大港探區南部二疊系致密砂巖儲層特征及成因

關鍵詞 成因機制；成巖演化；砂巖儲層；二疊系；大港探區南部

0 引言

渤海灣盆地在中—新生代經歷了復雜的構造演化過程，以上古生界煤系烴源巖為中心的含油氣系統在演化過程中經歷了多次抬升破壞，在過去數十年中油氣勘探成果相對較少，上古生界的油氣資源潛力和儲層儲集性能被認為明顯劣于同處于華北板塊的鄂爾多斯盆地上古生界[1?3]，形成規模油氣藏的潛力不大。得益于復雜的構造運動，渤海灣部分地區發育長期風化淋濾的二疊系高位潛山，早期多以此為勘探重點；近年來，以大港南區為代表的渤海灣盆地二疊系中、低位潛山同樣發現了大規模油氣聚集[4?6]，如官古1601井、營古1井及營古2井等儲層中均獲得高產油氣流。大港探區南部在多期次差異性構造埋藏—抬升作用影響下，不同地區二疊系儲層埋藏史、熱史差異明顯，導致砂巖儲層非均質性強，成因機制不明確，嚴重制約了油氣探勘的進程。綜合利用鉆井巖心、巖石薄片、壓汞測試資料、物性測試資料、掃描電鏡、同位素分析及油氣地球化學資料等，結合埋藏史，探討了大港探區南部二疊系致密儲層特征和儲層成巖演化歷史，明確了研究區二疊系致密儲層多期次埋藏—抬升背景下的成因機制，指出了優質儲層分布規律，為渤海灣盆地其他地區致密儲層的勘探提供理論指導。

1 地質概況

大港探區主體位于渤海灣盆地中心地帶，包括黃驊坳陷、滄縣隆起、埕寧隆起等三個大地構造單元（圖1a）。二疊紀時期發生大規模海退，大港探區二疊紀發育海陸過渡相及陸相碎屑巖地層（圖1b），自下而上依次為山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上石盒子組（P2s）、石千峰組（P2sh）。大港探區在中、新生代經歷了復雜的基底斷裂改造過程，形成了大量的潛山構造[7]。大港南區主要勘探區域為王官屯和烏馬營潛山，其在埋藏過程中受白堊紀末期燕山運動及新生代喜山運動的影響，均表現出山頂地層保存完整，翼部剝蝕較強的特征。其中王官屯地區東高西低，地層東厚西薄，潛山頂部東側為孔東正斷層，斷層下盤二疊系與上盤孔店組對接（圖1c）。烏馬營地區西高東低，地層西厚東薄，無大型斷層發育。大港探區南部上石盒子組辮狀河相砂體為主要勘探目的層（圖1d）。

2 儲層儲集特征

2.1 巖石學特征

根據巖心觀察和薄片鑒定結果，大港探區南部二疊系儲層巖性以中、粗砂巖及含礫砂巖為主，其次為少量薄層細砂巖等（圖2a～c）。儲層中碎屑顆粒以線接觸—凹凸接觸為主，分選較好，分選系數主要介于1.25～1.29，顆粒磨圓以次棱角狀—次圓狀為主；膠結方式主要為孔隙式膠結。大港探區南部二疊系儲層儲集空間以次生孔隙（圖2d～f）和高嶺石晶間微孔（圖2g，h）為主，原生孔隙極少，局部可見微裂縫發育（圖2i）。顆粒次生孔隙占總孔隙的19%，高嶺石晶間微孔占總孔隙的78%，原生孔及微裂縫等共計3%。其中局部發育的微裂縫對儲集空間貢獻小，但其為后期酸性流體運移提供了有利通道。研究區儲層巖石類型以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，巖石成分成熟度較高，骨架顆粒中石英平均質量分數為82.61%，長石平均質量分數為4.14%，以鉀長石為主，巖屑以變質巖巖屑為主，平均質量分數為13.23%，儲層雜基含量低，平均質量分數為0.31%。

2.2 儲集物性特征

統計大港探區南部二疊系實測物性數據，儲層孔隙度介于3.8%～14.0%（圖3a），平均為8.7%，其中孔隙度介于10%～15%的儲集層比例為25.93%，孔隙度介于5%～10%的儲集層比例為67.90%（圖3b）；滲透率介于（0.01～63.9）×10-3 μm2，平均為2.26×10-3 μm2，其中滲透率介于（0.1～1.0）×10-3 μm2 的儲集層比例為64.20%（圖3c）。由此可見，大港南區二疊系儲層主要為特低孔特低滲儲層。

