蘇北盆地曲塘次凹阜寧組三段儲(chǔ)層特征及主控因素

仲米劍，劉喜杰，萬 歡，劉玉明，逄建東，郭清正，石雪峰，葛 巖

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

海安凹陷是蘇北盆地富油凹陷之一，早期油氣勘探目的層系主要圍繞泰州組展開，凹陷南部被認(rèn)為是“皮厚肉薄”的貧油帶[1]。隨資源規(guī)模、油氣成藏認(rèn)識(shí)的提升，海安凹陷勘探在主力勘探層系、有利區(qū)帶及目標(biāo)類型等方面發(fā)生轉(zhuǎn)變，以曲塘次凹阜寧組三段(阜三段)灘壩型儲(chǔ)層為目的層段的巖性油氣藏進(jìn)入油氣勘探領(lǐng)域，成為重要勘探目標(biāo)[2-5]。目前，已形成灘壩砂體構(gòu)型表征及模式、利用地震屬性及儲(chǔ)層反演實(shí)現(xiàn)對(duì)灘壩薄儲(chǔ)層砂體的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)[6-7]，提高勘探成效，并指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)灘壩型巖性油氣藏，預(yù)示海安凹陷灘壩型儲(chǔ)層具有較大的勘探潛力[8-9]。人們開展對(duì)海安凹陷阜寧組儲(chǔ)層成巖作用、儲(chǔ)層四性關(guān)系判別解釋、儲(chǔ)層主控因素分析的相關(guān)研究，郗鵬等[10]認(rèn)為，海安凹陷屬于典型的低孔特低滲致密砂巖儲(chǔ)層，壓實(shí)、膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層致密，溶解作用改善儲(chǔ)層物性；楊皓凱等[11]認(rèn)為，中孔中低滲的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為阜三段有利儲(chǔ)層；冉懷江[12]認(rèn)為，沉積、成巖及構(gòu)造作用對(duì)海安凹陷阜三段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育產(chǎn)生重要影響。相比于高郵、金湖等勘探程度較高的凹陷，海安凹陷的研究主要是從單一因素開展，各因素之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，缺乏系統(tǒng)性綜合評(píng)價(jià)，并且隨勘探開發(fā)程度的不斷深入，無法滿足各次凹精細(xì)化勘探的需要。因此，有必要通過儲(chǔ)層主控因素分析對(duì)曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層進(jìn)行研究，彌補(bǔ)在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方面的不足。

利用常規(guī)壓汞與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，闡明孔隙結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致研究區(qū)儲(chǔ)層物性，尤其是滲透率差異性的影響因素及原因；結(jié)合成巖作用定量化評(píng)價(jià)，對(duì)儲(chǔ)層物性主控因素進(jìn)行分析，開展儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)，為進(jìn)一步落實(shí)曲塘次凹油氣資源評(píng)價(jià)、油藏規(guī)模和產(chǎn)能建設(shè)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

蘇北盆地為典型箕狀斷陷盆地，具有“坳—斷—坳”三層結(jié)構(gòu)特征[13]。海安凹陷總體表現(xiàn)為“七次凹夾一斷隆”的構(gòu)造格局，自北向南依次分布孫家洼、豐北、富安、新曹、新街、海北和曲塘次凹。以泰州凸起和海中斷隆為界，北側(cè)為北傾斷層控制的箕狀凹陷，南側(cè)為南傾斷層控制的箕狀凹陷，由北傾斷控箕狀凹陷、泰州凸起和海中斷隆，以及南傾斷控箕狀凹陷共同組成海安凹陷塹壘構(gòu)造[14](見圖1)。

圖1 海安凹陷構(gòu)造形態(tài)及地層特征(據(jù)文獻(xiàn)[14]修改)

曲塘次凹發(fā)育白堊系—第四系，總厚度約為5 km，自下而上分別發(fā)育赤山組、泰州組、阜寧組、戴南組、三垛組、鹽城組、東臺(tái)組。次凹內(nèi)的沉積地層以古近系中、下部為主體。除三垛運(yùn)動(dòng)使?jié)u新統(tǒng)缺失以外，真武運(yùn)動(dòng)對(duì)海安凹陷戴南組剝蝕嚴(yán)重，戴南組二段全部缺失，其他各套地層自上白堊統(tǒng)向上全部發(fā)育。古近系阜寧組自下而上分為阜寧組一段、二段、三段和四段。阜三段沉積時(shí)期主要為濱淺湖沉積環(huán)境，可進(jìn)一步劃分為壩砂、灘砂和濱淺湖泥，灘壩沉積主要為波浪對(duì)高郵凹陷浪控三角洲前緣砂體的再次分配作用而形成[15]。

