烃类充注对储层成岩作用影响

烃类充注对储层成岩作用影响 油气等有机烃类在储层中的汇集变化了成岩作用环境，从而控制着矿物的交代、转化及自生矿物的形成等成岩作用过程。因此充足结识有机油气注入与储层中矿物形成、转化之间的关系，进一步探讨成岩作用机理，不仅可觉得储层有利次生孔隙带的预测提供理论根据，并且可以拟定油气充注方式、期次和时间，对研究油气藏的形成过程、总结油气藏的形成模式和分布规律具有重要的理论意义和应用价值。其形成重要与有机质成熟过程释放有机酸对长石等颗粒的溶解有密切关系。近年来，随油气勘探发展，储层成岩作用在理论研究、具体实践中均获得了长远进展。在成岩作用的现代概念（Walther，1983）提出至今约一百年的历史中，成岩作用的研究经历了几种发展阶段，并获得了许多重大的进展。20 世纪 40-50 年代此前，沉积学重要研究沉积作用的过程，大多数沉积地质学家的观点是沉积矿床为沉积作用或至多在同生期沉积就形成了（孙永传等，1996）。但是从 20 世纪中期开始，人们对成岩（后生）作用的研究予以了很大的关注，成矿作用的阶段性的结识则从主线上变化了沉积岩石学的许多老式观念，并孕育了成岩作用研究的新时代。从上世纪 70 年代中期开始至 90 年代，成岩作用的研究进入了一种崭新的阶段，其中与石油地质学家的参与有着重要的关系。后期，由于诸多因素，促使石油地质学家们及沉积学家对储层成岩作用的研究更加注重，其明显特性是对成岩反映中无机和有机过程互相作用及其系统演化的摸索，并重新评价油气地质演化过程和有利储层形成及其演化历史（Hower等，1976），成岩作用的研究由此进入了一种迅速发展的阶段，相称一部分学者称之为现代成岩作用研究阶段。在该阶段盆地油气活动的研究为成岩作用或者成烃-成岩作用的进一步研究提供了契机（Bredehoeft等，1990；），国内学者对诸多含油气盆地储层成岩作用也开展了不懈的研究和摸索，为进一步揭示中国陆相含油气盆地的成岩作用规律研究奠定了基本，成岩作用的研究亦被列入沉积学和储层地质学重要研究方向。盆地油气活动在成岩作用或成烃-成岩作用中的进一步研究对于结识小尺度内成岩特性与大尺度盆地演化，揭示成岩作用的时空规律具有重要的意义（李忠等，）。目前，大多数研究者已结识到，储层的成岩作用是一种十分复杂的地球化学过程，受到构造演化、沉积作用、矿物、盆地热流性质、油气运移及成岩环境中的物理化学条件等多种因素控制，最核心的是在油气充注过程中，矿物与孔隙油气之间的互相作用条件、方式及随之发生的迁移方向、路过与沉淀位置等，油气流动是影响成岩作用的核心因素（张枝焕等，；）。综合前人的研究，油气充注对成岩作用的影响可以概括为三个方面：（1）克制胶结作用的进行，重要是克制石英、伊利石和碳酸盐矿物的胶结；（2）油气中所涉及的有机酸溶蚀可溶矿物，形成溶蚀孔隙，增长了储集空间；（3）油气形成产生的超压能缓冲压实作用，有助于原生孔隙的保存。1油气充注对胶结作用的克制石油生成、运移后在储层中产生汇集，油气的注入孔隙水化学构成发生变化，导致孔隙水的无机离子的浓度减小，且直接由碳酸盐胶结作用、间接使 pH值发生变化、油气部分替代地层水从而制止了矿物的离子间质量传递，使矿物的交代和转化、自生矿物的形成受到克制。运聚成藏过程中石油的汇集会对储层成岩演化产生影响，曾经，某些学者觉得：石油的注入对有些矿物（如伊利石）的生长也许有很大的影响（Thomas，1986），甚至觉得，石油汇集导致储层成岩作用的终结。而事实上这个过程更加复杂。据实验表白，烃类充注不会使储层的成岩作用完全停止，但会一定限度的影响。砂岩成岩演化过程中，明显的受到油气汇集的影响，普遍觉得油气在砂岩汇集，成岩作用仍在继续。李艳霞等（）对研究区的石英矿物的研究中发现，与水层相比，不同含油级别的油层中的石英矿物的相对含量没有明显的差别，石油的充注并没有使石英的胶结作用终结。