对沧东凹陷孔二段储集层岩石学特征进行分析, 结果表明:石英含量15.6%~75.1%, 平均37.12%; 长石含量18%~77.3%, 平均44.48%; 岩屑含量0.8%~38%, 平均18.2%, 主要为岩浆岩岩屑。根据岩石类型三端元图可知, 研究区内储集层岩石类型主要为长石砂岩、岩屑长石砂岩(图 2)。分选系数1.3~2.1, 磨圆主要为次棱角— 次圆状, 以细砂岩和粉砂岩为主。

图 2

Fig.2

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	图 2 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段岩石类型(N=238)Fig.2 Rock types of the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdoxg sag, Bohai Bay Bosin(N=238)

根据研究区的物性实测数据统计, 研究区内孔隙度为2.1%~18.5%, 主要集中在5%~15%之间, 平均为11.01%(图 3-a), 渗透率为(0.01~73)× 10^-3μ m², 主要集中在(0.1~1)× 10^-3μ m²之间, 平均为5.82× 10^-3μ m²(图 3-b)。南皮斜坡孔二段储集层深度分布集中在3400~3700^-3m之间。由图 4可知, 研究区储集层物性随深度增加而变差, 其中在约3600~3700^-3m之间发育相对高孔渗储集层, 其孔隙度最高可达15%以上, 渗透率可达50× 10^-3μ m²以上。根据石油行业标准SY/T 6285-1997对储集层孔隙度进行分级, 储集层总体表现为低孔低渗— 超低孔超低渗特征, 部分为致密储集层, 局部发育物性相对较好的中孔中渗储集层。

图 3

Fig.3

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	图 3 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层孔渗分布(N=238)Fig.3 Pore and permeability distribution of Nanpi slope reservoir of the Second Member of Kongdian Formation in Cangdong sag, Bohai Bay Basin(N=238)

图 4

Fig.4

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	图 4 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层测井解释物性分布(N=1156)Fig.4 Logging interpretation of physical property distribution of Nanpi slope reservoir of the Second Member of Kongdian Formation in Cangdong sag, Bohai Bay Basin(N=1156)

研究区储集层孔隙类型主要为次生孔隙, 其次为粒间残余原生孔隙。根据铸体薄片面孔率鉴定结果, 研究区储集层次生孔隙占比为30%~100%, 主要分布于50%~80%, 平均为61.7%。由于刚性岩石颗粒(石英等)的发育及异常高压等因素, 部分样品的原生孔隙格架保存较好, 多呈棱角形(图 5-a), 扫描电镜下可观察到部分矿物表面发育黏土矿物包膜, 支撑颗粒, 形成残余原生孔隙(图 5-b); 次生孔隙主要为长石、岩屑溶蚀后形成的粒间孔和粒内孔(图 5-c), 偶尔可见由次生溶蚀作用形成的超大孔(图 5-d), 该类孔隙的互相连通有利于改善致密储集层的渗透率。

图 5

Fig.5

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	图 5 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段储集层储集空间类型及成岩作用Fig.5 Reservoir space types and diagenesis of the Second Member of Kongdian Formation in Cangdong sag, Bohai Bay Basin

南皮斜坡区孔二段的埋深普遍大于3000m, 压实作用较强, 破坏了大部分原生孔隙。根据薄片镜下观察, 压实作用主要表现为岩石颗粒接触关系的变化, 随着埋深增加, 地层压力增大, 颗粒间接触关系逐渐变为线接触, 部分样品发育缝合线接触, 使得储集层孔隙大量损失(图 5-e)。

南皮斜坡孔二段储集层胶结作用十分发育, 主要发育碳酸盐胶结、黏土矿物胶结、硅质胶结、石膏胶结等, 其中碳酸盐胶结及黏土矿物胶结发育最为广泛。

4.2.1 碳酸盐及石膏胶结

碳酸盐胶结为储集层主要的胶结类型之一, 南皮斜坡孔二段储集层碳酸盐胶结物主要为方解石、铁方解石和铁白云石。根据全岩XRD, 其含量为0.8%~11.9%, 平均为4.95%。在阴极发光下(图 5-f)可明显识别2期碳酸盐胶结物, 其中早期碳酸盐胶结物镜下表现为亮橙黄色, 分布广泛, 多呈嵌晶状胶结, 主要为方解石; 晚期碳酸盐胶结物镜下主要为亮洋红色, 颗粒形状一般较好, 此外部分晚期碳酸盐胶结物充填于被溶蚀的方解石胶结物或塑性矿物颗粒中, 主要为铁方解石、铁白云石, 总体上晚期碳酸盐胶结物含量相对较低。据铸体薄片观察可见, 早期碳酸盐胶结物主要发育于粒间残余原生孔或溶蚀程度较弱的粒间溶孔(图 5-g), 此外可见部分晚期碳酸盐胶结物充填被溶蚀的长石、岩屑孔隙或交代原始矿物(图 5-g, 5-h)。此外铸体薄片下可观察到少量石膏胶结, 石膏胶结形成于碳酸盐胶结之后, 通常使得储集层在发生碳酸盐胶结的基础上进一步致密化(图 5-h)。

