埋深達(dá)4 500 m,埋藏速率開(kāi)始下降至526 m/Ma。此時(shí),地層埋深已達(dá)中深層,地層最高溫度達(dá)170 ℃,Ro值達(dá)1.00%,有機(jī)質(zhì)熱演化程度達(dá)到頂峰。第2期與第3期烴類(lèi)充注伴隨的大量有機(jī)酸使長(zhǎng)石、巖屑等易溶組分被大量溶蝕,加之距今1.9 Ma后深部熱液及CO2熱流體活動(dòng),致使強(qiáng)超壓帶由溶蝕作用增加的孔隙度相對(duì)較多(0.41%~13.49%,平均值為 7.32%),超壓帶由溶蝕作用增加的孔隙度相對(duì)較少(2.80%~7.54%,平均值為5.85%)。經(jīng)溶蝕作用后超壓帶與強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層現(xiàn)今孔隙度分別為2.80%~9.60%(平均值為7.23%)和4.50%~14.53%(平均值為8.81%)(見(jiàn)圖8)。溶蝕用的發(fā)生在一定程度上減弱了儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性,但孔喉結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致部分溶蝕產(chǎn)物不能隨著酸性流體排出,產(chǎn)生的次生孔隙含量差異明顯,致使儲(chǔ)集層現(xiàn)今仍具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。
圖8 鶯歌海盆地LD10區(qū)黃流組儲(chǔ)集層成巖-孔隙演化綜合模式圖
綜上所述,從距今10.5 Ma之后的同生階段-早成巖A期開(kāi)始,儲(chǔ)集層先后受到壓實(shí)、膠結(jié)及溶蝕作用影響,儲(chǔ)集層非均質(zhì)性具有先增強(qiáng)、后減弱的演化趨勢(shì)。相比而言,黃流組中上部超壓帶儲(chǔ)集層受膠結(jié)作用的影響更大、溶蝕作用對(duì)其的改造相對(duì)較弱,其非均質(zhì)性強(qiáng)于中下部強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層。黃流組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性整體上具有“上部強(qiáng)、下部弱,整體強(qiáng)、局部弱”的特點(diǎn),有利儲(chǔ)集層主要分布在黃流組中下部的強(qiáng)超壓帶。
鶯歌海盆地中新統(tǒng)黃流組致密砂巖膠結(jié)物非均質(zhì)性、孔喉非均質(zhì)及物性非均質(zhì)性決定了黃流組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性。其中,膠結(jié)物非均質(zhì)性主要受鐵方解石發(fā)育程度的制約,孔喉非均質(zhì)性則受孔喉結(jié)構(gòu)差異的控制,物性非均質(zhì)性主要受膠結(jié)物非均質(zhì)性及孔喉非均質(zhì)性的共同控制。
異常高壓主要通過(guò)控制壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用的強(qiáng)度進(jìn)而影響黃流組儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性。距今10.5 Ma以來(lái),黃流組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性逐漸受到異常高壓的影響,先后經(jīng)歷了壓實(shí)后非均質(zhì)性增強(qiáng)、膠結(jié)后非均質(zhì)性增強(qiáng)、溶蝕后非均質(zhì)性減弱3個(gè)演化過(guò)程。黃流組中上部超壓帶儲(chǔ)集層的非質(zhì)性強(qiáng)于中下部強(qiáng)超壓帶儲(chǔ)集層。有利儲(chǔ)集層主要分布在黃流組中下部的強(qiáng)超壓帶。
符號(hào)注釋?zhuān)?/p>
n——樣品數(shù),個(gè);P1——剩余粒間孔面孔率,%;P2——微孔面孔率,%;P3——溶蝕孔面孔率,%;P25、P75——砂巖粒度分布圖中累計(jì)頻率25%、75%所對(duì)應(yīng)的顆粒直徑,mm;Pt——總面孔率,%;R——相關(guān)系數(shù),無(wú)因次;S0——Trask分選系數(shù),無(wú)因次;W——膠結(jié)物總含量,%;φ1——原始孔隙度,%;φ2——壓實(shí)后剩余孔隙度,%;φ3——壓實(shí)、膠結(jié)后剩余孔隙度,%;φ4——溶蝕增加的孔隙度,%;φ5——現(xiàn)今孔隙度,%;φm——實(shí)測(cè)孔隙度,%。