黃驊坳陷下石盒子組儲層特征及溶蝕孔隙成因分析

張紹輝 刁麗穎 吳雪松 段潤梅 王 冠 鄒磊落

(①中國石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院；②中國石油大港油田分公司第五采油廠)

0 引 言

黃驊坳陷是一個(gè)已經(jīng)勘探了近60年的老探區(qū)，探明程度超過50%，中淺層勘探難度越來越大，因此埋藏較深的二疊系砂巖儲層成為目前主要研究目標(biāo)。黃驊坳陷二疊系勘探程度總體上不如中生界和奧陶系，多數(shù)鉆遇井均是鉆探奧陶系過程中的“過路”井，盡管勘探程度較低，但二疊系仍有一定的發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代扣村潛山二疊系下石盒子組砂巖儲層中就獲得了工業(yè)油氣流，近年在烏馬營-王官屯潛山二疊系下石盒子組砂巖儲層中獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，顯示出二疊系下石盒子組儲層良好的勘探潛力。由于二疊系儲層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，平面上儲層差異較大，本次通過應(yīng)用砂巖薄片與鑄體薄片觀察、掃描電鏡觀察、鏡質(zhì)體反射率及毛細(xì)管壓力綜合分析方法，對黃驊坳陷下石盒子組砂巖儲層特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并重點(diǎn)探討了下石盒子組儲層溶蝕孔隙的形成機(jī)理。該研究對黃驊坳陷乃至整個(gè)渤海灣盆地二疊系下一步油氣藏勘探部署具有一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黃驊坳陷位于埕寧隆起和滄縣隆起之間，呈北東走向，面積約為1.8×104km2[1]。坳陷內(nèi)石炭-二疊系較為發(fā)育，在北區(qū)、中區(qū)和南區(qū)均有分布。北區(qū)殘余地層厚度總體在200 m以下；中區(qū)的埕海地區(qū)上古生界保存較為完整，大部分地區(qū)的殘余地層厚度在600 m以上；南區(qū)石炭-二疊系厚值區(qū)連片發(fā)育，孔店、王官屯、徐黑、烏馬營和滄縣隆起地區(qū)均發(fā)育有殘余地層厚度在800 m以上的區(qū)域(圖1)?？傮w上看石炭-二疊系殘余地層分布具有北薄南厚的特征，其中下石盒子組沉積時(shí)期，以曲流河及辮狀河沉積為主，砂體厚度大，分布穩(wěn)定，為石炭-二疊系主力儲層段[2-3]。

2 下石盒子組儲層特征

2.1 儲層巖石學(xué)特征

下石盒子組地層巖石類型整體上以巖屑石英砂巖和巖屑長石砂巖為主，長石石英砂巖次之，相比下伏山西組地層，下石盒子組地層的石英含量較高。本層段內(nèi)巖屑類型以巖漿巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑為主，沉積巖巖屑含量較低；云母礦物較為常見，含量在1%～5%之間，在鏡下可見云母呈定向排列特征；重礦物鮮有發(fā)育，偶見黃鐵礦。

碎屑顆粒分選性由好到中等，磨圓為次棱角狀，膠結(jié)類型主要為接觸式和孔隙式，顆粒支撐，在研究區(qū)中部個(gè)別井可見雜基支撐類型，碎屑顆粒粒度主要介于0.125～0.5 mm之間，相比下伏山西組、太原組地層粒度變粗。

研究層段內(nèi)孔隙內(nèi)填隙物含量中等，平均含量為10.5%。填隙物中泥質(zhì)雜基含量3.8%，主要為泥質(zhì)和水云母類。而成巖過程中的膠結(jié)產(chǎn)物是填隙物的主要組成部分，包括黏土礦物膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物和菱鐵礦膠結(jié)物等。

2.2 儲層孔隙空間類型

黃驊坳陷下石盒子組儲集空間主要有次生粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間微孔、微裂縫等(圖2)，其中以次生粒間溶孔及粒內(nèi)溶孔為主，其占比達(dá)65%。

粒間溶孔形成于儲層成巖作用階段，主要由長石顆粒和巖漿巖巖屑的溶蝕改造形成，孔隙內(nèi)常見礦物溶蝕殘余，粒間溶孔改善了儲層孔滲性能。粒內(nèi)溶孔成因與粒間溶孔成因類似，均為長石顆粒和巖漿巖巖屑的溶蝕作用在組分內(nèi)部形成的溶孔，其中也常見所在礦物內(nèi)的溶蝕殘余物。此類孔隙雖然增加了儲層孔滲性能，但由于受到顆粒(礦物)外部輪廓的限制，此類孔隙的發(fā)育沒有顯著增加孔喉的連通效應(yīng)(圖2a)。

