渤南北带沙三—沙四段砂砾岩储层特征及发育主控因素

胡 鑫， 丁晓琪， 张歆妍， 李 雷， 汪孝敬

( 1. 中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院 ，新疆 乌鲁木齐 830013； 2. 成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059； 3. 西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500 )

0 引言

随油气勘探开发技术的不断提高，砂砾岩油气藏研究逐步深入，尤其是准噶尔盆地玛湖凹陷10亿吨级砾岩油藏和渤海海域渤中19-6千亿立方米大型整装凝析气田的发现，进一步推动中国砂砾岩油气藏的勘探开发[1]。目前，在中国多个盆地发现以砂砾岩作为主要储层类型的油气藏，如渤海湾盆地渤中坳陷、济阳坳陷和黄骅坳陷等的多个层组[2-4]，准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组和上乌尔禾组[5-7]，松辽盆地长岭断陷营城组[8-9]，二连盆地乌里雅斯太凹陷腾格尔组等[10]，表明砂砾岩油气藏具有良好的勘探潜力。发现的砂砾岩油藏主要沉积相类型为扇三角洲[11-13]、近岸水下扇[14]、冲积扇[15]和深水浊积扇[16]等，具有近源沉积、相变快、岩石结构与成分成熟度低、储层非均质性强、储层主控因素复杂等特点，制约砂砾岩油藏的勘探开发。渤南北带沙三—沙四段为近岸水下扇沉积，发育厚层砂砾岩体，受沉积、成岩等因素控制，储层非均质性强。人们对研究区砂砾岩储层开展沉积特征、成岩演化、成岩相等方面的研究[2,4,17]，但对储层成因机理及主控因素的研究相对较薄弱，研究区砂砾岩储层发育分布规律不清。结合岩心、测井资料，笔者采用铸体薄片、扫描电镜、CT扫描等方法，从沉积和成岩两方面综合分析砂砾岩储层特征及发育主控因素，为研究区寻找有利储层提供地质依据。

1 区域地质背景

渤南洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷北部，洼陷北部以埕南断裂为界与埕东凸起断接，西部以义东断裂为界与义和庄凸起断接，南部和东部分别向陈家庄凸起和孤岛凸起超覆(见图1)[18-21]。受埕南断裂的控制，渤南洼陷总体构造为一北东向的北陡南缓、东陡西缓、北断南超的箕状断陷湖盆，自北向南可分为北部陡坡带、中部洼陷带、南部缓坡带3个次级构造单元[22]。研究区位于北部陡坡带，东西长度为20～25 km，南北宽度约为10 km，有利勘探面积约为200 km2(见图1)[17]。渤南洼陷古近系自下而上沉积孔店组(Ek)、沙河街组(Es)和东营组(Ed)[23]。其中，沙河街组自下而上可划分为沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)，研究的目的层位为沙三—沙四段。

图1 渤南北带区域位置及构造特征(据文献[20]修改)

渤南北带沙三—沙四段为近岸水下扇沉积，空间上主要发育于埕南断裂的下降盘，地震剖面上呈楔形，内部为层状、波状、杂乱前积反射结构[24]。扇根亚相的沉积微相主要为主水道和水道间沉积，以杂基支撑中—粗砾岩相和含砾细—粗砂岩相为主，几乎不含泥岩相；主水道以碎屑流沉积为主，岩石颗粒分选磨圆差，以杂基支撑为主，发育块状层理。扇中亚相为近岸水下扇的主体部分，沉积微相为辫状水道和辫状水道间，辫状水道主要以杂基支撑—颗粒支撑中砾岩相、颗粒支撑细砾岩相和含砾粗砂岩相为主，见波状层理；辫状水道间主要为块状层理的砂岩相。扇端亚相表现为碎屑流和浊流沉积，主要为泥岩相和含砾细—粗砂岩相，局部见水平层理和波状层理。

2 储层特征

研究区11口井岩石薄片鉴定结果表明，沙三—沙四段岩石颗粒粒度偏粗，主要为砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、砂岩和泥岩。岩石颗粒分选差—中等，岩屑成分主要为中酸性火山岩、变质岩和沉积岩岩屑(主要为碳酸盐岩岩屑)。由于研究区发育厚层砂砾岩且分布范围广(分布于全区)，为主要储层类型，因此文中主要探讨砂砾岩储层特征。

2.1 储集空间类型

根据55件岩心样品的铸体薄片与11件岩心样品的扫描电镜观察结果，研究区砂砾岩储层储集空间以次生孔隙为主，约占总孔隙的75%，主要为溶蚀孔(粒内/粒间溶孔)和微孔；原生孔隙主要为贴砾缝和少量粒间孔。

2.1.1 溶蚀孔

溶蚀孔隙是砂砾岩储层的重要储集空间，其成因多与有机酸或大气淡水溶蚀有关。渤南北带沙三—沙四段砂砾岩发育大量不稳定中酸性火山岩岩屑、火山灰杂基和长石，这些不稳定组分受有机酸的溶蚀而形成大量的溶蚀孔隙，大幅改善储层物性。有机酸溶蚀形成的溶蚀孔隙主要为粒内溶孔，局部发育少量粒间溶孔(见图2(a))。

