準(zhǔn)噶爾盆地阜北地區(qū)頭屯河組非均質(zhì)性綜合研究

于景維，牛志杰，祁利祺，孫新銘，柳 妮，張 進(jìn)，曹 嵩

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地位于我國(guó)西北地區(qū)，是我國(guó)第二大盆地，也是越來(lái)越重要的能源基地。盆內(nèi)中央坳陷東部的阜康凹陷生烴層位厚度大，數(shù)量多，為典型富烴凹陷[1-3]，其周?chē)逼聟^(qū)為油氣有利運(yùn)移區(qū)，受到普遍關(guān)注。近幾年，凹陷東部斜坡區(qū)多口井在中生代中侏羅紀(jì)地層中獲得工業(yè)油流，為油田增產(chǎn)增效做出較大貢獻(xiàn)[4-6]。同阜康凹陷東部地區(qū)成藏條件相似，北部中侏羅統(tǒng)頭屯河組大面積分布辮狀河三角洲(水下)分流河道砂體，卻鮮有油氣收獲[7]，相比而言，東部地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層的各項(xiàng)地質(zhì)屬性認(rèn)識(shí)豐富[8-11]，而北部地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層地質(zhì)屬性分布規(guī)律不清，反映出油氣儲(chǔ)集層在三維空間的變化以及控制因素認(rèn)識(shí)比較模糊，對(duì)進(jìn)一步勘探影響較大。

儲(chǔ)集層非均質(zhì)性是油藏描述的重要內(nèi)容，就是揭示儲(chǔ)集層的巖性、物性、電性以及含油性在空間的均質(zhì)程度[11]。儲(chǔ)集層非均質(zhì)性分類(lèi)可從不同角度進(jìn)行，Pettijohn將儲(chǔ)集層非均質(zhì)性按照規(guī)模從I級(jí)油藏到V級(jí)紋層規(guī)模共劃分為5類(lèi)[12]；Weber根據(jù)Pettijohn的劃分，結(jié)合非均質(zhì)性對(duì)滲流流體的影響，將儲(chǔ)集層非均質(zhì)性分為封閉、半封閉、未封閉斷層、成因單元邊界以及微觀非均質(zhì)性等7類(lèi)[13]；Haldorsen主要依據(jù)地質(zhì)建模的需要，考慮孔隙均值有關(guān)的體積分布，將儲(chǔ)集層非均質(zhì)性劃分為巨型、大型、宏觀以及微觀非均質(zhì)性[14]；裘亦楠?jiǎng)t考慮到我國(guó)陸相盆地儲(chǔ)集層實(shí)際生產(chǎn)特征，劃分出一套比較完整的分類(lèi)方案，包括層內(nèi)、層間、平面以及微觀非均質(zhì)性[15]，前三者又可歸為宏觀非均質(zhì)性。本次研究采取裘亦楠對(duì)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性劃分方案，利用鉆井、測(cè)井、巖心以及多種測(cè)試分析手段對(duì)阜北地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性進(jìn)行綜合研究，揭示儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的控制因素。其成果一方面為研究區(qū)頭屯河組油氣突破提供指導(dǎo)，有顯著現(xiàn)實(shí)意義；另一方面總結(jié)出辮狀河三角洲儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的控制因素，為相似沉積背景油氣勘探明確方向，有一定理論意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

阜北地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地阜康東環(huán)帶的北部區(qū)域，為一東高西低的狹長(zhǎng)單斜構(gòu)造，南北分別以北86井和白家1井為界(圖1)，總面積約5 000 km2[16]。工區(qū)共有鉆井30口，全部鉆遇頭屯河組。本次研究共收集20余口鉆井的單井綜合錄井圖、測(cè)井曲線數(shù)據(jù)、分層數(shù)據(jù)、井壁取心資料、部分分析化驗(yàn)資料，并現(xiàn)場(chǎng)巖心觀察28口井，累計(jì)巖心長(zhǎng)超過(guò)100 m，巖心照相500余張，采集鉆井樣品200余塊，完成薄片鑒定、掃描電鏡分析、X-衍射、高壓以及恒速壓汞等10余項(xiàng)測(cè)試分析項(xiàng)目。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)內(nèi)鉆井分布Fig.1 Geological background of the study area and the distribution of the wells

受構(gòu)造活動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)局部地區(qū)發(fā)育斷裂，斷裂中大部分?jǐn)嗔褦嗑噍^小，少部分深大斷裂溝通油源，被認(rèn)為是油氣運(yùn)移的重要通道[17]。區(qū)內(nèi)發(fā)育多套地層，最老和最新地層分別為石炭系和第四系[18]。晚侏羅世發(fā)生的燕山運(yùn)動(dòng)II幕使頭屯河組發(fā)生不同程度的剝蝕，頭屯河組埋深為2 500～5 000 m，厚度分布在120～430 m之間，自下而上分為頭一段(J2t1)、頭二段(J2t2)和頭三段(J2t3)，發(fā)育辮狀河三角洲沉積，儲(chǔ)集砂體為(水下)分流河道微相，巖性以褐灰色以及紫灰色細(xì)-中長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，其巖石學(xué)特征表現(xiàn)為“一低一高”，儲(chǔ)集砂巖中巖屑含量平均達(dá)到60.37%，成分成熟度指數(shù)(Q/(F+R))平均為0.31；磨圓度以次棱角為主，分選以中等為主，顆粒間以點(diǎn)—線接觸為主，膠結(jié)類(lèi)型主要為孔隙—壓嵌型，雜基和膠結(jié)物的含量平均分別為1.5%和2.35%，結(jié)構(gòu)成熟度整體較高。

