徐家圍子斷陷深層致密砂礫巖優質儲層預測

肖麗華，張磊，田偉志，吳晨亮，王建偉，潘雪梅，魏巍，胡安文

(1. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶，163318；2. 中國石油 長城鉆探工程分公司， 遼寧 盤錦，124010；3. C & C Reservoirs Inc., Houston TX, 77036；4. 中國石油 遼河油田勘探開發研究院，遼寧 盤錦，124010；5. 中國石油 大慶油田有限責任公司 采油四廠，黑龍江 大慶，163511)

松遼盆地徐家圍子斷陷深層天然氣的主要勘探目的層為營三段段火山巖和營四段砂礫巖[1-6]。徐家圍子斷陷深層砂礫巖儲層在地下處于高溫、高壓的環境中，具有物性差、產量低和非均值性強的特征[3]。砂礫巖儲層的平均孔隙度只有 4.28%，滲透率平均為0.47×10-3μm2，屬于致密儲層，是一種非常規儲層[7]。隨著油氣勘探難度的增加和能源危機的加劇，非常規油氣勘探已成為目前國內外油氣勘探開發中的一個研究熱點，非常規油氣主要包括頁巖氣、煤層氣、油砂礦、水合甲烷氣和致密砂巖氣等[7]。致密砂巖氣藏也叫“深盆氣藏”(deep basin gas trap)[8]、“盆地中心氣藏”(basin-centered gas)[9-10]、“連續型氣藏”(continuous gas trap)[11]，是我國目前非常規油氣勘探中最現實的一種類型[12]。然而，目前人們對于非常規儲層中的致密砂巖，在鄂爾多斯盆地和川西坳陷等地區已作過很多研究[7]，但對于致密砂礫巖儲層的研究還比較少，僅探討了致密砂礫巖儲層的巖石學特征、物性影響因素和工業天然氣儲層物性下限等問題[3-5,12-14]，也從未有人預測過致密砂礫巖儲層中物性甜點和優質儲層的分布。為此，本文作者擬通過綜合研究成巖作用和沉積相對致密砂礫巖孔隙度和滲透率的控制與影響，在成巖作用數值模擬的基礎上，在橫向上預測成巖階段，疊合成巖階段預測圖和沉積相圖，在普遍低孔、低滲的背景下預測徐家圍子斷陷營四段致密砂礫巖中優質儲層的分布，為徐家圍子斷陷，乃至我國其他盆地致密砂礫巖天然氣的勘探、開發奠定堅實的基礎，提供新的研究方法。

1 地質背景

松遼盆地是我國1 個大型中、新生代陸相沉積盆地，總面積約26×104km2，基底為泥質板巖、千枚巖和結晶灰巖等淺變質巖，沉積蓋層從底到頂分別為白堊系、古近系、新近系和第四系[15]。白堊系生、儲巖系發育，是松遼盆地勘探、開發的主要目的層段。自下而上，下白堊統依次為火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組，上白堊統分別為泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組。泉頭組從下到上分為4 段，一般將埋深大于2 500 m 的地層稱為深層，在中央坳陷主要為泉二段以下的地層。松遼盆地具有“下斷上拗”的結構特征。斷陷層主要包括下白堊統的火石嶺組、沙河子組和營城組，是一套火山巖和煤系地層。登婁庫組為斷坳轉化層。坳陷層指泉頭組—明水組的地層，是松遼盆地中淺層的主要勘探目標層段。徐家圍子斷陷是松遼盆地北部勘探程度最高的一個含氣斷陷，勘探面積約4 749.9 km2，由徐西坳陷、徐東坳陷、徐東斜坡和安達—升平隆起4 個次級構造單元組成。沙河子組煤系泥巖是烴源巖發育的主要層段，有機質類型以腐殖型干酪根為主，鏡質組反射率Ro＞2.0%，目前處于過成熟階段。深層儲集層包括營城組火山巖、砂礫巖。砂礫巖主要發育于營四段，是本文研究的重點。登二段、泉一段和泉二段的泥巖是徐家圍子斷陷深層的主要蓋層。

