DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.025

西湖凹陷斜坡带深层异常高孔隙储层特征及成因

曹茜^{1, 2}，周文^{1, 3}，刘岩^{1, 3}，陈文玲^{1, 3}，姬安召⁴，吕晶^{1, 3}，王昱翔^{1, 3}

(1. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都，610059；

2. 四川省科源测试中心 页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川 成都，610072；

3. 成都理工大学 能源学院，四川 成都，610059；

4. 陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳，730070)

摘要：通过铸体薄片、扫描电镜、黏土矿物X线衍射、压汞和岩心实测孔隙度等资料，研究西湖凹陷斜坡带深层异常高孔隙储层特征及其成因，系统分析异常超压对斜坡带深层异常高孔隙发育带的影响。研究结果表明：西湖凹陷斜坡带深层砂岩储层纵向上3 600~4 300 m及＞4 600 m地层异常高孔隙发育，孔隙度最大值为24.9%，对应储集层岩性以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，砂岩粒度以中—细粒为主，颗粒分选好，颗粒间多为点—线接触，对应孔隙类型包括残余原生粒间孔隙、次生孔隙、铸模孔以及少量裂缝，孔喉组合类型以大孔—粗喉、中孔—中喉型组合为主。研究区异常超压广泛存在，异常超压抑制上覆地层的机械压实作用，保存部分原生孔隙，同时减少了由于胶结作用而损失的孔隙；此外，在一定的封闭系统内异常超压的存在增加了胶结物溶蚀时间和强度，产生大量次生孔隙。

关键词：异常高孔隙度；异常超压；储层特征；西湖凹陷

中图分类号：TE122.2         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)03-0751-10

Characteristics and origin of deep high-porosity zones in slope of Xihu Sag

CAO Qian^{1, 2}, ZHOU Wen^{1, 3}, LIU Yan^{1, 3}, CHEN Wenling^{1, 3}, JI Anzhao⁴, L Jing^{1, 3}, WANG Yuxiang^{1, 3}

(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology,

Chengdu 610059, China;

2. Sichuan Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation, Sichuan Keyuan Testing Center, Chengdu 610072, China;

3. College of Energy Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;

4 College of Energy engineering, Longdong University, Qingyang 730070, China)

Abstract: The characteristics and origins of deep, high-porosity zones in the slope of Xihu Sag were investigated by thin-section casting, scanning electron microscopy, clay mineral X-ray diffraction, mercury penetration measurement, and core property measurement. The relationship between overpressure and high porosity was studied. The results show that high-porosity zones develop at a depth ranging from 3 600 m to 4 300 m and below 4 600 m, and that the maximum porosity value is 24.9%. The corresponding reservoir rocks are mainly feldspar lithic sandstones and lithic feldspar sandstones with good sorting characteristic and point-to-line contact. The pores include relic primary pores, dissolution pores, mold pores, and a small amount of microfractures. The pore-throat assemblages are mainly moderate pore to moderate throat. Overpressure also extensively occurs in the high-porosity zones in the deep and tight sandstone reservoir. Abnormal pressure slows down the rate of compaction and some intergranular primary pores remain, which decreases porosity caused by cementation. In a closed system, the occurrence of an abnormally high pressure is beneficial for improving the dissolution of cement, which will result in the dissolution of pores, and improve reservoir porosity.

Key words: high-porosity zones; abnormal overpressure; reservoir characteristics; Xihu Sag

一般而言，储层孔隙度会随着埋藏深度增加而减小，但在局部深埋藏地区仍会出现异常高孔隙发育带。异常高孔隙度(anomalously high porosity)是相对于砂岩孔隙度的正常演化趋势而言的，是指在研究深层砂岩储层特征的过程中，当前砂岩储层中产生的孔隙度高于同等性质条件下储层孔隙度^[1]。在深层碎屑岩油气藏的勘探开发过程中，异常高孔隙发育带的存在可以提高油气产量，形成具有商业价值的油气田，因此，寻找异常高孔隙发育带是深层碎屑岩油气藏勘探开发的首要目标。目前，国内外学者普遍将埋深在3 500 m以深的地层定义为深层^[2]，周国君等^[3-4]认为深部地层中发育的异常高孔隙带往往与异常高压的存在有一定的对应关系；BLOCH等^{[1, 5-6]}认为早期的烃类充注、储层孔隙中的颗粒包层或颗粒环边的存在会对深层储层孔隙度的保存起积极保护作用，从而使得储层保持异常高的孔隙度和渗透率；王成等^[7-9]认为深层储层次生孔隙的发育能有效改善砂岩的储集性能，总结其发育影响因素主要有异常超压的发育、溶蚀作用、烃类充注以及颗粒黏土包壳。不同盆地对应的异常高孔隙带，其成因机制也不尽相同。初步研究发现异常超压的发育对西湖凹陷斜坡带深层砂岩储集层孔隙发育影响较大，在此，本文作者充分利用岩心资料、铸体薄片、扫描电镜、黏土矿物X线衍射、压汞、物性测试以及地层压力等资料，对西湖凹陷斜坡带深层异常高孔隙发育段储层特征进行系统研究，具体分析异常高压的影响机制，为下一步勘探开发提供一定的地质依据。

