深层有效碎屑岩储层形成机理研究进展

潘荣，朱筱敏，王星星，张剑锋

（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249）

深层有效碎屑岩储层形成机理研究进展

潘荣，朱筱敏，王星星，张剑锋

（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249）

深层碎屑岩储层逐渐成为油气勘探的新领域，而有效碎屑岩储层的形成机理又是深层领域油气勘探的焦点。深层有效碎屑岩储层的形成机理复杂，与沉积作用、成岩作用及构造作用息息相关。沉积环境是形成有效储层的前提和基础。建设性成岩作用形成的次生孔隙能有效改善储层物性。较低的古地温环境、快速深埋的埋藏方式、地层中发育异常高压、上覆厚层膏盐、烃类早期充注、颗粒黏土矿物包壳和深层流体活动等条件均有利于有效碎屑岩储层的形成。在深层储层演化过程中，构造应力作用可直接导致孔隙体积缩小，但构造应力形成的裂缝可改善储层孔隙沟通及渗流能力，形成裂缝型有效储层。因此，深层有效碎屑岩储层形成机理可总结归纳为“沉积物质为基础，成岩演化为关键，构造作用为调整”。通过现代技术手段对储层物质组成的研究与成岩模拟实验研究及创新利用不同学科交叉渗透的新理论和新方法，是深层有效碎屑岩储层形成机理研究的主要发展趋势。

深层；有效碎屑岩储层；形成机理；影响因素

0 引言

我国中浅层油气勘探程度不断提高，许多大油气田已经进入后期勘探与开发阶段。随着国民经济对油气资源的需求量与日俱增，寻找深层有效储层已经成为一种必然趋势。一般来讲，随着埋深增加，储层的成岩作用越来越强，储层越来越致密。近年来随着科学研究的深入，国内外深层油气勘探实践日益增多，证实深层仍然可以发育有效储层。据不完全统计，目前国外正在生产的深层（埋深＞5 000 m）碎屑岩油气藏达31个［1］。我国深层油气勘探始于20世纪70年代渤海湾盆地，随后在四川、塔里木和准噶尔等盆地深层均有重大油气发现。深层碎屑岩油气藏已成为全球油气储量增长的新亮点，其形成机理及影响因素分析已成为石油地质学家关注的热点［2-4］。

国内外学者对碎屑岩储层的形成机理作了大量的研究，关于碎屑岩储层次生孔隙研究最早也最为经典的当属Schmidt等［5］发表的题为《砂岩成岩过程中次生孔隙的形成》这一论著，指出次生孔隙的形成与有机质演化有关。20世纪80年代，Surdam等［6-7］研究储层孔隙演化过程中有机和无机过程相互作用的机制后，提出次生孔隙的有机成因说。这一时期储层形成机理的研究主要集中于有效储层静态特征（岩石学特征、储集空间特征和成岩特征等）的精细刻画。20世纪90年代后期至今，储层形成机理的研究趋向于多因素及多界面动态分析，如深入剖析成岩演化动力机制，还原碎屑岩储层成岩作用时空属性，分析有效储层在地质历史时期与地层温度、压力和流体等地质要素的耦合关系，探寻储层非均质性特征，为有效储层评价及预测提供有利依据。目前，国内外对深层有效储层的形成机理的研究主要集中于沉积环境及成岩作用过程［8-13］，而构造作用研究多集中于构造作用后期对储层的改造和对成岩作用的影响方面。笔者在国内外深层碎屑岩有效储层形成条件和主要影响因素研究的基础上，系统分析沉积作用、成岩作用、构造作用及不同成岩环境条件在深层有效储层形成过程中的作用和意义。

图1 分选好的不同粒径砂粒压实模拟实验（a）和不同分选砂粒压实模拟实验（b）Fig.1Experimental compaction of well-sorted sands with different grain sizes（a）and experimental compaction of sand grains with different grain size and shapes（b）

