西湖凹陷斜坡帶深層異常高孔隙儲層特征及成因

曹 茜，周 文，劉 巖，陳文玲，姬安召，呂 晶，王昱翔

西湖凹陷斜坡帶深層異常高孔隙儲層特征及成因

曹 茜1,2，周 文1,3，劉 巖1,3，陳文玲1,3，姬安召4，呂 晶1,3，王昱翔1,3

(1.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都，610059；2.四川省科源測試中心頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，四川成都，610072；3.成都理工大學能源學院，四川成都，610059；4.隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽，730070)

通過鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物X線衍射、壓汞和巖心實測孔隙度等資料，研究西湖凹陷斜坡帶深層異常高孔隙儲層特征及其成因，系統分析異常超壓對斜坡帶深層異常高孔隙發育帶的影響。研究結果表明：西湖凹陷斜坡帶深層砂巖儲層縱向上3 600～4 300m及＞4 600m地層異常高孔隙發育，孔隙度最大值為24.9%，對應儲集層巖性以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，砂巖粒度以中—細粒為主，顆粒分選好，顆粒間多為點—線接觸，對應孔隙類型包括殘余原生粒間孔隙、次生孔隙、鑄模孔以及少量裂縫，孔喉組合類型以大孔—粗喉、中孔—中喉型組合為主。研究區異常超壓廣泛存在，異常超壓抑制上覆地層的機械壓實作用，保存部分原生孔隙，同時減少了由于膠結作用而損失的孔隙；此外，在一定的封閉系統內異常超壓的存在增加了膠結物溶蝕時間和強度，產生大量次生孔隙。

異常高孔隙度；異常超壓；儲層特征；西湖凹陷

一般而言，儲層孔隙度會隨著埋藏深度增加而減小，但在局部深埋藏地區仍會出現異常高孔隙發育帶。異常高孔隙度(anomalously high porosity)是相對于砂巖孔隙度的正常演化趨勢而言的，是指在研究深層砂巖儲層特征的過程中，當前砂巖儲層中產生的孔隙度高于同等性質條件下儲層孔隙度[1]。在深層碎屑巖油氣藏的勘探開發過程中，異常高孔隙發育帶的存在可以提高油氣產量，形成具有商業價值的油氣田，因此，尋找異常高孔隙發育帶是深層碎屑巖油氣藏勘探開發的首要目標。目前，國內外學者普遍將埋深在3 500m以深的地層定義為深層[2]，周國君等[3?4]認為深部地層中發育的異常高孔隙帶往往與異常高壓的存在有一定的對應關系；BLOCH等[1,5?6]認為早期的烴類充注、儲層孔隙中的顆粒包層或顆粒環邊的存在會對深層儲層孔隙度的保存起積極保護作用，從而使得儲層保持異常高的孔隙度和滲透率；王成等[7?9]認為深層儲層次生孔隙的發育能有效改善砂巖的儲集性能，總結其發育影響因素主要有異常超壓的發育、溶蝕作用、烴類充注以及顆粒黏土包殼。不同盆地對應的異常高孔隙帶，其成因機制也不盡相同。初步研究發現異常超壓的發育對西湖凹陷斜坡帶深層砂巖儲集層孔隙發育影響較大，在此，本文作者充分利用巖心資料、鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物X線衍射、壓汞、物性測試以及地層壓力等資料，對西湖凹陷斜坡帶深層異常高孔隙發育段儲層特征進行系統研究，具體分析異常高壓的影響機制，為下一步勘探開發提供一定的地質依據。

1 地質背景

西湖凹陷是處于東海陸架盆地東部凹陷中北部的新生代含油氣盆地，受區域構造應力場的作用，大體經歷了“裂陷—坳陷—區域沉降”3個構造演化階段，整體呈NNE向分布，從西向東可劃分為5個構造單元，即保椒斜坡帶、三潭深凹、中央背斜帶、白堤深凹和天屏斷裂帶[10]。保椒斜坡帶位于西湖凹陷西部，目前其勘探程度比較高的平湖構造帶上已經發現了平湖、團結亭、寶云亭及孔雀亭4個油氣田，是西湖凹陷油氣勘探開發的重點區域之一。研究區新生代地層自下而上分別為：古新(E1)、始新統寶石組(E2b)和平湖組(E2p)、漸新統花港組(E3h)、中新統龍井組(N11l)、玉泉組(N12y)和柳浪組(N13l)、上新統三潭組(N2s)及第四系東海群(Qd)(圖1)；前人對西湖凹陷沉積相已進行了大量研究，西湖凹陷沉積環境以海陸過渡相為主，從凹陷中心到邊緣，依次發育河流—三角洲、濱淺湖—半深湖沉積[10]。其中花港組和平湖組作為保椒斜坡帶主要的儲集層，花港組儲層屬三角洲沉積和濱淺湖沉積體系，平湖組儲層屬潮控三角洲沉積體系和潮坪沉積體系。

