西湖凹陷低渗储层成因及优质储层主控因素*

张 武 侯国伟 肖晓光 苗 清 何 苗 申雯龙

(中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335)

近年来，随着全球常规油气发现量的下降，各大油气公司开始将目光转移到低孔低渗储层的勘探开发上，以寻找新的油气储量增长点[1-2]。受地域和技术经济条件的影响，低孔低渗储层的划分标准并不统一，是一个相对概念。国内外学者对低孔低渗储层的界限有过许多研究,如前苏联学者将储层渗透率为50～100 mD的油田算作低渗透油田；美国学者将渗透率小于10 mD的储层称为低渗透储层；我国石油行业一般将渗透率为10～50 mD的储层当作低渗储层[3-4]。受益于压裂、水平井和分支井等技术的普及，低渗领域的勘探相继在美国落基山地区的大绿河盆地、丹佛盆地以及我国四川盆地、塔里木盆地库车地区取得了重大突破[5-6]。

近年来西湖凹陷勘探开发实践表明，盆地内普遍发育低孔低渗油气藏，低渗致密气藏资源潜力巨大，约占凹陷内天然气总资源量的80%以上[7]。相比于常规储层，低孔低渗砂岩储层大多经历了更为复杂的埋藏演化过程，成岩改造强烈，孔喉系统复杂，非均质性强，储集性能差，导致优质储层寻找困难，开发成本高[8-9]。针对西湖凹陷低孔低渗砂岩储层埋深大、非均质性强的问题[10]，通过对研究区岩石薄片鉴定、粉末粒度、扫描电镜、激光微区同位素分析等测试手段[11-15]，分析低渗储层的形成机理及相对优质储层的主控因素，旨在为西湖凹陷深层的油气勘探开发提供指导。

1 低渗储层发育特征

1.1 分布特征

西湖凹陷(图1)位于东海盆地，构造上属于浙东坳陷内的三级构造单元。根据新生代的构造格局、沉积特点、断裂发育及油气赋存状态等特征，西湖凹陷由西向东可划为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹和东部断阶带，大致经历了古新世—始新世断陷阶段、渐新世—中新世拗陷阶段和上新世—第四系区域沉降阶段的构造演化过程。从钻井所揭露的地层来看，从下到上依次发育了始新统宝石组和平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组和柳浪组，上新统三潭组以及第四系东海群，其中平湖组和花港组是西湖凹陷的主要勘探层系，也是低渗储层的主要发育层系。

图1 西湖凹陷构造带位置及地层划分Fig .1 Regional tectonic division and stratigraphic column in Xihu sag

从目前钻遇井砂体剖面来看，平湖组低孔低渗储层主要分布在西部斜坡带，埋深普遍在3 500～4 800 m;平湖组沉积时期为盆地断陷阶段晚期，可容空间大，砂体具有纵向薄、分布广泛、横向变化快的特点，砂地比集中范围是30%～50%。花港组低孔低渗储层覆盖整个西湖凹陷，埋深普遍为3 200～4 500 m;花港组沉积时期为盆地拗陷阶段，受北部虎皮礁隆起长轴物源及西部海礁隆起、东部钓鱼岛隆褶带点物源充足供给，主要发育大型辫状河-三角洲沉积体系[16-21]，砂地比50%～80%，砂岩厚度几米到百米不等，横向上连续性好且分布广，低孔低渗储层规模巨大(图2)。

图2 西湖凹陷低孔低渗储层分布特征Fig .2 Distribution characteristics of low porosity and low permeability reservoirs in Xihu sag

1.2 物性特征

参照有关分类标准，西湖凹陷现行标准将渗透率<10 mD的储层作为低渗储层。岩、壁心实测物性统计(图3)表明，西湖凹陷平湖组储层孔隙度分布范围4.3%～23.1%，其中孔隙度<15.0%的占65.0%；渗透率分布范围0.03～542.00 mD，其中渗透率<10 mD的占46%。花港组储层孔隙度分布范围2.7%～24.6%，其中孔隙度<15.0%的占94.3%，渗透率分布范围0.02～850 mD，其中渗透率<10 mD的占90.3%。由此可见，西湖凹陷花港组、平湖组物性分布范围跨度大，低孔低渗储层占主导。

