渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段紅層有利儲層成因機制

孟 濤

(中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015)

“紅層”是指在陸相沉積環(huán)境中形成的偏紅色調(diào)的碎屑沉積[1-2]，紅層作為斷陷盆地早期充填的碎屑巖，有利儲層分布規(guī)律復(fù)雜[3-7]。濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段廣泛分布一套紅層沉積，由于埋藏深、鉆探成本高，一直未引起足夠重視。隨著近年來中淺層勘探程度的逐步提高[8-9]，中淺層優(yōu)質(zhì)儲量發(fā)現(xiàn)難度增大，紅層作為接替層系逐漸成為勘探重點[10]。近幾年的勘探實踐表明，濟陽坳陷沙四下亞段紅層中蘊藏著豐富的油氣資源，特別是渤南洼陷L68井區(qū)獲得高產(chǎn)工業(yè)油流后，推動了整個濟陽坳陷紅層的勘探開發(fā)進程。但隨著后續(xù)鉆探的跟進，鉆遇紅層的大部分探井都難以獲得工業(yè)油流，造成探井失利的關(guān)鍵因素之一便是有利儲層發(fā)育規(guī)律認識不清。由于紅層儲層經(jīng)歷了較長時期的沉積和成巖改造作用，原生孔隙保留機制、次生孔隙演化規(guī)律等不清，致使缺乏紅層有利儲層分布規(guī)律的系統(tǒng)認識，制約了紅層的勘探。本文以渤南洼陷沙四下亞段紅層為研究對象，從儲層特征分析入手，開展紅層儲集空間演化規(guī)律研究，指出有利儲層成因類型并預(yù)測有利儲層分布，以期為該區(qū)紅層油氣勘探指明方向。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷位于濟陽坳陷東北部，是沾化凹陷面積最大的次級洼陷，具有北斷南超、東西雙斷的特點[8]；北以埕南斷層與埕東凸起相隔，西以義東斷層與義和莊凸起相連，西南、東南與邵家洼陷和三合村洼陷相鄰，向南以緩坡過渡到陳家莊凸起，面積約800 km2(圖1)。渤南洼陷自下而上主要發(fā)育古生界、中生界、新生界。新生界發(fā)育齊全，分布廣泛，是油氣勘探的主力層系，自下而上包括古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系平原組。研究層段沙四下亞段隸屬于沙河街組四段，為二級層序的高位域沉積(圖2)，與沙四上亞段之間為不整合接觸，總體上屬于干旱氣候條件下的氧化到半氧化—半還原沉積環(huán)境。沙四下亞段泥巖主要為紅色，受剝蝕區(qū)母巖性質(zhì)影響，由洼陷邊緣到洼陷依次發(fā)育灰色砂礫巖、中—細砂巖、粉砂巖夾雜紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖等；砂礫巖單層厚度一般3～10m，以細礫巖為主，砂巖主要分布在斜坡帶和洼陷帶，單層厚度1～5 m[8]。

圖1 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷區(qū)域位置

2 紅層儲層特征

2.1 沉積特征

渤南洼陷沙四下亞段沉積期，南部的陳家莊凸起、北部的埕東凸起、東部的孤島凸起皆為洼陷提供物源，西部的義和莊凸起輸入物源相對較少[10-13]。沉積期古氣候干熱[14]，只在北部洼陷帶發(fā)育小范圍湖盆，其余地區(qū)均為水上暴露環(huán)境。研究區(qū)南部在陳家莊凸起物源區(qū)影響下，主要形成沖積扇—辮狀河道—辮狀河三角洲及湖泊沉積體系；東部、西部及北部分別在孤島凸起、義和莊凸起及埕東凸起物源區(qū)控制下，形成扇三角洲—湖泊沉積體系(圖2)。

2.2 儲層巖石學(xué)特征

巖心觀察和薄片鑒定結(jié)果表明，渤南洼陷沙四下亞段儲層巖性主要為中細砂巖，盆緣有砂礫巖發(fā)育。砂巖類型以巖屑長石砂巖為主，次為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖。隨著距物源區(qū)距離增加，在經(jīng)歷了較長距離搬運后，沉積物成分成熟度逐漸升高。近物源的沖積扇、扇三角洲以巖屑砂巖為主，石英體積分數(shù)一般小于50%，長石體積分數(shù)小于20%，而巖屑體積分數(shù)普遍大于50%；遠物源的辮狀河沉積則以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，石英、長石體積分數(shù)分別為40%～60%和20%～50%，巖屑體積分數(shù)普遍小于50%；距物源最遠的辮狀河三角洲則以巖屑長石砂巖為主，石英體積分數(shù)為40%～60%，長石體積分數(shù)普遍在50%左右，巖屑體積分數(shù)小于50%(圖3)?？傮w上，渤南洼陷沙四下亞段不同沉積相類型的成分成熟度差異較大，辮狀河三角洲成分成熟度最好，辮狀河沉積次之，沖積扇和扇三角洲沉積最差。

