細粒相沉積地質特征與致密油勘探
——以渤海灣盆地滄東凹陷孔店組二段為例

蒲秀剛，周立宏，韓文中,，周建生，王文革，張偉，陳世悅，時戰(zhàn)楠，柳颯（. 中國石油大港油田公司；. 中國石油大學（華東））

細粒相沉積地質特征與致密油勘探

——以渤海灣盆地滄東凹陷孔店組二段為例

蒲秀剛1，周立宏1，韓文中1,2，周建生1，王文革1，張偉1，陳世悅2，時戰(zhàn)楠1，柳颯1
（1. 中國石油大港油田公司；2. 中國石油大學（華東））

摘要：以渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組二段湖盆中部細粒相區(qū)600多米連續(xù)整體取心、上萬塊次系統(tǒng)分析聯測及配套測錄井資料為基礎，運用傳統(tǒng)石油地質學、沉積巖石學及致密油氣形成新理論新方法，對孔二段細粒相區(qū)沉積特征進行了研究。結果表明，滄東凹陷孔二段是孔店組最大湖泛期的沉積，半深湖—深湖亞相細粒沉積分布較廣，主要發(fā)育細粒長英沉積巖類、細粒混合沉積巖類及白云巖類，而黏土巖類不發(fā)育，細粒巖類具有“巖石成分多，優(yōu)勢礦物少；碎屑礦物多，黏土礦物少；方沸石多，黃鐵礦少；脆性礦物多，石英含量少；巖石類型多，油頁巖少；致密儲集層多，無裂縫的少；優(yōu)質烴源巖多，非烴源巖少；高頻旋回多，單一沉積少”等特點。這些認識更新了以往關于陸相閉塞湖盆中部僅以“泥頁巖”烴源巖沉積為主的觀點。在地質認識指導及配套工程工藝技術的支撐下多口探井獲工業(yè)油流，展示了陸相湖盆細粒相區(qū)致密油勘探的良好前景。圖9參19

關鍵詞：細粒沉積；細粒相；致密油；地質特征；勘探前景；滄東凹陷；渤海灣盆地

0　引言

隨著全球非常規(guī)油氣勘探的興起，國內外學者對于細粒沉積的研究也取得了重要進展[1-8]。滄東凹陷為渤海灣盆地黃驊坳陷南側的次級凹陷，凹陷中部古近系孔店組二段（Ek2）細粒相區(qū)油氣顯示非常普遍，個別井已達工業(yè)油流級別。為深入認識凹陷中部細粒相區(qū)的地質特征與致密油分布規(guī)律，針對孔二段烴源巖區(qū)的細粒沉積巖進行了3口井共計640 m的整體取心和分析聯測，獲得了系統(tǒng)的實物資料和測試數據。本文在此基礎上，對滄東凹陷中部孔二段細粒沉積巖的巖性、烴源巖特性、脆性等地質特性進行了細化研究，以期為滄東凹陷孔二段細粒相區(qū)致密油勘探的進一步突破提供認識基礎。

1　研究區(qū)地質背景

滄東凹陷為渤海灣盆地黃驊坳陷的一個次級構造單元，夾持于滄縣隆起、徐黑凸起及孔店凸起之間，是在區(qū)域性拉張背景下發(fā)育的一個新生代陸內斷陷湖盆[9-11]（見圖1）。

滄東凹陷在孔二段沉積時期為一內陸封閉湖盆，沉積了一套以暗色泥頁巖為主，夾薄—中層粉砂巖、中細砂巖及泥質云巖的沉積建造，厚400～600 m，分布穩(wěn)定。環(huán)湖發(fā)育10個三角洲沉積朵葉體，沉積相自湖盆邊部至湖盆中心具有規(guī)律性變化，發(fā)育3個沉積環(huán)帶，分別為：①外環(huán)A區(qū)，以中細砂巖為主的常規(guī)砂巖發(fā)育帶，主體發(fā)育三角洲前緣亞相；②中環(huán)B區(qū)，以致密細砂巖、致密粉砂巖以及灰質白云巖為主的巖性過渡帶，主體發(fā)育三角洲前緣遠端、重力流及云灰灣沉積；③內環(huán)C區(qū)，由泥級長英（長石+石英）質碎屑、碳酸鹽礦物、黏土等組成的細粒沉積巖發(fā)育區(qū)，為主力烴源巖發(fā)育區(qū)，中環(huán)B與內環(huán)C區(qū)共同構成了滄東凹陷孔二段的致密相區(qū)（見圖1）。

