余志云, 陈世悦, 张顺, 刘鑫金, 唐东, 鄢继华. (2022). 成岩作用对泥页岩储集性能的影响: 以东营凹陷古近系沙四上亚段为例* [J]. 古地理学报, 24(4): 771-784.
YU Zhiyun, CHEN Shiyue, ZHANG Shun, LIU Xinjin, TANG Dong, YAN Jihua. (2022). Influence of diagenesis on reservoir performance of shale: a case study of the upper sub-member of Member 4 of Paleogene Shahejie Formation in Dongying sag[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(4): 771-784.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.04.046
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成岩作用对泥页岩储集性能的影响: 以东营凹陷古近系沙四上亚段为例*
余志云1, 陈世悦1, 张顺2, 刘鑫金2, 唐东2, 鄢继华1
1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580
2 中国石化胜利油田勘探开发研究院,山东东营 257022

通讯作者简介 陈世悦,男,1963年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学、非常规油气地质学方面的研究。E-mail: chenshiyue@vip.sina.com。

第一作者简介 余志云,男,1996年生,硕士研究生,主要从事非常规油气地质学方面的研究。E-mail: 469673662@qq.com。

收稿日期:2021-10-08 修回日期:2022-03-21
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41572087)资助
摘要

陆相页岩油储集层孔隙结构特征及储集能力受泥页岩在埋藏过程中经历的复杂成岩改造影响,纵向上表现出显著的差异性,但相关研究仍不够深入。以渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组沙四上亚段典型陆相富有机质泥页岩为研究对象,基于岩心观察描述、岩石薄片鉴定、扫描电镜等多尺度观察手段,结合 X射线衍射分析、同位素地球化学分析、物性分析及能谱分析等测试资料,开展泥页岩成岩作用特征及其控储差异研究。研究结果表明: ( 1)研究区可识别出 7种成岩作用类型,其中,建设性成岩作用以方解石重结晶、黏土矿物转化及白云石化作用为主; 沙四上亚段整体处于中成岩 A阶段。( 2)方解石重结晶、黏土矿物转化及白云石化作用在垂向上表现出显著的差异性演化特征,重结晶成因的亮晶方解石主要发育于纯上 3小层与纯上 2小层,黏土矿物转化所形成的晶间中—高孔区主要发育于纯上 2小层; 研究区主要发育 2种类型的白云石,其中,泥晶白云石主要发育于纯上 3小层,微晶铁白云石主要发育于纯上 1、 2小层。( 3)方解石重结晶和黏土矿物转化的协同使得纯上 2小层产生了大量微孔,同时适量的铁白云石可作为骨架矿物支撑孔隙,有利于中深层孔隙的保存,是该小层成为优质储集层的关键。

关键词: 东营凹陷; 沙四上亚段; 成岩演化差异性; 方解石重结晶; 黏土矿物转化
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)04-0771-14
Influence of diagenesis on reservoir performance of shale: a case study of the upper sub-member of Member 4 of Paleogene Shahejie Formation in Dongying sag
YU Zhiyun1, CHEN Shiyue1, ZHANG Shun2, LIU Xinjin2, TANG Dong2, YAN Jihua1
1 School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580,China
2 Reserch Institute of Petroleum Exploration and Development,Shengli Oilfield,SINOPEC,Shandong Dongying 257022,China

About the corresponding author CHEN Shiyue,born in 1963,is a professor and Ph.D. supervisor. He is engaged in researches on sedimentology and unconventional oil and gas geology. E-mail: chenshiyue@vip.sina.com.

About the first author YU Zhiyun,born in 1996,is a master degree candidate. He is engaged in research on unconventional oil and gas geology. E-mail: 469673662@qq.com.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41572087
Abstract

