張園園， 蔣有錄， 劉景東， 徐田武， 呂雪瑩

( 1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島　266580；　2. 中國石化中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽　457001 )

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東濮凹陷杜寨地區(qū)深層砂巖儲層致密化與油氣充注關(guān)系

張園園1， 蔣有錄1， 劉景東1， 徐田武2， 呂雪瑩1

( 1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580；2. 中國石化中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽457001 )

為分析東濮凹陷杜寨地區(qū)沙三中—下亞段致密砂巖儲層演化與油氣充注過程的耦合關(guān)系，綜合運用鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡、熒光顯微及流體包裹體等測試方法，明確杜寨地區(qū)沙三中—下亞段儲層特征、成巖作用、成巖演化序列、儲層孔隙度演化史和油氣充注史等。結(jié)果表明：杜寨地區(qū)沙三中—下亞段處于中成巖B期至晚成巖階段，在經(jīng)歷三期鈣質(zhì)膠結(jié)、三期溶蝕、持續(xù)壓實的復(fù)雜成巖過程后，在斜坡帶發(fā)育低孔低滲砂巖儲層，在洼陷帶發(fā)育特低孔特低滲致密砂巖儲層。東營組沉積末期，儲層尚未致密化，低熟—成熟有機質(zhì)在斜坡帶聚集形成常規(guī)型油氣藏，在洼陷帶附近形成“邊致密邊成藏”型致密砂巖油氣藏。明化鎮(zhèn)組沉積末期至今，儲層致密，除少量油氣向上運移、在斜坡帶形成“邊致密邊成藏”型油氣藏外，仍有大量晚期生成的天然氣在洼陷帶附近聚集，形成典型的“先致密后成藏”型致密砂巖氣藏。

深層致密砂巖； 孔隙度演化； 油氣充注期； 成巖—成藏匹配關(guān)系； 杜寨地區(qū)； 東濮凹陷

0　引言

隨著致密砂巖油氣成藏理論體系的逐步完善，以及勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，已發(fā)現(xiàn)多個蘊藏致密油氣的盆地，并且獲得突破性工業(yè)產(chǎn)量[1-7]。目前，中國致密油可采資源量為(13～14)×108t，致密砂巖氣可采資源量為(8.8～12.1)×1012m3[2-3]。致密砂巖油氣成為我國現(xiàn)階段非常規(guī)油氣領(lǐng)域更為現(xiàn)實的勘探開發(fā)選擇[4-5]。

人們對致密砂巖成巖、成藏特征展開研究。操應(yīng)長、于興河等認為，沉積環(huán)境控制儲層厚度、空間展布特征及發(fā)育規(guī)模等，進而影響儲層物性[8-9]。楊威、朱世發(fā)等認為，沉積微相控制儲層微觀特征，如沉積物的粒度、成分及成熟度等，對壓實強度有一定的影響[10-11]。Stroker T M、李易隆等肯定成巖作用在儲層物性演化過程中的決定性作用，主要表現(xiàn)為壓實作用主導(dǎo)減孔，膠結(jié)作用加強低滲，溶蝕作用改善物性[8-17]。根據(jù)源巖生排烴期與儲層致密化的先后關(guān)系，姜振學(xué)、劉明潔等將致密砂巖油氣藏劃分為先致密后成藏、先成藏后致密兩類[4,18]。羅文軍、陳冬霞等研究致密砂巖油氣藏儲層成巖作用與油氣成藏匹配關(guān)系，明確致密砂巖油氣成藏的動態(tài)過程與機理[19-20]。

東濮凹陷中淺層已進入高成熟勘探期，突破難度大。目前已發(fā)現(xiàn)的6×107t致密砂巖油藏及2×1011m3的致密砂巖氣藏分布在3 500 m以下的深層。深層致密砂巖油氣藏成為東濮凹陷勘探開發(fā)的重點，但關(guān)于其成藏過程與充注機理的研究還較少。筆者選取東濮凹陷前梨園洼陷南部的杜寨地區(qū)沙三中—下亞段為研究對象，采用鏡下薄片鑒定、陰極發(fā)光和流體包裹體測試等，明確其儲層發(fā)育特征，判斷儲層成巖演化序列并恢復(fù)儲層孔隙度演化史，結(jié)合油氣充注史研究，分析杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖儲層致密化與油氣充注過程的耦合關(guān)系，為認識東濮凹陷古近系致密砂巖油氣藏勘探提供參考。

