渤中19-6凝析氣田孔店組砂礫巖儲層壓實成巖裂縫垂向演化特征

摘要：為了研究砂礫巖儲層壓實成巖裂縫對儲層的影響，以渤中１９ ６凝析氣田孔店組砂礫巖為解剖對象，借助巖心觀察、薄片鑒定、測井識別及壓實成巖物理模擬實驗等手段，對砂礫巖儲層壓實成巖裂縫的垂向演化特征進行了深入研究.結果表明：１）渤中１９ ６孔店組砂礫巖儲層壓實成巖裂縫普遍發育，包括繼承性裂縫與非繼承性裂縫，繼承性裂縫發育較早，沿碎屑顆粒的原有裂紋產生，非繼承裂縫主要以共軛剪裂縫的形式沿長石解理破裂發育;２）礫級顆粒較砂級顆粒、長石顆粒較石英顆粒壓實成巖裂縫更為發育，壓實成巖裂縫裂縫發育程度與脆性指數成正比，與填隙物含量成反比;３）模擬的垂向上發育３期砂礫巖壓實成巖裂縫發育帶，其中第２壓實成巖裂縫發育帶與研究區的裂縫分布一致，控制著優質儲層的發育.

關鍵詞：埋藏壓實;壓實成巖裂縫;砂礫巖;壓實成巖物理模擬;渤中１９ ６

doi：１０．１３２７８/j．cnki．jjuese．２０２２０００７ 中圖分類號：P６１８．１３ 文獻標志碼：A

０ 引言

隨著油氣勘探開發的進行，裂縫發育規律引起了國內外學者的廣泛關注，構造、石油地質學家對裂縫的形成機制和分布規律做了大量研究工作[１５].巖層中的裂縫成因較為復雜[６]，當巖石受到縱向或側向應力時，碎屑顆粒接觸點處承受較大的壓強而產生顆粒內部裂縫，稱為壓實成巖裂縫.壓實成巖裂縫能夠大幅提高儲層的滲流能力[７１３]，其也是致密油氣開發、地震反演和井區優化的基礎[１４１７].近年來，在我國東部和西部含油氣盆地內均發現了此類裂縫，如：塔里木盆地烏什凹陷在埋深大于６０００m的白堊系含礫中粗粒砂巖中發育多組壓實成巖裂縫，其為油氣的主要儲集空間，獲得日產油１７４t、日產氣２×１０５ m３的高產工業油氣層[７];渤海灣盆地東營凹陷沙四段碳酸鹽巖礫石中發育大量壓實成巖裂縫，其提高了儲層滲透性，被有機酸橫向改造為小規模縫洞[１８].渤中１９ ６氣田探明儲量超千億m３[１９２０]，具有巨大的天然氣勘探潛力，主力層段為孔店組礫巖儲層與太古界變質巖潛山儲層[２１２３]，氣藏埋深為３８００～５６００m[２４].前人對渤中１９ ６構造裂縫發育特征進行了分析，但多集中于研究潛山裂縫的成因、屬性特征、有效性、主控因素及其對儲層的改造等方面，而缺少了對古近系砂礫巖體裂縫特征及成因的研究，筆者以渤中１９ ６氣田４口砂礫巖探井為對象，結合壓實物理模擬實驗，明確砂礫巖儲層壓實成巖裂縫的垂向演化規律，探討結構及成分對壓實成巖裂縫發育程度的影響，以期為渤海海域裂縫型儲層的勘探開發提供參考.

１ 地質概況

研究區渤中１９ ６凝析氣田位于渤海灣盆地渤中凹陷西南部深層構造脊上，東南與渤南低凸起相鄰，西部與埕北低凸起相鄰，南部與黃河口凹陷相接，北為渤中凹陷主洼（圖１）[３０３２]，以大型凹陷中背斜隆起帶的形式存在，構造位置極為有利[３３].研究區油氣藏主要富集于太古界潛山變質巖和孔店組厚層砂礫巖儲層中，其中孔店組砂礫巖儲層埋深普遍超過３５００m，主力烴源巖層為沙河街組和東營組，區域分布穩定的巨厚東三段泥巖優質蓋層.由此構成了有利的生儲蓋組合和優越的油氣成藏條件（圖１）.

