塔河油田是中国20世纪90年代发现的第1个古生界海相大型整装高产油气田。目前, 该油田探明油气储量已超过14.1× 10⁸ t(韩革华等, 2006), 含油气层位包括三叠系、石炭系和奥陶系, 其中奥陶系碳酸盐岩中的油气储量占其总探明储量的近90%以上(陈红汉等, 2014), 然而奥陶系埋藏深度大(超过5400m)、储集空间类型复杂多变、原油性质差(原油密度大于0.9ig/cm³)、油水关系复杂, 使其成为世界上开发难度很大的油田之一(康玉柱, 2003; 李阳等, 2016)。前期研究认为, 塔河油田奥陶系油藏为典型的“ 缝— 洞型” 碳酸盐岩储集体, 溶洞、裂缝、小型溶蚀孔洞、礁滩粒间孔等被认为是该油气藏的主要储集空间(顾家裕等, 2001; 赵文智等, 2006; 邓小江等, 2007; 马永生等, 2007; 郑和荣等, 2009; Lu et al., 2017; Tian et al., 2017), 因此多年来的勘探目标也主要集中在地震和测井上易于识别的溶洞和裂缝型碳酸盐岩储集层上, 而对生物扰动型储集层的研究较少。但是, 郭建华等1994年就发现塔河油田奥陶系碳酸盐岩中有生物扰动成因储集层的存在; 牛永斌等通过对塔河油田奥陶系大量岩心观察, 认为该地区生物扰动型储集层相当发育(牛永斌等, 2010, 2017)。2017Golab等(2017)通过研究美国德克萨斯州中部台地泥质碳酸盐岩矿床Aptian-Albian的Glen Rose灰岩, 发现由Thalassinoides类生物扰动控制的生物潜穴系统中, 流体会根据基质和潜穴填充物间渗透性差异产生不同的流动路径。因此, 研究塔河油田奥陶系生物扰动型储集层分布规律及其结构的非均质性, 对这类储集层的勘探开发具有重要意义。

三维X射线显微镜是目前最热门、发展最快的CT成像技术之一。作为一种同步辐射光源发展起来的成像技术, 它采用传统CT技术与光学显微技术相结合的一种新型三维透视显微成像技术, 能全方位、高衬度、大体积地对样品观测和显示, 空间分辨率高达75inm。使用三维X射线显微镜, 可在不破坏样品的情况下对围岩基质中的生物扰动进行定量分析, 揭示其他物理实验难以提供的信息, 解决了生物扰动的识别只停留在分析岩心表面而不能观测到其岩心内部三维分布的局限性(赵碧华, 1989; 李玉彬等, 1999; 陈世杰等, 2013; 邓知秋和滕奇志, 2013; 白斌等, 2014; 孔强夫等, 2015; Zhang et al., 2016)。

牛永斌等(2017)利用Adobe^® Photoshop^® software CS6软件, 从二维图像方面对塔河油田奥陶系岩心的生物扰动实现了定量表征。在此基础上, 本次研究对塔河油田奥陶系16口井982m的岩心进行详细的观测和描述, 并对岩心上的生物扰动类型进行鉴别; 选取典型岩心样品进行磨制薄片, 采用偏光显微镜、阴极发光显微镜和X射线显微镜对岩石和生物潜穴的微观特征进行详细观测和描述; 以沉积学和遗迹学理论为指导, 应用3ds Max软件对研究区生物扰动型储集层进行了三维重构, 以揭示这类储集层的结构非均质性和分布规律。该研究不仅为后续研究这类储集层宏观非均质性与微观各向异性、定量表征生物扰动储集层微观尺度上的渗流特征奠定了基础, 而且还为完善塔河油田奥陶系油藏模型提供了一种新思路。

