楊勇強, 師 政, 邱隆偉, 劉魁元, 單寶杰, 陳 程

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室,山東青島266071; 3.中國石化無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇無錫214126;4.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海 200092; 5.中國石化勝利油田有限公司河口采油廠,山東東營 257200)

湖相碳酸鹽巖作為濟陽坳陷內(nèi)的一種非常規(guī)儲層,已在24個油田取得突破,油氣探明儲量達(dá)7 000多萬噸,具有較大的勘探潛力[1-2]。湖相碳酸鹽巖儲層相帶窄、相變快,且經(jīng)歷了多期成巖作用的改造,導(dǎo)致其儲層非均值性強[3]。多期巖溶作用是碳酸鹽巖儲層孔隙系統(tǒng)形成的重要作用之一[4-5]。溶蝕流體的來源主要包括原始的孔隙水或黏土、石膏和其他蒸發(fā)鹽脫水作用所釋放出的流體[6-7],大氣淡水,泥巖壓實釋放的地下水和有機質(zhì)熱演化過程所釋放的酸性流體。按照溶蝕作用發(fā)生的環(huán)境,可劃分為準(zhǔn)同生巖溶儲層、風(fēng)化殼巖溶儲層、埋藏巖溶儲層,主要的儲集空間主要包括溶洞、溶孔、裂縫等[8-12]。前兩種巖溶儲層的分布往往受控于不同級別的層序界面,這些界面可以是向上變淺的米級旋回形成的短期暴露面,也可以是與區(qū)域性大地構(gòu)造事件作用下形成的不整合面,這類巖溶儲層的分布也往往具有可預(yù)測性[13]。在干酪根熱演化過程中所釋放的有機酸的影響下,深部的碳酸鹽巖的穩(wěn)定性快速降低,易形成溶蝕孔隙[14-15],這類溶蝕孔隙的分布也往往受控于區(qū)域的不整合面[16]。筆者以濟陽坳陷四扣洼陷古近系沙四上亞段發(fā)育的湖相碳酸鹽巖儲層為研究對象,通過巖心、薄片和測錄井等資料對湖相碳酸鹽巖儲層中同生期巖溶、早期近地表巖溶、表生期巖溶和埋藏期巖溶儲層的宏觀和微觀特征進(jìn)行分析,研究多期巖溶作用對有利儲層發(fā)育的控制作用,總結(jié)其在層序地層格架內(nèi)的分布規(guī)律,建立基于層序地層的巖溶儲層發(fā)育模型,為類似湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層的預(yù)測提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

四扣洼陷位于濟陽坳陷沾化凹陷的中西部,以義東斷層為界與義和莊凸起相鄰,位于義東斷裂帶的下降盤。整個洼陷為一北東—南西走向的狹長的次級負(fù)向構(gòu)造單元,具有“北斷南超、東西雙斷”的特點[17]。東西走向的斷裂帶將其與北部的渤南洼陷分隔,南部與陳家莊凸起相接;東部與南北走向的羅家鼻狀構(gòu)造帶相接;西部則通過義東斷裂與義和莊凸起相連。沙河街組四段沉積時期,四扣洼陷開始進(jìn)入深陷期,邊界斷層活動強烈,整個洼陷與周緣地區(qū)地形差異較大,整體表現(xiàn)為南北陡而東西緩的特征。氣候干燥炎熱,周緣母巖以古生界為主,湖盆內(nèi)主要發(fā)育砂礫巖、石灰?guī)r、白云巖、膏鹽和油頁巖沉積[18]。由于后期遭受剝蝕,地層厚度為4.5～1 735.5 m。沙四上亞段的底部多以陸源碎屑沉積為主,而碳酸鹽巖、油頁巖和高巖多分布于地層的頂部。

