再论“压吸充注”油气成藏模式

张善文

（中国石化胜利油田分公司）

再论“压吸充注”油气成藏模式

张善文

（中国石化胜利油田分公司）

通过对砂岩储集层内矿物蚀变化学反应平衡量的核定，确定砂岩主要耗水作用，在此基础上，分析主耗水作用发生条件及其与生油窗的对应性，研究耗水反应的油气地质意义。砂岩埋藏过程中，长石高岭石化耗水作用在各类矿物转化总耗水效应中占主导地位，与含油气盆地烃源岩生油窗对应，烃源岩生烃排出的含烃酸性流体促使长石向高岭石转化。耗水对油气成藏的作用必须在封存箱内进行，封存箱内砂体的成岩耗水反应使其内部压力降低、储集空间增大，同时烃源岩生烃增压，源储间形成巨大的压力差，油气因“压-吸”作用充注砂体而成藏。长石高岭石化耗水作用在砂体成岩过程中的普遍性决定了“压吸充注”油气成藏方式的重要性。建立在济阳坳陷深部封存箱内砂体成藏机制基础上的“压吸充注”油气成藏模式可用于解释全球范围内同类油藏的成因，从而指导该类油藏勘探。图6参25

长石；高岭石化；砂岩耗水作用；矿物蚀变；封存箱；“压吸充注”成藏模式；济阳坳陷

0 引言

笔者曾述及，砂岩油气储集层中的长石颗粒在其黏土化过程中，能够将围岩中的水摄取到新生矿物高岭石的晶格间，使沉积岩孔隙水大大缩减，而形成的自生矿物总体积小于原长石颗粒总体积，从而造成岩石架构中孔隙体积绝对值增加和含水量减少，称其为“耗水作用”[1-2]。将这一认识应用于渤海湾盆地济阳坳陷岩性油气藏的成因分析中，发现“似透镜状”岩性油藏缺少断裂输导和构造圈闭两个成藏条件，成藏主控因素与储集层中钾长石、钠长石蚀变造成的耗水减压作用密切相关，储集层中由耗水诱发的能量亏空（地层压力减小现象）和围岩高势区形成的流势平衡补偿（压吸效应）提供了油气进入储集层成藏的动力条件。虽然“耗水”现象与济阳坳陷某些岩性油藏成藏有关，但仍存在一些未解疑点：砂岩储集层中存在多种蚀变矿物，耗水是否仅由长石高岭石化产生，其他矿物转化的综合效应是否也体现了地质体的整体耗水效应？全球砂岩型油气藏是否都含有一定量的长石、是否均存在耗水效应？长石蚀变（高岭石化）在何种条件下发生？耗水作用与地层水压实排出的关系如何、其对成藏有何影响？

本文针对上述问题，通过对砂岩储集层内矿物蚀变化学反应平衡量的核定，确定耗水矿物转化类型及主要耗水作用，分析主耗水作用发生条件及其与生油窗的对应性。根据砂岩采样分析及前人研究资料[3-8]，研究耗水反应的普遍性及其油气地质意义；根据耗水作用原理，建立“压吸充注”油气成藏模式。深部致密储集层油气聚集成藏机理和成岩期油水替换机制是近年来探讨的焦点[9-17]，“压吸充注”油气成藏模式的提出对岩性油气藏勘探具有重要参考价值。

1 砂岩储集层中的耗水作用

砂岩油气藏是世界主要油气藏类型[18]，也是今后深层勘探的主要目的层系。济阳坳陷大量似透镜状砂岩油藏的发现证实油气不一定向构造高部位集中，也可向具有较低渗透能力的深部砂体运移成藏，而关于这些砂体中原始地层水的去向一直没有合理解释，直到岩石中矿物蚀变产生的耗水现象被发现为止[1-2]。

1.1 长石蚀变耗水的主导性

据Paxton S T等研究[19]，长石高岭石化过程中，体积缩小，可产生一定的孔隙空间。根据弱酸性环境中钾长石、钠长石向高岭石转化的化学反应方程式[20-21]计算得知：1 000 g钾长石蚀变为高岭石需要97.1 g水，1 000 g钠长石蚀变为高岭石需要103.1 g水；钾长石蚀变为高岭石后体积缩小15.4%[1]，钠长石蚀变为高岭石后体积缩小19.8%[1]；两类长石的耗水作用明显增加储集空间。

