莺歌海盆地乐东地区中深层储层发育特征及成因机理

李 伟，刘 平，艾能平，邵 远，侯静娴

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司南海西部石油研究院，广东湛江 524057）

0 引言

莺歌海盆地是我国南海西部海域天然气勘探的主战场，随着浅层常温常压领域勘探程度日益加深，中深层高温超压领域逐渐成为天然气勘探的主要方向。近年来围绕莺歌海盆地中深层的勘探取得了显著成效，在中央坳陷带北部的东方区块获得了1 000 亿m3天然气探明储量，显示了盆地中深层良好的油气勘探前景。勘探家们在这一实践基础上创新和发展了高温超压天然气成藏地质理论［1-3］。乐东地区位于莺歌海盆地中央坳陷带南部，该地区的中深层天然勘探起步较晚，但随着勘探程度加深，地质学家们逐步认识到储层低渗问题已成为制约乐东地区高温超压领域获得工业天然气流的瓶颈，如何寻找低渗背景下的“甜点”储层是亟须解决的关键问题。学者们对乐东地区中深层的研究多集中在沉积特征及成因、储层预测与识别、成藏地质条件分析等方面［4-7］，而缺乏对高温超压环境下储层低渗成因及”甜点”储层发育机理的系统分析。

本文在区域地质背景研究基础上，结合岩石铸体薄片、扫描电镜分析、X 射线衍射全岩矿物含量测试、压汞分析以及测井等资料，对乐东地区中深层高温超压储层的低渗成因及“甜点”储层发育机理开展深入研究，以明确“甜点”储层的分布规律，为该地区中深层高温超压天然气领域的勘探和部署提供科学依据。

1 区域地质概况

图1 莺歌海盆地构造区带划分、研究区位置（a）和地层综合柱状图（b）Fig.1 Tectonic division and location of the study area（a）and comprehensive stratigraphic column（b）of Yinggehai Basin

莺歌海盆地位于海南隆起区与昆嵩隆起区之间，为北西—南东走向的新生代大型走滑伸展型含油气盆地（图1），总面积约11.3 万km2。构造单元划分上，盆地可划分为莺东斜坡、莺西斜坡、中央坳陷等一级构造单元，自下而上沉积了始新统岭头组、渐新统崖城组和陵水组、下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组、第四系乐东组等地层［8］。在油气田勘探与生产实践中，通常将梅山组—莺歌海组二段下部储盖组合称为中深层，其上覆储盖组合称为浅层。研究区位于中央坳陷斜坡带南段，梅山组和黄流组是该区中深层重要的含油气储集层，地层温度约200 ℃，地层压力系数大于2.0，是典型的高温超压型储集层，主要发育受海南隆起物源体系控制的轴向重力流水道、海底扇等大型沉积砂体，勘探潜力巨大，但储层物性较差的问题一直制约着该区的勘探和部署。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

图2 乐东地区中新统砂岩组分三角图Ⅰ.石英砂岩；Ⅱ.长石石英砂岩；Ⅲ.岩屑石英砂岩；Ⅳ.长石砂岩；Ⅴ.岩屑长石砂岩；Ⅵ.长石岩屑砂岩；Ⅶ.岩屑砂岩Fig.2 Triangle diagram of Miocene sandstone components in Ledong area

通过224 块岩石样品的薄片鉴定，可以得出莺歌海盆地乐东地区中深层重力流水道及海底扇砂岩以长石岩屑砂岩为主，其次为岩屑石英砂岩（图2）。岩石的碎屑组分中，石英体积分数为17%～87%，平均为53%；长石体积分数为0～22%，平均为11%，长石类型以钾长石为主，其次为斜长石；岩屑体积分数为0～39%，平均为16%，岩屑主要成分为变质岩岩屑；填隙物中局部碳酸盐胶结严重，碳酸盐胶结物体积分数多为3%～25%，平均为9%，主要成分为铁方解石。泥质杂基含量总体较低，平均体积分数为2%，局部夹有泥质条带。砂岩结构特征上，碎屑颗粒的粒径以中粒和细粒为主，分选中等，颗粒支撑，磨圆以次棱角—次圆状为主，颗粒之间以线接触为主，胶结类型表现为压嵌式，总体反映了岩石中等偏低的成分成熟度和结构成熟度。

