高温-超压-高CO2背景下致密砂岩储层成岩作用特征——以莺歌海盆地LD10区新近系梅山组-黄流组为例

利用薄片鉴定、扫描电镜、阴极发光及碳氧同位素分析等手段,对莺歌海盆地LD10区新近系梅山组-黄流组高温-超压-高CO₂背景下的储层成岩作用特征及其对孔隙的影响进行了系统研究。研究结果表明: ①莺歌海盆地LD10区新近系梅山组-黄流组储层发育重力流沉积,岩性以中-细粒长石岩屑石英砂岩为主,储层物性以特低-低孔、特低渗特征为主。②压实、胶结和溶蚀作用是研究区主要的成岩作用类型。超压对黏土矿物的转化及石英次生加大具有明显抑制作用,并在一定程度上保护了原生孔隙。富含CO₂的高温流体不仅造成了黏土矿物的异常转化,同时促进了溶蚀作用发生,增加了次生孔隙。③研究区黄二段储层的成岩演化序列为: 菱铁矿胶结→石英次生加大→绿泥石胶结→长石淋滤溶蚀→高岭石形成→早期方解石胶结→早期白云石胶结→长石溶蚀→方解石溶蚀→伊利石大量生成→晚期铁方解石、铁白云石形成。④总体上,压实作用使孔隙度减少了45.30%～62.93%,胶结作用使孔隙度减少了1.65%～35.01%,溶蚀作用使孔隙度增加了0.72%～8.00%。其中,黄流组中下部砂岩储层受到了超压保护和CO₂溶蚀作用的双重影响,物性较好,钻井过程中应考虑高CO₂风险。     

松辽盆地孤店二氧化碳气田片钠铝石的特征及成因

松辽盆地孤店二氧化碳气田储集砂岩中含有大量片钠铝石,根据其特征可以查明注入CO₂气形成的自生矿物与CO₂成因之间的联系。利用偏光显微镜、扫描电镜、X-射线衍射分析仪和MAT251稳定同位素质谱仪,详细描述了片钠铝石的形貌、产状和成分,确定了含片钠铝石砂岩的成岩共生序列和形成片钠铝石的CO₂的成因。注入CO₂气前形成的自生矿物组合主要为次生加大石英、高岭石和伊利石,注入CO₂气后形成的自生矿物组合主要为片钠铝石和铁白云石。其中,片钠铝石呈板柱状、束状、放射状、菊花状、杂乱毛发状集合体,主要作为胶结物产于碎屑岩碎屑颗粒间的孔隙中,少量交代长石、石英等碎屑。INCA能谱测试表明组成片钠铝石的主要元素为氧、钠、铝、碳。片钠铝石的δ¹³C值为-1.9‰~+0.3‰,与片钠铝石平衡的δ¹³C_CO2为-8.7‰~-6.9‰,与孤店CO₂气田中CO₂气的δ¹³C_CO2值(-9.76‰~-5.74‰)接近。由于含片钠铝石砂岩与CO₂气的分布都受控于深大断裂和玄武岩,CO₂气和形成片钠铝石的CO₂绝大部分属于幔源-岩浆型。     

松辽盆地南部幔源CO2与油气充注时序-来自含片钠铝石砂岩的证据

沉积盆地中幔源CO₂的充注时间是进行CO₂-砂岩相互作用以及CO₂-原油相互作用研究的基础。一般将CO₂气藏附近火山岩的喷发年龄视为幔源CO₂的充注时间,但是,这一思路明显不适合于具有多期火山活动的含油气盆地。通过成岩共生序列和流体包裹体的系统研究,在松辽盆地南部含片钠铝石砂岩中解读出两期油气和一期CO₂充注记录,其中,第一期和第二期油气充注记录主要以液烃包裹体和气液烃包裹体形式赋存于自生矿物和碎屑矿物的裂隙中,幔源CO₂充注的记录为片钠铝石自生矿物和赋存于碎屑矿物裂隙中的含CO₂包裹体,幔源CO₂的充注略晚于第二期油气充注或与其大致同时。根据含片钠铝石砂岩的成岩共生序列和流体包裹体研究,结合已有的油气成藏时间和构造裂缝发育时间判断,松辽盆地南部形成片钠铝石的幔源CO₂的充注时间可能为白垩纪末(明水期末)-古近纪。     