1　地質(zhì)背景

東濮凹陷位于渤海灣盆地西南部，受斷裂作用控制明顯，為呈“東西分帶、南北分塊”構(gòu)造特征的箕狀凹陷[21-22]。杜寨地區(qū)位于東濮凹陷前梨園洼陷南部，是發(fā)育于沙三中—下亞段沉積期且受杜寨斷層控制的低幅背斜(見圖1)。杜寨地區(qū)發(fā)育構(gòu)造—巖性油氣藏、巖性油氣藏，目前已探明天然氣控制儲量37.99×108m3，且集中分布在4 200 m以下的深層。

圖1　研究區(qū)位置及油氣藏剖面Fig.1 Location map of the study area and its main reservoir section

2　儲層特征

2.1巖石學(xué)

杜寨地區(qū)沙三中—下亞段多發(fā)育0.5～2.5 m厚的砂巖薄層，以過渡型長石巖屑質(zhì)石英砂巖—巖屑質(zhì)長石砂巖為主(見圖2)。其中石英體積分數(shù)為43.70%～87.00%，平均體積分數(shù)為67.69%；長石體積分數(shù)為9.50%～31.30%，平均體積分數(shù)為19.02%；巖屑平均體積分數(shù)為13.29%，以云母片巖、脈石英、燧石等變質(zhì)巖巖屑為主。顆粒粒徑多分布在0.01～0.25 mm之間，以粉砂巖為主，細砂巖次之。其結(jié)構(gòu)成熟度低，顆粒多為次棱角狀，分選中等—較差，以線接觸為主，發(fā)育孔隙—接觸式膠結(jié)及基底式膠結(jié)。

2.2物性

杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖孔隙度與滲透率之間具有良好的半對數(shù)線性關(guān)系(見圖3)。其中，洼陷帶孔隙度多分布在2.00%～8.00%之間，滲透率小于0.1×10-3μm2，為特低孔特低滲致密儲層；斜坡帶孔隙度以8.00%～12.00%為主，滲透率分布范圍較大，為低孔低滲砂巖儲層。受溶蝕作用及微裂縫的改造，砂巖儲層在整體致密的背景下存在局部高孔高滲點。

圖2　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖成分三角圖Fig.2 Triangular diagram of sandstone components of middle and lower sub-member of Es3 in Duzhai area

圖3　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖物性特征Fig.3 Physical property characteristics of sandstone of middle and lower sub-member of Es3 in Duzhai area

巖心觀察及鏡下薄片鑒定結(jié)果顯示，研究區(qū)孔隙類型主要為原生粒間孔隙，包括原始粒間孔隙和殘余粒間孔隙(見圖4(a))；次生溶蝕孔隙，包括粒間擴大溶孔、長石等粒內(nèi)溶孔、鈣質(zhì)等膠結(jié)物內(nèi)溶孔和溶蝕縫(見圖4(b))；填隙物內(nèi)孔隙，包括雜基內(nèi)孔隙和自生礦物晶間孔；微裂縫(見圖4(c)、(d))。其中，次生溶蝕孔占總孔隙度的73%，是儲層最主要的孔隙類型。

圖4　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖儲層鏡下特征Fig.4 The microscopic characteristics of middle and lower sub-member of Es3 reservoir in Duzhai area

3　儲層致密化過程

3.1成巖演化序列

3.1.1成巖作用類型

杜寨地區(qū)沙三中—下亞段為湖泊—辮狀河三角洲前緣亞相沉積[23]。鏡下觀察結(jié)果表明，研究區(qū)沙三中—下亞段儲層成巖作用類型主要有壓實及壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用及溶蝕作用。壓實和膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層物性降低的主要因素。