Nedkvitne（1993）通过对分布在自生胶结物中水溶性包裹体和石油包裹体，研究了Ula油田的成岩史和石油注入史的关系。成果表白，在石油达到砂岩之后，成岩作用仍在继续活跃。自生石英中包裹体的温度为 110左右，但这一过程持续至今。Gluyas（1993）得出了基本相似的结论，即在具有较高含油饱和度的砂岩中，仍有石英和钾长石胶结作用。石英加大边中具有烃包裹体，均一化温度与裂缝中相比较高，且不呈正态分布，低温段丰度较低，高温段丰度较高，表白温度愈高，包裹体越发育。这阐明：（1）石英裂缝中的包裹体形成早于烃类大规模的汇集；（2）石英加大边中包裹体中烃类则广泛分布，加大边是在烃类汇集期间形成的，且不同含油级别的储层中均一温度差别不大。孔隙水中铝浓度及其在孔隙油气中的活动强度对伊利石生长是一种限制性的因素，石油的充注必将影响孔隙中铝离子的浓度，从理论上讲，有机油气的汇集将控制伊利石的形成，但有不同限度的影响。且只有在油层中的石油达到一定的饱和限度，以至于这些矿物形成的条件（如油气中某些离子的浓度及活动强度）完毕被破坏，才干结束这些矿物的形成与生长过程。Saigal（1993）研究了北海中部Fulmar 砂岩储层中，石油汇集成藏对砂岩成岩作用的影响。研究表白，与水饱和带相比，油饱和带中的石英次生加大和钾长石的钠长石化限度要低。然而对石英次生加大中油气包裹体的显微测温研究表白，在这两个带中具有相似的温度范畴，这就意味着油饱和带中石英的次生加大在石油汇集后仍在进行，只是其限度与水饱和带相比受到了阻碍。2 油气充注对储层孔隙的溶蚀改造到晚成岩中晚期，储层中原生孔隙已经很少，在无外界油气参与的状况下，岩石矿物与孔隙油气之间组分的沉淀溶解达到基本平衡。但是，在这一阶段，砂岩中往往发育次生孔隙，矿物颗粒和胶结物被溶解，阐明原有的化学平衡被破坏，表白有外来物质的参与。对这一现象，过去人们试图用有机质热脱羧产生的碳酸的作用来解释。在成岩作用阶段的中晚期，要使在无机环境中形成次生孔隙是不现实的。而干酪根降解而生成的有机酸增长了储层中铝硅酸盐、碳酸盐的溶解度，这些水溶性有机质可以明显地变化碳酸盐、铝硅酸盐的稳定性。在许多状况下，这些有机物质控制着成岩作用。碎屑岩储层中，随着地层埋藏深度增大，储层中斜长石含量变化不明显，而钾长石含量随之减小。导致长石含量减少的重要因素是其溶蚀作用，长石溶蚀作用越强，其含量越低。含油层中长石的含量相对较高，而水层中相对较低。在同一深度，原始的长石含量影响到储层中长石矿物含量相对大小，进而影响到储层中溶蚀作用强弱。与油层中钾长石的钠长石化限度相比，水层的要大得多。长石矿物的溶蚀作用不会因烃类充注而立即终结。不管是浅部还是深部，含油储层中，长石类矿物、碳酸盐类溶解作用均强烈，从而形成较好的次生孔隙。水层中，无论在浅部，还是深部，矿物的溶解作用、次生孔隙形成均较差。如果含油饱和度继续增大，含油级别为富含油或油浸时，由于石油的注入，将孔隙及通道所占的比率减少甚至是堵塞，因而孔隙水的流动受到克制，从而阻碍了溶解沉淀等成岩作用的进一步进行。到晚成岩中晚期，储层中原生孔隙已经很少，在无外界油气参与的状况下，岩石矿物与孔隙油气之间组分的沉淀溶解达到基本平衡。但是，在这一阶段，砂岩中往往发育次生孔隙，矿物颗粒和胶结物被溶解，阐明原有的化学平衡被破坏，表白有外来物质的参与。储层成岩阶段与有机质的演化有较好的相应关系。沉积岩中的分散有机质的演化过程具有明显的阶段性，在不同的演化阶段，其产物也具有明显的差别，干酪根形成水溶性有机酸的过程重要发生在 80120，相称于油气演化的低成熟至成熟阶段，这一阶段也是储层中一系列矿物强烈溶解和自生矿物大量析出的重要阶段，是次生孔隙发育带。随着温度升高，在大概 120160，羧酸脱羧形成烃类和二氧化碳，水溶液中二氧化碳浓度升高，而羧酸浓度减少，此阶段羧酸对铝硅酸盐矿物仍有溶解作用，且对溶液的 pH值仍有缓冲作用。