張 武 侯國(guó)偉 肖曉光 苗 清 何 苗 申雯龍

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200335)

近年來(lái)，隨著全球常規(guī)油氣發(fā)現(xiàn)量的下降，各大油氣公司開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)移到低孔低滲儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)上，以尋找新的油氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)點(diǎn)[1-2]。受地域和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的影響，低孔低滲儲(chǔ)層的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，是一個(gè)相對(duì)概念。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低孔低滲儲(chǔ)層的界限有過(guò)許多研究,如前蘇聯(lián)學(xué)者將儲(chǔ)層滲透率為50～100 mD的油田算作低滲透油田；美國(guó)學(xué)者將滲透率小于10 mD的儲(chǔ)層稱為低滲透儲(chǔ)層；我國(guó)石油行業(yè)一般將滲透率為10～50 mD的儲(chǔ)層當(dāng)作低滲儲(chǔ)層[3-4]。受益于壓裂、水平井和分支井等技術(shù)的普及，低滲領(lǐng)域的勘探相繼在美國(guó)落基山地區(qū)的大綠河盆地、丹佛盆地以及我國(guó)四川盆地、塔里木盆地庫(kù)車地區(qū)取得了重大突破[5-6]。

近年來(lái)西湖凹陷勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，盆地內(nèi)普遍發(fā)育低孔低滲油氣藏，低滲致密氣藏資源潛力巨大，約占凹陷內(nèi)天然氣總資源量的80%以上[7]。相比于常規(guī)儲(chǔ)層，低孔低滲砂巖儲(chǔ)層大多經(jīng)歷了更為復(fù)雜的埋藏演化過(guò)程，成巖改造強(qiáng)烈，孔喉系統(tǒng)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)集性能差，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層尋找困難，開(kāi)發(fā)成本高[8-9]。針對(duì)西湖凹陷低孔低滲砂巖儲(chǔ)層埋深大、非均質(zhì)性強(qiáng)的問(wèn)題[10]，通過(guò)對(duì)研究區(qū)巖石薄片鑒定、粉末粒度、掃描電鏡、激光微區(qū)同位素分析等測(cè)試手段[11-15]，分析低滲儲(chǔ)層的形成機(jī)理及相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的主控因素，旨在為西湖凹陷深層的油氣勘探開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 低滲儲(chǔ)層發(fā)育特征

1.1 分布特征

西湖凹陷(圖1)位于東海盆地，構(gòu)造上屬于浙東坳陷內(nèi)的三級(jí)構(gòu)造單元。根據(jù)新生代的構(gòu)造格局、沉積特點(diǎn)、斷裂發(fā)育及油氣賦存狀態(tài)等特征，西湖凹陷由西向東可劃為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東次凹和東部斷階帶，大致經(jīng)歷了古新世—始新世斷陷階段、漸新世—中新世拗陷階段和上新世—第四系區(qū)域沉降階段的構(gòu)造演化過(guò)程。從鉆井所揭露的地層來(lái)看，從下到上依次發(fā)育了始新統(tǒng)寶石組和平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組，上新統(tǒng)三潭組以及第四系東海群，其中平湖組和花港組是西湖凹陷的主要勘探層系，也是低滲儲(chǔ)層的主要發(fā)育層系。

圖1 西湖凹陷構(gòu)造帶位置及地層劃分Fig .1 Regional tectonic division and stratigraphic column in Xihu sag

從目前鉆遇井砂體剖面來(lái)看，平湖組低孔低滲儲(chǔ)層主要分布在西部斜坡帶，埋深普遍在3 500～4 800 m;平湖組沉積時(shí)期為盆地?cái)嘞蓦A段晚期，可容空間大，砂體具有縱向薄、分布廣泛、橫向變化快的特點(diǎn)，砂地比集中范圍是30%～50%?；ǜ劢M低孔低滲儲(chǔ)層覆蓋整個(gè)西湖凹陷，埋深普遍為3 200～4 500 m;花港組沉積時(shí)期為盆地拗陷階段，受北部虎皮礁隆起長(zhǎng)軸物源及西部海礁隆起、東部釣魚島隆褶帶點(diǎn)物源充足供給，主要發(fā)育大型辮狀河-三角洲沉積體系[16-21]，砂地比50%～80%，砂巖厚度幾米到百米不等，橫向上連續(xù)性好且分布廣，低孔低滲儲(chǔ)層規(guī)模巨大(圖2)。

圖2 西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層分布特征Fig .2 Distribution characteristics of low porosity and low permeability reservoirs in Xihu sag

