细粒相沉积地质特征与致密油勘探——以渤海湾盆地沧东凹陷孔店组二段为例

蒲秀刚，周立宏，韩文中,，周建生，王文革，张伟，陈世悦，时战楠，柳飒（. 中国石油大港油田公司；. 中国石油大学（华东））

细粒相沉积地质特征与致密油勘探

——以渤海湾盆地沧东凹陷孔店组二段为例

蒲秀刚1，周立宏1，韩文中1,2，周建生1，王文革1，张伟1，陈世悦2，时战楠1，柳飒1
（1. 中国石油大港油田公司；2. 中国石油大学（华东））

摘要：以渤海湾盆地沧东凹陷古近系孔店组二段湖盆中部细粒相区600多米连续整体取心、上万块次系统分析联测及配套测录井资料为基础，运用传统石油地质学、沉积岩石学及致密油气形成新理论新方法，对孔二段细粒相区沉积特征进行了研究。结果表明，沧东凹陷孔二段是孔店组最大湖泛期的沉积，半深湖—深湖亚相细粒沉积分布较广，主要发育细粒长英沉积岩类、细粒混合沉积岩类及白云岩类，而黏土岩类不发育，细粒岩类具有“岩石成分多，优势矿物少；碎屑矿物多，黏土矿物少；方沸石多，黄铁矿少；脆性矿物多，石英含量少；岩石类型多，油页岩少；致密储集层多，无裂缝的少；优质烃源岩多，非烃源岩少；高频旋回多，单一沉积少”等特点。这些认识更新了以往关于陆相闭塞湖盆中部仅以“泥页岩”烃源岩沉积为主的观点。在地质认识指导及配套工程工艺技术的支撑下多口探井获工业油流，展示了陆相湖盆细粒相区致密油勘探的良好前景。图9参19

关键词：细粒沉积；细粒相；致密油；地质特征；勘探前景；沧东凹陷；渤海湾盆地

0　引言

随着全球非常规油气勘探的兴起，国内外学者对于细粒沉积的研究也取得了重要进展[1-8]。沧东凹陷为渤海湾盆地黄骅坳陷南侧的次级凹陷，凹陷中部古近系孔店组二段（Ek2）细粒相区油气显示非常普遍，个别井已达工业油流级别。为深入认识凹陷中部细粒相区的地质特征与致密油分布规律，针对孔二段烃源岩区的细粒沉积岩进行了3口井共计640 m的整体取心和分析联测，获得了系统的实物资料和测试数据。本文在此基础上，对沧东凹陷中部孔二段细粒沉积岩的岩性、烃源岩特性、脆性等地质特性进行了细化研究，以期为沧东凹陷孔二段细粒相区致密油勘探的进一步突破提供认识基础。

1　研究区地质背景

沧东凹陷为渤海湾盆地黄骅坳陷的一个次级构造单元，夹持于沧县隆起、徐黑凸起及孔店凸起之间，是在区域性拉张背景下发育的一个新生代陆内断陷湖盆[9-11]（见图1）。

沧东凹陷在孔二段沉积时期为一内陆封闭湖盆，沉积了一套以暗色泥页岩为主，夹薄—中层粉砂岩、中细砂岩及泥质云岩的沉积建造，厚400～600 m，分布稳定。环湖发育10个三角洲沉积朵叶体，沉积相自湖盆边部至湖盆中心具有规律性变化，发育3个沉积环带，分别为：①外环A区，以中细砂岩为主的常规砂岩发育带，主体发育三角洲前缘亚相；②中环B区，以致密细砂岩、致密粉砂岩以及灰质白云岩为主的岩性过渡带，主体发育三角洲前缘远端、重力流及云灰湾沉积；③内环C区，由泥级长英（长石+石英）质碎屑、碳酸盐矿物、黏土等组成的细粒沉积岩发育区，为主力烃源岩发育区，中环B与内环C区共同构成了沧东凹陷孔二段的致密相区（见图1）。

