准中沙窝地地区三工河组砂岩致密化过程与机理

2021-06-11曾治平

西安石油大学学报（自然科学版） 2021年3期

曾治平

(中石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257200)

引言

随着北美致密储层的成功勘探，致密砂岩储油层已引起了国内外的广泛关注[1-4]。国内几乎所有含油气盆地的中深部均具有形成致密油气藏的地质条件。近年来，准噶尔盆地侏罗系三工河组致密砂岩油气勘探的突破，凸显准噶尔盆地中深致密储层油气勘探的具大潜力。致密油气藏成藏复杂、勘探难度大，其中，储层致密化机理及时间与烃源岩热演化生排烃高峰期的配置关系尤为关键。虽然前人已从沉积相[5-6]、成岩作用与孔隙演化[7-14]、储层特征及受控因素[15-21]、储层成因机制[22-23]、油气藏地球化学[24-25]和油气充注时间[26]方面对三工河组砂岩致密储层进行了研究，并注意到超压对储层物性的影响[19,22,27]，但对储层致密化机理、储层致密化过程与油气成藏间的关系的研究还显得十分薄弱[14,23]，这在一定程度上制约了准中地区深部致密储层油气的勘探开发。由于准中不同区块侏罗系砂岩储层的致密化过程和机理有明显的差异，本文仅选取沙窝地地区的三工河组为研究对象，重点揭示三工河组致密砂岩的致密化机理，建立致密化过程与油气藏成藏间的关系。

1 区域地质简况

沙窝地地区位于准噶尔盆地中部中央坳陷内的次级凹陷—盆1井西凹陷内，处于受“车—莫古隆起”控制的构造坡折带上[28]。研究区的侏罗系由下至上可划分为八道湾组、三工河组、西山窑组和头屯河组。在侏罗系沉积之后，盆地腹部隆升，导致侏罗系部分地层被剥蚀，造成白垩系与侏罗系地层间的区域性不整合接触。三工河组为研究区的主要含油层系为三角洲-湖泊沉积[5-6]。

2 储层特征

沙窝地地区三工河组致密砂岩储层主要发育于三角洲河口砂坝和水下分流河道中。通过对取自不同沉积微相砂岩储层的64件样品面孔率的统计发现，水下分流河道砂岩的面孔率高于河口沙坝砂岩的面孔率，现今致密砂岩的面孔率大多介于2%～13%，绝大部分样品的面孔率集中于6%～10%间，平均6.76%。

沙窝地地区的三工河组储集岩主要以长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主，属于孔洞型储层。按照孔洞的成因类型可以划分为原生孔隙和次生孔隙，以原生孔隙为主。

原生孔隙主要为残余原生粒间孔，它是砂岩经过压实作用、绿泥石和高岭石等胶结物胶结后原始粒间孔隙残余的孔隙空间。该类孔隙主要位于颗粒之间、孔隙边缘平直、孔隙形态呈三角形、四边形或不规则多边形(图1(a))，孔隙中大多缺少后期充填，有时在孔洞边缘紧贴孔壁处有少量绿泥石、高岭石等充填(图1(c)-(d))，有时该类孔隙边缘经后期溶蚀局部出现圆滑状、港湾状边界。

次生孔隙主要有粒内溶孔、粒间溶孔及自生矿物之间的晶间孔。粒间溶孔由颗粒间胶结物溶蚀、颗粒和颗粒间填隙物溶蚀而成，有时可见溶蚀残骸。粒内溶孔在长石颗粒和含长石的岩屑中最为发育，长石的溶蚀主要沿着解理方向进行，在长石颗粒内部常形成微米级孔隙群(图1(b))，溶蚀作用强烈时可形成铸模孔。晶间孔主要发育于孔隙内部的填隙物中或残余原生孔内的自生高岭石、伊利石晶体之间(图1(c)-(d))。颗粒间的方解石胶结物很少被完全溶蚀(图1(e))，仅在部分薄片中能见到方解石胶结物被部分溶蚀的现象。

