黃導(dǎo)武 段冬平 劉彬彬 劉英輝 黃 鑫

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200335)

近年來(lái)，低滲-致密砂巖氣藏已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一。目前，北美地區(qū)致密砂巖氣藏的研究和開發(fā)程度較高，自2008年進(jìn)行規(guī)模開發(fā)以來(lái)，其產(chǎn)量持續(xù)保持在1 200×108m3左右，而我國(guó)致密砂巖氣藏在鄂爾多斯和四川盆地也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)[1-2]。近年來(lái)在東海陸架盆地西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中北部發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型低滲-致密砂巖氣田，儲(chǔ)層為多套單層厚逾百米的大型辮狀河沉積體[3]，物性表現(xiàn)為常規(guī)-低滲-致密復(fù)合的強(qiáng)非均質(zhì)性特征。受制于較高的環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本，更為詳實(shí)可靠的儲(chǔ)層研究和評(píng)價(jià)是海上低滲-致密砂巖氣田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的前提。

近年來(lái)，低滲-致密砂巖氣儲(chǔ)層的地質(zhì)特征、微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征及其成因是研究的熱點(diǎn)[4-7]。西湖凹陷儲(chǔ)層物性控制因素分析表明，沉積環(huán)境、壓實(shí)作用、黏土礦物類型及含量、溶蝕作用、異常壓力和深部熱液等因素是影響儲(chǔ)層物性的主要因素[8-10]，但不同研究區(qū)主控因素差異明顯，儲(chǔ)層物性主要受沉積作用控制，成巖作用增加了儲(chǔ)層物性的不均一性[11]。本文以西湖凹陷某氣田花港組低滲-致密砂巖儲(chǔ)層為例，利用137 m連續(xù)取心的巖心分析化驗(yàn)資料，分析不同巖相的發(fā)育概率及其控制的物性分布區(qū)間，系統(tǒng)研究沉積微相、巖石結(jié)構(gòu)、成巖作用、黏土礦物演化與儲(chǔ)層物性之間的內(nèi)在聯(lián)系，評(píng)價(jià)強(qiáng)非均質(zhì)儲(chǔ)層內(nèi)部“甜點(diǎn)”的宏微觀特征并總結(jié)其成因差異，落實(shí)“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層發(fā)育的主控因素。

1 研究區(qū)概況

西湖凹陷位于東海陸架盆地東部坳陷帶的中部，是目前東海地區(qū)已發(fā)現(xiàn)油氣規(guī)模最大的凹陷，面積為5.18×104km2；總體呈北東方向，自西向東可劃分為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東次凹及東部斷階帶等5個(gè)構(gòu)造單元(圖1)。西湖凹陷新生代主要經(jīng)歷了基隆運(yùn)動(dòng)、甌江運(yùn)動(dòng)、玉泉運(yùn)動(dòng)、龍井運(yùn)動(dòng)和沖繩海槽運(yùn)動(dòng)，新生界發(fā)育齊全，其中漸新統(tǒng)花港組是勘探的主要目的層(圖1)[12]，為北東向南西方向發(fā)育的辮狀河-三角洲-湖泊沉積體系位[3]。

圖1 西湖凹陷地層概況、構(gòu)造演化與構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig .1 Strata,tectonic evolution and tectonic unit division in the Xihu sag

研究區(qū)位于西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中北部，為一個(gè)寬緩長(zhǎng)軸背斜，目的層花港組為辮狀河沉積，根據(jù)內(nèi)部特征差異可分為花上段和花下段，花上段H3砂組砂巖厚度超百米，是本次研究的目標(biāo)層位。

2 儲(chǔ)層物性特征

目的層豐富的巖心資料，為系統(tǒng)分析儲(chǔ)層物性特征奠定了扎實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 巖石學(xué)特征

H3層主要巖石類型為長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖，少量長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑砂巖。巖石的成分成熟度較好，石英含量平均 63.4%～65.1%，長(zhǎng)石含量平均16%左右，巖屑含量平均18.3%～20.2%。結(jié)構(gòu)成熟度中等，顆粒磨圓以次棱—次圓狀為主，分選中等—好或好，接觸類型以點(diǎn)—線接觸為主，少量凹凸—線接觸以及線—點(diǎn)接觸，膠結(jié)類型以接觸—壓嵌式膠結(jié)為主。

