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东海陆架盆地丽水西凹古新统砂岩储层成岩作用及成岩演化

时间:2022年05月17日 所属分类:农业论文 点击次数:

摘要:东海陆架盆地丽水西凹古新统发育多种类型储层,通过4口典型井的岩心薄片鉴定、物性测试、碳氧同位素测试等手段,对丽水西凹古新统砂岩储层成岩作用、成岩演化和孔隙演化进行了研究。结果表明:①丽水西凹古新统砂岩储层以浅海-三角洲相中细粒岩屑砂岩为主,成分

  摘要:东海陆架盆地丽水西凹古新统发育多种类型储层,通过4口典型井的岩心薄片鉴定、物性测试、碳氧同位素测试等手段,对丽水西凹古新统砂岩储层成岩作用、成岩演化和孔隙演化进行了研究。结果表明:①丽水西凹古新统砂岩储层以浅海-三角洲相中细粒岩屑砂岩为主,成分成熟度与结构成熟度较低,矿物组成以岩屑为主,石英、长石次之;②砂岩经历了机械压实、碳酸盐岩与黏土矿物胶结胶结、长石溶蚀等成岩作用,灵峰组下段砂岩储层碳酸盐胶结物形成于淡水成岩环境,明月峰组及灵峰组上段砂岩储层碳酸盐胶结物形成于混合水成岩环境,恢复的成岩温度介于76~141℃之间;③古新统明月峰组下段及灵峰组上段砂岩处于早成岩B期,灵峰组下段及月桂峰组砂岩处于中成岩A期;④砂岩储层经历了压实减孔(-18.3%)、早期胶结减孔(-3.9%)、溶蚀增孔(+4.8%)、晚期胶结减孔(-6.7%)的孔隙演化过程,各套砂岩储层经历了差异化的成岩演化过程,分别发育以机械压实作用、碳酸盐岩与黏土矿物胶结作用、不稳定碎屑溶蚀作用为主要特征的成岩演化类型。明月峰组下段及灵峰组上段砂岩发育优质储层,灵峰组下段和月桂峰组砂岩以寻找致密砂岩储层为主,研究成果对深入认识丽水西凹古新统砂岩储层,指导油气勘探具有重要意义。

  关键词:东海盆地;丽水西凹;古新统;成岩作用;成岩演化

岩石论文

  引言

  成岩作用研究是寻找不同类型储层的重要基础,近年来关于成岩作用的研究取得了良好的进展,主要集中在以下3个方面:流体与岩石的相互作用对成岩作用的影响(Yangetal.,2017;胡贺伟等,2020)、油气充注与储层致密化的关系(Naderetal.,2016;李杪等,2016)、高温高压对成岩演化的影响(李文等,2018;孟康等,2019)。同时,成岩作用研究也由定性向定量方向发展。

  压实作用和胶结作用是造成深层碎屑岩储层孔隙度和渗透率降低的主要因素,溶蚀作用虽然能在一定程度上增加储层的孔隙度,但对储层改造的贡献仍有争议(Bjorlykkeetal.,2012;张振宇等,2019),因此,明确储层成岩演化,开展储层成岩作用与孔隙演化的定量化研究对在深层致密砂岩储层中寻找“甜点”具有非常重要的意义(杨平,2021)。东海陆架盆地是我国近海发育的一个大型中新生代含油气盆地,其中丽水凹陷深层古新统油气资源潜力巨大,具有良好的勘探前景(刘欢等,2021;陈志勇等,2000)。然而受砂岩储层物性下限的影响,导致丽水凹陷勘探层系向深部拓展的难度加大,因此寻找深部古新统优质储层是丽水凹陷油气勘探的关键(Wangetal.,2021;牛斌等,2017)。前人对丽水西凹古新统砂岩储层的成岩作用进行过相关的研究,这些研究表明丽水西凹古新统砂岩储层主要的自生矿物是碳酸盐岩,其中有机酸对长石溶解及次生溶蚀孔隙的发育具有重要的作用,胶结作用则会充填孔隙,从而使次生孔隙减少(张敏强等,2007;赵燚林等,2019)。