圖1 徐家圍子斷陷營城組四段沉積相平面圖Fig.1 Sedimentary facies map of Member 4 of Yingcheng Formation in Xujiaweizi Fault Depression

2 沉積特征及其對儲層物性的影響

營四段沉積時期，徐家圍子地區斷裂強烈活動，處于主要的斷陷發育期，地形高差大，山地河流攜帶大量粗碎屑物質從西部和北部2 個方向注入斷陷湖盆，在西部和西南部主要發育扇三角洲沉積，在北部發育辮狀河三角洲沉積，半深湖相沉積位于斷陷的中心偏西部地區(圖1)[16]。其中扇三角洲相又進一步分為扇三角洲平原、扇三角洲前緣和前扇三角洲。扇三角洲平原的巖相組合為礫巖、砂礫巖夾灰綠色泥巖、炭質泥巖構成的正旋回，砂礫巖中主要發育塊狀層理。扇三角洲前緣主要由厚層的細礫巖、砂礫巖以及粗砂巖夾暗色泥巖形成的多個反旋回構成。辮狀河三角洲由辮狀河三角洲平原、辮狀河三角洲前緣和前辮狀河三角洲亞相組成。辮狀河三角洲平原的巖性組合是由底部發育沖刷面的礫巖、砂礫巖以及粗砂巖構成的多個正旋回。其基本特征是粒度向上變細，泥巖夾層增多。辮狀河三角洲前緣亞相的特征是由礫巖、砂礫巖與灰色泥巖構成多個正旋回和反旋回。其中正旋回為水下辮狀分流河道沉積，反旋回為河口壩沉積，薄層砂巖和礫巖為遠砂壩沉積?；疑鄮r為分流河道間沉積。但限于目前地震資料的精度，在平面上只能劃分到亞相。統計結果表明，儲層物性(包括孔隙度和滲透率)明顯受控于沉積亞相(表1)，豐富的孔隙度和滲透率的實測數據表明，儲層孔隙度和滲透率從高到低的順序為：辮狀河三角洲前緣、扇三角洲前緣、扇三角洲平原、辮狀河三角洲平原和前三角洲半深湖砂礫巖體，它們的孔隙度依次為5.94%，5.16%，4.48%，4.15%和2.56%，滲透率依次為0.75×10-3，0.33×10-3，0.31×10-3，0.48×10-3和0.09×10-3μm2。

表1 營四段不同沉積相儲層的物性Table 1 Property of reservoirs in different sedimentary facies of Member 4 of Yingcheng Formation

