构造活动及层序格架约束下的沉积、成岩作用对储层质量的影响——以松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层为例

曹 铮,林承焰,2,董春梅,2,任丽华,2,宋 雷,邢新亚,马晓兰

[1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.山东省油藏重点实验室，山东 青岛 266580；3.中国石油 吉林油田分公司 勘探开发研究院，吉林 松原 138000； 4.中国石化 胜利油田分公司 井下作业公司，山东 东营 257000]

评价和预测低渗透、致密砂岩储层质量变化是油田勘探开发所面临的一个关键挑战，并引起了国内外众多学者的关注。以往研究主要考虑沉积作用、成岩作用和构造作用的单一因素对储层质量变化的影响[1-3]，如沉积相主要控制颗粒粒径、分选、砂体几何形态以及砂岩原始孔隙特征，并对早期成岩作用具有重要影响[4-7]；成岩作用主要通过压实、胶结和溶蚀作用影响储层质量[8-11]；构造活动引起盆地内流体的大规模流动和运移，对流经的砂岩储层有明显的影响，如常见的有机酸溶蚀[12-14]。随着层序地层学理论的提出和发展，逐渐认识到层序对各级基准面旋回下的沉积、成岩以及颗粒组分等具有重要控制作用，具体表现在层序格架通过控制沉积相的空间展布及近地表的成岩环境(如孔隙水化学性质、沉积速率及生物扰动等)，进而影响储层质量的变化[4]。

大情字井地区是松辽盆地南部重要的油气勘探开发区块，葡萄花油层为该区中浅层三大含油层系之一。大情字井地区葡萄花油层发育典型的低渗透薄窄砂体，储层质量非均质性较强，导致平面有利相带展布和油气富集规律认识不清，特别是对引起储层质量差异的成因及控制因素认识模糊。文章以松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层为例，综合运用岩心描述、薄片分析、电镜扫描和XRD等技术手段，首先建立多级次的高精度层序地层格架，对各级层序控制下的储层特征和沉积相类型进行分析，进而开展层序格架、沉积作用、成岩作用和构造活动共同约束下的储层质量变化和优质储层分析预测，为研究区及类似区块低渗透、致密油藏的勘探与开发提供指导。

1 地质概况

大情字井地区位于松辽盆地南部中央坳陷区长岭凹陷的腹部，北邻乾安次凹，南接黑帝庙次凹，整体为一向斜构造[15]，构造两翼不对称，东缓西陡，面积约1 200 km2(图1)。葡萄花油层自沉积至今经历了三次大的构造反转运动，分别发生于嫩江组沉积末期、明水组沉积末期及古近系沉积末期，其中嫩江组沉积末期和明水组沉积末期松辽盆地南部发生强烈的水平挤压构造反转抬升运动，导致研究区沿向斜轴部形成了中央断裂带[15]，断裂带内断层多为北西和北北西走向，呈平行或左行雁列式展布[16]，断层密度平均为1.8条/km2，平面延伸长度1～10 km，断距10～60 m不等，将研究区切割成一系列垒堑相间、断阶连接的小断块(图1)。前人研究表明，研究区葡萄花油层具有双源供烃的特征，即研究区黑157井以南至黑帝庙次凹为上覆嫩江组一段烃源岩供烃[16-17]，黑157井以北至乾安次凹为下伏青一段烃源岩供烃[18]，主要成藏期为明水组沉积末期[15]。

2 层序格架和沉积相类型

图2 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层层序地层格架剖面Fig.2 Profile of the sequence stratigraphic framework of Putaohua oil layer in Daqingzijing area,southern Songliao Basin

