渤海歧南断阶带中下侏罗统碎屑岩潜山优质储层形成主控因素*

郭 颖 王粤川 彭靖淞 高坤顺 吴庆勋 吴昊明

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

渤海歧口凹陷歧南断阶带的油气勘探工作从1965年开始，是我国最早进行海上油气勘探的地区[1]。经历50余年的勘探开发，该构造带已发现20多个油田和多个含油气构造，是歧口凹陷油气发现的重要地区。目前歧南断阶带的油气发现大多在新生界，有10余口井钻遇中生界潜山，但大多没有油气显示或仅有油气显示，仅在A79构造中下侏罗统碎屑岩潜山揭示厚油层，并获得高产工业油流。分析表明，造成该构造带目的层油气富集差异的一个重要原因在于碎屑岩储层的强非均质性，储层条件极其复杂，严重制约了下一步油气勘探。

综合利用岩心和薄片观察、扫描电镜、电子探针、能谱分析、X衍射分析等资料，对歧南断阶带中下侏罗统碎屑岩潜山储层特征和优质储层形成主控因素进行研究，以期为研究区中生界碎屑岩潜山优质储层预测和下一步油气勘探提供参考。

1 区域地质概况

歧口凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷中部。歧南断阶带位于歧口凹陷东南斜坡及埕子口凸起以北，由南向北依次被羊二庄断层、海四断层、海一断层切割成依次北掉的3个断块，构成3个构造台阶，形成明显的南北分带[1]。歧南断阶带东西长约50 km，南北宽约27 km，面积约1 200 km2(图1)。

图1 歧南断阶带位置和区域构造Fig .1 Location and structural map of Qinan fault terrace belt

研究区中下侏罗统碎屑岩潜山以砂岩、泥岩互层夹煤层为主，测年结果为最晚距今164 Ma，古生物以萨雷提缅达尔文介-大达尔文介-窄达尔文介介形虫组合和桫椤孢-四字粉-克拉梭粉孢粉组合为主要特征，与辽西地区侏罗系海房沟组类似[2]，故将研究区中下侏罗统厘定为海房沟组，可分为四段:下段主要为大套砂砾岩、砂岩和泥岩夹多套煤层；中段发育砂砾岩、含砾砂岩、砂泥岩组合；上段为砂砾岩、砂岩与紫红色、红褐色泥岩互层；顶段以红褐色凝灰质砂泥岩互层为主，火山物质含量较高。目前研究区中生界潜山的油气发现主要集中在海房沟组中段和上段。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

对研究区5口井岩心样品和11口井300余块薄片观察统计表明，中下侏罗统碎屑岩潜山储层岩性主要为各类砂岩、砂砾岩等，局部含有大量火山物质，砂岩和砂砾岩主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，岩屑以岩浆岩为主，长石含量高、岩屑含长石等特征为成岩阶段砂体遭受溶蚀改造提供了良好的物质基础。颗粒间填隙物以碳酸盐、硅质胶结物和凝灰质、泥质杂基为主，整体分选中等—好，磨圆以次棱—次圆状为主，结构成熟度中等。以孔隙式胶结为主，颗粒间主要为点—线接触和线接触，压实作用中等。

2.2 储集空间类型

研究区岩石薄片和扫描电镜结果表明，中下侏罗统碎屑岩潜山储集空间以残余原生粒间孔、粒间溶孔、粒(砾)内溶孔(包括铸模孔)、高岭石等矿物晶间孔为主，并发育少量裂缝(图2)。其中，残余原生粒间孔为原生粒间孔未被完全压实或充填而保留下来的孔隙(图2a)；粒间溶孔为碎屑颗粒、粒间杂基及胶结物等被溶蚀后形成的次生孔隙(图2b)；粒内溶孔主要为长石、岩屑等颗粒内溶孔，部分长石颗粒完全溶蚀后形成铸模孔(图2c),另外砾石中碎屑颗粒经溶蚀形成砾内溶孔(图2d)；晶间孔主要形成于高岭石等矿物晶体间，呈斑点状和蜂窝状(图2e)；同时，由于后期受构造运动改造，储层发育少量裂缝(图2f)。