2.2 孔隙類型

根據(jù)鑄體薄片鑒定、圖像分析和掃描電鏡資料分析，H3層砂巖孔隙發(fā)育分布不均勻，最高面孔率可達(dá)20.4%，最低面孔率僅0.3%。孔隙類型以次生溶蝕孔隙為主，溶蝕礦物以巖屑和長(zhǎng)石溶蝕為主，少量原生粒間孔；次生溶孔中粒間溶孔占比例最高，平均達(dá)49.2%，其次是鑄?？住⒘?nèi)溶孔。此外，可見少量晶間孔及雜基黏土中的微孔，其體積小、對(duì)物性貢獻(xiàn)低(圖2)。原生孔與溶蝕孔呈正相關(guān)關(guān)系，即原生孔越發(fā)育溶蝕孔就越發(fā)育，說(shuō)明溶蝕作用受控于沉積作用，較好的原生孔既利于有機(jī)酸的進(jìn)入，又利于溶蝕產(chǎn)物的帶出，促進(jìn)溶蝕孔的發(fā)育。

圖2 西湖凹陷花港組H3層典型孔隙特征Fig .2 Typical pore characteristics in H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

2.3 巖心孔隙度與滲透率

根據(jù)1 300余塊巖心、壁心物性分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，H3層儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，在整體低滲-致密的背景下，局部發(fā)育“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。利用氦氣法測(cè)量的孔隙度以5%～15%為主，占比達(dá)到89%，屬低孔—特低孔儲(chǔ)層，孔隙度大于15%的中高孔儲(chǔ)層占比僅為3%(圖3a)。同時(shí)滲透率差異表現(xiàn)的更大，致密儲(chǔ)層占比42%，低滲儲(chǔ)層占比34%，低滲-致密儲(chǔ)層占比較高的背景下，中高滲的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層占比達(dá)到24%(圖3b)。面對(duì)這樣的厚層非均質(zhì)儲(chǔ)層，厘清其非均質(zhì)性的成因、尋找“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層至關(guān)重要。

圖3 西湖凹陷花港組H3層巖心物性分析Fig .3 Core physical property analysis in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

3 沉積微相劃分及差異分析

3.1 沉積微相類型劃分

研究區(qū)花港組目的層為辮狀河沉積，砂體厚度大于100 m，砂體內(nèi)部切疊嚴(yán)重，利用巖心在辮狀河沉積體系里識(shí)別出十余種巖相(圖4)；依據(jù)不同巖相的縱向組合關(guān)系共識(shí)別出5種微相類型，分別是礫質(zhì)辮狀水道、粗粒心灘、細(xì)粒心灘、廢棄辮狀水道和堤岸及河漫灘沉積。受水動(dòng)力條件影響，不同微相具有其獨(dú)特的巖相組合類型，對(duì)非取心井利用成像測(cè)井資料完成了微相的劃分，并統(tǒng)計(jì)了不同類型微相的發(fā)育概率(表1)。

圖4 西湖凹陷花港組H3層微相類型及巖相組合圖Fig .4 Microfacies and lithofacies combination in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

表1 西湖凹陷花港組H3層各類微相發(fā)育厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Thickness statistics of various microfacies in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

1) 礫質(zhì)辮狀水道。

礫質(zhì)辮狀水道發(fā)育概率為18%，單層厚度介于1.10～3.64 m，主要以河道底部滯留沉積為主，當(dāng)水動(dòng)力足夠強(qiáng)時(shí)，水流將底部泥巖完全沖走，此時(shí)發(fā)育塊狀構(gòu)造砂礫巖相，往上發(fā)育平行層理中砂巖相；當(dāng)水動(dòng)力強(qiáng)度不足，底部泥巖受水流攪動(dòng)后發(fā)生原地或近距離沉積，此時(shí)底部發(fā)育塊狀構(gòu)造含泥礫砂巖相，往上沉積塊狀構(gòu)造中細(xì)砂巖相。

