孙 琪, 谭成仟, 窦 煜, 李昊东, 何 川

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院, 西安 710065; 2.中石油大港油田分公司勘探开发研究院, 天津 300280)

随着油气理论与勘探技术不断进步及对能源需求的不断增加, 致密油气等非常规油气勘探开发研究工作也在不断发展。中国作为致密油气富集大国, 致密油具有资源丰富、开采潜力大等特点。截至2020年底已在塔里木、鄂尔多斯、渤海湾等多个盆地完成致密油气资源勘探与开发研究工作[1-6]。另一方面，中国致密油气也存在埋深大、储层物性差, 资源劣质化, 低渗-特低渗等致密储层在油气资源占比较高等缺点[7], 但在普遍低孔低渗的致密储层中也存在孔隙度为10%～20%、渗透率在1 mD以上的优质储层。故而开展中深层优质致密储层形成机理研究成为了油气勘探最重要的一部分。而沧东凹陷作为黄骅凹陷富油区[8-9], 其致密油具有极强的代表性, 开展研究工作不仅能够指导该地区致密油开发, 同时也对相似区块提供借鉴与指导, 因此是致密油勘探开发的主战场。

南皮斜坡作为沧东凹陷三大斜坡之一, 烃源岩广泛发育, 有机质含量高, 同时具备良好储油环境, 因此具有极高勘探开发潜力。前人主要针对南皮斜坡油气分布规律、成藏模式以及沉积特征开展了大量的研究工作, 周立宏等[10]认为南皮斜坡的成藏模式为近源充注、继承性断裂网状沟通; 李宏军等[11]研究认为南皮斜坡常规砂岩油藏、低孔低渗岩性油藏和靠近湖盆中心的致密油藏依次分布, 叠合成片。但前人研究成果缺乏对南皮斜坡优势储层形成机理研究, 使得对该地区的储层形成机理尚不明确。因此，本文在扫描电镜、铸体薄片及压汞资料收集、整理基础上, 开展南皮斜坡孔二段致密油沉积、成岩及其与储层物性关系分析, 进而总结出储层发育机理, 从而为南皮斜坡优质致密储层勘探开发提供理论依据, 同时也对相邻沉积环境致密性油气藏开发以一定参考价值。

1 研究区地质特征

1.1 构造特征

沧东凹陷是位于黄骅凹陷中碟状凹陷型湖盆[12-13], 构造活动频繁但总体较弱, 致使凹陷构造特征复杂, 呈现出孔东斜坡、孔西斜坡、孔店组构造带、舍女寺断鼻及南皮斜坡等构造[14]。南皮斜坡作为沧东凹陷重要次级构造单元, 构造条件优越, 夹在沧县与徐西两断裂带之间[14-15], 位于沧东凹陷的西南端, 东光凸起北部, 呈北东向展布。受东西向断层切割形成一系列断鼻构造, 西侧发育较深沟道, 为南部物源提供了有利通道, 呈现出东深西浅的特征, 是一个不对称地堑构造。

1.2 沉积地层特征

图1 南皮斜坡孔二段沉积构造图

图2 南皮斜坡孔店组综合柱状图

2 储层特征

岩石类型及微观孔隙结构对致密油储层勘探开发起到限制作用[17]。本文通过扫描电镜、铸体薄片、恒速压汞等对致密砂岩储层岩石类型以及孔隙结构等进行分析研究, 精细刻画致密砂岩储层相关参数。

2.1 岩性特征

分析整理了研究区9口井151个样品岩性资料及薄片数据，主要特征：岩性主要为中细砂岩, 粉砂岩次之; 粒径在0.04～0.24 mm, 砂体颗粒分选中—差, 磨圆度大多为次尖—次圆状, 颗粒接触关系呈点线及短线接触; 长石砂岩和岩屑长石砂岩为主要岩石类型, 碎屑岩颗粒中石英含量相对较高, 长石含量次之。石英颗粒含量在25%～75%, 平均为50%; 长石矿物类型主要为钾长石和钠长石, 含量在25%～75%, 平均为38%; 岩屑类型主要以酸性喷出岩为主, 含有较多石英砂岩, 含量平均在12%。研究区黏土矿物主要为高岭土、绿泥石与伊利石, 平均含量为7.5%。岩石成分成熟度主要在68%～185%, 平均为110%, 成熟度较高(图3)。

