红层是以红色为主色调的陆相碎屑岩沉积层, 代表了炎热、干燥的古气候^[1-2]。红层中所含生物化石数量少, 沉积环境特殊, 剖面往往不太稳定, 又缺乏标志层, 研究起来比较困难, 但其中又不乏含矿层和油气藏, 因此越来越受到国内外学者的关注^[3-5]。近年在红层中已发现了油气资源。济阳坳陷东营凹陷是整个渤海湾盆地中红层油气发现率相对较高的凹陷之一, 累计上报探明储量2663万t, 控制储量2128.12万t, 预测储量10365.73万t, 展示出良好的勘探潜力和勘探空间, 而勘探实践表明储层是制约油气勘探的主要因素之一, 有利储层展布规律成为勘探的重中之重^[6-7]。前人研究认为红层储层在埋深过程中成岩作用是影响其孔隙度和渗透率的最关键作用, 王健等^[8-9]对东营凹陷红层储层成岩作用做过深入分析, 结果认为红层储层发育主要受控于多重碱性和酸性成岩环境交替演化和上升流作用机制2个方面的因素, 成岩环境的变化控制了储层成岩作用及储集空间分布格局。牛栓文等^[10-11]研究认为受控于成岩环境的差异, 东营凹陷红层储层不同成岩阶段成岩产物及强度差异明显, 并建立了红层储层碱性—弱酸性—中强酸性成岩环境控制下的早期强胶结、弱溶蚀到中晚期中等溶蚀、弱压实的成岩演化改造模式, 该模式控制下红层储层具有“早期原生孔隙快速下降、次生孔隙缓慢增长, 中晚期次生孔隙迅速增大、原生孔隙缓慢下降”的孔隙演化模式。前人研究成果重点强调了多重成岩环境控制下成岩作用对红层储层的控制作用, 但缺少沉积作用对储层控制的研究, 以及未对储层形成的主控因素进行综合分析。笔者深入剖析储层沉积特征、成岩特征、储集空间成因类型的基础上, 对红层储层物性的主控因素进行研究。

东营凹陷是一个位于济阳坳陷东南部的中、新生代断陷复合盆地，走向NEE(图 1)。东营凹陷东部新生代盆地受喜马拉雅运动控制，经历了3个断陷期，即孔店组-沙四段的初始断陷期、沙三段-沙二下亚段的断陷深陷期、沙二上亚段-东营组的断陷萎缩期。其中初始断陷期发育了孔二段、孔一段、沙四下亚段、沙四上亚段。孔一段-沙四下亚段以冲积扇、洪水-漫湖相的棕红色泥岩、砂岩和灰色砂岩为特征，俗称“始新统红层”(图 1)。

图 1

图 1 东营凹陷东部构造位置及地层柱状图 Fig.1 Structural-geologic columnar section and zoning maps of diagenetic environment, eastern Dongying Depression

东营凹陷东部孔一段沉积时期, 气候以干旱为主, 盆地不同构造部位发育的沉积相类型差异明显, 自南向北依次发育冲积扇、洪水-漫湖、滨浅湖、半深湖相(图 2)。冲积扇相紧邻广饶凸起, 以棕红色砂砾岩和紫红色泥岩不等厚互层为主, 夹少量灰绿色泥岩, 沉积物组分中石英、长石含量偏低, 石英含量约为42%, 长石含量约为38%, 岩屑含量普遍偏高, 约为18.5%, 分选磨圆差, 以上证据充分说明该沉积相带内岩石成分和结构成熟度均较低; 另外, 该类岩石的粒度概率曲线类型较多, 存在3种反映重力流的粒度概率曲线, 包括一段宽缓上拱式、低斜一跳一悬式、低斜滚动跳跃加悬浮式^[12], 并且沉积物中发育能够代表快速沉积的块状层理及代表水动力减弱的平行层理及槽状交错层理(图 3)。