２ 儲層基本特征

巖心觀察和薄片鑒定結果表明：BZ１９ ６氣田孔店組砂礫巖儲層主要的巖石類型為砂礫巖和礫質砂巖.巖石結構以礫狀結構、含砂礫狀結構、礫質砂狀結構等為主.顆粒以點線接觸為主，局部呈凹凸接觸（圖２a），礫石包含火山巖礫石及變質巖礫石，磨圓度以次棱角狀－次圓狀為主.顆粒混亂堆積、分選較差.砂巖類型以長石巖屑砂巖為主，含少量長石砂巖、巖屑長石砂巖及巖屑砂巖.巖屑體積分數為４３．８０％～５０．００％，受下伏的富長英質太古界潛山變質巖影響，主要為花崗巖巖屑和石英巖巖屑.雜基一般為泥質，平均體積分數為７．６０％，個別樣品為泥灰質或泥云質.膠結物主要包括含鐵鈣質類和泥質類，兼有硅質、黃鐵礦、菱鐵礦等，呈孔隙式膠結，體積分數最高可達１９．００％，平均為９．２７％，反映其成巖演化階段高、成巖作用復雜.儲集空間具有孔隙和裂縫的雙重介質特點，主要包括原生孔隙、粒內溶孔、粒間溶孔及裂縫.整體上原生孔隙較少（體積分數為４．７２％）（圖２b）;粒內溶孔（５６．２０％）（圖２c）多由長石及火成巖巖屑溶蝕形成;粒間溶蝕孔（３９．０７％）（圖２d）主要為風化破裂后無明顯顆粒骨架的粒間碎屑溶蝕，其次為鈣質等膠結物的溶蝕.裂縫是渤中１９ ６氣田孔店組砂礫巖儲集層最重要的儲集類型，分為構造縫和壓實成巖裂縫.其中構造縫（３５．０７％）主要為貫穿多個顆粒的平直較寬裂縫，以及沿顆粒邊緣分布的貼粒縫;壓實成巖裂縫（６４．９３％）可以細分為兩部分，一部分是礫石壓裂形成與礫石邊緣高角度相交的壓實成巖裂縫（圖２e），此裂縫開啟程度較差，數量較多，多被泥質充填;另一部分沿長石等脆性礦物解理發育，此類裂縫開啟程度普遍較好，多被溶蝕擴大（圖２f）.對于研究區這種非均質性極強的砂礫巖儲層，壓實成巖裂縫的大量發育改善了砂礫巖儲層的油氣滲流能力，形成了有效的油氣儲集空間.

３ 物理模擬實驗方法及流程

本次壓實成巖物理模擬實驗，是在充分了解渤海灣盆地渤中凹陷古近系砂礫巖儲層的成巖作用和埋藏方式的地質基礎上，針對砂礫巖儲層壓實成巖裂縫大量發育但其形成演化機理不明確這一問題，使用“壓實成巖物理模擬實驗設備”[３４]，開展對不同礫石組分的砂礫巖儲層在不同溫度、壓力下儲層壓實成巖裂縫形成及擴展規律等方面的研究，再現不同埋藏壓實階段砂礫巖儲層壓實成巖裂縫演化過程，建立定量評價砂礫巖儲層壓實成巖裂縫垂向演化過程的技術方法，具體操作流程如下.

首先按照研究區BZ１９ ６氣田孔店組砂礫巖實際碎屑組分、黏土礦物類型及各類型含量與碎屑顆粒粒徑分布，配置成２組９份直徑為３cm、高為７cm 的砂礫巖人造巖樣（表１）.然后將配制的人造巖樣１號、２號等量分成９份（其中１份備用），分組裝入不同的反應爐體.再依據前人物理模擬實驗設立的溫壓標準[３４]，按照研究區不同埋藏壓實階段并結合成巖階段補償恢復而來的溫壓條件進行升溫、升壓（表２），經過１５d左右制成柱狀樣品.實驗結束后，收集反應液，并將套管剖開取出人造巖心樣品.將藍色鑄體注入人造巖心，并統一于距上部１．５cm處切制鑄體大薄片，進行鏡下觀察，取６個相鄰的視域并通過西圖圖像分析軟件進行圖形拼接，對拼接后的圖像進行面孔率、粒度及裂縫分析.

４ 壓實成巖裂縫特征

４．１ 壓實成巖裂縫發育類型

薄片觀察統計和圖像分析結果表明，在各個深度段均發育有不同程度的壓實成巖裂縫，根據其發育特征可以分為兩類.一類是在碎屑顆粒已有微裂縫基礎上繼續發育的繼承性裂縫，主要沿碎屑顆粒的原有裂紋產生，其壁道較臟，往往含有雜質，可能存在過渡性溶蝕殘余;裂縫整體寬窄不一，兩壁粗糙，凹凸明顯，較為彎曲（圖３a，b）.另一類是非繼承性裂縫，裂縫壁道較為干凈，整體上由細到寬或寬窄一致，兩壁光滑，較為平直（圖３c，d）.

