准噶尔盆地阜东斜坡头屯河组微观非均质性与重点短期基准面旋回

柳 妮，唐群英，刘 静，于景维，李钦昭，侯筱晓

(1.克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油 青海油田分公司 勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736206；3.新疆油田公司 实验检测研究院 节能监测中心，新疆 克拉玛依 834000；4.中国石油大学(北京) 克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000)

2011年，准噶尔盆地阜东斜坡区在中侏罗统头屯河组中获得可观工业油气流，为岩性油气藏勘探领域的重大发现之一，内含巨大勘探潜力[1-3]。前人已对该区头屯河组沉积相、层序地层以及储集层特征等进行了大量研究[1-13]，取得较多成果。随着该地区勘探开发工作的进一步深入，注入剂的驱替效率逐渐减弱，如何进一步挖掘残余油、提高采收率是当前面临的重要问题[2]。

储集层的微观非均质性是指微观孔道类型与大小的不均一性所造成的流体流动的特征差异，这种差异对剩余油的形成和分布起着决定性作用[14-16]，同时也是影响油气藏采收率的关键因素之一[17-18]。微观非均质性受控于沉积、构造和成岩作用的综合影响[9,11]。在基准面旋回方面，前人往往关注基准面旋回对储集层宏观非均质性的影响[12]，对储集层微观非均质性的影响探讨几乎没有。在油田精细勘探开发趋势下，长期时间尺度内探讨储集层微观非均质性已不能满足油田勘探开发需求，短时间尺度范围内研究储集层微观非均质性对于生产有更重要的指导意义[1,5,13]。本文在前人研究基础之上，探讨微观非均质性及其与重点短期基准面旋回的关系，不仅对研究区头屯河组以及相关地区勘探有的放矢，还可对油藏精细开发研究提供指导。

1 研究区概况

阜东斜坡区位于准噶尔盆地中央坳陷带内，紧邻盆地重要生烃凹陷——阜康凹陷东部[19-20]，呈现鼻状凸起的构造形态，是油气聚集有利区(图1)，区内多发育岩性油气藏[21-24]。研究区发育多套地层，最老为寒武系塔木岗组(-C1t)。中侏罗统头屯河组(J2t)为区内重点勘探层系，发育辫状河三角洲沉积体系[1]，以三角洲前缘为主，储集体为辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体[2]。头屯河组自下而上分为头一段(J2t1)、头二段(J2t2)和头三段(J2t3)，本次重点研究头二段。前人通过头屯河组3个段的粒度、渗透率、夹层、砂体的几何形态的变化，认为头二段非均质性最强[11]。

头二段储集层砂岩以细粒岩屑砂岩为主[7]，填隙物含量不高，岩石成分成熟度较低；颗粒分选性中等—好，结构成熟度较高[8]。颗粒间以点接触为主，结合自生矿物组合和演化、有机质热成熟度指标等参数，认为研究区头屯河组砂岩成岩作用较弱，处于中成岩A期[7]。储集层孔隙类型主要为原生粒间孔[3]，孔喉平均半径较小，分选性一般，孔隙度为2.69%～28.88%，平均14.98%，渗透率为(0.01～790)×10-3μm2，平均26.08×10-3μm2，属于典型的中孔、中—低渗孔隙型储集层[7-8]。

2 储集层微观非均质性

储集层微观非均质性包括3个方面：孔喉非均质性、颗粒非均质性和填隙物非均质性，后两者是造成孔喉非均质性的主要原因[14-16]。

2.1 孔喉非均质性

孔喉大小是孔喉非均质性中最明显的参数[14-16]。由于孔喉半径中值和毛细管中值压力在反映孔喉大小方面是一致的[17]，因此利用最大孔喉半径和孔喉半径中值对孔喉大小进行表征。对研究区头二段208块样品进行了压汞法测试，头二段储集层的最大孔喉半径平均为5.09 μm，0～5 μm的样品占64%；孔喉中值半径平均为0.69 μm，0～0.69 μm的样品占70%，整体反映出孔喉大小的不均匀程度很强。

图1 准噶尔盆地构造单元示意及阜东斜坡区位置

孔喉分选特征包括孔喉分选系数、偏度、峰态和均值系数，也反映孔喉非均质性程度[14-16]。分选系数表示孔喉的均匀程度，头二段样品分选系数平均为2.35，反映出孔喉分选中等；偏态系数整体为负偏，且偏态的最大绝对值为3.4，反映出孔喉频率分布曲线不对称；峰态最大值为13.11，最小值为1.26，平均值为1.87，反映出孔喉分选的非均质性较强；均值系数是表征孔喉非均质性的主要参数之一[25]，均值系数最大值为0.41，最小值为0.07，平均为0.22，整体反映出孔喉的分选性很差。

