砂礫巖有效儲層物性下限及其控制因素研究
——以埕南斷裂帶沙三下亞段為例

孫 鋰，邱隆偉，宋雪梅

（中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580）

埕南斷裂帶砂礫巖主要包裹于沙四上和沙三下段的烴源巖中。砂礫巖體是埕南斷裂帶下一步勘探的主攻方向和“十三五”的重要增產(chǎn)增儲領域。埕南斷裂帶砂礫巖體主要為扇三角洲和近岸水下扇，主體為礫巖和含礫砂巖；扇中亞相以礫狀砂巖和含礫砂巖為主，物性較好，扇根亞相巖性粗、物性差、可形成致密帶。砂礫巖體是在近源快速堆積的條件下形成的，儲層的非均質性強，而且由于構造復雜，砂礫巖體疊置關系復雜多變，因此研究埕南斷裂帶砂礫巖體有效儲層的分布和預測有重要的理論和經(jīng)濟意義[1-3]。在現(xiàn)有的開采技術下，開采儲層所花費的資金在企業(yè)所承受的范圍內，能夠開采并且在物性下限以上的儲層便是有效儲層，能夠成為有效儲層的標準便是有效儲層物性下限，通過孔隙度和滲透率來計算，兩個參數(shù)必須是儲層儲集和滲濾流體的最小值[4-5]。為了實現(xiàn)油田增儲上產(chǎn)，需要分析出有效儲層產(chǎn)量的決定因素，本文根據(jù)埕南斷裂帶碎屑巖油氣綜合地質解釋結果（油層、油水同層、干層等）、試油成果數(shù)據(jù)及測井解釋物性資料，首先以相同間隔采集不同深度段的儲層，通過試油法以及分布函數(shù)曲線法計算儲層的有效儲層物性下限，之后通過線性回歸擬合出不同儲層深度段與有效儲層物性下限的物理關系。

1 地質背景

埕南斷裂帶具體位置如圖1所示，受早期的燕山運動的間接影響，使埕南斷裂帶整體呈弧形分布，埕南斷層的地勢為北高南低，經(jīng)歷了一系列的地殼變化，造就了現(xiàn)在復雜的地形和斷層構造，除了早期的燕山活動，還受到喜山和之后的東營期的山體運動的不斷影響，不同的斷裂層的活動強度，每個位置的物性也不相同，使斷裂帶的結構呈義109、古 13鼻狀構造[6]。

圖1 研究區(qū)構造Fig.1 Study area structure

主要跨越的區(qū)域包括兩大部分：車鎮(zhèn)凹陷北部陡坡帶以及渤南洼陷北部陡坡帶。由于斷層走向的多次改變，使車鎮(zhèn)、沾化凹陷衍生出8條沖溝，沾化凹陷的沖溝位于北部的陡坡，沖溝的對面是多期砂礫巖扇體，與斷剝面互相重疊[7]。

因不同時期水進范圍不同，各期砂礫巖體的分布也不相同[8]。埕南斷裂帶的中部和西部主要位于車鎮(zhèn)凹陷北部陡坡帶，沙三下亞段在古近紀時期經(jīng)歷了劇烈的斷裂，沉積的湖盆正好位于最劇烈的斷陷部位。車鎮(zhèn)凹陷在這一時期也發(fā)生變化，由于湖盆的塌陷，當?shù)氐臍夂虮容^濕潤，降雨量也很大，湖盆大面積積水，隨著水平面的不斷上升，湖水面積不斷變大，湖的北部是最深的部位[9]。

2 有效儲層物性下限的確定

有效儲層物性下限的確定是有效儲層評價研究中的一個難點問題，對儲層的勘探和開采方式起決定性作用[10]，要想對有效儲層進行正確地評價和預測，就需要合理而客觀的確定有效儲層的物性下限值。我國的科研工作者對求取物性下限不斷研究，總結出許多有效的科研方法，本文采用的是分布函數(shù)曲線法及試油法，通常也會使用經(jīng)驗統(tǒng)計法、孔隙度滲透率交會法等數(shù)學方法，也有一些化學方法，比如測試法[11-17]。根據(jù)前人研究及現(xiàn)有資料情況，采用分布函數(shù)曲線法對研究區(qū)內各區(qū)塊沙三下物性下限進行研究。