2 儲(chǔ)層物性及孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 巖石學(xué)及物性特征

曲塘次凹阜三段砂巖類型整體為巖屑長(zhǎng)石砂巖，長(zhǎng)石、石英、巖屑平均占比分別為30.3%、46.1%、23.6%，磨圓度為次棱—次圓狀。填隙物體積分?jǐn)?shù)較高，主要介于30.00%～40.00%，平均為33.23%，以泥質(zhì)雜基為主，占比可達(dá)22.6%；膠結(jié)物類型較豐富，包括鐵白云石、鐵方解石等碳酸鹽膠結(jié)物，以及黃鐵礦、高嶺石、綠泥石等黏土礦物膠結(jié)物，石英次生加大邊呈Ⅱ級(jí)(見圖2)，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)。碎屑顆粒主要表現(xiàn)為不等粒砂巖，以細(xì)砂—細(xì)粉砂為主，體積分?jǐn)?shù)分別為28.56%、26.48%；其次為極細(xì)砂、粗粉砂。細(xì)粉砂巖平均粒徑為4.10?，標(biāo)準(zhǔn)偏差平均為2.25；偏態(tài)為正偏，平均為0.42，峰態(tài)為中等—偏尖銳，平均為1.06。

圖2 吉X井阜三段砂巖填隙物類型

利用壓汞法測(cè)得阜三段儲(chǔ)層孔隙度主要介于10.00%～20.00%，平均為15.95%；滲透率變化較大，主要介于(0.10～1.00)×10-3μm2，平均為0.44×10-3μm2，為中孔、超低—特低滲儲(chǔ)層。孔滲相關(guān)關(guān)系一般(見圖3)，在常規(guī)孔滲趨勢(shì)背景下以滲透率偏高為特點(diǎn)，可能與建設(shè)性成巖作用對(duì)儲(chǔ)層改造或裂縫有關(guān)。

圖3 阜三段孔隙度與滲透率交會(huì)

2.2 孔隙類型及結(jié)構(gòu)特征

鑄體薄片資料顯示，次生溶蝕孔隙是阜三段儲(chǔ)層的主要孔隙類型，以粒內(nèi)溶蝕孔隙及顆粒溶蝕孔隙為主(見圖4(a-b))，還可見殘余粒間孔(見圖4(c))，面孔率較低，平均為2.20%?？紫抖啾荒噘|(zhì)雜基、黏土礦物膠結(jié)物及碳酸鹽膠結(jié)物充填。

圖4 吉X井阜三段儲(chǔ)層主要孔隙類型

壓汞實(shí)驗(yàn)可以定量刻畫儲(chǔ)集砂體的孔喉微觀結(jié)構(gòu)特征[16-21]。采用常規(guī)壓汞與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，刻畫孔喉組合結(jié)構(gòu)特征，以認(rèn)識(shí)孔隙和喉道對(duì)于儲(chǔ)層滲透性的控制作用。

阜三段常規(guī)壓汞平均孔喉半徑為0.156 μm，分選因數(shù)介于1.50～3.00，粗、細(xì)歪度均有分布，排驅(qū)壓力平均為1.92 MPa，中值壓力平均為24.02 MPa，平均最大進(jìn)汞飽和度為80.75%(見表1)。

表1 吉X井阜三段常規(guī)壓汞孔隙結(jié)構(gòu)物性參數(shù)

恒速壓汞分析結(jié)果(見表2)顯示，最終進(jìn)汞飽和度主要以喉道的貢獻(xiàn)為主，且總喉道進(jìn)汞飽和度是總孔隙進(jìn)汞飽和度的兩倍以上。喉道對(duì)儲(chǔ)層滲透性具有明顯的控制作用，較高的孔喉半徑比及較低的總孔喉體積比是超低—特低滲透率的主要原因。雖然孔隙度相差不大，但滲透率和進(jìn)汞飽和度出現(xiàn)較大差異。原因在于平均喉道半徑和總孔喉體積比越高，平均孔喉半徑比和迂曲度越低，喉道的性能相對(duì)更優(yōu)越，更有利于改善儲(chǔ)層的滲透性。

表2 吉X井阜三段恒速壓汞孔隙結(jié)構(gòu)物性參數(shù)

