石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層特征及控制因素

李慧勇， 胡安文， 于海波， 黃 志， 李新琦

( 中海石油(中國)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459 )

0 引言

在研究與探討陡坡帶儲層特征、控制因素及預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層時(shí)，人們多側(cè)重于使用地球物理方法，重視沉積作用的影響而忽視成巖作用的影響[1-5]。如張順存等研究瑪北地區(qū)三疊系百口泉組陡坡帶砂礫巖儲層，認(rèn)為優(yōu)質(zhì)儲層主要受控于沉積作用，經(jīng)長時(shí)間水體淘洗的扇三角洲前緣水下分流河道是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)[1]；吳仕玖等研究潿西南凹陷斜陽斜坡帶流三段儲層，認(rèn)為“甜點(diǎn)”儲層主要分布于粒度粗、厚度大的弱壓實(shí)區(qū)[2]；孫靖等分析準(zhǔn)噶爾盆地深層致密儲層特征及主控因素，認(rèn)為儲層受沉積相帶、成巖作用和異常壓力影響，其中沉積相帶起主導(dǎo)作用[3]；王金鐸等利用地震高頻能量衰減檢測技術(shù)，預(yù)測車鎮(zhèn)凹陷北部陡坡帶砂礫巖儲層物性[4]。

渤海灣盆地石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段埋藏相對較淺，儲集砂體發(fā)育，是渤海灣盆地海域重點(diǎn)勘探層系之一[6-11]。人們對石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層特征及控制因素方面的研究較少，勘探實(shí)踐表明，成巖作用對石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層具有明顯影響，單一利用地球物理方法預(yù)測研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層的效果并不理想。筆者綜合利用薄片、掃描電鏡和壓汞數(shù)據(jù)等資料，分析研究區(qū)東營組三段儲層特征及控制因素，結(jié)合沉積及成巖因素預(yù)測有利儲層發(fā)育區(qū)，為研究區(qū)下一步油氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

石臼坨凸起位于渤海灣盆地海域北部，為受北部緩坡帶和南部石南邊界大斷層共同控制的東西向展布的凸起[6-9]，北接秦南凹陷，東、南與渤中凹陷相接，西鄰南堡凹陷。研究區(qū)位于石臼坨凸起西段陡坡帶，緊鄰石臼坨凸起上的億噸級南堡35-B油田(見圖1)。

圖1 石臼坨凸起西段陡坡帶區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional structual location of western steep slope zone in Shijiutuo uplift

新生代以來，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動和石南邊界斷層的影響，絕大部分研究區(qū)孔店組—沙河街組沉積期處于隆起狀態(tài)，進(jìn)入東營組沉積期才大面積接受沉積。研究區(qū)自下而上主要發(fā)育古近系東營組(Ed)、新近系館陶組(Ng)和明化鎮(zhèn)組(Nm)，以及第四系平原組(Qp);其中，東營組可劃分為東營組三段(Ed3)、東營組二段下亞段(Ed2L)、東營組二段上亞段(Ed2U)和東營組一段(Ed1)[8]。東營組三段主要發(fā)育扇三角洲沉積砂體[10-11]，橫向變化快，非均質(zhì)性強(qiáng)，沉積沉降中心靠近石南邊界斷層一側(cè)，厚度超過200 m；巖性主要為淺灰色、灰白色細(xì)砂巖和含礫細(xì)砂巖，間夾褐灰色、灰色泥巖。東營組三段是研究區(qū)主力含油層位，也是文中研究的重點(diǎn)層段。

2 儲層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

圖2 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段巖石類型及成分

根據(jù)研究區(qū)5口井的巖心薄片鑒定結(jié)果，以及SY/T 5368—2000《巖石薄片鑒定》[12]，研究區(qū)東營組三段儲集層巖石類型以巖屑長石砂巖為主，長石巖屑砂巖次之(見圖2)。碎屑組分中石英和長石體積分?jǐn)?shù)居多，其中石英體積分?jǐn)?shù)為17.0%～47.0%，平均為35.8%；長石平均體積分?jǐn)?shù)為36.3%，主要為斜長石和鉀長石，且鉀長石體積分?jǐn)?shù)明顯高于斜長石的；巖屑組分的體積分?jǐn)?shù)相對較少，平均體積分?jǐn)?shù)為27.5%，主要為酸性噴出巖巖屑和石英巖巖屑。砂巖成分成熟度較低，Q/(F+R)為0.20～0.80，平均為0.57。