2.1 分布函數(shù)曲線法

分布函數(shù)曲線法是一種數(shù)學方法，從統(tǒng)計學的角度進行分析，分別計算出有效儲層和非有效儲層的物性頻率分布，有效儲層包括所有的含液體的儲層，包括油層、水層、油水層和油水同層，非有效儲層便是干層，將兩條頻率分布曲線繪制到同一個坐標系內，交點的函數(shù)值便是有效儲層的物性下限值[13]。

取埕南斷裂帶沙河街組沙三下亞段不同深度的儲層，計算物性下限的方法是分布函數(shù)曲線法（見圖2），得出5組計算結果，每組數(shù)據(jù)依次表示深度段范圍、孔隙度下限、滲透率下限。5組結果分別為 3 000～3 300 m、6.20%、0.62×10-3μm2；3 300～3 600 m、5.98%、0.46×10-3μm2；3 600～3 900 m、5.6%、0.40× 10-3μm2；3 900～4 200 m、5.20%、0.33×10-3μm2；4 200～4 500 m、2.90%、0.26×10-3μm2。

圖2 分布函數(shù)曲線法確定不同深度有效儲層物性下限Fig.2 Lower limit of effective reservoir at different depths determined by using the distribution function method

2.2 試油法

首先通過試油將不同儲層的屬性數(shù)據(jù)計算出來，通過單層產(chǎn)液量來劃分有效儲層和非有效儲層，劃分的標準數(shù)據(jù)為1 t/d，若大于該值，那么儲層為有效儲層，小于就劃分為非有效儲層，計算單層產(chǎn)液量需要同時包括油和水，在同一個坐標系內將有效儲層和非有效儲層的滲透率和孔隙度繪制出來，標注出兩者分界處的位置，通過求取該處的孔隙度、滲透率，便能夠求出有效儲層物性下限值[15]。

根據(jù)埕南斷裂帶沙河街組沙三下亞段測井解釋物性資料及油氣地質綜合解釋結果，采用試油法分別確定了研究區(qū)3 000～3 300 m、3 300～3 600 m、3 600～3 900 m、3 900～4 200 m、4 200～4 500 m深度段的物性下限值（見圖3），不同深度儲層的孔隙度下限和滲透率下限分別為：6.5%、0.71×10-3μm2；5.85%、0.51× 10-3μm2；5.49%、0.39× 10-3μm2；5.18%、0.37× 10-3μm2；4.32%、0.31× 10-3μm2。

圖3 試油法確定不同深度有效儲層物性下限Fig.3 Lower limit of effective reservoir at different depths deter mined by using the oil testing method

2.3 有效儲層物性下限檢驗

通過分析分布函數(shù)曲線法和試油法所得到曲線，可以看出有效儲層的物性下限與儲層深度成反比，孔隙度下限相對誤差在0.4%～10.8%，其平均值為 4.04%；滲透率下限相對誤差在2.5%～18.2%，其平均值為13.06（見表1）。兩種方法所得的物性下限相差不大，考慮到試油法人為刻畫的誤差較分布函數(shù)曲線法更大，以下主要用分布函數(shù)曲線法所得數(shù)據(jù)來擬合出物性下限隨深度變化的函數(shù)公式：

式中，Φ為孔隙度下限，%；K為滲透率下限，10-3μm2；H 為深度，m。

同時，應用埕南斷裂帶10口井的試油成果數(shù)據(jù)對求得的物性下限隨深度變化的公式進行檢驗。試油結果為有效儲層的，其對應的孔滲數(shù)據(jù)應大于其對應深度所求得的物性下限值；試油結果為非有效儲層的，其對應的孔滲數(shù)據(jù)應小于其對應深度所求得的物性下限值[18]。對于物性數(shù)據(jù)大于其深度帶入公式所求得的物性下限的井段，將其判別為正確的井段，否則判別為錯誤的井段。對于孔隙度隨深度變化式（1）帶入試油成果數(shù)據(jù)，有效儲層的識別精度為79%；對于滲透率隨深度變化式（2）帶入試油成果數(shù)據(jù)，有效儲層的識別精度為83%，當孔隙度和滲透率均大于有效儲層物性下限時，識別精度為89%，可見其識別精度較高，所求得的物性下限與深度的函數(shù)具備較高的可信度。

