王冠民，張 婕，王清斌，李佳偉

[1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2 海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 塘沽 300457]

以致密砂巖和細粒沉積巖為代表的致密儲層油氣勘探近年來獲得了巨大的進展，大量研究成果表明，儲層致密化的成因往往與強烈的壓實和膠結(jié)作用有關[1-2]，有利儲層的發(fā)育多受控于沉積條件、成巖作用、酸性溶蝕、超壓等因素[3-6]，部分還與早期油氣充注抑制膠結(jié)作用、綠泥石膜和微裂縫有關[7]。

隨著陸相斷陷盆地油氣勘探程度的逐漸深入，陡坡帶中深層砂礫巖體逐漸成為油氣勘探的主要目標，以近年來鉆探的松遼盆地徐家圍子斷陷沙河子組最為典型。這些砂礫巖體也多為低孔低滲的致密儲層[8-9]，其致密化的原因同樣是壓實作用、膠結(jié)作用等[10-14]。與致密砂巖儲層相比，優(yōu)質(zhì)砂礫巖儲層的成因在沉積條件和成巖作用等方面有很大的相似之處。比如，徐家圍子斷陷沙河子組致密砂礫巖有利儲層的發(fā)育與三角洲前緣分流河道分選較好的砂體和較強的有機酸溶蝕[10,12],以及早期膠結(jié)物抑制壓實作用有關[12]；準噶爾盆地沙灣凹陷百口泉組致密砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層同樣受控于扇三角洲前緣水下分流河道和早期膠結(jié)物對粒間孔隙的保護與酸性流體溶蝕[14]；束鹿凹陷沙河街組三段下亞段致密泥灰?guī)r-礫巖的有利儲層以各類次生孔隙、裂縫為主[11]；松遼盆地南部深層J3—K1致密砂礫巖中的有利儲層與構(gòu)造高點后期酸性溶蝕和微裂縫有關[13]；東營凹陷民豐北帶和車西洼陷沙河街組三段的近岸水下扇砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層也都與分流河道或水道、河口壩等沉積微相和各類酸性流體的多期溶蝕有關[8,15-16]。

近兩年，在渤海灣盆地秦南凹陷東南緣陡坡帶沙河街組一段和沙二段(合稱沙一、二段)深層砂礫巖體中發(fā)現(xiàn)了億噸級油氣田，賦存于低孔低滲砂礫巖的優(yōu)質(zhì)儲層中。通過研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)沙一、二段深層砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育特征與目前發(fā)現(xiàn)的其它地區(qū)砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層有一定的差異，其形成與沉積期保留下來的大量螺屑孔隙以及埋藏過程中過早的油氣充注密切相關。該機理的發(fā)現(xiàn)，會有助于在盆地陡坡帶咸化水體環(huán)境下沉積的致密砂礫巖中進一步尋找類似的有利儲集層。

1 研究區(qū)概況與沉積特征

秦南凹陷是渤海海域內(nèi)的一個次級構(gòu)造單元，東與遼西凸起、遼西凹陷相接，南與渤中凹陷、西與南堡凹陷以石臼坨凸起相隔，北與昌黎凹陷、樂亭凹陷以姜各莊凸起相隔，東部為典型的南斷北超[17-20]，研究區(qū)位于秦南凹陷東南緣陡坡帶(圖1)。近年來，在秦南凹陷東南緣陡坡帶鉆探了D29-2和D29-2E等構(gòu)造，揭示了該區(qū)具有很大的油氣勘探潛力。

秦南凹陷新生界發(fā)育齊全，其中，古近系由老到新依次發(fā)育孔店組、沙三段、沙一、二段，以及東營組的東三段、東二段、東一段。該區(qū)的油氣主要來自秦南凹陷東洼，主要烴源巖為沙三段，已發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要分布在沙一、二段儲層中。

在前人研究的成果上[18-22]，利用地震解釋，結(jié)合錄/測井、巖心和薄片等資料，可以得到研究區(qū)沙一、二段的沉積相類型及平面展布(圖1)。

巖心、薄片和錄井揭示，沙一、二段發(fā)育多個由細礫巖逐漸變?yōu)楹[砂巖的正旋回沉積，在每個旋回頂部的含礫砂巖中普遍發(fā)育螺化石，局部夾薄層生屑云巖、粉砂巖及深灰色泥巖。礫巖底部可見底沖刷構(gòu)造，發(fā)育交錯層理，礫石粒徑多在1～5 cm不等。地震上，可見明顯的楔形前積反射特征，楔形內(nèi)部反射弱且雜亂。上述特征表明，研究區(qū)沙一、二段沉積相類型主要以扇三角洲前緣水下分流河道為主，水下分流河道廢棄后經(jīng)波浪再改造常發(fā)育含大量螺化石和隱晶白云石包殼的含螺含礫砂巖。

