松遼盆地北部泉三、四段異常高孔隙帶預測

孟元林，丁桂霞，吳河勇，姜文亞，修洪文，李亞光，王又春，王正偉

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江大慶 163318;2.中國石油大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712;3.中國石油大港油田 勘探開發(fā)研究院，天津 300280;4.大慶油田第五采油廠，黑龍江大慶 163513;5.大慶油田 第八采油廠，黑龍江 大慶 166400)

松遼盆地北部泉三、四段異常高孔隙帶預測

孟元林1，丁桂霞1，吳河勇2，姜文亞3，修洪文2，李亞光2，王又春4，王正偉5

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江大慶 163318;2.中國石油大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712;3.中國石油大港油田 勘探開發(fā)研究院，天津 300280;4.大慶油田第五采油廠，黑龍江大慶 163513;5.大慶油田 第八采油廠，黑龍江 大慶 166400)

松遼盆地北部泉三、四段發(fā)育3個異常高孔隙帶，主要由有機酸溶蝕儲層形成。為預測次生孔隙發(fā)育帶的橫向展布，應用成巖作用數(shù)值模擬技術，對松遼盆地北部泉三、四段成巖階段和成巖相的展布進行研究，探討影響次生孔隙發(fā)育的地質因素并對異常高孔隙帶進行預測。結果表明:次生孔隙發(fā)育的儲層主要形成于曲流河、三角洲平原和三角洲前緣砂體，目前處于中成巖階段A1亞期，發(fā)育中期溶蝕成巖相;從盆地邊部到中心，早期壓實相、早期膠結相、早期溶蝕相、中期溶蝕相、晚期溶蝕相和晚期膠結相呈環(huán)帶狀展布，在縱向上相鄰的成巖相，在橫向上也相鄰，可稱之為“成巖相律”;泉三段Sq3異常高孔隙帶主要分布在中央坳陷周圍的邊緣地區(qū)。

次生孔隙;成巖作用;成巖相;沉積相;扶楊油層;松遼盆地

Bloch等［1］研究表明，4.0 km以下的深部儲層 仍可發(fā)育異常高孔隙帶，其成因主要有超壓、黏土包膜、油氣侵位和溶蝕作用等。中國國內常說的次生孔隙發(fā)育帶就是一種由溶蝕作用形成的異常高孔隙帶［2］，大部分次生孔隙是在原生孔隙的基礎上經(jīng)溶蝕作用形成的。在松遼盆地泉三、四段整體低孔、低滲儲層中存在著相對高孔、高滲的次生孔隙發(fā)育帶［3-4］，次生孔隙發(fā)育帶主要由有機酸的溶蝕作用形成，次生孔隙較發(fā)育的羊草、宋站、朝陽溝和長春嶺等油氣田均分布在深湖和半深湖相泥巖發(fā)育區(qū)的砂體中。但是，松遼盆地中央坳陷西部的古龍地區(qū)泉三、四段也發(fā)育暗色泥巖，儲層次生孔隙并不發(fā)育。因此，除沉積相之外，成巖作用對次生孔隙發(fā)育帶的形成與分布具有很強的控制作用。筆者試圖在研究泉三、四段儲層異常高孔隙帶縱向分布特征及其成因的基礎上，應用成巖作用數(shù)值模擬技術進行成巖階段預測和成巖相分析，結合沉積相的研究預測儲層異常高孔隙帶的分布。

1 地質概況

松遼盆地位于中國東北部，是一個大型中新生代沉積盆地，自下而上依次發(fā)育白堊系、古近系、新近系和第四系地層。白堊系厚度最大，是松遼盆地勘探開發(fā)的主要目的層段，自下而上分為火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1yc)、登婁庫組(K1d)、泉頭組(K1q)、青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)、四方臺組(K2s)和明水組(K2m)。盆地具有典型的下斷上坳雙層結構，早白堊世登婁庫沉積期之前為盆地的裂陷演化階段，泉頭期—嫩江期為盆地的坳陷演化階段，沉積了3套深湖、半深湖相泥巖與濱淺湖－河流相砂巖，形成了盆地的主要生、儲油層［3］。盆地內劃分了5個含油氣組合，扶余油層和楊大城子油層屬于下部組合，分別發(fā)育于泉頭組四段和泉頭組三段，簡稱扶、楊油層，其油源主要來自中央坳陷上覆青山口組泥巖。根據(jù)中淺層的構造和地層特征，結合深層構造和基底性質，將松遼盆地劃分為北部傾沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)和東南隆起區(qū)5個一級構造單元［3］(圖 1)。