2) 粗粒心灘。

粗粒心灘發(fā)育概率為56%，單層厚度介于2.08～11.28 m，多是在強(qiáng)水動(dòng)力條件下發(fā)育的，底部發(fā)育塊狀構(gòu)造含礫砂巖相，往上水動(dòng)力變?nèi)?，發(fā)育塊狀構(gòu)造中砂巖相，塊狀構(gòu)造及平行層理中細(xì)砂巖相等。

3) 細(xì)粒心灘。

細(xì)粒心灘發(fā)育概率為18%，單層厚度變化較大，介于2.28～18.84 m，多是在洪水期過(guò)后，在前一期心灘基礎(chǔ)上發(fā)育的繼承性心灘，底部少見礫石層，主要發(fā)育平行層理細(xì)砂巖相，往上隨著水流變?nèi)酰l(fā)育交錯(cuò)層理、塊狀構(gòu)造粉細(xì)砂巖，最后發(fā)育波狀層理粉細(xì)砂巖。

4) 廢棄辮狀水道。

辮狀河沉積相中廢棄水道較少發(fā)育，占比僅為3%，連續(xù)取心段僅發(fā)育一層，厚度為4.24 m，極易被下一期辮狀水道沖刷而難以保存，研究區(qū)發(fā)育的廢棄水道為典型正旋回，底部發(fā)育平行層理中細(xì)砂巖相，往上變?yōu)槠叫?、波狀粉?xì)砂巖相，最上面為粉砂質(zhì)泥巖相。

5) 堤岸及河漫灘。

主要以塊狀構(gòu)造泥巖相與塊狀構(gòu)造粉砂相互層，或是單獨(dú)發(fā)育塊狀泥巖相。

3.2 不同沉積微相黏土礦物差異分析

研究區(qū)處于中成巖階段A期[13]。壓實(shí)作用是造成孔隙度下降的最重要因素[14]，在同一層內(nèi)壓實(shí)作用的差異主要受沉積相帶控制，因此不再贅述，則黏土礦物膠結(jié)成為影響“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層發(fā)育的主要成巖因素。

H3層粉砂級(jí)以上巖性黏土礦物含量為1.6%～14.3%，平均值6.5%，據(jù)X衍射實(shí)驗(yàn)可知，不同微相的黏土礦物差異顯著，礫質(zhì)辮狀水道及粗粒心灘微相以綠泥石為主，相對(duì)含量40%～80%；伊利石及伊蒙混層含量較低，兩者之和10%～50%。而其他3類微相黏土礦物與之相反，綠泥石含量低，以伊利石及伊蒙混層為主。

從綠泥石相對(duì)含量與孔隙度、滲透率的交會(huì)圖可以看出，兩者呈較好的正相關(guān)關(guān)系(圖5a)。綠泥石在目的層主要呈孔隙襯里形態(tài)發(fā)育(圖6a)，可有效抑制硅質(zhì)膠結(jié)的發(fā)生，增加抗壓性，保護(hù)原生孔隙并促進(jìn)次生孔隙發(fā)育。雖然有不同學(xué)者對(duì)綠泥石在本區(qū)的作用有所質(zhì)疑，認(rèn)為粗粒巖性是更為重要的因素[15-16]，但筆者認(rèn)為二者是相輔相成的關(guān)系，粗粒相帶在早期有利于孔隙襯里綠泥石的生成，在二者的共同作用下，更好地保護(hù)了原生孔并促進(jìn)溶蝕孔的發(fā)育。

伊利石在目的層主要呈3種賦存狀態(tài)，絲縷狀、搭橋狀伊利石廣泛分布于粒間孔隙中(圖6d)；長(zhǎng)石溶蝕直接形成的伊利石發(fā)育于長(zhǎng)石溶蝕孔中，由于長(zhǎng)石的溶蝕常沿解理進(jìn)行，因此該類伊利石的分布也常沿長(zhǎng)石解理呈網(wǎng)格狀分布(圖6e)；顆粒包膜式伊利石垂直碎屑顆粒發(fā)育，這種伊利石常隱約可見蒙脫石的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可能主要由蒙脫石伊利石石化形成(圖6f)。伊利石和伊蒙混層與孔滲呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，絲縷狀、搭橋狀伊利石和網(wǎng)狀伊蒙混層堵塞原生孔及溶蝕孔，導(dǎo)致物性大幅下降(圖5b)。

