滄東凹陷南皮斜坡孔二段致密砂巖儲層特征及優質儲層形成機理

孫 琪, 譚成仟, 竇 煜, 李昊東, 何 川

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院, 西安 710065; 2.中石油大港油田分公司勘探開發研究院, 天津 300280)

隨著油氣理論與勘探技術不斷進步及對能源需求的不斷增加, 致密油氣等非常規油氣勘探開發研究工作也在不斷發展。中國作為致密油氣富集大國, 致密油具有資源豐富、開采潛力大等特點。截至2020年底已在塔里木、鄂爾多斯、渤海灣等多個盆地完成致密油氣資源勘探與開發研究工作[1-6]。另一方面，中國致密油氣也存在埋深大、儲層物性差, 資源劣質化, 低滲-特低滲等致密儲層在油氣資源占比較高等缺點[7], 但在普遍低孔低滲的致密儲層中也存在孔隙度為10%～20%、滲透率在1 mD以上的優質儲層。故而開展中深層優質致密儲層形成機理研究成為了油氣勘探最重要的一部分。而滄東凹陷作為黃驊凹陷富油區[8-9], 其致密油具有極強的代表性, 開展研究工作不僅能夠指導該地區致密油開發, 同時也對相似區塊提供借鑒與指導, 因此是致密油勘探開發的主戰場。

南皮斜坡作為滄東凹陷三大斜坡之一, 烴源巖廣泛發育, 有機質含量高, 同時具備良好儲油環境, 因此具有極高勘探開發潛力。前人主要針對南皮斜坡油氣分布規律、成藏模式以及沉積特征開展了大量的研究工作, 周立宏等[10]認為南皮斜坡的成藏模式為近源充注、繼承性斷裂網狀溝通; 李宏軍等[11]研究認為南皮斜坡常規砂巖油藏、低孔低滲巖性油藏和靠近湖盆中心的致密油藏依次分布, 疊合成片。但前人研究成果缺乏對南皮斜坡優勢儲層形成機理研究, 使得對該地區的儲層形成機理尚不明確。因此，本文在掃描電鏡、鑄體薄片及壓汞資料收集、整理基礎上, 開展南皮斜坡孔二段致密油沉積、成巖及其與儲層物性關系分析, 進而總結出儲層發育機理, 從而為南皮斜坡優質致密儲層勘探開發提供理論依據, 同時也對相鄰沉積環境致密性油氣藏開發以一定參考價值。

1 研究區地質特征

1.1 構造特征

滄東凹陷是位于黃驊凹陷中碟狀凹陷型湖盆[12-13], 構造活動頻繁但總體較弱, 致使凹陷構造特征復雜, 呈現出孔東斜坡、孔西斜坡、孔店組構造帶、舍女寺斷鼻及南皮斜坡等構造[14]。南皮斜坡作為滄東凹陷重要次級構造單元, 構造條件優越, 夾在滄縣與徐西兩斷裂帶之間[14-15], 位于滄東凹陷的西南端, 東光凸起北部, 呈北東向展布。受東西向斷層切割形成一系列斷鼻構造, 西側發育較深溝道, 為南部物源提供了有利通道, 呈現出東深西淺的特征, 是一個不對稱地塹構造。

1.2 沉積地層特征

圖1 南皮斜坡孔二段沉積構造圖

圖2 南皮斜坡孔店組綜合柱狀圖

2 儲層特征

巖石類型及微觀孔隙結構對致密油儲層勘探開發起到限制作用[17]。本文通過掃描電鏡、鑄體薄片、恒速壓汞等對致密砂巖儲層巖石類型以及孔隙結構等進行分析研究, 精細刻畫致密砂巖儲層相關參數。

2.1 巖性特征

分析整理了研究區9口井151個樣品巖性資料及薄片數據，主要特征：巖性主要為中細砂巖, 粉砂巖次之; 粒徑在0.04～0.24 mm, 砂體顆粒分選中—差, 磨圓度大多為次尖—次圓狀, 顆粒接觸關系呈點線及短線接觸; 長石砂巖和巖屑長石砂巖為主要巖石類型, 碎屑巖顆粒中石英含量相對較高, 長石含量次之。石英顆粒含量在25%～75%, 平均為50%; 長石礦物類型主要為鉀長石和鈉長石, 含量在25%～75%, 平均為38%; 巖屑類型主要以酸性噴出巖為主, 含有較多石英砂巖, 含量平均在12%。研究區黏土礦物主要為高嶺土、綠泥石與伊利石, 平均含量為7.5%。巖石成分成熟度主要在68%～185%, 平均為110%, 成熟度較高(圖3)。