1.3 孔喉特征

通过镜下薄片、扫描电镜观察可知，西湖凹陷储层类型属孔隙型，孔隙构成以次生孔隙为主(约75%)，保存有一定量的原生孔(约25%)，粒间扩大溶孔占次生孔隙比重大，偶见微裂缝(图4)。原生孔隙的发育受深度和粒度的控制明显，一般发育在粒度较粗、深度较浅的层段，内部洁净，观察不到明显的溶蚀痕迹，连通性较好。次生孔隙主要是源于长石和其他铝硅酸盐矿物(包括基性火山岩岩屑中的易溶组分)等骨架颗粒边缘的溶解，形态多具不规则状。

低渗储层孔喉结构复杂，传统的高压压汞技术难以区分孔隙、喉道对储层渗流能力的影响，但利用恒速压汞技术可以区分开，不同物性储层孔隙半径差异不大，而喉道大小直接控制了渗透率大小。西湖凹陷储层孔喉半径主要分布在微米—亚微米级别，渗流能力好的储层主要喉道半径在大于1 μm的微米级。渗透率为9.92 mD的样品，其喉道半径峰值为4.5 μm；而渗透率小于0.5 mD的2个样品，其喉道半径分布都在小于1 μm的亚微米区间内。不同孔隙类型对渗透率贡献差异大，优质高渗带发育主要与溶蚀改造的扩大喉道半径有关(图5)。

图3 西湖凹陷储层物性特征Fig .3 Reservoir quality of Xihu sag

图4 西湖凹陷储层孔隙类型特征Fig .4 Sandstone reservoirs pore types in Xihu sag

图5 西湖凹陷宁波ZY-2气田孔隙、喉道半径分布特征Fig .5 Distribution characteristics of pore throat radius of Ningbo ZY-2 gas field in Xihu sag

2 低渗储层成因

西湖凹陷低孔低渗储层的形成受母岩类型及成岩作用共同控制：一方面，深埋条件下的强上覆压力及中成岩B期大量的胶结作用使物性变差；另一方面，岩浆岩、变质岩为主的母岩使得砂体石英含量高，抗压实较强，深层普遍发育次生溶孔，扩展了低渗储层窗口(图6)。

2.1 破坏性成岩作用

2.1.1压实作用

西湖凹陷储层埋深大都在3 500～5 000 m的范围内(图2)，压实作用是储层物性降低的主要原因。显微镜下观察发现，火山岩、云母、片岩和千枚岩等塑性颗粒在埋藏作用过程中发生塑性变形并定向排列；同时砂岩中碎屑颗粒线接触及线—凹凸接触(图4a)，甚至缝合线接触关系以及泥岩岩屑变为假杂基等现象也显示经历了相对较强的压实作用。

图6 西湖凹陷低孔低渗储层成因模式Fig .6 Low porosity low permeability reservoir formation genetic model of Xihu sag

2.1.2胶结作用

西湖凹陷砂岩中胶结作用广泛发生，常见的胶结物有自生伊利石、高岭石、绿泥石、硅质、自生方解石及白云石等。平湖组和花港组胶结物类型基本一致，总含量平湖组高于花港组，其中碳酸盐胶结物含量占比在50%以上，主要以“钙尖”形式零星分布于储层中；自生石英及自生伊利石、高岭石、绿泥石含量较少。一般来说，储层演化至中成岩B期，孔隙流体性质逐渐由酸性向碱性演变，流体环境逐渐封闭[22]，绒球状绿泥石、发丝状伊利石、含铁方解石及白云石大量生成堵塞孔喉，储层逐渐致密化。

成岩阶段通过控制水-岩反应及黏土转化顺序来影响储层物性，而地温又直接控制成岩阶段演化，特别是控制各类黏土矿物、自生石英等胶结物的富集。西湖凹陷地温场差异是造成盆地不同构造带成岩程度差异的主因，通过对比花港组、平湖组DST实测地层温度数据，可以看出花港组地温梯度约为3.6 ℃/100 m，而西斜坡平湖组地温梯度为3.0 ℃/100 m左右(图7)，因此花港组在埋深4 000 m左右进入强胶结带而储层致密化，西斜坡平湖组在埋深4 600 m左右储层逐渐致密。

图7 西湖凹陷花港组和平湖组地温梯度特征Fig .7 Typical characteristics of geothermal gradient in Huagang and Pinghu Formations of Xihu sag