塔河油田面积为2400km², 行政区划上位于中国新疆维吾尔自治区轮台县境内, 距轮台县城西南约50km; 构造位置属塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起中南端, 西邻哈拉哈塘坳陷, 东靠草湖坳陷, 南接满加尔坳陷(图 1-a)(刘文等, 2002; 牛永斌等, 2010, 2017)。目前, 根据奥陶系油藏特征, 将其划分为12个勘探区(图 1-b)。钻井揭示, 塔河油田奥陶系包含下奥陶统蓬莱坝组、中— 下奥陶统鹰山组和中奥陶统一间房组及上奥陶统恰尔巴克组、良里塔格组、桑塔木组, 总厚度近1000m。下奥陶统与中、上奥陶统沉积特征不同, 除上奥陶统桑塔木组有较多碎屑岩外, 其余各组多为碳酸盐岩(白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩, 自下而上白云岩的含量逐渐减少)(郭建华等, 1994), 但各组的岩石组合和沉积序列明显不同(图 1-c)。生物扰动型碳酸盐岩储集层主要发育在中— 下奥陶统的鹰山组和中奥陶统的一间房组。

图 1

Fig.1

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	图 1 塔河油田地理位置、区域划分及奥陶系地层柱状图 a— 塔里木盆地区域构造划分, 显示塔河油田构造位置; b— 塔河油田的区块划分, 显示观测取心井的位置信息; c— 塔河油田奥陶系的岩性柱状图, 显示地层划分、厚度、岩性和接触关系Fig.1 Geographic location, regional division and stratigraphic column of the Ordovician of Tahe Oilfield

奥陶纪, 塔河油田经历了早奥陶世的2次海侵、海退, 中奥陶世的持续海侵(中奥陶世末第1次淹没台地)和晚奥陶世的海侵(第2次淹没台地); 沉积环境亦由局限碳酸盐岩台地经开阔台地向台地边缘和台缘斜坡过渡, 然后海退回到局限台地相, 最后再次发生大范围的突然海侵过渡到混积陆棚。在早— 中奥陶世(鹰山组和一间房组沉积期)的海侵、海退过程中, (古)生物在碳酸盐沉积物表面或内部建造了大量形态各异的潜穴, 这些潜穴充填物在后期的成岩改造过程中形成了大量的“ 白云石砂屑团块” 储集体。目前普遍认为, 它们的成因与“ 生物扰动” 和“ 不均匀白云化” 协同作用有关(贾振远和马淑媛, 1984; 陈曦等, 2011; 郝毅等, 2012)。

研究过程中, 首先选取典型岩心样品进行磨制薄片, 采用偏光显微镜(Zeiss Scope1)和阴极发光显微镜(CITL-CL8200-MK5+Zeiss Axioscope A1)进行矿物成分、颗粒组分和岩石结构鉴定; 然后, 利用X射线显微镜(ZEISS Xradia 510 Versa)对生物潜穴空间形态、充填物微观孔隙特征进行详细观测和描述, 在此基础上利用沉积学和遗迹学理论为指导得出三维概念模型; 最后, 应用3ds Max软件对生物潜穴的发育特征与演化规律进行三维重构, 建立了研究区生物扰动型储集层的中观三维模型(厘米级)。基于岩心中生物扰动信息的小尺度生物扰动型储集层地质体三维重构的总体设计流程如图 2, 可细分为3步: (1)在数据分析基础上提出三维概念模型; (2)模型的三维重构; (3)模型的渲染及可视化展示。

图 2

Fig.2

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	图 2 塔河油田奥陶系生物扰动型储集层的三维重构设计流程图Fig.2 Flowchart of three-dimensional reconstruction of the Ordovician bioturbation reservoir in Tahe Oilfield

3.1 三维概念模型的建立

首先, 在岩心观测的基础上, 提取岩心高清扫描图片(图 3-a, 3-b, 3-c)、典型岩样的切片(图 3-d)、阴极发光显微镜镜下的观测图片(图 3-e, 3-f)、小尺度(毫米级至厘米级)生物扰动区的X射线显微镜(3D XRM)的三维地质体信息(图 4)以及XRD测试分析信息; 然后, 对提取的各种数据进行综合分析, 以沉积学和遗迹学理论为指导, 提出生物扰动型储集层的小尺度概念模型。