圖3 砂巖類型三角圖

2.2 物性特征

2.2.1 孔隙類型 通過鑄體薄片觀察孔隙類型, 發現溶蝕孔占主要, 殘余原生孔、鑄膜孔、裂縫等較為次要(圖4)。其中溶蝕孔以長石粒內溶孔及粒間溶孔為主, 偶見巖屑粒內溶孔, 孔隙呈現出圓形及不規則狀; 殘余原生孔主要為被石英次生加大及碳酸鹽等膠結物充填后遺留形態不規則孔隙, 除此之外, 半包裹顆粒的黏土薄膜也產生部分殘余粒間孔。薄片觀察下, 微裂縫略發育, 主要包括成巖及構造微裂縫, 它們的存在為油氣運移提供了空間, 對致密砂巖儲集性能有一定改善。

圖4 南皮斜坡孔二段孔隙特征

2.2.2 孔隙結構 對南皮斜坡孔二段不同深度段樣品物性資料分析, 結果表明研究區孔隙度在5%～18%, 平均為10%, 滲透率在0.1～10 mD, 平均為0.8 mD, 其中致密砂巖儲層孔隙度及滲透率分別為<10%、<1 mD, 在研究區占比最大; 其次為孔隙度在10%～15%, 滲透率在1～10 mD的低孔特低滲儲層[18]。恒速壓汞測試發現, 喉道半徑分布在0.5～6 μm, 分布范圍大, 且主要集中在0.5～2.1 μm, 孔隙半徑在150～280 μm, 孔隙結構為大中孔-中細喉型; 對不同深度段壓汞測試數據進行分析, 研究區在進退汞散點圖上表現為排驅壓力小, 大約為0.21 MPa, 最大進汞飽和度介于60.1%～71.3%, 進汞曲線平緩段長且緩, 相同的退汞量, 退汞時間短, 退汞效率大(圖5)。相對高質量的吼道增強了儲層滲透率, 提高致密油氣的滲流水平, 利于酸性流體運移, 為溶蝕作用提供優越條件, 促進次生溶蝕孔形成, 從而提高致密砂巖儲層質量。

圖5 南皮斜坡孔二段常規壓汞曲線

2.2.3 孔喉半徑與孔滲關系 基于恒速壓汞技術, 分析孔喉半徑與滲透率相關關系, 發現滲透率受孔隙半徑中值影響并不明顯, 孔隙半徑均值在滲透率逐漸增大的情況下無顯著變化, 說明不同孔滲樣品, 其孔隙半徑無太大區別; 而平均喉道半徑對滲透率影響勝過孔隙半徑均值對其影響, 且影響相對更加顯著(圖6)。喉道分布范圍越寬, 小喉道含量減少, 大喉道增多, 滲透率越大, 且大喉道對滲透率影響更加明顯。由此可見, 喉道大小及分布對南皮斜坡孔二段滲流水平有著重要影響。

圖6 南皮斜坡孔二段孔滲透率與平均孔隙半徑(a)、平均喉道半徑(b)關系

通過對滄東凹陷孔二段8口井268個樣品深度和孔隙度關系分析發現, 在縱向上, 隨著埋藏深度加深, 孔隙度在不斷減少, 埋藏深度每加深1 000 m,孔隙度降低8%～1%(圖7)。對南皮斜坡孔二段7口井111個樣品孔滲關系進行分析, 研究區孔隙度和滲透率存在著正相關關系(圖8)。