通过室内实验分析长石蚀变耗水量。在一组1 000 mL的容量瓶中分别加入100 g长石粉末样，然后分别加入10%乙酸（pH值约为3）至970 mL。将容量瓶密封后放入90 ℃恒温烘箱内，7 d后观察发现，各容量瓶内液体体积的损耗值均约为6.75 mL，镜下观察反应后的粉末样发现，长石大多已转化为勃姆石和高岭石，推断长石向高岭石的转化过程使液相体积减少了约6.75 mL。液相体积的减少量除包括长石粉末（100 g）酸溶耗水量之外，还应包括少量的容量瓶瓶塞缝挥发量。为了确定瓶塞挥发量，使用一组相同容积的容量瓶，分别加入970 mL 10%乙酸溶液（pH值约为3），不加入长石粉末样品，在90 ℃下恒温7 d，观察发现各容量瓶溶液散失量均值约为1.60 mL。长石酸溶耗水体积应为加样液量总损耗与不加样液量损耗之差（6.75-1.60 = 5.15 mL），即100 g长石在实验条件下蚀变需耗水5.15 mL。如果进一步延长实验时间或提高反应温度，则长石蚀变程度更高，单位质量岩样的耗水量相应增大。

沉积岩埋藏过程中，其组成矿物之间的转化关系十分复杂，在发现长石高岭石化存在耗水作用之后，进一步考证了其他次生矿物生成的反应过程，根据化学方程式计算，确定了几种耗水反应类型：弱酸性环境下蒙脱石高岭石化和弱碱性环境下钾长石绿泥石化、高岭石绿泥石化、伊利石绿泥石化、白云石和高岭石向方解石、绿泥石的转化[20-21]。计算其耗水量分别为：1 000 g蒙脱石高岭石化需62 g水、1 000 g钾长石蚀变为绿泥石需906 g水、1 000 g高岭石绿泥石化需209 g水、1 000 g伊利石绿泥石化需195 g水、1 000 g高岭石向方解石及绿泥石转化需139 g水。综合分析这5类反应耗水量对岩石孔隙的影响发现：钾长石向绿泥石的转化过程虽然耗水量偏大，但岩石中形成绿泥石总量偏少，推测地层中钾长石向绿泥石的转化规模较小，对岩石孔隙的影响不大；其他4类反应由于原矿物含量低或反应本身耗水量低，对岩石总孔隙度影响亦较小。相对而言，在地质体耗水增孔效应中，两类长石高岭石化产生的耗水作用对岩石总孔隙度的影响多超过75%，甚至超过90%。

1.2 长石蚀变与生油窗的对应性

前已述及，长石高岭石化是砂岩中主要的耗水矿物蚀变类型，因此确定其发生的条件至关重要。不同成岩环境下长石向不同类型矿物转化[22]：中性环境下长石易向蒙脱石转化，碱性环境下长石趋向于伊利石化，而弱酸性条件促使长石向高岭石转化。大量岩矿资料统计证实（见图1），长石高岭石化普遍与含油气盆地生油窗深度相对应。

以东营凹陷为例（见图1）：咸水环境中沉积的烃源岩（Es4上）在2 500 m及3 500 m深度左右均出现产烃率高峰（分别对应低熟及成熟阶段），2 500 m左右进入排烃门限，3 500 m左右进入主排烃期；淡水环境中沉积的烃源岩（Es3中—下）在2 800 m深度进入主生烃期、3 500 m深度附近为生烃高峰，3 000 m左右进入排烃门限，3 500 m左右进入主排烃阶段[23]；高岭石含量的高峰值集中段与生、排烃高峰段相对应。生、排烃过程中，泥质岩（烃源岩）中有机质热演化生成的流体具有弱酸性，常被称作“含烃酸性流体”[24]。从低熟油开始生成，地层内就存在含烃酸性流体。源储压差使得流体不断从泥质岩的微结构孔隙中排入砂岩的孔隙内，砂岩中的成岩环境被改造为弱酸性，长石颗粒在这种弱酸性环境中开始向高岭石有序转化，同时产生耗水作用。

