遼東灣坳陷旅大xx構(gòu)造沙四段儲(chǔ)層物性主控因素分析

胡逸飛， 朱占平， 宋土順， 丁建凱

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

致密油氣作為非常規(guī)油氣資源，自20世紀(jì)50年代開始勘探開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國陸相盆地致密油可開采資源量(20～25)×108t，致密氣可開采資源量(9～13)×1012m3[1-2]，與常規(guī)儲(chǔ)層相比，致密儲(chǔ)層具有油氣資源量大、分布面積廣等特點(diǎn)。21世紀(jì)以來，我國致密油氣勘探開發(fā)發(fā)展迅速，渤海灣盆地作為主要勘探盆地之一，在渤中凹陷已發(fā)現(xiàn)以渤中19—6油氣田為主的多個(gè)大型油氣田，其砂礫巖儲(chǔ)層物性較差，以低孔、低滲—特低滲為主，劉志剛對(duì)渤中19—6井儲(chǔ)層致密性研究發(fā)現(xiàn)，成巖作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化，孔隙度、滲透率減小的關(guān)鍵因素[3]。Beard D C研究表明，沉積物孔隙度及滲透率受碎屑粒級(jí)、分選共同影響，分選好的粗砂物性更好[4]。中淺層成巖作用較弱，儲(chǔ)層物性主要受沉積環(huán)境影響，深層成巖作用增強(qiáng)，對(duì)物性影響增大[3-6]。

遼東灣坳陷位于渤海灣盆地東北部海域，呈NE向長條狀展布，面積約2.6×104km2，總資源量約39億t，旅大xx構(gòu)造位于資源量最豐富的遼中凹陷，沙河街組四段(Es4)油氣藏為沙河街組近源自生自儲(chǔ)構(gòu)造層狀油氣藏，具有油氣藏高度大、面積充滿度高、儲(chǔ)量豐度高及品質(zhì)好等特點(diǎn)。沙河街組四段(Es4)為中孔、低孔—特低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)層在3 600m以下出現(xiàn)多個(gè)中孔隙段，且有中孔隙段、低孔隙段交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，有關(guān)研究缺乏對(duì)其成因及影響因素的詳細(xì)探討。本文根據(jù)旅大xx構(gòu)造沙四段儲(chǔ)層薄片、物性等資料，探討了沉積作用、成巖作用及構(gòu)造作用對(duì)遼東灣坳陷旅大xx構(gòu)造沙四段儲(chǔ)層物性的影響，查明了儲(chǔ)層中孔段、低孔段的物性主控因素，為后續(xù)旅大xx構(gòu)造優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測及油氣勘探開發(fā)提供參考資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

遼東灣坳陷為渤海灣盆地的二級(jí)構(gòu)造單元，整體呈NNE向展布，郯廬作用形成遼西凹陷、遼西低凸起、遼中凹陷、遼東低凸起、遼東凹陷的“三凹兩凸”分布趨勢，遼中凹陷面積最大，屬于新生代沉積盆地，主要發(fā)育古近系、新近系及第四系，古近系沙河街組、東營組為主力勘探層系[5-6]。旅大xx構(gòu)造位于遼東灣南部海域(圖1)，遼中凹陷的西部[6-9]。沙河街組(Es)巖石類型主要為中細(xì)粒、中粗粒長石巖屑砂巖、巖屑砂巖，其中沙四段(Es4)以灰色泥巖、黃色中砂巖及細(xì)砂巖為主，夾少量含礫細(xì)砂巖(圖2)，巖石類型以長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主，主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積亞相[4]，勘探發(fā)現(xiàn)在井深3 600m以下的沙四段地層中發(fā)現(xiàn)很好的油氣顯示。

圖2 2號(hào)井沙四段巖性柱狀圖Figure 2 Well No.2 Shahejie Formation Forth Memberlithologic column