沧东凹陷孔二段为一完整的三级层序（SQEk2），为孔店组最大湖泛期沉积，从下至上可细分为4个四级层序为低位体系域，主要为三角洲前缘沉积，岩性组合以灰色细砂岩与灰色泥岩组合为主，局部地区可见红色泥岩。为湖侵体系域，沉积了一套半深湖相细粒沉积，其顶面是孔店组的最大湖泛面，岩心观察证实为一厚约30 cm的黑色—深灰色高TOC泥页岩。为高位体系域，下部以白云岩及细粒混合沉积岩为主，夹薄层细粒长英沉积岩，随着基准面下降，上部则沉积一套浅湖相泥岩，顶部见三角洲前缘薄层砂体。

2　实验数据与细粒相区岩性定名

近年在细粒相区对GX-A井、GD-A井、GD-C井3口井进行了系统取心，累计取心长640 m，其中位于孔西斜坡区的GX-A井针对孔二段整个三级层序连续取心500 m，位于南皮斜坡低部位的GD-A井和GD-C井分别针对和两个四级层序共计取心140余米。系统开展了岩心普光、荧光连续扫描，岩心厘米级描述，岩性（薄片及X射线衍射分析）、物性、烃源岩特性、含油性、脆性、敏感性与工程特性等8个大项52个单项的分析联测（见图2）。

3　细粒相区地质特征

3.1岩石矿物成分总体分布

X射线衍射分析表明（见图2），细粒沉积岩矿物组成复杂，由石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石、黏土、黄铁矿、方沸石等8种主要矿物组成，各种主要矿物成分含量一般均小于30%，石英+长石等长英质平均含量33.2%，方解石+白云石等碳酸盐矿物平均含量为34.7%，方沸石平均含量为14.4%，黏土矿物平均含量为13.0%，因此，整体上除结晶分异较好的白云岩（厚度占比10%左右）及常规粗粒砂岩外，其他混合岩性无优势矿物成分。

3.2碎屑矿物与黏土矿物分布

统计表明，细粒沉积岩中石英、长石等碎屑矿物含量较高而黏土矿物含量较低。岩心可见细砂或粉砂呈团块状或层状分布（见图3a），薄片下多见砂屑呈纹层状或混染状分布（见图3b）。GX-A井孔二段830块薄片观察表明，陆源碎屑目测含量经验值平均为18.4%，含量大于20%样品占41%；而932块薄片X射线衍射分析表明，石英与长石矿物含量之和平均高达31%。由于碎屑物源输入强度较高，位于南皮斜坡的GD-A井和GD-C井孔二段细粒陆源碎屑含量高达50%以上。

图1　沧东凹陷构造简图与孔二段沉积体系

一般认为，黏土矿物是泥岩（pelitic rock）的主要组成矿物[13-15]。本次样品X射线衍射分析发现，孔二段黏土矿物含量较低，平均含量仅为13.0%，说明虽然岩心目测观察确定为泥页岩（泥质岩），但并非主要由黏土矿物组成，而是个由多种矿物组成的混合沉积，非严格意义上的泥岩，将这种“混合沉积”称为“泥状岩（泥状泥岩、泥状页岩）”更为合适，因为这类岩石主要由粒径小于0.003 9 mm、包含大量泥级碎屑在内的多种矿物组成，而黏土矿物含量一般小于15%，即使应用前述3类主要矿物归一化含量命名，也远达不到黏土矿物含量超过50%的黏土岩的范围。

图3　沧东凹陷孔二段细粒沉积岩中砂屑特征

3.3方沸石与黄铁矿含量

方沸石常见、含量较高是该区细粒沉积岩的另一重要特征。GX-A井孔二段X射线衍射分析表明，除孔二段下部三角洲前缘相常规砂岩外，近500 m系统取心中有450 m均含有方沸石，其含量为5.0%～59.0%，平均为13.5%，高位体系域SQEk21方沸石含量总体较高，平均达19.4%（见图2）。从岩性看，泥页岩中方沸石平均含量为24.2%，明显大于白云岩类（14.0%）。较高方沸石含量不仅提高了致密储集层的脆性，也为油气提供了储集空间，尤其是当方沸石以粒状形态集中分布或微裂缝、溶蚀孔洞及生物体腔孔等被结晶方沸石而非钙质或泥质充填时（见图4a），如泥页岩中成层或团块状分布的粒状方沸石往往形成大量粒间微孔隙，是一类非常重要的储集层，有利于油气的近距离优先充注，多见荧光显示（见图4b）。黄铁矿多形成于强还原环境，岩心中可见其呈分散状、薄层状或团块状分布，裂缝与孔洞中最为常见，镜下多为放射状、球粒状，主要分布在深灰色泥页岩中，X射线衍射分析孔二段黄铁矿平均含量为0.82%。

