渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段红层有利储层成因机制

孟 涛

(中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015)

“红层”是指在陆相沉积环境中形成的偏红色调的碎屑沉积[1-2]，红层作为断陷盆地早期充填的碎屑岩，有利储层分布规律复杂[3-7]。济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段广泛分布一套红层沉积，由于埋藏深、钻探成本高，一直未引起足够重视。随着近年来中浅层勘探程度的逐步提高[8-9]，中浅层优质储量发现难度增大，红层作为接替层系逐渐成为勘探重点[10]。近几年的勘探实践表明，济阳坳陷沙四下亚段红层中蕴藏着丰富的油气资源，特别是渤南洼陷L68井区获得高产工业油流后，推动了整个济阳坳陷红层的勘探开发进程。但随着后续钻探的跟进，钻遇红层的大部分探井都难以获得工业油流，造成探井失利的关键因素之一便是有利储层发育规律认识不清。由于红层储层经历了较长时期的沉积和成岩改造作用，原生孔隙保留机制、次生孔隙演化规律等不清，致使缺乏红层有利储层分布规律的系统认识，制约了红层的勘探。本文以渤南洼陷沙四下亚段红层为研究对象，从储层特征分析入手，开展红层储集空间演化规律研究，指出有利储层成因类型并预测有利储层分布，以期为该区红层油气勘探指明方向。

1 区域地质概况

渤南洼陷位于济阳坳陷东北部，是沾化凹陷面积最大的次级洼陷，具有北断南超、东西双断的特点[8]；北以埕南断层与埕东凸起相隔，西以义东断层与义和庄凸起相连，西南、东南与邵家洼陷和三合村洼陷相邻，向南以缓坡过渡到陈家庄凸起，面积约800 km2(图1)。渤南洼陷自下而上主要发育古生界、中生界、新生界。新生界发育齐全，分布广泛，是油气勘探的主力层系，自下而上包括古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组。研究层段沙四下亚段隶属于沙河街组四段，为二级层序的高位域沉积(图2)，与沙四上亚段之间为不整合接触，总体上属于干旱气候条件下的氧化到半氧化—半还原沉积环境。沙四下亚段泥岩主要为红色，受剥蚀区母岩性质影响，由洼陷边缘到洼陷依次发育灰色砂砾岩、中—细砂岩、粉砂岩夹杂红色砂质泥岩、泥岩等；砂砾岩单层厚度一般3～10m，以细砾岩为主，砂岩主要分布在斜坡带和洼陷带，单层厚度1～5 m[8]。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷区域位置

2 红层储层特征

2.1 沉积特征

渤南洼陷沙四下亚段沉积期，南部的陈家庄凸起、北部的埕东凸起、东部的孤岛凸起皆为洼陷提供物源，西部的义和庄凸起输入物源相对较少[10-13]。沉积期古气候干热[14]，只在北部洼陷带发育小范围湖盆，其余地区均为水上暴露环境。研究区南部在陈家庄凸起物源区影响下，主要形成冲积扇—辫状河道—辫状河三角洲及湖泊沉积体系；东部、西部及北部分别在孤岛凸起、义和庄凸起及埕东凸起物源区控制下，形成扇三角洲—湖泊沉积体系(图2)。

2.2 储层岩石学特征

岩心观察和薄片鉴定结果表明，渤南洼陷沙四下亚段储层岩性主要为中细砂岩，盆缘有砂砾岩发育。砂岩类型以岩屑长石砂岩为主，次为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩。随着距物源区距离增加，在经历了较长距离搬运后，沉积物成分成熟度逐渐升高。近物源的冲积扇、扇三角洲以岩屑砂岩为主，石英体积分数一般小于50%，长石体积分数小于20%，而岩屑体积分数普遍大于50%；远物源的辫状河沉积则以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，石英、长石体积分数分别为40%～60%和20%～50%，岩屑体积分数普遍小于50%；距物源最远的辫状河三角洲则以岩屑长石砂岩为主，石英体积分数为40%～60%，长石体积分数普遍在50%左右，岩屑体积分数小于50%(图3)。总体上，渤南洼陷沙四下亚段不同沉积相类型的成分成熟度差异较大，辫状河三角洲成分成熟度最好，辫状河沉积次之，冲积扇和扇三角洲沉积最差。