2.2 建设性成岩作用

西湖凹陷北部虎皮礁隆起主要为晚白垩世火山岩及震旦纪变质岩基底；西部海礁隆起主要为晚侏罗世的火山岩系，以中酸性岩浆岩为主，变质岩为次；东部钓鱼岛隆褶带以晚古生代岩浆岩为主[19-20]。西湖凹陷周边物源区供给持续稳定，以岩浆岩(特别是花岗岩)、变质岩为主的母岩提供了大量的刚性石英颗粒(含量60%～80%)和可溶性长石颗粒(图8)，石英含量较高(平均值>65%)，抗压实性强；同时长石含量15%～20%，属主要的溶蚀矿物，在扫描电镜及铸体薄片下可以观察到砂岩中大量长石被溶蚀形成的次生孔隙(图4)。随着地层埋深加大，成岩作用经历了酸性成岩环境，长石被大量溶蚀形成次生孔隙，西湖凹陷普遍发育有机酸溶蚀形成的次生孔隙发育带，扩展了低渗储层深度窗口，为深层依然保持较好的物性打下了基础。

图8 西湖凹陷储层岩石学三角图Fig .8 Reservoir petrological triangulation in Xihu sag

3 优质储层主控因素

在普遍低孔低渗的储层中寻找相对优质的储层，首先应明确优质储层形成的主控因素。经过近几年的勘探实践，西湖凹陷优质储层受沉积微相、差异溶蚀控制，具体到不同层段也有各自的特点，其中仅花港组发育早期绿泥石环边，而平湖组普遍发育超压。

3.1 有利沉积微相

西湖凹陷平湖组水下分流河道微相及花港组心滩、河床微相是储层发育的有利相带，而优质储层往往集中在“洁粗”砂岩发育部位。粒度大小代表沉积时水动力的强弱，强水动力条件下沉积的含砾砂岩、中粗砂岩等和细粒度砂岩相比，在相同埋深条件下拥有更强的抗压实能力及更好的原始物性，因此，对于西湖凹陷埋深条件下的低孔低渗储层来说，粒度对物性的控制作用尤为明显(图9a)。砂岩洁净程度主要由砂岩中泥质含量决定，而泥质含量主要受物源类型和水动力条件的影响。西湖凹陷储层主要为水道相或心滩相，沉积时水动力强，水流将砂岩颗粒淘洗干净，优质储层泥质杂基含量都不超过5%(图9b)，而泥质含量较高的河道顶部及心滩边缘储层物性差。

3.2 强溶蚀作用

对西湖凹陷多口井进行铸体薄片观察统计，孔隙类型以次生溶蚀孔为主，少量原生孔，次生溶蚀面孔率与物性明显正相关(图10)，差异溶蚀是深层低渗背景下形成优质储层最关键因素。为了探究酸性成岩环境的形成机理，依据薄片、扫描电镜、包裹体等资料对西湖凹陷溶蚀机制进行了系统分析，对储层中的方解石胶结物开展碳、氧同位素测试，结果表明δ13C分布范围为-6‰～-1‰，平均值为-3.5‰，表现为较低负值；δ18O分布范围为-24.1‰～-16‰，平均值为-21.6‰，表现为高负值。利用测定的碳、氧同位素值对方解石胶结物成因进行分析[22]，发现全部数据点落入方解石胶结物成因图版的Ⅲ区内(图11)，表明方解石胶结物的形成均与有机酸脱羧作用有关。因此，研究认为干酪根形成大量有机酸以及有机酸脱羧作用是导致酸性成岩环境出现的主要原因。

图9 西湖凹陷储层粒度、泥质与渗透率关系(据薄片鉴定)Fig .9 Relationship of reservoir granularity-mud and permeability in Xihu sag(according to the slices)

图10 西湖凹陷储层溶蚀面孔率与物性关系Fig .10 Relationship of reservoir dissolving face rate and quality in Xihu sag

图11 西湖凹陷储层碳酸盐胶结物成因Fig .11 Causes of carbonate concrete of Xihu sag reservoir

有机酸的形成与地层成岩演化息息相关，随着埋深加大，地温大于80 ℃时有机质开始成熟(Ro>0.4%)，有机酸开始大量生成[23]，平湖组的“三明治”式生储组合更易发生就近侵入，长石等溶蚀普遍发育，高岭石随处可见；而花港组整体砂多泥少，泥岩以非烃源岩为主，自生供酸能力弱，需要有效的有机酸输导体系沟通下部平湖组烃源岩，强溶蚀发育条件较平湖组更为严苛。因此，有机酸溶蚀供给差异控制了次生孔隙的发育程度，强溶蚀作用是西湖凹陷深层发育优质储层的关键。