图3 砂岩类型三角图

2.2 物性特征

2.2.1 孔隙类型 通过铸体薄片观察孔隙类型, 发现溶蚀孔占主要, 残余原生孔、铸膜孔、裂缝等较为次要(图4)。其中溶蚀孔以长石粒内溶孔及粒间溶孔为主, 偶见岩屑粒内溶孔, 孔隙呈现出圆形及不规则状; 残余原生孔主要为被石英次生加大及碳酸盐等胶结物充填后遗留形态不规则孔隙, 除此之外, 半包裹颗粒的黏土薄膜也产生部分残余粒间孔。薄片观察下, 微裂缝略发育, 主要包括成岩及构造微裂缝, 它们的存在为油气运移提供了空间, 对致密砂岩储集性能有一定改善。

图4 南皮斜坡孔二段孔隙特征

2.2.2 孔隙结构 对南皮斜坡孔二段不同深度段样品物性资料分析, 结果表明研究区孔隙度在5%～18%, 平均为10%, 渗透率在0.1～10 mD, 平均为0.8 mD, 其中致密砂岩储层孔隙度及渗透率分别为<10%、<1 mD, 在研究区占比最大; 其次为孔隙度在10%～15%, 渗透率在1～10 mD的低孔特低渗储层[18]。恒速压汞测试发现, 喉道半径分布在0.5～6 μm, 分布范围大, 且主要集中在0.5～2.1 μm, 孔隙半径在150～280 μm, 孔隙结构为大中孔-中细喉型; 对不同深度段压汞测试数据进行分析, 研究区在进退汞散点图上表现为排驱压力小, 大约为0.21 MPa, 最大进汞饱和度介于60.1%～71.3%, 进汞曲线平缓段长且缓, 相同的退汞量, 退汞时间短, 退汞效率大(图5)。相对高质量的吼道增强了储层渗透率, 提高致密油气的渗流水平, 利于酸性流体运移, 为溶蚀作用提供优越条件, 促进次生溶蚀孔形成, 从而提高致密砂岩储层质量。

图5 南皮斜坡孔二段常规压汞曲线

2.2.3 孔喉半径与孔渗关系 基于恒速压汞技术, 分析孔喉半径与渗透率相关关系, 发现渗透率受孔隙半径中值影响并不明显, 孔隙半径均值在渗透率逐渐增大的情况下无显著变化, 说明不同孔渗样品, 其孔隙半径无太大区别; 而平均喉道半径对渗透率影响胜过孔隙半径均值对其影响, 且影响相对更加显著(图6)。喉道分布范围越宽, 小喉道含量减少, 大喉道增多, 渗透率越大, 且大喉道对渗透率影响更加明显。由此可见, 喉道大小及分布对南皮斜坡孔二段渗流水平有着重要影响。

图6 南皮斜坡孔二段孔渗透率与平均孔隙半径(a)、平均喉道半径(b)关系

通过对沧东凹陷孔二段8口井268个样品深度和孔隙度关系分析发现, 在纵向上, 随着埋藏深度加深, 孔隙度在不断减少, 埋藏深度每加深1 000 m,孔隙度降低8%～1%(图7)。对南皮斜坡孔二段7口井111个样品孔渗关系进行分析, 研究区孔隙度和渗透率存在着正相关关系(图8)。