2.2 孔隙结构特征和物性

孔隙结构是指储层中岩石孔隙和喉道的几何形状、大小分布、相互连通情况及孔喉间配置关系等，直接控制着储层的渗流能力与产能［9］。通过岩石铸体薄片的偏光显微镜观察可以发现，研究区中深层储层孔隙类型以长石溶孔、铸模孔、粒间溶孔等次生孔隙为主，其次为原生粒间孔（图3），结合各个构造位置的钻井资料可以发现，越接近盆地凹陷中心，溶蚀孔所占比例越高。通过铸体薄片图像分析和压汞测试，可对孔隙、喉道大小及其分布规律进行定量分析。图像分析结果显示，研究区孔隙直径主要为15～75 μm，以中、大孔为主；压汞分析结果显示，研究区喉道半径主要为0.03～0.10 μm，属于中—细喉类型（图4）。孔隙和喉道之间的配位数较低，多小于1，表明孔隙之间的连通性较差。海底扇及水道沉积的储层物性均表现出低孔低渗、特低孔特低渗的特征，孔隙度大多为5%～15%，平均为8.71%，渗透率大多小于10 mD，平均为1.32 mD（图5）。当孔隙度小于5%时，渗透率普遍较低；当孔隙度大于5%时，不同沉积类型的砂岩渗透率均随孔隙度增大而增大，二者具有正相关关系。

图3 乐东地区中新统储层镜下孔隙类型（a）D-1 井，3 878.4 m，主要见保持碎屑颗粒外形的铸模孔，铸体薄片（蓝色），单偏光；（b）A-3 井，4 062 m，可见长石粒内溶孔、粒间溶孔及部分原生粒间孔，铸体薄片（蓝色），单偏光；（c）B-1 井，3 859 m，可见长石粒内溶孔、粒间溶孔，原生粒间孔比例明显增多，铸体薄片（蓝色），单偏光Fig.3 Pore types of Miocene reservoir under microscope in Ledong area

图4 乐东地区中新统储层孔喉大小分布特征Fig.4 Distribution characteristics of pore-throat size of Miocene reservoir in Ledong area

图5 乐东地区中新统储层孔隙度和渗透率相关关系Fig.5 Relationship between porosity and permeability of Miocene reservoir in Ledong area

3 低渗成因分析

乐东地区中深层储层低渗是多种因素综合作用的结果：岩石矿物组成决定了其抗压实能力弱，深埋藏条件可导致其物性降低，且胶结作用进一步破坏了其原生粒间孔，造成了储层致密化，晚期发育的超压体系虽然具有抗压实作用，但无法改善已致密化的低渗储层。

3.1 压实作用

乐东地区中深层储层的岩石类型主要为长石岩屑砂岩，成分成熟度偏低，碎屑组分中塑性较强的岩屑含量较高，造成储层砂岩抗压实能力较弱，砂岩储集空间的保存程度较低，特别是埋深较大的岩石，可见大量塑性矿物受压实作用而发生形变，导致部分孔径减小甚至被完全压实，储层物性变差。研究区中深层埋深普遍较大，黄流组与梅山组主要含气层埋深为3 800～4 400 m，储层经历了较强的压实作用。岩石薄片在显微镜下可见碎屑颗粒之间排列紧密，普遍呈线接触特征，局部甚至呈凹凸接触，正交偏光下呈现高级干涉色的云母发生了弯曲变形［图6（a）］，原生孔隙损失较多，而且随着埋深增大，压实作用增强，储层物性更差。

3.2 胶结作用

乐东地区中深层储层中胶结物以碳酸盐为主，其次为硅质胶结物。碳酸盐胶结物的主要成分为铁方解石，主要形成于储层成岩阶段中、晚期，碳酸盐胶结物多以连晶、嵌晶形式发育于碎屑颗粒之间，占据大量粒间孔隙［图6（b）］，堵塞喉道，导致物性变差。碳酸盐胶结物含量与岩石物性相关关系显示，碳酸盐胶结物含量越多，孔隙度越低，二者具有负相关关系（图7）。硅质胶结作用也是造成研究区中深层储层致密的原因之一，主要以石英次生加大形式局部发育，形成于成岩中、晚期。在酸性环境下，硅质胶结物沿石英颗粒表面生长，占据一定量的储集空间，降低储层物性。

3.3 地层超压形成时间晚，保护作用有限

莺歌海盆地自渐新世以来的持续沉降与快速充填沉积，导致沉积物中的部分水体排出不畅，特别是中深层地层普遍形成了高温超压环境［10-12］。通常情况下，超压的发育能一定程度上起到抗压实作用，但乐东地区梅山组和黄流组开始形成超压的时间分别为距今2.7 Ma 和距今1.8 Ma，后期受生烃及油气充注等因素影响，孔隙流体压力快速增高至现今压力水平，压力系数为2.15～2.29。根据区域埋藏史和现今孔隙度−深度相关关系进行综合分析，可以得出梅山组和黄流组储层在超压形成时的埋深为2 700～3 000 m，压实程度均已较高，储层孔隙度较低。因此，储层开始形成超压时已经较为致密，超压对储层的保护作用有限。

