裴仰文, 王 靜, 范彩偉, 吳孔友, 張澤宇

(1.深層油氣全國重點實驗室,山東青島 266580; 2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島 266580; 3.中海石油(中國)湛江/海南分公司,海南?？?570300)

當巖石受力超過其強度極限時,可通過不同類型的變形過程,形成結構特征具有顯著差異的構造現(xiàn)象[1]。前人研究發(fā)現(xiàn),在低—非孔隙性巖石中(孔隙度小于15%),通常發(fā)育由近平行的兩個面組成的不連續(xù)構造,如斷層和裂縫等;而在高孔隙性巖石中(孔隙度大于15%)則通過局部壓實、膨脹或剪切等作用,以顆?；瑒?、旋轉(zhuǎn)及破碎等方式發(fā)生變形進而形成狹窄的條帶狀構造,即變形帶[2-5]。斷層、裂縫和變形帶的發(fā)育使得巖石在微觀尺度的構造變形也具有顯著差異。鑒于此,前人對微觀構造變形的結構特征、構造類型和成因機制開展大量研究[6-10],發(fā)現(xiàn)巖石中微觀構造的發(fā)育一方面既可能為油氣提供儲集空間或運移通道,另一方面也可能形成有效的油氣封堵[11-14],并發(fā)現(xiàn)微觀構造對儲層具有顯著的改造作用[15-18]。瓊東南盆地油氣資源豐富,特別是近年來在樂東—陵水凹陷連續(xù)發(fā)現(xiàn)陵水13-2、陵水17-2、陵水25-1等大中型氣田,充分證實瓊東南盆地所蘊含的巨大勘探潛力,因此吸引石油地質(zhì)學家的廣泛關注[19-21]。近年來的勘探結果表明瓊東南盆地溫壓條件特殊,且在盆地中深層地層中有大量的微觀構造發(fā)育。然而瓊東南盆地發(fā)育的微觀構造類型、構造特征尚不清楚,特別是微觀構造發(fā)育對瓊東南盆地儲層的改造作用有待進一步厘定。因此筆者選擇瓊東南盆地崖城及周邊地區(qū)為研究區(qū),通過巖心和鏡下觀察對研究區(qū)發(fā)育的微觀構造變形特征、微觀構造變形類型與巖石組分之間的關系、微觀構造變形的形成機制進行研究,并評價微觀構造變形的發(fā)育對研究區(qū)儲層物性的改造作用,對研究區(qū)后續(xù)的油氣勘探提供一定的理論指導。

1 地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于海南島東南、南海北部,呈北東向延伸,其西側(cè)以1號斷層與鶯歌海盆地鄰接,北部為海南隆起,東部與珠江口盆地相接,面積約為60000 km2,最大沉積厚度高可達12 km,是一個新生代伸展型含油氣盆地(圖1)。

圖1 瓊東南盆地構造區(qū)劃分示意圖(據(jù)文獻[20],有修改)Fig.1 Schematic diagram of structural division of Qiongdongnan Basin (After citation[20], modified)

瓊東南盆地的總體構造格局為“南北分帶、東西分塊”,在縱向上具有“下斷上坳”的垂向雙層結構[22-23]。瓊東南盆地包括北部坳陷帶、中部隆起帶、中央坳陷帶、南部隆起帶4個一級構造單元,并可進一步細分為20個二級構造單元,包含崖北、崖南、松西、松東、樂東、陵水、松南、寶島、北礁、北礁西、北礁東、甘泉和長昌13個凹陷以及崖城凸起、松濤凸起、崖南低凸起、陵水低凸起、陵南低凸起、松南低凸起和北礁凸起7個凸起[24-26]。