滄東凹陷孔二段為一完整的三級層序（SQEk2），為孔店組最大湖泛期沉積，從下至上可細分為4個四級層序為低位體系域，主要為三角洲前緣沉積，巖性組合以灰色細砂巖與灰色泥巖組合為主，局部地區(qū)可見紅色泥巖。為湖侵體系域，沉積了一套半深湖相細粒沉積，其頂面是孔店組的最大湖泛面，巖心觀察證實為一厚約30 cm的黑色—深灰色高TOC泥頁巖。為高位體系域，下部以白云巖及細?；旌铣练e巖為主，夾薄層細粒長英沉積巖，隨著基準面下降，上部則沉積一套淺湖相泥巖，頂部見三角洲前緣薄層砂體。

2　實驗數據與細粒相區(qū)巖性定名

近年在細粒相區(qū)對GX-A井、GD-A井、GD-C井3口井進行了系統(tǒng)取心，累計取心長640 m，其中位于孔西斜坡區(qū)的GX-A井針對孔二段整個三級層序連續(xù)取心500 m，位于南皮斜坡低部位的GD-A井和GD-C井分別針對和兩個四級層序共計取心140余米。系統(tǒng)開展了巖心普光、熒光連續(xù)掃描，巖心厘米級描述，巖性（薄片及X射線衍射分析）、物性、烴源巖特性、含油性、脆性、敏感性與工程特性等8個大項52個單項的分析聯測（見圖2）。

3　細粒相區(qū)地質特征

3.1巖石礦物成分總體分布

X射線衍射分析表明（見圖2），細粒沉積巖礦物組成復雜，由石英、斜長石、鉀長石、方解石、白云石、黏土、黃鐵礦、方沸石等8種主要礦物組成，各種主要礦物成分含量一般均小于30%，石英+長石等長英質平均含量33.2%，方解石+白云石等碳酸鹽礦物平均含量為34.7%，方沸石平均含量為14.4%，黏土礦物平均含量為13.0%，因此，整體上除結晶分異較好的白云巖（厚度占比10%左右）及常規(guī)粗粒砂巖外，其他混合巖性無優(yōu)勢礦物成分。

3.2碎屑礦物與黏土礦物分布

統(tǒng)計表明，細粒沉積巖中石英、長石等碎屑礦物含量較高而黏土礦物含量較低。巖心可見細砂或粉砂呈團塊狀或層狀分布（見圖3a），薄片下多見砂屑呈紋層狀或混染狀分布（見圖3b）。GX-A井孔二段830塊薄片觀察表明，陸源碎屑目測含量經驗值平均為18.4%，含量大于20%樣品占41%；而932塊薄片X射線衍射分析表明，石英與長石礦物含量之和平均高達31%。由于碎屑物源輸入強度較高，位于南皮斜坡的GD-A井和GD-C井孔二段細粒陸源碎屑含量高達50%以上。

圖1　滄東凹陷構造簡圖與孔二段沉積體系

一般認為，黏土礦物是泥巖（pelitic rock）的主要組成礦物[13-15]。本次樣品X射線衍射分析發(fā)現，孔二段黏土礦物含量較低，平均含量僅為13.0%，說明雖然巖心目測觀察確定為泥頁巖（泥質巖），但并非主要由黏土礦物組成，而是個由多種礦物組成的混合沉積，非嚴格意義上的泥巖，將這種“混合沉積”稱為“泥狀巖（泥狀泥巖、泥狀頁巖）”更為合適，因為這類巖石主要由粒徑小于0.003 9 mm、包含大量泥級碎屑在內的多種礦物組成，而黏土礦物含量一般小于15%，即使應用前述3類主要礦物歸一化含量命名，也遠達不到黏土礦物含量超過50%的黏土巖的范圍。