图4　沧东凹陷孔二段细粒沉积岩中方沸石特征

3.4脆性矿物与石英含量

脆性矿物含量越多，岩石脆性越强，在外力作用下越易于形成裂缝，越有利于泥页岩的压裂改造，石英即是最为重要的脆性矿物[4]，随着体积压裂等工艺技术的进步，碳酸盐矿物、方沸石等亦可视为脆性矿物。从孔西斜坡GX-A井孔二段X射线衍射分析数据看（见图2），该井孔二段广义脆性矿物（石英、长石、碳酸盐岩矿物等）含量高，平均为82.5%，而经典脆性矿物石英含量平均仅为16.0%。南皮斜坡GD-A井和GD-C井孔二段广义脆性矿物含量分别达94%与91%。以往认为主要由黏土矿物组成的“泥页岩”脆性矿物含量不高，但目前看来，方沸石、碳酸盐与陆源碎屑脆性亦较高，具有较好的压裂改造潜力。

3.5岩石类型

岩心观察表明，细粒沉积岩颜色有灰黑色、灰色、绿灰色、灰褐色等；沉积构造以纹层状和块状为主，纹层可区分为细纹层、中纹层、粗纹层。根据碎屑、泥质、云质含量及颜色、沉积构造等特征，可目测识别出泥页岩、白云岩、砂岩和混合过渡岩等4大类13 类30小类岩石。利用普通薄片镜下观察鉴定细粒沉积岩岩性难于常规粗粒砂岩，其复杂性表现在非均质性较强，不同视域下岩性往往不同，同时方沸石的存在及呈零星散状分布的粉砂都增加了薄片准确鉴定与岩性描述的难度。依据X射线衍射分析，可将岩石划分为4大类12小类，主要发育细粒长英沉积岩类、细粒混合沉积岩类及白云岩类，占比分别为40%、37%和23%，黏土岩类不发育（需注意的是，由于X射线衍射分析前需碎样，所以不能排除纹层状黏土岩存在的可能性）。

研究区油页岩颜色以深灰—灰黑色为主，页理发育，显微镜下可见有机质和矿物质薄层交替组成纹层（见图5a），有机质在荧光显微镜下多见荧光显示（见图5b）。显微有机组分主要为各种藻类、孢子或矿物沥青质。油页岩具有明显的高声波、低密度、中高中子的测井响应特点。根据2006年全国油页岩资源评价的定义[13]，油页岩的含油率应大于3.5%，对应TOC值一般大于6%，GX-A井500 m取心段属于上述定义范畴的油页岩累计厚度仅为80.2 m，仅占该井除去上、下砂岩段总厚度的19%。这与前人认识及岩屑录井存在累计数百米油页岩的观点明显不同。虽然油页岩累计厚度不到100 m，但其各项地化指标值均较高：TOC值最大达12.9%，平均为8.0%，S1值最大为8.1 mg/g，平均为2.0 mg/g，S1+S2值最大为73 mg/g，平均为45 mg/g，因此，本区虽然油页岩规模较小，但由于其产烃率较高，依然是重要的烃源岩区。

