松辽盆地北部泉三、四段异常高孔隙带预测

孟元林，丁桂霞，吴河勇，姜文亚，修洪文，李亚光，王又春，王正伟

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江大庆 163318;2.中国石油大庆油田勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712;3.中国石油大港油田 勘探开发研究院，天津 300280;4.大庆油田第五采油厂，黑龙江大庆 163513;5.大庆油田 第八采油厂，黑龙江 大庆 166400)

松辽盆地北部泉三、四段异常高孔隙带预测

孟元林1，丁桂霞1，吴河勇2，姜文亚3，修洪文2，李亚光2，王又春4，王正伟5

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江大庆 163318;2.中国石油大庆油田勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712;3.中国石油大港油田 勘探开发研究院，天津 300280;4.大庆油田第五采油厂，黑龙江大庆 163513;5.大庆油田 第八采油厂，黑龙江 大庆 166400)

松辽盆地北部泉三、四段发育3个异常高孔隙带，主要由有机酸溶蚀储层形成。为预测次生孔隙发育带的横向展布，应用成岩作用数值模拟技术，对松辽盆地北部泉三、四段成岩阶段和成岩相的展布进行研究，探讨影响次生孔隙发育的地质因素并对异常高孔隙带进行预测。结果表明:次生孔隙发育的储层主要形成于曲流河、三角洲平原和三角洲前缘砂体，目前处于中成岩阶段A1亚期，发育中期溶蚀成岩相;从盆地边部到中心，早期压实相、早期胶结相、早期溶蚀相、中期溶蚀相、晚期溶蚀相和晚期胶结相呈环带状展布，在纵向上相邻的成岩相，在横向上也相邻，可称之为“成岩相律”;泉三段Sq3异常高孔隙带主要分布在中央坳陷周围的边缘地区。

次生孔隙;成岩作用;成岩相;沉积相;扶杨油层;松辽盆地

Bloch等［1］研究表明，4.0 km以下的深部储层 仍可发育异常高孔隙带，其成因主要有超压、黏土包膜、油气侵位和溶蚀作用等。中国国内常说的次生孔隙发育带就是一种由溶蚀作用形成的异常高孔隙带［2］，大部分次生孔隙是在原生孔隙的基础上经溶蚀作用形成的。在松辽盆地泉三、四段整体低孔、低渗储层中存在着相对高孔、高渗的次生孔隙发育带［3-4］，次生孔隙发育带主要由有机酸的溶蚀作用形成，次生孔隙较发育的羊草、宋站、朝阳沟和长春岭等油气田均分布在深湖和半深湖相泥岩发育区的砂体中。但是，松辽盆地中央坳陷西部的古龙地区泉三、四段也发育暗色泥岩，储层次生孔隙并不发育。因此，除沉积相之外，成岩作用对次生孔隙发育带的形成与分布具有很强的控制作用。笔者试图在研究泉三、四段储层异常高孔隙带纵向分布特征及其成因的基础上，应用成岩作用数值模拟技术进行成岩阶段预测和成岩相分析，结合沉积相的研究预测储层异常高孔隙带的分布。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北部，是一个大型中新生代沉积盆地，自下而上依次发育白垩系、古近系、新近系和第四系地层。白垩系厚度最大，是松辽盆地勘探开发的主要目的层段，自下而上分为火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)、泉头组(K1q)、青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n)、四方台组(K2s)和明水组(K2m)。盆地具有典型的下断上坳双层结构，早白垩世登娄库沉积期之前为盆地的裂陷演化阶段，泉头期—嫩江期为盆地的坳陷演化阶段，沉积了3套深湖、半深湖相泥岩与滨浅湖－河流相砂岩，形成了盆地的主要生、储油层［3］。盆地内划分了5个含油气组合，扶余油层和杨大城子油层属于下部组合，分别发育于泉头组四段和泉头组三段，简称扶、杨油层，其油源主要来自中央坳陷上覆青山口组泥岩。根据中浅层的构造和地层特征，结合深层构造和基底性质，将松辽盆地划分为北部倾没区、西部斜坡区、中央坳陷区、东北隆起区和东南隆起区5个一级构造单元［3］(图 1)。

2 储层基本特征

泉三、四段是一套河流－湖泊－三角洲相红色砂泥岩沉积。在泉三段内部进一步分为Q3-Sq1、Q3-Sq2、Q3-Sq3、Q3-Sq4、Q3-Sq5 5 个四级层序，泉四段分为 Q4-Sq1、Q4-Sq2、Q4-Sq3 3 个四级层序［3］。各四级层序的沉积特征具有相似性，从盆地边部到中心，依次发育冲积扇、辫状河、曲流河、三角洲平原、三角洲前缘和滨浅湖相。

