2021-4-9 | 矿业研究论文
异常高压形成机理
异常高压可以发育在碎屑岩、蒸发岩及碳酸盐岩地层中，发育深度从数百米至7km不等，层位从新近系到前寒武均有。异常高压的形成机理包括欠压实、水热增压、干酪根生烃、黏土矿物脱水、构造挤压、压力传递等。一般来说，由于水热增压和黏土矿物的脱水量都太小，不足以单独形成异常高压。苏北盆地为一拉张型盆地，异常高压仅出现在个别层位，且凹陷内压力系数高于断裂附近，排除了构造挤压和压力传递形成异常高压的成因可能。因此，阜三段异常高压的形成机理只能是欠压实或干酪根生烃。为此，选取研究区测井资料丰富的代表性井（张101井）进行异常高压的形成机理研究。
本区钻井实测的压力资料较少，给研究储层的异常压力带来很大困难。由于储层岩石学特征的多变性和连通程度的差异性，利用测井资料研究储层压力存在很多不确定性，不能很好反映压力的变化。泥岩相对稳定，所以可以通过测井资料来研究泥岩的压力，通过实测的压力数据约束而间接反映储层的压力（尽管两者之间存在一些微小差别）。
首先读取井壁规则处纯泥岩的声波时差、密度和电阻率，将声波时差、电阻率与深度绘制在半对数坐标中，密度与深度绘制在线性坐标中（图2）。盐城组二段以上，随着深度的增加，声波时差逐渐减小，说明泥岩的流体排流顺畅，孔隙减小，为正常压实段。进入盐城组一段，随着深度的增加，声波时差保持不变，电阻率降低，说明盐城组一段中的泥岩具有较高的孔隙流体，排流受限，存在异常高压，该异常高压段在油田所有钻井中均出现。三垛组二段，随着埋深的增加，声波时差减小，密度变大，说明孔隙流体及时排出，属于正常压实。从三垛组一段（部分井为戴南组）至阜宁组，随着埋深的增加，声波时差减小，但明显偏离正常压实曲线，密度基本保持不变，这与该时期的快速沉降有关（沉积速率达到150m/Ma），说明随着埋深的增加，泥岩中孔隙流体的排流受限，存在欠压实。从电阻率曲线也可以看出，在该层段，电阻率随着埋深的增大而变小，表明电阻率的减小是由泥岩中孔隙流体的增加而引起的，孔隙中并不存在烃类物质。如果异常高压是由泥岩生烃引起的，往往泥岩的声波时差变大，而密度变小，泥岩的电阻率也将增大[11]。考虑到该地区阜宁组过高的沉积速率、低的砂地比和阜三段为非烃源岩，说明阜三段存在欠压实，异常高压为欠压实成因，与干酪根生烃无关。
储层成岩作用
1.压实作用
阜三段砂岩储层的碎屑颗粒以点接触为主，部分点—线接触（图3a），压实作用较弱，然而不同粒度储层的压实作用差别较大。粉砂岩和泥质粉砂岩压实作用相对较强，而细砂岩压实作用较弱。为了更好地评价粒度对压实强度的控制，本次研究选择胶结物含量低的不同粒度砂岩样品。在偏光显微镜下估计粒间体积的大小，储层孔隙度用煤油法测定，砂岩的初始孔隙度假定为40%[12]。图4表明，细砂岩储层的孔隙度一般在15%～20%，压实损失率不超过50%；粉砂岩的孔隙度在10%～18%，压实损失率在40%～60%；而泥质粉砂岩的孔隙度普遍在10%左右，压实损失可达75%。从以上分析可以看出，粒度越粗，压实损失的孔隙度越低。
2.胶结作用
1）碳酸盐胶结
碳酸盐胶结在阜三段砂岩储层中起着重要的作用，可以使砂岩形成无孔致密层段，其含量变化较大（0～32%）。碳酸盐胶结物包括方解石和铁方解石，以方解石居多。方解石通常呈斑块状和嵌晶胶结（图3b），特别是无铁方解石，被无铁方解石嵌晶胶结的样品，其他成岩作用均非常弱，储层基本无储集性能。铁方解石含量较少，为0～3%，形成于石英次生加大之后（图3c），呈不均匀分布。
2）硅质胶结
