黄陵地区延长组长6 段深水砂岩储层特征分析

2022-03-07杨莎莎黄旭日贾继生武志学李伟华

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年1期

杨莎莎，黄旭日，贾继生，武志学，李伟华

1.西京学院土木工程学院，陕西西安 710123；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；3.咸阳川庆鑫源工程技术有限公司，陕西西安 710018；4.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018

引言

随着全球油气勘探的促进及沉积学研究的深入，深水沉积已成为国际沉积学研究的重点和热点之一[1]。多年来的深水油气勘探表明，重力流水道沉积是极其重要的油气富集单元[2]，重力流沉积中存在多种类型的砂体[3-6]。近十年来，针对深水沉积特征及砂体类型研究较多[7-13]，但其形成机理、主控因素及储集层分布规律研究较为薄弱，特别是缺乏深水沉积中不同类型砂岩储层特征的对比研究。结合深水重力流已有研究成果，上述工作的开展不仅可以完善深水沉积特征的理论研究，还可揭示深水优质储集层分布规律及其形成机理，为油气勘探提供理论依据。

鄂尔多斯盆地南部延长组长6段发育大面积深水重力流沉积[14-17]，黄陵地区位于盆地南部深湖生烃中心，长6段是该区勘探开发的主要含油层系，油气聚集成藏条件十分有利。但自20 世纪50 年代以来，该区域单井产能较低，未获得大的突破。究其原因，是对黄陵地区的深水沉积砂岩特征、储层特征及差异性研究较为薄弱，制约了优质储集砂体的预测和成藏组合分析，严重阻碍了研究区进一步的油气勘探。综合利用黄陵地区的钻井、测井及录井资料，较为系统地研究了黄陵地区深水重力流沉积特征，并在此基础上分析不同类型砂岩的储层特征及其差异性，优选出优质储集层并揭示其成因机理，为鄂尔多斯盆地南部深水油气勘探提供了地质依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于中国东西构造单元的结合部位，可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环拗陷及西缘逆冲带6 个一级构造单元（图1）[18]。研究区位于鄂尔多斯盆地南部，陕北斜坡和渭北隆起两大构造单元交接处，是沉降明显的凹陷区，地势南高北低、东高西低。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及研究区位置图Fig.1 Tectonic unit of Ordos Basin and location of the study area

晚三叠世延长期，鄂尔多斯盆地经历了大型内陆凹陷盆地形成、发展和消亡的全过程[19-20]。沉积了一套陆源碎屑岩系，自下而上可分为长10—长1共10 段[21-22]。长10—长8期，盆地由河流沉积体系逐渐演化为大型三角洲沉积体系，长7期湖盆达到鼎盛，发育大面积半深湖—深湖沉积，长6期湖盆继续萎缩，三角洲建设作用加强，但仍发育深水重力流沉积。长6期是延长组重力流发育的主要时期，也是深水坡折发育的主要时期。

2 深水重力流砂岩特征

通过对研究区36 口取芯井共计432.16 m 岩芯的观察和描述、粒度分析及野外剖面观测，发现研究区在长6期的深湖区广泛发育重力流沉积，重力流沉积物常夹于黑色、灰黑色泥岩中。不同的重力流沉积物具有不同的沉积构造特征，在取芯井研究的基础上，再结合106 口井的测井、录井资料，本次共识别出砂质碎屑流砂体、砂质滑塌砂体及浊流砂体3 种类型的砂体。

2.1 沉积环境分析

凝灰岩因其分布的稳定性和广泛性成为鄂尔多斯盆地三叠系最主要的地层对比标志。它的存在代表了火山喷发作用。研究证实，火山活动在形成广泛分布的凝灰岩的同时，也引起了剧烈的构造运动[19]。长6期，研究区正处于秦岭造山带构造活动活跃阶段，且在研究区岩芯中识别出肠状液化砂岩脉等反映古地震的构造特征。还有研究证实，在研究区西南部附近存在一定坡降角的坡折带[23-24]。

