深埋优质白云岩储集层发育的主控因素与勘探意义

张静,胡见义,罗平,宋金民

(中国石油勘探开发研究院)

深埋优质白云岩储集层发育的主控因素与勘探意义

张静,胡见义,罗平,宋金民

(中国石油勘探开发研究院)

白云岩是碳酸盐岩油气藏的重要储集层类型,确定优质白云岩储集层发育的主控因素及相应的地质背景对于指导白云岩油气勘探具有重要的现实意义。实践证明,原岩类型和白云石化作用机制是控制白云岩基质孔隙发育程度的主要因素;后期各类岩溶作用的改造对于优质白云岩储集层的形成尤为关键。白云岩成岩作用研究表明,在深埋条件下,白云岩既可发育大量晶间孔,又易形成溶蚀孔洞,孔洞形成后保存情况良好,有效储集空间的发育不明显受白云岩埋藏深度的制约,深埋的白云岩仍可具备优越的储集物性而成为优质储集层。由高能相带沉积物转变形成的埋藏成因白云岩、热液成因白云岩以及构造活动和水-岩作用活跃地区的白云岩是潜在的优质储集层和深部碳酸盐岩油气勘探的重点目标。图8参45

白云岩;深埋;优质储集层;主控因素;勘探目标

0 引言

白云岩是埋深大、时代老的碳酸盐岩油气藏的主要储集层类型,油气储量可观。在北美,碳酸盐岩可采油气储量的80%赋存于白云岩中[1]。根据C&C公司对全球342个碳酸盐岩油气田的统计,在埋深大于4 500 m或时代早于志留纪的46个碳酸盐岩油气田中,除4个是以灰岩为储集层外,其余的全部以白云岩为储集层;在储量巨大的墨西哥Sureste盆地埋深超过5 000 m的23个油气田中,有18个油气田的储集层是白云岩,其可采油气储量占该盆地碳酸盐岩总可采油气储量的90%[2]。国内目前在四川盆地和鄂尔多斯盆地的白云岩中也都发现了若干大型、超大型(油)气田,如鄂尔多斯盆地的靖边气田和四川盆地的罗家寨、普光气田等。四川盆地9个大气田中的8个都是以白云岩为储集层,其中不乏4 000 m以深的深部白云岩。塔里木盆地近年来也在寒武系—下奥陶统发现了大量深层优质白云岩储集层。白云岩油气勘探显示出巨大潜力。

然而,并非所有的白云岩都能成为优质储集层。白云岩储集层的形成与演化是一个漫长而复杂的多种地质因素综合作用的过程,其储集物性主要有2大影响因素:其一为不同类型白云岩的岩石结构,结构不同的白云岩,基质物性可有明显差异,主要受控于原岩组构、白云石化作用机制和作用程度;其二为白云岩的后期演化,其中关键建设性成岩作用的改造尤为重要。深埋环境不但可以发育基质物性优越的白云岩,还有利于白云岩的后期改造,形成大量有效储集空间,是重要的优质白云岩储集层的勘探领域。

1 埋藏环境中白云岩的形成

并非所有的白云石化作用都能改善储集层的物性,如准同生期的强烈白云石化作用甚至会降低灰岩原有的孔隙度。白云岩储集层性质的好坏取决于白云岩形成后所具有的结构,发生于埋藏环境中的白云石化作用往往有利于优质储集层的形成。

1.1 埋藏环境中发生的白云石化作用

埋藏环境中,与灰岩发生反应的白云石化流体可以是与蒸发台地相关的卤水,也可以是与蒸发台地无关的富含镁离子的地层水。埋藏白云岩既有灰岩在埋藏条件下直接被交代而形成的,也有早期形成的白云岩在埋藏阶段进一步调整加强的产物。

图1 埋藏成因白云岩的白云石与孔隙特征

埋藏条件下的白云石化作用与地表或近地表环境中发生的白云石化作用有很大区别。在蒸发台地中与高盐度浓缩海水有直接接触的地表或近地表环境,卤水对白云石的过饱和程度高,晶体成核速度快,导致晶粒细小,自形程度低,晶间孔不发育。此外,白云石化流体中镁离子浓度高,参与交代反应的流体的量大,往往会发生过度的白云石化作用,使得白云石晶体过度增大并可能造成白云石胶结物的沉淀,从而导致岩石致密,储集层发育差,蒸发潮坪和瀉湖等环境中大规模的准同生期白云岩即为此类。而在埋藏条件下,白云石化流体的浓度相对较低,对白云石的过饱和程度低,晶体成核速度慢,因此形成的白云石晶体往往较为粗大,自形程度高,在相互接触后生长受到抑制[3],因而易于发育晶间孔而成为好储集层(见图1a),典型实例就是砂糖状白云岩。此外,白云岩有较强的抗压实能力,其孔隙度随埋深加大而减小的程度比灰岩要低,晶间孔形成后在深埋环境中仍可保存良好(见图1b)。

