秦南凹陷陡坡带Q29构造含CO2凝析气藏储层特征及成因

臧春艳，王清斌

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

秦南凹陷陡坡带Q29构造含CO2凝析气藏储层特征及成因

臧春艳1，王清斌2

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；
2.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

摘 要：秦南凹陷陡坡带Q29构造含CO2凝析气藏，片钠铝石不发育，物性好，与传统含CO2储层有较大差别。通过偏光显微镜、扫描电镜、X射线衍射、同位素分析等，明确了CO2成因，含CO2储层特征及储层高孔渗成因。研究区CO2质量分数为25%～59%，δ13CCO2值为-5.2‰～-6.4‰（PDB），R/Ra为3.9～4.4，具有明显的岩浆-幔源特征；CO2热流体侵位后成岩共生组合为次生加大石英+自生石英+自生高岭石；CO2热流体侵入后加剧了溶蚀作用，含CO2储层段次生孔隙比例较高；与同成岩阶段不含CO2的储层相比，自生高岭石相对含量高，伊利石相对含量低；CO2热流体对碳酸盐胶结物溶蚀并重新分配，有利于主储层段物性改善；由于受多期酸性流体侵位影响，储层中片钠铝石含量低、结晶差，对储层物性影响小。上述原因是含CO2储层高孔渗的主要原因。

关键词：秦南凹陷；幔源CO2；优质储层；Q29构造；含CO2凝析气藏

E-mail：zangchy@cnooc.com.cn。

The Genesis and Characteristics of CO2-bearing Condensate Gas Reservoir in Q29 Structure in the Actic Area, Qinnan Depression, Bohai Bay Basin

ZANG Chunyan1, WANG Qingbin2

（1. Drilling & Production Co. of Subsidiary of CNOOC Enegy Technology & Services Ltd., Tianjin 300457, China;
2. Exploration and Development Research Institute of Bohai Oil Field of Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

Abstract:CO2-bearing condensate gas reservoir in Q29 Structure in Qinnan depression, is characterized by good physical property, low level of dawsonite, which is different from most of CO2-bearing reservoir. Through analysis with polarizing microscope, scanning electron microscope, X-ray diffraction and isotope analysis, etc, the genesis of CO2and origin of CO2-bearing high-quality reservoir have been made clear. In the study area, the content of CO2ranges from 25% to 59%, the value of δ13CCO2is from -5.2‰to -6.4‰(PDB) and the R/Ra is from 3.9 to 4.4, all of which are the obvious features of mantle origin magma. The diagenesis paragenetic association are composed of overgrowth quartz, authigenic quartz and authigenic kaolinite after the incursion of the thermal fluid of CO2, which increased reservoir dissolution. Therefore, the secondary pores are well developed in CO2-bearing reservoir. Compared with the reservoir without bearing CO2developed at the same diagenetic stage, the relative content of authigenic kaolinite is higher and the content of illite is lower in CO2-bearing reservoir. The dissolution and redistribution of carbonate cementation made by the thermal fluid of CO2are favorable for the improvement of physical properties of main reservoir. For multiperiod acidic fluid invasion, the content of dawsonite cementation is low and poorly crystallization, which has little influence on reservoir. All of above are the main reasons for the higher porosity and high permeability in CO2-bearing reservoir.

Keywords:Qinnan depression; mantle-derived CO2; high quality reservoirs; Q29 Structure; CO2-bearing condensate gas reservoir

中国东部含油气盆地发现了32个CO2气藏[1]。目前，对CO2气藏的研究多侧重于含CO2储层岩石学特征方面，尤其是与CO2伴生的片钠铝石的研究取得了较大进展，CO2热流体对储层的改造作用研究更多侧重于CO2注采技术和CO2地下贮藏角度。实际上，CO2流体充注作为重要的“事件”，其对储层的影响无疑是十分重要的。研究区含CO2储层埋深大，片钠铝石胶结不发育，储层虽然埋深较大，但高孔渗特点突出，这一点与多数含CO2储层有着较大差别，落实该区块优质储层的成因对于渤海深层优质储层勘探具有重要指导意义。

1　研究区概况

Q29构造位于石臼坨凸起北侧边界断裂下降盘，南依石臼坨凸起，北邻秦南凹陷，紧邻秦南凹陷边界大断层（图1）。埋深3 200 m以下的沙河街组一、二段发育富含CO2的构造层状凝析气藏，CO2质量分数44.5%～52%，探明储量超过40×108m3。

图1　Q29构造区域地质概况

2　CO2气成因

戴金星等研究表明，根据气藏CO2的体积分数和碳同位素可区别出有机和无机成因的CO2，并区分CO2的来源。有机成因的CO2其体积分数常低于20%，δ13CCO2值通常小于-10‰（PDB），岩浆-幔源的CO2体积分数高，通常超过60%，δ13CCO2值较大，通常大于-8‰（PDB），岩浆-幔源的CO2气体δ13CCO2值大多数为-6‰（PDB）±-2‰；无机成因的CO2气藏常伴生较高含量的氦，φ （3He）/φ （4He）值大于4×10-6，R/Ra值较高，常大于3；φ （40Ar）/φ （36Ar）值也高达3[2～6]。

