石南地区侏罗系头屯河组碎屑岩优质储层分布预测

李彦举，张巨峰，李 岩，许 泰，朱秀兰，冯碧阳

(1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

储层物性特征研究及优质储层分布预测是衔接油气地质勘探与油田开发的关键环节。在碎屑岩储层形成过程中，母岩性质、沉积环境和成岩作用等都会在不同的阶段对碎屑岩储层物性产生影响，母岩性质决定了储层的成分，以及后期沉积环境和成岩作用对储层的改造[1]；沉积环境控制着储层的结构、粒度、分选、磨圆和杂基含量等[2]；成岩作用分为破坏性作用和建设性作用[3]，破坏性作用主要包括压实作用和胶结作用，建设性作用主要是后期的溶蚀作用。不同的盆地，或者同一盆地的不同区块，甚至同一区块的不同层位，母岩性质、沉积环境和成岩作用等对储层物性的影响程度都不尽相同。

准噶尔盆地石南地区1996年以石南4井获得工业油流为标志发现了石南油气田，其主力层位包括白垩系清水河组、侏罗系头屯河组、西山窑组和清水河组。二十年内不同的学者对其开展了大量的研究，从研究内容上看，主要集中在油气成藏运移[4-6]和沉积体系[7,8]的研究上，缺少对储层物性、成岩作用和储层主控因素的研究；从层位上看，主要集中在白垩系清水河组[9]，对侏罗系各层位的研究较少。本文通过岩心观察、扫描电镜和薄片鉴定等一整套技术手段，研究了石南地区头屯河组的储层物性特征、以及成岩作用和沉积环境特征及对储层物性特征的影响，并在此基础上预测了头一段和头二段的优质储层分布，从而为后期的油气勘探提供了理论依据。

1 区域地质概况

准噶尔盆地位于我国新疆维吾尔自治区北部，夹在阿勒泰山与天山之间，是中国西部最有潜力的大型叠合含油气盆地之一。中国石油天然气集团有限公司新疆油田分公司石西作业区下辖石南地区位于准噶尔盆地腹部古尔班通古特沙漠腹地，西距克拉玛依市约130km，构造区主体是位于盆地腹部陆梁隆起上的二级构造单元基东鼻凸，形成于海西运动末期，是一个向南西方向倾没的鼻状凸起，北抵三个泉凸起，南西倾伏端与达巴松凸起相连伸入盆1井西凹陷生烃区，区域构造位置十分有利[10](如图1所示)。在早泥盆—石炭纪，研究区沉积了整套岛弧钙碱性火山岩系列，由于该时期构造运动强烈且持续时间较长，致使构造高部位石炭系之上缺失二叠系佳木河组(P1j)、风城组(P1f)、夏子街组(P2x)和乌尔禾组(P2w)的大部分地层。至晚三叠纪，准噶尔盆地整体下降，进入泛湖盆沉积时期，在整个陆南凸起上普遍覆盖了一层厚度约为200m的暗色湖相泥岩层，该泥岩层分布范围广厚度大，成为稳定的区域性盖层。早中侏罗纪，研究区构造运动相对较少趋于稳定，沉积了分布均匀厚度近800m的河湖—沼泽相含煤砂泥岩层。至燕山运动早期，陆梁隆起重新开始抬升，侏罗系内部出现了不整合及少量张性断裂；在凸起的局部构造高部位，白垩系不整合地覆盖在中侏罗统头屯河组之上。白垩系研究区构造运动减少沉积相对稳定，地层厚度均匀分布范围广，其中下白垩统吐谷鲁组的主体，是重要的区域性盖层。从第三纪开始，准噶尔盆地北升南降的整体掀斜作用更趋强烈，但断裂活动已基本结束，全盆地喜山运动剧烈的地域移至北天山山前坳陷，陆梁隆起的构造活动十分微弱，使早期形成的圈闭得以保存[11]。研究区侏罗系储层从下到上依次划分为八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)和头屯河组(J2t)，其中目标层段头屯河组又自上而下细分为头屯河组一段(J2t1，简称头一段)、头屯河组二段(J2t2，简称头二段)和头屯河组三段(J2t3，简称头三段)。