图1 松辽盆地北部构造单元划分Fig.1 Structural units of northern Songliao Basin

碎屑岩储层以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，粒度较细，主要为细砂岩和极细砂岩，分选程度差—中。松辽盆地北部泉三、四段1 108口井的薄片镜下统计结果表明，石英碎屑颗粒、长石和岩屑的平均含量分别为28%、41%、31%;储层的填隙物主要为方解石和泥质，其含量平均为16%。

由于埋深和成岩强度的差异，松辽盆地北部泉三、四段储层物性在横向上差异很大。中央坳陷区扶、杨油层埋藏较深，最大埋深超过2.5 km，目前已进入中成岩阶段B期［5］，孔隙度平均为10.09%，渗透率平均为2.77×10－3μm2，属于低孔特低渗储层，但在东北隆起区和东南隆起区东部埋深较浅，只有几百米，目前仍处于早成岩阶段A期(表1)，孔隙度平均为21.54%，渗透率平均为 206.79×10－3μm2，总体上属于中孔中渗储层。

3 泉三、四段异常高孔隙带分布与形成机制

3.1 异常高孔隙带的分布

4100块岩心的实测孔隙度、普通薄片和铸体薄片资料表明，泉三、四段在纵向上发育3个异常高孔隙带，其深度分别为 0.25～0.65、0.80～1.4、1.50～2.45 km(图2)。第Ⅰ异常高孔隙带很不发育，所对应的成岩阶段为早成岩阶段A期—早成岩阶段B期，主要发育早期压实相和早期胶结相;第Ⅱ异常高孔隙带的孔隙度为19%～27%，对应的成岩作用阶段主要为中成岩阶段A1亚期，发育早期溶蚀相;第Ⅲ异常高孔隙带的孔隙度为12% ～18%，对应着中成岩阶段A2亚期，发育中期溶蚀相和晚期溶蚀相。

表1 泉三、四段成岩阶段、成岩相划分及主要标志Table 1 Division and main characteristics of diagenetic stage and diagenetic facies of K1q3and K1q4

图2 泉三、四段成岩相剖面图与高孔隙带成因机制Fig.2 Diagenetic facies profile and genetic mechanism of anomalously high porosity zones of K1q3and K1q4

3.2 异常高孔隙带的成因

3.2.1 成岩作用和成岩相

Bloch等［1］在全球范围内的统计结果表明，异常高孔隙带的成因主要有溶蚀作用、异常高压、石英颗粒外部的黏土包壳、早期油气注入。由于泉三、四段超压不太发育，储层的压力系数一般小于1.2，石英颗粒外部的黏土包壳很少，油气注入较晚，对异常高孔隙带的形成意义不大［6-7］。由松辽盆地北部泉三、四段成岩相剖面与高孔隙带成因机制分析图(图2)可见，泉三、四段异常高孔隙带、地层水有机酸高值带具有良好的对应关系，图2中有机酸A的质量浓度是现今地层水中实测的有机酸质量浓度，即在现今地层水中的有机酸仍在溶蚀储层，并形成次生孔隙。有机酸的质量浓度越高，溶蚀性越强，次生孔隙越发育，孔隙度就越高。因此，泉三、四段的异常高孔隙带主要由有机酸对储层的溶蚀作用形成。地层水中实测有机酸是有机酸与矿物反应后剩余的量，而有机酸剩余的量与消耗掉的量一般成正相关关系［8］。另外，有机酸溶蚀长石和方解石后，形成新的矿物。如果这些矿物被带走，则形成次生孔隙;如果这些矿物原地沉淀下来，孔隙度变化不大。现今的次生孔隙度实际上是溶蚀和沉淀综合作用的结果。统计表明，松辽盆地北部不同构造单元泉三、四段有机酸溶蚀作用产生的次生孔隙度为1.88% ～7.43%［7］。

由图2可见，地层水中有机酸的质量浓度与储层所处的成岩阶段和成岩相密切相关，处于不同成岩相的储层，其地层水中有机酸的含量明显不同。早期溶蚀相、中期溶蚀相和晚期溶蚀相地层水有机酸的平均质量浓度分别为292、383、237 mg/L，最高值分别为1728、2982、1485 mg/L。泉三、四段储层159块铸体薄片的统计结果表明，不同成岩相次生孔隙的发育程度不同(图3，其中N为样品个数)，溶蚀孔相对比例最高的是中期溶蚀相，其次为早期溶蚀相和晚期溶蚀相。

图3 不同成岩相次生孔隙发育的相对比例Fig.3 Relative ratio of secondary porosity of different diagenetic facies

