成岩作用对生储盖层的影响与成岩史模拟
——以北部湾盆地福山凹陷为例

田 伟 志

(中国石油长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引 言

碎屑岩储集层的物性主要受成岩作用和沉积相的影响与控制[1-2]。有关沉积相的研究颇多，但成岩作用方面的研究较少，而且不够深入。实际上，生、储、盖层均与成岩作用密切相关[3]，且生、储、盖层发育史受成岩史的影响与控制。本文以北部湾盆地福山凹陷为例，探讨这些问题，以期指导北部湾盆地以及其他沉积盆地碎屑岩的油气勘探工作。

1 区域地质概况

福山凹陷是北部湾盆地的一个新生界断陷，总面积约为2 880 km2。其陆上部分由白莲次凹、花场次凸、皇桐次凹、博北断阶带和南部斜坡带五个次级构造单元组成(图1)。在古近纪，该盆地处于同裂陷期，构造活动剧烈，形成大量构造圈闭。进入新近纪之后，北部湾盆地进入裂后期，整体下沉，接受海相沉积，构造运动减弱，仅造成构造圈闭较小幅度变动。从下到上，福山凹陷发育了长流组、流沙港组、涠洲组的陆相沉积，下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组的海相沉积和第四系的灰黄色砂层及黏土。流沙港组生、储、盖层发育，是主要的勘探目的层段，进一步可划分为流三段、流二段和流一段三个岩性段。

图1 构造单元划分[4]

2 不同成岩阶段生、储、盖层特征

2.1 成岩阶段划分

应用流体包裹体Th、Ro、泥岩热解、XRD、普通薄片、铸体薄片镜下鉴定、SEM、电子探针等分析化验资料，依据SY/T 5477-2003《碎屑岩成岩阶段划分》[5]，将福山凹陷的碎屑岩成岩作用划分为两个阶段和若干(亚)期(表1)。

表1 福山凹陷碎屑岩成岩阶段划分及标志和对生、储、盖层的控制

为了更详尽地研究成岩作用对生、储、盖层的影响与控制，本文在现行成岩阶段划分标准的基础上，根据福山凹陷花场-白莲地区砂岩的成岩特征，以生油高峰(Ro=1.0%)为界，将中成岩阶段A2亚期，进一步细分为A21和A22两个成岩微期(表1)。划分依据为，福山凹陷烃源岩在生油高峰(Ro=1.0%)之后，干酪根中的杂原子键断裂减缓，脱羧作用基本完成，表现为干酪根O/C原子比的减小速度变慢(图2)。从此之后，有机酸的生成量较小，储集层的溶蚀作用减弱，孔隙度下降加快。也就是说，烃源岩有机酸的生成和排出主要发生在生油高峰之前。

图2 福山凹陷H/C原子比与O/C原子比关系

成岩相是成岩环境与成岩作用的综合[6]。在福山凹陷，不同成岩阶段(期/亚期/微期)，发育不同的成岩相(表1)。

2.2 成岩作用对生、储、盖层的影响与控制

2.2.1 成岩演化对有机质热演化的影响与控制

流二段是福山凹陷深陷期形成的沉积建造，以暗色泥岩为主，为该凹陷的主力烃源岩发育段，其TOC平均为1.25%，S1+S2平均为3.69 mg/g，有机质类型为Ⅱ型干酪根(图2)。有机质的热演化是泥岩的一种成岩作用，福山凹陷的有机质热演化与成岩演化密切相关(图3)。在早成岩阶段A期，Ro<0.35%，有机质未成熟，只能生成少量生物甲烷气；在早成岩阶段B期， 0.35%≤Ro<0.5%，有机质半成熟；在中成岩阶段A1亚期， 0.5%≤Ro<0.7%，有机质低熟，源岩进入生烃门限，开始生烃；在中成岩阶段A21微期，0.7%≤Ro<1.0%，有机质处于成熟早期，烃源岩开始大量生油；在中成岩阶段A22微期，有机质处于成熟晚期，1.0%≤Ro<1.3%，在生油高峰(Ro=1.0%)之后，有机质开始热裂解生成凝析油气。

2.2.2 成岩演化对储集层物性的影响与控制

流沙港组是北部湾盆地福山凹陷断陷期形成的砂泥岩沉积建造。流一段、流二段和流三段储集层的平均孔隙度分别为21.45%、23.55%、16.8%，平均渗透率分别为42.5、95.4、16.8 mD。流沙港组流一段是主要产油层(图4)，其岩性主要为长石岩屑砂岩(Ⅵ)和岩屑砂岩(Ⅶ)。