2 樣品測(cè)試分析方法

2.1 常規(guī)以及鑄體薄片制定

每塊樣品切取25 mm×5 mm的巖樣，經(jīng)過(guò)洗油、鑄膠、膠固、磨平，其中鑄膠的壓力為6 MPa，按照SY-T 5913-2004巖石制片標(biāo)準(zhǔn)，在新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院完成制片，共制得200張薄片。

2.2 掃描電鏡及X衍射分析

掃描電鏡的樣品尺寸的直徑為10～15 mm，長(zhǎng)為5 mm。電子束的強(qiáng)度為10.9 mA，高壓為5 kV，按照《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》SY/T5162-1997，用掃描電子顯微鏡JSM-5500LV對(duì)30塊樣品進(jìn)行掃描，實(shí)驗(yàn)在新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院完成。

將砂巖樣品磨成粉末，在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓實(shí)，用X-射線能譜儀QUANTAX400進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，儀器電壓為40 kV，電流為250 mA。按照《巖石礦物能譜定量分析方法》SY/T6189-1996，測(cè)試溫度為20 ℃，濕度為50%，X-衍射為46塊砂巖樣品，實(shí)驗(yàn)在新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院完成。

2.3 壓汞實(shí)驗(yàn)

壓汞實(shí)驗(yàn)用11塊樣品，巖心直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為2.0 cm。應(yīng)用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的型號(hào)為PM33GT-17的壓汞儀，其高壓動(dòng)力系統(tǒng)由高壓計(jì)量泵組成，工作壓力范圍0.002～50 MPa，壓力平衡時(shí)間≥60 s，可測(cè)得壓力點(diǎn)數(shù)達(dá)到100個(gè)。整體按照SY/T5346-2005巖石毛管壓力曲線測(cè)定法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院完成。

2.4 恒速壓汞

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)用6塊樣品，巖心體積為1 cm3。應(yīng)用美國(guó)Coretest systems公司引進(jìn)的ASPE-730型恒速壓汞實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持界面張力與接觸角不變，以非常低的進(jìn)汞速度(通常為0.000 05 mL/min)將汞注入巖石孔隙體積內(nèi)，從進(jìn)汞過(guò)程的壓力漲落獲得孔喉分布數(shù)量，最高測(cè)試壓力為6.2 MPa，整體按照SY/T5346-2005巖石毛管壓力曲線測(cè)定法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院完成。

2.5 核磁曲線

核磁共振實(shí)驗(yàn)用10塊樣品，應(yīng)用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)巖心核磁共振分析與成像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，磁體主頻率>20 MHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度>0.5 T；磁場(chǎng)均勻度<20×10-6。按照SYT6490-2014巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)完成。

3 微觀非均質(zhì)性

微觀非均質(zhì)性是對(duì)影響流體流動(dòng)的地質(zhì)因素進(jìn)行描述，包括孔喉的大小、分布、配置及連通性，以及巖石的組分、顆粒排列方式、膠結(jié)物的含量及類(lèi)型等[15]，涵蓋在孔喉、顆粒和填隙物非均質(zhì)性三類(lèi)內(nèi)容中，主要應(yīng)用的資料來(lái)源于薄片、粒度、(恒速)壓汞曲線以及核磁曲線等。

3.1 孔喉非均質(zhì)性

孔喉非均質(zhì)性主要是對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的描述，針對(duì)儲(chǔ)集層中孔隙和喉道的定量表征和分類(lèi)評(píng)價(jià)[15]。前人的研究發(fā)現(xiàn)，核磁共振巖心分析實(shí)驗(yàn)得到的核磁共振T2譜與孔喉半徑分布圖形狀相似，反映出核磁共振橫向弛豫時(shí)間分布與巖石孔隙結(jié)構(gòu)之間有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[19]。以薄片分析為基礎(chǔ)，重點(diǎn)利用T2曲線譜形態(tài)特征，結(jié)合代表性巖心恒速壓汞參數(shù)特征，將研究區(qū)頭屯河組孔隙結(jié)構(gòu)分成單峰型和雙峰型兩類(lèi)。