  目前关于东海陆架盆地古新统胶结作用、压实作用等成岩作用与储层致密化的关系尚不完全清楚,砂岩储层的成岩演化对储层物性的影响有待加强,这些问题直接影响了对该地区古新统储层的认识。本文在前人研究基础上,利用薄片鉴定、砂岩碳酸盐胶结物碳氧同位素和物性测试等方法,对丽水西凹古新统砂岩储层的成岩作用、成岩阶段与孔隙演化进行了研究。

  分析了古新统砂岩储层的各类成岩矿物的成因,明确了丽水西凹古新统砂岩成岩作用类型、成岩阶段对孔隙演化的影响,为丽水西凹古新统砂岩多种类型储层研究以及下一步勘探提供了重要地质依据。

  1区域地质概况

  东海陆架盆地是在中生代残留盆地基础上发育起来的“东断西超”新生代断陷盆地,面积约1.46×104km2。丽水凹陷位于盆地西南部,可划分为4个构造单元,分别为丽水西凹、丽水东凹、灵峰低凸起和丽水南凹,其中丽水西凹面积约9800km2,沉积最厚处达12000m。

  丽水36-1气田的发现是丽水西凹油气勘探的重大突破,该气田是构造和岩性共同控制的复合型圈闭气藏,探明天然气储量40.02×108m3,控制储量23.30×108m3。丽水凹陷内发育一系列NE-NNE向正断层,断层倾向以NW向为主、SE向为辅,这奠定了凹陷“东断西超、东陡西缓”的半地堑特征(牛杏等,2021)。

  东海陆架盆地丽水西凹在白垩纪-古新世表现为明显的断陷盆地沉积序列(张武等,2020)。丽水西凹勘探范围较广,含油气层系以古新统月桂峰组(E1y)、灵峰组(E1l)及明月峰组(E1m)为主,是东海陆架盆地勘探潜力区之一(郭永华等,2003;苏奥等,2014)。

  按照前人对丽水西凹沉积相研究的认识(梁建设等,2012;田杨等,2016)和沉积相划分方案的建议(牟传龙,2022),认为丽水西凹古新统月桂峰组以湖相灰白色粉砂岩及黑色泥岩为主,灵峰组以浅海相薄层浅灰色粉砂岩与厚层灰黑色泥岩为主,明月峰组分为上、中、下三段主要为三角洲相,发育三角洲前缘亚相的水下水流河道和分流间湾等次相。

  古新统月桂峰组深湖亚相形成的黑色泥岩平均有机碳含量TOC为2.1%,镜质体反射率RO为1.8%,有机质类型以Ⅱ1-Ⅱ2为主(田杨等,2016),属于高效气源岩(殷世艳等,2014),月桂峰组顶部浅湖亚相粉砂岩是孔渗较低的致密砂岩储层,本组沉积地质年龄距今66.0Ma(Zhaoetal.,2021)。

  灵峰组浅海陆棚相泥岩镜质体反射率在1.0%-1.3%之间,平均有机碳含量为2.0%,处于生油窗,沉积地质年龄距今59.2Ma(Zhaoetal.,2021);明月峰组分为上、中、下三段,三角洲前缘发育的水下分流河道砂体构成了丽水36-1气田的主力储层,其底界年龄距今56.0Ma(Zhaoetal.,2021)。因此,丽水西凹古新统纵向上构成了以灵峰组与月桂峰组黑色泥岩为烃源岩,月桂峰组、灵峰组粉砂岩及明月峰组细砂岩为储层的生储盖组合。

  2储层基本特征

  2.1岩石学特征

  前人研究表明,丽水西凹古新统月桂峰组至明月峰组无论海相还是陆相沉积,其主要物源均来自西侧的闽浙隆起,具有近源快速堆积特征,砂岩的结构成熟度与成分成熟度均较低;而东侧的灵峰凸起带西侧经地震解释仅发育小规模的水下扇沉积(蔡坤等,2020;田兵等,2012)。在详细的岩心观察基础上,对丽水西凹古新统四口井(A、B、C和D井)和137张薄片进行了岩石组成统计,结果显示:丽水西凹古新统各层系主要发育两种岩石类型:岩屑砂岩与长石质岩屑砂岩。其中,岩屑砂岩为主要类型,超过样品总量的95.0%,其岩石组分以岩屑为主,平均含量为59.8%,其次为石英,平均含量为19.0%,长石为13.4%。