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

旅大xx構(gòu)造主要有1號(hào)、2號(hào)井鉆遇沙四段，均發(fā)現(xiàn)有油氣顯示。1號(hào)井取心段為3 793～3 873m，2號(hào)井取心段為3 628.6～3 632m及3 672～3 681.6m，通過對(duì)兩口井31件壁心(1號(hào)井為沖擊取心5件，2號(hào)井旋轉(zhuǎn)取心25件，物性數(shù)據(jù)以2號(hào)井為主)薄片鏡下觀察及統(tǒng)計(jì)分析，沙四段儲(chǔ)層巖石類型以長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主(圖3)。中—粗粒，分選中等—好，次圓狀—次棱角狀，接觸關(guān)系主要為線接觸。巖屑主要為火山巖巖屑，少量變質(zhì)巖巖屑，其中火山巖巖屑以酸性噴出巖巖屑為主，變質(zhì)巖巖屑主要為石英巖巖屑。膠結(jié)類型主要為碳酸鹽膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)及硅酸鹽膠結(jié)。碳酸鹽膠結(jié)多為方解石膠結(jié)，少量鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)；黏土礦物膠結(jié)1號(hào)井中主要表現(xiàn)為伊利石膠結(jié)，2號(hào)井中主要表現(xiàn)為綠泥石膠結(jié)；硅質(zhì)膠結(jié)及硅酸鹽膠結(jié)表現(xiàn)為石英次生加大及長石次生加大。

圖3 沙四段砂巖分類三角圖解Figure 3 Shahejie Formation Fourth Member sandstoneclassification triangular diagram

2.2 儲(chǔ)層物性特征

對(duì)兩口井的巖心物性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，沙四段儲(chǔ)層砂巖孔隙度5.81%～22.17%，平均孔隙度為15.65%，以低孔—中孔為主；滲透率(0.07～65.9) ×10-3μm2，平均滲透率為8.55 ×10-3μm2，以特低滲為主。

根據(jù)孔隙度變化將1號(hào)、2號(hào)井劃分為A(低孔段)、B(中孔段)兩個(gè)分段(圖4)，低孔段(1號(hào)井A：3 793.0～3 873m，平均孔隙度13.10%；2號(hào)井A1：3 629.9～3672.0m，平均孔隙度8.61%，A2：3 675.6～3 679m，平均孔隙度11.96%)儲(chǔ)層物性較低，沒有足夠的油氣儲(chǔ)集空間，不能作為主要儲(chǔ)集段；中孔段(2號(hào)井B1：3 628.6～3 629.9m，平均孔隙度18.51%，B2,3 672.0～3 675.6m，平均孔隙度17.96%，B3：3 679.0～3 681.6m，平均孔隙度18.94%)儲(chǔ)層物性最高，發(fā)育較高的孔隙度，有利于油氣聚集，可作為主要儲(chǔ)集層段。2號(hào)井沙四段滲透率分布在(0.07～65.98)×10-3μm2，平均滲透率8.55×10-3μm2，以特低滲為主，占82.14%，其次為低滲，占10.71%，中滲最少，僅7.15%(圖4)。整體沙四段物性以中孔、低孔—特低滲為主。由于滲透率過低且變化不明顯，故物性討論以孔隙度為主。

圖4 沙四段砂巖發(fā)育物性特征Figure 4 Shahejie Formation Fourth Member sandstone development physical property features

2.3 儲(chǔ)集空間特征

巖心薄片、鑄體薄片及掃描電鏡照片顯示沙四段碎屑巖發(fā)育原生孔隙、次生孔隙及裂縫，接觸關(guān)系以點(diǎn)接觸(圖5a)、線接觸(圖5b)為主。原生孔隙發(fā)育較少(圖5c)，連通性較差，不能作為主要儲(chǔ)集空間；中孔段次生孔隙發(fā)育，多為溶蝕作用形成的溶蝕粒內(nèi)孔及溶蝕粒間孔(圖5d、e)，次生孔隙的大量出現(xiàn)顯著地提高了孔隙數(shù)量及連通性，形成良好的儲(chǔ)集空間，為油氣成藏提供基礎(chǔ)；裂縫在中孔段及低孔段內(nèi)均有發(fā)育但極少，主要為顆粒的成巖微裂縫(圖5f)，不能成為主要儲(chǔ)集空間。

圖5 2號(hào)井沙四段砂巖儲(chǔ)集空間鏡下特征Figure 5 Well No.2 Shahejie Formation Fourth Member sandstone reservoir space microscopic features