單峰型:研究區(qū)頭屯河組T2曲線譜以單峰形態(tài)為主，單峰型孔隙結(jié)構(gòu)是指雙峰中左峰幅度相較于右峰幅度至少3倍以上，在形態(tài)上表現(xiàn)左峰凸起，研究區(qū)內(nèi)T2峰值位于1 ms左右。T2曲線譜中可區(qū)分吸附孔和滲流孔，滲流孔多于吸附孔，核磁孔隙度平均為11.14%；且0.01×10-3～0.5×10-3μm2的SDR(Schlumberger Doll Research)模型滲透率值所占比例較小，小于0.01×10-3μm2的滲透率值所占比例非常大，SDR模型滲透率平均為0.003×10-3μm2(圖2(a)、 (b)、 (c))。相對(duì)應(yīng)的薄片中整體顯孔較少，顆粒分選相對(duì)較好，磨圓較差(圖2(d)、(e))；顆粒之間以線接觸為主，云母、巖屑等塑形物質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重變形被擠入顆粒之間(圖2(f))，反映壓實(shí)作用較強(qiáng)，極大破壞原生孔隙，儲(chǔ)集空間主要為粒內(nèi)溶孔以及剩余粒間孔(圖2(d)、 (e))。代表性巖心恒速壓汞參數(shù)特征顯示，該類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)中孔隙半徑主要分布在105～135 μm之間，平均值為121.46 μm，喉道半徑分布比較廣，存在大喉道，但頻率極低，半徑主要集中在0.1 μm，平均值為0.19 μm。恒速壓汞的孔隙度為17.8%，滲透率為0.266×10-3μm2。此孔隙結(jié)構(gòu)一般位于辮狀河三角洲相(水下)分流河道邊緣沉積。

圖2 單峰型孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)特征Fig.2 Characteristics of single-peak type pore structure(a)阜北2井，3 591.42 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(b)阜北2井，3 590.72 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(c)阜北3井，3 746.89 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(d)與圖(a)同井同深度的深灰綠色極細(xì)粒砂巖薄片(-)；(e)與圖(b)同井同深度的深灰綠色極細(xì)粒砂巖薄片(-)；(f)與圖(c)同井同深度的紫紅色中粒砂巖薄片(-)；(g)阜北2井，3 591.42 m，J2t，巖心孔隙半徑分布頻率直方圖；(h)與圖(g)同井同深度的喉道半徑分布頻率直方圖

雙峰型:雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)是指雙峰中左峰幅度相較于右峰幅度1.5倍以內(nèi)，在形態(tài)上表現(xiàn)雙峰凸起。T2曲線譜中也可區(qū)分吸附孔和滲流孔，滲流孔多于吸附孔，核磁孔隙度平均為14.51%；SDR模型滲透率值在且0.01×10-3～0.5×10-3μm2和小于0.01×10-3μm2的滲透率值所占比例相當(dāng)，SDR模型滲透率平均為0.18×10-3μm2(圖3(a)、(b)、(c))，相較于單峰型物性有很大改善。通過(guò)薄片發(fā)現(xiàn)該類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)中原生孔隙為主要儲(chǔ)集空間，顆粒之間以點(diǎn)—線接觸為主，一方面壓實(shí)作用相對(duì)比較弱，另一方面顆粒的包膜(膠結(jié)作用形成)有利于原生孔隙的保存[16]，儲(chǔ)集空間還包括粒內(nèi)溶孔和裂縫(圖3(d)、(e)、(f))。代表性巖心恒速壓汞參數(shù)特征顯示，該類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)中孔隙半徑主要分布在100 ～180 μm，平均值為136.72 μm，喉道半徑分布比較廣，相比較單峰型，該類(lèi)型大喉道存在頻率較高，頻率主要分布于0.1～1.1 μm之間，平均值為0.63 μm，遠(yuǎn)高于單峰型。恒速壓汞的孔隙度為19.9%，滲透率為56.6×10-3μm2。此孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型往往位于辮狀河三角洲相(水下)分流河道中心位置，為阜北地區(qū)的有效儲(chǔ)集層。

圖3 雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)特征Fig.3 Characteristics of double-peak type pore structure(a)阜北4井，3 258.72 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(b)阜北1井，2 906.15 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(c)阜北3井，3 903.65 m，J2t，核磁共振T2圖譜；(d)與圖(a)同井同深度的淺灰綠色中粒砂巖薄片(-)；(e)與圖(b)同井同深度的淺灰綠色細(xì)粒砂巖薄片(-)；(f)與圖(c)同井同深度的淺灰綠色中—細(xì)粒砂巖薄片(-)；(g)阜北1井，2 906.15 m，J2t，巖心孔隙半徑分布頻率直方圖；(h)與圖(g)同井同深度的喉道半徑分布頻率直方圖

以上兩類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)在頭屯河組三個(gè)段中都有發(fā)育，對(duì)區(qū)內(nèi)6口井的孔隙結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，頭一段以雙峰型為主，頭二段單峰型和雙峰型頻率基本相同，頭三段單峰型相對(duì)占比較大。以壓汞曲線的相對(duì)分選系數(shù)作為表征儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性程度的參數(shù)，相對(duì)分選系數(shù)越大，表明孔隙大小的分布越復(fù)雜，儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性越強(qiáng)。頭一段相對(duì)分選系數(shù)為0.30，頭二段的相對(duì)分選系數(shù)為0.32，頭三段的相對(duì)分選系數(shù)為0.38。因此單峰型和雙峰型出現(xiàn)頻率的差異造成頭屯河組孔喉非均質(zhì)性程度變化的關(guān)鍵因素，頭一段和頭二段儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)，頭三段儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性最強(qiáng)。