从油气成藏角度分析，从烃源岩中排出的油气需要一个成藏场所；烃源岩主排烃阶段砂岩成岩演化一般接近中成岩晚期，岩石结构已趋向致密化，只有少量油气（与生烃总量相对比）能进入其中。先期进入的含烃酸性流体不断促使长石向高岭石转化，耗水规模逐渐加大，相应地，储集砂岩体内的孔隙空间不断增加，随着油气排出量的增大，储集空间体积也不断扩张，直到长石基本耗尽为止。油气进入储集层的过程是一个不断增加储集体孔隙空间的过程，油气生成窗对应长石高岭石化成岩带；从成因角度而言，含烃酸性流体活动决定了这一特殊成岩带的发育。

1.3 砂岩储集层中长石耗水作用的普遍性

济阳坳陷多个油气藏的成因分析证实，长石在生油窗内蚀变所引发的耗水作用提供了成藏的动力条件[1-2]。若全球范围内砂岩油气藏均存在这一规律，则常规驱替力成藏理论之外还存在另外一种成藏理论，这一新理论的发现，可能为全球油气勘探提供一个全新的方向。

陆相砂岩中长石普遍发育，则耗水反应必然普遍存在；但海相砂岩中长石含量较低，甚至可低于5%，其耗水作用是否也为成藏提供了决定性的动力条件？笔者调研、统计了渤海湾盆地济阳坳陷二叠系砂岩储集层及鄂尔多斯盆地二叠系、加拿大阿尔伯达（Albert）盆地二叠系、美国上白垩统及新西兰始新统等典型海相致密油气储集层（石英质砂岩）资料[3-8]，并进行了专项分析。

1.3.1 渤海湾盆地济阳坳陷二叠系砂岩储集层

济阳坳陷下古生界砂岩中已发现多个油气藏，其中上二叠统上石盒子组奎山段石英砂岩是重要含油气层段。奎山段石英砂岩粒度较粗，以中、粗粒或不等粒为主，含砾；碎屑成分以石英及石英质岩屑为主（见图2），长石含量一般小于10%（同一样品中长石种类较为单一，大671井、大677井以钾长石为主，孤北古3井以斜长石为主）；泥质杂基含量一般为5%～10%，呈鳞片—星点结构，成分主要为高岭石。据镜下观察，长石溶蚀现象普遍，高岭石经常呈颗粒状集合体产出（见图3a），推测高岭石为长石蚀变产物；镜下可见高岭石与长石溶蚀残晶共生（见图3b）。奎山段砂岩储集空间主要为粒间溶孔、高岭石晶间微孔及长石溶孔，而原生孔隙残留较少。

图1 渤海湾盆地东营凹陷烃源岩生排烃门限与成岩演化剖面中高岭石、长石含量的对应关系

图2 代表性石英砂岩陆屑组成三角图

1.3.2 鄂尔多斯盆地二叠系深盆气砂岩储集层

鄂尔多斯盆地上古生界石盒子组致密砂岩储集层是天然气勘探的主要层系，气藏气水倒置[3]。本次研究采集到苏71井、苏107井共10块砂岩样品，陆源碎屑（见图2）主要为石英，其次为石英岩屑，含少量结晶岩屑和粉砂岩屑，基本未见长石；颗粒压实紧密，填隙物为泥质杂基和方解石胶结物；黏土矿物组成主要为高岭石、伊利石、绿泥石，其中高岭石多呈颗粒状局部集中产出，推测为长石蚀变而来（见图3c、3d）。盒8段砂岩中长石高岭石化、伊利石化及溶蚀作用均较发育[4]。

