達(dá)麗亞 張新濤 徐春強(qiáng) 邊立恩 張 捷
(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)
巖溶作用是古老碳酸鹽巖形成有效儲(chǔ)層的重要控制因素之一,在不整合面之下碳酸鹽巖地層中形成的巖溶是十分重要的油氣儲(chǔ)層[1-6],其典型代表是塔里木盆地和四川盆地,尤其是塔里木盆地有著中國(guó)最大規(guī)模的碳酸鹽巖油氣藏,該地區(qū)巖溶儲(chǔ)層的相關(guān)研究也處于我國(guó)領(lǐng)先地位[7-9]。目前有許多學(xué)者對(duì)巖溶古地貌刻畫和溶蝕縫洞體系識(shí)別做了大量的研究[10-12];也有學(xué)者對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致研究,認(rèn)為碳酸鹽巖巖溶作用存在多種不同類型的溶蝕機(jī)制[13-16];另外,還有學(xué)者對(duì)古巖溶的垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專業(yè)術(shù)語(yǔ)的規(guī)整和定量化表征[17-18]。
20世紀(jì)80年代至90年代中國(guó)海油在渤海灣盆地發(fā)現(xiàn)了渤中28-1,渤中27-2、綏中36-1碳酸鹽巖潛山油氣田,近幾年又發(fā)現(xiàn)了渤中21-2、渤中22-1等含油氣構(gòu)造,揭示了渤海灣盆地海相碳酸鹽巖具有巨大的勘探潛力[19-21]。但碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育程度和儲(chǔ)層發(fā)育的位置、巖性、儲(chǔ)集空間類型、物性均表現(xiàn)出巨大的差異, 加之碳酸鹽潛山儲(chǔ)集空間展布復(fù)雜,非均質(zhì)性強(qiáng),平面上不同井區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性差別大,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育展布規(guī)律和主控因素尚未完全研究清楚。目前渤海油田碳酸鹽巖勘探受到地震分辨率的限制,巖溶縫洞系統(tǒng)的發(fā)育情況、發(fā)育位置及其連通情況等很難給予準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),加之巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層的改造作用及影響深度尚未開展深入的研究,這必然大大制約今后該區(qū)潛山深部?jī)?chǔ)層的勘探進(jìn)度。
位于石臼坨凸起的427構(gòu)造于20世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn),該構(gòu)造針對(duì)下古生界奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層設(shè)計(jì)鉆探11口探井,獲得良好勘探發(fā)現(xiàn),尤其是BZ12井測(cè)試日產(chǎn)油1 310 t,指示儲(chǔ)層物性及油氣運(yùn)聚條件良好。已鉆井揭示,該構(gòu)造奧陶系上馬家溝組、下馬家溝組、亮甲山組、冶里組地層中均見到油氣顯示或工業(yè)油氣流。由于該構(gòu)造碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有埋藏深度大、剝蝕強(qiáng)度大、構(gòu)造改造作用強(qiáng)、非均質(zhì)性極強(qiáng)等特點(diǎn),使勘探面臨極高的風(fēng)險(xiǎn)。本文利用巖心、薄片、鉆井、測(cè)井、地震、分析化驗(yàn)等資料,對(duì)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征和巖溶儲(chǔ)層分布規(guī)律和巖溶控制因素進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示該區(qū)潛山碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層發(fā)育具有一定規(guī)模,同時(shí)也表明針對(duì)碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層仍有很大的勘探空間。