碳酸溶蚀对致密砂岩储层流动特征的影响——以鄂尔多斯盆地长6致密砂岩为例

CO₂吞吐是一种提高致密油藏采收率的有效方法,然而由于注入的CO₂与地层水接触形成的碳酸与岩石矿物发生了溶蚀作用,从而改变了储层的流动特性。为了探讨碳酸溶蚀对储层流动特征的影响,以鄂尔多斯盆地三叠系延长组长6段野外露头致密砂岩为研究对象,开展了岩心流动实验,通过测量CO₂在地层水中的溶解度,对比了碳酸溶蚀前后致密砂岩的孔隙度、可动孔喉下限、液相渗透率、矿物组成和微观形貌。结果表明：溶蚀作用提高了孔隙度和液相渗透率,使流体流动能力增强;溶蚀后致密砂岩的可动孔喉下限减小,降低了束缚水饱和度;方解石、白云石和长石是主要的溶蚀矿物,溶蚀后岩心的溶蚀孔明显增多;压力越大CO₂在地层水中的溶解度越大,碳酸的酸性越强,矿物溶蚀程度越大;温度越高,溶蚀作用越弱。研究成果明确了碳酸溶蚀作用对致密砂岩储层流动特征的影响规律,为致密油藏CO₂吞吐技术应用提供借鉴。     

饱和CO2地层水驱过程中的水-岩相互作用实验

为了研究CO₂注入后储层岩性和物性的变化情况,利用室内岩心驱替装置,模拟了地层条件下(100℃,24MPa)饱和CO₂地层水驱过程中的水-岩相互作用,并对CO₂注入后,组成储层岩石的矿物溶蚀、溶解和沉淀情况以及渗透率变化的原因进行了研究。通过对实验前后反应液离子成分变化、岩心扫描电镜和全岩X-射线衍射(XRD)资料的分析表明：实验后砂岩岩心中的碳酸盐矿物出现明显的溶解现象,且方解石溶解程度最高,片钠铝石次之,铁白云石最低;反应液中K⁺质量浓度的变化主要是由碎屑钾长石颗粒溶蚀造成的;实验后有少量的高岭石和中间产物生成,其中间产物的成分主要为C、O、Na、Cl、Al和Si,并有向碳酸盐矿物转变的趋势;新生成的高岭石、中间产物和由碳酸盐胶结物溶解释放出的黏土颗粒一起运移至孔喉,从而堵塞孔隙,降低了岩心渗透率。通过以上实验再现了CO₂注入后,短时期内储层岩石中长石和碳酸盐类矿物的溶蚀和溶解过程以及新矿物沉淀情况,并且揭示了储层渗透率变化的原因,从而为CO₂的地下捕获机制提供了地球化学依据。     

CO2与砂岩相互作用机理与形成的自生矿物组合

当CO₂以天然方式或人工方式注入到含水砂岩时,成岩流体将转变成弱酸性流体,引起宿主砂岩中不稳定矿物(如碳酸盐、长石)的分解和新矿物的沉淀,进而使砂岩的孔隙度、渗透率和地层水地球化学特征发生改变。CO₂注入砂岩后,仅有少量CO₂溶解于水中以气体形式存在,大部分CO₂以次生矿物形式(如方解石、白云石、菱铁矿等)被“固化”在宿主砂岩中,形成的典型自生矿物组合为:片钠铝石±含铁碳酸盐矿物±其它碳酸盐矿物组合和铁白云石+高岭石+自生石英组合。其中,前一种矿物组合是示踪CO₂运移、聚集的典型自生矿物组合。CO₂与砂岩相互作用机理及形成的自生矿物组合研究不仅拓宽了沉积盆地中流体-岩石相互作用研究领域,揭示了深部流体与浅部储集层之间、浅部烃源岩或其它岩石与附近储集层之间的物质转移,而且为储集砂岩品质评价、CO₂气藏(田)预测、CO₂地下储存等研究提供了基础地质信息。     