以岩心观察描述和测井资料分析为基础，通过开展大情字井地区葡萄花油层的沉积背景、沉积特征和沉积构造研究，明确研究区葡萄花油层主要发育浅水网状河三角洲沉积。葡萄花油层低位体系域由一个退积型准层序组(Ⅰ号)和一个进积型准层序组(Ⅱ号)组成，Ⅰ号准层序组主要由两个退积型准层序构成(1和2号)，Ⅱ号准层序组可进一步划分为一个退积型准层序(3号)和一个完整的准层序(4号)。湖侵体系域主要由两个退积型准层序组构成(Ⅲ,Ⅳ号)，Ⅲ号准层序组由两个退积型准层序(5和6号)组成，Ⅳ号准层序组可划分为3个退积型准层序(7,8,9号)。

利用1 282口井进行砂体解剖，结合现代沉积调研，于三角洲平原网状河道分叉、汇聚的结点处发现一种新型砂体类型：即岔道口砂岩，为受单向环流和洄流作用共同控制而形成的平面呈近“人”字形的沉积体[20-21]。根据其发育位置及成因可进一步可分为3种亚类：分流砂型、汇流砂和复合型岔道口砂岩(图3)。分流砂形成于河道分叉处，水流在此处受顶托而变缓，导致沉积。分流砂头部指向上游，并不断向上游加积生长，受沉积时水流冲击强度的影响，砂体头部粒度相对较粗[22]；汇流砂形成于河道汇聚处，头部指向下游，并不断向下游方向加积生长，研究区该类型砂体发育较少，多被改造为复合型岔道口砂岩；复合型岔道口砂岩发育在河道分叉交汇的X型路口处，为分流砂和汇流砂相向生长组合形成的“条带状”或“X型”砂体。

9个准层序沉积相解剖表明葡萄花油层低位体系域是由三角洲平原主干分流河道(含岔道口砂岩)、小型分支河道(含岔道口砂岩)和决口扇组成，岩性主要为粉砂岩和泥质粉砂岩(图3)。主干分流河道单砂体厚度为2～5 m，复合河道砂体厚为3～10 m(图2)，沉积构造以块状层理和小型交错层理为主，可见底部冲刷构造(图4a—c)。岔道口单砂体厚度为2～4 m，复合砂体厚为3～8 m(图2)，沉积构造主要以小型交错层理为主(图4d)，正粒序。小型分支河道主要以泥质粉砂岩为主，砂体厚度为2 m左右。决口扇和天然堤砂体以泥质粉砂岩为主，砂体厚度在2 m以内，常见小型波状层理及生物潜穴(图4e)。湖侵体系域砂岩主要由三角洲前缘水下分流河道砂岩和席状砂组成。水下分流河道砂岩以粉砂岩为主，少量细砂岩，可见小型交错层理(图4f)，单河道砂体厚度为2～4 m不等，复合河道砂体厚度为3～5 m。席状砂主要以粉砂岩和泥质粉砂岩为主，单砂体厚度为2 m左右。

3 储层基本特征

3.1 岩石学特征

研究区葡萄花油层储层岩石类型为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩(图5)，碎屑颗粒组分以长石(平均为37.7%)和岩屑(平均为34.5%)为主，石英(平均为28.6%)含量相对较低。长石类型以钾长石(平均为25.1%)为主，斜长石(平均为12.7%)次之，岩屑类型以中酸性火山岩岩屑为主。杂基含量平均为5.4%；胶结物总量平均为8.3%。碳酸盐胶结物含量平均为3.8%，主要为铁方解石(平均为1.7%；图6a)和铁白云石(平均为1.8%；图6b)。硅质胶结物主要以次生加大边或粒间孔隙充填的微晶石英形式存在(图6b，c)，含量较低(平均为1.4%)；粘土矿物含量平均为3.9%，其主要类型为伊利石(平均为2.3%)和绿泥石(平均为1.3%)，其中伊利石主要呈丝状或片状包裹颗粒边缘或充填粒间孔隙(图6d)，高岭石(平均为0.3%)和伊蒙混层(平均为0.2%)含量较少；黄铁矿含量为平均为0.4%(图6e)。研究区葡萄花油层砂岩颗粒粒度以粉砂-细粒为主，分选中等到好，磨圆以次棱角为主，成分成熟度低，结构成熟度中等。