图1 准噶尔盆地石南地区示意图

2 储层特征研究

2.1 岩石学特征

研究区头屯河组储层主要发育辫状河三角洲相，区域分布不均衡，遭受过大面积的剥蚀和削截，与下伏西山窑组和上覆白垩系清水河组均为不整合接触。通过X-射线衍射全岩分析，结合录井资料、岩心观察和铸体薄片鉴定等研究发现，研究区头屯河组碎屑岩储层岩石以灰色和深灰色的细砂岩为主(占73.1%)，并含有较多的中砂岩(13.6%)和粗砂岩(7.7%)，粉砂岩和泥岩的含量较少(表1)，上部分布少量紫红、棕红和杂色泥岩，下部分布少量灰色、灰黄色和褐灰色泥岩(图2a)；砂岩分选中等—较好，磨圆中等，以硅质、泥质和碳酸盐类胶结为主；粒度上下细，中间粗。根据Folk分类方案，砂岩以长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主，成分成熟度低(图3)。

表1 头屯河组储层岩石类型

图2 头屯河组储层岩石学特征和成岩作用特征(a)石南26井，2421.7m，J2t，灰色细砂岩；(b)石南34井，2579.44m，J2t，线接触为主，压实作用中等；(c)石南53井，2623.64m，J2t，粒间充填的含铁方解石；(d)石南4井，2573.05m，J2t，粒间孔、粒间溶孔和基质内溶孔。

图3 头屯河组储层砂岩分类图

2.2 储层储集空间类型

储层储集空间类型是决定储层物性最直接的因素。研究区头屯河组1177块孔隙度样品的统计显示，储层孔隙度在1.18%～35.9%之间，平均为14.43%，中值13.88%，从孔隙分布直方图上可以看到，大多数孔隙度分布范围在10%～20%之间，且分布于12%～18%的样品数占优势明显；1170块渗透率样品的统计显示，该组储层渗透率在0.02～585mD之间,平均为5.3mD，中值5.36mD。从渗透率分布直方图上可以看到，样品的渗透率分布范围较宽，大多是样品的渗透率分布范围为0.63～160mD之间，属于中孔低渗储层。研究区头屯河组储层储集空间类型以原生粒间孔、剩余粒间孔和粒间溶孔为主(图4a)，占整个储集空间的70%以上。压汞曲线显示，头屯河组储层进汞饱和度和退汞效率低，孔隙分选差，以小孔隙为主。

图4 头屯河组储层孔隙度(a)、渗透率(b)、孔隙类型(c)和压汞曲线(d)

2.2.1 原生粒间孔和剩余粒间孔

原生粒间孔是研究区头屯河组储层最主要的孔隙类型，占孔隙总体积的35%以上，主要分布于石英、长石和岩屑大颗粒支撑的骨架间，孔隙具有明显清楚的轮廓，多呈三角形或多边形。剩余粒间孔是原生粒间孔被部分充填之后残余的孔隙，占孔隙总体积的30%以上，是非常有效的储集空间。

2.2.2 粒间溶孔

研究区头屯河组粒间溶孔主要是长石或者岩屑颗粒被溶蚀改造形成的粒间孔隙和溶蚀扩大孔等，是研究区头屯河组储层储集空间重要的组成部分，接近孔隙总体积的20%左右。粒间溶孔不仅使粒间孔体积扩大，增加了储集空间，还起到沟通粒间孔和粒内孔的作用，改善了储层的渗流能力。

3 成岩作用对储层物性影响研究

碎屑岩成岩作用是碎屑沉积物沉积后转变为沉积岩直至变质作用以前或者因构造运动重新抬升到地表遭受风化以前发生的一切作用[12]，是碎屑沉积物由松散的沉积物转变为坚硬岩石的最重要的过程，也是储层物性的决定因素之一。薄片鉴定、扫描电镜分析和地球化学分析结果显示，研究区头屯河组碎屑岩储层经历的成岩作用主要包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用，此外还有少量的交代作用和重结晶作用等发育。