1.2 物性特征

參照有關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，西湖凹陷現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)將滲透率<10 mD的儲(chǔ)層作為低滲儲(chǔ)層。巖、壁心實(shí)測(cè)物性統(tǒng)計(jì)(圖3)表明，西湖凹陷平湖組儲(chǔ)層孔隙度分布范圍4.3%～23.1%，其中孔隙度<15.0%的占65.0%；滲透率分布范圍0.03～542.00 mD，其中滲透率<10 mD的占46%?；ǜ劢M儲(chǔ)層孔隙度分布范圍2.7%～24.6%，其中孔隙度<15.0%的占94.3%，滲透率分布范圍0.02～850 mD，其中滲透率<10 mD的占90.3%。由此可見(jiàn)，西湖凹陷花港組、平湖組物性分布范圍跨度大，低孔低滲儲(chǔ)層占主導(dǎo)。

1.3 孔喉特征

通過(guò)鏡下薄片、掃描電鏡觀察可知，西湖凹陷儲(chǔ)層類型屬孔隙型，孔隙構(gòu)成以次生孔隙為主(約75%)，保存有一定量的原生孔(約25%)，粒間擴(kuò)大溶孔占次生孔隙比重大，偶見(jiàn)微裂縫(圖4)。原生孔隙的發(fā)育受深度和粒度的控制明顯，一般發(fā)育在粒度較粗、深度較淺的層段，內(nèi)部潔凈，觀察不到明顯的溶蝕痕跡，連通性較好。次生孔隙主要是源于長(zhǎng)石和其他鋁硅酸鹽礦物(包括基性火山巖巖屑中的易溶組分)等骨架顆粒邊緣的溶解，形態(tài)多具不規(guī)則狀。

低滲儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的高壓壓汞技術(shù)難以區(qū)分孔隙、喉道對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響，但利用恒速壓汞技術(shù)可以區(qū)分開(kāi)，不同物性儲(chǔ)層孔隙半徑差異不大，而喉道大小直接控制了滲透率大小。西湖凹陷儲(chǔ)層孔喉半徑主要分布在微米—亞微米級(jí)別，滲流能力好的儲(chǔ)層主要喉道半徑在大于1 μm的微米級(jí)。滲透率為9.92 mD的樣品，其喉道半徑峰值為4.5 μm；而滲透率小于0.5 mD的2個(gè)樣品，其喉道半徑分布都在小于1 μm的亞微米區(qū)間內(nèi)。不同孔隙類型對(duì)滲透率貢獻(xiàn)差異大，優(yōu)質(zhì)高滲帶發(fā)育主要與溶蝕改造的擴(kuò)大喉道半徑有關(guān)(圖5)。

圖3 西湖凹陷儲(chǔ)層物性特征Fig .3 Reservoir quality of Xihu sag

圖4 西湖凹陷儲(chǔ)層孔隙類型特征Fig .4 Sandstone reservoirs pore types in Xihu sag

圖5 西湖凹陷寧波ZY-2氣田孔隙、喉道半徑分布特征Fig .5 Distribution characteristics of pore throat radius of Ningbo ZY-2 gas field in Xihu sag

2 低滲儲(chǔ)層成因

西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層的形成受母巖類型及成巖作用共同控制：一方面，深埋條件下的強(qiáng)上覆壓力及中成巖B期大量的膠結(jié)作用使物性變差；另一方面，巖漿巖、變質(zhì)巖為主的母巖使得砂體石英含量高，抗壓實(shí)較強(qiáng)，深層普遍發(fā)育次生溶孔，擴(kuò)展了低滲儲(chǔ)層窗口(圖6)。

2.1 破壞性成巖作用

2.1.1壓實(shí)作用

西湖凹陷儲(chǔ)層埋深大都在3 500～5 000 m的范圍內(nèi)(圖2)，壓實(shí)作用是儲(chǔ)層物性降低的主要原因。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，火山巖、云母、片巖和千枚巖等塑性顆粒在埋藏作用過(guò)程中發(fā)生塑性變形并定向排列；同時(shí)砂巖中碎屑顆粒線接觸及線—凹凸接觸(圖4a)，甚至縫合線接觸關(guān)系以及泥巖巖屑變?yōu)榧匐s基等現(xiàn)象也顯示經(jīng)歷了相對(duì)較強(qiáng)的壓實(shí)作用。

圖6 西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層成因模式Fig .6 Low porosity low permeability reservoir formation genetic model of Xihu sag