控制异常孔隙带发育的成岩流体类型与活动历史——以琼东南盆地东部宝岛北缘储层为例

基于地质背景和大量钻测资料,利用流体包裹体和成岩矿物组合的地球化学特征,以成岩流体类型和活动历史为视角,综合分析了琼东南盆地东部宝岛凹陷北缘储层异常高孔带的动态成因过程。研究区发育了三段异常高孔带,其中前两段在全区均有发育,第三段仅在BD19-2构造部分井发育。控制该区异常高孔带发育的流体类型为有机酸、大气淡水、烃类、热流体和无机幔源CO₂。在中新世早中期,大气水淋滤引起溶蚀,持续至中新世中期;中新世末期陵一段泥岩生排的有机酸进入储层,再次发生溶蚀形成次生孔,第四纪热流体的溶蚀作用最终形成第一段异常高孔带。中新世末期陵二段泥岩排出的有机酸引起溶蚀,持续到上新世中期,上新世早期天然气充注抑制了碳酸盐胶结物充填孔隙,与此同时热流体活动也引发溶蚀,综合形成第二段异常高孔带。中新世早期下伏崖城组源岩开始生排有机酸引起溶蚀,持续至中新世中期,中新世末期陵二段泥岩开始生排有机酸再次引起溶蚀,持续至上新世中期,中新世中期天然气充注抑制了碳酸盐胶结物充填孔隙,上新世富幔源CO₂的热流体开始活动溶蚀,综合形成第三段异常高孔带。     

长石砂岩次生溶孔的形成机理

在酸性水介质条件下,长石类矿物都能发生程度不同的溶蚀反应并形成次生孔隙。根据原始矿物和次生矿物的组成和物理化学性质可以定量计算次生孔隙度。钾长石被溶蚀时形成的次生孔隙度最高,达11.91%,钙长石形成的次生孔隙度最低,为0.72%,钠长石和中长石形成的次生孔隙度介于两者之间。长石溶蚀过程中所需的CO₂,一部分来自大气降水或水与大气接触过程中所溶解的空气中的CO₂,另一部分则来源于有机质在生烃过程中的分解产物。     

深埋砂岩储层长石溶孔率定量计算的新方法及应用——以鄂尔多斯盆地陇东地区长81储层为例

次生孔隙是砂岩储层中重要的油气储集空间,而长石溶蚀产生的次生孔隙(即长石溶孔)往往是最重要的次生孔隙类型之一。基于热力学原理,提出了依据溶蚀产物自生黏土矿物的含量定量计算深埋条件下长石溶蚀产生的次生孔隙率的新方法,即:钾长石次生孔隙率=0.28×高岭石含量或0.36×伊利石含量;钠长石次生孔隙率=0.10×高岭石含量或0.17×伊利石含量;钙长石次生孔隙率=0.014×高岭石含量或0.08×伊利石含量。在对鄂尔多斯盆地陇东地区长8₁储层的矿物岩石学特征进行详细研究的基础上,依据新方法对陇东地区长8₁储层深埋条件下长石溶蚀产生的次生孔隙率进行了计算,并与实测面孔率和溶蚀模拟实验结果进行了对比。结果表明,长8₁储层51块样品长石溶蚀产生的次生孔隙率的计算平均值为1.32%,与长石溶孔率的实测值(平均1.44%)比较接近;与溶蚀模拟实验产生的溶孔率相比,新方法的计算结果也是合理的。      

泥岩盖层的溶蚀作用机理实验——不同pH值盐水中溶蚀速率变化规律

为了查明泥岩在不同性质流体环境中的溶蚀速率及随时间的变化关系,以松辽盆地南部青山口组黑色泥岩为研究对象,开展4组pH值分别为3、5、7、9的水岩相互作用实验研究,实验持续时间为153d,泥岩粉末样品中黏土矿物含量为50%、石英和长石类矿物含量为35%、方解石为2%,还有少量菱铁矿和黄铁矿。结果分析表明,方解石在酸性流体中快速发生溶蚀溶解,Ca离子析出速率高于Mg、Si和Al离子;长石和黏土矿物溶蚀作用缓慢;在中性—碱性流体环境中形成了三水铝石片状矿物沉淀;方解石的快速溶蚀溶解消耗了酸性流体实验中的氢离子,导致溶液pH值由最初的3升高至7.5;4组实验开始的15d内反应速率较快,反应至50d时,各离子浓度基本保持稳定,即反应体系达到平衡状态,平衡状态下各组溶液的pH值为7~9,呈中性—弱碱性;据4组实验平衡状态下Si离子浓度计算得到的泥岩整体溶蚀速率为-13.29~-13.79 mol/(m~2·s),较为接近同等条件下蒙皂石或高岭石单矿物的溶蚀速率,略高于泥岩中含量最高的伊利石单矿物溶蚀速率。实验研究表明,地层中CO_2或有机酸等酸性流体能够对泥岩盖层产生溶蚀溶解作用,而酸性流体对泥岩盖层封盖能力的破坏程度取决于长期水岩相互作用至系统平衡的过程;封闭的流体环境有利于保护泥岩盖层,泥岩中含有适量的碳酸盐矿物有利于缓冲酸性流体对泥岩盖层的溶蚀作用,起到保护盖层封闭性的作用,而碳酸盐等矿物的沉淀作用能够提高盖层的封盖能力。     