膠結(jié)物主要為碳酸鹽礦物，最高體積分?jǐn)?shù)為46.0%，平均為8.8%，可見菱鐵礦、方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石。部分巖石樣品中可見高嶺石膠結(jié)，平均體積分?jǐn)?shù)為2.4%。極個(gè)別巖石樣品中還可見石英次生加大。此外，填隙物中可見泥質(zhì)雜基，最高體積分?jǐn)?shù)為18.0%，平均為4.6%。碎屑顆粒粒度分布范圍廣，呈粗、中、細(xì)粒分布，局部含有礫石。分選中等—差，磨圓多為次棱角、次圓—次棱角狀，顆粒以點(diǎn)、線接觸為主，膠結(jié)類型主要為顆粒支撐的孔隙式。

2.2 儲集空間類型

研究區(qū)79塊砂巖樣品薄片鑒定和掃描電鏡分析表明，研究區(qū)東營組三段儲層儲集空間類型包括原生粒間孔、溶蝕顆粒孔、溶蝕粒間孔和膠結(jié)物溶孔等，局部還可見微裂縫。主要儲集空間為原生粒間孔和溶蝕粒間孔，溶蝕顆?？状沃?，膠結(jié)物溶孔和裂縫發(fā)育較少。

2.2.1 原生孔隙

圖3 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段孔隙類型分布頻率Fig.3 Distribution of pore styles of Ed3 in western steep slope zone, Shijiutuo uplift

研究區(qū)東營組三段埋藏深度為2 400～3 200 m，一些砂巖儲層未經(jīng)歷強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)、膠結(jié)充填等成巖作用，原生粒間孔保存較好，約占總儲集空間的35.5%(見圖3)。原生粒間孔常見于分選磨圓較好的儲層(見圖4(a))。

2.2.2 次生孔隙

研究區(qū)次生孔隙發(fā)育，主要包括溶蝕顆?？缀腿芪g粒間孔。溶蝕顆?？字饕砷L石、巖屑等易溶顆粒的大部或局部溶蝕而成，鑄體薄片下可見顆粒被溶蝕成蜂窩狀(見圖4(b))，掃描電鏡下可見長石顆粒等被溶蝕成骨架狀(見圖4(c))，約占總儲集空間的20.1%。溶蝕粒間孔主要由長石顆粒邊緣及顆粒間雜基等溶蝕而成，顆粒邊緣常不規(guī)則，鑄體薄片下可見顆粒邊緣被溶蝕成港灣狀、鋸齒狀(見圖4(d))，占總儲集空間的42.9%。膠結(jié)物溶孔在研究區(qū)少見，約占總儲集空間的1.5%(見圖3)，主要為顆粒間膠結(jié)物被溶蝕而成，如菱鐵礦溶孔(見圖4(e))。

圖4 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段砂巖顯微照片F(xiàn)ig.4 Optical photomicrographs of sandstones of Ed3 in western steep slope zone, Shijiutuo uplift

圖5 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段典型壓汞曲線Fig.5 Typical mercury injection curves of Ed3 in western steep slope zone, Shijiutuo uplift

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

儲層孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石具有的孔隙和喉道幾何形狀、大小、分布及其相互連通關(guān)系，是決定儲層性能的根本因素[13-14]。根據(jù)斷陷盆地孔隙結(jié)構(gòu)分類方法[15]，研究區(qū)東營組三段儲層常見孔隙結(jié)構(gòu)類型為細(xì)喉較均勻型、細(xì)喉不均勻型和微喉不均勻型，局部可見較細(xì)喉不均勻型。壓汞曲線主要有a、b和c三種類型(見圖5)，其中a類代表細(xì)喉較均勻型，連通性好，孔喉分布均勻，是研究區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)中最好的一類；c類代表微喉不均勻型，連通性差，孔喉分布不均勻，是研究區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)中最差的一類；b類代表細(xì)喉不均勻型，孔隙結(jié)構(gòu)特征介于a類與c類。

壓汞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究區(qū)東營組三段儲層排驅(qū)壓力為0.031～0.417 MPa，平均為0.146 MPa，表明儲層滲透性較好[16]。孔喉半徑為0.204～7.460 μm，平均為2.501 μm，表明儲層以細(xì)喉為主，個(gè)別砂巖發(fā)育較細(xì)喉。均質(zhì)因數(shù)為0.113～0.461，平均為0.225，表明砂巖孔喉分選從不均勻型到均勻型發(fā)育，以不均勻型為主。