3 儲(chǔ)層物性影響因素分析

儲(chǔ)層物性多受沉積作用、成巖作用及構(gòu)造作用等方面因素的影響。不同沉積環(huán)境中，儲(chǔ)層骨架顆粒在遠(yuǎn)距離的搬運(yùn)、卸載及堆積過程中形成原始孔隙，不同成因砂體具有不同的成分、粒度、分選、泥質(zhì)含量、碳酸鹽含量和時(shí)空展布規(guī)律等特征，這些特征在未接受后期改造的條件下決定了儲(chǔ)層原始物性[10-13]；沉積后，儲(chǔ)層物質(zhì)經(jīng)受包括隨埋藏深度、地層流體和環(huán)境pH值等變化而發(fā)生的壓實(shí)、膠結(jié)和溶解等成巖作用，形成新的次生孔隙，決定了儲(chǔ)層內(nèi)部儲(chǔ)集空間特征和儲(chǔ)集性能；構(gòu)造作用在成巖后對(duì)儲(chǔ)層物質(zhì)發(fā)生改造，對(duì)儲(chǔ)集層物性有一定的影響[14-18]。

3.1 沉積作用

沉積作用是控制儲(chǔ)層發(fā)育特征的先決因素，它不僅控制儲(chǔ)砂體的分布和形成的沉積環(huán)境，還影響儲(chǔ)層空間的基本特征、后期經(jīng)歷的成巖作用類型及成巖強(qiáng)度。

3.1.1 沉積結(jié)構(gòu)

整體上，粒度越小，粒間孔隙空間越小，儲(chǔ)層物性越差；粒度越大，粒間孔隙空間越大，儲(chǔ)層物性越好。泥質(zhì)含量與儲(chǔ)層物性呈負(fù)相關(guān)，泥質(zhì)物質(zhì)含量越少，儲(chǔ)層物性越好[10-11]。粒度及成分統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)沙四段儲(chǔ)層中孔段砂巖以中—粗粒為主，泥質(zhì)含量較少，中孔段平均泥質(zhì)含量為5.50%(B1)、5.67%(B2)、4.90%(B3)；低孔段砂巖以中—細(xì)粒為主，泥質(zhì)含量高，平均泥質(zhì)含量為12.33%(A1)、10.83%(A2)。反映出儲(chǔ)層較好孔隙段由粗粒級(jí)砂巖控制(圖6)。

圖6 沉積作用-物性關(guān)系Figure 6 Relationship between sedimentation and physical property

3.1.2 沉積相

根據(jù)巖性及測井曲線判斷旅大xx構(gòu)造沙四段主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積亞相，沉積微相主要包括水下分流河道、河口壩及席狀砂微相。優(yōu)勢沉積微相為水動(dòng)力較強(qiáng)的水下分流河道微相，平均孔隙度為13.42%；其次是席狀砂微相，平均孔隙度為11.14%(圖6)。由此可見，沉積微相對(duì)儲(chǔ)層物性具有一定控制作用[19-21]。

3.2 成巖作用

遼東灣坳陷深層儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用改造。通過對(duì)沙四段巖心薄片、掃描電鏡等資料分析，成巖作用主要有溶蝕作用、膠結(jié)作用、壓實(shí)作用及交代作用。

3.2.1 溶蝕作用

溶蝕作用是次生孔隙形成的重要途徑，碎屑顆粒及填隙物遭受溶蝕形成新的孔隙，對(duì)儲(chǔ)層物性有重要影響，也是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的主要因素之一[15]。旅大xx構(gòu)造沙四段次生孔隙類型主要為溶蝕粒內(nèi)孔及溶蝕粒間孔?？梢妿r屑及長石等骨架顆粒遭受溶蝕形成鑄?？?圖7a)，在晶體內(nèi)部或邊界形成牙狀或鐘乳狀溶蝕(圖7b、c)。次生孔隙的形成顯著提高了儲(chǔ)層孔隙的數(shù)量、孔徑及連通性。觀察發(fā)現(xiàn)2號(hào)井鑄體薄片10倍鏡視域下中孔段平均發(fā)育7～13個(gè)較大溶蝕孔；低孔段平均發(fā)育2～3個(gè)，孔隙之間不連通。

