渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制

王永詩，張 順

1.中國(guó)石化 勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257001；2. 中國(guó)石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015

渤南洼陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷中部的一個(gè)負(fù)向構(gòu)造單元，北以埕南斷裂帶與埕東凸起相接，南鄰陳家莊凸起，東以孤西斷裂帶與孤北洼陷相鄰，東南以墾西地壘與三合村洼陷、孤南洼陷相接。渤南洼陷是一個(gè)北陡南緩的箕狀斷陷湖盆，受近東西向盆傾斷層切割，由南向北依次為羅家鼻狀構(gòu)造帶、墾西斜坡帶、渤南深洼帶和埕南陡坡帶(圖1)。古近紀(jì)以來，渤南洼陷一直是沾化凹陷的沉降中心之一，湖相環(huán)境沉積了一套近4 000 m厚的地層。隨著中淺層勘探程度的不斷提高，渤南洼陷中深層已成為油氣勘探的主要對(duì)象和“增儲(chǔ)上產(chǎn)”的重要勘探領(lǐng)域。近年來，相繼在該區(qū)陡坡帶沙四段深層砂礫巖體中發(fā)現(xiàn)油氣藏并取得了重大突破，展現(xiàn)了深層巨大的勘探潛力。

圖1 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

研究表明，渤南洼陷中深層油氣成藏的關(guān)鍵問題是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育，而優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育取決于沉積充填、地層流體的相互作用[1-3]。本文以渤南洼陷沙四段為研究對(duì)象，在分析構(gòu)造演化和洼陷沉積物充填特征基礎(chǔ)上，研究沙河街組沉積期地層水化學(xué)特征，揭示沙四段儲(chǔ)層形成機(jī)制。

1 構(gòu)造演化及沉積充填

渤南洼陷構(gòu)造發(fā)育與演化具明顯的階段性，根據(jù)構(gòu)造活動(dòng)、不整合及沉積環(huán)境、古生物組合等，將古近紀(jì)劃分為初始裂陷期、裂陷伸展期和裂陷收斂期3個(gè)階段，對(duì)應(yīng)形成了3個(gè)三級(jí)層序[4](圖2)。

1.1 初始裂陷期

1.2 裂陷伸展期

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近紀(jì)構(gòu)造演化及地層柱狀剖面據(jù)李丕龍等[4]修改。Fig.2 Structural evolution and stratigraphic column of Paleogene in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

1.3 裂陷收斂期

2 地層水化學(xué)特征

地層水化學(xué)特征及成因決定著成巖作用的類型，通常用礦化度、水型和常量組分等對(duì)地層水化學(xué)特征進(jìn)行表征。

總礦化度是指地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量(總?cè)芙夤腆w)，以每升中所含克數(shù)表示，通常用110℃下把水分蒸干所剩殘?jiān)牧縼碛?jì)量。地層水的礦化度特征是地理地質(zhì)環(huán)境變遷所導(dǎo)致的地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)經(jīng)歷漫長(zhǎng)而復(fù)雜演化的反映，礦化度對(duì)地層水的化學(xué)性質(zhì)起著主導(dǎo)作用，縱橫向的礦化度變化對(duì)解決地質(zhì)問題有重要意義。依據(jù)蘇林分類，水型可分為CaCl2型、NaHCO3型、MgCl2型及Na2SO4型。地下水中的常量化學(xué)組分主要包括:Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Na+、Mg2+、Ca2+和K+。

鈉氯系數(shù)是單位體積鹵水中鈉離子與氯離子的當(dāng)量比值，表示地層水中鈉鹽的富集程度，其成因?yàn)闈饪s變質(zhì)作用，地層水封閉越好、越濃縮、變質(zhì)越深，其值越小。變質(zhì)系數(shù)指示地層水在運(yùn)移過程中水巖作用的強(qiáng)度和離子交替置換的程度，反映流體的變質(zhì)程度，即流體—巖石相互作用程度或封閉程度，一般其值越大，表明流體的變質(zhì)程度越強(qiáng)，流體—巖石相互作用強(qiáng)度越大。脫硫系數(shù)指示地層水中脫硫作用，其結(jié)果不僅是除去水中的硫酸鹽，還包括生成硫化氫氣體并進(jìn)入到天然氣中。脫硫酸作用通常都是在缺氧的還原環(huán)境中進(jìn)行，這種環(huán)境對(duì)保存油氣很有利，故脫硫作用可作為反映地下水氧化還原環(huán)境的重要指標(biāo)，在封閉的油氣藏中，脫硫系數(shù)一般都很低。