The pore structure characteristics and reservoir capacity of continental shale oil reservoirs are affected by the complex diagenetic alteration during burial,resulting in significant vertical differences. However,relevant researches are still limited. This work focuses on the typical continental organic-rich shale of the upper sub-member of Member 4 of Paleogene Shahejie Formation(E s4U)in Dongying sag,using the multi-scale observation methods like core description,thin section and scanning electron microscopy(SEM)observations,X-ray diffraction,isotope geochemistry,physical property and energy spectrum analysis,to reveal the diagenesis characteristics and its controls on reservoir quality of the shale. Our work has identified that: (1)Seven types of diageneses that can affect reservoir quality. The constructive diagenesis is mainly calcite recrystallization,clay mineral transformation,and dolomitization. The E s4U is overall in the middle diagenetic stage A. (2)Calcite recrystallization,clay minerals transformation,and dolomitization vary significantly in vertical. The sparry calcite caused by recrystallization is mainly developed in the $Ea^{4Ucs3}$ and the $Ea^{4Ucs2}$ layers. The intermediate and high pores formed by clay minerals transformation are mainly developed in the $Ea^{4Ucs2}$ layer. Based on the petrological characteristics,there are two types of dolomite identified in the study area. Among them,the argillaceous dolomite is mainly developed in the $Ea^{4Ucs3}$ layer,and the microcrystalline iron dolomite is mainly developed in the $Ea^{4Ucs1}$ layer and the $Ea^{4Ucs2}$ layer. (3)The combined actions of calcite recrystallization and clay mineral transformation generate a large number of micropores in the $Ea^{4Ucs2}$ layer. At the same time,moderate iron dolomite is a skeleton mineral to support the pores,conducive to preserving pores in a moderate-deep burial depth. It is the key for the $Ea^{4Ucs2}$ layer to become a high-quality shale-oil reservoir.

Key words: Dongying sag; upper sub-member of Member 4 of Shahejie Formation; diagenetic difference; calcite recrystallization; clay mineral transformation

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

1 概述

近年来, 全球非常规油气产量迅速增长, 逐渐成为接替常规油气资源的重要替代品(邹才能等, 2012; Sun et al., 2015)。古近系沙河街组沙四上亚段作为东营凹陷重要的页岩油资源勘探新领域和主力产油层, 近年来先后部署了多口重点井位, 相继获得工业油流, 具备良好的页岩油勘探前景(金之钧等, 2019; 张顺等, 2021)。前人针对东营凹陷沙四上亚段泥页岩沉积及成岩作用等方面开展了大量工作。在沉积特征及沉积环境演化等方面, 前人认为研究区主要形成于盐度较高的半深湖— 深湖环境, 深洼区物源主要来自北部的陈家庄凸起, 复杂的沉积演化特征是造成研究区岩性多样、垂向变化频繁、储集层非均质性极强的主要原因(张顺等, 2016b; 逄淑伊等, 2019; 刘姝君等, 2019; 刘惠民等, 2020)。在成岩作用特征及控储能力等方面, 前人认为研究区泥页岩储集层中的成岩作用类型丰富, 机械压实、硅质与碳酸盐胶结是造成泥页岩储集层低孔超低渗的主要原因, 而酸性溶蚀、黏土矿物转化、方解石重结晶和有机质生烃是泥页岩储集层在深埋藏条件下产生次生孔隙的重要机制(张顺等, 2016a, 2018; 张顺, 2018; 侯中帅和陈世悦, 2019)。但前人的研究成果多集中在对成岩现象的整体表征上, 而针对特定的某一小层具体的成岩作用特征、纵向上成岩演化的差异性及控储能力等问题的研究仍不够深入, 特别是在有机质的影响下, 各小层、各类型成岩作用在不同的成岩环境或演化阶段下所呈现出的在储集层的架构矿物演化、孔隙结构特征、储集层物性以及力学性质等方面存在较大的差异, 体现出复杂的有机— 无机协同成岩改造特征(孔令明等, 2015; 耳闯等, 2016; 赵迪斐等, 2016; 李向军等, 2017)。因此, 为了明确东营凹陷沙四上亚段泥页岩储集层成岩演化差异性特征等问题, 本研究重点选取了樊页1井为研究对象, 部分选取了樊120井、樊143井以及牛页1井等3口取心井的分析测试资料, 通过大量的岩心观察、薄片分析、扫描电镜等定性观察手段, 结合全岩与黏土X射线衍射矿物定量分析、物性分析、氧同位素及能谱分析等定量数据分析, 对研究区沙四上亚段内各小层的成岩作用及其差异性特征开展精细研究, 明确不同小层的主导成岩作用类型、演化特征及控储能力, 以期为陆相盆地中页岩油的有利甜点区预测提供理论依据。