3.2.2 沉积相

次生孔隙的发育还与沉积相有关，泉三、四段已发现具有次生孔隙的砂体主要分布于曲流河以及三角洲前缘和三角洲平原的砂体中(图4)。次生孔隙最发育的储层发育于三角洲前缘亚相，主要是因为三角洲前缘的砂体处于河流－三角洲沉积体系的末端相，分选、磨圆较好，原始物性较好，有利于有机酸的进入和溶解物质的排出。因此，原始物性好的砂体次生孔隙更发育。在原生孔隙的基础上有机酸进一步溶蚀储层，形成粒间溶孔或溶蚀扩大孔等次生(混合)孔隙，使储层孔隙度增高，从而形成异常高孔隙带。另外，也有由胶结物溶蚀作用直接形成的次生孔隙，但泉三、四段的次生孔隙主要以长石颗粒溶蚀形成的次生孔隙为主，溶蚀扩大孔占多数。

图4 不同沉积相次生孔隙发育的相对比例Fig.4 Relative ratio of secondary porosity of different sedimentary facies

4 成岩相预测

4.1 成岩相预测基本原理

成岩相是指成岩环境与成岩产物的综合［9］。目前人们主要根据成岩环境和成岩作用类型划分成岩相及其亚相［2，8］。不同的成岩阶段具有不同的成岩环境和成岩作用类型，对应着不同的成岩相，因此通过成岩作用数值模拟和成岩阶段预测，就可以在平面上预测成岩相的展布。

综合考虑压力、温度、时间、流体性质对成岩作用的影响与控制［10］，选取对成岩阶段划分常用的且能够定量化研究的成岩指标古地温T、镜质体反射率Ro、甾烷异构化指数 IS(C29甾烷 w(S)/w(R+S))、伊、蒙混层中蒙皂石层的含量S、自生石英含量Vq，分别在时空领域内进行单项成岩作用的模拟［11-15］，并构造成岩指数ID，在盆地范围内，由计算机自动划分成岩阶段，进行大尺度的成岩作用模拟:

式中，ID为成岩指数;x，y，z为三维坐标;t为时间，Ma;a1、a2、a3、a4、a5为各成岩指标的权值，取值分别为 0.5、0.2、0.1、0.1、0.1，其总和为 1.0;RoB、TB、SB、ISB、VqB分别为这5项成岩参数在中成岩阶段B期末的值，取值分别为2.00%、175℃、5%、0.56、15%(表1)。

将式(1)中 T、Ro、IS、S、Vq分别取各成岩阶段末期的界限值，即可得到不同成岩阶段对应的ID值(表1)。这样就实现了碎屑岩成岩阶段划分的数值化。将早成岩阶段到中成岩阶段B期ID数值化为0～1.00。当ID≈0时，成岩作用刚刚开始;ID=1.00对应于中成岩阶段B期的结束;当ID＞1.00时，进入晚成岩阶段。

4.2 泉三段成岩相分析

首先以三维地震数据和钻井资料为基础，建立松辽盆地北部泉三、四段成岩演化数值模拟网络，模拟点距为1 km×1 km，全面模拟松辽盆地北部泉三、四段的成岩演化史，分析成岩相的横向变化规律。成岩作用数值模拟所需的输入参数与盆地模拟所需的参数相似，主要包括地层的年代、厚度、岩性、矿物成分、剥蚀量、古地表温度、古水深、岩石热导率等，这些参数均取自前人的研究结果［3，16］。

限于篇幅，本文中仅以泉三段第三层序Q3-Sq3为例，分析成岩相的横向变化规律(图5)。由图5可见，从盆地边部到中心，随埋深的增加，泉三段Sq3的成岩作用增强。成岩作用类型和成岩相发生有规律的变化，早期压实相、早期胶结相、早期溶蚀相、中期溶蚀相、晚期溶蚀相和晚期胶结相呈环带状展布。纵向上相邻的成岩相(图2)，在平面上也相邻，在此将这一规律称之为“成岩相律”，类似于沃尔索的沉积相率［17］。在盆地边部埋藏较浅的地区主要发育早期压实相和早期胶结相(图5)，成岩作用主要以机械压实作用为主，次生孔隙不发育，第Ⅰ异常高孔隙带发育不良(图2)。在松辽盆地西部斜坡带的东侧、北部倾没区的南侧、东北隆起区和东南隆起区的西部以及中央坳陷区的外边缘附近，泉三段Sq3主要处于中成岩阶段A1亚期(0.34≤ID＜0.46)，泉三段Sq3进入早期溶蚀相，溶蚀作用增强，次生孔隙开始发育，形成了第Ⅱ异常高孔隙带。随埋深的增大，中央坳陷的外环部分地区开始进入中期溶蚀相，溶蚀作用强烈，次生孔隙大量发育，对应于第Ⅱ、Ⅲ高孔隙带次生孔隙最发育的层段(图2)。但是，在中央坳陷东部和中央坳陷西部中心的古龙地区和三肇地区，Q3-Sq3进入晚期溶蚀相(图5)，烃源岩在达到生油高峰之后，有机酸生成量减少，溶蚀作用减弱，第Ⅲ高孔隙带发育结束(图2)。

