储层品质在时空上的演变受到沉积物的原始沉积、机械压实、胶结作用以及构造活动等诸多因素的影响^[1-3]。在沉积成岩过程中, 流体与岩石的相互作用致使储层的微观结构发生重大改变, 从而成为影响致密油气富集和高效产出的关键因素^[4]。致密储层发育大量微—纳米级储集空间, 空间的类型、尺寸及结构随着不同成岩事件时刻发生着变化, 从而使储层的储集性能和渗流能力在空间上呈现较强的非均质性^[5]。储集空间类型及尺寸的演变, 对致密油气的分布和富集有着显著的影响, 开展相关研究对指导致密油气的勘探开发有着重要的意义。泉四段是松辽盆地南部坳陷结构中重要的含油气层位之一, 是构造型油气藏勘探时期的主力层位。在凹陷和斜坡带, 泉四段储层以低渗透的河道砂岩为主, 油气来源于上覆地层的青山口组湖相泥岩, 形成上生下储的生储盖组合^[6]。恒速压汞实验发现, 该地区较多的致密砂岩样品中喉道的进汞饱和度远大于孔隙的进汞饱和度, 从而引发了对孔隙和喉道进汞饱和度有贡献的储集空间类型以及这些空间演化机制的思考。笔者通过大量的薄片和扫描电镜观察, 并结合恒速压汞实验特征及结果, 剖析研究区不同成岩环境下的成岩事件, 以及这些成岩事件对储层储集空间类型及尺寸的影响, 探讨致密油气在不同尺寸储集空间的赋存和分布特征。

受细菌活动、有机质演化、流体-矿物反应等影响, 地层中的流体酸碱性总是在不断地变化。特定矿物的沉淀或溶解, 是区分地层水酸碱性的典型标志。如碳酸盐/长石溶解、高岭石的形成、石英加大等是酸性环境下典型的成岩事件; 而石英的溶解、长石加大、铁方解石和铁白云石等矿物的沉淀、以及黏土矿物中绿泥石、伊利石的形成标志着碱性成岩环境^[7]。

薄片观察发现, 松辽盆地南部泉四段致密砂岩成岩环境呈现从碱性到酸性再到碱性的演变。绿泥石包壳的形成(图 1(a)、(b))和基底式碳酸盐胶结(图 1(c))是原始碱性沉积环境的具体体现。地层水中丰富Fe²⁺、Mg²⁺是绿泥石形成的关键因素, 其来源有河流带入^[8]、火成岩岩屑水^[9]、泥岩压实脱水^[10]以及外部流体渗入^[11]等。松辽盆地南部泉四段为炎热干旱或半干旱的碱性沉积环境^[12], 在河流入湖/海处, 因电解质发生絮凝沉淀, 在地层中形成富含Fe²⁺、Mg²⁺的碱性流体^[13]。在沉积初期压实作用较弱的情况下, 绿泥石可围绕颗粒呈薄膜式生长。

图 1

图 1 不同成岩演化下的镜下照片 Fig.1 Photomicrographs showing different diagenetic alterations

包壳绿泥石包裹颗粒生长后, 硅质胶结物充填于粒间孔(图 1(b)), 标志着地层流体由碱性向酸性转变。长石的溶蚀作用(图 1(d))、片钠铝石交代长石(图 1(e))以及石英次生加大(图 1(f))等成岩作用也随之发生。幔源的CO₂是该地区泉四段地层环境由碱性转变为酸性的重要原因。王国栋等^[14]在松辽盆地青山口组二+三段所发现的震积岩便是火山-构造活动引发地震在深水环境中的记录。幔源岩浆中的CO₂从底部向上运移, 受到青山口组大套泥岩的阻隔, 大量CO₂聚集于泉四段地层中并长时间保持高CO₂分压状态^[15], 从而引发长石等不稳定矿物的溶解, 并释放大量的Na⁺、Al³⁺。这些离子和重碳酸根的络合, 使得片钠铝石充填于粒间孔或交代长石碎屑颗粒(图 1(e))。

