戈道瑶, 龚承林, 张新涛, 杨帆, 余一欣, 陈宇航. (2023). 渤海海域石臼坨—辽西凸起覆盖型潜山储集层发育特征与分布模式* [J]. 古地理学报, 25(1): 198-214.
GE Daoyao, GONG Chenglin, ZHANG Xintao, YANG Fan, YU Yixin, CHEN Yuhang. (2023). Characteristics and distribution pattern of the covered buried-hill reservoirs in Shijiutuo-Liaoxi uplift,Bohai Sea[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(1): 198-214.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.01.013
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渤海海域石臼坨—辽西凸起覆盖型潜山储集层发育特征与分布模式*
戈道瑶1,2, 龚承林1,2, 张新涛3, 杨帆1,2, 余一欣1,2, 陈宇航4
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 中海石油(中国)有限公司勘探部,北京 100010
4 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院,陕西西安 710018
About the corresponding author GONG Chenglin,born in 1983,is a professor at the China University of Petroleum(Beijing). His research interests mainly focus on deep-water sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: chenglingong@cup.edu.cn.

第一作者简介 戈道瑶,男,1997年生,中国石油大学(北京)博士研究生,主要从事储集层地质学和沉积学研究。E-mail: gepakho@163.com。

收稿日期:2022-02-14 修回日期:2022-06-21
基金资助:*中海石油(中国)有限公司天津分公司外协科研课题(编号: CCL2020TJX0NST1282)资助
摘要

渤海海域发育勘探潜力巨大的覆盖型潜山,这类潜山储集层的发育特征及分布模式是当前潜山油气勘探研究的重点和难点。利用地震、测井、铸体薄片、井壁岩心、常规物性、扫描电镜和X衍射等资料,开展了石臼坨—辽西凸起覆盖型潜山储集层的发育特征、主控因素和分布模式研究。研究结果表明: (1)覆盖型潜山以长英质含量较高的混合花岗岩为主,发育多种类型的溶蚀孔隙和裂缝,其中构造裂缝是最主要的储集空间。储集层平均孔隙度为2.2%,平均渗透率为0.445×10-3 μm2。覆盖型潜山自上而下可划分为风化黏土带、风化砂砾岩带、风化裂缝带、裂缝发育带、相对致密带和基岩带。 (2)富长英质的岩石为裂缝型储集层的形成提供了物质基础,较高的长英质含量利于构造成缝和风化、淋滤、溶蚀改造。 (3)印支期—燕山期的强烈隆升是形成优质风化壳储集层的必要条件,而多期次构造作用叠加是潜山规模裂缝型储集层形成的关键,储集层距印支—燕山主控断裂的远近和所处构造部位进一步影响了裂缝的发育。 (4)风化淋滤对于覆盖型潜山储集层的改造具有重要作用,是控制储集层垂向分带性的主要因素。 (5)建立了覆盖型潜山储集层的分布模式,叠合破碎带的风化裂缝带和裂缝发育带是优质储集层的有利发育部位,二层结构潜山风化壳更为发育,多期构造活动叠加区域潜山内幕裂缝带厚度更大,裂缝发育带和破碎带发育更为密集。

关键词: 石臼坨—辽西凸起; 覆盖型潜山; 储集层特征; 主控因素; 分布模式
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)01-0198-17
Characteristics and distribution pattern of the covered buried-hill reservoirs in Shijiutuo-Liaoxi uplift,Bohai Sea
GE Daoyao1,2, GONG Chenglin1,2, ZHANG Xintao3, YANG Fan1,2, YU Yixin1,2, CHEN Yuhang4
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 Exploration Department of CNOOC China Limited,Beijing 100010,China
4 Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China

About the first author GE Daoyao,born in 1997,is a PhD candidate at the China University of Petroleum(Beijing). His research interests mainly center on reservoir geology and sedimentology. E-mail: gepakho@163.com.

Fund:Financially supported by research project founded by the CNOOC China Limited Tianjin Branch(No. CCL2020TJX0NST1282)
Abstract

The Archaean covered buried hills with great potential are developed in the Bohai sea area. The characteristics and distribution pattern of such buried-hill reservoirs are the focus and difficulty in the current research of buried-hill oil and gas exploration. Using seismic data,well-log data,thin sections,sidewall cores,conventional physical property,scanning electron microscopy and X diffraction,the current research explored the characteristics,controlling factors and documented distribution patterns of Archaean covered buried-hill reservoirs in Shijiutuo-Liaoxi uplift of the Bohai Bay Basin,resulting in five main lines of observations and results. First,observations from the current study suggest that the documented Archaean buried hills is composed mainly of mixed granites and developed various types of dissolution pores and fractures,among which structural fractures are the most important reservoir space. The reservoir has an average porosity of 2.2% and average permeability of 0.445×10-3 μm2. The Archaean covered buried-hill reservoirs are composed from base to top of weathered clay zone,weathered conglomerate zone,weathered fracture zone,fracture-developed zone,tight zone and bedrock zone. Second,rocks rich in felsic minerals provided the material basis for the formation of fractured reservoirs. Higher felsic content is conducive to fracture formation and weathering,leaching and dissolution. Third,multi-stage tectonics are key to the formation of large-scale fractured,buried-hill reservoirs. The strong uplift of Indosinian and Yanshanian is the necessary condition for the formation of high-quality weathered crust reservoirs. More specifically,the development of fractures was affected by the different structural positions and the distance between the buried-hill reservoirs and main faults( i.e. the Indosinian and Yanshanian faults). Fourth,weathering and leaching of atmospheric fresh water facilitated the reworking of fractured and is the main factor controlling the vertical zonation of reservoirs. Fifth,the distribution pattern of Archaean covered buried-hill reservoirs was established. The overlapped fracture zones in weathered fracture zones and fracture-developed zones represent two main zones for the development of high-quality buried-hill reservoirs. The thickness of weathering crust of two-story buried hill is larger. The thickness of inner fracture zone is larger and the fracture-developed zone and fracture zone of buried hill are more densely developed in the superposition area of multi-stage tectonic activity.