图4 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层典型沉积构造现象Fig.4 Typical sedimentary structures in Putaohua oil layer in Daqingzijing area, southern Songliao Basina.黑157井，埋深1 909.7 m，主干分流河道，小型交错层理；b.乾157井,埋深1 841.8 m，主干分流河道，块状层理；c.黑158井，埋深1 951.1 m，主干分流河道，底部冲刷面；d.黑152井，埋深1 934.2 m，主干分流河道岔道口，小型交错层理；e.黑45井，埋深1 876.2 m，决口扇，小型波状层理， 生物潜穴；f.乾160井，1 867.5 m，水下分流河道，小型冲刷面

图5 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层砂岩成分三角图Fig. 5 Ternary diagram showing sandstone minerology in Putaohua oil layer in Daqingzijing area, southern Songliao Basin

3.2 储集空间类型及物性特征

研究区葡萄花油层的储集空间类型主要为残余原生粒间孔隙(平均为0.3%；图6f)和次生溶蚀孔隙(平均为2.3%；图6g)，个别样品点发育微裂缝(图6h)。次生溶蚀孔隙主要类型为粒间溶孔(多为长石及岩屑颗粒的边缘溶孔和原生粒间孔隙组成的复合孔，少量碳酸盐胶结物溶孔)，其次为长石和岩屑的粒内溶孔。

体系域沉积微相平均孔隙度/%平均渗透率/(10-3μm2)粒度中值/mm平均碳酸盐胶结物含量/%平均粘土矿物含量/%平均硅质胶结物含量/%平均次生溶蚀面孔率/%湖侵体系域水下分流河道13．88．580．034．64．01．41．8席状砂6．73．26低位体系域主干分流河道14．711．120．063．63．91．32．4小型分支河道5．70．98岔道口砂岩15．018．310．073．33．71．42．6

研究区葡萄花油层孔隙度为2.8%～20.1%，平均为12.8%；渗透率为0.03×10-3～103×10-3μm2，平均为7.65×10-3μm2，为中低孔、低渗-致密储层。低位体系域砂岩孔隙度平均为13.7%，渗透率平均为10.07×10-3μm2；湖侵体系域砂岩的孔隙度平均为10.62%，渗透率平均为6.32×10-3μm2。结合镜下薄片观察分析可知，低位体系域砂岩的原生孔隙度与湖侵体系域砂岩一样(表1)，平均为0.3%，次生溶蚀孔隙度(平均为2.5%)比湖侵体系域砂岩高(平均为1.8%)。

4 低渗透储层质量控制因素

4.1 沉积作用对储层质量的控制

研究区葡萄花油层的储层质量差异与层序格架约束下的沉积作用密切相关。对比可知，低位体系域三角洲平原主干分流河道砂岩和岔道口砂岩的平均孔隙度和平均渗透率最高，其次为湖侵体系域水下分流河道砂岩和席状砂，低位体系域小型分支河道的储集物性最差(表1)。试油结果显示，低位体系域主干分流河道砂岩和岔道口砂岩的试油平均产能强度分别为7.1 t/d和16.3 t/d，而湖侵体系域水下分流河道砂岩的试油平均产强度能仅为3.7 t/d。