3 致密化过程的重建

3.1 影响致密化的关键成岩作用

影响研究区砂岩储层致密化的关键控制因素为压实作用、胶结作用和溶蚀作用[7,13-15,18,23]。强烈的压实作用使研究区刚性碎屑颗粒间呈点-线接触，塑性碎屑颗粒发生塑性变形、碎屑颗粒之间呈线-凹凸接触，原生孔隙因压实作用而缩小。胶结作用是使孔隙度降低、砂岩储层致密化最直接的控制因素。研究区的胶结作用表现为方解石、硬石膏、高岭石、伊利石、绿泥石、石英和钠沸石胶结。绿泥石大多呈包壳形式赋存于孔隙的边缘，呈薄膜状贴附于颗粒上(图1(c))，有时偶见其充填于整个粒间孔中。高岭石、石英、伊利石和钠沸石多为成岩作用过程中的自生矿物，其形成大多与长石的溶蚀相关，多形成于包壳状绿泥石后，呈集合体形式紧贴于孔隙壁上(图1(c)-(d))。方解石是最常见的胶结矿物，大多充填于颗粒间，将粒间孔全部堵塞(图1(e))。硬石膏胶结物在沙窝地区也偶尔能见到，硬石膏的存在表明地层水中存在SO42-。在所有胶结物中，方解石和硬石膏是破坏孔隙的最主要的因素，现存致密砂岩中的孔隙度的大小取决于方解石和硬石膏胶结物的含量，方解石胶结物愈多孔隙度愈差。溶蚀作用使砂岩碎屑骨架长石颗粒溶蚀形成粒内溶孔或铸模孔。胶结物溶蚀主要为方解石胶结物的局部溶蚀，对孔隙的贡献不大。

图1 砂岩储层的孔隙类型、孔隙充填物和方解石胶结物的荧光特征Fig.1 Fluorescent characteristics of pores,pore fillings and calcite cements in sandstone reservoirs

3.2 成岩序列

在许多孔隙的边缘均有绿泥石呈包膜形式存在，这些包膜应是最早期的孔隙充填。有时可见自生高岭石、钠沸石、石英、伊利石贴附于绿泥石包膜上(图1(c))，表明这些自生矿物形成于绿泥石包膜后，而钠沸石的形成又大多与长石碎屑颗粒的溶蚀作用密切相关。钠沸石常与高岭石、自生石英共生，说明它们可能均是由长石溶蚀形成。在有的残余粒间孔中可见到方解石充填于钠沸石形成后的残余空间中(图1(e))，方解石的氧同位素温度的研究和阴极发光分析结果表明有两期方解石胶结。早期方解石胶结物具有弱荧光，晚期充填的方解石为含铁方解石，方解石内有大量烃类包裹体，呈强黄色荧光(图1(f))，揭示铁方解石形成于烃类充注过程中。根据含铁方解石的氧同位素温度计确定的温度为71～100 ℃(表1)、流体包裹体温度为80～100 ℃[24]，表明含铁方解石形成于成岩作用的中—晚期。油气的充注会抑制伊利石的生长，因而，富含烃类的方解石的形成应晚于伊利石、高岭石、石英和钠沸石。黄铁矿在研究区虽然普遍但含量较低，有草莓状和晶粒状两种形态产出。有时可见高岭石依附于草莓状黄铁矿生长，表明该类黄铁矿应形成于成岩作用早期。晶粒状黄铁矿常与含铁方解石伴生，说明晶粒状黄铁矿的形成大致与富含烃类的铁方解石同期。有时，可见硬石膏被含铁方解石包围，硬石膏也显示明显的黄色荧光，说明硬石膏的形成可能稍早于含铁方解石，但晚于早期方解石。

表1 方解石胶结物碳氧同位素分析结果及形成温度Tab.1 Carbon and oxygen isotope analysis results and formation temperature of calcite cements

根据孔隙中所充填矿物的早晚相对时序关系及关键矿物形成的温度，可以大致确定成岩事件的先后顺序：绿泥石包膜+草莓状黄铁矿→溶蚀作用→钠沸石、自生石英、自生高岭石、伊利石→早期方解石→硬石膏→含铁方解石+晶粒状黄铁矿，压实作用则基本上贯穿于成岩过程的始终。

