張 武，蔣一鳴，肖曉光，陳 浩，苗 清，徐志星

(中海石油(中國(guó))有限公司 上海分公司，上海 200335)

致密砂巖儲(chǔ)層一般指覆壓基質(zhì)滲透率小于等于0.1×10-3μm2的砂巖儲(chǔ)層，而國(guó)內(nèi)往往采用在常壓條件下空氣滲透率小于1×10-3μm2作為致密砂巖界線[1]；單井一般無(wú)自然產(chǎn)能，或自然產(chǎn)能低于商業(yè)經(jīng)濟(jì)下限，但在一定經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)措施下，可以獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量。通常情況下，這些措施包括水平井、壓裂等，但海上油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中作業(yè)成本高，取心資料少、缺乏露頭資料、深層地震資料分辨率低，因而對(duì)地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)提出了更高的要求[2-4]。

東海西湖凹陷近年來(lái)先后發(fā)現(xiàn)多個(gè)大氣田，但儲(chǔ)層整體質(zhì)量較差，埋深多大于3 500 m，非均質(zhì)性強(qiáng)，整體屬于低滲—致密儲(chǔ)層[4-5]，目前對(duì)深層低滲—致密儲(chǔ)層差異成巖作用及致密化控制因素未開(kāi)展系統(tǒng)性的分析[6-7]。隨著研究的深入，認(rèn)為成巖作用及成巖環(huán)境的演化是控制漸新統(tǒng)花港組儲(chǔ)層物性的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)巖心觀察、薄片鑒定、粉末粒度、掃描電鏡、恒速壓汞及同位素測(cè)年分析等測(cè)試分析，從構(gòu)造、沉積及成巖演化等方面，綜合論述了西湖凹陷中北部花港組儲(chǔ)層致密化的成因，結(jié)合埋藏史—熱史及關(guān)鍵成巖事件，理清儲(chǔ)層致密化過(guò)程，為有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)打下基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

西湖凹陷是中國(guó)東部近海最大的含油氣凹陷，總面積約5.18×104km2，南北以低凸起分別與釣北凹陷和福江凹陷相鄰，東側(cè)緊鄰釣魚(yú)島隆褶帶，凹陷東西方向上總體可劃分出3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，即西部斜坡帶、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶和東部斷階帶(圖1)[8-10]。西湖凹陷內(nèi)以新生代碎屑沉積為主，經(jīng)歷了古新世—始新世斷陷、漸新世—中新世拗陷和上新世—第四紀(jì)區(qū)域沉降等3個(gè)階段。中北部各反轉(zhuǎn)構(gòu)造形成于中新世晚期柳浪組沉積期，中新世末，在太平洋板塊及菲律賓海板塊持續(xù)向西俯沖作用下，盆地東緣釣魚(yú)島隆褶帶承受了強(qiáng)烈的擠壓作用，向西傳遞導(dǎo)致巨型反轉(zhuǎn)背斜帶的形成，即為龍井運(yùn)動(dòng)[8]。西湖凹陷中北部花港組沉積期受北東—南西走向地形控制，發(fā)育有辮狀河—三角洲—湖泊沉積體系[11-13]，其中辮狀河沉積體系占主體，盆地持續(xù)穩(wěn)定的沉降、強(qiáng)水動(dòng)力條件形成的巨厚疊置砂巖單層厚達(dá)130余m，厚砂體內(nèi)部沉積及成巖演化的差異是導(dǎo)致儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的主因[14]。

圖1 東海陸架盆地西湖凹陷構(gòu)造帶位置及地層簡(jiǎn)表

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)1 100余次薄片鑒定分析，中北部花港組儲(chǔ)層以長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖為主，次為長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑砂巖。碎屑組分整體差異較小，成分成熟度高，石英顆粒含量平均65.3%，長(zhǎng)石適量，平均為17.5%，巖屑平均17.2%；巖性以細(xì)砂巖為主，占比約75%，中粗砂巖占17.5%；分選中—好，磨圓度以次棱—次圓為主。西湖凹陷中北部發(fā)育大型辮狀河沉積體系，形成超百米的巨厚心灘、河床微相疊置砂體[11]；整體水動(dòng)力較強(qiáng)，砂體結(jié)構(gòu)成熟度高，填隙物總量一般6.3%～9.1%，泥質(zhì)雜基含量2.7%～7.8%，大部在5%以下，砂體潔凈。接觸類(lèi)型以點(diǎn)—線及線接觸為主，部分凹凸—線接觸；膠結(jié)物類(lèi)型主要為碳酸鹽膠結(jié)物(方解石、白云石)，含量為1.9%～3.5%，其次為硅質(zhì)，含量為0.5%～1.2%。

