扇三角洲儲層質量差異特征及控制因素研究

關鍵詞：灤平盆地；西瓜園組；扇三角洲；桑園剖面；儲層質量差異

引言

陸相湖盆扇三角洲沉積為砂礫巖體中的重要沉積類型，是油氣的重要儲集場所，學者們對扇三角洲的沉積演化、儲層構型進行了廣泛研究[1 5]。由于扇三角洲儲層質量對油氣開發(fā)具有重要意義，故關于構造作用、沉積作用和成巖作用對扇三角洲儲層質量的控制作用的相關研究也不少[6 13]。前人在研究砂巖儲層質量時普遍認為物性韻律和巖性韻律一致，即隨著粒度的變細，儲層物性也會變差[14 17]，但對于扇三角洲粒度較粗的砂礫巖儲層物性韻律和巖性粒度韻律變化是否一致尚不清楚。目前仍缺乏扇三角洲粗粒砂礫巖分流河道和河口壩單砂體內部儲層質量差異特征及其機理研究。

本文以河北省灤平盆地桑園剖面下白堊統(tǒng)西瓜園組露頭為例，通過野外無人機拍攝、人工觀測和室內實驗室分析等方法，識別不同巖性及沉積構造特征，對巖樣進行鑄體薄片制作，通過孔隙度、滲透率及粒度分析等測試得到相應資料，明確不同微相內部巖性組合特征，分析儲層質量差異特征，確定其控制因素，對扇三角洲儲層質量研究及剩余油挖潛具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質背景

灤平盆地位于河北省灤平縣（圖1a），構造上處于燕山臺褶帶的北緣，處于豐寧隆化深斷裂與尚義平泉深斷裂間的楔形地帶中，盆地發(fā)育受北緣紅旗崗子正斷裂和小白旗付家店正斷裂共同控制，其中，紅旗崗子正斷裂是主控斷層[18 22]。在西瓜園期，灤平盆地經(jīng)歷了初始裂陷期、深陷擴張期及抬升收縮期一個完整的裂陷演化階段[23 24]。盆地基底為新太古代變質巖及古元古代侵入巖，之上依次沉積的地層為中侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)及第四系，中侏羅世早白堊世沉積了數(shù)千米的陸相沉積碎屑巖和火山巖[25 26]。受斷層控制，盆地西南邊緣為被動斜坡邊緣，整體呈現(xiàn)北陡南緩的地形趨勢，為一NE SW 向展布的半地塹盆地，盆地四周發(fā)育有大套厚層砂礫巖。該盆地沉積環(huán)境為沖積扇、扇三角洲和河流體系交替出現(xiàn)。

桑園剖面（圖1 中A A′）位于灤平盆地西部桑園村附近，其走向為NW SE，物源來自北西方向，剖面和物源方向小角度斜交。剖面發(fā)育一個完整的四級基準面旋回[27]，從下向上沉積物粒度由粗變細后變粗，沉積物厚度也是由厚變薄再變厚，巖性由厚層礫巖漸變?yōu)楸由皫r泥巖，后變?yōu)楹駥拥[巖。西瓜園期，研究區(qū)總體處于淺水環(huán)境，發(fā)育有一套扇三角洲前緣沉積，主要的沉積相類型為分流河道、河口壩和席狀砂。分流河道砂體在剖面上呈頂平底凸狀，底部發(fā)育沖刷面，巖性以礫巖為主，含少量砂巖，整體為正韻律；河口壩砂體呈底平頂凸狀，巖性以礫巖、砂巖為主；席狀砂呈薄層板狀，巖性以粉砂巖為主[28 29]。前人研究發(fā)現(xiàn)該處既發(fā)育有反韻律河口壩也有正韻律河口壩，進一步研究發(fā)現(xiàn)當單個河口壩主要由礫巖組成時，河口壩呈正韻律[28 29]。

研究區(qū)主要發(fā)育壓實作用、膠結作用和淋濾作用3 種成巖作用，其中，壓實作用較強烈，多數(shù)碎屑顆粒呈線狀接觸；膠結作用主要包括硅質膠結、鈣質膠結和泥質膠結等，在單砂體邊緣和泥巖接觸的位置膠結作用較強；淋濾作用主要為長石的溶解作用[23]。整體上膠結作用和溶蝕作用較弱，壓實作用相對較強。