图 2

图 2 东营凹陷东部沉积相平面展布 Fig.2 Sedimentary facies planar distribution map of eastern Dongying Depression

图 3

图 3 东营凹陷东部沉积特征 Fig.3 Sedimentary characteristics of eastern Dongying Depression

漫湖坪亚相主要发育在湖水面受季节性洪水补给作用影响的湖盆水域面积较小且地形起伏不大的浅水湖泊中, 由于湖平面较小, 湖水中波浪作用相对较弱, 湖水整体处于相对低能的沉积环境, 岩石类型以中粒长石岩屑砂岩、极细粒长石岩屑砂岩等为主, 浅水湖泊利于生物活动, 其中观察到了大量生物扰动构造及生物钻孔, 粒度概率曲线为反映牵引流为主的高斜两段式, 粒度变化区间小, 一般为2~8Φ, 跳跃次总体含量占绝对优势, 约60%~80%, 悬浮组分含量为20%~40%^[12](图 3)。

漫湖席状砂亚相的岩石类型以细粒长石砂岩等为主, 岩屑含量较漫湖坪亚相明显变少, 阵发性洪水流携带圆度较好的内碎屑以递变悬浮的方式在漫湖坪亚相中再沉积下来, 形成了具“结构退变”现象的沟道沉积, 因此这种内碎屑常具氧化圈^[5]。该类亚相中岩石粒度概率曲线主要为两跳加一悬式粒度概率曲线, 代表波浪作用的存在, 跳跃次总体占绝对优势, 两段跳跃次总体含量达到70%~80%, 悬浮次总体含量10%~30%, Φ值在1.5~4.0(图 3)。

漫湖滩坝亚相发育在滨浅湖, 由于水体盐度较大, 膏盐层发育, 沉积了以含硬石膏或含碳酸盐质极细粒长石砂岩、长石粉砂岩等, 主要发育平行层理、小型沙纹交错层理等, 粒度概率曲线以高斜跳跃加悬浮次总体为主, 悬浮次总体占绝对优势, 一般为60%~80%。至王46井北侧, 逐渐过渡为滨湖沉积, 到郝科1-胜科1一带, 发育浅湖沉积, 凹陷陡坡带发育范围较小的半深湖沉积^[12]。由此可见, 孔一段沉积时期红层发育冲积扇—洪水-漫湖—盐湖沉积体系(图 3)。

红层储层中主要发生了压实、胶结、溶蚀、交代4种成岩作用(图 3), 对储层具有控制作用的为压实、胶结、溶解3种成岩作用, 交代作用对其的影响可以忽略不计。红层储层经历了早期碱性和中晚期酸性成岩环境的共同影响, 早期碱性成岩环境中形成的碳酸盐胶结物为后期溶解作用奠定了物质基础, 从而形成了大量的次生孔隙。根据压实特征、成岩环境控制下的成岩作用类型, 对红层储层成岩作用特征进行分析。

东营凹陷东部红层储层从南部的深度1500m过渡到凹陷区的约4000 m, 埋深范围跨度非常大, 不同深度范围内压实作用差异性比较明显。压实作用主要表现在以下几个方面:①碎屑颗粒之间接触方式具有“点—点-线—线-点—线状—凹凸接触”的变化特征(图 4(a)~(d)), 以“点-线”和“线-点”接触最为普遍; ②部分塑性颗粒发生变形, 如泥岩岩屑、云母岩屑, 另外部分泥晶碳酸盐、黏土受到压实作用会发生假杂基化(图 4(c)); ③由于受到构造应力或上覆岩层压力影响, 石英、长石等刚性碎屑表面会发生脆性微裂纹(图 4(b))。