尽管二氧化碳大量生成，但并不能使 pH值减少，在 pH值不变的状况下，二氧化碳浓度的提高使化学平衡有助于生成碳酸盐。因此，这一阶段虽然有铝硅酸盐溶蚀作用，但生成大量的碳酸盐胶结物，不利于次生孔隙形成。在温度不小于 160时，有机酸完全转化为二氧化碳，溶液的 pH值重要由二氧化碳控制，二氧化碳浓度提高可以使 pH值减少，导致碳酸盐矿物被溶蚀。成果导致次生孔隙的形成，因此，这一阶段形成第二个次生孔隙带。在地层条件下，地层水的PH值和CO2分压共同控制着碳酸盐矿物的沉淀和溶解作用。据Surdam（1989），近 80时，地下水中羧酸阴离子呈指数地增长，成果碳酸根系统受到系统外的缓冲（乙酸缓冲），当 pH=6时，碳酸盐的溶解度也许是很高的，因而发生碳酸盐溶解，或者没有碳酸盐沉淀浮现。温度开始增长，达到 100时，羧酸开始脱羧，导致 PCO2增大，但系统仍为外缓冲，且构成限于 pH=6线上时，碳酸盐溶解度减少，碳酸盐变得稳定。在 120160时，羧酸阴离子减少，其缓冲能力不久减少，碳酸盐系统变成内缓冲，碳酸盐沉淀。在国内，大多数学者从成岩作用角度出发研究储层的演化。梅博文、殷凤祥、陈丽华等（1997）开展油田水有机酸分析，研究“生油层储层的有机无机互相作用”对储层物性的影响。张枝焕、曾溅辉等（1998、1999）开展了含油气盆地油气岩石互相作用研究，侧重于成岩演化和油气成藏过程中油气岩石互相作用的地质地球化学模型，油气单矿物体系、复合矿物体系和烃源岩储集层油气互相作用的静态和动态模拟实验，探讨油气岩石互相作用的机理。苗建宇、袁静等（、）研究了成岩作用过程中次生孔隙的变化特性，重要探讨了次生孔隙形成，觉得砂岩中的各类易溶物质以及成熟烃源岩中具有丰富的有机质提供了基本的物质条件，其形成重要与有机质成熟过程释放有机酸对长石等颗粒的溶解有密切关系。3 烃类充注削弱压实作用油气充注对压实作用的缓冲表目前油气充注后引起的地层压力变化上。（1）成熟的干酪根生成大量石油、天然气（尚有水），它们的体积远远超过本来的体积。Harwood 计算过，有机碳含量为 1%的烃源岩，所生油气体积的净增率大概是 0.120.16，相称于孔隙度为 10%的页岩总孔隙度体积的 4.5%5.0%，由此可大大增长孔隙油气压力。随着油气充注，这些超强地层压力也同步传递到储集层，这样无疑增长了对压实作用的抵御能力。（2）生成的油气和水使地层中单相流动变为多相流动，Chapman指出：油气从岩层析出，有也许会减小泥岩对于水有效的渗入率，这样会导致孔隙中烃类流体的排出速率减小。由于储层孔隙烃类流体也许由单一相流动变化为多钟相态流动，其两种油气渗入率的和减小到单一相流体流动的 1/10，从而导致烃类流体排出的效率减小，在储层、烃源岩中导致地层超压，这种超压系统的发育，很大限度削弱正常的压实作用对于深部的地层影响，使得较深地层中原生孔隙保存下来，这些保存的孔隙给烃类油气提供了储存的空间，当油气汇集到一定的规模时，有机酸也会有相称的量，这样长石、方解石等碳酸盐矿物开始发生溶蚀，形成大量的次生孔隙。4 油气充注对储层物性的影响一般而言，随着地层埋藏深度增长，储层物性逐渐变差，到晚成岩作用阶段，储层中原生孔隙已经十分有限。但由于成岩环境物理化学条件的变化，如酸性孔隙水和其他某些有助于地层孔隙保存因素的影响，深层储层在一定的深度范畴内仍然也许存在良好的储集条件。国内东部碎屑岩盆地中这种现象十分明显，如在松辽盆地、东濮凹陷、泌阳凹陷、黄骅坳陷等地区的中-深部储层中大都分布有24 个次生孔隙发育带。不同地区储层中次生孔隙的发育限度和分布深度存在明显的差别。控制储层成岩作用和次生孔隙发育的因素比较复杂，重要控制因素涉及母岩区的岩性特性、储层岩性岩相特性、地层孔隙水性质的变化、初期方解石的充填作用和烃类初期注入等。