南堡凹陷南部不同構(gòu)造帶東二段儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異及其對儲層質(zhì)量的影響

張藝樓，吳 浩，紀友亮，宋 燕，孟令箭，吳琳娜

(1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3. 蘭州大學 地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院，甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；4. 中國石油冀東油田公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004)

隨著南堡凹陷高柳地區(qū)油氣勘探與開發(fā)程度的不斷提高，現(xiàn)今勘探方向逐漸向凹陷南部地區(qū)轉(zhuǎn)變，而南部地區(qū)古近系東營組廣泛發(fā)育優(yōu)質(zhì)碎屑巖儲層，是勘探與開發(fā)的重點層位。然而，由于構(gòu)造活動、沉積環(huán)境的變化及其復(fù)雜的埋藏史和成巖作用使得儲層非均質(zhì)性強，勘探過程中為能明確一個經(jīng)濟有效的儲層，儲層質(zhì)量的厘定變成了主要的風險因素(Dutton and Loucks，2010； Loucks and Dutton，2019)。低滲透-致密儲層中油氣的運移和聚集過程根本受控于微-納米級孔喉體系(Nelson，2009； Desboisetal.，2011； 鄒才能等，2012)，儲層微觀孔隙類型及含量、孔喉大小及分布、孔隙結(jié)構(gòu)組成等往往決定著儲層質(zhì)量(Loucksetal.，2012； Sakhaee-Pour and Bryant，2014； 趙麗敏等，2019)。

前人對南堡凹陷南部東營組的研究取得了諸多有益的成果和認識，主要集中在沉積相、儲層儲集空間及控制因素、成藏等方面(管紅等，2009； 萬濤等，2011； 王時林等，2014； 楊尚儒等，2018)，但對東二段儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異特征及其對儲層質(zhì)量的影響缺乏深入分析，制約了下步的勘探與開發(fā)。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以南堡凹陷南部2號和4號構(gòu)造帶為例，綜合巖石薄片、鑄體薄片圖像分析、掃描電鏡、X衍射、壓汞、物性分析等資料，在儲層巖石學基本特征研究基礎(chǔ)上，對東二段儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異特征及其對儲層質(zhì)量的影響進行了研究，欲為今后南堡凹陷南部油氣的有效勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

南堡凹陷是中國東部渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個次級構(gòu)造單元，為典型“北斷南超、北陡南緩”的具箕狀構(gòu)造特征的中新生代陸相斷陷湖盆。南堡凹陷南部地區(qū)東以柏各莊斷層為界，西以西南莊斷層為界，南至沙壘田凸起，北鄰高柳斷層，勘探面積約1 362 km2(圖1)。依據(jù)構(gòu)造演化特征，將南堡凹陷南部劃分為林雀次洼、曹妃甸次洼與柳南次洼3個負向構(gòu)造單元以及老爺廟、南堡1～南堡5號共6個正向構(gòu)造單元(Dongetal.，2010； Zhouetal.，2016)。古近系東營組沉積期，南堡凹陷南部為沉積與沉降中心，東營組二段(簡稱“東二段”，Ed2)為冀東油田儲量升級和產(chǎn)能建設(shè)的主要含油層系(朱光有等，2011)，為受邊界斷層控制的扇三角洲沉積，分流河道、河口壩及席狀砂體為主要的儲集層(張帆等，2018)。南堡凹陷南部東二段有利儲層主要發(fā)育在2號和4號構(gòu)造帶，本文選擇2號構(gòu)造帶7口探井和4號構(gòu)造帶10口探井對孔隙結(jié)構(gòu)差異特征及其對儲層質(zhì)量的影響開展系統(tǒng)研究，采樣井位置見圖1。

圖 1 南堡凹陷南部構(gòu)造位置及其古近系東二段沉積相分布特征Fig. 1 Study area location and sedimentary facies distribution of Paleogene Ed2 reservoirs in southern Nanpu Sag