2 巖性對儲層的控制作用

2.1 巖石學特征

沙一、二段扇三角洲相砂礫巖主要包括顆粒支撐礫巖、礫質(zhì)砂巖、含礫砂巖以及砂巖等，含少量的粉砂巖、泥巖和生屑云巖。其中，顆粒支撐礫巖、礫質(zhì)砂巖、含礫砂巖的分選差，礫石以中礫和細礫為主，局部可見巨礫，有時礫石之間可見螺化石或生物碎屑。

圖1 秦南凹陷及圍區(qū)構(gòu)造單元及研究區(qū)位置、沉積相平面圖Fig.1 Map showing tectonic units in Qinnan Sag and its surrounding region,and the location of the study area and the sedimentary facies

礫石成分以酸性火山巖為主，多呈次棱角-次圓狀，局部可見少量生屑云巖、石灰?guī)r和泥巖撕裂屑。通過對97塊鑄體薄片觀察發(fā)現(xiàn)，礫石之間的碎屑基質(zhì)仍以火山巖屑為主，長石和石英次之，巖屑含量在22%～98%，平均73.7%。

2.2 巖性對儲層物性的影響

研究區(qū)2口取心井的巖心樣品常規(guī)物性分析結(jié)果表明，沙一、二段砂礫巖儲層孔隙度在0.45%～34.70%，平均為14.60%；滲透率為0.01×10-3～767.40×10-3μm2，平均為13.01×10-3μm2(圖2a，b)。因此，研究區(qū)沙一、二段儲層孔隙以低孔、特低孔為主，中孔和高孔次之，含少量的特高孔；滲透率以超低滲為主，特低滲、低滲次之，含少量的中滲儲層，儲層整體具有低孔低滲的特點，孔隙度與滲透率具有一定的正相關性(圖2c)。

但在井深3 330～3 400 m發(fā)育異常高孔隙帶(圖2d)，孔隙度最高可達34.6%。通過對該深度范圍內(nèi)的巖心、壁心薄片觀察發(fā)現(xiàn)，巖性以含螺含礫砂巖夾薄層鮞粒白云巖為主，螺體腔孔和螺屑壁內(nèi)溶孔非常發(fā)育(圖3，圖4a)，而相鄰的不含螺的砂礫巖孔隙度明顯偏低。換言之，相對高孔滲的優(yōu)質(zhì)儲層主要發(fā)育在含螺含礫砂巖中。

研究區(qū)扇三角洲砂礫巖為近源快速堆積，埋深在3 200 m以下，受上覆地層強烈壓實作用，顆粒間表現(xiàn)為線接觸、凹凸接觸，顆粒內(nèi)部見破裂縫，但含螺砂礫巖中的生物化石往往保留比較完整，體腔孔非常發(fā)育。如何解釋該現(xiàn)象？我們認為是由于含螺砂礫巖多為顆粒支撐，雜基含量少，儲層抗壓實能力較強，結(jié)果造成顆粒格架之間的螺體腔孔和壁內(nèi)溶孔保存相對較完整(圖3，圖4a)。含螺砂礫巖是在扇三角洲水下分流河道的廢棄階段，部分早期沉積的砂礫在后期經(jīng)湖浪重新淘洗，與完整或不完整的螺屑共同沉積形成席狀混積砂礫灘。顆粒的分選、磨圓變好，砂礫間常含大量螺類生物碎屑。這些螺屑是風浪將扇三角洲前緣死亡的螺殼搬運到席狀混積砂礫灘并快速沉積下來的，其較好的物性源于波浪對先期分流河道沉積物的重新改造和生物體腔孔的發(fā)育。

3 成巖作用對優(yōu)質(zhì)儲層的控制作用

通過對研究區(qū)2口井280多塊巖心、壁心鑄體薄片的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)儲層成巖作用類型包括壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用。成巖作用的差異是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的又一重要因素。

3.1 壓實作用

薄片鑒定揭示，研究區(qū)扇三角洲砂礫巖儲層在埋藏過程中經(jīng)歷了較強的壓實作用(圖4b)，它是研究區(qū)中深層儲層物性降低的主要原因之一。

圖2 秦南凹陷沙一段砂礫巖儲層物性分布直方圖及孔-滲關系和孔-深關系Fig.2 Histogram of coarse siliciclastic reservoir physical properties in Es1 of Qinnan Sag,and relationships of the porosity-permeability and the porosity-deptha.孔隙度分布直方圖；b.滲透率分布直方圖；c.孔-滲交會圖；d.孔-深關系圖