分析其差异原因，一方面，受可容空间增长速率和沉积速率变化的影响，葡萄花油层砂岩主要集中发育于初始湖泛面上下(准层序3—6，图2)。低位体系域发育早期(准层序1，2)，湖盆整体抬升，物源供应不足，沉积速率低，非补偿性的沉积特征突出[19]，该时期研究区主要发育三角洲前缘亚相沉积，砂体发育规模和分布范围均较小，整体呈“泥包砂”特征。低位体系域发育晚期(准层序3，4)，可容空间最小，物源供应充足，沉积相带整体向湖推进。该时期研究区主要发育三角洲平原亚相沉积，垂向多为两期河道相互切叠，分流河道平面呈“结网状”展布(图2)。湖侵体系域发育时期，湖平面快速上升，向上可容空间增大，沉积相带整体向陆后退，研究区以三角洲前缘亚相沉积为主，水下分流河道垂向孤立发育，平面呈“枝状”向湖盆中心推进，河道末端经湖水改造，遭受不同程度的席状砂化(图3)。受相带迁移影响，湖侵体系域分流河道水动力较低位体系域弱，故湖侵体系域砂岩粒度相对低位体系域砂岩更细，导致低位体系域砂岩在压实过程中能够保存更多的原生孔隙，从而具有更高的储层质量(表1)。根据Scherer[23]建立的原生孔隙度计算公式，恢复葡萄花油层沉积的原生孔隙度，平均为29.8%，由压实作用造成的葡萄花油层的原生孔隙度损失率为40%～80%(图7)，其中低位体系域砂岩的压实减孔量平均为11.36%，湖侵体系域砂岩的压实减孔量平均为12.4%(图8)。

图7 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层压实作用和胶结作用在孔隙度损失中的相对重要性评价Fig.7 Diagram showing the roles of compaction and cementation played in porosity reduction, Putaohua oil layer,Daqingzijing area,southern Songliao Basin

图8 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层埋藏史-成岩作用序列-孔隙度演化史综合图Fig. 8 Relationship between burial history,diagensis sequence and evolution of porosity for Putaohua oil layer in Daqingzijing areaK.白垩系；E.古近系；N.新近系；Q.第四系；K2qn.青山口组；K2y.姚家组；K2n.嫩江组；K2s.四方台组；K2m.明水组

图9 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层孔隙度、渗透率和胶结物含量关系Fig. 9 Relationship among porosity,permeability and cement contents in Putaohua oil layer in Daqingzijing area,southern Songliao Basin

4.2 成岩作用对储层质量的控制

层序格架约束下的成岩作用是导致研究区葡萄花油层储层质量差异演化的重要影响因素，笔者通过薄片观察分析，结合埋藏演化史及有机质热演化史分析，建立了大情字井地区葡萄花油层的储层成岩序列。通过分析自生矿物的发育、交代及溶蚀充填关系，明确了葡萄花油层经历了碱性-酸性-碱性的成岩流体环境演化。在此基础上，定量恢复了低位体系域砂岩和湖侵体系域砂岩不同地质历史时期关键成岩作用对储层孔隙度的贡献量演化史[24-25](图9)。

4.2.1 胶结作用

研究区葡萄花油层胶结物类型以碳酸盐胶结物、粘土矿物和硅质胶结物为主，胶结物含量与储层物性呈反比(图9)，由胶结作用导致的葡萄花油层原生孔隙度损失率约为7%～40%(图7)，其中低位体系域砂岩的胶结减孔量平均为8.51%，湖侵体系域砂岩的胶结减孔量平均为10.17%(图8)。对比不同体系域砂岩的胶结物含量可知，低位体系域砂岩和湖侵体系域砂岩的粘土矿物和硅质胶结物含量相近，而碳酸盐胶结物含量差异较大(表1)。由此可知，碳酸盐胶结物含量差异对储层质量差异的贡献较大。

