渤海灣盆地東濮凹陷陸相頁(yè)巖層系儲(chǔ)集特征及其主控因素

徐云龍 ，張洪安 ，李繼東 ，張?jiān)偏I(xiàn) ，袁波 ，楊棟棟

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

0 引言

中國(guó)陸相頁(yè)巖油資源豐富，通過(guò)近十幾年的基礎(chǔ)研究及勘探技術(shù)攻關(guān)，目前在勘探技術(shù)創(chuàng)新、勘探開(kāi)發(fā)一體化工業(yè)試驗(yàn)及大規(guī)模生產(chǎn)等方面取得了顯著進(jìn)展。中石油及中石化目前已建成多個(gè)頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)示范區(qū)，陸相頁(yè)巖油氣已經(jīng)成為未來(lái)油氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域［1-3］。國(guó)內(nèi)東部陸相盆地已發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖油層系集中于白堊系和古近系，重點(diǎn)分布在松遼盆地、渤海灣盆地和蘇北盆地。目前，已探明頁(yè)巖油地質(zhì)儲(chǔ)量7.37×108t，建成產(chǎn)能超過(guò) 4×106t/a［4］。

東濮凹陷是典型的陸相鹽湖型盆地［5］，咸水環(huán)境下發(fā)育的多套高有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖層系提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)［6-7］。早期在柳屯洼陷古近系沙河街組三段上亞段（簡(jiǎn)稱(chēng)沙三上）泥巖裂縫發(fā)育區(qū)探索的濮深18-1井獲得100 m3/d的高產(chǎn)稠油［7-9］，近年來(lái)針對(duì)凹陷內(nèi)古近系頁(yè)巖層系先后完鉆9口頁(yè)巖油專(zhuān)探井，均具有良好顯示，并取得了一定產(chǎn)能，證明東濮凹陷具備頁(yè)巖油的資源潛力。

目前，針對(duì)東濮凹陷細(xì)粒巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征、頁(yè)巖油聚集機(jī)理和有利區(qū)帶優(yōu)選等方面已開(kāi)展大量研究并取得豐富成果，主要探討了細(xì)粒巖巖相特征、礦物組成、含油性、脆性特征、資源潛力和富集機(jī)理等方面的關(guān)鍵問(wèn)題［8-17］。由于有利層段取心少、存放時(shí)間長(zhǎng)、巖心保存不完整及實(shí)驗(yàn)分析不全面等基礎(chǔ)資料的客觀(guān)限制，針對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層的研究不夠系統(tǒng)；同時(shí)，鹽湖沉積巖性復(fù)雜多樣，碳酸鹽和硫酸鹽等礦物對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間、物性的較大影響，導(dǎo)致細(xì)粒巖儲(chǔ)層巖相及其儲(chǔ)集機(jī)制的研究相對(duì)薄弱。本文利用研究區(qū)3口新鉆頁(yè)巖油專(zhuān)探井的巖心精密取樣，同時(shí)選擇巖心保存比較完整的老井開(kāi)展了精細(xì)觀(guān)察及系統(tǒng)取樣分析，并綜合巖心觀(guān)察及鏡下鑒定、X射線(xiàn)衍射、氬離子拋光掃描電鏡、蓋層微孔聯(lián)測(cè)和微米CT等技術(shù)手段，明確了研究區(qū)細(xì)粒沉積的巖相類(lèi)型、儲(chǔ)集特征及其發(fā)育機(jī)制，指明了東濮凹陷古近系頁(yè)巖油勘探的有利巖相并指導(dǎo)了勘探工作，相關(guān)認(rèn)識(shí)成果對(duì)相似鹽湖盆地的研究具有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