2 斜坡帶異常高孔隙儲層特征

2.1 異常高孔隙帶的分布

西湖凹陷保椒斜坡帶平北地區868個樣品的實測物性資料統計表明：隨著埋藏深度加大，儲層孔隙度呈減小趨勢，但是在埋藏深度3 600～4 300m以及＞4 600m地層存在異常高孔隙發育帶(圖2)；孔隙度主要分布在10%～25%之間，最大值為24.9%，平面上主要分布在斜坡帶平北地區，即孔雀亭、寶云亭油氣田，深層異常高孔隙發育帶砂巖儲層屬于三角洲前緣水下分流河道沉積體系[11]。勘探開發研究表明：斜坡帶KQT4井在4 183.0～4 196.0m和4 548.7～4 566.2m深度范圍儲層異常高孔隙發育，同時試油(氣)結果顯示此深度段具有較高產能，累積產氣226.8×103m3，所產氣體品質較好(烴組分含量高，在地面有較高的凝析油產量)，具有商業價值。

2.2 異常高孔帶巖石學特征

圖1 西湖凹陷各構造帶、油氣田分布及地層圖Fig.1 Distribution of structuralbelts,oil-gas fields and strata of Xihu sag

圖2 西湖凹陷斜坡帶深層儲層孔隙度?深度的關系Fig.2 Relationship between porosity and depth in Slopeof Xihu Sag

通過大量的巖心觀察、鑄體薄片鑒定、黏土礦物X線衍射等資料分析，研究區異常高孔隙發育段儲集層的巖石碎屑主要成分為石英、長石和巖屑，其中石英含量較高，平均質量分數為67.1%；其次為巖屑，平均質量分數為17.5%；長石的含量最低，平均質量分數為14.8%(圖3)。根據福克的砂巖分類方案，研究區異常高孔隙發育段儲集層巖性以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，其次為長石質石英砂巖；砂巖粒度以中—細粒為主，顆粒分選好；呈次棱—次圓狀，顆粒間多為點—線接觸，膠結類型以接觸式為主。

圖3 斜坡帶深層異常高孔隙帶儲集層巖石學特征Fig.3 Petrologic feature of deep high-porosity zones in slope

圖4 斜坡帶平北地區儲層成巖演化序列Fig.4 Diagenetic evolutionary sequencesof Pingbeizone in slope

在鑄體薄片鑒定、掃描電鏡、電子探針、鏡質組反射率Ro、熱解分析、黏土礦物X線衍射以及包裹體分析基礎上，依據中華人民共和國石油與天然氣行業標準SY/T 5477—92“碎屑巖成巖階段劃分規范”，將西湖凹陷斜坡帶碎屑巖成巖作用劃分為早成巖階段A期、B期，中成巖階段A期、B期。分析表明異常高孔隙發育段儲集層目前已達到中成巖階段A期，碎屑顆粒間以點—線接觸為主，機械壓實作用有所減弱，膠結作用和溶蝕作用明顯，有機質處于成熟階段，鏡質體反射率(Ro)在0.55%～1.30%之間；干酪根因熱解向烴類轉換過程中，生成大量有機酸和CO2，溶于水形成酸性流體進入臨近砂質巖，溶蝕儲集層，次生孔隙發育。