图 4

图 4 东营凹陷东部成岩作用类型 Fig.4 Types of diagenesis in eastern Dongying Depression

红层储层中发育大量反映早期碱性成岩环境的碳酸盐胶结物, 主要包括方解石、白云石胶结物, 还有少量硬石膏(图 3(e)~(k))。早期晶形较小的方解石、白云石在孔隙中以充填物形式沉淀下来, 晶形呈现隐晶、显晶、显微-微晶、微晶、微-细晶等结构, 大部分呈环带状结构分布在碎屑颗粒周围生长, 这一特征表明碳酸盐胶结物是在大规模压实作用发生之前形成的, 呈漂浮状态包围着碎屑颗粒生长(图 4(e)~(h)), 该类方解石是直接原始沉积物孔隙水中沉淀形成的。早期碳酸盐胶结物充填于粒间孔隙中, 支撑岩石颗粒骨架, 可提高砂岩抗压实能力, 并为后期溶蚀作用发生提供物质基础, 从而产生次生孔隙。另外, 薄片中观察到了能够反应碱性成岩环境的石英港湾状溶蚀特征, 溶蚀孔隙比较干净(图 4(l)~(m))。

红层储层成岩中晚期, 由于有机酸的大量注入, 使得储层成岩环境逐渐过渡为酸性。在该类成岩环境中, 早期碳酸盐胶结物、长石颗粒等大量溶解, 石英次生加大边大量出现(图 4(n)~(p))。

红层储层主要存在原生粒间孔、残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔等4类孔隙(图 5), 还有少量的晶间孔、层理缝和微裂缝。

图 5

图 5 东营凹陷东部孔一段红层储层储集空间类型 Fig.5 Resvoir space types of red bed of Kong1 Member in eastern Dongying Depression

(1) 原生粒间孔和残余粒间孔。孔隙分布不均, 孔隙中常充填石膏、伊/蒙混层I/S、伊利石等黏土矿物, 分布冲积扇和漫湖坪相带中(图 5(a)~(e))。

(2) 粒间溶孔。粒间溶孔是红层储层中重要的次生孔隙, 遍布各个相带的红层储层中, 尤其发育在漫湖坪、漫湖席状砂中, 主要包括碎屑颗粒被溶蚀形成的粒间孔隙、溶蚀扩大孔以及沉积物中胶结物被后期溶蚀形成的溶孔。红层储层中主要是石英、长石、早期碳酸盐胶结物发生溶蚀作用而形成的次生孔隙, 溶蚀的孔隙后期常被石膏、黏土矿物等充填(图 5(f)~(i))。该类孔隙具有“孔径大小不一、分选较差、形态多样、港湾状边缘”的特征。

(3) 粒内溶孔。该类孔隙是指在孔隙流体作用下, 岩石碎屑内部不稳定的矿物, 沿着颗粒结构薄弱面(解理缝、微裂缝、晶面等)发生溶蚀而形成的一类孔隙, 孔隙往往呈条带状、串珠状、网格状等形态。红层储层中可见到长石沿着解理面发生的破碎现象而形成孔隙(图 5(h)), 主要分布在漫湖坪、漫湖席状砂中。

通过对研究区10口井200多个孔店组红层储层孔隙度的统计, 结果表明:平面上, 储层孔隙度变化范围大, 从2%~25%均有分布, 整体具有自南向北储层孔隙度逐渐降低的趋势。纵向上, 孔隙度分布范围均较大, 一般在10%~20%区间分布较多(图 6)。但红层储层物性表现出由浅至深逐渐降低的趋势, 并且局部孔隙度和渗透率具有较高的次生孔隙发育带。

图 6

图 6 东营凹陷东部红层储层孔隙度平面分布与垂向变化 Fig.6 Planar distribution and vertical variation of porosity of red bed reservoir in eastern Dongying Depression

毛细管压力曲线表征岩石孔喉大小和分布, 大量统计结果表明:红层储层排驱压力一般为0.0954~3.36 MPa, 平均孔喉半径0.1482~7.632 μm, 属于细喉—微细喉, 以细喉为主, 储层孔径变化较大, 孔径最小仅2 μm, 最大达到43 μm, 平均孔径分布在10~30 μm, 部分小于10 μm, 孔隙属于中小孔—微孔。