  明下段与灵峰组砂岩中岩屑相对含量主要大于75%,而月桂峰组砂岩岩屑相对含量跨度大,相对含量均大于50%。碎屑粒径主要分布在0.01~0.55mm之间,以中—细粒为主,呈次棱—次圆状,分选中等,磨圆度较差。填隙物成分主要为碳酸盐胶结物、黏土杂基、自生石英等。碳酸盐胶结物含量平均为6%,主要为方解石、铁方解石和片钠铝石;黏土杂基含量平均为2.1%,以伊利石为主,高岭石次之;自生石英主要以石英次生加大的形式产出,含量平均为1.2%。

  2.2储集物性与孔隙类型

  通过钻取常规岩心柱,利用氦气法对丽水西凹古新统砂岩储层样品进行物性测试,测试结果表明:受沉积相、岩性、样品粒度粗细的差异和后期成岩作用的综合影响,丽水西凹古新统砂岩孔隙度差异非常大,总体分布于0.90%~29.50%之间,平均为12.60%,不同孔隙度分布频率在4%~25%之间。

  样品的空气渗透率为0.01×10−3~97.62×10−3μm2,平均为7.32×10−3μm2,40%的样品低于1×10−3μm2,不同渗透率分布频率在0.5%~30%之间,其中A,B井明月峰组孔隙度分布于1.97%~29.50%之间,平均为14.16%,渗透率分布于1.94×10-3μm2~97.62×10-3μm2之间,平均为26.73×10-3μm2,属于中孔中渗储层。

  C井灵峰组孔隙度分布于0.90%~14.50%之间,平均为11.24%,渗透率分布于0.01×10-3μm2~17.52×10-3μm2之间,平均为1.48×10-3μm2,属于中孔低渗储层;月桂峰组只有D井钻遇,其孔隙度分布于2.98%~10.02%之间,平均为8.17%,渗透率分布于0.01×10-3μm2~0.49×10-3μm2之间,平均为0.15×10-3μm2,属于低孔低渗储层。孔渗交汇表明,丽水西凹古新统砂岩储层的孔隙度(Φ)和渗透率(K)具有良好的正相关性(Φ=3.1861×K-27.926,R2=0.7171),说明砂岩的渗透性受到连通的孔隙空间的影响。岩石薄片统计结果表明,丽水西凹古新统砂岩储层孔隙以原生孔隙为主,次生孔隙次之,偶见微裂缝发育。

  原生孔隙以残余粒间孔为主,次生孔隙主要为粒间溶孔和粒内溶孔。粒间溶孔常与粒内溶孔伴生,在明月峰组较为典型,一般由长石和岩屑等不稳定碎屑组分溶蚀形成,偶见石英颗粒发生微弱的溶蚀形成粒间溶孔,被溶蚀的颗粒往往具有港湾状边缘;碳酸盐胶结物的溶蚀是粒间溶孔的另一个来源,其溶蚀程度往往较低,但该类型粒间孔隙的胶结物充填程度较高,导致喉道堵塞,形成大量孤立无效的粒间溶孔。

  粒内溶孔主要由长石和岩屑等不稳定组分发生粒内溶蚀形成,在灵峰组与月桂峰组较为发育。因溶蚀程度不一,长石的粒内溶孔的形态也存在明显差异,可见散珠状、串珠状、窗格状、斑状、团块状及不规则状等。丽水西凹古新统砂岩储层原生孔隙占总面孔率的30%~80%,平均60.5%,次生孔隙占总面孔率20%~40%,平均为39.5%。

  3成岩作用与成岩演化

  3.1成岩作用类型

  基于对岩石薄片、扫描电镜等资料分析,丽水西凹古新统砂岩储层主要发育压实作用、溶蚀作用和胶结作用三种成岩作用。由于碎屑沉积物粒度较细,岩屑含量高,压实作用在明月峰组下段表现为碎屑颗粒的重新排列,在深部的灵峰组则表现为岩屑颗粒的塑性变形,以及随压实作用增强趋于紧密,甚至由于塑性岩屑变形使得碎屑颗粒部分呈镶嵌接触,同时石英颗粒等刚性碎屑在应力作用下形成碎裂。丽水西凹古新统砂岩胶结作用普遍发育,其中以碳酸盐胶结和黏土矿物胶结为主,是影响储层物性的重要因素。

