南堡凹陷南部不同構造帶東二段儲層孔隙結構差異及其對儲層質量的影響

張藝樓，吳 浩，紀友亮，宋 燕，孟令箭，吳琳娜

(1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3. 蘭州大學 地質科學與礦產資源學院，甘肅省西部礦產資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；4. 中國石油冀東油田公司 勘探開發研究院，河北 唐山 063004)

隨著南堡凹陷高柳地區油氣勘探與開發程度的不斷提高，現今勘探方向逐漸向凹陷南部地區轉變，而南部地區古近系東營組廣泛發育優質碎屑巖儲層，是勘探與開發的重點層位。然而，由于構造活動、沉積環境的變化及其復雜的埋藏史和成巖作用使得儲層非均質性強，勘探過程中為能明確一個經濟有效的儲層，儲層質量的厘定變成了主要的風險因素(Dutton and Loucks，2010； Loucks and Dutton，2019)。低滲透-致密儲層中油氣的運移和聚集過程根本受控于微-納米級孔喉體系(Nelson，2009； Desboisetal.，2011； 鄒才能等，2012)，儲層微觀孔隙類型及含量、孔喉大小及分布、孔隙結構組成等往往決定著儲層質量(Loucksetal.，2012； Sakhaee-Pour and Bryant，2014； 趙麗敏等，2019)。

前人對南堡凹陷南部東營組的研究取得了諸多有益的成果和認識，主要集中在沉積相、儲層儲集空間及控制因素、成藏等方面(管紅等，2009； 萬濤等，2011； 王時林等，2014； 楊尚儒等，2018)，但對東二段儲層孔隙結構差異特征及其對儲層質量的影響缺乏深入分析，制約了下步的勘探與開發。本文在前人研究基礎上，以南堡凹陷南部2號和4號構造帶為例，綜合巖石薄片、鑄體薄片圖像分析、掃描電鏡、X衍射、壓汞、物性分析等資料，在儲層巖石學基本特征研究基礎上，對東二段儲層孔隙結構差異特征及其對儲層質量的影響進行了研究，欲為今后南堡凹陷南部油氣的有效勘探開發提供地質依據。

1 地質概況

南堡凹陷是中國東部渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個次級構造單元，為典型“北斷南超、北陡南緩”的具箕狀構造特征的中新生代陸相斷陷湖盆。南堡凹陷南部地區東以柏各莊斷層為界，西以西南莊斷層為界，南至沙壘田凸起，北鄰高柳斷層，勘探面積約1 362 km2(圖1)。依據構造演化特征，將南堡凹陷南部劃分為林雀次洼、曹妃甸次洼與柳南次洼3個負向構造單元以及老爺廟、南堡1～南堡5號共6個正向構造單元(Dongetal.，2010； Zhouetal.，2016)。古近系東營組沉積期，南堡凹陷南部為沉積與沉降中心，東營組二段(簡稱“東二段”，Ed2)為冀東油田儲量升級和產能建設的主要含油層系(朱光有等，2011)，為受邊界斷層控制的扇三角洲沉積，分流河道、河口壩及席狀砂體為主要的儲集層(張帆等，2018)。南堡凹陷南部東二段有利儲層主要發育在2號和4號構造帶，本文選擇2號構造帶7口探井和4號構造帶10口探井對孔隙結構差異特征及其對儲層質量的影響開展系統研究，采樣井位置見圖1。

圖 1 南堡凹陷南部構造位置及其古近系東二段沉積相分布特征Fig. 1 Study area location and sedimentary facies distribution of Paleogene Ed2 reservoirs in southern Nanpu Sag