图5　孔西斜坡GX-A井典型油页岩镜下特征

3.6致密储集层特征

细粒相区主要储集层类型有白云岩类、杂砂岩及细粒长英沉积岩与细粒混合沉积岩。主要的储集层是白云岩类，其平均地面基质孔隙度、渗透率（含天然微裂缝）分别为5.8%、0.4×10-3μm2，但其单层厚度较薄，平均仅0.12 m，主要分布在底部、中下部（见图2）；另一类储集层是区域性发育的块状重力流混杂砂岩，如GX-A井顶部2 994～3 017 m称之为上砂岩的一套沉积，整段砂岩包裹于半深湖相深色细粒沉积岩之中，具有重力流沉积的典型特征[16-18]，其平均孔隙度、渗透率分别为8.3% 与0.28×10-3μm2，分布面积可达363 km2，勘探已证实其具有工业产能；细粒长英沉积岩、细粒混合沉积岩是烃源岩，平均孔隙度仅为3.2%，但渗透率可达0.3×10-3μm2，显然，相对较高的渗透率从侧面印证了这类细粒岩微裂缝较发育，也可视为致密储集层，该类储集层为典型的自生自储型，储集空间主要为呈纹层状分布的白云石和方沸石晶间孔，石英及长石溶蚀孔与粒间孔，低角度层理缝、高角度微裂缝等，该类源储共存的细粒岩累计层厚可达300余米，在沧东凹陷分布面积达600 km2。

受较高的脆性矿物含量和构造作用影响，致密储集层裂缝较发育，主要有构造缝、层间缝、异常压力缝和差异压实缝4种类型。以SQEk21为例，孔西斜坡GX-A井地层厚度73.4 m，岩心见裂缝246条，平均密度为3.35条/m；南皮斜坡GD-A井地层厚度68.4 m，见裂缝173条，平均密度为2.53条/m。当然，对于不同深度或地区，随着岩性及构造应力的变化，裂缝发育的密度和类型也会不同。

3.7优质烃源岩发育特征

研究区烃源岩品质优，累计厚度大，非烃源岩很少。统计表明，孔西斜坡GX-A井整个细粒段的TOC值一般为0.4%～8.0%，平均为3.2%；S1值一般为0.03～2.00 mg/g，平均为1.00 mg/g；S1+S2值一般为0.1～50.0 mg/g，平均为19.4 mg/g。烃源岩热演化程度适中，Ro值平均为0.8%，最高可达1.3%。烃源岩特性明显受岩性控制，按照X射线衍射分析结果进行分类的细粒长英沉积岩类TOC及S1+S2指标最高（见图6），是该区最好的烃源岩，其次为细粒混合沉积岩，为好—很好烃源岩，而白云岩类及砂岩（主要为泥质粉砂岩）也具有一定的生烃潜力，分别达到好烃源岩、中等—差烃源岩级别，同时作为储集层游离烃含量最高。可见该区孔二段除砂岩外，均为较好的烃源岩，累计厚度可达350余米，占整个孔二段地层厚度的约70%。

图6　GX-A井不同岩性TOC含量（1 042块样品）

3.8高频旋回特征

整体上，随着湖平面的不断进退，纵向上发育4个四级旋回10个五级旋回，多种岩石类型纵向上频繁互层。岩心观察及X射线衍射岩性分析表明，孔西斜坡GX-A井孔二段细粒长英沉积岩类发育159.1 m/615层，层厚平均为0.26 m；细粒混合沉积岩类发育149 m/682层，层厚平均为0.22 m；白云岩类发育93.6 m/779层，层厚平均仅为0.12 m。以GX-A井3 188～3 208 m为例（见图7），岩心精细描述136层，平均层厚0.15 m，结合声波、密度、中子测井曲线特征，该段发育多达17个沉积旋回。这种成分与岩石类型差异主要是古气候、古物源、古湖泊等因素的相互作用导致的。据前人研究[19]，天文周期引发的气候变化是控制高频旋回沉积作用的主要机制，古气候变化通过控制古湖平面、湖水分层性以及陆源碎屑物质、有机质、碳酸盐、黏土之间的沉积比例进一步控制沉积岩发育和类型。

4　测井岩性识别

在关键井岩性-电性关系研究基础上，进行测井岩性识别是进行平面岩性分布规律研究的关键。针对该区以常规测井系列为主的实际情况，在大量薄片观察与X射线衍射分析综合判别岩性及数据归位的基础上，建立了以声波、中子、密度等常规测井资料与岩性之间的关系（见图8）。初步研究表明，常规测井可将细粒长英沉积岩-混合沉积岩大类与白云岩类及常规砂岩类区分开，而细粒长英沉积岩与混合沉积岩类目前应用常规测井资料尚无法区分，暂时统称为泥状岩。泥状岩钙质含量3%～44%，平均17.9%，TOC值为5.2%～12.5%，平均7.8%；白云岩类钙质含量40%～80%，平均54%，TOC值为0.27%～2.47%，平均为0.9%。