图 3

Fig.3

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图 3 塔河油田奥陶系典型岩心照片、岩样切面和显微薄片上的生物扰动特征 a— T208井, 5613.58m, 生物扰动含油岩心, 岩性为白云质灰岩, 黑色斑块为重油浸染的遗迹潜穴, 顶部和底部为Thalassinoides(红色箭头指示的潜穴), 中间为Helminthopsis(黄色箭头指示的潜穴); b— S79井, 5703.90m, 生物扰动含油岩心, 岩性为白云质灰岩, 黑色斑块为重油浸染的Thalassinoides生物潜穴(红色箭头指示的潜穴); c— S79井, 5705.90m, 生物扰动含油岩心, 岩性为白云质灰岩, 黑色斑块为重油浸染的遗迹潜穴, 右上部为Helminthopsis(黄色箭头指示的潜穴), 中部和下部为Thalassinoides(红色箭头指示的潜穴); d— S77井, 5566.27m, 生物扰动岩石切片, 岩性为白云质灰岩; e— S77井, 5566.27 m, 单偏光, 生物成因的白云质灰岩, 上部为潜穴充填的白云石, 白云石颗粒晶形不规则, 局部呈嵌晶特征, 缝合线以及被重油浸染的潜穴裂缝清晰可见; f— S77井, 5566.27 m, e的阴极发光照片, 上部为生物潜穴充填白云石, 在阴极发光下显示红色到紫红色光, 下部为泥晶灰岩基质, 在阴极发光下不发光Fig.3 Bioturbation characteristics of typical core, rock slices and micrographs of the Ordovician in Tahe Oilfield

图 4

Fig.4

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图 4 塔河油田奥陶系典型3D XRM三维数据体(显示生物扰动区与基质边界, 裂缝、孔隙连接等特征) a— 3D XRM三维地质数据体的双向切片, 生物扰动与围岩基质的边界; b— 高清3D XRM三维地质数据体的双向切片, 显示生物扰动区与围岩基质之间的孔隙度差异; c— 3D XRM三维地质数据体的渲染图, 显示Thalassinoides生物潜穴空间形态、边界以及与裂缝的组合特征; d— 生物扰动区的孔隙提取及其空间连通状况的可视化展示Fig.4 Typical three-dimensional data of the Ordovician sample from Tahe Oilfield using 3D XRM(showing bioturbation characteristics and matrix boundary, fracture and pore connectivity, etc.)

岩心观测表明, 研究区奥陶系岩心上可明显识别出的生物扰动潜穴有2类, 分别是Thalassinoides和Helminthopsis, 但以Thalassinoides最为发育, 在岩心表面上呈现豹斑状、蠕虫状或斑状等形态。综合岩石切片、薄片、3D XRM三维数据体和XRD半定量测试分析, 发现研究区Thalassinoides潜穴多呈空间网状结构, 水平方向上呈多枝网络状互相连接, 常形成Y字形或近垂直分支, 分叉处有明显的“ 膨大结构” (杨式溥等, 2004), 潜穴直径在0.3~5cm之间, 内部充填物90%以上发生白云石化。Thalassinoides生物潜穴在碳酸盐岩沉积环境中以潮间带最为发育(牛永斌等, 2018)。而Helminthopsis潜穴多呈蛇曲状, 近水平面上出现多次交切, 但在交切处无“ 膨大结构” , 潜穴直径在0.2~3cm之间, 潜穴充填物亦多发生白云石化, 在岩心表面上呈带状、斑状等, 潜穴围岩多为泥晶灰岩或者生物碎屑灰岩。Helminthopsis在海相地层中广泛发育, 以浅海和低能海湾环境为多(杨式溥等, 2004)。