Key words: Shijiutuo-Liaoxi uplift; covered buried-hill; reservoir characteristics; control factors; distribution pattern
1 概述

国内外多个大型潜山油气藏的勘探发现使得古潜山油气藏成为了近年来盆地油气勘探的重要接替领域。国外目前已发现的大型古潜山油气藏主要有委内瑞拉马拉开波盆地的拉帕兹和奥基拉油田、利比亚钖尔特盆地拿法拉油田和越南湄公河盆地白虎油田(马龙等, 2006; Cuong and Warren, 2009)。国内潜山油气勘探也不断取得重大突破, 如辽河坳陷曙光变质岩潜山油田(谢文彦等, 2006)、兴隆台变质岩潜山油田(高先志等, 2007; 宋柏荣等, 2011)、渤海海域辽西凸起锦州25-1变质岩潜山油田(周心怀等, 2005; 邓运华和彭文绪, 2009)、渤中19-6变质岩潜山油气田(施和生等, 2019)和渤中13-2变质岩潜山油气田(李慧勇等, 2021)。特别是渤中13-2大型油气田的勘探发现突破了覆盖型潜山难以形成规模性优质储集层的传统认识、证实了覆盖型潜山的重要油气勘探潜力(薛永安等, 2021)。

在渤海海域, 太古界变质岩潜山依据其上覆地层的发育情况及接触关系, 可划分为暴露型潜山和覆盖型潜山2类。暴露型潜山是指太古界潜山遭受长时间风化剥蚀、太古界直接与新生界碎屑岩相接触的潜山; 而覆盖型潜山是指风化剥蚀时间相对较短、不直接与新生界接触、太古界被中生界或古生界所覆盖的潜山(徐长贵等, 2019)。

前人对渤海海域暴露型潜山和覆盖型潜山开展了大量的工作, 在储集层特征、垂向分带、主控因素、形成机制、发育模式等方面取得了丰硕的研究成果(周心怀等, 2005; 宋柏荣等, 2011; 童凯军等, 2012; 王德英等, 2019; 高坤顺等; 2020; 徐长贵等, 2020; 施和生等, 2021; 王粤川等, 2021; 薛永安等, 2021; 叶涛等, 2021)。在渤海海域, 太古界潜山多数被中生界所覆盖, 暴露型潜山发育相对较少(杜晓峰等, 2021; 薛永安等, 2021); 从而使得由暴露型潜山向覆盖型潜山拓展是当前潜山油气藏勘探的主要目标(施和生等, 2021)。然而, 由于被多套地层所覆盖, 覆盖型潜山储集层在发育特征、主控因素和分布模式上相较于暴露型潜山更为复杂, 是当前渤海海域潜山油气勘探研究的难点和重点(李慧勇等, 2021; 杜晓峰等, 2021; 薛永安等, 2021)。

石臼坨— 辽西凸起发育多种结构的覆盖型潜山, 作者综合利用研究区地震、测井、薄片、井壁岩心、扫描电镜和全岩X衍射等资料, 揭示了覆盖型潜山储集层的发育特征、主控因素与分布模式。 研究成果对覆盖型潜山有利储集层的分布预测具有一定的指导意义和参考价值。

2 区域地质概况

渤海海域辽西— 石臼坨凸起北至辽西凸起南段斜坡带, 南至石臼坨凸起东倾末端, 被西部秦南凹陷和东部渤中凹陷所环绕(图 1)。研究区内形成发育的潜山主要经历了印支期挤压逆冲成山、燕山早期局部隆升、燕山中期拉张反转接受中生界沉积、燕山晚期再次大面积隆升和喜山期潜山深埋定型等多个构造演化阶段, 多期的构造活动控制着潜山地层的形成发育(图 2)。研究区南部, 石臼坨凸起的潜山构造带呈东西向展布, 以印支早期南北向挤压形成的逆冲断层F3和F4为边界, 太古界顶界面具有“ 两高一低” 的构造古地貌特征(图 2)。其中, 西部高点埋深为3000 m左右, 中部鞍部位于A2井附近, 埋深大于4000 m; 东部高点位于A3井附近, 埋深为3100 m左右, 4口钻井钻遇太古界厚度为90~350 m, 岩性以混合花岗岩为主(局部发育后期侵入的中— 基性岩脉); 研究区北部, 辽西凸起南段斜坡带上的潜山被北东向的F1和F2深大断层所夹持, B1井揭示太古界潜山埋深在4550 m左右, 钻遇厚度为203 m, 岩性以混合花岗岩、变粒岩、浅粒岩为主。整体上, 研究区太古界潜山属于中— 深埋型潜山。

图 1 渤海海域石臼坨— 辽西凸起区域位置及岩性综合柱状图
F1为秦南1号断裂; F2为辽西1号断裂; F3为石北2号断裂; F4为石南1号断裂; AA'为图 2地震剖面Fig.1 Regional location of Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea and lithologic comprehensive column

图 2 渤海海域石臼坨— 辽西凸起地层发育特征Fig.2 Stratigraphic development characteristics of Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