受沉積埋藏水及后期水—巖作用的影響[7-8]，渤南洼陷在古近紀(jì)經(jīng)歷了咸化湖盆到淡水湖盆的發(fā)育過程。從各層系水型分布特征及沙河街組水化學(xué)指標(biāo)(表1)可以看出，沙河街組地層水主要分為三類，以NaHCO3型為主，CaCl2型次之；而東營(yíng)組和館陶組則以CaCl2型為主，NaHCO3型次之(圖3)。

表1 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街組地層水化學(xué)指標(biāo)Table 1 Hydrochemical indexes of Paleogene Shahejie Formation in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷各層系地層水水型分布Fig.3 Distribution of formation water types of each stratum in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

2.1 沙四段地層水化學(xué)特征

渤南洼陷沙四段沉積發(fā)育了厚層膏鹽層，渤深5井的沉積厚度達(dá)到186m。該段膏鹽層分布面積廣，沉積厚度大，各項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)指示渤南洼陷沙四段沉積整體環(huán)境較封閉，不同區(qū)帶水體礦化度存在明顯差異。渤南深洼帶內(nèi)地層水礦化度在10～40 g/L，水型主要為CaCl2型；墾西斜坡帶內(nèi)地層水礦化度分布在5～20 g/L，水型主要為NaHCO3型。

2.2 沙三段地層水化學(xué)特征

沙三段埕南斷階帶—渤南深洼帶地層水礦化度明顯高于墾西斜坡帶地層水礦化度。其中渤南深洼帶為礦化度高值區(qū)，礦化度為10～40 g/L，鈉氯系數(shù)主要為0.85～1.2，脫硫酸系數(shù)也小于1；墾西斜坡帶礦化度值都較小，分布在5～10 g/L之間，鈉氯系數(shù)大于1.2，變質(zhì)系數(shù)小于-10。

2.3 沙一段地層水化學(xué)特征

沙一段絕大部分地區(qū)的地層水礦化度都小于15 g/L，NaHCO3型水約為81%，CaCl2型水主要分布在孤島凸起周圍孤北斷裂和孤西斷裂處。沙一段絕大部分地區(qū)鈉氯系數(shù)都大于1，在渤南洼陷出現(xiàn)局部高值區(qū)；變質(zhì)系數(shù)絕大部分地區(qū)都小于0，整體變質(zhì)程度較低，變質(zhì)系數(shù)低值區(qū)與鈉氯系數(shù)高值區(qū)大體一致。

3 深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制

在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，3 500 m以下儲(chǔ)層孔隙度普遍小于10%，缺失優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[9-10]。深層儲(chǔ)層在埋藏成巖演化的漫長(zhǎng)過程中，不同性質(zhì)的流體決定著儲(chǔ)層演化及孔隙發(fā)育[11]。許多學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)演化過程產(chǎn)生的酸性流體對(duì)儲(chǔ)層改善明顯[12-14]，相關(guān)學(xué)者也就堿性流體成因及其控儲(chǔ)作用進(jìn)行了初步的研究[15-17]。本文以渤南洼陷北部陡坡帶深層沙四上亞段砂巖儲(chǔ)層為例，論述優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成機(jī)制。

