徐家围子断陷深层致密砂砾岩优质储层预测

肖丽华，张磊，田伟志，吴晨亮，王建伟，潘雪梅，魏巍，胡安文

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆，163318；2. 中国石油 长城钻探工程分公司， 辽宁 盘锦，124010；3. C & C Reservoirs Inc., Houston TX, 77036；4. 中国石油 辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦，124010；5. 中国石油 大庆油田有限责任公司 采油四厂，黑龙江 大庆，163511)

松辽盆地徐家围子断陷深层天然气的主要勘探目的层为营三段段火山岩和营四段砂砾岩[1-6]。徐家围子断陷深层砂砾岩储层在地下处于高温、高压的环境中，具有物性差、产量低和非均值性强的特征[3]。砂砾岩储层的平均孔隙度只有 4.28%，渗透率平均为0.47×10-3μm2，属于致密储层，是一种非常规储层[7]。随着油气勘探难度的增加和能源危机的加剧，非常规油气勘探已成为目前国内外油气勘探开发中的一个研究热点，非常规油气主要包括页岩气、煤层气、油砂矿、水合甲烷气和致密砂岩气等[7]。致密砂岩气藏也叫“深盆气藏”(deep basin gas trap)[8]、“盆地中心气藏”(basin-centered gas)[9-10]、“连续型气藏”(continuous gas trap)[11]，是我国目前非常规油气勘探中最现实的一种类型[12]。然而，目前人们对于非常规储层中的致密砂岩，在鄂尔多斯盆地和川西坳陷等地区已作过很多研究[7]，但对于致密砂砾岩储层的研究还比较少，仅探讨了致密砂砾岩储层的岩石学特征、物性影响因素和工业天然气储层物性下限等问题[3-5,12-14]，也从未有人预测过致密砂砾岩储层中物性甜点和优质储层的分布。为此，本文作者拟通过综合研究成岩作用和沉积相对致密砂砾岩孔隙度和渗透率的控制与影响，在成岩作用数值模拟的基础上，在横向上预测成岩阶段，叠合成岩阶段预测图和沉积相图，在普遍低孔、低渗的背景下预测徐家围子断陷营四段致密砂砾岩中优质储层的分布，为徐家围子断陷，乃至我国其他盆地致密砂砾岩天然气的勘探、开发奠定坚实的基础，提供新的研究方法。

1 地质背景

松辽盆地是我国1 个大型中、新生代陆相沉积盆地，总面积约26×104km2，基底为泥质板岩、千枚岩和结晶灰岩等浅变质岩，沉积盖层从底到顶分别为白垩系、古近系、新近系和第四系[15]。白垩系生、储岩系发育，是松辽盆地勘探、开发的主要目的层段。自下而上，下白垩统依次为火石岭组、沙河子组、营城组和登娄库组，上白垩统分别为泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组。泉头组从下到上分为4 段，一般将埋深大于2 500 m 的地层称为深层，在中央坳陷主要为泉二段以下的地层。松辽盆地具有“下断上拗”的结构特征。断陷层主要包括下白垩统的火石岭组、沙河子组和营城组，是一套火山岩和煤系地层。登娄库组为断坳转化层。坳陷层指泉头组—明水组的地层，是松辽盆地中浅层的主要勘探目标层段。徐家围子断陷是松辽盆地北部勘探程度最高的一个含气断陷，勘探面积约4 749.9 km2，由徐西坳陷、徐东坳陷、徐东斜坡和安达—升平隆起4 个次级构造单元组成。沙河子组煤系泥岩是烃源岩发育的主要层段，有机质类型以腐殖型干酪根为主，镜质组反射率Ro＞2.0%，目前处于过成熟阶段。深层储集层包括营城组火山岩、砂砾岩。砂砾岩主要发育于营四段，是本文研究的重点。登二段、泉一段和泉二段的泥岩是徐家围子断陷深层的主要盖层。

图1 徐家围子断陷营城组四段沉积相平面图Fig.1 Sedimentary facies map of Member 4 of Yingcheng Formation in Xujiaweizi Fault Depression