随着成岩蚀变反应对酸性流体的消耗, 地层水中碱性阳离子增多, 孔隙流体逐渐由酸性向碱性转变。诸多研究业已证实, 地层流体的pH值随着埋藏和成岩演化而逐渐升高^[16]。在晚期碱性环境中, 研究区典型成岩作用表现为长石的次生加大(图 1(g))、碳酸盐交代长石(图 1(h))、碳酸盐充填压裂缝(图 1(i))以及铁方解石、铁白云石的胶结/交代作用(图 1(j)~(l))等。从结构关系上判定, 这些成岩矿物的形成时期明显晚于强烈的机械压实(图 1(i))、长石溶蚀(图 1(g)、(h)、(k)、(l))以及石英加大(图 1(i)、(j))等酸性环境下的成岩作用。

黏土矿物是致密砂岩中重要的填隙物, 其类型和演化特征对储层物性有着显著的影响^[17]。研究区泉四段自生黏土矿物含量在0.57%~26%, 均值为7.9%, 主要为伊利石(I)、伊蒙混层(I/S)、高岭石(K)和绿泥石(C), 存在I+I/S、I+I/S+K、I+I/S+K+C和I+I/S+C这4种组合方式。其中伊/蒙混层和伊利石含量较高, 其次为绿泥石, 3种黏土矿物的高含量深度段出现在1 000 m以下(图 2); 高岭石含量随着埋深的增大逐渐降低, 在埋深小于500 m时具有较高的含量(图 2)。

图 2

图 2 松辽盆地南部泉四段黏土矿物垂向演化特征 Fig.2 Vertical evolution characteristics of clay minerals in Quantou4 member of southern Songliao Basin

黏土矿物的形成及演化受到温压、时间和地层水酸碱性的影响^[18-19], 故此不同类型的黏土矿物在一定程度上可反映形成时的水介质条件和成岩环境。扫描电镜观察发现, 伊/蒙混层和伊利石普遍共存(图 3(a)), 这是在富Al³⁺和K⁺的碱性环境下蒙脱石向伊利石转化的直观证据。Berger等^[19]通过动力学模拟证明了高岭石向伊利石转化的可能性, 但只有当孔隙流体中的K⁺活度超过钾长石沉淀的临界值该反应才会进行。在研究区的早期碱性环境中, 由于地层埋藏较浅, 地层流体通畅, 硅铝酸盐溶解提供的K⁺被迅速带走, 难以使得高岭石向绿泥石转化。在晚期的碱性环境中, 由于地层逐渐致密且之前经历了酸性环境下钾长石的溶蚀, K⁺的带出受限, 为高岭石向伊利石转化提供条件。镜下观察也可发现高岭石与伊利石共生现象(图 3(b)), 此外伊利石和高岭石含量在垂向上也呈现互补的趋势(图 2)。

图 3

图 3 扫描电镜照片 Fig.3 SEM photographs

绿泥石是富Fe²⁺、Mg²⁺的碱性环境下产物, 也是研究区常见的一种黏土矿物。包膜或孔衬型绿泥石形成于较早的成岩阶段, 往往以叶片状赋存于矿物表面(图 3(c)), 主要产于三角洲前缘环境^[20]。以单矿物充填粒间孔的绿泥石可由蒙脱石、伊利石、高岭石以及钾长石等在富Fe²⁺、Mg²⁺的碱性环境中转化而成^[21], 多以叠层状、绒球状向孔隙中心生长(图 3(d))。蒙脱石向伊利石转化过程中生成大量的Fe²⁺、Mg²⁺, 使得蒙脱石向绿泥石转化成为可能。此外, 高岭石在碱性环境下不稳定, 高岭石的溶解可导致晚期绿泥石、伊利石以及石英的沉淀。可以观察到, 随着埋深的增大高岭石的含量急剧减小, 而绿泥石和伊利石含量逐渐增大(图 2)。

酸性环境下蒙脱石易向高岭石转换, 长石等硅铝酸盐在酸性环境下脱去碱性离子富集硅、铝而形成高岭石, 伴生的SiO₂成为硅质胶结的物质基础。由扫描电镜可观察到, 蒙脱石与高岭石共生于粒间孔隙中(图 3(e)); 此外, 在溶蚀的长石附近, 也伴生着蠕虫状的高岭石(图 3(f))。