(a)A793井，2 219.22 m，中砂岩，残余粒间孔；(b)A792井，2 182.4 m，砂砾岩，粒间溶孔；(c)A793井，2 422.72 m，砂砾岩，粒内溶蚀和粒间溶孔；(d)A793井，2 419.26 m，砂砾岩，砾石内溶孔；(e)A792井，2 182.25 m，砂砾岩，长石溶孔和高岭石晶间孔；(f)A793井，2 187.21 m，凝灰岩，见一宽约5～8 μm裂缝

图2歧南断阶带中下侏罗统储层储集空间类型

Fig.2PoretypesofMiddle-LowerJurassicreservoirsinQinanfaultterracebelt

2.3 物性特征

对研究区5口取心井共计100余块样品物性分析表明，中下侏罗统碎屑岩潜山储层孔隙度整体较高(一般大于10%)，渗透率较低(53%的样品渗透率小于1 mD)，属于中孔低渗储层，孔渗相关性较差，孔喉结构复杂(图3)。该套储层非均质性强，不同层段储层物性(尤其是渗透率)差异巨大：上段孔隙度为13.5%～21.9%(平均18.32%)，渗透率为0.3～13.7 mD(平均1.06 mD)；中段孔隙度为14.2%～23.6%(平均17.99%)，渗透率为0.9～50.7 mD(平均11.15 mD)；下段孔隙度为11.6%～16.9%(平均14.6%)，渗透率为0.1～0.63 mD(平均0.36 mD)。由此可见，中、上段储层物性明显优于下段，而顶段储层孔隙发育较差，物性较差。

图3 歧南断阶带中下侏罗统储层物性特征Fig .3 Physical property of Middle-Lower Jurassic reservoirs in Qinan fault terrace belt

3 优质储层形成主控因素

歧南断阶带中下侏罗统碎屑岩潜山优质储层受岩性、沉积相、成岩作用等因素共同控制，其中岩性和沉积相是控制优质储层发育的基础因素，成岩作用是控制优质储层形成的关键因素。

3.1 岩性

储层物性整体受岩性控制，其中砂砾岩储层物性最好，砂岩和含砾砂岩次之，而凝灰质砂岩等火山物质含量较高的碎屑岩由于其抗压实能力和溶蚀作用较弱，不利于优质储层发育，其储层物性明显较差(图4)。海房沟组顶段储层火山尘含量较高，远高于其他层段，镜下储层孔隙发育较少，储层物性较差。

图4 歧南断阶带中下侏罗统不同岩性储层物性Fig .4 Reservoir physical properties of different lithologies of Middle-Lower Jurassic in Qinan fault terrace belt

3.2 沉积相

沉积作用是有利储层形成的基础，沉积相带深刻影响了储层物性。研究区中下侏罗统主要发育河流—辫状河三角洲沉积体系。其中，海房沟组下段以辫状河三角洲平原亚相为主，中段主要为辫状河三角洲前缘亚相，上段和顶段发育大量红色、紫红色、褐红色等反映氧化沉积环境的泥岩，主要为河流相沉积。整体上，研究区中下侏罗统沉积粒度由下向上逐渐变细，泥岩含量逐渐增高。

岩石铸体薄片镜下观察统计和物性分析表明，目的层中段和上段储层的泥质杂基含量明显低于下段和顶段，物性更优。其中，中段的水下分支河道微相成分成熟度较高，泥质杂基含量低至 1.4%，储层物性最好，平均孔隙度和渗透率分别为17.99%和21.01 mD，是优质储层发育最有利相带；上段辫状河河床滞留微相和心滩沉积次之，泥质杂基含量为5.4%，平均孔隙度分别为19.1%和18.3%，平均渗透率分别为4.77 mD和1.37 mD；顶段主要发育泛滥平原微相，其与下段分支河道微相均具较低成分成熟度，泥质杂基含量分别达到15.0%和9.6%，储集物性较差，其中河漫滩微相储层平均渗透率仅为0.26 mD(表1)。

