辽河大民屯凹陷中央构造带太古宇变质岩储层岩性特征分析

朱毅秀,单俊峰，王 欢,蔡国刚

1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249 2.中国石油大学地球科学学院，北京 102249 3.中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010

0 引言

盆地基底结晶岩系潜山油气藏的勘探已有100多年历史[1-3]，目前已成为相对重要的油气勘探领域[3-7]。早先研究主要侧重潜山顶部油气藏的成因和类型[3-10]，最近10多年以中国辽河地区为代表对变质岩内幕油气藏有所研究[9-13]，主要研究方向为成藏作用及控制因素，储层主要表征变质岩风化淋滤的孔缝和构造裂隙[14-21]。变质岩潜山油气藏核心是储层问题，储层的关键是岩性。变质岩内幕油气藏其内岩性的空间分布类似于沉积岩是成层分布还是传统理论的块状分布，目前勘探成果还有待深入探讨。近些年科研报告和文章认为是成层性的[10,22-23,①]。辽河坳陷大民屯凹陷在1983年就已发现太古宇变质岩油气藏，历经30多年勘探已取得丰硕的成果，其中央构造带(研究区域)在东胜堡—静安堡太古宇潜山的高部位已发现工业油气并提交探明储量，但在此构造带潜山其他地方及深层勘探程度较低，仍具有较大的勘探潜力和较广阔的勘探前景。对大民屯地区变质岩潜山前人主要从成藏、裂缝等方面进行研究[16,24-25,①]。综合而全面地研究太古宇变质岩储层岩性特征与储层影响因素，探讨变质岩空间分布特征有助于揭示潜山内幕结构，有利于丰富和完善新型的基岩内幕油气成藏理论。

1 区域地质特征

研究区位于“小而肥”著称的大民屯凹陷的中央地区(图1)，紧邻凹陷中最深的荣胜堡洼陷和三台子与安福屯洼陷。基底断裂发育，以正断层为主。断裂走向与组成郯庐断裂重要部分的大民屯凹陷东西两侧的边界断裂平行，北东向展布为主；此方向展布的变质岩潜山被研究区域内前古近系沙四段沉积时期形成的北西向和近东西向次级断裂分割而呈现条带状，形成了潜山东西分带、南北分块的构造格局*① 宋柏荣，王仁厚，徐萍，等. 辽河坳陷太古宇巨厚潜山储层研究及应用. 盘锦：辽河油田勘探开发研究院，2008.② 朱毅秀，谢庆斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央构造带基岩结构及储层评价. 北京：中国石油大学，2010.。

区域上研究区结晶基底是“辽东型”太古宇变质岩，其片麻理、线理、不同岩性互层式“层理”、条带状构造等变质岩的结构构造是有序分布的，多为近东西向或北东东向。在同一地区各种岩石的构造走向和倾向一致，变化时同时发生变化、结果也一致，导致产状变化相同或保持一致。这是因为此“辽东型”变质岩原岩是正常(水成)沉积岩和火山碎屑岩，其在固态条件下经历了区域变质作用和混合变质作用，保留了原始构造。锆石测年测定研究区变质岩的锆石结晶年龄为26～25 Ga，区域变质岩年龄不早于26 Ga，混合岩化改造在区域变质之后，年代上与区域变质接近或更晚些，年龄为25～23 Ga*① 宋柏荣，王仁厚，徐萍，等. 辽河坳陷太古宇巨厚潜山储层研究及应用. 盘锦：辽河油田勘探开发研究院，2008.。可推测研究区区域变质岩和混合岩也属于新太古代，类似于鞍山群地层系统上部地层。

据脚注①修编。图1 大民屯凹陷构造单元划分与研究区位置示意图 Fig.1 Structural units of Damintun depression and the location in the study area

早在太古宙郯庐断裂就开始活动，五台和吕梁运动活跃使本区发生强烈褶皱和区域变质作用、混合岩化作用，深变质和混合岩化作用形成了本区最早一套变质岩结晶基底。吕梁运动使辽河坳陷形成了盆地基底，在之后盆地构造盖层发展时期，构造运动较平静，以平缓稳定的垂直升降运动为主。蓟县运动至加里东运动时期，大民屯地区整体处于抬升状态，长期遭受剥蚀，在研究区缺失中—新元古界和古生界。中—新生界也产生了多期沉积与剥蚀，并形成今天的地层层序格局与复杂的盆地构造及沉积演化*① 宋柏荣，王仁厚，徐萍，等. 辽河坳陷太古宇巨厚潜山储层研究及应用. 盘锦：辽河油田勘探开发研究院，2008.② 朱毅秀，谢庆斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央构造带基岩结构及储层评价. 北京：中国石油大学，2010.。