2 研究区概况

东营凹陷位于渤海湾盆地东南部, 是典型的箕状断陷盆地。凹陷由民丰洼陷、利津洼陷、牛庄洼陷、博兴洼陷、北部陡坡带、南部缓坡带和中央隆起带等多个次级构造单元组成, 总面积约5700 km2。受陈南断层和鲁西隆起的影响, 呈现出“ 北断南超、北深南浅” 的复式半地堑特征(图1)。凹陷内古近系分布广泛, 自下而上依次为孔店组、沙河街组和东营组, 沙河街组自下而上又可分为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段。沙四段以半封闭的盐湖— 半深湖沉积环境为主, 进一步可分为沙四上亚段和沙四下亚段, 其中, 沙四下亚段以泥页、膏岩、粗砂岩及薄层碳酸盐岩为主, 沙四上亚段以泥页和白云岩为主, 局部可见粉砂岩夹层。

图1 渤海湾盆地东营凹陷区域构造与地层综合柱状图Fig.1 Regional structure and comprehensive stratigraphic column of Dongying sag, Bohai Bay Basin

沙四上亚段沉积时期, 受郯庐断裂带的影响, 湖盆处于持续扩张阶段, 湖盆扩张幅度大, 沉降速率快(王居峰, 2005; 邱贻博等, 2020), 并形成1套厚层半深湖— 深湖相暗色富灰质、富有机质泥页岩, 有机质丰度高、类型好, 展现出良好的页岩油勘探潜力。前人为了进一步开展地层精细划分与对比、储集层精细预测以及投产方案制定等研究工作, 在地层学原理的基础上, 综合运用岩性、电性与古生物等标志, 将研究区沙四上亚段泥页岩层段自下而上划分为纯上3小层、纯上2小层和纯上1小层(逄淑伊等, 2019)。不同小层岩石矿物组成复杂(表1)、纹层单元垂向变化频繁, 具有极强的非均质性。

表1 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段泥页岩矿物组成统计 Table1 Statistics of mineral composition of shale in the Es4U of Dongying sag, Bohai Bay Basin
3 成岩作用类型及成岩阶段
3.1 成岩作用类型

3.1.1 压实作用

压实作用是研究区最为常见的成岩作用类型, 贯穿于埋藏成岩过程中的各个时期(孔令明等, 2015; 刘文平等, 2017)。

沙四上亚段整体遭受了较为强烈的压实作用, 主要表现为强压实作用下矿物之间的紧密接触、具有显著的定向排列特征。泥晶碳酸盐团块在上覆重荷的影响下挤压变形, 呈分散的透镜体或长条状定向分布(图2-A), 扫描电镜下可见片状黏土矿物经压实后呈现出顺层发育的定向排列特征, 其方向与碳酸盐矿物长轴方向近乎一致(图2-B)。

图2 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段主要成岩作用类型及镜下特征
A— 碳酸盐透镜体呈定向排列, 单偏光, 樊页1井, 3277.43 m; B— 伊/蒙混层(I/S)黏土矿物与方解石(Cc)呈定向排列, 樊页1井, 3258.67 m; C— 碳酸盐晶间孔发育微晶石英, 樊143井, 3131.8 m; D— 碳酸盐胶结物, 发育于晶间孔内, 樊页1井, 3411.7 m; E— 草莓状黄铁矿与自形单晶黄铁矿, 牛页1井, 3416.45 m; F— 石盐顺层发育, 樊页1井, 3411.04 m; G— 铁白云石, 晶体直径约62.5 μ m, 樊页1井, 3343.81 m; H— 泥晶白云石(Dol), 晶间孔发育, 樊页1井, 3420.48 m; I— 港湾状、阶梯状方解石颗粒溶蚀边界, 樊页1井, 3264.42 m; J— 白云石粒内溶孔, 樊页1井, 3380.82 m; K— 马牙状方解石, 内部有机质纹层错断, 阴极发光, 牛页1井, 3442.0 m; L— 重结晶方解石层, 内部微孔发育, 樊页1井, 3376.9 m; M— 针状伊利石, 樊143井, 3110 m; N— 丝片状伊利石, 樊143井, 3115.43 m; O— 有机质生烃收缩, 樊页1井, 3335.68 mFig.2 Main diagenesis types and microscopic characteristics of the Es4U in Dongying sag, Bohai Bay Basin

3.1.2 胶结作用

研究区胶结物类型丰富, 包括微晶石英、碳酸盐、黄铁矿和石盐晶体。微晶石英多呈半自形板片状, 粒径约为2~10 μ m, 发育于碳酸盐矿物晶间孔、溶蚀孔以及黏土矿物晶间孔内(图2-C); 碳酸盐胶结物的成因与湖泊中微生物生命活动、湖泊水的化学性质以及陆源输入密切相关(隋风贵等, 2007; Jiang, et al., 2007; Patrick and Kevin, 2019), 常发育于基质矿物粒间孔内, 以自形程度较高的单晶形式析出(图2-D); 黄铁矿以草莓状、自形单晶的形式析出, 扫描电镜下较为常见(图2-E); 石盐呈层状析出, 主要发育于纯上3小层(图2-F)。

