渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系深层优质储层形成机制

王永诗，张 顺

1.中国石化 胜利油田分公司，山东 东营 257001；2. 中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015

渤南洼陷是渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷中部的一个负向构造单元，北以埕南断裂带与埕东凸起相接，南邻陈家庄凸起，东以孤西断裂带与孤北洼陷相邻，东南以垦西地垒与三合村洼陷、孤南洼陷相接。渤南洼陷是一个北陡南缓的箕状断陷湖盆，受近东西向盆倾断层切割，由南向北依次为罗家鼻状构造带、垦西斜坡带、渤南深洼带和埕南陡坡带(图1)。古近纪以来，渤南洼陷一直是沾化凹陷的沉降中心之一，湖相环境沉积了一套近4 000 m厚的地层。随着中浅层勘探程度的不断提高，渤南洼陷中深层已成为油气勘探的主要对象和“增储上产”的重要勘探领域。近年来，相继在该区陡坡带沙四段深层砂砾岩体中发现油气藏并取得了重大突破，展现了深层巨大的勘探潜力。

图1 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷区域构造位置Fig.1 Structural location of Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

研究表明，渤南洼陷中深层油气成藏的关键问题是优质储层的发育，而优质储层的发育取决于沉积充填、地层流体的相互作用[1-3]。本文以渤南洼陷沙四段为研究对象，在分析构造演化和洼陷沉积物充填特征基础上，研究沙河街组沉积期地层水化学特征，揭示沙四段储层形成机制。

1 构造演化及沉积充填

渤南洼陷构造发育与演化具明显的阶段性，根据构造活动、不整合及沉积环境、古生物组合等，将古近纪划分为初始裂陷期、裂陷伸展期和裂陷收敛期3个阶段，对应形成了3个三级层序[4](图2)。

1.1 初始裂陷期

1.2 裂陷伸展期

图2 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近纪构造演化及地层柱状剖面据李丕龙等[4]修改。Fig.2 Structural evolution and stratigraphic column of Paleogene in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

1.3 裂陷收敛期

2 地层水化学特征

地层水化学特征及成因决定着成岩作用的类型，通常用矿化度、水型和常量组分等对地层水化学特征进行表征。

总矿化度是指地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量(总溶解固体)，以每升中所含克数表示，通常用110℃下把水分蒸干所剩残渣的量来计量。地层水的矿化度特征是地理地质环境变迁所导致的地下水动力场和水化学场经历漫长而复杂演化的反映，矿化度对地层水的化学性质起着主导作用，纵横向的矿化度变化对解决地质问题有重要意义。依据苏林分类，水型可分为CaCl2型、NaHCO3型、MgCl2型及Na2SO4型。地下水中的常量化学组分主要包括:Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Na+、Mg2+、Ca2+和K+。

钠氯系数是单位体积卤水中钠离子与氯离子的当量比值，表示地层水中钠盐的富集程度，其成因为浓缩变质作用，地层水封闭越好、越浓缩、变质越深，其值越小。变质系数指示地层水在运移过程中水岩作用的强度和离子交替置换的程度，反映流体的变质程度，即流体—岩石相互作用程度或封闭程度，一般其值越大，表明流体的变质程度越强，流体—岩石相互作用强度越大。脱硫系数指示地层水中脱硫作用，其结果不仅是除去水中的硫酸盐，还包括生成硫化氢气体并进入到天然气中。脱硫酸作用通常都是在缺氧的还原环境中进行，这种环境对保存油气很有利，故脱硫作用可作为反映地下水氧化还原环境的重要指标，在封闭的油气藏中，脱硫系数一般都很低。

受沉积埋藏水及后期水—岩作用的影响[7-8]，渤南洼陷在古近纪经历了咸化湖盆到淡水湖盆的发育过程。从各层系水型分布特征及沙河街组水化学指标(表1)可以看出，沙河街组地层水主要分为三类，以NaHCO3型为主，CaCl2型次之；而东营组和馆陶组则以CaCl2型为主，NaHCO3型次之(图3)。

表1 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街组地层水化学指标Table 1 Hydrochemical indexes of Paleogene Shahejie Formation in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