表1 歧南断阶带中下侏罗统不同沉积相储层物性Table 1 Reservoir physical properties of different sedimentary facies of Middle-Lower Jurassic in Qinan fault terrace belt

3.3 成岩作用

研究区中下侏罗统碎屑岩潜山经历了埋藏-抬升-再埋藏等演化过程[3]，导致储层成岩作用较为复杂，主要包括压实作用、风化淋滤作用、深部溶蚀作用和自生矿物的析出和充填等(图5)。其中，早期微晶石英衬垫和碳酸盐胶结物产生的抗压实作用、表生风化淋滤作用、深部溶蚀作用是导致研究区储层普遍发育较高孔隙度的主要原因，而自生高岭石等黏土矿物的析出、充填和分布差异最终决定了储层物性。

3.3.1抗压实作用

微晶石英衬垫和早期碳酸盐胶结有利于迟滞压实作用。中下侏罗统碎屑岩潜山储层具有较高含量石英胶结物，以颗粒外围和孔隙边缘的衬垫(图5a—d)、石英加大(图5e)、孔隙充填等形式赋存。根据矿物赋存特征，广泛发育的微晶石英衬垫的形成明显早于孔隙内的方解石胶结物。激光同位素取样技术与质谱分析联动获取石英衬垫外围的连晶方解石的氧同位素值，大多数样品中连晶方解石的氧同位素δ18O值为-8‰左右，平均-8.43‰。同位素地质温度计表明方解石的形成温度为50～70 ℃，反映这些连晶方解石形成时期较早，由此判断微晶石英衬垫形成温度同样较低，形成时间更早。这些早期形成的微晶石英衬垫在生长过程中一方面抑制了石英次生加大的生长和对储层物性的破坏，另一方面有效抵御了碎屑颗粒的压实，保存了部分原生孔隙[4-5]，有利于高孔隙储层的形成。而孔隙中早期形成的方解石、铁白云石等碳酸盐胶结物虽占据了一定的原生孔隙，但同时有助于阻止或延缓压实程度，保护剩余粒间孔，形成了较好的负胶结物孔隙度(孔隙度+胶结物含量)[6-7]。在成岩过程中，后期抬升使这类具有较高负胶结物孔隙度的碎屑岩暴露地表或者与由断层、裂缝等沟通的大气水相接触，储层中碳酸盐胶结物发生溶蚀形成孔隙(图5i)，改善储层物性[7-8]。而早期碳酸盐胶结物不发育的储层，则因压实作用致使粒间孔损失殆尽，后期即使暴露地表，因缺乏碳酸盐胶结物，也难以形成次生孔隙。

3.3.2风化淋滤作用

X衍射黏土矿物相对含量表明，相对于新生界底部砂岩，中下侏罗统潜山顶部碎屑岩储层中伊/蒙混层(I/S)和伊/蒙混层中的蒙皂石(S)含量异常高(图5)，镜下观察到靠近潜山顶面储层中沿裂缝渗滤的泥岩(图5j)、黄铁矿被氧化为褐铁矿(图5k)、长石和凝灰质杂基被蚀变为伊/蒙混层等典型的风化淋滤现象(图5l、m)，反映了该套储层在后期遭受过强烈的表生风化淋滤作用，促进了储层中次生溶蚀孔隙的大量发育(图5i)，改善了储层物性。

3.3.3深部溶蚀作用

中下侏罗统碎屑岩潜山储层在深埋阶段受到了有机质热演化过程中产生的有机酸等深部流体的溶蚀作用，主要表现为长石的大量溶蚀并向高岭石、自生石英等矿物转化(图5n)，从而形成次生溶蚀孔隙(图5o)。张善文[9]通过对沉积岩成岩过程中“耗水作用”的研究发现,在长石遭受溶蚀转化成高岭石的反应中，每溶解1 mol的钾(钠)长石，可分别产生0.5 mol高岭石和2 mol石英，钾长石和钠长石被蚀变成高岭石后体积分别缩小15.4%和19.8%，即净增加孔隙体积为被溶蚀长石体积的15.4%和19.8%。可见,长石溶蚀形成黏土矿物,有利于增加储层孔隙度和渗透率，极大地促进了深部高孔隙带的发育，可显著改善储层物性[9-10]。