(1)壓實及壓溶作用。基于沉積作用控制下砂巖儲層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，壓實作用不僅使顆粒之間接觸方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，還造成鮞粒、巖屑等的塑性形變，長石晶格扭裂錯位、壓裂破碎、云母與硅質(zhì)礦物呈假雜基充填于顆粒周圍(見圖4(e))。

孔隙度隨深度變化關(guān)系表明，壓實作用為研究區(qū)中—淺層(<4 000 m)的主要減孔因素(見圖5)。對于4 000 m以下的深層，隨壓實作用對物性的影響減弱，壓溶作用對儲層的破壞性影響有所加強，主要表現(xiàn)為碎屑顆粒之間呈凹凸—縫合線接觸(見圖4(f))，以及硅質(zhì)的不規(guī)則狀產(chǎn)出。壓實及壓溶作用導(dǎo)致“先減孔隙度、后降滲透率”的破壞性成巖。

圖5　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段成巖階段劃分Fig.5 Diagenetic evolution sequence of middle and lower sub-member of Es3 reservoir in Duzhai area

(2)膠結(jié)作用。膠結(jié)作用是造成杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖儲層致密化最為關(guān)鍵的成巖因素。碳酸鹽類膠結(jié)物尤其發(fā)育，體積分數(shù)為11.00%～38.00%，以早期鈣質(zhì)泥晶、早期亮晶方解石、晚期鐵白云石、鐵方解石四種形式賦存(見圖4(g)、(h))。早期方解石分布于殘余原生孔隙，且多被溶蝕，在降低有效孔隙的同時，又為后期溶解作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)；晚期含鐵鈣質(zhì)膠結(jié)物對碎屑顆粒及早期方解石進行膠結(jié)交代，占據(jù)大量有效孔隙，對物性的影響不利。

硅質(zhì)膠結(jié)物體積分數(shù)較低，主要以Ⅰ級加大邊形式存在(見圖4(i))。伊利石、綠泥石等黏土礦物充填粒間孔隙(圖4(i)、(j))。此外，球粒狀黃鐵礦雖然體積分數(shù)較低，但主要賦存于粒間孔隙，堵塞喉道，降低儲層滲透性(見圖4(k))。

(3)交代作用。研究區(qū)交代作用主要表現(xiàn)為：1)碳酸鹽類礦物之間的交代作用，即晚期鐵白云石、鐵方解石膠結(jié)物交代早期方解石膠結(jié)物(見圖4(l))；2)不同類型礦物之間的交代作用，呈零星斑塊狀硬石膏對碎屑顆粒等進行非選擇性交代(見圖4(m))，因其沉淀溫度為80～100℃，不易被溶蝕[24]，所以降低儲層物性；碳酸鹽類礦物對長石、巖屑等碎屑顆粒進行交代?？傮w上，交代作用對儲層物性影響較小。

(4)溶蝕作用。杜寨地區(qū)主要發(fā)育三期溶蝕作用，溶蝕的對象主要為長石、巖屑、鈣質(zhì)膠結(jié)物及鮞粒核、石鹽等易溶組分(見圖4(n)、(o))，形成次生溶蝕粒內(nèi)孔、粒間溶蝕擴大孔、鑄?？椎龋瑥亩纳苾游镄?。此外，烴類以瀝青的形式分布于儲集空間(見圖4(a)、(n))，對物性造成雙重影響，一方面有機質(zhì)生烴過程產(chǎn)生有機酸，促進溶蝕作用的進行；另一方面烴類占據(jù)孔隙，阻止后續(xù)成巖作用對儲層的改造，使部分孔隙得以保留[25]。受超壓及強壓實作用影響，研究區(qū)沙三中—下亞段發(fā)育未充填微裂縫(見圖4(p))，對滲透性的改善效果明顯。