1 有效储层形成机理

有效储层与沉积作用、成岩作用和构造作用均关系密切，沉积作用控制下的储层非均质性是决定有效储层的物质基础，成岩作用和构造作用对有效储层的形成均具有双重影响。

1.1 沉积作用控制储层的形成

沉积环境中的原始沉积条件是形成有效储层的前提和基础。从宏观上来讲，沉积环境控制沉积相带的展布，也就控制了油气藏形成的储集砂体［14］。即使在同一沉积体系内的不同相带，其砂体的规模、叠置样式和分布特征也均存在差异。从微观上来讲，沉积环境控制了沉积物的原始组分（物源）、成熟度、粒度、分选、磨圆与杂基含量等，而这些物质的非均质性奠定了储层的物质基础，对后期储层成岩演化具有明显的控制作用。例如，分选好的富含石英砂粒的压实实验表明，粒度偏粗的砂粒更易被压实，颗粒更易被压碎［15-16］［图1（a）］。分选差的砂粒比分选好的砂粒的初始孔隙度低，且机械压实减孔率更快［17-19］［图1（b）］。如今，碎屑沉积物的机械压实作用可在实验室通过砂、粉砂和不同类型的黏土人工混合样品或自然砂样模拟精确再现［15，20-22］。

一般而言，高能沉积环境中形成的砂岩储层，具有成分成熟度较高、刚性颗粒组分（石英）含量高、塑性颗粒组分（岩屑与杂基等）含量低、抗压强和原生孔隙发育等特征，该类砂岩储层的物性较好［8-9，11，13，23］；相反，如果砂岩原始沉积组分中塑性颗粒含量较高，那么在埋藏成岩过程中，压实作用对其粒间孔隙的破坏将更明显［17，19，24］（图版Ⅰ-1）。因此，沉积环境是形成有效储层的先决条件。

1.2 成岩作用决定储层的有效性

沉积环境作为前提条件决定了能否形成有利的储集层，而经历深埋作用后，成岩作用对砂体储集性能的改造则可以决定储层是否有效。对于深层储层而言，压实作用和胶结作用对储层孔隙均起着明显的破坏作用，溶蚀作用的增孔效应有利于储层质量的改善。

胶结作用主要是指埋藏成岩过程中，孔隙溶液中化学沉淀的自生矿物占据砂岩储层中原生孔隙空间，堵塞喉道，对深层砂体的储集性能起破坏作用（图版Ⅰ-2）。早期分散的碳酸盐胶结物对储层物性保存却有有利的一面，不仅有效增加了岩石的机械强度和抗压实能力［3，25-26］，而且为后期酸性地层水溶蚀提供了物质基础。因此，早期碳酸盐胶结物对砂岩孔隙的保存贡献较大。

与胶结破坏性作用相反，深层储层溶蚀作用的发育可以大大改善砂体的储集性能（图版Ⅰ-3）。深层储层发生溶蚀作用，必然会有流体的参与（流-岩作用），一般来讲，发生溶蚀作用的流体主要为大气淡水、有机酸以及无机酸。砂岩组分中的长石、岩屑和胶结物等，在一定条件下均可被溶蚀，形成次生孔隙，对改善储层物性贡献较大。

1.3 构造作用对储层的双重影响

构造应力对深层储层演化起着重要影响，最为直观的是构造应力以物理作用方式使储层孔隙体积缩小，发生构造压实作用。对库车坳陷克—依构造带侏罗系砂岩的研究表明，高构造应变区砂岩受构造侧向挤压造成的孔隙度损失比低应变区多5%～8%，储层类型也由低应变区的孔隙型变为高应变区的裂缝-孔隙型或孔隙-裂缝型［27］。当构造应力对储层的侧向挤压形成对冲构造时，核部地层受到构造托举减压作用，可保护核部地层的储层物性［28］（图2）；构造应力还可以导致裂缝（构造缝和压碎缝）的形成，从而增加了储层孔隙沟通能力和渗流能力。此外，构造应力还可以影响流体活动和流体压力变化，是流体流动的重要驱动力，它通过影响多孔介质的有效应力来影响岩层的渗流场［29］，从而影响深层储层的孔隙演化。

图2 塔里木盆地库车坳陷克拉2井挤压对冲构造样式①张丽娟，李忠，李猛，等.库车地区构造-流体叠加改造与有效储层形成演化机制报告.中国石油塔里木油田分公司，2009.Fig.2Ramp thrust structural styles of Kela 2 well in Kuqa Depression,Tarim Basin