图3 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷各层系地层水水型分布Fig.3 Distribution of formation water types of each stratum in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

2.1 沙四段地层水化学特征

渤南洼陷沙四段沉积发育了厚层膏盐层，渤深5井的沉积厚度达到186m。该段膏盐层分布面积广，沉积厚度大，各项水化学指标指示渤南洼陷沙四段沉积整体环境较封闭，不同区带水体矿化度存在明显差异。渤南深洼带内地层水矿化度在10～40 g/L，水型主要为CaCl2型；垦西斜坡带内地层水矿化度分布在5～20 g/L，水型主要为NaHCO3型。

2.2 沙三段地层水化学特征

沙三段埕南断阶带—渤南深洼带地层水矿化度明显高于垦西斜坡带地层水矿化度。其中渤南深洼带为矿化度高值区，矿化度为10～40 g/L，钠氯系数主要为0.85～1.2，脱硫酸系数也小于1；垦西斜坡带矿化度值都较小，分布在5～10 g/L之间，钠氯系数大于1.2，变质系数小于-10。

2.3 沙一段地层水化学特征

沙一段绝大部分地区的地层水矿化度都小于15 g/L，NaHCO3型水约为81%，CaCl2型水主要分布在孤岛凸起周围孤北断裂和孤西断裂处。沙一段绝大部分地区钠氯系数都大于1，在渤南洼陷出现局部高值区；变质系数绝大部分地区都小于0，整体变质程度较低，变质系数低值区与钠氯系数高值区大体一致。

3 深层优质储层形成机制

在传统认识中，3 500 m以下储层孔隙度普遍小于10%，缺失优质储层[9-10]。深层储层在埋藏成岩演化的漫长过程中，不同性质的流体决定着储层演化及孔隙发育[11]。许多学者认为有机质演化过程产生的酸性流体对储层改善明显[12-14]，相关学者也就碱性流体成因及其控储作用进行了初步的研究[15-17]。本文以渤南洼陷北部陡坡带深层沙四上亚段砂岩储层为例，论述优质储层形成机制。

3.1 储层岩石学特征

渤南洼陷北部陡坡带沙四上亚段岩性以岩屑长石砂岩为主，次为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩(图4)。其中石英含量在1%～70%之间，主要由单晶石英组成，颗粒一般呈棱角—次棱角状，分选中等偏差，常具次生加大边；长石含量在2%～45%之间，长石类型多为斜长石和钾长石，长石颗粒内部常沿解理缝或破裂缝发生溶蚀形成粒内溶孔，部分完全溶蚀形成铸模孔，成为主要的孔隙类型之一；岩屑含量介于17%～99%，岩屑成分一般以中酸性喷出岩、石英岩和泥质岩屑为主，受成岩作用影响，较软的塑性岩屑常受挤压变形呈假杂基。填隙物包括杂基和胶结物，黏土矿物是填隙物重要的组成部分，X射线衍射分析黏土矿物含量在1%～44%之间；胶结物以方解石为主，见少量铁白云石和黄铁矿。

图4 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙四上亚段碎屑岩岩石类型Fig.4 Rock types of clastic rocks in upper section of fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

3.2 储层成岩演化特征

渤南洼陷沙四段成岩环境经历了从碱性到酸性的变化，这可在黏土矿物、增生石英和胶结物含量上体现出来。沙四段沉积于咸化水体环境，伴随着膏岩的脱水作用，早成岩A期，随着压实作用的进行，原生粒间孔减少，颗粒呈点状接触，在碱性流体作用下，碳酸盐胶结物不断产生，当埋深达到2 800 m时方解石胶结物含量高达25%，高岭石含量为20%左右，这一层段正是对应了膏盐层和灰岩的集中发育段，大量的碳酸盐胶结物充填原生孔隙，并有效阻滞压实作用的发生；早成岩B期，随着埋深的不断增大，机械压实作用持续进行，碳酸盐胶结物含量升高并一直持续到3 300 m(图5a-b，图6)，当烃源岩埋深超过2 800 m时，镜质体反射率(Ro)达到0.5%，烃源岩开始排出有机酸，碳酸盐胶结物开始溶蚀，长石、岩屑微弱溶蚀，颗粒呈点—线状接触，发育少量粒间—粒内溶孔(图5c)。

