西湖凹陷低渗-致密砂岩气藏储层特征及差异成因*

2019-07-09黄导武段冬平刘彬彬刘英辉

中国海上油气 2019年3期

黄导武段冬平刘彬彬刘英辉黄鑫

(中海石油(中国)有限公司上海分公司上海 200335)

近年来，低渗-致密砂岩气藏已成为全球非常规天然气勘探开发的重要领域之一。目前，北美地区致密砂岩气藏的研究和开发程度较高，自2008年进行规模开发以来，其产量持续保持在1 200×108m3左右，而我国致密砂岩气藏在鄂尔多斯和四川盆地也已经实现规模开发[1-2]。近年来在东海陆架盆地西湖凹陷中央反转构造带中北部发现了多个大型低渗-致密砂岩气田，储层为多套单层厚逾百米的大型辫状河沉积体[3]，物性表现为常规-低渗-致密复合的强非均质性特征。受制于较高的环境、技术和经济成本，更为详实可靠的储层研究和评价是海上低渗-致密砂岩气田经济有效开发的前提。

近年来，低渗-致密砂岩气储层的地质特征、微观孔喉结构特征及其成因是研究的热点[4-7]。西湖凹陷储层物性控制因素分析表明，沉积环境、压实作用、黏土矿物类型及含量、溶蚀作用、异常压力和深部热液等因素是影响储层物性的主要因素[8-10]，但不同研究区主控因素差异明显，储层物性主要受沉积作用控制，成岩作用增加了储层物性的不均一性[11]。本文以西湖凹陷某气田花港组低渗-致密砂岩储层为例，利用137 m连续取心的岩心分析化验资料，分析不同岩相的发育概率及其控制的物性分布区间，系统研究沉积微相、岩石结构、成岩作用、黏土矿物演化与储层物性之间的内在联系，评价强非均质储层内部“甜点”的宏微观特征并总结其成因差异，落实“甜点”储层发育的主控因素。

1 研究区概况

西湖凹陷位于东海陆架盆地东部坳陷带的中部，是目前东海地区已发现油气规模最大的凹陷，面积为5.18×104km2；总体呈北东方向，自西向东可划分为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹及东部断阶带等5个构造单元(图1)。西湖凹陷新生代主要经历了基隆运动、瓯江运动、玉泉运动、龙井运动和冲绳海槽运动，新生界发育齐全，其中渐新统花港组是勘探的主要目的层(图1)[12]，为北东向南西方向发育的辫状河-三角洲-湖泊沉积体系位[3]。

图1 西湖凹陷地层概况、构造演化与构造单元划分Fig .1 Strata,tectonic evolution and tectonic unit division in the Xihu sag

研究区位于西湖凹陷中央反转构造带中北部，为一个宽缓长轴背斜，目的层花港组为辫状河沉积，根据内部特征差异可分为花上段和花下段，花上段H3砂组砂岩厚度超百米，是本次研究的目标层位。

2 储层物性特征

目的层丰富的岩心资料，为系统分析储层物性特征奠定了扎实的数据基础。

2.1 岩石学特征

H3层主要岩石类型为长石岩屑质石英砂岩，少量长石质岩屑砂岩和岩屑砂岩。岩石的成分成熟度较好，石英含量平均 63.4%～65.1%，长石含量平均16%左右，岩屑含量平均18.3%～20.2%。结构成熟度中等，颗粒磨圆以次棱—次圆状为主，分选中等—好或好，接触类型以点—线接触为主，少量凹凸—线接触以及线—点接触，胶结类型以接触—压嵌式胶结为主。

2.2 孔隙类型

根据铸体薄片鉴定、图像分析和扫描电镜资料分析，H3层砂岩孔隙发育分布不均匀，最高面孔率可达20.4%，最低面孔率仅0.3%。孔隙类型以次生溶蚀孔隙为主，溶蚀矿物以岩屑和长石溶蚀为主，少量原生粒间孔；次生溶孔中粒间溶孔占比例最高，平均达49.2%，其次是铸模孔、粒内溶孔。此外，可见少量晶间孔及杂基黏土中的微孔，其体积小、对物性贡献低(图2)。原生孔与溶蚀孔呈正相关关系，即原生孔越发育溶蚀孔就越发育，说明溶蚀作用受控于沉积作用，较好的原生孔既利于有机酸的进入，又利于溶蚀产物的带出，促进溶蚀孔的发育。

图2 西湖凹陷花港组H3层典型孔隙特征Fig .2 Typical pore characteristics in H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