研究區的巖心鑄體薄片資料顯示，BZ１９ ６氣田４口井在埋深４０００m 左右普遍發育壓實成巖裂縫（圖３f—i），壓實成巖裂縫既見繼承性裂縫發育（圖３e，f），又見非繼承性裂縫發育（圖３h，i）.其中繼承性裂縫多被泥質、碳酸鹽類礦物和（硬）石膏充填，非繼承裂縫以長石沿解理破裂發育為主，以共軛剪裂縫的形式出現，縫中偶見碳酸鹽礦物充填現象，裂縫面上可見擦痕.

４．２ 壓實成巖裂縫的垂向演化

壓實物理模擬實驗結果（圖４）表明，僅垂向壓實條件下，隨著深度的增大，受壓實作用影響，孔隙連通性逐漸變差，物理模擬實驗１號和２號樣品的面孔率均呈減小的趨勢（圖５a）.但在同一成巖階段，２號樣品的面孔率略高于１號樣品的面孔率.模擬埋深２０００～３０００m 的垂向壓實初期階段，１號樣品面孔率由１８．７０％減少為１５．４０％，減少了３．３０％，２號樣品面孔率由２０．０６％減少為１７．２１％，減少了２．８５％.埋深３５００～４０００m 的垂向壓實中期階段階段，２號樣品面孔率由１８．３４％減少為１３．４４％，減少了４．９０％，此時曲線斜率最大.模擬埋深４５００～６０００m 垂向壓實晚期階段，１號樣品面孔率由１２．５３％減少為１１．６２％，減少了０．９１％，２號樣品面孔率由１３．４４％減少為１２．４０％，減少了１．０４％.通過上述對比可以看出，隨埋深的增加，壓實作用對孔隙的影響不斷減小.這是因為在壓實的初期碎屑顆粒尚未達到位能最低緊密堆積狀態，隨埋深的增加，壓實作用不斷增強，石英、長石和巖屑等碎屑顆粒受擠壓發生重新排列達到位能最低緊密堆積狀態.

對于一個裂縫組系來說，裂縫的基本參數是指裂縫的寬度、長度、間距、密度、產狀、充填情況和溶蝕改造情況等[３５].其中寬度與長度通常用來評價其三維分布[３６].裂縫的寬度和長度與裂縫的強度成正相關關系[３７].實驗結果顯示，兩種樣品在同一模擬深度下，其裂縫發育數量及平均寬度差異不大（圖５b，c）.模擬的孔店組砂礫巖儲層壓實成巖裂縫具有如下幾個階段演化特征：１）模擬埋深２０００～３０００m 的淺埋藏階段（垂向壓實初期），壓實成巖裂縫以繼承裂縫發育為主（圖３a）.２種樣品的裂縫發育數量均在穩定增加，１號樣品的裂縫數量由２８增加到４０，２號樣品的裂縫數量由２６增加到４０.其中在模擬埋深２０００～２５００m 時，隨埋深增大樣品裂縫寬度與數量均不斷增大，１號樣品的壓實成巖裂縫平均寬度由７．２５μm 增加至１２．６３μm，２號樣品的壓實成巖裂縫平均寬度由較小的４．０３μm 增加至９．５３μm.２ 種樣品的裂縫數量平均增加了１３，表明在此階段第一期壓實成巖裂縫開始形成.在模擬埋深２５００～３０００m 時，砂礫巖裂縫寬度出現了一個急速衰減的過程，１ 號樣品裂縫寬度由１３．３６μm迅速減小到３．６９μm，２號樣品裂縫平均寬度由９．５３μm 減小到５．２０μm.淺埋藏階段出現裂縫寬度快速降低、數量穩定增加的原因在于碎屑顆粒在同沉積時期受風化作用、構造活動、變質作用等形成的繼承性裂縫（圖３b）在此階段穩定擴展，部分完全開啟，同時非繼承性裂縫初步產生，多未開啟，導致了裂縫數量的增加和寬度的減少.２）模擬３０００～４５００m的淺埋藏—深埋藏轉換階段（垂向壓實中期），繼承性裂縫與非繼承性裂縫在此階段均有發育（圖３c，d）.砂礫巖壓實成巖裂縫寬度隨埋深的增加呈逐步遞增的趨勢，１ 號樣品裂縫平均寬度由３．６９μm逐步增加到１２．３８μm，２號樣品裂縫平均寬度由５．２０μm 逐步增加到１２．４４μm，表明第二期壓實成巖裂縫在此階段形成.而裂縫數量出現了先增后減的演化趨勢，在模擬埋深３０００～４０００m 時，１號樣品的裂縫數量由４０增加至５６，２號樣品的裂縫數量由４０增加至６５;在模擬埋深４０００～４５００m時，１號樣品的裂縫數量遞減至４０，２號樣品的裂縫數量遞減至４６.這是因為該階段垂向壓實作用較強，使石英、長石、巖屑等顆粒繼承性與非繼承性裂縫共同發育，是導致裂縫寬度增加的直接原因.其中在淺埋階段形成的繼承性裂縫在此階段受到較強的應力作用徹底開啟，導致了數量上的減少.研究區實際壓實成巖裂縫主要發育在此階段，裂縫的發育狀態與模擬實驗結果是一致的（圖３f—i）.３）模擬埋深４５００～６０００m 的深埋藏早期階段（垂向壓實晚期），壓實成巖裂縫以非繼承性裂縫發育為主.該階段存在壓實成巖裂縫寬度減小、裂縫數量增加的過程，在此過程中砂礫巖裂縫寬度隨埋深的增加逐步減小，２種樣品的裂縫寬度發育程度相當，平均值由１２．４０μm 下降至６．０５μm.裂縫數量卻隨埋深增加逐步遞增，１號樣品的平均裂縫數量由４０增加至５２，２號樣品的平均裂縫數量由４６增加至６０.這是因為該階段砂礫巖儲層不僅受到垂向壓實作用，同時還受到側向擠壓作用，在垂向壓實作用和側向擠壓作用的共同作用下，第三期以非繼承性裂縫為主的壓實成巖裂縫開始發育（圖３e），這些剛發育的微縫多初步開啟或未開啟，導致了裂縫寬度減小，數量增加.