2 儲層基本特征

2.1 巖石學特征

通過對兩構造帶砂巖巖石薄片的鑒定與統計，發現南堡凹陷南部4號和2號構造帶東二段分別以巖屑質長石砂巖和長石質巖屑砂巖為主(圖2)。4號構造帶東二段端員組分中石英、長石、巖屑的平均質量分數分別為40.6%、30.1%、29.3%；而2號構造帶東二段端員組分中石英、長石、巖屑的質量分數分別為32.9%、26.8%、40.2%。4號構造帶儲集層成分中石英和長石含量相對2號構造帶儲層高，巖屑含量相對2號構造帶較低，但巖屑種類分布相差不大，兩者均見變質巖和火山巖巖屑，約占巖屑總量的30%～36%，含少量沉積巖巖屑，還有極少量的云母，含量小于1%(圖3)。根據全巖衍射分析結果，4號構造帶東二段儲層粘土礦物總量平均質量分數為10.5%，以高嶺石和伊蒙混層為主； 2號構造帶東二段粘土礦物總量平均質量分數為10.1%，以高嶺石和綠泥石為主。兩個構造帶粘土總量相近，但主要粘土礦物含量的不同暗示其經歷的成巖作用具有顯著差異。

圖 2 南堡凹陷4號與2號構造帶古近系東二段砂巖巖石類型Fig. 2 Sandstone detrital composition of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

圖 3 南堡凹陷4號與2號構造帶古近系東二段砂巖碎屑類型Fig. 3 Types of sandstone clastics of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

儲層巖石的碎屑結構特征對于儲層質量起著重大的作用，粒度大小、分選好壞、膠結情況、磨圓度以及顆粒間的接觸關系是主要指標。統計表明南堡凹陷4號和2號構造帶東二段分選中等，磨圓為次圓-次棱，膠結類型均為孔隙型，接觸為點接觸或點-線接觸關系。兩區塊主要差異在于粒度特征，4號構造帶東二段儲層主要粒徑范圍為0.10～1.48 mm，最大粒徑均值為1.13～1.64 mm，而2號構造帶東二段儲層主要粒徑范圍為0.06～0.52 mm，最大粒徑均值為0.50～0.62 mm(表1)。

表1 南堡凹陷4號與2號構造帶東二段砂巖碎屑成分結構特征Table 1 Structure characteristics of sandstone clastics of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

注：括號內為平均值。

2.2 物性特征及孔隙類型

實測巖心的孔滲數據統計結果表明，4號構造帶東二段儲層的孔隙度為14%～20%，平均為18.6%，滲透率為1.0 ～30.0 mD，平均為8.3 mD； 2號構造帶東二段儲層的孔隙度為12%～20%，平均為15.4%，滲透率分布在0.1 ～1.0 mD，平均為0.89 mD。就孔隙度而言，兩個構造帶分布則相似，均以中-低等孔為主(圖4a)。針對滲透率，4號構造帶主要以低滲儲層為主，而2號構造帶則以致密儲層為主(圖4b)。孔隙控制著儲層的儲集性能，喉道對于滲流能力起著關鍵的作用，孔隙度和滲透率相關性表明4號構造帶孔隙度和滲透率相關性較好，孔喉聯通性好，而2號構造帶的相關性較差(圖4c)，指示孔隙度不是控制儲層滲透率的主要因素(龍更生等，2011； 張建坤等，2017； Wuetal.，2017，2018)。

根據鑄體薄片和掃描電鏡資料可知，南堡凹陷南部東二段儲層儲集空間類型主要有原生粒間孔、次生溶蝕孔(顆粒和粒間溶孔)及粘土礦物微孔隙(圖5)。分別對4號構造帶和2號構造帶東二段儲層儲集空間類型統計表明，4號構造帶儲層儲集類型主要以原生粒間剩余孔隙為主，發育少量的次生孔隙和微孔隙(圖5、圖6a、6b)，孔喉間連通性相對較好；而2號構造帶儲層儲集類型主要以次生溶蝕孔隙和微孔隙為主，發育少量的剩余粒間孔(圖5、圖6c～6f)，孔喉間連通性相對較差。不同類型儲集空間組合特征對滲透性的影響較大，研究認為從微孔-溶蝕孔主導型到原生粒間孔主導型的儲層，其孔隙結構特征具有明顯的改善趨勢(盛軍等，2018)。