2 儲層基本特征

2.1 巖石學特征

通過對兩構(gòu)造帶砂巖巖石薄片的鑒定與統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)南堡凹陷南部4號和2號構(gòu)造帶東二段分別以巖屑質(zhì)長石砂巖和長石質(zhì)巖屑砂巖為主(圖2)。4號構(gòu)造帶東二段端員組分中石英、長石、巖屑的平均質(zhì)量分數(shù)分別為40.6%、30.1%、29.3%；而2號構(gòu)造帶東二段端員組分中石英、長石、巖屑的質(zhì)量分數(shù)分別為32.9%、26.8%、40.2%。4號構(gòu)造帶儲集層成分中石英和長石含量相對2號構(gòu)造帶儲層高，巖屑含量相對2號構(gòu)造帶較低，但巖屑種類分布相差不大，兩者均見變質(zhì)巖和火山巖巖屑，約占巖屑總量的30%～36%，含少量沉積巖巖屑，還有極少量的云母，含量小于1%(圖3)。根據(jù)全巖衍射分析結(jié)果，4號構(gòu)造帶東二段儲層粘土礦物總量平均質(zhì)量分數(shù)為10.5%，以高嶺石和伊蒙混層為主； 2號構(gòu)造帶東二段粘土礦物總量平均質(zhì)量分數(shù)為10.1%，以高嶺石和綠泥石為主。兩個構(gòu)造帶粘土總量相近，但主要粘土礦物含量的不同暗示其經(jīng)歷的成巖作用具有顯著差異。

圖 2 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶古近系東二段砂巖巖石類型Fig. 2 Sandstone detrital composition of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

圖 3 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶古近系東二段砂巖碎屑類型Fig. 3 Types of sandstone clastics of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

儲層巖石的碎屑結(jié)構(gòu)特征對于儲層質(zhì)量起著重大的作用，粒度大小、分選好壞、膠結(jié)情況、磨圓度以及顆粒間的接觸關(guān)系是主要指標。統(tǒng)計表明南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶東二段分選中等，磨圓為次圓-次棱，膠結(jié)類型均為孔隙型，接觸為點接觸或點-線接觸關(guān)系。兩區(qū)塊主要差異在于粒度特征，4號構(gòu)造帶東二段儲層主要粒徑范圍為0.10～1.48 mm，最大粒徑均值為1.13～1.64 mm，而2號構(gòu)造帶東二段儲層主要粒徑范圍為0.06～0.52 mm，最大粒徑均值為0.50～0.62 mm(表1)。

表1 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶東二段砂巖碎屑成分結(jié)構(gòu)特征Table 1 Structure characteristics of sandstone clastics of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

注：括號內(nèi)為平均值。

2.2 物性特征及孔隙類型

實測巖心的孔滲數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，4號構(gòu)造帶東二段儲層的孔隙度為14%～20%，平均為18.6%，滲透率為1.0 ～30.0 mD，平均為8.3 mD； 2號構(gòu)造帶東二段儲層的孔隙度為12%～20%，平均為15.4%，滲透率分布在0.1 ～1.0 mD，平均為0.89 mD。就孔隙度而言，兩個構(gòu)造帶分布則相似，均以中-低等孔為主(圖4a)。針對滲透率，4號構(gòu)造帶主要以低滲儲層為主，而2號構(gòu)造帶則以致密儲層為主(圖4b)?？紫犊刂浦鴥拥膬阅埽淼缹τ跐B流能力起著關(guān)鍵的作用，孔隙度和滲透率相關(guān)性表明4號構(gòu)造帶孔隙度和滲透率相關(guān)性較好，孔喉聯(lián)通性好，而2號構(gòu)造帶的相關(guān)性較差(圖4c)，指示孔隙度不是控制儲層滲透率的主要因素(龍更生等，2011； 張建坤等，2017； Wuetal.，2017，2018)。

根據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡資料可知，南堡凹陷南部東二段儲層儲集空間類型主要有原生粒間孔、次生溶蝕孔(顆粒和粒間溶孔)及粘土礦物微孔隙(圖5)。分別對4號構(gòu)造帶和2號構(gòu)造帶東二段儲層儲集空間類型統(tǒng)計表明，4號構(gòu)造帶儲層儲集類型主要以原生粒間剩余孔隙為主，發(fā)育少量的次生孔隙和微孔隙(圖5、圖6a、6b)，孔喉間連通性相對較好；而2號構(gòu)造帶儲層儲集類型主要以次生溶蝕孔隙和微孔隙為主，發(fā)育少量的剩余粒間孔(圖5、圖6c～6f)，孔喉間連通性相對較差。不同類型儲集空間組合特征對滲透性的影響較大，研究認為從微孔-溶蝕孔主導(dǎo)型到原生粒間孔主導(dǎo)型的儲層，其孔隙結(jié)構(gòu)特征具有明顯的改善趨勢(盛軍等，2018)。