2 沉积特征及其对储层物性的影响

营四段沉积时期，徐家围子地区断裂强烈活动，处于主要的断陷发育期，地形高差大，山地河流携带大量粗碎屑物质从西部和北部2 个方向注入断陷湖盆，在西部和西南部主要发育扇三角洲沉积，在北部发育辫状河三角洲沉积，半深湖相沉积位于断陷的中心偏西部地区(图1)[16]。其中扇三角洲相又进一步分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲。扇三角洲平原的岩相组合为砾岩、砂砾岩夹灰绿色泥岩、炭质泥岩构成的正旋回，砂砾岩中主要发育块状层理。扇三角洲前缘主要由厚层的细砾岩、砂砾岩以及粗砂岩夹暗色泥岩形成的多个反旋回构成。辫状河三角洲由辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘和前辫状河三角洲亚相组成。辫状河三角洲平原的岩性组合是由底部发育冲刷面的砾岩、砂砾岩以及粗砂岩构成的多个正旋回。其基本特征是粒度向上变细，泥岩夹层增多。辫状河三角洲前缘亚相的特征是由砾岩、砂砾岩与灰色泥岩构成多个正旋回和反旋回。其中正旋回为水下辫状分流河道沉积，反旋回为河口坝沉积，薄层砂岩和砾岩为远砂坝沉积。灰色泥岩为分流河道间沉积。但限于目前地震资料的精度，在平面上只能划分到亚相。统计结果表明，储层物性(包括孔隙度和渗透率)明显受控于沉积亚相(表1)，丰富的孔隙度和渗透率的实测数据表明，储层孔隙度和渗透率从高到低的顺序为：辫状河三角洲前缘、扇三角洲前缘、扇三角洲平原、辫状河三角洲平原和前三角洲半深湖砂砾岩体，它们的孔隙度依次为5.94%，5.16%，4.48%，4.15%和2.56%，渗透率依次为0.75×10-3，0.33×10-3，0.31×10-3，0.48×10-3和0.09×10-3μm2。

表1 营四段不同沉积相储层的物性Table 1 Property of reservoirs in different sedimentary facies of Member 4 of Yingcheng Formation

3 成岩作用对储层物性的控制与成岩阶段横向预测

3.1 成岩作用对致密砂砾岩储层物性的控制

我国现行的石油天然气行业标准(SY/T 5477—2003)碎屑岩成岩阶段划分规范是在原成岩阶段划分规范(SY/T 5477—1992)的基础上[17-18]，稍加修改而成， 限于历史条件和人们当时在我国中浅层勘探的实践，将早成岩阶段和中成岩阶段A 期划分得很详细，而且比较适用。然而，随着深层致密砂岩油气勘探的不断深入，这一规范显得有些不足，中成岩阶段B 期和晚成岩阶段划分得不够详细。为了更好地分析徐家围子断陷深层成岩作用对储层储集性能的影响，孟元林等[13]对中国石油与天然气行业成岩阶段划分规范(SY/T 5477―2003)进行了补充，依据松辽盆地徐家围子断陷深层的具体地质情况和天然气的勘探实践，将中成岩阶段B 期细分为B1和B22 个亚期，把晚成岩阶段细分为A 和B 2 个成岩期(表2)。成岩阶段细化后，早成岩阶段A 期、B 期、中成岩阶段A1亚期、A2亚期、B1亚期、B2亚期、晚成岩阶段A 期和B 期的深度依次为700，1 050，1 400，2 400，3 000，3 300，4 400 和4 850 m(表2)。在晚成岩阶段A 期，富含腐植型干酪根的泥岩仍可脱羧，形成有机酸，溶蚀储层，形成次生孔隙，处于这一阶段的砂砾岩可以形成工业气藏。但在晚成岩阶段B 期，成岩作用太强，储层物性极差，难以产出工业气流，砂砾岩主要为干层。由于每一成岩阶段发育着一种或几种主要的成岩作用，所以在成岩作用研究的基础上，就可划分出若干成岩相(表2)[13]。本区的主要成岩作用包括机械压实、胶结作用和溶解作用。随机械压实的增强，碎屑颗粒之间的接触关系，按照“点—线—缝合”的顺序变化。反过来，根据碎屑颗粒的接触关系就可以划分成岩阶段和成岩相(表2)。徐家围子断陷深层的埋深大于2 500 m，砂砾岩普遍遭受机械压实作用。碎屑颗粒多以线－凹凸关系接触，塑性颗粒受挤压变形或形成假杂基，刚性颗粒压裂破碎，长条状颗粒弯曲，甚至折断等现象。压实作用对砂岩原生孔隙具有强烈的破坏作用。徐家围子断陷深层最常见的填隙物是碳酸盐，其次为泥质和石英。碳酸盐填隙物主要呈粒间胶结物、交代物或次生孔隙内填充物的形式出现，常见微晶状、晶粒状或连晶状产出。碳酸盐连晶胶结的胶结物主要形成在浅埋藏阶段，发育于早期胶结相，虽然使储层孔隙度降低，但是，可以抑制压实作用并为晚期溶解提供物质基础，因此，有利于储层储集空间的发育；而呈交代状的碳酸盐主要为晚期形成的方解石，发育于紧密胶结压实相和溶蚀与部分再胶结相，晚期碳酸盐胶结物充填使储层孔隙度变差，严重破坏储层的储集性能。石英胶结物在研究区深层砂砾岩中分布普遍，主要以石英次生加大边和自形石英晶体的形式出现在碎屑石英颗粒表面和粒内溶孔中，石英次生加大的级别主要在Ⅱ～Ⅲ之间，最大可达Ⅳ级，根据碎屑岩成岩阶段划分规范[17]，砂岩加大的Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ级分别对应与中成岩阶段A 期、B 期和晚成岩阶段，对应于不同的成岩相。溶蚀作用主要发生在中成岩阶段A1－晚成岩阶段A 期，发育于早期溶蚀相—溶蚀及部分再胶结相。深度范围为1 050～4 400 m。表现为有机酸对酸性不稳定矿物铝硅酸盐矿物长石、岩屑、碳酸盐胶结物和少量浊沸石的溶蚀，溶蚀作用可以形成次生孔隙，改善储层的物性，在深部高温高压背景下形成优质储层。