以上火山、地震及坡折带的存在，说明研究区具备重力流沉积发育的良好外部条件。同时，本文也采用岩性及粒度资料确定研究区的沉积环境。岩芯观察发现，研究区存在广泛分布的黑色泥岩，偶有煤线，发育水平层理，顶界面为突变接触，厚度较大（图2）。厚层的黑色泥岩、泥页岩反映了极弱的水动力条件，代表了深水沉积环境。岩芯中厚层块状砂岩（图2）的发育更是深水重力流沉积的典型表现。通过对长6段砂岩粒度特征的分析可见，样品点形成一个大致平行于C=M基线的长条形轮廓，样品的粒级组成集中、狭窄且接近C=M基线，进一步反映出重力流沉积特征（图3）。

图2 N56 井长6 段岩芯（1 474～1 480 m）Fig.2 The core of Chang 6 Member of the Well N56（1 474～1 480 m）

图3 长6 段砂岩C-M 图Fig.3 C-M map of Chang 6 Member sandstone

综合凝灰岩、沉积构造特征及前人研究成果，利用岩性、粒度C-M图验证，再结合前人对于鄂尔多斯盆地南部长6段湖泊半深水—深水环境的认识[12，14-17，23]，认为黄陵地区长6段为深湖重力流沉积。进一步考虑岩性、沉积构造及测井曲线特征，将研究区主要的砂体划分为砂质碎屑流、浊流和砂质滑塌3 种类型。

2.2 砂质碎屑流砂体特征

砂质碎屑流是以层流为特征的塑性沉积物流，由于其颗粒间有一定含量的黏土形成的黏结力和剪切力，使得沉积物呈整体“冻结”形式搬运，体现了块体搬运过程。且砂质碎屑流内部存在基质强度、分散压力和浮力等多种支撑机制，使块状沉积物中常出现漂浮碎屑和反粒序等特征[25]。黄陵地区长6段广泛发育砂质碎屑流砂体，其岩石类型主要包括：具漂浮碎屑的块状细砂岩和反粒序细砂岩。

具漂浮碎屑的块状细砂岩在研究区最为常见，其岩性为灰色、褐灰色细砂岩和粉—细砂岩。基本无粒序变化，呈现出块状沉积构造（图4a），上部可见长条状的泥质撕裂屑（图4b）、泥球（图4b，图4c）和石英砾（图4b），底部多为突变接触，见冲刷面。顶部既有突变接触，也有渐变接触。其厚度较大，均大于0.5 m，最厚可达9.0 m 以上。长条状的泥质撕裂屑、漂浮的泥球、石英砾和突变接触的存在，都是砂质碎屑流“整体冻结”的塑性搬运机制形成的。从测井曲线上看，此类砂岩自然伽马曲线幅度较高，多呈现箱型和微齿化箱型，部分测井曲线在顶部齿化较明显，且幅度逐渐变低（表1）。

图4 长6 段沉积构造的岩芯照片Fig.4 Core photos of sedimentary structures of Chang 6 Member

由于颗粒的碰撞，砂质碎屑流中大颗粒被向上推挤到水流的自由顶面，呈现出砂岩基质的反递变，形成反粒序细砂岩。黄陵地区反粒序细砂岩表现为灰色、深灰色粉砂岩向上逐渐过渡为细砂岩，上部见块状构造，偶见平行纹层，底部为突变接触，顶部为渐变接触，厚度一般大于0.5 m，自然伽马曲线为微齿状漏斗形（表1）。

表1 长6 段砂质碎屑流的岩石类型及其特征Tab.1 Rock types and characteristics of Chang 6 Member sandy debris flow sand body