東濮凹陷位于渤海灣盆地南端，是典型的富烴中新生代陸相斷陷盆地，呈NNE向展布，以鹽湖沉積為主。受燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響，形成了“兩洼一隆一斜坡”的構(gòu)造格局［18］（見(jiàn)圖 1a），發(fā)育東部洼陷（前梨園次洼、前杜固次洼、濮衛(wèi)次洼）和西部洼陷（海通集次洼、柳屯-馬寨次洼）兩大生烴洼陷［19-20］，具有“東西分帶、南北分塊”的特征，鹽巖沉積主要發(fā)育在北部。凹陷新生界由古近系沙河街組（Es）、東營(yíng)組（Ed）和新近系館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）以及第四系平原組（Qp）組成。沙河街組是東濮凹陷主要烴源巖發(fā)育和油氣勘探層系，自下而上分為沙四段（Es4）、沙三段（Es3）、沙二段（Es2）和沙一段（Es1）。其中，沙三下亞段（Es3L）和沙四上亞段（Es4U）主體屬于半深湖—深湖沉積，是細(xì)粒沉積巖集中發(fā)育層段。該層段細(xì)粒沉積巖性以陸源碎屑巖、碳酸鹽巖、混積巖為主。沉積時(shí)期受氣候影響，干旱與潮濕環(huán)境頻繁交替，造成湖平面的頻繁振蕩，宏觀(guān)上形成多套沉積韻律，鹽巖、碳酸鹽巖與泥頁(yè)巖互層共生，微觀(guān)上富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)碳酸鹽質(zhì)紋層、黏土礦物紋層與富有機(jī)質(zhì)紋層共生［21-22］（見(jiàn)圖 1b）。

圖1 渤海灣盆地東濮凹陷構(gòu)造綱要和地層綜合柱狀圖

2 礦物組成及巖相特征

2.1 細(xì)粒巖沉積構(gòu)造特征

東濮凹陷細(xì)粒巖主要沉積于深湖—半深湖以及濱淺湖，主要發(fā)育巖性為泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖、碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和鹽巖，其中泥頁(yè)巖、碳酸鹽巖等沉積速率相對(duì)較慢，伴隨氣候變化和湖盆水體的動(dòng)蕩，巖石層理構(gòu)造較為發(fā)育（見(jiàn)圖2）。根據(jù)層理構(gòu)造單層厚度及密度，將細(xì)粒巖沉積構(gòu)造劃分為紋層狀構(gòu)造、層狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造：層理非常發(fā)育，單層厚度小于1 mm，定義為紋層狀構(gòu)造；層理較發(fā)育，單層厚度介于1～10 mm，定義為層狀構(gòu)造；不見(jiàn)層理，定義為塊狀構(gòu)造。

圖2 東濮凹陷古近系細(xì)粒巖沉積構(gòu)造特征

2.2 細(xì)粒巖礦物組成

東濮凹陷古近系細(xì)粒巖X射線(xiàn)衍射全巖礦物分析結(jié)果顯示（見(jiàn)表1），不同沉積構(gòu)造細(xì)粒巖礦物組成變化大，礦物成分較復(fù)雜，主要礦物成分為黏土礦物、方解石、白云石、石英、長(zhǎng)石，以及少量菱鐵礦、石鹽、黃鐵礦和硬石膏。整體分析可知：東濮凹陷古近系細(xì)粒巖礦物組成以黏土礦物為主，其次為碳酸鹽礦物和陸源碎屑；紋層狀細(xì)粒巖碳酸鹽礦物含量最高，塊狀細(xì)粒巖陸源碎屑含量最高。

