刘媛, 朱筱敏, 张思梦, 赵东娜. (2010)松辽盆地北部三肇凹陷下白垩统泉头组4段储集层成岩作用及孔隙演化[J]. 古地理学报, 12(4): 480-488
Liu Yuan, Zhu Xiaomin, Zhang Simeng, Zhao Dongna. (2010)Diagenesis and pore evolution of reservoir of the Member 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in Sanzhao Sag, northern Songliao Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(4): 480-488.   
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松辽盆地北部三肇凹陷下白垩统泉头组4段储集层成岩作用及孔隙演化
刘媛, 朱筱敏, 张思梦, 赵东娜
中国石油大学(北京)地球科学学院,北京昌平 102249

第一作者简介：刘媛,女,1982年生,现为中国石油大学(北京)地球科学学院在读博士,专业:矿物学,岩石学,矿床学.通讯地址:北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)地球科学学院234信箱;邮政编码:102249;E-mail:circle56799@163.com.

收稿日期:2009-10-26
摘要

松辽盆地三肇凹陷扶余油层(下白垩统泉 4段)储集层的渗透率平均值为 1.53×10-3 μm2,属于典型的低渗透储集层.文中通过岩石铸体薄片,扫描电镜及 X衍射等技术,对三肇凹陷扶余油层储集层的岩石组分,孔隙类型,成岩作用特征进行了识别鉴定.分析认为:储集层主要岩石类型为长石岩屑细砂岩和岩屑细砂岩,成熟度较低;次生溶蚀孔隙提供了大量有效储集空间,所占比例甚至可达 25%;储集层经历了压实,胶结,交代,溶解,破裂等成岩作用,主要处于晚成岩阶段 A1期和 A2期.压实,胶结作用等破坏性成岩作用使原生孔隙遭到破坏,形成致密储集层;交代作用对储集层物性影响不大;溶解,破裂作用等建设性成岩作用使储集层物性得到改善,形成次生孔隙发育带.孔隙度随深度增加呈逐渐增大趋势,与由有机质分解形成的酸性流体使储集层中不稳定矿物发生溶蚀密切相关.这一研究对三肇凹陷低渗透储集层的开发具有指导作用.

关键词: 三肇凹陷; 扶余油层; 低渗透储集层; 成岩作用; 孔隙演化
中图分类号:TE122.2+3 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)04-0480-09
Diagenesis and pore evolution of reservoir of the Member 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in Sanzhao Sag, northern Songliao Basin
Liu Yuan, Zhu Xiaomin, Zhang Simeng, Zhao Dongna
College of Geosciences, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249

About the first author Liu Yuan, born in 1982, is a candidate for Ph.D.degree in China University of Petroleum(Beijing). Address: China University of Petroleum, Changping, Beijing 102249; Tel:15810079512; E-mail:circle56799@163.com.

Abstract

In the Sanzhao Sag of the Songliao Basin, the average permeability of Fuyu oil interval reservoir (the Member 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation) is 1.53×10-3 μm2 which is the typical low permeable reservoir. According to cast thin section, SEM and X ray diffraction analyses, this paper studies the rock composition, pore type and diagenesis of the reservoir. The results indicate that the main rock type of the reservoir is feldspathic lithic fine-grained sandstone and lithic fine-grained sandstone with low maturity. Secondary dissolution pore hosts the large quantity of effective reservoir space, the ratio of which is to 25%. The reservoir suffered compaction, cementation, metasomatism, dissolution and fissure, which improved the reservoir properties, and the reservoir has mainly entered stage A1 and A2 of the late diagenesis. The primary pore was damaged by compaction and cementation which leads to the formation of dense reservoir. Metasomatism has small influence on reservoir petrophysical property. Constructive diagenesis such as dissolution and fissure improves the reservoir and forms the secondary pore developing belt. With the increase of depth, porosity increases which is closely related with the dissolution of instable mineral in the reservoir due to the organic matter-decomposed acid fluid. This study may have an advising effect in the development of low permeable reservoir in the Sanzhao Sag of Songliao Basin.

Key words: Sanzhao Sag; Fuyu oil interval; low permeable reservoir; diagenesis; pore evolution
1 概述

低渗透油气资源在油气资源中占有十分重要的地位, 也越来越受到人们的关注(Hearn et al., 1984; Ehrenberg, 1993; Bloch, 1994; Cannon, 1999; Alaa et al., 2000; 王志刚, 2000; Bloch et al., 2002; 蒋凌志等, 2004; 李海燕等, 2004; 朱筱敏等, 2006; 李海燕和彭仕宓, 2007; 王瑞飞和陈明强, 2007; 杨晓萍等, 2007; 李树青和汪利, 2009; 牛海青等, 2009).松辽盆地三肇凹陷扶余油层(下白垩统泉4段)储集层孔隙度平均值约13.6%, 渗透率平均值约1.53× 10-3μ m2, 属于典型的低渗透储集层.