4.2.2 黏土矿物胶结

根据黏土XRD及扫描电镜等分析可知, 南皮斜坡孔二段储集层主要发育伊/蒙混层、绿/蒙混层、伊利石、绿泥石、高岭石等, 自生黏土矿物含量较高, 其含量为3.1%~8.3%, 平均为5.45%; 其中以伊/蒙混层含量最高, 平均相对含量为43.14%, 平均绝对含量为2.33%; 绿/蒙混层含量最低, 平均相对含量小于8%。绿泥石主要以衬垫薄膜状、片状的形态附着于矿物颗粒之上, 常见于辫状河三角洲水下分流河道相; 高岭石及绿泥石含量较低, 主要以书页状、片状的形式存在于矿物粒间孔隙之中(图 5-i); 伊/蒙混层、绿/蒙混层、伊利石等含量较高, 在储集层中广泛分布, 其主要以膜状附着于其他矿物颗粒表面(图 5-b), 形成自生黏土矿物膜。

4.2.3 硅质胶结

根据镜下薄片鉴定分析结果可知, 研究区致密砂岩储集层中的硅质胶结的主要形式为石英次生加大, 根据矿物统计数据, 石英胶结物含量分布在0.3%~5.1%之间, 此外在扫描电镜下可观测到石英微晶颗粒充填于粒间孔隙中(图 5-j)与黏土矿物伴生, 形态良好, 或作为次生加大边存在(图 5-b)。

研究区储集层发育大量的长石、岩屑等易溶蚀物质, 丰富的不稳定组分为溶蚀作用提供了物质基础。储集层溶解作用主要受到酸性地层水或有机酸的影响, 在铸体薄片下可观察到储集层中长石及岩屑的溶蚀现象十分普遍, 储集层主要发育粒间孔隙(图 5-c), 少数较差的储集层可见大量连通性较差、半径较小的粒内微孔隙(图 5-e, 5-k), 部分长石或岩屑被彻底溶蚀, 形成超大孔(图 5-d), 部分长石溶孔沿其解理缝发育(图 5-l), 形成连通性较好的孔隙。

5.1.1 成岩演化阶段

根据黏土XRD实测, 研究区孔二段储集层中伊/蒙混层中的蒙脱石比分布在4.6%~33%之间, 平均为18.1%; 研究区内孔二段现今镜质体反射率R_O分布范围为0.6%~1.3%, 均值为0.9%; 根据埋藏史和地温演化史恢复, 现今孔二段深度为2900~3900m, 其地温范围一般为140~170℃(表 1)。根据《碎屑岩成岩阶段划分标准SY-T-5477-2003》, 确定南皮斜坡孔二段储集层处于中成岩A2— B期。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层 RO、地温及伊/蒙混层比测定 Table1 Measurement of reservoir RO, ground temperature and illite/smectite formation ratio in the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin 井号 深度/m RO/% 平均 地温 /℃ 伊/蒙混层 蒙脱石平均 占比/% 测 定 数 G108 3050~3102 0.898 150 29 23 G136 3075.26~3298.41 0.967 150 — 7 G995 2917~3480 1.027 140~160 — 14 GD14 4076~4143 1.267 170 — 29 X9 3524.8~3533.85 — 155 17 4 X10 3536~3551 — 155 22 8 X6-25-1 3526.3~3546 — 155 25.5 6 KN26 3903.6~3911.5 — 155 7 10

表 1 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层 RO、地温及伊/蒙混层比测定 Table1 Measurement of reservoir RO, ground temperature and illite/smectite formation ratio in the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

5.1.2 成岩演化序列

前人根据镜质组反射率、最大热解峰温、伊/蒙混层比等的分析, 结合镜下观察的自生黏土矿物发育特征及矿物间交切关系, 已初步建立沧东凹陷孔二段储集层成岩序列及演化规律模式(廖然, 2013), 但成岩演化模式中特别是碳酸盐胶结物、硅质胶结物与溶蚀作用之间的关系研究不清。因此需要在前人研究基础上, 针对成岩演化序列进行系统研究。