4.2.2 溶蚀作用

大情字井地区葡萄花油层具有双源供烃的特征，烃源岩热演化早期释放大量短链有机酸[26-27]沿断层运移至葡萄花油层，导致储层砂岩中长石、岩屑颗粒遭受溶蚀，从而形成大量次生溶蚀孔隙。结合镜下薄片观察分析及孔隙度演化表明，研究区葡萄花油层的平均次生溶蚀面孔率为2.3%，对应增加的孔隙度约4.2%，占现今总孔隙度的29%左右。由此可知，溶蚀作用能在很大程度上改善葡萄花油层的储层质量。其中低位体系域砂岩的溶蚀增孔量平均为4.57%，占现今总孔隙度的33.3%左右，湖侵体系域砂岩的平均增孔量为3.29%，占现今总孔隙度的30.9%左右(图8)。受层序格架约束下的沉积作用的影响，垂向上，葡萄花油层砂岩主要集中发育于初始湖泛面上下(图2)，界面上下的河道砂岩均可作为有机酸流体流动的通道。与湖侵体系域砂岩相比，低位体系域砂岩垂向叠置性好，平面展布范围广(图2，图3)，导致酸性流体在低位体系域砂岩中的流动性更好，与砂岩中的不稳定硅酸盐矿物(如长石、岩屑)的接触范围更广，反应更彻底，从而导致低位体系域砂岩中的次生溶蚀孔隙的发育程度更高(表1)。平面上，主干分流河道、分流河道岔道口和水下分流河道部位的溶蚀作用相对决口扇和席状砂部位较强。

图10 松辽盆地南部大情字井地区葡萄花油层断层类型[21]Fig.10 Fault types in Putaohua oil layer in Daqingzijing area,southern Songliao Basin[21]

4.3 构造活动对储层质量的控制

笔者统计了低位体系域砂岩和湖侵体系域砂岩中同属(水下)分流河道微相的6个薄片数据，发现采样点次生溶蚀面孔率与其至油源断层距离及采样点的砂岩的平均粒径有一定相关性，即临近油源断裂的相对粗粒砂岩的次生溶蚀面孔率大。此外，与单一油源断层沟通的砂岩相比，多条油源断层夹持的断阶或断块内的砂岩的次生溶蚀孔隙度更高，储层质量相对更好。如嫩一段烃源岩控制范围内，对比黑152井(单一油源断层沟通)和黑157井(双油源断层夹持)，储层均为低位体系域三角洲平原分流河道岔道口细砂岩沉积，两者的平均原生粒间孔隙度均为0.5%，平均次生溶蚀孔隙度分别为1.2%和2.6%。

5 结论

1) 大情字井地区葡萄花油层砂岩主要沉积于低位体系域三角洲平原环境和湖侵体系域三角洲前缘环境，砂体成因类型为主干分流河道砂岩、岔道口砂岩、小型分支河道砂岩、水下分流河道砂岩和席状砂。储层岩石类型主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，属于中-低孔、低渗-致密砂岩储层，孔隙类型以次生溶蚀孔隙和残余原生粒间孔为主，局部地区发育微裂缝。

2) 大情字井地区葡萄花油层低位体系域砂岩的平均孔隙度和平均渗透率比湖侵体系域砂岩的高，其中低位体系域主干分流河道砂岩和岔道口砂岩的储层质量最好，湖侵体系域水下分流河道砂岩次之，低位体系域小型分支河道和湖侵体系域席状砂的储层质量相对最差。

3) 大情字井地区葡萄花油层储层质量主要受层序格架、沉积作用、成岩作用及构造活动等因素共同控制。层序格架约束下的沉积作用控制葡萄花油层不同体系域沉积微相的纵横向展布及砂体发育规模差异，垂向上，低位体系域砂岩的发育规模大、连通性好，为相对优质储层的发育层段，平面上主干分流河道砂岩和岔道口砂岩的储层物性相对较好；成岩压实作用是导致研究区葡萄花油层砂岩低渗透化的直接因素，层序格架控制了低位体系域和湖侵体系域的早期成岩环境的差异，进而影响了后期碳酸盐胶结作用的强度，导致湖侵体系域砂岩的碳酸盐胶结相对更强。溶蚀作用的强度主要受控于储层物性好坏、油源断裂展布、及距油源断裂距离。即临近油源断裂或被多条油源断裂夹持的低位体系域中上部主干分流河道是相对优质储层发育的主要部位。

参 考 文 献

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