渤中凹陷西南环碳酸盐岩出露区域集中在渤中21/22构造区, 位于渤海湾盆地中部海域, 西部与沙南凹陷、埕北低凸起相邻, 南与渤南低凸起相接, 北依沙垒田凸起, 潜山整体具有凹中隆的背斜构造背景(图 1)。渤中21/22构造区经历了整体沉降及加里东、印支、海西、燕山、喜马拉雅运动的多期改造, 使得潜山地层长期遭受暴露剥蚀, 碳酸盐岩储集层接受多期改造, 形成了风化壳型岩溶储集层。潜山上覆地层自上而下为新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组一段。古生界潜山碳酸盐岩地层是文中研究的目的层段。

图 1

Fig.1

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	图 1 渤海湾盆地渤中凹陷21/22构造区位置Fig.1 Location of structure area 21/22 in Bozhong sag, Bohai Bay Basin

根据科1井发现的化石对古生界潜山段地层的时代进行了限定。科1井潜山段地层发现的牙形石为: 在4890.0~4890.2, m段, 出现镰箭刺Drepanoistodu(图 2-a); 在4955~4960, m段, 出现唐山怪齿刺Erraticodon tangshanensis(图 2-b); 在5115~5120, m段, 发现镰刺未定种Drepanodus sp.(图 2-c)。对华北地区标准牙形石带进行研究发现(杜圣贤等, 2007; 孙浩, 2013), Panderodus gracilis自中奥陶世一直持续到晚奥陶世, Drepanoistodu主要分布在中奥陶世晚期至晚奥陶世早期, Drepanodus为华北地区中晚奥陶世常见化石, 但在早奥陶世也有零星出现。且从牙形石的演化趋势来看, 其一般从单锥型向齿棒型发展, 齿棒型(如Erraticodon tangshanensis)直到中奥陶世才开始出现。由此推断, 科1井潜山段4890.0~4890.2, m段可能为中奥陶统, 而5115~5120, m段则可能为下奥陶统。除了牙形石外, 科1井潜山段地层中还发现了一些疑源类, 如在4890.0~4890.2, m段发现的阿雷莫里卡藻属Aremoricanium(图 2-d), 其形成于中奥陶世; 在5060~5065, m段出现柱突藻属Stelomorpha(图 2-e), 其形成于早中奥陶世; 在5125~5130, m段出现波口藻属Cymatiogalea(图 2-f), 其形成于早奥陶世。因此, 根据已发现的疑源类和牙形石化石, 认为科1井古潜山段地层属于中下奥陶统。

图 2

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图 2 渤海湾盆地渤中21/22构造区科1井古生界古生物化石 a— 镰箭刺Drepanoistodu, 侧视, × 43, 4890.0~4890.2, m; b— 唐山怪齿刺Erraticodon tangshanensis, 侧视, × 43, 4955~4960, m; c— 镰刺未定种Drepanodus sp., 侧视, × 43, 5115~5120, m; d— 阿雷莫里卡藻属Aremoricanium, 4890.0~4890.2, m; e— 柱突藻属Stelomorpha, 5060~5065, m; f— 波口藻属Cymatiogalea, 5125~5130, mFig.2 Palaeontological fossils of the Paleozoic from Well Ke1 in Bozhong structure area 21/22, Bohai Bay Basin

图 3

Fig.3

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	图 3 渤海湾盆地渤中21/22构造区古潜山奥陶系地层对比Fig.3 The Ordovician strata correlation of buried hill in Bozhong structure area 21/22, Bohai Bay Basin

通过对比科1井潜山段地层和华北地区奥陶系的古生物化石、岩性、测井曲线特征等, 发现其自上而下可划分为3段: 中奥陶统上马家沟组、下马家沟组和下奥陶统亮甲山组(图 3)。科2井钻遇潜山面虽然比科1井高500, m, 但根据2口井的岩石组分、岩性特征及电性特征对比来看, 这2口井钻遇的大体为同一套地层, 均为中下奥陶统。亮甲山组整体白云岩含量高, 向下部白云岩含量逐渐降低, 自然伽马值较低, 局部呈尖峰形; 从厚度上推测, 科1井亮甲山组下部地层可能未完全揭示。下马家沟组以灰岩为主, 其中科2井中下部伽马曲线呈锯齿状, 可能是存在一些放射性元素; 另外, 2口井下马家沟组地层厚度也相当, 约90, m。上马家沟组上部均以灰岩为主, 底部以白云岩为主; 科2井自然伽马值高, 呈尖峰形, 与科1井中下段相似, 这可能是由于科2井潜山面高、顶面剥蚀厚度大导致的。