圖2 黃驊坳陷下石盒子組砂巖儲層成巖作用圖板

晶間微孔是砂巖在成巖過程中形成于碎屑顆粒內(nèi)自生礦物晶體間的微孔隙，占比可達(dá)到34%，但是對儲層滲透率貢獻(xiàn)微乎其微，因此并不是有效的儲集空間。微裂縫呈不規(guī)則彎曲狀，切割碎屑顆粒，主要發(fā)育在埋深較淺的WS 1井區(qū)，是由于碎屑顆粒在巨大的壓力下發(fā)生破碎，沿著破裂面發(fā)生溶蝕造成的。

2.3 儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

下石盒子組樣品半數(shù)以上孔隙度都在9%～12%之間，經(jīng)研究表明，隨著樣品孔隙度增加，其滲透率呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，表明下石盒子組儲層為一個(gè)孔隙型儲層。從樣品的毛管壓力曲線形態(tài)來看(圖3)，大部分樣品都呈現(xiàn)Ⅱ類或Ⅲ類毛管壓力曲線形態(tài)，Ⅱ類毛管壓力曲線呈平臺型，分選中等，并呈略粗歪度，Ⅲ類毛管壓力曲線呈緩坡或斜坡型，分選差，并呈細(xì)歪度，表明下石盒子組儲層以中孔中細(xì)喉型和中小孔細(xì)喉型為主，孔喉連通性比較差，具有低-中等排驅(qū)壓力和較高的飽和度中值壓力。由于平均滲透率只有0.15 mD，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，下石盒子組屬低孔-超低滲儲層。

圖3 黃驊坳陷下石盒子組毛管壓力曲線

2.4 儲層成巖階段劃分及成巖相分析

砂巖儲集性能受控于成巖演化程度[6]，本套儲層主要識別出兩大類成巖作用(圖2)：一是破壞性成巖作用，包括壓實(shí)壓溶作用和膠結(jié)作用；二是建設(shè)性成巖作用，包括破裂作用和溶蝕作用。

通過對多口井巖屑薄片的觀察發(fā)現(xiàn)，處于不同深度的下石盒子組儲層碎屑顆粒間壓實(shí)程度基本相同，都為凹凸接觸狀態(tài)，排列比較緊密，通過對孢粉顏色、伊/蒙混層中蒙皂石含量、Tmax及Ro值等參數(shù)(表1)的分析[1]，確定黃驊坳陷下石盒子組基本處于中成巖作用A期，伊/蒙混層中蒙皂石的含量介于15%～50%之間。這表明下石盒子組在固結(jié)成巖之前，經(jīng)歷了相似的成巖環(huán)境，現(xiàn)今的差異主要是由于后期的運(yùn)動導(dǎo)致儲層差異沉降或者抬升剝蝕造成的[7]。

表1 黃驊坳陷下石盒子組成巖階段劃分

前期對本區(qū)儲層成巖作用的研究表明，對儲層物性具有明顯控制作用的成巖作用類型主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。各種成巖作用對儲集物性的影響程度采用壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用的強(qiáng)度來衡量，從而進(jìn)一步劃分出成巖相，對成巖相的特征進(jìn)行分析。表2為黃驊坳陷下石盒子組成巖相計(jì)算數(shù)據(jù)，依據(jù)碎屑巖成巖強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)(表3)[8]，黃驊坳陷下石盒子組屬于中強(qiáng)壓實(shí)強(qiáng)度和強(qiáng)膠結(jié)程度，溶蝕情況為弱蝕，屬于中強(qiáng)壓實(shí)強(qiáng)膠結(jié)弱溶蝕成巖相。

表2 黃驊坳陷下石盒子組成巖相計(jì)算數(shù)據(jù)

表3 碎屑巖成巖強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)

3 次生孔隙成因探討

溶蝕作用對下石盒子組儲層的改造和物性影響至關(guān)重要[9-10]。下石盒子組儲層的儲集能力主要來源于粒間溶蝕孔隙，其形成于儲層成巖作用階段，主要由長石顆粒和巖漿巖巖屑的溶蝕改造形成，孔隙形態(tài)不規(guī)則，常呈現(xiàn)港灣狀等溶蝕殘余邊界，孔隙內(nèi)也常見礦物溶蝕殘余，此類孔隙擴(kuò)大了粒間孔的伸展范圍，增強(qiáng)了其原生孔滲性能，故連通性較好。

長石顆粒和巖漿巖巖屑的溶蝕改造一般在兩種情況下比較常見，一是大氣淡水的風(fēng)化淋濾作用下的溶蝕，二是有機(jī)酸溶蝕。

3.1 大氣淡水淋濾溶蝕

大氣淡水淋濾溶蝕發(fā)育于低溫的開放體系中，主要發(fā)育在風(fēng)化剝蝕面附近，或者地層遠(yuǎn)端出露地表，溶蝕物容易被帶走，留下大塊孔隙(圖2f)。