圖7 2號(hào)井沙四段砂巖鏡下特征Figure 7 Well No.2 Shahejie Formation Fourth Member sandstone microscopic features

3.2.2 膠結(jié)作用

沙四段膠結(jié)作用以碳酸鹽膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)、硅酸鹽膠結(jié)及硅質(zhì)膠結(jié)四種方式為主。

早期成巖作用形成的微晶碳酸鹽礦物會(huì)充填原生孔隙，使儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)致密化的同時(shí)可對(duì)顆粒提供支撐，增加砂體抵抗壓實(shí)的能力，在一定程度上緩解壓實(shí)作用對(duì)孔隙的破壞，對(duì)保護(hù)儲(chǔ)集空間具有積極作用；成巖中晚期在方解石、白云石膠結(jié)基礎(chǔ)上，儲(chǔ)層發(fā)生脫水，黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的大量Fe2+、Mg2+、Ca2+等堿金屬離子進(jìn)入孔隙水，形成鐵方解石、鐵白云石沿孔隙邊緣逐漸向孔隙中心進(jìn)行沉淀，縮小孔隙， 降低儲(chǔ)層的物性(圖7d、 e)。在旅大xx構(gòu)造沙四段大部分儲(chǔ)層砂巖中，碳酸鹽膠結(jié)多表現(xiàn)為方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石以粒狀形式充填孔隙，但充填不完全，仍保留部分殘余孔隙。另多見方解石結(jié)晶較大， 把碎屑顆粒包裹在內(nèi)形成嵌晶結(jié)構(gòu)，完全填充孔隙。還有部分碳酸鹽礦物以交代石英、長石等顆粒的形式存在。碳酸鹽含量與儲(chǔ)層孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。2號(hào)井低孔段碳酸鹽含量較高，平均含量為16.67%(A1)；而中孔段碳酸鹽含量較低，平均9.50%(B1)、5.33%(B2)。

硅質(zhì)膠結(jié)、硅酸鹽膠結(jié)分別以石英次生加大(圖7f)、長石次生加大(圖7g)方式，占據(jù)孔隙空間，導(dǎo)致孔喉直徑減小，使儲(chǔ)層孔隙度、滲透率降低。硅質(zhì)膠結(jié)及硅酸鹽膠結(jié)在儲(chǔ)層中發(fā)育普遍，在中孔段發(fā)育相對(duì)較少，主要發(fā)育在低孔段。

泥質(zhì)膠結(jié)主要表現(xiàn)為黏土膠結(jié)。早期自生或后期淋濾形成的黏土礦物可沿顆粒表面形成膠膜或包殼(圖7h，圖8a)，保護(hù)顆粒，抑制非黏土礦物(自生石英)的生長，對(duì)孔隙起到保護(hù)作用；中晚期形成的黏土礦物(綠泥石)主要沿顆粒孔隙及顆粒間隙發(fā)育，堵塞儲(chǔ)集空間降低儲(chǔ)層物性(圖8b)。掃描電鏡顯示，沙四段黏土礦物主要以片狀及花瓣?duì)罹G泥石(圖8a、b)、片狀伊利石(圖8c)、假六邊片狀高嶺石(圖8d)、片狀伊/蒙混層(圖8e、f)形式附著在顆粒表面或填充在粒間孔隙中，黏土礦物可形成于少量晶間微孔隙。泥質(zhì)膠結(jié)物多形成于粒間孔隙，將單個(gè)大孔隙分割從而使有效孔隙減少。2號(hào)井低孔段泥質(zhì)含量分別為12.33%(A1)、10.83%(A2)；中孔段泥質(zhì)含量分別為5.50%(B1)、5.67%(B2)、4.90%(B3)，可見泥質(zhì)含量越高，對(duì)物性影響越大。

圖8 2號(hào)井沙四段砂巖掃描電鏡特征Figure 8 Well No.2 Shahejie Formation Fourth Member sandstone SEM features