图3 代表性石英质砂岩储集层微观特征

1.3.3 加拿大阿尔伯达盆地深盆油气砂岩储集层

阿尔伯达盆地油气产量占加拿大的90%以上，为典型深盆油气，主要产层为白垩系砂岩[7]。本研究选取白垩系Colorado组Cardium砂岩3块样品进行了薄片分析（见图2），样品岩性为极细粒岩屑砂岩，富含石英及燧石，长石含量极低，自生石英加大明显，含部分沉积岩及火山岩屑；储集空间以粒间孔为主，见钾长石及富含钾长石的火山岩屑溶蚀现象。另外，8口井27块Cardium砂岩样品X衍射分析资料表明：岩石矿物成分以石英为主，含量一般为50%～75%，平均74.3%；其次为高岭石，除少部样品外，含量一般在15%～40%，平均17.2%；含少量或微量长石，含量一般小于10%。可见，砂岩储集层样品相对贫长石、富高岭石，显示了二者之间的转化关系。

1.3.4 美国上白垩统致密气砂岩储集层

Tobin R C等对美国Wamsutter气田Almond组致密气砂岩储集层进行了岩矿分析[7]。92块薄片资料表明储集层岩性主要为细粒和极细粒岩屑石英砂岩、岩屑砂岩及长石岩屑砂岩；陆源碎屑以石英为主（含量一般为45%～60%），多晶石英含量一般为1%～2%；斜长石含量小于7%（一般小于2%），钾长石含量一般小于1%；岩屑主要为沉积岩屑（燧石、页岩、碳酸盐岩等）；填隙物以泥质杂基较少（含量一般小于6%）、自生石英发育为特征；镜下观察常见岩屑及长石溶蚀现象，部分长石已完全溶蚀成铸模孔，并见高岭石交代碎屑颗粒（见图3e）。

1.3.5 新西兰始新统致密气石英质砂岩储集层

Higgs K E等系统研究了新西兰Taranaki盆地Cardiff-1区始新统致密气储集层的成岩作用、孔隙演化及油气充注作用[8]。岩心分析资料表明储集层岩性为中粒—粗粒石英砂岩、岩屑石英砂岩及长石石英砂岩，陆源碎屑成分以富含石英为特征，岩屑也多由石英矿物组成；其他陆源碎屑较少，钾长石含量小于5%，斜长石含量小于3%，云母含量小于2%。作者研究推测，埋藏初期长石含量为20%～40%，长石经历了早期高岭石化作用，晚期高岭石又发生了伊利石化作用，因而形成目前的贫长石现象，目前的溶蚀孔及次生孔隙充填物、自生石英和白云石所占据的空间早期可能均为长石颗粒（见图3f）。

由上述典型海相砂岩分析可见，目前海相砂岩的贫长石现象是矿物转化的结果，油气储集层原始矿物组成中，钾、钠长石普遍存在，耗水作用普遍存在于沉积物的埋藏成岩过程之中。

2 封存箱内的“压”、“吸”与“充注”

压实过程是地层不断排水的过程，由此分析长石蚀变耗水量远小于地层排水量。因而，耗水作用增加孔隙体积的油气地质意义在于特定的成岩阶段和环境。在地层压实成岩过程中，会形成一些由成岩界面限定或有相对独立水系统的“封存箱”。“封存箱”内的压力势区相对独立，内部的耗水缺少外来补偿，因此能够形成负压区域。

2.1 封存箱的界定与意义

界定封存箱是指对其上界深度的确定，不同构造区带封存箱深度界定值不同。以东营凹陷为例，根据地层水矿化度分布的连续性、钾+钠离子丰度分布、硫酸根离子含量分布的连续性等特征[25]（见图4），确定这一界限深度在2 500 m左右。2 500 m以深地层流体系统基本与外界隔断，深部地层水的排出与消耗引起地层压力相应增高或亏空。界定封存箱的意义在于，封存箱内油气成藏不受浮力控制，压力系统的转化被限制在封闭系统内，相-势转化不受构造和断裂影响。

图4 渤海湾盆地东营凹陷地层水特性与分带性（据文献[25]修改）

2.2 “压”的源动力

对于一个砂岩沉积体而言，处在某一埋藏深度时：如果尚未进入封存箱系统，则地层压力等于静水压力，静岩压力约为静水压力的2.65倍；如果已进入封存箱系统，则地层压力不同于静水压力，或因静岩压力的传递而产生高压，或因耗水反应产生负压。