3.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

渤南洼陷北部陡坡帶沙四上亞段巖性以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，次為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖(圖4)。其中石英含量在1%～70%之間，主要由單晶石英組成，顆粒一般呈棱角—次棱角狀，分選中等偏差，常具次生加大邊；長(zhǎng)石含量在2%～45%之間，長(zhǎng)石類型多為斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，長(zhǎng)石顆粒內(nèi)部常沿解理縫或破裂縫發(fā)生溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，部分完全溶蝕形成鑄?？?，成為主要的孔隙類型之一；巖屑含量介于17%～99%，巖屑成分一般以中酸性噴出巖、石英巖和泥質(zhì)巖屑為主，受成巖作用影響，較軟的塑性巖屑常受擠壓變形呈假雜基。填隙物包括雜基和膠結(jié)物，黏土礦物是填隙物重要的組成部分，X射線衍射分析黏土礦物含量在1%～44%之間；膠結(jié)物以方解石為主，見少量鐵白云石和黃鐵礦。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙四上亞段碎屑巖巖石類型Fig.4 Rock types of clastic rocks in upper section of fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

3.2 儲(chǔ)層成巖演化特征

渤南洼陷沙四段成巖環(huán)境經(jīng)歷了從堿性到酸性的變化，這可在黏土礦物、增生石英和膠結(jié)物含量上體現(xiàn)出來。沙四段沉積于咸化水體環(huán)境，伴隨著膏巖的脫水作用，早成巖A期，隨著壓實(shí)作用的進(jìn)行，原生粒間孔減少，顆粒呈點(diǎn)狀接觸，在堿性流體作用下，碳酸鹽膠結(jié)物不斷產(chǎn)生，當(dāng)埋深達(dá)到2 800 m時(shí)方解石膠結(jié)物含量高達(dá)25%，高嶺石含量為20%左右，這一層段正是對(duì)應(yīng)了膏鹽層和灰?guī)r的集中發(fā)育段，大量的碳酸鹽膠結(jié)物充填原生孔隙，并有效阻滯壓實(shí)作用的發(fā)生；早成巖B期，隨著埋深的不斷增大，機(jī)械壓實(shí)作用持續(xù)進(jìn)行，碳酸鹽膠結(jié)物含量升高并一直持續(xù)到3 300 m(圖5a-b，圖6)，當(dāng)烴源巖埋深超過2 800 m時(shí)，鏡質(zhì)體反射率(Ro)達(dá)到0.5%，烴源巖開始排出有機(jī)酸，碳酸鹽膠結(jié)物開始溶蝕，長(zhǎng)石、巖屑微弱溶蝕，顆粒呈點(diǎn)—線狀接觸，發(fā)育少量粒間—粒內(nèi)溶孔(圖5c)。

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系儲(chǔ)層主要成巖作用類型及成巖現(xiàn)象a.早期膠結(jié)作用強(qiáng)，紅色方解石大量充填原生孔隙，原生孔隙所剩無幾，后期溶蝕作用微弱，有少量粒間溶蝕孔發(fā)育，羅354井，2 964.9 m，5×10(-)；b.早期膠結(jié)作用強(qiáng)，碳酸鹽膠結(jié)物大量出現(xiàn)，抑制壓實(shí)，中后期溶蝕作用中等，產(chǎn)生少量粒間孔及鑄?？?，義160井，3 129.29 m，5×10(-)；c.早期膠結(jié)和后期溶蝕作用都較弱，早期紅色方解石膠結(jié)充填原生孔隙，后期方解石膠結(jié)物和長(zhǎng)石、巖屑被溶蝕，產(chǎn)生粒間溶孔，羅802井，2 022.5 m，5×10(-)；d.后期溶蝕作用強(qiáng)烈，早期膠結(jié)物基本被完全溶蝕，長(zhǎng)石、巖屑部分溶蝕，產(chǎn)生大量粒間、粒內(nèi)溶蝕孔，羅803井，2 235.29 m，10×10(-)；e.壓實(shí)作用強(qiáng)烈，長(zhǎng)石、巖屑被大量溶蝕，產(chǎn)生較多次生孔隙，義161井，3 480.65 m，5×10(-)；f.壓實(shí)作用強(qiáng)烈，溶蝕作用中等，粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙發(fā)育，義東261井，4 089 m，5×10(-)Fig.5 Types and phenomena of diagenetic effects of Paleogene reservoirs, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

圖6 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系成巖環(huán)境及成因分析Fig.6 Diagenetic environment and genetic analysis of Paleogene in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

