鶯歌海盆地樂東地區(qū)中深層儲層發(fā)育特征及成因機理

李 偉，劉 平，艾能平，邵 遠，侯靜嫻

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司南海西部石油研究院，廣東湛江 524057）

0 引言

鶯歌海盆地是我國南海西部海域天然氣勘探的主戰(zhàn)場，隨著淺層常溫常壓領域勘探程度日益加深，中深層高溫超壓領域逐漸成為天然氣勘探的主要方向。近年來圍繞鶯歌海盆地中深層的勘探取得了顯著成效，在中央坳陷帶北部的東方區(qū)塊獲得了1 000 億m3天然氣探明儲量，顯示了盆地中深層良好的油氣勘探前景。勘探家們在這一實踐基礎上創(chuàng)新和發(fā)展了高溫超壓天然氣成藏地質理論［1-3］。樂東地區(qū)位于鶯歌海盆地中央坳陷帶南部，該地區(qū)的中深層天然勘探起步較晚，但隨著勘探程度加深，地質學家們逐步認識到儲層低滲問題已成為制約樂東地區(qū)高溫超壓領域獲得工業(yè)天然氣流的瓶頸，如何尋找低滲背景下的“甜點”儲層是亟須解決的關鍵問題。學者們對樂東地區(qū)中深層的研究多集中在沉積特征及成因、儲層預測與識別、成藏地質條件分析等方面［4-7］，而缺乏對高溫超壓環(huán)境下儲層低滲成因及”甜點”儲層發(fā)育機理的系統分析。

本文在區(qū)域地質背景研究基礎上，結合巖石鑄體薄片、掃描電鏡分析、X 射線衍射全巖礦物含量測試、壓汞分析以及測井等資料，對樂東地區(qū)中深層高溫超壓儲層的低滲成因及“甜點”儲層發(fā)育機理開展深入研究，以明確“甜點”儲層的分布規(guī)律，為該地區(qū)中深層高溫超壓天然氣領域的勘探和部署提供科學依據。

1 區(qū)域地質概況

圖1 鶯歌海盆地構造區(qū)帶劃分、研究區(qū)位置（a）和地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Tectonic division and location of the study area（a）and comprehensive stratigraphic column（b）of Yinggehai Basin

鶯歌海盆地位于海南隆起區(qū)與昆嵩隆起區(qū)之間，為北西—南東走向的新生代大型走滑伸展型含油氣盆地（圖1），總面積約11.3 萬km2。構造單元劃分上，盆地可劃分為鶯東斜坡、鶯西斜坡、中央坳陷等一級構造單元，自下而上沉積了始新統嶺頭組、漸新統崖城組和陵水組、下中新統三亞組、中中新統梅山組、上中新統黃流組、上新統鶯歌海組、第四系樂東組等地層［8］。在油氣田勘探與生產實踐中，通常將梅山組—鶯歌海組二段下部儲蓋組合稱為中深層，其上覆儲蓋組合稱為淺層。研究區(qū)位于中央坳陷斜坡帶南段，梅山組和黃流組是該區(qū)中深層重要的含油氣儲集層，地層溫度約200 ℃，地層壓力系數大于2.0，是典型的高溫超壓型儲集層，主要發(fā)育受海南隆起物源體系控制的軸向重力流水道、海底扇等大型沉積砂體，勘探潛力巨大，但儲層物性較差的問題一直制約著該區(qū)的勘探和部署。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

圖2 樂東地區(qū)中新統砂巖組分三角圖Ⅰ.石英砂巖；Ⅱ.長石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長石砂巖；Ⅴ.巖屑長石砂巖；Ⅵ.長石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖Fig.2 Triangle diagram of Miocene sandstone components in Ledong area

