烴類充注對儲層成巖作用影響

烴類充注對儲層成巖作用影響烴類充注對儲層成巖作用影響油氣等有機烴類在儲層中的聚集改變了成巖作用環(huán)境，從而控制著礦物的交代、轉化及自生礦物的形成等成巖作用過程。所以充分認識有機油氣注入與儲層中礦物形成、轉化之間的關系，深入探討成巖作用機理，不僅可以為儲層有利次生孔隙帶的預測提供理論依據，而且可以確定油氣充注方式、期次和時間，對研究油氣藏的形成過程、總結油氣藏的形成模式和分布規(guī)律具有重要的理論意義和應用價值。其形成主要與有機質成熟過程釋放有機酸對長石等顆粒的溶解有密切關系。近年來，隨油氣勘探發(fā)展，儲層成巖作用在理論研究、具體實踐中均獲得了長遠進展。在成巖作用的現代概念Walther，1983）提出至今約一百年的歷史中，成巖作用的研究經歷了幾個發(fā)展階段，并取得了許多重大的進展。20世紀40-50年代以前，沉積學主要研究沉積作用的過程，大多數沉積地質學家的觀點是沉積礦床為沉積作用或至多在同生期沉積就形成了（孫永傳等，1996）。但是從20世紀中期開始，人們對成巖（后生）作用的研究給予了很大的關注，成礦作用的階段性的認識則從根本上改變了沉積巖石學的許多傳統(tǒng)觀念，并孕育了成巖作用研究的新時代。從上世紀70年代中期開始至90年代，成巖作用的研究進入了一個嶄新的階段，其中與石油地質學家的參與有著重要的關系。后期，由于諸多因素，促使石油地質學家們及沉積學家對儲層成巖作用的研究愈加重視，其顯著特征是對成巖反應中無機和有機過程相互作用及其系統(tǒng)演化的探索，并重新評價油氣地質演化過程和有利儲層形成及其演化歷史（Hower等，1976），，成巖作用的研究由此進入了一個快速發(fā)展的階段，相當一部分學者稱之為現代成巖作用研究階段。在該階段盆地油氣活動的研究為成巖作用或者成烴-成巖作用的深入研究提供了契機（Bredehoeft等，1990；），我國學者對諸多含油氣盆地儲層成巖作用也開展了不懈的研究和探索，為深入揭示中國陸相含油氣盆地的成巖作用規(guī)律研究奠定了基礎，成巖作用的研究亦被列入沉積學和儲層地質學重要研究方向。盆地油氣活動在成巖作用或成烴-成巖作用中的深入研究對于認識小尺度內成巖特征與大尺度盆地演化，揭示成巖作用的時空規(guī)律具有重要的意義（李忠等，2006）。目前，大多數研究者已認識到，儲層的成巖作用是一個十分復雜的地球化學過程，受到構造演化、沉積作用、礦物、盆地熱流性質、油氣運移及成巖環(huán)境中的物理化學條件等多種因素控制，最關鍵的是在油氣充注過程中，礦物與孔隙油氣之間的相互作用條件、方式及隨之發(fā)生的遷移方向、途經與沉淀位置等，油氣流動是影響成巖作用的關鍵因素（張枝煥等，2000；）。綜合前人的研究，油氣充注對成巖作用的影響可以概括為三個方面：（1）抑制膠結作用的進行，主要是抑制石英、伊利石和碳酸鹽礦物的膠結；（2）油氣中所包含的有機酸溶蝕可溶礦物，形成溶蝕孔隙，增加了儲集空間；（3）油氣形成產生的超壓能緩沖壓實作用，有利于原生孔隙的保存。油氣充注對膠結作用的抑制石油生成、運移后在儲層中產生聚集，油氣的注入孔隙水化學組成發(fā)生改變，造成孔隙水的無機離子的濃度減小，且直接由碳酸鹽膠結作用、間接使pH值發(fā)生變化、油氣部分代替地層水從而阻止了礦物的離子間質量傳遞，使礦物的交代和轉化、自生礦物的形成受到抑制。運聚成藏過程中石油的聚集會對儲層成巖演化產生影響，曾經，一些學者認為：石油的注入對有些礦物（如伊利石）的生長可能有很大的影響（Thomas，1986），甚至認為，石油聚集導致儲層成巖作用的終止。