2.3 異常高孔帶孔隙特征

在埋深＜3 600m時，為孔隙正常演化階段，該階段主要受機械壓實作用的影響，隨著埋深增加孔隙度逐漸減小，孔隙類型以原生孔隙為主，含少量的溶蝕孔隙，顆粒間呈點—線、線—線接觸(圖5(a))；當埋深＞3 600m時，隨著埋深的增加孔隙度減少趨勢變緩，受機械壓實、溶解作用、膠結作用等成巖作用的共同影響，形成大量的次生孔隙，部分殘余原生粒間孔隙得以保存。通過鑄體薄片以及掃描電鏡鑒定發現該異常高孔隙帶儲層孔隙類型包括殘余原生粒間孔隙、次生孔隙、鑄模孔以及少量裂縫：殘余原生粒間孔隙是指碎屑顆粒沉積之后保存下來未被充填的原生孔隙，多發育于顆粒之間，形狀較規則，多呈三角形、多邊形等(圖5(b))，研究區異常高孔隙發育帶該孔隙類型較為常見，占所有孔隙類型的20%～25%；次生孔隙主要是巖石顆粒、不穩定礦物顆粒被溶蝕而形成，被溶的部分有巖屑和長石顆粒，其中部分溶蝕沿解理進行，形成粒內窗格狀或蜂窩狀溶孔(圖5(c)和5(d))，該類孔隙類型改善了儲集空間，是重要的孔隙類型，占所有孔隙類型的50%～60%；鑄模孔是指當顆粒內溶蝕作用很強時，整個顆粒基本被溶，保留原顆粒的形狀所形成(圖5(e))，鑄模孔的發育使巖石的儲集空間擴大；此外偶見一些微裂縫(圖5(f))。結合掃描電鏡及壓汞測試技術，研究區深層異常高孔隙發育段砂巖儲層普遍發育的孔隙組合類型有殘余粒間孔?粒間溶孔和殘余粒間孔?粒內溶孔等。結合保椒斜坡帶深層異常高孔隙發育帶185個樣品孔隙類型分析及巖石毛細管壓力資料，對應儲層樣品喉道較粗，大、中孔喉發育，其孔徑集中分布在10～200μm，平均孔隙直徑為99.10μm，喉徑主要分布在5.19～32.06μm之間，平均孔喉直徑為7.63μm，整體上異常高孔隙發育帶砂巖孔喉組合類型以大孔—粗喉、中孔—中喉型組合為主。

圖5 斜坡帶深層儲層孔隙類型Fig.5 Pore typesof deep zones in slope

3 異常高孔隙帶儲層特征成因分析

3.1 異常高壓廣泛存在

統計研究區部分單井地層壓力數據(表1)，結果表明研究區深層地層壓力系數普遍大于1.2，最大高達1.6。斜坡帶寶云亭、孔雀亭區域孔隙度?深度關系曲線見圖2。從圖2可見：隨著埋深增加，3 600～4 300m以及＞4 600m地層孔隙度呈增大趨勢。BYT3及KQT4井地層孔隙度、壓力系數及孔隙面孔率隨深度的變化曲線見圖6。從圖6可見：BYT3井在3 600～4 300m時，地層壓力增大，次生孔隙面孔率增大，原生面孔率減少趨勢變緩；KQT4井在埋深＞4 600m時，地層壓力增大，原生孔隙面孔率、次生孔隙面孔率均呈增大趨勢，這說明異常超壓與該地區孔隙演化之間存在一定的關系[12]。3.2異常超壓對壓實作用的影響

表1 斜坡帶部分單井地層壓力系數統計(包括DST和FMT測壓數據)Table1 Formation pressure coefficientof some typicalwells in slope(including DST and FM I testdata)

原生孔隙的保存對于優質儲集層的形成和演化具有重要的意義[13]。西湖凹陷平均沉積?沉降速率較高，西部沉積速率約為94m/Ma，東部沉積速率高達220m/Ma[10]，在快速埋藏過程中，當上覆負荷增加速度大于儲層孔隙流體排出速度時，部分上覆負荷由流體承擔，孔隙流體壓力增大，超壓的形成阻礙了正常壓實作用的進行，形成砂巖欠壓實帶[14?15]，保存部分殘余原生孔隙，可以部分改善儲層物性。

圖6 平北地區地層孔隙度、壓力系數及孔隙面孔率隨深度的變化Fig.6 Relationship between porosity&pressure and depth in Pingbeizone

處于欠壓實帶中的儲集巖其孔隙度相對較大，同時也會引起相應的地球物理特征發生變化，如聲波時差增大、密度減小等[16]。結合BYT4井的砂巖綜合壓實曲線，發現井深4 000m左右砂巖儲層存在欠壓實作用(圖7)，4 200m處相鄰地層泥巖層厚度較大，砂泥比低，埋藏過程中儲層孔隙流體排泄受阻，地層壓力系數為1.44；對應樣品鑄體薄片及掃描電鏡觀察孔隙類型包含殘余原生粒間孔及粒間溶孔，其中原生粒間孔呈三角形、多邊形等，孔隙邊緣平直，孔隙直徑一般在200～400μm之間，平均孔隙直徑為169.62μm，孔隙分布均勻，連通較好，喉道類型主要為點狀、片狀喉道，喉道寬度最大值為72.75μm，最小值為2.90 μm，平均值為18.25μm；砂巖儲層欠壓實現象明顯，實測巖心孔隙度為23.1%，明顯高于上覆地層孔隙度，異常高孔隙發育。這說明欠壓實作用可以改善深層儲層儲集性能。