在白云石化流体存在的前提下,高能沉积环境中的颗粒灰岩和礁灰岩在埋藏条件下更易于形成优质的白云岩储集层。高能环境中的礁滩体原生孔隙发育,同时也容易发育由准同生期层间岩溶造成的次生溶蚀孔洞,发生白云石化作用后,除可由减体积效应产生新增空间外,部分原有孔隙空间也得以保存。在礁滩相灰岩中,较多孔隙空间的存在也为埋藏期白云石化流体及溶蚀流体的流动提供了条件,既有利于诸如热液白云岩等一些后生白云岩的形成,又有利于各类溶蚀作用的发生,从而对先期形成的白云岩进行叠加改造,产生更多储集空间。由于高能沉积相带水体循环良好,不具备形成准同生白云岩的条件,因此,高能相带沉积物的白云石化作用往往是在埋藏条件下发生的,易于形成储集物性良好的白云岩储集层。

四川盆地飞仙关组和长兴组的埋藏白云岩晶粒粗,晶形好,规则的多面体状晶间孔非常发育,糖粒状残余鲕粒中粗晶白云岩的平均孔隙度可达12.71%[4]。而准同生白云岩主要为泥晶—微晶级的半自形—自形晶结构,晶间孔小,连通性差,岩性极为致密,塔里木盆地震旦系和古生界白云岩[5]及鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组白云岩有类似的情况。此外,埋藏成因的优质白云岩储集层的分布明显受控于高能沉积相带。四川盆地开江—梁平海槽地区的飞仙关组台缘浅滩相普遍对应了大孔粗喉和大孔粗中喉型高孔渗储集层[6],为目前中石油探区内发现的罗家寨、渡河口、铁山坡等大中型气藏的储集层,探明和控制储量超过2 000×108m3[7]。在近年完钻的七里北1井中,残余鲕粒白云岩在5 700～5 900 m埋深仍可具有高达15%～20%的孔隙度和23.40×10-3μm2的平均渗透率,且孔隙度与渗透率之间具有良好的相关性,充分显示了该区深层鲕滩白云岩广阔的勘探前景。此外,台缘滩相结晶白云岩的平均孔隙度和渗透率也分别可达8.53%和43.56×10-3μm2[7-11]。与之相反,由瀉湖等低能沉积环境中的灰岩形成的准同生白云岩则结构致密,储集物性差[12,13](见图2)。与高能滩相类似,礁相同样是形成优质白云岩储集层的有利相带。加拿大阿尔伯达和安大略省多个层位的优质埋藏白云岩储集层均发育在礁相中,平均孔隙度在10%左右[14-17]。因此,在埋藏环境中,高能沉积相带的灰岩可以形成基质孔隙发育的优质白云岩储集层。

图2 川东北飞仙关组鲕滩白云岩储集层发育模式[13]

1.2 与深部热液活动有关的白云石化作用

热液白云岩是近年来碳酸盐岩储集层研究的热点。热液白云岩是深部热液对已固结的古老碳酸盐岩进行白云石化改造的产物。热液可来源于与区域构造运动、火山活动、变质作用有关的构造热液、火山热液和变质热液[18]。热液白云岩不等同于埋藏白云岩,二者最关键的区别是前者要求成岩流体具备高于周围环境至少5℃的温度[19],而后者的形成温度与周围环境相同。

热液白云岩常发育晶间孔和云化过程中原岩(灰岩)受到溶蚀后形成的大量残余溶蚀孔洞,储集性优于准同生期形成的白云岩。构造热液白云岩已成为北美等一些国家和地区油气的主力产层,部分地区热液白云岩储集层的孔隙度可超过20%[20,21]。此类白云岩是富镁热水在温度和压力升高的埋藏条件下沿拉张断层或转换断层或断裂系统上升,遇到渗透性差的隔挡层后侧向侵入到渗透性好的围岩中形成的白云岩[22]。构造热液白云岩可与铅、锌、重晶石等金属或非金属矿床伴生,主要分布于断裂周缘(见图3),也可沿地层走向呈巨大的条带状产出。受影响的地层一般原始孔渗性较好,如粗结构的礁滩相沉积物。