由于地层水的酸碱性演化, 黏土矿物中包膜绿泥石最早形成, 并在此阶段蒙脱石经伊/蒙混层逐渐向伊利石转化; 在随后的酸性环境下, 高岭石大量形成, 同时伴生着石英加大等其他成岩作用。随着成岩环境再次演变为碱性环境, 伊利石、绿泥石的含量急剧增多, 且继续向孔隙中心生长; 高岭石向伊利石、绿泥石转化, 含量逐渐降低。

Neasham^[22]将黏土矿物划分为离散型、孔衬型和孔桥型。离散型黏土矿物以随机序列充填于孔隙内, 如高岭石晶体; 孔衬型黏土矿物垂直附着在孔壁表面, 通常表现为富含微孔的连续黏土层; 孔桥型黏土附着在孔隙表面, 且向孔隙内延伸生长, 甚至可以贯穿整个孔隙成搭桥作用。绿泥石、伊/蒙混层以及伊利石等在粒间孔内均可呈孔衬或孔桥形态生长。

在成岩早期, 研究区泉四段主要为碱性环境, 黏土矿物也主要为包膜绿泥石(图 4(a))以及孔衬型生长的伊/蒙混层和伊利石(图 4(b))。当成岩环境演变呈酸性, 高岭石晶体大量形成并充填孔隙(图 4(c))。从图 4(d)中可以看出, 离散状高岭石紧邻绿泥石包膜生长, 这是高岭石的形成时期晚于绿泥石包膜的佐证。晚期的碱性环境是伊/蒙混层、伊利石、绿泥石等黏土矿物主要的形成时期, 随着含量的增大, 黏土矿物从孔衬型逐渐向孔桥型转变, 粒间孔逐渐被黏土矿物所充填(图 4(e)、(f))。

图 4

图 4 自生矿物生长形态 Fig.4 Growth morphology of autogenic minerals

恒速压汞能很好地区分孔隙和喉道而被广泛应用于孔喉结构的定量表征, 并根据毛管压力曲线的变化特征来区分孔隙和喉道。汞每当突破喉道进入尺寸较大的微米级孔时, 均会表现为压力骤降, 孔隙的尺寸即是根据压力下降至再次回升至下降前压力期间所充注的汞量来计算; 当汞进入类似晶间孔的纳米级孔隙时, 由于其尺寸与喉道相当, 甚至更小, 压力曲线一般不会产生明显的压降^[23]。所以, 恒速压汞中的喉道进汞饱和度不仅仅由连通粒间孔的喉道贡献, 还由诸如自生矿物晶间孔、粒内蜂窝状溶蚀孔等纳米级孔隙所贡献。

30块样品的恒速压汞实验结果揭示, 致密砂岩中孔隙和喉道的进汞饱和度呈现3种关系:①类型Ⅰ，孔隙进汞饱和度远大于喉道进汞饱和度(图 5(a)); ②类型Ⅱ，孔隙和喉道的进汞饱和度相当(图 5(b)); ③类型Ⅲ，喉道的进汞饱和度远超过孔隙的进汞饱和度(图 5(c))。整体上, 随着致密砂岩孔隙度和渗透率的降低, 样品的孔隙进汞饱和度逐渐降低(图 5(d)、(e)), 喉道的进汞饱和度逐渐升高(图 5(f)、(g))。其中, 类型Ⅰ样品通常具有较高的孔渗、较高的孔隙进汞饱和度以及较低的喉道进汞饱和度, 类型Ⅲ样品反之, 类型Ⅱ样品介于二者之间(图 5(d)~(g))。孔隙和喉道进汞饱和度的变化体现了储集空间的尺寸随着物性的变差逐渐由微米级向纳米级演变, 这种演变受控于成岩演化, 制约着致密砂岩的储集和渗流能力。虽然机械压实对储层物性的消极影响贯穿于整个成岩阶段, 是微米级储集空间减少的成因之一, 但并非是纳米级储集空间增多的根源。从镜下观察来看, 不稳定矿物的溶蚀、硅质/钙质的重结晶以及黏土矿物的生长等是纳米级储集空间的主要来源。长石被溶蚀后, 不仅增大了微米级储集空间, 同时还形成大量蜂窝状溶蚀孔(图 6(a))。石英、长石等矿物重结晶也是大量纳米级晶间孔形成的主要原因(图 6(b)~(e))。更重要的, 黏土矿物的广泛发育是致密砂岩纳米级空间增多的重要机制(图 6(f))。