2.1.2膠結(jié)作用

西湖凹陷砂巖中膠結(jié)作用廣泛發(fā)生，常見(jiàn)的膠結(jié)物有自生伊利石、高嶺石、綠泥石、硅質(zhì)、自生方解石及白云石等。平湖組和花港組膠結(jié)物類型基本一致，總含量平湖組高于花港組，其中碳酸鹽膠結(jié)物含量占比在50%以上，主要以“鈣尖”形式零星分布于儲(chǔ)層中；自生石英及自生伊利石、高嶺石、綠泥石含量較少。一般來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層演化至中成巖B期，孔隙流體性質(zhì)逐漸由酸性向堿性演變，流體環(huán)境逐漸封閉[22]，絨球狀綠泥石、發(fā)絲狀伊利石、含鐵方解石及白云石大量生成堵塞孔喉，儲(chǔ)層逐漸致密化。

成巖階段通過(guò)控制水-巖反應(yīng)及黏土轉(zhuǎn)化順序來(lái)影響儲(chǔ)層物性，而地溫又直接控制成巖階段演化，特別是控制各類黏土礦物、自生石英等膠結(jié)物的富集。西湖凹陷地溫場(chǎng)差異是造成盆地不同構(gòu)造帶成巖程度差異的主因，通過(guò)對(duì)比花港組、平湖組DST實(shí)測(cè)地層溫度數(shù)據(jù)，可以看出花港組地溫梯度約為3.6 ℃/100 m，而西斜坡平湖組地溫梯度為3.0 ℃/100 m左右(圖7)，因此花港組在埋深4 000 m左右進(jìn)入強(qiáng)膠結(jié)帶而儲(chǔ)層致密化，西斜坡平湖組在埋深4 600 m左右儲(chǔ)層逐漸致密。

圖7 西湖凹陷花港組和平湖組地溫梯度特征Fig .7 Typical characteristics of geothermal gradient in Huagang and Pinghu Formations of Xihu sag

2.2 建設(shè)性成巖作用

西湖凹陷北部虎皮礁隆起主要為晚白堊世火山巖及震旦紀(jì)變質(zhì)巖基底；西部海礁隆起主要為晚侏羅世的火山巖系，以中酸性巖漿巖為主，變質(zhì)巖為次；東部釣魚島隆褶帶以晚古生代巖漿巖為主[19-20]。西湖凹陷周邊物源區(qū)供給持續(xù)穩(wěn)定，以巖漿巖(特別是花崗巖)、變質(zhì)巖為主的母巖提供了大量的剛性石英顆粒(含量60%～80%)和可溶性長(zhǎng)石顆粒(圖8)，石英含量較高(平均值>65%)，抗壓實(shí)性強(qiáng)；同時(shí)長(zhǎng)石含量15%～20%，屬主要的溶蝕礦物，在掃描電鏡及鑄體薄片下可以觀察到砂巖中大量長(zhǎng)石被溶蝕形成的次生孔隙(圖4)。隨著地層埋深加大，成巖作用經(jīng)歷了酸性成巖環(huán)境，長(zhǎng)石被大量溶蝕形成次生孔隙，西湖凹陷普遍發(fā)育有機(jī)酸溶蝕形成的次生孔隙發(fā)育帶，擴(kuò)展了低滲儲(chǔ)層深度窗口，為深層依然保持較好的物性打下了基礎(chǔ)。

圖8 西湖凹陷儲(chǔ)層巖石學(xué)三角圖Fig .8 Reservoir petrological triangulation in Xihu sag

3 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主控因素

在普遍低孔低滲的儲(chǔ)層中尋找相對(duì)優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)層，首先應(yīng)明確優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的主控因素。經(jīng)過(guò)近幾年的勘探實(shí)踐，西湖凹陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層受沉積微相、差異溶蝕控制，具體到不同層段也有各自的特點(diǎn)，其中僅花港組發(fā)育早期綠泥石環(huán)邊，而平湖組普遍發(fā)育超壓。

3.1 有利沉積微相

西湖凹陷平湖組水下分流河道微相及花港組心灘、河床微相是儲(chǔ)層發(fā)育的有利相帶，而優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層往往集中在“潔粗”砂巖發(fā)育部位。粒度大小代表沉積時(shí)水動(dòng)力的強(qiáng)弱，強(qiáng)水動(dòng)力條件下沉積的含礫砂巖、中粗砂巖等和細(xì)粒度砂巖相比，在相同埋深條件下?lián)碛懈鼜?qiáng)的抗壓實(shí)能力及更好的原始物性，因此，對(duì)于西湖凹陷埋深條件下的低孔低滲儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，粒度對(duì)物性的控制作用尤為明顯(圖9a)。砂巖潔凈程度主要由砂巖中泥質(zhì)含量決定，而泥質(zhì)含量主要受物源類型和水動(dòng)力條件的影響。西湖凹陷儲(chǔ)層主要為水道相或心灘相，沉積時(shí)水動(dòng)力強(qiáng)，水流將砂巖顆粒淘洗干凈，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層泥質(zhì)雜基含量都不超過(guò)5%(圖9b)，而泥質(zhì)含量較高的河道頂部及心灘邊緣儲(chǔ)層物性差。

