斷陷盆地深層優(yōu)質(zhì)碎屑巖儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)理
——以渤海灣盆地饒陽凹陷為例

金鳳鳴，張凱遜 ，王權(quán)，牛新杰，于作剛，白國平，趙璇

（1.中國石油大港油田公司，天津 300280；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；4.中國石油華北油田公司，河北任丘 062552；5.渤海鉆探第二錄井公司，河北任丘 062552）

0 引言

深層油氣勘探面臨的一個(gè)重要問題是儲(chǔ)集層孔隙的發(fā)育機(jī)理[1-3]。渤海灣盆地饒陽凹陷深層（埋深超過3 500 m，古地溫超過100 ℃）仍普遍發(fā)育有效儲(chǔ)集層，目前亟需闡明儲(chǔ)集層成因機(jī)制與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層形成與分布控制因素[4-5]。前人針對(duì)深層優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)集層的成因機(jī)理取得諸多認(rèn)識(shí)[6-17]，如東營凹陷深層儲(chǔ)集層形成過程中，砂巖厚度對(duì)于儲(chǔ)集層物性有至關(guān)重要的影響，而長石等不穩(wěn)定礦物的溶蝕作用會(huì)導(dǎo)致礦物再次分配從而形成微孔，造成滲透率下降，影響儲(chǔ)集層物性[6]。在研究優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的成因機(jī)理時(shí)，不能僅考慮溶蝕作用增加孔隙度、改善儲(chǔ)集層物性這一單一因素，應(yīng)對(duì)多種因素及其綜合控制效應(yīng)進(jìn)行研究。

本文選取饒陽凹陷古近系沙河街組三段現(xiàn)今埋深超過3 500 m、古地溫大于100 ℃的砂巖儲(chǔ)集層為研究對(duì)象，對(duì)研究區(qū)內(nèi)25口取心井193件樣品進(jìn)行普通薄片鑒定，精選其中典型樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察、X-射線衍射分析、陰極發(fā)光測試與物性測試，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)分析研究區(qū)古近系砂巖成巖作用，揭示深部儲(chǔ)集層低孔低滲背景下優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)集層的形成機(jī)理與主控因素。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

位于渤海灣盆地西部的冀中坳陷是中、新生代沉積坳陷。冀中坳陷可劃分出12個(gè)凹陷和7個(gè)凸起。其中，饒陽凹陷位于冀中坳陷中部（見圖1），凹陷內(nèi)普遍發(fā)育北北東向大型正斷層[18-20]。

圖1 研究區(qū)位置及地層柱狀圖

2 深層儲(chǔ)集層巖石學(xué)及儲(chǔ)集空間特征

2.1 巖石學(xué)特征

饒陽凹陷沙河街組三段砂巖巖性主要為巖屑長石砂巖及長石砂巖，成分成熟度高，而結(jié)構(gòu)成熟度中等。其巖石礦物組成包括石英（含量平均值為46.50%）、長石（含量平均值為38.24%）和少量巖屑（含量平均值為15.26%），粒度以細(xì)砂、中砂為主，顆粒之間主要為點(diǎn)—線接觸，分選性中等—好，磨圓類型以次圓狀為主，多呈孔隙式膠結(jié)。填隙物中，雜基含量為1.33%～21.67%（見圖2a），平均值為3.23%，成分以黏土礦物為主。膠結(jié)物含量變化較大，為1.63%～38.37%，類型以碳酸鹽（見圖 2b—圖 2c）、硅質(zhì)（石英加大及自形石英，見圖2c—圖2d）和次生黏土礦物為主。黏土礦物類型以伊利石為主（見圖 2d—2f），可見少量伊蒙混層（見圖 2g），粒間孔隙內(nèi)可見高嶺石充填（見圖 2h），部分樣品中可見綠泥石（見圖2i）。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)部分黏土礦物以環(huán)邊或薄膜形態(tài)發(fā)育于顆粒表面，而大部分黏土礦物形態(tài)以充填孔隙為主（見圖2d—2i）。

研究區(qū)沙三段砂巖儲(chǔ)集層目前處于中成巖階段 A期[21-24]，先后經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用的綜合改造。