图5 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系储层主要成岩作用类型及成岩现象a.早期胶结作用强，红色方解石大量充填原生孔隙，原生孔隙所剩无几，后期溶蚀作用微弱，有少量粒间溶蚀孔发育，罗354井，2 964.9 m，5×10(-)；b.早期胶结作用强，碳酸盐胶结物大量出现，抑制压实，中后期溶蚀作用中等，产生少量粒间孔及铸模孔，义160井，3 129.29 m，5×10(-)；c.早期胶结和后期溶蚀作用都较弱，早期红色方解石胶结充填原生孔隙，后期方解石胶结物和长石、岩屑被溶蚀，产生粒间溶孔，罗802井，2 022.5 m，5×10(-)；d.后期溶蚀作用强烈，早期胶结物基本被完全溶蚀，长石、岩屑部分溶蚀，产生大量粒间、粒内溶蚀孔，罗803井，2 235.29 m，10×10(-)；e.压实作用强烈，长石、岩屑被大量溶蚀，产生较多次生孔隙，义161井，3 480.65 m，5×10(-)；f.压实作用强烈，溶蚀作用中等，粒间、粒内溶蚀孔隙发育，义东261井，4 089 m，5×10(-)Fig.5 Types and phenomena of diagenetic effects of Paleogene reservoirs, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

图6 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系成岩环境及成因分析Fig.6 Diagenetic environment and genetic analysis of Paleogene in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

中成岩A期，当烃源岩埋深超过3 300 m，且Ro>0.7%时，有机质热演化程度增强，有机酸数量增多，大量有机酸完全中和掉早期的碱性流体，先期的碱性成岩环境逐渐变为酸性成岩环境；伴随着烃源岩热演化，地层产生异常高压，有机酸在异常高压的驱动下向地层中运移，各类型储集体大量出现了溶蚀现象，且埋深越大，溶蚀作用越强烈，早期碳酸盐胶结物以及长石、岩屑普遍被溶蚀(图5d)，方解石含量降低到10%以下，高岭石、增生石英含量逐渐升高，在压实强烈的紧密储层中发育了相当数量的粒间、粒内溶蚀孔隙(图5e-f，图6)。中成岩B期，当埋深到达4 000 m时，Ro>1.0%，进入生凝析气、湿气阶段；随着埋深的不断增大，有机酸的影响作用越来越弱[18-19]，逐渐演变为中酸性、弱酸性环境；铁质碳酸盐胶结物出现，颗粒呈凹凸接触，颗粒间及颗粒与胶结物之间出现裂缝。

3.3 酸碱共控成储机制

渤南洼陷沙四上亚段为半深湖盐湖相低位体系域沉积，发育了膏质泥岩、膏岩、灰岩和暗色泥岩的互层沉积。成岩作用早期，伴随着膏岩的脱水作用，在碱性成岩环境下，碳酸盐胶结物广泛发育，其中在2 800 ～3 300 m胶结作用格外强烈，随着压实作用和碳酸盐胶结作用加强，储集物性变差，大量的碳酸盐胶结物充填原生孔隙，并有效阻滞压实作用的进行，为后期酸性溶蚀创造了条件；当埋深超过3 300 m时，镜质体反射率大于0.7%，暗色泥岩、膏质泥岩进入主要的生排烃阶段，有机酸也大规模排出，这时成岩环境演变为酸性，伴随而来的是成岩作用的改变，这种改变首先体现在早期碳酸盐胶结物被大量溶蚀，由溶蚀作用增大的孔隙度大于压实作用减少的孔隙度，因此形成了次生孔隙发育带；当埋深超过4 000 m时，Ro>1.0%，并随着深度的增加，有机酸的波及程度降低，加之埋藏较深，压实作用已十分强烈，形成的致密储层在溶蚀作用减弱的情况下孔隙度总体较低，仅有少许溶蚀作用形成的次生孔隙存在(图7)。