５ 壓實成巖裂縫發育的影響因素

５．１ 巖石粒級對壓實成巖裂縫的影響實驗結果及巖心微觀觀察表明：BZ１９ ６氣田孔店組砂礫巖儲層中壓實成巖裂縫多發育于顆粒支撐粗砂巖和中細礫巖中，其中礫級顆粒內壓實成巖裂縫的平均開度為１４μm，平均數量為１４;砂級顆粒內壓實成巖裂縫的平均開度為８．６２μm，平均數量為４５，與實驗結果相符（圖６）.礫級顆粒內的壓實成巖裂縫延伸方向大致垂直于接觸部位顆粒的切線方向，形成的裂縫相較砂級顆粒裂縫發育開度更大、數量更多（圖７a）.原因在于礫石在物源區遭受風化剝蝕后經搬運進入沉積區時其內部往往已經具有微裂縫或薄弱面.此外，在一定的外力作用下，顆粒支撐的砂巖和礫巖因其顆粒支撐點較少，顆粒接觸點上的壓強要比雜基支撐者和細砂巖、粉砂巖等高出幾個數量級[７]，易使粗顆粒局部受力超過破裂強度而沿平行壓應力的方向破裂，形成壓實成巖裂縫[８].

５．２ 碎屑顆粒成分對壓實成巖裂縫的影響

巖性是控制裂縫富集程度的最基本因素[８]，實驗結果及巖心微觀（圖７）觀察表明：研究區被壓裂的碎屑顆粒主要為長石、石英和剛性巖屑.石英及巖屑顆粒壓實成巖裂縫沿邊界破裂發育或者貫穿整個顆粒發育，多呈平行應力單向線性展布（圖７b）;長石顆粒壓實成巖裂縫多為沿解理破裂網狀發育，易被溶蝕擴大（圖７c）.為了進一步確定長石及石英對壓實成巖裂縫發育的影響，模擬實驗結果顯示，模擬埋深小于６０００m 階段，裂縫發育數量及開度均以長石居多;其中，模擬埋深大于４５００m 階段，長石顆粒裂縫發育數量減小，開度增大，預示長石破碎縫在此階段壓裂擴大（圖８a，b）.鏡下統計結果表明：BZ１９ ６孔店組砂礫壓實成巖裂縫在長石中平均開度為１０．５１μm，平均數量為４５;石英中壓實成巖裂縫發育平均開度為７．５０μm，平均數量為２１.通過上述對比可以看出，壓實成巖裂縫在長石中更為發育.此外，巖石的成分與儲層巖石脆性密切相關，巖石脆性可以直觀地反映儲層成縫能力[１０].據此筆者采用礦物成分和常規測井數據２種方法計算儲層的脆性，研究裂縫發育程度與脆性之間的關系.