3 儲層成巖作用與改造過程

3.1 儲層成巖作用類型與特征

基于二疊系碎屑巖儲層鏡質體反射率Ro（1.29%～1.53%）分布、伊蒙層間比、自生礦物發育等方面的研究，依據石油行業標準（SY/T 5477—2003）碎屑巖成巖階段劃分規范[8]，認為研究區二疊系碎屑巖儲層目前處于中成巖B期。大港探區南部二疊系砂巖儲層成巖作用整體表現為壓實作用強烈，膠結作用多樣，溶解作用強烈等特征。

3.1.1 壓實作用

大港探區南部二疊系儲層中，石英含量高、塑性巖屑含量低，儲層抗壓實能力強，但整體埋深較大，介于3 600～4 900 m，顆粒以線接觸—凹凸接觸為主（圖4a，b），局部可見縫合接觸，偶見塑性巖屑的壓實變形。

3.1.2 膠結作用

二疊系儲層膠結作用普遍發育，總含量介于1%～10%，平均為5.6%。膠結物主要為自生高嶺石、自生石英及碳酸鹽礦物等。

自生高嶺石發育廣泛，多充填粒間孔隙或呈顆粒形態分布，可見長石顆粒局部蝕變為高嶺石（圖4c～e）。高嶺石自形程度高，常見假六方片狀單體，集合體呈書頁狀或蠕蟲狀幾何體形態，單礦物粒徑介于8～12 μm。常見自生高嶺石與自生石英伴生現象（圖4d，f）。X射線衍射分析數據表明高嶺石占全部巖石組分的1%～10%。激光剝蝕微量元素分析結果表明，自生高嶺石與長石顆粒稀土元素配分模式一致（圖5a），認為自生高嶺石主要由長石溶蝕提供物質來源。

研究區石英膠結物普遍發育，主要以石英加大邊和石英微晶的形式存在（圖4d，f，g），含量介于1%～1.5%。二疊系共發育兩期石英膠結，第一期石英加大陰極發光下為棕色，第二期石英加大陰極發光下為黑色（圖4e）。電子探針分析結果表明，上石盒子組石英顆粒中Al元素含量多小于0.05%，自生石英中Al元素含量高于0.15%，更富含Al元素（圖5b）。這說明長石溶蝕是研究區自生石英的主要物質來源之一。

流體包裹體可以提供古地質流體的組成及溫度等信息[9]。大港南區上石盒子組砂巖中，流體包裹體主要存在于石英顆粒愈合縫與石英加大邊中，鹽水包裹體直徑介于2～8 μm。分析結果顯示，南區二疊系第一期石英加大鹽水包裹體均一溫度介于100 ℃～125 ℃，第二期均一溫度介于110 ℃～140 ℃（圖6）。

儲層碳酸鹽膠結物局部發育，部分樣品中碳酸鹽含量可達5%，主要包括方解石、白云石和鐵白云石等（圖4h～j）。薄片及陰極發光分析可知，方解石充填原生粒間孔，為早期成因；（鐵）白云石自形程度高，多分布于粒間孔或溶蝕孔隙內，常與自生高嶺石共生（圖4j），形成時間晚于大規模溶蝕作用。碳酸鹽膠結物δ13C介于-5.7‰～-9.6‰，δ18O介于-13.1‰～-16.8‰（圖7），表明其受有機酸脫羧作用影響明顯[10?11]。其中鐵白云石膠結物中鹽水包裹體均一溫度介于90 ℃～122 ℃，方解石膠結物中未觀察到包裹體，為補充測溫數據的不足，利用δ18O 值，據Friedman et al.[12]給出的方解石—水體系中方解石形成溫度公式，計算可得研究區方解石形成溫度介于43.8 ℃～67.7 ℃。

3.1.3 溶蝕作用

研究區儲集層溶蝕作用以長石顆粒溶蝕為主（圖4k），其次為少量巖屑及碳酸鹽膠結物溶蝕（圖4l）。鏡下可見長石顆粒部分溶蝕、完全溶蝕為鑄模孔、部分或整體蝕變為高嶺石等。研究區殘余次生孔隙含量多介于1%～3%，平均為1.8%。統計鏡下長石溶蝕孔隙與溶蝕產物（高嶺石、自生石英）含量，顯示溶蝕產物含量明顯高于長石溶孔含量（圖8a，b），這是典型的封閉體系成巖作用組合特征[13]。