3.1 压实作用

压实作用是指沉积物沉积后在其上覆水体或沉积层的重荷下，或在构造形变应力的作用下，发生水分排出，孔隙度降低和体积缩小的作用。研究区头屯河储层压实作用发育不明显，偶见碎屑颗粒之间的线接触(图2b)。孔隙度与深度关系图显示，孔隙度与深度的相关性不明显，压实作用对储层物性的影响有限；从压实作用和胶结作用对储层孔隙演化影响评价图可以看出，研究区头屯河组储层压实作用造成了40%～55%的孔隙度损失，胶结作用造成了20%左右的孔隙度损失(图5)。

图5 孔隙度与埋藏深度关系(a)和成岩作用综合评价图(b)

3.2 胶结作用

胶结作用是指矿物质从孔隙溶液中沉淀出来，将松散的沉积物固结为岩石的作用。在多数情况下，胶结物都来自孔隙水。研究区头屯河组储层胶结作用非常发育，胶结类型多样，主要有碳酸盐类胶结(铁方方解石、方解石和铁白云石)，其次是铁质胶结(褐铁矿、黄铁矿和氧化铁)，还有少量的硅质胶结(次生石英)。碳酸盐类胶结作用贯穿于整个埋藏成岩史，研究区头屯河组储层碳酸盐类胶结随处可见，多呈孔隙充填式胶结，结晶程度高，方解石多分布在点接触的颗粒间，是早成岩阶段的产物。铁白云石多呈规则的菱形，粒晶可达50μm，由于铁含量较高而呈浅褐色(图2c)。铁质胶结物是造成研究区头屯河组上部和下部泥岩多呈紫红、棕红和褐灰色的主要原因，是强还原环境下的产物，可形成于成岩作用的各个阶段。硅质胶结作用在研究区发育较少，含量少于2%，主要是零星分布的石英次生加大，还有少量以自形晶粒的形式分布在孔隙中，结晶程度高，电镜下粒径不超过4μm。

3.3 溶蚀作用

碎屑岩中的任何碎屑颗粒、杂基、胶结物和交代矿物，包括最稳定的石英和硅质胶结物，在一定的成岩环境中都可以不同程度地发生溶解作用。溶蚀作用形成的次生孔隙是重要的油气储集空间，并且早期形成的次生孔隙又可被后来的胶结物所填充。在埋藏成岩作用过程中由于构造和重新埋藏，胶结作用和溶蚀作用交互进行，使碎屑岩的孔隙系统更加复杂。研究区头屯河组溶蚀作用发育中等，比上覆的清水河组发育程度高，比下部的西山窑组发育程度低。溶蚀作用表现为骨架颗粒和胶结物被溶蚀，可见颗粒边缘被溶成港湾状的粒间扩大孔和粒内溶孔等，部分颗粒被完全溶蚀成铸模孔状(图2d)。从储层中黏土矿物含量的统计图中可以看出，头屯河黏土矿物主要以高岭石为主，还有部分伊蒙混层、伊利石和绿泥石。

4 沉积环境特征研究

4.1 单井相特征

单井相的精细刻画是区域沉积相研究的基础，本文选取研究区重点探井石108井进行单井相划分。头屯河组(2521～2523m)岩芯观察可知，2521.0～2521.3m为中灰色中砂岩，可见斜层理、块状层理，为辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积；2521.3～2522.5m为灰黄色泥质粉砂岩，见平行层理和波纹层理，泥质粉砂岩夹黑色的有机纹层，测井曲线上GR值较高，为辫状河三角洲前缘水下分流河道间沉积微相；2522.5～2522.7m为灰色的中砂岩，分选磨圆好，斜层理；2522.7～2523.0m，为黄褐色泥质粉砂岩，见平行和波纹层理，为辫状河三角洲前缘水下分流河道间沉积微相。整个沉积阶段为一个正的沉积旋回(图版I-b)。