表1 分布函數(shù)曲線法與試油法檢驗Table1 Calculation r esults of the distr ibution function and the oil testing methods

3 有效儲層物性控制因素

研究區(qū)主要發(fā)育的沉積相類型為近岸水下扇和扇三角洲沉積，為陡坡帶附近近源快速堆積形成的較粗粒的碎屑巖沉積，其儲層質量受控于埋深、巖性、沉積相以及成巖作用等因素的影響。

3.1 埋深

通過對埕南斷裂帶沙河街組砂礫巖儲層物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，孔隙度與滲透率呈現(xiàn)出較好的正相關關系。儲層孔滲分布圖表明，車鎮(zhèn)凹陷2 300～2 800 m以中高孔儲層為主；2 800 m以下以低孔-特低孔儲層為主（見圖4），沾化凹陷1 500～2 000m以中高孔儲層為主；2 000～2 800 m以中低孔為主；2 800 m以下以低孔-特低孔儲層為主（見圖5）。埕南斷裂帶整體滲透率主要小于50 mD。按照碎屑巖儲層物性分類標準，工區(qū)儲層屬于中低孔特低滲級別。

圖4 埕南斷裂帶車鎮(zhèn)凹陷孔滲分布Fig.4 The distribution map of hollow hole in chengnan fault zone

埋深對儲層物性具有較大影響，儲層的孔隙度和滲透率隨埋深增加呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，不同粒度的巖石存在較大差異。通過分析發(fā)現(xiàn)，礫巖、含礫砂巖和礫狀砂巖等隨埋深的增加物性變化迅速。自埋深2 400～3 200 m，儲層整體孔隙度由20%變?yōu)椴蛔?0%，而滲透率則由100 mD變?yōu)? mD左右，物性變化幅度較大。從圖4、5中可以看出，細砂巖和粉砂巖孔隙度和滲透率隨埋藏深度的變化相對較小，孔隙度和滲透率基本保持在10%～15%和1～10 mD，儲層物性相對較好，它與次生溶蝕作用有關。

3.2 沉積作用

沉積作用對深層的儲層結構有很大的影響，是深層砂體特征變化的內因，包括儲層的成分類型、結構組成、粒度大小等結構特征。一般情況下，在強水動力及較長搬運距離的條件下，結構成熟度和成分成熟度高，同時分選好且泥質含量較低的砂體沉積往往能保持較高的原始孔隙度，同時孔隙的連通性較好，滲透性好，具有較好的原始孔隙結構。

圖5 埕南斷裂帶沾化凹陷孔滲分布圖Fig.5 The distribution map of hollow hole in chengnan fault zone

通過大量的巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，埕南斷裂帶沙河街組砂礫巖含油性好的儲層粒度相對較細，以中砂巖、細砂巖和粉砂巖為主，不含油層段粒度則很粗、或者很細，如雜基支撐礫巖、顆粒支撐礫巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖等，沉積因素是研究區(qū)儲層物性的主要控制因素。從理論上來說，粒度對儲層的孔隙度沒有太大影響，但埕南斷裂帶砂礫巖儲層的實際情況是中砂巖、分選好、雜基含量低的粉細砂巖的儲層物性要優(yōu)于其它粒度的砂巖。影響儲層物性的因素，還包括砂巖的粒度。粒度大的砂巖，其對應的滲透率也越高，在研究區(qū)的淺層儲層可以明顯地得出結論[19]。統(tǒng)計并分析區(qū)沙河街組砂礫巖物性資料可知，隨著粒度的增大，孔隙度、滲透率先增大后減小，在中間粒度處儲層孔隙度較優(yōu)。

通過對埕南斷裂帶沙河街組砂礫巖200余塊樣品統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，樣品的分選度越高，粒度的分布越均勻，同時分選系數(shù)越高，樣品的孔隙度越大，顆粒之間的填隙物含量越低，原生孔隙發(fā)育，為后期油氣或酸的注入提供了通道。