孔喉的连通性也是孔喉非均质性表征的重要参数，通过退汞效率、孔喉体积比、最小非饱和孔隙体积百分数(简称孔隙体积百分数)和结构均匀度来表示。头二段样品退汞效率最小为5.31%，最大为59.52%，平均为22.68%，可见采收率的高低差距非常大，反映孔喉连通较为复杂。孔喉体积比反映孔隙和喉道的配置关系[24]，比值越高，表示孔隙和喉道体积差距越大，头二段孔喉体积比最大为17.84，最小为0.68，平均为4.94，反映孔喉的配置关系较为复杂。孔隙体积百分数表示岩石小孔隙所占体积[26]，数值越大，表示孔隙结构越差。头二段孔隙体积百分数最小为1.15%，最大为87.89%，平均为28.46%，反映孔隙连通不均匀程度高。结构均匀度是表征岩石孔隙结构均匀、连通程度的参数[19]，数值越小反映岩石孔隙越均匀、连通程度越好。头二段结构均匀度最大值为16.14，最小值为1.2，平均为4.8，整体反映孔喉连通性十分复杂。

2.2 颗粒非均质性

颗粒非均质性是指颗粒大小、分选、形状以及排列。颗粒大小差异越大，导致大颗粒间的孔隙容易被小颗粒充填，造成孔喉变小，驱替效果变差[26]。前人对研究区头二段颗粒大小进行过统计，颗粒大小不等，岩石类型包括砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩和泥岩[3]；整体认为颗粒大小分布在0.125～0.5 mm，主要以细砂岩和中砂岩为主[7]；压汞实验中分选系数平均为2.35，综合评价整体分选中等。

颗粒的排列方向也是造成储集层渗透率非均质性的重要因素[17]，主要受到古水流方向的控制[14-16]。研究区头二段沉积期古水流方向多样，反映储集层渗透率非均质性较强[3]。

2.3 填隙物非均质性

填隙物包括机械成因的杂基和化学沉淀的胶结物，其类型、含量、产状以及分布对储集层孔喉非均质性有较大影响[2,27-28]。

通过对研究区头二段200块样品的X-衍射分析，发现填隙物类型丰富，杂基主要为黏土矿物(1.12%)，包括蒙脱石(19.06%)、伊/蒙混层(48.02%)、伊利石(9.68%)、高岭石(9.18%)和绿泥石(14.07%)[7]，其中伊/蒙混层和蒙脱石含量最多，反映成岩作用不高；胶结物包括方解石(2.24%)、铁方解石(0.38%)、水云母(0.83%)和黄铁矿(0.02%)[7]，以方解石和水云母为主。

利用大量扫描电镜资料探索头二段储集层砂岩中填隙物的产状，伊/蒙混层往往呈现不规则的弯曲片状产出(图2a)，容易遇水膨胀，造成孔喉不规则性，加大孔喉非均质性；绿泥石沿孔隙周缘形成孔隙衬垫的形式出现(图2b)，遇酸容易产生沉淀，在一定程度上有利于孔隙的保存，但对于喉道损害严重，增强驱替难度[29-32]；伊利石也会以衬垫的形式呈现于粒间(图2c)，但有时呈不规则丝状分布于碎屑颗粒表面，容易堵塞喉道，造成孔渗降低；高岭石则以典型的书页状集合体充填于碎屑之间，进一步减小孔喉体积，尤其分割细小孔喉空间，增强孔喉非均质性(图2d)，以上黏土矿物一部分来源于长石溶蚀(图2e)。其他填隙物如方解石、硅质以及黄铁矿胶结物基本都充填于粒间和粒表(图2f-h)，进一步增强孔喉非均质性。

分析黏土矿物在纵向及平面分布特征，有助于了解填隙物非均质性。以阜东081井内头二段约4 m厚的油层为例，油层内所出现的黏土矿物组合类型多数以伊/蒙混层为主，在2 658 m附近，伊/蒙混层含量突然大幅度降低，出现以蒙皂石为主的矿物组合(图3a)。整体上，随着深度的增加，黏土矿物的类型以及含量都发生变化，反映填隙物非均质性较强。平面上头二段黏土矿物分布按组合类型划为3个区[3]，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区分别为以伊/蒙混层、蒙脱石和绿泥石为主的黏土矿物组合类型(图3b)。整体来看，黏土矿物的类型以及含量在平面上没有规律，反映填隙物非均质性较强[3]。