圖3　滄東凹陷孔二段細粒沉積巖中砂屑特征

3.3方沸石與黃鐵礦含量

方沸石常見、含量較高是該區(qū)細粒沉積巖的另一重要特征。GX-A井孔二段X射線衍射分析表明，除孔二段下部三角洲前緣相常規(guī)砂巖外，近500 m系統(tǒng)取心中有450 m均含有方沸石，其含量為5.0%～59.0%，平均為13.5%，高位體系域SQEk21方沸石含量總體較高，平均達19.4%（見圖2）。從巖性看，泥頁巖中方沸石平均含量為24.2%，明顯大于白云巖類（14.0%）。較高方沸石含量不僅提高了致密儲集層的脆性，也為油氣提供了儲集空間，尤其是當方沸石以粒狀形態(tài)集中分布或微裂縫、溶蝕孔洞及生物體腔孔等被結晶方沸石而非鈣質或泥質充填時（見圖4a），如泥頁巖中成層或團塊狀分布的粒狀方沸石往往形成大量粒間微孔隙，是一類非常重要的儲集層，有利于油氣的近距離優(yōu)先充注，多見熒光顯示（見圖4b）。黃鐵礦多形成于強還原環(huán)境，巖心中可見其呈分散狀、薄層狀或團塊狀分布，裂縫與孔洞中最為常見，鏡下多為放射狀、球粒狀，主要分布在深灰色泥頁巖中，X射線衍射分析孔二段黃鐵礦平均含量為0.82%。

圖4　滄東凹陷孔二段細粒沉積巖中方沸石特征

3.4脆性礦物與石英含量

脆性礦物含量越多，巖石脆性越強，在外力作用下越易于形成裂縫，越有利于泥頁巖的壓裂改造，石英即是最為重要的脆性礦物[4]，隨著體積壓裂等工藝技術的進步，碳酸鹽礦物、方沸石等亦可視為脆性礦物。從孔西斜坡GX-A井孔二段X射線衍射分析數據看（見圖2），該井孔二段廣義脆性礦物（石英、長石、碳酸鹽巖礦物等）含量高，平均為82.5%，而經典脆性礦物石英含量平均僅為16.0%。南皮斜坡GD-A井和GD-C井孔二段廣義脆性礦物含量分別達94%與91%。以往認為主要由黏土礦物組成的“泥頁巖”脆性礦物含量不高，但目前看來，方沸石、碳酸鹽與陸源碎屑脆性亦較高，具有較好的壓裂改造潛力。

3.5巖石類型

巖心觀察表明，細粒沉積巖顏色有灰黑色、灰色、綠灰色、灰褐色等；沉積構造以紋層狀和塊狀為主，紋層可區(qū)分為細紋層、中紋層、粗紋層。根據碎屑、泥質、云質含量及顏色、沉積構造等特征，可目測識別出泥頁巖、白云巖、砂巖和混合過渡巖等4大類13 類30小類巖石。利用普通薄片鏡下觀察鑒定細粒沉積巖巖性難于常規(guī)粗粒砂巖，其復雜性表現在非均質性較強，不同視域下巖性往往不同，同時方沸石的存在及呈零星散狀分布的粉砂都增加了薄片準確鑒定與巖性描述的難度。依據X射線衍射分析，可將巖石劃分為4大類12小類，主要發(fā)育細粒長英沉積巖類、細?；旌铣练e巖類及白云巖類，占比分別為40%、37%和23%，黏土巖類不發(fā)育（需注意的是，由于X射線衍射分析前需碎樣，所以不能排除紋層狀黏土巖存在的可能性）。

研究區(qū)油頁巖顏色以深灰—灰黑色為主，頁理發(fā)育，顯微鏡下可見有機質和礦物質薄層交替組成紋層（見圖5a），有機質在熒光顯微鏡下多見熒光顯示（見圖5b）。顯微有機組分主要為各種藻類、孢子或礦物瀝青質。油頁巖具有明顯的高聲波、低密度、中高中子的測井響應特點。根據2006年全國油頁巖資源評價的定義[13]，油頁巖的含油率應大于3.5%，對應TOC值一般大于6%，GX-A井500 m取心段屬于上述定義范疇的油頁巖累計厚度僅為80.2 m，僅占該井除去上、下砂巖段總厚度的19%。這與前人認識及巖屑錄井存在累計數百米油頁巖的觀點明顯不同。雖然油頁巖累計厚度不到100 m，但其各項地化指標值均較高：TOC值最大達12.9%，平均為8.0%，S1值最大為8.1 mg/g，平均為2.0 mg/g，S1+S2值最大為73 mg/g，平均為45 mg/g，因此，本區(qū)雖然油頁巖規(guī)模較小，但由于其產烴率較高，依然是重要的烴源巖區(qū)。