圖2 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段沉積相與綜合柱狀圖

2.3 儲集空間類型及物性特征

巖石鑄體薄片觀察表明，渤南洼陷沙四下亞段儲層儲集空間主要包括殘留原生孔隙、次生溶蝕孔隙及少量裂縫。原生孔隙主要為剛性顆粒支撐下的殘留粒間孔隙(圖4a，b)，還存在石英次生加大邊后的殘余孔隙(圖4c,d)以及綠泥石環(huán)邊膠結(jié)后的殘余孔隙(圖4e)；次生孔隙主要由酸性流體溶蝕碳酸鹽巖膠結(jié)物、長石、巖屑形成的粒間和粒內(nèi)溶蝕孔隙(圖4f-i)；此外還有少量的粒緣縫和破裂縫存在(圖4f,j)。研究區(qū)沖積扇成因儲集體是原生孔隙最為發(fā)育的儲集類型，平均孔隙度和滲透率分別為11.81%和9.54×10-3μm2；辮狀河成因儲集體主要以次生孔隙為主，存在部分原生孔隙，平均孔隙度和滲透率分別為8.16%和7.21×10-3μm2；辮狀河三角洲成因儲集體則以次生孔隙為主，平均孔隙度和滲透率分別為7.94%和2.26×10-3μm2；扇三角洲成因儲集體整體較為致密，存在少量次生孔隙，平均孔隙度和滲透率分別為3.55%和0.18×10-3μm2(表1)?？傮w上，渤南洼陷沙四下亞段儲層孔隙度主要介于5%～10%，此外存在較多10%～15%樣品點(圖5a)，滲透率主要介于(0.1～5)×10-3μm2，存在部分滲透率大于5×10-3μm2的樣品點(圖5b)；儲層較為致密，屬特低孔特低滲儲層，也存在部分低孔低滲儲層。

圖3 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段砂巖儲層分類三角圖

綜上所述，研究區(qū)儲層物性較好的3種沉積相類型分別為沖積扇、辮狀河及辮狀河三角洲。沖積扇儲集體位于南部洼陷邊緣，埋深較淺，儲集空間主要為原生孔隙；辮狀河及辮狀河三角洲儲集體主要位于緩坡帶和洼陷帶，埋深中等至偏深，原生孔隙在壓實作用下衰減較快，儲集空間以次生孔隙為主(圖6)。北部陡坡帶發(fā)育的扇三角洲屬于近源沉積，成分成熟度低且埋深較大，儲集空間以次生孔隙為主，總體物性偏差(圖6)。

圖4 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段紅層儲集空間類型及成巖現(xiàn)象

a.原生孔隙發(fā)育，孔隙空間被黑色有機質(zhì)充填，義193，2 941.41 m，單偏光；b.顆粒之間殘留原生孔隙，孔隙被黑色有機質(zhì)充填，羅10，2 438.21 m，單偏光；c.石英(Q)次生加大發(fā)育，加大邊充填一部分粒間孔隙，殘留粒間孔隙被黑色有機質(zhì)充填，義193，2 941.49 m，單偏光；d.石英(Q)次生加大明顯，殘留粒間孔隙被黑色有機質(zhì)充填，義193，2 942.61 m，單偏光；e.顆粒邊緣存在綠泥石膠結(jié)，膠結(jié)物占據(jù)一部分孔隙空間，殘留一部分粒間孔隙，孔隙被黑色有機質(zhì)充填，義160井，3 080.65 m，單偏光；f.巖屑溶蝕形成粒內(nèi)孔隙、紅色方解石膠結(jié)物(Cc)溶蝕形成粒間孔隙、顆粒邊緣存在粒緣縫，羅358，2 779.61 m，單偏光；g.紅色方解石膠結(jié)物(Cc)溶蝕形成晶間孔隙、巖屑溶蝕形成粒內(nèi)孔隙，新義深9，3 792 m，單偏光；h.長石(F)溶蝕形成粒間、粒內(nèi)孔隙，羅斜153，3 856 m，單偏光；i.長石、巖屑溶蝕形成粒間孔隙，羅斜153，3 853.8 m，單偏光；j.破裂縫發(fā)育，新義深9，3 795.97 m，單偏光；k.紅色方解石膠結(jié)物(Cc)充填粒間孔隙，義130，2 333.76 m，單偏光；l.紅色方解石膠結(jié)物(Cc)充填粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙，新渤深1，3 753.87 m，單偏光；m.長石溶蝕后形成鑄模孔，后被紅色方解石膠結(jié)物(Cc)充填，殘留部分粒間孔隙(藍色鑄體)，羅斜153，3 855.3 m，單偏光；n.長石溶蝕形成鑄?？祝蟊患t色方解石膠結(jié)物(Cc)充填，巖屑溶蝕形成粒內(nèi)孔隙，孔隙被黑色有機質(zhì)充填，義292，4 639.24 m，單偏光；o.石英次生(Q)加大明顯，加大部分占據(jù)孔隙空間，羅斜153，3 855.3 m，單偏光；p.長石、巖屑溶蝕后形成粒內(nèi)孔隙，后被紫色鐵方解石膠結(jié)物(Ank)充填，顆粒致密，呈凹凸接觸，義292，4 639.24 m，單偏光