瓊東南盆地經(jīng)歷早期斷陷和后期坳陷2個演化階段,在古近紀斷陷階段,盆地依次沉積始新統(tǒng)陸相嶺頭組(E2l)、下漸新統(tǒng)海陸過渡相崖城組(E3y)、上漸新統(tǒng)濱—淺海相陵水組(E3l);在新近紀坳陷階段,海水加深,盆地接受海相的連續(xù)沉積,自下而上依次沉積下中新統(tǒng)三亞組(N1s)、中中新統(tǒng)梅山組(N1m)、上中新統(tǒng)黃流組(N1h)、上新統(tǒng)鶯歌海組(N2y)和更新統(tǒng)樂東組(Qld)(圖2)?？碧奖砻?盆地發(fā)育3套烴源巖,即始新統(tǒng)湖相烴源巖、漸新統(tǒng)海陸過渡相烴源巖及中新統(tǒng)海相烴源巖,且上漸新統(tǒng)陵水組(E3l)與上中新統(tǒng)黃流組(N1h)為瓊東南盆地主要產(chǎn)氣層[25,27]。由于在新生代經(jīng)歷復雜的構造演化并接受快速沉積,瓊東南盆地壓力結構在平面上具有顯著的差異性[28-29]:松東—松南現(xiàn)今各套地層均處于靜水壓力中,為常壓帶;東部松南—寶島—長昌區(qū)斷裂較發(fā)育,為泄壓帶;崖南—樂東—陵水凹陷斷裂不發(fā)育,但沉積來自崖城凸起的三角洲砂體,為砂體泄壓型低壓帶;大崖城區(qū)因欠壓實作用使得壓力明顯高于其他地區(qū),故為異常高壓帶。

圖2 瓊東南盆地綜合地層柱狀圖(據(jù)文獻[25],有修改)Fig.2 Comprehensive strata log diagram of Qiongdongnan Basin (After citation[25], modified)

2 研究方法

本研究在瓊東南盆地崖城區(qū)11口鉆井巖心觀察的基礎上,對關鍵心段進行采樣和巖石薄片制作,通過鏡下觀察對研究區(qū)中深層發(fā)育的微觀構造進行特征識別和類型劃分;對所采集的巖心樣品進行全巖分析,探討巖性和礦物組成(黏土、石英、長石等含量)與微觀構造類型之間的關系,探討不同微觀構造類型的變形機制;并進一步通過孔隙度、滲透率測試,定量評價研究區(qū)微觀構造發(fā)育對儲層物性的改造作用。

3 微觀構造特征

3.1 微觀構造的宏觀特征

在瓊東南盆地取芯井YC19-A、YC19-B、YC13-A、YC13-B、YC13-C、YC21-A等井的巖心樣品中觀察到微觀構造現(xiàn)象(如圖3綠色箭頭所示)。觀察發(fā)現(xiàn),除少量裂縫發(fā)育之外(圖3(a)、(b)),巖心中還發(fā)育大量的微觀構造(圖3(c)～(f))。所觀察到的微觀構造多呈狹長條帶狀,且與其兩側(cè)未變形的原巖相比顏色較深,遇水后顏色反差更加明顯。

研究區(qū)取芯井中觀察到的裂縫和微觀構造主要發(fā)育在砂巖段地層中(圖3),石英體積分數(shù)多在40%～74%,黏土礦物含量較少。其中僅在大崖城區(qū)YC19-B井的梅山組(N1m)地層中觀察到少量微裂縫的發(fā)育(圖3(a)、(b)),裂縫面多數(shù)不平直,未見明顯擦痕、階步,充填現(xiàn)象不明顯;而在大崖城區(qū)YC19-A、YC19-B、YC13-A、YC13-B等井中觀察到大量微觀構造的發(fā)育(圖3(c)～(f)),并主要集中在YC19-B井梅山組二段(N1m2)、YC19-A井崖城組一段(E3y1)地層中,多呈窄而長的條帶狀,具有一定的寬度(一般小于5 mm),沿巖心延伸長度最長可達15～20 cm。

3.2 微觀構造的鏡下特征

在巖心觀察的基礎之上,選擇發(fā)育裂縫和變形帶的典型樣品,按照垂直裂縫和變形帶的方向切割磨制薄片,并在光學顯微鏡下觀察其微觀視域構造特征,發(fā)現(xiàn)4種微觀構造的發(fā)育,分別為微裂縫、碎裂帶、微觀涂抹帶和硅酸鹽混合變形帶(圖4)。