伊利石含量與綠泥石含量呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，在綠泥石發(fā)育的地方伊利石不發(fā)育，這是因?yàn)閮烧叩男纬森h(huán)境不同。開放式流體場(chǎng)，流體流通通暢，溶蝕產(chǎn)物可順利遷移，有利于綠泥石的保存與形成；封閉-半封閉流體場(chǎng)，流體流通不暢，溶蝕作用產(chǎn)物遷移受阻，K+的遷移受阻極易形成伊利石。

圖5 西湖凹陷花港組H3層不同微相黏土礦物相對(duì)含量與滲透率關(guān)系圖Fig .5 Correlation between content and physical properties of clay minerals in different microfacies，H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

圖6 西湖凹陷花港組H3層黏土礦物賦存狀態(tài)Fig .6 Existent state of clay minerals in H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

4 儲(chǔ)層質(zhì)量差異成因

由于不同微相沉積水動(dòng)力條件的不同，所形成砂體的厚度、規(guī)模、粒度、分選等方面具有明顯差異，從而導(dǎo)致不同微相具備不同的原始儲(chǔ)集性能，也導(dǎo)致后期成巖作用的差異，尤其是黏土礦物的分布及其孔喉特征的差異，統(tǒng)計(jì)了不同微相孔隙度、滲透率、黏土礦物、孔喉特征等(圖7、表2)。

在早期快速深埋的強(qiáng)壓實(shí)作用下，儲(chǔ)層物性大幅下降，受沉積微相控制，形成了開放—半封閉—封閉的成巖流體系統(tǒng)，造成溶蝕作用及黏土礦物膠結(jié)作用的差異，從而導(dǎo)致“甜點(diǎn)”發(fā)育及差異化致密。

粗粒相帶主要為礫質(zhì)辮狀水道及粗粒心灘微相，抗壓實(shí)作用強(qiáng)，易形成開放式成巖環(huán)境，流體流通通暢，溶蝕產(chǎn)物可順利遷移，有利于綠泥石的保存和形成，從而抑制壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，在粗粒相帶易形成“甜點(diǎn)”。礫質(zhì)辮狀水道微相，粗粒沉積物的快速堆積造成分選較差，喉道大小不均，平均喉道半徑為0.13～9.06 μm，孔隙度平均7.5%，滲透率平均8.29 mD，黏土總量8%，以綠泥石為主(表2)；粗粒心灘微相，孔滲關(guān)系好，物性最好，孔隙度平均10.7%，滲透率平均18.66 mD，黏土總量最低(平均6%)，綠泥石含量最高(平均55%)，綠泥石/伊利石孔比值最高(平均3.2)，孔喉結(jié)構(gòu)最好，平均喉道半徑最大(平均3.34 μm),是最佳的“甜點(diǎn)”發(fā)育相帶。

細(xì)粒相帶主要包括細(xì)粒心灘及廢棄辮狀水道相，多為封閉-半封閉成巖環(huán)境，流體流通不暢，溶蝕產(chǎn)物(尤其是鉀離子)排出不通暢，極易在原地形成搭橋狀-絲縷狀伊利石，同時(shí)長(zhǎng)石、巖屑的被溶蝕形成次生孔隙的過(guò)程將受到抑制[17-18]，最終造成儲(chǔ)層進(jìn)一步致密化。巖心分析結(jié)果表明，細(xì)粒相帶的孔隙度平均7%～8%，滲透率多小于1 mD，以致密儲(chǔ)層為主；與粗粒相帶相比，黏土總量明顯增加(平均14%)，綠泥石含量減小(平均37%)，伊利石加伊蒙混層含量增大(平均55%)；孔喉結(jié)構(gòu)變差，平均喉道半徑減小(平均0.32 μm)，排驅(qū)壓力增大(平均1.31 MPa)。

