渤海湾盆地滨海地区古近系沙河街组一段滑塌型湖底扇储集层特征及主控因素

蒲秀刚，赵贤正，王家豪，吴佳朋，韩文中，王华，时战楠，姜文亚，张伟

（1. 中国石油大港油田公司，天津 300280；2. 中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074）

0 引言

随着勘探程度的不断提高，向盆地中部和中—深层拓展已成中国陆相断陷湖盆油气勘探的大趋势。这些断陷湖盆中部的储集层砂体普遍为重力流沉积，且埋深较大，物性大幅度下降，亟待开展中—深层重力流沉积优质储集层的分布及控制因素研究。

前人关于深层优质储集层的形成机理与控制因素的认识为本项研究提供了很好的借鉴[1]。但关于“深层”和“优质储集层”，至今尚缺乏统一的划分方案。“深层”一般是指埋深大于3 000 m或3 500 m[2-5]。钟大康等[2]总结了中国深部优质储集层孔隙度大多大于10%，渗透率大于 10×10−3µm2；贾艳聪等[5]界定的优质储集层孔隙度为 10%～20%，渗透率为（0.1～1.0）×10−3μm2。参考以上方案，结合研究区储集层物性，本文将埋深大于2 500 m、中孔低渗及以上（孔隙度大于15%、渗透率大于 5×10−3μm2）定义为中—深层优质储集层[5]。通常情况下，随着压实程度的增加，原生孔隙逐渐减少，中—深层普遍为低孔低渗储集层[6]。然而勘探实践表明，深部碎屑岩中仍存在原生孔隙大量保存的优质储集层，其控制因素包括早期碳酸盐胶结和高石英颗粒含量导致的储集层抗压实能力增加、超压对孔隙的保护、有机酸溶蚀、早期烃类充注对成岩作用的抑制、绿泥石包壳抑制石英颗粒的次生加大、地层的砂泥岩结构、浊沸石溶蚀等[2-3,5,7-9]。吴浩等将上述有利控制因素归纳为“增孔”和“保孔”2类[10]。

关于重力流沉积的储集性，传统上认为，重力流的快速搬运-沉积不利于沉积物分异，以致砂岩分选差、基质含量高和储集性不佳。但郑荣才等对珠江口盆地白云凹陷重力流沉积储集层研究指出，砂质碎屑流沉积砂体的分选性大部分较好，少量达到中等；磨圆度以次棱角状为主，少数为次圆状，结构成熟度总体中等偏高，形成中—高孔、中—高渗的中—深层储集层[9]。陈彬滔等对松辽盆地英台地区白垩系青山口组研究揭示，该层段发育较多细砂岩储集层，属重力流沉积，其碎屑颗粒呈次棱角—次圆状，分选好，颗粒支撑，泥质杂基体积分数低至3%，具有低成分成熟度、高结构成熟度的岩石学特征。由于重力流的块体搬运机制，这些砂体继承了三角洲前缘高能环境砂岩的原始孔渗特征，保存了较多的原生粒间孔和少量粒内溶孔，以致在中—深层埋深前提下其储集性甚至优于三角洲前缘砂体[11]。

本文研究区——滨海地区位于渤海湾盆地歧口凹陷的中部，在古近系沙河街组一段沉积时期远离歧口凹陷的边缘，近年来在该层位陆续发现了一些高产油井，因此成为大港油田油气勘探的重要接替区块。该区沙一段砂岩储集层埋深普遍大于2 500 m，具有重力流沉积、中—深层优质储集层、湖盆中部油气成藏的3重特点[12-13]。本文以此为研究对象，采用岩心、测井、普通薄片、铸体薄片、扫描电镜和物性分析资料，从沉积和成岩2个方面，探讨其优质储集层的主控因素。

1 地质背景

歧口凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷中区，属中—新生代渤海湾断陷盆地群的组成部分，历经了从古近纪裂陷至新近纪拗陷的构造演化过程。在裂陷期，受北北东、北东和东西向断裂的控制，歧口凹陷发育了1个主凹（歧口主凹）、5个次凹（板桥、歧北、歧南、北塘和沙南次凹）、5个凸起（北大港、南大港、塘沽—新港、大神堂和涧南），以及埕北断阶带等11个次级构造单元，总体呈现东西分带、南北分块的构造格局（见图1a）[14]。