3 成巖作用對儲層物性的控制與成巖階段橫向預測

3.1 成巖作用對致密砂礫巖儲層物性的控制

我國現行的石油天然氣行業標準(SY/T 5477—2003)碎屑巖成巖階段劃分規范是在原成巖階段劃分規范(SY/T 5477—1992)的基礎上[17-18]，稍加修改而成， 限于歷史條件和人們當時在我國中淺層勘探的實踐，將早成巖階段和中成巖階段A 期劃分得很詳細，而且比較適用。然而，隨著深層致密砂巖油氣勘探的不斷深入，這一規范顯得有些不足，中成巖階段B 期和晚成巖階段劃分得不夠詳細。為了更好地分析徐家圍子斷陷深層成巖作用對儲層儲集性能的影響，孟元林等[13]對中國石油與天然氣行業成巖階段劃分規范(SY/T 5477―2003)進行了補充，依據松遼盆地徐家圍子斷陷深層的具體地質情況和天然氣的勘探實踐，將中成巖階段B 期細分為B1和B22 個亞期，把晚成巖階段細分為A 和B 2 個成巖期(表2)。成巖階段細化后，早成巖階段A 期、B 期、中成巖階段A1亞期、A2亞期、B1亞期、B2亞期、晚成巖階段A 期和B 期的深度依次為700，1 050，1 400，2 400，3 000，3 300，4 400 和4 850 m(表2)。在晚成巖階段A 期，富含腐植型干酪根的泥巖仍可脫羧，形成有機酸，溶蝕儲層，形成次生孔隙，處于這一階段的砂礫巖可以形成工業氣藏。但在晚成巖階段B 期，成巖作用太強，儲層物性極差，難以產出工業氣流，砂礫巖主要為干層。由于每一成巖階段發育著一種或幾種主要的成巖作用，所以在成巖作用研究的基礎上，就可劃分出若干成巖相(表2)[13]。本區的主要成巖作用包括機械壓實、膠結作用和溶解作用。隨機械壓實的增強，碎屑顆粒之間的接觸關系，按照“點—線—縫合”的順序變化。反過來，根據碎屑顆粒的接觸關系就可以劃分成巖階段和成巖相(表2)。徐家圍子斷陷深層的埋深大于2 500 m，砂礫巖普遍遭受機械壓實作用。碎屑顆粒多以線－凹凸關系接觸，塑性顆粒受擠壓變形或形成假雜基，剛性顆粒壓裂破碎，長條狀顆粒彎曲，甚至折斷等現象。壓實作用對砂巖原生孔隙具有強烈的破壞作用。徐家圍子斷陷深層最常見的填隙物是碳酸鹽，其次為泥質和石英。碳酸鹽填隙物主要呈粒間膠結物、交代物或次生孔隙內填充物的形式出現，常見微晶狀、晶粒狀或連晶狀產出。碳酸鹽連晶膠結的膠結物主要形成在淺埋藏階段，發育于早期膠結相，雖然使儲層孔隙度降低，但是，可以抑制壓實作用并為晚期溶解提供物質基礎，因此，有利于儲層儲集空間的發育；而呈交代狀的碳酸鹽主要為晚期形成的方解石，發育于緊密膠結壓實相和溶蝕與部分再膠結相，晚期碳酸鹽膠結物充填使儲層孔隙度變差，嚴重破壞儲層的儲集性能。石英膠結物在研究區深層砂礫巖中分布普遍，主要以石英次生加大邊和自形石英晶體的形式出現在碎屑石英顆粒表面和粒內溶孔中，石英次生加大的級別主要在Ⅱ～Ⅲ之間，最大可達Ⅳ級，根據碎屑巖成巖階段劃分規范[17]，砂巖加大的Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ級分別對應與中成巖階段A 期、B 期和晚成巖階段，對應于不同的成巖相。溶蝕作用主要發生在中成巖階段A1－晚成巖階段A 期，發育于早期溶蝕相—溶蝕及部分再膠結相。深度范圍為1 050～4 400 m。表現為有機酸對酸性不穩定礦物鋁硅酸鹽礦物長石、巖屑、碳酸鹽膠結物和少量濁沸石的溶蝕，溶蝕作用可以形成次生孔隙，改善儲層的物性，在深部高溫高壓背景下形成優質儲層。

表2 徐家圍子斷陷碎屑巖成巖階段劃分及主要標志[13]Table 2 Division of diagenesis stages and main marks of clasolite in Xujiaweizi Fault Depression[13]

成巖作用對徐家圍子斷陷深層砂礫巖儲層的物性有非常明顯的控制作用。534 件孔隙度和373 件滲透率實測數據的統計結果表明：隨成巖作用的增強，砂礫巖的孔隙度和滲透率降低(表3)。

3.2 成巖作用數值模擬簡介與成巖階段預測

為了更好地研究成巖作用對儲層物性的影響，綜合考慮壓力(p)、溫度(T)、時間(t)、流體性質(F)和巖性(R)對碎屑巖成巖作用的影響(亦即地層時代、巖性、沉積相、古氣候和構造運動對成巖作用的影響)，用計算機模擬古地溫T、鏡質組反射率Ro、黏土礦物伊利石/蒙皂石混層中蒙皂石層的含量S、自生石英體積分數Vq和C29甾烷S/(R+S)異構化指數SI隨時間的演化規律，其數學模型參見文獻[19-24]。為了防止某個成巖指標劃分成巖階段產生畸變，對這些成巖指標加以線性組合，構建了成巖指數ID，在時空領域內，由計算機高效、自動地劃分成巖階段[25]：