2.3 砂质滑塌砂体特征

砂质滑塌指三角洲前缘沉积物受火山、地震等外力触发，在坡折带处滑动、滑塌，并就近堆积形成的沉积物。在滑塌过程中，砂体常发生卷曲，形成包卷层理、砂球和砂枕等构造。上覆砂层的不均匀压力使得下伏泥质发生流动，形成火焰构造。肠状液化砂岩脉为古地震等强烈的触发机制引起。与长距离搬运的砂质碎屑流沉积物不同的是，此类岩石中的变形层理多呈砂泥岩互层，且泥岩呈连续的状态，未被撕裂成泥质碎屑。上述典型的砂质滑塌砂体构造特征在黄陵地区长6段中均存在，作者将其总结为具变形层理的块状粉砂岩。

具变形层理的块状粉砂岩的岩性以灰色块状粉砂岩及细砂岩为主，整体呈现出块状结构，但与具漂浮碎屑的块状细砂岩有所不同的是，此种岩石中，砂体常发生卷曲变形，在粉砂岩及粉砂质泥岩中形成包卷层理（图4d）、砂球构造（图4e）、砂枕构造（图4f）和火焰状构造（图4g）等变形层理，在泥岩中形成肠状液化砂岩脉（图4h）。除此之外，具变形层理的块状粉砂岩的顶底界面上下岩性差异大，均为突变接触。砂岩厚度变化大。自然伽马曲线主要表现为中幅箱型和齿化箱型（表2）。

表2 长6 段砂质滑塌砂体岩石类型及其特征Tab.2 Rock types and characteristics of the Chang 6 Member sandy slumping sand body

2.4 浊流砂体特征

浊流是具牛顿流体性质的沉积物流，呈紊流状态，并且颗粒被紊流支撑以悬浮沉降方式沉积。众多研究成果表明，只有具紊流特性的浊流才能使沉积物颗粒按相对密度依次下降，形成下粗上细的正递变层理，从而认为正递变层理是鉴定浊流沉积物的最可靠标志[4-5]。具有侵蚀性的紊流常使沉积物底部形成底模构造和冲刷面。浊流常伴随砂质碎屑流形成或由砂质碎屑流转换而成。

水槽实验中显示，浊流在横向上扩散面积较大，但纵向上厚度较薄。多期次发育时，常与泥岩互层，形成薄层粉砂岩。以上正粒序粉砂岩和薄层粉砂岩（图5，表3）等浊流砂体的标志在研究区岩芯中均可见到。

图5 长6 段沉积构造的岩芯照片Fig.5 Core photos of sedimentary structures of Chang 6 Member

正粒序粉砂岩的岩性主要为灰色、褐灰色粉砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，粒度下粗上细，显示出明显正粒序（图5a，图5b），偶见小规模平行层理和交错层理。底部多见冲刷面（图5c）和槽模（图5d）、沟模（图5e）和重荷模（图5f）等底模构造，顶部为渐变界面。砂岩厚度较小，一般小于2.0 m。自然伽马曲线为中幅齿化钟形（表3）。薄层粉砂岩为灰色、灰褐色粉砂岩、泥质粉砂岩与黑灰色泥岩不等厚互层，互层的顶底界面多为突变接触，厚度较小，一般小于0.5 m。自然伽马曲线为指状，无明显韵律（表3）。

表3 长6 段浊流砂体岩石类型及其特征Tab.3 Types and characteristics of turbidite sand body of Chang 6 Member

3 不同类型砂体储层差异性分析

砂体类型不同，所形成的储层必然有差异。通过对研究区230 个岩石薄片、80 个图形粒度以及84 个扫描电镜样品的分析、统计，认为长6段主要为岩屑长石细—粉砂岩和长石岩屑细砂岩。进一步对不同类型砂体的碎屑成分、填隙物成分、碎屑结构及储集空间类型进行统计分析，得到砂质碎屑流、砂质滑塌和浊流砂体的岩石学特征及储集空间特征，并对其差异性进行对比分析。

3.1 不同类型砂体岩石学特征对比

3.1.1 碎屑成分特征

由研究区不同类型砂体碎屑成分含量统计表可以看出，3 种类型砂体的石英、长石和岩屑含量差异不大（表4）。但相比较而言，砂质碎屑流砂体中石英、长石的总含量达到了70.46%，高于其他两类砂体，而其岩屑含量略低于其他两类砂体（仅占10.00%）；浊流砂体的情况正好相反，石英、长石含量低，岩屑含量高；砂质滑塌砂体各碎屑成分的含量处于两者之间。