圖8 南皮斜坡孔二段孔滲關系

3 優質儲層因素分析及形成機理

優質儲層是指廣泛低孔、低滲致密儲層中, 物性較好儲層。前人認為，優勢儲層主要受沉積、構造以及成巖作用影響, 是某種因素占主導, 其他因素共同作用的結果[3-6,19-21]。在滄東凹陷孔二段孔隙度與深度關系圖中(圖7), 隨著埋藏深度增加, 存在3個異常高孔帶和孔隙度低值區。異常高孔帶的存在可能與該深度段分選較好、顆粒粒度較粗、溶蝕作用較強、次生孔隙較多有關, 同時, 黏土薄膜發育抑制了石英次生加大, 保護了原生孔隙和次生孔隙, 從而導致儲層物性增強; 孔隙度低值區的存在可能是因為此深度段的細粒泥質含量較多, 在壓實作用和膠結作用下, 孔隙度減少, 物性降低。因此，本文通過沉積條件與成巖作用來剖析其對儲層物性的影響。

圖7 滄東凹陷孔二段孔隙度與深度的關系

3.1 沉積微相提供發育條件

南皮斜坡孔二段主要發育辮狀河水下分流河道、河口壩及席狀砂, 不同沉積微相其水動力條件與沉積作用不同, 巖石成分、分選好壞、泥質雜基含量以及粒徑有所差異, 從而造成儲層物性差異性。

3.1.1 巖石成分 巖石成分對儲層物性及成巖作用起著決定性作用, 不同巖石成分其物理與化學性質存在差異。石英、長石礦物及酸性噴出巖抗壓能力較強, 力學性質比較穩定, 在壓應力作用下, 不易發生變形, 利于孔隙保存；云母質和泥質礦物抗壓能力較弱, 在外壓力作用下, 粒間孔隙容易被破壞。南皮斜坡孔二段石英含量較高, 儲層抗壓能力較強, 巖屑及長石在一定程度上為溶蝕作用提供了物質基礎。

3.1.2 分選、粒度以及泥質含量 通過對研究區7口井129個樣品分析, 發現砂體分選系數與儲層孔隙度呈反比(圖9a), 孔隙度隨著分選系數增加逐漸減小, 這是因為在不同水動力條件下, 砂體搬運距離不同, 隨著砂體搬運距離越來越遠, 顆粒大小越均勻, 磨圓度越好, 砂體分選越好, 在受到壓實作用后, 顆粒之間不容易被壓實, 孔隙度不易受影響。而孔隙度和顆粒粒徑呈正相關關系(圖9b)，可能為在外部影響因素相同條件下，顆粒粒徑增大，原生粒間孔孔隙度相對較大導致，因而粒度粗的儲集層物性一般比粒度較細的儲集層物性好。

圖9 孔隙度與分選系數(a)、粒徑(b)的關系

從圖10可知，隨著細粒泥質含量增多, 儲層物性在不斷降低, 這是由于泥質含量越大, 儲層在受到壓實作用后，容易使喉道堵塞，原生孔隙減少，致使儲層物性較差。

圖10 泥質含量與孔隙度(a)、滲透率(b)關系

從表1可知: 南皮斜坡孔二段辮狀河水下分流河道, 孔隙度在8%～18%, 滲透率平均為1.2 mD, 孔滲發育好, 儲集性能最好, 這與水下分流河道水動力較強, 主要為中-細砂巖, 砂體粒度較粗, 厚度最大, 泥質填隙物較少, 同時石英含量高, 不易于被壓實, 對原生孔具有一定的保護作用有關; 其次為河口壩, 孔隙度在6%～12%, 滲透率約為0.5 mD, 這是因為顆粒分選較好, 石英含量相對較多, 砂巖顆粒粒度相對較粗, 儲層抗壓能力相對較強; 席狀砂, 粒度主要為粉砂級和泥級, 孔隙度在5%～10%, 滲透率約為0.1 mD, 儲集性能最差, 這與席狀砂水動力相對較弱, 分選差, 石英含量相對較低, 細粒泥質含量高, 從而壓實作用相對較強, 堵塞了酸性流體部分運移路徑, 溶蝕作用相對較弱, 物性降低有關。

表1 不同沉積微相下的物性

3.2 成巖抑制及改良優勢儲層物性

成巖作用分析在優勢儲層形成機理研究中有著決定性作用, 南皮斜坡孔二段主要經歷了早成巖B亞期—中成巖A1亞期演化階段[22], 主要以壓實、膠結及溶蝕作用為主, 黏土薄膜較為發育, 同時也有微裂縫存在(圖4、圖11)。