图 5

图 5 致密砂岩恒速压汞的进汞特征以及孔、喉进汞饱和度与孔隙度和渗透率关系 Fig.5 Mercury injection characteristics of tight sandstones in rate-controlled mercury injection experiments and relationship among mercury saturation of pores and throats, porosity and permeability

图 6

图 6 纳米级孔类型及发育特征 Fig.6 Nano-pore type and development characteristics

在早期的碱性成岩环境下, 包膜绿泥石以及由蒙脱石转化的伊/蒙混层、伊利石以孔衬型生长于孔隙内壁(图 4(a)、(b))。此阶段的黏土矿物对砂岩的储集性能具有双重作用, 既缩小了孔隙半径, 又一定程度上增强了岩石的抗压性^[20]。由于此阶段自生矿物的数量较为有限, 溶蚀作用也不甚发育, 故此纳米级储集空间也较为有限, 依然以微米级粒间孔为主, 在恒速压汞实验中表现为孔隙的进汞饱和度远超过喉道(图 5(a))。随着地层环境从碱性转化为酸性, 在酸性流体的侵蚀下, 不稳定矿物的溶蚀延缓了砂岩孔隙度降低的趋势。如长石的溶蚀, 虽然可以形成大量高岭石, 但由于物质守恒以及长石与高岭石密度的差异, 使得长石转变为高岭石依然可以增孔被溶长石体积的12.5%, 岩石的总孔隙度有所增加^[24]。需要注意的是, 形成的高岭石以离散型占据微米级粒间孔(图 3(f)), 且自生高岭石晶间孔也促进了纳米级储集空间的增多(图 4(c)、(d))。此外, 蒙脱石、长石向高岭石转化过程中释放出SiO₂, 使得次生石英晶体在此阶段广泛发育。次生石英在占据微米级的粒间孔的同时, 也提供了部分纳米级的晶间孔(图 6(b))。因此, 这个过程总体上依然是储层致密化的过程, 是将“宏孔”转化为“微孔”以及“微孔”纳米化的过程。由于该阶段岩石中微米级的粒间孔逐渐减少, 纳米级晶间孔、蜂窝状溶蚀孔逐渐增多, 在恒速压汞实验中表现为孔隙和喉道的进汞量相当(图 5(b))。在晚期的碱性环境下, 由于压实、胶结作用的进一步增强, 大量的粒间孔/溶蚀孔被胶结或被自生矿物充填(如铁方解石、铁白云石、次生长石、黏土矿物等), 残留的粒间孔体积急剧降低。同时, 这些自生矿物的大规模生长, 促使纳米级储集空间显著增多(图 6(c)~(f)), 在恒速压汞中表现为喉道的进汞量远超过孔隙的进汞量(图 5(c))。

除了自生矿物含量引起储集空间特征的改变外, 自生矿物的生长形态的差异, 也会使得流体的储集性能和渗流能力发生改变。Neasham ^[22]提出随着自生矿物的生长形态从离散型、孔衬型到孔桥型的转变, 砂岩的孔隙度和渗透率逐渐降低。离散型自生矿物以分散质点形式充填于孔隙中, 主要是通过细小颗粒迁移堵塞喉道来影响岩石的渗透性, 如高岭石(图 4(d))。随着高岭石含量的增加储层渗透率呈减小的趋势(图 7(a)); 然而孔隙度随高岭石含量的增加却呈增大的趋势(图 7(b)), 这可能是长石的高岭石化引起增孔所致。孔衬型黏土矿物虽然对岩石的抗压性起到积极的作用, 但同样侵占了大量的粒间孔, 且缩小了孔喉半径, 诸如孔衬型的绿泥石和伊/蒙混层(图 4(a)、(b))。随着绿泥石和伊/蒙混层含量的增加, 虽然渗透率变化趋势不明显(图 7(c)、(e)), 但孔隙度呈典型的减小趋势(图 7(d)、(f))。对储层物性影响最大的为孔桥型自生矿物(如丝状或纤维状的伊利石, 图 4(f)), 这类自生矿物基本充填整个粒间孔隙, 纵横交错分布, 将粒间孔/溶蚀孔分割成诸多更加细小的微孔, 使渗流通道更加曲折, 渗流能力降低(图 7(g))。由于孔桥型伊利石主要使微孔纳米化, 因此对于总孔隙度大小影响并不明显(图 7(h))。此外, 由于黏土矿物较大的比表面以及较强的吸水能力会使致密储层内具有较好的束缚水饱和度, 也大幅度降低储层的储集性能。

