东营凹陷沙四段滩坝砂油藏耗水作用与成藏机制探讨

高 翔，张守鹏

(1.甘肃工业职业技术学院,甘肃天水 741025；2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015)

0 引言

东营凹陷位于渤海湾盆地东南缘，郯庐断裂带西侧，是晚白垩世末期伸展断陷作用构造背景上发育起来的中、新生代断陷盆地，是济阳坳陷的一个次级凹陷(图1)，面积5 700km2。凹陷内地层自下而上依次为白垩系西洼-王氏组、古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系的馆陶组、明化镇组。其中主力含油层系为沙河街组。

图1 东营凹陷构造位置Figure 1 Tectonic setting of Dongying depression

本项研究的目标层即东营凹陷广泛分布的沙河街组四段上部—滩坝砂体。该砂体多处于烃源岩夹层内，单层厚度薄，一般在2～5m之间，但呈现大面积含油、且非油即干的特点，砂体内原始地层水残留量极低，水的去向一直是滩坝砂成藏机制探索的重点。运用常规油气成藏理论，对在缺少明显构造圈闭和断层发育条件下的该类“透镜体状”砂岩普遍饱含油而无底水的现象很难做出合理解释。

前期研究发现，沉积物埋藏至一定深度后，压实及排水作用显著减弱，胶结作用逐渐占居主导，岩石固结化程度增高，钾、钠长石蚀变为高岭石的过程中有大量的孔隙水被新生矿物晶格所占据，岩石固、液两相总体积亦呈现减小趋势，对此现象概括为成岩“耗水”作用[1-3]。试验证实，“耗水”作用能够诱发新生矿物对地层孔隙水的吸附，减少地层水含量、提高储层孔隙度，提供为油气聚集的动力条件—流体势差。成岩过程中“耗水”作用的提出对解释滩坝砂体成藏提供了一条新思路。

本文依据耗水作用原理，根据对东营凹陷沙四段滩坝砂体储层成岩特征的分析，对其存在耗水作用的可能性进行求证，寻求该类砂体成藏的控制因素，为下一步针对该领域的深化勘探提供指导。

1 勘探现状分析与思考

东营凹陷滩坝砂体受古地貌地形的控制，主要沿盆地边缘广泛分布，虽然单层厚度薄，但层数累积数量多，有时多达20层以上。传统观点认为，油气成藏大多受控于构造，该类砂体不具备较好的圈闭条件，缺少聚油构造背景，但却能连片含油，规模储量达到数亿吨，后期勘探潜力较大，但成藏机制和动力来源一直有待于新的认识突破[4-6]。

2004年初，在盆内完钻的高89井钻遇滩坝砂岩油层，厚度相对较大，含油饱和度高。虽然储层属低孔低渗类型，自然产能低，但滩坝砂体的高充满度含油还是引起了广泛关注[7-9]。传统的水浮力驱动成藏机制理论始终无法解释这一低位岩性体高充满度含油现象。基于岩石成岩特征和油层物性的综合分析，发现该类储层普遍见有长石的强烈蚀变作用，蚀变产物为被伊利石交代的高岭石残晶。由此发现，烃酸流体营造了弱酸性环境，长石的第一期蚀变产物为自形晶粒状高岭石，后期酸性成岩环境趋弱，岩石回归碱性化环境，高岭石开始为伊利石所交代。但对这个转化过程化学方程式的深化研究发现，这一过程需要有水的参与，而耗水反应前后的总体积也有变化，即体积是减小的，这也就意味着岩石内空间体积得到扩大，油气储集空间在耗水后有增无减[10-15]。

由于耗水作用能够导致储层压力降低(能量亏空)，加大了烃源岩与储层之间的流体压力势差，增强了油气运聚的动力。因此，运用耗水作用原理可以解释滩坝砂体大面积饱含油现象。但这种推断必须满足三个条件，一是滩坝砂体确实存在耗水现象；二是耗水阶段与主排烃阶段在时间上应该吻合；三是滩坝砂体必须具备与油气成藏规模相匹配的耗水量。

2 滩坝砂体耗水成岩相与主耗水成岩阶段的确立

对东营凹陷钻遇滩坝砂体的利671、利57、梁75、梁109四口探井3 314～4 311m井段岩心样品进行了X衍射半定量分析，发现滩坝砂岩中残存的黏土矿物类型主要是伊利石，约占黏土矿物的90%左右，绿泥石5%左右，在不同井区分布不均。仅含微量高岭石和伊/蒙混层矿物，偶见绿/蒙混层矿物(洼陷边缘)。黏土矿物质量分数2.85%～11.95%(表1)，作为前期确定的主要耗水矿物相—自生高岭石，其质量分数仅为0.2%左右。这个测试结果表明：晚成岩A期的岩石中高岭石的进一步伊利石化程度较高，这个化学作用过程同样提现耗水与体积缩减。