受湖盆周緣碳酸鹽巖母巖的影響,沙四上亞段時期湖盆邊緣主要發(fā)育各類碳酸鹽巖沉積,生物礁(丘)主要分布在四扣洼陷西北部緊鄰義東斷裂帶的斷階臺地帶, 為本區(qū)碳酸鹽巖沉積厚度最大的區(qū)域,生物礁呈北東—南西向展布,北至義東20井,南至義深2井,生物礁(丘)單個規(guī)模并不大,但往往成片分布;主要的造礁生物是中國枝管藻、山東枝管藻及龍介蟲的棲管化石,附礁生物有湖相介行類、腹足類、輪藻、雙殼類、有孔蟲及魚類等化石及其碎片,介形類主要為南星介。其主要由礁前、礁基、礁核、礁坪和礁核5個微相組成,礁核部位造礁生物相對比較發(fā)育,單個相帶的規(guī)模小。南部邵家斜坡帶主要發(fā)育大面積的淺灘沉積,根據(jù)巖石類型的不同,可分為內(nèi)碎屑灘、鮞粒灘、藻粒灘、生屑灘和灘間5種微相類型[19];而湖盆中心發(fā)育咸水湖沉積,巖性以較純的膏鹽和暗色泥頁巖為主,具有同心環(huán)帶狀分布特點(圖1)。

2 層序地層格架

地震界面的接觸關(guān)系表明四扣洼陷沙四上亞段為一個完整的三級層序,其與上覆(沙三下亞段)和下伏地層(沙四下亞段)皆為不整合接觸關(guān)系。層序的形成過程中,經(jīng)歷了古氣候由干旱向半潮濕轉(zhuǎn)變,湖平面加深在降低,晚期經(jīng)歷構(gòu)造運動,地層整體抬升遭受剝蝕。湖盆低水位時期主要發(fā)育濱淺湖、灘壩和扇三角洲沉積,湖侵和高位體系域發(fā)育期,濱淺湖環(huán)境廣泛發(fā)育灰色碳酸鹽巖,而洼陷帶主要發(fā)育暗色油頁巖、膏鹽和鹽巖沉積(圖2,位置見圖1中A-A′)。低水位時期湖泊水位相對較低,沉積范圍較小,地層主要分布在義東斷裂帶東側(cè),而南部邵家地區(qū)由于地勢較高,低位體系域具有逐漸減薄的趨勢;湖侵體系域時期,湖平面上升,湖域面積變大,沉積范圍向湖盆邊部擴張,垂向上多表現(xiàn)為下粗上細(xì)的正序;高位體系域時期,湖平面早期相對穩(wěn)定,而晚期開始緩慢下降,造成沉積中心向湖盆中部遷移,測井曲線上多表現(xiàn)為下細(xì)上粗的反序特征[19]。由于沙四段沉積后期經(jīng)歷了區(qū)域構(gòu)造抬升,發(fā)生剝蝕作用,高位域僅在研究區(qū)北部的義東斷裂帶下降盤和湖盆中部的深洼帶可見,南部邵家地區(qū)的高位域時期的地層被剝蝕殆盡(圖2)。

圖2 四扣洼陷沙四上亞段剖面沉積相圖Fig.2 Sedimentary cross section of Es4s in Eocene around Sikou sag

3 巖溶作用類型及特征

四扣洼陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖儲層主要經(jīng)歷了同生巖溶作用、早期近地表巖溶、表生巖溶作用和埋藏巖溶作用。其中同生巖溶、早期近地表巖溶和表生巖溶作用主要與大氣淡水成巖環(huán)境有關(guān)。同生巖溶是指在(準(zhǔn))同生期,高能的礁灘體暴露于大氣環(huán)境中,不穩(wěn)定的礦物遭受不飽和大氣淡水的淋濾,發(fā)生選擇性的溶蝕;隨著湖平面的持續(xù)下降,早期形成的沉積物脫離水體,暴露于大氣淡水環(huán)境中,遭受的大規(guī)模非選擇性溶蝕作用被稱為早成巖近地表巖溶;表生巖溶作用主要是對已經(jīng)完成礦物穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變、且固結(jié)成巖的碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕,其發(fā)生的時間相對較長;埋藏巖溶作用是指地下流體在中—深埋藏階段對碳酸鹽巖儲層進(jìn)行的溶蝕作用,為相對封閉的體系。四扣洼陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖地層中4類巖溶作用在基本特征和空間分布上存在較大差異。