4.2 连井剖面相特征

由于篇幅有限，本文仅选取石102-石205-石204-石212-石107-石115-石南29井连井剖面进行描述，该剖面位于研究区北部，呈东西走向。从连井剖面可以看出，研究区头屯河组主要发育辫状河三角洲平原相和前缘相，平原相分布在正北面，以水下分流河道间微相为主，前缘相分布在西北和东北部，分流河道和分流河道间微相砂体叠置分布，厚度大致相当(图版I-a)。

4.3 平面相特征

前已述及，研究区头屯河组储层发育于辫状河三角洲，是辫状河体系前积到盆地水体中形成的富含砂和砾石的三角洲。研究区头屯河组头一段沉积期，主要发育三角洲前缘亚相，以前缘水下分流河道微相为主，在研究区北部有少量水下分流河道间微相(图版I-c)。物源来自研究区北部及东北部，其中北部物源的砂体延伸较远。基008井、基006井等一带属于两个物源砂体的交汇地区。不同物源的砂体由于母岩性质、水动力条件等的差异易造成结构、成分成熟度不同，往往具有不同的储集性能。

研究区头屯河组头二段沉积期，以三角洲前缘亚相为主(中南部)，三角洲平原亚相为辅(北部)，前者主要发育前缘水下分流河道微相，后者主要发育平原分流河道微相。在研究区东北角，发育小范围的平原分流河道间及前缘水下分流河道间微相(图版I-d)。物源继承了头一段的特征，来自研究区北部及东北部，不同方向物源的砂体在石南4井、石南45井一带交汇。

研究区头屯河组头三段沉积期，以滨浅湖沉积为主，主要发育浅湖粉砂、浅湖泥沉积物(图版I-e)。该时期的细粒沉积物往往成为头屯河组有利的盖层，对油气保存具有重要意义。

5 优质储层分布预测

在研究区头屯河组储层的物性特征、孔喉特征和成岩作用特征的综合分析，结合沉积相特征以及成岩作用和沉积环境对储层物性影响的研究的基础上，对研究区头屯河组头一段和头二段优质储层的分布进行了预测：头一段优质储层主要发育于辫状河三角洲前缘水下分流河道中，包括两个区域，石南4井往南到石南16井一带的区域和石106井-石南34井-石南31井所在的区域(图版I-f)；头二段的有利储层同样主要发育于辫状河三角洲前缘水下分流河道中，包括三个区域，分别是基002井-基003井-石111井西北一带的区域、石南5井-石南4井-石南16井一带和石南50井-石南45井一带的区域(图版I-g)。

图版I说明 (a)石102-石205-石204-石212-石107-石115-石南29井连井剖面相图；(b)石南8井综合柱状图；(c)头屯河组一段沉积平面图；(d)头屯河组二段沉积平面图；(e)头屯河组三段沉积平面图；(f)头屯河组一段有利储层分布预测图；(g)头屯河组二段有利储层分布预测图。

6 结论

(1)准噶尔盆地石南地区头屯河组储层成岩过程中，压实作用造成原生孔隙的损失约40%～60%。胶结作用造成原生孔隙的损失在20%左右，起破坏储层物性的作用；溶蚀作用形成的次生孔隙和裂缝是重要的储集空间和渗流通道，起改善储层的作用。

(2)研究区头屯河组储层发育于辫状河沉积体系，头一段和头二段主要发育辫状河三角洲前缘亚相沉积，主体是水下分流河道微相，砂体多呈层状，分布稳定；头三段主要发育滨浅湖细粒沉积物，是很好的盖层。

(3)准噶尔盆地石南地区头屯河组储层物性主要受控于其沉积环境特征，成岩作用的影响较小。头一段优质储层主要发育于辫状河三角洲前缘水下分流河道中，主要分布在两个区域：一是石南4井和石南16井之间的区域，二是石106井-石南34井-石南31井的区域。头二段优质储层同样发育于辫状河三角洲前缘水下分流河道中，主要分布在三个区域，分别是基002井-基003井-石111井西北区域、石南5井-石南4井-石南16井区域和石南50井-石南45井区域。