2019, Vol. 37扩展功能
文章信息
- 侯云超, 樊太亮, 王宏语, 史大海, 陈清棠, 杨润泽
- HOU YunChao, FAN TaiLiang, WANG HongYu, SHI DaHai, CHEN QingTang, YANG RunZe
- 银额盆地拐子湖凹陷深层优质储层特征及形成机理
- Characteristics and Formation Mechanism of a High-quality Reservoir in the Deep Strata of the Guaizihu Depression, Yin-E Basin
- 沉积学报, 2019, 37(4): 758-767
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(4): 758-767
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.167
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文章历史
- 收稿日期：2018-07-23
- 收修改稿日期: 2018-09-16
2. 中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室, 北京 100083;
3. 中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院, 河南濮阳 457001;
4. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
2. Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism of the Ministry of Education, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
3. Research Institute of Exploration and Development, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Puyang, Henan 457001, China;
4. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
随着浅层勘探程度的不断提高，国内外逐渐把油气勘探的目标转向盆地更深的部位[1-3]。深层碎屑岩储层（埋深大于3 000 m）的孔、渗条件是控制油气的重要因素，随着储层的埋深加大，碎屑岩储层物性一般逐渐变差，因此寻找深层相对优质储层、加强深层储层的研究对于深层油气勘探具有十分重要的意义[4-7]。
银额盆地拐子湖凹陷的前期勘探程度较低，2016年完钻的拐参1井在埋深超过3 400 m的巴音戈壁组进行了测试，获得高产油流，证实了该区深层储层具有良好的勘探潜力。本文利用最新的勘探成果和地质资料，以拐参1井巴音戈壁组深水重力流沉积砂体为例，通过普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、压汞和物性分析等测试分析手段，对研究区深层储层特征及优质储层形成机理进行深入分析，为拐子湖凹陷白垩系中深层储层油气勘探提供科学依据。
1 地质背景银额盆地位于内蒙古自治区西部，地理上东以狼山、哈拉乌山为界，西临北山，南抵北大山和雅布赖山，北至中蒙边境及洪格尔吉山、蒙根乌拉山；盆地东西长约600 km，南北宽75~255 km，面积约12.3× 104 km2。拐子湖凹陷位于达古坳陷北部，其东、西部分别为苏红图坳陷和务桃亥坳陷，南部为宗乃山隆起，北邻红格尔吉山。凹陷整体呈北东—南西走向，平面上自东向西分别为拐东凸起、断控陡坡带、洼陷带、西部斜坡带和务东凸起，纵向上由下部断陷层和上部坳陷层构成，拐参1井位于拐子湖凹陷的西部斜坡带（图 1）。