2.2 儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)

根據(jù)鑄體薄片鑒定、圖像分析和掃描電鏡資料，西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中北部花港組主要為孔隙型儲(chǔ)層，局部發(fā)育少量微裂縫?？紫额?lèi)型以次生溶蝕孔隙為主(75%)，粒間溶孔(圖2a)在次生溶孔中含量最高；其次為原生孔(25%)(圖2b，c)，局部孔隙被方解石、含鐵方解石充填(圖2d)。

圖2 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型特征

利用恒速壓汞技術(shù)對(duì)花港組低滲—致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行分析，其孔喉半徑主要分布在微米—亞微米級(jí)，孔隙半徑主要集中在100～200 μm，喉道半徑分布在0.2～15 μm，孔喉結(jié)構(gòu)呈大孔中—細(xì)喉特征；滲透率受孔隙大小的影響外，更主要是受孔隙連通情況，即喉道半徑大小、幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)系數(shù)的控制[15]。長(zhǎng)石等顆粒邊緣溶蝕形成的溶蝕擴(kuò)大孔，形態(tài)為三角形或近圓形，一般連通性較好，而泥質(zhì)雜基及黏土礦物微孔主要為片狀—彎片狀孔隙，喉道半徑約100～500 nm，連通性較差。喉道半徑大于1 μm的樣品滲透率大于1×10-3μm2；而喉道半徑集中在0.2～1 μm的樣品，滲透率小于1×10-3μm2(圖3)、毛細(xì)管壓力大于0.5 MPa，即為致密儲(chǔ)層。

圖3 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征

2.3 物性特征

依據(jù)多口井巖心和壁心物性分析資料，按照《海上石油天然氣儲(chǔ)量計(jì)算規(guī)范：DZ/T0252—2013》儲(chǔ)層物性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，西湖凹陷中北部花港組總體屬于特低孔—中滲儲(chǔ)層；物性總體為低孔—低滲及特低孔—特低滲；孔隙度分布在1.2%～24.6%，平均值為9.7%；滲透率為(0.01～850)×10-3μm2，平均為10.07×10-3μm2，總體上花港組孔隙度和滲透率隨深度增加而減小。主力氣層H3砂層組物性最好，平均孔隙度和滲透率分別為10.0%～17.4%和(10.03～28.63)×10-3μm2，屬低孔—中滲儲(chǔ)層。縱向上，3 000～4 000 m深度段發(fā)育大量中—低滲儲(chǔ)層，4 000 m以下主要發(fā)育致密儲(chǔ)層(滲透率小于1×10-3μm2)。

3 儲(chǔ)層致密化控制因素

3.1 差異壓實(shí)對(duì)儲(chǔ)層致密化的影響

研究區(qū)花港組埋深超過(guò)3 500 m，巖石顆粒呈線—凹凸接觸，軟顆粒呈微縫合線接觸(圖2b)。不同沉積微相及水動(dòng)力條件下砂體粒度、泥質(zhì)含量等參數(shù)控制了成巖壓實(shí)差異。從粉末粒度和泥質(zhì)含量與儲(chǔ)層物性的相關(guān)性來(lái)看(圖4)，粒度對(duì)孔隙度影響小(R2=0.12)，對(duì)滲透率的影響較大(R2=0.39)，平均粒徑φ值在1.5～4.5區(qū)間為心灘沉積，分選磨圓較好，水動(dòng)力條件決定砂體粒度，粒度越粗物性越好；而平均粒徑φ值在-1.5～1.5區(qū)間一般為河床滯留沉積，砂礫巖混雜堆積，分選差致使深層物性差，不是粒度越粗物性越好；泥質(zhì)對(duì)孔隙度影響小(R2=0.04)，對(duì)滲透率影響較大(R2=0.30)，泥質(zhì)含量越低物性越好。

圖4 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組粒度及泥質(zhì)含量與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

從花港組膠結(jié)物含量—負(fù)膠結(jié)物孔隙度投點(diǎn)圖來(lái)看(圖5)，花港組負(fù)膠結(jié)物孔隙度大部分小于10%，原生孔隙損失了近80%。因而，深埋條件下強(qiáng)壓實(shí)作用是儲(chǔ)層低滲、致密的主要原因，中粗砂巖抗壓實(shí)能力強(qiáng)，利于形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

圖5 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組膠結(jié)物含量—負(fù)膠結(jié)物孔隙度投點(diǎn)圖