图2 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段沉积相与综合柱状图

2.3 储集空间类型及物性特征

岩石铸体薄片观察表明，渤南洼陷沙四下亚段储层储集空间主要包括残留原生孔隙、次生溶蚀孔隙及少量裂缝。原生孔隙主要为刚性颗粒支撑下的残留粒间孔隙(图4a，b)，还存在石英次生加大边后的残余孔隙(图4c,d)以及绿泥石环边胶结后的残余孔隙(图4e)；次生孔隙主要由酸性流体溶蚀碳酸盐岩胶结物、长石、岩屑形成的粒间和粒内溶蚀孔隙(图4f-i)；此外还有少量的粒缘缝和破裂缝存在(图4f,j)。研究区冲积扇成因储集体是原生孔隙最为发育的储集类型，平均孔隙度和渗透率分别为11.81%和9.54×10-3μm2；辫状河成因储集体主要以次生孔隙为主，存在部分原生孔隙，平均孔隙度和渗透率分别为8.16%和7.21×10-3μm2；辫状河三角洲成因储集体则以次生孔隙为主，平均孔隙度和渗透率分别为7.94%和2.26×10-3μm2；扇三角洲成因储集体整体较为致密，存在少量次生孔隙，平均孔隙度和渗透率分别为3.55%和0.18×10-3μm2(表1)。总体上，渤南洼陷沙四下亚段储层孔隙度主要介于5%～10%，此外存在较多10%～15%样品点(图5a)，渗透率主要介于(0.1～5)×10-3μm2，存在部分渗透率大于5×10-3μm2的样品点(图5b)；储层较为致密，属特低孔特低渗储层，也存在部分低孔低渗储层。

图3 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段砂岩储层分类三角图

综上所述，研究区储层物性较好的3种沉积相类型分别为冲积扇、辫状河及辫状河三角洲。冲积扇储集体位于南部洼陷边缘，埋深较浅，储集空间主要为原生孔隙；辫状河及辫状河三角洲储集体主要位于缓坡带和洼陷带，埋深中等至偏深，原生孔隙在压实作用下衰减较快，储集空间以次生孔隙为主(图6)。北部陡坡带发育的扇三角洲属于近源沉积，成分成熟度低且埋深较大，储集空间以次生孔隙为主，总体物性偏差(图6)。

图4 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段红层储集空间类型及成岩现象

a.原生孔隙发育，孔隙空间被黑色有机质充填，义193，2 941.41 m，单偏光；b.颗粒之间残留原生孔隙，孔隙被黑色有机质充填，罗10，2 438.21 m，单偏光；c.石英(Q)次生加大发育，加大边充填一部分粒间孔隙，残留粒间孔隙被黑色有机质充填，义193，2 941.49 m，单偏光；d.石英(Q)次生加大明显，残留粒间孔隙被黑色有机质充填，义193，2 942.61 m，单偏光；e.颗粒边缘存在绿泥石胶结，胶结物占据一部分孔隙空间，残留一部分粒间孔隙，孔隙被黑色有机质充填，义160井，3 080.65 m，单偏光；f.岩屑溶蚀形成粒内孔隙、红色方解石胶结物(Cc)溶蚀形成粒间孔隙、颗粒边缘存在粒缘缝，罗358，2 779.61 m，单偏光；g.红色方解石胶结物(Cc)溶蚀形成晶间孔隙、岩屑溶蚀形成粒内孔隙，新义深9，3 792 m，单偏光；h.长石(F)溶蚀形成粒间、粒内孔隙，罗斜153，3 856 m，单偏光；i.长石、岩屑溶蚀形成粒间孔隙，罗斜153，3 853.8 m，单偏光；j.破裂缝发育，新义深9，3 795.97 m，单偏光；k.红色方解石胶结物(Cc)充填粒间孔隙，义130，2 333.76 m，单偏光；l.红色方解石胶结物(Cc)充填粒间孔隙和粒内孔隙，新渤深1，3 753.87 m，单偏光；m.长石溶蚀后形成铸模孔，后被红色方解石胶结物(Cc)充填，残留部分粒间孔隙(蓝色铸体)，罗斜153，3 855.3 m，单偏光；n.长石溶蚀形成铸模孔，后被红色方解石胶结物(Cc)充填，岩屑溶蚀形成粒内孔隙，孔隙被黑色有机质充填，义292，4 639.24 m，单偏光；o.石英次生(Q)加大明显，加大部分占据孔隙空间，罗斜153，3 855.3 m，单偏光；p.长石、岩屑溶蚀后形成粒内孔隙，后被紫色铁方解石胶结物(Ank)充填，颗粒致密，呈凹凸接触，义292，4 639.24 m，单偏光