图8 南皮斜坡孔二段孔渗关系

3 优质储层因素分析及形成机理

优质储层是指广泛低孔、低渗致密储层中, 物性较好储层。前人认为，优势储层主要受沉积、构造以及成岩作用影响, 是某种因素占主导, 其他因素共同作用的结果[3-6,19-21]。在沧东凹陷孔二段孔隙度与深度关系图中(图7), 随着埋藏深度增加, 存在3个异常高孔带和孔隙度低值区。异常高孔带的存在可能与该深度段分选较好、颗粒粒度较粗、溶蚀作用较强、次生孔隙较多有关, 同时, 黏土薄膜发育抑制了石英次生加大, 保护了原生孔隙和次生孔隙, 从而导致储层物性增强; 孔隙度低值区的存在可能是因为此深度段的细粒泥质含量较多, 在压实作用和胶结作用下, 孔隙度减少, 物性降低。因此，本文通过沉积条件与成岩作用来剖析其对储层物性的影响。

图7 沧东凹陷孔二段孔隙度与深度的关系

3.1 沉积微相提供发育条件

南皮斜坡孔二段主要发育辫状河水下分流河道、河口坝及席状砂, 不同沉积微相其水动力条件与沉积作用不同, 岩石成分、分选好坏、泥质杂基含量以及粒径有所差异, 从而造成储层物性差异性。

3.1.1 岩石成分 岩石成分对储层物性及成岩作用起着决定性作用, 不同岩石成分其物理与化学性质存在差异。石英、长石矿物及酸性喷出岩抗压能力较强, 力学性质比较稳定, 在压应力作用下, 不易发生变形, 利于孔隙保存；云母质和泥质矿物抗压能力较弱, 在外压力作用下, 粒间孔隙容易被破坏。南皮斜坡孔二段石英含量较高, 储层抗压能力较强, 岩屑及长石在一定程度上为溶蚀作用提供了物质基础。

3.1.2 分选、粒度以及泥质含量 通过对研究区7口井129个样品分析, 发现砂体分选系数与储层孔隙度呈反比(图9a), 孔隙度随着分选系数增加逐渐减小, 这是因为在不同水动力条件下, 砂体搬运距离不同, 随着砂体搬运距离越来越远, 颗粒大小越均匀, 磨圆度越好, 砂体分选越好, 在受到压实作用后, 颗粒之间不容易被压实, 孔隙度不易受影响。而孔隙度和颗粒粒径呈正相关关系(图9b)，可能为在外部影响因素相同条件下，颗粒粒径增大，原生粒间孔孔隙度相对较大导致，因而粒度粗的储集层物性一般比粒度较细的储集层物性好。

图9 孔隙度与分选系数(a)、粒径(b)的关系

从图10可知，随着细粒泥质含量增多, 储层物性在不断降低, 这是由于泥质含量越大, 储层在受到压实作用后，容易使喉道堵塞，原生孔隙减少，致使储层物性较差。

图10 泥质含量与孔隙度(a)、渗透率(b)关系

从表1可知: 南皮斜坡孔二段辫状河水下分流河道, 孔隙度在8%～18%, 渗透率平均为1.2 mD, 孔渗发育好, 储集性能最好, 这与水下分流河道水动力较强, 主要为中-细砂岩, 砂体粒度较粗, 厚度最大, 泥质填隙物较少, 同时石英含量高, 不易于被压实, 对原生孔具有一定的保护作用有关; 其次为河口坝, 孔隙度在6%～12%, 渗透率约为0.5 mD, 这是因为颗粒分选较好, 石英含量相对较多, 砂岩颗粒粒度相对较粗, 储层抗压能力相对较强; 席状砂, 粒度主要为粉砂级和泥级, 孔隙度在5%～10%, 渗透率约为0.1 mD, 储集性能最差, 这与席状砂水动力相对较弱, 分选差, 石英含量相对较低, 细粒泥质含量高, 从而压实作用相对较强, 堵塞了酸性流体部分运移路径, 溶蚀作用相对较弱, 物性降低有关。

表1 不同沉积微相下的物性

3.2 成岩抑制及改良优势储层物性

成岩作用分析在优势储层形成机理研究中有着决定性作用, 南皮斜坡孔二段主要经历了早成岩B亚期—中成岩A1亚期演化阶段[22], 主要以压实、胶结及溶蚀作用为主, 黏土薄膜较为发育, 同时也有微裂缝存在(图4、图11)。