研究区潜山地层的发育特征存在南北差异性, 南部石臼坨凸起上的潜山多为3层结构, 自下而上依次为太古界结晶基底、古生界寒武系— 奥陶系碳酸盐岩和石炭系— 二叠系的砂岩和泥岩以及中生界火山岩及沉积岩。局部高点A3、A4井附近东三段— 中生界被完全剥蚀, 残留古生界主要为石炭系— 二叠系砂岩和泥岩, 发育古生界— 太古界二层结构潜山, A1井附近发育中生界— 太古界二层结构潜山(图 2); 相较之下, 研究区北部潜山在印支— 燕山早期挤压隆升幅度更大, 古生界多被完全剥蚀, 主要发育中生界— 太古界二层结构潜山。太古界是本次研究的目的层系, 其岩性主要以混合花岗岩等变质岩为主, 锆石测年年龄为3100 Ma左右; 古生界主要分布在石臼坨凸起东倾末端; 中生界厚度变化较大, 南部钻井揭示中生界厚度为0~560 m, 北部B1井揭示中生界厚度为1600 m, 主要发育安山岩、玄武岩和凝灰岩。潜山之上依次发育古近系沙河街组、东营组和新近系馆陶组。

3 资料与方法

本研究所使用的资料主要有: (1)三维地震资料, 面积约为1500 km2, 频宽10~90 Hz, 目的层(太古界)主频约为15 Hz; (2)A2井、A3井、A4井和B1井的共74块井壁岩心资料; (3)93块铸体薄片资料; (4)28份扫描电镜资料; (5)63个井壁物性资料; (6)5口井的钻、测井资料(均钻遇太古界, 包括录井岩性、常规测井资料和部分成像测井资料); (7)全岩X衍射等资料。

首先, 利用铸体薄片和井壁岩心资料开展覆盖型潜山储集层岩石学特征研究。通过镜下观察不同岩性的岩石结构、构造和矿物组成、类型和特征, 结合对井壁岩心在宏观上的观察分析, 明确太古界潜山的岩石类型, 并根据不同岩性的成因和形成时代对岩石类型进一步划分。在此基础上, 利用全岩X衍射资料分析不同岩性的矿物组成(尤其是长英质等浅色矿物含量), 进而研究不同矿物组成的岩性与储集层的关系。其次, 利用井壁岩心、成像测井、铸体薄片和扫描电镜等资料开展覆盖型潜山储集层储集空间特征研究。从宏观和微观的角度出发, 研究不同尺度下的储集空间类型、成因和分布。然后, 利用物性资料开展覆盖型潜山储集层物性特征研究。对物性资料进行统计分析, 明确储集层整体上的物性特征(孔隙度和渗透率的分布范围及其之间的关系), 并对主力油层的物性以及储集层距离风化壳顶部距离和物性之间的关系进行分析, 进而揭示风化淋滤对潜山储集层储集物性的影响。最后, 对典型单井在垂向上不同部位的储集空间特征、物性特征、裂缝发育情况、测井曲线和成像测井响应特征进行综合研究分析, 揭示太古界潜山储集层垂向分带特征, 建立垂向不同分带的测井响应图版并对其余井进行储集层垂向分带划分, 分析比对各单井的风化壳和内幕裂缝带储集层发育情况。

基于太古界潜山储集层的岩石学特征、储集空间特征、物性特征、裂缝发育特征、储集层垂向发育特征及成因的研究, 结合区域构造演化分析, 探讨储集层发育控制因素。单井上, 分析不同分带的溶蚀孔隙和裂缝发育情况、充填程度和测井显示, 空间上, 比对不同地层结构和不同构造活动区域的太古界潜山储集层发育情况, 明确优质储集层的发育分布规律。最终在上述研究的指导下, 建立覆盖型潜山储集层分布模式。

4 覆盖型潜山储集层发育特征
4.1 岩石学特征

石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山的岩石类型可根据其成因和形成时代分为2大类: 太古界基底岩石(主要包括区域变质岩、混合岩和动力变质岩)以及后期侵入岩(图 3)。

图 3 渤海海域石臼坨— 辽西凸起太古界潜山岩石学特征
A— 黑云斜长角闪片麻岩, 片麻构造, 斜长石多具绢云母化, A3井, 埋深3280.0 m, 正交光; B— 黑云斜长变粒岩, 具粒状变晶结构, B1井, 埋深4615.5 m, 单偏光; C— 斜长浅粒岩, 斜长石蚀变严重, B1井, 埋深4627.5 m, 单偏光; D— 斜长角闪岩, 斜长石多绢云母化, A3井, 埋深3350.0 m, 正交光; E— 斜长混合花岗岩, B4井, 埋深3422.0 m, 正交光; F— 二长混合花岗岩, 粒状变晶结构, B1井, 埋深4573.0 m, 正交光; G— 黑云二长混合片麻岩, 斜长石绢云母化, A3井, 埋深3200 m, 正交光; H— 二长混合片麻岩, 粒状变晶结构, A3井, 埋深3210.0 m, 正交光; I— 花岗质碎裂岩, 碎裂结构, A3井, 埋深3191.0 m, 正交光; J— 花岗质糜棱岩, 具定向构造和流动构造, A3井, 埋深3275.0 m, 正交光; K— 辉绿玢岩, 辉石多绿泥石化, A3井, 埋深3289.0 m, 单偏光; L— 辉绿岩, 间粒结构, A3井, 埋深3422.0 m, 正交光。Hbl-角闪石; F-长石; Q-石英; Kfs-钾长石; Pl-斜长石; Cal-方解石; Chl-绿泥石; Px-辉石Fig.3 Petrological characteristics of the Archaean buried-hill in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