表2 徐家围子断陷碎屑岩成岩阶段划分及主要标志[13]Table 2 Division of diagenesis stages and main marks of clasolite in Xujiaweizi Fault Depression[13]

成岩作用对徐家围子断陷深层砂砾岩储层的物性有非常明显的控制作用。534 件孔隙度和373 件渗透率实测数据的统计结果表明：随成岩作用的增强，砂砾岩的孔隙度和渗透率降低(表3)。

3.2 成岩作用数值模拟简介与成岩阶段预测

为了更好地研究成岩作用对储层物性的影响，综合考虑压力(p)、温度(T)、时间(t)、流体性质(F)和岩性(R)对碎屑岩成岩作用的影响(亦即地层时代、岩性、沉积相、古气候和构造运动对成岩作用的影响)，用计算机模拟古地温T、镜质组反射率Ro、黏土矿物伊利石/蒙皂石混层中蒙皂石层的含量S、自生石英体积分数Vq和C29甾烷S/(R+S)异构化指数SI随时间的演化规律，其数学模型参见文献[19-24]。为了防止某个成岩指标划分成岩阶段产生畸变，对这些成岩指标加以线性组合，构建了成岩指数ID，在时空领域内，由计算机高效、自动地划分成岩阶段[25]：

式中：ID为成岩指数；n 为成岩指标的个数，n=5；xi为第i 个变量，共有5 个变量，包括古地温T、镜质组反射率Ro、伊利石/蒙皂石混层中蒙皂石层的含量S、自生石英体积分数Vq和甾烷异构化指数SI(C29甾烷S/(R+S))；maxQi为第i 个成岩指标在中成岩阶段B2末期的最大值，它们分别为175 ℃，2.0%，5%，12%，0.56(表2)。Pi为第i 个成岩指标的权值，其和为1.0。Qi为第i 个成岩指标模拟计算的结果，如镜质组反射率、古地温等。

表2 中ID在各成岩阶段的界限值由下式计算得到：

式中：Lk为第k 个成岩阶段的成岩指数界限值；m 为成岩阶段的个数，m=8，分别为早成岩阶段A 期、B期、中成岩阶段A1亚期、A2亚期、B1亚期、B2亚期、晚成岩阶段A 期、B 期；LQi为第i 个成岩指标的界限值，如Ro早成岩阶段B 期与中成岩阶段A 期的界限值为0.5%。

这样，就实现了碎屑岩成岩阶段划分的数值化，随成岩作用的增强，成岩指数ID增大，不同成岩阶段、成岩期和亚期的ID如表2 所示。

表3 营四段不同成岩阶段储层的物性Table 3 Reservoir property of different diagenetic stages in member 4 of Yingcheng Formation