3.1.2成巖演化過程

通過鏡下觀察自生礦物生成順序與交切關(guān)系，結(jié)合膠結(jié)物伴生鹽水包裹體測試結(jié)果，分析成巖作用及自生礦物成巖環(huán)境，杜寨地區(qū)沙三中—下亞段處于中成巖B期或晚成巖階段(見圖5)。

(1)壓實作用貫穿始終，在成巖早期對物性影響極為明顯(見圖4(e)、(f))。

(2)發(fā)育三期碳酸鹽巖膠結(jié)。泥晶方解石體積分數(shù)極低，與顆粒邊緣平直接觸，形成于早成巖A期。亮晶方解石形成于早成巖期，主要呈斑塊狀充填于原生的粒間孔，且發(fā)生過一次溶蝕，與周圍顆粒呈港灣狀接觸。鐵方解石、鐵白云石呈連片狀充填于次生溶蝕孔隙，且交代顆粒及早期方解石，形成于成巖晚期(見圖4(l))。

(3)發(fā)育三期溶蝕作用。第一期，當(dāng)?shù)貙訙囟葹?0～100 ℃時，有機質(zhì)處于低成熟階段，泥巖中的干酪根脫去含氧官能團，形成大量的有機酸進入孔隙后，對砂巖中的早期鈣質(zhì)膠結(jié)物進行選擇性溶蝕。第二期發(fā)生于東營組沉積末期，地層大幅抬升，受大氣淡水影響，對長石等產(chǎn)生次生溶蝕。第三期發(fā)生于館陶組沉積末期，當(dāng)?shù)貙訙囟葹?50～170 ℃時，有機質(zhì)進入高成熟期[25]，二次生烴及原油裂解釋放的有機酸進一步溶蝕儲層，改善儲層質(zhì)量(見圖4(n))。

(4)石英加大邊與石英顆粒之間發(fā)育綠泥石膜，綠泥石膜形成時間早于石英加大邊的。

(5)長石高嶺石化釋放二氧化硅，形成硅質(zhì)膠結(jié)物[26]，部分硅質(zhì)膠結(jié)物形成于長石溶解之后。

(6)呈零星斑塊狀硬石膏對碎屑顆粒及鐵方解石、鐵白云石等進行非選擇性交代，屬晚期膠結(jié)物(見圖4(m))。

研究區(qū)致密砂巖儲層經(jīng)歷的成巖演化序列為：機械壓實→綠泥石膜→微量石英加大邊→早期泥晶方解石、菱鐵礦膠結(jié)→早期碳酸鹽溶解、長石及巖屑溶解→自生石英、自生高嶺石膠結(jié)，次生孔隙發(fā)育→亮晶方解石沉淀→石英溶解→鐵白云石、鐵方解石膠結(jié)、交代→硬綠泥石、伊利石等自生黏土礦物沉淀→長石、巖屑等因地層抬升而遭受大氣淡水淋濾大量溶解→鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)交代→微裂縫。

3.2成巖演化對孔隙度影響

在明確成巖演化序列的基礎(chǔ)上，利用Axio Vision Software Rel圖像分析軟件，采取人工圈繪與計算機圖像分析結(jié)合的方法，對鏡下各鑄體薄片中面孔率、粒間孔面孔率、溶蝕孔面孔率、膠結(jié)物面孔率等進行測量。對鏡下面孔率X與實測孔隙度Y進行擬合，結(jié)果為：Y=1.461 7X0.865 1，R2=0.805 7。

通過對各類膠結(jié)物鏡下面孔率與孔隙度進行換算，并結(jié)合成巖演化序列，采用反演孔隙度的方法[27-28]，恢復(fù)各成巖階段杜寨地區(qū)斜坡帶、洼陷帶沙三中—下亞段砂巖孔隙度演化史(見圖6)。由圖6可知，杜寨地區(qū)沙三中—下亞段砂巖儲層經(jīng)歷原生孔隙喪失→次生孔隙出現(xiàn)→次生孔隙減小的過程。

圖6　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段儲層孔隙度演化史Fig.6 Porosity evolution of the middle and lower sub-member of Es3 reservoir in Duzhai area