圖5　孔西斜坡GX-A井典型油頁巖鏡下特征

3.6致密儲集層特征

細粒相區(qū)主要儲集層類型有白云巖類、雜砂巖及細粒長英沉積巖與細?；旌铣练e巖。主要的儲集層是白云巖類，其平均地面基質孔隙度、滲透率（含天然微裂縫）分別為5.8%、0.4×10-3μm2，但其單層厚度較薄，平均僅0.12 m，主要分布在底部、中下部（見圖2）；另一類儲集層是區(qū)域性發(fā)育的塊狀重力流混雜砂巖，如GX-A井頂部2 994～3 017 m稱之為上砂巖的一套沉積，整段砂巖包裹于半深湖相深色細粒沉積巖之中，具有重力流沉積的典型特征[16-18]，其平均孔隙度、滲透率分別為8.3% 與0.28×10-3μm2，分布面積可達363 km2，勘探已證實其具有工業(yè)產能；細粒長英沉積巖、細?；旌铣练e巖是烴源巖，平均孔隙度僅為3.2%，但滲透率可達0.3×10-3μm2，顯然，相對較高的滲透率從側面印證了這類細粒巖微裂縫較發(fā)育，也可視為致密儲集層，該類儲集層為典型的自生自儲型，儲集空間主要為呈紋層狀分布的白云石和方沸石晶間孔，石英及長石溶蝕孔與粒間孔，低角度層理縫、高角度微裂縫等，該類源儲共存的細粒巖累計層厚可達300余米，在滄東凹陷分布面積達600 km2。

受較高的脆性礦物含量和構造作用影響，致密儲集層裂縫較發(fā)育，主要有構造縫、層間縫、異常壓力縫和差異壓實縫4種類型。以SQEk21為例，孔西斜坡GX-A井地層厚度73.4 m，巖心見裂縫246條，平均密度為3.35條/m；南皮斜坡GD-A井地層厚度68.4 m，見裂縫173條，平均密度為2.53條/m。當然，對于不同深度或地區(qū)，隨著巖性及構造應力的變化，裂縫發(fā)育的密度和類型也會不同。

3.7優(yōu)質烴源巖發(fā)育特征

研究區(qū)烴源巖品質優(yōu)，累計厚度大，非烴源巖很少。統(tǒng)計表明，孔西斜坡GX-A井整個細粒段的TOC值一般為0.4%～8.0%，平均為3.2%；S1值一般為0.03～2.00 mg/g，平均為1.00 mg/g；S1+S2值一般為0.1～50.0 mg/g，平均為19.4 mg/g。烴源巖熱演化程度適中，Ro值平均為0.8%，最高可達1.3%。烴源巖特性明顯受巖性控制，按照X射線衍射分析結果進行分類的細粒長英沉積巖類TOC及S1+S2指標最高（見圖6），是該區(qū)最好的烴源巖，其次為細?；旌铣练e巖，為好—很好烴源巖，而白云巖類及砂巖（主要為泥質粉砂巖）也具有一定的生烴潛力，分別達到好烴源巖、中等—差烴源巖級別，同時作為儲集層游離烴含量最高?？梢娫搮^(qū)孔二段除砂巖外，均為較好的烴源巖，累計厚度可達350余米，占整個孔二段地層厚度的約70%。

圖6　GX-A井不同巖性TOC含量（1 042塊樣品）

3.8高頻旋回特征

整體上，隨著湖平面的不斷進退，縱向上發(fā)育4個四級旋回10個五級旋回，多種巖石類型縱向上頻繁互層。巖心觀察及X射線衍射巖性分析表明，孔西斜坡GX-A井孔二段細粒長英沉積巖類發(fā)育159.1 m/615層，層厚平均為0.26 m；細?；旌铣练e巖類發(fā)育149 m/682層，層厚平均為0.22 m；白云巖類發(fā)育93.6 m/779層，層厚平均僅為0.12 m。以GX-A井3 188～3 208 m為例（見圖7），巖心精細描述136層，平均層厚0.15 m，結合聲波、密度、中子測井曲線特征，該段發(fā)育多達17個沉積旋回。這種成分與巖石類型差異主要是古氣候、古物源、古湖泊等因素的相互作用導致的。據前人研究[19]，天文周期引發(fā)的氣候變化是控制高頻旋回沉積作用的主要機制，古氣候變化通過控制古湖平面、湖水分層性以及陸源碎屑物質、有機質、碳酸鹽、黏土之間的沉積比例進一步控制沉積巖發(fā)育和類型。