图3 热液白云岩发育模式图

深部环境中热液的存在及断裂的发育为热液白云岩的形成创造了良好条件,因此是重要的白云岩储集层勘探领域。最近,在塔里木盆地露头区寒武系—奥陶系剖面上发现了大量粗晶孔洞白云岩(见图4),岩石学和地球化学特征均表明其为热液成因,揭示了塔里木盆地具有发育大规模热液白云岩储集层的条件,预示着深部寒武系—奥陶系有广阔的勘探前景。

图4 塔里木盆地露头区寒武系—奥陶系热液白云岩孔洞特征

综上所述,就白云岩的形成机制对储集层发育的影响而言,埋藏环境中发生的白云石化作用可以形成优质的白云岩储集层,其中台缘、台内礁滩相沉积环境是此类优质白云岩储集层的主要发育区(见图5),应是重点勘探相带。

图5 基质孔隙发育的优质白云岩储集层形成模式

2 深埋环境中白云岩的改造

在深部高温(＞75 ℃)高压(＞20 MPa)条件下,白云岩比灰岩更易溶蚀,更易形成次生孔洞,且溶蚀孔洞的充填程度低[23-27],因此在深埋条件下,白云岩比灰岩有更为优越的储集性,成为深部碳酸盐岩储集层的主要类型。四川盆地和塔里木盆地的孔洞白云岩埋藏均较深,尤其是塔里木盆地,绝大部分埋深大于4 000 m。四川盆地在6 000 m深处还可发现孔隙度超过20%的白云岩,平均孔隙度约12%,Ⅰ、Ⅱ类储集层厚度达200 m[28]。塔里木盆地塔深1井寒武系白云岩在8 400 m深度仍发育大量溶蚀孔洞,孔隙度达9.1%。深层孔洞的发育离不开深部环境中多种流体对白云岩进行的岩溶改造(见图6)。

图6 白云岩深部岩溶作用模式

2.1 埋藏溶蚀作用对白云岩的改造

在埋藏环境中,溶蚀作用普遍可由生排烃过程中释放的有机酸和CO2形成的酸性流体造成。而越来越多的研究还表明,在具备条件发生硫酸盐还原作用的地区,深埋白云岩的溶蚀改造更为显著。硫酸盐还原作用包括微生物硫酸盐还原作用(BSR)和热化学硫酸盐还原作用(TSR),作用过程中产生的 H2S和CO2在溶于水后可形成酸性流体对白云岩进行溶蚀。在深埋条件下,起作用的是 TSR,而BSR多发生于不整合面附近及浅层[29]。国内最近在实验室中成功地模拟了地质条件下的 TSR作用[30]。由于 TSR发生在高温(＞120 ℃)条件下,故储集层埋藏越深、温度越高,就越有利于 TSR作用和溶蚀作用的发生,因此 TSR作用对于深埋环境中白云岩的改造十分有利。西加拿大沉积盆地泥盆系、美国 Gulf Coast盆地 Smackover组、阿布扎比和沙特阿拉伯二叠系 Khuff组等都是发生 TSR作用的经典实例[31]。中国高含 H2S的气田主要分布在四川盆地。有研究认为,川东北飞仙关组鲕滩储集层中的H2S含量与白云岩储集层物性和有效厚度呈正相关关系,即 H2S的含量越高,白云岩孔洞越发育,储集层有效厚度越大[32]。在高含 H2S的普光地区,埋深约5 000 m的白云岩中发育海绵状孔洞体系,孔隙度超过10%,储集层有效厚度大于300 m。由此提出用H2S的含量与分布来预测储集层的发育规律与分布特征。最近还有研究表明,这类深部溶蚀作用主要是由 TSR过程中产生的CO2造成的[33]。总之,对于与膏岩共生的白云岩或地层水中高含SO42-地区的白云岩而言,如果地层中还具有充足的烃类和较高的温度,具备发生 TSR作用的条件,则十分有利于白云岩的溶蚀。

白云岩的埋藏溶蚀作用具有一定的选择性,其发育程度受原有基质孔隙的影响。以普光气田为例,细晶和鲕粒白云岩中的溶孔远较微晶—粉晶和藻白云岩中的发育好[4]。因此,在相同条件下,由高能相带的沉积物转变而成的白云岩更有利于埋藏溶蚀作用的发生。