表4 不同类型砂体碎屑成分含量统计表Tab.4 Statistics of the content of detrital components of different types of sand bodies

3.1.2 胶结物特征

研究区填隙物以胶结物为主，分析不同类型砂体胶结物的类型及含量（表5），可以看出，浊流砂体的胶结物总含量（15.46%）高于砂质滑塌砂体（14.97%）和砂质碎屑流砂体（14.71%）。

表5 不同类型砂体胶结物含量统计表Tab.5 Statistics of cement content of different types of sand bodies

3 种类型砂体中胶结物主要包括伊利石胶结、绿泥石膜胶结、绿泥石填隙物胶结和方解石胶结等4 种类型。3种砂体的伊利石胶结物含量相当；砂质碎屑流砂体中的绿泥石膜胶结和绿泥石填隙物胶结含量明显高于其他两种砂体；浊流砂体的方解石胶结物含量高于砂质滑塌砂体和砂质碎屑流砂体。

3.1.3 碎屑结构特征

对黄陵地区长6段不同类型砂体的颗粒分选性进行统计分析，结果如表6所示。总体看来，3 种类型砂体的分选性以好、中、中—差和差等4 种类型为主。总体来讲，砂质碎屑流砂体的分选性最好，砂质滑塌砂体次之，浊流的分选性最差。其中，砂质碎屑流砂体以中等及好分选性为主，部分分选性较差；砂质滑塌砂体的分选性主要为中等、好、中—差及差等4 种；浊流砂体以差分选性为主，中、中差分选性次之，好的分选性极差。

表6 不同类型砂体分选性频率统计表Tab.6 Frequency statistics of different types of sand bodies

3.2 不同类型砂体储集空间对比

储集空间是储层好坏的评判标准之一，通过大量的铸体薄片研究可知，黄陵地区长6段存在8 种主要储集空间（表7）。其中，长石溶孔、残余粒间孔和岩屑溶孔的总含量最高，粒间溶孔、晶间孔、微裂隙和沸石溶孔的含量次之，碳酸盐溶孔含量较少。值得注意的是，长石溶孔和残余粒间孔在研究区的相对含量分别为45.4%和40.2%，其总含量约占长6储层中所有孔隙的85.6%，可见这两种孔隙基本控制了研究区优质储层的发育。

表7 长6 段不同类型砂体的孔隙类型绝对含量统计表Tab.7 Statistics of absolute content of pore types of different types of sand bodies in Chang 6 Member

通过对黄陵地区砂质碎屑流、砂质滑塌和浊流砂体的孔隙类型绝对含量统计可知（表7），砂质碎屑流砂体中包含除晶间孔外的所有7 种孔隙，而砂质滑塌和浊流砂体包含的孔隙类型都只有5 种。其中，砂质碎屑流砂体的残余粒间孔最为发育，绝对含量高达0.91%，长石溶孔含量次之，绝对含量为0.78%。残余粒间孔的孔隙大、喉道较粗、连通性好、边缘整齐且较平直（图6a，图6b）。扫描电镜资料显示，少量伊利石、高岭石和绿泥石等黏土矿物充填残余粒间孔。部分残余粒间孔被孔隙衬垫式绿泥石胶结物包裹，此种绿泥石胶结物有效增加了岩石的机械强度并抑制石英次生加大，对残余粒间孔的保存十分有利。长石溶孔的孔隙呈蜂窝状，大小不等，边缘形态不规则（图7a，图7b），多为锯齿状或港湾状，是酸性水介质沿长石解理和双晶面选择性溶蚀的结果。大量发育的残余粒间孔和长石溶孔，使得砂质碎屑流砂体的物性最佳（平均孔隙度10.02%，平均渗透率0.18 mD）。砂质滑塌砂体所包含的孔隙含量次之，主要发育长石溶孔，相对较低的孔隙含量导致其物性相应变差（平均孔隙度7.95%，平均渗透率0.05 mD）。浊流砂体中的孔隙含量最低，主要孔隙类型虽也是长石溶孔和残余粒间孔，但其含量是3 种砂体中最低，导致物性最差（平均孔隙度5.23%，平均渗透率0.01 mD）。