吉X井阜三段孔喉半徑普遍小于1.000 μm，屬于微細(xì)喉，孔喉半徑分布的峰位在0.010～0.040 μm之間。當(dāng)0.400 μm<孔喉半徑<1.000 μm時(shí)，隨孔喉半徑的減小，分布頻率增加，滲透率貢獻(xiàn)率也隨之增加；當(dāng)孔喉半徑<0.400 μm時(shí)，隨孔喉半徑的減小，滲透率整體呈較快速遞減趨勢(shì)，與分布頻率無明顯相關(guān)關(guān)系；當(dāng)孔喉半徑<0.010 μm時(shí)，對(duì)滲透率幾乎無貢獻(xiàn)(見圖5)。

圖5 吉X井阜三段孔喉半徑對(duì)滲透率貢獻(xiàn)分布

根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與孔隙度、滲透率之間的相關(guān)關(guān)系，儲(chǔ)集砂體物性、孔隙結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，影響因素具有多樣性。如滲透率與最大孔喉半徑、平均孔喉半徑呈正相關(guān)關(guān)系，孔喉半徑越大，滲透率越高，與中值半徑相關(guān)關(guān)系較差，因此，不能將中值半徑等同于平均孔喉半徑，孔喉分選具有明顯的差異性。歪度與滲透率、孔喉半徑無明顯相關(guān)關(guān)系(見圖6(a-b))，負(fù)歪度對(duì)應(yīng)的滲透率、孔喉半徑普遍高于正歪度的，歪度代表的偏大孔喉半徑或偏小孔喉半徑是相對(duì)自身孔喉半徑的，不具備絕對(duì)性。同樣，相對(duì)分選因數(shù)與分選因數(shù)為喉道分選程度的反映，具有負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖6(c))，其相關(guān)關(guān)系也具有相對(duì)性。雖然分選因數(shù)低，但在小孔喉半徑條件下，相對(duì)分選因數(shù)偏高，表現(xiàn)為即使相對(duì)小孔分選較好，其物性也可能較差；相對(duì)大孔雖然分選較差，但物性也可能較好。因此，在比較量綱不同的兩個(gè)隨機(jī)變量的分散程度時(shí)，用相對(duì)分選因數(shù)可以消除隨機(jī)變量產(chǎn)生的相互影響。在孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)有針對(duì)性地選取相關(guān)壓汞參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層的平均孔喉半徑、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選因數(shù)等參數(shù)可作為儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)的參考依據(jù)。

圖6 吉X井歪度與物性、孔喉半徑及分選因數(shù)交會(huì)

3 成巖作用及演化

3.1 成巖作用類型

利用鑄體薄片鑒定，結(jié)合掃描電鏡觀察及X線衍射分析等，阜三段主要成巖作用類型包括壓實(shí)(壓溶)作用、膠結(jié)作用、交代作用及溶蝕作用。顆粒間以點(diǎn)—線接觸為主，壓實(shí)強(qiáng)度中等，局部可見壓溶作用形成的石英次生加大現(xiàn)象(見圖7(a))。膠結(jié)作用主要為碳酸鹽膠結(jié)(見圖7(b))，呈嵌晶狀或星散狀充填于粒間孔，其次可見少量的高嶺石、黃鐵礦等黏土礦物膠結(jié)。阜三段交代作用較強(qiáng)，為方解石與碎屑顆粒(長(zhǎng)石)、黏土礦物與長(zhǎng)石、方解石與膠結(jié)物、鐵方解石與鐵白云石等之間的交代(見圖7(c))；另外，也可見長(zhǎng)石的高嶺石化等現(xiàn)象。溶蝕作用作為改善儲(chǔ)層物性的主要成巖作用，表現(xiàn)為粒內(nèi)和粒間的溶蝕次生孔隙(見圖7(d))，主要通過對(duì)長(zhǎng)石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物等的溶蝕實(shí)現(xiàn)的。

圖7 吉X井阜三段主要成巖作用類型

3.2 成巖演化階段

阜寧組二段(阜二段)為研究區(qū)主要烴源巖層段，在成巖階段劃分時(shí)，將阜二段一并考慮。曲塘次凹阜三段和阜二段處于中成巖階段A期(見圖8)，主要判斷依據(jù)包括：(1)有機(jī)質(zhì)成熟度為低成熟，Ro為0.52%～0.67%，Tmax為434～444 ℃；(2)可見含鐵碳酸鹽類膠結(jié)物，如鐵方解石、鐵白云石，以交代、膠結(jié)形式出現(xiàn)；(3)石英次生加大屬于Ⅱ級(jí)；(4)可見自生高嶺石、伊/蒙混層、絲發(fā)狀自生伊利石、葉片狀綠泥石等，不含蒙皂石；(5)可見長(zhǎng)石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物等被溶蝕，除部分保留原生殘余粒間孔外，孔隙以次生孔隙為主。