构造挤压对储层孔隙度的影响程度除了构造应力大小与方式等因素外，与构造挤压发生时间和持续时间均有一定关系。若在储层成岩演化的早期发生构造挤压，且持续时间长，则对储层孔隙度的影响较大；若在储层已经历较强的成岩作用并变得致密以后再发生构造挤压，且持续时间短，则其影响较小。因此，研究构造应力对储层孔隙演化的影响要从构造应力场分布、构造应力作用方式、构造应变时期、构造应变强度及构造样式等方面来考虑。

2 有效储层形成条件

2.1 地层异常高压的影响

（1）异常高压可以延缓岩石的压实作用和抑制岩石的压溶作用［30］。当地层中流体排出不畅时，随着埋深增加，上覆地层压力增大，流体的运动受到阻滞，砂岩储层中形成异常高压，可以支撑上覆岩体的部分重力，减缓上覆岩体对深层有效储层的压实作用，使得已形成的孔隙免受压实破坏［11］。异常高压储层的原生孔隙保存机制还与砂岩组分有关，对于富含塑性颗粒的砂岩，异常高压往往发生在机械压实作用广泛出现之前，其对原生孔隙保存较为明显；而对于富含刚性颗粒的砂岩，由于其抗压能力本身较强，异常高压对其影响较小［31］。

（2）异常高压可形成裂缝。当储层内异常高压达到岩层破裂压力时，岩层发生不可逆的断裂变形而形成裂缝，其不仅增加了储层的有效储集空间，更重要的是改善了异常高压系统内储层的连通性，极大地提高了储层的渗流能力。当异常压力体系中孔隙压力达到上覆地层静压力的70%～90%时，异常压力体系开始产生裂缝［32］。

（3）异常高压促使溶蚀作用发生，形成次生孔隙。一方面，异常高压体系中流体泄漏引起溶蚀作用［8］，流体泄露释放可引起溶蚀物质的带出和长石溶蚀作用的增强［33］；另一方面，异常高压可促进有机酸的生成。异常高压对有机质演化和油气生成的抑制作用，延长了盆地中有机酸的释放时间和它对砂岩成岩作用的影响范围，促使化学反应向有机酸生成方向进行，有机酸的存在可以使砂岩胶结物和碎屑颗粒溶蚀形成次生孔隙［34］。

（4）异常高压是油气在低渗透致密储层（通常指孔隙度＜10%、渗透率为0.001～10.000 mD的储层）中运聚的主要动力。流体在低渗透致密储层中的渗流属低速非达西流，且只有在达到所需启动压力梯度后渗流才能发生［35］，故异常高压可使原本不具备渗流能力的低渗透致密储层变为有效储层。

2.2 地层温度的影响

地层温度是影响深层有效储层发育的重要因素之一。在地温梯度较低的盆地中，砂岩中的流-岩作用速率会明显降低，砂岩的机械压实速度也会减缓［27，36-37］。低地温梯度区砂岩孔隙度减小速率是高地温梯度区的1/2［27］。塔里木盆地的地温梯度为1.8～2.8℃/hm，属低温冷盆性质，泥盆系东河砂岩埋深在5 500～6 000 m时的孔隙度为10%～25%；松辽盆地地温梯度为3.5～4.0℃/hm，其砂岩埋深在3 500～4 000 m时的孔隙度为3%～8%［8，38-39］。不同的地温环境使储层孔隙演化与保存均存在差异。

地层温度对深层储层的影响还表现在热循环对流上。随着深度增加，地下流体温度升高，流体热膨胀作用导致流体密度降低，垂向上产生密度差，流体运动以热循环对流运动为主。深层孔隙流体在运动过程中，由于温度与压力的变化，大量矿物质在高温部位溶蚀，在低温部位沉淀，从而在深层高温带形成次生孔隙发育带，顶部低温带形成致密封堵层（图3）。热循环对流的发生需要温度差背景及流体通道，且需要地层倾角较大的构造形态［40-41］。

图3 渤海湾盆地东濮凹陷地层流体的热循环对流示意图Fig.3Schematic diagram of fluid-flowing convection in Dongpu Depression,Bohai Bay Basin

图4 塔里木盆地库车坳陷大北区块白垩系砂岩储层埋藏史及孔隙演化Fig.4The burial history curve and pore evolution of the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa Depression,Tarim Basin