通過224 塊巖石樣品的薄片鑒定，可以得出鶯歌海盆地樂東地區(qū)中深層重力流水道及海底扇砂巖以長石巖屑砂巖為主，其次為巖屑石英砂巖（圖2）。巖石的碎屑組分中，石英體積分數為17%～87%，平均為53%；長石體積分數為0～22%，平均為11%，長石類型以鉀長石為主，其次為斜長石；巖屑體積分數為0～39%，平均為16%，巖屑主要成分為變質巖巖屑；填隙物中局部碳酸鹽膠結嚴重，碳酸鹽膠結物體積分數多為3%～25%，平均為9%，主要成分為鐵方解石。泥質雜基含量總體較低，平均體積分數為2%，局部夾有泥質條帶。砂巖結構特征上，碎屑顆粒的粒徑以中粒和細粒為主，分選中等，顆粒支撐，磨圓以次棱角—次圓狀為主，顆粒之間以線接觸為主，膠結類型表現為壓嵌式，總體反映了巖石中等偏低的成分成熟度和結構成熟度。

2.2 孔隙結構特征和物性

孔隙結構是指儲層中巖石孔隙和喉道的幾何形狀、大小分布、相互連通情況及孔喉間配置關系等，直接控制著儲層的滲流能力與產能［9］。通過巖石鑄體薄片的偏光顯微鏡觀察可以發(fā)現，研究區(qū)中深層儲層孔隙類型以長石溶孔、鑄模孔、粒間溶孔等次生孔隙為主，其次為原生粒間孔（圖3），結合各個構造位置的鉆井資料可以發(fā)現，越接近盆地凹陷中心，溶蝕孔所占比例越高。通過鑄體薄片圖像分析和壓汞測試，可對孔隙、喉道大小及其分布規(guī)律進行定量分析。圖像分析結果顯示，研究區(qū)孔隙直徑主要為15～75 μm，以中、大孔為主；壓汞分析結果顯示，研究區(qū)喉道半徑主要為0.03～0.10 μm，屬于中—細喉類型（圖4）。孔隙和喉道之間的配位數較低，多小于1，表明孔隙之間的連通性較差。海底扇及水道沉積的儲層物性均表現出低孔低滲、特低孔特低滲的特征，孔隙度大多為5%～15%，平均為8.71%，滲透率大多小于10 mD，平均為1.32 mD（圖5）。當孔隙度小于5%時，滲透率普遍較低；當孔隙度大于5%時，不同沉積類型的砂巖滲透率均隨孔隙度增大而增大，二者具有正相關關系。

圖3 樂東地區(qū)中新統儲層鏡下孔隙類型（a）D-1 井，3 878.4 m，主要見保持碎屑顆粒外形的鑄模孔，鑄體薄片（藍色），單偏光；（b）A-3 井，4 062 m，可見長石粒內溶孔、粒間溶孔及部分原生粒間孔，鑄體薄片（藍色），單偏光；（c）B-1 井，3 859 m，可見長石粒內溶孔、粒間溶孔，原生粒間孔比例明顯增多，鑄體薄片（藍色），單偏光Fig.3 Pore types of Miocene reservoir under microscope in Ledong area

圖4 樂東地區(qū)中新統儲層孔喉大小分布特征Fig.4 Distribution characteristics of pore-throat size of Miocene reservoir in Ledong area

圖5 樂東地區(qū)中新統儲層孔隙度和滲透率相關關系Fig.5 Relationship between porosity and permeability of Miocene reservoir in Ledong area

3 低滲成因分析

樂東地區(qū)中深層儲層低滲是多種因素綜合作用的結果：巖石礦物組成決定了其抗壓實能力弱，深埋藏條件可導致其物性降低，且膠結作用進一步破壞了其原生粒間孔，造成了儲層致密化，晚期發(fā)育的超壓體系雖然具有抗壓實作用，但無法改善已致密化的低滲儲層。

3.1 壓實作用

樂東地區(qū)中深層儲層的巖石類型主要為長石巖屑砂巖，成分成熟度偏低，碎屑組分中塑性較強的巖屑含量較高，造成儲層砂巖抗壓實能力較弱，砂巖儲集空間的保存程度較低，特別是埋深較大的巖石，可見大量塑性礦物受壓實作用而發(fā)生形變，導致部分孔徑減小甚至被完全壓實，儲層物性變差。研究區(qū)中深層埋深普遍較大，黃流組與梅山組主要含氣層埋深為3 800～4 400 m，儲層經歷了較強的壓實作用。巖石薄片在顯微鏡下可見碎屑顆粒之間排列緊密，普遍呈線接觸特征，局部甚至呈凹凸接觸，正交偏光下呈現高級干涉色的云母發(fā)生了彎曲變形［圖6（a）］，原生孔隙損失較多，而且隨著埋深增大，壓實作用增強，儲層物性更差。