拐子湖凹陷自下而上划分为下白垩统的巴音戈壁组（K1b）、苏红图组（K1s）、银根组（K1y）和上白垩统的乌兰苏海组（K2w）以及新生界，其中巴音戈壁组和苏红图组均进一步分为2段（图 1）。根据地震解释与钻井资料，拐子湖凹陷经历多个构造演化阶段。巴音戈壁组至苏红图组沉积早期为断陷期，其中巴音戈壁组沉积于断陷早期，边界断层活动相对较弱，苏一段处于湖盆的快速断陷期，边界断层活动性强；苏二段至银根组沉积于断拗转换期，该时期边界断层活动性逐渐减弱，地层展布范围不断扩大；乌兰苏海组沉积于拗陷期，地层厚度横向展布稳定，乌兰苏海末期，受喜山运动影响，伸展作用停止，整个银额盆地发生挤压反转形成区域不整合[9]；新生代以来，拐子湖凹陷再次进入缓慢热沉降阶段并接受沉积。
巴一段（K1b1）沉积期气候湿润[10]，湖盆处于欠补偿状态，是拐子湖凹陷的主力烃源岩发育期，岩性以灰黑色泥岩为主，东部陡坡带发育近岸水下扇，凹陷西部斜坡浅水区发育有小规模的扇三角洲；巴一段晚期至巴二段（K1b2）沉积期，边界断层进一步活动，断陷西部翘倾抬升，地貌差异增大，盆缘粗粒扇三角洲前缘发生垮塌及再搬运并在斜坡至洼陷区发育一定规模的重力流沉积体。本文重点研究的这套砂体沉积于半深湖—深湖相暗色泥岩之中，岩性主要为粗粒砂岩、含砾砂岩和砂砾岩，常见块状层理、粒序层理和岩性突变面，自然伽马（GR）曲线与电阻率（LLD）曲线表现为顶底突变的箱形特征，属于西部扇三角洲前缘再搬运并沉积于斜坡区的一套重力流沉积体（图 2）。由于紧邻洼陷生油中心，该砂体成藏条件优越，勘探潜力大（图 1）。
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| 图 2 拐子湖凹陷巴音戈壁组重力流沉积特征（Gc1井） Fig.2 Sedimentary characteristics of gravity flow in the Bayingebi Formation of the Guaizihu Depression(Well Gc1) |
拐参1井31块样品的薄片鉴定表明，砂岩类型主要为长石岩屑砂岩，见少量岩屑长石砂岩（图 3，4）。碎屑组分主要为石英（Q）、长石（F）和岩屑（R），岩石中石英含量34%~58%，平均44.3%；长石含量15%~ 30%，平均22.1%；岩屑含量19%~45%，平均33.6%，以变质岩和火山岩岩屑为主，火山岩岩屑含量1%~ 6%，平均3.0%，变质岩岩屑含量15%~42%，平均29.1%；填隙物包括杂基和胶结物，杂基以泥质为主，平均含量为4.8%，胶结物以碳酸盐为主，平均含量为4.7%，其中方解石（包括含铁方解石）胶结物含量1%~14%，平均2.1%，白云石（包括含铁白云石）胶结物含量1%~15%，平均3.3%，可见少量黄铁矿，胶结类型主要为孔隙式胶结。成分成熟度较低，指数Q/（F+R）值为0.52~1.38，平均值为0.82。
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| 图 3 巴音戈壁组储层岩石组分三角图 Fig.3 Ternary diagram showing the framework grain composition of the reservoir in the Bayingebi Formation |
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| 图 4 拐子湖凹陷巴音戈壁组储层岩石薄片照片 a.粗粒长石岩屑砂岩，3 427.97 m；b.见大量砾石颗粒，砾石成分主要为石英、石英岩岩屑与长石，3 446.74 m；c.不等粒长石岩屑砂岩，方解石胶结，3 427.15 m；d.中粒长石岩屑砂岩，3 442.84 m Fig.4 Rock thin section micro photos from the reservoir in the Bayingebi Formation of the Guaizihu Depression |