表1 东营凹陷滩坝砂油藏黏土矿物组成

偏光镜下观察发现，东营凹陷沙四段滩坝砂体内占主导地位的伊利石和微量的绿泥石均是一类继承性黏土化产物，其蚀变原矿物并非来源于长石、云母类颗粒，而是来源于中继产物—自生高岭石(两类矿物的交代现象)(图2)。

为了分析目前滩坝砂体中两类主要的成岩反应—高岭石伊利石化和高岭石绿泥石化是否存在耗水现象，进行如下化学反应式的摩尔量计算：

高岭石的伊利石化反应过程：

晚成岩B期伊利石化的高岭石残晶 晚成岩A期自生高岭石的标准集晶利671井3917.47m 河142井3028.19m图2 晚成岩A、B期两种高岭石形态的比较Figure 2 Morphologic comparison of two kinds of kaolinite from later diagenetic period stages A and B respectively

(1)

摩尔克数3×2582×1002×4203×182×62比重2.62.172.611.05体积29792.216554118.1

反应前摩尔体积389.2，反应后摩尔体积347.1；

反应前后摩尔体积差：42.1；

体积缩小率：42.1/389.2×100%=10.8%。

高岭石的绿泥石化反应过程：

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

(2)

摩尔克数3×2585×240602×187785×100比重2.82.62.651.02.72.7体积428.699.222.636288.1185.2

反应前摩尔体积550.37，反应后摩尔体积473.1；

反应前后摩尔体积差77.23cm3；

体积缩小率：77.23/550.37×100%=14.0%。

由反应式(2)计算出：由高岭石向绿泥石转化过程中，每生成1 000g绿泥石需要130g水，每转化1 000g高岭石需要46.51g水。

通过化学反应方程式的平衡和计算，证实了高岭石的伊利石化现象不存在耗水反应，相反，水分子有排出反应后矿物晶格的趋势，即存在增水效应，但分子体积有所减小。高岭石的绿泥石化作用产生耗水效应，但规模甚微，对储层孔隙度贡献较小。

通过对伊利石的残晶结构观察分析发现，局部视域呈现伊利石的它形晶片呈似蠕虫状的集晶分布，集晶的单晶呈残缺的假六边形状。因此可以断定，现今滩坝砂体内残留的伊利石实际上是由上一个成岩期—晚成岩A期长石高岭石化后，由高岭石进一步蚀变转化的产物(图3)。究其这种变化的原因，是与成岩环境由弱酸性向偏碱性环境的过渡有关。大规模的烃类运聚发生在晚成岩A期，进入晚成岩B期后，地层中的有机酸多已耗尽，碱性矿物(长石类为主)的游离离子促成了弱碱性环境的形成，从而生成了大量的伊利石。局部存在的高岭石绿泥石化与高压环境中铁、镁离子的富集有关。

尽管高岭石的伊利石化现象不利于耗水作用的发生，高岭石的绿泥石化作用(存在耗水现象)规模甚微，但所有这些反应均发生于现今成岩阶段，即晚成岩B期。而滩坝砂的主成藏期(大规模烃类运聚阶段)发生于晚成岩A期(图2)，对应的有机质热演化指标Ro为0.5～0.7之间，此阶段以发育长石的高岭石化作用为主，期间发生了大规模耗水作用，已经被伊利石化取代的高岭石残晶结构就是前耗水成岩相的证据。

根据对示烃成岩矿物[10]—含铁碳酸盐及黄铁矿示烃球(图4)的微量元素、硫同位素及部分包裹体数据显示，晚成岩A期是滩坝砂油藏主要的聚油阶段，自生高岭石的生成伴随大量示烃矿物的出现，而高岭石残晶显示了发生大量高岭石化的阶段与成藏聚油阶段完全一致，与前期研究所确定的东营中、北部区域主耗水深度段2 500m～2 700m成岩阶段是完全吻合的。因此，滩坝砂主成藏期与耗水作用在时间上是吻合的。

图3 东营凹陷成岩阶段划分与黏土矿物分布(参考文献[10])Figure 3 Stage partitioning in diagenetic period and clay minerals distribution in Dongying depression (after reference [10])

图4 油气充注期的示烃成岩矿物Figure 4 Hydrocarbon indicating minerals during oil andgas filling stage