圖3 秦南凹陷沙一、二段含螺砂礫巖鏡下照片和壁心照片F(xiàn)ig.3 Microscopic features and core photographs of spiral-shell-bearing coarse siliciclastic rocks in the Es1-2 of Qinnan Saga.生物體腔孔及壁內(nèi)溶孔，Q-12井，埋深3 362 m，鑄體薄片，單偏光;b. 含螺含礫砂巖，Q-4井，埋深3 311.1 m，壁心

但在分選較好的顆粒支撐砂礫巖中，壓實作用的強度明顯偏低，這一點在波浪成因的含螺含礫砂巖中尤為明顯(圖4a,c)。

3.2 膠結(jié)作用

沙一、二段扇三角洲砂礫巖中的膠結(jié)物主要有碳酸鹽礦物、硅質(zhì)、粘土礦物、菱鐵礦、黃鐵礦等。高嶺石多呈米粒狀分布在顆粒之間，含量約在1%～15%，平均6.3%；硅質(zhì)膠結(jié)物主要以充填裂縫(圖4d)和次生加大的石英為主，含量平均在0.12%。另外，也可見少量的菱鐵礦和黃鐵礦膠結(jié)，平均含量1.2%。

圖4 秦南凹陷沙一、二段砂礫巖成巖作用類型Fig.4 Diagenetic types of coarse siliciclastic rocks in the Es1-2 of Qinnan Saga.礫石磨圓較好，具有較強的抗壓實作用，礫石間螺屑發(fā)育(箭頭處)，Q-13井，埋深3 358 m，鑄體薄片，單偏光；b.碎屑顆粒分選差，泥質(zhì)雜基及泥晶白云巖發(fā)育，壓實作用強，孔隙不發(fā)育，Q-12井，埋深3 621 m，鑄體薄片，正交光； c.發(fā)育3期白云石膠結(jié)(箭頭處)，孔隙中央殘留有原生孔，Q-13井，埋深3 382.34 m，鑄體薄片，正交光；d.礫石內(nèi)部裂縫被硅質(zhì)膠結(jié)物充填(箭頭處)，Q-13井，埋深3 535 m，鑄體薄片，正交光；e.鐵白云石(藍色，箭頭處)交代白云石，顆粒之間殘留原生孔，Q-13井，埋深3 453 m，鑄體薄片，正交光;f. 鐵方解石(箭頭處)交代方 解石(紅色)，粗大的方解石晶粒將孔隙完全充填，Q-13井，埋深3 564.5 m，鑄體薄片，正交光

最主要的膠結(jié)物是碳酸鹽礦物，多為白云石和鐵白云石(圖4c，e)，平均占全部膠結(jié)物的47.1%，局部可達86%；方解石和鐵方解石(圖4f)少量，平均占全部膠結(jié)物的4.1%，局部最大為69%。白云石膠結(jié)物共發(fā)育3期(圖4c)，第Ⅰ期以隱晶白云石的形態(tài)環(huán)繞顆粒分布；第Ⅱ期以隱晶白云石為基底，呈馬牙狀亮晶充填于顆粒之間；第Ⅲ期在第Ⅱ期亮晶白云石基礎上，呈晶粒狀向孔隙中央繼續(xù)生長。

利用中石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院的D/max-2500PC衍射儀，測試樣品的全巖礦物成分；利用中海油天津鉆采院實驗中心的PoroTM300 9903002及Low Perm-meter JS100005孔滲儀，測試樣品的孔隙度和滲透率。通過214個樣品的全巖分析結(jié)果，與相應的孔滲測試數(shù)據(jù)進行對比(圖5)，顯示儲層中隨著白云石含量的增加，孔隙度和滲透率增大；隨著方解石含量的增加，孔隙度和滲透率減小。在偏光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，白云石大多呈隱晶薄膜狀包裹碎屑顆?；蛏锼樾迹纬捎谕诤蜏释?。白云石膠結(jié)物發(fā)育的砂礫巖，一般分選很好，顆粒之間極少有泥晶或雜基，抗壓實作用比較強，有利于原生孔隙和白云石膠結(jié)物的保存。此外，白云石膠結(jié)物在埋藏過程中比方解石更易溶解[23-24]，也造成了富白云石膠結(jié)物在成巖期通過溶蝕作用改善儲層物性。