3.1.3 白云石化作用

研究区沙四上亚段泥页岩储集层中主要发育2种类型的白云石, 分别为微晶铁白云石和泥晶白云石。其中, 微晶铁白云石有着较高的晶体自形程度, 具备完整的菱面体结构, 晶面平直并未发生弯曲, 晶体边缘雾心亮边发育程度较差(图2-G), 能谱分析显示其含铁量较低, 通常小于10%(表2), 常与黏土矿物伴生发育, 因此, 可能为中晚期埋藏成岩过程中形成(裴森奇等, 2021)。泥晶白云石由于早期快速结晶而导致较低的晶体自形程度(图2-H), 常见膏岩、石盐等碱性矿物伴生, 可能为准同生期近地表高盐度、强蒸发湖泊环境下形成(李得立等, 2010; 黄成刚等, 2016)。

表2 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段碳酸盐胶结物元素组成特征 Table2 Element composition characteristics of carbonate cements in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag, Bohai Bay Basin

3.1.4 溶蚀作用

富有机质泥页岩中的溶蚀作用主要与有机质生烃过程中产生的有机酸有关(李钜源, 2015; 张林晔等, 2015)。研究区沙四上亚段整体有机质丰度较高(> 2%), 持续生烃能力强。由于研究区矿物组分整体呈现富碳酸盐特征, 长石含量较低, 因此, 溶蚀作用主要以方解石和铁白云石的酸性溶蚀为主, 有机酸近源溶蚀形成阶梯状、港湾状的溶蚀边界和圆点状、不规则状粒内溶孔(图2-I, 2-J)。溶蚀强度与有机质生烃强度、碳酸盐矿物组分含量和储集空间连通性有关(胡文瑄等, 2019), 在溶蚀作用较强的区域甚至会破坏颗粒的完整性。

3.1.5 重结晶作用

研究区方解石的重结晶作用广泛发育, 主要以亮晶方解石纹层的形式产出, 在不同的深度段呈现出不同的发育特征(平直连续纹层、断续纹层或透镜体叠置), 纵向上多与暗色富有机质层叠置。在显微镜下, 可观察到粗大的马牙状方解石重结晶, 富有机质层在其中遭错断而呈现断续条带状分布(图2-K); 扫描电镜下, 可观察到重结晶方解石成层分布, 内部晶间孔隙发育(图2-L)。

3.1.6 黏土矿物转化

在相对封闭的泥页岩成岩体系中, 黏土矿物转化是重要的成矿物质来源(张鹏辉等, 2020)。研究区伊利石主要以针尖状、丝片状为主(图2-M, 2-N), 其转化来源主要为蒙脱石以及少量的高岭石。蒙脱石在转化过程中伴随着层间脱水、伊利石的生成以及Ca2+、Mg2+、Fe2+等成矿离子的析出, 孔隙流体呈现出富碱性阳离子的高矿化度特征。随着铁白云石的析出, Ca2+、Mg2+、Fe2+由流体向矿物内部迁移。同时, 随着有机酸的排出, 钾长石溶蚀产生高岭石沉淀、二氧化硅和K+, 二氧化硅以微晶石英的形式析出, K+则向孔隙流体内富集。一方面K+的富集促进了蒙脱石向伊利石的转化进程, 另一方面, 富含K+的碱性环境下有利于高岭石向伊利石转变(栾国强等, 2016)。研究区黏土矿物转化程度较高, 表现出富伊利石、低绿泥石和高岭石的组成特征(图3), 同时, XRD全岩矿物定量分析显示研究区几乎不发育钾长石的组分特征, 从侧面反映了上述各类成岩转化的进行(表1)。

图3 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段黏土矿物成分及含量特征Fig.3 Composition and vertical distribution of clay minerals in the Es4U in Dongying sag, Bohai Bay Basin