黃驊坳陷中部地區(qū)，由于抬升剝蝕作用，部分地區(qū)可能殘存下石盒子組地層。以最新鉆遇下石盒子組的A井為例，下石盒子組地層被強(qiáng)烈剝蝕，只留有下石盒子組中下部一套砂巖地層，在該層發(fā)現(xiàn)良好的油氣顯示。大氣淡水淋濾溶蝕主要發(fā)育在黃驊坳陷中部，如北大港、扣村地區(qū)，該區(qū)上古生界地層剝蝕嚴(yán)重，殘留了部分下石盒子組地層,其發(fā)育模式如圖4a所示。

3.2 有機(jī)酸溶蝕

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)黃驊坳陷上石盒子組、下石盒子組、山西組和太原組樣品發(fā)現(xiàn)，隨著地層由新變老，其溶蝕孔隙占比(總體積)逐漸增加，上石盒子組溶蝕孔隙占比為1.4%，下石盒子組溶蝕孔隙占比為2.8%，山西組和太原組溶蝕孔隙占比達(dá)到了3.1%，地層從上到下、從新到老儲層溶蝕孔隙占比逐漸增加，表明下石盒子組儲層溶蝕孔隙的形成是有機(jī)酸溶蝕占主導(dǎo)地位，其發(fā)育模式如圖4b所示。

圖4 黃驊坳陷下石盒子組儲層溶蝕作用模式

國外研究表明，烴源巖中有機(jī)酸是在干酪根生油高峰之前大量生成的，羥酸大量形成主要發(fā)生于Ro值在0.5%的階段，上、下石盒子組地層之下的山西組和太原組地層發(fā)育大量的煤系地層，且其Ro值均達(dá) 到了有機(jī)酸形成閾值，在此過程中釋放了大量的有機(jī)酸，而有機(jī)酸可造成儲層中易溶組分(主要為長石)的溶蝕，如鉀長石在有機(jī)酸存在的條件下有如下反應(yīng)：

鉀長石+有機(jī)酸+H2O→高嶺石+石英[10]

有機(jī)酸導(dǎo)致煤系地層附近砂巖的次生孔隙比較發(fā)育，通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)，溶蝕孔隙中黏土礦物大量存在，表明成巖體系并不是開放體系，水動力較弱，長石溶蝕所生成的產(chǎn)物并沒有隨地層流體遷走，而是就近沉淀在溶蝕孔隙中。沉淀在粒間孔隙中的高嶺石也可以直接或者間接地形成其他自生黏土礦物，如高嶺石在120～150℃的溫度區(qū)間內(nèi)會變得不穩(wěn)定而轉(zhuǎn)變成伊利石，或與長石反應(yīng)生成伊利石和石英：

Al2Si2O5(OH)4+KAlSi3O8→

KAl3Si3O10(OH)2+SiO2+H2O[11]

由上文可知，黃驊坳陷下石盒子組儲層處于中成巖作用A期，可見自生高嶺石及伊/蒙混層黏土礦物，其主要是源于長石的溶解及后續(xù)反應(yīng)生成。黃驊坳陷發(fā)育兩種模式的溶蝕作用：一是大氣淡水的風(fēng)化淋濾作用主導(dǎo)的溶蝕；二是有機(jī)酸溶蝕占主導(dǎo)地位的溶蝕。

由于中生代的印支構(gòu)造運(yùn)動的影響，造成了黃驊坳陷古生界基底南沉北抬的構(gòu)造格局，中北部地區(qū)下石盒子組地層基本剝蝕殆盡，而黃驊坳陷南部表現(xiàn)為相對沉降，上古生界地層保存相對完整。由于中部地區(qū)還殘留部分下石盒子組地層，靠近剝蝕面，主要發(fā)育大氣淡水溶蝕，而南部地區(qū)地層則保存相對完整，以有機(jī)酸溶蝕占主導(dǎo)地位。

4 結(jié) 論

(1)黃驊坳陷下石盒子組砂體發(fā)育，主要儲集空間是以次生粒間溶孔及粒內(nèi)溶孔為主，儲集性能良好，為潛山重點(diǎn)勘探層系之一。

(2)通過孢粉顏色、伊/蒙混層中蒙皂石含量、Tmax及Ro值確定黃驊坳陷下石盒子組基本處于中成巖作用A期，屬于中強(qiáng)壓實(shí)強(qiáng)膠結(jié)弱溶蝕成巖相。溶蝕作用對下石盒子組儲層的改造及對溶蝕型優(yōu)勢儲層的形成至關(guān)重要。

(3)下石盒子組儲層發(fā)育兩種模式的溶蝕作用：一種是大氣淡水的風(fēng)化淋濾作用主導(dǎo)的溶蝕，主要發(fā)育在中部地區(qū)，如扣村、北大港地區(qū)；另一種是有機(jī)酸溶蝕占主導(dǎo)地位的溶蝕，主要發(fā)育在南部地區(qū)，如烏馬營、王官屯地區(qū)。