Fig.4 Pore types and diagenesis of red beds in lower Es4submember in Bonan Subsag, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

表1 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段不同沉积相类型物性数据

3 红层储层成岩作用及储集空间演化

3.1 成岩阶段及成岩流体

渤南洼陷红层现今埋深较大，沉积时期较长，普遍经历了长时间的成岩作用[15-19]；据黏土矿物伊蒙混层中蒙皂石含量可知，研究层段目前主要处于中成岩B期，少部分处于中成岩A期(图6)。

薄片、扫描电镜等分析发现，研究区主要存在机械压实、碱性胶结和酸性溶蚀等成岩作用。一般而言压实作用属于物理成岩作用，其强弱一方面在于埋深大小，另一方面在于矿物自身的抗压实能力，本质上由岩石矿物的刚性颗粒成分和结构决定。对于碱性胶结和酸性溶蚀此类化学成岩作用，其强弱主要取决于成岩流体的性质和强弱。目前普遍认识到红层储集体在早期主要受碱性流体改造，中后期主要受酸性流体影响，晚期又演变为碱性流体环境[3-4,8]。早期碱性流体主要来自于红层较为干旱的沉积环境衍生的碱性同沉积水体，以及来自于沙四上亚段膏盐岩体系中石膏向硬石膏转化过程中排出的碱性流体，碱性流体发育是碳酸盐岩胶结物产生的根源。中期酸性流体认为主要来自于烃源岩生排烃过程中伴生的有机酸，而渤南洼陷尚未发现沙四下亚段及其下伏孔店组的有效烃源岩，沙四下亚段红层中已发现的油气经油源对比表明均来自于沙四上亚段烃源岩，表明沙四上、下亚段之间应存在较为顺畅的流体交换现象，因此沙四下亚段红层中发生酸性溶蚀的有机酸应主要来自于沙四上亚段烃源岩。晚期碱性流体环境的形成是由于有机酸随埋深增大、地温升高而逐渐分解[3-4,8]，在黏土矿物转化过程中产生的碱性流体作用下，地层水又逐渐转变为弱碱性地层流体。

图5 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段储层物性分布直方图

图6 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段储层物性与成岩作用特征

3.2 红层储集空间演化

3.2.1 早期碱性流体胶结阶段

沙四下亚段红层在沉积之后首先经历了碱性流体作用阶段，这一阶段以机械压实和碱性胶结作用为特征，压实和胶结减孔主导储集空间演化。当埋深2 000 m时压实率大于0.5的样品所占比例接近50%(图6)，压实作用较为强烈，同时受同沉积碱性水体影响，胶结率大于0.5的样品所占比例接近40%；随着埋深增大，上覆沙四上亚段膏盐岩脱水产生的大量碱性流体波及至此，发生了更为强烈的碱性胶结作用(图4f，k，l)；埋深2 000～3 000 m处胶结率大于0.5的样品所占比例逐渐升高(图6)，大量胶结物充填原生孔隙，一定程度上抑制了压实作用发生，因此该深度段压实率大于0.5的样品所占比例呈逐渐降低趋势(图6)。