Q29-1井沙河街组一、二段储层，CO2质量分数为25%～59%，δ13CCO2值-5.2‰～-6.4‰（PDB），处在无机成因的CO2的主要分布范围内（-3‰～-8‰）[4]，而远离有机成因的CO2分布范围（-10‰～-30‰）[4]，φ （3He）/φ （4He）值为5.5×10-6～6.2×10-6，R/Ra为3.9～4.4，具有明显的岩浆-幔源特征；在CO2成因投点图上（图2），Q29-1井沙河街组一、二段气藏样品都投在岩浆-幔源成因区间，该气藏的有机成因的CO2主要为岩浆-幔源成因。

图2　CO2成因分类（据文献[2]修改）

3　储层矿物特征及成岩序列

3.1 黏土矿物特征

Q29-2井沙河街组一、二段含CO2储层段自生高岭石极发育，平均占储层黏土矿物的70%，与储层段上下的泥岩对比，高岭石异常特征十分突出（表1），与同层位，相近深度的含油砂岩相比其高岭石相对含量高出20%～40%。高岭石自形程度好，自生特征明显（图3a、3b）。扫描电镜观察表明，储层段石英加大较发育，常见自形程度较好的石英充填孔隙或加大生长。与处于同一成岩阶段的其他含油储层相比，研究区CO2储层段的砂岩黏土矿物的伊利石相对含量较低，平均仅为13%（表1），这与中成岩AⅡ～B期储层黏土矿物的一般特点是不相符的，与处于同一成

岩阶段的其它含油储层相比低20%～35%。造成这一现象的主要原因为有机酸、烃类和幔源CO2流体多期侵位，流体处于弱酸性的时间较长有利于高岭石相对发育和保存，而伊利石发育受到了抑制。

图3　Q29-2井储层段自生高岭石

表1　Q29-2井CO2储层段砂岩和相近深度泥岩黏土矿物相对含量对比表

图4　片钠铝石X-衍射谱图

3.2 片钠铝石特征

富含CO2的储层段一般富含片钠铝石胶结物，并且常见片钠铝石胶结孔隙，交代碎屑颗粒现象[7]。对Q29-1井储层段砂岩薄片和扫描电镜中都未见片钠铝石，通过X衍射精细分析，见到了片钠铝石峰（图4），但含量很低。一般认为，片钠铝石形成于富含钠、铝离子，碱性—弱酸性流体，高CO2分压的条件下[7,8]。这一条件在CO2气藏中是很容易达到的，未出现明显的片钠铝石胶结、交代，推测有以下原因：（1）油气运移和CO2热流体侵位发生均较晚，储层多期酸性流体侵位，偏酸性环境中片钠铝石难形成；（2）储层温度较高，片钠铝石稳定性差，不易形成和保存。片钠铝石在低于100℃的条件下可以稳定存在，在地层水与含片钠铝石砂岩相互作用实验中，100℃时即可观察到片钠铝石的溶蚀现象，150℃时发生强烈溶解[9]。研究区Q29-2井沙河街组一、二段储层温度都在113℃以上，3 300 m以下的储层段，地层温度达到120℃（表2）,片钠铝石在这一温度下可能不

易形成和保存。

表2　Q29-2井沙河街组一、二段含CO2储层段地层温度

3.3 成岩序列及矿物共生组合

压实作用是砂岩最早进行的成岩作用，含CO2气储层段砂岩负胶结物孔隙度一般小于30%，与砂岩初始孔隙度38%～40%相比，压实作用至少造成10%左右的孔隙的损失。

包裹体和激光拉曼分析表明，含CO2包裹体与油气包裹体同期产出，也检测到了含CO2和烃类的包裹体，CO2流体和油气近同期侵位，成藏时间均晚于5.1 Ma。CO2流体注入前形成的自生矿物组合主要为高岭石和次生加大石英，主要是由有机酸溶蚀长石产生，CO2注入后加剧了长石和碳酸盐胶结物的溶蚀作用，自生高岭石和次生加大石英、自生石英进一步发育，导致了储层中高岭石含量较高。研究区沙河街组一、二段主要为晚期成藏，由于油气和CO2的晚期补给，储层流体处在弱酸性环境的时间较长，有利于高岭石的发育和保存，而不利于伊利石的发育，造成储层中伊利石相对含量明显偏低。由于孔隙流体环境和储层温度的限制，片钠铝石在储层中并不发育。CO2流体溶蚀的碳酸盐在储层中重新分配，并在后期重新沉淀。成岩共生序列如图5。

图5　秦南凹陷Q29构造沙一、二段凝析气藏砂岩成岩共生序列

4　优质储层成因探讨

4.1 储层物性特征

孔隙统计表明，颗粒溶蚀型次生孔隙占全部孔隙的7%～33%，平均值16%（表3）。Q29-2井含CO2储层段孔隙度和渗透率均较高，以渤中坳陷3 000 m以下储层物性作为背景值与本井段物性对比，该储层段物性明显偏向渗透率轴，高渗特征明显，最高渗透率超过6 000×10-3µm2（图6）。