应用阴极发光显微镜观测发现, 潜穴充填物(白云石化部分)的晶体颗粒明显较围岩基质部分粗, 其矿物成分主要为白云石颗粒, 以细晶结构为主, 粒径一般小于200μ m, 普遍为100~200μ m, 另有少量为粉晶结构。晶体之间普遍可见灰质残留, 并且晶体之间、充填物与围岩边界的缝合线之中普遍可见棕黄色— 棕褐色重油浸染的痕迹(图 3-e, 3-f)。

本次研究还利用X射线显微镜(ZEISS Xradia 510 Versa)对岩心样品中生物扰动区域进行扫描, 得到多个高精度的三维数据体, 并对扰动区生物潜穴空间展布与潜穴内微观孔隙的发育特征进行详细的观测和描述(图 4-a, 4-b)。研究区生物扰动区域的孔隙以2~10μ m的微孔为主, 孔隙度可达4%。通过多方向切割三维数据体, 发现单个切面上看起来斑状离散的生物潜穴, 在另一个切面上却是互相连通的(图 4-c)。基于灰度提取技术, 利用ORS(Object Research System)软件的灰度分析技术, 对生物扰动区域的孔隙进行分割、识别和测量, 并对其连通性进行分析, 在此基础上对生物扰动区域微孔隙和微裂隙的高精度三维数据体进行渲染, 得到微观的结构模型(图 4-d)。

此外, 通过分析岩心上生物潜穴形态的垂向演变规律, 发现其形态呈现明显的周期性变化, 总体上有2种变化规律: (1)第1种自下向上表现为由空间网状的Thalassinoides生物潜穴过渡为近水平网状的Thalassinoides生物潜穴, 再到薄层、水平网状交切的Helminthopsis生物潜穴, 形成于海侵过程。(2)第2种与上述情况恰恰相反, 自下向上表现为由水平网状交切的Helminthopsis潜穴过渡到近水平网状的Thalassinoides生物潜穴, 再到空间网状的Thalassinoides生物潜穴, 形成于海退过程。在鹰山组和一间房组, 2种生物潜穴的演变常呈现明显的旋回性, 但Thalassinoides生物潜穴的比例远多于Helminthopsis生物潜穴。总体而言, 代表海侵过程的生物潜穴所占的比例大于代表海退过程的生物潜穴。在海侵过程中形成的空间网状Thalassinoides潜穴的扰动体积占50%~60%, 近水平网状Thalassinoides潜穴的扰动体积占30%~40%, 而水平交切Helminthopsis潜穴的扰动体积仅占10%左右。在海退过程中形成的空间网状Thalassinoides潜穴的扰动体积占40%~50%, 近水平网状Thalassinoides潜穴的扰动体积占40%~50%, 薄层Helminthopsis潜穴的扰动体积同样仅占10%左右。

3.3 模型渲染及可视化展示

作为小尺度生物扰动型储集层三维重构和建模的最后一步, 模型在完成了“ 建模” 、“ 编辑材质” 、“ 设置灯光与摆放摄影机” 等一系列操作之后, 需要对场景进行渲染, 目的是为了“ 材质” 、“ 灯光” 以及“ 特效” 的输出和展现, 实现地质意义上虚拟再现小尺度生物扰动型储集层的结构特征。

在三维重建软件包的主工具栏中进入“ 渲染” 设置命令面板, 根据所建三维地质模型进行渲染输出效果的设置。选择3ds Max的默认“ 扫描线渲染器” 产品级渲染模式, 在“ 公用” 选项卡中对渲染的基本参数属性进行设置, 以达到最佳渲染效果, 进行可视化显示(图 5)。

图 5

Fig.5

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图 5 塔河油田奥陶系代表海侵和海退过程的生物扰动变化的三维地质模型 a— 生物扰动型储集层中形成的与海侵过程有关的生物潜穴演化模型, 生物潜穴演化规律自下而上表现为由空间网状Thalassinoides潜穴过渡到近水平网状Thalassinoides潜穴, 再到薄层Helminthopsis潜穴; b— 生物扰动型储集层中形成的与海侵过程有关的生物潜穴演化模型纵剖面特征; c— 生物扰动型储集层中形成的与海退过程有关的生物潜穴演化模型, 生物潜穴演化规律自下而上表现为由薄层Helminthopsis潜穴过渡到近水平网状Thalassinoides潜穴再到空间网状Thalassinoides潜穴; d— 生物扰动型储集层中形成的与海退过程有关的生物潜穴演化模型纵剖面特征Fig.5 Three-dimensional geological model of bioturbation forming in transgression and regression of the Ordovician in Tahe Oilfield