图6 长6 段砂岩残余粒间孔显微特征Fig.6 Microscopic characteristics of residual intergranular pores of Chang 6 Member

图7 长6 段砂岩长石溶孔的显微特征Fig.7 Microscopic characteristics of intragranular pores of Chang 6 Member

4 不同类型砂体成岩作用分析

成岩作用是控制孔隙结构差异的关键因素。不同类型砂体的沉积作用决定了孔隙结构的原始面貌，而其后期在成岩过程中经受不同程度的压实、胶结、溶蚀或破裂等成岩作用的改造后，最终形成了不同的储集面貌[26-29]。

4.1 压实作用及其差异性

压实作用是储层致密化的最主要原因。压实作用最直观的证据之一是砂岩中碎屑颗粒接触类型的变化，如图8 所示，砂岩中的碎屑颗粒之间主要为点—线接触，反映砂岩经历了一定的机械压实作用。在地质情况相近的地层中压实作用对物性的影响主要与碎屑岩储集层的矿物成分和结构有关。通常情况下，碎屑岩成分中刚性矿物石英的硬度较高，具有最强的抗压能力，其次是长石，岩屑硬度最差；在结构上，粒度越大，分选性越好，抗压实能力越强。

图8 长6 段砂岩机械压实显微特征Fig.8 Mechanical characteristics of mechanical compaction of Chang 6 Member

从不同类型砂体岩石学特征来看，砂质碎屑流砂体的石英含量高、颗粒分选好，使得其抗压实能力增强，因而残余粒间孔最为发育，绝对含量达0.91%（表7），同时也具有良好连通性（图8）。相反，浊流砂体塑性岩屑含量高、整体粒度较细、颗粒分选性较差，在压实作用下更易损失原始孔隙，导致残余粒间孔很不发育，只有0.17%（表7）。砂质滑塌砂体的碎屑成分的含量介于上述两种砂体之间，但结构成熟度比砂质碎屑流差很多，导致其残余粒间孔绝对含量较低，仅0.28%。

4.2 胶结作用及其差异性

胶结作用是自生矿物沉淀堵塞孔隙的过程。胶结作用主要使孔隙度和渗透率降低，但在某些情况下又能为孔隙的保存和溶蚀作用提供物质基础。研究区胶结类型多样，主要包括伊利石（图9a）、高岭石（图9b）、绿泥石（图9c，图9d）和碳酸盐胶结物。伊利石、高岭石和晚期形成的碳酸盐胶结物堵塞孔隙，直接对储层物性产生不利影响；绿泥石胶结物以孔隙衬垫和孔隙充填形式产出（图9c，图9d），孔隙衬垫绿泥石是主要产出形式，其发育不仅能增加岩石的机械强度，还可以在一定程度上抑制石英的次生加大，有效降低后期压实作用对原生孔隙的缩小影响，使得孔隙得以保存。因其为膜状包裹在岩石表面，又名为绿泥石膜胶结物。

图9 长6 段砂岩中的自生黏土矿物胶结的显微特征Fig.9 Microscopic characteristics of cementation of authigenic clay minerals of Chang 6 Member

通过对不同类型砂体胶结物含量统计发现，砂质碎屑流砂体、砂质滑塌砂体和浊流砂体中胶结物总含量分别为14.71%、14.97%和15.46%，含量较高的胶结物势必导致浊流砂体中胶结作用最为强烈。值得注意的是，砂质碎屑流砂体中绿泥石膜胶结物含量明显高于其他两类砂体，伊利石和方解石胶结物含量很低（表5），这为砂质碎屑流砂体中残余粒间孔的保存起到一定积极作用。