三肇凹陷位于松辽盆地中部, 其西侧为大庆长垣, 北侧以汪家屯气田, 东侧以榆树林油田为界, 南侧为朝阳沟阶地, 面积约5743 km2, 区内包括升平油田, 宋芳屯油田, 肇州油田及永乐油田等(图 1)(高瑞琪和肖德铭, 1995).本次研究的目的层段为扶余油层, 在层位上相当于下白垩统泉头组4段(图2), 埋深大约在1670~2213, m之间, 是松辽盆地下部含油组合中重要的含油气储集层.三肇凹陷泉4段主要为浅水三角洲沉积, 分流河道, 水下分流河道砂体较为发育, 提供了有利的油气储集空间.在漫长的地质时期内, 储集层经历了强烈的成岩作用(王宝清等, 2001; 姜洪福等, 2006), 极大地影响到储集层质量.

图1 松辽盆地三肇凹陷地理位置图(据高瑞琪和肖德铭, 1995)Fig.1 Geographic location of Sanzhao Sag in Songliao Basin(after Gao Ruiqi and Xiao Deming, 1995)

图2 松辽盆地三肇凹陷中生界地层概况Fig.2 Stratigraphic outline of the Mesozoic in Sanzhao Sag of Songliao Basin

文中通过岩石铸体薄片, 扫描电镜及X衍射等技术, 对研究区目的层段的储集层岩石组分, 孔隙结构, 成岩作用等进行识别, 从而分析各种成岩作用对储集层的改造作用, 探索孔隙演化规律, 以便为油田后期开发寻找"甜点"提供可靠的地质依据.

2 储集层基本特征
2.1 岩石学特征

扶余油层储集层岩石的成分成熟度较低, 岩石类型主要为长石岩屑细砂岩和岩屑细砂岩.主要颗粒组分为石英, 长石和岩屑, 其中岩屑含量相对较高, 一般为45%~70%, 以火山碎屑岩和岩浆岩为主, 其次为变质岩及少量沉积岩; 长石颗粒占12%~30%, 石英颗粒占15%~40%.胶结物类型较多, 主要有方解石, 自生黏土矿物, 自生石英, 自生长石等, 并见少量含铁方解石, 硬石膏, 黄铁矿等, 其中以方解石最为发育, 分布最为广泛, 最高含量可达17.2%.杂基类型主要为泥质杂基, 含量变化较大, 在1%~33.5%之间, 平均值为8.4%.

碎屑颗粒一般呈棱角状--次圆状, 粒径为0.1~0.25, mm, 分选较好, 以细砂为主, 其次为粉砂和中砂.储集岩为颗粒支撑, 以线接触为主, 其次为点接触, 凹凸接触, 偶见缝合接触.胶结类型以孔隙式胶结, 接触--孔隙式胶结为主.

2.2 孔隙结构特征

经观察与统计发现, 储集层面孔率较低, 大多不足15%; 孔径大小在22.49~49.31, μ m之间; 孔隙几何形态复杂多样, 按成因可分为:原生粒间孔, 溶蚀孔隙, 裂缝孔, 微孔隙等(表 1), 其中溶蚀孔隙(如粒间溶孔, 粒内溶孔)(图 3-1, 3-2; 图4-1)是研究区最主要的孔隙类型之一, 所占比例最高达25%.

2.3 储集层物性特征

据常规物性分析法对三肇凹陷扶余油层125口取心井进行了孔隙度和渗透率的测量.研究区孔隙度为1%~25.9%, 平均值为13.6%, 渗透率范围广, 大多数为(0.067~17.1)× 10-3 μ m2(图5), 平均值为1.53× 10-3 μ m2, 属于典型的低渗透储集层.