1  地质背景

西湖凹陷是处于东海陆架盆地东部凹陷中北部的新生代含油气盆地，受区域构造应力场的作用，大体经历了“裂陷—坳陷—区域沉降”3个构造演化阶段，整体呈NNE向分布，从西向东可划分为5个构造单元，即保椒斜坡带、三潭深凹、中央背斜带、白堤深凹和天屏断裂带^[10]。保椒斜坡带位于西湖凹陷西部，目前其勘探程度比较高的平湖构造带上已经发现了平湖、团结亭、宝云亭及孔雀亭4个油气田，是西湖凹陷油气勘探开发的重点区域之一。研究区新生代地层自下而上分别为：古新(E₁)、始新统宝石组(E₂b)和平湖组(E₂p)、渐新统花港组(E₃h)、中新统龙井组(N₁¹l)、玉泉组(N₁²y)和柳浪组(N₁³l)、上新统三潭组(N₂s) 及第四系东海群(Qd)(图1)；前人对西湖凹陷沉积相已进行了大量研究，西湖凹陷沉积环境以海陆过渡相为主，从凹陷中心到边缘，依次发育河流—三角洲、滨浅湖—半深湖沉积^[10]。其中花港组和平湖组作为保椒斜坡带主要的储集层，花港组储层属三角洲沉积和滨浅湖沉积体系，平湖组储层属潮控三角洲沉积体系和潮坪沉积体系。

2  斜坡带异常高孔隙储层特征

2.1  异常高孔隙带的分布

西湖凹陷保椒斜坡带平北地区868个样品的实测物性资料统计表明：随着埋藏深度加大，储层孔隙度呈减小趋势，但是在埋藏深度3 600~4 300 m以及＞4 600 m地层存在异常高孔隙发育带(图2)；孔隙度主要分布在10%~25%之间，最大值为24.9%，平面上主要分布在斜坡带平北地区，即孔雀亭、宝云亭油气田，深层异常高孔隙发育带砂岩储层属于三角洲前缘水下分流河道沉积体系^[11]。勘探开发研究表明：斜坡带KQT4井在4 183.0~4 196.0 m和4 548.7~4 566.2 m深度范围储层异常高孔隙发育，同时试油(气)结果显示此深度段具有较高产能，累积产气226.8×10³ m³，所产气体品质较好(烃组分含量高，在地面有较高的凝析油产量)，具有商业价值。

2.2  异常高孔带岩石学特征

通过大量的岩心观察、铸体薄片鉴定、黏土矿物X线衍射等资料分析，研究区异常高孔隙发育段储集层的岩石碎屑主要成分为石英、长石和岩屑，其中石英含量较高，平均质量分数为67.1%；其次为岩屑，平均质量分数为17.5%；长石的含量最低，平均质量分数为14.8%(图3)。根据福克的砂岩分类方案，研究区异常高孔隙发育段储集层岩性以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，其次为长石质石英砂岩；砂岩粒度以中—细粒为主，颗粒分选好；呈次棱—次圆状，颗粒间多为点—线接触，胶结类型以接触式为主。