这一结论意味着滩坝砂体在前成岩期依旧是主要的耗水作用阶段，成岩矿物学标志揭示了耗水作用发生的过程。

3 耗水作用对成藏动力来源的贡献

由钾长石转化为高岭石的化学反应式计算得出(表2)，钾长石蚀变为高岭石后，岩石体积缩小率计算式为：

(217.2-99.2-92.3)/217.2×100%=11.75%

表2 钾长石蚀变高岭石体积变化表

从现今伊利石在储层孔喉中的形态和含量判断，前成岩期高岭石化阶段形成的自生高岭石在10%左右，与长石的转化率相对应，这一转化过程仅从体积变化上就贡献了1.33%。考虑消耗水的体积，则由耗水作用导致了约5%以上的孔隙度贡献值。由于前成岩期储层经历了充分的压实，按照压实-埋深曲线所对应的孔隙度范围应在15%以下，已属中低渗透层。因此，耗水作用对处于前成岩期阶段的滩坝砂而言，其对孔隙度的贡献值是非常明显的。

针对滩坝砂油藏成藏动力机制的来源问题，通过岩石化学理论探索和上述试验结论，发现耗水作用使得滩坝砂体孔隙内水被大量消耗并形成储层内部压力“亏空”(相对于静岩压力)，周围烃源岩生成的油气在静岩压力作用下进入这一“亏空”区域形成油藏。据此首创性的提出了基于储层耗水减压的油气“耗水降压、负压充注”成藏模式，即，源岩岩石覆压作用为油气充注提供外部驱动力，即“压”力；成岩耗水作用导致储层内部降压，为油气充注提供内部抽吸力，即“吸”力。上述“压与吸”的作用(合力)共同提供油气充注动力，形成滩坝砂特殊的成藏机制。“耗水降压、负压充注”导致了油藏含油饱和度的增大及含水率的降低，提高了深层滩坝砂岩油气成藏效率，揭示了滩坝砂大面积含油的规律。

4 耗水量与油气聚集规模分析

耗水现象发生于封闭体系中的岩石孔喉结构内。从理论上分析，完全被水饱和的储层架构中，水的损失体积完全为原油所占据时，耗水量即等于储油量。

本文以正理庄的高89井区、大芦湖的樊159井区、梁家楼的梁108至梁112井区以及滨南的梁76井区为解剖研究对象，分析了其发育的滩坝砂在油气充注期高岭石化所引发的耗水作用及耗水量，进而拓展至整个东营凹陷滩坝砂分布规模，进行了总耗水量的计算，从而为该区原油聚集规模提供了重要的勘探依据。

计算原理：利用长石发生高岭石化的摩尔分子及体积的变化量、长石密度等参数值，计算出每克单位长石的耗水量，利用井、震参数对滩坝砂体总体积进行计算，利用岩石光学鉴定参数确定蚀变长石的百分率，依此形成滩坝砂体总耗水量的计算公式。

总耗水量=砂体体积×蚀变长石比率×长石比重×单位克长石耗水量。

由于：钾长石蚀变为高岭石的过程中，如下式：

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

计算可得，1 000g钾长石蚀变为高岭石需要97.1g水。

而钠长石蚀变为高岭石的过程中，如下式：

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

计算可得，1 000g钠长石蚀变为高岭石需要103.1g水。

本区岩石中钾、钠长石含量相当，因此1 000g长石蚀变为高岭石可取平均耗水值100.1g

则：典型区块含油砂体中的耗水量为(表2)：

1200×106(面积)×7.3(厚度)×20%(长石蚀变率)×2.57(长石密度)×100.1(克耗水量)=4.9×108(t)

东营凹陷滩坝砂总耗水量为(表3)：

1200×106×33(厚度)×20%(长石蚀变率)×2.57(长石密度)×100.1(克耗水量)=20×108(t)

表3 耗水量计算参数取值

计算结果显示，滩坝砂中已经确认的含油砂体总耗水量4.9亿t，滩坝砂体总耗水量达20亿t，相当于提供了等量的原油储集量。与目前勘探程度比较，如果耗水作用在油气主成藏期形成了20亿t的油气储量规模，则针对滩坝砂体的勘探存在巨大的潜力。

5 结语

运用耗水作用原理合理地解释了东营凹陷滩坝砂油藏成藏动力机制和对储集空间的贡献，使得长期以来不被重视的薄互层滩坝砂呈现出良好的勘探局面，又一次体现了新理论、新发现在油区勘探实践中解决“老问题”的实效性。沉积岩的蚀变耗水作用既然能够在封闭体系内提供“压吸”动力和储集空间，则对于其它油藏类型的运、聚、藏过程必定产生影响，这一领域的研究和探索仍将延续和深化。