2.3 岩心孔隙度与渗透率

根据1 300余块岩心、壁心物性分析实验发现，H3层储层非均质性较强，在整体低渗-致密的背景下，局部发育“甜点”储层。利用氦气法测量的孔隙度以5%～15%为主，占比达到89%，属低孔—特低孔储层，孔隙度大于15%的中高孔储层占比仅为3%(图3a)。同时渗透率差异表现的更大，致密储层占比42%，低渗储层占比34%，低渗-致密储层占比较高的背景下，中高渗的“甜点”储层占比达到24%(图3b)。面对这样的厚层非均质储层，厘清其非均质性的成因、寻找“甜点”储层至关重要。

图3 西湖凹陷花港组H3层岩心物性分析Fig .3 Core physical property analysis in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

3 沉积微相划分及差异分析

3.1 沉积微相类型划分

研究区花港组目的层为辫状河沉积，砂体厚度大于100 m，砂体内部切叠严重，利用岩心在辫状河沉积体系里识别出十余种岩相(图4)；依据不同岩相的纵向组合关系共识别出5种微相类型，分别是砾质辫状水道、粗粒心滩、细粒心滩、废弃辫状水道和堤岸及河漫滩沉积。受水动力条件影响，不同微相具有其独特的岩相组合类型，对非取心井利用成像测井资料完成了微相的划分，并统计了不同类型微相的发育概率(表1)。

图4 西湖凹陷花港组H3层微相类型及岩相组合图Fig .4 Microfacies and lithofacies combination in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

表1 西湖凹陷花港组H3层各类微相发育厚度统计表Table 1 Thickness statistics of various microfacies in H3 layer,Huagang Formation in Xihu sag

1) 砾质辫状水道。

砾质辫状水道发育概率为18%，单层厚度介于1.10～3.64 m，主要以河道底部滞留沉积为主，当水动力足够强时，水流将底部泥岩完全冲走，此时发育块状构造砂砾岩相，往上发育平行层理中砂岩相；当水动力强度不足，底部泥岩受水流搅动后发生原地或近距离沉积，此时底部发育块状构造含泥砾砂岩相，往上沉积块状构造中细砂岩相。

2) 粗粒心滩。

粗粒心滩发育概率为56%，单层厚度介于2.08～11.28 m，多是在强水动力条件下发育的，底部发育块状构造含砾砂岩相，往上水动力变弱，发育块状构造中砂岩相，块状构造及平行层理中细砂岩相等。

3) 细粒心滩。

细粒心滩发育概率为18%，单层厚度变化较大，介于2.28～18.84 m，多是在洪水期过后，在前一期心滩基础上发育的继承性心滩，底部少见砾石层，主要发育平行层理细砂岩相，往上随着水流变弱，发育交错层理、块状构造粉细砂岩，最后发育波状层理粉细砂岩。

4) 废弃辫状水道。

辫状河沉积相中废弃水道较少发育，占比仅为3%，连续取心段仅发育一层，厚度为4.24 m，极易被下一期辫状水道冲刷而难以保存，研究区发育的废弃水道为典型正旋回，底部发育平行层理中细砂岩相，往上变为平行、波状粉细砂岩相，最上面为粉砂质泥岩相。

5) 堤岸及河漫滩。

主要以块状构造泥岩相与块状构造粉砂相互层，或是单独发育块状泥岩相。

3.2 不同沉积微相黏土矿物差异分析

研究区处于中成岩阶段A期[13]。压实作用是造成孔隙度下降的最重要因素[14]，在同一层内压实作用的差异主要受沉积相带控制，因此不再赘述，则黏土矿物胶结成为影响“甜点”储层发育的主要成岩因素。

H3层粉砂级以上岩性黏土矿物含量为1.6%～14.3%，平均值6.5%，据X衍射实验可知，不同微相的黏土矿物差异显著，砾质辫状水道及粗粒心滩微相以绿泥石为主，相对含量40%～80%；伊利石及伊蒙混层含量较低，两者之和10%～50%。而其他3类微相黏土矿物与之相反，绿泥石含量低，以伊利石及伊蒙混层为主。

从绿泥石相对含量与孔隙度、渗透率的交会图可以看出，两者呈较好的正相关关系(图5a)。绿泥石在目的层主要呈孔隙衬里形态发育(图6a)，可有效抑制硅质胶结的发生，增加抗压性，保护原生孔隙并促进次生孔隙发育。虽然有不同学者对绿泥石在本区的作用有所质疑，认为粗粒岩性是更为重要的因素[15-16]，但笔者认为二者是相辅相成的关系，粗粒相带在早期有利于孔隙衬里绿泥石的生成，在二者的共同作用下，更好地保护了原生孔并促进溶蚀孔的发育。

伊利石在目的层主要呈3种赋存状态，丝缕状、搭桥状伊利石广泛分布于粒间孔隙中(图6d)；长石溶蚀直接形成的伊利石发育于长石溶蚀孔中，由于长石的溶蚀常沿解理进行，因此该类伊利石的分布也常沿长石解理呈网格状分布(图6e)；颗粒包膜式伊利石垂直碎屑颗粒发育，这种伊利石常隐约可见蒙脱石的蜂窝状结构，可能主要由蒙脱石伊利石石化形成(图6f)。伊利石和伊蒙混层与孔渗呈负相关关系，丝缕状、搭桥状伊利石和网状伊蒙混层堵塞原生孔及溶蚀孔，导致物性大幅下降(图5b)。