3.2 黏土礦物演化對(duì)儲(chǔ)層致密的影響

花港組膠結(jié)物常見(jiàn)方解石、含鐵方解石、硅質(zhì)及各類(lèi)自生黏土礦物，其中方解石膠結(jié)主要以“鈣尖”形式存在，僅造成局部?jī)?chǔ)層致密，硅質(zhì)與物性相關(guān)性弱；自生黏土礦物含量對(duì)物性有明顯控制作用，綠泥石含量與物性正相關(guān)，伊利石含量與物性負(fù)相關(guān)(圖6)。因此本文重點(diǎn)分析黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層演化的影響。

圖6 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組膠結(jié)物含量與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

3.2.1 綠泥石

綠泥石的形成受成巖階段及成巖環(huán)境控制，中北部花港組綠泥石呈現(xiàn)出2種形態(tài)[16]：一是早成巖期堿性環(huán)境形成的環(huán)邊綠泥石(Fe2++Mg2++Al3++蒙皂石→早期環(huán)邊綠泥石+Na++Ca2++SiO2+H+，圖7a)，這一類(lèi)型的綠泥石易形成于強(qiáng)水動(dòng)力條件的中—粗砂巖中，占據(jù)顆粒表面空間而抑制成巖后期的膠結(jié)作用，但早期環(huán)邊綠泥石抑制石英次生加大等膠結(jié)物的能力受地溫控制，當(dāng)?shù)販卮笥?60 ℃時(shí)抑制作用明顯減弱[17]；另一種形成于中成巖B期堿性環(huán)境[3Al2Si2O5(OH)4+4Mg2++4Fe2++9H2O=Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16(晚期綠泥石)+14H+，圖7b]，呈分散片狀或絨球狀，對(duì)儲(chǔ)層喉道有明顯堵塞作用，是引起儲(chǔ)層致密化礦物之一。

3.2.2 伊利石

花港組中未見(jiàn)碎屑伊利石，自生伊利石開(kāi)始形成于中成巖A期(K++蒙皂石→伊利石+Na++Ca2++Mg2++Fe3++Si4++O2-+OH-+H2O)[18]，多與伊蒙混層伴生(圖7c)，至中成巖B期大量富集[KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)→伊利石+2SiO2+H2O]，呈絲發(fā)狀、搭橋狀充填于孔隙中(圖7d)，直接堵塞喉道使儲(chǔ)層滲透率驟降，是引起儲(chǔ)層致密化最主要的礦物。從中北部花港組物性與黏土礦物演化特征來(lái)看(圖8)，高嶺石與伊利石呈負(fù)相關(guān)，3 400～3 600 m高嶺石開(kāi)始向伊利石轉(zhuǎn)化，高嶺石逐漸消失；3 600～4 000 m砂層發(fā)育環(huán)邊綠泥石，伊利石與綠泥石負(fù)相關(guān)，證實(shí)早期形成的環(huán)邊綠泥石對(duì)伊利石的生長(zhǎng)有明顯抑制作用，對(duì)應(yīng)花港組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育帶；4 000 m以下伊蒙混層中蒙脫石含量低于15%，花港組進(jìn)入中成巖B期，伊利石占黏土礦物比重超過(guò)40%，造成儲(chǔ)層規(guī)模性致密。

圖7 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組黏土礦物特征

圖8 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組物性與黏土礦物演化對(duì)比

4 儲(chǔ)層致密化過(guò)程分析

儲(chǔ)層成巖作用受沉積微相、構(gòu)造演化、流體環(huán)境、古地溫等多種因素影響，最關(guān)鍵的是孔隙流體之間隨著成巖環(huán)境的演變而致水—巖反應(yīng)隨之變化[19-23]。前文梳理了花港組儲(chǔ)層成巖演化過(guò)程及儲(chǔ)層致密化主因，深層膠結(jié)作用導(dǎo)致滲透率的突變，搭橋狀自生伊利石是主要致密礦物，石英次生加大邊賦存的鹽水包裹體能很好記錄水—巖反應(yīng)過(guò)程[24-25]。因此，選取石英包裹體測(cè)試和自生伊利石40Ar/38Ar同位素測(cè)年數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵成巖礦物形成溫度及時(shí)間，結(jié)合埋藏史—熱史及油氣充注史，恢復(fù)儲(chǔ)層致密化過(guò)程。