3.1.7 有机质热演化

咸水湖盆具有生排烃早、生烃周期长、持续生烃能力强的特点(刘庆等, 2004; 蔡希源, 2012)。有机质作为泥页岩自身组分的一部分, 其在热演化过程中会产生大量烃类产物, 从而自身在形态上发生体积收缩, 密度增大的变化, 形成有机质孔(图2-O)。有机质孔的演化取决于有机质类型及热演化程度, 研究区沙四上亚段干酪根类型大多属于Ⅰ 型到Ⅱ 1型, RO值介于0.51%~0.93%, Tmax介于430~459 ℃之间, 平均为439 ℃。较好的有机质类型是有机质孔发育的必要条件, 但较低的热演化程度在一定程度上制约了有机质孔的演化。

有机质在生烃过程中排出的有机酸和CO2会间接影响其他成岩作用的进行, 例如有机酸溶蚀碳酸盐矿物是研究区最主要的溶蚀作用类型。同时, 有机质在热演化过程中还可为黏土矿物的转化提供能量(魏祥峰等, 2013)。此外, 亮晶方解石与富有机质层在空间上的叠置也说明了二者存在着成因上的关联(图2-K, 2-L)。

3.2 成岩阶段划分

目前, 国内外还未建立起针对泥页岩成岩阶段的统一划分方案。本研究主要参考了中国碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T 5477— 2003), 将泥页岩的成岩阶段划分为准同生期阶段、早成岩阶段和中成岩阶段。成岩阶段划分的参考指标主要为镜质体反射率RO、最大热解峰温Tmax、黏土矿物类型及其组合特征、碳酸盐矿物结晶程度、自生矿物类型和氧同位素值。综合分析认为研究区沙四上亚段泥页岩储集层主要处于中成岩A阶段, 部分进入中成岩B阶段(表3)。

表3 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段成岩阶段划分标志 Table3 Diagenetic stage division marks of the Es4U in Dongying sag, Bohai Bay Basin
4 成岩演化差异性特征

由上述研究区成岩作用特征可知, 沙四上亚段内各小层普遍经历了较强的压实作用, 总体表现为矿物间的紧密接触以及定向排列特征, 无明显的差异性; 受限于微— 纳米尺度下的观测手段, 胶结物类型、胶结强度难以被精确识别和表征; 各小层的不稳定矿物组分也普遍遭受溶蚀而表现出不规则的溶蚀边界和圆点状粒内溶孔, 无明显的差异性。因此, 重点选取差异性演化特征显著的方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用开展差异性演化研究与表征工作。

4.1 方解石重结晶差异性演化特征

研究区沙四上亚段重结晶成因的亮晶方解石十分发育, 纵向上具有较大的层段差异性, 主要体现在各小层的发育程度和产状上(图4)。

图4 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段亮晶方解石纵向分布特征
A— 亮晶方解石纹层及透镜体, 分布密度较低, 延伸性较差, 樊页1井, 3253.6 m; B— 亮晶方解石纹层平直连续, 界线清晰, 分布密度较高, 樊页1井, 3339.34 m; C— 亮晶方解石透镜体, 晶体明净, 分布密度较高, 樊页1井, 3429.53 m; D— 裂缝充填亮晶方解石脉, 脉体垂直切穿纹层, 樊页1井, 3344.41 m; E— 裂缝充填亮晶方解石脉, 可见沥青伴生, 樊页1井, 3380 m; F— 裂缝充填亮晶方解石脉, 脉体斜切纹层, 晶体明净, 樊页1井, 3426.57 mFig.4 Vertical distribution characteristics of calcite in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag, Bohai Bay Basin

通过岩心观察发现, 亮晶方解石纹层在垂向上主要发育于2个深度段内, 分别为3380~3420 m和3320~3340 m, 对应纯上3小层上部、纯上2小层中下部和纯上1、2小层交界处。富集层段内的亮晶方解石纹层界线清晰、平直连续、横向延伸稳定, 晶粒粗大明净, 具备明显重结晶的性质(图4-B, 4-C)。而在其他层段中, 亮晶方解石纹层的发育程度较低, 以单一的亮晶方解石纹层, 或断续亮晶方解石纹层为主, 厚度较小, 横向延伸性差(图4-A)。裂缝充填亮晶方解石脉多为垂向充填, 在层理缝发育的层段可见脉体横向弯折(图4-E), 并被暗色烃类物质伴生充填, 主要发育于纯上2、3小层(图4-D至4-F)。这种裂缝原先可为构造缝、成岩收缩缝或异常压力缝, 其充填物质来源于底部碳酸盐矿物溶解形成的高矿化度流体, 一定程度上可指示超压的发育(龙鹏宇等, 2012; 陈世悦等, 2016)。