受沧县隆起、埕宁隆起、燕山造山带和沙垒田凸起的物源供给控制，歧口凹陷古近纪沉积了巨厚的碎屑岩和少量碳酸盐岩，自下而上划分为沙河街组和东营组。其中，沙河街组进一步细分为沙三段（包括Es33、Es32、Es31共3个亚段）、沙二段（Es2）和沙一段（包括 Es1x、Es1z和Es1s共 3个亚段）；东营组细分为东三段、东二段和东一段（见图1b）。沉积层序上，沙三段、沙二段—沙一段、东营组分别表现为“粗—细—粗”的沉积旋回。其中，沙三段以深湖背景下扇三角洲—辫状河三角洲—湖底扇沉积为特色，沙二段—沙一段以浅—深湖背景下扇三角洲—碳酸盐岩滩坝—湖底扇沉积为特色，东营组以浅—深湖背景下三角洲沉积为特色。沙一段沉积时期，歧口凹陷内重力流沉积十分广泛，尤其是歧口主凹大部为该类沉积所覆盖。本文研究区——滨海地区位于歧口主凹的西部，是重力流沉积和近年来油气发现的主体部位（见图 1a）。蒲秀刚等[12]强调了该区重力流沉积的“远岸”特点，命名为远岸水下扇。王家豪等[15]进一步厘定其滑塌型成因，并命名为滑塌型湖底扇。

图1 歧口凹陷构造单元区划（a）及地层序列（b）

2 储集层沉积和岩石学特征

2.1 储集层沉积学特征

滨海地区在沙一段沉积时期远离盆地边缘，但钻井在沙一段揭示了较多砂岩储集层。通过20多口钻井的岩心观察表明，这些砂岩储集层主要由粉—细砂岩和少量含砾中—粗砂岩组成，普遍含褐红—深灰色泥砾和深灰色砂-泥岩碎块，发育块状-递变层理，局部具鲍马序列和滑塌变形构造。其中，泥砾具磨圆，粒径最大4 cm，常分布于正递变层理砂岩的顶部。相比之下，泥岩碎块呈棱角分明的撕裂状，内部见砂泥薄互层岩性组合和卷曲变形纹理（见图2a）。以上特征指示湖底扇属滑塌型重力流成因[15]。

滑塌型重力流是由堆积在地貌或沉积斜坡上（如三角洲前缘）的松软沉积物在重力超过沉积物剪切强度的条件下发生蠕变→破裂→破碎→流动演变形成的。其触发机制包括坡度增大、沉积物增厚、沉积物孔隙流体压力增加导致的沉积物液化、地震等，在海相盆地还包括海啸和风暴潮等诱因。歧口主凹北邻北大港凸起，两者之间由3～4级雁列状排列的正断层衔接，构成了多级断阶背景。北大港凸起在沙一段沉积时期属水下低凸起和滨浅湖背景，以滩坝沉积为主[16-17]。除了碎屑岩滩坝之外，还少量发育碳酸盐岩滩坝，由鲕粒灰岩和生物碎屑灰岩组成。滨海地区沙一段砂岩中含少量鲕粒、鲕粒灰岩岩屑，是湖底扇物源来自北大港凸起先期滩坝沉积的可靠证据。同时，多级断阶提供了重力流多级加速的条件，同沉积正断层活动也是触发滑塌型重力流的有利因素。从重力流的流态上看，滑塌作用普遍形成砂质碎屑流，活动于滑塌型湖底扇的各级水道，随后在外扇的席状朵叶转变为浊流沉积[9,11-12,18-20]，蒲秀刚等在研究区曾得出了类似的认识[12]。