3.2 顆粒非均質(zhì)性

研究區(qū)頭屯河組顆粒非均質(zhì)性主要利用粒度資料，反映顆粒大小的變化程度，將平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行交會(huì)(圖4)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，平均粒徑為2φ(約0.25 mm)，屬于細(xì)—中砂范疇[20]，反映該粒徑非均質(zhì)性相對(duì)較弱，向極細(xì)砂巖、粉砂巖或者粗砂巖方向，顆粒非均質(zhì)性逐漸增加。結(jié)合孔喉非均質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)單峰型孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育在極細(xì)砂巖以及中粒砂巖中，雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育在中—細(xì)砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖內(nèi)，單峰型孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性受顆粒大小影響要強(qiáng)于雙峰型。

圖4 研究區(qū)頭屯河組平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差關(guān)系Fig.4 Relation between standard deviation and average particle size in Toutunhe Formation in the study area

3.3 填隙物非均質(zhì)性

膠結(jié)物和雜基的類(lèi)型、含量以及產(chǎn)狀對(duì)于儲(chǔ)集層孔隙差異性分布影響較大。研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層中膠結(jié)物類(lèi)型主要包括綠泥石、方解石以及方沸石，雖然膠結(jié)物的體積分?jǐn)?shù)不高，在砂質(zhì)儲(chǔ)層中膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)于膠結(jié)作用對(duì)于孔隙度的損害率[10]。通過(guò)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)同相對(duì)分選系數(shù)的交會(huì)(圖5(a))，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)越大，儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性強(qiáng)度越大。同時(shí)膠結(jié)物中綠泥石的產(chǎn)狀對(duì)于頭屯河組儲(chǔ)集層物性影響較大[16]，主要在雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)，雖對(duì)原生孔隙的保存有一定作用，但綠泥石包膜對(duì)于規(guī)則喉道的破壞較大，在后期開(kāi)發(fā)階段，容易致使儲(chǔ)集層發(fā)生酸敏，進(jìn)一步破壞儲(chǔ)集層滲透率[6,16]。雜基主要由泥級(jí)礦物組成，受控于沉積環(huán)境。前人的研究發(fā)現(xiàn)，雜基體積分?jǐn)?shù)越大，有利于壓實(shí)作用對(duì)于儲(chǔ)層物性的破壞，一般用壓實(shí)作用的損害率定量表示[10-11]。通過(guò)壓實(shí)作用損害率同相對(duì)分選系數(shù)的交會(huì)(圖5(b))，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)作用損害率越大，儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性越強(qiáng)。

圖5 研究區(qū)頭屯河組相對(duì)分選系數(shù)與填隙物體積分?jǐn)?shù)的交會(huì)圖Fig.5 Relations between relative sorting coefficient and volume fraction of interstitial material in Toutunhe Formation in the study area

整體而言，單峰型和雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)的差異主要源于沉積和成巖作用，在各自類(lèi)型內(nèi)部沉積條件相似的情況下，成巖作用是造成儲(chǔ)集層微觀非均質(zhì)性差異的重要原因，壓實(shí)和膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)集層物性影響最大。

4 宏觀非均質(zhì)性

儲(chǔ)集層宏觀非均質(zhì)性重點(diǎn)表征沉積作用對(duì)于儲(chǔ)集層砂體內(nèi)部、砂體之間以及平面砂體各項(xiàng)屬性分布的均勻程度[15]。結(jié)合微觀非均質(zhì)性研究基礎(chǔ)，有利于分析研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的影響因素。

4.1 層內(nèi)非均質(zhì)性

層內(nèi)非均質(zhì)性表現(xiàn)為垂向上砂體參數(shù)的變化，包括粒度、滲透率及其非均質(zhì)性以及夾層的類(lèi)型及分布[15,21]。

4.1.1 粒度韻律

利用測(cè)井曲線形態(tài)以及巖心錄井資料，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)頭屯河組的粒度韻律主要包含三類(lèi)，分別是復(fù)合正韻律、正韻律和均質(zhì)韻律。如圖6(a)，測(cè)井曲線整體雖呈現(xiàn)正韻律，但巖性剖面顯示是多套分流河道砂體疊加而成，巖心中顯示有多個(gè)沖刷面，上部砂巖有平行層理，粒度顯示為復(fù)合正韻律。圖6(b)測(cè)井顯示為正韻律，巖性剖面上反映為一套砂體，中部有夾層，巖心上顯示夾層為泥質(zhì)粉砂巖，粒度顯示為正韻律；圖6(c)測(cè)井曲線顯示箱形，形態(tài)均勻無(wú)變化，巖心上顯示為大套塊狀水下分流河道的灰色細(xì)—中砂巖，粒度顯示為均質(zhì)韻律。

圖6 研究區(qū)頭屯河組粒度及滲透率韻律變化特征Fig.6 Variation characterization of permeability rhythmic and grain-size of Toutunhe Formation in the study area(a)阜13井，J2t3；(b)阜15井，J2t2；(c)阜北1井，J2t2