硅质胶结在阜三段储层中主要为石英的次生加大，其次为微晶石英。石英的次生加大具有很强的选择性，主要出现在黏土含量低的细砂岩中，石英次生加大含量可达3%左右；而黏土含量高的细砂岩及粉砂岩中，均无石英的次生加大边，仅见少量微晶石英不均匀分布于绿泥石晶粒之间。从石英次生加大的包裹体来看，其温度为93～102℃，说明其形成时间较晚。
3）黏土矿物胶结
阜三段储层中黏土矿物丰富，根据18个砂岩样品的黏土X衍射分析，含量最高的黏土为伊/蒙混层，平均61%；其次为高岭石和绿泥石，平均含量分别为13%和18%；伊利石含量较少，平均8%。（1）高岭石高岭石在阜三段中常见，不均匀分布在孔隙中（图5a），高岭石在扫描电镜下呈书页状，常与绿泥石相伴生。高岭石的分布受砂岩粒径的控制，砂岩粒度越粗，其含量越高，在粉砂岩和泥质粉砂岩中，高岭石含量往往较低。高岭石一般认为是酸性介质条件下长石溶蚀的产物，常与大气淡水和有机酸有关[1315]。（2）绿泥石绿泥石在阜三段较为普遍，在扫描电镜下呈叶片状充填孔隙空间，与高岭石、伊/蒙混层相伴生（图3d，图5b），可见自生石英包裹绿泥石页片。一般来说，绿泥石可分为包壳和衬里，呈近等厚环边[1，16]，而阜三段的绿泥石大部分充填孔隙空间，极少以孔隙衬里的形式存在。绿泥石的分布不均匀，说明绿泥石应该是从八面体蒙脱石转化而来，而不是从孔隙水中沉积形成。（3）伊/蒙混层伊利石在阜三段储层中相对较少，大部分为伊/蒙混层。伊/蒙混层在电镜下呈鳞片状、蜂窝状（图5c），以孔隙衬里分布为主，少量以孔隙充填物的形式存在于粒间孔。
3.溶蚀作用
细砂岩中长石均不同程度地发生了溶蚀，形成大量的粒间溶孔、铸模孔，长石溶蚀形成的次生孔隙最高可占总孔隙的60%。被溶长石颗粒的边缘可以有黏土环边（图5d），也可以没有。黏土环边可以是绿泥石，也可以是伊/蒙混层，反映长石溶蚀发生的时间跨度较长。与长石溶蚀相伴生的是自生钠长石的出现，自生钠长石在阜三段中较为常见，扫描电镜下可观察到已溶解长石碎屑的框架上出现许多钠长石小晶体，晶棱和晶面清晰可见。长石的溶蚀导致孔隙水中钠离子处于过饱和，使其以钠长石的形式就地生长。长石溶蚀作用的持续发生，不仅提供了源源不断的钠离子，还为钠长石的生长提供了空间。
讨论
1.异常高压对压实作用的抑制
压实作用是破坏碎屑岩储层储集空间的主要成岩作用之一，其强弱程度通常与以下3个因素有关。（1）骨架颗粒的力学性质。在上覆地层压力下，塑性颗粒易发生形变占据孔隙空间而导致压实增加[2，1718]。常见的塑性颗粒有云母、火山岩岩屑、浅变质岩岩屑及泥岩岩屑。（2）与作用在骨架颗粒上的有效应力有关，有效应力越大，压实作用越强。（3）成岩早期的胶结物可抑制压实作用的持续进行[1，16，1920]，常见的抑制压实作用的成岩早期胶结物有非共轴生长的微晶石英、绿泥石包壳、少量方解石及浊沸石等。在砂岩骨架组分和胶结物含量及性质变化不大的情况下，压实强度只与作用于骨架颗粒上的有效应力有关，有效应力可表述为σ′=SVpP(1)其中：σ′—有效应力，MPa；SV—上覆负荷应力，MPa；pP—流体压力，MPa。从式（1）可以看出，作用于骨架颗粒上的有效应力等于上覆地层压力与孔隙流体压力之差。也就是说，如果孔隙流体的压力增加，则作用于骨架颗粒上的有效应力将减小，将导致压实作用变弱。阜宁组阜三段砂岩储层平均埋深3000m，如果孔隙压力是常压，假定上覆地层平均密度为2.3g/cm3,流体密度1.0g/cm3，则作用于骨架颗粒上的有效应力为39MPa左右。然而，如果压力系数为1.3，在其他条件不变的情况下，作用于骨架颗粒上的有效应力减小为30MPa左右，相当于埋深仅在2300m左右。可以看出，欠压实导致的高压可以抵消部分上覆地层压力，使压实作用相对变弱，原生粒间孔隙得以保存。阜三段储层普遍发育高压，压力系数在1.3左右，超压抵消了近700m厚的上覆地层压力。