渤海湾盆地上太古界潜山油藏岩性特征、储集空间类型及影响因素*

2018-10-09李长宏彭英明褚庆忠霍春亮赵春明邵先杰

中国海上油气 2018年5期

李长宏彭英明褚庆忠霍春亮赵春明邵先杰

(1. 中国石化河南油田分公司河南南阳 473132； 2. 燕山大学石油工程系河北秦皇岛 066004；3. 中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300452)

渤海湾盆地油气资源丰富，是我国东部地区最为重要的含油气盆地之一[1]。近二十年来在盆地基底的上太古界花岗片麻岩中发现了大量的潜山油气，探明地质储量超过了10×108t，但由于潜山油藏的不均一性和复杂性，不同井间的产量差异很大。本文以锦州南潜山油藏为例，依据钻井取心、测井、化验分析、试油、试采等资料，并结合野外露头的观察与测量，深入分析上太古界潜山油藏的岩性特征、储集空间类型和影响因素，以期为渤海湾盆地潜山油藏的深入勘探开发提供依据。

1 地质概况

渤海湾盆地南北向长2 600 km，东西宽1 200 km，总面积约20×104km2，横跨华北平原、下辽河平原和渤海海域(图1)。东边以郯庐大断裂为界，西边以太行山断裂为界，南侧到鲁西隆起，北侧到燕山褶皱带。区内包括辽河、渤中、冀中、济阳、临清等坳陷以及内黄、埕宁、沧县等低隆起，具有“凸凹相间、大盆地小凹陷”的特点，内部构造特征多样，伸展、走滑及挤压构造均有发育[2]。

图1 渤海湾盆地构造位置图及锦州南潜山油藏构造纲要图(据吴小洲，2013，修改)

渤海湾盆地是在古地台的基础上经历了3期裂陷和1期拗陷等4个阶段演化而成的[3]。古新世发生了第1次裂陷，沉积了孔店组粗碎屑岩地层；始新世开始了第2次裂陷，沉积了沙河街组四段和三段地层；第3期裂陷发生于渐新世，沉积了沙河街组二段、一段和东营组地层；中新世—上新世盆地转换为拗陷期，沉积了馆陶组和明化镇组，以洪积相、河流相沉积为主。

上太古界作为渤海湾盆地古老的基底，地形高差分异严重，其上沉积的巨厚层生油岩为潜山油藏的形成提供了充足的油源,切穿基底的大型断裂为油气运移提供了通道,而有些突出的潜山直接与生油岩接触，对潜山油气藏的形成十分有利，因此，渤海湾盆地上太古界潜山油藏的勘探开发潜力十分巨大。

锦州南潜山油气田位于辽东湾海域，构造上处于辽西低凸起中北段，西边界为辽西1号断层，东南呈缓坡向凹陷过渡。目前已钻井14口，探明石油地质储量为3 173×104m3，油藏埋藏深度1 600～1 860 m，测试最高日产油量超过110 t，日产气量超过3 000 m3，证实了油田良好的开发潜力。

2 岩性特征

依据钻井取心、薄片和野外露头的观察，研究区上太古界潜山油藏的岩石类型主要有片麻岩和伟晶岩两大类，其中片麻岩类包括花岗片麻岩、角闪花岗片麻岩、二长片麻岩、黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩、黑云母片麻岩。伟晶岩包括花岗伟晶岩、石英伟晶岩和正长伟晶岩，主要以岩脉的形式分布在片麻岩中。

2.1 片麻岩

1) 花岗片麻岩：灰白色，中粗粒，弱片麻状构造、块状构造(图2a)。矿物成分主要有斜长石、石英和正长石，含量分别为43%、32%、10%；暗色矿物主要为角闪石，含量8%，另有少量黑云母。

2) 角闪花岗片麻岩：灰色，中细粒，片麻状构造、条带状构造(图2b)。斜长石含量38%，石英含量25%，角闪石含量18%，正长石含量10%，黑云母含量9%。黑云母呈褐色片状，颗粒粒径0.5～1.0 mm；石英颗粒粒径1 mm左右，斜长石颗粒粒径2～3 mm，正长石颗粒粒径1～3 mm，角闪石颗粒粒径0.5～1.5 mm。