2.2 儲(chǔ)集層物性特征

圖2 饒陽凹陷古近系沙三段儲(chǔ)集層成巖礦物照片

巖心樣品的物性分析結(jié)果表明，饒陽凹陷古近系沙三段砂巖孔隙度與滲透率變化范圍較大，總體表現(xiàn)為低孔低滲（孔隙度小于15%），儲(chǔ)集層非均質(zhì)特征顯著?？紫抖葹?5.00%～25.00%的中孔儲(chǔ)集層占9.11%，孔隙度為10.00%～15.00%的低孔儲(chǔ)集層占55.86%，孔隙度為5.00%～10.00%的特低孔儲(chǔ)集層占24.75%，孔隙度小于5%的超低孔儲(chǔ)集層占10.13%，總體上以低孔和特低孔儲(chǔ)集層為主。滲透率變化范圍較大，為（0.01～267.00）×10-3μm2，平均值為 9.60×10-3μm2，滲透率為（50.00～500.00）×10-3μm2的中滲儲(chǔ)集層占 3.37%，滲透率為（10～50）×10-3μm2的低滲儲(chǔ)集層占15.84%，滲透率為（1～10）×10-3μm2的特低滲儲(chǔ)集層占 39.30%，小于 1.00×10-3μm2的超低滲儲(chǔ)集層占33.00%，孔滲相關(guān)性較好。

2.3 孔隙類型

在饒陽凹陷深層儲(chǔ)集層中，可見原生孔隙（見圖3a—圖 3b）、次生孔隙（見圖 3c—圖 3g）及少量微裂縫（見圖3h）。

次生溶蝕孔隙（長石以及巖屑溶蝕）以粒內(nèi)溶孔及粒間溶孔為主，此外，還可見少量的填隙物溶解孔隙。研究區(qū)粒內(nèi)和粒間溶孔是主要的儲(chǔ)集空間，長石和巖屑的溶蝕是次生孔隙形成的主要因素，可見鑄模孔（見圖3e）。高孔隙度區(qū)域可見瀝青充填（見圖3i），主要發(fā)育于石英次生加大與石英顆粒之間，部分炭質(zhì)瀝青發(fā)育于自形石英顆粒表面，該現(xiàn)象為發(fā)生兩期油氣運(yùn)移或儲(chǔ)集的直接證據(jù)[21-22]。

圖3 饒陽凹陷深層儲(chǔ)集層空間特征照片

3 饒陽凹陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)理

隨著埋藏深度的增加，深層儲(chǔ)集層演化特征及物性分布特征也愈發(fā)復(fù)雜，研究深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的發(fā)育機(jī)理為分析有利儲(chǔ)集層的發(fā)育規(guī)律提供依據(jù)[23-24]。饒陽凹陷砂巖樣品的巖心物性實(shí)測數(shù)據(jù)表明，沙河街組總體上發(fā)育2個(gè)異常高孔隙帶，深度分別為3 500～3 700 m、4 000～4 100 m（見圖4a）。這些異常高孔隙帶的出現(xiàn)，主要是成巖作用垂向差異演化所致。綜合前人研究成果[11,13,15,18-19,25]，結(jié)合饒陽凹陷油氣勘探實(shí)踐，認(rèn)為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層主要受早期地層超壓、早期油氣充注、巖石原始組分與結(jié)構(gòu)成熟度、成巖作用等多因素控制。

3.1 超壓作用對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的控制

饒陽凹陷深層儲(chǔ)集層以弱—中超壓為主，局部層段發(fā)育強(qiáng)超壓[25-26]。異常高壓表現(xiàn)出由中部向外部減弱的趨勢。異常高壓有利于減緩上覆地層壓力對(duì)孔隙的破壞，因而儲(chǔ)集層物性與地層壓力之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系（見圖4a—圖4b）。