图1  西湖凹陷各构造带、油气田分布及地层图

Fig. 1  Distribution of structural belts, oil-gas fields and strata of Xihu sag

图2  西湖凹陷斜坡带深层储层孔隙度-深度的关系

Fig. 2  Relationship between porosity and depth in Slope of Xihu Sag

图3  斜坡带深层异常高孔隙带储集层岩石学特征

Fig. 3  Petrologic feature of deep high-porosity zones in slope

图4  斜坡带平北地区储层成岩演化序列

Fig. 4  Diagenetic evolutionary sequences of Pingbei zone in slope

在铸体薄片鉴定、扫描电镜、电子探针、镜质组反射率R_o、热解分析、黏土矿物X线衍射以及包裹体分析基础上，依据中华人民共和国石油与天然气行业标准SY/T 5477—92“碎屑岩成岩阶段划分规范”，将西湖凹陷斜坡带碎屑岩成岩作用划分为早成岩阶段A期、B期，中成岩阶段A期、B期。分析表明异常高孔隙发育段储集层目前已达到中成岩阶段A期，碎屑颗粒间以点—线接触为主，机械压实作用有所减弱，胶结作用和溶蚀作用明显，有机质处于成熟阶段，镜质体反射率(R_o)在0.55%~1.30%之间；干酪根因热解向烃类转换过程中，生成大量有机酸和CO₂，溶于水形成酸性流体进入临近砂质岩，溶蚀储集层，次生孔隙发育。

2.3  异常高孔带孔隙特征

在埋深＜3 600 m时，为孔隙正常演化阶段，该阶段主要受机械压实作用的影响，随着埋深增加孔隙度逐渐减小，孔隙类型以原生孔隙为主，含少量的溶蚀孔隙，颗粒间呈点—线、线—线接触(图5(a))；当埋深＞3 600 m时，随着埋深的增加孔隙度减少趋势变缓，受机械压实、溶解作用、胶结作用等成岩作用的共同影响，形成大量的次生孔隙，部分残余原生粒间孔隙得以保存。通过铸体薄片以及扫描电镜鉴定发现该异常高孔隙带储层孔隙类型包括残余原生粒间孔隙、次生孔隙、铸模孔以及少量裂缝：残余原生粒间孔隙是指碎屑颗粒沉积之后保存下来未被充填的原生孔隙，多发育于颗粒之间，形状较规则，多呈三角形、多边形等(图5(b))，研究区异常高孔隙发育带该孔隙类型较为常见，占所有孔隙类型的20%~25%；次生孔隙主要是岩石颗粒、不稳定矿物颗粒被溶蚀而形成，被溶的部分有岩屑和长石颗粒，其中部分溶蚀沿解理进行，形成粒内窗格状或蜂窝状溶孔(图5(c)和5(d))，该类孔隙类型改善了储集空间，是重要的孔隙类型，占所有孔隙类型的50%~60%；铸模孔是指当颗粒内溶蚀作用很强时，整个颗粒基本被溶，保留原颗粒的形状所形成(图5(e))，铸模孔的发育使岩石的储集空间扩大；此外偶见一些微裂缝(图5(f))。结合扫描电镜及压汞测试技术，研究区深层异常高孔隙发育段砂岩储层普遍发育的孔隙组合类型有残余粒间孔-粒间溶孔和残余粒间孔-粒内溶孔等。结合保椒斜坡带深层异常高孔隙发育带185个样品孔隙类型分析及岩石毛细管压力资料，对应储层样品喉道较粗，大、中孔喉发育，其孔径集中分布在10~200 μm，平均孔隙直径为99.10 μm，喉径主要分布在5.19~32.06 μm之间，平均孔喉直径为7.63 μm，整体上异常高孔隙发育带砂岩孔喉组合类型以大孔—粗喉、中孔—中喉型组合为主。

图5  斜坡带深层储层孔隙类型

Fig. 5  Pore types of deep zones in slope

3  异常高孔隙带储层特征成因分析

3.1  异常高压广泛存在

统计研究区部分单井地层压力数据(表1)，结果表明研究区深层地层压力系数普遍大于1.2，最大高达1.6。斜坡带宝云亭、孔雀亭区域孔隙度-深度关系曲线见图2。从图2可见：随着埋深增加，3 600~4 300 m以及＞4 600 m地层孔隙度呈增大趋势。BYT3及KQT4井地层孔隙度、压力系数及孔隙面孔率随深度的变化曲线见图6。从图6可见：BYT3井在3 600~4 300 m时，地层压力增大，次生孔隙面孔率增大，原生面孔率减少趋势变缓；KQT4井在埋深＞4 600 m时，地层压力增大，原生孔隙面孔率、次生孔隙面孔率均呈增大趋势，这说明异常超压与该地区孔隙演化之间存在一定的关系^[12]。

表1  斜坡带部分单井地层压力系数统计(包括DST和FMT测压数据)

Table 1  Formation pressure coefficient of some typical wells in slope (including DST and FMI test data)