3.1 同生期巖溶作用

與海相環(huán)境相比,湖泊中的湖平面變化更為頻繁,同生巖溶作用也更為常見。這類巖溶作用在沙四上亞段內(nèi)湖侵體系域和高位體系域中都有發(fā)育。在沉積期,生物丘、灘相的沉積速率較快,具有正向的沉積地貌。顆粒組分往往未固結(jié)成巖,一旦湖平面相對下降,這些高能的礁灘相沉積體便接受大氣淡水的影響,文石和高鎂方解石等不穩(wěn)定礦物遭受溶蝕,形成大量的粒內(nèi)溶孔和鑄?？紫?圖3(a)),攜帶泥晶組分充填于孔隙底部,形成示頂?shù)讟?gòu)造,上部往往被晚期方解石充填(圖3(b))。受重力作用的影響,顆粒間常發(fā)育懸垂形和新月形膠結(jié)物。

圖3 四扣洼陷沙四上亞段同生期和早期近地表巖溶的微觀特征Fig.3 Micro-characteristic of syndepositional karstification and early phase near surface karstification of Es4s, Sikou Sag

3.2 早期近地表巖溶作用

早期近地表巖溶作用往往與湖平面大面積萎縮所形成的短期暴露面有關(guān),多分布于湖盆邊部的地層中[21]。高位體系域時期,湖平面持續(xù)下降,利于這類巖溶作用的形成。早期形成的高能環(huán)境的礁灘沉積體未經(jīng)歷埋藏作用,直接暴露于地表環(huán)境,這些弱固結(jié)且具有較高孔隙度的碳酸鹽巖組分遭受大氣水的淋濾,形成非選擇性的孔、洞、縫(圖3(c))。顆粒碳酸鹽巖原始的形貌往往被破壞,形成大量細(xì)粒的巖溶角礫(圖3(d))。由于暴露時間相對較長,往往易于遭受生物活動的影響,造成早期的湖相碳酸鹽巖會向土壤轉(zhuǎn)化,可見大量的根模孔和蛹的生物活動的遺跡(圖3(e)、(f),據(jù)姜秀芳[1],2012)。

受水文條件的控制,這類巖溶在垂向上具有分帶性,自上而下可分為垂向滲濾巖溶帶和徑流巖溶帶,各帶內(nèi)的孔隙類型和溶蝕、充填特征具有明顯差異。頂部的垂向滲濾巖溶帶內(nèi)大氣淡水主要沿垂向流動,形成大量的高角度溶蝕縫、洞,但由于流體橫向流動性差,因此這些溶蝕孔洞在橫向上孤立分布。底部徑流巖溶帶內(nèi)的流體主要以水平方向流動,大氣水沿早期孔隙和裂縫移動,形成大規(guī)模連續(xù)性的蜂窩狀孔洞,溶蝕規(guī)模較大,連通性相對較強。義東斷階帶的YD301井高位體系域的3 590.3～3 597.4 m段發(fā)育兩期典型的早期近地表巖溶作用。從巖心上看,早成巖近地表巖溶作用主要受高頻沉積旋回的控制,單期巖溶儲層發(fā)育的最大厚度為2 m。高頻沉積旋回頂部的顆粒碳酸鹽巖受巖溶改造作用較強,而底部的泥晶灰?guī)r基本不受大氣淡水的影響。巖溶儲層發(fā)育段由上至下依次為高角度溶縫發(fā)育段和圓形溶孔發(fā)育段。巖溶作用的分帶性造成了孔隙類型垂向上由鑄?？紫吨饾u向晶洞和高角度溶蝕縫轉(zhuǎn)變,儲層的物性逐漸變好(圖4)。

圖4 四扣洼陷沙四上亞段早期近地表巖溶作用的巖心宏觀特征(YD301井)Fig.4 Core characteristics of the early phase near surface karstification of Es4s, Sikou Sag(well YD301)