砂岩粒径主要0.13~1.00 mm，多呈粗—中粒砂状结构，碎屑颗粒呈棱角—次棱角状，以点—线接触为主，部分线接触，长石风化程度浅—中等（图 4）。粒度分析表明，粒度均值145.79~752.62 μm，平均488.35 μm，粒度中值165.76~792.18 μm，平均497.75 μm，正偏态，表明沉积物以粗组分为主；分选系数1.50~3.92，平均2.27，标准偏差0.55~1.57，平均为1.09，表明储层的分选性中等。总体上，拐参1井巴音戈壁组重力流沉积体表现为粒度粗、分选中等的特征。
2.2 储层物性通过对巴音戈壁组122个样品实测物性分析，结果表明主要为低孔、特低渗储层。孔隙度为1.8%~ 16.7%，平均为11.4%，其中孔隙度主要介于10%~ 15%，占分析样品的52%，大于15%的样品占17%；渗透率范围（0.046~91.6）×10-3μm2，平均6.093×10-3μm2，其中渗透率介于（0.1~1）×10-3 μm2的占44%，大于1× 10-3 μm2的占52%（图 5）。统计数据显示，储层的孔隙度和渗透率相关性较好，表明储层的渗滤通道主要受控于孔隙，属于孔隙型储层。
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| 图 5 拐子湖凹陷巴音戈壁组储层物性特征 Fig.5 Reservoir property characteristics in the Bayingebi Formation of the Guaizihu Depression |
拐参1井巴一段深层碎屑岩储层储集空间主要为原生孔隙与次生孔隙，可见少量微裂缝（图 6）。原生孔隙包括剩余粒间孔、杂基间微孔，次生孔隙包括粒内溶孔、粒间溶孔和铸模孔。次生孔隙以长石和不稳定岩屑溶蚀孔隙为主，也可见少量碳酸盐胶结物溶蚀孔隙。通过岩石薄片、铸体薄片、扫描电镜等分析，储集空间类型以残余粒间孔隙为主，其次为粒间溶孔和粒内溶孔，铸模孔发育相对较少。其中原生孔隙占总孔隙的14.9%~84.4%，平均46.2%，次生孔隙占总孔隙的15.6%~85.2%，平均53.8%，次生孔隙中粒间溶孔为11.6~50.7%，平均31.4%，粒内溶孔为0.8%~42.4%，平均17.6%，铸模孔为0.8%~11.1%，平均2.2%。
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| 图 6 拐子湖凹陷巴音戈壁组储层储集空间微观特征 a.发育粒间孔与少量溶蚀孔隙，连通性较差，颗粒点—线接触，可见云母受压实而发生弯曲变形，3 423.67 m；b.残余粒间孔隙，连通性好，部分岩屑或长石发生溶蚀，3 444.94 m；c.残余粒间孔隙与粒间溶蚀孔隙发育，连通性好；3 434.11 m；d.次生石英晶体及钠长石晶体充填于粒间孔隙，晶间孔隙发育，3 443.99 m；e.粒内与粒间溶蚀孔隙非常发育，连通性较差，3 428.67 m；f.长石颗粒被溶蚀形成次生溶蚀孔隙，片丝状伊利石充填于粒间孔隙，3 444.54 m；g.粒间孔与粒内溶孔发育，可见铸模孔，连通性较好，可见粒内微裂隙，3 428.67 m；h.石英次生加大趋于自形，粒间孔缝发育，3 446.39 m；i.残余粒间孔与微裂缝，3 422.72 m Fig.6 Microscopic characteristics of pore spaces in the Bayingebi Formation of the Guaizihu Depression |
通过对3 420~3 451 m层段38块样品常规压汞资料及对应的储层物性分析，根据孔喉大小、排驱压力与饱和度中值压力大小、孔渗特征等参数，将拐子湖凹陷巴音戈壁组深层储集层孔隙结构从好到差分为5类（图 7）。Ⅰ类：高孔、大—中喉型，该类曲线常对应于孔、渗较好的储集层（平均孔隙度13.0%，平均渗透率14.25×10-3 μm2），排驱压力低于0.5 MPa，饱和度中值压力低于0.9 MPa，最大进汞饱和度在82.3%以上，曲线粗歪度，喉道分选较好（平均喉道分选系数2.94），平均孔隙喉道半径在5.79~11.95 μm。喉道以中、粗喉道为主，孔渗性能好。