3.2 膠結作用

樂東地區(qū)中深層儲層中膠結物以碳酸鹽為主，其次為硅質膠結物。碳酸鹽膠結物的主要成分為鐵方解石，主要形成于儲層成巖階段中、晚期，碳酸鹽膠結物多以連晶、嵌晶形式發(fā)育于碎屑顆粒之間，占據大量粒間孔隙［圖6（b）］，堵塞喉道，導致物性變差。碳酸鹽膠結物含量與巖石物性相關關系顯示，碳酸鹽膠結物含量越多，孔隙度越低，二者具有負相關關系（圖7）。硅質膠結作用也是造成研究區(qū)中深層儲層致密的原因之一，主要以石英次生加大形式局部發(fā)育，形成于成巖中、晚期。在酸性環(huán)境下，硅質膠結物沿石英顆粒表面生長，占據一定量的儲集空間，降低儲層物性。

3.3 地層超壓形成時間晚，保護作用有限

鶯歌海盆地自漸新世以來的持續(xù)沉降與快速充填沉積，導致沉積物中的部分水體排出不暢，特別是中深層地層普遍形成了高溫超壓環(huán)境［10-12］。通常情況下，超壓的發(fā)育能一定程度上起到抗壓實作用，但樂東地區(qū)梅山組和黃流組開始形成超壓的時間分別為距今2.7 Ma 和距今1.8 Ma，后期受生烴及油氣充注等因素影響，孔隙流體壓力快速增高至現今壓力水平，壓力系數為2.15～2.29。根據區(qū)域埋藏史和現今孔隙度?深度相關關系進行綜合分析，可以得出梅山組和黃流組儲層在超壓形成時的埋深為2 700～3 000 m，壓實程度均已較高，儲層孔隙度較低。因此，儲層開始形成超壓時已經較為致密，超壓對儲層的保護作用有限。

圖6 樂東地區(qū)中新統儲層微觀特征（a）B-1 井，3 858 m，強壓實，碎屑顆粒以線接觸為主，可見塑性礦物云母彎曲變形，鑄體薄片（藍色），正交偏光；（b）B-1 井，3 873.8 m，局部可見強膠結作用，紫色含鐵方解石呈嵌晶、連晶形式發(fā)育在顆粒之間，鑄體薄片（藍色），單偏光；（c）B-1 井，4 113 m，可見原生粒間孔、粒內溶孔、粒間溶孔、鑄模孔等多種孔隙類型，鑄體薄片（藍色），單偏光；（d）A-6 井，4 221.8 m，見鉀長石劇烈溶蝕產出絲縷狀伊利石充填在鉀長石與菱面體狀菱鐵礦顆粒間孔隙，掃描電鏡照片；（e）C-1 井，4 189 m，石英顆粒表面見溶蝕孔隙，并見伊利石生成，掃描電鏡照片；（f）B-1 井，4 136.4 m，構造作用產生裂縫切穿碎屑顆粒，鑄體薄片（藍色），單偏光Fig.6 Microscopic characteristics of Miocene reservoir in Ledong area

圖7 樂東地區(qū)中新統儲層孔隙度和碳酸鹽膠結物含量的關系Fig.7 Relationship between porosity and carbonate cements content of Miocene reservoir in Ledong area

4 “甜點”儲層發(fā)育機理

“甜點”儲層是指在儲層普遍低孔低滲、特低孔特低滲背景下發(fā)育的物性相對較好的儲層［13-14］。沉積環(huán)境為深部地層中“甜點”儲層的發(fā)育基礎，后期成巖演化也是重要的控制因素，構造作用可能對其有所調整［15］。鶯歌海盆地樂東地區(qū)主要發(fā)育北西—南東向水道及海底扇等重力流儲集體，鉆井揭示的砂巖均表現出相似的巖性及物性特征，沉積微相對于研究區(qū)儲層物性的影響較微弱，“甜點”儲層的發(fā)育主要受溶蝕作用、構造作用以及油氣充注等因素控制。