早成巖A期，受壓實作用影響，洼陷帶、斜坡帶分別減孔13.57%、19.48%。早成巖B期，洼陷帶受早期方解石膠結(jié)作用較強，減孔11.20%，儲層逐漸致密。斜坡帶受膠結(jié)作用影響較小，減孔6.44%。中成巖A1期，早期方解石膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，使斜坡帶增孔2.44%，洼陷帶增孔0.35%。中成巖A2期，長石等礦物被溶增孔，但隨著大量鐵白云石、鐵方解石及硅質(zhì)沉淀減孔，使斜坡帶孔隙度降至9.96%，洼陷帶孔隙度驟減至5.95%。該階段末期發(fā)生第三次溶蝕作用，此次溶蝕強度較弱，儲層物性略微改善，斜坡帶增孔1.17%，洼陷帶增孔0.18%。中成巖B期斜坡帶儲層孔隙度由11.13%緩降至9.62%，洼陷帶儲層孔隙度維持在6.00%左右。

4　成巖—成藏耦合關(guān)系

4.1油氣充注期

采用流體包裹體[29-30]與熒光顯微觀察結(jié)合的方法，確定油氣成藏期次與時間。因有機質(zhì)豐度和組成存在差異，烴類物質(zhì)在紫外光照射下可發(fā)出不同顏色、不同強度的熒光，因此可以通過觀察烴類物質(zhì)的熒光特征確定成藏期次[31]。杜寨地區(qū)沙三中—下亞段多見兩類熒光顯示，以橙色、黃橙色熒光為主的膠質(zhì)瀝青多呈薄膜狀分布于顆粒及方解石邊緣，并向礦物顆粒內(nèi)部浸染(見圖7(a)、(b))；發(fā)黃綠色、黃色熒光的油質(zhì)瀝青多呈基質(zhì)型大面積分布于礦物顆粒之間(見圖7(c-f))。包裹體測試分析結(jié)果表明，杜寨地區(qū)沙三中—下亞段經(jīng)歷兩期成藏事件。第一期烴類包裹體主要分布在碳酸鹽膠結(jié)物、石英內(nèi)裂縫及長石粒內(nèi)溶蝕孔縫中，發(fā)黃色—黃綠色熒光，透射光為褐色，均一溫度為110～140 ℃，反映早期(距今31～27 Ma)低成熟—成熟油氣充注。第二期包裹體對應(yīng)第二期成藏事件(見圖7(g)、(h))，賦存于穿石英顆粒的愈合縫，發(fā)黃綠色、藍綠色或藍白色熒光，透射光下近無色，對應(yīng)晚期(距今6～0 Ma)高成熟油氣充注(見圖7(i)、(j))。

結(jié)合杜寨地區(qū)地層埋藏史，兩期油氣充注分別發(fā)生于距今31～27 Ma的東營組沉積末期，以及距今6 Ma的明化鎮(zhèn)組沉積末期至今。

4.2成藏過程

根據(jù)杜寨地區(qū)沙三中—下亞段地層埋藏史、烴源巖熱演化及生排烴史、油氣成藏期次與時間、成巖序列和儲層孔隙度演化史，分析儲層演化與油氣充注過程(見圖8)。

圖7　杜寨地區(qū)熒光及包裹體顯微鏡下照片F(xiàn)ig.7 The photos for fluorescence spectrum inclusions under the microscope in Duzai area