表1 東濮凹陷古近系細(xì)粒巖礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì) %

2.3 巖相類(lèi)型劃分

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于細(xì)粒巖巖相的劃分還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們主要根據(jù)細(xì)粒巖的顏色、礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、沉積構(gòu)造、力學(xué)性質(zhì)等因素進(jìn)行巖相劃分［23-24］。由表1可知，東濮凹陷古近系細(xì)粒巖礦物類(lèi)型多樣，優(yōu)勢(shì)礦物不顯著，多以混積巖為主，因此本次研究主要依據(jù)沉積構(gòu)造，結(jié)合礦物成分和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行巖相類(lèi)型劃分。根據(jù)樣品全巖X射線(xiàn)衍射分析結(jié)果，按三端元成分劃分，可細(xì)分出12種巖相類(lèi)型（見(jiàn)圖3），分別為①碳酸鹽巖、②黏土質(zhì)碳酸鹽巖、③長(zhǎng)英質(zhì)碳酸鹽巖、④黏土巖、⑤碳酸鹽質(zhì)黏土巖、⑥長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖、⑦長(zhǎng)英質(zhì)巖、⑧黏土質(zhì)長(zhǎng)英質(zhì)巖、⑨碳酸鹽質(zhì)長(zhǎng)英質(zhì)巖、⑩碳酸鹽質(zhì)混合巖、[11]黏土質(zhì)混合巖、[12]長(zhǎng)英質(zhì)混合巖。細(xì)粒巖紋層狀構(gòu)造以碳酸鹽巖、碳酸鹽質(zhì)混合巖主，層狀構(gòu)造以黏土巖、黏土質(zhì)混合巖為主，塊狀構(gòu)造以黏土巖、黏土質(zhì)混合巖為主。進(jìn)一步識(shí)別出研究區(qū)細(xì)粒巖主要巖相類(lèi)型為紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相、層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相及塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相。

圖3 東濮凹陷古近系細(xì)粒巖巖相劃分依據(jù)及主要礦物組成

2.4 細(xì)粒巖有機(jī)地化特征

細(xì)粒巖受陸相斷陷湖盆沉積模式影響，不同沉積相帶細(xì)粒巖生烴母質(zhì)組合差異顯著，使得不同巖相有機(jī)質(zhì)在巖石中的賦存形式存在較大差異，有機(jī)質(zhì)豐度必然存在差別。

東濮凹陷古近系細(xì)粒沉積巖含油性差異較大，其中紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相有機(jī)地化參數(shù)最高，層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相次之，塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相最低（見(jiàn)表2）。

表2 東濮凹陷古近系細(xì)粒沉積巖相有機(jī)地化參數(shù)

3 細(xì)粒巖儲(chǔ)集特征

3.1 儲(chǔ)集空間類(lèi)型

通過(guò)顯微鏡及掃描電鏡觀(guān)察，東濮凹陷細(xì)粒沉積巖儲(chǔ)層主要發(fā)育裂縫和孔隙2種體系。裂縫主要發(fā)育層間縫、超壓縫和構(gòu)造縫（見(jiàn)圖4）；孔隙按成因發(fā)育無(wú)機(jī)孔和有機(jī)孔2類(lèi)，其中無(wú)機(jī)孔以碳酸鹽礦物晶間孔、溶蝕孔及黏土礦物片間孔為主，有機(jī)孔大量發(fā)育在成巖熱演化程度相對(duì)較高的層系中（見(jiàn)圖5）。

圖4 東濮凹陷古近系細(xì)粒巖裂縫發(fā)育照片

圖5 東濮凹陷古近系細(xì)粒巖有機(jī)、無(wú)機(jī)孔隙特征

3.2 物性特征

東濮凹陷古近系細(xì)粒巖不同巖相物性差異明顯。紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相孔隙度平均為3.80%，垂直滲透率平均為0.099×10-3μm2，水平滲透率平均為1.45×10-3μm2，物性最好，層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相次之，塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相最低（見(jiàn)表3）。

表3 東濮凹陷古近系細(xì)粒沉積巖相儲(chǔ)層物性參數(shù)

3.3 微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)特征

每種巖相隨機(jī)選取5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同巖相類(lèi)型細(xì)粒巖儲(chǔ)層的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)差異明顯（見(jiàn)圖6）。紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相進(jìn)汞曲線(xiàn)平臺(tái)低緩，孔喉半徑相對(duì)較大，尾段低幅翹起，裂縫發(fā)育相對(duì)較少，孔喉半徑主要為20～450 nm，大于1 000 nm的孔喉也相對(duì)發(fā)育；層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相孔喉半徑主要為20～120 nm，大于1 000 nm的孔喉有發(fā)育，壓汞曲線(xiàn)表明大孔喉多與裂縫發(fā)育有關(guān)；塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相孔喉半徑主要為10～90 nm，大于1 000 nm的孔喉基本不發(fā)育。