碳酸盐岩的岩石类型和结构、岩石组合、古生物化石、测井曲线及地球化学特征可反映不同的沉积环境(张敏等, 2004), 其中碳酸盐岩的结构组分和填隙物的种类、数量、结构能反映出沉积水体能量的大小, 这对沉积环境的分析具有重要意义(王必金等, 2013)。华北地台早古生代整体为台地相, 文中主要以渤中21-2构造的上马家沟组为例, 从沉积组构特征、测井相标志、地球化学特征和古生物标志这4个方面对碳酸盐岩沉积微相进行精细划分。

3.3 地球化学特征

沉积环境不仅控制着盆地内主要沉积物组分的沉淀作用, 同时也影响着沉积物内部微量元素的分布(胡明毅, 1994, 1999; 何宏等, 2004; 汪凯明和罗顺社, 2009; 徐立恒等, 2009; 赵彦彦, 2009; 倪春华等, 2011)。胡明毅等曾提出了微量元素Sr含量、Sr/Ca× 1000值、Sr/Ba值等可以反映古水深的变化, 这些元素的含量或者比值越高, 反映当时沉积水体越深。

图 4

Fig.4

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	图 4 渤海湾盆地渤中21/22构造区科1井奥陶系上马家沟组沉积相标志Fig.4 Sedimentary facies marks of the Ordovician Shangmajiagou Formation from Well Ke1 in Bozhong structure area 21/22, Bohai Bay Basin

科1井在4934~4983, m段Sr、Sr/Ca× 1000、Sr/Ba值自下而上逐渐增大(图 4), 向上在4900~4934, m段微量元素含量及其比值变化幅度较小, 而到4875~4900, m段, 微量元素含量及其比值均达到最大, 说明此时水体最深。上马家沟组微量元素的变化规律反映水体从下向上整体是一个由浅逐渐加深的演变过程, 更加证明了上马家沟组自下而上整体为局限台地潮坪(潮下带、潮间带)微相向开阔台地台内滩微相或滩间微相过渡的特征。

基于以上沉积相标志分析, 建立了科1井和科2井单井沉积相(图 5)。研究区整体为一套浅海碳酸盐岩台地相, 以发育局限台地潮下带、开阔台地台内滩微相为主, 局部发育潮间带和滩间微相。开阔台地亚相微量元素Sr含量、Sr/Ca值和Sr/Ba值较高, 代表水体相对较深, 细分为台内滩和滩间微相, 其中台内滩发育砾屑、砂屑灰岩, 具典型亮晶鲕粒结构, 测井曲线呈箱型, 自然伽马值低, 约10 API, 成像测井显示块状构造; 滩间发育泥— 粉晶灰岩, 测井曲线呈尖峰形, 自然伽马值高, 平均值约80 API, 成像测井显示层状构造。局限台地主要发育泥晶灰质云岩, 可见典型鸟眼构造, 微量元素Sr含量、Sr/Ca值和Sr/Ba值低, 说明水体较浅, 包括潮下带和潮间带微相, 其中潮下带微相测井曲线呈漏斗形、自然伽马值较低、为20 API左右, 而潮间带微相的自然伽马值相对较高、约60, API。

图 5

Fig.5

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	图 5 渤海湾盆地渤中21/22构造区奥陶系沉积微相连井对比图Fig.5 Profile correlation of sedimentary microfacies of the Ordovician in Bozhong structure area 21/22, Bohai Bay Basin