塔河油田奥陶系生物扰动型储集层的三维重构是精确表征该类储集层的基础, 对塔河油田的勘探开发具有多重启示意义。

首先, 三维重构技术为研究类似的生物扰动型储集层, 提供了一种技术手段和一个可视化的类比实例。本次研究采用三维可视化技术, 再现了塔河油田生物扰动型储集层的内部结构与微观特征, 为后续研究这类储集层宏观非均质性与微观各向异性奠定了基础, 所建立的生物扰动型储集层中观三维地质体模型, 是连接宏观储集层非均质地质体和微观孔隙结构的桥梁。生物扰动是(古)生物在生命活动过程中与沉积物交互作用形成的各种规模的内部结构和构造(Bromley and Ekdale, 1986), 在这些结构和构造的形成过程中, “ 造迹生物” 通过倒置、压缩、挖掘和回填沉积物等多种方式, 改变原始沉积物的组构和结构, 同时造成潜穴充填物的原始物性特征与宿主沉积存在差异; 并且, 随着成岩环境的不断变迁、交替, 温度、压力的不断变化, 后期多类型、多期次成岩作用的改造, 原本存在的差异在其后的成岩过程中被逐步放大, 造成碳酸盐岩储集层中的生物扰动呈现宏观上的非均质性和微观上的各向异性(牛永斌等, 2017)。储集层这种宏观上的非均质性和微观上的各向异性, 是影响注水波及效率及油气采收率的重要因素(吴胜和等, 2013)。本次基于岩心、切片、薄片观察和高精度X射线所提取的信息, 应用3dsiMax软件提供的生物扰动三维重构软件包, 对生物潜穴的发育特征与演化规律进行三维重构, 有助于进一步研究生物扰动对储集层的改造效应, 全面、准确、真实刻画了塔河油田奥陶系生物扰动型碳酸盐岩储集层中的储集空间(尹燕义等, 1996; Gorden et al., 2010; 白斌等, 2013; Gingras et al., 2014), 这对后续开发方案的优选和提高油气采收率均具有重要意义。

其次, 塔河油田奥陶系生物扰动型储集层的三维重构, 还可为对后续研究该类储集层多孔介质的迂曲度奠定基础。多孔介质中流体流线的弯曲程度受介质颗粒/孔隙的大小和形状、孔隙度、孔隙连通性等因素的影响(顾军和杨昌龙, 2009; Li et al., 2016); 而生物扰动型储集层的潜穴充填物和围岩基质的颗粒/孔隙的大小和形状、孔隙度、孔隙连通性等具有明显的差异, 因此, 储集层内部的生物潜穴与围岩基质具有不同的迂曲度和分形特征。迂曲度是影响多孔介质有效流动和传输特征的重要参数之一, 分析迂曲度参量与多孔介质流体孔隙结构的关系是准确理解和预测多孔介质流体宏观流动特征的主要研究内容之一。传统的迂曲度计算是以Sierpinski地毯为基础, 它是精确自相似的二维质量分形结构(Khabbazi et al., 2015, 2016), 而厘清生物扰动型储集层的三维结构, 有助于计算这类多孔介质的分形维数和流动迂曲度, 为定量描述生物扰动型储集层微观尺度上的渗流机理打下基础(白瑞婷等, 2016; 尹帅等, 2017)。此外, 还为研究生物扰动强度与储集层渗透率的关系以及储量的估算提供借鉴。关于生物扰动强度和储集层渗透率的关系, 已有不少学者进行了大量尝试和努力, 提出了双重孔隙度和双重渗透率模型, 在油田开发上取得了不错的应用效果(Pemberton and Gingras, 2005; Gingras et al., 2009, 2014; La Croix et al., 2012, 2013; Baniak et al., 2013; Bednarz and Mcllroy, 2015; 张恒荣等, 2017)。