而實際上這個過程更加復雜。據實驗表明，烴類充注不會使儲層的成巖作用完全停止，但會一定程度的影響。砂巖成巖演化過程中，明顯的受到油氣聚集的影響，普遍認為油氣在砂巖聚集，成巖作用仍在繼續(xù)。李艷霞等（2003）對研究區(qū)的石英礦物的研究中發(fā)現，與水層相比，不同含油級別的油層中的石英礦物的相對含量沒有明顯的差別，石油的充注并沒有使石英的膠結作用終止。Nedkvitne（1993）通過對分布在自生膠結物中水溶性包裹體和石油包裹體，研究了Ula油田的成巖史和石油注入史的關系。結果表明，在石油到達砂巖之后，成巖作用仍在繼續(xù)活躍。自生石英中包裹體的溫度為110℃左右，但這一過程持續(xù)至今。Gluyas（1993）得出了基本相同的結論，即在具有較高含油飽和度的砂巖中，仍有石英和鉀長石膠結作用。石英加大邊中含有烴包裹體，均一化溫度與裂縫中相比較高，且不呈正態(tài)分布，低溫段豐度較低，高溫段豐度較高，表明溫度愈高，包裹體越發(fā)育。這說明：（1）石英裂縫中的包裹體形成早于烴類大規(guī)模的聚集；（2）石英加大邊中包裹體中烴類則廣泛分布，加大邊是在烴類聚集期間形成的，且不同含油級別的儲層中均一溫度差別不大?？紫端袖X濃度及其在孔隙油氣中的活動強度對伊利石生長是一個限制性的因素， 石油的充注必將影響孔隙中鋁離子的濃度，從理論上講，有機油氣的聚集將控制伊利石的形成，但有不同程度的影響。且只有在油層中的石油達到一定的飽和程度，以至于這些礦物形成的條件（如油氣中某些離子的濃度及活動強度）完成被破壞，才能結束這些礦物的形成與生長過程。 Saigal1993）研究了北海中部Fulmar砂巖儲層中，石油聚集成藏對砂巖成巖作用的影響。研究表明，與水飽和帶相比，油飽和帶中的石英次生加大和鉀長石的鈉長石化程度要低。然而對石英次生加大中油氣包裹體的顯微測溫研究表明，在這兩個帶中具有相似的溫度范圍，這就意味著油飽和帶中石英的次生加大在石油聚集后仍在進行，只是其程度與水飽和帶相比受到了阻礙。油氣充注對儲層孔隙的溶蝕改造到晚成巖中晚期，儲層中原生孔隙已經極少，在無外界油氣參與的情況下，巖石礦物與孔隙油氣之間組分的沉淀—溶解達到基本平衡。但是，在這一階段，砂巖中往往發(fā)育次生孔隙，礦物顆粒和膠結物被溶解，說明原有的化學平衡被破壞，表明有外來物質的參與。對這一現象，過去人們試圖用有機質熱脫羧產生的碳酸的作用來解釋。在成巖作用階段的中晚期，要使在無機環(huán)境中形成次生孔隙是不現實的。而干酪根降解而生成的有機酸增加了儲層中鋁硅酸鹽、碳酸鹽的溶解度，這些水溶性有機質能夠明顯地改變碳酸鹽、鋁硅酸鹽的穩(wěn)定性。在許多情況下，這些有機物質控制著成巖作用。碎屑巖儲層中，隨著地層埋藏深度增大，儲層中斜長石含量變化不明顯，而鉀長石含量隨之減小。造成長石含量降低的主要因素是其溶蝕作用，長石溶蝕作用越強，其含量越低。含油層中長石的含量相對較高，而水層中相對較低。在同一深度，原始的長石含量影響到儲層中長石礦物含量相對大小，進而影響到儲層中溶蝕作用強弱。與油層中鉀長石的鈉長石化程度相比，水層的要大得多。長石礦物的溶蝕作用不會因烴類充注而立刻終止。不管是淺部還是深部，含油儲層中，長石類礦物、碳酸鹽類溶解作用均強烈，從而形成較好的次生孔隙。水層中，無論在淺部，還是深部，礦物的溶解作用、次生孔隙形成均較差。如果含油飽和度繼續(xù)增大，含油級別為富含油或油浸時，由于石油的注入，將孔隙及通道所占的比率降低甚至是堵塞，因而孔隙水的流動受到抑制，從而阻礙了溶解－沉淀等成巖作用的進一步進行。