研究区奥陶系亮甲山组主要发育台内滩和潮下带微相, 局部发育滩间和潮间带微相; 下马家沟组以潮下带微相为主, 局部分布潮间带; 上马家沟组主要发育台内滩微相, 中部发育滩间微相, 底部发育潮下带微相(图5)。沉积相纵向上表现为一个较为完整的早期海退— 中晚期海进沉积序列, 这与华北地台鄂尔多斯盆地早古生代海平面变化是相吻合的, 从而形成了由开阔台地— 局限台地— 开阔台地的演化规律, 期间次级的海进— 海退过程又形成了台内滩— 滩间— 潮下带— 潮间带这4种微相的纵向演变规律。

结合连井相分析(图 5), 亮甲山组相带横向变化较大, 分布不稳定; 下马家沟组潮下带横向分布连续稳定; 上马家沟组台内滩和潮下带均横向分布连续稳定。整体上渤中21/22构造区古生界台内滩和潮下带微相分布范围广, 而滩间和潮间带微相分布局限, 纵向上相互叠置, 使整个岩溶储集层呈层状分布。

不同沉积相带碳酸盐岩储集层的原始组成物质不同, 其成岩与孔隙演化亦存在差异, 故形成的储渗空间类型与特性也不同。台内滩和潮下带环境中水动力相对较强, 沉积物经过反复淘洗, 岩性较纯, 多发育纯灰岩或白云岩, 以粒屑结构为主, 先存孔隙结构中基质孔隙比较发育, 经后期暴露剥蚀, 更易发生溶蚀作用, 且孔隙溶蚀扩大, 次生孔隙增多, 能形成较好的岩溶储集层, 储集空间以孔洞— 裂缝型为主。台内滩微相溶蚀孔洞发育, 部分被充填, 储集空间以孔洞— 裂缝型为主(图6-a), 孔隙度平均为7%; 潮下带微相白云岩储集层发育多期溶蚀裂缝, 呈半充填, 储集空间主要为裂缝— 孔隙型(图6-b), 孔隙度约6%。滩间和潮间带环境中水动力条件较弱, 形成的沉积物岩性较致密, 多含泥质, 基质孔隙基本不发育, 不利于后期溶蚀, 溶孔溶缝不太发育且被完全充填, 储集空间以裂缝型为主(图6-c, 6-d), 孔隙度平均为2%。实测孔隙度数据分析也表明, 台内滩和潮下带微相形成的储集层物性较好, 而滩间和潮间带微相储集层物性较差(图6-e)。

平面上, 台内滩微相主要集中在地势相对高部位, 且水动力条件强, 形成的储集层早期溶孔发育, 而潮下带靠近低潮线附近部分长期受到海水冲刷作用, 因此, 这2个高能相带发育的碳酸盐岩较纯净, 经后期风化淋滤更易于发生溶蚀作用, 形成的岩溶储集层厚度大、质量好。从与钻井测井解释气层的对应关系来看(图5), 科1井和科2井的气层也主要集中在台内滩和潮下带微相。综合分析, 台内滩微相和潮下带微相是有利的岩溶储集层发育相带。

图 6

Fig.6

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	图 6 渤海湾盆地渤中21/22构造区奥陶系储集层微观特征 a— 科1井, 4950, m, 灰岩, 溶蚀孔, 台内滩微相; b— 科1井, 5020, m, 白云岩, 溶蚀缝, 潮下带微相; c— 科1井, 4887.5, m, 泥质灰岩, 大裂缝发育少, 见微裂缝被完全充填, 滩间微相; d— 科2井, 4460.3, m, 泥晶云岩, 孔缝发育少, 潮间带微相; e— 科2井, 孔隙发育特征Fig.6 Microcosmic feature of the Ordovician reservoir in Bozhong structure area 21/22, Bohai Bay Basin

1)渤海湾盆地渤中凹陷西南环渤中21/22构造区古生界可划分为中奥陶统上马家沟组、中奥陶统下马家沟组和下奥陶统亮甲山组。

2)奥陶系纵向上表现为1个较为完整的海退— 海进序列, 主要发育开阔台地和局限台地2种沉积亚相, 并可进一步精细划分为台内滩、滩间、潮下带和潮间带4种沉积微相。

3)台内滩和潮下带微相横向分布连续稳定, 是有利的岩溶储集层发育相带。