圖6 東濮凹陷古近系不同巖相孔喉半徑分布特征

4 細(xì)粒巖儲(chǔ)層發(fā)育影響因素

4.1 巖相（沉積構(gòu)造）

不同的沉積結(jié)構(gòu)造成儲(chǔ)集性能差異。紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相具有“三元”沉積構(gòu)造，即有機(jī)質(zhì)-黏土質(zhì)紋層、白云質(zhì)紋層或方解石紋層及泥晶方解石紋層互層疊置沉積，層理縫非常發(fā)育；受成巖礦物影響，多發(fā)育碳酸鹽礦物晶間孔、溶蝕孔、黏土礦物片間孔及有機(jī)質(zhì)孔，孔隙類(lèi)型多樣且發(fā)育廣泛（見(jiàn)圖4、圖5）；同時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，早成巖A期以后開(kāi)始大量生烴，產(chǎn)生生烴增壓縫和大量有機(jī)孔，連通了層理縫和微孔隙，連通性好，具有好的油氣儲(chǔ)集能力。層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相層理縫發(fā)育密度較小，陸源碎屑礦物含量較高，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，因此層理縫和超壓縫發(fā)育不密集，儲(chǔ)集性能一般。塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相整體呈塊狀構(gòu)造，陸源碎屑礦物含量高，有機(jī)質(zhì)含量低，碎屑顆粒粒間孔受成巖作用控制，碳酸鹽巖膠結(jié)嚴(yán)重，縫網(wǎng)系統(tǒng)不發(fā)育，儲(chǔ)集性能較差。

從物性和孔隙結(jié)構(gòu)特征分析可知，由于紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相層理縫大量發(fā)育，因此孔隙度相對(duì)最高，大孔優(yōu)勢(shì)明顯，且水平滲透率比塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相和層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相高十幾倍（見(jiàn)表 3、圖 6）。

4.2 礦物組分

紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相內(nèi)部?jī)?chǔ)層孔隙特征受礦物組分控制，有機(jī)質(zhì)-黏土質(zhì)紋層和碳酸鹽質(zhì)紋層孔隙發(fā)育存在差異。從孔喉半徑與礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會(huì)圖（見(jiàn)圖7。圖中為濮深7井3 560.47 m處Es3L5小層深灰色紋層狀泥質(zhì)白云巖掃描電鏡結(jié)果）可知：大孔發(fā)育程度與碳酸鹽礦物含量正相關(guān)，與黏土礦物含量負(fù)相關(guān)；微孔發(fā)育程度與黏土礦物含量正相關(guān)，與碳酸鹽礦物含量負(fù)相關(guān)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)定量表征含量）。結(jié)合鏡下特征（見(jiàn)圖8）分析表明，碳酸鹽質(zhì)紋層具有大孔優(yōu)勢(shì)，而黏土質(zhì)紋層以小孔為主）。

圖7 細(xì)粒巖孔喉半徑與礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會(huì)