2.3 埋藏方式的影响

埋藏方式对于深层有效储层的形成也具有重要影响。早期的长期缓慢浅埋、后期的短期快速深埋埋藏方式是一种有利于储层孔隙保存的方式。早期的长期缓慢浅埋使得上覆地层压力偏小，储层孔隙未被充分压实而部分保留；在后期短期内储层快速深埋，孔隙保存较好，从而形成深层有效储层。储层深埋时间越长，其成岩作用（特别是压实作用）的强度越大，孔隙损失越大，故深埋时间短的深层储层具有较好的储层物性［37］。以塔里木盆地库车坳陷大北区块某井埋藏史为例（图4）①张惠良，张荣虎，任康旭，等.库车—塔北地区白垩系—古近系沉积储层深化研究报告.中国石油塔里木油田分公司，2010.，其成岩作用早期（距今130～23 Ma）长期缓慢浅埋（埋深＜1 500 m，埋藏速率约为14 m/Ma），中期（距今23.00～1.64 Ma）快速深埋（埋深至5 000 m，埋藏速率约为234 m/Ma），晚期（距今1.64 Ma～今）调整深埋。尽管早期压实作用损失了较大部分孔隙，但中期快速深埋使得压实作用或构造挤压减孔作用不彻底，深层储层（约6 000 m）仍然具有较好的物性（孔隙度为5.7%）。

2.4 膏盐层的影响

膏盐层在国内外大多数富含油气的盆地中均有发育，其对深层有效储层形成过程的影响主要表现为干预成岩作用过程以及其塑性流动特性对构造应力的吸收。

（1）膏盐层可作为优质的盖层，具有压力封闭和物性封闭的双重封闭机制。由于膏盐层的封盖作用，其下伏地层中流体排出不畅，易形成异常高压，延缓对下伏地层的压实作用，异常高压的分布范围多与膏盐层的分布范围具有良好的对应关系［42］。

（2）膏盐层的导热率高，隔热性差，盐下地层容易散失热量，降低了盐下地层温度［11，43］，造成盐下地层的地质演化（主要为石英的胶结作用［44］和烃源岩的成熟［45］）速率显著降低，成岩演化相对滞后于膏盐层不发育的盆地［46］。

（3）膏盐层脱水，石膏转化为硬石膏，大量的结晶水进入相邻地层，导致地层压力异常。同时，由于脱出的水富含有机酸，可增强流-岩反应，导致溶蚀作用产生，形成次生孔隙［42］。

（4）膏盐层的塑性流动可以有效吸收构造应力。膏盐层在挤压构造变形过程中，由于塑性流动形成盐构造，这种“悬浮”作用可产生一种向上的“浮力”，从而减小上覆地层压力，有利于有效储层的形成［28］。

2.5 烃类充注作用的影响

（1）烃类早期充注使储层成岩环境发生变化，烃类排替孔隙流体，改变孔隙水的化学组成，导致孔隙水流动性降低，离子浓度降低，阻碍了矿物/离子之间的传递，从而延缓或抑制了成岩作用（主要为自生黏土矿物绿泥石与伊利石等的形成、石英的次生加大［47］和碳酸盐胶结作用［48］）的进程，使孔隙得到很好保存［31，37］。值得注意的是，当石英颗粒表面在烃类侵位期间仍能保持水润湿，硅质来源充足时，烃类侵位对石英次生加大没有影响［49-50］。

（2）烃类侵位后生产的酸性孔隙流体对深层储层孔隙的溶蚀改造作用［51］。

（3）早期烃类充注可以形成异常高压，延缓储层压实作用（与前述异常高压作用相同）。

2.6 颗粒包壳（或颗粒薄膜）的影响

颗粒包壳（或颗粒薄膜）通过分隔孔隙水与石英颗粒表面来阻止自生石英胶结物在碎屑石英颗粒表面成核，从而抑制石英胶结作用，有效抵抗机械压实作用，使储层孔隙得以保存［11，37，52-54］。最常见的颗粒包壳是自生绿泥石。近年来研究表明，发生在早期压实作用之后（碎屑颗粒之间的相对位置基本固定之后）的绿泥石沉淀，对储层物性的影响是有利的，其可以阻止石英次生加大，抵制因机械压实作用造成的粒间孔隙缩小，有效保护粒间孔隙（图版Ⅰ-4）。另外，自生绿泥石以极其微细的针形簇状形式沿颗粒表面径向生长，其大量的晶间孔为流体运移提供了通道。研究表明，绿泥石包膜最有效的厚度为5～10 μm［53］，当绿泥石含量过高，密集充填颗粒间时，会大大降低或破坏粒间原生孔隙及渗透性［55］。