式中：ID為成巖指數；n 為成巖指標的個數，n=5；xi為第i 個變量，共有5 個變量，包括古地溫T、鏡質組反射率Ro、伊利石/蒙皂石混層中蒙皂石層的含量S、自生石英體積分數Vq和甾烷異構化指數SI(C29甾烷S/(R+S))；maxQi為第i 個成巖指標在中成巖階段B2末期的最大值，它們分別為175 ℃，2.0%，5%，12%，0.56(表2)。Pi為第i 個成巖指標的權值，其和為1.0。Qi為第i 個成巖指標模擬計算的結果，如鏡質組反射率、古地溫等。

表2 中ID在各成巖階段的界限值由下式計算得到：

式中：Lk為第k 個成巖階段的成巖指數界限值；m 為成巖階段的個數，m=8，分別為早成巖階段A 期、B期、中成巖階段A1亞期、A2亞期、B1亞期、B2亞期、晚成巖階段A 期、B 期；LQi為第i 個成巖指標的界限值，如Ro早成巖階段B 期與中成巖階段A 期的界限值為0.5%。

這樣，就實現了碎屑巖成巖階段劃分的數值化，隨成巖作用的增強，成巖指數ID增大，不同成巖階段、成巖期和亞期的ID如表2 所示。

表3 營四段不同成巖階段儲層的物性Table 3 Reservoir property of different diagenetic stages in member 4 of Yingcheng Formation

本文以三維地震資料解釋成果和鉆(測)井資料為基礎，建立了研究區的成巖作用數值模擬“人工井”網，網絡中各“人工井”之間的距離為1 km；并應用我們擁有自主知識產權的軟件[25]，模擬了所有 “人工井”在地史時期各成巖參數隨時間的變化規律，應用式(1)計算了成巖指數ID，得到研究區各層位在不同地質時期的成巖指數ID等值線與成巖階段預測圖。成巖模擬的輸入參數包括地層的巖性、厚度、時代、古地表溫度、巖石熱導率等，這些參數取自徐家圍子斷陷鉆井的分析化驗資料和三維地震解釋成果，主要參考了前人的研究成果[15,26-28]。在斷陷的斜坡帶ID較低，在坳陷區ID較高；在營四段地層分布的東北部和南部地區，營四段埋藏相對較淺，成巖作用較弱，ID＜0.71，現今處于中成巖階段A2亞期。隨埋深的增加，ID不斷增加；在0.71≤ID＜0.84的地區，營四段砂礫巖進入中成巖階段B1亞期，砂礫巖儲層的物性較好，已發現了工業氣流。在該斷陷內0.84≤ID＜1.0 的地區，營四段處于中成巖階段B2亞期，成巖作用較強，但由于砂礫巖儲層的粒度粗，而且裂縫比較發育，在其中也產出了工業氣流。在西部坳陷和東部坳陷中央，成巖作用較強，ID≥1.0，營四段砂礫巖儲層進入晚成巖階段A 期，儲層物性變差。成巖作用對儲層的物性具有明顯的控制住用，實測孔隙度等值線有著ID等值線相似的變化趨勢(圖2、圖3)。其原因是營四段的埋藏比較深，成巖作用對儲層孔隙度的影響相對較大，而沉積相的影響相對較最。這一規律在渤海灣盆地深層也有發現[23]。

圖2 營四段現今成巖指數ID 等值線與成巖階段預測圖Fig.2 Diagenetic index ID contour map and predicted diagenetic stages of Member 4 of Yingcheng Formation at present