2 研究区太古宇变质岩岩石学特征

根据钻遇研究区太古宇潜山57口井的岩心和岩屑观察、96片薄片鉴定及前人实验测试分析结果等资料研究*① 宋柏荣，王仁厚，徐萍，等. 辽河坳陷太古宇巨厚潜山储层研究及应用. 盘锦：辽河油田勘探开发研究院，2008.② 朱毅秀，谢庆斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央构造带基岩结构及储层评价. 北京：中国石油大学，2010.，认为大民屯中央构造带太古宇鞍山群变质岩潜山岩性复杂(表1)，可见多种区域变质作用与混合变质作用、动力作用形成的三大类岩石，并进一步可细分为18种(表2)，多为中深变质岩。最常见为混合花岗岩、混合片麻岩、混合岩、混合岩化变粒岩、斜长片麻岩、斜长角闪岩、浅粒岩、变粒岩，夹糜棱岩、碎斑岩、碎裂岩等动力变质岩(图2、表1、表2)。

表1 研究区太古宇部分样品定名简表

表2 研究区太古宇变质岩潜山主要岩石类型简表

浅粒岩肉红、灰白色为主，细粒花岗变晶结构，块状构造，部分具有条纹状构造；变晶晶粒大小为0.10～0.30 mm；主要造岩矿物为石英、斜长石、碱性长石及少量深色矿物(表3，图2 b、g、k)。以长英质浅粒岩为主，另有钠长浅粒岩、钾长浅粒岩和二长浅粒岩等种类。推测由(凝灰质)长石砂岩(细粒或粉砂粒)变质而成，浅粒岩储层是潜山高部位的主要储层。

变粒岩浅灰、灰、灰黑色，多由钾长石、石英、斜长石、黑云母与角闪石(表3)矿物组成，深色矿物大于10%；花岗变晶结构，块状构造为主，少量现微片麻状、条带状；晶粒大小0.05～1.00 mm。组分上可分为黑云母变粒岩、角闪石变粒岩(表1，图2 c、h)。推测其原岩是半黏土质岩石及砂岩。

斜长角闪岩与角闪岩灰黑、灰绿色及灰色，致密、坚硬，鳞片花岗变晶结构，块状构造；粒径为0.20～3.50 mm。主要成分为斜长石和角闪石，另含少量黑云母、辉石(表3，图2a、j)。该套岩石内角闪石和其他深色矿物体积分数多大于50%，基本不见裂缝，难形成储集空间。推测其原岩为泥灰岩、凝灰岩或熔岩，多经中级区域变质作用而成，再经混合岩化作用后可形成条带状混合岩或混合片麻岩。

a.斜长角闪岩，不规则角闪石晶体包裹长石晶体，安93井，2 970.5 m； b.碎裂化浅粒岩，裂缝及半充填，安76井，1 779.5 m；c.变粒岩，深色矿物(角闪石、黑云母)绿泥石化，细粒变晶结构，安602井，2 950.5 m；d.黑云母斜长角闪片麻岩，定向排列的深色矿物，静35井，2 090.0 m；e.混合岩，粗中粒变晶结构，安114井，3 050.0 m；f.混合片麻岩，黑云母弱定向排列及微裂缝，安106井，3 005.0 m；g.碎裂状混合浅粒岩，破碎缝及变晶结构，沈166井，3 185.0 m；h.混合变粒岩，未充填的微裂缝与溶孔，胜10井，3 300.7 m；i.混合花岗岩，变形长石晶体及破碎状，胜22井，2 841.0 m；j.斜长角闪岩，裂缝及充填，安101井，2 515.3 m；k.浅粒岩，胜11井，2 866.0 m；l.混合片麻岩，静35井，2 090.0 m；m.混合花岗岩，安86井，3 473.1 m。a—i 9幅照片均为正交光下照片。Q.石英；Bi.黑云母；Hb.普通角闪石；Kf.钾长石；Pl.斜长石。图2 辽河大民屯凹陷中央构造带变质岩储层显微镜与岩心中不同类型岩性、微观孔缝特征Fig.2 Different types of lithology and microscopic characteristics of the metamorphic reservoir in the centre area of Damintun depression