区域变质岩主要包括: (1)片麻岩, 主要发育黑云斜长角闪片麻岩, 可见粒状变晶结构和片麻构造, 矿物晶粒长轴多具定向排列, 斜长石呈他形粒状且多具绢云母化, 岩石蚀变严重(图 3-A); (2)变粒岩, 主要发育粒状变晶结构, 斜长石蚀变严重, 严重泥化且遭受方解石、铁白云石等碳酸盐矿物交代, 按照矿物组合及含量可划分为黑云斜长变粒岩(图 3-B)和斜长浅粒岩(图 3-C); (3)角闪岩, 主要发育斜长角闪岩, 具粒状变晶结构, 暗色矿物主要为角闪石和辉石, 辉石普遍具蚀变(图 3-D)。

混合岩主要包括: (1)混合花岗岩, 依据长石的种类和含量可划分为碱长混合花岗岩、斜长混合花岗岩(图 3-E)、二长混合花岗岩, 可见粒状变晶结构、交代穿孔结构(图 3-F); (2)混合片麻岩, 主要发育粒状变晶结构和穿孔结构, 依据暗色矿物含量的不同又可分为黑云二长混合片麻岩和二长混合片麻岩(图 3-H), 黑云母局部富集(图 3-G)。

动力变质岩主要包括: (1)碎裂岩, 可见碎裂结构、粒状变晶结构、交代穿孔结构, 岩石碎裂严重, 裂缝将岩石切割呈不规则碎块, 碎块局部位移不大(图 3-I); (2)糜棱岩, 可见糜棱结构、碎斑结构, 定向构造, 发育花岗质糜棱岩, 残留原岩结构, 碎斑一定程度圆化, 并可见流动构造(图 3-J)。

后期侵入岩主要包括: (1)辉绿岩, 按照有无明显的斜长石斑晶和斑状结构可分为辉绿玢岩(图 3-K)和辉绿岩(图 3-L), 其中基性斜长石呈板条状组成三角格架, 格架内分布辉石和少量磁铁矿; (2)闪长玢岩, 可见变晶结构, 斑晶为斜长石和角闪石。

整体上, 潜山岩性以混合花岗岩为主, 长英质等浅色矿物含量较高。研究区北部潜山主要由混合花岗岩、变粒岩和浅粒岩组成, 南部潜山主要由混合花岗岩和少量混合片麻岩、片麻岩、角闪岩组成, 局部见晚期侵入岩脉。

4.2 储集空间特征

石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山的储集空间主要有2大类: 孔隙(溶蚀扩大孔、破碎粒间孔、粒内孔)和裂缝(构造裂缝、溶蚀缝、解理缝和粒内缝)(图 4)。其中裂缝是最主要的储集空间。

图 4 渤海海域石臼坨— 辽西凸起太古界潜山储集空间特征
A— 黑云二长片麻岩, 潜山顶部长石粒内孔隙发育, A3井, 埋深3200.0 m, 扫描电镜; B— 二长混合花岗岩, 长石沿节理溶蚀, 粒内孔隙见片状云母和伊利石充填, B1井, 埋深4606.5 m, 扫描电镜; C— 斜长浅粒岩, 裂缝和溶蚀孔隙较为发育, A3井, 埋深3158.0 m, 单偏光; D— 花岗质碎裂岩, 发育裂缝及沿裂缝分布的溶蚀扩大孔, 岩石碎裂较强, 局部发育粒间孔, A3井, 埋深3191.0 m, 单偏光; E— 混合花岗岩, 距离风化壳顶部123 m, 溶蚀孔隙发育, A3井, 埋深3249 m; F— 多期构造裂缝相互切割, 沿裂缝存在溶蚀现象, A2井, 埋深4403.5 m; G— 碱长混合花岗岩, 多期构造裂缝相互切割, A3井, 埋深3176 m, 单偏光; H— 碎裂化斜长混合花岗岩, 岩石被裂缝切割, 破碎严重, 网状裂缝发育, B1井, 埋深4558.5 m, 单偏光; I— 浅粒岩, 早期裂缝被充填, 晚期改造活化开启, B1井, 埋深4735.0 m, 单偏光Fig.4 Reservoir space characteristics of the Archaean buried-hill in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

孔隙主要发育在潜山顶部风化壳中, 包括溶蚀扩大孔、破碎粒间孔、粒内孔(图 4-A至4-C)。其中, 扫描电镜下还可见长石沿解理发生溶蚀, 长石粒内孔隙可见片状云母和伊利石充填(图 4-B)。局部风化作用较强, 且叠合破碎带的部位发育溶蚀孔隙及沿裂缝发育的溶蚀扩大孔, 部分碎裂颗粒发育粒内微裂缝, 颗粒间发育粒间孔(图 4-D)。此外, 受有机酸和深部热液溶蚀的影响, 潜山内幕局部仍可见溶蚀孔隙发育(图 4-E)。

裂缝在潜山顶部风化壳和风化壳之下的内幕裂缝带之中均有发育, 包括构造裂缝、溶蚀缝、解理缝和粒内缝。在井壁岩心和薄片上可见同期次裂缝相互平行, 不同期次裂缝相互切割的现象(图 4-F, 4-G)。顶部, 风化壳储集层受到风化淋滤作用和构造作用的共同影响, 溶蚀缝较为发育(图 4-D), 潜山在早期的构造挤压作用下, 形成大量的构造裂缝, 随着风化作用的持续进行和晚期走滑伸展对裂缝的改造, 在风化壳中形成网状裂缝, 岩石破碎(图 4-H)。到了潜山内幕, 主要发育构造裂缝, 溶蚀现象逐渐减少。靠近断裂带应力较强部位, 裂缝发育较为密集, 局部可见长石在构造应力作用下沿解理方向发育相互平行的解理缝。早期挤压形成的构造裂缝在后期成岩作用过程中被方解石等碳酸盐矿物充填, 晚期裂缝经过构造活动再改造后重新活化开启(图 4-I), 可作为有效的储集空间。