3) 二长片麻岩：浅肉红色、灰白色，中粗粒，片状、粒状变晶结构，弱片麻状构造、块状构造。主要矿物成分是斜长石、正长石、石英，暗色矿物有黑云母和角闪石。斜长石呈粒状和半自形板状，含量35%左右，表面多绢云母化；正长石为柱状，含量40%左右；石英为粒状，含量20%左右；黑云母含量5%左右；角闪石含量2%左右。矿物颗粒粒径一般为0.5～4.0 mm，个别颗粒粒径大于5 mm(图2c)。

4) 黑云二长片麻岩：中粗粒，弱片麻状构造、块状构造。浅色矿物主要有斜长石、正长石、石英；暗色矿物主要有黑云母、角闪石。斜长石呈粒状，粒径多为1～3 mm，含量30%左右；正长石呈粒状或半自形板状，粒径在1～6 mm，含量38%左右；石英呈粒状，粒径在0.5～4.0 mm，含量20%左右；黑云母，片状，暗绿色，部分云母定向排列，粒径0.2～0.8 mm，含量在12%左右(图2d)。

5) 黑云斜长片麻岩：中粗粒，弱片麻构造，浅色矿物主要为斜长石，其次是微斜长石和石英；暗色矿物主要为黑云母和角闪石。斜长石为粒状及半自形板状，粒径多在1～6 mm，含量在40%～45%；微斜长石，粒状，粒径多在1～2 mm，含量在20%～24%；石英，不规则状及粒状，粒径多在0.2～2.0 mm，含量在15%左右；黑云母为片状，定向排列形成片麻状构造，粒径在0.2～1.0 mm，含量在14%左右(图2e)。

6) 黑云母片麻岩：灰黑色，黑云母定向排列，呈片麻状构造(图2f)，中细粒，颗粒粒径1～3 mm，个别可达5 mm。主要矿物是黑云母，含量45%左右，局部含量最高可达60%，石英含量20%，斜长石含量20%，正长石含量8%，另含有少量其它暗色矿物。片理发育，片理厚度1～3 mm，片理平行分布，厚度不均匀；当石英、长石含量高时，片理厚度增大，并且片理绕过颗粒。

图2 研究区片麻岩岩石类型

2.2 伟晶岩

1) 花岗伟晶岩：灰白色，伟晶结构、文象结构，块状构造(图3a)。斜长石含量45%，石英含量40%，含有其他少量的正长石和暗色矿物。晶体颗粒粒径5～10 mm，最大可达30 mm，大部分斜长石的晶体结构完整。

2) 石英伟晶岩：灰白色、暗灰色，伟晶结构、块状构造(图3b)。主要矿物成分为石英，含量大于90%，晶体颗粒粒径5～8 mm,最大可达30 mm。石英伟晶岩岩脉一般规模比较小，有的宽度只有几厘米，长度只有几米。

3) 正长伟晶岩：肉红色，伟晶结构、块状构造(图3c)。主要矿物成分是正长石，含量超过90%，晶体颗粒粒径5～15 mm，最大可达35 mm，晶体结构完整。

图3 研究区伟晶岩岩石类型

3 储集空间类型

通过露头测量、岩心观察和微观岩石薄片的定量分析，可研究潜山油藏的宏观和微观孔隙类型和特征[4-5]。潜山油藏的储集空间类型十分复杂，不同的构造部位，起主导作用的空间类型不同，但总体上可划分为孔隙型和裂缝型两大类。

3.1 孔隙型

1) 晶间孔：是指岩浆侵入过程中随着温度的降低，不同矿物依次结晶，体积缩小，在晶体颗粒间残留下的孔隙空间。伟晶岩岩脉体中晶间孔比较发育，露头和岩心观察发现晶间孔多被风化物充填。