3.2  异常超压对压实作用的影响

原生孔隙的保存对于优质储集层的形成和演化具有重要的意义^[13]。西湖凹陷平均沉积-沉降速率较高，西部沉积速率约为94 m/Ma，东部沉积速率高达220 m/Ma^[10]，在快速埋藏过程中，当上覆负荷增加速度大于储层孔隙流体排出速度时，部分上覆负荷由流体承担，孔隙流体压力增大，超压的形成阻碍了正常压实作用的进行，形成砂岩欠压实带^[14-15]，保存部分残余原生孔隙，可以部分改善储层物性。

图6  平北地区地层孔隙度、压力系数及孔隙面孔率随深度的变化

Fig. 6  Relationship between porosity & pressure and depth in Pingbei zone

处于欠压实带中的储集岩其孔隙度相对较大，同时也会引起相应的地球物理特征发生变化，如声波时差增大、密度减小等^[16]。结合BYT4井的砂岩综合压实曲线，发现井深4 000 m左右砂岩储层存在欠压实作用(图7)，4 200 m处相邻地层泥岩层厚度较大，砂泥比低，埋藏过程中储层孔隙流体排泄受阻，地层压力系数为1.44；对应样品铸体薄片及扫描电镜观察孔隙类型包含残余原生粒间孔及粒间溶孔，其中原生粒间孔呈三角形、多边形等，孔隙边缘平直，孔隙直径一般在200~400 μm之间，平均孔隙直径为169.62 μm，孔隙分布均匀，连通较好，喉道类型主要为点状、片状喉道，喉道宽度最大值为72.75 μm，最小值为2.90 μm，平均值为18.25 μm；砂岩储层欠压实现象明显，实测岩心孔隙度为23.1%，明显高于上覆地层孔隙度，异常高孔隙发育。这说明欠压实作用可以改善深层储层储集性能。

3.3  异常超压对胶结物作用的影响

研究区目的层胶结物包括碳酸盐岩胶结物、自生黏土矿物及硅质胶结物等，其中碳酸盐岩胶结物主要包含有方解石和白云石胶结物，自生黏土矿物主要包含有高岭石、伊蒙混层、伊利石和绿泥石。黏土矿物转化过程中释放Fe²⁺，部分方解石在形成过程中捕获了释放的Fe²⁺导致铁方解石胶结物的形成^[17]。胶结物一般以颗粒衬边的形式沿孔隙壁生长，堵塞孔喉使喉道变窄，储层物性变差^[18]。从图8可以看出：埋藏至3 600 m左右时，蒙脱石转化成伊利石(式(1))，蒙脱石—伊利石混层矿物中蒙脱石层的比例逐渐减少，伊利石含量增加，并伴随脱水作用；但是，随着埋深增加，3 600 m以下地层其地层压力增大，在一定的封闭系统内，黏土矿物层间自由水的释放以及层间K⁺和Al³⁺等阳离子的运移受到抑制^[19]，其内部流体几乎处于静止状态，从而导致自生黏土矿物的增生变慢，伊利石含量减少，蒙脱石减少趋势变缓慢，即异常超压的发育在一定程度上减缓了黏土矿物的转化作用，碳酸盐岩胶结物部分Mg²⁺和Fe²⁺等离子源减少，从而减少了由于胶结作用而损失的孔隙，改善储层物性；此外，异常超压发育带内蒙脱石的伊利石化受到抑制，从而使得孔隙流体中Si浓度偏低，石英次生加大不明显，在一定程度上也减少了由于石英次生加大而损失的孔隙。

KNaCa₂Mg₄Fe₄Al₁₄Si₃₈O₁₀₀(OH)₂₀·10H₂O+

4.5K⁺+8Al³⁺→K_5.5Mg₂Fe_1.5Al₂₂Si₃₅O_δ100(OH)₂₀+

Na⁺+2Ca²⁺+2.5Fe₃+2Mg²⁺+3Si⁴⁺+10H₂O     (1)

3.4  异常超压对溶解作用的影响

研究区深层异常高孔隙带储集层中比较常见的次生孔隙是长石粒间溶孔、岩屑粒间溶孔以及长石、易溶岩屑的铸模孔。溶解作用是指骨架颗粒被溶解，而其组分呈溶解状态从砂岩中迁移走的现象，伴随溶解作用总是有颗粒体积变小而次生孔隙增加。碎屑岩的溶解作用主要受温度、压力、pH、沉积环境和构造环境等因素的影响^[20]。研究区2 500 m以下地层温度高于85 ℃，长石溶蚀作用的最低地温75 ℃^[21]，表明该段地层温度早已为长石颗粒发生溶蚀的有效地温。此外，目的层段地层有机质镜质体反射率(R_o)在0.55%~1.30%之间，烃源岩有机质成熟度进入成熟阶段，同时，异常高压的发育对有机质热演化和油气生成具有抑制作用，扩宽了生油窗的范围^[22]。在有机质热演化过程中，产生脂肪酸脱羧基作用，排出的CO₂在水中电离成和H₂CO₃，有机酸和无机酸同时进入储层砂岩对其进行溶蚀作用^[23]，因此，异常超压增加了酸溶解碳酸盐胶结物的时间和强度，产生大量次生孔隙。

