渤南洼陷沙四上亞段成巖機制研究

劉雅利

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

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渤南洼陷沙四上亞段成巖機制研究

劉雅利

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

針對渤南洼陷深層有利儲集體形成機制研究程度較低的問題，應用鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物X衍射分析等實驗測試數據，在渤南洼陷沙四上亞段成巖環境分析基礎上，對成巖機制進行了研究。結果表明：有機酸和石膏層發生的堿性流體共同作用下，形成了酸堿交替的成巖環境；受成巖環境影響，不同類型儲集體所經歷的成巖作用類型不一、強度不同；碎屑巖儲集體2 800 m以上以溶蝕作用為主，2 800～3 300 m之間以膠結作用為主，3 300 m以下則以溶蝕和壓實作用為主；碳酸鹽巖總體上溶蝕作用較弱，膠結作用較強。研究結果為渤南洼陷沙四上亞段尋找有利儲集體奠定了基礎。

渤南洼陷；沙四上亞段；成巖機制；成巖環境

引 言

深層油氣勘探的關鍵是尋找有利儲集層，因而深部儲集層次生孔隙的形成機制和演化模式逐漸成為了研究熱點[1-3]。關于次生孔隙的形成機制已有較為成熟的認識[4-5]，但對深部儲集層的成巖機制以及由此帶來的次生孔隙演化規律還缺少深入研究[6-7]，加之前人對渤南洼陷深部儲集層成巖作用的研究只停留在現象表征層面[8-9]，未涉及到成巖機制分析，已嚴重制約著深部有利儲集層的探尋。因此，結合前人研究成果，利用大量分析化驗資料，針對深層的渤南洼陷沙四上亞段開展了成巖機制研究，研究結果不但為渤南洼陷沙四上亞段尋找有利儲集體奠定了基礎，而且還加深了多重成巖環境下的成巖演化認識。

1 區域地質概況

渤南洼陷為濟陽坳陷沾化凹陷的一個三級負向構造單元，研究區沙四上亞段為一完整的三級層序。低位域沉積期，沉積環境為溫暖潮濕的中鹽湖盆環境，主要沉積灰色厚層礫巖、砂巖夾濱淺湖暗色泥巖。湖侵和高位域沉積期，沉積環境演變為多鹽湖盆環境[8]，在洼陷邊緣部位以礫巖、砂巖為主，夾薄層泥巖，洼陷中部為厚層泥巖夾薄層灰巖、膏巖。總體上，研究區沙四上亞段沉積期，碎屑巖與碳酸鹽巖共生，形成了縱向相互疊置、橫向相鄰分布這一錯綜復雜的沉積面貌，并由此衍生出酸堿交替的成巖環境。

2 成巖環境分析

2.1 現象表征

成巖環境分析是成巖機制研究的基礎[9-10]，依據黏土礦物以及膠結物含量的垂向分布特征對研究區沙四上亞段的成巖環境進行了研究。

研究發現：黏土礦物高嶺石在1 800～2 800 m的體積含量較高，最高達60%，伊利石和綠泥石含量相對較低，其中綠泥石含量普遍低于20%；同時膠結物黃鐵礦在此深度段體積含量也相對較高，達到4%左右，而方解石含量在此深度段卻相對下覆地層低，僅有20%。高嶺石、黃鐵礦的相對高含量以及伊利石、綠泥石和方解石的相對低含量反映出此深度段處于酸性成巖環境中。在此影響下，方解石膠結較弱，普遍存在長石、巖屑溶蝕和石英次生加大等成巖現象(圖1a、b)。

當埋深到2 800 m時，黏土礦物高嶺石以及膠結物黃鐵礦的體積含量逐漸降低，而伊利石、綠泥石和方解石含量連續升高，此規律一直持續到3 300 m，這一變化反映出成巖環境已經由上覆地層的酸性演變為堿性。同時，堿性成巖環境的存在也從成巖現象上得到了證實，表現為碳酸鹽巖膠結作用強烈(圖1c)，長石、巖屑溶蝕作用較弱甚至不發育(圖1d)，石英次生加大邊溶蝕。

當埋深超過3 300 m時，高嶺石及黃鐵礦的體積含量開始穩步上升，而伊利石、綠泥石和方解石含量則出現了不同程度下降。反映出研究區儲集體在經歷了堿性成巖環境后，逐漸演變為弱堿性、堿酸過渡和強酸性的成巖環境。這一變化在成巖現象上也有所反映，表現在溶蝕作用的逐步增強和膠結作用的不斷減弱，3 300 m以下普遍可見巖屑、長石、碳酸鹽巖膠結物溶蝕和石英次生加大現象(圖1e、f)。

圖1 渤南洼陷沙四上亞段成巖現象

2.2 成因機制

關于成巖環境成因機制，廣大學者普遍認為烴源巖生烴作用產生的有機酸是形成酸性成巖環境的主要因素[9-10]，而對于堿性成巖環境的成因研究較少，目前沒有一個統一的認識。據成巖環境分析可知，研究區沙四上亞段2800m以上為酸性成巖環境，2 800～3 300 m為堿性成巖環境，3 300 m以下在經歷了弱堿性、堿酸過渡環境后演變為酸性成巖環境。