5　细粒相区致密油勘探发现

图7　GX-A井孔二段3 188～3 208 m多类岩性旋回特征（ρ—密度）

图8　GX-A井岩性-电性关系图

图9　沧东凹陷南皮斜坡重点探井致密油层综合对比图（剖面位置见图1）

6　结论

研究表明，沧东凹陷孔二段斜坡低部位湖盆中部细粒沉积岩具有“岩石成分多，优势矿物少；碎屑矿物多，黏土矿物少；方沸石多，黄铁矿少；脆性矿物多，石英含量少；岩石类型多，油页岩少；致密储集层多，无裂缝的少；优质烃源岩多，非烃源岩少；高频旋回多，单一沉积少”等特点。泥页岩中方沸石的首次发现具有重要意义，较高的方沸石含量为泥页岩生成的油气提供了储集空间，同时作为一种脆性矿物使得后期“泥页岩”改造开发成为可能。烃源岩区不仅发育厚层优质烃源岩，而且发育白云岩类、泥状岩及重力流砂岩等储集层，源储互层或一体，有利于烃类的近距离充注，甚至富集成藏（“甜点”），勘探实践业已展示了该区孔二段致密油勘探的良好前景。

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（编辑黄昌武）

Geologic features of fine-grained facies sedimentation and tight oil exploration: A case from the second Member of Paleogene Kongdian Formation of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

PU Xiugang1, ZHOU Lihong1, HAN Wenzhong1,2, ZHOU Jiansheng1, WANG Wen’ge1, ZHANG Wei1, CHEN Shiyue2, SHI Zhannan1, LIU Sa1
(1. PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280, China; 2. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract:Based on analysis of successive and whole cores over six hundred meters from the second Member of Kongdian Formation (Kong 2 Member) of fine-grained facies zone in central lake basin of Cangdong sag, ten thousands of systematic and joint analysis data, and the matching logging data, the sedimentary characteristics in the fine-grained facies zone is examined by means of traditional petroleum geology, sedimentology, and new theory and method of tight oil and gas generation. The Kong 2 Member is the sedimentation during the maximum lake flooding in the Kongdian Formation. Fine-grained sedimentation of half-deep lake to deep lake are widely distributed, the fine-grained feldspar-quartz contained sedimentary rock, fine-grained mixed sedimentary rock, and dolomite are developed, and the clay rock is poorly developed. The fine-grained rocks have these features as follows: more rock compositions, less advantageous minerals; more debris minerals, less clay minerals; more analcites, less pyrites; more brittle minerals, less quartz; more rock types, less oil shale; more tight reservoirs with less non-cracked reservoirs; more high-quality source rocks, less non-source rocks; more high-frequency cycle sediments, less single sediments. These understandings updated the former view that only mud shale source rock was dominantly developed in the closed continental lake. With the help of geologic research and matched engineering technologies, several exploration wells have produced industrial oil flows, showing a good prospect of tight oil exploration in fine-grained facies zones of continental lacustrine basins.

Key words:fine-grained sediment; fine-grained facies; tight oil; geologic features; exploration prospect; Cangdong sag; Bohai Bay Basin

基金项目：中国石油科技重大专项“大港油区大油气田勘探开发关键技术研究”（2014E-06）

中图分类号：TE122.1

文献标识码：A

文章编号：1000-0747(2016)01-0024-10

DOI:10.11698/PED.2016.01.03

第一作者简介：蒲秀刚（1968-），男，四川阆中人，博士，中国石油大港油田公司高级工程师，主要从事沉积学、储集层地质学综合研究和油气勘探方面的工作。地址：天津市滨海新区大港油田幸福路1278号，大港油田公司勘探开发研究院实验中心S709，邮政编码：300280。E-mail: puxgang@petrochina.com.cn

收稿日期：2015-01-16修回日期：2015-11-06