圖11 南皮斜坡孔二段成巖作用

3.2.1 早期壓實致使儲層低孔低滲 通過對薄片觀察發現，南皮斜坡孔二段主要為點線接觸, 短線接觸, 壓實作用中等(圖4)。成巖早期強烈壓實作用致使顆粒接觸較為緊密, 原生孔隙大量損失, 滲透率隨著壓實率增加而減小, 研究區儲層呈現低孔、低滲的特點。壓實率<0.7時, 滲透率相對較高, 大約在0.6 mD以上; 壓實率>0.7時, 滲透率相對較低, 介于0.01～0.1 mD(圖12a), 孔隙度減少率上文已描述。成巖中期, 南皮斜坡石英含量整體較高, 抗壓性較大, 在深埋情況下, 有利于原生連通孔隙, 次生溶蝕孔保存, 滲透率整體較高。

3.2.2 溶蝕作用改善儲集性能 次生溶蝕孔在研究區中深層儲層普遍發育, 以長石溶蝕形成的次生孔隙最為常見, 其次為巖屑溶蝕孔, 這是由于有機質成熟產生有機酸流體沿著微裂縫及節理流動, 促使長石、中基性火山巖巖屑等發生溶蝕。從鑄體薄片觀察, 可見蜂窩狀粒內溶孔及近圓狀粒間溶蝕孔(圖4)。為排除研究區孔隙度受埋深壓實等作用影響, 通過對同一層位、同一深度段、同一套砂體w12井溶蝕率與孔隙度關系分析發現, 孔隙度隨著溶蝕作用增大而增大(圖12b), 溶蝕率在15%時, 孔隙度較高, 受溶蝕作用的影響, 孔隙增加率在0.37%～0.43%。由此可知, 研究區溶蝕作用在儲層物性中發揮重要作用。

圖12 成巖作用與孔滲的關系

3.2.3 膠結作用抑制孔滲發育 除壓實和溶蝕作用外, 膠結作用也是儲層物性變化的重要作用, 主要有碳酸鹽膠結、硅質膠結與黏土礦物膠結(圖13)。由于南皮斜坡石英含量相對較高, 故硅質膠結較為常見, 主要表現為石英次生加大邊堵塞喉道, 導致滲透率下降, 降低南皮斜坡儲層物性, 但部分早期石英加大邊抑制了壓實作用; 碳酸鹽膠結以方解石膠結為主, 除此之外還有鐵白云石等。鑄體薄片下觀察, 原生孔隙呈棱狀形態或成連晶式膠結, 薄片粒間孔隙呈紅色, 這是中基性火山巖巖屑在有機酸溶蝕的作用下產生Mg2+、Fe2+、Ca2+，與堿性環境下發生化學反應的產物充填在原生孔隙之間的體現。如圖12c, 在同一埋深條件下, 儲層孔隙度隨著碳酸鹽膠結物的增多而變差，當碳酸鹽膠結物含量小于6%時, 儲層孔隙度相對較高；而當膠結物含量大于6%時, 孔隙度相對較小, 孔隙度減少率約為0.4%。除此之外, 部分自生黏土礦物填充砂巖顆粒之間, 發生孔隙充填, 堵塞孔隙與喉道, 致密砂巖儲層物性遭到破壞(圖13)。

3.2.4 黏土薄膜對孔滲影響 通過系統薄片觀察, 結果表明研究區黏土薄膜的發育主要有原始沉積和成巖后生兩種類型(圖13)。原始沉積黏土薄膜連續性較好, 為伊利石膜和綠泥石膜, 圍繞的礦物顆粒很少發生溶蝕, 這種黏土薄膜多形成于淡水—半咸水環境下, 可有效阻止存在于原生孔隙與次生孔隙的SiO2流體結晶, 抑制了石英的次生加大, 保護致密砂巖的原生孔隙及次生溶蝕孔, 從而保護致密儲層的物性; 而重新活化未固結的砂巖其黏土薄膜可能遭受破壞, 多為斷續性黏土薄膜, 僅保留顆粒接觸處的黏土薄膜, 在黏土薄膜破壞處可看到石英發生次生加大, 孔隙度物性降低。后生黏土薄膜多為伊利石黏土膜或綠泥石膜, 為孔隙襯墊式存在, 礦物顆粒溶蝕后形成黏土膜或全部溶蝕僅剩下黏土膜。