3.3 異常超壓對膠結物作用的影響

研究區目的層膠結物包括碳酸鹽巖膠結物、自生黏土礦物及硅質膠結物等，其中碳酸鹽巖膠結物主要包含有方解石和白云石膠結物，自生黏土礦物主要包含有高嶺石、伊蒙混層、伊利石和綠泥石。黏土礦物轉化過程中釋放Fe2+，部分方解石在形成過程中捕獲了釋放的Fe2+導致鐵方解石膠結物的形成[17]。膠結物一般以顆粒襯邊的形式沿孔隙壁生長，堵塞孔喉使喉道變窄，儲層物性變差[18]。從圖8可以看出：埋藏至3 600m左右時，蒙脫石轉化成伊利石(式(1))，蒙脫石—伊利石混層礦物中蒙脫石層的比例逐漸減少，伊利石含量增加，并伴隨脫水作用；但是，隨著埋深增加，3 600m以下地層其地層壓力增大，在一定的封閉系統內，黏土礦物層間自由水的釋放以及層間K+和Al3+等陽離子的運移受到抑制[19]，其內部流體幾乎處于靜止狀態，從而導致自生黏土礦物的增生變慢，伊利石含量減少，蒙脫石減少趨勢變緩慢，即異常超壓的發育在一定程度上減緩了黏土礦物的轉化作用，碳酸鹽巖膠結物部分Mg2+和Fe2+等離子源減少，從而減少了由于膠結作用而損失的孔隙，改善儲層物性；此外，異常超壓發育帶內蒙脫石的伊利石化受到抑制，從而使得孔隙流體中Si濃度偏低，石英次生加大不明顯，在一定程度上也減少了由于石英次生加大而損失的孔隙。

3.4 異常超壓對溶解作用的影響

研究區深層異常高孔隙帶儲集層中比較常見的次生孔隙是長石粒間溶孔、巖屑粒間溶孔以及長石、易溶巖屑的鑄模孔。溶解作用是指骨架顆粒被溶解，而其組分呈溶解狀態從砂巖中遷移走的現象，伴隨溶解作用總是有顆粒體積變小而次生孔隙增加。碎屑巖的溶解作用主要受溫度、壓力、pH、沉積環境和構造環境等因素的影響[20]。研究區2 500m以下地層溫度高于85℃，長石溶蝕作用的最低地溫75℃[21]，表明該段地層溫度早已為長石顆粒發生溶蝕的有效地溫。此外，目的層段地層有機質鏡質體反射率(Ro)在0.55%～1.30%之間，烴源巖有機質成熟度進入成熟階段，同時，異常高壓的發育對有機質熱演化和油氣生成具有抑制作用，擴寬了生油窗的范圍[22]。在有機質熱演化過程中，產生脂肪酸脫羧基作用，排出的CO2在水中電離成HCO3-和H2CO3，有機酸和無機酸同時進入儲層砂巖對其進行溶蝕作用[23]，因此，異常超壓增加了酸溶解碳酸鹽膠結物的時間和強度，產生大量次生孔隙。

圖7 BYT4井砂巖儲層欠壓實段地層剖面圖及鑄體薄片、掃描電鏡觀察結果Fig.7 Strata profile,casting thin sectionsand SEM images in undercom pacted sandstone formation from BYT4 well

圖8 斜坡帶平北地區地層壓力系數、黏土礦物含量隨深度的變化Fig.8 Relationship between formation pressure coefficient&claymineral contentand depth in slope

圖9 BYT3井、KQT4井孔隙度及溶蝕增孔率隨深度的變化Fig.9 Plot relationship between porosity&rate of dissolution increased and depth of BYT3 and KQT4 wells

綜合運用鑄體薄片、常規巖心分析、粒度分析、電子掃描等資料，以初始孔隙度為基準，采用式(2)對比分析典型單井KQT4井及BYT3井常壓帶與異常超壓帶溶蝕增孔率的差異，見圖9。不同地區其砂巖初始孔隙度不同，但對于某一具體研究區域，其初始孔隙度為一定值，結合前人研究成果[24?26]，根據SCHERER[26]提出的原始孔隙度恢復計算公式估算研究區砂巖初始孔隙度約為38%。隨著埋深增加，孔隙度均逐漸減小，其中KQT4井常壓帶平均溶蝕增孔率為15%左右，超壓帶內溶蝕增孔率增大，最大值達40%；BYT3井常壓帶內平均溶蝕增孔率為8%左右，超壓帶內溶蝕增孔率增大，最大值達30%，異常超壓帶內大量次生孔隙發育，從而改善儲層物性。