1.2 資料概況

采用人工實測及無人機觀測分析相結合的方法對桑園剖面進行研究。人工實測是在近處進行精細觀察及描述，識別不同巖性、沉積構造（層面構造、層理等）及粒度韻律等特征。利用拍攝的400 余張高清照片制作了高清剖面（圖2）。同時，繪制桑園剖面沉積柱狀圖17 張，共計420 m，繪制精度為1：20。另外，取樣50 塊，并對其進行粒度分析、孔隙度和滲透率測試。本文主要應用表1 數(shù)據(jù)開展儲層質量研究。

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石學特征

根據(jù)沉積物粒度，在灤平盆地桑園剖面共識別出礫巖、砂巖和粉砂巖泥巖3 大類巖性，在此基礎上分析不同巖性的沉積組分和組構差異。

2.1.1 儲層巖性類型特征

1）礫巖

礫巖的礫石含量均超過30%，根據(jù)其礫石直徑大小可進一步劃分為中礫巖、細礫巖及小礫巖。

中礫巖是顆粒粒徑在[10.00， 100.00）mm 的礫石含量高于30% 的巖石。所取巖樣礫石粒徑主要分布在2.00～50.00 mm，平均粒徑為26.00 mm，最大可達130.0 mm。分選系數(shù)為31.60～160.10，整體分選差中等，泥質含量為0.76%～4.45%，礫石磨圓多為次棱角狀次圓狀（圖3a）。

細礫巖是顆粒粒徑在[5.00， 10.00）mm 的礫石含量高于30% 的巖石。所取巖樣的礫石粒徑主要分布在2.00～9.00 mm，平均粒徑為7.80 mm，最大可達23.00 mm。分選系數(shù)為22.80～47.40，分選中等差，泥質含量為0.98%～3.15%。礫石磨圓為圓狀次棱角狀，結構成熟度較低（圖3b）。

小礫巖是顆粒粒徑在[2.00， 5.00）mm 的礫石含量高于30% 的巖石。所取巖樣的礫石顆粒直徑主要分布在2.00～5.00 mm，平均粒徑為3.40 mm，最大可達9.00 mm。分選系數(shù)2.29～16.40，分選中等較差，泥質含量為3.49%～5.80%。礫石磨圓為次圓狀棱角狀磨圓（圖3c），結構成熟度較低。

2）砂巖

根據(jù)平均粒徑大小，砂巖可進一步劃分為粗砂巖、中砂巖及細砂巖。

粗砂巖是顆粒粒徑為[0.50， 2.00）mm 的砂粒含量大于50% 的巖石。所取巖樣的粒度中值分布在0.500～0.724 mm。分選系數(shù)為2.30～2.80，分選中等較好。磨圓較差，為棱角狀次棱角狀磨圓（圖3d）。泥質含量為3.89%～7.28%。

中砂巖是顆粒粒徑為[0.25， 0.50）mm 的砂粒含量大于50% 的巖石。巖樣的粒度中值在0.250～0.264 mm。分選系數(shù)為2.30～3.00，分選中等較好。磨圓為尖棱角狀次棱角狀磨圓（圖3e），結構成熟度較低。泥質含量為4.78%～9.80%。

細砂巖是顆粒粒徑為[0.10， 0.25）mm 的砂粒含量大于50% 的巖石。巖樣的粒度中值在0.100～0.157 mm。分選系數(shù)為1.90～3.00，分選中等較差，磨圓為尖棱角狀棱角狀（圖3f），結構成熟度較低。泥質含量在5.08%～10.73%，平均為8.70%。

3）粉砂巖泥巖

該巖性顆粒粒徑小于0.10 mm，粉砂質及泥質含量高，顏色多為灰黑色、灰綠色及灰色。在粉砂巖中可見波狀交錯層理，泥巖頂面可見泥裂構造（圖3h）。粉砂巖主要發(fā)育在席狀砂中，泥巖為淺湖相泥巖。