1)黏土矿物演化序列。根据铸体薄片及扫描电镜下不同矿物的充填切割关系发现, 主要黏土矿物(伊/蒙混层、绿泥石等)与原始储集层颗粒间存在互相包络的关系(图 5-b, 5-j), 因此大部分自生黏土矿物的生成贯穿成岩作用始终, 而自生高岭石等矿物一般与储集层溶蚀作用有关, 通常大规模发育于溶蚀作用期间。

2)硅质胶结物演化序列。据扫描电镜观察可知, 研究区储集层硅质胶结物部分发育于伊/蒙混层或绿泥石等黏土矿物膜形成之前(图 5-b), 而部分硅质胶结物则发育于黏土矿物薄膜形成之后(图 5-j), 自生石英颗粒形成并附着于矿物颗粒表面黏土矿物薄膜之上。研究区储集层存在大量包裹体赋存于石英加大边、石英加大边后期裂缝中(图 6-a至6-c), 包裹体均一温度分布范围为88~144℃(表 2), 分布范围较广, 表明南皮斜坡孔二段自生石英形成时间跨度大, 根据研究区古地温及埋藏史恢复(图 7)可知, 自早成岩期到中成岩A2— B期, 硅质胶结物均有分布。此外硅质胶结的形成, 通常与不稳定矿物长石组分溶蚀有关, 因此大规模的硅质胶结通常与溶蚀作用同期发生。

图 6

Fig.6

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	图 6 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层成岩矿物伴生包裹体Fig.6 Diagenetic mineral associated inclusions of reservoir in the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层成岩矿物伴生包裹体均一温度 Table2 Homogenization temperature of diagenetic mineral associated inclusions in Second Member of Kongdian Formation reservoir in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin 井号 深度/m 包裹体赋存位置 均一温度/℃ 成岩序列 测定数 Y23 3266.5 石英加大边 88~114 早期硅质胶结 8 Y21 3511.6~3601.2 石英加大边 107~123 早期、溶蚀期硅质胶结 5 X9 3522.18~3525.2 石英加大边后期裂缝 124~130 溶蚀期硅质胶结 59 X9 3524.8 石英加大边 114~143 溶蚀期硅质胶结 6 X9 3522 长石溶蚀带 122~146 长石溶蚀作用 5 X9 3524.1 碳酸盐胶结物 107~109、130~141 早期、晚期碳酸盐胶结 9 X10 3536~3547.8 石英加大边 114~144 溶蚀期硅质胶结 19 X10 3547.8 碳酸盐胶结物 124~136 晚期碳酸盐胶结 4 KN9 3809.1~3809.9 碳酸盐胶结物 96~106、121~148 早期、晚期碳酸盐胶结 39 KN9 3808.1~3809.9 石英加大边 119~133 溶蚀期硅质胶结 40 GD12 3404.7 碳酸盐胶结物 95~115、120~148 早期、晚期碳酸盐胶结 83

表 2 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层成岩矿物伴生包裹体均一温度 Table2 Homogenization temperature of diagenetic mineral associated inclusions in Second Member of Kongdian Formation reservoir in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

图 7

Fig.7

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	图 7 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段成岩演化Fig.7 Diagenetic evolution of the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

3)碳酸盐胶结物演化序列。据研究区的包裹体分析测试结果可知, 研究区储集层包裹体赋存于碳酸盐胶结物中(图 6-d), 根据包裹体均一温度测试(表 2)可知, 赋存于碳酸盐胶结物中包裹体均一温度分布范围广且呈现明显的2期, 表明研究区储集层中存在早期和晚期的碳酸盐胶结物。此外根据4.2.1中对铸体薄片及阴极发光的镜下观察(图 5-f至5-h), 早期碳酸盐胶结物分布广泛、部分呈嵌晶状胶结, 而晚期碳酸盐胶结物则主要发育于溶蚀孔隙中, 可以判断出研究区储集层碳酸盐胶结物存在明显的2期。

4)油气充注期次。据前人对研究区内油气充注时期的相关研究, 研究区油气充注的高峰期为3 0Ma左右(徐祖新等, 2016), 因此油气及有机酸充注时间处于2期碳酸盐胶结中间, 因此早期碳酸盐胶结主要形成于油气充注及溶蚀作用前, 而晚期碳酸盐胶结则主要形成于大规模溶蚀作用后。