图2 港深72井沙一段湖底扇沉积构造（a）及测井曲线特征（b）

在岩心观察的基础上，依据测井曲线和砂岩等厚图，本次研究进行了沉积微相垂向演化和平面展布分析。湖底扇在垂向上表现为大尺度的反旋回序列（见图2b）。唐家河井区钻井较多，编制的Es1s下部砂岩等厚度图显示，该区为一个主物源导入部位，砂体由北向南减薄，并出现3级分叉，由此划分为内扇主水道、中扇近端分支水道和末梢分支水道、外扇席状朵叶、水道边缘等微相（见图 3）。其中，主水道沉积物粒度粗，由细砂岩和含砾中—粗砂岩组成，其自然伽马曲线呈高幅厚箱型；近端分支水道微相由细砂岩组成，自然伽马曲线呈薄箱型—钟型；末梢分支水道微相由粉砂岩组成，自然伽马曲线呈圣诞树型；席状朵叶微相由泥质粉砂岩—粉砂岩组成，自然伽马曲线呈齿化漏斗型；水道边缘微相由粉砂岩组成，自然伽马曲线呈圣诞树型—细齿型。勘探结果表明，主水道和近端分支水道沉积砂岩的厚度大，单期厚度为2.0～5.5 m，多期叠置砂岩最厚达20 m，两者的含油性最好，是研究区高产油井的主要储集层沉积微相类型。

2.2 储集层岩石学特征

通过对港深59井、港深72井、港深47井、港深46井、港深48井等的钻井岩心、岩石薄片观察和粒度分析，滨海地区沙一段储集层砂岩的石英含量为17%～61%，平均值为 40.1%；长石含量为 21.2%～59.4%，平均值为45.5%；岩屑含量为8.2%～43.5%，平均值为14.4%，归属于长石砂岩、岩屑长石砂岩和少量长石岩屑砂岩等岩石学类型。其独特之处在于，岩屑成分多样，包括安山岩、花岗岩、流纹岩、变质岩、燧石、鲕粒灰岩、泥晶灰岩、鲕粒等（见图4）[21]。

结构上，砂岩的分选、磨圆度普遍较差，但也有部分砂岩分选中等—较好。对上述钻井沙一段31个砂岩样品进行粒度分析，其累计概率曲线呈近一段式和上拱两段式，前者为浊流沉积的典型样式；后者可明显区分跳跃和悬浮两类总体，与牵引流沉积的粒度曲线特点类似（见图 5）。通过粒度参数评价，分选较好的占 11.3%，分选中等的占 25.8%，分选较差的占53.2%。总体上，储集层砂岩具有低成分成熟度和低—中等结构成熟度的特点，包括上述粒度曲线与牵引流沉积砂岩类似，一定程度上体现了对先期沉积特点的继承性，这也是滑塌型重力流沉积的重要特征[9,11]。

图3 唐家河井区Es1s下部湖底扇沉积微相平面图

3 储集层物性特征

3.1 储集层孔-渗结构类型

滨海地区沙一段样品共2 582个，包括细砂岩、少量中砂岩和粉砂岩等不同岩性。统计和交会分析显示，其孔隙度与渗透率正相关。其中，孔隙度以中孔（15%～25%）为主，占比为54.61%；其次是低孔（10%～15%），占比为31.84%；高孔（25%～30%）少量，占比为3.29%。渗透率主要为特低渗（小于5×10-3μm2），占比为 59.26%；其次是低渗（（5～50）×10-3μm2），占比为34.15%；中渗（（50～500）×10-3μm2）少量，占比为 5.75%。一方面，砂岩储集层的孔隙度与渗透率变化趋势不协调，渗透率下降更加显著，对研究区油气勘探带来较大挑战；另一方面，尽管目的层段埋深普遍大于2 500 m，低孔特低渗储集层占比大，但也存在较多中孔低渗和少量高孔中渗类型，是本文重点研究的对象（见图6）。