2.1.2 巖石碎屑成分特征

研究區(qū)不同巖性之間的碎屑成分相近，巖石成分主要為石英、長石和巖屑3 種陸源碎屑，石英平均含量為47%，長石平均含量為6%，巖屑平均含量為47%，巖屑以火山巖和變質巖巖屑為主。砂巖類型主要為巖屑砂巖，少量長石質巖屑砂巖（圖4）。巖石磨圓度大都為次棱角狀至次圓狀，從礫巖至砂巖，隨粒度降低磨圓越來越差。

2.2 儲層質量基本特征

2.2.1 儲層微觀孔喉結構差異

研究區(qū)巖石的主要孔隙類型為殘余原生粒間孔，含少量次生長石溶蝕孔（圖5）。原生粒間孔隙直徑相對較大，最大可達到370 m，但其大小不均，在50～370 m 均有分布（圖5，圖6）。次生長石溶孔主要為長石的粒內溶孔和粒間溶孔。

儲層巖石的喉道類型主要包括片狀喉道、縮頸型喉道和孔隙縮小型喉道，其中，孔隙縮小型喉道較少，縮頸型喉道和片狀喉道較常見?？紫犊s小型喉道沒有固定的形狀，孔、喉直徑比接近于1，其直徑在幾種孔隙類型中最大?？s頸型喉道呈收縮狀，直徑大小次于孔隙縮小型喉道，孔、喉直徑比相對較大。片狀喉道呈片狀或彎片狀，直徑比較小，一般是受強壓實形成的（圖5）。

不同的巖性孔隙類型基本相似，均以殘余原生粒間孔為主，含少量長石溶孔。主要的區(qū)別是孔隙的大小，從不同巖性的鑄體薄片可以看出，小礫巖的孔隙最大，隨粒徑減小到細砂巖，孔隙大小逐漸減?。▓D6）。小礫巖的孔隙直徑最大，主要分布在50～370 m，粗砂巖次之，主要分布在50～250 m，中砂巖較小，為50～130 m。小礫巖和粗砂巖的喉道類型包括孔隙縮小型喉道、縮頸型喉道及片狀喉道3 種，而中細砂巖的喉道類型只包括縮頸型和片狀喉道。相應的孔喉配置關系差異為小礫巖的孔隙和3 種喉道均有連通，而粗砂巖和中砂巖的孔隙只與縮頸型和片狀喉道連通。

2.2.2 儲層宏觀物性差異特征

通過對所取27 個巖樣的孔滲資料分析，得到不同巖性的平均孔隙度和滲透率分布如圖7 所示。可以看出，孔隙度分布在1.51%～17.55%，屬于低特低孔隙度，少部分屬于中孔隙度；滲透率分布在0.010～27.137 mD，屬于低特低滲儲層。

所有巖性中，小礫巖的儲層物性最好，其孔隙度及滲透率均為最大值，粗砂巖次之，過粗的巖性（細礫巖）與過細的巖性（中細砂巖）儲層物性相對較差。灤平盆地桑園扇三角洲儲層的孔隙度和滲透率的相關性較好（圖8），說明該類儲層經(jīng)受的成巖作用較弱，沉積組構為儲層質量的主控因素。

3 不同巖性儲層質量差異主控因素

沉積組構從根本上控制著儲層的原始儲集空間大小，并對后期成巖作用有較大影響。沉積組構主要包括碎屑顆粒的分選、粒度、磨圓及雜基含量等。

3.1 不同沉積組構的儲層物性差異性

圖9 為儲層質量參數(shù)（孔隙度和滲透率）與沉積組構參數(shù)（泥質含量及分選系數(shù)）的交會圖，由圖中可以看出，泥質含量和分選系數(shù)共同控制著儲層質量。泥質含量越低，孔隙度越高；分選系數(shù)越小，滲透率越高。