圖4 微觀構造的鏡下特征Fig.4 Microscopic features of micro-structures

瓊東南盆地部分薄片中可觀察到微裂縫的發(fā)育,并有少量方解石充填現(xiàn)象;但微裂縫密度較低,且多發(fā)育于脆性地層中,如大崖城區(qū)YC19-A井的黃流組一段(N1h1)與YC19-B井的梅山組一段(N1m1)(圖4(a)～(c))。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),微裂縫較為平直,并切穿部分石英、長石等礦物顆粒,指示微裂縫可能具有剪切性質(zhì)。

除微裂縫外,研究區(qū)還觀察到大量狹長條帶狀微觀構造的發(fā)育,且主要集中在高孔隙性砂巖中(圖4(d)～(i))。與微裂縫相比,圖4(d)～(i)所觀察到的微觀構造多具有一定的寬度(0.1 ～ 0.5 mm),條帶內(nèi)部石英、長石等礦物顆粒發(fā)生一定程度的破碎、旋轉(zhuǎn),顆粒粒徑變小,并導致孔隙度發(fā)生坍塌。根據(jù)狹長條帶中礦物顆粒變形方式及孔隙度變化特征,進一步將其細分為3種不同類型,分別為碎裂帶(圖4(d)、(e))、微觀涂抹帶(圖4(f)、(g))和硅酸鹽混合變形帶(圖4(h)、(i))。

(1)碎裂帶:當純凈砂巖受外力作用時,其內(nèi)部礦物顆粒接觸點應力增加,通過顆粒破碎、粒度減小及孔隙坍塌等變形形式發(fā)育形成碎裂帶,屬于一種亞地震構造類型[2,3,5,28]。碎裂帶多發(fā)育在大崖城區(qū)YC19-B井的梅山組二段(N1m2)與YC13-C井的陵水組三段(E3l3)(圖4(d)、(e))。原巖中脆性礦物體積分數(shù)為87%～90%(石英、長石),黏土礦物體積分數(shù)為7%～8%;而在碎裂帶內(nèi)脆性礦物為80%～82%,黏土礦物體積分數(shù)為15%～18%。碎裂帶內(nèi)礦物顆粒破碎,礦物粒徑減小并發(fā)生一定程度的定向排列(圖5(a)),礦物間多以顆粒接觸為主,孔隙度明顯減小。

(2)微觀涂抹帶:微觀涂抹帶是由于黏土礦物含量較高或局部存在泥質(zhì)條帶而發(fā)生微觀尺度的泥質(zhì)涂抹現(xiàn)象;涂抹過程中發(fā)生黏土礦物定向排列并形成斷層泥,石英等脆性礦物顆粒被黏土礦物分隔而未發(fā)生普遍的顆粒破碎現(xiàn)象[2,3,5,29]。微觀涂抹帶多發(fā)育在大崖城區(qū)YC19-B井梅山組二段(N1m2)與YC21-A井崖城組一段(E3y1)(圖4(f)、(g))。以圖4(f)為例,原巖中脆性礦物體積分數(shù)為82%(石英、長石),黏土礦物體積分數(shù)為17%;而在微觀涂抹帶內(nèi)脆性礦物為25%,黏土礦物體積分數(shù)為72%。微觀涂抹帶內(nèi),黏土礦物受力后通過剪切變形旋轉(zhuǎn)至與條帶近平行方向并定向排列,孔隙度較小;石英和長石顆粒較少,被黏土礦物環(huán)繞且無明顯的顆粒破碎現(xiàn)象(圖5(b))。

(3)硅酸鹽混合變形帶:硅酸鹽混合變形帶是在不純凈高孔隙性砂巖中發(fā)育的一種兼具碎裂作用和微觀涂抹作用的微觀構造,但其由于碎裂作用而發(fā)生的石英顆粒破碎程度明顯弱于碎裂巖,由于微觀涂抹作用發(fā)生的黏土礦物定量排列程度也明顯弱于微觀涂抹帶[3,5,8]。硅酸鹽混合變形帶多發(fā)育在大崖城區(qū)YC13-C井的陵水組三段(E3l3)與YC19-A井崖城組一段(E3y1)(圖4(h)～(i))。以圖3(h)為例,原巖中脆性礦物體積分數(shù)為83%(石英、長石),黏土礦物體積分數(shù)為14%;而在硅酸鹽混合變形帶內(nèi)脆性礦物為50%,黏土礦物體積分數(shù)為47%。與碎裂帶和微觀涂抹帶相比,硅酸鹽混合變形帶中脆性礦物和黏土礦物含量均介于兩者之間。硅酸鹽混合變形帶中石英、長石等脆性礦物多以旋轉(zhuǎn)滑動為主要變形方式,顆粒破碎程度較弱(圖5(c));黏土礦物在石英、長石顆粒間發(fā)生微觀涂抹,形成織物狀結構。