圖13 南皮斜坡孔二段黏土薄膜形式及作用

通過對鑄體薄片系統性觀察, 建立該區建設性及破壞性成巖演化模式(圖14、圖15)。研究區壓實作用使碎屑巖顆粒間孔隙變小, 碳酸鹽膠結作用堵塞了部分次生溶蝕孔和原生孔隙, 使儲層物性變差; 中基性火山巖巖屑及長石溶蝕發生強烈溶蝕作用, 產生次生溶蝕孔, 增強儲層物性, 同時石英顆粒的存在, 在一定程度上增加儲層抗壓性, 為中深層酸性流體流動提供了空間, 利于次生溶蝕孔發育; 黏土薄膜包裹在巖石顆粒外圍, 保護石英次生加大, 使得原生孔隙得以保存; 微裂縫發育為酸性流體發育提供了通道, 有利于溶蝕作用發生[23]。

圖14 南皮斜坡破壞性成巖演化模式

圖15 南皮斜坡建設性成巖演化模式

綜上所述, 沉積與成巖作用是形成南皮斜坡孔二段致密砂巖優質儲層重要因素, 優勢沉積相決定了研究區砂體有利展布特征, 為優勢儲層發育提供條件, 成巖作用對后期儲層物性有著重要影響。研究區水下分流河道在水動力作用下, 砂體分選較好,粒徑相對較粗, 泥質填隙物較少, 砂體較厚, 孔滲關系最好, 為最優儲層; 較高石英含量增強了致密砂巖儲層的抗壓性, 保留了較多原生孔隙, 中成巖時期有機質釋放出來有機酸在異常壓力的作用下, 沿著裂縫與斷裂帶不斷發生運移, 使得中深層中基性火山巖巖屑以及長石顆粒發生強烈的溶蝕作用, 產生了大量的次生溶蝕孔, 同時產生自生高嶺石的原生孔隙, 儲層孔隙度有所改良, 大大增強了儲層儲集性能。同時研究區適量的綠泥石黏土薄膜與伊利石黏土薄膜的存在, 抑制了石英次生加大, 保護了原生孔隙與次生溶蝕孔, 增強了儲層物性。但研究區早期壓實作用與膠結作用對致密砂巖儲層起到了破壞作用, 同時細粒物質的存在也在一定程度上堵塞了喉道, 促使致密儲層物性降低。

4 結 論

(1)研究區中細砂巖占比最大, 粉砂巖次之; 砂體顆粒分選中差, 呈點線接觸、短線接觸關系; 長石砂巖和巖屑長石砂巖為其主要巖石類型, 碎屑巖石英顆粒含量高, 長石次之, 成分成熟度相對較高, 較高的長石含量為后期溶蝕次生孔奠定了物質基礎。

(2)研究區孔隙度平均為10%, 滲透率平均為0.8 mD, 其中致密砂巖儲層占比最大, 其次為低孔特低滲儲層, 但也存在異常高值區。溶蝕孔為主要孔隙類型, 其次為殘余原生孔、鑄膜孔、裂縫等, 孔隙結構為大中孔中細喉型, 其中喉道半徑對滲透率影響顯著。在不同水動力條件下, 巖石成分、分選好壞、泥質雜基含量以及粒徑有所差異, 造成儲層物性有一定的差異。

(3)研究區優勢儲層主要受沉積和成巖的雙重控制, 水下分流河道為研究區優勢相, 為優勢儲層的發育提供了條件, 成巖早期壓實作用導致儲層的低孔、低滲性, 膠結作用的發生堵塞部分喉道; 中成巖時期較高的石英含量增強了儲層抗壓性, 為酸性流體的流動提供了運移通道, 后期成巖時期較強溶蝕作用和黏土薄膜大大改良了致密砂巖儲層。