饒陽凹陷深部儲(chǔ)集層（埋深大于3 500 m）普遍為常壓—超壓，超過一半（樣品數(shù)為92）的儲(chǔ)集層發(fā)育超壓（壓力系數(shù)大于1.1）（見圖4c）。3 300 m以深的儲(chǔ)集體不僅普遍發(fā)育超壓，而且此深度范圍內(nèi)同時(shí)也發(fā)育多個(gè)異常高的孔隙發(fā)育帶（見圖4a）。饒陽凹陷儲(chǔ)集層超壓的成因主要?dú)w結(jié)于快速沉積導(dǎo)致的欠壓實(shí)作用，該凹陷古近紀(jì)的沉積速率達(dá)到140 m/Ma，新近紀(jì)的沉積速率為129 m/Ma，到第四紀(jì)沉積時(shí)期沉積速率甚至可達(dá)260 m/Ma[25-26]，較高的沉積速率可導(dǎo)致欠壓實(shí)作用的發(fā)生，形成異常高壓，從而減緩壓實(shí)作用，保護(hù)孔隙。

2018年11月29日，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)“應(yīng)急救援特種防護(hù)材料關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”、“復(fù)雜環(huán)境工程搶險(xiǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范”和“社會(huì)化應(yīng)急服務(wù)體系關(guān)鍵技術(shù)研究”等三個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)暨實(shí)施方案論證會(huì)在北京召開。范維澄院士、國家減災(zāi)委專家委副主任閃淳昌等項(xiàng)目咨詢專家組、科技部社發(fā)司、中國21世紀(jì)議程管理中心、國資委綜合局、工信部運(yùn)行局、應(yīng)急管理部科信司及項(xiàng)目參與單位代表、項(xiàng)目骨干等200余人參加了會(huì)議。

圖4 饒陽凹陷南部深層儲(chǔ)集層物性分布與地層壓力分布

薄片分析表明，壓實(shí)作用對(duì)研究區(qū)孔隙的破壞最強(qiáng)（見圖5）。因此部分壓實(shí)作用較弱的層段即為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育段。異常高壓保存了原生孔隙，并為后期溶蝕作用創(chuàng)造條件。異常高壓欠發(fā)育區(qū)壓實(shí)作用較強(qiáng)，顆粒間普遍呈凹凸接觸，原生孔隙保存較差，后期溶蝕改造也不明顯（見圖5a）。欠壓實(shí)作用導(dǎo)致饒陽凹陷中部洼槽普遍存在早期異常高壓，異常高壓的存在抑制了壓實(shí)作用，使得原生孔隙得到一定程度的保存，有利于后期的有機(jī)酸等酸性流體對(duì)儲(chǔ)集層的溶蝕改造（見圖5b）。

3.2 早期油氣充注對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的控制

早期油氣充注一方面使得含水飽和度降低，使膠結(jié)作用所需的離子供給困難，延緩膠結(jié)作用的發(fā)生；另一方面使得巖石從水潤濕變?yōu)橛蜐櫇瘢瑸楹笃谟蜌獾脑俅纬渥⑻峁┍憷ǖ繹27]。

饒陽凹陷沙三段砂巖發(fā)育2期瀝青質(zhì)，第1期發(fā)育于石英次生加大與石英顆粒之間，第 2期發(fā)育于自形石英顆粒內(nèi)部及表面，由此表明研究區(qū)發(fā)生 2期油氣充注。與含烴包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度的測量結(jié)果（見圖6）也表明研究區(qū)存在2期較為明顯的烴類流體活動(dòng)過程，第 1期包裹體均一溫度峰值為100 ℃，第2期包裹體均一溫度峰值為120 ℃，與地層埋深的加大以及烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)。

圖5 饒陽凹陷異常高壓發(fā)育帶內(nèi)和欠發(fā)育區(qū)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)鑄體薄片

圖6 饒陽凹陷沙三段鹽水包裹體均一溫度直方圖

根據(jù)渤海灣盆地的古熱流值及相關(guān)巖石熱導(dǎo)率參數(shù)[28-31]，同時(shí)測量了留 425井現(xiàn)今井底溫度，并以留101井參數(shù)為基準(zhǔn)，建立饒陽凹陷成巖演化模式圖（見圖 7）。