结合油气充注特征、成岩阶段、地温埋藏史等条件共同约束分析, 在明确成岩作用特征及矿物生成先后关系的基础上, 建立南皮斜坡孔二段成岩演化过程如下: 早期碳酸盐、硅质等胶结→ 油气充注→ 长石、岩屑、早期碳酸盐胶结等溶蚀作用→ 溶蚀期硅质胶结、自生高岭石等生成→ 晚期碳酸盐胶结作用, 其中压实作用及大部分自生黏土胶结作用贯穿始终(图 7)。

5.2.1 孔隙度演化模型参数确立

根据对储集层成因机理的分析, 本研究认为, 沉积作用和成岩作用为储集层孔隙度发育的最主要和最直接影响因素。对沉积作用的分析表明, 储集层的岩石组分主要受到沉积作用的控制, 不同沉积微相储集层的原始孔隙度和填隙物类型差异较大, 最终导致不同微相间储集层成岩作用类型和强度有较大的差异(邹才能等, 2010; 陈冬霞等, 2012; 庞小军等, 2020; 王彤等, 2020)。成岩演化序列分析表明, 南皮斜坡孔二段储集层的孔隙演化经历了早成岩阶段(早期压实及胶结作用为主)、中成岩A1期(溶蚀作用为主)、中成岩A2期(压实作用和晚期胶结作用为主)、中成岩B期(压实作用为主)共4个阶段。其中, 早期强压实破坏了大部分的原生孔隙, 早期胶结主要为方解石等早期碳酸盐胶结物、黏土矿物胶结等, 破坏原生孔隙, 溶蚀作用主要受到油气充注的有机酸影响, 以形成粒间溶孔为主, 后期胶结作用则以方解石、铁方解石、铁白云石等晚期碳酸盐胶结物为主; 此外储集层中可见发育少量石膏胶结。因此在建立储集层孔隙度演化模型时, 主要根据“ 回剥法” (图 8), 对研究区孔隙度演化进行定量恢复, 选取主要沉积和成岩作用作为模型中的主要参数: 原始孔隙度(φ _o)、压实减孔量(φ _c)、早期碳酸盐胶结减孔(φ _ca)、硅质胶结减孔(φ _q)、溶蚀作用增孔(φ _d)、晚期碳酸盐胶结减孔(φ _cl)、除高岭石的黏土胶结减孔(φ _e)、高岭石胶结减孔(φ _k)、石膏胶结减孔(φ _g)。

图 8

Fig.8

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	图 8 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层“ 回剥法” 模式Fig.8 Reservoir stripping mode of the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

5.2.2 孔隙度演化模型建立与阶段划分

1)储集层原始孔隙度模型。原始孔隙度主要受到砂岩分选性的影响, 可以通过分选系数近似恢复原始孔隙度大小。本研究应用孔隙度定量计算公式, 依据储集层的初始孔隙度(φ _o)与Trask分选系数(S₀)之间的关系: φ _o=20.91+22.9/S₀来计算原始孔隙度(Lundegard, 1992; W. Allen, 1993; 陈冬霞等, 2012; 王彤等, 2020; 杨佳奇等, 2022)。

2)成岩减孔模型。研究区成岩过程中孔隙度的损失主要来自于压实作用和胶结作用。压实作用的强度可以通过压实减孔量(φ _c)来表示, 砂岩经历压实后的压实减孔量可以通过以下公式计算: φ _c=φ _o-φ (实测孔隙度)× φ _ri(粒间面孔率)/φ _r(总面孔率);

图 9

Fig.9

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	图 9 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段不同沉积微相孔隙演化Fig.9 Pore evolution of different sedimentary microfacies of the Second Member of Kongdian Formation in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

由压实作用导致的孔隙度变化与原始孔隙度呈指数关系, 其关系可以表示为φ _c=φ _o× e^(-cz), 由此可计算储集层砂岩压实系数C。胶结减孔强度可近似等于胶结物含量, 研究区胶结物以碳酸盐胶结(φ _ca、φ _cl)、黏土胶结为主(φ _e+φ _k), 发育少量硅质胶结(φ _q)及石膏(φ _g)。

3)成岩增孔模型。研究区成岩发育过程中增孔主要由溶蚀作用造成, 溶蚀作用形成次生孔隙量可由次生孔隙面孔率进行近似估算, 其关系为: φ _d=φ × φ _rr(溶孔面孔率)/φ _rd(总面孔率)

根据研究区在沉积过程中所经历的成岩作用, 结合研究区的地温埋藏史、成岩演化史, 利用储集层孔隙演化定量表征参数对其建立模型(表 3), 并针对不同沉积相, 恢复了孔二段储集层不同成岩期内的储集层孔隙演化模式(图 9)。

表 3

Table3

表 3(Table3)