砂岩高温超临界CO_2水岩模拟实验及其地质意义

在中国东部的含油气盆地中发育有较多的高含CO_2天然气藏,其富含的CO_2为深层高温CO_2气体沿断层向上运聚而成。在高温CO_2的运聚过程中,与之接触的砂岩储层会发生超临界CO_2水岩反应,过去对这方面的研究报道较少。为此,利用采自柴达木盆地冷湖构造带南八仙气田新近系的砂岩样品,开展了超临界CO_2—水—砂岩反应模拟实验(温度为150℃、压力为15MPa)。结果表明:①高温超临界CO_2侵入后,主要对砂岩中的方解石、黏土、石英等矿物产生重要影响,而对长石的影响较小;②酸性流体环境导致方解石不仅被大量溶蚀,还经历了由溶蚀→单向短锥形生长→双向长锥形复三方偏三角面体生长的过程;③黏土矿物含量明显减少,石英含量则明显增加,原因在于形成了较多的次生石英,其形成演化经历了微晶石英→他形石英→柱状或团块状石英的过程;④长石含量变化很小,未发现长石明显溶蚀的现象,反而存在钠长石含量的微弱增加。结论认为:高温超临界CO_2水岩反应会推进火山侵入岩围岩中砂岩储层的致密化。     

西湖凹陷渐新统花港组储层砂岩成岩环境演化探讨

通过大量的岩石薄片显微观察,结合其他成岩阶段划分的标志,认为研究区花港组成岩阶段主要处在晚成岩阶段B期;采用光学显微镜、扫描电镜等观察分析东海陆架盆地西湖凹陷花港组储层砂岩自生矿物种类、组合及岩石结构、孔隙类型和结构特征,识别出酸性成岩环境和碱性成岩环境2种类型。酸性成岩环境以长石溶蚀+次生溶孔+自生高岭石+石英次生加大为特征;碱性成岩环境则以石英溶蚀+晚期亚铁碳酸盐充填、交代为特征。酸性和碱性成岩环境演化机理主要受控于烃源岩中干酪根核外围含氧羧基和酚基通过热裂解产生一元和二元水溶性羧酸以及酚类。在中成岩阶段A期,当R_O值在0.5％～1.3％之间变化时,有机质通过脱羧基作用生成一元、二元有机酸,并释放出CO₂,导致孔隙流体性质为酸性;当烃源岩中有机质演化程度升高,有机酸遭到破坏,脱羧基作用减弱,CO₂来源减少,孔隙流体性质逐渐由酸性向碱性演变。     

松辽盆地砂岩中成岩次生矿物特征

砂岩在成岩过程中,次生矿物多达20余种。次生石英、钠长石、方解石和浊沸石等的形成不同程度地影响了砂岩的储集物性。形成次生石英的SiO₂主要来源于碎屑长石的溶解粘土矿物的转化。次生长石与长石的钠长石化过程有关,斜长石钠长石化始于成岩早期,而钾长石的钠长石化则需较高的成岩条件才能进行。次生方解石主要为成岩早期的无机CaCO₃沉淀。浊沸石则是晚成岩阶段的稳定矿物,并与成岩晚期钠长石化有关。      

