辽河拗陷大民屯凹陷古近系碎屑岩储层沉积学特征

第1章绪论 1.1储层沉积学 1.1.1储层沉积学基本概念 储层沉积学（Reservoir Sedimentology）是从沉积学派生出来的一个应用学科分支，如同人们所熟知的层序地层学一样。它指综合利用地质、地震、测井、试井等资料和各种储层测试手段研究油气储集体形成的沉积环境、成岩作用及形成机制，分析与确定储层的地质信息，提高油气勘探与开发效果的一门综合性学科。它主要是研究碎屑岩、碳酸盐岩、火山岩和基岩储层的形成、演化、分布，及其成分、结构、构造等基本特征的一门科学，是沉积学理论与油气勘探开发实践密切结合的结果（赵澄林，1998）。一般来讲，石油和天然气生成于沉积岩中，也主要储集在沉积岩中。从沉积岩石学、沉积学以及岩相古地理学角度出发，深化对各类油气储层形成的研究，可以为油气勘探开发提供更多科学依据，因此，对储层沉积学的深入研究有着重要的理论和实际意义。储层沉积学的任务是应用沉积学理论和相分析方法与手段，描述各种环境下形成的油气储集体的沉积特征及其非均质性，是沉积学和储层地质学的一个重要分支，属于应用沉积学（Applied Sedimentology）的范畴（赵澄林，1998）。 1.1.2储层沉积学发展 储层沉积学的发展与石油工业息息相关，随着石油勘探开发工程的不断深入，作为油气藏三大要素之一也是唯一贯穿整个石油勘探开发过程的地质因素的储层逐渐受到地质学家的重视。随着20世纪60年代世界上一系列大油气田的发现，石油地质学家和油藏工程师希望以较少的钻井资料，对油气储层的特征与分布做出较为正确的评价与预测，并在勘探开发中取得较好的经济效果，这就要求对油气藏尤其是储层的空间展布与内部物性的变化规律做出科学的描述和预测。由于这些实际生产的需要，运用沉积学来解决石油勘探开发中的储层特征描述及分布问题的方法就应运而生，而且立即引起石油地质学家和油藏工程师们的高度重视，储层沉积学也就随之诞生了。当然对这一学科的问题和内容，沉积学家们早已有很多关注和著述，但是*早以储层沉积学内容为主题在国际学术会议上专门开展讨论的则是美国石油工程师学会1976年秋季年会，主要论文发表于《石油工艺杂志》1977年7月号，当时编者以新的“里程碑”评价这一期刊物，正式以“储层沉积学”命名的是1987年SEPM出版物（裘亦楠，1992）。70年代后期，随着石油工业的迅速发展和各种测试手段的涌现，储层沉积学逐步走向成熟，储层沉积学的发展从传统注重储层地质研究角度，向综合应用多学科知识发展，至今已成为一门综合性学科，涵盖地质学、沉积学、地球物理、地球化学等学科，从碎屑岩和碳酸盐岩储层研究对象逐渐扩展为火成岩、变质岩等特殊储层，极大地丰富了储层沉积学的研究内容（杨仁超，2006），在油气勘探开发的实践中得到许多成功的应用。80年代产生了一大批储层沉积学的著作和成果，20世纪末，美国著名石油工程师Richardson把储层沉积学列为2000年提高石油采收率的五大关键因素之一。 我国开展储层沉积学研究也始于20世纪70年代初期，为适应大庆油田进入全面注水开发阶段，首先开展了大型湖盆河流-三角洲砂体储层的工作。随着以渤海湾盆地为主的东部油气田的不断发现和开发，储层沉积学也得到了相应的飞速发展。由于我国的石油地质特点是现有的产油盆地都属陆相湖盆，90%以上的石油储量赋存于陆相碎屑岩储层中，因此，我国储层沉积学一开始就有着自己的特色（裘亦楠，1992）。我国以《储层沉积学》命名而出的书则是1990年原中国石油天然气总公司科技情报研究所翻译的1987年R.W.Tillman等人编写的论文集，所涉及的内容则是从沉积学的角度来讨论提高石油采收率的地质问题。80年代中期在裘亦楠先生的倡导下，原中国石油天然气总公司设立了“中国油气储层研究”的大课题，它不仅讨论油气开发中提高采收率的问题，同时还涉及油气勘探开发中许多针对储层研究的沉积学问题。