4.1.2 滲透率韻律以及非均質(zhì)性

研究區(qū)頭屯河組滲透率韻律包含正韻律和復(fù)合韻律兩類(lèi)，滲透率為正韻律的砂體孔隙結(jié)構(gòu)以單峰型為主，復(fù)合韻律的砂體孔隙結(jié)構(gòu)以雙峰型為主。圖6(a)和(b)中的滲透率表現(xiàn)為正韻律以及多個(gè)正韻律的疊加，反映水動(dòng)力能量從強(qiáng)到弱的迅速變化過(guò)程，韻律底部滲透率較大，向上迅速變小。圖5(c)中的滲透率表現(xiàn)為復(fù)合韻律，反映沉積環(huán)境的變化對(duì)滲透率的影響，韻律底部水下分流細(xì)—中粒砂體對(duì)底部泥巖的沖刷會(huì)造成顆粒分選相對(duì)較差，滲透率有所降低；韻律中部表現(xiàn)為水動(dòng)力的適中持續(xù)階段，顆粒分選相對(duì)較好，滲透率表現(xiàn)為最好；韻律上部階段，隨著水動(dòng)力持續(xù)下降，顆粒的分選又慢慢變差，滲透率逐漸變差。在圖6(a)巖心中發(fā)現(xiàn)2 936 m以上單砂層沉積構(gòu)造以平行層理為主，垂向連通性較差；圖6(b)中單砂體垂向連通性受隔夾層影響同樣較差；圖6(c)的巖心表現(xiàn)為塊狀砂體，縱向上連通性比較好。

前人主要利用突進(jìn)系數(shù)(TK)、變異系數(shù)(VK)和級(jí)差(JK)反映層內(nèi)滲透率差異性程度[21-24]，圖6(a)單砂層的變異系數(shù)為1.5，突進(jìn)系數(shù)為2.73，級(jí)差為38.45；圖6(b)單砂體的變異系數(shù)為1.05，突進(jìn)系數(shù)為3.39，級(jí)差為47.15，總體表現(xiàn)為強(qiáng)非均質(zhì)性；圖6(c)單砂體的變異系數(shù)為0.7，突進(jìn)系數(shù)為2.03，級(jí)差為5 330.77，整體表現(xiàn)為中等非均質(zhì)性。因此綜合反映出正韻律滲透率砂體非均質(zhì)性要強(qiáng)于復(fù)合韻律滲透率砂體。

由于TK、VK和JK存在盲點(diǎn)以及數(shù)值范圍較大，結(jié)合勞倫茲曲線法(又稱“嚴(yán)科法”)所統(tǒng)計(jì)的非均質(zhì)性系數(shù)對(duì)層內(nèi)滲透率非均質(zhì)性進(jìn)行綜合判斷比較準(zhǔn)確(表1中k值)，該方法將不同形態(tài)滲透率分布曲線轉(zhuǎn)換為直線，直線的斜率大小與宏觀非均質(zhì)性成反比[11]。研究區(qū)頭屯河組變異系數(shù)為1.3，三個(gè)段的變異系數(shù)分布于0.87～1.41之間，突進(jìn)系數(shù)為4.8，三個(gè)段的突進(jìn)系數(shù)分布于2.58～3.25之間(圖7)。以儲(chǔ)集層非均質(zhì)性劃分標(biāo)準(zhǔn)角度(表1)，整個(gè)頭屯河組非均質(zhì)性很強(qiáng)，但三個(gè)段部分突進(jìn)系數(shù)表現(xiàn)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性處于中等程度。結(jié)合勞倫斯曲線法發(fā)現(xiàn)頭一段的非均質(zhì)性系數(shù)為0.442，頭二段的非均質(zhì)性系數(shù)為0.439，頭三段的非均質(zhì)性系數(shù)為0.078，反映砂體孔隙結(jié)構(gòu)以單峰型為主的頭三段儲(chǔ)層非均質(zhì)性最強(qiáng)，砂體孔隙結(jié)構(gòu)包含較多雙峰型的頭一段和頭二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)。

表1 儲(chǔ)集層非均質(zhì)性劃分標(biāo)準(zhǔn)(有修改)[25]

圖7 研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層滲透率非均質(zhì)性統(tǒng)計(jì)Fig.7 Permeability heterogeneity statistics for the reservoirs of Toutunhe Formation in the study area

4.1.3 層內(nèi)夾層類(lèi)型及分布

層內(nèi)夾層一般分為鈣質(zhì)夾層、泥質(zhì)夾層以及物性?shī)A層[21]。由于鈣質(zhì)膠結(jié)物整體含量較低，不會(huì)以基底以及嵌晶式膠結(jié)出現(xiàn)[21]，僅在薄片中偶爾可見(jiàn)區(qū)域性孔隙膠結(jié)，鈣質(zhì)夾層在研究區(qū)基本沒(méi)有。研究區(qū)頭屯河組常見(jiàn)泥質(zhì)夾層和物性?shī)A層，在測(cè)井曲線上的特征都為“高GR，低RT”。泥質(zhì)夾層較厚，往往是廢棄河道的充填或者泥質(zhì)沉積物直接覆蓋在砂體上，連續(xù)性較好，可展布在3～4個(gè)井距之間，封隔性能較強(qiáng)，和泥質(zhì)隔層較難區(qū)分；物性?shī)A層發(fā)育在河道單砂體間隙或上部，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖(圖6(b))，垂向上往往為幾厘米，和沉積水動(dòng)力的減弱相關(guān)，連續(xù)性較差，分布小于一個(gè)井距，分隔性能不如泥質(zhì)夾層。