3.2 储集空间类型

通过铸体薄片和电镜扫描分析，研究区砂岩储集空间类型包括原生粒间孔隙、溶蚀孔隙、长石解理缝和微裂缝。

①原生粒间孔隙。一般认为，埋深超过3 000 m的储集层中，因为压实和胶结等作用，原生孔隙几乎损失殆尽，孔隙类型以次生孔隙为主[6]。但越来越多的研究表明，碎屑岩储集层的原生孔隙能有效保存到埋深3 500～4 500 m，是中—深层异常高孔渗储集层的必备条件[4-5]。研究区也不例外，砂岩储集层普遍保存有少量原生粒间孔隙，部分还发生后期溶蚀扩大。图4g所示，滨21井Es1s3 419.4 m深度段样品为岩屑长石细砂岩，分选、磨圆较好，颗粒呈次棱—次圆状，颗粒之间点-短线接触为主，原生粒间孔隙大量保留，并发育少量溶蚀孔隙。

②溶蚀孔隙。包括粒间溶蚀和粒内溶蚀2类孔隙。粒间溶蚀呈港湾状分布于颗粒边缘。相比而言，粒内溶蚀现象更为突出，除了常见的长石颗粒溶蚀之外，还包括安山岩、花岗岩、灰岩岩屑颗粒的粒内溶蚀，甚至整个颗粒遭受溶蚀而斑驳不均（见图4a、图7a—图7c）。

③构造微裂缝。本次薄片观察识别出较多微裂缝，其裂缝面平直，延伸具有方向性，局部呈阶梯状排列，分为沥青充填或未充填 2类，指示为张扭性构造成因和多期活动性（见图7d—图7h）。图7d所示滨海4井5 154.8 m深度段样品，砂岩分选差，颗粒呈次圆—次棱状，存在少量粒间孔、粒间、粒内溶孔和微裂缝。

图4 滨海地区沙一段砂岩碎屑颗粒的成分、结构特征

图5 滨海地区沙一段砂岩粒度分布图

图6 滨海地区沙一段砂岩孔隙度（a）、渗透率（b）随深度变化图

④长石解理缝。表现为部分溶蚀沿解理缝发育，或部分解理缝被碳酸盐胶结物充填（见图7h）。

以上4类储集空间中，溶蚀孔隙发育最为普遍，是研究区首要的储集空间类型；原生粒间孔隙在部分样品中大量保存，对优质储集层的意义重大；再次为构造微裂缝，其突出意义在于改善渗透性，尤其是在研究区渗透率大幅下降的背景下；长石解理缝少量可见，普遍遭受进一步溶蚀，单纯的长石解理缝对储集空间贡献较小。

4 优质储集层主控因素

滨海地区沙一段砂体除了少数临近北大港凸起之外，埋深普遍大于2 500 m，部分达到5 500 m，但钻井揭示了中—深层较多中孔低渗和少量的高孔中渗储集层（见图 6），局部保存了较多的原生粒间孔隙，并带来了高产油气的发现。影响储集层物性的因素较多，服务于研究区优质储集层分布预测的目的，本文对其主控因素进行了探讨。

4.1 有利的沉积微相

不同沉积微相表现为岩性组成及搬运-沉积机制的差异，从而控制储集层物性。众多的研究揭示，砂岩的物性与粒度呈正相关关系，厚层砂岩有利于保持储集性，砂质碎屑流比浊流更有利于形成优质储集层[2,9,11]。基于岩心观察和含油性特征，研究区湖底扇的内扇主水道沉积物粒度粗，厚度大，以砂质碎屑流为主，是研究区高产油气发现的首要沉积微相类型；近端分支水道岩性粒度中等，以砂质碎屑流为主，浊流次之，含油性中等；远端分支水道、水道边缘和外扇席状朵叶体微相岩性细，砂层薄，以浊流为主，含油性较差（见图2、图3）[12-13]。