总体上，这一阶段属于碱性流体主导、以压实减孔和胶结减孔为主的储集空间递减阶段，研究区各类型储集体都经历了碱性流体作用阶段，这一阶段之后红层储集体中矿物颗粒呈点—线接触(图7)，储集空间还是以原生粒间孔隙为主。目前，正经历这一阶段的红层储层主要集中在埋深浅于3 000 m的洼陷边缘带，所对应的沉积相类型主要为冲积扇(图2，6)。

3.2.2 中期酸性流体溶蚀阶段

随着红层储层埋深逐渐增大，其上覆沙四上亚段烃源岩逐渐到达生烃门限并开始生排烃，烃源岩生烃演化过程中产生的有机酸在异常高压驱动下，通过断裂与沙四下亚段侧向对接并进入红层储层中，造成红层储层成岩环境由弱碱性向弱酸性过渡，产生酸性溶蚀作用[9]；随着埋深进一步增大，上覆沙四上亚段烃源岩开始大规模生排烃，所产生的有机酸大量注入沙四下亚段红层储层中，成岩环境演化为酸性[18]。研究区红层储层在埋深超过3 000 m可见明显的酸性溶蚀作用，并随着深度的增加酸性溶蚀作用逐渐增强，埋深3 000～4 500 m储层溶蚀率大于0.5的样品所占比例逐步升高，同时胶结率降低(图6)；酸性溶蚀下长石和岩屑的溶蚀作用明显，次生溶蚀孔隙大量发育，形成次生孔隙带；次生孔隙的发育给机械压实作用提供了可压实的空间，因此压实率有升高趋势(图6)。

图7 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段红层成岩模式与孔隙演化关系

总体上，这一阶段属于酸性流体主导、以溶蚀增孔和压实减孔为主的储集空间保持阶段，经历这一阶段后红层储集体原生孔隙减少，粒间、粒内溶蚀孔隙增多(图4m，n)，石英次生加大明显(图4o)，颗粒呈线乃至凹凸接触(图7)。目前，正经历这一阶段的红层储层主要集中在埋深3 000～4 500m的南部斜坡带、北部洼陷带和陡坡带，对应的沉积相类型为辫状河、辫状河三角洲以及扇三角洲。但扇三角洲储集体成分和结构成熟度都较差，经历了早期碱性流体作用阶段后，在胶结和压实双重减孔机制下，原生孔隙所剩无几，储层内部缺少可沟通有机酸的通道，同时扇三角洲主要位于洼陷边缘，距沙四上亚段生烃中心相对较远，本身受有机酸的波及也较弱，造成扇三角洲虽经历了酸性流体波及，但形成的次生孔隙甚少，储层致密。因此，中期酸性流体溶蚀主要作用于辫状河及辫状河三角洲储集体，形成次生孔隙发育带(图6)。

3.2.3 晚期碱性流体胶结阶段

随着埋深增大、地温升高，有机酸逐渐被分解，酸性流体消耗殆尽，地层水又转变为弱碱性。这一阶段岩石逐渐达到压实极限，压实减孔主导储集空间演化，同时在晚期弱碱性流体环境影响下铁方解石胶结物出现并充填储集空间(图4p)，储集空间逐渐被压实、胶结殆尽。总体上这一阶段红层储层已非常致密，矿物颗粒在强烈的压实作用下发育部分破裂缝，岩石基本到达不可再压实程度[20-21]，颗粒呈缝合线接触，存在少量铁质碳酸盐岩胶结物(图7)。

4 红层有利储层分布预测

红层储层成岩演化规律研究表明，研究区存在3 000 m以浅原生孔隙发育的冲积扇成因储集体及3 000 m以深次生孔隙发育的辫状河、辫状河三角洲成因储集体2种有利储层类型。