综上所述，研究区头二段储集砂体孔喉非均质性、颗粒非均质性和填隙物非均质性都较强，造成微观非均质性程度很强。

图2 准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组二段储集砂岩填隙物产状

a.北74井，2 871.86 m，粒表不规则伊/蒙混层矿物；b.阜东081井，2 643.9 m，残余粒间孔隙，粒间分布片状绿泥石，见石英次生加大；c.阜东11井，2 943 m，伊利石衬垫式胶结粒间，粒间沸石、自生石英充填胶结，见残余粒间孔隙；d.阜东6井，2 398.72 m，粒间充填的不规则状高岭石；e.阜东081井，2 614 m，长石黏土化；f.阜东051井，2 869.4 m，粒间见胶结物以方解石为主；胶结类型以钙质胶结为主，见残余粒间孔隙；g.阜东11井，2 945 m，颗粒表面生长次生石英；h.北74井，2 906.02 m，黄铁矿晶体

Fig.2 Occurrence of interstitial material concentration in reservoirs of second member of Toutunhe Formation in Fudong slope area, Junggar Basin

图3 准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组二段储集砂岩黏土矿物纵向(阜东081井)及平面分布

3 高分辨层序地层分析

前人对研究区头屯河组高分辨层序地层进行过详细分析[2,6]，给出了旋回特征和旋回界面识别标志(表1)。在识别旋回界面基础上，对区内连井剖面进行旋回对比，将头屯河组划分为1个长期基准面旋回(相当于Vail的Ⅲ级旋回)，3个中期基准面旋回(相当于Vail的Ⅳ级旋回)和10个短期基准面旋回(相当于Vail的Ⅴ级旋回)[2](图4)。

4 微观非均质性与短期基准面旋回的关系

在中长期基准面旋回内研究微观非均质性，已不能满足现阶段油气藏精细勘探开发的需要[13]，短期甚至超短期基准面旋回内对微观非均质性程度的强弱及变化进行探讨，可为后期油气勘探开发重点的选取提供直接帮助[13]。研究区头屯河组包含4个短期旋回，产油层多为SSC4和SSC7上升旋回内砂体[1]。基准面旋回具有不同类型的旋回结构，受控于可容纳空间大小与沉积物供给量之间的关系(A/S比值)[33-34]。根据研究区内各个钻井中头二段的重点短期基准面旋回结构在平面上的分布(图5)，SSC4发育向上变“深”的非对称型和向上变“深”复变浅的对称型旋回结构类型；SSC7发育向上变“深”复变浅的对称型旋回结构类型。因此，讨论SSC4和SSC7短期基准面上升旋回内微观非均质性的变化十分有意义。

表1 准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组高分辨率层序地层格架特征和识别标志[2]

图4 准噶尔盆地阜东斜坡区阜东5井头屯河组高分辨层序地层分析

图5 准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组二段短期旋回结构类型分布

4.1 SSC4短期基准面上升旋回内微观非均质性

4.1.1 向上变“深”的非对称型

此类对称型仅保存上升半旋回的记录(图5a)，由多个冲刷界面和厚层块状水道化砂体构成，形成于A/S≤1的沉积条件下，单一水下分流河道砂体均为自旋回沉积作用的产物[33]。研究区基准面上升旋回内颗粒自下而上的非均质性呈现多个正韵律式变化(参考分选系数变化)(图6a)，其频率与水动力的强弱有关。沉积物源的供给在基准面上升早期过于充足，沉积物产生强烈充填作用，储集砂体分选较差，较粗颗粒间孔隙较大，有利原生孔隙保存。随着水动力的稍微降低，被可容空间截留沉积物的分选有变好的趋势，细粒物质含量增多，储集物性随着颗粒分选相对变好却变差。在冲刷面附近，随着水动力的突然增强，较粗颗粒分选变好、同时细粒物质含量变少，物性相应变好，冲刷面附近颗粒非均质性对微观非均质性影响较大。单一水下分流河道砂体的填隙物非均质性随基准面上升而逐渐变强，这是由于水动力逐渐减弱，泥质含量逐渐增加。另外同一成岩期次内不同类型黏土矿物组合的大量出现，反映研究区物源供给并不唯一[35-38]，认为存在“动态物源”[2]，造成填隙物的非均质性增强。同时，随着基准面的上升，水下分流河道砂体的孔喉分选性和连通性逐渐变差，反映孔喉非均质性表现为向上逐渐增强的趋势。