研究發現：渤南洼陷沙四上亞段在埋深到達2 800 m時，鏡質體反射率達到0.5%，此時烴源巖開始生烴，并伴有大量有機酸排出，且2 800 m以下異常高壓普遍發育，有機酸在異常高壓的驅動下向上覆地層中運移，因此，2 800 m以上地層中形成了酸性成巖環境。

值得一提的是，2 800～3 300 m烴源巖雖已到達生烴門限并排出了有機酸，但仍為堿性成巖環境。分析認為：堿性成巖環境的形成是沉積環境以及埋藏作用過程中水巖相互作用的結果，在渤南洼陷沙四上亞段的湖侵和高位域沉積期發育了較厚的石膏層并由此帶來了堿鹵水，研究區的石膏層雖主要發育在洼陷中部，但由于同等深度地層中流體容易發生橫向交換，因此存在的堿鹵水和膏巖發育段的酸性地層水都發生了強度不一的中和，使得該層段雖處于生烴門限之下，但受堿鹵水影響而處于堿性成巖環境中。

當埋深到3 300 m以下時，鏡質體反射率大于0.7%，進入大量生油氣階段，不同學者對這一階段是否有有機酸產生持不同看法。Surdam等認為有機酸主要生成于烴類開始大量生成之前，但后來經過大量學者實驗表明，有機酸的生成過程可以持續到整個烴類生成過程，因此在干酪根成熟過程中，一直存在著有機酸的生成。故研究區沙四上亞段埋深超過3 300 m且鏡質體反射率大于0.7%時，仍有大量有機酸生成并中和掉堿鹵水，因此，堿性成巖環境變弱。隨著埋深的增大，石膏層厚度逐漸減薄，加之有機酸數量的增多，成巖環境往酸性過渡。當埋深超過4 000 m時，膏巖和灰巖消失，不再產生堿性流體，加之有機酸的不斷產生，成巖環境已為強酸性環境。

總之，研究區酸堿交替的成巖環境是在烴源巖生烴過程中排出的有機酸和石膏層產生的堿鹵水共同控制下形成的，酸性流體和堿性流體此消彼長一同控制著各類型儲集體的成巖演化。

3 成巖機制研究

渤南洼陷沙四上亞段由于埋深較大，在經歷了早成巖階段后，目前整體處于中成巖A期，少數進入中成巖B期。由于這一時期碎屑巖和碳酸鹽巖共生，而2類巖石的沉積、成巖的環境都不盡相同，故此次分別對碎屑巖和碳酸鹽巖的成巖機制進行了探討。

3.1 碳酸鹽巖儲集層

碳酸鹽巖出現在研究區沙四上亞段湖侵和高位域沉積階段，是多鹽湖盆的產物，在時間和空間上都和膏巖伴生。因此，其受石膏層產生的堿性流體影響較大，使之整體處于堿性成巖環境中，即使有機酸注入碳酸鹽巖儲集層中，但大部分也被堿性流體所中和，故在碳酸鹽巖儲集層的成巖演化階段中，其所經歷的成巖環境是一致的，即整體經歷堿性環境或酸堿交替環境，不同成巖作用對碳酸鹽巖儲集層的改造能力同等，總體上溶蝕率極低，膠結率相對較高。因此，和碎屑巖儲集層不同，碳酸鹽巖儲集層中沒有出現次生孔隙發育帶，其物性隨著埋深的增加有規律的減小，孔隙演化呈現的是1條正常壓實曲線(圖2)。

3.2 碎屑巖儲集層

研究區沙四上亞段沉積的碎屑巖按照與膏巖的關系，又可分為2類：一類是低位域中鹽湖盆沉積期形成的與膏巖非共生的碎屑巖；另一類是湖侵和高位域多鹽湖盆沉積期與膏巖共生的碎屑巖。2類碎屑巖由于和膏巖的遠近親疏關系不同，其所受堿性流體的影響程度不同，因而所經歷的成巖演化過程也有所差異。

圖2 碳酸鹽巖儲集體成巖機制

3.2.1 多鹽湖盆

成巖演化受控于成巖環境[9-10]，由成巖環境研究可知，研究區沙四上亞段多鹽湖盆沉積的膏巖造就了堿性成巖環境，因此多鹽湖盆碎屑巖是受堿性成巖環境影響最深的儲集體。