圖8 曲塘次凹阜三段和阜二段成巖階段劃分

3.3 儲(chǔ)層孔隙演化

成巖作用及其演化與孔隙演化關(guān)系密切，成巖作用更替及相互作用的同時(shí)對(duì)砂巖的孔隙演化產(chǎn)生重要影響[22-27]。根據(jù)鑄體薄片及鏡下觀察，可以預(yù)測(cè)原始孔隙度、壓實(shí)率、膠結(jié)率、微孔率及次生溶蝕孔隙的占比(見表3)。一方面，阜三段儲(chǔ)層受機(jī)械沉積作用影響，充填原生粒間孔隙，原始孔隙度較低(平均為24.76%)；另一方面，顆粒周圍的泥質(zhì)增強(qiáng)顆粒的抗壓能力(壓實(shí)率平均為19.1%)。微孔率的大小與砂巖中黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)呈正比，較高的膠結(jié)率(平均為50.3%)和微孔率(平均為70.9%)表明，膠結(jié)作用使孔隙連通性變差，這些微孔隙的存在及其較差的連通性是造成儲(chǔ)層滲透率較低的主要原因。次生溶蝕孔隙占比平均為29.1%，在一定程度上改善砂巖的儲(chǔ)集性能。成巖指數(shù)整體偏低，平均為0.34，成巖強(qiáng)度偏弱，建設(shè)性成巖作用較占優(yōu)勢(shì)。

表3 阜三段成巖強(qiáng)度及物性統(tǒng)計(jì)

中成巖階段，阜三段有機(jī)質(zhì)開始進(jìn)入生油門限。有機(jī)質(zhì)在向烴類轉(zhuǎn)化過程中釋放CO2，使孔隙流體呈酸性，造成砂巖中不穩(wěn)定組分的溶蝕和次生孔隙的形成；自生綠泥石、高嶺石等形成并充填于部分孔隙空間，同時(shí)作用于石英顆粒的化學(xué)壓溶作用加強(qiáng)，石英次生加大邊開始逐漸形成，原生孔隙大量減少。孔隙組成主要以剩余原生粒間孔隙、次生溶蝕孔隙為主。隨有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，有機(jī)酸的濃度降低，受膠結(jié)及進(jìn)一步石英次生加大等作用的影響，儲(chǔ)層物性逐漸變差(見圖9)。

圖9 曲塘次凹阜三段不同成巖階段孔隙演化

4 儲(chǔ)層主控因素及綜合評(píng)價(jià)

4.1 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層控制因素

曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層發(fā)育主要受沉積相帶和成巖作用控制。灘砂多沉積于湖岸線凹進(jìn)區(qū)，與湖岸帶緊密相鄰，中間無水體間隔，碎屑顆粒平面上以垂直湖岸線方向的橫向運(yùn)移為主，垂向上砂體多呈孤立式；壩砂多形成于湖岸凸出區(qū)，呈巨大的單一條帶狀砂體，與湖岸間有水體間隔，碎屑顆粒平面上主要沿平行湖岸方向縱向搬運(yùn)并沉積，受沿岸流控制明顯，垂向上多呈側(cè)積疊加式(見圖10)。灘、壩的沉積差異對(duì)砂體及儲(chǔ)層物性具有較明顯的影響，在測(cè)井曲線特征及油層分布上也存在較大差異，如壩砂的儲(chǔ)集物性及含油性相對(duì)優(yōu)于灘砂的，壩砂表現(xiàn)為低自然伽馬、低密度、高聲波時(shí)差的“兩低一高”測(cè)井響應(yīng)特征，主要為油層、差油層；灘砂表現(xiàn)為自然伽馬、密度偏高，聲波時(shí)差偏低，中子孔隙度差異較小，主要為干層、差油層(見表4)。