饒陽凹陷儲(chǔ)集體內(nèi)碎屑顆粒在同生—準(zhǔn)同生早期未受到成巖作用改造，主要為點(diǎn)-懸浮接觸，隨后發(fā)育綠泥石包殼、早期碳酸鹽膠結(jié)（見圖 7a—圖 7b），以泥晶、亮晶方解石為主的碳酸鹽膠結(jié)物充填原生孔隙（見圖2b）；隨著埋深的增加，壓實(shí)作用不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致儲(chǔ)集層孔隙減少，顆粒主要為點(diǎn)-線接觸（見圖7c）；由于超壓作用和剛性顆粒的支撐作用，部分原生孔隙得到了保留，同時(shí)有機(jī)質(zhì)生成并排出大量有機(jī)酸，有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)集體導(dǎo)致長石顆粒沿解理縫發(fā)生大規(guī)模的溶蝕（見圖7d），部分溶解物質(zhì)以高嶺石的形式沉淀于原生孔隙及長石溶孔中，同時(shí)局部出現(xiàn)石英次生加大（見圖2d）。

第 1期油氣充注部分炭質(zhì)瀝青填充于石英次生加大邊或原生孔隙表面（見圖3i）。該過程中，由于斷層活動(dòng)，帶來富含鐵鎂離子的流體，導(dǎo)致研究區(qū)普遍出現(xiàn)晚期鐵白云石膠結(jié)，該期碳酸鹽膠結(jié)物充填原生孔隙及長石溶孔（見圖2e）。最后，研究區(qū)發(fā)生了第2期油氣充注，部分炭質(zhì)瀝青填充于自形石英顆粒表面或裂縫中（見圖3h）。

饒陽凹陷沙河街組第 1期油氣充注主要集中在距今27 Ma左右，屬于早期充注。第2期油氣充注主要集中在距今 3 Ma之內(nèi)。前述炭質(zhì)瀝青（見圖3h、圖3i）顯示，第1期流體活動(dòng)期間可能發(fā)生了規(guī)模性油氣充注，降低了含水飽和度，使得膠結(jié)作用暫時(shí)停止，保護(hù)了孔隙。反之，當(dāng)孔隙內(nèi)未被油氣充注時(shí)，鐵方解石及鐵白云石等晚期膠結(jié)作用堵塞了大量的孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)集層致密化（見圖7e）。早期油氣的充注對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的發(fā)育起明顯控制作用，因此早期油氣充注是控制饒陽凹陷深層有效儲(chǔ)集層的因素之一。

3.3 巖石原始組分和結(jié)構(gòu)對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的控制

3.3.1 巖石原始組分

儲(chǔ)集層物性受巖石原始組分約束，一般剛性的石英含量較高時(shí)，巖石抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，抗壓實(shí)作用使得減孔效應(yīng)減弱，從而使得原生孔得到保存；而當(dāng)以塑性碎屑或雜基為主時(shí)，壓實(shí)作用使得減孔效應(yīng)加強(qiáng)，從而導(dǎo)致儲(chǔ)集層物性變差（見圖8a）。

3.3.2 分選與磨圓

隨分選系數(shù)的增大，儲(chǔ)集層的抗壓實(shí)能力變?nèi)酰ㄒ妶D8b），表明研究區(qū)儲(chǔ)集體抗壓實(shí)能力還受控于原始組分與分選性。深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)與預(yù)測需考慮碎屑組分（石英含量）和結(jié)構(gòu)（分選與磨圓等），這樣有助于多種優(yōu)勢因素疊加，從而達(dá)到預(yù)測有利區(qū)的目的。

圖7 饒陽凹陷沙河街組砂巖成巖演化序列和孔隙演化模式圖

圖8 巖石原始組分與結(jié)構(gòu)分異圖（樣品數(shù)為298個(gè)）

3.4 成巖改造作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的控制

成巖作用直接控制深層儲(chǔ)集層物性的優(yōu)劣[32]。其中壓實(shí)作用是減孔的最主要因素，不同成巖時(shí)期發(fā)育的膠結(jié)作用使儲(chǔ)集層致密化，而溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)集層主要起建設(shè)性作用[33]。

3.4.1 壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響

研究區(qū)深層儲(chǔ)集層具有埋藏深度大、埋藏速度快的特征。由于距物源較近，巖石中剛性組分含量較低，增強(qiáng)了壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)集層致密化的影響。通過儲(chǔ)集層壓實(shí)和膠結(jié)作用減孔率圖版[34]（見圖9），可知壓實(shí)作用導(dǎo)致的減孔率可達(dá) 25%～70%，因此壓實(shí)減孔應(yīng)該被視作本區(qū)孔隙減少的主要因素，抗壓實(shí)就成為饒陽凹陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育的先決條件。