Ⅱ类：中—高孔细喉型，该类曲线见于孔、渗相对较差的储集层（平均孔隙度9.4%，平均渗透率0.881×10-3 μm2），排驱压力在0.01~0.2 MPa，平均饱和度中值压力1.93 MPa，最大汞饱和度在82.4%~93.6%，喉道分选性中等（平均喉道分选系数2.76），平均孔隙喉道半径3.74 μm，最大连通喉道半径6.53 μm，喉道类型以细、中喉道为主，孔渗性能次之。Ⅲ类：高孔细微喉型，该类曲线多对应于孔隙度较高、渗透率较低的储集层，排驱压力在0.01~0.5 MPa，饱和度中值压力1.2~5.7 MPa，最大进汞饱和度大于80%，喉道分选性中等—较好（平均喉道分选系数2.37），平均孔隙喉道半径为1.27 μm，最大连通喉道半径为5.01 μm，喉道类型以微—细喉道为主，由于孔喉比大，储层渗透性较差。Ⅳ类：小孔微喉型，该类曲线多见于孔渗明显较低的储集层，饱和度中值压力5.43~92.39 MPa，平均为36.02 MPa，最大进汞饱和度一般为54.2%~84.2%，曲线偏细歪度，喉道分选性较差（平均喉道分选系数3.58），平均孔隙喉道半径0.76 μm，最大连通喉道半径在3.37 μm，喉道类型以极细喉道为主，孔渗性能差。Ⅴ类：小—微孔微喉型，该类曲线多见于孔渗极差的储集层，饱和度中值压力大于11.5 MPa，最大进汞饱和度43.3%~70.4%，曲线偏细歪度，平均孔隙喉道半径0.22 μm，孔渗性能极差。
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| 图 7 拐子湖凹陷巴音戈壁组深层储层孔隙结构特征 a.不同储层孔隙结构的毛管压力曲线特征；b.不同储层孔隙结构类型分布特征 Fig.7 Reservoir pore structure characteristics in the Bayingebi Formation of the Guaizihu Depression |
38块样品的压汞数据统计结果表明巴音戈壁组深层碎屑岩微观孔隙结构整体以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类为主，即总体具有中高孔—中细喉道、孔喉比相对较大的特点。由于研究层段岩石类型绝大多数属于长石岩屑砂岩，孔隙结构类型与岩石类型并不存在明显的对应关系，因此岩石类型并不是控制研究区储层孔隙结构差异的主要因素。综合岩石薄片鉴定结果与不同样品深度位置特征，发现孔隙结构较差的Ⅳ类与Ⅴ类储层主要发育于厚层砂体与泥岩、泥质隔夹层过渡段或者是厚层泥岩段内薄层的砂体中，同时该类储层多具有较高的杂基和胶结物含量，从而导致储层孔隙结构以及储层物性明显变差。
3 优质储层形成机理 3.1 沉积组构对于埋深较大的碎屑岩储层，机械压实成为导致储层物性明显变差的主要原因之一，除了埋深和地层压力，影响碎屑岩机械压实作用主要有颗粒的成分、粒度分选以及泥质杂基含量等[11-14]。
薄片观察统计显示，拐子湖凹陷巴音戈壁组优质储层的刚性颗粒含量比较高，石英与长石碎屑的含量一般为53%~81%，平均含量66.4%，较高的刚性颗粒含量增加了砂岩储层的抗压性，从而对粒间孔隙的保存起到了积极作用[15-16]。研究区储层中岩屑相对含量19%~47%，平均为33.6%，岩屑对于储层的影响具有双面性：一方面岩屑相对较软，抗压能力弱，不利于孔隙保存，薄片中常见云母、岩屑等塑性颗粒受压实作用而发生弯曲变形，造成粒间孔隙的减少（图 6a）；另一方面，岩屑和长石等矿物均易发生溶蚀作用，为次生孔隙的形成提供了物质基础[17]，薄片观察也表明，研究区长石和岩屑内部的溶蚀孔隙较发育，部分颗粒甚至完全发生溶蚀而形成了铸模孔（图 6b，e，f）。
理论上讲，粒度大小对于储层的孔隙度没有影响，但研究发现，粗粒砂岩的储层物性通常要好于细粒砂岩（如粉砂岩）[18-20]。这是因为粗粒级砂岩的表面积小，颗粒之间的支撑力较大，孔喉的连通性好，而且粗粒砂岩一般沉积于水动力较强的环境，杂基含量低；相比之下细粒砂岩的孔隙小，在上覆载荷作用下颗粒发生滑动和重新排列，导致孔喉缩小，孔隙连通性变差[16]。杂基含量对储层物性的影响明显，对于杂基含量高的砂岩，杂基常堵塞孔隙喉道，使其原始储层物性比较差，加之杂基的抗压能力弱，随着后期压实作用的进行，储层孔隙度和渗透率衰减快[21]。巴音戈壁组优质储层以块状（含砾）细—中砂岩、（含砾）粗砂岩为主，岩石分选性中等，水动力条件强，粒度累计概率曲线中跳跃总体高（> 85%），泥质杂基含量低（2%~9%，平均4.8%），这些因素决定了储层具有较好的初始物性，并且为后期酸性流体进入储层形成次生孔隙提供了良好基础。