式中：wqtz為石英和長石質量分數之和;wcarb為碳酸鹽巖質量分數之和;wtotal為巖石總礦物成分質量分數.再利用常規測井數據計算巖石脆性指數[１０]B２ .最后將B１ 與B２ 的乘積視為最終脆性指數，

即B ＝B１B２ . （２）

分析發現，計算得到的脆性指數與巖石裂縫發育程度具有非常好的正相關性（圖９）.這是因為隨著巖石中石英和長石質量分數的增加，脆性組分增多，成巖作用增強，巖石的強度和彈性模量會增大，巖石就容易破裂，裂縫密度相應增大[３９]，即較小的應變就會引發巖石產生裂縫.

５．３ 填隙物含量對壓實成巖裂縫的影響

在碎屑顆粒組分和粒級組構相當的情況下，壓實成巖裂縫發育程度與填隙物含量成反比，即顆粒支撐者比雜基支撐者粒內壓實成巖裂縫更為發育（圖７e、f）[９].這是因為雜基支撐的巖石相較顆粒支撐的巖石雜基含量較多，碎屑顆粒之間接觸較少或沒有接觸，雜基相當于塑性介質，可以通過塑性流動緩沖應力，減少了作用于顆粒上的應力，顆粒不易發生破裂.

６ 裂縫垂向演化模式

以模擬實驗獲取的砂礫巖儲層裂縫演化參數為基礎，根據屈海洲等[４０]提出的裂縫定量表征方法計算出壓實成巖裂縫的面縫率，結合前人在實際地質過程下儲層成巖與孔隙演化特征的認識[３３，４１]，建立了渤中凹陷渤中１９ ６氣田孔店組深層砂礫巖儲層裂縫演化的３段性特征預測模式（圖９）.

１）淺埋藏階段，由于碎屑顆粒在物源區經受風化作用、構造活動、變質作用等形成的微裂縫或薄弱面在搬運過程中經碰撞擠壓等作用而進一步演化形成礫內縫.這些裂縫在受到早期的垂向壓實作用下，在２０００m 之后逐步開啟，在２５００m 左右達到峰值，并留有溶蝕性殘余，最終形成繼承性裂縫.

２）在淺埋藏—深埋藏轉換階段，部分早期淺埋階段形成的繼承性裂縫已經完全開啟，同時由于長石、石英等脆性礦物及長英質的花崗巖、片麻巖受較強的垂向應力沿巖石特有結構發育裂縫，形成了新一期的非繼承性裂縫.這些裂縫在３０００m 之后逐步形成，４０００m 左右達到峰值，具有壁道平直、裂縫內無雜基的特點.BZ１９ ６孔店組砂礫巖層段中，繼承性裂縫與非繼承性裂縫均有發育，與物理模擬實驗中裂縫發育狀態一致（圖９）.

３）在深埋藏早期階段，由于顆粒接觸更為緊密，碎屑顆粒不僅受到垂向壓實作用，使得骨架顆粒的排列方式更加趨于緊湊，同時還受到側向擠壓作用，在垂向機械壓實作用與側向擠壓作用的共同作用下，共軛雙方向的剪切作用力使得骨架顆粒趨向于共軛剪切方向的定向排列.此階段壓實成巖裂縫發育具有一定的方向性，主要沿垂直于接觸部位顆粒的切線方向發育，在４５００ m 之后逐步形成（圖７d）.

７ 結論

１）渤中１９ ６凝析氣田孔店組砂礫巖儲層壓實成巖裂縫普遍發育，發育有繼承性與非繼承性２種裂縫.繼承性裂縫發育較早，主要沿碎屑顆粒的原有裂紋產生;非繼承裂縫主要為長石沿解理破裂發育，多以共軛剪裂縫的形式出現.

２）壓實成巖裂縫多發育于雜基缺乏、相互接觸的顆粒中，且礫級顆粒相較砂級顆粒破碎嚴重、顆粒相交點的應力高值區，易出現新裂縫;發育壓實成巖裂縫的碎屑顆粒類型主要為石英、長石和剛性巖屑等脆性礦物，長石以沿解理方向的網狀破碎為主，石英以平行壓應力方向的X 型或單向線性破碎為主，其中長石粒內壓實成巖裂縫最為發育.

３）模擬了渤中１９ ６氣田孔店組砂礫巖儲層壓實成巖裂縫垂向演化過程，并建立了儲層壓實成巖裂縫３段性特征預測模式，認為儲層在埋藏過程中可以出現３期壓實成巖裂縫發育帶.其中第２個壓實成巖裂縫演化階段即淺埋—深埋轉換階段是工區實際壓實成巖裂縫大量發育階段，其極大地改善了深層儲層的儲集性、提高了儲層的滲透性能，構成了砂礫巖儲層重要的儲集空間和滲流通道，對深層碎屑巖油氣的勘探有著重要意義.

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