杜寨地區(qū)沙三中—下亞段距今47～38 Ma為早成巖A期，受壓實作用影響，砂巖孔隙度大幅降低。距今38～34 Ma為早成巖B期，方解石對砂巖進行早期膠結(jié)，使儲層孔隙度持續(xù)降低，末期有機質(zhì)開始少量脫羧，形成弱酸性環(huán)境。34～31 Ma屬中成巖A1早期，有機質(zhì)進入低熟階段，干酪根熱降解生成的羧酸進入儲層后，對早期鈣質(zhì)膠結(jié)物進行溶蝕，使儲層孔隙度稍有增加。31～27 Ma為中成巖A1末期至A2早期，有機質(zhì)處于成熟階段，發(fā)生早期低成熟—成熟油氣充注。該時期儲層斜坡帶儲層孔隙度為12.50%～15.00%，高于東營末成藏期臨界孔隙度7.50%，發(fā)生常規(guī)充注；洼陷帶孔隙度約為10.00%，已近致密。隨生排烴的持續(xù)進行及溶蝕作用對酸的消耗，沉積環(huán)境逐漸向堿性轉(zhuǎn)化。27～5 Ma處于中成巖A2期，受構(gòu)造運動影響，地層抬升后再次沉降，期間長石等礦物被溶增孔，晚期鈣質(zhì)膠結(jié)物沉淀充填減孔；末期有機質(zhì)二次生烴脫羧，使斜坡帶、洼陷帶孔隙度分別增至11.13%、6.13%。5 Ma至今為晚期高成熟油氣充注期，地層處于中成巖B期，斜坡帶孔隙度由11.13%降至9.62%，洼陷帶儲層孔隙度維持在6.00%左右。

杜寨地區(qū)沙三中—下亞段早期低熟—成熟油氣充注發(fā)生于東營組沉積末期(距今31～27 Ma)，斜坡帶砂巖孔隙度大于儲層油氣充注下限，油氣集中向高部位聚集，形成常規(guī)型油氣藏；洼陷帶砂巖在早期方解石膠結(jié)作用影響下逐漸致密，形成“邊致密邊成藏”型致密砂巖油氣藏。晚期油氣充注發(fā)生于明化鎮(zhèn)組沉積末期至今(距今6～0 Ma)，斜坡帶砂巖儲層低孔低滲，洼陷帶發(fā)育典型超致密砂巖儲層；少量油氣向上調(diào)整，在斜坡帶形成“邊致密邊成藏”型油氣藏，大量晚期生成的天然氣在洼陷帶附近聚集，形成典型的“先致密后成藏”型致密砂巖氣藏。

圖8　杜寨地區(qū)沙三中—下亞段成巖—成藏耦合關(guān)系Fig.8 The coupling relationship between diagenetion and accumulation of the middle and lower sub-member of Es3 in Duzhai area

5　結(jié)論

(1)東濮凹陷杜寨地區(qū)沙三中—下亞段斜坡帶砂巖孔隙度以8.00%～12.00%為主，為低孔低滲儲層；洼陷帶砂巖孔隙度以2.00%～8.00%為主，滲透率小于0.1×10-3μm2，為特低孔特低滲致密儲層。杜寨地區(qū)沙三中—下亞段處于中成巖B期或晚成巖階段，先后經(jīng)歷三期鈣質(zhì)膠結(jié)、三期溶蝕的復(fù)雜成巖演化過程，孔隙度呈現(xiàn)原生孔隙喪失→次生孔隙出現(xiàn)→次生孔隙減小的演變過程。

(2)杜寨地區(qū)沙三中—下亞段發(fā)生兩期油氣充注，第一期為東營組沉積末期的低成熟—成熟油氣充注，第二期為明化鎮(zhèn)組沉積末期至今的晚期高成熟油氣充注。

(3)杜寨地區(qū)沙三中—下亞段存在兩種成因的致密砂巖油氣藏：早期成藏(距今31～27 Ma)，儲層尚未致密化，低熟—成熟油氣在斜坡帶聚集形成常規(guī)型油氣藏，在洼陷帶附近形成“邊致密邊成藏”型致密砂巖油氣藏；晚期成藏(距今6～0 Ma)，儲層致密，除少量油氣向上運移、在斜坡帶形成“邊致密邊成藏”型油氣藏外，仍有大量天然氣在洼陷帶附近聚集，形成典型的“先致密后成藏”型致密砂巖氣藏。

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2016-03-14；編輯：劉麗麗

國家科技重大專項(2011ZX05006-004)

張園園(1991-)，女，碩士研究生，主要從事油氣地質(zhì)與勘探方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.009

TE122

A

2095-4107(2016)03-0070-10