2.2 与深部断裂活动有关的白云岩岩溶改造

混合水溶蚀和热水岩溶也是近年来碳酸盐岩储集层研究的热点。在盆地源热流体沿断裂向上运移并与较冷的地层水混合的地带,溶蚀作用尤为强烈。美国密歇根盆地Albion Scipio油田和 Stoney Point油田Trenton-Black River组白云岩就属于这种情况[1],溶洞完全由与裂缝相关的溶蚀作用造成,与盆地基底断裂的重新活动有关,被认为是经典的受裂缝控制的白云岩岩溶储集层。加拿大Abenaki台地上侏罗统Deep Panuke白云岩的深部溶蚀机理与之类似。另有模拟实验发现,由对白云石饱和的偏碱性地层水和偏酸性热卤水混合而成的混合水对白云岩重新产生了极强的溶蚀能力,可造成白云岩的深部岩溶。热水岩溶是指在碳酸盐岩的深埋藏期由深部上升的承压热液及循环热流体作用所产生的岩溶。鄂尔多斯盆地马家沟组马四段白云岩体中大量溶蚀孔洞的产生就是低温热液流体活动的结果,与燕山期的构造增温作用和深部基底隐伏断裂的活动有关。在较大埋深处,白云岩比灰岩更容易产生开启的有效裂缝系统,从而有利于这类溶蚀作用的发生。

由此可见,与盆地基底断裂活动相关的断层与裂缝系统以及伴随产生的深部热流体的活动极大促进了岩溶作用的发生。因此,深部环境十分有利于白云岩的岩溶改造。

2.3 风化壳白云岩在深埋条件下优质物性的保持

白云岩在表生成岩环境中发生的风化壳岩溶很少形成类似于灰岩的大型缝洞,而是以发育小型溶孔溶洞为特征,形成相对均质的孔洞体系。由淡水淋滤、膏岩矿物和残余灰岩的溶解而形成的溶蚀孔、洞、缝可使白云岩储集物性得到明显改善。但是,这种先期形成的孔洞可能在埋藏后由于被充填而失去有效性,因此,孔洞的最终保存情况对储集层发育至关重要。与灰岩不同的是,风化壳白云岩在重新进入埋藏环境后常可保留大量储集空间。塔里木盆地近年在牙哈—英买力地区寒武系—下奥陶统5 000 m以深发现了大规模发育的风化壳优质白云岩储集层,岩心中可见蜂窝状溶蚀孔洞,充填程度极低。牙哈地区大部分风化壳白云岩的埋深在5 900～6 300 m,但孔洞还相当发育,局部孔隙度和渗透率分别可以达到10%和29.6×10-3μm2。一般认为,6 000 m的埋藏深度是碳酸盐岩孔隙发育的“死亡线”,而事实证明这种说法并不准确。

风化壳白云岩进入埋藏环境后,由风化壳岩溶作用形成的缝洞系统及伴生的不整合面为晚期溶蚀流体对储集层的进一步改造奠定了基础。这种后期埋藏溶蚀流体沿早期风化壳发生的溶蚀作用对白云岩深部储集层的贡献不容忽视(见图7)。陕中气田马家沟组经历了约130 Ma风化壳岩溶作用,在马五段粉细晶白云岩中表现得最为强烈。马五段在中石炭世本溪组沉积期后进入埋藏期,埋藏溶蚀作用以风化壳岩溶期形成的孔隙网络系统为基础,对储集层进行了叠加改造,孔隙度可增加1%～3%[34]。埋藏期风化壳岩溶孔洞的保存与叠加改造对作为鄂尔多斯盆地碳酸盐岩天然气主力产层的奥陶系马家沟组马五段白云岩至关重要。

图7 晚期埋藏溶蚀作用对风化壳白云岩的叠加改造模式图

有研究表明,含膏白云岩较不含膏白云岩更有利于表生和浅埋藏环境中岩溶的发育[35],泥晶和细粉晶白云岩比颗粒白云岩和粗晶白云岩更容易形成风化壳岩溶,且白云岩晶粒越细小,越容易发生破裂[36,37]。因此,蒸发台地中部分与膏岩共生的白云岩一方面由于是较致密的准同生白云岩而不利于形成基质物性好的储集层,但另一方面又容易受到风化壳岩溶的有效改造,为进入埋藏环境后白云岩物性的进一步改善创造了条件。