3.3 微觀構造的分布規(guī)律

通過對瓊東南盆地取芯井的巖心以及薄片觀察發(fā)現(xiàn),大崖城區(qū)微觀構造較為發(fā)育,主要集中在YC19-A與YC19-B兩口井中,并在YC13-A、YC13-B、YC13-C、YC21-A等井中也有少量發(fā)育。從平面分布來分析,以上井位主要分布在崖南凹陷西部和崖南低凸起(圖1),反映微觀構造的發(fā)育受到1號斷層和2號斷層的控制。從微觀構造發(fā)育層段來分析,不同層段微觀構造的發(fā)育類型和程度存在差異:一方面,研究區(qū)微觀構造主要集中發(fā)育在梅山組二段和崖城組一段,少量發(fā)育在黃流組一段和陵水組三段;另一方面,在埋深相對較淺的層位多發(fā)育微裂縫(如黃流組一段和梅山組二段),而其他3種微觀構造類型則主要在埋深相對較深的層位,例如碎裂帶主要發(fā)育在陵水組三段和崖城組一段,微觀涂抹帶主要發(fā)育在崖城組一段,硅酸鹽混合變形帶主要發(fā)育在陵水組三段和崖城組一段。這一垂向分布規(guī)律可能反映隨著埋深的增加,溫度和壓力加大,導致巖石韌性逐步增強,使得脆性變形(如微裂縫)更容易發(fā)生在淺部地層,而脆性-韌性變形(如碎裂帶、微觀涂抹帶和硅酸鹽混合變形帶)則更容易發(fā)生在深部地層。然而由于研究區(qū)各鉆井取芯長度有限,本研究針對微觀構造平面和垂向分布規(guī)律的分析可能存在一定的局限性。

3.4 微觀構造與巖石組分的關系

通過對研究區(qū)31件發(fā)育微觀構造的巖心樣品進行全巖測試分析獲取原巖的巖石礦物體積分數(shù),由于方解石、白云石、鐵白云石、石膏、菱鐵礦和黃鐵礦的體積分數(shù)極低(均低于3%),因此本文主要統(tǒng)計各樣品的黏土礦物、石英和長石體積分數(shù)(見表1“原巖”一欄);而對于發(fā)育微觀構造的樣品,本研究采用微觀視域面積法估算微觀構造條帶中黏土礦物和脆性礦物(石英和長石)的體積分數(shù)(見表1“微觀構造”一欄)。在此基礎上通過對比原巖與微觀構造礦物體積分數(shù),進一步探討巖石礦物組分與微觀構造變形之間的關系(表1)。

表1 原巖及微觀構造礦物體積分數(shù)統(tǒng)計(部分數(shù)據(jù))Table 1 Statistics of mineral contents of host rocks and micro-structures (partial data)

從表1中可以看出:發(fā)育微裂縫的原巖中石英體積分數(shù)在56%～64%,長石體積分數(shù)在22%～33%,黏土礦物體積分數(shù)在4%～17%;發(fā)育碎裂帶的原巖中石英體積分數(shù)在54%～64%,長石體積分數(shù)在20%～37%,黏土礦物體積分數(shù)在2%～10%;發(fā)育硅酸鹽混合變形帶的原巖中石英體積分數(shù)在40%～66%,長石體積分數(shù)在20%～40%,黏土礦物體積分數(shù)在3%～17%;發(fā)育微觀涂抹帶的原巖中石英體積分數(shù)在40%～74%,長石體積分數(shù)在11%～40%,黏土礦物體積分數(shù)在6%～17%。