3.2 异常高压拐参1井巴音戈壁组地层存在明显的流体异常高压，超压导致的欠压实作用使得该深度段声波时差偏高（图 8），泥岩密度偏低，地层测试压力系数1.429，造成该异常高压的原因主要与厚层泥岩背景、快速埋藏作用和有机质热演化生烃的综合作用有关[22-23]。巴音戈壁组沉积期，拐子湖凹陷拐参1井区沉积了厚层湖相富有机质泥岩，泥岩累计厚度超过350 m。从K1s至K1y沉积期，拐子湖凹陷的沉降速率相对较高，尤其是苏一段（K1s1）沉积期，拐子湖凹陷的沉降速率达到最高（> 400 m/Ma）。这种快速的埋藏使巴音戈壁组泥岩在压实过程中内部流体排出受阻而滞留在孔隙中，形成欠压实现象。另外，热演化史模拟结果显示，巴音戈壁组的烃源岩在苏一沉积期已进入生烃门限（Ro=0.5%），至苏一（K1s1）沉积末期~苏二（K1s2）沉积期已进入成熟阶段（0.7%≤Ro≤1.0%），随着有机质的大量生烃，巴一段和巴二段泥岩内部压力也不断增高，进一步促进了巴音戈壁组地层超压的形成（图 9）。
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| 图 8 拐参1井声波时差、镜质体反射率与深度的关系 Fig.8 Cross plots of depth and interval transit time, vitrinite reflectance of Well Gc1 |
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| 图 9 拐参1井埋藏史与热史图 Fig.9 Burial and thermal history of Well Gc1 |
埋藏史研究表明，巴音戈壁组地层在乌兰苏海末期的构造抬升之前，其最大埋深超过4 000 m，因此地层遭受了较大的上覆地层压力（图 9）。但实测储层物性和薄片观察发现研究区现今的储层物性仍然较好，残余粒间孔隙含量较高，部分薄片中残余粒间孔隙含量甚至占到总孔隙的80%以上。大量的残余粒间孔与异常高压对储层孔隙的保存机制密切相关，由于超压的形成降低了储层垂向有效应力，延缓岩石的压实作用，可以有效保存一部分原生或次生孔隙，从而使储集层保持了较高的孔隙度[24-27]。此外，较高的地层压力常使岩石发生破裂，微裂缝的产生对储集层物性尤其是渗透率有很大改善；同时，超压可以降低颗粒间的压溶作用，在一定程度上可以抑制石英自生加大[28]。
3.3 溶蚀增孔溶蚀作用是形成次生孔隙的主要成岩过程，无论是碳酸盐还是硅酸盐，其溶蚀作用都是地层中的酸性水溶液和岩石在一定温度与压力下相互反应的结果。有机酸和碳酸是地下砂岩次生孔隙形成的重要溶剂，但有机酸对砂岩储层次生孔隙的产生起到了主要作用，其溶蚀能力更强[29-31]。拐子湖凹陷巴音戈壁组储层内溶蚀孔隙非常发育，溶蚀作用形成的次生孔隙占总孔隙的平均百分比超过了50%，发生溶蚀的主要为长石、岩屑和少量的碳酸盐胶结物，导致溶蚀作用发生的酸性流体主要与烃源岩热演化有关。有机质在埋藏演化过程中会产生大量的有机酸，75 ℃~90 ℃是短链羧酸浓度最大时期，80 ℃~120 ℃为有机酸保存的最佳温度，该温度区间的有机酸浓度达到最高峰[32-33]。通过拐参1井的埋藏史分析可知，苏一段（K1s1）时期（距今109~110 Ma），巴一段底界地层温度达到75 ℃，随着埋藏深度增加，苏二（K1s2）末期（距今104~100 Ma），巴一段底界地层温度达到120 ℃，在此期间，地层温度处于有机酸浓度最大区和有利保存区，有机质演化过程中释放大量有机酸，有机酸控制了地层水pH值并使地层水呈酸性。随着地层的持续沉降，巴一段底界地层温度在乌兰苏海组（K2w）中期（距今80 Ma）达到最大（> 170 ℃），当温度大于120 ℃时，有机酸浓度会随着温度的增加而不断降低，但有机酸的脱羧基作用可以形成CO2，溶于水形成碳酸，含碳酸水溶液进入储层以后，也可以导致部分酸溶性组分溶解而形成次生孔隙。乌兰苏海组（K2w）沉积末期，拐子湖凹陷发生了大规模构造抬升，地层温度快速降低。新生代以来，拐子湖凹陷开始缓慢沉降并接受沉积，地层温度逐渐上升，巴一段底部地层温度主要介于90 ℃~120 ℃，再次处于有机酸的有利保存区间（图 9）。