圖 4 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶古近系東二段儲層物性特征Fig. 4 Physical properties of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Saga—孔隙度分布頻率圖； b—滲透率分布頻率圖； c—孔隙度與滲透率相關(guān)性圖a—porosity distribution frequency； b—permeability distribution frequency； c—relationship between porosity and permeability

圖 5 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶古近系東二段孔隙類型含量頻率圖Fig. 5 Pore types distribution of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

2.3 孔喉大小分布特征

壓汞曲線是定量反映油氣儲層微觀孔喉數(shù)量及其分布規(guī)律最有效的手段，主要反映孔喉大小及其控制的進汞飽和度。通過對南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶東二段砂巖的壓汞實驗分析，得到了毛管壓力與汞飽和度曲線。圖7所示為覆蓋兩構(gòu)造帶典型的毛管壓力曲線，在進汞早期曲線出現(xiàn)一個近水平的臺階，4號構(gòu)造帶東二段樣品相比2號構(gòu)造帶東二段的水平臺階顯得更平更寬。4號構(gòu)造帶東二段孔喉分選系數(shù)為1.0，2號構(gòu)造帶東二段的則為3.53；4號構(gòu)造帶東二段的平均排驅(qū)壓力為1.14 MPa，2號構(gòu)造帶東二段的則為2.08 MPa,其與滲透率呈現(xiàn)一定的負相關(guān)性，即滲透率越大排驅(qū)壓力越小，其孔喉分選性也相對較好；4號構(gòu)造帶東二段平均中值壓力為3.75 MPa，2號構(gòu)造帶東二段的則為4.24 MPa，也同樣表現(xiàn)出與滲透率的負相關(guān)性(表2)。此外，4號構(gòu)造帶東二段樣品具有較集中的最大進汞飽和度，主要分布在65～77 MPa，平均為70.21 MPa；而2號構(gòu)造帶東二段樣品最大進汞飽和度分布區(qū)間為40～74 MPa，分布范圍大，平均為56.69 MPa。兩構(gòu)造帶退汞效率均較低，主要分布在15%～30%。根據(jù)壓汞數(shù)據(jù)計算出兩構(gòu)造帶東二段儲層進汞增量與孔喉半徑關(guān)系曲線(圖8)，以4號構(gòu)造帶NP4-80井為例，4號構(gòu)造帶東二段孔喉分布主要呈現(xiàn)單峰式，進汞增量主要集中在喉道半徑大于1 μm的范圍；2號構(gòu)造帶東二段儲層的孔喉分布也主要為單峰式，進汞增量主要集中在孔喉半徑小于1 μm的范圍。

圖 6 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶古近系東二段孔隙類型圖Fig. 6 Pore types of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No. 4 and No. 2 structural belts in Nanpu Saga—原生粒間孔，NP43-X4805井，3 599.39 m，孔隙度13.6%，滲透率1.428 mD(-)； b—原生粒間孔，NP43-X4805井，3 615.26 m，孔隙度16.6%，滲透率7.46 mD(-)； c—粒間溶孔，少量長石粒內(nèi)溶孔，石英次生加大，NP2-6井，3 615.4 6 m(-)； d—粒間溶孔，少量粒內(nèi)溶孔及高嶺石晶間微孔，NP2-6井，3 616.04 m(-)； e—微孔隙，NP2-15井，2 900.80 m(SEM)； f—微孔隙，NP2-15井，2 901.70 m(SEM)a—primary intergranular pore, well NP43-X4805, 3 599.39 m, φ=13.6%, K=1.428 mD, plainlight； b—primary intergranular pore well NP43-X4805, 3 615.26 m, φ=16.6%, K=7.46 mD, plainlight； c—intergranular pores with a small amount of feldspar intrargranular pores and quartz overgrowth, well NP2-6, 3 615.46 m, plainlight； d—intergranular dissolved pore, a little intragranular dissolved pores and kaolinite intercrystalline pores, well NP2-6, 3 616.04 m, plainlight； e—micropores, well NP2-15, 2 900.80 m, SEM； f—micropores, well NP2-15, 2 901.70 m, SEM