中成巖A期，當(dāng)烴源巖埋深超過3 300 m，且Ro>0.7%時(shí)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度增強(qiáng)，有機(jī)酸數(shù)量增多，大量有機(jī)酸完全中和掉早期的堿性流體，先期的堿性成巖環(huán)境逐漸變?yōu)樗嵝猿蓭r環(huán)境；伴隨著烴源巖熱演化，地層產(chǎn)生異常高壓，有機(jī)酸在異常高壓的驅(qū)動(dòng)下向地層中運(yùn)移，各類型儲(chǔ)集體大量出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象，且埋深越大，溶蝕作用越強(qiáng)烈，早期碳酸鹽膠結(jié)物以及長(zhǎng)石、巖屑普遍被溶蝕(圖5d)，方解石含量降低到10%以下，高嶺石、增生石英含量逐漸升高，在壓實(shí)強(qiáng)烈的緊密儲(chǔ)層中發(fā)育了相當(dāng)數(shù)量的粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙(圖5e-f，圖6)。中成巖B期，當(dāng)埋深到達(dá)4 000 m時(shí)，Ro>1.0%，進(jìn)入生凝析氣、濕氣階段；隨著埋深的不斷增大，有機(jī)酸的影響作用越來越弱[18-19]，逐漸演變?yōu)橹兴嵝?、弱酸性環(huán)境；鐵質(zhì)碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)，顆粒呈凹凸接觸，顆粒間及顆粒與膠結(jié)物之間出現(xiàn)裂縫。

3.3 酸堿共控成儲(chǔ)機(jī)制

渤南洼陷沙四上亞段為半深湖鹽湖相低位體系域沉積，發(fā)育了膏質(zhì)泥巖、膏巖、灰?guī)r和暗色泥巖的互層沉積。成巖作用早期，伴隨著膏巖的脫水作用，在堿性成巖環(huán)境下，碳酸鹽膠結(jié)物廣泛發(fā)育，其中在2 800 ～3 300 m膠結(jié)作用格外強(qiáng)烈，隨著壓實(shí)作用和碳酸鹽膠結(jié)作用加強(qiáng)，儲(chǔ)集物性變差，大量的碳酸鹽膠結(jié)物充填原生孔隙，并有效阻滯壓實(shí)作用的進(jìn)行，為后期酸性溶蝕創(chuàng)造了條件；當(dāng)埋深超過3 300 m時(shí)，鏡質(zhì)體反射率大于0.7%，暗色泥巖、膏質(zhì)泥巖進(jìn)入主要的生排烴階段，有機(jī)酸也大規(guī)模排出，這時(shí)成巖環(huán)境演變?yōu)樗嵝?，伴隨而來的是成巖作用的改變，這種改變首先體現(xiàn)在早期碳酸鹽膠結(jié)物被大量溶蝕，由溶蝕作用增大的孔隙度大于壓實(shí)作用減少的孔隙度，因此形成了次生孔隙發(fā)育帶；當(dāng)埋深超過4 000 m時(shí)，Ro>1.0%，并隨著深度的增加，有機(jī)酸的波及程度降低，加之埋藏較深，壓實(shí)作用已十分強(qiáng)烈，形成的致密儲(chǔ)層在溶蝕作用減弱的情況下孔隙度總體較低，僅有少許溶蝕作用形成的次生孔隙存在(圖7)。

圖7 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街組四段碎屑巖成巖演化及儲(chǔ)層發(fā)育模式Fig.7 Diagenetic evolution of clastic rocks and reservoir development model of fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

在成巖流體作用下，先期堿性流體形成碳酸鹽膠結(jié)，抑制壓實(shí)，保護(hù)了原生孔隙結(jié)構(gòu)；后期酸性流體溶蝕碳酸鹽膠結(jié)物，形成次生孔隙。酸性地層流體和堿性地層流體交替控制了有效儲(chǔ)層發(fā)育，是深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的主要機(jī)制。