地层超压对于次生孔隙的形成也起到了一定的促进作用。首先，地层超压产生了大量的微裂缝，为有机酸流体进入储层提供了运移通道，而且微裂缝利于溶蚀后高浓度流体的迁出，促进溶蚀作用的进一步加强[33]（图 6）。其次，异常高压延缓了有机质热演化[34-37]。巴音戈壁组烃源岩目前处于成熟阶段，Ro主要介于1.01%~1.33%，通过对拐参1井的镜质体反射率（Ro）数据进行回归后发现，3 350~3 620 m深度段样品的Ro明显偏离了上部样品的趋势线，大约偏小0.2%左右（图 8）。这一作用有效加大了有机酸大量产生的深度，使原本已进入储层的有机酸流体可以长期处于酸性地层水条件，增强了深层次生孔隙的发育[6]。
有机质的热演化可以形成大量的酸性流体，但无论是碳酸还是有机酸，这些流体能否顺利进入储层是决定次生孔隙形成的重要控制因素。巴音戈壁组具有形成次生孔隙的良好基础，主要表现为：1）较好的初始物性和超压对孔隙的保存使得储层具有良好的渗透性，酸性流体可以较容易的进入砂岩中发生溶蚀作用，形成大量次生孔隙；2）储层的顶底均为厚层富有机质泥岩，在这种情况下，泥岩中产生的酸性溶液可以较为顺利的进入储层，并且途中损失少。
3.4 油气充注拐参1井巴一段和巴二段源岩在乌兰苏海沉积期地层埋深达到最大，温度最高，生烃速率最大，是烃源岩的主要生烃期；其后，随着地层抬升、温度降低，烃源岩生烃演化停止。通过对巴音戈壁组76个油包裹体均一温度的测试，其结果显示峰值为90 ℃~96 ℃，结合烃源岩大量生烃时间，认为油包裹体均一温度指示的成藏时间主要在68 Ma左右，处于乌兰苏海（K2w）末的构造抬升期（图 9）。由于烃类的充注，排出了孔隙内的流体，导致孔隙流体性质发生明显改变，从而延缓或抑制了后期成岩作用（主要是胶结作用）的进程，使孔隙得到很好的保存[3, 27]。图 10显示随着储层含油饱和度的增加，储层碳酸盐胶结物的含量呈明显的减小趋势，说明油气充注对碳酸盐胶结作用产生了一定的抑制作用。
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| 图 10 含油饱和度与碳酸盐胶结物的关系 Fig.10 Cross plots of oil saturation and carbonate cement |
（1）拐子湖凹陷巴音戈壁组重力流沉积砂体粒度粗、成分成熟度较低，岩石类型以长石岩屑砂岩为主。储层总体属于低孔、特低渗型，平均孔隙度11.4%，平均渗透率6.093×10-3 μm2，储层的孔、渗相关性较好。储集空间类型以残余粒间孔隙为主，其次为粒间溶孔和粒内溶孔，储层的喉道偏细、孔喉比较大，属于中高孔、中细喉储层。
（2）沉积组构条件是拐子湖凹陷巴音戈壁组重力流沉积储层物性较好的重要基础。该储层发育于水动力较强的高能沉积环境，表现为沉积物粒度粗、分选中等、较低的杂基含量等特点，储层的初始物性较好；此外，较高的刚性颗粒含量增加了储层的抗压性，一定的长石和岩屑组分成为后期发生溶蚀的物质基础。
（3）异常高压、有机酸溶蚀和油气充注的综合作用是形成巴音戈壁组深层优质储层的关键因素。早期快速深埋和有机质生烃导致巴音戈壁组超压的形成，异常高压降低储层垂向有效应力，有效保存了一部分原生（或次生）孔隙。超压和适当的构造抬升对于有机酸进入储层发生大规模溶蚀具有重要意义，次生孔隙的发育明显改善了储层的物性。油气充注在一定程度上延缓或抑制了后期成岩作用（主要是胶结作用）的进程，也有利于研究区孔隙的保存。
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