本文以三维地震资料解释成果和钻(测)井资料为基础，建立了研究区的成岩作用数值模拟“人工井”网，网络中各“人工井”之间的距离为1 km；并应用我们拥有自主知识产权的软件[25]，模拟了所有 “人工井”在地史时期各成岩参数随时间的变化规律，应用式(1)计算了成岩指数ID，得到研究区各层位在不同地质时期的成岩指数ID等值线与成岩阶段预测图。成岩模拟的输入参数包括地层的岩性、厚度、时代、古地表温度、岩石热导率等，这些参数取自徐家围子断陷钻井的分析化验资料和三维地震解释成果，主要参考了前人的研究成果[15,26-28]。在断陷的斜坡带ID较低，在坳陷区ID较高；在营四段地层分布的东北部和南部地区，营四段埋藏相对较浅，成岩作用较弱，ID＜0.71，现今处于中成岩阶段A2亚期。随埋深的增加，ID不断增加；在0.71≤ID＜0.84的地区，营四段砂砾岩进入中成岩阶段B1亚期，砂砾岩储层的物性较好，已发现了工业气流。在该断陷内0.84≤ID＜1.0 的地区，营四段处于中成岩阶段B2亚期，成岩作用较强，但由于砂砾岩储层的粒度粗，而且裂缝比较发育，在其中也产出了工业气流。在西部坳陷和东部坳陷中央，成岩作用较强，ID≥1.0，营四段砂砾岩储层进入晚成岩阶段A 期，储层物性变差。成岩作用对储层的物性具有明显的控制住用，实测孔隙度等值线有着ID等值线相似的变化趋势(图2、图3)。其原因是营四段的埋藏比较深，成岩作用对储层孔隙度的影响相对较大，而沉积相的影响相对较最。这一规律在渤海湾盆地深层也有发现[23]。

图2 营四段现今成岩指数ID 等值线与成岩阶段预测图Fig.2 Diagenetic index ID contour map and predicted diagenetic stages of Member 4 of Yingcheng Formation at present

4 营四段致密砂砾岩之优质储层预测

4.1 成岩作用和沉积相对储层物性的综合影响

孔隙度和渗透率是评价储层储集性能最重要的2个基本参数，在各油田的储层分析化验资料中，有大量的物性分析数据。在勘探程度较高的盆地，人们常常用实测的孔隙度和渗透率数据编绘孔隙度等值线和渗透率等值线，用于储层评价和优质储层预测[15]。但是，对于像徐家围子断陷这样勘探程度较低的盆地，钻井集中分布于构造高部位，尽管实测孔隙度和渗透率资料很多，但分布不均匀。用这样的孔隙度和渗透率资料所作出的等值线不具备代表性，难以反映地下储层孔隙度变化的真实情况，不能用于优质储层预测，最多只能用于物性变化规律的研究(图3)。本文试图在研究影响孔隙度和渗透率主要地质因素的基础上，探讨在勘探程度较低的盆地中优质储层预测的新方法。

沉积相和成岩作用(也叫沉积后作用)是影响碎屑岩储层孔隙度和渗透率的 2 个最主要的地质因素[29-35]。沉积相决定着砂砾岩体的空间分布和储层的原始孔隙度和渗透率。而现今储层的物性则是古代各种建设性成岩作用和破坏性成岩作用综合作用的结果。为了定量研究沉积相和成岩作用对徐家围子断陷深层致密砂砾岩储层物性的影响，更精确地预测不同沉积相致密砂砾岩体处于不同成岩阶段所具有的储集性能和可能的储层类型，本文统计了营四段不同沉积相、处于不同成岩阶段砂砾岩体的孔隙度和渗透率(表4)。表4 中的砂砾岩储层分类采用了王成根据徐家围子断陷深层勘探实践提出的分类方案[3]。该方案将徐家围子断陷的致密砂砾岩又进一步分为4 类：Ⅰ类储层经压裂后为中高产气层，孔隙度≥6%；Ⅱ类储层经压裂后为中低产气层，孔隙度为4%～6%；Ⅲ类储层为低产气层或干层，孔隙度为2.7%～4%；Ⅳ类储层为干层，产能甚微，孔隙度＜2.7%。由表4 可见：

(1) 营四段砂砾岩储层的孔隙度和渗透率明显受控于沉积相。处于相同成岩阶段的储层，由于沉积相的不同，其储层的物性和类型各异，例如：同处于中成岩阶段B2亚期的砂砾岩储层，其孔隙度和渗透率由高到低的顺序为：辫状河三角洲前缘、扇三角洲前缘、扇三角洲平原、辫状河三角洲平原。位于辫状河三角洲前缘和扇三角洲前缘亚相砂砾岩体的物性好于其平原亚相。这可能是由于前缘亚相位于整个沉积体系的末端，碎屑物质的搬运距离相对较远，分选、磨圆相对较好。

图3 营四段砂砾岩孔隙度等值线图Fig.3 Porosity contour map of glutenites in Member 4 of Yingcheng Formation