圖 4 南堡凹陷4號與2號構造帶古近系東二段儲層物性特征Fig. 4 Physical properties of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Saga—孔隙度分布頻率圖； b—滲透率分布頻率圖； c—孔隙度與滲透率相關性圖a—porosity distribution frequency； b—permeability distribution frequency； c—relationship between porosity and permeability

圖 5 南堡凹陷4號和2號構造帶古近系東二段孔隙類型含量頻率圖Fig. 5 Pore types distribution of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

2.3 孔喉大小分布特征

壓汞曲線是定量反映油氣儲層微觀孔喉數量及其分布規律最有效的手段，主要反映孔喉大小及其控制的進汞飽和度。通過對南堡凹陷4號與2號構造帶東二段砂巖的壓汞實驗分析，得到了毛管壓力與汞飽和度曲線。圖7所示為覆蓋兩構造帶典型的毛管壓力曲線，在進汞早期曲線出現一個近水平的臺階，4號構造帶東二段樣品相比2號構造帶東二段的水平臺階顯得更平更寬。4號構造帶東二段孔喉分選系數為1.0，2號構造帶東二段的則為3.53；4號構造帶東二段的平均排驅壓力為1.14 MPa，2號構造帶東二段的則為2.08 MPa,其與滲透率呈現一定的負相關性，即滲透率越大排驅壓力越小，其孔喉分選性也相對較好；4號構造帶東二段平均中值壓力為3.75 MPa，2號構造帶東二段的則為4.24 MPa，也同樣表現出與滲透率的負相關性(表2)。此外，4號構造帶東二段樣品具有較集中的最大進汞飽和度，主要分布在65～77 MPa，平均為70.21 MPa；而2號構造帶東二段樣品最大進汞飽和度分布區間為40～74 MPa，分布范圍大，平均為56.69 MPa。兩構造帶退汞效率均較低，主要分布在15%～30%。根據壓汞數據計算出兩構造帶東二段儲層進汞增量與孔喉半徑關系曲線(圖8)，以4號構造帶NP4-80井為例，4號構造帶東二段孔喉分布主要呈現單峰式，進汞增量主要集中在喉道半徑大于1 μm的范圍；2號構造帶東二段儲層的孔喉分布也主要為單峰式，進汞增量主要集中在孔喉半徑小于1 μm的范圍。

圖 6 南堡凹陷4號與2號構造帶古近系東二段孔隙類型圖Fig. 6 Pore types of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No. 4 and No. 2 structural belts in Nanpu Saga—原生粒間孔，NP43-X4805井，3 599.39 m，孔隙度13.6%，滲透率1.428 mD(-)； b—原生粒間孔，NP43-X4805井，3 615.26 m，孔隙度16.6%，滲透率7.46 mD(-)； c—粒間溶孔，少量長石粒內溶孔，石英次生加大，NP2-6井，3 615.4 6 m(-)； d—粒間溶孔，少量粒內溶孔及高嶺石晶間微孔，NP2-6井，3 616.04 m(-)； e—微孔隙，NP2-15井，2 900.80 m(SEM)； f—微孔隙，NP2-15井，2 901.70 m(SEM)a—primary intergranular pore, well NP43-X4805, 3 599.39 m, φ=13.6%, K=1.428 mD, plainlight； b—primary intergranular pore well NP43-X4805, 3 615.26 m, φ=16.6%, K=7.46 mD, plainlight； c—intergranular pores with a small amount of feldspar intrargranular pores and quartz overgrowth, well NP2-6, 3 615.46 m, plainlight； d—intergranular dissolved pore, a little intragranular dissolved pores and kaolinite intercrystalline pores, well NP2-6, 3 616.04 m, plainlight； e—micropores, well NP2-15, 2 900.80 m, SEM； f—micropores, well NP2-15, 2 901.70 m, SEM

圖 7 南堡凹陷4號和2號構造帶東二段毛管壓力曲線Fig. 7 Capillary pressure curves of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