它标志着中国的油气储层沉积学走向了成熟，并且进入全面开花的崭新时期。可以说，今天储层沉积学已应用到油气勘探开发各个阶段储层的综合评价中，并从石油领域拓展到其他矿产的评价与预测之中（于兴河，2002）。 1.1.3储层沉积学展望 目前，新的勘探方法和分析手段提供了详尽而可靠的地质、地球物理、地球化学、油层物理、测试分析等数据。为储层沉积学向多学科、多手段综合研究方向发展创造了条件，使储层研究成为全面、系统的工程（纪友亮，2015）。经过约50年的深入研究，储层沉积学进入了全面发展时期，即从勘探到开发各个阶段，从宏观到微观，从定性到定量全方位地对储层进行描述和预测。研究角度更加精细，研究方向更加全面，研究手段更加智能（杨仁超，2006）。研究对象从碎屑岩到碳酸盐岩，再到火成岩、变质岩，从陆相储层到深水、海相储层，从传统的石油天然气资源到页岩气、生物气和可燃冰等非常规天然气，储层综合研究是油气精细勘探开发的先行军。 传统地质学认为，油气储集层一般为高孔渗性的碎屑岩储集层与碳酸盐岩储集层，极少有火山岩甚至变质岩储集层。但在几十年的研究中发现，火山岩储集层低孔渗性的基岩在石油的赋存中体现了越来越重要的作用。碎屑岩储层作为*为常见的油气储层类型之一，目前其研究取得良好的进展，特别是近年来对于碎屑岩储集性能的研究取得了一个较为完整的认识。一般而言，原生孔隙在碎屑岩成岩作用过程中会大量减少，因此，在碎屑岩储集层中次生孔隙就显得尤为重要。有机酸和无机酸的作用使长石、黏土矿物等溶解，碱液作用下使石英溶解，表生作用下渗滤作用、循环对流作用及深部热液作用等对碎屑岩次生孔隙的形成有着重要作用（林春明，2019）。有人通过研究渤海湾盆地歧北斜坡沙河街组沙三段碎屑岩储集层指出，碎屑岩储集物性受物源供给、沉积相带和成岩作用三大因素控制，物源供给与沉积相带主要控制浅层（<3000 m）碎屑岩原生储集性能，成岩作用与异常高压主要控制中深层（≥3000 m）碎屑岩次生储集孔隙（汤戈和柳飒，2016）。由于储集层存在纵向上和横向上的不均质性，因此，储层渗流单元的划分在油气勘探开发中的作用显得尤其重要，碎屑岩储层渗流单元的成因研究和体系划分将成为今后储层地质学研究的一个方向（杨仁超，2006）。碳酸盐岩储层具有比碎屑岩储层更为严重的非均质性，正是裂缝和孔洞的渗透作用构成了碳酸盐岩裂缝-孔洞型储层。裂缝和孔洞是碳酸盐岩储层中*为重要的孔隙类型，对油气运移和储存起到重要作用，因此，碳酸盐岩的裂缝成为现今的研究热点之一，主要表现在裂缝的识别、几何参数的计算、裂缝发育程度和有效性的预测等方面（许同海，2005）。李德生（2001）利用“数字地球”现代化的信息技术来整合地球科学数据资料，包括地下地质信息、测井信息、地震信息和遥感信息等，解释出的裂缝和孔洞系统与产油气带吻合性很好。在20世纪90年代末期，随着油气勘探开发事业的发展，火山岩储集层研究开始兴起。由于不同学科之间的交叉、测试技术和计算机技术的发展及实验模拟设备的完善，火山岩的研究完全脱离了纯岩石学的范畴，而越来越重视含火山盆地的环境分析并应用火山地质学理论（谢家莹等，2000），谭开俊等（2010）从火山岩的矿物成分、化学成分、岩石结构、岩石系列类型与演化趋势以及火山作用、火山岩相与相模式、火山机构与火山构造等方面进行研究。这些火山岩储层的特点是产层厚、产率高、储量大。火山岩中还发现了数量可观的天然气，具有很大的储量和潜力（侯贵卿和孙萍，2000）。王全柱（2004）对惠民凹陷商河地区火山岩储层的裂缝产状及储层特征进行研究，确定了火成岩储层的评价方法，确定了四类储集层，指出有效裂缝带。张文杰等（2019）对准噶尔盆地东部北三台凸起地区石炭纪火成岩的研究认为，石炭纪的长期风化淋滤过程是储层形成的关键，是优质储层发育的必要条件，凸起高度和斜坡坡度决定了淋滤作用的强弱；海西期后形成的走滑断裂，控制着储层中后期构造裂缝的发育，对储层渗流能力有一定程度的改善。