圖8 細(xì)粒巖黏土質(zhì)和碳酸鹽質(zhì)紋層孔隙發(fā)育差異特征

這是由于碳酸鹽質(zhì)紋層脆性大，受巖石內(nèi)部生烴增壓或欠壓實(shí)作用和構(gòu)造作用等影響時(shí)，容易發(fā)生破裂形成微裂縫及破碎晶間孔，晶間孔徑相對(duì)較大。在主生排烴高峰期，隨著烴類(lèi)和有機(jī)酸的形成，生烴增壓與欠壓實(shí)作用進(jìn)一步加強(qiáng)，超壓發(fā)育規(guī)模增大，碳酸鹽質(zhì)紋層中流體容易順層或跨層流動(dòng)，撐開(kāi)層理縫，且沿裂縫發(fā)生溶蝕作用，形成溶蝕孔縫，繼續(xù)擴(kuò)大晶間孔，形成較大的晶間溶孔；而有機(jī)質(zhì)-黏土質(zhì)紋層內(nèi)多為成巖過(guò)程中伊/蒙混層相互轉(zhuǎn)化脫水收縮而形成的片間孔，以及有機(jī)質(zhì)生烴形成的干酪根收縮縫和蜂窩狀孔，礦物顆粒較小，因此孔隙也相對(duì)較小，但比表面積大，面孔率高，是頁(yè)巖油氣儲(chǔ)存的有利儲(chǔ)集微空間。

4.3 成巖作用

1）壓實(shí)作用。隨著埋深加大，細(xì)粒巖儲(chǔ)層受壓實(shí)作用影響，整體物性變差；熱演化程度增加，油氣生成，有機(jī)質(zhì)孔和生烴增壓縫網(wǎng)也開(kāi)始大量發(fā)育；伊/蒙混層相互轉(zhuǎn)化脫水收縮，黏土礦物晶間孔大量發(fā)育；碳酸鹽結(jié)晶程度加強(qiáng)，相應(yīng)地，亮晶方解石破碎及重結(jié)晶反復(fù)進(jìn)行，碳酸鹽礦物晶間孔及晶間溶孔開(kāi)始大量發(fā)育。到中成巖B期，生烴高峰期結(jié)束后，隨著壓實(shí)作用的加大，儲(chǔ)層再次致密，物性變差。細(xì)粒沉積巖儲(chǔ)層發(fā)育在縱向上存在“甜點(diǎn)”段，是頁(yè)巖油勘探的重點(diǎn)關(guān)注層段。

2）硫酸鹽及碳酸鹽礦物充填作用。巖心鏡下觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)細(xì)粒巖儲(chǔ)層裂縫或孔隙中發(fā)育斑塊狀硫酸鹽礦物鈣芒硝、硬石膏充填或半充填，隨著硫酸鹽礦物含量的增加，細(xì)粒巖儲(chǔ)層物性變差，塑性強(qiáng)，脆性弱，不易被改造，對(duì)細(xì)粒巖的儲(chǔ)集性具有破壞作用。

5 結(jié)論

1）東濮凹陷古近系細(xì)粒巖主要發(fā)育紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相、層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相、塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相3種不同巖相類(lèi)型。

2）不同巖相儲(chǔ)集空間、孔徑分布及含油性差異明顯。紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相有機(jī)質(zhì)豐度高，發(fā)育層理縫、生烴增壓網(wǎng)狀縫等宏觀(guān)裂縫，同時(shí)黏土礦物晶間孔、碳酸鹽礦物晶間孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔等微觀(guān)孔隙也較發(fā)育，以孔徑大于20 nm的孔隙為主；層狀黏土巖-黏土質(zhì)混合巖相和塊狀黏土巖-長(zhǎng)英質(zhì)黏土巖相有機(jī)質(zhì)豐度中等，宏觀(guān)裂縫不發(fā)育，以黏土礦物晶間孔、石膏礦物晶間孔及有機(jī)質(zhì)孔等微觀(guān)孔隙為主，孔徑大部分小于100 nm。

3）強(qiáng)還原、水體穩(wěn)定和母質(zhì)來(lái)源充足的沉積環(huán)境是東濮凹陷頁(yè)巖層系儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)，沉積構(gòu)造、礦物組分和適當(dāng)?shù)某蓭r階段是控制頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀(guān)孔隙連通性的主要因素，因此，處于中—高熱演化階段的紋層狀碳酸鹽巖-碳酸鹽質(zhì)巖相具有良好的儲(chǔ)集空間和較大的孔喉，且含油性較高，是東濮凹陷古近系最有利的頁(yè)巖油勘探目標(biāo)。