3.2 強(qiáng)溶蝕作用

對(duì)西湖凹陷多口井進(jìn)行鑄體薄片觀察統(tǒng)計(jì)，孔隙類型以次生溶蝕孔為主，少量原生孔，次生溶蝕面孔率與物性明顯正相關(guān)(圖10)，差異溶蝕是深層低滲背景下形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層最關(guān)鍵因素。為了探究酸性成巖環(huán)境的形成機(jī)理，依據(jù)薄片、掃描電鏡、包裹體等資料對(duì)西湖凹陷溶蝕機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)儲(chǔ)層中的方解石膠結(jié)物開(kāi)展碳、氧同位素測(cè)試，結(jié)果表明δ13C分布范圍為-6‰～-1‰，平均值為-3.5‰，表現(xiàn)為較低負(fù)值；δ18O分布范圍為-24.1‰～-16‰，平均值為-21.6‰，表現(xiàn)為高負(fù)值。利用測(cè)定的碳、氧同位素值對(duì)方解石膠結(jié)物成因進(jìn)行分析[22]，發(fā)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)點(diǎn)落入方解石膠結(jié)物成因圖版的Ⅲ區(qū)內(nèi)(圖11)，表明方解石膠結(jié)物的形成均與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)。因此，研究認(rèn)為干酪根形成大量有機(jī)酸以及有機(jī)酸脫羧作用是導(dǎo)致酸性成巖環(huán)境出現(xiàn)的主要原因。

圖9 西湖凹陷儲(chǔ)層粒度、泥質(zhì)與滲透率關(guān)系(據(jù)薄片鑒定)Fig .9 Relationship of reservoir granularity-mud and permeability in Xihu sag(according to the slices)

圖10 西湖凹陷儲(chǔ)層溶蝕面孔率與物性關(guān)系Fig .10 Relationship of reservoir dissolving face rate and quality in Xihu sag

圖11 西湖凹陷儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物成因Fig .11 Causes of carbonate concrete of Xihu sag reservoir

有機(jī)酸的形成與地層成巖演化息息相關(guān)，隨著埋深加大，地溫大于80 ℃時(shí)有機(jī)質(zhì)開(kāi)始成熟(Ro>0.4%)，有機(jī)酸開(kāi)始大量生成[23]，平湖組的“三明治”式生儲(chǔ)組合更易發(fā)生就近侵入，長(zhǎng)石等溶蝕普遍發(fā)育，高嶺石隨處可見(jiàn)；而花港組整體砂多泥少，泥巖以非烴源巖為主，自生供酸能力弱，需要有效的有機(jī)酸輸導(dǎo)體系溝通下部平湖組烴源巖，強(qiáng)溶蝕發(fā)育條件較平湖組更為嚴(yán)苛。因此，有機(jī)酸溶蝕供給差異控制了次生孔隙的發(fā)育程度，強(qiáng)溶蝕作用是西湖凹陷深層發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)鍵。

3.3 發(fā)育早期環(huán)邊綠泥石

通過(guò)對(duì)西湖凹陷大量薄片及掃描電鏡觀察，環(huán)邊狀綠泥石通常呈等厚狀垂直于顆粒表面生長(zhǎng)，顆粒接觸多為點(diǎn)—線接觸(圖4c)，由此也可證明綠泥石環(huán)邊發(fā)育在壓實(shí)作用較弱的成巖作用早期，綠泥石環(huán)繞顆粒生長(zhǎng)，在其與顆粒之間并未見(jiàn)更早期的膠結(jié)物。而綠泥石環(huán)邊不發(fā)育的儲(chǔ)層，最早的膠結(jié)物為石英次生加大，因此綠泥石環(huán)邊發(fā)育在石英次生加大之前。由于綠泥石形成時(shí)間早，并在顆粒表面形成一層“保護(hù)膜”，能夠通過(guò)阻止后期富含二氧化硅的孔隙流體在碎屑石英顆粒表面成核，進(jìn)而抑制共軸再生膠結(jié)物形成。隨著埋深加大，具有一定厚度的環(huán)邊綠泥石還可以起到支撐作用，有效緩解成巖壓實(shí)對(duì)儲(chǔ)層的破壞，同時(shí)有效阻隔了石英顆粒之間的直接接觸，極好地抑制了成巖后期壓溶作用的發(fā)生[24]。受綠泥石環(huán)邊保護(hù)的儲(chǔ)層可保存一定的原生孔，這些原生孔滲透性好，可作為酸性流體的滲流通道，使得砂巖在保存了原生孔的基礎(chǔ)上發(fā)育了大量粒間溶蝕擴(kuò)大孔。