在不同成岩阶段，砂岩具有不同的孔隙类型。福山凹陷的成岩演化对储集层物性具有良好的控制作用。早成岩阶段A期、B期，中成岩阶段A1亚期及中成岩阶段A21、A22微期，主要发育高-特高孔隙度、中-高孔隙度、低-中孔隙度、特低-低孔隙度(含超低孔隙度)储集层。高-特高孔隙度储集层仅发育在早成岩阶段A、B期，中成岩阶段A1亚期主要为低-中孔隙度储集层，中成岩阶段A2亚期的两个成岩微期主要发育低-特低孔隙度储集层。但Ro≥1.0%之后，烃源岩进入A22微期，干酪根O/C原子比下降缓慢、脱羧产酸能力明显减弱(图2)，溶蚀作用减弱，储集层孔隙度迅速降低，出现大量超低孔隙度储集层(图5)。此外，在不同成岩阶段(期、亚期、微期)，具有不同的孔隙类型(表1)，孔隙类型从原生-次生混合孔(图6a)，演变为次生孔(图6b、图6c、图6d)。

图3 北部湾盆地福山凹陷区有机质热演化与成岩演化剖面

图4 流沙港组储集层矿物组成

图5 福山凹陷成岩作用对储集层孔隙度的影响

图6 福山凹陷典型成岩照片

2.2.3 成岩演化对盖层封堵能力的影响与控制

随着地层埋深增加，Ro升高，压实作用增强，孔隙度减小，泥岩盖层排替压力增大，封堵能力变强。因此，泥岩盖层的封闭性能与成岩作用密切相关。付广等[7]研究表明，泥岩盖层的排替压力与Ro呈正相关，但各沉积盆地的相关关系不同。随埋深和成岩强度的增加，黏土矿物中可塑性和膨胀性较强的蒙皂石转化为可塑性和膨胀性较差的伊利石和绿泥石[2]，与此同时排放大量Si4+、Ca2+、Fe3+、Mg2+：

KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20·10H2O(蒙皂石)+4.5K++8Al3+→3Si4++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++Na++10H2O+K5.5Mg2Fe1.5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)

(1)

这些阳离子可进一步形成二氧化硅、碳酸盐和含铁碳酸盐矿物，使盖层的硅质和钙质含量增加，脆性增大，容易产生裂缝，盖层封盖能力变小。依据式(1)，可计算黏土矿物转化过程中脆性矿物生成的量。计算结果表明，1 mol蒙皂石形成1 mol伊利石的过程中，所生成的脆性矿物占生成物的20%左右。

孟元林[8]通过许多盆地的研究，得出了成岩演化过程中盖层封闭能力的变化规律，本文在此基础上，结合福山凹陷的具体地质特征，研究了福山凹陷成岩演化与生、储、盖发育的关系(表1)。在碎屑岩成岩演化过程中，盖层的封闭性能发生规律性的变化，从早成岩阶段A期到中成岩阶段A21微期，盖层的封堵性能逐渐增加，在A21微期达到最大(表1)。而后，由于黏土矿物中脆性矿物的增加，封闭性能开始减弱。在中成岩阶段A21微期末，85%的蒙皂石均发生了转化，形成大量脆性矿物。

3 成岩史数值模拟的数学模型

本文应用东北石油大学的成岩作用数值模拟与优质储集层预测系统(2012SR016332)[8]，进行了北部湾盆地福山凹陷的成岩作用数值模拟，恢复了成岩演化史，探讨了成岩演化过程中生、储、盖层的发育史。该软件综合考虑压力(P)、古地温(T)、时间(t)和岩性(X)四种地质因素对碎屑岩成岩作用的影响：首先定量模拟古地温T、镜质组反射率Ro(%)、甾烷异构化指数SI(甾烷C29S/S+R)、黏土矿物I/S混层中蒙皂石层的含量S(%)、自生石英含量Vq(%)这五项参数在古代随时间的变化规律；然后对这些参数线性组合，构建成岩作用数值模拟的数学模型，在时-空域内自动计算成岩指数ID，恢复成岩史：

ID(x,y,z,t)=a1T(x,y,z,t)/TB+a2Ro(x,y,z,t)/RB+a3[100-S(x,y,z,t)]/(100-SB)+a4SI(x,y,z,t)/SIB+a5Vq(x,y,z,t)/VB

(2)

式中：ID为成岩指数；x，y，z为三维空间坐标；t为时间，Ma；TB、RB、SB、SIB、VB为中成岩阶段末期T、Ro、S、SI和Vq的值，其值分别为175℃、2.0%、15%、0.56、12%；a1、a2、a3、a4、a5为权系数，其和为1.0。

4 成岩史与生、储、盖发育史

基于上述数学模型，本文模拟了福山凹陷白莲次凹的一口典型井——H 2-2井的古埋深、古地温、镜质组反射率Ro、黏土矿物I/S混层中蒙皂石层的含量S(混层比，%)、甾烷异构化指数SI(甾烷C29S/S+R)、自生石英含量Vq(%)随时间变化的规律。将各种参数输入成岩作用模拟系统，计算不同地质时期的成岩指数ID，得出了该井的埋藏史、成岩演化史(图7)，图中横坐标是时间(Ma)，纵坐标是深度(km)。H 2-2井埋藏史的最大特点是：流沙港组和涠洲组沉积时期(E2l3+E2l2+E2l1+E3w)，福山凹陷处于同裂陷期(断陷期)[4,9-10]，沉积速率快，埋藏史的斜率大；在N+Q沉积时期，福山凹陷进入裂后期(坳陷期)，整体下沉，接受新近纪和第四纪海相沉积，沉积速率降低，埋藏史的斜率减小，沉积速率仅为33 m/Ma。符合裂谷盆地的沉降史模式。