從圖10 所示不同巖性的泥質含量和分選系數(shù)分布可以看出，從細礫巖至細砂巖隨粒度降低泥質含量逐漸升高，分選系數(shù)逐漸降低，其中，細礫巖的分選系數(shù)特別大，分選差。結合小礫巖和粗砂巖的物性最好可以知道，導致細礫巖物性差的原因是分選太差，較細的顆粒填充在較粗顆粒之間，粒間孔隙減少物性變差。導致中細砂巖物性差的原因是泥質含量較高，充填孔隙以及堵塞喉道。

3.2 沉積組構對成巖強度的控制作用

儲層的巖石顆粒在沉積成巖作用之后開始受到成巖作用的影響，成巖作用影響著孔隙喉道的后期演化，決定了儲層孔隙喉道的最終形態(tài)。在成巖背景相似的情況下，成巖作用的主控因素是沉積組構[30 31]。通過對研究區(qū)所取巖樣的鑄體薄片觀察，發(fā)現(xiàn)只有個別微相邊緣靠近泥巖的巖石有明顯的鈣質膠結，巖樣的溶蝕程度較低，起主要作用的為壓實作用。通過對鑄體薄片（圖6）的觀察可知，所取巖樣的碎屑顆粒接觸關系主要為線接觸和凹凸接觸，點接觸非常少，整體壓實作用較強。

依據(jù)巖石顆粒的粒度和分選性由Sneider 圖版估計得出原始孔隙體積以及壓實后粒間體積，定量計算了所取20 個巖樣的壓實率。不同巖性的成巖作用差異主要體現(xiàn)在壓實作用的差異上，粗砂巖平均壓實率為0.65，中砂巖平均壓實率為0.72，細砂巖平均壓實率為0.90。

圖11 為孔隙度和滲透率與壓實率的交會圖，可以看出，在粗砂巖、中砂巖和細砂巖中，細砂巖的壓實程度最高，其對應的孔隙度和滲透率也為最低的；粗砂巖和中砂巖的壓實程度相近，但由于粗砂巖顆粒骨架更大，粗砂巖的孔滲損失更小，物性較好。Sneider 圖版無法估計礫巖的原始孔隙體積，但可通過薄片鏡下觀察定性判斷其壓實程度，小礫巖巖石顆粒還可見點接觸，而細礫巖和砂巖均為線接觸或凹凸接觸，由此可知小礫巖壓實程度較低，細礫巖壓實程度較高。從小礫巖粒度變粗至細礫巖和粒度變細至細砂巖，壓實作用強度均逐漸增強。

結合不同巖性的沉積組構差異可知，小礫巖的分選適中，泥質含量低，原始孔隙較大，并且由于巖石顆粒骨架支撐以及泥質等塑性礦物少，其抗壓實能力也較強，壓實程度低，孔滲物性最好；從小礫巖至細礫巖，粒度增大，但分選急劇變差，細粒物質填充在粗粒顆粒之間，原始孔滲較差，而分選差導致其壓實受力不均，易于壓實，進一步縮小孔隙體積，導致細礫巖的孔滲較差；從小礫巖至細砂巖，粒度減小，泥質含量增加，堵塞孔隙，原始孔滲較差，而泥質雜基這種塑性礦物含量高導致其更易被壓實，進一步縮小孔隙體積，導致中細砂巖物性較差。

4 不同微相內部儲層質量差異

對于砂巖來說儲層質量韻律和粒度韻律是一致的，但是對于粒度較粗的砂礫巖來說儲層質量韻律和粒度韻律是否一致尚不清楚。對野外露頭單一微相的不同部位取樣，以研究不同微相儲層質量在垂向和橫向上的差異。

對灤平盆地桑園剖面西瓜園組扇三角洲露頭沉積研究表明，沉積微相主要發(fā)育有分流河道、河口壩及席狀砂。河口壩根據(jù)其韻律可分為反韻律河口壩和正韻律河口壩，當河口壩主要為砂巖組成時呈粒度反韻律；當河口壩由礫巖組成時（礫巖層厚度大于30%），呈粒度正韻律[28 29]?；诖嗽谏热侵薜姆至骱拥篮驼错嵚珊涌趬蔚闹虚g部位及邊緣部位的上中下部位進行取樣，分析其儲層質量差異性（圖12）。