（1）孔隙演化特性及地球化学条件碎屑岩储层次生孔隙形成与演化研究中所面临的地球化学问题重要是原生孔隙的保存、次生孔隙的形成与保存的地球化学条件，例如：（1）原生孔隙的大小（取决于沉积条件）；（2）机械压实作用、初期方解石胶结强度与方式；（3）矿物的溶蚀与沉淀作用；（4）石油的充注、方解石、白云石的充填等影响次生孔隙的形成与保存；（5）第二个次生孔隙带形成的地球化学条件等。导致原生孔隙度减少的因素十分复杂，最重要的有机械压实作用、方解石胶结作用和石英矿物的次生加大等，其中起核心作用的是机械压实作用，但在某些状况下初期方解石胶结物的存在已起到一定的作用。储层的岩性特性、胶结物类型与含量及地层水性质对次生孔隙的形成均有不同限度的影响。从上述矿物含量随深度的变化特性与孔隙度变化规律相应关系看，次生孔隙的分布与某些矿物（如方解石、长石）的转化作用有着密切的关系。在成岩演化过程中，石英等矿物含量也有所变化，但总体上变化不明显，而长石和方解石的相对含量发生明显的变化，表白引起孔隙度发生变化的核心因素是方解石的沉淀与溶解和长石矿物的溶蚀作用，粘土矿物的转化也也许起一定的作用。这些因素又取决于如下地质地球化学条件：（1）岩石类型及造岩矿物的构成特性，特别是长石含量和碎屑岩层中碳酸盐岩矿物的含量。随埋藏深度增大，特别在酸性水充注的状况下，钾长石和斜长石往往被不同限度的溶蚀而形成溶蚀孔，因此岩石中钾长石和斜长石的含量越高，越有助于次生孔隙的形成；（2）初期方解石的发育限度，影响初期方解石发育的因素十分复杂，重要涉及母岩区的岩性特性、古气候、古环境及沉积体系等；（3）影响长石、方解石稳定性的成岩环境（酸性水介质条件和水文地质条件）等。（2）有机酸对储层成岩过程及孔隙演化的控制作用有利的沉积相带为浅部储层储集性提供了良好的“先天”条件，但经长期深埋后，原生孔隙所占的比例已经很小，溶解与胶结等成岩作用也就成了影响次生孔隙发育的核心因素。成岩环境的变化是砂岩储集体中矿物形成转化的直接诱因，对于中深层储层而言，成岩作用的影响尤为突出。a.有机酸的重要来源与分布国内外大量资料表白，在地下温度为 80120的沉积地层水中，地层水中有机酸的含量很高（最高可达 10000mg/l）。在低于80时尽管也有有机酸生成，但由于细菌降解作用，地下水中可溶有机组分往往被消耗，而导致有机组分浓度较低，一般低于 100mg/l。温度较高时（120），由于热脱羧作用，羧酸阴离子被破坏，成果导致溶解有机酸浓度减少，一般也低于 100mg/l。目前普遍觉得地层孔隙流体中的有机酸重要是干酪根的含氧侧链在热演化初期阶段大量断裂产生的，这一结识已经得到了实验成果的证明。前人研究表白，有机酸在干酪根热成熟过程中与石油类化合物同步生成。Surdam等（1984）研究了重要来自落基山脉白垩系油田的 13 个油田水样后觉得，在成岩过程中，干酪根可以生成大量水溶性有机酸和酚。Crossey 等（1986）根据不同类型干酪根低温（100）有水热降解实验资料，论述了干酪根热降解产生大量的有机酸和酚类发生在生油高峰之前。羧酸阴离子在油田水中的浓度也和干酪根在成岩过程中的演化相吻合。Barth（1993）应用未成熟源岩样品加水热解实验，研究源岩成熟作用水溶性有机酸的热解过程，研究表白，所有被研究的沉积物都产生了有机酸，每克沉积物所生成的有机酸总量为1.6210-6到 48.6110-6mol ，其中未成熟油页岩，有机酸产率最高（ 350时达43.510-6mol/g）；已进入生油窗的含煤页岩，只生成少量的有机酸，而未成熟的煤样生成特别多的乙酸（330时达到 39.810-6）。实验还表白，所有被热解的泥岩样品，干酪根热演化的整个过程都能生成有机酸，有机酸生成量都随温度的升高而有规律地升高，甚至在生烃高峰之后有机酸生成量仍随温度升高而增大。