伊利石含量与绿泥石含量呈现明显的负相关，在绿泥石发育的地方伊利石不发育，这是因为两者的形成环境不同。开放式流体场，流体流通通畅，溶蚀产物可顺利迁移，有利于绿泥石的保存与形成；封闭-半封闭流体场，流体流通不畅，溶蚀作用产物迁移受阻，K+的迁移受阻极易形成伊利石。

图5 西湖凹陷花港组H3层不同微相黏土矿物相对含量与渗透率关系图Fig .5 Correlation between content and physical properties of clay minerals in different microfacies，H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

图6 西湖凹陷花港组H3层黏土矿物赋存状态Fig .6 Existent state of clay minerals in H3 layer, Huagang Formation in Xihu sag

4 储层质量差异成因

由于不同微相沉积水动力条件的不同，所形成砂体的厚度、规模、粒度、分选等方面具有明显差异，从而导致不同微相具备不同的原始储集性能，也导致后期成岩作用的差异，尤其是黏土矿物的分布及其孔喉特征的差异，统计了不同微相孔隙度、渗透率、黏土矿物、孔喉特征等(图7、表2)。

在早期快速深埋的强压实作用下，储层物性大幅下降，受沉积微相控制，形成了开放—半封闭—封闭的成岩流体系统，造成溶蚀作用及黏土矿物胶结作用的差异，从而导致“甜点”发育及差异化致密。

粗粒相带主要为砾质辫状水道及粗粒心滩微相，抗压实作用强，易形成开放式成岩环境，流体流通通畅，溶蚀产物可顺利迁移，有利于绿泥石的保存和形成，从而抑制压实作用和胶结作用，在粗粒相带易形成“甜点”。砾质辫状水道微相，粗粒沉积物的快速堆积造成分选较差，喉道大小不均，平均喉道半径为0.13～9.06 μm，孔隙度平均7.5%，渗透率平均8.29 mD，黏土总量8%，以绿泥石为主(表2)；粗粒心滩微相，孔渗关系好，物性最好，孔隙度平均10.7%，渗透率平均18.66 mD，黏土总量最低(平均6%)，绿泥石含量最高(平均55%)，绿泥石/伊利石孔比值最高(平均3.2)，孔喉结构最好，平均喉道半径最大(平均3.34 μm),是最佳的“甜点”发育相带。

细粒相带主要包括细粒心滩及废弃辫状水道相，多为封闭-半封闭成岩环境，流体流通不畅，溶蚀产物(尤其是钾离子)排出不通畅，极易在原地形成搭桥状-丝缕状伊利石，同时长石、岩屑的被溶蚀形成次生孔隙的过程将受到抑制[17-18]，最终造成储层进一步致密化。岩心分析结果表明，细粒相带的孔隙度平均7%～8%，渗透率多小于1 mD，以致密储层为主；与粗粒相带相比，黏土总量明显增加(平均14%)，绿泥石含量减小(平均37%)，伊利石加伊蒙混层含量增大(平均55%)；孔喉结构变差，平均喉道半径减小(平均0.32 μm)，排驱压力增大(平均1.31 MPa)。

图7 西湖凹陷花港组H3层不同微相的储层特征差异Fig .7 Differences of reservoir characteristics in various microfacies in H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

表2 西湖凹陷花港组H3层各类微相储层特征统计表Table 2 Statistics of reservoir characteristics in various microfacies in H3 layer of Huagang Formation in Xihu sag

堤岸及河漫滩微相以块状泥岩与粉砂岩互层为主，不作为有效储层。

5 “甜点”分布预测及应用

综上所述，粗粒心滩为研究区“甜点”发育最有利的沉积相带，其次为砾质辫状水道。根据137 m连续取心资料，进行了取心段沉积微相划分，识别出“甜点”发育段。并根据取心段总结的“甜点”储层的测井特征，结合成像测井含砾段识别，进行了“甜点”储层的单井预测(图8)。通过岩石物理实验，明确了粗粒心滩型“甜点”的敏感弹性参数为纵波模量，运用基于叠前地震弹性阻抗反演的“甜点”敏感弹性参数反演方法，实现了研究区粗粒心滩型“甜点”分布预测(图9)。粗粒心滩型“甜点”广泛发育于辫状水道中，在研究区东部与南部发育，在X-4井附近及西南部局部区域发育较差。本研究成果为整体低渗-致密背景下的“甜点”储层预测提供可靠地质支持，为研究区井位优化及厚层非均质气藏有效开发提供有力支撑。