西湖凹陷黏土礦物X衍射分析結(jié)果顯示，綠泥石含量與物性呈明顯的正相關(guān)(圖12)。中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中北部花港組儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育綠泥石，而在平湖組中綠泥石少見(jiàn)，究其原因，平湖組煤系地層賦存在泥質(zhì)巖中的有機(jī)質(zhì)在成巖早期可迅速腐爛分解，形成大量腐植酸，地層流體介質(zhì)為酸性，抑制了早期堿性礦物綠泥石的發(fā)育，而花港組地層成巖早期長(zhǎng)期處于堿性環(huán)境中，形成的綠泥石環(huán)邊是中北部花港組三段、四段形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的重要成巖因素。

圖12 西湖凹陷ZY-1井綠泥石含量與物性關(guān)系Fig .12 Relationship of chlorite content and reservoir quality of Well ZY-1 in Xihu sag

3.4 發(fā)育超壓

研究認(rèn)為西湖凹陷異常高壓主要由生烴增壓造成，平湖組作為烴源巖層目前鉆探至3 800～4 800 m深層時(shí)普遍發(fā)現(xiàn)異常高壓，壓力系數(shù)在1.2～1.6，而花港組超壓少見(jiàn)。超壓能有效地保護(hù)原生孔隙，有利于形成次生孔隙和裂縫，從而明顯改善儲(chǔ)層物性。圖13為西湖凹陷平北地區(qū)XP-7井孔隙流體壓力系數(shù)-深度-物性變化趨勢(shì)圖，隨著深度的增加，孔隙度呈降低趨勢(shì)，但隨著壓力系數(shù)的增加，到了某一深度，孔隙度均存在增大趨勢(shì)，該物性變化的拐點(diǎn)和壓力系數(shù)增大的趨勢(shì)一致，和流體孔隙壓力有著非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，西湖凹陷深層儲(chǔ)層進(jìn)入超壓后，隨著埋深加大，孔隙度和滲透率減小趨勢(shì)明顯變緩，異常高壓為深層—超深層存在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層提供了可能。

圖13 西湖凹陷平北地區(qū)XP-7井壓力系數(shù)-深度-物性變化趨勢(shì)圖Fig .13 Variation tendency of Well XP-7 pressure parameter-depth-porosity in Pingbei area， Xihu sag

綜上所述，西湖凹陷不同層位優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層受單一或多因素控制。平湖組作為煤系地層，溶蝕作用普遍強(qiáng)烈，加之生烴超壓保護(hù)孔隙，因而水下分流河道核部中—粗砂巖是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育有利部位；花港組辮狀河道發(fā)育巨厚砂體，成巖早期長(zhǎng)期處于堿性環(huán)境中，廣泛發(fā)育的“環(huán)邊綠泥石”抑制膠結(jié)的同時(shí)利于后期有機(jī)酸的溶蝕，疊合有效的油源斷層等有機(jī)酸疏導(dǎo)體系，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層集中發(fā)育的部位。

4 結(jié)論

1) 西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層厚度大、分布廣，埋深普遍在3 500～4 800 m，次生溶孔占總孔隙的75%以上，低滲儲(chǔ)層喉道半徑峰值在1～5 μm，喉道半徑與滲透率對(duì)應(yīng)關(guān)系好。

2) 周緣隆起母巖提供了大量的剛性石英顆粒和可溶性長(zhǎng)石顆粒，奠定了西湖凹陷深層依然發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ)，深埋條件及成巖膠結(jié)作用是儲(chǔ)層致密化的主因，地溫及成巖環(huán)境的差異控制了平湖組和花港組儲(chǔ)層孔隙的差異演化，進(jìn)而控制了低滲儲(chǔ)層縱向分布窗口。

3) 西湖凹陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層受沉積微相及差異溶蝕控制，不同層段也有各自的特點(diǎn)，其中花港組發(fā)育早期綠泥石環(huán)邊保護(hù)原生孔，且抑制后期膠結(jié)；而平湖組深層普遍發(fā)育超壓?？?，多因素共同控制了深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成。