图6 准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组SSC4和SSC7上升旋回储集层微观非均质性模式

由上述分析可知，向上变“深”的非对称型的上升半旋回，其储集层的微观非均质性表现为向上逐渐增强的趋势，颗粒非均质性和填隙物(主要为杂基)非均质性引起的孔喉非均质性对储集层微观非均质性影响较大。

4.1.2 向上变“深”复变浅的对称型

此类型层序中保存有较完整的基准面上升和下降半旋回沉积记录(图5a)，形成于A/S>1的沉积条件下。研究区该基准面上升旋回内颗粒自下而上的非均质性呈现正反韵律式变化(参考分选系数变化)(图6b)。较高的可容空间在基准面上升初期被砂质颗粒充填，颗粒非均质性在单一河道砂体顶部和底部由于水动力减弱而变强，底部和顶部较细颗粒的堆积不利于原始孔隙的保存；在水动力较强时，较粗粒物质开始沉积，颗粒分选相对要好，非均质性较弱，物性逐渐变好。分选变化趋势和物性变化趋势一致，颗粒非均质性对储集层微观非均质性的影响很大。沉积水动力较强条件下，泥质含量很低；水动力较弱条件下，孔隙间流体减少流动有利于碳酸盐胶结，造成单一河道砂体填隙物的非均质性受沉积水动力的影响呈现顶底弱、中间强的特点。水动力由弱到强再到弱条件下，单一河道砂体最大孔喉半径呈现由小变大再变小的趋势，通过均质系数发现孔喉的分选特征随基准面的变化有由差变好再变差的规律，孔喉非均质性总体表现出顶底强、中间弱的分布特点。

由上述分析可知，向上变“深”复变浅的对称型的上升半旋回，其储集层的微观非均质性表现为顶底强、中间弱的趋势，颗粒非均质性和填隙物(主要为胶结物)非均质性引起的孔喉非均质性对储集层微观非均质性影响较大。

4.2 SSC7短期基准面上升旋回内微观非均质性

SSC7保存有较完整的基准面上升和下降半旋回沉积记录(图5b)，形成于A/S>1的沉积条件下。该基准面上升旋回内颗粒自下而上的非均质性呈现反韵律式变化(参考分选系数变化)(图6c)。可容纳空间的减小速率和沉积物供给速率基本一致，碎屑颗粒搬运距离较短，同时SSC7整体位于中期旋回的基准面下降期，伴随着可容空间减小，沉积强度逐渐增强，颗粒的分选逐渐变差，但粗粒物质逐渐增加有利于储集物性变好，颗粒非均质性对储集层微观非均质性的影响很大。由于水动力强度很大，造成填隙物非均质性较弱，对储集层微观非均质性的影响不大。随着水动力强度的增加，单一河道砂体孔喉逐渐增大、分选逐渐变好，同时孔喉连通性逐渐增强，导致孔喉非均质性出现逐渐减弱的趋势。

由上述分析可知，SSC7的上升半旋回，储集层的微观非均质性表现为逐渐减弱的趋势，颗粒非均质性引起的孔喉非均质性对储集层微观非均质性影响较大。

整体来看，由于距离物源较近，同时成岩作用较弱，短期基准面内A/S变化控制颗粒非均质性，颗粒非均质性引起的孔喉非均质性对于储集层微观非均质性的影响较大。在对SSC4上升旋回内单一储集砂体进行开发时，根据其短期旋回结构的不同，注意顶底附近的微观非均质性变化。在对SSC7上升旋回内单一储集砂体进行开发时，砂体顶部附近的微观非均质性较弱，储集物性相对较好。同时在开发的过程中，应当注意黏土矿物类型所带来的储集层敏感性伤害，主要为水敏和酸敏[23-24]。

5 结论

(1)通过对准东阜东斜坡区头屯河组二段储集砂体内孔喉非均质性、颗粒非均质性和填隙物非均质性的研究，揭示出头二段储集层具有很强的微观非均质性。

(2)在高分辨层序地层格架内，发现重点旋回SSC4和SSC7中储集砂体储集层微观非均质性的强弱与短期基准面的A/S变化改变有很大关系。SSC4不同旋回结构的上升旋回内单一储集砂体微观非均质性不同。SSC7上升旋回内单一储集砂体顶部附近的微观非均质性较弱，便于开发，在开发的过程中应当注意水敏和酸敏伤害。