4.1 早成岩阶段A期生、储、盖层特征

如图7所示，ID=0.19、ID=0.32和ID=0.43三条等值线把H 2-2井的埋藏史和成岩史图分为四个时-空域。

其中ID<0.19的时-空域，属于早成岩阶段A期。在早成岩阶段A期，Ro<0.35%，流沙港组烃源岩有机质未成熟，只能生成生物甲烷，脱羧、产酸也较少，溶蚀作用不强，储集层主要发育原生孔隙；埋深和地温较低，胶结作用很弱，砂岩中主要的自生矿物为蒙皂石和I/S混层；机械压实作用不强，发育早期压实相，孔隙度较高，主要发育高-特高孔隙度储集层(图5)。泥岩处于蒙皂石带，具有较好的可塑性，但压实不强，孔隙度较高，封闭性能差-中。

图7 福山凹陷H 2-2井埋藏史和成岩演化史

4.2 早成岩阶段B期生、储、盖层特征

图7中0.19≤ID<0.32的时-空域处于早成岩阶段B期。此时， 0.35%≤Ro<0.5%，烃源岩半成熟，只能生成低熟油和未熟油；烃源岩脱羧、产酸作用增强，生成的有机酸溶蚀相邻储集层，形成混合孔隙，发育早期胶结-溶蚀相，自生矿物主要为高岭石和碳酸盐，孔隙度较高，主要为中-高孔隙度储集层(图5)。泥岩压实作用增强，孔隙度减小，封闭能力中等。

4.3 中成岩阶段A1亚期生、储、盖层特征

图7中0.32≤ID<0.43的时-空域属于中成岩阶段A1亚期。在涠洲组沉积早期(E3w)，流沙港组进入中A1亚期。此时，0.5%≤Ro<0.7%，烃源岩进入生油门限，开始生油，导致H/C原子比迅速下降，在生烃的同时，干酪根脱羧、产酸，导致O/C原子比下降(图2)；干酪根降解形成的有机酸溶蚀相邻储集层，形成次生孔隙，在这一时期，储集层发育次生孔隙，孔隙度较高，主要为中-低孔隙度储集层(图5)。由于成岩强度增加，压实作用增强，泥岩盖层的孔隙度减小，盖层的封堵能力达到中-好。

4.4 中成岩阶段A21微期生、储、盖层特征

图7中0.43≤ID<0.55的时-空域属于中成岩阶段A21微期。在新近纪中新世(N1)，流沙港组进入A21成岩微期。在中成岩阶段A21微期，Ro≥0.7%，烃源岩进入成熟阶段，大量生烃。在干酪根大量生烃的同时，产生有机酸，溶蚀储集层，形成次生孔隙，储集层孔隙度有所改善，但压实作用较强，孔隙度发育为低-特低孔；由于烃源岩处于大量生烃的成熟阶段，烃源岩生成的天然气大量溶于地层水中，增大了天然气的浓度，使向上递减的天然气浓度梯度减小，扩散作用减弱，从而对下伏呈扩散运移的天然气起到了封闭作用，形成烃浓度封闭。盖层可能同时发育毛细管力封闭和烃浓度封闭，封闭能力达到最好，生、储、盖层发育俱佳。而且福山凹陷的大部分圈闭在古近纪形成，圈闭形成与生、储、盖层发育史匹配良好。十分有利于油气藏的形成，油气藏开始大规模形成。

4.5 中成岩阶段A22微期生、储、盖层特征

图7中ID≥0.55的时-空域属于中成岩阶段A22微期。福山凹陷A22成岩微期，Ro>1.0%，有机质成熟度较高，过了生油高峰，干酪根脱羧、产酸能力下降(图2)，溶蚀作用变弱，次生孔隙减少。而且随成岩强度增加，胶结作用渐强，孔隙度下降加快。储集层主要为低孔-超低孔砂岩，物性条件相对上部地层整体上变差。

H 2-2井因发现工业油流停钻，并做了大量分析化验，资料比较齐全，但完钻井深小于3 250 m，未钻遇A22微期。目前，本区对该微相研究资料相对较少，待其他井获取更多相关数据后，可做进一步深入分析。

5 结 论

(1)福山凹陷的碎屑岩成岩作用可分为早成岩阶段A期、B期，中成岩阶段A1亚期、A2亚期。以生油高峰为界(Ro=1.0%)，A2亚期又可分为A21和A22两个微期，进入A22微期，溶蚀作用减弱。

(2)成岩作用对福山凹陷的生、储、盖层的发育均有明显的控制作用。在不同成岩阶段(期/亚期/微期)，生、储、盖层的发育特征明显不同。

(3)成岩史影响控制着生、储、盖发育史和成藏史。在古近纪涠洲组沉积早期(E3w)，流沙港组烃源岩开始生烃；但直到新近纪中新世(N1)，福山凹陷流沙港组的生、储、盖层才发育俱佳，进入主成藏期，开始大规模成藏。