3.3 表生期巖溶作用

表生期巖溶的發(fā)育往往與構(gòu)造運動造成的湖盆長期大面積暴露有關(guān),形成區(qū)域性的不整合面,界面之下發(fā)育大規(guī)模的溶蝕孔洞及充填物[22-23]?，F(xiàn)有的生產(chǎn)試油資料證實在四扣洼陷沙四上亞段頂部不整合面之下的地層中往往存在一個高的孔滲帶,靠近凸起的位置更利于油氣的富集(圖5,位置見圖1中B-B′)。巖心中可以見到大量的高角度縫和巖溶角礫等現(xiàn)象,表明沙四段晚期碳酸鹽巖儲層經(jīng)歷了長期的風(fēng)化巖溶作用。與西北部的義東斷階帶相比,邵家洼陷南部緩坡帶的碳酸鹽巖地層遭受后期的剝蝕作用更為強烈。

表生期巖溶作用主要的識別標(biāo)志包括:①與不整合面伴生的巖溶角礫巖;②溶蝕孔洞和垂直的裂縫比較發(fā)育。四扣洼陷斜坡帶S141井距不整合面10 m的巖心中可見3期的溶洞,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與海相碳酸鹽巖儲層中的溶洞具有可比性,溶洞從上至下劃分為3個結(jié)構(gòu)單元:①巖溶頂部垂直溶蝕帶,主要以發(fā)育各種垂直縫為主;②巖洞內(nèi)部充填角礫巖帶,巖溶角礫間多被石膏和泥質(zhì)所充填;③巖洞底部弱溶蝕帶,以發(fā)育各種孤立的中高角度縫為主要特征(圖6)。未被充填的頂部垂直溶蝕帶和巖洞內(nèi)部充填角礫巖往往可以作為良好的儲集層。

圖5 四扣洼陷沙四段頂部不整合面對有利儲層分布的控制Fig.5 Controls on distribution of quality reservoir by unconformity of Es4s, Sikou Sag

圖6 四扣洼陷沙四上段頂部不整合面之下溶洞的發(fā)育特征(S141井)Fig.6 Characteristics of cave beneath Es4s top unconformity in Sikou Sag (well S141)

3.4 埋藏巖溶作用

3.4.1 埋藏溶蝕的特征及證據(jù)

有機質(zhì)演化過程中所釋放出的有機酸、CO2和H2S等酸性物質(zhì)可以改變地層中原始流對周圍碳酸鹽巖組分進(jìn)行溶蝕[14]。這類酸性流體的活動主要受熱對流機制和其中所含揮發(fā)組分浮力作用的控制,多自下而上運移,溶蝕流體的流動性較弱,且流量較小,因此溶蝕作用所形成的孔洞規(guī)模較小,以1到幾毫米的針狀微孔為主,不同巖心中孔徑差異較大,溶孔的尺寸主要受原始粒間孔發(fā)育的影響,不同井的溶蝕部分所占的比例以及溶蝕程度有著較大區(qū)別。與埋藏溶蝕有關(guān)的孔隙中常充填棕色原油或黑色的瀝青質(zhì),薄片中主要的識別標(biāo)志包括:①形成于埋藏環(huán)境的粗晶方解石膠結(jié)物被溶蝕(圖7(c)),這類粗晶方解石陰極發(fā)光特征為黑色,包裹體測溫表明其形成溫度為100～120 ℃[17],這表明隨后發(fā)生的溶蝕作用應(yīng)該與埋藏流體有關(guān);②碳酸鹽巖儲層中基質(zhì)和膠結(jié)物發(fā)生非組構(gòu)選擇性溶蝕;③縫合線和晚期形成的斜交的、高角度和水平狀的開放裂縫發(fā)生擴溶(圖7(d))。以上這些典型現(xiàn)象的發(fā)生表明研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖儲層經(jīng)歷了埋藏溶蝕作用的改造。

圖7 四扣洼陷沙四上亞段埋藏巖溶儲層特征Fig.7 Buried karst micro-characteristics in lacustrine carbonate of Es4s, Sikou Sag