沉积物的碎屑颗粒成分成熟度和结构成熟度会影响储层物性, 尤其是对储层渗透率具有重要影响^[13], 岩石成熟度越高, 储层中发育大孔隙同时渗透率较高, 反之, 孔隙连通性差, 渗透率较低。研究区不同沉积相带发育岩石类型及成熟度具有较大差异, 从而使得不同沉积相带控制下的储层孔隙结构和物性具有很大差异。冲积扇以粗粒级的砂砾岩为主, 岩石的成分和结构成熟度均较低, 储层排驱压力一般为0.11~3.23 MPa, 平均孔喉半径为0.368~7.632 μm, 属于细喉—微细喉, 以细喉为主, 储层孔径变化较大, 孔径最小仅为2 μm, 最大为33 μm, 平均孔径为10~30 μm, 孔隙属于中小孔(表 1), 但孔隙之间连通性较差, 平均渗透率35×10^-3μm²。漫湖坪以中粒长石岩屑砂岩、极细粒长石岩屑砂岩为主, 岩石的成分和结构成熟度中等, 储层排驱压力一般在0.0954~4.9629 MPa, 平均孔喉半径0.1482~4.949 μm, 属于微细喉—细喉, 以微细喉为主, 储层孔径变化较大, 孔径最小仅2 μm, 最大达到43 μm, 平均孔径分布在10~20 μm, 孔隙属于中小孔(表 1), 但孔隙之间连通性较好, 平均渗透率112.95×10^-3μm²。漫湖席状砂以细粒长石砂岩、漫湖滩坝以含硬石膏或含碳酸盐质极细粒长石砂岩、长石粉砂岩为主, 储层排驱压力一般在1.52~3.36 MPa, 平均孔喉半径为0.2125~0.4827 μm, 属于微细喉, 储层孔径变化较大, 孔径最小仅为2 μm, 最大为26 μm, 平均孔径均小于10 μm, 孔隙属于微孔(表 1), 虽然岩石成分和结构成熟度较高, 但是由于孔隙以微孔和微细喉为主, 导致孔隙连通性也较差, 前者平均渗透率3.94×10^-3 μm², 后者平均渗透率0.36×10^-3 μm²。

表 1

表 1 红层储层不同沉积相带储层孔喉结构和物性特征 Table 1 Different sedimentary facies belt reservoir pore roar structure and physical property characteristics in red-beds reserviors 沉积相 井号 深度 H/m 变异系数 排驱压力 p/MPa 平均孔喉半径/μm 平均孔径/ μm 孔隙度 φ/% 渗透率 k/10-3 μm2 冲积扇 王112 1564.55 0.8130 0.11 3.633 14.6 18.9 30.1 1571.15 0.7390 0.2016 2.633 21.1 17.3 45.3 王130 1953.40 0.7326 0.25 2.560 18.2 15.2 38.2 1954.20 0.8431 0.1259 3.520 17.3 16.1 24.3 1954.00 0.6215 0.1456 3.241 16.5 17.2 37.1 漫湖坪 王100 1801.60 0.5960 0.1486 2.530 14.9 25.3 111 1855.35 0.5750 0.0956 3.159 11.2 23.8 156 2178.85 0.5160 0.0956 3.859 10.3 22.4 143 2180.00 0.6290 0.1523 2.355 9.8 18.2 41.8 漫湖席状砂 官12 3320.60 0.6232 3.21 0.123 8.5 8.3 3.83 3321.70 0.5421 3.36 0.1523 9.6 7.6 2.36 3321.90 0.6213 2.96 0.1232 4.3 8.21 5.63 漫湖滩坝 郝科1 2945.30 0.7326 2.02 0.1162 2.9 2.5 0.52 2949.15 0.8431 1.52 0.1170 1.5 1.8 0.25 2950.65 0.9120 2.62 0.1232 3.2 2.9 0.29