4.1 溶蝕作用

溶蝕作用為地層中流體與巖石礦物在一定溫壓條件下發(fā)生水巖反應的結果，可對儲層物性的改善起到建設性作用，是研究區(qū)中深層”甜點”儲層中發(fā)育次生孔隙的主要成巖機理。中深層儲層由于其埋深較大，原生儲集空間大量減少甚至消失殆盡，碎屑礦物組分的溶蝕現象普遍存在，溶蝕流體主要為烴類演化過程中產生的有機酸及富含CO2的無機酸等流體，長石等鋁硅酸鹽礦物易發(fā)生溶蝕，從而形成次生溶孔。根據碎屑顆粒的溶解程度可形成不同形態(tài)和標志特征的次生孔隙：如顆粒完全溶蝕形成孔徑較大的鑄模孔，保留了原始碎屑顆粒的外形；長石顆粒內溶孔常呈港灣狀［圖6（c）］。長石的溶蝕現象最為普遍，溶蝕流體可沿礦物解理縫運移而溶蝕，并伴生絲狀伊利石［圖6（d）］。偶見石英顆粒的溶蝕現象［圖6（e）］，石英溶蝕多發(fā)育于成巖早期堿性成巖環(huán)境中，相對于長石溶蝕來講較為少見，成巖中后期，隨著有機酸及CO2等酸性流體進入儲層，長石類鋁硅酸鹽礦物的溶蝕更為強烈。

4.2 烴類充注

烴類充注對于儲層的影響主要體現在物性的改善方面，學者們［16-19］將其總結概括為以下3 個方面：①產生超壓以緩沖壓實作用對儲層的影響；②烴類攜帶的有機酸可對礦物進行溶蝕［20］，從而產生大量次生孔隙；③對膠結作用具有一定的抑制作用。樂東地區(qū)中深層儲層中，烴類充注時間最早發(fā)生于距今1.8 Ma，并一直延續(xù)至今，與超壓的形成在時間上具有一定的耦合性，表明烴類充注對超壓的形成具有貢獻作用，但烴類充注及其產生的超壓晚于儲層致密化的主要時間段，其產生的抗壓實作用對于儲層保護有限，但烴類充注過程中攜帶了大量有機酸和CO2，溶蝕能力較強，且含氣飽和度愈高的儲層，其孔隙度和滲透率明顯較高，二者之間具有較好的相關性（圖8）。烴類充注還可改變孔隙流體性質和巖石潤濕性［21］，可一定程度上抑制成巖中后期的碳酸鹽膠結作用和硅質膠結作用，偏光顯微鏡下可觀察到瀝青充填的儲集空間中，碳酸鹽膠結物和硅質膠結物極少。

圖8 樂東地區(qū)中新統儲層含氣飽和度和物性的關系Fig.8 Relationship between gas saturation and physical properties of Miocene reservoir in Ledong area

4.3 構造作用

構造作用產生的裂縫也是儲層的儲集空間類型之一，裂縫的存在對改善巖石的滲透率效果顯著。樂東地區(qū)受鶯歌海盆地早期左旋走滑運動的影響，深部發(fā)育東西走向的溝源斷裂及大量伴生裂隙，鉆井成像測井和井壁取心資料證實研究區(qū)中深層儲層發(fā)育大量裂縫，油氣測試結果顯示巖石具有較好的滲透性，巖石薄片在顯微鏡下亦可見裂縫發(fā)育，且大致方向較為一致，部分裂縫切穿碎屑顆粒［圖6（f）］，部分裂縫后期被瀝青和方解石充填。