圖5 秦南凹陷沙一、二段儲層中不同類型碳酸鹽膠結(jié)物含量與儲層物性的關系Fig.5 Relationships between contents of various carbonate cements and reservoir physical properties in the Es1-2 of Qinnan Saga.樣品孔隙度隨方解石膠結(jié)物含量增加而降低;b.實測滲透率隨方解石膠結(jié)物含量增加而快速降低；c.實測孔隙度隨白云石膠結(jié)物含量增加 呈增大趨勢；d.實測滲透率隨白云石膠結(jié)物含量增加有增大趨勢

方解石膠結(jié)物晶粒普遍粗大，是在成巖階段交代了早期碎屑組分或充填于先期孔隙中形成的(圖4f)，是砂礫巖儲層致密的另一個主要因素。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是優(yōu)質(zhì)儲層形成的又一重要因素。通過280塊鑄體薄片分析，溶蝕作用主要表現(xiàn)為火山巖巖屑(圖6a—c)和碳酸鹽礦物(圖4c，e)的溶蝕，長石溶蝕次之，見少量的石英溶蝕(圖6d)。秦南凹陷沙三段、沙一、二段烴源巖較發(fā)育[17-18]，研究區(qū)沙一、二段扇三角洲砂礫巖儲層與烴源巖緊密相鄰，因此，烴源巖成熟后釋放的有機酸促進了溶蝕作用的發(fā)生。較多的高嶺石膠結(jié)物也是砂礫巖儲層經(jīng)歷過明顯酸性環(huán)境的重要標志(圖6e，f)。

前人研究表明[25]，有機酸進入儲層后，首先對火山巖巖屑中的長石和長石顆粒進行溶蝕，其次對碳酸鹽膠結(jié)物進行溶蝕。火山巖巖屑溶蝕后大多數(shù)形成鑄?？?，極大地改善了儲層的物性。另外，碳酸鹽膠結(jié)物尤其是白云石的溶蝕(圖4c，e)對儲層物性也具有重要改善作用。溶蝕作用是酸性流體進入砂礫巖孔隙后發(fā)生的，故而顆粒支撐的砂礫巖因壓實程度弱，顆粒之間原始孔隙保存較好，有利于流體率先進入發(fā)生較強的溶蝕作用。

4 成巖演化與優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育機理

4.1 成巖作用演化序列

利用自生礦物之間的交代和溶蝕-充填關系可以判斷成巖作用的先后順序[15-16]，建立成巖作用的演化序列。研究區(qū)沙一、二段砂礫巖骨架顆粒呈點接觸或線接觸(圖4b)，且大多數(shù)骨架顆粒周圍被泥晶包殼包裹，泥晶包殼上又發(fā)育2期馬牙狀碳酸鹽膠結(jié)物(圖4c，e)，表明顆粒早期被碳酸鹽膠結(jié)，其后遭受了持續(xù)的壓實作用。儲層在長石、火山巖巖屑發(fā)生溶蝕作用之后，再遭受碳酸鹽礦物的膠結(jié)，膠結(jié)物充填于粒內(nèi)溶蝕孔隙中；有時可見石英顆粒及次生加大邊的溶蝕，代表石英次生加大形成時間早于石英的溶蝕；碳酸鹽膠結(jié)物交代石英次生加大邊，則代表碳酸鹽膠結(jié)物形成晚于石英次生加大；黃鐵礦也能夠?qū)F白云石、(含鐵)方解石及碎屑顆粒發(fā)生交代。

圖6 秦南凹陷沙一、二段溶蝕作用Fig.6 Dissolution in the Es1-2 of Qinnan Saga.火山巖巖屑強烈溶蝕(箭頭處)，局部見鑄?？祝琎-12井，埋深3 406 m，鑄體薄片，單偏光；b.火山巖巖屑內(nèi)部及長石邊緣溶蝕作用強烈(箭頭處)，Q-13井，埋深3 672.5 m，鑄體薄片，單偏光；c.火山巖巖屑邊緣(紅色箭頭處)和生屑體腔強烈溶蝕(黃色箭頭處)，Q-12井，埋深3 331.5 m，鑄體薄片，單偏光；d. 石英顆粒邊緣溶蝕(箭頭處)，Q-13井，埋深3 611.5 m，鑄體薄片，正交光；e.高嶺石呈米粒狀充填于孔隙(箭頭處)，Q-13 井，埋深3 344.08 m，鑄體薄片，正交光；f.高嶺石呈書頁狀(箭頭處)充填于孔隙，Q-13井，埋深3 445 m，掃描電鏡