4 有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

渤南洼陷深層古近系沙四段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育，受膏鹽層分布、烴源巖分布、斷裂體系展布與沉積儲(chǔ)層展布的控制。首先，膏鹽層發(fā)育決定了早成巖期堿性流體的分布，在渤南洼陷沙四段沉積期膏鹽層非常發(fā)育，平面上主要分布在洼陷的中部，呈團(tuán)塊狀近東西向展布，厚度最大可達(dá)100 m，厚度高值區(qū)集中在東、西2個(gè)次洼中，展布范圍較大(圖8a)；其次，烴源巖發(fā)育決定了中成巖期酸性流體的分布，從沙四上亞段湖侵體系域的烴源巖展布看，其厚度高值區(qū)集中在洼陷北部的深洼帶，向南烴源巖厚度逐漸變薄，但展布范圍一直延伸到南部緩坡盆緣處(圖8b)；再次，斷裂體系對(duì)酸堿流體起輸導(dǎo)作用，沙四段頂面斷裂系統(tǒng)總體上較發(fā)育，主要可分為近東西向與北東向兩組斷裂體系，在膏鹽層和烴源巖發(fā)育區(qū)斷裂系統(tǒng)也較發(fā)育，為酸堿流體的流動(dòng)提供運(yùn)移通道(圖8c)；最后，砂巖發(fā)育是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵，只有在膏鹽層分布、烴源巖分布、斷裂體系展布與沉積儲(chǔ)層展布疊合的區(qū)域，才可能形成深部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。渤南洼陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育于北部陡坡近岸水下扇沉積區(qū)和南部緩坡扇三角洲沉積區(qū)(圖8d)，其中在北部發(fā)育的近岸水下扇優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層向前推進(jìn)距離較遠(yuǎn)，在縱、橫向上和多套膏鹽層和烴源巖疊置對(duì)接。

圖8 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街組四段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育相關(guān)要素平面分布a.膏鹽層分布；b.烴源巖分布；c.斷裂分布；d.砂巖分布Fig.8 Factors related to development of high-quality reservoirs in fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

縱向上膏鹽層發(fā)育段是堿性流體影響強(qiáng)烈層段，而酸性流體的影響范圍及作用強(qiáng)弱在不同深度段的表現(xiàn)有所不同，其中2 800～3 300 m為弱酸性，3 300～4 000 m為中酸性，4 000 m以深酸性環(huán)境逐漸變?nèi)?。酸堿流體共同作用的3 300～4 000 m層段是深部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育段。因此，渤南洼陷沙四段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)為受酸堿流體影響強(qiáng)烈的緩坡扇三角洲和陡坡近岸水下扇中前端砂體(圖8)。

5 結(jié)論

(1)渤南洼陷沙四段發(fā)育了鹽湖—咸化環(huán)境的湖相碎屑巖沉積，湖盆中心以大面積分布的膏鹽沉積為特征，由盆緣向洼陷中心依次為砂礫巖區(qū)、含膏泥巖區(qū)、灰?guī)r泥巖區(qū)。砂礫巖巖性以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，黏土礦物是填隙物重要的組成部分，膠結(jié)物以方解石為主，長(zhǎng)石顆粒形成的鑄模孔是主要的孔隙類型。

(2)渤南洼陷沙四段碎屑巖經(jīng)歷了早成巖期堿性成巖環(huán)境，碳酸鹽膠結(jié)物充填原生孔隙并有效阻滯壓實(shí)作用的發(fā)生，保護(hù)了原生孔隙結(jié)構(gòu)；中成巖期，有機(jī)酸在異常高壓的驅(qū)動(dòng)下向地層中運(yùn)移，早期碳酸鹽膠結(jié)物以及長(zhǎng)石、巖屑普遍被溶蝕，發(fā)育了相當(dāng)數(shù)量的粒間、粒內(nèi)溶蝕孔隙。酸性流體和堿性流體交替作用控制了有效儲(chǔ)層發(fā)育，是深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的主要機(jī)制。

(3)渤南洼陷深層古近系沙四段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育，受膏鹽層分布、烴源巖分布、斷裂體系展布及沉積儲(chǔ)層展布的控制，酸性和堿性流體共同作用對(duì)應(yīng)的埋深3 300～4 000 m層段是深部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育段，為緩坡扇三角洲和陡坡近岸水下扇中前端砂體。