到晚成巖中晚期，儲層中原生孔隙已經極少，在無外界油氣參與的情況下，巖石礦物與孔隙油氣之間組分的沉淀—溶解達到基本平衡。但是，在這一階段，砂巖中往往發(fā)育次生孔隙，礦物顆粒和膠結物被溶解，說明原有的化學平衡被破壞，表明有外來物質的參與。儲層成巖階段與有機質的演化有很好的對應關系。沉積巖中的分散有機質的演化過程具有明顯的階段性，在不同的演化階段，其產物也具有明顯的差別，干酪根形成水溶性有機酸的過程主要發(fā)生在80~120℃，相當于油氣演化的低成熟至成熟階段，這一階段也是儲層中一系列礦物強烈溶解和自生礦物大量析出的主要階段，是次生孔隙發(fā)育帶。隨著溫度升高，在大約120~160℃，羧酸脫羧形成烴類和二氧化碳，水溶液中二氧化碳濃度升高，而羧酸濃度降低，此階段羧酸對鋁硅酸鹽礦物仍有溶解作用，且對溶液的pH值仍有緩沖作用。盡管二氧化碳大量生成，但并不能使pH值降低，在pH值不變的情況下，二氧化碳濃度的提高使化學平衡有利于生成碳酸鹽。因此，這一階段雖然有鋁硅酸鹽溶蝕作用，但生成大量的碳酸鹽膠結物，不利于次生孔隙形成。在溫度大于160℃時，有機酸完全轉化為二氧化碳，溶液的pH值主要由二氧化碳控制，二氧化碳濃度提高可以使pH值降低，造成碳酸鹽礦物被溶蝕。結果導致次生孔隙的形成，因此，這一階段形成第二個次生孔隙帶。在地層條件下，地層水的PH值和CO2分壓共同控制著碳酸鹽礦物的沉淀和溶解作用。據Surdam（1989），近80℃時，地下水中羧酸陰離子呈指數地增加，結果碳酸根系統(tǒng)受到系統(tǒng)外的緩沖（乙酸緩沖），當pH=6時，碳酸鹽的溶解度可能是很高的，因而發(fā)生碳酸鹽溶解，或者沒有碳酸鹽沉淀出現。溫度開始增加，達到100℃時，羧酸開始脫羧，造成PCO2增大，但系統(tǒng)仍為外緩沖，且組成限于pH=6線上時，碳酸鹽溶解度降低，碳酸鹽變得穩(wěn)定。在120~160℃時，羧酸陰離子減少，其緩沖能力很快降低，碳酸鹽系統(tǒng)變成內緩沖，碳酸鹽沉淀。在國內，大多數學者從成巖作用角度出發(fā)研究儲層的演化。梅博文、殷鳳祥、陳麗華等（ 1997）開展油田水有機酸分析，研究“生油層—儲層的有機—無機相互作用”對儲層物性的影響。張枝煥、曾濺輝等（1998、1999）開展了含油氣盆地油氣—巖石相互作用研究，側重于成巖演化和油氣成藏過程中油氣 —巖石相互作用的地質 —地球化學模型，油氣—單礦物體系、復合礦物體系和烴源巖—儲集層—油氣相互作用的靜態(tài)和動態(tài)模擬實驗，探討油氣巖石相互作用的機理。 苗建宇、袁靜等（2000、2001）研究了成巖作用過程中次生孔隙的變化特征，主要探討了次生孔隙形成，認為砂巖中的各類易溶物質以及成熟烴源巖中含有豐富的有機質提供了基本的物質條件，其形成主要與有機質成熟過程釋放有機酸對長0石等顆粒的溶解有密切關系。烴類充注削弱壓實作用油氣充注對壓實作用的緩沖表現在油氣充注后引起的地層壓力變化上。（1）成熟的干酪根生成大量石油、天然氣（還有水），它們的體積遠遠超過原來的體積。Harwood計算過，有機碳含量為1%的烴源巖，所生油氣體積的凈增率大約是0.12~0.16，相當于孔隙度為10%的頁巖總孔隙度體積的4.5%~5.0%，由此可大大增加孔隙油氣壓力。隨著油氣充注，這些超強地層壓力也同時傳遞到儲集層，這樣無疑增加了對壓實作用的抵抗能力。（2）生成的油氣和水使地層中單相流動變?yōu)槎嘞嗔鲃?，Chapman指出：油氣從巖層析出，有可能會減小泥巖對于水有效的滲透率，這樣會導致孔隙中烴類流體的排出速率減小。