427構(gòu)造帶隸屬于渤海灣盆地中部的石臼坨凸起南側(cè)分支,其西、南兩側(cè)發(fā)育的邊界大斷裂控制了潛山構(gòu)造格局的發(fā)育,使之成為內(nèi)部地層傾向NE、走向NW—SE的背斜構(gòu)造帶。427構(gòu)造帶與渤中凹陷相接,向南傾沒(méi)于渤中凹陷,處于油氣運(yùn)移指向的有利位置,成藏條件非常優(yōu)越(圖1)。目前在石臼坨凸起上已發(fā)現(xiàn)秦皇島32-6油田、秦皇島33-1油田、秦皇島33-1S油田、秦皇島29-2油氣田、渤中3-1油田等多個(gè)大規(guī)模整裝油氣田,油氣在新近系和古近系均有富集,是典型的復(fù)式油氣聚集區(qū)帶[22]。
圖1 427構(gòu)造帶位置圖及潛山結(jié)構(gòu)Fig.1 Regional location and buried hill structure of 427 tectonic belt
427構(gòu)造帶潛山巖性復(fù)雜,包括太古界變質(zhì)花崗巖、下古生界碳酸鹽巖、上古生界碎屑巖和中生界火山碎屑巖。本文研究目的層奧陶系位于427構(gòu)造帶中段,自下而上可劃分為下奧陶統(tǒng)的冶里組、亮甲山組和中奧陶統(tǒng)的下馬家溝組、上馬家溝組。受多期構(gòu)造作用疊加影響,奧陶系底部直接覆蓋在寒武系及太古界花崗巖基地之上,頂部與東二下段不整合接觸,缺失新生界古近系沙河街組、中生界和上古生界(圖2)。
圖2 427構(gòu)造帶奧陶系綜合柱狀圖Fig.2 Ordovician synthesis column of 427 tectonic belt
已鉆井揭示,427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖潛山地層的巖石類型復(fù)雜,通過(guò)巖心觀察、薄片鑒定及元素分析手段詳細(xì)劃分出16種巖石類型(表1),總體上以灰?guī)r類為主,白云巖次之?;?guī)r類根據(jù)成分、結(jié)構(gòu)、顆粒含量的不同可進(jìn)一步劃分為泥晶灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、顆?;?guī)r,根據(jù)顆粒種類的不同又可劃分為藻團(tuán)粒、球粒、藻屑、砂屑、藻鮞、生屑灰?guī)r等,其中生物碎片多見腕足類、介形蟲、瓣鰓類、棘皮類,海百合莖、骨針次之(圖3)。
表1 427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石類型Table 1 Rock types for Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt
a—BZ12井,3 200 m,泥晶灰?guī)r,100(-);b—BZ19井,3 180 m,泥晶生屑灰?guī)r,海百合莖,50(-);c—BZ19井,3267 m,粉晶棘皮變鮞?;?guī)r,100(-);d—BZ17井,3 682 m,亮晶藻鮞灰?guī)r,100(-);e—BZ12井,3 395 m,泥晶生屑灰?guī)r,25(-);f—XBZ12-1井,3 312 m,亮晶砂屑灰?guī)r,50(-);g—XBZ12-1井,3 321 m,泥晶球?;?guī)r,50(-);h—BZ18井,3 120 m,粉晶粒屑灰?guī)r,海綿古針局部富集,200(-);i—BZ3井,3 193 m,灰質(zhì)細(xì)晶白云巖,100(-);j—BZ19井,3 328 m,粉晶硅質(zhì)白云巖,200(+);k—BZ12井,3 342 m,泥晶白云巖,50(-);l.BZ17井,3 511.41 m,團(tuán)粒泥晶白云巖,方解石脈發(fā)育,巖石角礫化程度高,100(-);m—BZ3井,3 097 m,粉晶云巖,50(-);n—BZ17井,3 817 m,晶粒云巖,50(-);o—BZ17井,3 826 m,晶粒云巖,硅質(zhì)交代,200(+)。
圖3 427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層薄片特征
Fig.3 Characteristics of thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt
白云巖按成分和結(jié)構(gòu)的差異可細(xì)分為泥晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖、晶粒白云巖等。
筆者根據(jù)常量元素測(cè)定結(jié)果中氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)反推礦物組成及含量,可以準(zhǔn)確確定巖性,以減少錄井及薄片鑒定帶來(lái)的人為誤差。通過(guò)MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)XMgO確定白云石的含量y=XMgO(184/40),并計(jì)算方解石的含量z=(XCaO/56-XMgO/40)100[23]。以BZ17井為例,上馬家溝組以灰?guī)r類為主;下馬家溝組白云質(zhì)含量增加,出現(xiàn)白云質(zhì)灰?guī)r或灰質(zhì)白云巖;亮甲山組發(fā)育白云巖;冶里組為白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層白云巖。整體上該井奧陶系碳酸鹽巖潛山巖性在縱向上可劃分為顆?;?guī)r-泥晶灰?guī)r-白云質(zhì)灰?guī)r-白云巖-白云質(zhì)灰?guī)r的巖性旋回(圖4),其中上馬家溝組、下馬家溝組、冶里組為開闊臺(tái)地沉積,發(fā)育臺(tái)內(nèi)灘和臺(tái)坪沉積微相;亮甲山組為局限臺(tái)地沉積(圖2)。