表 1 红层储层不同沉积相带储层孔喉结构和物性特征 Table 1 Different sedimentary facies belt reservoir pore roar structure and physical property characteristics in red-beds reserviors

为了表征成岩作用对储集物性的控制作用, 利用不同构造带典型井镜下薄片观察结果、粒度分析资料、储层常规物性分析等资料, 对成岩孔隙改造量进行了恢复。首先利用BEARD D C提出的原始孔隙度(φ₀)与分选系数(S₀)之间的经验公式^[14]:φ₀=20.91+22.9/S₀, 其中S₀=P₂₅/P₇₅, P₂₅、P₇₅分别代表累积曲线上颗粒含量25%和75%处所对应的颗粒直径, 以16个原始粒度资料为基础, 做出各个样品的粒度概率曲线, 然后读取累积曲线上对应的P₂₅、P₇₅值, 计算分选系数S₀, 最终依据公式φ₀=20.91+22.9/S₀, 得到研究区红层原始孔隙度为27.5%-35.6%, 其中冲积扇砂体的原始孔隙度平均取值为28%(王斜95和王112井), 其他砂体均取原始孔隙度为35%。在成岩演化过程中, 胶结、压实是两类砂体减孔的成岩作用, 溶蚀是增孔的主要成岩作用。对于破坏性成岩作用对储层物性的影响, 运用HUOSEKNECHT D W提出的计算公式^[15]:

式中，Copl为压实减孔量; Cepl为胶结减孔量; OP为原始孔隙度; IGV为粒间体积; CEM为粒间胶结物总量。溶蚀作用对储层物性的影响, 主要利用镜下薄片进行溶蚀面孔率的观察。利用以上公式对不同沉积相带成岩改造孔隙量进行了计算(表 2)。

表 2

表 2 东营凹陷东部红层储层不同成岩环境控制下的成岩孔隙改造量 Table 2 Different diagenetic transformation into rock under control of environment in red-beds reserviors, Eastern of Dongying Depression 典型井 深度 H/m 溶蚀增孔量/% 压实减孔量/% 胶结减孔量/% 王112 1805.92 2.32 5.39 8.25 王130 1686.41 2.43 5.67 8.96 1685 2.17 5.84 8.37 1688.9 1.85 5.75 7.27 1692 2.43 5.25 8.17 王135 1745 8.35 8.19 9.54 1749.2 8.37 8.29 8.93 1753.73 8.94 8.68 9.87 王131 1781 8.48 7.66 9.14 1784 8.26 8.73 10.73 1793 8.15 7.71 8.87 王46 2851 8.17 19.57 11.12 2953.5 8.54 19.87 11.54 2956 8.65 20.16 11.99 2998 8.84 20.49 10.18 官12 2945.69 8.17 19.64 10.42 2948.25 8.29 20.15 10.59 郝科1 3969.9 2.15 28.26 11.21 3974.9 2.37 27.68 13.20 3983.6 2.09 27.94 13.50 3995.3 1.78 28.16 11.80 4016.3 1.96 28.85 12.60

表 2 东营凹陷东部红层储层不同成岩环境控制下的成岩孔隙改造量 Table 2 Different diagenetic transformation into rock under control of environment in red-beds reserviors, Eastern of Dongying Depression

压实作用是造成红层储层孔隙损失的重要因素之一^[16]。红层储层压实作用主要受控于深度和填隙物的影响, 当深度大于2200 m时, 压实作用主要由深度控制, 即上覆岩层应力作用, 表现特征如下:深度在2200~3000 m时, 颗粒以“线—点”接触为主, 压实减孔量8.21%(图 3(b)); 深度在3000~4000 m时, 颗粒以“线”接触为主, 压实减孔量约为19.98%(图 3(c)); 深度大于4000 m, 颗粒之间呈“凹凸”接触, 压实减孔量约为28.18%(图 3(d))。当深度大于2200 m, 压实作用主要受控于沉积和成岩过程中产生的填隙物影响, 当填隙物含量大于30%时, 由于填隙物对骨架颗粒的支撑作用, 导致压实作用减弱, 以“点”接触为主, 填隙物含量小于30%时, 以“点—线”和“线—点”为主(图 3(a)), 两者之间没有明显界限, 压实减孔量约为5.58%。红层储层的压实程度由浅到深逐渐加强, 深度大于4000 m的储层压实作用强, 颗粒呈凹凸接触, 2200~4000 m的储层压实作用中等, 颗粒呈线接触, 而深度小于2200m的储层, 压实作用弱, 其中填隙物含量越高, 储层压实作用越弱。