4 營四段致密砂礫巖之優質儲層預測

4.1 成巖作用和沉積相對儲層物性的綜合影響

孔隙度和滲透率是評價儲層儲集性能最重要的2個基本參數，在各油田的儲層分析化驗資料中，有大量的物性分析數據。在勘探程度較高的盆地，人們常常用實測的孔隙度和滲透率數據編繪孔隙度等值線和滲透率等值線，用于儲層評價和優質儲層預測[15]。但是，對于像徐家圍子斷陷這樣勘探程度較低的盆地，鉆井集中分布于構造高部位，盡管實測孔隙度和滲透率資料很多，但分布不均勻。用這樣的孔隙度和滲透率資料所作出的等值線不具備代表性，難以反映地下儲層孔隙度變化的真實情況，不能用于優質儲層預測，最多只能用于物性變化規律的研究(圖3)。本文試圖在研究影響孔隙度和滲透率主要地質因素的基礎上，探討在勘探程度較低的盆地中優質儲層預測的新方法。

沉積相和成巖作用(也叫沉積后作用)是影響碎屑巖儲層孔隙度和滲透率的 2 個最主要的地質因素[29-35]。沉積相決定著砂礫巖體的空間分布和儲層的原始孔隙度和滲透率。而現今儲層的物性則是古代各種建設性成巖作用和破壞性成巖作用綜合作用的結果。為了定量研究沉積相和成巖作用對徐家圍子斷陷深層致密砂礫巖儲層物性的影響，更精確地預測不同沉積相致密砂礫巖體處于不同成巖階段所具有的儲集性能和可能的儲層類型，本文統計了營四段不同沉積相、處于不同成巖階段砂礫巖體的孔隙度和滲透率(表4)。表4 中的砂礫巖儲層分類采用了王成根據徐家圍子斷陷深層勘探實踐提出的分類方案[3]。該方案將徐家圍子斷陷的致密砂礫巖又進一步分為4 類：Ⅰ類儲層經壓裂后為中高產氣層，孔隙度≥6%；Ⅱ類儲層經壓裂后為中低產氣層，孔隙度為4%～6%；Ⅲ類儲層為低產氣層或干層，孔隙度為2.7%～4%；Ⅳ類儲層為干層，產能甚微，孔隙度＜2.7%。由表4 可見：

(1) 營四段砂礫巖儲層的孔隙度和滲透率明顯受控于沉積相。處于相同成巖階段的儲層，由于沉積相的不同，其儲層的物性和類型各異，例如：同處于中成巖階段B2亞期的砂礫巖儲層，其孔隙度和滲透率由高到低的順序為：辮狀河三角洲前緣、扇三角洲前緣、扇三角洲平原、辮狀河三角洲平原。位于辮狀河三角洲前緣和扇三角洲前緣亞相砂礫巖體的物性好于其平原亞相。這可能是由于前緣亞相位于整個沉積體系的末端，碎屑物質的搬運距離相對較遠，分選、磨圓相對較好。

圖3 營四段砂礫巖孔隙度等值線圖Fig.3 Porosity contour map of glutenites in Member 4 of Yingcheng Formation

(2) 成巖作用對營四段致密砂礫巖儲層的物性有很大影響。同樣是發育于辮狀河三角洲前緣的儲層，處于中成巖階段B2亞期就是Ⅰ類儲層，而處于晚成巖階段A 期就成為Ⅱ類儲層。

(3) 沉積相和成巖作用對砂礫巖儲層物性的影響在一定程度上可以互補。例如：目前處于中成巖階段B2亞期的扇三角洲平原砂礫巖體與處于晚成巖階段A期的扇三角洲前緣砂礫巖體具有相近的物性，二者均為Ⅱ類儲層。