3.4.2 溶蝕流體類型及路徑

四扣洼陷沙四上亞段埋藏巖溶儲層中的孔和縫往往充填了大量的有機質(zhì)和瀝青質(zhì),表明溶蝕流體可能與有機質(zhì)熱演化過程中所釋放出的流體有關(guān)。在烴類的熱演化過程中,不同階段可以釋放出不同的流體,生油期往往伴隨著有機酸的形成,而CO2和H2S的產(chǎn)生要略晚于石油生成[25]。四扣洼陷內(nèi)主要的烴源巖是沙三下亞段(Es3x),油氣生成的峰值從Ng至今,烴源巖的鏡質(zhì)體反射率小于1.0表明油氣生成過程中主要以釋放流體為主,這說明有機酸是該區(qū)埋藏巖溶作用的主要溶蝕流體(圖8)。

四扣洼陷不同地區(qū)的不整合面之下發(fā)育大量的埋藏溶蝕孔隙(圖9), 且越靠近斷層儲層的孔隙度和滲透率明顯增大,以上這些表明沙四上亞段頂部的不整合面和斷層可以作為酸性流體運移的通道。在一些合適的部位,如果流體流動遇到非滲透層阻擋時,便可向與之相鄰的巖石側(cè)向滲透,如果這種巖石含有碳酸鹽巖并具有一定的滲透率,碳酸鹽巖礦物的溶解便可在此發(fā)生(圖7(a)、(b))。如果非滲透層內(nèi)存在一些早期發(fā)育的構(gòu)造縫,那么流體也會沿著這些裂縫對非滲透性的泥晶碳酸鹽巖地層進(jìn)行溶蝕(圖7(d))。

圖8 有機質(zhì)熱演化過程和四扣洼陷埋藏?zé)嵫莼稦ig.8 Thermal evolution during maturation of hydrocarbons and burial thermal maturation of strata in Sikou Sag

圖9 四扣洼陷沙四上亞段異常高孔帶及其內(nèi)部孔隙特征Fig.9 Abnormal high porosity zone and its porosity characteristic of Es4s, Sikou Sag

3.5 巖溶儲層的空間分布特征

四扣洼陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖儲層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖演化過程,多期的巖溶作用是決定儲層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。巖溶作用的發(fā)育與構(gòu)造活動和沉積相帶密切相關(guān),空間上具有良好繼承性。本文中收集四扣洼陷沙四上亞段內(nèi)2 400～3 400 m之間的物性測試數(shù)據(jù)146個。從物性和埋深的交匯圖來看,孔隙度值隨著埋深的增加逐漸減小。四扣洼陷沙四上亞段地層從上至下一共發(fā)育兩個異常高孔滲帶(圖9)。第一個高孔滲帶位于2 480～2 640 m之間,第二個高孔帶位于3 080～3 220 m之間,這兩個異常高孔滲帶中次生孔隙大量發(fā)育,表生巖溶作用和埋藏巖溶作用所形成的溶蝕孔隙所占比重較高,且兩個異常高孔滲帶的深度與不整合面發(fā)育的深度相重合。這表明不整合面在巖溶儲層的形成過程中起到了兩個方面的作用。首先,不整合面之下的儲層受大氣淡水作用的影響,形成了大量的次生孔洞,提高了儲層的物性。同時,埋藏期泥巖釋放出的有機酸可以沿著不整合面運移,對儲層進(jìn)一步進(jìn)行溶蝕改造,進(jìn)一步提高儲層的質(zhì)量[16]。

4 湖相巖溶儲層發(fā)育模型

多期的巖溶作用對四扣洼陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層的形成起到了決定性作用?？偟膩碚f,四扣洼陷沙四上亞段的生物礁和淺灘都經(jīng)歷了早期大氣淡水的影響,但淺灘中同生期巖溶作用更強烈,鑄?？缀土?nèi)溶孔發(fā)育較多,而早期近地表巖溶儲層在生物礁更為常見。由于邵家地區(qū)后期抬升剝蝕更為強烈,因此表生巖溶儲層發(fā)育的規(guī)模更大。由于生物礁具有更高的孔隙度和較大的厚度,更利于埋藏溶蝕儲層的發(fā)育。通過對不同體系域內(nèi)巖溶儲層類型和發(fā)育范圍的統(tǒng)計,本文中建立了基于層序地層的湖相巖溶儲層發(fā)育模型(圖10)。