夾層的厚度、密度(夾層厚度比單層厚度)以及頻率一般被用來(lái)表征夾層的分布特征，參數(shù)的大小同儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)弱呈正比[26]。通過(guò)對(duì)頭屯河組層內(nèi)夾層的分布特征研究(表2)，發(fā)現(xiàn)夾層在頭三段中分布較多，反映頭三段非均質(zhì)性最強(qiáng)。

表2 阜北地區(qū)頭屯河組砂巖儲(chǔ)層夾層分布特征統(tǒng)計(jì)表

4.2 層間非均質(zhì)性

層間非均質(zhì)性是對(duì)單個(gè)油藏或者含油層系的總體研究，針對(duì)砂體或者儲(chǔ)集層之間的屬性差異分析[15]。層間非均質(zhì)性依靠分層系數(shù)和砂巖密度進(jìn)行研究，分層系數(shù)越多，砂巖密度越小表示儲(chǔ)集層非均質(zhì)性越強(qiáng)，對(duì)后期注水開(kāi)發(fā)層間干擾越大。

砂體密度和砂地比是一個(gè)概念，反映砂體之間連通性，其數(shù)值如果在30%以上，代表砂體之間是局部連通或者大面積連片分布，相反則代表是連通性很差的孤立砂體[27]。雖然經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)頭屯河組三個(gè)段平均砂地比大于30%(表3)，但是頭一段和頭二段砂地比小于30%的鉆井分別占總井?dāng)?shù)的29.6%與25.9%，頭三段砂地比小于30%的鉆井占總井?dāng)?shù)的59.2%，頭三段大部分砂體為連通性較差的孤立砂體。前人結(jié)合高分辨層序地層學(xué)對(duì)研究區(qū)頭屯河組內(nèi)砂體進(jìn)行對(duì)比(圖8)，發(fā)現(xiàn)頭屯河組分層較密，發(fā)現(xiàn)井距相差5 km以上，砂體連通性變差，發(fā)育較多孤立砂體，整體非均質(zhì)性較強(qiáng)。頭一段與頭二段砂體相比頭三段砂體較厚，連通性要好。

表3 阜北地區(qū)頭屯河組分層系數(shù)和砂地比統(tǒng)計(jì)表

4.3 平面非均質(zhì)性

平面非均質(zhì)性的控制因素較多，包括儲(chǔ)集砂體的形態(tài)、規(guī)模以及物性變化[15]。

儲(chǔ)集砂體的形態(tài)以及規(guī)模主要通過(guò)砂體等值線圖來(lái)反映(圖9)。頭一段時(shí)期受東北方向物源影響，砂體厚度由東北向西南逐漸減薄。東北部砂體厚度較大，大部分區(qū)域砂體厚度可達(dá)50 m，主要由阜北4方向以及阜1方向條帶狀砂體匯合。結(jié)合沉積背景，認(rèn)為是辮狀河三角洲平原分流河道相互交叉疊置區(qū)域。東南部地區(qū)形成條帶狀辮狀河三角洲，砂體厚度最小為10 m，最大為30 m以上。頭二段時(shí)期，東北方向物源持續(xù)供應(yīng)，研究區(qū)砂體面積有一定程度擴(kuò)大，區(qū)內(nèi)鉆井砂體厚度最小值由原來(lái)的10 m，增加到20 m。東南部辮狀河三角洲面積擴(kuò)大最為明顯，大部分鉆井厚度可達(dá)30 m以上。頭三段時(shí)期，燕山運(yùn)動(dòng)使湖盆整體抬升，研究區(qū)內(nèi)沉積遭受剝蝕，砂體厚度明顯減少。東北部辮狀河三角洲面積明顯減少，砂體厚度最大在40 m以上，北部白家1井方向呈條帶狀分布，砂體厚度最大位于中部阜北3井，東南部辮狀河三角洲面積也明顯減少，最大厚度分布在20 m以上。整體來(lái)看，頭一段和頭二段砂體規(guī)模較大，頭三段砂體規(guī)模較小。

圖9 研究區(qū)頭屯河組砂體厚度等值線圖Fig.9 Thickness contour map of Toutunhe Formation sandbodies in the study area