图6 乐东地区中新统储层微观特征（a）B-1 井，3 858 m，强压实，碎屑颗粒以线接触为主，可见塑性矿物云母弯曲变形，铸体薄片（蓝色），正交偏光；（b）B-1 井，3 873.8 m，局部可见强胶结作用，紫色含铁方解石呈嵌晶、连晶形式发育在颗粒之间，铸体薄片（蓝色），单偏光；（c）B-1 井，4 113 m，可见原生粒间孔、粒内溶孔、粒间溶孔、铸模孔等多种孔隙类型，铸体薄片（蓝色），单偏光；（d）A-6 井，4 221.8 m，见钾长石剧烈溶蚀产出丝缕状伊利石充填在钾长石与菱面体状菱铁矿颗粒间孔隙，扫描电镜照片；（e）C-1 井，4 189 m，石英颗粒表面见溶蚀孔隙，并见伊利石生成，扫描电镜照片；（f）B-1 井，4 136.4 m，构造作用产生裂缝切穿碎屑颗粒，铸体薄片（蓝色），单偏光Fig.6 Microscopic characteristics of Miocene reservoir in Ledong area

图7 乐东地区中新统储层孔隙度和碳酸盐胶结物含量的关系Fig.7 Relationship between porosity and carbonate cements content of Miocene reservoir in Ledong area

4 “甜点”储层发育机理

“甜点”储层是指在储层普遍低孔低渗、特低孔特低渗背景下发育的物性相对较好的储层［13-14］。沉积环境为深部地层中“甜点”储层的发育基础，后期成岩演化也是重要的控制因素，构造作用可能对其有所调整［15］。莺歌海盆地乐东地区主要发育北西—南东向水道及海底扇等重力流储集体，钻井揭示的砂岩均表现出相似的岩性及物性特征，沉积微相对于研究区储层物性的影响较微弱，“甜点”储层的发育主要受溶蚀作用、构造作用以及油气充注等因素控制。

4.1 溶蚀作用

溶蚀作用为地层中流体与岩石矿物在一定温压条件下发生水岩反应的结果，可对储层物性的改善起到建设性作用，是研究区中深层”甜点”储层中发育次生孔隙的主要成岩机理。中深层储层由于其埋深较大，原生储集空间大量减少甚至消失殆尽，碎屑矿物组分的溶蚀现象普遍存在，溶蚀流体主要为烃类演化过程中产生的有机酸及富含CO2的无机酸等流体，长石等铝硅酸盐矿物易发生溶蚀，从而形成次生溶孔。根据碎屑颗粒的溶解程度可形成不同形态和标志特征的次生孔隙：如颗粒完全溶蚀形成孔径较大的铸模孔，保留了原始碎屑颗粒的外形；长石颗粒内溶孔常呈港湾状［图6（c）］。长石的溶蚀现象最为普遍，溶蚀流体可沿矿物解理缝运移而溶蚀，并伴生丝状伊利石［图6（d）］。偶见石英颗粒的溶蚀现象［图6（e）］，石英溶蚀多发育于成岩早期碱性成岩环境中，相对于长石溶蚀来讲较为少见，成岩中后期，随着有机酸及CO2等酸性流体进入储层，长石类铝硅酸盐矿物的溶蚀更为强烈。

4.2 烃类充注

烃类充注对于储层的影响主要体现在物性的改善方面，学者们［16-19］将其总结概括为以下3 个方面：①产生超压以缓冲压实作用对储层的影响；②烃类携带的有机酸可对矿物进行溶蚀［20］，从而产生大量次生孔隙；③对胶结作用具有一定的抑制作用。乐东地区中深层储层中，烃类充注时间最早发生于距今1.8 Ma，并一直延续至今，与超压的形成在时间上具有一定的耦合性，表明烃类充注对超压的形成具有贡献作用，但烃类充注及其产生的超压晚于储层致密化的主要时间段，其产生的抗压实作用对于储层保护有限，但烃类充注过程中携带了大量有机酸和CO2，溶蚀能力较强，且含气饱和度愈高的储层，其孔隙度和渗透率明显较高，二者之间具有较好的相关性（图8）。烃类充注还可改变孔隙流体性质和岩石润湿性［21］，可一定程度上抑制成岩中后期的碳酸盐胶结作用和硅质胶结作用，偏光显微镜下可观察到沥青充填的储集空间中，碳酸盐胶结物和硅质胶结物极少。

图8 乐东地区中新统储层含气饱和度和物性的关系Fig.8 Relationship between gas saturation and physical properties of Miocene reservoir in Ledong area