Fig.4 Pore types and diagenesis of red beds in lower Es4submember in Bonan Subsag, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

表1 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段不同沉積相類型物性數(shù)據(jù)

3 紅層儲層成巖作用及儲集空間演化

3.1 成巖階段及成巖流體

渤南洼陷紅層現(xiàn)今埋深較大，沉積時期較長，普遍經(jīng)歷了長時間的成巖作用[15-19]；據(jù)黏土礦物伊蒙混層中蒙皂石含量可知，研究層段目前主要處于中成巖B期，少部分處于中成巖A期(圖6)。

薄片、掃描電鏡等分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主要存在機械壓實、堿性膠結(jié)和酸性溶蝕等成巖作用。一般而言壓實作用屬于物理成巖作用，其強弱一方面在于埋深大小，另一方面在于礦物自身的抗壓實能力，本質(zhì)上由巖石礦物的剛性顆粒成分和結(jié)構(gòu)決定。對于堿性膠結(jié)和酸性溶蝕此類化學(xué)成巖作用，其強弱主要取決于成巖流體的性質(zhì)和強弱。目前普遍認識到紅層儲集體在早期主要受堿性流體改造，中后期主要受酸性流體影響，晚期又演變?yōu)閴A性流體環(huán)境[3-4,8]。早期堿性流體主要來自于紅層較為干旱的沉積環(huán)境衍生的堿性同沉積水體，以及來自于沙四上亞段膏鹽巖體系中石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化過程中排出的堿性流體，堿性流體發(fā)育是碳酸鹽巖膠結(jié)物產(chǎn)生的根源。中期酸性流體認為主要來自于烴源巖生排烴過程中伴生的有機酸，而渤南洼陷尚未發(fā)現(xiàn)沙四下亞段及其下伏孔店組的有效烴源巖，沙四下亞段紅層中已發(fā)現(xiàn)的油氣經(jīng)油源對比表明均來自于沙四上亞段烴源巖，表明沙四上、下亞段之間應(yīng)存在較為順暢的流體交換現(xiàn)象，因此沙四下亞段紅層中發(fā)生酸性溶蝕的有機酸應(yīng)主要來自于沙四上亞段烴源巖。晚期堿性流體環(huán)境的形成是由于有機酸隨埋深增大、地溫升高而逐漸分解[3-4,8]，在黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的堿性流體作用下，地層水又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性地層流體。

圖5 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段儲層物性分布直方圖

圖6 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段儲層物性與成巖作用特征

3.2 紅層儲集空間演化

3.2.1 早期堿性流體膠結(jié)階段

沙四下亞段紅層在沉積之后首先經(jīng)歷了堿性流體作用階段，這一階段以機械壓實和堿性膠結(jié)作用為特征，壓實和膠結(jié)減孔主導(dǎo)儲集空間演化。當(dāng)埋深2 000 m時壓實率大于0.5的樣品所占比例接近50%(圖6)，壓實作用較為強烈，同時受同沉積堿性水體影響，膠結(jié)率大于0.5的樣品所占比例接近40%；隨著埋深增大，上覆沙四上亞段膏鹽巖脫水產(chǎn)生的大量堿性流體波及至此，發(fā)生了更為強烈的堿性膠結(jié)作用(圖4f，k，l)；埋深2 000～3 000 m處膠結(jié)率大于0.5的樣品所占比例逐漸升高(圖6)，大量膠結(jié)物充填原生孔隙，一定程度上抑制了壓實作用發(fā)生，因此該深度段壓實率大于0.5的樣品所占比例呈逐漸降低趨勢(圖6)。