4.3 物性特征

石臼坨— 辽西凸起太古界潜山埋藏较深(深度大于3000 m), 通过对研究区井壁岩心物性资料分析(图5), 结果表明: 储集层物性整体较差, 孔隙度的分布范围为0.2%~10.1%, 平均孔隙度为2.2%, 渗透率的分布范围为(0.001~6.343)× 10-3 μ m2, 平均渗透率为0.445× 10-3 μ m2; 主力油层的孔隙度分布范围为1.1%~10.1%, 平均孔隙度为4.1%; 研究区物性资料与距离潜山风化壳顶界面的关系表明, 孔隙度自上至下具有逐步递减的趋势, 证明距离风化壳界面越近, 风化淋滤作用对储集层的溶蚀改造作用越强, 储集物性越好。

图 5 渤海海域石臼坨— 辽西凸起太古界潜山储集层物性特征Fig.5 Physical property of the Archaean buried-hill reservoirs in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

在孔隙度和渗透率关系的基础上, 对取样点所在深度附近的铸体薄片、井壁岩心和成像测井等资料进行分析, 将储集层划分为3种类型: 孔隙型、孔隙— 裂缝型和裂缝型。(1)孔隙型储集层主要发育在受风化淋滤作用较强的风化砂砾岩带和局部溶蚀作用较强的内幕裂缝带, 孔隙度分布范围为2.1%~10.1%, 渗透率分布范围为: (0.001~0.028)× 10-3 μ m2; (2)孔隙— 裂缝型储集层主要发育在风化裂缝带中, 裂缝发育, 溶蚀作用强, 储集层物性好, 孔隙度分布范围为1.3%~8.6%, 渗透率分布范围为(0.003~6.34)× 10-3 μ m2; (3)裂缝型储集层主要发育在裂缝发育带中, 溶蚀作用较弱, 溶蚀孔隙欠发育, 裂缝为主要储集空间, 孔隙度分布范围为2.8%~3.3%, 渗透率分布范围为(0.097~1.71)× 10-3 μ m2。

4.4 垂向分带特征

太古界变质岩潜山储集层在长期风化淋滤和构造活动共同作用下, 储集层发育特征在垂向上呈现出明显的差异性。通过对研究区的井壁岩心、铸体薄片、常规测井、成像测井以及物性资料的综合分析, 总结了2类储集层的测井响应特征, 并将潜山在垂向上从上往下划分为风化壳、内幕裂缝带及基岩带, 其中风化壳包括风化黏土带、风化砂砾岩带和风化裂缝带(图 6), 而内幕裂缝带包括裂缝发育带和相对致密带, 局部靠近断层构造应力集中部位发育破碎带(图 7)。

图 6 渤海海域石臼坨— 辽西凸起太古界覆盖型潜山风化壳储集层测井响应特征Fig.6 Logging response characteristics of weathered crust reservoir of the Archaean covered buried-hill in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

图 7 渤海海域石臼坨— 辽西凸起太古界覆盖型潜山内幕裂缝带储集层测井响应特征Fig.7 Logging response characteristics of inner fracture zone reservoir of the Archaean covered buried-hill in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

1)风化黏土带: 发育在风化壳的顶部, 遭受风化作用最为强烈, 裂缝和孔隙多被充填, 泥质含量高, 物性差, 电阻率值低, 曲线呈指状, 声波时差值高、密度小。

2)风化砂砾岩带: 位于风化黏土带下方, 风化程度稍弱, 主要成分为变质岩颗粒, 长石蚀变严重, 铸体薄片上可见溶蚀孔隙发育, 储集空间以溶蚀孔隙为主。相较于风化黏土带, 其电阻率值和密度有所增大, 声波时差值减小, 成像测井上可见云状和破碎角砾状亮斑特征。

3)风化裂缝带: 受风化淋滤作用和构造作用共同控制, 铸体薄片和井壁岩心上可见大气淡水对构造裂缝及附近长石溶蚀的特征, 溶蚀孔缝十分发育, 储集空间类型为孔隙— 裂缝型, 靠近破碎带部位, 岩石多被裂缝切割成不同大小的碎块, 利于大气淡水对岩石进一步溶蚀, 储集物性好, 是优质储集层发育的有利部位。测井上, 相较于风化砂砾岩带, 其电阻率和密度进一步增大、声波时差减小; 成像测井上可见裂缝发育且裂缝附近发育暗色溶蚀孔, 指示大气淡水沿着裂缝对长石进行溶蚀。

4)裂缝发育带: 单层厚度从十几米到几十米不等, 裂缝密度大, 井壁岩心和薄片上可见多期裂缝发育且相互切割。测井上, 电阻率值较低, 曲线呈指状和锯齿状, 相对低密度值, 声波时差相对较大, 成像测井上可见裂缝密集发育。

5)相对致密带: 裂缝发育较少, 岩石较致密, 铸体薄片上可见少量构造裂缝, 但多数被充填完全, 储集物性差。测井上, 电阻率和密度值大, 声波时差值小, 成像测井上整体呈亮色高阻特征。相对致密带和内幕裂缝带间互发育, 使得内幕裂缝带储集层具有较强的非均质性。