圖4 BZ17井奧陶系潛山地層巖石化學(xué)分析Fig.4 Petrochemical analysis of downhole Ordovician buried hill stratigraphy of Well BZ17
427構(gòu)造帶11口已鉆井的取心和2000余張薄片分析揭示,碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間可分為三類,即晶間溶蝕孔、裂縫、溶蝕洞。
1) 晶河溶蝕孔。晶間溶蝕孔多發(fā)育在亮甲山組白云巖儲(chǔ)層之中,是在白云石晶粒間原生孔的基礎(chǔ)上溶蝕擴(kuò)大的次生孔隙(圖5a),面孔率2%~4%。在下馬家溝組和上馬家溝組泥晶灰?guī)r和顆?;?guī)r中發(fā)育較差,面孔率<1%。
2) 裂縫。裂縫主要包括構(gòu)造縫和溶蝕縫兩類。構(gòu)造縫在奧陶系頂部較為發(fā)育,縫壁平滑,未見擴(kuò)溶現(xiàn)象,巖心觀察構(gòu)造縫延伸最長(zhǎng)可達(dá)35 cm,寬度最大3 cm,最小0.3 cm,被方解石全充填(圖5b);見有共軛剪切縫(圖5c),兩組近似平行的裂縫相互切割形成,這類裂縫多為微裂縫,延伸性不強(qiáng),縫寬0.1~0.2 cm(圖5d)。溶蝕縫是由構(gòu)造裂縫溶蝕擴(kuò)大形成,溶蝕作用的發(fā)育程度決定于巖性與構(gòu)造縫雙重因素的影響。巖心和薄片觀察表明,裂縫多為半充填或未充填,部分完全充填,主要被方解石充填,多為完全充填或部分充填(圖5e)。
3) 溶蝕洞。溶蝕洞主要發(fā)育在下馬家溝組和亮甲山組中,溶洞規(guī)模大小不一,溶洞中可觀察到圍巖角礫散落在洞穴中,后期被方解石膠結(jié),形成巖溶角礫巖(圖5f、g)。通過(guò)地震屬性分析,可以發(fā)現(xiàn)洞穴多發(fā)育在潛山深部,但發(fā)育程度存在差異;有些洞穴成串珠狀分布并且有一定的水平連通性,有些洞穴相對(duì)獨(dú)立,與其他的洞穴不連通。
由于427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖的非均質(zhì)性極強(qiáng),小巖心樣品物性分析結(jié)果不能完全代表巖層的物性特征,主要反映的是微觀縫與基質(zhì)的特性。從巖心樣品物性分析并結(jié)合薄片分析來(lái)看,白云巖中孔隙度明顯高于灰?guī)r,灰?guī)r巖性一般較致密,無(wú)有效晶間孔,基本不具有儲(chǔ)集能力。通過(guò)對(duì)該區(qū)72個(gè)小樣品的物性分析,結(jié)果表明孔隙度和滲透率關(guān)系較差,存在2種類型儲(chǔ)層,即孔隙-裂縫性和裂縫-孔隙性儲(chǔ)層,有效孔隙度為1%~4%,平均孔隙度為2.4%,滲透率為0.01~1.00 mD,平均滲透率為0.42 mD(圖6)。
a—BZ3井,3 211.66 m,細(xì)晶白云巖,溶蝕孔,50(-);b—BZ3-1-1井,3 286.5 m,泥晶白云巖,溶蝕縫被方解石充填,原巖破碎程度高,25(-);c—BZ12井,3 242 m,泥晶灰?guī)r,兩期構(gòu)造縫切割,25(-);d—BZ3-1-1井,3 340 m,泥晶生屑灰?guī)r,兩期構(gòu)造縫相交叉,縫內(nèi)被粉晶方解石全充填,50(-);e—BZ12井,3 323 m,泥晶白云巖,角礫化程度高,25(-);f—XBZ12-1井,3 518.92~3 518.99 m,灰?guī)r,巖溶洞穴;g—XBZ12-1井,3 278.35~3 278.48 m,灰?guī)r,巖溶洞穴角礫巖。
圖5 427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心及薄片特征
Fig.5 Characteristics of cores and thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt
圖6 427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.6 Relationship between porosity and permeability of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt
不同巖性的溶蝕性不同。實(shí)際資料表明,427構(gòu)造帶奧陶系白云巖的儲(chǔ)集性通常比石灰?guī)r好(圖7),主要有2種原因:第一,白云巖的脆性通常比石灰?guī)r大,更容易形成裂縫;第二,白云巖通常具有粉晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu),原生晶間孔較發(fā)育,與泥晶結(jié)構(gòu)的灰?guī)r相比更容易使水介質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)生溶蝕擴(kuò)大[24]。因此,在渤海海域,優(yōu)質(zhì)的巖溶儲(chǔ)層多發(fā)育在白云巖段,如渤中28-1油田、渤中21-2構(gòu)造,細(xì)晶白云巖本身既是良好的儲(chǔ)集空間,又利于水介質(zhì)流動(dòng),而且更利于形成巖層溶蝕。
沉積環(huán)境控制了巖石類型,對(duì)巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育和分布具有重要的控制作用[21]。局限瀉湖相有利于白云石化作用的發(fā)生,是有利的沉積相帶;而開闊臺(tái)地中灘相顆?;?guī)r和臺(tái)坪相泥晶灰?guī)r是較差的儲(chǔ)集相帶,只有經(jīng)歷白云石化作用的影響才能形成有利的儲(chǔ)集層。薄片觀察發(fā)現(xiàn),上馬家溝組和下馬家溝組的泥晶灰?guī)r和泥晶生屑灰?guī)r巖性致密,不發(fā)育溶蝕孔,可作為良好的蓋層;而亮甲山組晶粒白云巖物性最好,孔隙度多大于3%,滲透率大于1 mD,是良好的儲(chǔ)集層。
圖7 427構(gòu)造帶奧陶系儲(chǔ)層孔隙度、滲透率柱狀圖Fig.7 Histogram of porosity and permeability of Ordovician reservoir in 427 tectonic belt
構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用導(dǎo)致研究區(qū)發(fā)育二級(jí)不整合面,奧陶系與古近系直接接觸。427構(gòu)造帶西側(cè)受石南二號(hào)大斷層長(zhǎng)期活動(dòng)的影響,奧陶系碳酸鹽巖潛山發(fā)育眾多NE—SW走向的裂縫,與邊緣大斷層走向一致。構(gòu)造破裂作用形成的裂縫發(fā)育和分布直接控制了巖溶作用程度。在滲流帶中,串珠狀溶洞通常是在裂縫交叉處發(fā)育;在潛流帶中,水平溶洞及地下暗河也常常是沿著裂縫呈規(guī)模性伸展[25]。裂縫與這些溶蝕孔洞縫等的復(fù)合,構(gòu)建成縫洞性儲(chǔ)層,成為427構(gòu)造帶奧陶系主要的儲(chǔ)集空間和滲流通道。根據(jù)已鉆井資料分析,裂縫對(duì)儲(chǔ)層的影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①溶蝕孔洞大多沿著裂縫呈串珠狀分布,為油氣保存的有利場(chǎng)所;②薄片觀察發(fā)現(xiàn),微裂縫呈網(wǎng)狀分布,有效改善了灰?guī)r滲流能力;③半充填或未充填的裂縫不僅可以成為油氣存儲(chǔ)的空間,也可以成為油氣運(yùn)移的通道。另外,從裂縫與地層厚度比數(shù)據(jù)分析中可以看出(圖8),當(dāng)裂縫發(fā)育段有效厚度與地層厚度百分比大于25%時(shí),均能獲得良好的測(cè)試產(chǎn)能;一般比值小于25%的地層測(cè)試產(chǎn)能都較低。例如,BZ12井進(jìn)入潛山300 m范圍內(nèi)裂縫發(fā)育有效厚度達(dá)79 m,裂縫與地層厚度比達(dá)26%,測(cè)試獲得日產(chǎn)1 310 t的高產(chǎn)油流;而XBZ12-1井裂縫與地層厚度比只有10%,為低產(chǎn)井。
此外,雖然灰?guī)r的脆性及溶蝕性均小于白云巖,但在裂縫發(fā)育段灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度明顯增強(qiáng),形成有利的運(yùn)移通道和儲(chǔ)存空間,大大提高了儲(chǔ)層的滲流能力。
圖8 427構(gòu)造帶奧陶系儲(chǔ)層裂縫段與地層厚度比Fig.8 The ratio of the net fault to the fracture thickness of Ordovician reservoir in the 427 tectonic belt