由此，研究區(qū)沙一、二段扇三角洲儲層的成巖作用順序為：隱晶白云石包殼—壓實作用/白云石膠結(jié)/方解石膠結(jié)—火山巖巖屑溶蝕/長石溶蝕/碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕/石英次生加大—鐵白云石膠結(jié)/(含鐵)方解石膠結(jié)—石英溶蝕—黃鐵礦膠結(jié)。

4.2 成巖環(huán)境演化

通過成巖作用階段分析和埋藏史-熱史進行恢復(圖7)，可以建立研究區(qū)沙一、二段的成巖期及其成巖環(huán)境演化過程。

沙一、二段沉積時期，秦南凹陷發(fā)育半咸水湖泊環(huán)境，波浪對碎屑顆粒及生物碎屑進行沖刷，使得顆粒間雜基被淘洗干凈，過飽和的碳酸鹽水體使得顆粒表面沉淀隱晶白云石包殼。后期埋藏過程中，地層流體在早期隱晶白云石包殼的基礎上，相對緩慢沉淀了第二期白云石膠結(jié)物。

距今12.5 Ma之前，沙一、二段埋深約為1 900 m，處于早成巖A、B期(圖7)，地層水呈堿性，除壓實作用以外，第3期白云石膠結(jié)物繼續(xù)發(fā)育。

距今12.5～1.2 Ma時，沙一、二段埋深為1 900～3 100 m，處于中成巖A期(圖7)，此期沙三段烴源巖已成熟和生、排烴[17-18]，生成的油氣沿斷層快速向上運移到沙一、二段富含螺屑、分選較好的砂礫巖儲層中，使得螺體腔孔為代表的原生孔隙大量保存。通過包裹體測溫發(fā)現(xiàn)，油氣開始充注的時間為8.6 Ma，大約在明下段沉積中期(圖7)。至2.6 Ma，由于斷裂活動進一步增強，油氣充注強度增大，注入的酸性流體增多，造成火山巖巖屑、長石、碳酸鹽膠結(jié)物均發(fā)生溶蝕，以及高嶺石膠結(jié)物和石英的次生加大。

距今1.2 Ma至今，沙一、二段埋深3 100～3 600 m，處于中成巖A期末(圖7)。因沙三段有機酸的脫羧作用，地層流體由酸性轉(zhuǎn)化為堿性，方解石膠結(jié)物開始大量充填，對已經(jīng)充注的油氣儲集空間形成封堵作用。由此造成現(xiàn)今部分儲層滲透率極差(圖2b)。在未進行酸化前，對研究區(qū)沙一、二段儲層經(jīng)過測試，日產(chǎn)原油僅0.8～20 m3，經(jīng)過酸化處理后，單井最大日產(chǎn)原油達1 000 m3以上。這也證實了該區(qū)儲層經(jīng)歷了先油氣充注、后被碳酸鹽膠結(jié)物充填封堵轉(zhuǎn)為致密的成巖過程。

對比研究表明，油層與干層的孔隙演化具有明顯的差異性，主要表現(xiàn)為干層的碳酸鹽膠結(jié)程度比油層強，說明油氣的充注對儲層的物性演化具有重要的影響。前人研究表明[15,26]，油氣的充注一方面提供一定量的有機酸，促進巖屑、長石以及碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕；另一方面抑制了礦物之間的交代與轉(zhuǎn)換作用，保護早期孔隙。

圖7 秦南凹陷Q-12井埋藏史-成巖演化序列Fig.7 Burial history-diagenetic evolution sequence of Well Q-12 in Qinnan Sag

5 結(jié)論

1) 研究區(qū)沙一、二段主要發(fā)育扇三角洲前緣的水下分流河道沉積，砂礫巖儲層具有典型的低孔低滲特點。但在3 330～3 400 m發(fā)育異常高孔隙帶，儲集空間以溶蝕孔和生物體腔孔為主。扇三角洲間歇性廢棄的水下分流河道經(jīng)波浪改造后，形成分選好、雜基少和一定量白云石膠結(jié)的含螺砂礫巖是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的巖性因素。

2) 成巖作用是砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的直接控制因素。早期地層流體呈堿性，儲層成巖作用以壓實作用和白云石膠結(jié)為主，儲層物性變差。距今12.5～1.2 Ma時，富含油氣的酸性流體充注，相對較容易滲入到分選較好、抗壓實程度強的含螺砂礫巖中，巖屑、長石、碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)生強烈溶蝕和石英少量次生加大。1.2 Ma至今，油氣充注能力減弱，地層流體呈堿性環(huán)境，強烈的方解石膠結(jié)造成現(xiàn)今沙一、二段儲層整體呈低孔低滲的特點。由于部分含螺砂礫巖儲層中有先期油氣大量賦存，孔隙才大量保留下來。

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