  碳酸盐胶结物类型在浅海相沉积的灵峰组砂岩中以方解石为主、三角洲相沉积的明月峰组砂岩发现的片钠铝石则与岩浆成因(幔源)CO2热流体的上涌有关(苏奥等,2014)。黏土矿物胶结物主要见于明下段砂岩中,主要为高岭石和伊利石,伊利石多呈丝状、纤维状、薄片状以及丝片状,两种黏土矿物平均含量分别为0.6%和1.5%。

  古新统砂岩由于压实和胶结作用造成了原生孔隙的损失,溶蚀作用极大地改善了丽水西凹古新统砂岩储层物性,次生溶蚀孔隙的形成促进了砂岩储层孔隙的发育。溶蚀作用主要表现为长石颗粒溶蚀、岩屑溶蚀及胶结物溶蚀,其中,长石颗粒溶蚀现象最为常见,常沿解理发生溶蚀形成粒内孔,或是沿颗粒边缘溶蚀形成粒间孔。

  经各层系成岩作用对比显示,丽水西凹古新统明月峰组以及灵峰组上段受机械压实作用和溶蚀作用影响强烈;灵峰组下段及月桂峰组埋藏较深,压实作用强烈,同时也存在中成岩A期的晚期的碳酸盐胶结和黏土矿物胶结作用,使得岩石的原生孔隙大幅降低,而次生孔隙的形成主要与生烃充注有关。

  3.2成岩环境与成岩阶段

  碳酸盐胶结是丽水西凹古新统砂岩储层的重要成岩作用,为了进一步分析碳酸盐胶结对储层物性的影响,确定丽水西凹古新统砂岩的成岩环境及成岩阶段,利用德国赛默飞公司的MAT252&KielIII设备(13C同位素的测试精度为0.04‰,18O同位素测试精度为0.07‰)对丽水西凹4口井23块砂岩样品碳酸盐胶结物进行碳、氧稳定同位素测试。

  测试结果显示:丽水西凹古新统砂岩样品δ18O值的分布范围为−16.79‰~−8.65‰,δ13C值的分布范围为−5.65‰~−1.16‰。前人研究表明,随埋藏深度与地层温度的增加,孔隙水受到流体—岩石相互作用的影响而表现具有较低的δ18O值(KaufmanAJetal.,1995;宁括步等,2018)。

  作为主力烃源岩层且埋深超过3000m的D井灵下段测得的δ18O值明显低于其它三口井,说明D井灵下段砂岩中碳酸盐胶结物受到更加明显的埋藏增温影响,并且碳酸盐胶结物中的碳同位素与烃源岩早期生烃释放的有机酸碳同位素发生了一定程度的交换(FisherJBetal.,1990)。

  3.3成岩序列与孔隙演化

  结合岩石薄片鉴定、成岩作用特征及成岩环境分析,利用成岩矿物之间相互关系,得出丽水西凹古新统砂岩储层主要经历了浅层早期机械压实、早期泥晶方解石沉淀胶结、中期成岩流体酸化、中晚期石英次生加大、晚期铁质碳酸盐胶结物重结晶充填等成岩序列,不同成岩作用在不同的成岩阶段对储层孔隙具有不同的影响,成岩早期主要发生压实作用,储层孔隙度减少;胶结作用主要发生在成岩中期,储层孔隙进一步降低,而溶蚀作用则有效地改善了储层孔隙。

  砂岩储层孔隙经过古地温、沉积流体等成岩环境的变化以及各种成岩作用的改造演变成现今的储集空间。岩石中杂基含量与岩石碎屑组成对压实作用产生重要影响,碎屑岩中石英等稳定矿物含量越高,碎屑岩在成岩过程中则会保持相对稳定的物性;反之,在压实作用下储层的孔隙度整体上随深度的增加而迅速减小(代静静等,2020)。

  胶结作用对储层物性的影响主要反映在胶结物含量变化对储集物性的影响,古新统砂岩的胶结物主要有黏土矿物和碳酸盐矿物,总体上随着黏土矿物和碳酸盐矿物含量的增加,孔隙度有减小的趋势(张敏强等,2007;赵燚林等,2019)。丽水西凹古新统砂岩储层孔隙演化主要受压实作用、胶结作用、溶蚀作用等成岩作用的影响。经详细计算,压实作用损失的孔隙度平均为18.3%,碳酸盐、黏土矿物胶结损失的孔隙度平均为10.6%,丽水西凹古新统砂岩储层压实作用减小的孔隙度明显大于胶结作用所减小的孔隙度,长石、岩屑颗粒以及成岩矿物的溶蚀对孔隙改善的平均幅度为4.8%。