4.2 黏土矿物差异性演化特征

黏土矿物转化主要受温度、压力、埋深、成岩流体性质及有机质热演化等因素控制(李霞等, 2018)。整体上, 研究区沙四上亚段各小层中黏土矿物含量较低(< 20%), 伊利石占比高, 表明研究区黏土矿物具有较高的转化程度(图3), 但仅从黏土矿物类型的变化无法体现出较好的差异性, 而黏土矿物在转化过程中形成的晶间孔孔径大小在各小层中具有较大的差别(图5)。随着埋深的增加, 其演化过程可分为4个阶段: 3250~3310 m, 黏土矿物含量降低, 晶间孔孔径减小, 以≤ 1 μ m孔为主(图5-A); 3310~3370 m, 黏土矿物含量和晶间孔孔径迅速增大, 孔径多为2~5 μ m, 最大8 μ m(图5-B); 3370~3420 m, 黏土矿物含量较上段略高, 晶间孔孔径较上段增大, 孔径多为2~3 μ m, 最大6 μ m(图5-C); 3420~3440 m, 黏土矿物含量低, 孔径小, 以≤ 1 μ m孔为主(图5-D)。由此可见, 黏土矿物的纵向演化呈现出较为复杂的趋势: 3310 m以上, 伊蒙混层向伊利石转化进程缓慢, 伊利石的生成量小; 3310~3420 m深度段, 伊蒙混层向伊利石快速转化, 伊利石的生成量较大, 而伊利石也未发生向其他黏土矿物的转化; 3420 m以下晶间孔孔径的再次减小, 可能与黏土矿物赋存状态的转变有关。

图5 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段黏土矿物晶间孔纵向分布特征
A— 伊利石顺层分布, 矿物接触紧密, 内部微孔较少, 樊页1井, 3265.51 m; B— 伊利石顺层分布, 黏土矿物晶间孔发育, 樊页1井, 3351.98 m; C— 伊利石顺层分布, 黏土矿物晶间孔较为发育, 可见黄铁矿伴生充填, 樊页1井, 3399.91 m; D— 伊蒙混层充填于矿物格架内, 樊页1井, 3439.84 mFig.5 Vertical distribution characteristics of intergranular pores of clay minerals in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag, Bohai Bay Basin

受陆源输入能力影响, 研究区黏土矿物主要有2种赋存形式。当陆源输入能力较强时, 其为湖盆携带了丰富的营养物质, 导致湖盆的初始生产力较高, 多发育富有机质纹层状灰质泥岩, 此时黏土矿物主要为顺层发育, 并与有机质组成有机质— 黏土复合体; 当物源输入能力较弱时, 湖盆初始生产力较低, 以内源沉积为主, 此时多发育纹层状泥质灰岩或块状泥质云岩, 黏土矿物主要赋存于刚性矿物格架内部。纯上3小层, 陆源输入能力较低, 黏土矿物含量较少, 碳酸盐矿物组分含量较多, 因此, 黏土矿物的主要为赋存于刚性矿物格架内部的分散状伊利石, 受限于矿物粒间孔的大小, 黏土矿物晶间孔以小于1 μ m孔为主。而在纯上1、2小层, 陆源输入能力相对较强, 黏土矿物的赋存形式由分散状的伊利石向顺层发育的有机质— 黏土复合体转变。由于纯上2小层具有更高的黏土矿物转化程度(图3), 导致其层间脱水塌陷形成的黏土矿物晶间孔更为发育, 同时在较高的有机质丰度(> 2%)和适中的热演化程度(> 0.7%)影响下, 干酪根生油与增压对黏土矿物晶间孔起到了良好的保护作用, 垂向脉体的分布特征进一步表明了纯上2小层中的超压更为发育(图4), 因此, 纯上2小层中的黏土矿物晶间孔发育程度更高, 而纯上1小层几乎不发育(≤ 1 μ m)。值得一提的是, 增孔与减孔不存在严格的界限(张顺, 2018), 从刚性矿物粒间孔的角度考虑, 分散状伊利石充填了基质矿物孔隙, 造成孔隙的减小, 但从黏土矿物自身的角度考虑, 碳酸盐矿物搭建的刚性格架为其抵抗了上覆岩石的压力, 使得黏土矿物在转化过程中仅发生简单的排水收缩作用, 减小了其产生的次生微孔被挤压破坏的几率。