6)破碎带: 距离断裂较近, 构造应力强, 井壁岩心上可见岩石破碎严重、呈明显的角砾状, 局部可见溶蚀缝发育, 铸体薄片可见碎裂构造, 物性较好。测井上, 最为显著的标志是电阻率、声波时差、密度曲线突然向左发生偏移, 偏移程度与破碎程度呈正相关, 成像测井上可见裂缝和角砾状亮斑发育的特征, 且角砾化程度要高于风化砂砾岩带, 破碎程度更强。

7)基岩带: 位于内幕裂缝带之下, 岩性致密, 为非储集层。

5 覆盖型潜山储集层主控因素

石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山储集层的发育主要受岩性、构造活动和风化淋滤作用等3个因素的控制。其中岩性是潜山优质储集层形成的基础, 较高的长英质含量利于构造成缝和风化淋滤溶蚀改造; 多期构造活动作用是潜山优质储集层形成的关键; 而风化淋滤是优质储集层形成的诱因, 对于提高潜山储集层的储集性能具有重要作用。

5.1 岩性是优质潜山储集层形成的基础

富长英质等浅色矿物的岩石是潜山裂缝型储集层形成的基础, 长英质含量越高, 岩石的脆性越强, 构造应力作用下越容易生成裂缝, 利于优质储集层的形成。

研究区主要以长英质含量较高的混合花岗岩为主, 部分井钻遇了不同类别的岩浆岩侵入体。辉绿岩和闪长玢岩等中基性侵入岩是研究区暗色矿物含量较高的主要岩石, 其长英质含量明显低于研究区的混合花岗岩, 相较之下, 不易发育形成优质储集层。

以A3井为例(图8), 该井局部显示混合花岗岩、混合片麻岩与闪长玢岩互层, 对比分析表明, 闪长玢岩和局部暗色矿物含量较高的黑云斜长混合片麻岩层段裂缝欠发育, 铸体薄片上可见岩石整体致密(图 8-A), 井壁岩心上可见发育1条裂缝但已被方解石充填完全(图 8-B), 而在暗色矿物含量较低的混合花岗岩中裂缝更为发育, 铸体薄片上可见多期构造裂缝相互切割和碎裂构造(图 8-C, 8-E), 溶蚀孔缝十分发育。油气显示在混合花岗岩段也有明显响应, 从测井解释油层的分布情况分析可知, 优质储集层在混合花岗岩段中的发育较为连续, 而局部所夹暗色矿物含量较高的隔层会使得优质储集层发育的连续性受到中断, 相邻深度发育的闪长玢岩和混合花岗岩在井壁岩心上存在荧光显示的差异性(图 8-D), 进一步证实了岩性对于优质储集层发育和分布具有明显的控制作用。综上分析表明, 在相同构造应力作用下, 长英质含量高的混合花岗岩更容易发育裂缝、形成优质储集层。

图 8 渤海海域石臼坨— 辽西凸起A3井太古界潜山岩性与储集层发育对应关系Fig.8 Correlation between lithology and reservoir of Well A3 in the Archaean buried-hill in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

5.2 构造活动是优质储集层形成的关键

构造活动所诱导的断裂控制着裂缝的发育, 形成裂缝型潜山储集层; 潜山储集层所处的构造位置进一步影响裂缝的形成; 印支— 燕山期的关键构造隆升对于优质风化壳形成也起着重要作用。

首先, 区域构造演化分析表明, 石臼坨— 辽西凸起潜山构造带经历了包括加里东— 海西期、印支期、燕山期和喜山期等多期构造运动。加里东— 海西期, 华北地台整体抬升, 造成石臼坨— 辽西凸起志留系— 泥盆系的缺失。印支期, 华北板块和华南板块发生碰撞, 早期SN向挤压和晚期的NE-SW向挤压形成近EW向、NW-SE向逆断层及大量走向与之近一致的裂缝, 这些逆冲推覆构造使得地层强烈抬起隆升遭受剥蚀, 潜山早期形态开始显现, 并为后期的构造活动改造提供了裂缝基础。燕山期, 太平洋板块向东亚板块进行俯冲, 研究区发育多条NE、NEE向断裂, 中期郯庐断裂带左行走滑NE-SW向伸展断裂控制着中生界的沉积, 晚期NW-SE向挤压, 使得地层大规模抬升遭受剥蚀。燕山期构造活动对印支期形成的构造裂缝进行改造, 并形成大量NE-SW向的构造裂缝。喜山期, 印度板块与欧亚板块发生碰撞, 潜山深埋定型, 由于多数喜山期断裂未下延至太古界, 故而喜山期对太古界潜山只有轻微改造作用。

其次, 尽管研究区潜山经历了多期构造活动改造, 但不同构造位置受到的构造应力作用存在差异, 同时距离大型断层的远近也会进一步影响裂缝的形成和空间分布。太古界顶界面断裂期次的研究揭示潜山储集层主要受早— 晚印支期近EW向和NW向断裂及燕山期NE向断裂的影响, 其中428构造带位于印支期断裂发育区, 距离燕山期断裂较远, 主要发育近EW向和NW向断裂; 而B-1构造带位于晚印支期断裂和燕山期断裂叠加发育区, 主要发育NW向断裂和NE向断裂。通过对2个构造带的典型井裂缝发育进行统计和对比, 发现裂缝的走向整体上与控制构造带发育的断裂走向相一致。A3井的早— 晚印支期和燕山期裂缝均欠发育, 这主要是由于A3构造区始终位于印支期逆冲断裂活动的被动盘, 但印支期构造活动产生的裂缝占比仍较大; 而B-1构造带被燕山期发育的NE走向秦南1号断裂和辽西1号断裂所夹持(图 1), 并位于印支晚期强烈挤压逆冲推覆活动盘的核部, 构造应力强, 晚印支期和燕山期的裂缝较为发育(图 9), 且B1井储集层裂缝密度远大于A3井, 裂缝发育带和断裂破碎带发育更为密集, 内幕储集层的储地比更大(图 10)。同时内幕裂缝的发育也加强了热液流体对内幕储集层的溶蚀改造, 使得其储集物性更好。综上所述, 多期构造活动叠加作用是潜山裂缝型储集层形成的关键, 有利的构造位置利于裂缝的形成。