在試油結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合資料完整程度，選擇重點(diǎn)層段頭二段砂體進(jìn)行平面物性非均質(zhì)性研究(圖10)。首先從孔隙度平面分布來(lái)看(圖10(a))，研究區(qū)大部分鉆井都能達(dá)到10%以上，數(shù)值相差不大，最高不超過(guò)19%，屬于中低孔。反映在3 000 m以下砂體儲(chǔ)集能力一般，孔隙度的高低同砂體分布規(guī)律基本一致。從滲透率的平面分布來(lái)看(圖10(b))，研究區(qū)頭二段大部分鉆井滲透率處于低滲范圍，同時(shí)滲透率與孔隙度的關(guān)聯(lián)程度不高，孔隙度高滲透率不一定好。非均質(zhì)系數(shù)反映儲(chǔ)集層宏觀非均質(zhì)性程度，其平面分布對(duì)于儲(chǔ)集層宏觀非均質(zhì)性的分布規(guī)律有一定的指示作用[22]。從非均質(zhì)系數(shù)的平面分布來(lái)看(圖10(c))，隨著物源方向，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性程度逐漸增加。但結(jié)合具體鉆井物性而言，并不是儲(chǔ)集層非均質(zhì)性越弱，勘探以及開(kāi)發(fā)效果就會(huì)越好。阜15井和阜北3井頭二段儲(chǔ)集物性都不錯(cuò)，但阜15井頭二段非均質(zhì)性系數(shù)遠(yuǎn)大于阜北3井，原因是阜15井頭二段儲(chǔ)集砂體縱向上孔隙結(jié)構(gòu)以雙峰型為主，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性相對(duì)較弱，阜北3井頭二段儲(chǔ)集砂體縱向上單峰型孔隙結(jié)構(gòu)同雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頻率相似，因此造成儲(chǔ)集層非均質(zhì)性相對(duì)要強(qiáng)很多。整體來(lái)看，頭屯河組儲(chǔ)集層宏觀以及微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)是因?yàn)閱畏逍秃碗p峰型孔隙結(jié)構(gòu)的不均勻分布造成，明確單峰型和雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)的影響因素，可揭示研究區(qū)頭屯河組非均質(zhì)性控制因素。

圖10 研究區(qū)頭二段砂體物性及非均質(zhì)性系數(shù)等值線圖Fig.10 Contour maps of the coefficients of anisotropy, porosity and permeability in Toutunhe Formation (2nd member) in the study area

5 非均質(zhì)性影響因素

5.1 沉積環(huán)境

頭屯河組時(shí)期，東北方向克拉美麗山為研究區(qū)提供充足物源[5]。頭一段和頭二段沉積時(shí)期，盆地基底平穩(wěn)沉降，可容納空間增加，物源持續(xù)供給，湖平面下降，頭一段主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相，頭二段主要發(fā)育辮狀河三角洲平原亞相，整體為辮狀河三角洲向湖盆進(jìn)積，表現(xiàn)為多期河道遷移與疊置，砂體厚度普遍較大，物源方向砂體連續(xù)性較好，其它方向砂體連續(xù)性較為復(fù)雜，造成層內(nèi)和層間非均質(zhì)性較強(qiáng)。同時(shí)，頭一段與頭二段不同的沉積環(huán)境造成雜基含量差別較大，頭一段平均含量為0.4%，頭二段平均含量為2.6%，對(duì)微觀非均質(zhì)性程度有一定影響。頭三段沉積時(shí)期，燕山運(yùn)動(dòng)造成基底抬升，河道側(cè)向擺動(dòng)頻繁，造成砂體厚度較小，連續(xù)性較差，層間與層內(nèi)非均質(zhì)性較強(qiáng)。前文已述，(水下)分流河道邊緣砂體孔隙結(jié)構(gòu)以單峰型為主，微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)；(水下)分流河道主體砂體孔隙結(jié)構(gòu)以雙峰型為主，微觀非均質(zhì)性相對(duì)較弱，反映出同一微相不同位置的非均值性亦有差異。

5.2 成巖環(huán)境

除沉積環(huán)境對(duì)于儲(chǔ)集層非均質(zhì)性程度有影響外，成巖環(huán)境對(duì)于儲(chǔ)集層非均質(zhì)性最為關(guān)鍵，特別是成巖作用中壓實(shí)作用和膠結(jié)作用。早期的機(jī)械壓實(shí)造成儲(chǔ)集層中孔隙減少，將儲(chǔ)集層往致密化發(fā)展，同顆粒成分以及結(jié)構(gòu)等有關(guān)系[28-29]。頭屯河組受物源影響，頭三段成分成熟度最低(表4)，石英作為抗壓性顆粒含量最低，因此受壓實(shí)作用影響較大，儲(chǔ)集層中單峰型孔隙結(jié)構(gòu)較多。同時(shí)頭三段中顆粒以細(xì)—中粒為主，50%左右顆粒磨圓和分選較差，頭一段和頭二段中顆粒有部分以粗—中砂巖為主，顆粒分選以及磨圓中等—好，在同等壓實(shí)作用條件下，頭三段儲(chǔ)集層孔隙及滲透率受破壞程度要大。