最后, 对完善塔河油田的油藏模型也具有启示意义。以前研究认为塔河油田奥陶系是典型的“ 缝— 洞” 型碳酸盐岩油藏, 但目前研究揭示研究区生物扰动型碳酸盐岩储集层也非常发育(顾家裕等, 2001; 赵文智等, 2006; 邓小江等, 2007; 马永生等, 2007; 郑和荣等, 2009; 牛永斌等, 2010, 2017; Lu et al., 2017; Tian et al., 2017)。这样就可以把传统的溶洞、小型溶蚀孔洞、裂缝、缝合线等主要储集空间, 扩充到生物扰动形成的“ 白云石晶间孔” , 构成了从生物潜穴充填物(白云石砂屑团块)内“ 白云石晶间孔” 、缝合线、裂缝到溶洞四位一体的油藏新模型(图 6)。正如钟建华等(2010)、牛永斌等(2017)指出, 如果把塔河油田奥陶系这样的油藏比拟为一个有机体, 白云石砂屑团块就犹如动物体的细胞, 缝合线则如毛细血管, (大)裂缝相当大动脉, 而溶洞则是“ 心脏” , 这样一个四级存储单元构成了塔河油田奥陶系油藏复杂的储集系统。虽然这一设想还需要更多的研究来证实, 但是它却为改进和完善传统的油藏模型提供了一种新思路。加拿大Albert省中部上泥盆统Wabamun群的Pine Creek油气田与塔河油田具有类似的生物扰动型储集层, 该油田的单井开发周期达40年之久(Baniak et al., 2013), 而塔河油田的单井开发周期很少超过10年, 因此, 开拓思维、改进和完善塔河油田的油气藏模型, 不得不说是亟待解决的一个问题。

图 6

Fig.6

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	图 6 塔里木盆地塔河油田奥陶系油藏剖面模式(修改自田飞等, 2016)Fig.6 Schematic diagram of the Ordovician reservoir model of Tahe Oilfield, Tarim Basin (modified from Tian et al., 2016)

1)塔河油田奥陶系鹰山组和一间房组生物扰动型储集层发育。研究区共识别出2类生物扰动潜穴, 分别是Thalassinoides和Helminthopsis, 其中以Thalassinoides最为发育, 扰动体积可达90%; 生物潜穴充填物以白云石为主, 所占比例可达90%以上, 宿主围岩为泥晶灰岩。在综合提取生物扰动型储集层特征信息的基础上, 以沉积学和遗迹学理论为指导, 应用3ds Max软件对研究区奥陶系生物扰动型储集层进行了三维重构。

2)伴随着塔河油田早— 中奥陶世海侵、海退的沉积演化, 生物潜穴发育呈现明显的周期性变化, 总体上有2种变化规律: (1)自下向上表现为由空间网状的Thalassinoides生物潜穴过渡为近水平网状的Thalassinoides生物潜穴, 再到水平交切的Helminthopsis生物潜穴, 它们形成于海侵过程; (2)自下向上表现为由水平网状交切的Helminthopsis潜穴过渡到近水平网状的Thalassinoides生物潜穴, 再到空间网状的Thalassinoides生物潜穴, 该套生物扰动型储集层形成于海退过程中。

3)塔河油田奥陶系生物扰动型储集层的三维重构可视化, 再现了塔河油田生物扰动型储集层的内部结构与微观特征, 为后续研究这类储集层宏观非均质性与微观各向异性、计算这类储集层多孔介质的迂曲度、定量表征生物扰动储集层微观尺度上的渗流特征奠定了基础; 此外, 还对开拓思维、改进和完善塔河油田奥陶系油藏模型提供了一种新思路。