4.1 流體包裹體測(cè)試法

利用Axioskop40A型偏光顯微鏡對(duì)花港組8口井近300個(gè)樣品進(jìn)行包裹體顯微測(cè)溫，花港組Z4井包裹體均一溫度分析(表1)表明，H3砂層組主要發(fā)生2期油氣充注[26]。Ⅰ期油氣充注烴類(lèi)包裹體主要賦存于石英次生加大邊上，均一溫度132～137 ℃，鹽度4.8%～4.96%。采用核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心LABHR-VISLabRAM HR800研究級(jí)顯微激光拉曼光譜儀對(duì)包裹體進(jìn)行成分分析，Ⅰ期包裹體中含有CH4、CO2。因此，Ⅰ期烴類(lèi)充注H3砂層組正處于中成巖A期(地溫小于140 ℃)，油氣充注帶來(lái)大量酸性流體對(duì)花港組次生溶蝕起決定性作用，高鹽度一定程度反映該充注期水—巖反應(yīng)強(qiáng)烈。Ⅱ期油氣充注烴類(lèi)包裹體主要賦存于切穿石英成巖期后的微裂隙中，鹽度較低，H3砂層組已演化至中成巖A期末(均一溫度141～150 ℃)，包裹體中僅含CH4，說(shuō)明有機(jī)酸被消耗殆盡，溶蝕作用停止，地層流體逐漸轉(zhuǎn)化為堿性，膠結(jié)物開(kāi)始富集[27]。次生石英大量沉淀時(shí)間大致對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層致密化時(shí)間，從石英次生加大邊中包裹體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可以看出，包裹體均一溫度隨地層溫度增加持續(xù)升高(地層溫度由隨鉆鉆桿測(cè)試獲取)，至160 ℃時(shí)包裹體均一溫度不再升高(圖9)。說(shuō)明花港組儲(chǔ)層地溫150～160 ℃時(shí)石英次生加大逐漸停止，地層逐漸向封閉環(huán)境過(guò)渡，儲(chǔ)層整體進(jìn)入致密階段。

圖9 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組儲(chǔ)層包裹體均一溫度與地層溫度

表1 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組烴類(lèi)包裹體激光拉曼分析結(jié)果

4.2 自生伊利石40Ar/38Ar同位素測(cè)年法

自生伊利石是造成花港組儲(chǔ)層致密化最主要的礦物，主要形成于中成巖B期半封閉—封閉的成巖流體系統(tǒng)，搭橋狀伊利石大量富集時(shí)堵塞喉道導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化，因此，自生伊利石大量生成期大致對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層致密化時(shí)間。選取Z4和Z5井花港組H3、H4砂層富伊利石樣品，其K2O含量均大于9%，采用中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心的MM5400靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)同位素稀釋法測(cè)定氬同位素比值。測(cè)試結(jié)果顯示，自生伊利石40Ar/38Ar同位素測(cè)年形成時(shí)間為11.4～9.35 Ma(表2)，推測(cè)花港組儲(chǔ)層9 Ma左右伊利石開(kāi)始富集，儲(chǔ)層逐步進(jìn)入規(guī)模性致密。

表2 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組自生伊利石40Ar/38Ar同位素定年測(cè)試結(jié)果

因此，對(duì)中北部花港組儲(chǔ)層演化過(guò)程進(jìn)行恢復(fù)，粉—細(xì)砂巖抗壓實(shí)能力弱，至中新世玉泉組沉積末期快速深埋階段即進(jìn)入致密階段；中—粗砂巖抗壓實(shí)強(qiáng)，早期形成環(huán)邊綠泥石抑制后期膠結(jié)作用，至中成巖A期有機(jī)酸溶蝕強(qiáng)，易形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，進(jìn)入中成巖B期(地溫150～160 ℃)時(shí)膠結(jié)物富集直接堵塞喉道。推測(cè)花港組H3砂層組至今未致密，H4、H5砂層組在9～7 Ma規(guī)模性致密化，龍井運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈側(cè)向擠壓加速了花港組儲(chǔ)層的致密進(jìn)程(圖10)。

圖10 東海陸架盆地西湖凹陷中北部花港組成巖演化與儲(chǔ)層致密化關(guān)鍵時(shí)刻

5 結(jié)論

(1)西湖凹陷中北部花港組中滲、低滲—致密儲(chǔ)層均有發(fā)育，儲(chǔ)層非均質(zhì)性受孔喉結(jié)構(gòu)控制，喉道半徑?jīng)Q定了滲透率的大小，喉道半徑小于1 μm即為致密儲(chǔ)層。

(2)深埋條件下強(qiáng)壓實(shí)作用是花港組儲(chǔ)層低滲—致密的主因，中成巖B期堿性環(huán)境使得大量含鐵碳酸鹽、絨球狀綠泥石及搭橋狀伊利石富集直接堵塞喉道，造成花港組儲(chǔ)層規(guī)模性致密。

(3)花港組H4、H5砂層組在9～7 Ma規(guī)模性致密化，龍井運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈側(cè)向擠壓加速了致密化進(jìn)程。