(2) 成岩作用对营四段致密砂砾岩储层的物性有很大影响。同样是发育于辫状河三角洲前缘的储层，处于中成岩阶段B2亚期就是Ⅰ类储层，而处于晚成岩阶段A 期就成为Ⅱ类储层。

(3) 沉积相和成岩作用对砂砾岩储层物性的影响在一定程度上可以互补。例如：目前处于中成岩阶段B2亚期的扇三角洲平原砂砾岩体与处于晚成岩阶段A期的扇三角洲前缘砂砾岩体具有相近的物性，二者均为Ⅱ类储层。

(4) 致密砂砾岩储层物性是成岩作用和沉积相综合作用的结果。辫状河三角洲前缘是营四段最有利的沉积相，处于成岩作用相对较弱的中成岩阶段B2亚期，二者“强强组合”，形成了营四段的Ⅰ类储层，为中高产气层；而处于成岩作用较强的晚成岩阶段A 期的半深湖相砂体，属于Ⅳ类储层，物性很差，难以产出工业气流。其他不同类型沉积相的砂砾岩，处于不同的成岩阶段，则形成了Ⅱ和Ⅲ类储层，主要为中低产气层。

表4 徐家围子断陷营四段沉积相和成岩作用对砂砾岩储层物性的综合影响Table 4 Integrated effects of sedimentary facies and diagenesis on glutenite reservoir property of Member 4 of Yingcheng Formation in Xujiaweizi Fault Depression

营四段砂砾岩储层Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ类储层均有，由于沉积相和所处成岩阶段的不同，构成了一个完整的类型递变系列。由此可以认为：属于同一沉积相、处于同一成岩阶段的砂体其物性相近、储层类型相同。这样，就可以通过叠合沉积相图和成岩阶段预测图，在平面上预测储层的类型和优质储层的分布。

4.2 营四段砂砾岩储层平面分类与优质储层预测

综合考虑成岩作用和沉积相对砂砾岩储层孔隙度和渗透率的影响，依据表4 中不同沉积相砂砾岩体、处于不同成岩阶段所对应的储层类型，本文通过叠合营四段的沉积相图(图1)和成岩阶段预测图(图2)，定量预测了徐家围子断陷营四段各类致密砂砾岩储层在平面上的分布(图4)。Ⅰ类储层是处于中成岩阶段B2亚期的辫状河三角洲前缘砂砾岩体，孔隙度和渗透率最高，在徐家围子断陷分布面积不大(图4)，在其内发现了工业气流和低产气流，XS1 井、WS5 井和XS25井就分布在I 类储层所在的区带内。Ⅱ类储层在营四段大面积分布，II 储层包括处于中成岩阶段B2亚期的扇三角洲前缘、扇三角洲平原、辫状河三角洲平原砂砾岩体和处于晚成岩阶段A 期中的辫状河三角洲前缘和扇三角洲前缘的砂砾岩体。在该区内也发现了工业气流和低产气流，例如：XS7，ZS12，FS10，FS6 和XS4 等井均分布在该区域。I 类和II 类储层属于致密砂砾岩中，物性相对较好的优质储层。因此，建议加强对这一区域的勘探。Ⅲ类储层仅分布在XS1 和XS24井周围，位于安达－升平隆起带和徐东坳陷部分地区，处于晚成岩阶段A 期中的辫状河三角洲平原砂砾岩体属于III 类储层。Ⅳ类储层为前三角洲半深湖砂砾体，该类储层由于形成的水动力条件较弱，泥质含量较高，后天成岩作用又太强，物性最差，在IV 类储层发育的地区，营四段尚未发现工业气流和低产气流。

图4 营四段储层平面分类与优质储层预测图Fig.4 Reservoir type and high-quality reservoir prediction map of Member 4 of Yingcheng Formation

5 结论

(1) 徐家围子断陷深层沉积环境和成岩作用是影响砂砾岩储层物性的2 个主要因素，营四段最有利的沉积相是辫状河三角洲前缘和扇三角洲前缘，其次是辫状河三角洲平原和扇三角洲平原。

(2) 徐家围子断陷从边部到中心，营四段砂砾岩的成岩作用逐渐增强，储层物性逐渐变差，使砂砾岩致密的成岩作用主要是机械压实作用和胶结作用。

(3) 不同沉积相的砂砾岩体处于不同的成岩阶段形成了徐家围子断陷营四段不同类型的储层，通过叠合沉积相图和成岩阶段预测图可以预测4 类致密砂砾岩的分布，营四段工业气流井主要分布在优质储层(Ⅰ和Ⅱ类)分布的范围内，位于徐家围子断陷的中部。

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