图7 滨海地区沙一段砂岩储集层储集空间类型

研究区Es1x和Es1s物性分析样品多，本文采用29口钻井、总计2 300个样品数据，对主水道、近端分支水道、远端分支水道、分支水道边缘和席状朵叶体等5个微相的样品物性进行了分析比较。由于向着凹陷中心地层的埋深增大，样品埋深差异最大超过2 000 m。为消除埋深差异的影响，本文研究首先拟合孔隙度、渗透率随深度变化关系，将样品统一校正至埋深3 000 m[22]，然后编制孔隙度-渗透率交会图。结果显示，Es1s沉积微相与储集层物性的相关性明显：主水道物性最好，其次为近端分支水道，远端分支水道和水道边缘略差于近端分支水道，席状朵叶体的物性最差（见图8a）。相比之下，Es1x沉积相与储集层物性的相关性减小，除了席状朵叶体和水道边缘物性总体较差之外，主水道、近端分支水道、远端分支水道微相的物性差别不大，交会点的分布比 Es1s更加分散，校正后的渗透率总体偏高，指示次生孔隙发育和储集层物性更多地受成岩作用控制（见图8b）。因此，随着埋深的增加，沉积对储集层物性的控制作用减弱，而受成岩的控制作用增强。

图8 沙一段不同沉积相储集层孔隙度-渗透率交会图

4.2 中等结构成熟度

岩石结构上，研究区存在较多分选中等—较好的砂岩（见图4g），成因上与滑塌重力流的沉积特点有关。砂岩中含少量腹足生物化石和鲕粒、鲕粒灰岩岩屑（见图 4a、图 4b），指示了湖底扇的物源主要来自于北大港凸起上先期沉积的滩坝砂岩，经过滑塌和砂质碎屑流的块体搬运-沉积过程，部分继承了滩坝砂岩的结构特点，砂岩分选好，有利于原生孔隙的发育和增强抗压实能力[5,16-17]。

4.3 高含量的中—酸性火山岩岩屑

碎屑岩颗粒构成了储集层的孔隙格架，其成分和结构对物性有重要影响。研究区储集层岩石学的突出特点是岩屑含量高且类型多样，较多为中—酸性岩浆岩岩屑颗粒。由于岩屑颗粒溶蚀孔隙的发育，这种低的成分成熟度反而成为优质储集层发育的有利因素。图7b—7e所示，溶蚀孔隙大量出现在灰岩、安山岩、花岗岩岩屑颗粒和长石颗粒内，尤其是安山岩和花岗岩岩屑颗粒常常被溶蚀成筛网状。特别地，滨海 4井5 356.8 m砂岩样品中，安山岩颗粒普遍发生粒内溶蚀。中—深层储集层在埋藏成岩过程中历经了烃类成熟导致的有机酸溶蚀作用，在这种前提下，易溶矿物的含量对溶蚀孔隙的发育具有决定性意义。安山岩和花岗岩中包含角闪石、辉石、长石等较多欠稳定矿物，容易在暴露剥蚀过程中遭受风化淋滤，并在随后的埋藏成岩过程中被进一步溶蚀[23-24]。相比之下，高的石英含量有利于增强岩石的抗压实能力，但研究区砂岩中石英次生加大现象突出，对储集层物性的破坏作用明显，指示了高的成分成熟度并不利于优质储集层的发育（见图7h）。

4.4 有机酸溶蚀作用

溶蚀孔隙大量发育是中—深层优质储集层的普遍特点[4]。前人研究揭示，中国东部新生代断陷盆地的储集层砂岩普遍在埋深3 000 m以深进入中成岩A期演化阶段。对应于该成岩阶段，压实、钙质胶结、石英次生加大等破坏性成岩作用导致储集层致密化，但该阶段也是烃类成熟和油气开始大量生成阶段，从而造成有机酸溶蚀作用大量发生[12]。由于重力流砂体被烃源岩包裹，以及合适的埋深和易溶的颗粒成分，溶蚀作用成为研究区沙一段砂岩储集层表现最突出的成岩作用。