基于表1中原巖與微觀構造礦物體積分數(shù),編制原巖礦物體積分數(shù)與微觀構造類型散點圖(圖6(a)、(b))和微觀構造類型與變形帶礦物體積分數(shù)散點圖(圖6(c)、(d))。如圖6(a)、(b)所示,原巖中脆性礦物體積分數(shù)和黏土礦物體積分數(shù)與微觀構造類型之間無明顯相關性。而從圖6(c)、(d)中觀察發(fā)現(xiàn),變形帶中脆性礦物體積分數(shù)和黏土礦物體積分數(shù)與微觀構造類型之間具有較強的相關性:當脆性礦物體積分數(shù)高于76%,黏土礦物體積分數(shù)低于20%時,發(fā)育的微觀構造多為碎裂帶;當脆性礦物體積分數(shù)低于45%,黏土礦物體積分數(shù)高于50%時,發(fā)育的微觀構造多為微觀涂抹帶;而當脆性礦物體積分數(shù)介于45%～76%,黏土礦物體積分數(shù)介于20%～50%時,發(fā)育的微觀構造多為硅酸鹽混合變形帶。

3.5 微觀構造變形機制

綜上所述,研究區(qū)發(fā)育有4種不同類型的微觀構造,分別為微裂縫、碎裂帶、硅酸鹽混合變形帶和微觀涂抹帶;且4種微觀構造具有不同的微觀變形特征和機制(表2)。

表2 原巖及微觀構造礦物體積分數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of mineral contents of host rocks and micro-structures

(1)微裂縫:多發(fā)育在黏土礦物體積分數(shù)低于5%的純凈砂巖中(表2(a)),是主要受控于微觀剪切應力而發(fā)育的線性破裂面。微裂縫較為平直,通常直接切穿石英、長石等礦物顆粒,部分微裂縫可被方解石等礦物充填。變形過程中,剪切變形集中在單一不連續(xù)面,石英、長石等礦物顆粒發(fā)生剪切破碎并在微裂縫兩側(cè)呈現(xiàn)出一定的微觀錯動。

(2)碎裂帶:變形帶內(nèi)黏土礦物體積分數(shù)低于20%(表2(b)),是在微觀剪切應力控制下發(fā)育的具有一定寬度的變形條帶。由于變形帶內(nèi)黏土礦物較少,石英、長石等礦物顆粒之間以硬接觸為主,在剪切應力作用下發(fā)生礦物顆粒破碎而使粒徑減小,且破碎顆粒沿剪切方向定向排列,變形帶內(nèi)孔隙度與原巖相比顯著減小。

(3)硅酸鹽混合變形帶:變形帶內(nèi)黏土礦物體積分數(shù)介于20%～50%(表2(c))。由于層狀硅酸鹽礦物體積分數(shù)相對較高,變形帶內(nèi)石英、長石等礦物顆粒之間的硬接觸有效面積有所減小,導致剪切變形過程中礦物顆粒的破碎程度較低,并以石英、長石、黏土礦物等顆粒的旋轉(zhuǎn)、滑動和混合為主要變形方式,并沿剪切方向發(fā)生一定程度的定向排列。變形過程中,層狀硅酸鹽礦物在石英、長石等礦物顆粒間發(fā)生微涂抹,導致顆粒間孔隙被層狀硅酸鹽礦物分割成“織物狀”,孔隙間連通性與原巖相比明顯變差。

(4)微觀涂抹帶:變形帶內(nèi)黏土礦物體積分數(shù)高于50%(表2(d))。由于層狀硅酸鹽礦物體積分數(shù)較高,變形帶內(nèi)絕大多數(shù)石英、長石等礦物顆粒被黏土礦物環(huán)繞包裹,硬接觸有效面積很小,導致在剪切變形過程中,石英、長石等顆粒未發(fā)生明顯的破碎現(xiàn)象;變形帶內(nèi)的黏土礦物薄層則在剪切作用下沿著平行于剪切應力的方向發(fā)生微觀涂抹。由于微觀涂抹帶內(nèi)部致密且孔隙度很低,在微觀視域中將其兩側(cè)巖石孔隙分割為2個獨立的系統(tǒng)。