3.2 儲集層成巖改造過程

利用自生礦物交切關系、溶蝕充填關系、穩定同位素數據、鹽水包裹體均一溫度及埋藏史、熱史等資料，綜合分析大港探區南部二疊系砂巖儲層成因演化過程。

王官屯地區官古1601井埋藏史如下，儲層經歷了如下五個演化階段（圖9）：初次埋藏階段，二疊系沉積后，逐漸埋藏，至三疊紀中期，其下伏烴源巖最大埋深達3 000 m；第一次抬升階段，三疊紀中期發生地層抬升，三疊系與上二疊統遭受強烈剝蝕，上石盒子組砂巖出露地表；二次埋藏階段，至侏羅紀，王官屯地層再次沉降，此階段上石盒子組埋深淺于初次埋藏；第二次抬升階段，白堊紀中期，地殼再次上升，白堊系剝蝕殆盡；三次埋藏階段，新生代時期至今，研究區地層持續沉降埋藏。烏深1井埋藏過程與官古1601 井相似，僅各期埋藏深度與抬升剝蝕厚度不同。

3.2.1 抬升階段開放成巖體系

大港探區南部地層接觸關系與埋藏史表明，三疊紀末期發生大規模構造抬升，二疊系局部地層出露地表，導致大氣淡水沿傾斜地層注入砂體，造成長石等礦物的淋濾溶蝕作用。

自生高嶺石氫氧同位素數據可用來分析推測其形成時的古流體來源[14]。通過反復冷凍—解凍碎樣裝置，對巖石樣品進行破碎，制備黏土懸浮液，而后使用離心分離法，獲取純度高于95%的高嶺石樣品。對研究區自生高嶺石進行氫氧同位素測試，結果顯示其δD 介于116.9‰～101.1‰，δ18O 介于20.2‰～16.5‰，同位素數據與大氣水成因高嶺石分布范圍重合度高（圖10），說明自生高嶺石成因與大氣淡水淋濾作用相關。

3.2.2 埋藏階段封閉成巖體系

渤海灣盆地在石炭紀—二疊紀經歷了大面積的海侵以及后續的海退，在海陸交替的環境中形成了一套廣泛分布的煤系地層，巖性主要為富有機質泥巖和煤巖等[15]。構造演化史表明，在三疊紀末期的初次沉降過程中，下伏烴源巖最大埋深可達3 000 m，并演化至低成熟階段，此時的烴源巖Ro 介于0.6%～0.8%。干酪根在熱演化過程中，產生大量有機酸及CO2[16?17]。在后續埋藏過程中，當埋藏深度超過3 000 m時，烴源巖熱演化產生更多有機酸及CO2。其中王官屯地區古近系烴源巖與二疊系砂巖通過孔東斷層對接（圖1c），其在埋藏過程中形成的烴類和酸性流體，可通過斷層注入二疊系儲層。

據地層氣成分可知，大港南區油氣藏中CO2仍大量存在，其摩爾分數介于3.87%～7.33%。通過分析儲層流體壓力和儲層中CO2含量，可以確定CO2分壓介于1.5～2.8 MPa（圖11a）。對研究區砂巖包裹體薄片進行激光拉曼分析，可在烏深1井包裹體中檢測出CO2氣體（圖11b）。地層與包裹體中的CO2均表明地質歷史時期烴源巖熱演化生成的酸性流體能夠傳輸到二疊系砂巖中。

來自下伏石炭系—二疊系烴源巖或側向古近系烴源巖的有機酸和CO2溶蝕長石顆粒，長石顆粒局部蝕變而成的自生高嶺石（圖4j）、自生高嶺石與自生石英的大量共生、具長石顆粒形態的高嶺石集合體等現象（圖4b），均說明長石顆粒溶蝕產物的原地沉淀普遍發生。與自生高嶺石共生的鐵白云石礦物成因受有機酸脫羧作用影響明顯，說明部分自生高嶺石確為源巖生酸溶蝕長石的產物。

3.2.3 儲層成巖演化過程

在儲層巖石學及儲集特征、成巖作用類型與特征、同位素及流體包裹體等研究的基礎上，將包裹體均一溫度及碳酸鹽形成溫度投射到埋藏史—熱史圖中，結合構造演化過程，明確了二疊系儲層石英及碳酸鹽膠結物形成時間，恢復了二疊系砂巖儲層成巖演化過程。以官古1601井為例（圖12）。