總體上，這一階段屬于堿性流體主導(dǎo)、以壓實減孔和膠結(jié)減孔為主的儲集空間遞減階段，研究區(qū)各類型儲集體都經(jīng)歷了堿性流體作用階段，這一階段之后紅層儲集體中礦物顆粒呈點—線接觸(圖7)，儲集空間還是以原生粒間孔隙為主。目前，正經(jīng)歷這一階段的紅層儲層主要集中在埋深淺于3 000 m的洼陷邊緣帶，所對應(yīng)的沉積相類型主要為沖積扇(圖2，6)。

3.2.2 中期酸性流體溶蝕階段

隨著紅層儲層埋深逐漸增大，其上覆沙四上亞段烴源巖逐漸到達生烴門限并開始生排烴，烴源巖生烴演化過程中產(chǎn)生的有機酸在異常高壓驅(qū)動下，通過斷裂與沙四下亞段側(cè)向?qū)硬⑦M入紅層儲層中，造成紅層儲層成巖環(huán)境由弱堿性向弱酸性過渡，產(chǎn)生酸性溶蝕作用[9]；隨著埋深進一步增大，上覆沙四上亞段烴源巖開始大規(guī)模生排烴，所產(chǎn)生的有機酸大量注入沙四下亞段紅層儲層中，成巖環(huán)境演化為酸性[18]。研究區(qū)紅層儲層在埋深超過3 000 m可見明顯的酸性溶蝕作用，并隨著深度的增加酸性溶蝕作用逐漸增強，埋深3 000～4 500 m儲層溶蝕率大于0.5的樣品所占比例逐步升高，同時膠結(jié)率降低(圖6)；酸性溶蝕下長石和巖屑的溶蝕作用明顯，次生溶蝕孔隙大量發(fā)育，形成次生孔隙帶；次生孔隙的發(fā)育給機械壓實作用提供了可壓實的空間，因此壓實率有升高趨勢(圖6)。

圖7 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段紅層成巖模式與孔隙演化關(guān)系

總體上，這一階段屬于酸性流體主導(dǎo)、以溶蝕增孔和壓實減孔為主的儲集空間保持階段，經(jīng)歷這一階段后紅層儲集體原生孔隙減少，粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙增多(圖4m，n)，石英次生加大明顯(圖4o)，顆粒呈線乃至凹凸接觸(圖7)。目前，正經(jīng)歷這一階段的紅層儲層主要集中在埋深3 000～4 500m的南部斜坡帶、北部洼陷帶和陡坡帶，對應(yīng)的沉積相類型為辮狀河、辮狀河三角洲以及扇三角洲。但扇三角洲儲集體成分和結(jié)構(gòu)成熟度都較差，經(jīng)歷了早期堿性流體作用階段后，在膠結(jié)和壓實雙重減孔機制下，原生孔隙所剩無幾，儲層內(nèi)部缺少可溝通有機酸的通道，同時扇三角洲主要位于洼陷邊緣，距沙四上亞段生烴中心相對較遠，本身受有機酸的波及也較弱，造成扇三角洲雖經(jīng)歷了酸性流體波及，但形成的次生孔隙甚少，儲層致密。因此，中期酸性流體溶蝕主要作用于辮狀河及辮狀河三角洲儲集體，形成次生孔隙發(fā)育帶(圖6)。

3.2.3 晚期堿性流體膠結(jié)階段

隨著埋深增大、地溫升高，有機酸逐漸被分解，酸性流體消耗殆盡，地層水又轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性。這一階段巖石逐漸達到壓實極限，壓實減孔主導(dǎo)儲集空間演化，同時在晚期弱堿性流體環(huán)境影響下鐵方解石膠結(jié)物出現(xiàn)并充填儲集空間(圖4p)，儲集空間逐漸被壓實、膠結(jié)殆盡?？傮w上這一階段紅層儲層已非常致密，礦物顆粒在強烈的壓實作用下發(fā)育部分破裂縫，巖石基本到達不可再壓實程度[20-21]，顆粒呈縫合線接觸，存在少量鐵質(zhì)碳酸鹽巖膠結(jié)物(圖7)。

4 紅層有利儲層分布預(yù)測

紅層儲層成巖演化規(guī)律研究表明，研究區(qū)存在3 000 m以淺原生孔隙發(fā)育的沖積扇成因儲集體及3 000 m以深次生孔隙發(fā)育的辮狀河、辮狀河三角洲成因儲集體2種有利儲層類型。