除此之外，利用數(shù)據(jù)分析軟件IPSS針對研究區(qū)內四期砂礫巖體孔隙度與泥質含量相關性進行研究（見圖6），結果表明，四期砂體孔隙度與泥質含量相關關系系數(shù)均小于-0.7。為顯著的負相關關系，即：泥質含量越高，孔隙度越低。

圖6 埕南斷裂帶孔隙度與泥質含量相關關系Fig.6 The porosity of chengnan fault zone is r elated to the content of shale

巖石特征方面，通過對研究區(qū)不同類型巖石進行物性分析（見圖7），按照熒光、油跡、油斑、油浸四個等級對全區(qū)巖石類型進行大量統(tǒng)計，結果表明，熒光樣品中，優(yōu)勢巖相為含礫砂巖、礫巖和泥質砂巖；油跡樣品中優(yōu)勢巖性為含礫砂巖、粉砂巖和砂巖；油斑樣品中優(yōu)勢巖性為泥質砂巖和砂巖；油浸樣品較少，不便統(tǒng)計。

圖7 埕南斷裂帶含油性與巖性關系圖Fig.7 The relationship between oil and lithology in chengnan fault zone

綜上所述，研究區(qū)物性較好的優(yōu)勢巖相為細礫巖和礫狀砂巖，其共同點是物性分布范圍廣泛，有相當部分物性數(shù)據(jù)高于優(yōu)質儲層物性下限值。

沉積相方面，埕南斷裂帶沙三段發(fā)育三種沉積相，近岸水下扇、扇三角洲和湖底扇。整體上，近岸水下扇的發(fā)育規(guī)模要大于扇三角洲和湖底扇?？紫抖扰c滲透率柱狀圖如圖8所示。

圖8 埕南斷裂帶沙三段不同沉積相孔隙度、滲透率關系Fig.8 The porosity and permeability of three different sedimentary facies in chengnan fault zone

由圖8可以看出，兩種沉積相的物性分布較為廣泛，但是扇三角洲好于近岸水下扇。不同的沉積相中發(fā)育有不同的沉積微相，其中，近岸水下扇中發(fā)育有辮狀溝道、溝道前緣、溝道側緣和溝道間沉積微相，扇三角洲中主要的兩種沉積微相，分別為水下分流河道和分流河口砂壩，通過統(tǒng)計不同沉積微相的物性柱狀圖，發(fā)現(xiàn)近岸水下扇中，辮狀河道側緣相對較好，其次為辮狀溝道，扇端較好，溝道間的物性分布最差。扇三角洲中，扇三角洲前緣水下分流河道滲透率較好，扇三角洲平原和前扇三角洲都較差。湖底扇中，辮狀水道具有明顯的優(yōu)勢。

3.3 成巖作用

按照成巖作用對儲層物性的影響，將成巖作用主要劃分為兩類，即破壞性成巖作用及建設性成巖作用。破壞性成巖作用主要為壓實作用和膠結作用，壓實作用是使儲層物性降低的最主要的成巖作用，其次為膠結作用。這是由于研究區(qū)所選層位普遍埋深較大，壓實作用強烈。選取研究區(qū)較為典型的樣品，通過對儲層孔隙度演化的恢復發(fā)現(xiàn)，壓實減孔量為40%～80%，不同沉積微相存在較大差異，近岸水下扇內扇主水道微相壓實減孔量最大，由于膠結作用導致的減孔量為10%～40%，以扇三角洲前緣分流河口砂壩的膠結減孔量最大（見圖9）。建設性成巖作用主要為溶蝕作用，溶蝕作用的發(fā)育深度與異常高孔帶具有較好的對應關系，其中主要為次生溶蝕作用，裂縫僅在車66及車660等存在異常高壓的井區(qū)較為常見，其它井區(qū)出現(xiàn)較少。從薄片觀察中可以看出(見圖10），研究區(qū)儲層有效孔隙主要為溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙，可以說次生溶蝕作用是改善儲層物性的直接因素。此外，通過薄片鑒定發(fā)現(xiàn)，火山巖巖屑和長石含量相對較高，為次生溶蝕作用的發(fā)生提供了良好的物質基礎，使得儲層的儲集物性得到較大的提高。

圖9 埕南斷裂帶沙河街組砂礫巖儲層壓實膠結對粒間孔隙體積的影響Fig.9 The effect of consolidation on the por e volume in the sand conglomerate reservoir in chengnan fault zone