2.7 砂泥岩互层条件的影响

在砂泥岩互层剖面中，由于砂岩和泥岩经历了相同的地质背景及成岩环境，因此砂泥岩可作为一个统一的成岩体系进行研究。在不同埋藏条件下，不同砂泥岩厚度组合中砂岩物性差异较大。在浅—中等埋深条件下（埋深＜2 500 m），砂泥岩界面附近的砂岩因泥岩排出的低矿化度和富含有机酸的流体发生较强的溶蚀作用，界面附近砂岩物性较好；在深埋藏条件下（埋深＞2 500 m），泥岩排出的大量离子在砂泥岩界面附近的砂岩中强烈胶结，砂岩中部物性较好。砂夹泥（砂岩占绝对优势）或砂岩厚度大时，砂岩中部距泥岩远，有利于形成有效储层［27，56］。

2.8 流体活动或成岩环境的影响

（1）流体活动主要指与不整合面或断层面有关的大气淡水淋滤与溶蚀作用。由于地表水中含有相当数量的碳酸根离子，或溶有植被腐烂产生的有机酸等，能溶蚀岩石易溶组分，形成风化裂隙和溶蚀孔洞［57］，为深层有效储层的形成提供了有利条件。

（2）深层流体具有高热量和强溶蚀能力的特点，可以促使原本未成熟烃源岩成熟，强化已成熟烃源岩生烃，能溶蚀围岩、砂体颗粒和胶结物，形成孔隙或溶缝洞，从而改善深层储层物性［58］，形成一定规模的次生孔隙型油气储层。

（3）地壳深层的变质流体、岩浆以及挥发组分和烃源岩生排烃产生的流体使得深层流体具有异常高压的特征［30，59］，其对深层储层的影响与前述异常高压相同。

3 结束语及讨论

通常，随着埋深增大，砂岩孔隙度和渗透率均会逐渐降低。勘探实践已证实，在一定条件下，深层储层仍可以保持较好的物性。在复杂漫长的演化过程中，影响深层储层物性的因素较多，并且相互作用、相互影响和相互交叉。沉积条件是深层有效储层形成的基础；溶蚀作用是有效储层形成的关键，溶蚀作用直接形成次生孔隙；异常高压环境、地温、埋藏方式、膏盐层和烃类充注等均作为有效储层形成的辅助因素，其作用效应均可阻止或减缓储层成岩作用的进程，从而为有效储层形成提供条件。不同类型盆地深层有效储层的影响因素可能不同：对于储层成岩作用地史时间长、构造运动旋回多、埋藏速率小和平均孔隙度偏小的克拉通盆地，古剥蚀面的风化淋滤作用或酸性水的溶蚀作用等对有效储层的形成影响均较大；对于成岩作用地史时间短、构造运动旋回少和埋藏速率大的裂谷盆地与前陆盆地，其原生孔隙的保存及构造作用的后期造缝作用对有效储层的形成影响均较大。因此，深层有效储层的形成机理可归纳为“沉积物质为基础，成岩演化为关键，构造作用为调整”。

目前，对于深层有效储层主要影响因素的研究越来越趋向于精细化和动态化，如泥质含量、黏土膜的保护作用、成岩作用过程、定量成岩相和构造应力等，均是从沉积、成岩与构造角度研究深层储层储集空间演化，并恢复储层孔隙（或裂缝）演化史。研究应关注深层有效储层的影响因素有哪些、深埋有效储层经历了怎样的成岩改造、不同类型的沉积盆地和不同地质构造背景发育储层的差异性和特殊性、诸多影响因素如何交叉作用、不同因素影响程度孰大孰小、权重系数各是多少，等等。因此，深层有效碎屑岩形成机理研究未来的主要发展方向应体现在以下几个方面：