3 孔喉大小對儲層物性的控制

巖石孔隙結構主要是指孔隙和與之連通的喉道的大小、分布及其相互組合關系，其復雜程度與儲層的物性有很大的關系。為定量研究南堡凹陷南部東二段儲層孔喉大小對儲層物性的影響，對壓汞曲線進行了分析，計算出每個樣品的孔喉所控制的孔隙體積對滲透率的貢獻率。

根據壓汞資料，對于4號構造帶東二段的砂巖，在進汞早期階段，小比例的相對較大孔喉控制了滲透率，在此孔喉區間累積滲透率貢獻率曲線較陡，快速增加至約90%，而累積進汞飽和度此時約為15%～20%。隨著汞的繼續注入，累積滲透率貢獻值曲線表現為平緩增加，緩慢增加到99.9%，而累積進汞飽和度快速增加，從4.5 μm處開始曲線變陡，即大量的汞被繼續注入孔隙中(圖9a、9b)。這表明相對小的孔喉對滲透率的影響較小，主要是中-大孔隙控制的喉道對滲透率有重要貢獻，但小孔隙對于4號構造帶砂巖儲層的儲集性卻有重要的作用(李占東等，2008； 吳浩等，2017)。例如4號構造帶NP4-80井，3 328.47 m的樣品在中-大孔喉控制下，滲透率貢獻值達到98%，此時累積進汞飽和度約為40%；而其最大進汞飽和度為75%，所以近35%的汞飽和度被中-小喉所控制(圖9b)。

表2 南堡凹陷4號和2號構造帶東二段儲層孔隙結構參數Table 2 Pore structure parameters of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

注： 括號內為平均值。

圖 8 南堡凹陷4號和2號構造帶東二段進汞增量與孔喉半徑關系曲線Fig. 8 The relationship between mercury increment and pore throat radius of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 tectonic belts in Nanpu Sag

2號構造帶東二段砂巖儲層在進汞早期階段是中喉道控制了滲透率，在2～6 μm的孔喉范圍之間，累積滲透率貢獻值緩慢上升，累積進汞飽和度也開始增加；隨著汞的繼續注入，在孔喉半徑約為0.50 ～2.00 μm時，累積進汞飽和度快速增加，而累積滲透率貢獻值也急劇增加到95%(圖9c、9d)。整體上，4號構造帶東二段儲層，滲透率主要由中大孔喉控制；而2號構造帶東二段儲層，滲透率主要受微孔-中孔控制，滲透率小。

4 不同構造帶砂巖微觀孔隙結構差異的原因

4.1 沉積作用

結合前人研究可知，研究區兩個構造帶東二段時期沉積環境為扇三角洲前緣亞相，均發育水下分流河道(吳浩等，2019)，4號構造帶其儲集砂體具有較高的結構成熟度、較粗的粒度、較好的分選和磨圓度等特征(表1)，其面孔率為0.47%～16.06%，平均值為7.17%，因此孔喉之間的連通性也較好，孔隙結構好；而2號構造帶儲集砂體相比較4號構造帶，其粒度較小，且面孔率為0.21%～12.0%，平均值為6.02%(表3)，因此孔喉連通性差，孔滲物性較差。

圖 9 南堡凹陷4號和2號構造帶古近系東二段儲層孔喉大小對孔隙度和滲透率的控制Fig. 9 Controls of pore throat sizes on porosity and permeability of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

表3 南堡凹陷4號與2號構造帶儲層成巖相類型及特征Table 3 Diagenetic facies types and features of Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag

4.2 成巖作用

成巖作用后期改造對4號和2號構造帶東二段儲層砂巖微觀孔隙結構差異形成也起著關鍵作用。通過鏡下觀察定性分析、定量計算兩個構造帶儲層的視膠結率、視溶蝕率和視壓實率(圖10)，根據成巖強度分級標準(吳勝和，2010)，對成巖作用強度進行了分級，劃分了兩個構造帶的成巖相類型(表3)。