因為儲層孔隙烴類流體可能由單一相流動改變?yōu)槎噻娤鄳B(tài)流動，其兩種油氣滲透率的和減小到單一相流體流動的1/10，從而導致烴類流體排出的效率減小，在儲層、烴源巖中造成地層超壓，這種超壓系統(tǒng)的發(fā)育，很大程度減弱正常的壓實作用對于深部的地層影響，使得較深地層中原生孔隙保存下來，這些保存的孔隙給烴類油氣1提供了儲存的空間，當油氣聚集到一定的規(guī)模時，有機酸也會有相當的量，這樣長石、方解石等碳酸鹽礦物開始發(fā)生溶蝕，形成大量的次生孔隙。油氣充注對儲層物性的影響一般而言，隨著地層埋藏深度增加，儲層物性逐漸變差，到晚成巖作用階段，儲層中原生孔隙已經十分有限。但由于成巖環(huán)境物理化學條件的變化，如酸性孔隙水和其它一些有利于地層孔隙保存因素的影響，深層儲層在一定的深度范圍內仍然可能存在良好的儲集條件。我國東部碎屑巖盆地中這種現象十分明顯，如在松遼盆地、東濮凹陷、泌陽凹陷、黃驊坳陷等地區(qū)的中-深部儲層中大都分布有2~4個次生孔隙發(fā)育帶。不同地區(qū)儲層中次生孔隙的發(fā)育程度和分布深度存在明顯的差別。控制儲層成巖作用和次生孔隙發(fā)育的因素比較復雜，主要控制因素包括母巖區(qū)的巖性特征、儲層巖性巖相特征、地層孔隙水性質的改變、早期方解石的充填作用和烴類早期注入等。1）孔隙演化特征及地球化學條件碎屑巖儲層次生孔隙形成與演化研究中所2面臨的地球化學問題主要是原生孔隙的保留、次生孔隙的形成與保留的地球化學條件，比如：（1）原生孔隙的大?。ㄈQ于沉積條件）；（2）機械壓實作用、早期方解石膠結強度與方式；（3）礦物的溶蝕與沉淀作用；（4）石油的充注、方解石、白云石的充填等影響次生孔隙的形成與保存；（5）第二個次生孔隙帶形成的地球化學條件等。導致原生孔隙度降低的因素十分復雜，最主要的有機械壓實作用、方解石膠結作用和石英礦物的次生加大等，其中起關鍵作用的是機械壓實作用，但在某些情況下早期方解石膠結物的存在已起到一定的作用。儲層的巖性特征、膠結物類型與含量及地層水性質對次生孔隙的形成均有不同程度的影響。從上述礦物含量隨深度的變化特征與孔隙度變化規(guī)律對應關系看，次生孔隙的分布與某些礦物（如方解石、長石）的轉化作用有著密切的關系。在成巖演化過程中，石英等礦物含量也有所變化，但總體上變化不明顯，而長石和方解石的相對含量發(fā)生明顯的變化，表明引起孔隙度發(fā)生變化的關鍵因素是方解石的沉淀與溶解和長石礦物的溶蝕作用，粘土礦物的轉化也可能起一定的3作用。這些因素又取決于以下地質－地球化學條件：（1）巖石類型及造巖礦物的組成特征，尤其是長石含量和碎屑巖層中碳酸鹽巖礦物的含量。隨埋藏深度增大，尤其在酸性水充注的情況下，鉀長石和斜長石往往被不同程度的溶蝕而形成溶蝕孔，因此巖石中鉀長石和斜長石的含量越高，越有利于次生孔隙的形成；（2）早期方解石的發(fā)育程度，影響早期方解石發(fā)育的因素十分復雜，主要包括母巖區(qū)的巖性特征、古氣候、古環(huán)境及沉積體系等；（3）影響長石、方解石穩(wěn)定性的成巖環(huán)境（酸性水介質條件和水文地質條件）等。2）有機酸對儲層成巖過程及孔隙演化的控制作用有利的沉積相帶為淺部儲層儲集性提供了良好的“先天”條件，但經長期深埋后，原生孔隙所占的比例已經很小，溶解與膠結等成巖作用也就成了影響次生孔隙發(fā)育的關鍵因素。成巖環(huán)境的變化是砂巖儲集體中礦物形成轉化的直接誘因，對于中深層儲層而言，成巖作用的影響尤為突出。a.有機酸的主要來源與分布4國內外大量資料表明，在地下溫度為80~120℃的沉積地層水中，地層水中有機酸的含量很高（最高可達10000mg/l）。