首先,受高頻沉積旋回所控制的湖相碳酸鹽巖地層內(nèi),同生期巖溶儲層往往分布于湖平面升降過程中能周期性暴露的、易于遭受溶蝕的地區(qū)。這類儲層往往是可以預(yù)測的,湖侵體系域時期,隨著湖平面的逐漸上升,可以形成一系列的湖岸上超沉積,受高頻湖平面振蕩導(dǎo)致上超帶內(nèi)所形成的碳酸鹽巖淺灘發(fā)生頻繁暴露,易于形成鑄?？住⑷芪g孔縫和晶洞。接著,在高水位期隨著湖平面的緩慢下降,各種碳酸鹽巖沉積物不斷進(jìn)積,形成一系列具有進(jìn)積樣式的碳酸鹽巖沉積物,受到湖平面振蕩造成的頻繁暴露,這些沉積物易于發(fā)生早期近地表巖溶作用,但溶蝕的厚度往往不會超過灘體的厚度;隨著湖平面的進(jìn)一步下降, 形成區(qū)域的不整合面,對這些進(jìn)積型碳酸鹽巖淺灘進(jìn)行更大規(guī)模和強烈的溶蝕,影響的深度和范圍明顯要大于前者。由于沉積水體較深,湖盆斜坡帶下部的碳酸鹽巖淺灘的暴露溶蝕通常與后期的區(qū)域抬升構(gòu)造運動有關(guān),一般很難見到由湖平面下降所產(chǎn)生的同生期和近地表巖溶現(xiàn)象。最終,湖相碳酸鹽巖進(jìn)入埋藏階段,當(dāng)?shù)竭_(dá)生烴門限時,湖盆中心的烴源巖熱演化過程中會釋放出大量的有機酸,這些酸性流體受異常壓力和浮力作用的共同影響,流體主要會優(yōu)先沿著不整合面、斷層帶、地層高孔滲帶和構(gòu)造裂縫帶向湖盆的高部位進(jìn)行移動,并進(jìn)行溶蝕。因此,油氣運移的主要路徑往往是埋藏溶蝕孔形成的有利地區(qū),越靠近源巖的孔隙型灘體更易于被溶蝕,如果有機酸進(jìn)入早期被大氣水溶蝕的礁灘體中,就會形成復(fù)合型溶蝕孔隙,進(jìn)一步改善儲層的物性。

圖10 四扣洼陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖巖溶儲層發(fā)育模型Fig.10 Developmental model of lacustrine karstic reservoir of Es4s, Sikou Sag

5 結(jié)束語

基于四扣洼陷古近系湖相碳酸鹽巖巖溶儲層的實例分析發(fā)現(xiàn)多期巖溶作用是控制有利儲層形成的關(guān)鍵因素。湖相碳酸鹽巖巖溶型儲層的形成受控于同生期、表生期和埋藏期的溶蝕作用。粒內(nèi)溶孔、鑄?？资峭趲r溶作用的產(chǎn)物,而高角度的溶蝕縫和晶洞是早期近地表巖溶作用的結(jié)果,這兩類儲層的分布受控于儲層的原始沉積厚度。表生期巖溶儲層主要發(fā)育大尺度的溶洞,單個溶洞由頂部垂直溶蝕帶、內(nèi)部充填角礫巖帶和底部弱溶蝕帶組成,未被充填的頂部垂直溶蝕帶和巖洞內(nèi)部帶可以作為良好的儲集空間。埋藏巖溶儲層的孔隙呈現(xiàn)為“蜂窩狀”或“針孔狀”,且常充填棕色原油或黑色瀝青。同生期巖溶和早期近地表巖溶儲層主要分布于湖侵體系域的湖岸上超帶和高位體系域時期水退形成的前積型淺灘頂部;表生巖溶儲層主要分布于不整合面之下;埋藏巖溶儲層的分布受控于酸性流體的有效運移路徑。

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