4　測井巖性識別

在關鍵井巖性-電性關系研究基礎上，進行測井巖性識別是進行平面巖性分布規(guī)律研究的關鍵。針對該區(qū)以常規(guī)測井系列為主的實際情況，在大量薄片觀察與X射線衍射分析綜合判別巖性及數據歸位的基礎上，建立了以聲波、中子、密度等常規(guī)測井資料與巖性之間的關系（見圖8）。初步研究表明，常規(guī)測井可將細粒長英沉積巖-混合沉積巖大類與白云巖類及常規(guī)砂巖類區(qū)分開，而細粒長英沉積巖與混合沉積巖類目前應用常規(guī)測井資料尚無法區(qū)分，暫時統(tǒng)稱為泥狀巖。泥狀巖鈣質含量3%～44%，平均17.9%，TOC值為5.2%～12.5%，平均7.8%；白云巖類鈣質含量40%～80%，平均54%，TOC值為0.27%～2.47%，平均為0.9%。

5　細粒相區(qū)致密油勘探發(fā)現

圖7　GX-A井孔二段3 188～3 208 m多類巖性旋回特征（ρ—密度）

圖8　GX-A井巖性-電性關系圖

圖9　滄東凹陷南皮斜坡重點探井致密油層綜合對比圖（剖面位置見圖1）

6　結論

研究表明，滄東凹陷孔二段斜坡低部位湖盆中部細粒沉積巖具有“巖石成分多，優(yōu)勢礦物少；碎屑礦物多，黏土礦物少；方沸石多，黃鐵礦少；脆性礦物多，石英含量少；巖石類型多，油頁巖少；致密儲集層多，無裂縫的少；優(yōu)質烴源巖多，非烴源巖少；高頻旋回多，單一沉積少”等特點。泥頁巖中方沸石的首次發(fā)現具有重要意義，較高的方沸石含量為泥頁巖生成的油氣提供了儲集空間，同時作為一種脆性礦物使得后期“泥頁巖”改造開發(fā)成為可能。烴源巖區(qū)不僅發(fā)育厚層優(yōu)質烴源巖，而且發(fā)育白云巖類、泥狀巖及重力流砂巖等儲集層，源儲互層或一體，有利于烴類的近距離充注，甚至富集成藏（“甜點”），勘探實踐業(yè)已展示了該區(qū)孔二段致密油勘探的良好前景。

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（編輯黃昌武）

Geologic features of fine-grained facies sedimentation and tight oil exploration: A case from the second Member of Paleogene Kongdian Formation of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

PU Xiugang1, ZHOU Lihong1, HAN Wenzhong1,2, ZHOU Jiansheng1, WANG Wen’ge1, ZHANG Wei1, CHEN Shiyue2, SHI Zhannan1, LIU Sa1
(1. PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280, China; 2. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract:Based on analysis of successive and whole cores over six hundred meters from the second Member of Kongdian Formation (Kong 2 Member) of fine-grained facies zone in central lake basin of Cangdong sag, ten thousands of systematic and joint analysis data, and the matching logging data, the sedimentary characteristics in the fine-grained facies zone is examined by means of traditional petroleum geology, sedimentology, and new theory and method of tight oil and gas generation. The Kong 2 Member is the sedimentation during the maximum lake flooding in the Kongdian Formation. Fine-grained sedimentation of half-deep lake to deep lake are widely distributed, the fine-grained feldspar-quartz contained sedimentary rock, fine-grained mixed sedimentary rock, and dolomite are developed, and the clay rock is poorly developed. The fine-grained rocks have these features as follows: more rock compositions, less advantageous minerals; more debris minerals, less clay minerals; more analcites, less pyrites; more brittle minerals, less quartz; more rock types, less oil shale; more tight reservoirs with less non-cracked reservoirs; more high-quality source rocks, less non-source rocks; more high-frequency cycle sediments, less single sediments. These understandings updated the former view that only mud shale source rock was dominantly developed in the closed continental lake. With the help of geologic research and matched engineering technologies, several exploration wells have produced industrial oil flows, showing a good prospect of tight oil exploration in fine-grained facies zones of continental lacustrine basins.

Key words:fine-grained sediment; fine-grained facies; tight oil; geologic features; exploration prospect; Cangdong sag; Bohai Bay Basin

基金項目：中國石油科技重大專項“大港油區(qū)大油氣田勘探開發(fā)關鍵技術研究”（2014E-06）

中圖分類號：TE122.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0747(2016)01-0024-10

DOI:10.11698/PED.2016.01.03

第一作者簡介：蒲秀剛（1968-），男，四川閬中人，博士，中國石油大港油田公司高級工程師，主要從事沉積學、儲集層地質學綜合研究和油氣勘探方面的工作。地址：天津市濱海新區(qū)大港油田幸福路1278號，大港油田公司勘探開發(fā)研究院實驗中心S709，郵政編碼：300280。E-mail: puxgang@petrochina.com.cn

收稿日期：2015-01-16修回日期：2015-11-06