图3 三肇凹陷扶余油层储集层特征显微照片
1--岩屑质长石细砂岩, 溶蚀孔隙发育, 可见粒间溶孔, 颗粒溶孔, 粒内溶孔等, 孔隙间有一定的连通性, 芳186-132井, 1847.0, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40; 2--岩屑质长石细砂岩, 可见粒间溶孔, 粒内溶孔等, 长石颗粒发生溶蚀, 方解石被染色, 芳186-132井, 1847.0, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40; 3--长石细砂岩, 压实作用使碎屑颗粒之间呈线接触, 长形颗粒呈半定向, 方解石被染色, 芳184-162井, 1848.1, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40; 4--长石细砂岩, 方解石胶结物, 沿颗粒边缘分布, 被染色, 芳29井, 1870.5, m, 铸体薄片, 单偏光, × 100; 5--长石质岩屑细砂岩, 石英自生加大, 方解石被染色, 推测方解石胶结作用晚于石英次生加大, 芳188-138井, 1789.4, m, 铸体薄片, 单偏光, × 100; 6--岩屑质长石细砂岩, 颗粒溶孔, 粒间孔, 泥质杂基充填其间, 方解石被染色, 肇29-平30井, 2369.6, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40; 7--长石杂砂岩, 成岩收缩缝, 可见溶蚀孔隙, 芳186-132井, 1835.6, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40; 8--长石细砂岩, 方解石交代长石颗粒, 方解石被染色, 芳186-132井, 1847.97, m, 铸体薄片, 单偏光, × 40Fig.3 Microphotographs showing reservoir characteristics of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag

图4 三肇凹陷扶余油层储集层扫描电镜照片
1--长石颗粒溶蚀形成次生孔隙, 颗粒表面可见丝状伊利石, 芳188-138井, 1793.0 m, × 1820; 2--自生石英晶体, 颗粒表面有针状绿泥石, 丝状伊利石胶结物, 芳186-132井, 1847.0 m, × 1690; 3--粒间方解石胶结物, 芳186-132井, 1831.59 m, × 920; 4--碎屑颗粒间见伊/蒙混层, 呈蜂窝状, 芳188-138井, 1793.0 m, × 1680; 5--粒间可见片状绿泥石和丝状伊利石, 见钠长石晶体, 芳186-132井, 1821.61 m, × 3370; 6--钠长石颗粒发生溶蚀形成粒内溶孔, 孔内充填有片状伊利石, 芳186-132井, 1835.6 m, × 4680Fig.4 SEM microphotographs showing interval characteristics of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag

图5 三肇凹陷扶余油层孔隙度--渗透率交会图Fig.5 Crossplot of porosity-permeability of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag

3 储集层成岩作用类型及其对储集空间的改造作用

成岩作用都是相互联系的, 其综合效应影响和控制着碎屑沉积物(岩)的发育历史(冯增昭, 1993; 刘孟慧和赵澄林, 1993; 应凤祥等, 1994).其中对碎屑岩储集层物性有重要影响的是压实作用, 胶结作用和溶解作用等.

3.1 压实作用

三肇凹陷扶余油层储集层粒度较细且泥质含量高, 因而遭受到强烈的压实作用, 导致储集层的孔隙度, 渗透率均较低, 且随着泥质杂基含量的增高或粒度中值的减小, 储集层抗压强度降低, 渗透率降低(图 6).王宝清等(2001)根据Scherer公式计算后认为, 由于压实作用的影响, 研究区储集层的平均孔隙度由28%减少到10.9%, 压实率为60%.铸体薄片中可观察到以下与压实作用有关的现象:脆性颗粒破裂, 长形颗粒定向--半定向排列, 碎屑颗粒以线接触为主等(图 3-3), 原生粒间孔较少, 且多是压实作用和胶结作用共同形成的缩小的残余粒间孔.

图6 三肇凹陷扶余油层储集层渗透率与泥质杂基含量, 粒度中值交会图Fig.6 Crossplot of permeability-muddy content and medium size of Fuyu oil interval reservoir in Sanzhao Sag

3.2 胶结作用

研究区储集层中胶结物种类很多, 如碳酸盐胶结物, 自生黏土矿物, 石英次生加大, 自生长石, 硬石膏等, 均对储集层物性产生破坏作用.

1)碳酸盐胶结物.在研究区内分布广, 含量高, 其成分主要是方解石, 未见白云石.方解石胶结物含量最高可达17.2%.根据铸体薄片观察, 方解石胶结物多呈衬边状或栉状, 围绕碎屑颗粒边缘(图 3-4, 4-3)或石英次生加大边缘分布, 推测多是晚期形成的.方解石胶结物的形成一方面堵塞了孔隙, 大幅降低了储集层的孔隙度和渗透率; 但另一方面, 其在一定程度上有效地降低了砂岩的压实程度, 从而抑制自生黏土矿物的充填, 也为后期的酸性水溶蚀和次生孔隙的形成创造了有利条件.