3.3 致密化过程

砂岩储层在经历上述成岩事件的改造后，原来好的储层变成低孔低渗储层，砂岩储层不断致密化。在所有这些成岩事件中，早晚两世代的方解石、硬石膏的胶结和压实作用是砂岩储层致密化的关键因素。沙4井和沙2井代表性样品的孔隙演化曲线就是一个很好例证，下面予以简要说明：

用于分析的沙4井样品埋深3 420.81～3 430.58 m、沙2井样品埋深3 382.56～3 439 m。根据Beard 和Weyl[29]湿砂填集实验的结果，用图解法获得样品的初始孔隙度为31.5%～40.6%,经过早期的压实和溶蚀作用后，孔隙度在20%～28%；后期经过铁方解石胶结后孔隙度降低为0.36%～12.8%，绝大部分样品的孔隙度集中于2.4%～12.8%(图2)。

图2 成岩作用、油气成藏与致密化间的关系Fig.2 Relationship between densification process and diagenesis,hydrocarbon accumulation

为了进一步定量揭示压实作用、溶蚀作用和方解石(硬石膏)胶结作用对孔隙的影响，选择沙2井中沙2-6样品(sh2-6,埋深3 433.75 m)。Sh2-6 样品初始孔隙度为38.4%，现今孔隙度为11.82%。按照张创等[29]介绍的方法计算出经压实后的孔隙度为22.88%、压实作用使孔隙的损失率为40.42%。经溶蚀作用改造后的孔隙度为16.74%,溶蚀作用导致的增孔率为23.08%。胶结物充填后的孔隙度为7.88%,胶结物造成的孔隙损失率为39.06%。上面的计算结果表明，压实作用和胶结作用使初始的孔隙度损失了79.48%。在相同的压实作用下，胶结作用使孔隙度损失近40%，是控制砂岩储层致密化的关键因素。沙窝地地区砂岩储层致密化的关键控制因素与1区块其他地区的控制因素非常相似[23]。

4 致密化过程与油气成藏时间配置关系

根据研究区包裹体的岩相学特征和均一温度特征，可将烃类包裹体大致分为2类(图3)：一类在透射光下呈褐色、浅褐色，荧光下呈黄绿色，主要分布在石英和长石颗粒内裂隙、颗粒与后期次生加大边之间，少部分分布在颗粒溶孔中，均一温度为85～95 ℃，对应早期成藏；另一类在投射光下呈浅褐色—无色，荧光下呈蓝白色，主要分布在穿石英和长

图3 沙窝地地区J1s油气包裹体均一温度直方图Fig.3 Homogenization temperature histogram of hydrocarbon inclusions in J1s reservoir of Shawodi area

石颗粒边界的裂隙内、硅质胶结物和亮晶方解石胶结物中，均一温度为100～125 ℃，对应晚期成藏。结合埋藏史认为，研究区三工河组储层发生了2次油气充注，分别为距今92～55 Ma(K2—E)和距今47 Ma 至今(E—Q)[24,26]。

研究区形成方解石胶结物的流体主要来自地层本身的孔隙流体，方解石的形成温度基本可以代表样品埋藏时的温度。通过方解石氧同位素温度计确定的形成温度主要集中于71～100 ℃，绝大部分样品的形成温度低于90 ℃(表1)。由方解石氧同位素温度计所获得的形成温度与流体包裹体温度(80～100 ℃)能很好地对应[24]。从图2可以看出，当方解石胶结物形成时，也正是第一期油气运移、成藏时期；第一期油气充注时，砂岩的孔隙度集中于20%～28%。换言之，当第一期油气充注时，沙窝地地区的砂岩储层并未致密，致密主要发生于油气成藏过程中或者是油气成藏后。

5 致密化机理

前述表明，在相同的压实强度下，控制砂岩储层致密化的关键因素为方解石(硬石膏)胶结。因而，对砂岩储层的致密化机理的探讨实际上转换成方解石(硬石膏)胶结物的形成机理的讨论。