井号深度/m岩性定名矿物组成(岩心和薄片)安1012 554.0长英质浅粒岩长石70%,石英25%,黑云母、角闪石5%安1302 879.5碎裂状浅粒岩钾长石30%,石英33%,斜长石10%,糜棱组分15%,方解石10%,黑云母2%安1303 021.0中细粒变晶浅粒岩钾长石36%,斜长石17%,石英42%,黑云母2%,角闪石2%,其他小于1%安1332 785.0角闪石变粒岩斜长石28%,钾长石29%,石英30%,角闪石10%,黑云母2%,其他1%安932 915.0角闪石黑云母变粒岩长石65%(钾长石45%,斜长石20%),黑云母20%,角闪石10%,铁矿等5%安932 970.5混合岩钾长石40%,斜长石15%,石英20%,角闪岩20%,黑云母5%安1063 005.0混合片麻岩钾长石25%,斜长石30%,石英35%,黑云母5%,角闪石4%,铁质1%静352 095.8中粗粒混合花岗岩斜长石25%,钾长石40%,石英30%,角闪石5%沈2333 547.5中粗粒变晶混合花岗岩钾长石43%,斜长石25%,石英30%,角闪石2%胜213 280.0混合花岗岩石英33%,钾长石42%,斜长石25%胜173 410.0斜长角闪片麻岩角闪石45%,斜长石40%,石英10%,钾长石5%胜222 863.5斜长角闪岩石英15%,角闪石50%,斜长石35%安212 952.9角闪岩角闪石75%,辉石20%,其他5%

斜长角闪片麻岩深灰、灰黑色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，以角闪石、斜长石为主(表3)，少量石英、钾长石，有时含黑云母(图2d)。推测原岩为中基性火山喷发岩、火山碎屑岩(凝灰岩)。主要在东胜堡潜山北部的胜17井、胜14井和胜22井分布较多。

混合片麻岩肉红、灰红色为主夹深灰、灰黑色，鳞片花岗变晶结构、花岗变晶结构，片麻状构造；由钾长石、石英、斜长石和少量深色矿物(表3，图2 f、l)组成。强烈的混合作用，暗色基体定向排列，岩石中残留基体体积分数<50%。

混合花岗岩颜色以浅灰、灰白、淡红色为主，中粗粒粒状变晶结构，块状构造和混合构造为主,可见少量片麻状构造；混合作用最彻底，结构与结晶的花岗岩相似，仍可见花岗质或硅质脉体；成分主要由钾长石、石英、酸性斜长石和少量深色矿物组成(表3)。主要包括斜长混合花岗岩和二长混合花岗岩(图2 i、m)。

碎裂岩与碎斑岩岩石遭受不同程度的压碎，压碎、变形作用到被碾碎成大小不等的碎块或粉末，碎裂程度中等到极高。研究区域主要为长英质碎裂岩，如碎裂化长英质浅粒岩、碎裂化混合花岗片麻岩和碎裂化混合花岗岩(图2b、j、g)。碎裂结构，块状构造；主要成分为石英和长石,少量黑云母(表3)。构造缝隙和破碎粒间孔发育，孔缝部分被泥质、方解石及铁质充填，部分孔缝含油。如安76井1 779.5 m处的碎裂化混合花岗岩；胜14井3 109.4 m处的长英质碎斑岩。

3 研究区太古宇变质岩空间分布

3.1 潜山内幕地层对比

本次研究尝试根据地震、测井、录井、分析化验资料及岩性组合，在相邻地区类似沉积岩地层进行变质岩潜山内幕地层对比分析，选取多条太古宇变质岩古潜山岩性对比剖面(图3)，并总结出研究区岩性综合柱状示意图(图4)。综合对比结果显示：本区变质岩古潜山带地层在垂向上大致从下至上分为混合花岗岩带，混合花岗岩与混合片麻岩夹角闪岩、辉绿岩带，混合岩和变粒岩带，浅粒岩与片麻岩带等几个岩性组合带(层段)。各层段不均匀夹断裂破碎带，太古宇顶部是不整合面，为风化壳或风化破碎带。

图3 研究区沈233—安17井岩性对比图Fig.3 Lithological correlation diagram of Shen 233 to Well An17 in the study area

3.2 岩性垂向分布

综合比较各井相对高程、平面位置、可能叠置关系、测井响应、岩性组合特征、区域地层组合特征，归纳出研究区地层岩性组合特征(图4)，由下至上分为多个岩性组合段，呈现出混合花岗岩—混合岩与混合片麻岩—角闪斜长片麻岩与角闪岩—变粒岩与浅粒岩--风化壳等岩性组合段，岩层中夹丰富基性脉岩和碎裂岩为主的动力变质岩。除了风化壳以外，不同井、不同区块发育岩性组合段不一样。