(4) 致密砂礫巖儲層物性是成巖作用和沉積相綜合作用的結果。辮狀河三角洲前緣是營四段最有利的沉積相，處于成巖作用相對較弱的中成巖階段B2亞期，二者“強強組合”，形成了營四段的Ⅰ類儲層，為中高產氣層；而處于成巖作用較強的晚成巖階段A 期的半深湖相砂體，屬于Ⅳ類儲層，物性很差，難以產出工業氣流。其他不同類型沉積相的砂礫巖，處于不同的成巖階段，則形成了Ⅱ和Ⅲ類儲層，主要為中低產氣層。

表4 徐家圍子斷陷營四段沉積相和成巖作用對砂礫巖儲層物性的綜合影響Table 4 Integrated effects of sedimentary facies and diagenesis on glutenite reservoir property of Member 4 of Yingcheng Formation in Xujiaweizi Fault Depression

營四段砂礫巖儲層Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ類儲層均有，由于沉積相和所處成巖階段的不同，構成了一個完整的類型遞變系列。由此可以認為：屬于同一沉積相、處于同一成巖階段的砂體其物性相近、儲層類型相同。這樣，就可以通過疊合沉積相圖和成巖階段預測圖，在平面上預測儲層的類型和優質儲層的分布。

4.2 營四段砂礫巖儲層平面分類與優質儲層預測

綜合考慮成巖作用和沉積相對砂礫巖儲層孔隙度和滲透率的影響，依據表4 中不同沉積相砂礫巖體、處于不同成巖階段所對應的儲層類型，本文通過疊合營四段的沉積相圖(圖1)和成巖階段預測圖(圖2)，定量預測了徐家圍子斷陷營四段各類致密砂礫巖儲層在平面上的分布(圖4)。Ⅰ類儲層是處于中成巖階段B2亞期的辮狀河三角洲前緣砂礫巖體，孔隙度和滲透率最高，在徐家圍子斷陷分布面積不大(圖4)，在其內發現了工業氣流和低產氣流，XS1 井、WS5 井和XS25井就分布在I 類儲層所在的區帶內。Ⅱ類儲層在營四段大面積分布，II 儲層包括處于中成巖階段B2亞期的扇三角洲前緣、扇三角洲平原、辮狀河三角洲平原砂礫巖體和處于晚成巖階段A 期中的辮狀河三角洲前緣和扇三角洲前緣的砂礫巖體。在該區內也發現了工業氣流和低產氣流，例如：XS7，ZS12，FS10，FS6 和XS4 等井均分布在該區域。I 類和II 類儲層屬于致密砂礫巖中，物性相對較好的優質儲層。因此，建議加強對這一區域的勘探。Ⅲ類儲層僅分布在XS1 和XS24井周圍，位于安達－升平隆起帶和徐東坳陷部分地區，處于晚成巖階段A 期中的辮狀河三角洲平原砂礫巖體屬于III 類儲層。Ⅳ類儲層為前三角洲半深湖砂礫體，該類儲層由于形成的水動力條件較弱，泥質含量較高，后天成巖作用又太強，物性最差，在IV 類儲層發育的地區，營四段尚未發現工業氣流和低產氣流。

圖4 營四段儲層平面分類與優質儲層預測圖Fig.4 Reservoir type and high-quality reservoir prediction map of Member 4 of Yingcheng Formation

5 結論

(1) 徐家圍子斷陷深層沉積環境和成巖作用是影響砂礫巖儲層物性的2 個主要因素，營四段最有利的沉積相是辮狀河三角洲前緣和扇三角洲前緣，其次是辮狀河三角洲平原和扇三角洲平原。

(2) 徐家圍子斷陷從邊部到中心，營四段砂礫巖的成巖作用逐漸增強，儲層物性逐漸變差，使砂礫巖致密的成巖作用主要是機械壓實作用和膠結作用。

(3) 不同沉積相的砂礫巖體處于不同的成巖階段形成了徐家圍子斷陷營四段不同類型的儲層，通過疊合沉積相圖和成巖階段預測圖可以預測4 類致密砂礫巖的分布，營四段工業氣流井主要分布在優質儲層(Ⅰ和Ⅱ類)分布的范圍內，位于徐家圍子斷陷的中部。

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