圖7 西湖凹陷花港組H3層不同微相的儲(chǔ)層特征差異Fig .7 Differences of reservoir characteristics in various microfacies in H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

表2 西湖凹陷花港組H3層各類微相儲(chǔ)層特征統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of reservoir characteristics in various microfacies in H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

堤岸及河漫灘微相以塊狀泥巖與粉砂巖互層為主，不作為有效儲(chǔ)層。

5 “甜點(diǎn)”分布預(yù)測(cè)及應(yīng)用

綜上所述，粗粒心灘為研究區(qū)“甜點(diǎn)”發(fā)育最有利的沉積相帶，其次為礫質(zhì)辮狀水道。根據(jù)137 m連續(xù)取心資料，進(jìn)行了取心段沉積微相劃分，識(shí)別出“甜點(diǎn)”發(fā)育段。并根據(jù)取心段總結(jié)的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的測(cè)井特征，結(jié)合成像測(cè)井含礫段識(shí)別，進(jìn)行了“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的單井預(yù)測(cè)(圖8)。通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)，明確了粗粒心灘型“甜點(diǎn)”的敏感彈性參數(shù)為縱波模量，運(yùn)用基于疊前地震彈性阻抗反演的“甜點(diǎn)”敏感彈性參數(shù)反演方法，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)粗粒心灘型“甜點(diǎn)”分布預(yù)測(cè)(圖9)。粗粒心灘型“甜點(diǎn)”廣泛發(fā)育于辮狀水道中，在研究區(qū)東部與南部發(fā)育，在X-4井附近及西南部局部區(qū)域發(fā)育較差。本研究成果為整體低滲-致密背景下的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供可靠地質(zhì)支持，為研究區(qū)井位優(yōu)化及厚層非均質(zhì)氣藏有效開發(fā)提供有力支撐。

注：A為礫質(zhì)辮狀水道;B為粗粒心灘;C為細(xì)粒心灘;D為廢棄辮狀水道;E為堤岸及河漫灘。

圖8 西湖凹陷花港組H3層單井沉積微相劃分圖

Fig .8 Sedimentary microfacies division in single well of H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

圖9 西湖凹陷花港組H3層粗粒心灘型“甜點(diǎn)”分布概率預(yù)測(cè)圖Fig .9 Distribution prediction of coarse grained channel bars “sweet spot” of H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

6 結(jié)論

1) 研究區(qū)花港組厚層低滲-致密儲(chǔ)層內(nèi)部發(fā)育“甜點(diǎn)”，沉積微相控制的后期成巖作用差異是導(dǎo)致“甜點(diǎn)”發(fā)育及差異化致密的主要原因。

2) 在粗粒心灘和礫質(zhì)辮狀水道微相帶，原生孔保存相對(duì)較好，溶蝕作用發(fā)育，溶蝕產(chǎn)物可順利遷移，有利于綠泥石的保存與形成，從而共同抑制破壞性成巖作用，在粗粒相帶易形成“甜點(diǎn)”；在細(xì)粒微相帶，流體流通不暢，溶蝕作用產(chǎn)物遷移受阻，在原地形成搭橋狀-絲縷狀伊利石，造成儲(chǔ)層進(jìn)一步致密化。

3) 從黏土礦物與物性關(guān)系及不同微相的黏土礦物特征來(lái)看，孔隙襯里綠泥石發(fā)育是研究區(qū)“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的重要特征之一，正是由于粗粒相帶與襯里綠泥石的共同作用，才在厚層低滲-致密砂巖內(nèi)部形成了大量“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。

4) 根據(jù)取心段分析，確定粗粒心灘為研究區(qū)“甜點(diǎn)”發(fā)育最有利的沉積相帶，通過(guò)取心段總結(jié)的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的測(cè)井特征、地震相應(yīng)特征，進(jìn)行了“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的單井及平面分布預(yù)測(cè)，為厚層非均質(zhì)氣藏有效開發(fā)提供有力支撐。