2 儲層基本特征

泉三、四段是一套河流－湖泊－三角洲相紅色砂泥巖沉積。在泉三段內部進一步分為Q3-Sq1、Q3-Sq2、Q3-Sq3、Q3-Sq4、Q3-Sq5 5 個四級層序，泉四段分為 Q4-Sq1、Q4-Sq2、Q4-Sq3 3 個四級層序［3］。各四級層序的沉積特征具有相似性，從盆地邊部到中心，依次發(fā)育沖積扇、辮狀河、曲流河、三角洲平原、三角洲前緣和濱淺湖相。

圖1 松遼盆地北部構造單元劃分Fig.1 Structural units of northern Songliao Basin

碎屑巖儲層以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，粒度較細，主要為細砂巖和極細砂巖，分選程度差—中。松遼盆地北部泉三、四段1 108口井的薄片鏡下統(tǒng)計結果表明，石英碎屑顆粒、長石和巖屑的平均含量分別為28%、41%、31%;儲層的填隙物主要為方解石和泥質，其含量平均為16%。

由于埋深和成巖強度的差異，松遼盆地北部泉三、四段儲層物性在橫向上差異很大。中央坳陷區(qū)扶、楊油層埋藏較深，最大埋深超過2.5 km，目前已進入中成巖階段B期［5］，孔隙度平均為10.09%，滲透率平均為2.77×10－3μm2，屬于低孔特低滲儲層，但在東北隆起區(qū)和東南隆起區(qū)東部埋深較淺，只有幾百米，目前仍處于早成巖階段A期(表1)，孔隙度平均為21.54%，滲透率平均為 206.79×10－3μm2，總體上屬于中孔中滲儲層。

3 泉三、四段異常高孔隙帶分布與形成機制

3.1 異常高孔隙帶的分布

4100塊巖心的實測孔隙度、普通薄片和鑄體薄片資料表明，泉三、四段在縱向上發(fā)育3個異常高孔隙帶，其深度分別為 0.25～0.65、0.80～1.4、1.50～2.45 km(圖2)。第Ⅰ異常高孔隙帶很不發(fā)育，所對應的成巖階段為早成巖階段A期—早成巖階段B期，主要發(fā)育早期壓實相和早期膠結相;第Ⅱ異常高孔隙帶的孔隙度為19%～27%，對應的成巖作用階段主要為中成巖階段A1亞期，發(fā)育早期溶蝕相;第Ⅲ異常高孔隙帶的孔隙度為12% ～18%，對應著中成巖階段A2亞期，發(fā)育中期溶蝕相和晚期溶蝕相。

表1 泉三、四段成巖階段、成巖相劃分及主要標志Table 1 Division and main characteristics of diagenetic stage and diagenetic facies of K1q3and K1q4

圖2 泉三、四段成巖相剖面圖與高孔隙帶成因機制Fig.2 Diagenetic facies profile and genetic mechanism of anomalously high porosity zones of K1q3and K1q4