3.2.3 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用主要發(fā)生在成巖早期，對(duì)原生孔隙影響較大，以減少粒間孔隙為主，使儲(chǔ)層物性變差。沙四段砂巖儲(chǔ)層骨架顆粒受壓實(shí)作用中等—強(qiáng)，碎屑顆粒接觸以線接觸為主(圖7d)，有見點(diǎn)接觸、凹凸接觸。

3.2.4 交代作用

交代作用通常作為判斷成巖作用發(fā)生順序和礦物形成順序的主要依據(jù)，交代前后顆粒體積變化對(duì)儲(chǔ)集空間具有一定影響[22-23]。根據(jù)鏡下薄片觀察，沙四段儲(chǔ)層的交代作用多表現(xiàn)為碳酸鹽礦物等對(duì)石英、長石等顆粒的近似等體積交代，交代前后體積變化較小，對(duì)孔隙影響較小，儲(chǔ)層物性變化不明顯。

3.3 構(gòu)造作用

構(gòu)造作用在成巖后不僅控制著儲(chǔ)層的形成和發(fā)育狀況，同時(shí)也影響儲(chǔ)集層物性，形成的斷裂和裂縫，不僅具有儲(chǔ)集性能，能夠提高局部的儲(chǔ)層物性，還具有滲透作用，最終決定油氣的運(yùn)移、聚集和成藏[19-23]。遼東灣坳陷新生代以來構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，坳陷內(nèi)部受到明顯的構(gòu)

造改造作用，主干斷裂走滑派生出了大量次級(jí)伸展斷裂。但由于1號(hào)、2號(hào)井均位于旅大xx構(gòu)造內(nèi)部，距離斷裂較遠(yuǎn)，所遭受的構(gòu)造影響較弱，根據(jù)巖心及薄片觀察，沙四段構(gòu)造裂縫不發(fā)育，故構(gòu)造作用不作為此次儲(chǔ)層研究主要影響因素考慮。

以上分析發(fā)現(xiàn)，砂巖粒度以粗粒為主，溶蝕作用發(fā)育，泥質(zhì)及碳酸鹽含量低是控制儲(chǔ)層孔隙度高的主要因素，在沙四段儲(chǔ)層中形成中孔段；而砂巖粒度以細(xì)粒為主、膠結(jié)作用發(fā)育、泥質(zhì)及碳酸鹽含量高是造成儲(chǔ)層孔隙度低的主要因素，在沙四段儲(chǔ)層中形成低孔段。壓實(shí)作用和構(gòu)造作用對(duì)沙四段儲(chǔ)層不起主導(dǎo)作用。

另值得注意的是在薄片中發(fā)現(xiàn)有黏土膠膜和嵌晶狀亮晶方解石(圖7h，圖7d)出現(xiàn)。黏土膠膜發(fā)育在儲(chǔ)層中孔段，嵌晶狀亮晶方解石發(fā)育在儲(chǔ)層低孔段。黏土膠膜一般為大氣水滲流帶的產(chǎn)物，滲流帶以溶蝕作用為主。而包裹若干碎屑顆粒的大的單晶方解石嵌晶狀亮晶方解石形成于潛流帶，潛流帶以膠結(jié)作用為主[24]。黏土膠膜、嵌晶狀亮晶方解石的形成顯示沙四段沉積后可能有構(gòu)造抬升受到大氣水淋濾作用。渤海海域新生代盆地在斷陷活動(dòng)期發(fā)生區(qū)域性擠壓和盆地反轉(zhuǎn)，造成了沙河街組四段沉積末期盆地的抬升和剝蝕[25]，據(jù)此推測沙四段儲(chǔ)層中孔段、低孔段交替出現(xiàn)與地層多次構(gòu)造抬升受大氣水淋濾有關(guān)。

4 結(jié)論

1)遼東灣坳陷旅大xx構(gòu)造沙四段(Es4)以長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主，發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相，為中孔、低孔—特低滲儲(chǔ)層。

2)遼東灣坳陷旅大xx構(gòu)造沙四段儲(chǔ)層物性主要控制因素為沉積作用、溶蝕作用、膠結(jié)作用。沙四段儲(chǔ)層中孔段、低孔段交替出現(xiàn)可能與地層多次構(gòu)造抬升受大氣水淋濾有關(guān)。