图2 渤南北带沙三—沙四段主要储集空间类型

2.1.2 粒间孔

在研究区砂砾岩储层中存在两类粒间孔，第一类为碎屑颗粒之间未被填隙物充填而留下来的孔隙，在细砾岩中比较发育(见图2(a))；第二类为发育于中砾岩的砂岩岩屑孔隙，由于砂岩岩屑具有支撑作用，这类粒间孔受压实作用影响较小，能够很好地保存下来(见图2(b))。研究区砂岩岩屑含量较低，第二类粒间孔隙分布范围有限，不作为砂砾岩储层的主要储集空间。

2.1.3 贴砾缝

贴砾缝在砂砾岩储层中较常见，在铸体薄片下观察到的“贴砾缝”并不都是有效缝，很多是在取样或制样过程中形成的假缝。在识别贴砾缝时，注意观察贴砾缝的边缘是否有岩石颗粒的溶蚀或矿物的沉淀，若存在，则说明是形成于成岩期的有效缝；否则，结合岩心和测井资料综合判别。研究区沙三—沙四段发育由贴砾缝组成的网状缝，在缝的边缘可见砾石颗粒被溶蚀(见图2(c))。

2.1.4 微孔

火山玻屑与长石不稳定，酸性条件下易蚀变。火山玻屑蚀变主要形成絮状黏土，主要为伊利石和伊/蒙混层；长石蚀变主要形成高岭石。沙三—沙四段微孔主要为火山玻屑和长石蚀变形成的溶蚀微孔和黏土晶间微孔(见图2(d))。

2.2 物性特征

研究区砂砾岩储层孔隙度与渗透率相对较差，低孔低渗特征明显。孔隙度分布在1.0%～14.3%之间，平均为6.1%。渗透率分布范围较广，为(0.011～10.060)×10-3μm2，平均为1.230×10-3μm2。渤南北带砂砾岩储层可分为低孔高渗型和孔隙型储层(见图3)，低孔高渗型储层发育贴砾缝，具有低孔高渗的特征，孔隙度与渗透率之间相关关系较差；孔隙型储层储集空间主要为溶蚀孔、微孔和少量粒间孔，孔隙度与渗透率之间具有一定的相关关系。

图3 渤南北带沙三—沙四段砂砾岩储层孔渗交会

2.3 孔隙结构特征

低孔高渗型储层和孔隙型储层CT扫描分析可知，低孔高渗型储层孔隙分布不均匀，孔隙间连通性差，贴砾缝的存在使其具有较高的渗透率；孔隙型储层分布相对较均匀，以微孔为主，存在少量大孔，大孔之间发育的大量微孔使孔隙间的连通性增强，其孔隙度和渗透率之间具有一定的相关关系(见图4)。

图4 渤南北带沙三—沙四段砂砾岩储层3D重构

2.4 孔隙演化规律

渤南北带沙三—沙四段经历的成岩作用主要包括压实作用、胶结作用(碳酸盐、硅质、长石、黏土等胶结)、交代作用(方解石交代火山岩岩屑)和溶蚀作用(火山岩岩屑、长石溶蚀)，其中对储集空间演化产生重要影响的为压实作用、碳酸盐胶结作用和溶蚀作用(见图5，蓝色为孔隙)。

根据渤南北带沙三—沙四段中黏土矿物类型和含量，结合研究区埋藏史与热演化史等资料[2]、碎屑岩成岩阶段划分标准[25]，将研究区沙三—沙四段成岩作用划分为早成岩A期、早成岩B期、中成岩A期和中成岩B期(见表1)。

表1 渤南北带沙三—沙四段成岩阶段划分

研究区沙三—沙四段沉积时期气候干旱，沉积水体呈弱碱性[4]。早成岩A期，在中碱性成岩环境下溶蚀作用不强，局部存在少量长石及黏土胶结作用，对储层孔隙演化影响甚微。早成岩B期，由于有机质缓慢生烃，出现少量碳酸盐胶结作用(CO2分压增加，导致方解石沉淀)和微弱的溶蚀作用，对储层孔隙演化影响不大。因此，成岩早期主要是压实作用导致储层孔隙减少。

图5 渤南北带沙三—沙四段砂砾岩储层孔隙演化

研究区沙三—沙四段含大量中酸性火山岩岩屑和火山灰杂基，为有机酸溶蚀提供物质基础。中成岩A期，随埋深增加，地层温度不断升高，沙三段有机质演化进入高成熟期，产生大量有机酸和CO2。由于有机酸具有缓释作用，孔隙水的酸碱度不依赖于CO2分压，孔隙流体pH变化并不明显，CO2含量增加导致铁方解石和铁白云石沉淀；随有机酸含量进一步增加，有机酸缓释作用消失，pH降低，孔隙流体逐渐由中碱性过渡为酸性；酸性条件下，不稳定火山物质与长石颗粒极易被溶蚀，这些不稳定组分被溶蚀后形成大量溶蚀孔和杂基内微孔。中成岩B期，由于有机酸被消耗殆尽，溶蚀作用基本停止，孔隙流体逐渐由弱酸性过渡为弱碱性，并随地层温度进一步升高，孔隙流体中的Ca2+以CaCO3的形式析出；方解石胶结承受一部分上覆地层压力，使岩石颗粒遭受的压实作用减弱，少量原生孔隙和中成岩A期形成的次生孔隙得以保存。