圖10 埕南斷裂帶沙河街組砂礫巖儲層溶蝕作用Fig.10 Dissolution of glutenite reservoirs in the Shahejie formation in the Chengnan fault zone

同時，砂礫巖有效儲層受原始組分后期改造作用共同控制，不同沉積微相受后期成巖流體改造強度不同，扇三角洲前緣水下分流河道和近岸水下扇扇中辮狀水道經(jīng)建設性成巖作用影響，形成有效儲層。不同沉積相巖相和成巖作用的差異使其儲集物性有所不同[20]，由于扇根的結構較差，以雜基支撐和顆粒支撐的礫巖為主，壓實作用和灰泥重結晶作用等破壞型成巖作用較發(fā)育，造成儲層的物性較差，無法發(fā)育為有效儲層；扇中亞相溶蝕作用較為發(fā)育，儲集物性得到很好地改善，有效儲層比例較高；扇緣亞相以膠結作用為主，使物性變差，局部溶蝕作用發(fā)育，可成為有效儲層。扇三角洲砂體入湖前通常先經(jīng)過沖積扇過渡，扇三角洲水下分流河道砂體分選變好，雜基含量變低，經(jīng)過早期壓實后，原始孔隙較發(fā)育，有利于后期成巖流體進入；但是扇三角洲前緣分流河道間，泥質含量仍然較高，早期快速壓實后，絕大多數(shù)孔隙消失，因此受后期成巖改造作用不明顯。

總的來說，近岸水下扇儲層分選差，雜基含量高，顆粒間以線接觸為主，原生孔隙損失殆盡，后期次生溶蝕作用對儲層的改造相對有限，以粒內弱溶蝕為主。相對較細的巖性物性較好。扇三角洲儲層粒度相對較細，中-細砂巖為主。分選中等至較好，顆粒間點接觸或點-線接觸。發(fā)育原生粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔及鑄模孔，水下分流河道下部和河口砂壩上部溶蝕作用較強。湖底扇以中扇為主體,內扇不發(fā)育；體積上，80%左右的砂礫巖發(fā)育于中扇。因此，湖底扇約有80%的相帶為有利儲集相帶。儲層物性和含油性的差異是沉積和成巖共同作用的結果。沉積相的不同導致其沉積物的巖石組分、巖屑類型、雜基含量、粒度以及分選性等存在差異，而這些差異使這些沉積物具有不同的成巖作用發(fā)育特征，這就使有效儲層可以更好地發(fā)育在湖底扇辮狀水道沉積中。但是研究區(qū)沙三段廣泛發(fā)育近岸水下扇沉積部分發(fā)育扇三角洲沉積，湖底扇僅有少量發(fā)育，所以扇三角洲的水下分流河道和近岸水下扇的辮狀水道也是有效儲層發(fā)育的位置。同時對于淺層和深層的有效儲層也具有不同的發(fā)育特征。對淺層的砂礫巖體，由于埋深較淺，近岸水下扇的內扇也具有較好的物性，也會有少量的有效儲層發(fā)育；對于深層的砂礫巖體，扇根物性很差，已很難作為有效儲層的載體，但是可以很好地發(fā)揮扇根幅度作用使上覆的辮狀水道發(fā)育有效儲層。所以研究區(qū)沙三段有效儲層的發(fā)育是埋深、沉積作用、成巖作用共同作用的結果。

4 結論

（1）運用分布函數(shù)曲線法和試油法求取了埕南斷裂帶沙河街組沙三下亞段砂礫巖儲層不同深度段的物性下限，通過線性回歸的方法將有效儲層的物性下限和儲層的深度之間的關系擬合出來。有效儲層孔隙度下限與深度的函數(shù)關系為Φ=-6.459ln(H)+58.497，滲透率下限與深度的函數(shù)關系為K=y=-1.04ln(H)+8.968 9。

（2）埕南斷裂帶有效儲層物性下限隨深度增加而降低，優(yōu)勢巖相為細礫巖和礫狀砂巖，成巖作用中的溶蝕作用為有效儲層形成的直接因素，而成巖作用形成的條件由深度和沉積作用等因素共同控制，沉積相是主要控制因素。