4.5 早期形成且持续存在的超压

超压对碎屑岩储集层物性具有保护作用，表现为：抵御压实作用；限制流体活动，抑制胶结作用；抑制蒙脱石向伊利石的转化，有利于保持岩石渗透性；增加碳酸盐的溶解度，减缓碳酸盐岩胶结物的发育等[25]。在目前报道的中—深层优质储集层中，超压的存在十分普遍，是中—深层优质储集层发育不可或缺的条件[3-5,10]。蒲秀刚等[25]研究揭示，歧口主凹沙河街组发育多段超压，其深度范围与层序地层格架下的湖泛泥岩段吻合，体现了超压与厚层泥岩欠压实、生烃增压的成因联系。本次研究进一步编制了泥岩声波时差随深度变化剖面，显示滨海地区虽然不同钻井进入超压的深度存在差异，但沙一段已普遍进入超压段，且向下延伸的深度范围大于2 000 m，整体表现为一个巨大的超压封存箱，内部还存在3～4个压力梯度变化，与湖泛厚层泥岩的分布有关（见图9）。例如，滨海8井Es1z中部的超压幅度高，与该层段厚层泥岩段对应一致。

图9 滨海地区泥岩声波时差随深度变化图

图10 歧口凹陷张扭性断层展布及花状构造

滨海地区湖底扇砂体被夹持在厚层深湖相泥岩中，超压封存箱的发育保证了储集层原生孔隙的大量保存。图4g样品埋深为3 419.4 m，薄片显示砂岩的压实程度低，颗粒之间点接触，原生粒间孔隙大量保存，是“欠压实”特征的最好证据。同时，这种“欠压实”也指示了超压形成的时间早，属早期超压类型，区别于“先成岩、后超压”的晚期超压[4]。总之，研究区超压是在湖盆中心厚层泥岩持续沉积的前提下，流体排泄不畅、早期形成的欠压实超压被随后的生烃增压进一步强化的结果。

4.6 张扭性区域构造作用

微裂缝是流体渗流活动的“高速公路”，储集意义极其重要。在深部储集层渗透率大幅下降的前提下，微裂缝能极大地改善储集层的渗透性。此外，微裂缝还是酸性流体侵入、溶蚀物质成分迁出的重要通道，对溶蚀作用具有不可替代的意义。基于深部地震相干切片和剖面解释，滨海地区发育 2条北东走向的基底走滑断层，它们活动于古近纪，在平面上延伸距离达70 km，形成了一个4～11 km宽的菱形区（见图10a）。这两条断层切割了海河—新港断层、歧中断层和张东断层等大型正断层，还伴生了密集、雁行排列的小断层。这些小断层局部呈花状构造样式（见图 10b），指示了张扭性区域构造作用，并与薄片中阶梯状微裂缝体现的张扭性性质吻合。滨海地区大部被这 2条走滑断层所夹持，是研究区微裂缝大量发育的原因[14]。

以上认识现今已用于指导生产，主要措施包括：应用多级分支的湖底扇沉积相模式编制沉积微相平面图、寻找主水道和近端分支水道的优势储集相带（甜点）；结合断裂带的分布布置钻井；针对储集层渗透率较差的特点实施常规压裂或酸化，取得了较好的勘探开发效果。如港深 33井位于张扭性构造带，在 Es1x4 114～4 183 m钻遇主分流水道砂岩，平均孔隙度为12.9%，平均渗透率为0.4×10−3μm2，经压裂后获得高产，产油量大于20 t/d。

5 结论

应用岩心、粒度、薄片和物性测试资料，分析滨海地区沙一段储集层的沉积相、岩石学和储集性特征及主控因素，得出了以下认识：①储集层砂岩属滑塌型湖底扇沉积，由先期滩坝砂体滑塌、再沉积形成，以含泥岩碎块、滑塌变形构造和鲍马序列为识别标志，并发育内扇主水道、中扇近端分支水道—末梢分支水道、外扇席状朵叶、水道边缘等微相。②储集层主要为低孔特低渗、中孔低渗类型，少量为高孔中渗类型。孔隙类型主要包括原生粒间孔隙、粒间和粒内溶蚀孔、微裂缝等。③优质储集层的主控因素包括：有利的沉积微相，包括内扇重力流主水道和中扇近端分支水道2种类型；中等结构成熟度，有利于原生粒间孔隙发育；高含量的中—酸性火山岩岩屑，易于溶蚀，提供溶蚀孔隙发育的物质基础；有机酸溶蚀作用；早期发育且持续存在的超压，原生粒间孔隙得以大量保存；张扭性区域构造作用，形成了较多微裂缝，有利于改善渗透率。