3.3 发育早期环边绿泥石

通过对西湖凹陷大量薄片及扫描电镜观察，环边状绿泥石通常呈等厚状垂直于颗粒表面生长，颗粒接触多为点—线接触(图4c)，由此也可证明绿泥石环边发育在压实作用较弱的成岩作用早期，绿泥石环绕颗粒生长，在其与颗粒之间并未见更早期的胶结物。而绿泥石环边不发育的储层，最早的胶结物为石英次生加大，因此绿泥石环边发育在石英次生加大之前。由于绿泥石形成时间早，并在颗粒表面形成一层“保护膜”，能够通过阻止后期富含二氧化硅的孔隙流体在碎屑石英颗粒表面成核，进而抑制共轴再生胶结物形成。随着埋深加大，具有一定厚度的环边绿泥石还可以起到支撑作用，有效缓解成岩压实对储层的破坏，同时有效阻隔了石英颗粒之间的直接接触，极好地抑制了成岩后期压溶作用的发生[24]。受绿泥石环边保护的储层可保存一定的原生孔，这些原生孔渗透性好，可作为酸性流体的渗流通道，使得砂岩在保存了原生孔的基础上发育了大量粒间溶蚀扩大孔。

西湖凹陷黏土矿物X衍射分析结果显示，绿泥石含量与物性呈明显的正相关(图12)。中央反转构造带中北部花港组储层中广泛发育绿泥石，而在平湖组中绿泥石少见，究其原因，平湖组煤系地层赋存在泥质岩中的有机质在成岩早期可迅速腐烂分解，形成大量腐植酸，地层流体介质为酸性，抑制了早期碱性矿物绿泥石的发育，而花港组地层成岩早期长期处于碱性环境中，形成的绿泥石环边是中北部花港组三段、四段形成优质储层的重要成岩因素。

图12 西湖凹陷ZY-1井绿泥石含量与物性关系Fig .12 Relationship of chlorite content and reservoir quality of Well ZY-1 in Xihu sag

3.4 发育超压

研究认为西湖凹陷异常高压主要由生烃增压造成，平湖组作为烃源岩层目前钻探至3 800～4 800 m深层时普遍发现异常高压，压力系数在1.2～1.6，而花港组超压少见。超压能有效地保护原生孔隙，有利于形成次生孔隙和裂缝，从而明显改善储层物性。图13为西湖凹陷平北地区XP-7井孔隙流体压力系数-深度-物性变化趋势图，随着深度的增加，孔隙度呈降低趋势，但随着压力系数的增加，到了某一深度，孔隙度均存在增大趋势，该物性变化的拐点和压力系数增大的趋势一致，和流体孔隙压力有着非常好的对应关系。因此，西湖凹陷深层储层进入超压后，随着埋深加大，孔隙度和渗透率减小趋势明显变缓，异常高压为深层—超深层存在优质储层提供了可能。

图13 西湖凹陷平北地区XP-7井压力系数-深度-物性变化趋势图Fig .13 Variation tendency of Well XP-7 pressure parameter-depth-porosity in Pingbei area， Xihu sag

综上所述，西湖凹陷不同层位优质储层受单一或多因素控制。平湖组作为煤系地层，溶蚀作用普遍强烈，加之生烃超压保护孔隙，因而水下分流河道核部中—粗砂岩是优质储层发育有利部位；花港组辫状河道发育巨厚砂体，成岩早期长期处于碱性环境中，广泛发育的“环边绿泥石”抑制胶结的同时利于后期有机酸的溶蚀，叠合有效的油源断层等有机酸疏导体系，是优质储层集中发育的部位。

4 结论

1) 西湖凹陷低孔低渗储层厚度大、分布广，埋深普遍在3 500～4 800 m，次生溶孔占总孔隙的75%以上，低渗储层喉道半径峰值在1～5 μm，喉道半径与渗透率对应关系好。

2) 周缘隆起母岩提供了大量的刚性石英颗粒和可溶性长石颗粒，奠定了西湖凹陷深层依然发育优质储层的物质基础，深埋条件及成岩胶结作用是储层致密化的主因，地温及成岩环境的差异控制了平湖组和花港组储层孔隙的差异演化，进而控制了低渗储层纵向分布窗口。

3) 西湖凹陷优质储层受沉积微相及差异溶蚀控制，不同层段也有各自的特点，其中花港组发育早期绿泥石环边保护原生孔，且抑制后期胶结；而平湖组深层普遍发育超压保孔，多因素共同控制了深层优质储层的形成。