圖 7 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶東二段毛管壓力曲線Fig. 7 Capillary pressure curves of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

3 孔喉大小對儲層物性的控制

巖石孔隙結(jié)構(gòu)主要是指孔隙和與之連通的喉道的大小、分布及其相互組合關(guān)系，其復(fù)雜程度與儲層的物性有很大的關(guān)系。為定量研究南堡凹陷南部東二段儲層孔喉大小對儲層物性的影響，對壓汞曲線進行了分析，計算出每個樣品的孔喉所控制的孔隙體積對滲透率的貢獻率。

根據(jù)壓汞資料，對于4號構(gòu)造帶東二段的砂巖，在進汞早期階段，小比例的相對較大孔喉控制了滲透率，在此孔喉區(qū)間累積滲透率貢獻率曲線較陡，快速增加至約90%，而累積進汞飽和度此時約為15%～20%。隨著汞的繼續(xù)注入，累積滲透率貢獻值曲線表現(xiàn)為平緩增加，緩慢增加到99.9%，而累積進汞飽和度快速增加，從4.5 μm處開始曲線變陡，即大量的汞被繼續(xù)注入孔隙中(圖9a、9b)。這表明相對小的孔喉對滲透率的影響較小，主要是中-大孔隙控制的喉道對滲透率有重要貢獻，但小孔隙對于4號構(gòu)造帶砂巖儲層的儲集性卻有重要的作用(李占東等，2008； 吳浩等，2017)。例如4號構(gòu)造帶NP4-80井，3 328.47 m的樣品在中-大孔喉控制下，滲透率貢獻值達到98%，此時累積進汞飽和度約為40%；而其最大進汞飽和度為75%，所以近35%的汞飽和度被中-小喉所控制(圖9b)。

表2 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶東二段儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

注： 括號內(nèi)為平均值。

圖 8 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶東二段進汞增量與孔喉半徑關(guān)系曲線Fig. 8 The relationship between mercury increment and pore throat radius of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

2號構(gòu)造帶東二段砂巖儲層在進汞早期階段是中喉道控制了滲透率，在2～6 μm的孔喉范圍之間，累積滲透率貢獻值緩慢上升，累積進汞飽和度也開始增加；隨著汞的繼續(xù)注入，在孔喉半徑約為0.50 ～2.00 μm時，累積進汞飽和度快速增加，而累積滲透率貢獻值也急劇增加到95%(圖9c、9d)。整體上，4號構(gòu)造帶東二段儲層，滲透率主要由中大孔喉控制；而2號構(gòu)造帶東二段儲層，滲透率主要受微孔-中孔控制，滲透率小。

4 不同構(gòu)造帶砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異的原因

4.1 沉積作用

結(jié)合前人研究可知，研究區(qū)兩個構(gòu)造帶東二段時期沉積環(huán)境為扇三角洲前緣亞相，均發(fā)育水下分流河道(吳浩等，2019)，4號構(gòu)造帶其儲集砂體具有較高的結(jié)構(gòu)成熟度、較粗的粒度、較好的分選和磨圓度等特征(表1)，其面孔率為0.47%～16.06%，平均值為7.17%，因此孔喉之間的連通性也較好，孔隙結(jié)構(gòu)好；而2號構(gòu)造帶儲集砂體相比較4號構(gòu)造帶，其粒度較小，且面孔率為0.21%～12.0%，平均值為6.02%(表3)，因此孔喉連通性差，孔滲物性較差。

圖 9 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶古近系東二段儲層孔喉大小對孔隙度和滲透率的控制Fig. 9 Controls of pore throat sizes on porosity and permeability of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

表3 南堡凹陷4號與2號構(gòu)造帶儲層成巖相類型及特征Table 3 Diagenetic facies types and features of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

4.2 成巖作用

成巖作用后期改造對4號和2號構(gòu)造帶東二段儲層砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異形成也起著關(guān)鍵作用。通過鏡下觀察定性分析、定量計算兩個構(gòu)造帶儲層的視膠結(jié)率、視溶蝕率和視壓實率(圖10)，根據(jù)成巖強度分級標準(吳勝和，2010)，對成巖作用強度進行了分級，劃分了兩個構(gòu)造帶的成巖相類型(表3)。