4號構造帶東二段儲層主要發育中溶蝕弱壓實弱膠結成巖相。儲層顆粒間呈現點-線接觸，線-線接觸，巖石粒度較大，增強了巖石骨架的抗壓實能力，粒間原生孔隙發育，使得儲層連通性較好，流體改造容易，長石、易溶巖屑及膠結物發生了不同程度的溶蝕，形成少量的粒內溶孔等次生孔隙或不規則邊緣(圖10a、10b)，視溶蝕率為25%～75%，視壓實率小于50%，平均孔隙度為18.58%，平均滲透率為8.3 mD。

2號構造帶東二段儲層主要發育強壓實中溶蝕弱膠結成巖相。壓實作用強，儲層顆粒間以凹凸接觸、線-線接觸為主(圖10c、10d)，由于早期壓實強烈，原生粒間孔隙被大量破壞，但儲層巖石類型以長石質巖屑砂巖為主，豐富的溶解組分為溶蝕的進行提供了物質基礎，生成的次生溶蝕孔并伴生高嶺石礦物。該成巖相視壓實率為75%～90%，視溶蝕率為50%～75%，視膠結率小于50%，平均孔隙度為15.36%，平均滲透率為0.89 mD，指示其孔隙度雖中等，但溶蝕形成的次生孔隙連通性差，因此相比4號構造帶其物性較差。

圖 10 南堡凹陷4號和2號構造帶古近系東二段成巖相鏡下特征(-)Fig. 10 Diagenetic facies characteristics of the Paleogene Ed2 reservoirs along the No.4 and No.2 structural belts in Nanpu Sag(-)a—中溶蝕弱壓實弱膠結成巖相，NP4-66井，3 855.80 m； b—中壓實弱溶蝕弱膠結相，NP43-X4805井，4 249.69 m； c—強壓實中溶蝕弱膠結相，LP1井，3 084.75 m； d—強壓實中溶蝕弱膠結相，NP2-6井，3 415.02 ma—medium compaction, weak dissolution and weak cementation phase, well NP4-66, 3 855.80 m； b—medium compaction, weak dissolution and weak cementation phase, well NP43-X4805, 4 249.69 m；c—strong compaction, medium dissolution and weak cementation phase, well LP1, 3 084.75 m； d—strong compaction, medium dissolution and weak cementation phase, well NP2-6, 3 415.02 m

5 結論

(1) 4號構造帶東二段儲層以巖屑質長石砂巖為主，碎屑成分平均為Q40.6F30.1R29.3，2號構造帶則以長石質巖屑砂巖為主，碎屑成分平均為Q32.9F26.8R40.2； 4號構造帶儲層成分、結構成熟度較2號構造帶好。

(2) 4號構造帶東二段主要以低滲儲層為主，而2號構造帶則以致密儲層占主導； 4號構造帶東二段砂巖儲集空間以原生剩余粒間孔為主，孔喉間連通性相對較好； 2號構造帶東二段儲集空間則以次生孔隙為主，孔喉間的連通性相對較差。

(3) 孔喉大小控制著儲層質量，4號和2號構造帶東二段孔喉分布均主要呈現單峰式，4號構造帶進汞增量主要集中在喉道半徑大于1 μm，而2號構造帶東二段進汞增量主要由小于1 μm的孔喉所貢獻；4號構造帶東二段儲層滲透率主要被大中孔所控制，2號構造帶則主要由微孔-中孔所控制；雖然小孔喉對滲透率影響較小，但對儲層儲集性卻十分重要。

(4) 沉積作用和后期成巖改造是儲層孔隙結構差異特征的根本原因；4號構造帶儲層粒度粗、分選磨圓較好，抗壓實能力強，耦合較強的溶蝕作用使得儲層面孔率較高，且孔隙連通性好；2號構造帶儲層粒度小，強壓實作用使得孔喉連通性較差，溶蝕作用對孔喉的改造作用不大，使得儲層面孔率較低，孔喉結構差。