4.3 白云石差异性演化特征

研究区沙四上亚段各小层中, 白云石的分布也具有明显的差异性, 主要体现在以下方面: (1)矿物丰度上, 纯上3小层白云石含量较高; 纯上1、2小层白云石含量随着埋深的增大而略微增多, 局部层位偶有较高程度的白云石化, 但整体含量偏低(图6); (2)发育类型上, 纯上3小层主要为泥晶白云石(图2-H), 常见硬石膏、石盐等碱性伴生矿物, 为准同生期白云石化的产物, 纯上1、2小层多为微晶铁白云石, 晶粒粗大, 自形程度好, 具微弱雾心亮边(图2-G), 具备埋藏成岩成因特征。纵向上, 3400 m之下, 对应纯上3小层, 白云石以高丰度的早期泥晶白云石为主, 3400 m之上, 对应纯上1、2小层, 白云石以低丰度的中晚期微晶铁白云石为主。

图6 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段白云石含量纵向分布特征Fig.6 Vertical distribution characteristics of dolomite content of the Es4U in Well Fanye-1 in Dongying sag, Bohai Bay Basin

5 成岩演化差异性对储集层的影响

有利储集层的成因机制及分布规律对陆相页岩油勘探十分重要(Liu et al., 2019)。在明确不同小层的成岩主导类型、反应强度及成岩矿物组成等方面的差异性的基础上, 对比东营凹陷沙四上亚段各小层的成岩作用差异性特征, 分析其对富有机质泥页岩储集层质量的影响。

5.1 方解石重结晶差异性演化对储集层物性的影响

通过对亮晶方解石相对发育的岩心样品进行有机碳含量与孔隙度分析, 发现在有机质的参与下, 方解石的重结晶作用对储集层物性的改造能力在垂向上有着明显的差异性(图7)。纯上1、2小层, TOC与孔隙度呈现良好的线性正相关(图7-A), 扫描电镜下发现亮晶方解石层内发育大量次生溶孔(图7-B), 表明在该层段, 生烃溶蚀背景下的方解石重结晶作用对储集层物性具有良好的改善能力, 尤其是纯上2小层中, 经由此作用, 孔隙度可以达到8%~13%(1小层为8%~10%); 纯上3小层, TOC与孔隙度呈现出微弱的线性负相关, 但经由此作用, 孔隙度仍可以达到6%~9%(图7-C), 扫描电镜下发现亮晶方解石层相对致密, 结晶程度高(图7-D)。由于泥页岩中的孔隙流体性质基本保留了原始沉积水的性质, 尽管方解石的重结晶作用对于孔隙仍有较强的改善能力, 但白云石、方解石、石膏等自生矿物的持续沉淀会进一步降低方解石重结晶晶间孔对泥页岩储集层的增孔贡献。

图7 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段亮晶方解石岩心样品TOC与孔隙度相关性及镜下特征
A— 纯上1、2小层亮晶方解石样品TOC与孔隙度相关关系图; B— 亮晶方解石层, 层内次生溶孔发育, 樊页1井, 3376.9 m; C— 纯上3小层亮晶方解石样品TOC与孔隙度相关关系图; D— 亮晶方解石层, 层内相对致密, 樊页1井, 3420.64 mFig.7 Correlation between TOC and porosity of sparry calcite core samples and their microscopic characteristics of the Es4U in Well Fanye-1 of Dongying sag, Bohai Bay Basin

5.2 黏土矿物差异性演化对储集层物性的影响

研究区沙四上亚段泥页岩储集层中, 黏土矿物对各小层储集层质量的改善能力也存在差异。通过对比各小层孔隙度与黏土矿物含量发现, 纯上1小层中黏土矿物含量与孔隙度的相关性较差(图8-A), 结合扫描电镜观察, 发现黏土矿物多为顺层发育, 受压实作用影响彼此呈紧密接触, 对储集层物性的改善较差(图8-B); 纯上2小层中黏土矿物含量与孔隙度呈现出良好的正相关, 受其影响下的最大孔隙度可达12%(图8-C), 结合扫描电镜观察发现, 虽然此时黏土矿物仍以顺层发育为主, 但黏土矿物在转化过程中释放了大量的晶间孔(图8-D), 对于储集层质量的改善和孔隙连通性的提高有重要意义; 纯上3小层中黏土矿物含量与孔隙度也呈现出较差的相关性, 当黏土矿物含量相对较低时, 可发育较高的孔隙度, 反之则孔隙度相对降低(图8-E), 结合扫描电镜观察发现, 此时黏土矿物主要以赋存于刚性矿物格架内的针尖状、絮状伊利石为主(图8-F), 黏土矿物的转化已近乎处于停滞状态, 该阶段下由黏土矿物脱水转化而来的次生孔隙相对有限, 对储集层的贡献大大降低。