图11 南皮斜坡孔二段成岩作用

3.2.1 早期压实致使储层低孔低渗 通过对薄片观察发现，南皮斜坡孔二段主要为点线接触, 短线接触, 压实作用中等(图4)。成岩早期强烈压实作用致使颗粒接触较为紧密, 原生孔隙大量损失, 渗透率随着压实率增加而减小, 研究区储层呈现低孔、低渗的特点。压实率<0.7时, 渗透率相对较高, 大约在0.6 mD以上; 压实率>0.7时, 渗透率相对较低, 介于0.01～0.1 mD(图12a), 孔隙度减少率上文已描述。成岩中期, 南皮斜坡石英含量整体较高, 抗压性较大, 在深埋情况下, 有利于原生连通孔隙, 次生溶蚀孔保存, 渗透率整体较高。

3.2.2 溶蚀作用改善储集性能 次生溶蚀孔在研究区中深层储层普遍发育, 以长石溶蚀形成的次生孔隙最为常见, 其次为岩屑溶蚀孔, 这是由于有机质成熟产生有机酸流体沿着微裂缝及节理流动, 促使长石、中基性火山岩岩屑等发生溶蚀。从铸体薄片观察, 可见蜂窝状粒内溶孔及近圆状粒间溶蚀孔(图4)。为排除研究区孔隙度受埋深压实等作用影响, 通过对同一层位、同一深度段、同一套砂体w12井溶蚀率与孔隙度关系分析发现, 孔隙度随着溶蚀作用增大而增大(图12b), 溶蚀率在15%时, 孔隙度较高, 受溶蚀作用的影响, 孔隙增加率在0.37%～0.43%。由此可知, 研究区溶蚀作用在储层物性中发挥重要作用。

图12 成岩作用与孔渗的关系

3.2.3 胶结作用抑制孔渗发育 除压实和溶蚀作用外, 胶结作用也是储层物性变化的重要作用, 主要有碳酸盐胶结、硅质胶结与黏土矿物胶结(图13)。由于南皮斜坡石英含量相对较高, 故硅质胶结较为常见, 主要表现为石英次生加大边堵塞喉道, 导致渗透率下降, 降低南皮斜坡储层物性, 但部分早期石英加大边抑制了压实作用; 碳酸盐胶结以方解石胶结为主, 除此之外还有铁白云石等。铸体薄片下观察, 原生孔隙呈棱状形态或成连晶式胶结, 薄片粒间孔隙呈红色, 这是中基性火山岩岩屑在有机酸溶蚀的作用下产生Mg2+、Fe2+、Ca2+，与碱性环境下发生化学反应的产物充填在原生孔隙之间的体现。如图12c, 在同一埋深条件下, 储层孔隙度随着碳酸盐胶结物的增多而变差，当碳酸盐胶结物含量小于6%时, 储层孔隙度相对较高；而当胶结物含量大于6%时, 孔隙度相对较小, 孔隙度减少率约为0.4%。除此之外, 部分自生黏土矿物填充砂岩颗粒之间, 发生孔隙充填, 堵塞孔隙与喉道, 致密砂岩储层物性遭到破坏(图13)。

3.2.4 黏土薄膜对孔渗影响 通过系统薄片观察, 结果表明研究区黏土薄膜的发育主要有原始沉积和成岩后生两种类型(图13)。原始沉积黏土薄膜连续性较好, 为伊利石膜和绿泥石膜, 围绕的矿物颗粒很少发生溶蚀, 这种黏土薄膜多形成于淡水—半咸水环境下, 可有效阻止存在于原生孔隙与次生孔隙的SiO2流体结晶, 抑制了石英的次生加大, 保护致密砂岩的原生孔隙及次生溶蚀孔, 从而保护致密储层的物性; 而重新活化未固结的砂岩其黏土薄膜可能遭受破坏, 多为断续性黏土薄膜, 仅保留颗粒接触处的黏土薄膜, 在黏土薄膜破坏处可看到石英发生次生加大, 孔隙度物性降低。后生黏土薄膜多为伊利石黏土膜或绿泥石膜, 为孔隙衬垫式存在, 矿物颗粒溶蚀后形成黏土膜或全部溶蚀仅剩下黏土膜。