3.3 研究区岩性平面分布

统计及综合分析研究区不同岩性平面分布特征(图5)，主要岩性分布如下。

3.3.1 混合花岗岩分布区域

混合花岗岩是研究区分布最广泛的岩类，主要在安福屯断层的东西两侧和安78断层的南侧成片分布，即在研究区域西部、东北部、西北部和中部，以及安福屯潜山和静北潜山底部层序、东胜堡—静安堡潜山带西侧及静安堡潜山分布。井剖面上显示,混合花岗岩主要分布在相对深的层序中，内部存在多种被充填的构造裂隙与淋滤风化溶孔。

3.3.2 浅粒岩分布区域

研究区大部分地方有分布，也是分布最广泛的变质岩类之一，主要在荣胜堡断层的北侧和东胜堡断层两侧成大片分布，另在静安堡也有分布，位于研究区南部和中部，构成东胜堡潜山和静安堡潜山主体。厚层状浅粒岩中夹多种变粒岩、片麻岩、碎裂岩等其他岩类，有时可见较富含深色矿物的变粒岩和浅粒岩相互叠置或互层。浅粒岩在中央构造带潜山变质岩岩体相对高部位分布，内部存在多种半充填、未充填的裂隙与溶孔，易形成有利储层。

3.3.3 变粒岩分布区域

变粒岩位于研究区域中北部，在研究区分布较广，呈小块状，是静安堡潜山和静北潜山底层重要组成部分。静安堡潜山北靠近安福屯潜山部位变粒岩较发育，暗色矿物含量较多；岩性较脆，混合岩化与碎裂化较强烈。中厚层状至薄层状可见，剖面上变粒岩和浅粒岩、片麻岩互层和不等厚叠置，夹多种片麻岩、碎裂岩、角闪岩等其他岩类。变粒岩有时也可以达到中级粒度或弱定向排列，显示片麻岩特征。部分岩石内部存在一定裂隙与淋滤风化溶孔。

3.3.4 混合岩和混合片麻岩分布区域

混合岩和混合片麻岩主要分布在研究区中部、北部，深度上于浅、中深部位潜山带分布，见于静安堡潜山东部和静北潜山底部太古宇层序中，沿胜13—胜14—胜17—安83—安101—安93及安81以北区域分布，占研究区东北部分区域，也是目前已发现油气的重要区域。其内富含长石与石英矿物，具备形成优质变质岩储层的物质基础，可见溶蚀扩大裂隙及缝隙，并多由绿泥石、方解石、硅质和铁质等充填与半充填。混合化的片麻岩较丰富，基体为黑云母二长片麻岩、钾长片麻岩、角闪斜长片麻岩、角闪二长片麻岩，在其强烈混合时可成为混合花岗岩，脉体多为长英质。

4 岩石组分和类型对储集层的影响

本区太古宇变质岩储集体在纵向上自上而下分为3个储集带，依次是风化破碎储集带、断裂发育储集带和致密带[26]。储层储集空间主要为裂缝、溶孔和其他，研究区域为裂隙型储层。变质岩储层为低孔隙中低渗透性到特低孔低渗至特低渗性型。变质岩的复杂演化历程，导致了其内储集空间经历了形成、发展、堵塞、再形成等复杂演化。岩性特征对这种演变具有重要控制作用，岩性是储层形成与储集空间保存的两大核心控制因素之一。

in(英寸)为非法定计量单位，1 in = 2.54 cm。图4 大民屯凹陷中央构造带太古宇变质岩岩性综合柱状示意图Fig.4 Lithological column of the Archean metamorphic reservoir in the centre area of Damintun depression

图5 大民屯凹陷中央构造带基岩潜山太古宇主要岩性平面分布图Fig.5 Lithology planar distribution of the Archean bed rock buried-hill in the central area of Damintun depression

4.1 主要造岩矿物对储集层的影响

长石具两组完全解理，性脆，易形成蚀变溶蚀孔缝；受力后易沿解理缝加大裂开、发生破裂，多期叠加作用使缝隙开度变大，形成宏观缝。石英矿物稳定，基本没有溶蚀孔隙，仅在强力作用下出现破裂，并在后期成岩中多被硅质愈合。黑云母、角闪石等易蚀变深色矿物容易形成蚀变的溶蚀孔(缝)隙，镜下常见角闪石溶蚀而呈现残余状或幻影状，黑云母在强力或长期力作用后产生碎裂或变形及形成沿解理缝扩大的裂缝。