3.2 異常高孔隙帶的成因

3.2.1 成巖作用和成巖相

Bloch等［1］在全球范圍內的統(tǒng)計結果表明，異常高孔隙帶的成因主要有溶蝕作用、異常高壓、石英顆粒外部的黏土包殼、早期油氣注入。由于泉三、四段超壓不太發(fā)育，儲層的壓力系數(shù)一般小于1.2，石英顆粒外部的黏土包殼很少，油氣注入較晚，對異常高孔隙帶的形成意義不大［6-7］。由松遼盆地北部泉三、四段成巖相剖面與高孔隙帶成因機制分析圖(圖2)可見，泉三、四段異常高孔隙帶、地層水有機酸高值帶具有良好的對應關系，圖2中有機酸A的質量濃度是現(xiàn)今地層水中實測的有機酸質量濃度，即在現(xiàn)今地層水中的有機酸仍在溶蝕儲層，并形成次生孔隙。有機酸的質量濃度越高，溶蝕性越強，次生孔隙越發(fā)育，孔隙度就越高。因此，泉三、四段的異常高孔隙帶主要由有機酸對儲層的溶蝕作用形成。地層水中實測有機酸是有機酸與礦物反應后剩余的量，而有機酸剩余的量與消耗掉的量一般成正相關關系［8］。另外，有機酸溶蝕長石和方解石后，形成新的礦物。如果這些礦物被帶走，則形成次生孔隙;如果這些礦物原地沉淀下來，孔隙度變化不大?，F(xiàn)今的次生孔隙度實際上是溶蝕和沉淀綜合作用的結果。統(tǒng)計表明，松遼盆地北部不同構造單元泉三、四段有機酸溶蝕作用產生的次生孔隙度為1.88% ～7.43%［7］。

由圖2可見，地層水中有機酸的質量濃度與儲層所處的成巖階段和成巖相密切相關，處于不同成巖相的儲層，其地層水中有機酸的含量明顯不同。早期溶蝕相、中期溶蝕相和晚期溶蝕相地層水有機酸的平均質量濃度分別為292、383、237 mg/L，最高值分別為1728、2982、1485 mg/L。泉三、四段儲層159塊鑄體薄片的統(tǒng)計結果表明，不同成巖相次生孔隙的發(fā)育程度不同(圖3，其中N為樣品個數(shù))，溶蝕孔相對比例最高的是中期溶蝕相，其次為早期溶蝕相和晚期溶蝕相。

圖3 不同成巖相次生孔隙發(fā)育的相對比例Fig.3 Relative ratio of secondary porosity of different diagenetic facies

3.2.2 沉積相

次生孔隙的發(fā)育還與沉積相有關，泉三、四段已發(fā)現(xiàn)具有次生孔隙的砂體主要分布于曲流河以及三角洲前緣和三角洲平原的砂體中(圖4)。次生孔隙最發(fā)育的儲層發(fā)育于三角洲前緣亞相，主要是因為三角洲前緣的砂體處于河流－三角洲沉積體系的末端相，分選、磨圓較好，原始物性較好，有利于有機酸的進入和溶解物質的排出。因此，原始物性好的砂體次生孔隙更發(fā)育。在原生孔隙的基礎上有機酸進一步溶蝕儲層，形成粒間溶孔或溶蝕擴大孔等次生(混合)孔隙，使儲層孔隙度增高，從而形成異常高孔隙帶。另外，也有由膠結物溶蝕作用直接形成的次生孔隙，但泉三、四段的次生孔隙主要以長石顆粒溶蝕形成的次生孔隙為主，溶蝕擴大孔占多數(shù)。

圖4 不同沉積相次生孔隙發(fā)育的相對比例Fig.4 Relative ratio of secondary porosity of different sedimentary facies

4 成巖相預測

4.1 成巖相預測基本原理

成巖相是指成巖環(huán)境與成巖產物的綜合［9］。目前人們主要根據(jù)成巖環(huán)境和成巖作用類型劃分成巖相及其亞相［2，8］。不同的成巖階段具有不同的成巖環(huán)境和成巖作用類型，對應著不同的成巖相，因此通過成巖作用數(shù)值模擬和成巖階段預測，就可以在平面上預測成巖相的展布。

綜合考慮壓力、溫度、時間、流體性質對成巖作用的影響與控制［10］，選取對成巖階段劃分常用的且能夠定量化研究的成巖指標古地溫T、鏡質體反射率Ro、甾烷異構化指數(shù) IS(C29甾烷 w(S)/w(R+S))、伊、蒙混層中蒙皂石層的含量S、自生石英含量Vq，分別在時空領域內進行單項成巖作用的模擬［11-15］，并構造成巖指數(shù)ID，在盆地范圍內，由計算機自動劃分成巖階段，進行大尺度的成巖作用模擬:

式中，ID為成巖指數(shù);x，y，z為三維坐標;t為時間，Ma;a1、a2、a3、a4、a5為各成巖指標的權值，取值分別為 0.5、0.2、0.1、0.1、0.1，其總和為 1.0;RoB、TB、SB、ISB、VqB分別為這5項成巖參數(shù)在中成巖階段B期末的值，取值分別為2.00%、175℃、5%、0.56、15%(表1)。

將式(1)中 T、Ro、IS、S、Vq分別取各成巖階段末期的界限值，即可得到不同成巖階段對應的ID值(表1)。這樣就實現(xiàn)了碎屑巖成巖階段劃分的數(shù)值化。將早成巖階段到中成巖階段B期ID數(shù)值化為0～1.00。當ID≈0時，成巖作用剛剛開始;ID=1.00對應于中成巖階段B期的結束;當ID＞1.00時，進入晚成巖階段。

4.2 泉三段成巖相分析

首先以三維地震數(shù)據(jù)和鉆井資料為基礎，建立松遼盆地北部泉三、四段成巖演化數(shù)值模擬網(wǎng)絡，模擬點距為1 km×1 km，全面模擬松遼盆地北部泉三、四段的成巖演化史，分析成巖相的橫向變化規(guī)律。成巖作用數(shù)值模擬所需的輸入?yún)?shù)與盆地模擬所需的參數(shù)相似，主要包括地層的年代、厚度、巖性、礦物成分、剝蝕量、古地表溫度、古水深、巖石熱導率等，這些參數(shù)均取自前人的研究結果［3，16］。

限于篇幅，本文中僅以泉三段第三層序Q3-Sq3為例，分析成巖相的橫向變化規(guī)律(圖5)。由圖5可見，從盆地邊部到中心，隨埋深的增加，泉三段Sq3的成巖作用增強。成巖作用類型和成巖相發(fā)生有規(guī)律的變化，早期壓實相、早期膠結相、早期溶蝕相、中期溶蝕相、晚期溶蝕相和晚期膠結相呈環(huán)帶狀展布?？v向上相鄰的成巖相(圖2)，在平面上也相鄰，在此將這一規(guī)律稱之為“成巖相律”，類似于沃爾索的沉積相率［17］。在盆地邊部埋藏較淺的地區(qū)主要發(fā)育早期壓實相和早期膠結相(圖5)，成巖作用主要以機械壓實作用為主，次生孔隙不發(fā)育，第Ⅰ異常高孔隙帶發(fā)育不良(圖2)。在松遼盆地西部斜坡帶的東側、北部傾沒區(qū)的南側、東北隆起區(qū)和東南隆起區(qū)的西部以及中央坳陷區(qū)的外邊緣附近，泉三段Sq3主要處于中成巖階段A1亞期(0.34≤ID＜0.46)，泉三段Sq3進入早期溶蝕相，溶蝕作用增強，次生孔隙開始發(fā)育，形成了第Ⅱ異常高孔隙帶。隨埋深的增大，中央坳陷的外環(huán)部分地區(qū)開始進入中期溶蝕相，溶蝕作用強烈，次生孔隙大量發(fā)育，對應于第Ⅱ、Ⅲ高孔隙帶次生孔隙最發(fā)育的層段(圖2)。但是，在中央坳陷東部和中央坳陷西部中心的古龍地區(qū)和三肇地區(qū)，Q3-Sq3進入晚期溶蝕相(圖5)，烴源巖在達到生油高峰之后，有機酸生成量減少，溶蝕作用減弱，第Ⅲ高孔隙帶發(fā)育結束(圖2)。

圖5 松遼盆地北部泉三段Q3-Sq3成巖相預測Fig.5 Diagenetic facies prediction of Q3-Sq3 of northern Songliao Basin

在大慶長垣兩側的古龍凹陷和三肇凹陷中心，Q3-Sq3進入晚期膠結相后膠結作用占主導地位，孔隙類型以縮小粒間孔為主，儲層物性很差。

5 異常高孔隙帶預測

泉三、四段異常高孔隙帶主要受沉積相和成巖作用的控制，因此通過疊加沉積相圖和成巖相圖(圖6)就可以預測泉四段和泉三段的異常高孔隙帶。其中位于中期溶蝕相且有砂體發(fā)育的地區(qū)(非濱淺湖相)為異常高孔隙發(fā)育帶，而位于早期溶蝕相和晚期溶蝕相的砂巖分布區(qū)即為異常高孔隙較發(fā)育帶。