（1） 二疊系沉積后，持續埋藏至三疊紀中期，下伏烴源巖最大埋深達3 000 m，地層溫度約100 ℃，有機質熱演化生少量酸性物質，此階段壓實作用強烈，粒間體積急劇縮小，孔隙度降低，為早成巖階段。據方解石形成溫度（43.8 ℃～67.7 ℃）可知早期碳酸鹽膠結物形成于此階段。（2）三疊紀中晚期，印支運動導致二疊系不均勻抬升，部分地層暴露地表遭受強烈剝蝕，大氣淡水入侵上石盒子組砂巖，發生開放體系下的長石溶蝕作用。（3）侏羅紀早期，地層二次沉降階段埋深超過初次埋藏，煤系源巖地層溫度最高達140 ℃，持續生成酸性流體，發生相對封閉體系下的長石溶蝕作用，并沉淀自生高嶺石及第一期石英加大邊（鹽水包裹體均一溫度介于100 ℃～125 ℃）。鏡下常見自形（鐵）白云石與高嶺石共生，鐵白云石中鹽水包裹體均一溫度（90 ℃～122 ℃）表明晚期碳酸鹽膠結物于此時期發生沉淀。煤系源巖生、排烴，注入二疊系儲層。（4）白堊紀末期，燕山運動致地層差異性抬升但未暴露地表，缺乏大氣淡水淋濾作用，且煤系源巖停止生酸、生烴，溶蝕作用停滯。（5）自古近系起，地層整體沉降迅速埋藏，煤系源巖持續生成有機酸及CO2，發生封閉體系下的長石礦物溶蝕，伴生具有顆粒形態或充填粒間的自生高嶺石集合體以及第二期石英加大邊。此過程中，煤系源巖持續生成烴類充注儲層；在新近紀，孔二段源巖生成烴類沿斷層運移至二疊系儲層。

4 優質儲層成因

4.1 優質儲層主控因素

4.1.1 巖石類型

巖石類型對儲層物性的影響，本質上分為巖石結構和成分兩方面。統計二疊系巖石粒度中值與物性的關系發現，巖石粒徑小于1 mm時，孔隙度隨粒徑增加而增大（圖13a），這是由于沉積物粒度較細時，泥質含量相對較高，分選較差，后期抗壓實能力較弱；滲透率與粒徑無明顯相關關系（圖13b），則是深埋期溶蝕作用導致孔隙再分配的結果。

研究區二疊系儲層巖石以石英顆粒為主，其次為長石及石英巖、英安巖等巖屑，剛性顆粒含量極高。剛性顆粒含量高的砂體埋藏過程中抗壓實能力強，經歷相同埋深時能夠保存較多的孔隙，也能為侵蝕性流體的進入提供優勢通道[18]。

4.1.2 溶蝕作用

1） 開放體系大氣水淋濾改善物性

開放成巖體系下，大氣淡水促進淺層地表巖石中長石等礦物的大量溶解，釋放的K+、Al3+和SiO2（aq）等產物被及時帶離溶蝕區[13，19?20]。攜帶溶蝕產物（Al3+和SiO2）的地質流體沿傾斜砂巖層向下傾方向運移，并在適當條件下沉淀為自生高嶺石、自生石英。自上游至下游依次發育溶解帶、過渡帶、沉淀帶，其中溶解帶形成大量長石溶孔—微量黏土礦物—微量硅質膠結物的礦物組合，過渡帶形成大量長石溶孔—大量黏土礦物—微量硅質膠結物的礦物組合，沉淀帶形成大量長石溶孔—大量黏土礦物—大量硅質膠結物的礦物組合[13]。

2） 封閉體系源巖生酸溶蝕調配孔隙

封閉條件下單位體積鉀長石溶蝕作用的相對增孔率介于11.91%～14.47%，溶蝕后的儲層弱增孔，但自生高嶺石阻塞了原有孔隙，滲透率隨之降低[21]。封閉體系下的長石溶蝕作用，實際是成巖物質的再分配作用，將部分原生孔和次生孔隙轉換為高嶺石晶間微孔。溶蝕形成的粒內溶孔相比粒間原生孔隙具有更強的抗壓實效應，此外伴生的硅質膠結作用增強巖石抗壓性，而自生高嶺石晶片的交叉支撐作用也承擔了一部分應力，因此埋藏溶蝕過程有利于儲層后期埋藏過程中的孔隙保存[21]。