圖10 研究區(qū)灘壩沉積模式

表4 曲塘次凹阜三段灘壩差異成因

填隙物的含量、產(chǎn)狀，以及破壞性成巖作用和建設(shè)性溶蝕作用的強(qiáng)度也是影響儲(chǔ)層物性的決定因素。吉X井2 753.30 m處樣品的孔隙度為20.60%，滲透率為1.33×10-3μm2，物性條件較好，根據(jù)鏡下薄片及掃描電鏡分析，樣品填隙物含量中等，黏土膜包圍碎屑顆粒邊緣，顆粒為點(diǎn)—線接觸，壓實(shí)率偏低，有少量鐵方解石和鐵白云石，膠結(jié)作用較弱；同時(shí)可見顆粒溶蝕孔及粒間溶蝕孔隙，在一定程度上改善儲(chǔ)層的物性(見圖11(a-b))，改善作用大于破壞作用。吉X井2 754.18 m處樣品的孔隙度為14.80%，滲透率為0.18×10-3μm2，物性條件相對(duì)較差，其填隙物含量中等偏低，抗壓實(shí)作用偏弱，鐵方解石含量較高，膠結(jié)、交代作用較強(qiáng)，雖然也發(fā)育一定的溶蝕孔隙，但程度較弱(見圖11(c))，破壞作用大于改善作用。

圖11 吉X井阜三段鏡下薄片

4.2 儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層巖石學(xué)、物性、孔隙類型和結(jié)構(gòu)、成巖作用分析，結(jié)合儲(chǔ)層控制因素及生產(chǎn)實(shí)際，以沉積類型、成巖作用、孔隙類型差異為主要依據(jù)；同時(shí)參考儲(chǔ)層含油性，確定阜三段儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表5)。研究區(qū)儲(chǔ)層分為4類，Ⅰ類儲(chǔ)層占比為8.3%，Ⅱ類儲(chǔ)層占比為54.2%，Ⅲ類儲(chǔ)層占比為37.5%，Ⅳ類儲(chǔ)層為無效儲(chǔ)層。

表5 曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜上所述，阜三段儲(chǔ)層主要受沉積相帶與成巖作用控制。其中，Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層處于壩砂沉積相帶，物性較好，孔隙度>16.00%，滲透率>0.40×10-3μm2，孔隙結(jié)構(gòu)條件相對(duì)優(yōu)越，平均孔喉半徑>0.100 μm，排驅(qū)壓力<1.50 MPa，溶蝕作用較強(qiáng)，發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔隙，是研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，也是下一步主要勘探方向。

5 結(jié)論

(1)蘇北盆地曲塘次凹阜三段儲(chǔ)層巖石類型為巖屑長(zhǎng)石砂巖，填隙物含量較高，以泥質(zhì)雜基為主，粒度為不等粒砂巖，以細(xì)砂—細(xì)粉砂為主；孔隙度平均為15.95%，滲透率平均為0.44×10-3μm2，為中孔、超低—特低滲儲(chǔ)層；孔隙類型主要為粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔隙、顆粒溶蝕孔隙；喉道對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的控制明顯，當(dāng)0.400 μm<孔喉半徑<1.000 μm時(shí)，對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)最大。平均孔喉半徑、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選因數(shù)等可作為儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)的參考依據(jù)。

(2)阜三段主要成巖作用包括壓實(shí)(壓溶)作用、膠結(jié)作用、交代作用及溶蝕作用，處于中成巖階段A期。膠結(jié)作用是降低儲(chǔ)層物性的主要因素；雖然黏土礦物的機(jī)械充填降低原始孔隙度，但一定程度上具有抗壓實(shí)作用，具有雙重效應(yīng)；溶蝕作用是研究區(qū)重要的建設(shè)性成巖作用。

(3)阜三段儲(chǔ)層物性主控因素主要受沉積相帶及成巖作用控制。儲(chǔ)層以灘、壩砂體為主，壩砂的儲(chǔ)集物性及含油性相對(duì)優(yōu)于灘砂的；填隙物的含量、產(chǎn)狀，以及破壞性成巖作用與建設(shè)性溶蝕作用的強(qiáng)度決定儲(chǔ)層物性，尤其是滲透率的差異。

(4)阜三段儲(chǔ)層主要分為4類。其中，Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層處于壩砂沉積相帶，物性較好，孔隙度>16.00%，滲透率>0.40×10-3μm2，孔隙結(jié)構(gòu)條件相對(duì)優(yōu)越，平均孔喉半徑>0.100 μm，排驅(qū)壓力<1.50 MPa，溶蝕作用較強(qiáng)，發(fā)育粒間孔和粒內(nèi)溶蝕孔隙，是研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和主要勘探方向。