（1）注重宏观与微观的结合

通过现代沉积研究及露头研究，结合高分辨率地球物理技术，或利用室内沉积水槽模拟实验研究等方法，明确沉积砂体几何形态和空间分布规律，对砂体进行追踪和预测，明确其宏观非均质性。储层的微观孔隙与喉道特征、黏土矿物形态和分布以及胶结物特征等，对储层物性均具有明显影响。同时，储层敏感性也涉及到驱油效率问题，这就要求明确储层的微观非均质性。目前，多种储层分析测试技术（多种扫描电镜、电子探针能谱、阴极发光显微镜、X射线衍射和稳定碳氧同位素测定等等）的发展为储层微观研究提供了强有力的支撑。

（2）注重静态与动态的结合

通过成岩演化过程的实验模拟加强对深层有效碎屑岩储层成岩作用的研究，注重深层有效储层实例解剖研究，注重成岩演化动力机制研究，加强成岩演化过程的实验室模拟研究，还原碎屑岩储层成岩作用时空属性。通过优选储层质量主要影响因素，开展定量成岩相研究，探寻储层非均质性特征。深层储层孔隙演化绝不单单是镜下成岩作用的静态恢复问题，而应该把沉积-成岩-构造作用看成一个综合的动态地质过程。

（3）注重多学科协同综合研究

储层地质学与其他地质学科，如地球化学、地球物理学和数学地质等均关系密切，建议开展深层有效储层的地球化学特征、物理特性和裂缝发育地质模型等综合研究。面对纷繁的影响因素，应结合不同沉积和构造背景，选取现代数学统计方法，分析评价各单因素在有效储层形成过程中的权重系数，明确主要影响因素，为有利储层分布预测奠定基础。目前，在地震地层学基础上发展起来的储层地震学（地震沉积学与层控非线性随机反演等），将地球物理资料与地质、测井及油藏工程等资料有机结合起来，对储层岩性变化及含油气性变化作出综合预测并取得了较好的效果。这些交叉学科及其他学科的理论体系和技术研究方法均有很大的发展空间，也是未来有效储层形成机理研究的主要发展趋势。

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图版Ⅰ

（本文编辑：李在光）

Advancement on formation mechanism of deep effective clastic reservoir

PAN Rong，ZHU Xiaomin，WANG Xingxing，ZHANG Jianfeng
（College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

As petroleum exploration goes into a more and more mature stage,deep clastic reservoir is becoming an important new area for exploration in the oil-gas basins.The research of deep petroleum exploration is focusing on the mechanism of the clastic reservoir evolution.The formation mechanism of the deep effective clastic reservoir is complex and closely connected to the sedimentation,diagenesis and tectonism.Sedimentary environment is the prerequisite and foundation for forming effective reservoir.Secondary pore produced by the main constructive digenesis vastly improves reservoir physical properties.Depositional environment and diagenetic conditions that can prevent or slow down diagenesis effectively is conductive to the reservoir physical properties,including low geotemperature,rapid burial history,abnormal pressure,gypsum-salt bed effect,hydrocarbon inject,grain coats and fluid activity,etc.During the evolution of deep reservoirs,tectonic compaction reduces the pore volume,while the structural fractures improve the seepage ability of the reservoir porosity,forming effective fractured reservoir.Thus,the reservoir forming mechanism was suggested with the deposition,dissolution and tectonism being fundamental,key and occasion respectively. Through using modern technology,conducting the diagenesis modeling experiments and using new methods with the inter-discipline knowledge,have already become the main development trends of the research of the forming mechanism of the deep effective clastic reservoir.

deep；effective clastic reservoir；formingmechanism；influencingfactors

TE122.2+1

A

1673-8926（2014）04-0073-08

2014-03-18；

2014-04-25

国家重点基础研究发展计划（973）项目“中国西部叠合盆地深部油气复合成藏机制与富集规律”（编号：2011CB201104）和国家重大科技专项“岩性地层油气藏沉积体系、储层形成机理与分布研究”（编号：2011ZX05001-002）联合资助

潘荣（1985-），女，中国石油大学（北京）在读博士研究生，研究方向为储层地质学。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号中国石油大学地球科学学院。E-mail：rongfenxiang@163.com。