由此可见,无论白云岩本身基质物性如何,经历后期改造后都可能成为优质储集层。其中,岩溶改造对于较为致密的白云岩成为储集层起决定性作用,而对于基质物性本身较好的白云岩则可进一步改善其储集物性,所形成的孔洞在深层仍可得以保持(见图8)。因此,在埋藏条件下形成并经历后期岩溶改造的白云岩最有可能具备优良的储集性,成为基质孔隙和溶蚀孔洞均发育的复合型优质储集层。加拿大新斯科舍省Abenaki台地上侏罗统Deep Panuke优质白云岩储集层的白云石化作用及后期溶蚀作用均发生在深埋环境中,发育晶间孔和溶孔,储集层局部测井解释孔隙度可高达40%[38]。

图8 不同类型白云岩的岩溶改造和在深埋条件下孔洞的保持

2.4 重结晶作用对深埋白云岩的影响

白云岩在深埋环境中的重结晶作用很普遍,虽然不如岩溶作用对储集层的改造那样显著和直观,但很多时候会对基质物性产生较大影响,因此也是不可忽视的。对储集层发育的影响而言,重结晶作用具有一定的不确定性。适度的重结晶可使晶体变大、晶形变好,形成更多晶间孔,有利于白云岩储集物性的改善。如:四川盆地长兴组礁白云岩的2次重结晶作用形成了大量晶间孔[39];资阳地区震旦系灯影组层状白云岩储集层主要为重结晶较强的晶粒白云岩[40,41];普光气田下三叠统飞仙关组残余鲕粒白云岩中由于普遍发生了重结晶作用而形成大量晶间孔和残余晶间溶孔,成为孔隙度高达8.74%的优质储集层[4]。此外,晶粒增大可导致晶粒间的结合力减小而容易形成晶间缝隙。任丘油田雾迷山组白云岩和塔里木盆地东北部震旦系—奥陶系白云岩中发生重结晶作用的部位都存在这种晶间缝隙[42,43]。但另一方面,如果重结晶作用过于强烈,晶体的不断长大会导致晶间孔缩小甚至消失[44,45]、晶粒呈镶嵌状,从而使白云岩孔渗性变差。

3 结论

白云岩储集层是多因素综合作用的产物,其储集性的好与差取决于白云岩本身的结构特征及其经历后期改造的情况。发生于埋藏环境的白云石化作用有利于形成基质物性优越的白云岩。同时,埋藏环境也为白云岩的后期改造提供了有利条件。由高能相带沉积物在埋藏条件下形成的埋藏白云岩和热液白云岩,以及构造活动和水-岩作用活跃地区的白云岩是优质储集层的重点勘探目标。在深埋条件下,白云岩既可以发育大量晶间孔,又容易形成溶蚀孔洞,孔洞形成后保存情况良好,有效储集空间的发育可以不明显受白云岩埋藏深度的制约。因此,深埋环境中的白云岩仍可具备优越的储集物性,是一类重要的优质储集层,是深部碳酸盐岩油气勘探的一个崭新的领域。加大深层、超深层白云岩的研究与勘探力度对于未来发现更多的油气特别是天然气资源无疑有着重要的现实意义。

本文成文过程中得到了中国石油勘探开发研究院实验中心的大力支持,此外,中国石油塔里木油田公司、长庆油田公司、西南油气田公司等单位给予了大力协助,在此一并表示感谢。

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Master control factors of deep high-quality dolomite reservoirs and the exploration significance

Zhang Jing,Hu Jianyi,Luo Ping,Song Jinmin

(PetroChina Research Institute ofPetroleum Ex ploration&Development,Beijing100083,China)

Dolomite is an important type of carbonate reservoirs.The understanding on the master control factors of high-quality dolomite reservoirs and the corresponding geological settings is of great significance to dolomite hydrocarbon exploration.Theories and case studies prove that the initial rock and the mechanism of dolomitization are key influential factors on the matrix physical properties of the dolomite.Karstification is the most critical process in the development of high-quality dolomite reservoir.Recent diagenesis study indicates that a great amount of intercrystal and corrosion pores and corrosion cavities can be developed and preserved in deep-seated dolomites,which can also form high quality reservoir.In conclusion,the burial dolomite and matrix replacive hydrothermal dolomite which are transformed from high energy sediments,and the dolomite in areas with active tectonics and water-rock interaction are potential high-quality reservoirs and key exploration targets.

dolomite;deep burial;quality reservoir;master control factor;exploration target

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202304)

TE122.2

A

1000-0747(2010)02-0203-08

张静(1979-),女,北京市人,博士,主要从事碳酸盐岩储集层研究工作。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院实验中心一区414室,邮政编码:100083。E-mail:zj_1224@petrochina.com.cn

2008-10-06

2009-12-20

(编辑 王大锐 绘图 李秀贤)