圖6 Q3-Sq3異常高孔隙帶預測Fig.6 Prediction anomalously high porosity zones of Q3-Sq3

由圖6可見，異常高孔隙發(fā)育帶主要發(fā)育于中央坳陷區(qū)的外邊緣附近，在0.46≤ID＜0.63的環(huán)形區(qū)域內，目前處于中期溶蝕相、且有三角洲平原和三角洲前緣砂體發(fā)育的地區(qū)，主要包括朝陽溝階地、長春嶺背斜帶、東北隆起帶南端的羊草和安達地區(qū)、中央坳陷區(qū)北段、北部傾沒區(qū)南段和西部斜坡區(qū)與中央坳陷區(qū)交界區(qū)附近。邢順洤等［4］發(fā)現(xiàn)的次生孔隙發(fā)育帶屬于其中的一部分。在異常高孔隙帶的內、外兩側分布有異常高孔隙較發(fā)育帶(圖6)，這些地區(qū)處于早期溶蝕相或晚期溶蝕相，且有三角洲平原、三角洲前緣以及河流相砂體發(fā)育。

6 結論

(1)泉三、四段在縱向上發(fā)育3個異常高孔隙帶，主要由溶蝕作用形成。次生孔隙主要發(fā)育于曲流河、三角洲平原和三角洲前緣砂體中，次生孔隙最發(fā)育的成巖相為中期溶蝕相，其次為早期溶蝕相和晚期溶蝕相。

(2)從盆地邊部到中心，早期壓實相、早期膠結相、早期溶蝕相、中期溶蝕相、晚期溶蝕相和晚期膠結相呈環(huán)帶狀展布，在縱向上相鄰的成巖相，在橫向上也相鄰，這一規(guī)律可稱之為“成巖相律”。

(3)通過疊合沉積相圖和成巖相圖可以預測異常高孔隙帶的平面分布，松遼盆地北部泉三段Q3-Sq3異常高孔隙帶主要發(fā)育于中央坳陷區(qū)的外邊界附近。

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Prediction of anomalously high porosity zones of K1q3and K1q4in northern Songliao Basin

MENG Yuan-lin1，DING Gui-xia1，WU He-yong2，JIANG Wen-ya3，XIU Hong-wen2，LI Ya-guang2，WANG You-chun4，WANG Zheng-wei5

(1.Earth Science Department，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China;2.Exploration＆ Development Research Institute of Daqing Oilfield，PetroChina，Daqing 163712，China;3.Exploration＆ Development Research Institute of Dagang Oilfield，PetroChina，Tianjin 300280，China;4.5th Oil Production Plant of Daqing Oilfield，Daqing 163513，China;5.8th Oil Production Plant of Daqing Oilfield，Daqing 166400，China)

There exist three anomalously high porosity zones vertically in the K1q3and K1q4of northern Songliao Basin.The anomalously high porosity zones were formed mainly by dissolution.In order to predict the lateral distribution of secondary porosity zones，the distributions of diagenetic stages and diagenetic facies were studied by numerical modeling，the geofactors affecting the secondary porosity developing were discussed and the anomalously high porosity zones were predicted.The results show that the anomalously high porosity zones are dominantly formed in the sandstones of meandering river，delta plain and delta front in the middle diagenetic stage A1period，and developed middle solution diagenetic facieses.From the basin edge to center，the early compaction facieses，early cementation facieses，early solution facieses，middle solution facieses，late solution facieses，late cementation facieses distributed in the ringlike pattern，and the diagenetic facieses adjacent to each other vertically are also neighboring laterally，which is called diagenetic law.The anomalously high porosity zones in the Sq3 are mainly located in the peripheral region of central depression of the basin.

secondary porosity;diagenesis;diagenetic facies;sedimentary facies;Fuyang oil layer;Songliao Basin

TE 122.2

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.002

1673-5005(2011)04-0008-06

2010－11－15

國家自然科學基金項目(40872076)

孟元林(1960－)，男(漢族)，山西忻州人，教授，博士，主要從事儲層與石油地質學研究。

(編輯 徐會永)