表 3 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层不同沉积相孔隙演化参数 Table3 Pore evolution parameters of different sedimentary facies of the Second Member of Kongdian Formation reservoir in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin 沉积相 原始孔隙度 (φ 0)/% 现今孔隙度 (φ )/% 压实系数 (C) 黏土减孔 (φ e)/% 早期碳酸盐 减孔(φ ca) /% 硅质胶结 减孔(φ q) /% 晚期碳酸盐 减孔(φ cl) /% 石膏胶结 减孔(φ g) /% 高岭石 胶结 (φ k)/% 溶蚀增孔 (φ d)/% 河道主体 38.6 9.77 2.2x10-4 3.1 6.6 2.7 4.1 0.1 0.35 11.4 河口坝— 河道侧缘 34.1 8.32 2.6x10-4 5.9 4.4 2.6 1.4 0.1 0.3 9.49 席状砂 33.9 4.11 2.8x10-4 4.7 4.2 4.1 1.7 0.5 0.1 6.5

表 3 渤海湾盆地沧东凹陷南皮斜坡孔二段储集层不同沉积相孔隙演化参数 Table3 Pore evolution parameters of different sedimentary facies of the Second Member of Kongdian Formation reservoir in Nanpi slope of Cangdong sag, Bohai Bay Basin

5.3.1 早成岩阶段

早成岩阶段中, 孔二段储集层埋藏早期即发生快速埋藏作用, 到早成岩期时埋藏深度大致在1800m左右, 对应地质历史时期为孔一段沉积末期, 早成岩阶段影响孔隙度的主要成岩作用为压实作用、碳酸盐胶结作用、黏土胶结作用等。根据孔隙度演化模型及成岩演化模式, 在此阶段已有早期黏土胶结、碳酸盐胶结以及部分硅质胶结生成, 溶蚀作用基本不发育, 因此其成岩阶段模型为:

φ =φ _o× e^(-CZ)-φ _e× Z/3700-φ _ca× Z/2800-φ _q× Z/3700+0.25× Z/1800

孔隙度由原始的34%~40%下降到10%~20%。在这一时期储集层孔隙度下降速度较快, 受到主要减孔作用为较强的压实作用和碳酸盐胶结作用。压实减孔15%~25%, 伴随一定量的胶结减孔和少量溶蚀增孔。

5.3.2 中成岩A1期

中成岩A1期储集层埋深大致在1800~280 0m, 对应地质历史时期主要为孔一段末— 沙河街组末沉积期, 从中成岩A1期起, 油气开始大规模充注并发生大规模的溶蚀作用, 同时压实作用和胶结作用为储集层主要减孔作用, 此阶段的成岩模型为:

φ =φ _o× e^(-CZ)-φ _e× Z/3700-φ _ca× Z/2800-φ _q× Z/3700+φ _d× (Z-1800)/1900

在此期间孔隙度降至8%~15%左右。进入中成岩A1期后, 压实作用及胶结作用成为主要的储集层减孔作用; 增孔作用主要为溶蚀作用, 增孔量为5%~8%。

5.3.3 中成岩A2期

中成岩A2期储集层埋深大致为2800~3700m, 对应地质历史时期主要为沙河街组末— 馆陶组末沉积期, 在此期间孔隙度降至10%左右并发生储集层致密化。进入中成岩A2期后油气充注伴随大量的溶蚀增孔作用, 溶蚀后期的石英胶结、自生高岭石胶结、晚期碳酸盐胶结、石膏胶结逐渐开始形成, 此阶段的成岩模型为:

φ =φ _o× e^(-CZ)-φ _ca-φ _e× Z/3700-(φ _cl+φ _g+φ _k)× (Z-2800)/900-φ _q× Z/3700+φ _d× (Z-1800)/1900

在此期间孔隙度降至5%~12%左右。溶蚀作用较为发育, 增孔量为3%~7%, 同时压实减孔量达2%~8%。

5.3.4 中成岩B期

中成岩A2末期— 中成岩B期埋深大于3700m, 对应地质历史时期为馆陶组末沉积期至今, 此阶段除压实作用继续发育、减孔量为3%~5%以外, 其他成岩作用几乎不发育, 此阶段的成岩模型为:

φ =φ _o× e^(-CZ)+φ _d-φ _ca-φ _cl-φ _e-φ _g-φ _k-φ _q

经过一系列成岩作用后, 根据孔隙演化模型得到不同沉积相储集层平均孔隙度: 河道主体为9.64%, 河口坝— 河道侧缘为7.41%, 席状砂为3.28%, 与实测结果近似。