2.4 物性特征

研究區(qū)5口井156塊巖心物性資料統(tǒng)計(jì)分析表明(見圖6(a-b))，儲層孔隙度絕大部分小于25.0%，集中分布于10.0%～25.0%，平均孔隙度為15.5%；滲透率為(1.00～500.00)×10-3μm2，平均為49.00×10-3μm2。整體上，研究區(qū)儲層屬于中—低孔、低—特低滲儲層，物性一般。同時(shí)，儲層孔隙度和滲透率呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(見圖6(c))，滲透率隨孔隙度增大而升高，孔隙發(fā)育程度對滲透率具有明顯的控制作用。

圖6 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層物性分布直方圖和孔滲交會圖Fig.6 Physical property distribution column diagram and porosity-permeability cross plot of Ed3 in western steep slope zone, Shijiutuo uplift

3 儲層控制因素

3.1 沉積作用

沉積作用是影響儲層質(zhì)量的“先天因素”。它一方面控制砂體類型、宏觀展布和垂向期次等[17-20]；另一方面控制碎屑顆粒成分、結(jié)構(gòu)及泥質(zhì)含量等，決定儲層的原始物性，影響后期成巖作用類型與強(qiáng)度[21-24]。

東營組三段沉積期，研究區(qū)物源來自石臼坨凸起，主要發(fā)育扇三角洲沉積。研究區(qū)已鉆井主要分布于扇三角洲平原分流河道和扇三角洲前緣水下分流河道。緊鄰石南邊界大斷層發(fā)育的扇三角洲平原分流河道微相儲層物性，明顯劣于扇三角洲前緣水下分流河道微相的，如位于扇三角洲平原分流河道微相上的CFD6-4-D井平均孔隙度為10.8%，位于扇三角洲前緣水下分流河道微相上的CFD6-4-A和CFD6-4-B井平均孔隙度分別為15.9%和15.5%。沉積微相的水動力條件不同,距物源距離也不同，導(dǎo)致儲層碎屑顆粒的分選、粒度、磨圓等具有明顯差異性，同時(shí)也進(jìn)一步影響儲層物性。

首先，碎屑顆粒分選與沉積作用密切相關(guān)，主導(dǎo)儲層物性。根據(jù)Bread D C等提出的原始孔隙度計(jì)算公式[22]，研究區(qū)扇三角洲前緣水下分流河道微相分選較好的儲層原始孔隙度約為37.0%，扇三角洲平原分流河道微相分選差的儲層原始孔隙度約為27.0%。根據(jù)碎屑顆粒分選因數(shù)與儲層物性關(guān)系(見圖7)，分選性越好的儲層孔隙度和滲透率越高，且分選性對滲透率影響更顯著。

圖7 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層物性與分選因數(shù)關(guān)系

此外，反映沉積水動力和物源原始物質(zhì)大小的碎屑顆粒粒度對儲層物性也有一定控制作用。研究區(qū)中砂級別以下的儲層物性隨碎屑顆粒粒徑增大而變好；當(dāng)碎屑顆粒粒度中值大于0.5 mm時(shí)，儲層物性不隨碎屑顆粒粒徑增大而發(fā)生顯著變化(見圖8)。原因?yàn)殡S粒徑增大，儲層巖性逐漸由扇三角洲前緣水下分流河道微相分選較好的中、細(xì)砂巖，過渡為扇三角洲平原分流河道微相分選磨圓較差的砂礫巖、礫巖，雜基含量變高，儲層物性變差，碎屑顆粒粒徑對儲層物性的影響減弱。

圖8 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層物性與粒度中值關(guān)系

3.2 成巖作用

研究區(qū)東營組三段儲層經(jīng)歷的成巖作用主要為壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用，交代作用發(fā)育較少。壓實(shí)作用和膠結(jié)作用通過減少儲集空間而破壞儲層物性，屬于破壞性成巖作用；溶蝕作用能產(chǎn)生次生孔隙，改善儲層物性，屬于建設(shè)性成巖作用[25-29]。