膏巖發育在多鹽湖盆2 800 m以下，膏巖層之間還沉積有大量暗色泥巖以及部分膏質泥巖，膏質泥巖的地化指標顯示著其有比純泥巖更好的生烴能力*宋國奇，劉雅利，程付啟，等.渤南孤北地區沙四段多儲集類型油藏富集規律[R].勝利油田地質科學研究院內部資料，2013.，因此膏質泥巖生烴作用過程中排出的有機酸數量也較純泥巖多。故膏質泥巖生烴過程中排出的大量有機酸在異常高壓的驅動下進入2 800 m以上地層，造成了大量長石和巖屑溶蝕，溶蝕率最高可達0.8，同時有機酸的注入還抑制了膠結作用的發生，膠結率只有0.4左右。當然，壓實作用伴隨著整個成巖過程，但壓實的減孔效應遠小于溶蝕的增孔效應。因此，2 800 m之上以溶蝕增孔效應為主，形成了第1個次生孔隙發育帶(圖3)。

到2 800 m以下地層時，碎屑巖儲集層和膏巖層共生在多鹽湖盆中，這一深度段的碎屑巖儲集層受堿性成巖環境的影響，溶蝕率下降到0.3，而膠結率極速上升到0.9，發育的膠結物不僅充填原生孔隙，而且對前期溶蝕作用和構造破裂作用產生的次生孔隙進行充填，使孔隙度大大降低，同時阻礙了壓實作用的發生，使地層處于欠壓實狀態，這種情況一直延續到埋深3 300 m處。總體上，2 800～3 300 m這一深度段受膠結減孔和欠壓保孔的綜合效應，次生孔隙不甚發育(圖3)。

圖3 多鹽湖盆碎屑巖儲集體成巖機制

當埋深超過3 300 m時，成巖環境研究可知堿性流體已不能完全中和有機酸。成巖環境也由堿性逐漸過渡到弱酸性，伴隨而來的是成巖作用的改變，這種改變首先體現在膠結作用的減弱，其次是壓實作用的正常化，再次是溶蝕作用顯著增強，溶蝕率回歸到0.6以上。這一階段以溶蝕增孔為主導，膠結減孔為次要，形成了第2個次生孔隙發育帶。這一次生孔隙發育帶縱向跨度較大，當埋深超過4 000 m時，仍有部分次生孔隙發育，這是認為4 000 m以下膏巖不再發育，成巖環境完全演變為酸性，雖埋藏壓實作用已十分強烈，但溶蝕增孔效應的存在仍保留了部分次生孔隙(圖3)。

3.2.2 中鹽湖盆

中鹽湖盆碎屑巖的成巖演化及其對孔隙演化的影響和多鹽湖盆相似，但中鹽湖盆的成巖作用程度及次生孔隙的發育程度都與多鹽湖盆有明顯不同(圖4)。

圖4 中鹽湖盆碎屑巖儲集體成巖機制

首先，在2 800 m以上第1個次生孔隙發育帶，中鹽湖盆發育的純泥巖生烴能力不如多鹽湖盆發育的膏質泥巖，因此中鹽湖盆碎屑巖儲集層所受的有機酸溶蝕作用較多鹽湖盆弱，次生孔隙發育程度也較多鹽湖盆低；其次，在2 800～3 300 m深度段，中鹽湖盆沒有膏巖沉積，不會產生堿性流體，其只是受橫向堿性水體交換作用影響，膠結作用比多鹽湖盆弱，壓實作用比多鹽湖盆強，溶蝕作用比多鹽湖盆高，故保留了比多鹽湖盆更多的孔隙；再次，到3 300 m以下，隨著生烴過程中大量有機酸的排出，中鹽湖盆碎屑巖儲集層成巖環境過渡為純酸性環境，因此膠結作用比多鹽湖盆弱，溶蝕作用則比多鹽湖盆強，故形成第2個次生孔隙發育帶且孔隙度總體大于多鹽湖盆(圖4)。

4 結 論

(1) 渤南洼陷沙四上亞段2 800 m之上為酸性成巖環境，2 800～3 300 m為堿性成巖環境，3 300 m之下在經歷了弱堿性、堿酸過渡環境后演變為酸性成巖環境，有機酸注入和石膏層產生的堿性流體是形成酸堿交替環境的成因機制。

(2) 渤南洼陷沙四上亞段碎屑巖儲集層在2 800 m以上以溶蝕作用為主，2 800～3 300 m之間以膠結作用為主，3 300 m以下以溶蝕和壓實作用為主，其中多鹽湖盆在2 800 m以上的溶蝕作用強于中鹽湖盆，而3 300 m以下的溶蝕作用則弱于中鹽湖盆，在2 800～3 300 m之間的膠結程度大于中鹽湖盆；碳酸鹽巖整個成巖演化階段所經歷的成巖環境一致，不同成巖作用對碳酸鹽巖儲集層的改造能力同等，總體上溶蝕作用極弱，膠結作用相對較強。

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編輯 張耀星

20141013；改回日期：20150127

國家科技重大專項“渤海灣盆地油氣勘探關鍵技術”(2011ZX05006-001)

劉雅利(1970-)，男，高級工程師，1995年畢業于石油大學(華東)石油與天然氣地質勘查專業，2011年畢業于中科院廣州地化所構造地質學專業，獲博士學位，現從事油氣勘探開發及相關地質研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.008

TE122.2

A

1006-6535(2015)02-0035-05