4.1.3 烴類充注

王官屯、烏馬營地區二疊系儲層分別于白堊紀和古近系至今發生兩期大規模烴類充注[4?5，22]。對黃驊坳陷王官屯地區不同含油性砂巖樣品的碳酸鹽膠結物含量及儲層物性的統計關系表明，油氣飽和度與碳酸鹽膠結物含量存在明顯的負相關關系（圖14a），與儲層物性則存在正相關關系（圖14b）。晚期碳酸鹽膠結作用發生在第一次烴類充注之后，可知初次油氣充注在一定程度上抑制了晚期碳酸鹽膠結物的發育。

另外，王官屯地區深埋藏干層/水層中（官88-18 井，4 039.8 m）石英顆粒Al 含量介于0.002%～0.046%，石英膠結物中Al含量介于0.038%～0.103%（圖5c），部分與顆粒含量重合，說明其物質來源除長石溶蝕外，部分為石英壓溶作用的貢獻；而深層油氣層中（營古1井，4 871.0 m）石英顆粒中Al含量介于0～0.02%；石英膠結物中Al含量介于0.074%～0.235%（圖5b），均明顯高于顆粒，說明石英膠結物以長石溶蝕為主要物質來源，缺乏壓溶成因自生石英。這說明油氣充注在一定程度上抑制了硅質膠結物的發育，有利于儲層孔隙的有效保存。

4.2 優質儲層成因模式

大港探區南部二疊系經歷多期次抬升—埋藏過程，在儲層成巖演化和主控因素綜合分析的基礎上，建立了優質儲層成因模式（圖15）。二疊系辮狀河道砂體逐漸沉積，包括大量成分成熟度較高的中、粗砂巖及含礫砂巖等，埋藏過程中形成了區域上廣泛分布的厚層砂巖，構成優質儲層形成的物質基礎。印支期第一次隆升階段，上石盒子組砂巖出露地表遭受大氣淡水淋濾，大量溶蝕產物隨流水沿傾斜砂巖層向斜下方運移，自山頂注水區向下依次形成溶蝕帶、過渡帶和沉淀帶，此過程有效增加儲層物性，是優質儲層形成的關鍵。喜山期構造沉降階段，地層發生反轉，取樣位置（官古1601井、烏深1井等）所處的斜坡區相對抬升，形成現今潛山的頂部，而先前的注水區溶蝕帶，則處于現今潛山的斜坡區。封閉體系下的長石溶蝕作用，伴隨大量溶蝕產物的原地沉淀，調配儲層孔隙，降低儲層滲透率。因此，南區整體表現出的強長石溶蝕—強高嶺石膠結—弱石英膠結礦物組合是大氣水淋濾和深部溶蝕共同作用的產物。綜上，早期暴露剝蝕開放成巖體系下發生礦物溶蝕增孔作用，埋藏條件下封閉成巖體系中，溶蝕作用伴隨自生高嶺石和自生石英的原地沉淀，溶蝕作用將原生孔隙向次生孔隙和高嶺石晶間孔進行調配，儲集空間增加有限。研究區最優質儲層現今處于潛山斜坡區，這為后續潛山勘探指明了方向。

5 結論

（1） 大港南區二疊系優質砂巖儲層成分成熟度高、結構成熟度較高，儲集空間以次生粒間孔及高嶺石晶間微孔為主，儲層現今主要處于中成巖B期，成巖作用包括壓實作用、多期溶蝕作用、自生高嶺石、自生石英及碳酸鹽膠結作用等。

（2） 開放體系下，長石溶蝕作用增孔，副產物隨水流走；封閉體系下，長石溶蝕作用調配孔隙，副產物原地沉淀。多期次構造疊合控制下，儲層成巖演化經歷如下過程：初次埋藏過程中的壓實及早期碳酸鹽膠結作用；初次抬升期的開放體系大氣淡水淋濾溶蝕增孔作用；埋藏過程中封閉體系下烴源巖生酸溶蝕調配作用，自生石英、高嶺石膠結作用；以及后期深埋階段的壓實作用與晚期碳酸鹽、石英等膠結作用。

（3） 優質儲層的發育受多種因素控制，高成熟度的中粗砂巖是優質儲層形成的物質基礎，早期地層抬升剝蝕導致的大氣淡水淋濾作用形成大量次生孔隙是優質儲層發育的關鍵，晚期地層深埋調配孔隙抑制壓實作用，早期烴類充注抑制膠結作用有利于次生孔隙的保存。

（4）早期地層抬升，大氣水淋濾作用致使自潛山頂部向翼部依次發育溶解帶、過渡帶與沉淀帶。其中早期溶蝕區儲層經歷構造反轉，現位于深部潛山斜坡帶，可作為下步勘探的方向。