图 7

图 7 不同类型黏土矿物含量与孔隙度、渗透率之间关系 Fig.7 Relationship among porosity, permeability and clay content of different types

由此可见, 自生矿物的重结晶、转化及其生长形态是储集空间从微米级向纳米级演变的关键, 也是制约致密砂岩储集性能和渗流能力的重要因素。致密油气的运聚成藏是油气驱动力(超压)和储层毛管阻力间的动态平衡, 而储集空间尺寸的纳米化, 大幅增加了储层的毛管阻力, 油气充注的能力下降, 储集空间的有效性随之降低。多尺度储集空间的非均质性以及烃类流体驱动力的差异, 造成不同区域/层段致密储层含油性有所不同。烃类流体的驱动力达到致密砂岩的进入压力后, 油气先充注微米级孔喉系统。随着微米级的(缩小)粒间孔逐渐充满油气, 流体压力逐渐回升, 开始充注诸如黏土矿物晶间孔等纳米级储集系统。松辽盆地南部泉四段致密油藏主要以青一段超压为驱动力沿断层下排倒灌、然后沿砂体侧向运移而致。统计与青一段嫩江组末期超压相当(18~20 MPa)但与断层距离不同的井含油饱和度与储层渗透率的关系。结果表明, 储层的含油饱和度为35.8%~55.7%, 均值为46.4%, 但单井与断层距离超过500 m的储层渗透率要明显大于与断层距离小于500 m的储层(图 8)。在油气驱动力较大时(油气运移距离较短), 即使是孔渗较差、以纳米级储集空间为主的致密砂岩也依然能够具有相对较高的含油饱和度。但当油气运移距离相对较远时, 油气可能仅仅赋存于孔、渗条件较好、以微米级储集空间为主的致密储层中。

图 8

图 8 含油饱和度与渗透率关系 Fig.8 Relationship between oil saturation and permeability

(1) 松辽盆地南部泉四段经历了碱性—酸性—碱性的成岩环境。包膜绿泥石、基底式碳酸盐胶结以及部分伊/蒙混层、伊利石是早期碱性环境下的产物; 长石溶蚀、自生高岭石的形成、石英次生加大是酸性环境下的主要成岩事件; 晚期的碱性环境中, 高岭石逐渐转变成伊利石和绿泥石, 同时随着蒙脱石向伊/蒙混层和伊利石转化的持续, 伊/蒙混层、伊利石以及绿泥石含量快速增加, 生长形态从孔衬型向孔桥型转变。此外, 长石次生加大、铁方解石/铁白云石的胶结交代也是晚期碱性环境下的成岩事件。

(2) 恒速压汞实验揭示随着孔隙度和渗透率的降低, 致密砂岩中微米级孔隙的含量逐渐减少, 而纳米级孔的含量逐渐增多。微—纳米储集空间的演变是不同环境下成岩作用的结果。除了机械压实外, 胶结作用以及自生矿物的充填是微米级储集空间减少的主要原因; 而粒内蜂窝状溶蚀孔、自生矿物的晶间孔构成了纳米级储集空间的主体, 是溶蚀、黏土矿物转化以及其他自生矿物重结晶的结果。

(3) 致密砂岩中微—纳米储集空间的演变不仅影响这储层的孔渗, 更对致密油气的赋存和分布有着重要的影响。纳米级储集空间的增多使得油气的充注需要更大的驱动力, 致使致密油气在远源地区往往富集在微米级孔占主导的砂岩中。但在近源地区, 以往不具开发效益的、纳米级储集空间占主导的致密砂岩, 由于具有充足的油气驱动力, 也将成为致密油气勘探的范畴。