图8 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段黏土矿物含量与孔隙度相关性(有利深度段)及镜下特征
A— 纯上1小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系; B— 片状黏土矿物晶间孔发育程度较低, 岩石接触紧密, 樊页1井, 3298.16 m; C— 纯上2小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系; D— 黏土矿物顺层发育, 晶间孔发育程度高, 樊页1井, 3353.02 m; E— 纯上3小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系; F— 黏土矿物充填于基质矿物粒间孔内, 孔隙发育程度较低, 樊页1井, 3439.34 mFig.8 Correlation between clay mineral content and porosity(favorable depth section)and microscopic characteristics of samples from the Es4U in Well Fanye-1 of Dongying sag, Bohai Bay Basin

5.3 白云石差异性演化对储集层的影响

研究区沙四上亚段存在2种类型的白云石, 二者对储集层的贡献各有不同。相较而言, 微晶铁白云石丰度低, 主要赋存于片状的黏土矿物晶间孔内, 以“ 镶嵌物” 或“ 充填物” 的形式与黏土矿物组合。“ 铁白云石+黏土矿物” 的矿物组合形式极大提高了黏土矿物整体的机械强度, 避免其在转化过程中进一步被挤压成均质的无孔形态, 对于中深层强压实作用下的泥页岩孔隙的保存有着积极意义。

准同生期形成的泥晶白云石丰度较高、晶间孔发育、具备较强的抗压实能力, 有利于早期晶间孔隙的保存。同时, 准同生期形成的泥晶白云石常与石膏、文石、高镁方解石等易溶矿物伴生, 这些易溶组分极易产生溶蚀(如早期表生环境下的大气淡水淋滤、埋藏成岩过程中的酸性溶蚀)(董庆民等, 2021), 形成早期的溶蚀孔或铸膜孔, 相较而言, 不易溶的白云石可形成良好的孔隙格架, 进而保存孔隙(赵文智等, 2018); 同时, 白云石含量较高的泥页岩储集层通常具有良好的脆性特征, 对于脆性裂缝的发育具有重要意义(赵迪斐等, 2021)。

对比研究区沙四上亚段各小层差异性成岩演化特征认为, 广泛发育的方解石重结晶晶间孔、有机质生烃产生的超压裂缝、黏土矿物转化形成的晶间孔大大提高了纯上2小层的储集层质量, 同时, 适中的铁白云石含量提高了岩石整体的脆性, 相对较高的有机质丰度是形成优质烃源岩的物质基础, 有利的热演化程度促进了页岩油的可动性, 上述原因均可促使纯上2小层成为东营凹陷沙四上亚段页岩油潜在富集的有利层系。

6 结论

1)渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段成岩作用类型丰富, 有机— 无机协同成岩改造特征显著, 共发育压实、胶结等7类成岩作用类型, 主体处于中成岩A阶段。

2)研究区方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用在各小层的主导类型、反应强度及成矿类型等方面存在差异。其中, 方解石重结晶与黏土矿物转化存在层段耦合性, 二者均集中发育于纯上2小层; 白云石具有更为明显的垂向差异性, 纯上3小层以高丰度的泥晶白云石为主, 纯上1、2小层以低丰度的微晶铁白云石为主。

3)研究区方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用在各小层对储集层的贡献存在差异。其中, 在碱性流体影响下, 纯上3小层中的重结晶方解石层较致密, 微孔发育较差, 而在生烃溶蚀背景下, 纯上1、2小层中的重结晶方解石成层性较好, 内部晶间溶蚀孔发育, 对储集层的改善能力强; 受物源输入和生烃增压的影响, 黏土矿物转化形成的晶间孔在纯上2小层较发育, 而纯上1、3小层的黏土矿物晶间孔发育较差, 对储集层质量的改善能力较弱; 纯上3小层广泛发育的白云石晶间孔有利于岩石整体储集性能的提升, 而纯上1、2小层发育的微晶铁白云石丰度低、类型好, 可作为骨架矿物发育于层状黏土矿物晶间孔内, 具有良好的孔隙保存能力。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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