沙窝地地区方解石的δ13C变化于-10.58‰～24.69‰(表1)，无机来源碳酸盐的δ13C为-4.0‰～4.0‰[30]，明显不同于无机来源的无机碳的碳同位素，显示有机碳碳源的特征。近年来，越来越多的人注意到，有机酸在热催化作用下经脱羧作用形成的CO2与Ca2+结合所形成的碳酸盐往往具有高负值特征，如珠江口盆地砂岩储层中与有机酸脱羧作用相关的碳酸盐胶结物的δ13C多集中于-5.96‰～9.64‰[31]、鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩储层中与有机酸脱羧作用相关碳酸盐胶结物δ13C多集中于-3.23‰～8.02‰[32]、准噶尔盆地永进地区侏罗系砂岩储层中与含有机酸的孔隙流体侵入相关的碳酸盐胶结物的δ13C多集中于-5.13%～12.38%[33]。研究区三工河组砂岩储层中碳酸盐胶结物的δ13C比有机酸脱羧作用相关碳酸盐胶结物的δ13C更偏负，更接近于油藏中的有机碳，显示明显的有机碳源特征。研究区方解石胶结物的δ13C与川东北地区由TSR反应所生成的碳酸盐矿物的δ13C(-10.8‰～13.8‰[34]或介于-10.3‰～18.2‰)[35]相近。TSR反应的最低温度为100～140 ℃[36]。研究区方解石胶结物的形成温度均低于TSR反应的温度，表明它们与TSR无关。

研究表明，准噶尔盆地中部Ⅰ区块三工河组经历了两期成藏，受晚期油气充注时构造活动的影响,早期油气藏遭到破坏,油气主要是以晚期成藏为主[26]。前面的分析也表明，方解石主要形成于早期油气成藏过程中(图2)，也就是说方解石主要形成于早期油气藏的破坏过程中；方解石胶结物的形成应与热硫酸盐还原细菌反应(BSR)相关，其化学反应式为

CH4+CaSO4→ CaCO3+H2S+H2O[37]。

一般来说，BSR反应大多发生于0～80 ℃，当温度超过80 ℃时，几乎所有的硫酸盐细菌都会停止新陈代谢，但有些嗜高温的硫酸盐细菌在110 ℃时仍能生存[37]。

研究区方解石的形成温度绝大部分低于90 ℃，其形成温度与BSR发生的温度条件相近。同时，方解石胶结物中偶见石膏，表明孔隙水或地层水中富含CaSO4，具有发生BSR反应的基本条件，而且在方解石胶结物多的地方多缺少石膏，这可能是BSR反应消耗掉了CaSO4所致。正如前述，与方解石伴生的常有晶粒状黄铁矿，是由BSR反应所形成的H2S与孔隙水中的Fe2+结合而形成黄铁矿的结果。其形成过程可以恢复为：沙窝地地区早期油气运移、聚集成藏后，由于构造作用，尤其是断裂作用，将油藏与地表沟通，地下水下渗到油藏中，下渗的地表水富氧和硫酸盐还原细菌，它们在古油藏中发生细菌硫酸盐还原反应，形成方解石胶结物，从而使砂岩储层致密。因而，沙窝地地区砂岩储层的致密主要是油藏破坏过程中由BSR反应导致的。

根据研究区的成藏特征及致密机理，对比流体包裹体充注时间和期次的划分，三工河组储层中的油气主要是以晚期充注为主，具有先致密后成藏的特征，因此，储层物性成为制约油气成藏的重要因素，但后期构造活动为流体充注或再成藏提供了有利条件。针对该类储层低孔低渗的特征，结合沙窝地地区坳隆相间的地质背景，认为在油气勘探过程中，需要深入研究断裂对储层的改造作用，优选在断裂作用下，发育高密度裂缝等储集空间的优质储层，还要基于储层致密化机理，结合相带分布与成岩序列，区分不同相带的差异成岩作用，落实储层甜点区，从而指导研究区的油气勘探，为下一步井位部署提供理论指导和技术支持。