图7  BYT4井砂岩储层欠压实段地层剖面图及铸体薄片、扫描电镜观察结果

Fig. 7  Strata profile, casting thin sections and SEM images in undercompacted sandstone formation from BYT4 well

图8  斜坡带平北地区地层压力系数、黏土矿物含量随深度的变化

Fig. 8  Relationship between formation pressure coefficient & clay mineral content and depth in slope

图9  BYT3井、KQT4井孔隙度及溶蚀增孔率随深度的变化

Fig. 9  Plot relationship between porosity & rate of dissolution increased and depth of BYT3 and KQT4 wells

综合运用铸体薄片、常规岩心分析、粒度分析、电子扫描等资料，以初始孔隙度为基准，采用式(2)对比分析典型单井KQT4井及BYT3井常压带与异常超压带溶蚀增孔率的差异，见图9。不同地区其砂岩初始孔隙度不同，但对于某一具体研究区域，其初始孔隙度为一定值，结合前人研究成果^[24-26]，根据SCHERER^[26]提出的原始孔隙度恢复计算公式估算研究区砂岩初始孔隙度约为38%。随着埋深增加，孔隙度均逐渐减小，其中 KQT4井常压带平均溶蚀增孔率为15%左右，超压带内溶蚀增孔率增大，最大值达40%；BYT3井常压带内平均溶蚀增孔率为8%左右，超压带内溶蚀增孔率增大，最大值达30%，异常超压带内大量次生孔隙发育，从而改善储层物性。

          (2)

式中：为溶蚀增孔率，%；为碎屑岩初始孔隙度，%；为碎屑岩现今粒间溶蚀孔体积率，%；为碎屑岩现今粒内溶蚀孔体积率，%；为碎屑岩现今胶结物溶蚀孔体积率，%。

综上所述，研究区异常超压广泛存在，异常超压对深层异常高孔隙储层的影响主要是以压实作用、胶结作用以及溶解作用对孔隙的影响最为明显。保椒斜坡带地层受异常超压影响，欠压实作用明显，保存部分原生孔隙；胶结物的增生变慢；同时异常超压也增加了胶结物溶蚀时间和强度，异常高孔隙发育。

4  结论

1) 西湖凹陷斜坡带深层砂岩储层异常高孔隙带发育，孔隙度最大值为24.9%。纵向上主要分布在3 600~4 300 m及4 600 m以下地层，平面上主要分布在保椒斜坡带平北地区，即孔雀亭、宝云亭油气田，对应储集层岩性以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，孔隙类型包括残余原生粒间孔隙、次生孔隙、铸模孔及少量裂缝，其中次生孔隙占总孔隙类型的50%~60%，残余原生粒间孔隙占总孔隙类型的20%~25%。

2) 异常超压控制着异常高孔隙的发育。研究区异常高压广泛存在，其发育深度与异常高孔隙发育带一致：①异常超压发育带，机械压实作用受到抑制，形成砂岩欠压实带，从而保存部分残余原生孔隙；②在一定的封闭系统内，异常超压的发育使得黏土矿物层间自由水的释放以及层间阳离子的运移受到抑制，黏土矿物的转化作用得以减缓，自生黏土矿物的增生变慢，减少了由于胶结作用而损失的孔隙；③异常高压的发育抑制有机质热演化和油气生成，扩宽了生油窗的范围，在有机质热演化生成油气过程中，产生大量的有机酸，增加了溶蚀作用的时间和强度，大量次生孔隙生成，改善了储层物性。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-03-09；修回日期：2016-07-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41502135)；国家科技重大专项(2011ZX5023-004-009)；中国石化股份公司重大勘探先导项目(34000002-12-ZC0613-0015) (Project(41502135) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2011ZX5023-004-009) supported by National Science and Technology Major Program of China; Project(34000002-12-ZC0613-0015) supported by the Major Exploration Projects of China Petrochemical Corporation)

通信作者：周文，博士，教授，从事油气储层地质学研究；E-mail: zhouw62@cdut.edu.cn