2) 溶蚀孔：是指在地层水循环过程中长石、角闪石等矿物部分或全部被溶蚀而留下来的孔隙[6]。溶蚀孔的直径一般为0.5～3 mm，斜长石晶体内的溶蚀孔呈串珠状分布(图4a)。

3) 风化淋滤孔：古潜山在地表裸露时长期受到风化剥蚀作用，长石类矿物被风化为高岭土，角闪石风化为绿泥石，黑云母风化后颗粒变小，在地表水、地下水的循环过程中被淋滤带走，可形成淋滤孔[7]。风化淋滤孔的孔隙直径大，连通性好，横向上多呈层带状分布，随着深度的增加风化孔的数量减少；角闪石风化后进一步被淋滤、溶蚀，可形成超大孔隙(图4b)。

3.2 裂缝型

1) 溶蚀缝。先期的裂缝、解理受到溶蚀作用，使得裂缝进一步扩大。这类裂缝边缘不整齐，溶蚀作用导致裂缝开度增加进而使储层物性变好，镜下溶蚀缝多呈树枝状或网状，开度不一，缝宽12～110 μm，部分可达0.9 mm(图4c)。

2) 构造缝。构造缝是在应力作用下伴随着岩层的断裂、褶曲变形而形成的裂缝[8-10]，可分为张裂缝、剪裂缝和张剪性裂缝。张裂缝面粗糙、不平直、延伸距离短，裂缝宽度不稳定(图4d)，一般是中部宽、两端窄。剪裂缝面平直、光滑，常会切穿晶体颗粒，裂缝宽度小、延伸距离大，常常是两组呈“X”形交叉的共轭剪裂缝一同产出。张剪性裂缝形成时既受到剪应力作用，也存在一定的张应力分量，裂缝面一般比较平直、延伸距离中等，多表现为一端缝宽度大，另一端缝宽度小，直至尖灭。

图4 研究区储集空间类型

3) 风化缝。风化缝是潜山在裸露期间受到温度、气候等因素的影响，岩石经过反复的热胀冷缩而发生碎裂形成的。风化缝不规则，呈龟裂状(单条缝延伸长度5～30 cm，多呈弯曲状)，相互交叉，构成不规则的网格状(图4e)。剖面上呈楔状，上部宽度3～10 mm，下部收敛，直至消失，切割深度0.05～1.00 m。宏观上,风化缝密度可达50条/m2，随着深度的增加，风化缝的密度降低，在负地貌和平坦的地貌背景下风化缝在5 m以下就很少发育，但在地貌突出的部位风化缝发育的地层厚度就比较大，甚至在10多米深的岩石中也可见风化缝。

4) 解理缝。解理缝主要发育在颗粒比较大的正长石和斜长石晶体中，由于上覆地层的重力作用或构造应力作用，矿物晶体颗粒中的解理张开而形成。这类裂缝一般发育在伟晶岩岩脉中，裂缝规模小，不穿越颗粒，只发育在颗粒内部。

5) 区域缝。区域缝是在区域应力作用下形成的规模比较大、分布范围广的裂缝(图4f)。渤海湾盆地上太古界花岗片麻岩形成于太古代晚期，距今已超过2 600 Ma[11]，经历了多次大的地壳运动阶段，但是有些阶段在该区主要表现为整体上的抬升或下降，并没有在岩石中形成明显的构造形迹。根据大量露头的观察与测量，发现在区域上的裂缝主要有4组(图5)，其走向区间分别为5°～30°，60°～70°，280°～290°，330°～350°。其中,5°～30°和330°～350°方向的裂缝为共轭关系，最大主应力大致为南北向，可能在印支运动期形成;60°～70°和280°～290°(互补方向100°～110°)方向的缝为共轭关系，最大主应力大致为东西向，可能在燕山运动期形成。