(a)A793井，2 219.22 m，颗粒和孔隙周围发育微晶石英衬垫；(b)A791井，2 844.1 m，微晶石英衬垫、石英加大；(c)、(d)A793井，2 219.22 m，能谱确认硅质衬垫；(e)A793井，2 423.82 m，石英次生加大；(f)、(g)A793井，2 424.26 m，碳酸盐胶结，胶结物主要为方解石(阴极发光弱或不发光，蓝色箭头所示)和交代白云石、铁白云石(阴极发光暗红色，红色箭头所示)，左(+)，右(CL)；(h)A793井，2 211.74 m，碳酸盐胶结处颗粒接触方式为点接触和点-线接触，压实作用较弱(红色箭头所示)，碳酸盐胶结物不发育处颗粒接触方式为线接触和凹凸接触，压实作用较强(蓝色箭头所示)；(i)A793井，2 419.26 m，粒间碳酸盐胶结物(铁白云石)溶蚀，形成次生溶孔；(j)A793井，2 174.13 m，顺裂缝发育的渗滤泥岩；(k)A793井，2 216.44 m，黄铁矿在表生期被氧化为褐铁矿，反光褐色；(l)A793井，2 175.2 m，长石表生期蚀变形成的伊/蒙混层；(m)A793井，2 113.44 m，粒间凝灰质杂基在表生期蚀变为伊/蒙混层和绿/蒙混层；(n)A793井，2 423 m，扫描电镜，长石溶蚀并向高岭石蚀变；(o)A793井，2 409.01 m，长石颗粒溶蚀孔

图5歧南断阶带中下侏罗统储层典型成岩现象

Fig.5TypicaldiagenesisofMiddle-LowerJurassicreservoirsinQinanfaultterracebelt

3.3.4自生高岭石等黏土矿物充填

物性分析表明，在孔隙度差异不大的情况下，渗透率的巨大差异是导致不同层段储层质量差异的根本原因。研究表明，渗透率的巨大差异主要与不同层段储层孔喉中所填隙的黏土矿物差异有关(图6)，自生高岭石等黏土矿物的差异发育是决定储层物性(尤其是渗透率)的关键因素。

图6 歧南断阶带AE821井中下侏罗统储层 黏土矿物纵向分布Fig .6 Vertical distribution of clay minerals in Middle-Lower Jurassic reservoirs of Well AE821 in Qinan fault terrace belt

薄片和扫描电镜显示，海房沟组顶段和上段上部储层孔喉中充填物主要为丝片状的伊/蒙混层、伊利石等矿物，上段下部和中段储层孔隙充填物主要高岭石、次生石英和碳酸盐矿物，而下段储层充填物主要是伊利石和绿泥石。X衍射黏土矿物含量具有相似规律，纵向上自生高岭石等黏土矿物的分布具有明显的分带性(图7)，从上到下可分为：伊利石-伊/蒙混层发育带、高岭石发育带和伊利石-绿泥石发育带，各带内高岭石发育程度差异巨大。以A791井为例，伊利石-伊/蒙混层带高岭石含量平均为8.43%，高岭石发育带的高岭石平均含量高达18.75%，伊利石-绿泥石发育带的高岭石含量仅8%。这些自生高岭石结晶程度较好，且大多与自生石英共生，存在长石溶蚀并向高岭石蚀变现象，反映这些自生高岭石的形成多与有机酸对长石等矿物的溶蚀转化有关[11](图5n)。显微镜下自生高岭石晶间孔十分发育(图2d)，被其充填的孔隙连通性明显好于被伊利石和伊/蒙混层充填的孔隙。同时，自生高岭石的富集也反映了储层溶蚀作用的增强和溶蚀孔隙的大量产生。因此，高岭石大量富集的层段储层物性明显优于伊利石和伊/蒙混层等黏土矿物充填的层段，导致研究区高渗透性储层主要分布在海房沟组中段和上段下部高岭石大量发育带(图3、7)。而在胜利油田、鄂尔多斯盆地等多个地区高岭石含量与储层物性具有明显的正相关性，高岭石高含量带往往是优质储层发育和工业油层出现的重要标志[12-16]。