3.2.1 壓實(shí)作用和膠結(jié)作用

壓實(shí)作用是破壞研究區(qū)儲層物性的主要因素。研究區(qū)東營組三段儲層埋藏深度差異不大，一般小于3 200 m，壓實(shí)程度中等。壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為：顆粒之間以點(diǎn)—線、線接觸為主，局部可見碎屑顆粒間點(diǎn)接觸和剛性顆粒壓實(shí)破裂而形成微裂縫。根據(jù)鑄體薄片面孔率統(tǒng)計(jì)資料及Housknecht D W等建立的壓實(shí)和膠結(jié)相對作用概念[30]，研究區(qū)被壓實(shí)作用消除的原始孔隙度在50%以上。

膠結(jié)作用是破壞研究區(qū)儲層物性的次要因素。研究區(qū)膠結(jié)物主要為碳酸鹽類和自生黏土礦物。其中碳酸鹽類膠結(jié)物主要為菱鐵礦、白云石和鐵白云石，常呈星斑狀、斑塊狀或團(tuán)塊狀等不均勻充填于孔隙之間，白云石體積分?jǐn)?shù)為1.0%～9.0%，鐵白云石和菱鐵礦體積分?jǐn)?shù)相對較高，分別為1.0%～14.0%和1.0%～12.0%，局部可見方解石膠結(jié)，但體積分?jǐn)?shù)相對較低，一般小于4.0%。碳酸鹽類膠結(jié)物一方面將碎屑顆粒固結(jié)起來，堵塞儲層孔隙，破壞儲層物性；另一方面也為后期溶蝕作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)可見碳酸鹽膠結(jié)物溶孔，增加儲層儲集空間。高嶺石是研究區(qū)最主要的黏土膠結(jié)物，體積分?jǐn)?shù)為1.0%～5.0%，常呈小米粒狀分布于粒間，極易降低儲層孔隙度和滲透率。東營組三段膠結(jié)物破壞儲層儲集性能，儲層物性與膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，高膠結(jié)物深度段儲層物性變差。

3.2.2 溶蝕作用和交代作用

長石顆粒和雜基是主要的溶蝕對象，膠結(jié)物溶蝕次之。碎屑顆粒邊緣常被溶蝕成港灣狀、鋸齒狀或整個(gè)顆粒被溶蝕成蜂窩狀(見圖4(b、d))。研究區(qū)東營組三段儲層溶蝕孔隙發(fā)育，處于次生孔隙發(fā)育帶(見圖9)。這與有機(jī)酸溶蝕作用密切相關(guān)，隨埋藏深度增大、地溫升高，泥巖中有機(jī)質(zhì)脫羧生油氣的同時(shí)生成有機(jī)酸和CO2，它們?nèi)苡谒纬伤嵝粤黧w，進(jìn)入儲層而溶蝕長石、巖屑等易溶組分，形成溶蝕孔隙，溶蝕面孔率增大，改善儲層物性[31]。

圖9 石臼坨凸起西段陡坡帶有機(jī)質(zhì)熱演化與孔隙度剖面

研究區(qū)交代作用發(fā)育程度低，僅在局部見菱鐵礦呈斑塊狀交代碎屑顆粒(見圖4(e))或鐵白云石交代白云石顆粒，對儲層物性改善效果有限。

3.2.3 成巖相

根據(jù)鏡質(zhì)組反射率、孢粉顏色、X線衍射和薄片鑒定等分析結(jié)果，參照SY/T 5477—2003《碎屑巖成巖階段劃分》[32]，研究區(qū)新生界成巖階段可劃分為早成巖和中成巖階段，其中東營組三段主要處于中成巖階段A1期((2 500±100)～(3 400±100)m)和中成巖階段A2期(大于(3 400±100)m)(見表1)。成巖相是成巖環(huán)境和成巖產(chǎn)物的綜合，主要依據(jù)成巖環(huán)境和成巖作用類型劃分成巖相；成巖階段不同，成巖環(huán)境和成巖作用也不同[33]。根據(jù)渤海灣盆地新生界成巖階段和成巖相的對應(yīng)關(guān)系[33-34]，在成巖作用和成巖階段劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實(shí)測成巖參數(shù)，利用文獻(xiàn)[35]中成巖作用數(shù)值模擬和成巖相預(yù)測技術(shù)，可進(jìn)一步劃分成巖相(見表1)。中成巖階段A1期，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入低成熟階段；生烴過程中，生成大量有機(jī)酸和CO2，產(chǎn)酸能力強(qiáng)，儲層中鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物易被溶蝕，形成次生孔隙發(fā)育帶，發(fā)育早期溶蝕相。中成巖階段A2期，有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟階段，有機(jī)酸生成量減少，儲層溶蝕作用減弱、膠結(jié)作用增強(qiáng)，主要發(fā)育中期溶蝕相。