图 9 渤海海域石臼坨— 辽西凸起428构造带和B-1构造带太古界储集层裂缝发育情况对比Fig.9 Comparison of fracture development of the Archaean reservoirs between Structural Belt 428 and Structural Belt B-1 in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

图 10 渤海海域石臼坨— 辽西凸起A3井(左)和B1井(右)太古界潜山储集层垂向发育特征对比Fig.10 Comparison of vertical development characteristics of the Archaean buried-hill reservoirs between Well A3(left)and Well B1(right)in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

最后, 构造隆升控制着潜山暴露地表遭受风化淋滤改造的持续时间和强度。428构造带东部A3井位于构造高部位, 顶部风化壳储集层接受更长时间的风化淋滤改造, 上覆前新生代地层较薄, 仅发育250 m左右厚度的古生界, 而428构造带西部A2井位于斜坡部位, 风化淋滤作用强度较小, 上覆古生界和中生界厚度850 m左右, 风化壳储集层不如A3井发育。B-1构造带虽然缺失古生界而被中生界所覆盖, 遭受风化淋滤改造时间更长, 但上覆近1600 m厚度的中生界说明该构造带在印支期逆冲推覆隆升和燕山期挤压隆升的幅度较小, 风化淋滤改造强度较弱, 厚层的中生界凝灰岩和泥岩使得后期二次溶蚀受阻。而A3井所在构造部位在燕山晚期构造隆升过程中整个中生界和部分古生界被剥蚀, 仅残留厚度较小的古生界, 说明后期的风化剥蚀对下覆太古界风化壳储集层进行了一定程度的二次溶蚀改造, 这可能是A3井的风化壳储集层发育程度更好的原因(图 10)。因此印支期— 燕山期的关键隆升对于优质风化壳储集层的形成起着重要作用, 在燕山中期埋藏、接受中生界沉积前的隆升幅度决定着早期风化壳直接暴露地表遭受风化淋滤的持续时间和强度, 燕山晚期的再次隆升引起的剥蚀则会影响风化淋滤对潜山储集层进行二次溶蚀改造。

5.3 风化淋滤是优质储集层形成的诱因

风化淋滤改造潜山储集层产生大量次生溶蚀孔隙和裂缝, 改善了变质岩潜山储集层的储集性能; 控制了石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山储集层垂向发育的差异性。

风化淋滤作用是潜山顶部风化壳优质储集层形成的关键因素, 构造隆升后的潜山暴露地表遭受大气淡水的风化淋滤改造, 使得原本致密的变质岩结晶基底发育大量次生溶蚀孔隙和裂缝, 改善了变质岩潜山储集层的储集性能, 同时还能通过先前构造活动形成的断层及伴生断裂体系产生的缝网进一步对潜山内幕储集层进行溶蚀改造。由于潜山储集层不同部位岩石的长英质矿物及暗色矿物含量不同, 加上构造裂缝在空间上展布存在不均一性(牛涛等, 2021), 使得大气淡水对潜山储集层的溶蚀改造在垂向上具有明显的差异性, 这种自上往下的差异性溶蚀在测井曲线、物性、成像测井、铸体薄片和井壁岩心上具有明显响应特征。

以A3井为例, 风化壳顶部的铸体薄片可见岩石风化程度严重、长石泥化较强, 自然伽马值较低指示岩石遭受风化剥蚀造成岩石中放射性元素的部分流失, 此外电阻率和声波时差曲线值在风化壳内自上往下整体呈现出逐渐减小的特征(图 11), 也能很好地指示大气淡水风化淋滤的溶蚀改造逐渐减弱。风化砂砾岩带中岩石的泥化程度减弱, 溶蚀特征更加明显, 风化裂缝带中可见大气淡水在构造裂缝的基础上进行溶蚀、发育沿裂缝分布的溶蚀扩大孔, 局部与破碎带的叠合部位的溶蚀作用更为明显, 在成像测井和井壁岩心上也能很好地观察到沿裂缝发育的溶蚀特征。随着深度的不断增加, 大气淡水的溶蚀作用逐渐减弱, 加上在潜山内幕呈现出裂缝发育带和相对致密带间互发育的特征, 使得大气淡水向下渗流受阻, 铸体薄片和井壁岩心上可见溶蚀孔隙发育较少, 转变为以裂缝作为主要的储集空间。局部破碎带由于距离断层较近, 也会遭受一定大气淡水的溶蚀, 内幕裂缝带储集层中叠合破碎带发育的部位孔隙度会高于临近部位也能很好地证实这一点。

图 11 渤海海域石臼坨— 辽西凸起A3井太古界储集层垂向发育特征Fig.11 Vertical development characteristics of the Archaean reservoirs in Well A3 in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

6 覆盖型潜山储集层分布模式

在储集层发育主控因素的指导下, 通过对多口井的垂向发育特征分析对比, 建立了覆盖型潜山储集层的分布模式(图12)。在单井上, 优质潜山储集层主要分布在破碎带与风化裂缝带或裂缝发育带的叠合部位; 空间上, 优质潜山储集层主要分布在二层结构覆盖型潜山的顶部风化壳和多期构造活动叠加区域的潜山中部内幕裂缝带中。