另外，受烃源岩排出的有机酸影响，储层中自生高岭石横向分布同样具有分带性，距离烃源岩由近到远可分为：过滤带、高岭石大量产生带、高岭石少量产生和部分沉淀带以及高岭石大量沉淀带[17]。过滤带最靠近烃源岩，储层颗粒表面通常发育泥质薄膜,抑制了有机酸对长石等矿物颗粒的溶蚀和次生溶孔的发育，高岭石产生较少，有机酸对储层物性的改善作用有限。高岭石大量产生带内的矿物颗粒不发育泥质薄膜，长石剧烈溶蚀，高岭石大量生成，储层物性明显改善，是最有利于优质储层发育的区带。高岭石少量产生和部分沉淀带内，酸性流体和对长石的溶蚀能力开始减弱，高岭石产生较少，并发生部分沉淀充填，溶蚀作用和沉淀充填作用基本平衡，有机酸对储层的改善作用基本可以相互抵消。高岭石大量沉淀带处于酸性流体运移的末端，储层中长石溶蚀作用最弱,高岭石沉淀充填作用最强，储集物性明显变差[17]。

A79构造A791、A792、A793井都钻在高岭石大量产生带(图8)，A793井距烃源岩和过滤带较近，其储层颗粒表面普遍发育明显的泥质薄膜，高岭石发育程度较低；而A791和A792井距离烃源岩和过滤带较远，泥质薄膜不明显，高岭石含量较高。后两井的储层物性明显优于A793井，其中A792井经过测试获得高产油流，而A793井测试仅获得少量的水，产能极低。

图7 歧南断阶带中下侏罗储层纵向黏土矿物序列(以A791井为例)Fig .7 Vertical sequence of clay minerals in Middle-Lower Jurassic reservoirs in Qinan fault terrace belt(take Well A791 as an example)

图8 歧南断阶带中下侏罗统自生高岭石发育模式(剖面位置见图1)Fig .8 Development model of authigenic kaolinite in Middle-Lower Jurassic in Qinan fault terrace belt(see Fig.1 for location)

3.4 有利区预测

综合分析认为，纵向上，海房沟组中、上段自生高岭石富集带为优质储层发育的最有利层段；区域上，海一断层与海四断层之间台阶带海房沟组中、上段厚度400～1 000 m，砂体广泛分布，拥有优质储层发育的物质基础,且紧邻富烃凹陷和油源大断层(海一断层)，处于有机酸和油气的运移优势路径上，有利于深部有机酸对储层进行溶蚀改造和油气富集，是中下侏罗统碎屑岩潜山优质储层发育的有利区。

4 结论

1) 歧南断阶带中下侏罗统碎屑岩潜山地层属于海房沟组，主要为各类砂岩和砂砾岩，储集空间类型以残余粒间孔、次生溶孔、高岭石等矿物晶间孔为主，属于中孔低渗储层，孔隙结构复杂，不同层段物性差异明显。

2) 岩性、沉积相和成岩作用共同控制歧南断阶带中下侏罗统碎屑岩潜山优质储层的形成和分布，其中岩性和沉积相是控制优质储层发育的基础因素，成岩作用是控制优质储层形成的关键因素。砂砾岩和砂岩储层物性优于火山物质含量较高的碎屑岩，海房沟组中段三角洲水下分支河道、上段辫状河河床滞留微相和心滩微相储层物性较好，下段三角洲平原和顶段河漫储层物性较差；抗压实、表生风化淋滤和深部溶蚀是储层孔隙较高的主要成因，自生高岭石等黏土矿物充填和差异分布是决定储层物性的关键因素。

3) 纵向上，海房沟组中段和上段下部自生高岭石富集带为优质储层发育的最有利层段。平面上，海一断层与海四断层之间的台阶带内中下侏罗统砂体大量发育，并处于有机酸和油气运移优势路径上，溶蚀作用强，高岭石发育，为中下侏罗统碎屑岩潜山优质储层发育有利区。