红层储层中胶结物以碱性成岩环境中形成的碳酸盐和硬石膏胶结物为主^[17], 其他类型胶结物较少, 可以忽略不计。碱性成岩环境具有自湖盆中心向边缘逐渐变弱的整体特征, 离湖盆中心越近, 水体古盐度越大, 开始出现大量石膏和碳酸盐胶结物, 以团块状围绕碎屑颗粒生长为主, 部分以细粒形式分散在颗粒之间, 胶结物含量高, 胶结减孔量平均在11.65%(以郝科1、王46、官12井为主); 远离湖盆中心, 早期碱性成岩环境变弱, 主要在碎屑颗粒之间发育分散环带状胶结物, 胶结物含量降低, 胶结减孔量平均在8.91%(以王130、王135、王112井为主)。

红层储层中溶解作用以酸性成岩环境中早期碳酸盐胶结物和长石的溶蚀为主, 少见石英溶蚀现象, 对储层物性的贡献可以忽略不计。酸性成岩环境具有自湖盆中心向边缘逐渐变弱的整体特征, 离烃源岩越近, 溶蚀孔隙越发育。靠近烃源岩长石和早期碳酸盐胶结物的溶蚀面孔率平均值为2.117%, 溶蚀增孔量为8.33%(以王46、官12、王130、王135等井为主); 远离烃源岩发育区, 有机酸随着运移距离的不断增大, 其浓度大大降低, 溶蚀面孔率大幅度降低, 平均值0.833%, 溶蚀增孔量2.24%。另外在烃源岩中心发育的漫湖滩坝相的砂体, 由于不发育储层与烃源岩沟通的断层, 烃类和有机酸难以进入储层, 所以其溶蚀面孔率极低。

(1) 东营凹陷东部孔一段沉积时期红层发育冲积扇—洪水-漫湖—盐湖沉积体系, 储层主要发育在冲积扇、漫湖坪、漫湖席状砂、漫湖滩坝中, 储层中主要发生了压实、胶结、溶蚀、交代4种成岩作用, 其中胶结作用以早期碱性成岩环境控制下的环带状碳酸盐和硬石膏胶结物为主, 溶蚀作用以中晚期酸性成岩环境控制下的早期碳酸盐胶结物和长石溶蚀为主, 少量石英溶蚀现象。储层主要存在原生粒间孔、残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔等4类孔隙, 还有少量的晶间孔、层理缝和微裂缝。

(2) 储层受控于沉积作用和成岩作用控制, 前者主要表现为岩石粒径和成熟度对储层孔隙结构和物性的影响, 红层储层多类型的沉积相中发育的岩石粒径和成熟度具有较大差异, 其控制下的储层孔喉结构和物性具有很大差异; 后者对储层物性的影响主要表现为压实作用、胶结作用和溶解作用, 其中压实作用受控于埋深和填隙物含量多少, 埋藏越浅的构造带离物源越近, 填隙物含量越高, 从而使得压实减孔量越小; 离湖盆中心越近, 早期碱性成岩环境越强、中晚期酸性成岩环境越弱, 碳酸盐和硬石膏胶结物含量越高, 胶结减孔量11.4%, 碳酸盐胶结物和长石溶蚀面孔率越高, 溶蚀增孔量可达8.39%;反之, 胶结减孔量和溶蚀减孔量变小, 分别为7.24%和1.85%。