分析泥岩压实成岩作用发现，当泥岩致密到一定程度，泥岩中的流体相与“外界”地层水传导性差，因此泥岩中固液两相压力均等，且接近于泥质岩在该深度的静岩压力。相对于邻近砂体静水柱压力而言，两者之间存在较大压差，使得泥岩中的油气具备向砂体充注的潜势，从而形成了“压”的原动力。

2.3 “吸”的负压机制

封存箱内的耗水作用所引发的流体补偿趋势下，由于不存在外部补给，最终将形成负压亏空且具有更多的孔隙体积。为达到压力平衡，耗水砂岩储集体本身最终具备了“吸入”的潜能。如前所述，耗水作用与生、排烃窗深度相对应，则油气很容易被“吸入”，在发生耗水的砂体内成藏。

以东营凹陷牛13井—东科1井—王61井区沙三段砂体为例，由油藏剖面（见图5）可见，在超压体系顶界面之下（即封存箱内），由于耗水效应产生持续“压”和“吸”作用，形成了现今油气赋存成藏状态。如果不受构造抬升或断裂作用的影响，耗水作用仍将持续，最终可使砂体内的含油饱和度趋近100%；耗水不完全的地质体或后期被破坏的油藏含水量可能会增加。

2.4 相-势变化与“充注”的量

由于烃源岩和砂体之间源储压力的不平衡和构造变动，烃源岩和储集体之间常发生相-势变化。一般情况下，源岩势能大于储集体势能，流体运移方向由烃源岩指向成藏砂体。相-势变化一般是能量大小的变化，即压差的变化，方向性变化一般发生在断裂体系贯穿泥岩层的情况下，有时可在泥岩裂缝中见到新鲜油渍。封存箱内由源储间相-势变化引起的油气成藏规模可以通过耗水量来评估。

砂岩地层中长石蚀变耗水量计算原理如下：

式中 W——砂岩总耗水量，t；A——单位体积砂岩耗水量，t/m3；V——砂岩总体积，m3；H——砂岩中初始长石体积分数，%；C——长石转化率，%；ρc——长石密度，g/cm3（钾长石为2.56 g/cm3，钠长石为2.57 g/cm3）；ω——单位质量长石溶蚀耗水量，钾长石和钠长石分别为97.1×10-3g/g和103.1×10-3g/g；H1——溶蚀长石体积分数，%；Ho——砂岩中现今长石体积分数，%；G——砂岩中现今高岭石体积分数，%；ρg——高岭石密度，2.6 g/cm3；Mg——高岭石相对分子质量，258；Mc——长石相对分子质量（钾长石为278，钠长石为262）。

以东营凹陷为例[2]，计算可得南坡、北带和洼陷带古近系砂岩耗水量分别为77.4×108t、41.9×108t和251.8×108t，总耗水量为（371～395）×108t，对油气成藏意义重大。

图5 济阳坳陷东营凹陷牛13井—王61井油藏剖面

3 深部成岩演化

如前所述，砂岩耗水主要发生在烃源岩生、排烃窗内，与烃源岩中排出的弱酸性流体所营造的成岩环境有关。若埋深加大至生、排烃窗之下，酸性流体耗尽，是否会对成藏产生负面影响？针对这一问题，对深部成岩演化规律进行再次探索。

3.1 “过生油窗”的成岩演化趋势

分析东营凹陷深层黏土矿物的组成发现，4 200 m以深自生高岭石的数量急剧减少，至4 800 m以深基本不发育高岭石。显微镜下研究蚀变矿物的残晶发现，残留的长石和已形成的假六边形状自生高岭石均向伊利石转化，伴有蒙脱石化现象，深层黏土矿物基本为伊利石和混层比较低的伊/蒙混层矿物。

伊利石是弱碱性条件下长英质矿物转化（为排水过程）生成的次生黏土矿物，该类矿物在东营凹陷乃至整个济阳坳陷深层广泛分布，是成岩环境碱性化的标志性矿物。伊利石的发育说明生、排烃窗内由含烃酸性流体导致的弱酸性环境遭到破坏，向深层耗水现象趋于停滞。