4號構(gòu)造帶東二段儲層主要發(fā)育中溶蝕弱壓實弱膠結(jié)成巖相。儲層顆粒間呈現(xiàn)點-線接觸，線-線接觸，巖石粒度較大，增強了巖石骨架的抗壓實能力，粒間原生孔隙發(fā)育，使得儲層連通性較好，流體改造容易，長石、易溶巖屑及膠結(jié)物發(fā)生了不同程度的溶蝕，形成少量的粒內(nèi)溶孔等次生孔隙或不規(guī)則邊緣(圖10a、10b)，視溶蝕率為25%～75%，視壓實率小于50%，平均孔隙度為18.58%，平均滲透率為8.3 mD。

2號構(gòu)造帶東二段儲層主要發(fā)育強壓實中溶蝕弱膠結(jié)成巖相。壓實作用強，儲層顆粒間以凹凸接觸、線-線接觸為主(圖10c、10d)，由于早期壓實強烈，原生粒間孔隙被大量破壞，但儲層巖石類型以長石質(zhì)巖屑砂巖為主，豐富的溶解組分為溶蝕的進行提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，生成的次生溶蝕孔并伴生高嶺石礦物。該成巖相視壓實率為75%～90%，視溶蝕率為50%～75%，視膠結(jié)率小于50%，平均孔隙度為15.36%，平均滲透率為0.89 mD，指示其孔隙度雖中等，但溶蝕形成的次生孔隙連通性差，因此相比4號構(gòu)造帶其物性較差。

圖 10 南堡凹陷4號和2號構(gòu)造帶古近系東二段成巖相鏡下特征(-)Fig. 10 Diagenetic facies characteristics of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag(-)a—中溶蝕弱壓實弱膠結(jié)成巖相，NP4-66井，3 855.80 m； b—中壓實弱溶蝕弱膠結(jié)相，NP43-X4805井，4 249.69 m； c—強壓實中溶蝕弱膠結(jié)相，LP1井，3 084.75 m； d—強壓實中溶蝕弱膠結(jié)相，NP2-6井，3 415.02 ma—medium compaction, weak dissolution and weak cementation phase, well NP4-66, 3 855.80 m； b—medium compaction, weak dissolution and weak cementation phase, well NP43-X4805, 4 249.69 m；c—strong compaction, medium dissolution and weak cementation phase, well LP1, 3 084.75 m； d—strong compaction, medium dissolution and weak cementation phase, well NP2-6, 3 415.02 m

5 結(jié)論

(1) 4號構(gòu)造帶東二段儲層以巖屑質(zhì)長石砂巖為主，碎屑成分平均為Q40.6F30.1R29.3，2號構(gòu)造帶則以長石質(zhì)巖屑砂巖為主，碎屑成分平均為Q32.9F26.8R40.2； 4號構(gòu)造帶儲層成分、結(jié)構(gòu)成熟度較2號構(gòu)造帶好。

(2) 4號構(gòu)造帶東二段主要以低滲儲層為主，而2號構(gòu)造帶則以致密儲層占主導(dǎo)； 4號構(gòu)造帶東二段砂巖儲集空間以原生剩余粒間孔為主，孔喉間連通性相對較好； 2號構(gòu)造帶東二段儲集空間則以次生孔隙為主，孔喉間的連通性相對較差。

(3) 孔喉大小控制著儲層質(zhì)量，4號和2號構(gòu)造帶東二段孔喉分布均主要呈現(xiàn)單峰式，4號構(gòu)造帶進汞增量主要集中在喉道半徑大于1 μm，而2號構(gòu)造帶東二段進汞增量主要由小于1 μm的孔喉所貢獻；4號構(gòu)造帶東二段儲層滲透率主要被大中孔所控制，2號構(gòu)造帶則主要由微孔-中孔所控制；雖然小孔喉對滲透率影響較小，但對儲層儲集性卻十分重要。

(4) 沉積作用和后期成巖改造是儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異特征的根本原因；4號構(gòu)造帶儲層粒度粗、分選磨圓較好，抗壓實能力強，耦合較強的溶蝕作用使得儲層面孔率較高，且孔隙連通性好；2號構(gòu)造帶儲層粒度小，強壓實作用使得孔喉連通性較差，溶蝕作用對孔喉的改造作用不大，使得儲層面孔率較低，孔喉結(jié)構(gòu)差。