式中：δ為溶蝕增孔率，%；0φ為碎屑巖初始孔隙度，%；Bφ為碎屑巖現今粒間溶蝕孔體積率，%；Iφ為碎屑巖現今粒內溶蝕孔體積率，%；Kφ為碎屑巖現今膠結物溶蝕孔體積率，%。

綜上所述，研究區異常超壓廣泛存在，異常超壓對深層異常高孔隙儲層的影響主要是以壓實作用、膠結作用以及溶解作用對孔隙的影響最為明顯。保椒斜坡帶地層受異常超壓影響，欠壓實作用明顯，保存部分原生孔隙；膠結物的增生變慢；同時異常超壓也增加了膠結物溶蝕時間和強度，異常高孔隙發育。

4 結論

1)西湖凹陷斜坡帶深層砂巖儲層異常高孔隙帶發育，孔隙度最大值為24.9%。縱向上主要分布在3 600～4 300m及4 600m以下地層，平面上主要分布在保椒斜坡帶平北地區，即孔雀亭、寶云亭油氣田，對應儲集層巖性以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，孔隙類型包括殘余原生粒間孔隙、次生孔隙、鑄模孔及少量裂縫，其中次生孔隙占總孔隙類型的50%～60%，殘余原生粒間孔隙占總孔隙類型的20%～25%。

2)異常超壓控制著異常高孔隙的發育。研究區異常高壓廣泛存在，其發育深度與異常高孔隙發育帶一致：①異常超壓發育帶，機械壓實作用受到抑制，形成砂巖欠壓實帶，從而保存部分殘余原生孔隙；②在一定的封閉系統內，異常超壓的發育使得黏土礦物層間自由水的釋放以及層間陽離子的運移受到抑制，黏土礦物的轉化作用得以減緩，自生黏土礦物的增生變慢，減少了由于膠結作用而損失的孔隙；③異常高壓的發育抑制有機質熱演化和油氣生成，擴寬了生油窗的范圍，在有機質熱演化生成油氣過程中，產生大量的有機酸，增加了溶蝕作用的時間和強度，大量次生孔隙生成，改善了儲層物性。

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(編輯 趙俊)

Characteristicsand origin of deep high-porosity zones in slope of Xihu Sag

CAOQian1,2,ZHOUWen1,3,LIUYan1,3,CHENWenling1,3,JIAnzhao4,LüJing1,3,WANGYuxiang1,3

(1.State Key Laboratory of Oiland GasReservoirGeology and Exploitation,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China; 2.Sichuan Key Laboratory of ShaleGas Evaluation and Exploitation,Sichuan Keyuan Testing Center,Chengdu610072,China; 3.College of Energy Resources,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 4Collegeof Energy engineering,Longdong University,Qingyang 730070,China)

The characteristics and origins of deep,high-porosity zones in the slope of Xihu Sag were investigated by thin-section casting,scanning electronm icroscopy,claym ineral X-ray diffraction,mercury penetrationmeasurement,and core property measurement.The relationship betw een overpressure and high porosity was studied.The results show that high-porosity zones develop ata depth ranging from 3 600m to 4 300m and below 4 600m,and that themaximum porosity value is 24.9%.The corresponding reservoir rocks aremainly feldspar lithic sandstones and lithic feldsparsandstonesw ith good sorting characteristic and point-to-line contact.The pores include relic primary pores,dissolution pores,mold pores,and a small amount of m icrofractures.The pore-throat assemblages are mainly moderate pore to moderate throat.Overpressure also extensively occurs in the high-porosity zones in the deep and tightsandstone reservoir. Abnormal pressure slows down the rate of compaction and some intergranular primary pores remain,which decreases porosity caused by cementation.In a closed system,the occurrence of an abnormally high pressure is beneficial for improving the dissolution of cement,which will result in the dissolution of pores,and improve reservoir porosity.

high-porosity zones;abnormaloverpressure;reservoir characteristics;X ihu Sag

TE122.2

A

1672?7207(2017)03?0751?10

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.025

2016?03?09；

2016?07?10

國家自然科學基金資助項目(41502135)；國家科技重大專項(2011ZX5023-004-009)；中國石化股份公司重大勘探先導項目(34000002-12-ZC0613-0015)(Project(41502135)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project (2011ZX5023-004-009)supported by National Science and Technology M ajor Program of China;Project(34000002-12-ZC0613-0015)supported by the M ajor Exploration Projectsof China Petrochem icalCorporation)

周文，博士，教授，從事油氣儲層地質學研究；E-mail:zhouw62@cdut.edu.cn