表4 阜北地區(qū)頭屯河組砂巖碎屑成分及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表

研究區(qū)頭屯河組普遍發(fā)育膠結(jié)作用，尤其是綠泥石膠結(jié)比較常見(jiàn)，它雖是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)儲(chǔ)集層致密化的重要原因，也是原生孔隙保存的主要因素[16]。綠泥石主要分布于碎屑顆粒表面，圍繞碎屑顆粒垂直顆粒表現(xiàn)向孔隙中心定向生長(zhǎng)，形成近于等厚的環(huán)邊，呈現(xiàn)薄膜式膠結(jié)，雖占據(jù)一定的孔隙，也使巖石內(nèi)部顆粒的支撐性加強(qiáng)。前人通過(guò)統(tǒng)計(jì)，綠泥石環(huán)邊厚度小于8 μm有利孔隙發(fā)育[16]，依賴于顆粒結(jié)構(gòu)。頭三段以次棱角為主的顆粒，綠泥石薄膜雖能保存大量孔隙，但極大破壞喉道形態(tài)以及之間的連通性，滲透率減小，往往出現(xiàn)于單峰型孔隙結(jié)構(gòu)；頭一段與頭二段以次圓狀顆粒為主，外薄膜雖占據(jù)大量孔隙，但喉道形態(tài)規(guī)則，連通性較好，有利于相對(duì)高滲透率的出現(xiàn)，多出現(xiàn)于雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)。頭三段的結(jié)構(gòu)成熟度要遠(yuǎn)差于頭一段和頭二段，因此綠泥石膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)集層物性的破壞性更大，造成非均質(zhì)性更強(qiáng)。在后續(xù)研究中，應(yīng)著重分析成巖過(guò)程對(duì)兩類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)形成的影響，結(jié)合油氣形成及運(yùn)移資料，展開(kāi)研究區(qū)頭屯河組油氣藏有利區(qū)的分析。

6 頭屯河組非均質(zhì)性研究對(duì)油氣勘探的啟示

同阜東斜坡區(qū)頭屯河組油氣勘探現(xiàn)狀比較[4-11]，雖然具備有利成藏條件[16,18]，阜北斜坡區(qū)頭屯河組油氣勘探明顯有較大差距。主要問(wèn)題在于儲(chǔ)層在三維空間的變化認(rèn)識(shí)不足，頭屯河組內(nèi)部重點(diǎn)勘探目標(biāo)有待落實(shí)。因此，在系統(tǒng)總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)之上，利用重點(diǎn)井段巖心的大量測(cè)試分析數(shù)據(jù)，以期能為上述問(wèn)題提供初步解答。

以往研究認(rèn)為，阜北斜坡區(qū)頭二段由于儲(chǔ)集砂體厚度大，砂地比高，分布面積廣，同阜東斜坡區(qū)重點(diǎn)含油氣層段頭二段一樣有利于油氣聚集[18,30]，但試油結(jié)果不理想。從上述研究中可發(fā)現(xiàn)，阜北斜坡區(qū)頭二段主要以辮狀河三角洲平原亞相為主，層內(nèi)夾層分布較為頻繁，泥質(zhì)含量較高，物性受壓實(shí)作用影響較大，孔隙結(jié)構(gòu)中雙峰型和單峰型分布頻率基本相同，造成頭二段儲(chǔ)層非均質(zhì)性程度較高，雖然存在油氣藏分布，但規(guī)模較小，產(chǎn)能不高，不能作為主要勘探目標(biāo)。相比而言，頭一段內(nèi)儲(chǔ)集砂體厚度、砂地比以及分布面積僅次于頭二段，但發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相，層內(nèi)夾層分布較少，綠泥石包膜含量高，泥質(zhì)含量低，雖埋藏深度大，但壓實(shí)作用對(duì)物性破壞相對(duì)較低，孔隙結(jié)構(gòu)以雙峰型為主，頭一段儲(chǔ)層非均質(zhì)性程度相對(duì)頭一段整體較低，更有利于油氣大面積聚集成藏。由于同一微相不同位置的非均值性亦有差異，因此在勘探過(guò)程中可結(jié)合河道砂巖地震響應(yīng)特征[30-31]，對(duì)儲(chǔ)集河道砂體主體和邊緣進(jìn)行識(shí)別，河道主體區(qū)域作為重要勘探區(qū)域進(jìn)行井位部署。

7 結(jié) 論

(1)在薄片、粒度、(恒速)壓汞曲線以及核磁曲線等測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，將頭屯河組孔隙結(jié)構(gòu)分成單峰型和雙峰型兩類(lèi)。通過(guò)表征孔喉、顆粒以及填隙物的非均質(zhì)性，認(rèn)為單峰型和雙峰型孔隙結(jié)構(gòu)分布差異是造成阜北地區(qū)頭屯河組微觀非均質(zhì)性程度差異的重要原因。

(2)頭屯河組的粒度韻律主要包含復(fù)合正韻律、正韻律和均質(zhì)韻律，滲透率韻律包含正韻律和復(fù)合韻律，夾層厚度及分布規(guī)律復(fù)雜，利用變異系數(shù)、突進(jìn)系數(shù)和勞倫茲曲線法統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)頭三段非均質(zhì)性最強(qiáng)，頭一段和頭二段非均質(zhì)性較強(qiáng)。

(3)沉積和成巖環(huán)境的綜合影響控制研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性。辮狀河三角洲向湖盆大范圍進(jìn)積，河道側(cè)向遷移加劇，造成儲(chǔ)集層宏觀非均質(zhì)性較強(qiáng)。壓實(shí)作用和膠結(jié)作用為形成單峰型和雙峰型兩類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，明確成巖作用是造成研究區(qū)頭屯河組儲(chǔ)集層非均質(zhì)性較強(qiáng)的最主要因素。最終認(rèn)為阜北地區(qū)頭屯河組內(nèi)的勘探目標(biāo)應(yīng)首選頭一段河道砂體主體區(qū)域，次要目標(biāo)為頭二段。