4.1 原生孔隙发育的有利储层分布

对于原生孔隙发育的冲积扇成因储集体而言，其不同亚相之间的颗粒成分和结构成熟度存在一定差异，决定着抗压实能力的差异及原生孔隙的保存程度。一般而言，扇根亚相沉积物成分和结构成熟度最差，抗压实能力最低；扇端亚相在经历较长搬运距离后，沉积物成分和结构成熟度相对较好，抗压实能力相对较强；扇中亚相介于扇根与扇端之间，不同亚相沉积物抗压实能力存在差异，最终造成不同亚相储层物性也具有一定差异。渤南洼陷沙四下亚段冲积扇扇根、扇中、扇端平均孔隙度分别为9.35%、12.71%和17.01%，因此冲积扇储集体中原生孔隙保留程度较高的有利亚相类型主要为扇端。原生孔隙发育的有利储层类型主要位于南部盆缘，由陈家庄凸起物源区提供物源形成的冲积扇前端，呈裙带状展布(图8)。

4.2 次生孔隙发育的有利储层分布

研究区辫状河、辫状河三角洲成因储集体中次生孔隙的发育得益于上覆沙四上亚段烃源岩所生成有机酸的溶蚀，沙四上亚段的有机酸在洼陷中部异常高压的驱动下，通过断裂输导或直接对接沙四下亚段而进入到红层储层中。沙四上亚段烃源岩集中在洼陷中心部位，故沙四下亚段受有机酸强烈溶蚀发育次生孔隙的井也集中于洼陷中心部位(图8)，这一区域正为辫状河和辫状河三角洲储集体发育区(图2)；而洼陷边缘的冲积扇和扇三角洲远离沙四上亚段烃源岩发育区和上覆地层异常高压中心，加之缺少断裂输导而没有受到有机酸影响，为正常压实区[22-26]。因此，处于洼陷中心受有机酸波及强烈、上覆地层发育异常高压及具有可沟通有机酸的断裂，是决定红层储层次生孔隙发育的关键要素。

图8 渤海湾盆地济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段有利储层分布

综合洼陷带区域展布、沙四上亚段压力系数1.2等值线、沙四下亚段断裂及辫状河、辫状河三角洲储集体分布，研究区次生孔隙发育的有利储层主要位于洼陷带的辫状河道和辫状河三角洲储集体中，呈带状、叠合连片状分布(图8)。实际上，发育次生孔隙的探井以及目前已发现的沙四下亚段油气储量也主要集中在这一区域(图8)。

5 结论

(1)渤南洼陷沙四下亚段红层沉积存在冲积扇—辫状河—辫状河三角洲—湖泊以及扇三角洲—湖泊2种沉积体系类型。冲积扇、扇三角洲沉积以岩屑砂岩为主；辫状河沉积以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主；辫状河三角洲以岩屑长石砂岩为主。冲积扇储集体储集空间主要为原生孔隙，物性较好；辫状河及辫状河三角洲储集体储集空间以次生孔隙为主，物性中等；扇三角洲储集体储层致密，物性偏低。

(2)渤南洼陷沙四下亚段红层储层主要处于中成岩B期，少部分处于中成岩A期。红层储层经历了早期碱性胶结、中期酸性溶蚀及晚期碱性胶结3个成岩演化过程。早期碱性胶结作用后残留有一定数量原生孔隙；中期酸性溶蚀作用后形成大量次生孔隙；受晚期碱性胶结作用影响的储层储集空间消耗殆尽，储层致密。

(3)原生孔隙发育的有利储层主要受埋深与有利相带决定，研究区这一有利储层类型发育在3 000 m以浅的南部洼陷边缘带，位于冲积扇前端呈裙带状展布；次生孔隙发育的有利储层主要受有机酸、上覆地层异常高压及断裂体系控制，研究区这一有利储层类型位于洼陷带辫状河、辫状河三角洲储集体发育区，呈带状、叠合连片状分布。