火山岩储层有其特殊之处，如发育原生的气孔和裂缝、在酸性条件下易溶成分含量高有利于形成次生孔隙、遭受埋藏前风化淋滤作用的改造等；甚至沉积岩中火山物质成分的存在有利于阻止粒间孔被硅质充填、促进孔隙的保存等。火山岩储层地质研究方面，在完善火山地层单元的原型模型、储层成因刻画方面还需要加强研究，如火山岩储层特殊的岩浆上升过程和喷发过程对于原生孔缝的形成过程及原生孔隙的控制因素分析，以及开展次生孔隙演化的压实、风化和胶结作用等单因素量化分析。基岩储集层由几种类型的岩石组成，这些岩石包括不同成分的岩浆岩（从酸性岩类到超基性岩类）、喷出岩和岩墙，以及不同变质程度的原生沉积岩和火山沉积岩（杨仁超，2006）。在一定的地质条件下，可能形成发育有良好孔渗性的基岩，在此条件下可能形成基岩油气藏，这些工业性的结晶基底油气藏很大程度上与花岗岩类（花岗岩、花岗闪长岩、浅色闪长岩）有关（侯贵卿和孙萍，2000）。我国任丘油田、渤海地区以及西伯利亚、中亚和越南油气田基底的有关资料以及世界其他地区公布的资料都表明，上述岩石中储层的形成是若干种不同作用的结果。基岩储层的形成是由交代作用、收缩作用、构造作用、岩浆期后作用及表生作用等作用形成的。 随着仪器设备和实验方法的进步、地球系统科学的兴起和大数据时代的来临，储层沉积学将会迎来新的发展变革。储层研究将以微观发展带动宏观的进步，更加深入地精细刻画储层物性，并利用先进的计算机手段复刻储层的成因过程、流体渗透过程、配合生产动态化研究，为实际开发提供成熟的方案。深入的微观研究意味着储层研究更为精细，微观孔隙结构、孔隙中的黏土杂基及自生黏土矿物等不仅对驱油效率有明显的影响，还会对储层产生不同程度的伤害，多种成岩作用对储层物性的多重影响和成岩相的划分界定一定程度上又决定了开发方法的采用，这一系列因素要求精细研究储层的微观非均质性（赖锦等，2013）。另外，由定性分析走向定量分析是不可阻挡的趋势，目前国内外将储层沉积学的重点放在讨论建立储层地质模型的技术问题上，模拟和建模技术一直是计算机研究的前沿技术，三维建模技术结合地震技术和测井技术可以更好地再现储层的整体结构，随着微观认识的加深，数值模拟可以发展精细的储层表征与建模技术，在非常精细的尺度上认识储层不同级别的非均质特征，对储层内部性质、驱油模式有更好的研究成果，为油田开发提供依据。大数据时代计算机技术的迅速发展，使得机器学习和深度学习方法解决地质学问题成为重要的研究方向，这为储层研究的智能化和多样化提供了物质前提。基于统计学方法，大数据和机器学习的加入可以更好融入模拟和建模之中，发现地质数据之间的深层联系，提高数据分析能力和模型效果。国内储层地质建模研究已走过30年，随着油气藏开发类型的丰富、开发程度的深入以及多学科的协同发展，对地下地质条件的认识将会不断加深、对储层结构的刻画将会更加准确，储层地质建模将迎来更大的发展。中国储层地质建模未来发展方向体现在：①深化基础理论研究；②完善建模技术和建模方法；③加快推进建模软件的国产化（贾爱林等，2021）。此外，多学科协同研究以及新型交叉学科的兴起必然是储层沉积学发展的又一大趋势，在过去储层研究过程中，沉积学、层序地层学、测井地质学、地震地质学、地球化学等学科与储层沉积学的交叉融合极大促进了储层综合研究的发展，并且产生了地震储层学、储层地球化学等新兴学科。大数据时代的来临和人工智能的发展带来了新的机遇和挑战，精细储层综合研究必将与多种学科、技术手段的发展齐头并进、交融渗透。未来的储层沉积学一定是集精细化、智能化、立体化为一体的服务于油气勘探与开发的综合性学科。 1.2储层沉积学的研究方法 沉积岩石学的研究方法包括野外和室内两方面，野外和室内要紧密结合。野外研究极其重要，是室内研究的基础，室内研究是野外研究的继续和深入，也是对野外初步认识正确与否的检验，定量分析和综合研究是使沉积岩石学不断向前的有效方法（林春明等，2021）。野外研究可初步鉴定沉积岩（物）的颜色、