2)自生黏土矿物.研究区储集层中的自生黏土矿物主要有高岭石, 伊利石, 绿泥石及伊/蒙混层等, 以孔隙充填, 裂隙充填及孔隙衬垫(图 4-4, 4-5, 4-6)为主.X衍射分析资料表明, 伊/蒙混层含量最高, 均在50%以上, 其中蒙脱石层含量在20%~25%之间; 绿泥石和伊利石分布广泛, 绿泥石含量在11%~23%之间, 伊利石含量稍低, 在8%~12%之间; 高岭石少见, 仅在芳29井有发现, 含量约23%, 其余样品中未见; 绿/蒙混层不发育(表 2).

表1 三肇凹陷扶余油层主要孔隙类型统计 Table 1 Pore types of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag
表2 三肇凹陷扶余油层储集层中黏土矿物相对含量统计表 Table 2 Relative contents of clay minerals of Fuyu oil interval reservoir in Sanzhao Sag

3)自生石英.石英含量普遍偏低是研究区储集层的显著特点.自生石英的产状主要有两种形式:次生加大边或者细粒状充填(图 3-5, 4-2).自生石英含量偏低, 可能与高含量的黏土矿物和碳酸盐胶结物有关.

4)其他胶结物.通过铸体薄片分析, 发现有少量自生长石, 硬石膏等胶结物, 含量低, 对储集层物性影响不大.自生长石主要呈加大边形式, 成分为钾长石和钠长石(图 4-5).硬石膏以细粒充填为主, 含量不足5%.

3.3 溶解作用

溶解作用通常会产生新的孔隙或者扩大原有孔隙, 使储集层物性变好(Alaa et al., 2000).研究区内溶解作用发育普遍, 溶蚀对象主要是岩石骨架中的不稳定颗粒(长石和岩屑), 部分方解石胶结物及泥质杂基(图 3-1, 3-2, 3-6, 4-1, 4-6).研究区内溶蚀孔隙主要有5种类型:粒间溶孔, 粒内溶孔, 铸模孔, 胶结物内溶孔和杂基溶孔(表1), 储集层中溶蚀孔隙所占比例可高达25%, 对改善储集层物性具有巨大的贡献.导致研究区溶解作用发生的直接因素是孔隙流体性质的改变(高瑞祺和肖德铭, 1995; 高瑞琪和蔡希源, 1997; 王宝清等, 2001; 马艳萍等, 2003; 周永炳, 2005; 姜洪福等, 2006; 王秀娟等, 2006; 闫建萍等, 2009).由于埋深及地热梯度决定了古地温, 进而决定着烃源岩中有机质的成熟度与演化, 从而控制了与形成次生孔隙有关的有机酸溶液的生成, 而酸性介质进入储集层导致孔隙流体pH值大幅度降低, 使成岩早期形成的不稳定自生矿物及长石颗粒发生较大规模的溶解, 因此改善了储集层物性.

3.4 破裂作用

裂缝的存在加强了孔隙之间的连通程度, 使得储集层物性变好.裂缝主要有两种成因类型:① 成岩收缩缝, 是指泥质杂基脱水收缩形成的次生裂缝, 呈树枝状分叉展布, 较不规则, 多顺层分布(图3-7), 在粉砂岩储集层中常见; ② 构造裂缝, 是指在构造应力或地静压力作用下岩石发生破裂形成的次生裂缝, 呈线状侧列分布, 裂缝面略弯曲绕过颗粒边界.

3.5 交代作用

铸体薄片分析发现, 储集层中发育有交代作用, 如方解石交代长石(图3-8), 黏土矿物交代长石和黏土矿物相互交代.方解石交代钾长石是研究区内最常见的现象, 表现为方解石呈不规则状交代长石边缘或晶体内部(图3-8).由于长石类矿物不稳定, 因此可出现长石被黏土矿物交代的现象, 通常是钾长石发生高岭石化.交代作用通常对储集层物性的影响不大.

4 孔隙演化特征

综合上述分析, 根据国家经济贸易委员会发布的最新中华人民共和国石油天然气行业标准(应凤祥等, 2003), 认为三肇凹陷扶余油层储集层主要处于晚成岩阶段A1期和A2期(表 3).该阶段储集层主要有以下特征:颗粒以线接触, 凹凸接触为主, 偶见缝合接触; 碳酸盐胶结物发育, 呈细晶, 以交代, 胶结或加大边形式出现; 黏土矿物中以伊/蒙混层为主, 且蒙脱石层约占20%~25%, 蒙脱石开始发生缺失; 孔隙类型以溶蚀孔隙为主, 主要是由长石颗粒, 碳酸盐胶结物发生溶蚀而成, 同时开始发育微裂缝.