4.3 构造作用

构造作用产生的裂缝也是储层的储集空间类型之一，裂缝的存在对改善岩石的渗透率效果显著。乐东地区受莺歌海盆地早期左旋走滑运动的影响，深部发育东西走向的沟源断裂及大量伴生裂隙，钻井成像测井和井壁取心资料证实研究区中深层储层发育大量裂缝，油气测试结果显示岩石具有较好的渗透性，岩石薄片在显微镜下亦可见裂缝发育，且大致方向较为一致，部分裂缝切穿碎屑颗粒［图6（f）］，部分裂缝后期被沥青和方解石充填。

4.4 温压条件

温压条件对成岩过程中的水岩反应进程、速度和方向均具有影响，大多数岩石矿物的溶解度会随温度和压力的增加而增大［9］。乐东地区多口探井的地层测试结果显示，中新统现今温度为190～210 ℃，地温梯度为4.2 ℃/100 m，地层现今绝对压力约83 MPa，尽管超压形成时间晚于储层致密化时间，超压在储层成岩早、中期快速埋藏，对压实减孔作用的延缓能力有限，但较高的温度和压力更有利于成岩晚期的溶蚀作用，越靠近盆地的凹陷中心，温度和压力越大，对溶蚀作用更加有利，对“甜点”储层的发育具有促进作用。

5 “甜点”储层成岩演化模式

乐东地区中新统埋深约为3 800～4 400 m，烃源岩热解实验分析结果表明，有机质成熟度较高，Ro值为0.95%～1.05%，孢粉颜色为桔黄—浅棕，热解最高温度（Tmax）为430～450 ℃。X 射线衍射黏土矿物相对含量分析结果表明，主要为伊利石，伊蒙混层中蒙皂石层质量分数约为15%，压实作用较强，颗粒间以线接触为主，孔隙类型主要为次生溶孔，胶结物主要成分为铁方解石。根据碎屑岩成岩阶段划分标准［22］，结合有机质成熟度、黏土矿物类型、自生矿物形成顺序以及岩石孔隙结构特征，可综合判断研究区中新统储层处于中成岩A2亚期。

通过埋藏演化史分析，可以得出研究区“甜点”储层在早成岩A 期，成岩环境为碱性，压实作用使原生孔隙逐渐减少，少量长石溶蚀，早期碳酸盐胶结物充填部分孔隙和构造缝，偶见石英溶蚀现象（图9）；早成岩B 期，埋藏压实作用导致原生孔隙明显减少，自生矿物方解石以亮晶结构产出；中成岩A1期，埋藏压实作用持续增强，使得碎屑颗粒接触更紧密，岩石矿物相互作用后，流体介质渐变为酸性，长石、岩屑以及早期碳酸盐胶结物开始出现溶解，石英次生加大持续发育；中成岩A2期，随着烃类充注并携带有机酸及CO2等酸性流体进入储层，长石和碳酸盐胶结物的溶蚀作用更为强烈，次生孔隙逐渐成为主要孔隙类型，长石溶蚀以及黏土矿物转化形成了大量钙、镁、铁离子，后期随着酸性流体被大量消耗，烃类注入导致成岩环境的还原性增强，含铁碳酸盐胶结物开始交代碎屑颗粒，但高温超压环境使碳酸盐胶结作用受到一定程度的抑制，从而有利于“甜点”储层的发育。

图9 乐东地区中新统储层成岩演化模式Fig.9 Diagenetic evolution pattern of Miocene reservoir in Ledong area

6 结论

（1）莺歌海盆地乐东地区中新世发育重力流水道和海底扇储集体，砂岩类型主要为中—粗粒长石岩屑砂岩，分选中等，次圆—次棱角状，砂岩成分成熟度和结构成熟度均较低。孔隙类型主要为次生溶孔，孔隙结构以大—中孔、细喉型为主，孔隙连通性差，物性多为低孔低渗、特低孔特低渗。

（2）乐东地区中深层低渗型储层主要受压实作用强度控制，储层埋深大、塑性矿物含量高导致岩石的抗压实能力弱。局部碳酸盐胶结物含量高也是造成储层低渗的原因之一，而研究区超压主要形成于储层致密化后，对储层原生储集空间的保护作用有限。

（3）乐东地区中深层储层处于中成岩A2期，“甜点”储层的成岩演化受多种因素控制，溶蚀作用产生了大量的次生溶蚀孔，有效改善了储层物性，是“甜点”储层发育的直接原因。烃类充注携带的有机酸和CO2等酸性流体为主要溶蚀流体，构造作用产生裂缝改善了储层的渗透性，而高温超压环境通过影响成岩作用过程也间接改善了储层物性。