川西坳陷中段沙溪庙组砂岩中水-岩-烃作用特征

通过显微岩石矿物学分析、扫描电镜与能谱分析、阴极发光分析等确定了伴随川西坳陷中侏罗统沙溪庙组砂岩孔隙流体演化形成的自生矿物类型与产出关系,利用包裹体温度分析、同位素地质温度分析等确定了主要自生矿物的形成时期,主要利用电子探针微区成分分析技术测定了不同阶段形成的自生矿物的化学组成,并运用同位素分析、地层水分析、粘土矿物X-射线衍射分析等技术进一步获得了孔隙流体的演化特征。沙溪庙组砂岩孔隙流体早期富镁、富铁、偏碱性,随着埋深的增加和烃类的进入等逐渐向偏酸性演化,在转化过程中形成了绿泥石、石英、方解石、高岭石等矿物。自生绿泥石消耗了镁离子和铁离子,钠长石的溶蚀提供了钠离子,烃类注入提供了酸性流体,导致孔隙流体最终演化为现今富钠、富钙、偏酸性的CaCl₂型地层水特征。溶蚀作用改善了储层的储集性,自生绿泥石孔隙衬垫保护了原生孔隙,有利于形成有利储层。     

川西坳陷中段上三叠统须家河组水岩相互作用机制

水岩相互作用是成岩矿物演化和地层水离子变化之间的桥梁,两者通过水岩反应达到水岩体系的平衡,呈现出此消彼长的关系,并留下了水岩相互作用的证据。本文通过川西坳陷中段须家河组储层成岩矿物的微观特征以及地层水离子地球化学特征等的综合分析,对其水岩相互作用机制及概念模式进行了探讨,认为研究区须家河组二段（简称须二段）和须家河组四段（简称须四段）不同的水岩体系、围岩基质及地层水背景是造成两者水岩作用机制存在差异的根本原因。由于较大的K⁺/H⁺活度比,须二段长石得到有效保存;须四段长石缺失的最重要原因是其本身的物源较为贫长石,同时,低K⁺/H⁺活度比导致长石溶蚀进一步降低了其中的长石含量。长石的溶解、自生矿物的沉淀和黏土矿物的转化主要受长石溶蚀-离子（K⁺）迁移性-伊利石化三元体系中最慢反应进程控制。碳酸盐胶结物的碳氧同位素分析表明须四段的水岩体系更为开放,酸性流体数量大于须二段,须二段缺少有机CO₂记录,推测与酸性流体数量较少、烃源岩为海相灰质泥页岩及构造抬升剥蚀有关,CO₂运移分馏的影响较小。在此基础上,分别建立了铝硅酸盐和碳酸盐水岩作用概念模式,认为泥页岩并不是水岩体系中的封闭性因素,相反是水岩体系的第一开放对象,泥页岩（煤层）同时是物质提供者和接受者,是整个水岩体系不可或缺的部分。     

深层砂砾岩中的深部热流体作用及其地质意义

以渤海湾盆地东营凹陷北部陡坡带东段民丰—盐家地区古近系沙河街组四段（沙四段）深层砂砾岩为例,通过岩心和扫描电镜观察、薄片鉴定、流体包裹体、粘土矿物X射线衍射、镜质体反射率、岩心物性和烃源岩热解参数分析等方法,结合构造演化和岩浆活动背景、地层埋藏史和油气成藏史等研究成果,明确深层砂砾岩中的深部热流体作用标记和时间,并初步探讨其地质意义。结果表明：研究区沙四段砂砾岩中存在爆裂角砾、立方体黄铁矿等和伊/蒙混层-铁白云石-磷灰石、伊/蒙混层-磷灰石-黄铁矿、绿泥石-磷灰石-黄铁矿、磷灰石-黄铁矿等反映深部热流体作用的岩石学特征和矿物（组合）;粘土矿物的垂向演化过程中出现伊/蒙混层比值异常增大、高岭石含量短暂激增的现象;在埋深3 400～4 800 m处游离烃含量（S₁）和裂解烃含量（S₂）异常高,埋深5 500 m处S₁和S₂较低,而热解峰温（T_max）异常高,在埋深4 269～4 800 m处的石英裂缝内有异常高温包裹体;天然气稳定碳同位素中δ¹³ C{}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}值大于 -8 ‰,具有无机成因特征,且具有与深部富CO₂热流体作用相关的NaHCO₃型地层水。以上现象均反映出民丰—盐家地区沙四段砂砾岩在馆陶组-明化镇组沉积时期经历了富CO₂幔源成因的深部流体活动。深部热流体进入砂砾岩储层后对物性起到双重改造作用：引发破裂和促进溶蚀从而改善储层物性;沉淀自生矿物堵塞孔隙,阻碍流体运移,损害储层物性。此外,深部热流体参与沙四下亚段烃源岩热演化及油气生成过程,对烃源岩排烃和原油裂解具有潜在影响。