但由于高温降解作用，地下温度为80120时地层水中有机酸含量较高，随后有机酸含量将减少（如图1）。图1 油田水中短链羧酸分布图（据Carothers&Kharaba，1978）除了这一产酸机制外，油层中石油高温（180左右）热裂解也可以产生，地层水中大概有 1030%的有机酸来源于石油的热降解作用，其形成机理和干酪根生成有机酸的过程相似，推测在深层储层中由于石油的裂解液可产生一定量的有机酸，这对深部次生孔隙的形成起到一定的作用。烃类微生物降解作用可产生有机酸，其有关过程涉及淡水注入，烃类喜氧生物降解及后期代谢产物被厌氧硫酸盐还原等作用。总反映式为：烃类+SO42-沥青+HCO3-+H2S+有机酸微生物降解作用使与原油共存的水溶液 pH 也发生了变化，实验表白水溶液的 pH 值均明显下降（陈传平等，1995），引起pH下降的具体因素尽管还不十分清晰，但降解过程中微生物的代谢作用产生的水溶性有机酸等含氧化合物是一种重要因素。微生物产酸与干酪根热解产酸类型是大不相似的，微生物产酸水溶液中重要是某些芳香杂环酸或环烷酸。b.有机酸对矿物成岩演化的影响在溶液中，碳酸盐和铝硅酸盐的稳定性明显受到可溶性有机质影响，导致在地层水中的矿物溶解度收到影响。有乙酸存在，长石矿物的溶解需要的自由能比碳酸存在的状况所需的自由能低。研究表白：在有机酸存在时，溶解SiO42-的浓度减少，溶解 Al3+的浓度升高。石英、方解石的溶解度取决于温度、压力、pH、PCO2等，在温度、压力因素不变的前提下，地层水的 pH值和 PCO2也许是影响矿物成岩作用的最重要的化学因素，控制着方解石和石英的稳定性。SiO2在水中的溶解度随 pH值的增大而增大，石英在 pH值不小于 10，非晶质 SiO2在 pH 值不小于 8 时其溶解度急剧上高，而在 pH 值不不小于 8 时其溶解度与 pH 值基本无关。CaCO3的溶解度随 pH 值的增大而减少，但 pH 值不小于 7.68 时溶解度急剧减少。在沉积剖面上，碳酸盐矿物的沉淀与溶解作用重要取决于羧酸浓度与 CO2分压的分布状况。长石的水解和溶解也受 pH值的控制。由于有机酸的存在，使溶液从中性转化为酸性的过程中，方解石、长石的溶解速率的增大，但石英矿物溶解度减小。研究区大部分样品中存在长石颗粒的溶解、自生粘土矿物的交代与石英矿物次生加大的共生现象，该现象与储层中酸性水的作用有很大的关系。地层水的 pH值和缓冲能力直接或间接地受控于溶解态的有机酸含量，进而影响矿物在地下水中的稳定性。据 Willey等（1975），脂肪酸阴离子可构成地层水中碱度的 50100。Fisher（1987）觉得，脂肪酸阴离子与碳酸根一起构成所有或接近所有碱度（图 5-10）。Surdam和Crossey（1989）的实验研究成果表白，在油气大量生成时期形成的大量有机酸对溶液的 pH值有缓冲作用，可以把溶液的 pH值控制在 56 之间。总之，成岩作用中后期，地层水中有机酸的相对浓度控制了长石和方解石的较强溶解作用，有机酸含量越大，地层水 pH值越低，这样有助于方解石溶解作用。储层中，长石颗粒溶解作用，会使地层水中的 SiO2浓度增大，从而对硅质增生形成起到增进作用，形成溶解、胶结作用共存的现象，并且产生 K+、Ca2等，有助于自生粘土矿物的形成，增进粘土矿物之间的转化。流体-岩石互相作用过程中，流体输入和输出能力对次生孔隙发育强度和规模具有重要的影响。一方面具有机酸和 CO2等具有很强溶解能力的酸性流体，其为储层中发生溶解作用的基本物质，是发育次生孔隙的前提。该酸性流体进入储层的能力对次生孔隙的发育具有核心的影响；此外，碳酸盐矿物的溶解度较低（如 CaCO3约为 5.810-2mol/ml），铝硅酸盐矿物的溶解度则更低（例如钾长石矿物溶解度约为 3.110-7mol/ml，钠长石为 5.810-7mol/ml），稍微溶解则会达到饱和。