图5 研究区上太古界花岗片麻岩露头中裂缝走向玫瑰花图

4 影响因素

4.1 风化作用

风化作用对于潜山油藏储集空间的形成至关重要，风化作用的结果是形成了风化缝和风化淋滤孔，甚至包括溶蚀孔。潜山表面的风化残积层往往是潜山油藏的盖层，半风化层段中裂缝和风化淋滤孔、溶蚀孔十分发育，基岩段中的裂缝和孔隙不发育，因此风化作用在纵向上具有分带性，即随着深度的增加，储层孔隙度、渗透率降低，储量丰度降低，产量也随之降低。例如1s-2井，产油气层的深度界限在1 901.7 m以上，大于这个深度不再有油气产出，高产层段都在1 846.0 m以上，随着深度的增加，每米采油指数呈逐渐降低的趋势(图6)。

图6 1s-2井岩性剖面及试油成果

4.2 岩石类型

岩性对潜山油藏的影响主要体现在不同类型的岩石其矿物组成不同、结晶程度不同、颗粒大小不同，导致其抗风化能力不同[12]，风化后的岩石物性不同(图7)。伟晶岩岩脉结晶程度好，晶体颗粒大，矿物成分单一，抗风化能力强，因此渤海湾盆地上太古界潜山油藏区岩脉发育处岩石物性差，一般不含油。

图7 研究区部分岩石物性数统计图

根据露头观察，在相同的深度和构造位置，片麻岩中的风化缝密度是伟晶岩中裂缝密度的5倍以上，有些风化缝遇到伟晶岩岩脉时就终止了。例如1s-5井钻遇了一个大型正长伟晶岩岩脉(图8)，致密坚硬，试油无产量，改为注水井也无法注入。此外，石英含量高的岩石抗风化能力强，正长石、斜长石、角闪石、黑云母含量高的岩石风化淋滤孔和溶蚀孔相对发育，根据地面露头、钻井和试油资料分析，认为最有利的岩石类型依次是黑云二长片麻岩、二长片麻岩、角山花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩、花岗片麻岩，最不利的是石英伟晶岩、正长伟晶岩和花岗伟晶岩。

4.3 古地貌

潜山油藏保留了剥蚀阶段高低起伏的地貌形态特征，突出的正地貌受风化的程度高，风化缝和淋滤孔发育，纵向上有效储集层段厚度大，物性好，储量丰度高[13]。低洼的负地貌常被比较厚的土壤层和残积层覆盖，风化程度弱，纵向上有效储集层段的厚度小，储量丰度低。例如处于正地貌的1s-2井的裂缝、孔隙度就比处于负地貌部位的1s-4D井发育，油气显示井段厚度是后者的2倍以上，产量也是后者的3倍以上。

4.4 断裂作用

断层发育区域一般是应力集中的区域，在形成断层的同时往往会有伴生裂缝和派生裂缝。伴生裂缝有2类，一类为剪裂缝，另一类为张裂缝[14]。派生裂缝是断层两盘相对运动过程中局部引起的派生应力场作用下产生的裂缝，这类裂缝规模小，延伸距离短，多呈羽状，是很好的储集空间。

图8 渤海湾盆地锦州南潜山油藏剖面

图9是研究区上太古界露头中裂缝与断层的伴生关系，可以看出，断层上盘是上太古界花岗片麻岩和上元古界厚层石英砂岩，下盘是上元古界厚层石英砂岩。在上太古界花岗片麻岩中靠近断层1的附近发育3组裂缝，第1组(图9中红线)与断层1近于平行，第2组(图9中黄线)与断层1斜交，夹角70°左右，这两组属于共轭裂缝，为断层的伴生缝，裂缝面平直，缝宽小；第3组(图9中蓝线)为高角度的张裂缝，裂缝宽度大，裂缝面不规则，是上覆厚层石英砂岩的负载作用在半风化的花岗片麻岩中形成的张裂缝，为后期地层抬升过程中形成的。

据露头资料统计，渤海湾盆地上太古界潜山断层密集区宏观裂缝密度最高可超过50条/m2，裂缝不仅密度大，而且延伸距离远，交织成网格状。如1s-1井虽然为低洼处(图8)，但附近发育了3条断层，取心和成像测井显示该区构造缝发育，且大部分为有效缝。综合解释含油气层井段长度达到了60 m。