4 微觀構造對儲層物性的改造作用

本研究對研究區(qū)發(fā)育微觀構造的巖心樣品開展孔隙度、滲透率測試,并定量分析與原巖孔隙度、滲透率之間的差異,探討研究區(qū)高溫高壓條件下微觀構造發(fā)育對于儲層物性的改造作用。

根據(jù)11組巖石孔隙度、滲透率統(tǒng)計結果,計算獲得微觀構造發(fā)育導致原巖孔隙度、滲透率產(chǎn)生的變化量(增幅+/降幅-),并制作孔隙度、滲透率柱狀對比圖(圖7)。

綜合分析圖7發(fā)現(xiàn):①微裂縫的發(fā)育能夠有效提高巖石孔隙度和滲透率(圖7(a)),孔隙度增幅為4.7%～8.0%,滲透率增幅為(29～146)×10-3μm2;②碎裂帶的發(fā)育既可提高巖石孔隙度(最大增幅為1.2%),也可降低巖石孔隙度(最大降幅為2.8%),既可提高巖石的滲透率(最大增幅為2.5 ×10-3μm2),也可降低巖石滲透率(最大降幅為0.7×10-3μm2)(圖7(b)),但碎裂帶發(fā)育導致巖石孔隙度、滲透率產(chǎn)生的變化量與微裂縫相比明顯偏低;③硅酸鹽混合變形帶的發(fā)育使巖石孔隙度、滲透率降低,孔隙度降幅為0.1%～3.2%,滲透率降幅為(0.01～0.7)×10-3μm2(圖7(c))。

前人針對Unita、Rio Grannde Rift、North Sea等全球多個盆地中微觀構造發(fā)育對儲層滲透率的影響開展大量研究[2,3,15,17,30-35],發(fā)現(xiàn)在常規(guī)溫壓條件盆地中,微觀構造的發(fā)育普遍導致儲層物性變差,滲透率降低幅度最高可達6個數(shù)量級(圖8)。而本研究中11組數(shù)據(jù)顯示,瓊東南盆地高溫高壓條件下微觀構造的發(fā)育對儲層滲透率的影響作用較為有限。其中微裂縫的發(fā)育可使?jié)B透率增大,最高增幅可達1個數(shù)量級,儲層物性得到一定的改善;碎裂帶的發(fā)育即可使?jié)B透率增大也可使其降低,但變化幅度均低于1個數(shù)量級;硅酸鹽混合變形帶的發(fā)育普遍使巖石滲透率降低,但降低幅度低于1個數(shù)量級。

圖8 變形帶發(fā)育對原巖滲透率的影響(據(jù)文獻[2],[10],[31]～[35],有修改)Fig.8 Influence of deformation bands development on permeability of protolith(after citation[2],[10],[31]～[35], modified)

5 結 論

(1)瓊東南盆地崖城區(qū)主要發(fā)育4種微觀構造,分別為微裂縫、碎裂帶、硅酸鹽混合變形帶和微觀涂抹帶。其中微裂縫是通過巖石微觀尺度的破裂作用形成,碎裂帶是通過巖石礦物顆粒的碎裂作用形成,硅酸鹽混合變形帶是通過巖石中層狀和架狀硅酸鹽的混合作用形成,而微觀涂抹帶則是通過巖石中泥質(zhì)條帶的涂抹作用而形成。

(2)瓊東南盆地崖城區(qū)發(fā)育的微觀構造類型與變形帶內(nèi)黏土礦物體積分數(shù)相關:黏土礦物體積分數(shù)低于20%時以發(fā)育碎裂帶為主,高于50%時以發(fā)育微觀涂抹帶為主,介于20%～50%時以發(fā)育硅酸鹽混合變形帶為主。

(3)瓊東南盆地崖城區(qū)微觀構造的發(fā)育對儲層物性具有一定的改造作用:微裂縫可顯著提升巖石孔隙度(增幅4.7%～8%)和滲透率(增幅為(29～146)×10-3μm2);碎裂帶既可提高也可降低巖石孔隙度(-2.8%～+1.2%)和滲透率((-0.7～+2.5)×10-3μm2);硅酸鹽混合變形帶小幅降低巖石孔隙度(降幅為0.1%～3.2%)和滲透率(降幅為(0.01～0.7)×10-3μm2)。