图7 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街组四段碎屑岩成岩演化及储层发育模式Fig.7 Diagenetic evolution of clastic rocks and reservoir development model of fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

在成岩流体作用下，先期碱性流体形成碳酸盐胶结，抑制压实，保护了原生孔隙结构；后期酸性流体溶蚀碳酸盐胶结物，形成次生孔隙。酸性地层流体和碱性地层流体交替控制了有效储层发育，是深层优质储层发育的主要机制。

4 有利储层预测

渤南洼陷深层古近系沙四段优质储层的发育，受膏盐层分布、烃源岩分布、断裂体系展布与沉积储层展布的控制。首先，膏盐层发育决定了早成岩期碱性流体的分布，在渤南洼陷沙四段沉积期膏盐层非常发育，平面上主要分布在洼陷的中部，呈团块状近东西向展布，厚度最大可达100 m，厚度高值区集中在东、西2个次洼中，展布范围较大(图8a)；其次，烃源岩发育决定了中成岩期酸性流体的分布，从沙四上亚段湖侵体系域的烃源岩展布看，其厚度高值区集中在洼陷北部的深洼带，向南烃源岩厚度逐渐变薄，但展布范围一直延伸到南部缓坡盆缘处(图8b)；再次，断裂体系对酸碱流体起输导作用，沙四段顶面断裂系统总体上较发育，主要可分为近东西向与北东向两组断裂体系，在膏盐层和烃源岩发育区断裂系统也较发育，为酸碱流体的流动提供运移通道(图8c)；最后，砂岩发育是优质储层发育的关键，只有在膏盐层分布、烃源岩分布、断裂体系展布与沉积储层展布叠合的区域，才可能形成深部优质储层。渤南洼陷优质储层发育于北部陡坡近岸水下扇沉积区和南部缓坡扇三角洲沉积区(图8d)，其中在北部发育的近岸水下扇优质储层向前推进距离较远，在纵、横向上和多套膏盐层和烃源岩叠置对接。

图8 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷古近系沙河街组四段优质储层发育相关要素平面分布a.膏盐层分布；b.烃源岩分布；c.断裂分布；d.砂岩分布Fig.8 Factors related to development of high-quality reservoirs in fourth member of Paleogene Shahejie Formation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

纵向上膏盐层发育段是碱性流体影响强烈层段，而酸性流体的影响范围及作用强弱在不同深度段的表现有所不同，其中2 800～3 300 m为弱酸性，3 300～4 000 m为中酸性，4 000 m以深酸性环境逐渐变弱。酸碱流体共同作用的3 300～4 000 m层段是深部优质储层发育段。因此，渤南洼陷沙四段优质储层发育区为受酸碱流体影响强烈的缓坡扇三角洲和陡坡近岸水下扇中前端砂体(图8)。

5 结论

(1)渤南洼陷沙四段发育了盐湖—咸化环境的湖相碎屑岩沉积，湖盆中心以大面积分布的膏盐沉积为特征，由盆缘向洼陷中心依次为砂砾岩区、含膏泥岩区、灰岩泥岩区。砂砾岩岩性以岩屑长石砂岩为主，黏土矿物是填隙物重要的组成部分，胶结物以方解石为主，长石颗粒形成的铸模孔是主要的孔隙类型。

(2)渤南洼陷沙四段碎屑岩经历了早成岩期碱性成岩环境，碳酸盐胶结物充填原生孔隙并有效阻滞压实作用的发生，保护了原生孔隙结构；中成岩期，有机酸在异常高压的驱动下向地层中运移，早期碳酸盐胶结物以及长石、岩屑普遍被溶蚀，发育了相当数量的粒间、粒内溶蚀孔隙。酸性流体和碱性流体交替作用控制了有效储层发育，是深层优质储层发育的主要机制。

(3)渤南洼陷深层古近系沙四段优质储层的发育，受膏盐层分布、烃源岩分布、断裂体系展布及沉积储层展布的控制，酸性和碱性流体共同作用对应的埋深3 300～4 000 m层段是深部优质储层发育段，为缓坡扇三角洲和陡坡近岸水下扇中前端砂体。