3 储层发育主控因素

受强烈的压实作用、碳酸盐胶结和黏土胶结作用影响，研究区新生界储层原生粒间孔基本损失殆尽，储集空间主要为次生孔隙。次生孔隙的成因与不稳定组分的溶蚀有关，储层发育主要受岩石成分和溶蚀作用控制，其中不稳定组分是后期酸性流体改造的物质基础，富含中酸性火山岩岩屑的砂砾岩是否受有机酸溶蚀改造，是储层发育的关键，沉积环境控制储层的宏观分布规律。

3.1 物质成分

研究区砂砾岩成分以火山岩岩屑和变质岩岩屑为主，沉积岩岩屑主要分布于研究区中部，主要为碳酸盐岩岩屑。大量中酸性火山岩岩屑中的不稳定组分为后期有机酸溶蚀改造提供物质基础。在西部109井区与东部渤深6井区，首先是大量火山灰杂基被溶蚀，微孔较发育；其次是中酸性火山岩岩屑溶蚀而形成大量粒内溶孔，偶见少量长石发生溶蚀而形成铸模孔。中部107井区与东、西部井区最大的差别是碎屑颗粒中含有大量碳酸盐岩岩屑，成岩作用以碳酸盐胶结与交代作用为主，相对于西部和东部，中部的火山岩岩屑溶蚀孔欠发育。

3.2 有机酸溶蚀

研究区沙三—沙四段砂砾岩储层经历复杂的成岩作用改造后，原生孔隙欠发育，储集空间为火山灰杂基的溶蚀孔和火山岩岩屑的粒内溶蚀孔，溶蚀作用是改善储层质量的关键成岩作用。

砂砾岩具有近源沉积分选差的特点，砾石颗粒间常充填一些小颗粒，在局部形成弱压实带，保留部分原生孔隙；中成岩A期，有机质大量生烃的同时伴随生成大量有机酸和CO2，酸性条件下，中酸性火山岩岩屑、长石颗粒和火山灰杂基不稳定，后期酸性流体沿贴砾缝和砾石颗粒间保留的部分原生孔隙，对火山玻璃、长石斑晶、火山灰等物质进行溶蚀，形成大量的杂基内微孔、粒内溶孔和铸模孔，大幅改善储层物性。

3.3 沉积环境

根据岩心资料和铸体薄片观察结果，由于扇根塑性杂基含量高，杂基支撑的中—粗砾岩和含砾细—粗砂岩原始孔隙不发育，后期酸性流体无法进入其中并进行溶蚀改造，导致物性偏差；由于扇端粒度偏细，压实作用强烈，原生孔隙欠发育；扇中杂基支撑和颗粒支撑的细砾岩相分选较差，受大颗粒的支撑作用影响，在局部存在弱压实带，保留部分原生孔隙，为后期酸性流体溶蚀提供通道，使溶蚀作用强烈，次生孔隙较发育。因此，距离边界断层1～2 km的扇中区域渤深6井区(平均孔隙度为11.0%，平均渗透率为0.266×10-3μm2)和义109井区(平均孔隙度为9.6%，平均渗透率为0.230×10-3μm2)是优质储层发育区，为下一步勘探的重点区域。

4 结论

(1)渤南北带沙三—沙四段富含中酸性火山岩岩屑的砂砾岩储集空间较发育，主要为溶蚀孔、粒间孔、贴砾缝和微孔，储层物性整体偏差，具有低孔低渗的特征。低孔高渗型储层的孔隙度和渗透率之间的相关关系差；孔隙型储层以微孔为主，孔隙分布较均匀，孔隙度与渗透率之间具有一定的相关关系。

(2)砂砾岩储层孔隙演化与成岩演化密切相关，成岩早期，压实作用导致孔隙减少；中成岩A期，受不稳定组分的溶蚀而形成大量溶蚀孔；中成岩B期，方解石的胶结作用占据部分孔隙，但也减缓压实作用的进行，使早期形成的溶蚀孔隙得以保存。

(3)砂砾岩储层主要受控于原始组分和溶蚀作用，大量中酸性火山岩岩屑为有机酸的溶蚀提供物质基础，后期酸性流体沿贴砾缝和砾石颗粒间的微孔对不稳定组分进行溶蚀，大幅改善储层物性，是储层发育的关键。

(4)受大颗粒的支撑作用影响，扇中杂基支撑和颗粒支撑的细砾岩相中压实作用相对不强，为后期有机酸注入提供通道，溶蚀孔隙较发育，物性较好。距离边界断层1～2 km的扇中是优质储层发育区，为下一步勘探的重点区域。