图5 松辽盆地北部泉三段Q3-Sq3成岩相预测Fig.5 Diagenetic facies prediction of Q3-Sq3 of northern Songliao Basin

在大庆长垣两侧的古龙凹陷和三肇凹陷中心，Q3-Sq3进入晚期胶结相后胶结作用占主导地位，孔隙类型以缩小粒间孔为主，储层物性很差。

5 异常高孔隙带预测

泉三、四段异常高孔隙带主要受沉积相和成岩作用的控制，因此通过叠加沉积相图和成岩相图(图6)就可以预测泉四段和泉三段的异常高孔隙带。其中位于中期溶蚀相且有砂体发育的地区(非滨浅湖相)为异常高孔隙发育带，而位于早期溶蚀相和晚期溶蚀相的砂岩分布区即为异常高孔隙较发育带。

图6 Q3-Sq3异常高孔隙带预测Fig.6 Prediction anomalously high porosity zones of Q3-Sq3

由图6可见，异常高孔隙发育带主要发育于中央坳陷区的外边缘附近，在0.46≤ID＜0.63的环形区域内，目前处于中期溶蚀相、且有三角洲平原和三角洲前缘砂体发育的地区，主要包括朝阳沟阶地、长春岭背斜带、东北隆起带南端的羊草和安达地区、中央坳陷区北段、北部倾没区南段和西部斜坡区与中央坳陷区交界区附近。邢顺洤等［4］发现的次生孔隙发育带属于其中的一部分。在异常高孔隙带的内、外两侧分布有异常高孔隙较发育带(图6)，这些地区处于早期溶蚀相或晚期溶蚀相，且有三角洲平原、三角洲前缘以及河流相砂体发育。

6 结论

(1)泉三、四段在纵向上发育3个异常高孔隙带，主要由溶蚀作用形成。次生孔隙主要发育于曲流河、三角洲平原和三角洲前缘砂体中，次生孔隙最发育的成岩相为中期溶蚀相，其次为早期溶蚀相和晚期溶蚀相。

(2)从盆地边部到中心，早期压实相、早期胶结相、早期溶蚀相、中期溶蚀相、晚期溶蚀相和晚期胶结相呈环带状展布，在纵向上相邻的成岩相，在横向上也相邻，这一规律可称之为“成岩相律”。

(3)通过叠合沉积相图和成岩相图可以预测异常高孔隙带的平面分布，松辽盆地北部泉三段Q3-Sq3异常高孔隙带主要发育于中央坳陷区的外边界附近。

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Prediction of anomalously high porosity zones of K1q3and K1q4in northern Songliao Basin

MENG Yuan-lin1，DING Gui-xia1，WU He-yong2，JIANG Wen-ya3，XIU Hong-wen2，LI Ya-guang2，WANG You-chun4，WANG Zheng-wei5

(1.Earth Science Department，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China;2.Exploration＆ Development Research Institute of Daqing Oilfield，PetroChina，Daqing 163712，China;3.Exploration＆ Development Research Institute of Dagang Oilfield，PetroChina，Tianjin 300280，China;4.5th Oil Production Plant of Daqing Oilfield，Daqing 163513，China;5.8th Oil Production Plant of Daqing Oilfield，Daqing 166400，China)

There exist three anomalously high porosity zones vertically in the K1q3and K1q4of northern Songliao Basin.The anomalously high porosity zones were formed mainly by dissolution.In order to predict the lateral distribution of secondary porosity zones，the distributions of diagenetic stages and diagenetic facies were studied by numerical modeling，the geofactors affecting the secondary porosity developing were discussed and the anomalously high porosity zones were predicted.The results show that the anomalously high porosity zones are dominantly formed in the sandstones of meandering river，delta plain and delta front in the middle diagenetic stage A1period，and developed middle solution diagenetic facieses.From the basin edge to center，the early compaction facieses，early cementation facieses，early solution facieses，middle solution facieses，late solution facieses，late cementation facieses distributed in the ringlike pattern，and the diagenetic facieses adjacent to each other vertically are also neighboring laterally，which is called diagenetic law.The anomalously high porosity zones in the Sq3 are mainly located in the peripheral region of central depression of the basin.

secondary porosity;diagenesis;diagenetic facies;sedimentary facies;Fuyang oil layer;Songliao Basin

TE 122.2

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.002

1673-5005(2011)04-0008-06

2010－11－15

国家自然科学基金项目(40872076)

孟元林(1960－)，男(汉族)，山西忻州人，教授，博士，主要从事储层与石油地质学研究。

(编辑 徐会永)