3.2 碱性化排水增压与油气藏的关系

进入碱性化成岩环境后，矿物之间转化关系发生变化，使得地层环境由大量耗水向逐渐增水过渡。该成岩阶段发生于油气充注之后，由于封存箱并未破坏，水的进入可使地层增压，但不会影响油气的储集。随着埋深进一步加大，地层温度、压力不断升高，原油发生裂解，产生裂解气，地层流体可以油-水-气混相形式存在。当封存箱被断裂系统破坏，地层压力降低，已形成的油气可再次运移到他处成藏，包括油气倒灌成藏，诸多油气藏的发现已证实这一认识的客观性。

4 “压吸充注”模式建立与石油地质意义

综上所述，油气主成藏阶段对应的生、排烃窗是主要的成岩耗水阶段，该阶段砂体内长石耗水引发的“吸入效应”和烃源岩生烃增压产生的“压出效果”相呼应，在烃源岩和储集体之间形成了“压-吸”充注潜势，油气成藏的动力来源多由此“压-吸”平衡补偿产生。这一现象称之为“压吸充注”模式（见图6）。

东营凹陷已发现的大多数岩性油气藏均为“压吸充注”成因，通过生、排烃窗内砂岩耗水量数据可以预测，深层岩性油藏的规模和资源量巨大。

图6 油气成藏的“压吸充注”模式图

5 结论

沉积岩埋藏过程中，长石高岭石化耗水作用在各类矿物转化总耗水效应中占主导地位，与含油气盆地烃源岩生油窗对应，烃源岩生烃排出的含烃酸性流体促使长石向高岭石转化。耗水对油气成藏的作用必须在封存箱内进行，封存箱内砂体的成岩耗水反应使其内部压力降低、储集空间增大，同时烃源岩生烃增压，源储间形成巨大的压力差，油气因“压-吸”作用充注砂体而成藏，即“压吸充注”油气成藏模式。长石高岭石化耗水作用在砂体成岩过程中的普遍性决定了“压吸充注”油气成藏方式的重要性。

通过计算砂体中长石耗水量可以推测深层岩性油气藏的规模和资源量。全球范围内古生界—古近系砂岩型油气藏中均发育大量长石（海相代表性石英砂岩致密油气储集层缺乏长石系成岩过程中长石损耗所致），长石蚀变对砂体储集空间的贡献明显，油气“压吸充注”成藏模式对全球同类油气藏的勘探具有积极的意义。

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Re-discussion on the reservoir formation by pressure-suck filling

Zhang Shanwen
(Shengli Oilfield Company, Sinopec, Dongying 257015, China)

The dominant water consumption reaction in sandstones was figured out by determining variables in the mineral alteration in sandstone reservoirs, on this basis, the conditions of major water consumption reaction and its correspondence with oil-generating window were analyzed to reveal the petroleum geological significance of water consumption reaction. The kaolinitization of feldspar plays a dominant role in the water consumption reaction during diagenetic stage, which corresponds to the hydrocarbon-generating window, and the acid hydrocarbon-bearing fluid produced by source rocks facilitates the kaolinitization reaction. Water consumption causes the pressure drop and porosity increase in the reservoir formation in the compartment sandstone, at the same time, huge pressure difference between source rocks and reservoirs comes about because strong pressure built up in the source rocks owing to hydrocarbon generation, and the oil and gas are pushed and sucked into the reservoir sands. The universality of the kaolinitization water consumption suggests this “push-suck” mode is very important for reservoir formation. This mode of the Jiyang depression can be used to explain the origin of similar reservoirs across the world, and guide exploration for oil and gas.

feldspar; kaolinization; sandstone water consumption; mineral alteration; compartment; pressure-suck filling; Jiyang depression

TE122.1

A

张善文（1955-），男，山东文登人，博士，中国石化胜利油田分公司教授级高级工程师，主要从事石油地质研究和生产管理工作。地址：山东省东营市中国石化胜利油田分公司，邮政编码：257015。E-mail：skyzsw@slof.com

2013-08-02

2013-10-25

（编辑 王大锐 绘图 刘方方）

1000-0747(2014)01-0037-08

10.11698/PED.2014.01.04

中国石化股份有限公司科技攻关项目“东营凹陷地层流体系统演化与油气成藏研究”（P09010）