图7 三肇凹陷扶余油层孔隙度随深度变化曲线Fig.7 Diagram showing changes of porosity with depth of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag

三肇地区扶余油层储集层孔隙度变化规律见图7.早期的压实作用使原生孔隙遭到破坏, 孔隙残余少; 且扶余油层储集岩中的长石碎屑在进入沉积盆地以前, 即在风化过程中接受淡水淋滤, 溶出的富Ca2+地层水进入相邻的砂体中, 发生钙质胶结, 两者大大降低了储集层的孔隙度和渗透率, 形成致密储集层.随埋深增加至1800, m, 孔隙度从25.5%降低至17.5%, 颗粒间以线接触为主, 部分为点接触或凹凸接触, 储集层达到紧密压实程度; 胶结物如碳酸盐矿物, 黏土矿物, 石英次生加大等进一步充填储集空间, 同时在某种程度上也抑制了颗粒间向更紧密的缝合接触和压溶转变, 限制了压实作用进一步发展.在埋深1800~2200, m之间, 为储集层次生孔隙发育带, 孔隙度随深度增加呈明显增大趋势, 由小于15%增至20.7%, 这主要是由于长石, 岩屑及碳酸盐胶结物等不稳定矿物发生溶蚀, 形成粒间孔和粒内孔造成的, 对储集层物性的改善具有十分重要的意义, 即易形成低渗透储集层.次生孔隙发育带的形成与有机质脱羧基作用产生的酸性水使不稳定矿物(长石, 方解石胶结物等)发生溶蚀密切相关, 也与晚成岩阶段的硫酸盐与烃类发生氧化还原反应产生的H2S溶于水中, 形成酸性地层水有关(闫建萍等, 2009).在埋深1800~2200, m, 孔隙度变化与地层水中有机酸浓度随深度的变化(图 8)规律基本一致, 表明湖盆中心的有机质成熟, 产生的有机酸进入相邻的三角洲分流河道或水下分流河道砂体中, 使早期的粒间填隙物或胶结物发生溶蚀, 产生多种次生孔隙.

图8 三肇凹陷扶余油层有机酸浓度随深度变化曲线(据高瑞琪和蔡希源, 1997, 有修改)Fig.8 Diagram showing changes of organic acid concentration with depth of Fuyu oil interval in Sanzhao Sag(modified from Gao Ruiqi and Cai Xiyuan, 1997)

由于三肇凹陷扶余油层储集层的砂体薄, 粒度细, 泥质含量高, 沉积物成熟度低, 且压实, 胶结作用大大破坏了储集层原生孔隙等因素的影响, 其储集层物性明显差于松辽盆地中部含油组合萨尔图, 葡萄花, 高台子油层, 所以扶余油层一直未成为勘探开发重点.事实上, 成岩后期在酸性水条件下, 扶余油层储集层中的长石颗粒, 岩屑颗粒, 碳酸盐胶结物等不稳定组分发生溶蚀, 产生大量次生孔隙, 同时破裂作用加强了孔隙之间的连通性, 有利于形成低渗透储集层.在油源充分的条件下, 即可形成低渗透油气藏, 成为油田后期开发的"甜点".

5 结论

1)三肇凹陷扶余油层的储集岩主要为长石岩屑细砂岩和岩屑细砂岩, 物性差, 属于低渗透储集层, 其孔隙类型以次生孔隙为主, 所占比例甚至可达25%.

2)储集层经历的破坏性成岩作用主要包括压实, 胶结作用等, 建设性成岩作用包括溶解作用, 破裂作用等, 均对储集性能有极大影响, 而交代作用对储集层物性的影响不大.储集层主要处于晚成岩阶段A1期和A2期.

3)三肇凹陷扶余油层储集层在早期压实, 胶结作用下, 原生孔隙度降低, 形成致密储集层; 后期在酸性液体作用下不稳定矿物发生溶蚀, 产生次生孔隙, 形成低渗透储集层, 成为油田后期开发的"甜点".

致谢 文中所有原始实验数据和照片来源于中国石油大庆油田有限责任公司第八采油厂, 同时论文编写过程中也得到了冯增昭老师的悉心指导, 在此一并表示感谢.

The authors have declared that no competing interests exist.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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