4.1 原生孔隙發(fā)育的有利儲層分布

對于原生孔隙發(fā)育的沖積扇成因儲集體而言，其不同亞相之間的顆粒成分和結(jié)構(gòu)成熟度存在一定差異，決定著抗壓實能力的差異及原生孔隙的保存程度。一般而言，扇根亞相沉積物成分和結(jié)構(gòu)成熟度最差，抗壓實能力最低；扇端亞相在經(jīng)歷較長搬運距離后，沉積物成分和結(jié)構(gòu)成熟度相對較好，抗壓實能力相對較強；扇中亞相介于扇根與扇端之間，不同亞相沉積物抗壓實能力存在差異，最終造成不同亞相儲層物性也具有一定差異。渤南洼陷沙四下亞段沖積扇扇根、扇中、扇端平均孔隙度分別為9.35%、12.71%和17.01%，因此沖積扇儲集體中原生孔隙保留程度較高的有利亞相類型主要為扇端。原生孔隙發(fā)育的有利儲層類型主要位于南部盆緣，由陳家莊凸起物源區(qū)提供物源形成的沖積扇前端，呈裙帶狀展布(圖8)。

4.2 次生孔隙發(fā)育的有利儲層分布

研究區(qū)辮狀河、辮狀河三角洲成因儲集體中次生孔隙的發(fā)育得益于上覆沙四上亞段烴源巖所生成有機酸的溶蝕，沙四上亞段的有機酸在洼陷中部異常高壓的驅(qū)動下，通過斷裂輸導(dǎo)或直接對接沙四下亞段而進入到紅層儲層中。沙四上亞段烴源巖集中在洼陷中心部位，故沙四下亞段受有機酸強烈溶蝕發(fā)育次生孔隙的井也集中于洼陷中心部位(圖8)，這一區(qū)域正為辮狀河和辮狀河三角洲儲集體發(fā)育區(qū)(圖2)；而洼陷邊緣的沖積扇和扇三角洲遠離沙四上亞段烴源巖發(fā)育區(qū)和上覆地層異常高壓中心，加之缺少斷裂輸導(dǎo)而沒有受到有機酸影響，為正常壓實區(qū)[22-26]。因此，處于洼陷中心受有機酸波及強烈、上覆地層發(fā)育異常高壓及具有可溝通有機酸的斷裂，是決定紅層儲層次生孔隙發(fā)育的關(guān)鍵要素。

圖8 渤海灣盆地濟陽坳陷渤南洼陷沙四下亞段有利儲層分布

綜合洼陷帶區(qū)域展布、沙四上亞段壓力系數(shù)1.2等值線、沙四下亞段斷裂及辮狀河、辮狀河三角洲儲集體分布，研究區(qū)次生孔隙發(fā)育的有利儲層主要位于洼陷帶的辮狀河道和辮狀河三角洲儲集體中，呈帶狀、疊合連片狀分布(圖8)。實際上，發(fā)育次生孔隙的探井以及目前已發(fā)現(xiàn)的沙四下亞段油氣儲量也主要集中在這一區(qū)域(圖8)。

5 結(jié)論

(1)渤南洼陷沙四下亞段紅層沉積存在沖積扇—辮狀河—辮狀河三角洲—湖泊以及扇三角洲—湖泊2種沉積體系類型。沖積扇、扇三角洲沉積以巖屑砂巖為主；辮狀河沉積以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主；辮狀河三角洲以巖屑長石砂巖為主。沖積扇儲集體儲集空間主要為原生孔隙，物性較好；辮狀河及辮狀河三角洲儲集體儲集空間以次生孔隙為主，物性中等；扇三角洲儲集體儲層致密，物性偏低。

(2)渤南洼陷沙四下亞段紅層儲層主要處于中成巖B期，少部分處于中成巖A期。紅層儲層經(jīng)歷了早期堿性膠結(jié)、中期酸性溶蝕及晚期堿性膠結(jié)3個成巖演化過程。早期堿性膠結(jié)作用后殘留有一定數(shù)量原生孔隙；中期酸性溶蝕作用后形成大量次生孔隙；受晚期堿性膠結(jié)作用影響的儲層儲集空間消耗殆盡，儲層致密。

(3)原生孔隙發(fā)育的有利儲層主要受埋深與有利相帶決定，研究區(qū)這一有利儲層類型發(fā)育在3 000 m以淺的南部洼陷邊緣帶，位于沖積扇前端呈裙帶狀展布；次生孔隙發(fā)育的有利儲層主要受有機酸、上覆地層異常高壓及斷裂體系控制，研究區(qū)這一有利儲層類型位于洼陷帶辮狀河、辮狀河三角洲儲集體發(fā)育區(qū)，呈帶狀、疊合連片狀分布。