4.4 溫壓條件

溫壓條件對成巖過程中的水巖反應進程、速度和方向均具有影響，大多數巖石礦物的溶解度會隨溫度和壓力的增加而增大［9］。樂東地區(qū)多口探井的地層測試結果顯示，中新統現今溫度為190～210 ℃，地溫梯度為4.2 ℃/100 m，地層現今絕對壓力約83 MPa，盡管超壓形成時間晚于儲層致密化時間，超壓在儲層成巖早、中期快速埋藏，對壓實減孔作用的延緩能力有限，但較高的溫度和壓力更有利于成巖晚期的溶蝕作用，越靠近盆地的凹陷中心，溫度和壓力越大，對溶蝕作用更加有利，對“甜點”儲層的發(fā)育具有促進作用。

5 “甜點”儲層成巖演化模式

樂東地區(qū)中新統埋深約為3 800～4 400 m，烴源巖熱解實驗分析結果表明，有機質成熟度較高，Ro值為0.95%～1.05%，孢粉顏色為桔黃—淺棕，熱解最高溫度（Tmax）為430～450 ℃。X 射線衍射黏土礦物相對含量分析結果表明，主要為伊利石，伊蒙混層中蒙皂石層質量分數約為15%，壓實作用較強，顆粒間以線接觸為主，孔隙類型主要為次生溶孔，膠結物主要成分為鐵方解石。根據碎屑巖成巖階段劃分標準［22］，結合有機質成熟度、黏土礦物類型、自生礦物形成順序以及巖石孔隙結構特征，可綜合判斷研究區(qū)中新統儲層處于中成巖A2亞期。

通過埋藏演化史分析，可以得出研究區(qū)“甜點”儲層在早成巖A 期，成巖環(huán)境為堿性，壓實作用使原生孔隙逐漸減少，少量長石溶蝕，早期碳酸鹽膠結物充填部分孔隙和構造縫，偶見石英溶蝕現象（圖9）；早成巖B 期，埋藏壓實作用導致原生孔隙明顯減少，自生礦物方解石以亮晶結構產出；中成巖A1期，埋藏壓實作用持續(xù)增強，使得碎屑顆粒接觸更緊密，巖石礦物相互作用后，流體介質漸變?yōu)樗嵝裕L石、巖屑以及早期碳酸鹽膠結物開始出現溶解，石英次生加大持續(xù)發(fā)育；中成巖A2期，隨著烴類充注并攜帶有機酸及CO2等酸性流體進入儲層，長石和碳酸鹽膠結物的溶蝕作用更為強烈，次生孔隙逐漸成為主要孔隙類型，長石溶蝕以及黏土礦物轉化形成了大量鈣、鎂、鐵離子，后期隨著酸性流體被大量消耗，烴類注入導致成巖環(huán)境的還原性增強，含鐵碳酸鹽膠結物開始交代碎屑顆粒，但高溫超壓環(huán)境使碳酸鹽膠結作用受到一定程度的抑制，從而有利于“甜點”儲層的發(fā)育。

圖9 樂東地區(qū)中新統儲層成巖演化模式Fig.9 Diagenetic evolution pattern of Miocene reservoir in Ledong area

6 結論

（1）鶯歌海盆地樂東地區(qū)中新世發(fā)育重力流水道和海底扇儲集體，砂巖類型主要為中—粗粒長石巖屑砂巖，分選中等，次圓—次棱角狀，砂巖成分成熟度和結構成熟度均較低。孔隙類型主要為次生溶孔，孔隙結構以大—中孔、細喉型為主，孔隙連通性差，物性多為低孔低滲、特低孔特低滲。

（2）樂東地區(qū)中深層低滲型儲層主要受壓實作用強度控制，儲層埋深大、塑性礦物含量高導致巖石的抗壓實能力弱。局部碳酸鹽膠結物含量高也是造成儲層低滲的原因之一，而研究區(qū)超壓主要形成于儲層致密化后，對儲層原生儲集空間的保護作用有限。

（3）樂東地區(qū)中深層儲層處于中成巖A2期，“甜點”儲層的成巖演化受多種因素控制，溶蝕作用產生了大量的次生溶蝕孔，有效改善了儲層物性，是“甜點”儲層發(fā)育的直接原因。烴類充注攜帶的有機酸和CO2等酸性流體為主要溶蝕流體，構造作用產生裂縫改善了儲層的滲透性，而高溫超壓環(huán)境通過影響成巖作用過程也間接改善了儲層物性。