巖溶作用發(fā)育強(qiáng)度在垂向上具有明顯的差異性,取決于水介質(zhì)溶蝕動(dòng)力的改變。通常根據(jù)不同的溶蝕動(dòng)力可以將巖溶剖面自上而下分為表層巖溶帶、垂向滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶等4個(gè)巖溶相帶:①表層巖溶帶是地表強(qiáng)烈?guī)r溶化過(guò)程的產(chǎn)物,通常廣泛發(fā)育陸源碎屑顆粒充填溶蝕洞縫等現(xiàn)象;②垂向滲流帶是出露在潛水面以上在大氣降水期間才充有水,具有流量少、間歇性、垂直向下滲流的特點(diǎn);③水平潛流帶是在潛水面之下緩流帶之上的部分,長(zhǎng)期充滿水且向勢(shì)能較低部位流動(dòng),流量大,流速較高;④深部緩流帶雖然也長(zhǎng)期充滿水,但流動(dòng)極其緩慢[17-18]。依據(jù)單井鉆遇不同巖溶相帶測(cè)井響應(yīng)及充填物巖石成分,427構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖可以劃分出2個(gè)巖溶帶,即垂向滲流帶和水平潛流帶。
實(shí)鉆結(jié)果表明,鉆具放空和鉆井液漏失主要發(fā)生在距離潛山面50~553 m范圍內(nèi),漏失量為4~235 m3,反映地層中存在未充填的溶洞,特別是在距離潛山面552.5 m處仍然存在巨大的溶洞(表2)。在此范圍之上的地層巖溶儲(chǔ)層不發(fā)育,由于沒(méi)有鉆井完全揭示奧陶系,所以無(wú)法預(yù)測(cè)這個(gè)范圍之下的層段是否還有溶洞。同時(shí)也表明,本區(qū)滲流帶的深度為50 m左右,由于水流量小,溶蝕強(qiáng)度不如潛流帶;不是有利儲(chǔ)層發(fā)育帶;而下部緩流帶以膠結(jié)為主,同樣不利于儲(chǔ)層發(fā)育。
表2 427構(gòu)造帶各井鉆井液漏失統(tǒng)計(jì)Table 2 Dribbing fuid loss statistics for each well in 427 tectonic belt
古地形地貌對(duì)古巖溶縫洞系統(tǒng)的發(fā)育程度和分布具有重要的控制作用。地形的高低直接影響地下水流的方向和匯集指向[25-26]。古地貌恢復(fù)發(fā)現(xiàn),427構(gòu)造帶奧陶系總體趨勢(shì)呈南高北低的態(tài)勢(shì)(圖9),水流方向也應(yīng)該是自南向北,因此該期巖溶帶走向應(yīng)該是南北向。
圖9 427構(gòu)造帶奧陶系潛古巖溶地貌與儲(chǔ)層分布Fig.9 Palaeogeomorphology and reservoir distribution of Ordovician buried hill in 427 tectonic belt
從該區(qū)古巖溶地貌圖上可以劃分出巖溶高地、巖溶緩坡、巖溶階坪和巖溶溝谷等4種二級(jí)地貌單元。巖溶高地分布范圍僅局限在南部;巖溶緩坡普遍發(fā)育,呈寬緩分布范圍廣的特點(diǎn);巖溶溝谷主要在本區(qū)中部和北部發(fā)育。圖10為427構(gòu)造帶奧陶系地震曲率屬性體預(yù)測(cè)深部地層縫洞系統(tǒng)分布圖,可以看出巖溶高地縫洞更加發(fā)育,巖溶緩坡次之,巖溶溝谷最弱。平面上,油氣主要分布在巖溶高地和巖溶緩坡內(nèi),連片性較差,說(shuō)明油氣分布受控局部構(gòu)造圈閉控制較小,主要受巖溶古地貌及巖溶儲(chǔ)層控制,這表明寬緩的巖溶緩坡和巖溶高地是巖溶儲(chǔ)層發(fā)育和油氣匯聚最有利的指向區(qū)。
圖10 427構(gòu)造帶奧陶系地震曲率屬性體預(yù)測(cè)縫洞系統(tǒng)分布Fig.10 Ordovician seismic curvature attributes tectonic belt predict fracture distribution in 427 tectonic belt
1) 427構(gòu)造帶下古生界奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石主要以灰?guī)r為主,白云巖次之;儲(chǔ)集空間有晶間溶蝕孔、裂縫和溶蝕洞三類,儲(chǔ)層類型有孔隙-裂縫性及裂縫-孔隙性兩類。
2) 427構(gòu)造帶碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層形成的主控因素分析表明:①巖性是儲(chǔ)層形成的基礎(chǔ),有利儲(chǔ)集層主要發(fā)育在局限臺(tái)地相;②構(gòu)造破裂作用是巖溶儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵,受邊界大斷層長(zhǎng)期活動(dòng)的影響,可形成構(gòu)造縫且更易形成溶蝕擴(kuò)大縫,是巖溶作用發(fā)育最有利的場(chǎng)所;③427構(gòu)造帶奧陶系可劃分出2個(gè)巖溶帶,即垂向滲濾帶和水平潛流帶;④寬緩的巖溶高地和巖溶斜坡這2個(gè)二級(jí)巖溶帶是最有利于溶蝕作用發(fā)育的部位。