  3.4成岩演化对储层的影响

  基于岩心铸体薄片、扫描电镜等资料,考虑各种成岩矿物的形态类型、结构特点以及孔隙分布特征,总结出丽水西凹古新统砂岩储层的3种成岩演化类型,明确了成岩演化对储层的影响。

  类型一:以机械压实作用为主。主要分布于埋深2500m以上的明月峰组砂岩,成岩温度在76~92℃之间,处于成岩早期,砂岩颗粒疏松,原生孔隙保存良好。随着埋藏加深,颗粒的排列逐渐紧密,原生孔隙被自生黏土矿物充填,储层变得致密。随着成岩作用的继续进行,长石等不稳定碎屑颗粒受到轻微的溶蚀;部分刚性颗粒被压裂,该类成岩演化类型对应的储层性能较差。

  类型二:以不稳定碎屑溶蚀作用为主。这种类型主要分布于埋深2200~2700m的明月峰组下段及灵峰组上段,成岩温度在89~99℃之间,处于成岩早期。该类成岩作用发生在颗粒直径较大,分选较好,孔渗性能较好的储集层中,经历的压实作用较弱,原生孔隙保存较好,溶蚀作用较强,储层物性较好。沉积早期,砂岩颗粒疏松,杂基及塑性岩屑含量高,主要的成岩矿物为方解石和长石溶蚀伴生的高岭石,它们仅充填于储层中少量的孔隙,对储层的孔渗影响不大。

  类型三:以碳酸盐岩与黏土矿物胶结作用为主。该类型在埋深超过3300m的灵峰组下段砂岩中较为发育,成岩温度较高,分布于120~141℃之间。成岩作用类型主要为碳酸盐岩与黏土矿物胶结,孔隙充填物以方解石、铁方解石、片钠铝石、高岭石与伊利石为主。次生溶蚀孔隙数量极少,少量残余原生孔隙和长石溶孔为主要的储集空间。因原生孔隙绝大部分被胶结物所充填,且溶蚀程度较低,只能依靠长石等不稳定碎屑的次生溶孔和残余原生孔隙提供有限的储集空间,故该成岩演化类型的储层的孔渗性能相对较差)。

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  4结论与地质意义

  (1)丽水西凹古新统砂岩以浅海-三角洲相中-细粒岩屑砂岩为主,成分成熟度与结构成熟度较低,矿物组成以岩屑为主,石英、长石次之,明月峰组形成以原生孔隙为主,次生孔隙发育的中孔中渗储层,月桂峰组则发育低孔低渗致密砂岩储层。

  (2)丽水西凹古新统砂岩经历了机械压实、碳酸盐岩和黏土矿物胶结、长石溶蚀等成岩作用,灵峰组下段砂岩储层碳酸盐胶结物形成于淡水成岩环境,明月峰组及灵峰组上段砂岩储层碳酸盐胶结物形成于混合水成岩环境,恢复的成岩温度介于76~141℃之间。明月峰组下段及灵峰组上段砂岩处于早成岩B期阶段,灵峰组下段及月桂峰组砂岩处于中成岩A期。

  (3)丽水西凹古新统砂岩储层经历了压实减孔(−18.3%)、早期胶结减孔(−3.9%)、溶蚀增孔(+4.8%)、晚期胶结减孔(−6.7%)的孔隙演化过程。各套储层经历了差异化的成岩演化过程,分别发育以机械压实作用、碳酸盐岩与黏土矿物胶结作用、不稳定碎屑溶蚀作用为主要特征的成岩演化类型,其中不稳定碎屑溶蚀作用有利于形成优质储层。明月峰组下段及灵峰组上段砂岩发育常规优质储层,灵峰组下段和月桂峰组砂岩以寻找致密砂岩储层为主。

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  作者:卞雅倩*1,傅强1,刘金水2,马文睿2,赵世杰1,秦婷婷1