图13 南皮斜坡孔二段黏土薄膜形式及作用

通过对铸体薄片系统性观察, 建立该区建设性及破坏性成岩演化模式(图14、图15)。研究区压实作用使碎屑岩颗粒间孔隙变小, 碳酸盐胶结作用堵塞了部分次生溶蚀孔和原生孔隙, 使储层物性变差; 中基性火山岩岩屑及长石溶蚀发生强烈溶蚀作用, 产生次生溶蚀孔, 增强储层物性, 同时石英颗粒的存在, 在一定程度上增加储层抗压性, 为中深层酸性流体流动提供了空间, 利于次生溶蚀孔发育; 黏土薄膜包裹在岩石颗粒外围, 保护石英次生加大, 使得原生孔隙得以保存; 微裂缝发育为酸性流体发育提供了通道, 有利于溶蚀作用发生[23]。

图14 南皮斜坡破坏性成岩演化模式

图15 南皮斜坡建设性成岩演化模式

综上所述, 沉积与成岩作用是形成南皮斜坡孔二段致密砂岩优质储层重要因素, 优势沉积相决定了研究区砂体有利展布特征, 为优势储层发育提供条件, 成岩作用对后期储层物性有着重要影响。研究区水下分流河道在水动力作用下, 砂体分选较好,粒径相对较粗, 泥质填隙物较少, 砂体较厚, 孔渗关系最好, 为最优储层; 较高石英含量增强了致密砂岩储层的抗压性, 保留了较多原生孔隙, 中成岩时期有机质释放出来有机酸在异常压力的作用下, 沿着裂缝与断裂带不断发生运移, 使得中深层中基性火山岩岩屑以及长石颗粒发生强烈的溶蚀作用, 产生了大量的次生溶蚀孔, 同时产生自生高岭石的原生孔隙, 储层孔隙度有所改良, 大大增强了储层储集性能。同时研究区适量的绿泥石黏土薄膜与伊利石黏土薄膜的存在, 抑制了石英次生加大, 保护了原生孔隙与次生溶蚀孔, 增强了储层物性。但研究区早期压实作用与胶结作用对致密砂岩储层起到了破坏作用, 同时细粒物质的存在也在一定程度上堵塞了喉道, 促使致密储层物性降低。

4 结 论

(1)研究区中细砂岩占比最大, 粉砂岩次之; 砂体颗粒分选中差, 呈点线接触、短线接触关系; 长石砂岩和岩屑长石砂岩为其主要岩石类型, 碎屑岩石英颗粒含量高, 长石次之, 成分成熟度相对较高, 较高的长石含量为后期溶蚀次生孔奠定了物质基础。

(2)研究区孔隙度平均为10%, 渗透率平均为0.8 mD, 其中致密砂岩储层占比最大, 其次为低孔特低渗储层, 但也存在异常高值区。溶蚀孔为主要孔隙类型, 其次为残余原生孔、铸膜孔、裂缝等, 孔隙结构为大中孔中细喉型, 其中喉道半径对渗透率影响显著。在不同水动力条件下, 岩石成分、分选好坏、泥质杂基含量以及粒径有所差异, 造成储层物性有一定的差异。

(3)研究区优势储层主要受沉积和成岩的双重控制, 水下分流河道为研究区优势相, 为优势储层的发育提供了条件, 成岩早期压实作用导致储层的低孔、低渗性, 胶结作用的发生堵塞部分喉道; 中成岩时期较高的石英含量增强了储层抗压性, 为酸性流体的流动提供了运移通道, 后期成岩时期较强溶蚀作用和黏土薄膜大大改良了致密砂岩储层。