4.3 溶蚀作用及其差异性

研究区长6段溶蚀孔隙占总面孔率的55.75%，是最重要的孔隙类型。因而溶蚀作用对本区储层改造十分有利。溶蚀强度受岩石流体性质、碎屑组分的稳定性和渗透性的共同影响。研究区碎屑组分中含有大量不稳定的长石、岩屑及自生矿物，这为溶蚀作用的发生提供了一定的物质基础。关于岩石流体中酸性物质的来源，一般有早期大气淡水和后期有机酸两种途径。早期大气淡水溶蚀形成的孔隙，在压实作用下消失或被胶结物充填，多半无法保存，且因大气淡水从地层表面进入长6段，其溶蚀作用会随着储层埋深的增加而减弱。而后期长7段烃源岩中有机质向烃类转化形成的有机酸等酸性物质被排烃压力挤压进入长6段，使孔隙流体变为酸性，促进长石等易溶物质的溶解，形成溶蚀孔隙。由于长7段比长6段埋深更大，有机酸进入长6段后，会随着地层埋深变浅而逐渐减少。总之，大气淡水和有机酸对长6段储层的溶蚀方向完全相反。统计显示，自长亚段，溶蚀孔的相对含量为42.88%57.34%58.29%，说明本区溶蚀作用以有机酸溶蚀为主。

不同类型砂体的孔隙类型绝对含量统计结果见表7，可以看出，研究区中砂质碎屑流砂体长石溶孔含量最高，为0.78%，砂质滑塌砂体次之，为0.68%，浊流砂体中长石溶孔含量最少，为0.53%。由此可见，砂质碎屑流砂体中的溶蚀作用最为强烈，这也与砂质碎屑流岩石学组分中更高的可溶物（长石）含量及酸性物质有关。

4.4 破裂作用及其差异性

破裂作用是碎屑岩地层在强烈的构造运动中产生裂缝的过程。由图10 裂缝特征可以看出，研究区裂缝非常发育，既有岩芯中明显可见的大缝，也有显微镜下显现的微缝。研究表明，裂缝的发育对储层非均质性的影响较大，且主要分布在砂质碎屑流砂体中，尤其是规模较大的构造缝，常作为油气运移的通道沟通长7段烃源岩和长6段储集层，为油气聚集创造有利条件。砂质滑塌砂体和浊流砂体的破裂作用不强，较少见到裂缝发育其中。

图10 长6 段裂缝特征Fig.10 Crack characteristics of Chang 6 Member

通过一系列对比分析，总结不同类型砂体的沉积、储层特征。砂质碎屑流砂体主要发育大段厚层块状细砂岩，层流的特性使其保持了颗粒较大、分选性较好、泥质含量较低的特征，刚性矿物石英含量高，结构成熟度高；在同等埋深情况下，较高的石英含量和分选性对残余粒间孔的保存起到了关键性作用；胶结物总含量较低（平均≤15.00%），且其中绿泥石膜胶结物含量较高，为孔隙的保存及喉道的发育都提供了有利条件。同时，由于溶蚀、破裂等建设性成岩作用较强，使得砂质碎屑流砂体砂体中残余粒间孔和长石溶孔两种主要孔隙含量较高，裂缝发育。以上优势，最终形成了砂质碎屑流砂体较好的储层物性。

浊流砂体，因其处于水动力最弱的深湖平原，能量较低的沉积环境使其只能搬运黏土杂基等质量较轻的颗粒，成为研究区粒度最细的、常与泥质互层发育的砂体，此类砂体的胶结物含量最高，颗粒分选最差，强烈的压实作用和胶结作用导致其长石溶孔和残余粒间孔的含量最低，物性最差。砂质滑塌砂体在研究区发育规模较小，虽其整体粒度与砂质碎屑流砂体差异不大，但在沉积过程中卷入大量泥质，致使胶结物含量高，物性介于砂质碎屑流砂体和浊流砂体之间。