根據(jù)取樣位置及巖性柱狀圖（圖12）和3 種沉積微相內部的樣品的孔滲資料（表2）可以知道，在扇三角洲砂礫巖儲層中儲層質量并不簡單和韻律變化一致。在正韻律分流河道中，垂向上從底部向上儲層物性先變好再變差，側向上從中部向兩側物性變差；正韻律河口壩儲層物性變化規(guī)律和正韻律分流河道類似，儲層物性垂向上從底部向上先變好后變差，橫向上從中部向兩側物性變差，儲層物性最好的部位在中部偏上或偏下的位置；在反韻律河口壩中，垂向上從頂部向下儲層物性逐漸變差，橫向上從中部向兩側物性變差。

造成這種現(xiàn)象的本質原因是扇三角洲河道和河口壩儲層內部巖性的變化。通過對野外露頭的觀察和描繪，總結了扇三角洲河口壩和分流河道內部的巖性變化：分流河道垂向上底部以細礫巖、中礫巖為主，向上逐漸變細轉變?yōu)樾〉[巖、粗砂巖，至頂部轉變?yōu)橹屑毶皫r；橫向上從中部向兩側由細礫巖、小礫巖逐漸轉變?yōu)橹屑毶皫r。

正韻律河口壩的巖性變化和分流河道類似，垂向上底部以細礫巖為主，向上逐漸變細轉變?yōu)樾〉[巖、粗砂巖，至頂部轉變?yōu)橹屑毶皫r；橫向上從中部向兩側由細礫巖、小礫巖逐漸轉變?yōu)橹屑毶皫r。反韻律河口壩垂向上底部以中細砂巖為主，向上至頂部逐漸轉變?yōu)榇稚皫r、小礫巖；橫向上從中部向兩側由中粗砂巖、小礫巖逐漸轉變?yōu)榧毶皫r、粉砂巖。結合前部分不同巖性的儲層物性分析可以知道，儲層物性最好的小礫巖和粗砂巖會分布在分流河道和正韻律河口壩的中部附近位置，而在反韻律河口壩會出現(xiàn)在頂部位置。所以，分流河道和正韻律河口壩物性在垂向上會呈現(xiàn)先變好后變差、橫向上從中部向兩側變差的規(guī)律，反韻律河口壩則是垂向上從底部向上物性變好、橫向上從中部向兩側變好。在此基礎上，繪制了圖13 所示的單砂體剖面物性分布模式圖，其物性最好的位置會因小礫巖和粗砂巖的在垂向變化的位置而略有不同。

5 結論

1）扇三角洲儲層小礫巖和粗砂巖儲層物性最好，過粗的巖性（細礫巖）與過細的巖性（中細砂巖）孔滲性相對較差，這種現(xiàn)象受沉積組構與成巖作用控制。小礫巖的分選適中，泥質含量低，原始孔隙較大，并且由于巖石顆粒骨架支撐以及泥質等塑性礦物少，其抗壓實能力也較強，壓實程度低，孔滲物性最好；粒度變粗至細礫巖，分選急劇變差，細粒物質填充在粗粒顆粒之間，原始孔滲較差，而分選差導致其壓實受力不均，易于壓實，導致細礫巖的孔滲較差；粒度變細至中細砂巖，泥質含量增加，堵塞孔隙，原始孔滲較差，而泥質雜基這種塑性礦物含量高導致其更易被壓實，進一步縮小孔隙體積，導致中細砂巖物性較差。

2）扇三角洲不同微相的巖石組合不同，導致其儲層質量分布模式不同。在正韻律分流河道和正韻律河口壩中，垂向上從底部向上由中細礫巖變細至中細砂巖，橫向上從中部向兩側粒度變細，而儲層物性最好的粗砂巖和小礫巖恰好分布在中間部位，所以儲層物性在垂向上從底部向上先變好再變差，橫向上從中部向兩側變差，儲層物性最好位置處于中部附近；反韻律河口壩垂向上從底部向上由細砂巖變粗至粗砂巖、小礫巖，橫向上從中部向兩側粒度變細，儲層物性垂向上從頂部向下先變好后變差，橫向上從中部向兩側變差，儲層物性最好位置處于中部偏上位置。