在低于80℃時盡管也有有機酸生成，但由于細菌降解作用，地下水中可溶有機組分往往被消耗，而造成有機組分濃度較低，通常低于100mg/l。溫度較高時（＞120℃），由于熱脫羧作用，羧酸陰離子被破壞，結果造成溶解有機酸濃度降低，通常也低于100mg/l。目前普遍認為地層孔隙流體中的有機酸主要是干酪根的含氧側鏈在熱演化早期階段大量斷裂產生的，這一認識已經得到了實驗結果的證實。前人研究表明，有機酸在干酪根熱成熟過程中與石油類化合物同時生成。Surdam等（1984）研究了主要來自落基山脈白堊系油田的13個油田水樣后認為，在成巖過程中，干酪根可以生成大量水溶性有機酸和酚。Crossey等（1986）根據不同類型干酪根低溫（100℃）有水熱降解實驗資料，闡述了干酪根熱降解產生大量的有機酸和酚類發(fā)生在生油高峰之前。羧酸陰離子在油田水中的濃度也和干酪根在成巖過程中的演化相吻合。Barth（1993）應用未成熟源巖樣品加5水熱解實驗，研究源巖成熟作用水溶性有機酸的熱解過程，研究表明，所有被研究的沉積物都產生了有機酸，每克沉積物所生成的有機酸總量為1.62×10-6到48.61×10-6mol，其中未成熟油頁巖，有機酸產率最高（350℃時達43.5×10-6mol/g）；已進入生油窗的含煤頁巖，只生成少量的有機酸，而未成熟的煤樣生成特別多的乙酸（330℃時達到39.8×10-6）。實驗還表明，所有被熱解的泥巖樣品，干酪根熱演化的整個過程都能生成有機酸，有機酸生成量都隨溫度的升高而有規(guī)律地升高，甚至在生烴高峰之后有機酸生成量仍隨溫度升高而增大。但由于高溫降解作用，地下溫度為80~120℃時地層水中有機酸含量較高，隨后有機酸含量將降低（如圖1）。6圖1油田水中短鏈羧酸分布圖（據 Carothers&Kharaba，1978）除了這一產酸機制外，油層中石油高溫180℃左右）熱裂解也可以產生，地層水中大約有10~30%的有機酸來源于石油的熱降解作用，其形成機理和干酪根生成有機酸的過程相似，推測在深層儲層中由于石油的裂解液可產生一定量的有機酸，這對深部次生孔隙的形成起到一定的作用。烴類微生物降解作用可產生有機酸，其相關過程包括淡水注入，烴類喜氧生物降解及后期代謝產物被厭氧硫酸鹽還原等作用。總反應式為：烴類+SO42-→瀝青+HCO3-+H2S+有機酸7微生物降解作用使與原油共存的水溶液pH也發(fā)生了變化，實驗表明水溶液的pH值均明顯下降（陳傳平等，1995），引起pH下降的詳細原因盡管還不十分清楚，但降解過程中微生物的代謝作用產生的水溶性有機酸等含氧化合物是一個重要因素。微生物產酸與干酪根熱解產酸類型是大不相同的，微生物產酸水溶液中主要是一些芳香雜環(huán)酸或環(huán)烷酸。b.有機酸對礦物成巖演化的影響在溶液中，碳酸鹽和鋁硅酸鹽的穩(wěn)定性明顯受到可溶性有機質影響，導致在地層水中的礦物溶解度收到影響。有乙酸存在，長石礦物的溶解需要的自由能比碳酸存在的情況所需的自由能低。研究表明：在有機酸存在時，溶解SiO42-的濃度降低，溶解Al3+的濃度升高。石英、方解石的溶解度取決于溫度、壓力、pH、PCO2等，在溫度、壓力因素不變的前提下，地層水的pH值和PCO2也許是影響礦物成巖作用的最主要的化學因素，控制著方解石和石英的穩(wěn)定性。SiO2在水中的溶解度隨pH值的增大而增大，石英在pH值大于10，非晶質SiO2在pH值大于8時其溶解度急劇上高，而在pH8值小于8時其溶解度與 pH值基本無關。CaCO3的溶解度隨 pH值的增大而降低，但pH值大于7.6~