表3　含CO2储层段砂岩孔隙类型分析

图6　含CO2储层段砂岩物性与渤中坳陷埋深大于3 000 m砂岩物性对比

4.2 溶蚀作用对储层的贡献

CO2热流体进入储层后会带来长石及碳酸盐胶结物的溶蚀。CO2驱油技术在石油开采中已被广泛采用，并日趋成熟。注入CO2后地层水pH值显著降低，地层水中金属离子显著增加[10]。实验研究表明，随着温度提高，钠长石、方解石、铁方解石出现了明显溶蚀，并随温度增加溶蚀强度增大[1]。白云石、铁白云石胶结物在CO2-H2O体系中也会发生溶蚀[11-13]。化学反应式如下[1,11-15]：

通过扫描电镜及铸体薄片分析，含CO2储层段见到了大量长石的溶蚀现象（图7），储层段伊蒙混层中蒙脱石质量分数在15%～35%之间，处在中成岩AⅡ期，有机酸的溶蚀作用对储层也应该有所贡献，溶蚀作用是两者共同作用的结果，由于CO2热流体规模巨大，CO2热流体侵位后是溶蚀作用的主要时期。碳酸盐胶结物的溶蚀作用主要发生在CO2热流体侵位的早期，随着孔隙流体pH值升高，将发生碳酸盐的再次沉淀胶结。

图7　Q29-2井含CO2储层段长石的溶蚀

图8　Q29-2井凝析气层段砂岩“顶钙胶结”

4.3 CO2热流体对碳酸盐胶结物的重新分配作用

CO2热流体进入储层后碳酸盐胶结物发生溶蚀，溶蚀产生的钙、镁、铁离子将以难溶的碳酸盐形式沉淀[1]，通过岩心的每10～15 cm一个点进行了碳酸盐含量的详细测量，Q29-2井沙河街组一、二段CO2储层段中观察到了明显的“顶钙胶结”现象，“顶钙胶结”位置岩性相对主储层段砂岩粒度较细，碳酸盐强胶结带向下渐变为弱胶结带（图8）。主要储层段碳酸盐含量较低，一般低于5%，储层段砂岩的顶部碳酸盐含量较高，最高可达到

36%。胶结物以亮晶方解石为主，含少量白云石，应主要为晚期胶结产物。储层段上、下的碳酸盐胶结作用主要受控于流体热对流效应和砂体的渗透率。一般来说，热流体的侵入带来储层流体热波动往往更容易引起储层内的热对流效应，同一砂体钙质更易在相对低渗透率的储层段沉淀，但两者都是以CO2流体引起钙质溶蚀为前提的，溶蚀下来的金属离子以热对流为动力在砂体的顶部或底部及渗透率相对较低的砂层段沉淀，钙质的重新分配有利于主储层段物性的改善。

4.4 黏土矿物对储层物性的影响

很多研究表明，高岭石含量与渗透率往往呈正相关，而与伊利石含量呈负相关[13]。这主要是由于两类黏土矿物发育特点决定的，伊利石发育会堵塞孔隙吼道，而高岭石以孔隙充填为主，对孔隙吼道影响小。储层高渗的特征与伊利石不发育，而高岭石大量发育是密切相关的，CO2流体对抑制伊利石发育贡献较大。

另外，由于储层受多期酸性流体及储层温度的影响，储层中片钠铝石含量低，与片钠铝石共生的铁白云石也没有大量出现，这两类矿物对储层破坏作用小是储层能够保持较高孔渗的重要原因。

5　结论

（1）秦南凹陷陡坡带Q29构造沙河街组一、二段含CO2凝析气层中CO2主要为幔源成因。

（2）含CO2储层高岭石含量高，伊利石含量低，次生孔隙发育，主储层段砂岩碳酸盐含量低；CO2热流体侵位后的成岩共生组合为次生加大石英+自生石英+自生高岭石，后期成岩共生组合为少量片钠铝石+碳酸盐胶结物。

（3）含CO2储层高孔渗的主要原因：①CO2成藏晚，储层长期偏酸性流体环境，储层温度高等因素不利于片钠铝石发育，片钠铝石含量低、结晶差，对储层物性影响小；②CO2热流体侵位加强了长石的溶蚀作用，对碳酸盐胶结物溶蚀、重新分配改善了主储层段物性；③CO2流体侵位抑制了伊利石的发育，有利于高岭石发育，对储层渗透率贡献较大。

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作者简介：第一臧春艳，女，1976年生，工程师，硕士，石油地质专业，主要从事储层评价与研究工作。

收稿日期：2014-04-26；改回日期：2014-08-21

基金项目：国家科技重大专项“中国近海富烃凹陷再评价和新区新领域勘探方向”（2008ZX05023-001-004）。

文章编号：1008-2336（2015）01-0016-06

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.016