表1 石臼坨凸起西段陡坡帶新生界儲集層成巖特征

圖10 石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段有利儲層分布

研究區(qū)扇三角洲平原亞相主要處于早期溶蝕成巖相帶，扇三角洲前緣亞相處于早期溶蝕和中期溶蝕成巖相帶(見圖10)。物性資料顯示，同一沉積微相在不同成巖相帶的儲層物性具有一定差異，早期溶蝕相的儲層物性優(yōu)于中期溶蝕相的。如位于早期溶蝕相帶上的CFD6-4-A和CFD6-4-B井孔隙度分別為7.2%～20.5%和7.0%～32.0%，平均孔隙度分別為15.9%、15.5%；位于中期溶蝕相帶上的CFD6-4-C井孔隙度為2.0%～18.8%，平均孔隙度為11.9%，表明成巖相對儲層物性具有明顯影響。

4 有利儲層預(yù)測

儲層質(zhì)量主要受沉積作用和成巖作用控制，可通過疊合沉積相圖和成巖相圖預(yù)測有利儲層展布(見圖10)。研究區(qū)東營組三段有利儲層發(fā)育區(qū)為扇三角洲前緣水下分流河道微相與早期溶蝕相帶的疊合區(qū)。原因?yàn)榀B合區(qū)儲層經(jīng)歷一定距離的搬運(yùn)，碎屑顆粒分選磨圓較好，雜基含量相對較低，儲層原始物性較好；后期處于次生孔隙發(fā)育帶，經(jīng)歷溶蝕作用，儲層物性得到改善。儲層實(shí)測物性和測井解釋資料進(jìn)一步證實(shí)預(yù)測結(jié)果。目前，儲層物性相對較好的井(如CFD6-4-A和CFD6-4-B井)處于預(yù)測區(qū)域，包括已發(fā)現(xiàn)的工業(yè)油流井。在有利儲層發(fā)育區(qū)外，扇三角洲平原分流河道微相和早期溶蝕相疊合區(qū)，以及扇三角洲前緣水下分流河道微相和中期溶蝕成巖相帶疊合區(qū)的儲層物性相對較差。

5 結(jié)論

(1)石臼坨凸起西段陡坡帶東營組三段儲層巖石類型主要為巖屑長石砂巖，其次為長石巖屑砂巖，成分成熟度較低，填隙物以碳酸鹽膠結(jié)物為主。碎屑顆粒分選中等—差，呈次棱角、次圓—次棱角狀，點(diǎn)、線接觸，孔隙式膠結(jié)。

(2)研究區(qū)儲層儲集空間類型主要為原生粒間孔和溶蝕粒間孔，溶蝕顆?？状沃z結(jié)物溶孔少量；具有細(xì)喉、不均勻型、分選性一般的孔隙結(jié)構(gòu)特征?？紫抖燃蟹植加?0.0%～25.0%，平均為15.5%，滲透率主要為(1.00～500.00)×10-3μm2，平均為49.00×10-3μm2，整體表現(xiàn)為中—低孔、低—特低滲特征，儲層物性一般。

(3)研究區(qū)儲層物性主要受沉積作用和成巖作用綜合影響。巖石分選性主導(dǎo)儲層物性，隨碎屑顆粒分選性變好，儲層孔隙度和滲透率增加；碎屑顆粒粒度對儲層物性也有一定影響，中砂級別以下儲層物性隨碎屑顆粒粒徑增大而變好。壓實(shí)作用是儲層物性受損的主要因素，被壓實(shí)作用消除的原始孔隙度在50%以上；膠結(jié)作用通過堵塞儲層孔隙破壞儲層物性，是儲層物性受損的次要因素；溶蝕作用形成次生孔隙，在一定程度上改善儲層物性；同一沉積微相在早期溶蝕相帶的儲層物性要優(yōu)于中期溶蝕相帶的。

(4)研究區(qū)有利儲層位于扇三角洲前緣水下分流河道微相與早期溶蝕相帶的疊合區(qū)。