圖9 饒陽凹陷減孔率交會(huì)圖[32]

3.4.2 膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響

不同時(shí)期的膠結(jié)物對(duì)孔隙均表現(xiàn)出破壞作用，特別是晚期碳酸鹽膠結(jié)物的形成更是導(dǎo)致儲(chǔ)集層致密化的重要因素。以細(xì)—粗晶顆粒賦存于粒間孔隙的碳酸鹽膠結(jié)物（方解石、白云石和鐵白云石）會(huì)明顯破壞儲(chǔ)集層原生、次生孔隙。沙河街組碳酸鹽膠結(jié)物可劃分為3期：第1期為早期泥晶方解石，以基底式膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)為主。第 2期為中—粗晶白云石或含鐵白云石。隨著成巖演化過程的進(jìn)行，早期方解石溶解，同時(shí)硅質(zhì)礦物沉淀，之后隨著地層水向堿性轉(zhuǎn)變，新的粗晶白云石、鐵白云石礦物沉淀并占據(jù)了早期方解石溶蝕形成的孔隙。第 3期主要為孔隙式膠結(jié)的晚期鐵白云石，常強(qiáng)烈交代巖石骨架顆粒。晚期膠結(jié)作用的發(fā)育決定現(xiàn)今儲(chǔ)集層的物性，由于有機(jī)酸的充注往往早于晚期膠結(jié)物的膠結(jié)，使得晚期膠結(jié)物難以被溶蝕改造。另外，晚期膠結(jié)物往往充填于狹小的孔隙喉道間，將大大降低儲(chǔ)集層的滲透率。饒陽凹陷膠結(jié)作用減孔率可達(dá) 25%～75%（見圖 9）。可見饒陽凹陷膠結(jié)作用是儲(chǔ)集層致密化的關(guān)鍵因素。

3.4.3 溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響

沙河街組三段儲(chǔ)集層溶蝕現(xiàn)象較為普遍，成巖演化中期的烴源巖成熟之后的酸性流體充注是促進(jìn)溶蝕作用發(fā)生的主要因素（見圖 2、圖 3）。由于殘余原生孔隙可以為溶蝕流體提供通道，進(jìn)而促進(jìn)次生溶蝕孔隙的發(fā)育，所以原生孔隙的保存對(duì)次生溶蝕孔隙的發(fā)育也有一定促進(jìn)作用。

鏡下薄片和掃描電鏡觀察表明，饒陽凹陷早期大氣淡水淋濾沿解理溶蝕長石，并形成高嶺石，之后高嶺石在埋藏過程中逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石。包裹體測溫等顯示饒陽凹陷深層地層溫度主要處于95～130 ℃（見圖 6）。有機(jī)酸的酸性在溫度相對(duì)較低時(shí)可有效保持，而隨溫度上升，有機(jī)酸分解為 CO2，富 CO2地層水可繼續(xù)保持酸性和溶解能力，使得溶蝕增孔作用得以持續(xù)發(fā)生。

4 結(jié)論

饒陽凹陷古近系深層（埋深超過3 500 m）儲(chǔ)集層以碎屑巖為主，主要為灰色、灰白色的中、細(xì)粒巖屑長石砂巖及長石砂巖。儲(chǔ)集層以低孔低滲型為主?？紫额愋椭饕獮榱?nèi)溶孔、粒間溶孔、殘余原生孔隙，以次生孔隙為主。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的形成主要受超壓作用、較高的成分成熟度與中等的結(jié)構(gòu)成熟度、早期油氣充注和溶蝕作用的控制。超壓作用對(duì)壓實(shí)作用的抑制，以及沉積作用控制下的粗粒高成分成熟度、中等結(jié)構(gòu)成熟度砂體有利于孔隙保存；油氣充注抑制膠結(jié)作用，保護(hù)孔隙；有機(jī)酸的充注導(dǎo)致次生孔隙的形成，因而改善儲(chǔ)集層物性。

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