图 12 渤海海域石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山储集层发育分布模式Fig.12 Development and distribution pattern of the Archaean covered buried-hill reservoir in Shijiutuo-Liaoxi uplift, Bohai Sea

单井上: (1)潜山顶部风化壳储集层受大气淡水的风化淋滤改造作用较为强烈, 储集空间类型以孔隙型和孔隙-裂缝型为主, 溶蚀孔缝发育, 在未完全充填的风化砂砾岩带和溶蚀作用较强的风化裂缝带发育一般储集层(图 11)。(2)局部风化裂缝带与破碎带叠合部位, 岩石破碎严重、溶蚀作用强, 溶蚀孔隙、构造裂缝及沿裂缝分布的溶蚀扩大孔发育, 储集物性好, 发育优质储集层。(3)裂缝发育带中靠近破碎带且溶蚀作用较强的部位和破碎带密集发育的部位, 储集物性好, 发育优质储集层。(4)局部叠合破碎带、裂缝充填程度中等的厚层裂缝发育带发育一般储集层。(5)距离破碎带较远、裂缝发育但充填程度较强、溶蚀作用较弱的裂缝发育带以及叠合破碎带的薄层裂缝发育带为较差储集层。

空间上: (1)位于同一构造带的潜山古地貌高部位由于风化淋滤作用强度相对更大, 发育更厚的风化裂缝带。风化黏土带和风化砂砾岩带在构造高部位不易保存; 而在山坡和山脚等构造相对低部位更为发育。整体上二层结构覆盖型潜山太古界风化壳厚度更大, 其中“ 中生界— 太古界” 二层结构潜山由于上覆厚层中生界发育凝灰岩和泥岩使得大气淡水向下淋滤受阻, 难以对风化壳储集层进行二次溶蚀改造; 局部古地貌高点发育的“ 古生界— 太古界” 二层结构潜山由于燕山晚期构造隆升幅度较大, 整个中生界和部分古生界遭受剥蚀, 后期的二次溶蚀作用对风化壳储集层具有一定程度的改造; “ 中生界— 古生界— 太古界” 三层结构潜山接受风化淋滤作用时间最短, 风化壳储集层发育最差。(2)中部内幕裂缝带由于大型断裂— 伴生次级断裂— 破碎带体系的影响, 形成贯通的“ 裂缝网络体系” 。多期构造作用叠加区域伴生次级断裂及断层破碎带更为发育, 内幕裂缝带厚度更大, 破碎带和裂缝发育带发育更为密集, 同时靠近多个破碎带共同影响部位裂缝发育密度更大。受构造应力的减小和岩性变化等因素影响, 各个断层发育的破碎带和裂缝发育带之间存在裂缝欠发育的相对致密带。(3)底部基岩带几乎不受构造作用和风化淋滤作用的影响, 岩性致密, 仅在局部发育较少的构造裂缝(图 12)。

因此, 位于多期构造活动叠加区域、具有二层结构、上覆地层厚度较小且年代较新的构造高部位潜山, 是覆盖型潜山油气勘探的有利目标。

7 结论

利用地震测井资料、铸体薄片、井壁岩心、常规物性、扫描电镜和X衍射资料和方法, 揭示了渤海海域石臼坨— 辽西凸起覆盖型潜山储集层的发育特征、主控因素和分布模式。

1)石臼坨— 辽西凸起太古界潜山发育片麻岩、变粒岩、角闪岩、混合花岗岩、混合片麻岩、碎裂岩和糜棱岩等变质岩, 局部发育辉绿岩和闪长玢岩等中基性岩浆侵入体, 岩性以混合花岗岩为主; 潜山储集空间类型多样, 发育多种类型的溶蚀孔隙和裂缝, 其中构造裂缝是最主要的储集空间; 物性统计表明孔隙度的分布范围为0.2%~10.1%, 平均孔隙度为2.2%, 渗透率的分布范围为(0.001~6.343)× 10-3 μ m2, 平均渗透率为0.445× 10-3 μ m2, 储集层物性随着距离潜山风化壳顶部距离增大呈逐渐减小的趋势; 覆盖型潜山储集层垂向分带特征明显, 自上而下发育风化黏土带、风化砂砾岩带、风化裂缝带、裂缝发育带、相对致密带和基岩带。

2)富长英质的岩石为裂缝型储集层的形成奠定物质基础, 大气淡水和热液流体沿着裂缝对长石进行溶蚀, 利于优质储集层的形成; 多期构造作用的叠加改造是潜山规模性裂缝型储集层形成的关键因素, 同时靠近印支— 燕山主控断裂和印支期挤压逆冲推覆的主动盘— 核部是裂缝型储集层形成的有利区域。印支期— 燕山期的强烈构造隆升是覆盖型潜山形成优质风化壳储集层的必要条件; 风化淋滤作用对于改造潜山储集层具有重要作用, 上覆地层的年代新、厚度小, 有利于大气淡水对覆盖型潜山储集层的二次溶蚀改造。

3)破碎带与风化裂缝带和裂缝发育带的叠合部位是优质储集层发育的有利部位; 上覆地层年代越新、厚度越小、位于古地貌高点, 风化壳储集层越厚; 二层结构覆盖型潜山风化壳储集层发育更好; 多期构造作用叠加区域潜山内幕裂缝带储集层厚度更大, 破碎带和裂缝发育带发育更为密集。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 李攀)

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