早期研究显示：变质岩中深色矿物黑云母和角闪石体积分数越少、相对刚性矿物越多，越对储层有利，并得出其体积分数和物性呈负相关。比较这种体积分数和物性关系，可知碎裂变形与黑云母和角闪石在岩石中体积分数有一定关系。统计表明：角闪石体积分数为10%～15%的变质岩在溶蚀强烈区域比角闪石为其他体积分数的变质岩易形成有利溶蚀孔洞；黑云母体积分数5%～15%的变质岩在相同受力与风化溶蚀条件下，形成的裂缝与溶孔更多、渗透性也较好，更易于形成有利储层；深色矿物体积分数大于15%的变质岩构造成因的储集空间发育更差。这可能是由于含铁镁矿物较高的深色矿物高含量时使岩石弹性变强、抗压性变强，延展性较好，出现变形而不破裂，从而减少裂缝量与裂隙率，出现裂缝延伸短的细微裂缝为主；同时深色矿物蚀变更强，产生的蚀变物就近充填裂隙，从而形成全充填和半充填的裂缝，对形成储层不利；深色矿物体积分数小于15%、浅色矿物(长英质)体积分数大于80%的变质岩，性脆、受力后容易发生破碎，更容易沿解理缝形成裂缝，构造成因的储集空间更发育。

4.2 岩石类型对储集层的影响

研究区变质岩储层为裂隙型储层，在相同应力场作用下，变质岩脆性高的更易于形成缝隙。石英、长石等浅色矿物为脆性矿物，含量高、脆性强；而黑云母、角闪石等深色矿物为塑性矿物，其含量高、塑性强和延展性好，不易变形与破碎。因此，常把变质岩中石英、长石等浅色矿物含量较高、相对易形成裂缝的混合片麻岩、混合花岗岩、浅粒岩、碎裂化的变粒岩，以及碎裂岩与碎斑岩等称为储集岩；而把角闪岩和斜长角闪岩等深色矿物体积分数较高(50%以上)，在相同构造应力作用下难形成裂缝并易于愈合的变质岩岩类，称为非储集岩。

角闪斜长片麻岩、浅粒岩、变粒岩等研究区区域变质岩，储集空间为构造裂缝、溶孔与溶缝、少量晶间孔等。统计显示：深色矿物体积分数大于15%的区域变质岩储集空间发育差；体积分数小于15%、受力后容易发生破碎，出现裂隙。研究区长英质体积分数高(80%及以上),碎裂化的浅粒岩与变粒岩、片麻岩具较好的储集物性。

研究区高级变质岩即混合花岗岩和混合片麻岩，其长英质含量高、坚硬、性脆,暗色矿物含量少，易产生破裂，碎裂化后易产生裂隙，宏观缝宽常大于10 mm，孔隙度为3%～7%，渗透率大于10×10-3μm2，易形成裂缝型储层。

长英质碎裂岩、碎斑岩的裂缝、破碎粒间孔发育，经淋滤(溶蚀)作用形成的孔隙也极其发育。再改造的糜棱岩容易形成裂缝，可成为优质储层。

总的比较并评价研究区变质岩储层可知：深色矿物体积分数低于5%的混合花岗岩和长英质浅粒岩、黑云母体积分数小于10%的混合片麻岩(片麻岩)为优质储集岩；其次为深色矿物体积分数为10%～15%的混合片麻岩(片麻岩)、变粒岩和混合花岗岩为较有利的储集岩；深色矿物体积分数大于15%的变质岩在研究区基本为非油气储集岩。

5 结论

1)大民屯凹陷中央构造带太古宇变质岩岩性复杂，细分为三大类18种，变质岩储层有混合花岗岩、混合片麻岩、长英质变粒岩、浅粒岩、长英质碎裂岩与碎斑岩。最有效储层为碎裂化混合花岗岩、碎裂化混合片麻岩和浅粒岩。

2)内幕变质岩体岩性在空间上不均一。潜山内幕地层对比显示本区变质岩潜山带地层在垂向上大致从下至上分为混合花岗岩带到风化破碎带等多个岩性组合带。太古宇变质岩在垂向上(由下至上)分为多个岩性段，呈现出混合花岗岩—混合岩与混合片麻岩—角闪斜长片麻岩与角闪岩—变粒岩与浅粒岩—风化壳，岩层中夹丰富基性脉岩，上部夹丰富碎裂岩。岩性平面上呈现分区性。

3)岩石类型和矿物种类对研究区域太古宇变质岩裂缝型储层起控制作用，高含量长英质岩石易于形成有利的孔缝，不同含量深色矿物的变质岩储集性不同；碎裂化混合花岗岩与混合片麻岩、浅粒岩、部分动力变质岩可作为优质储层。潜山内幕变质岩体岩性不均质，决定了其物性不均一，变质岩体非传统认为的块状均一。

致谢：项目完成过程中得到中石油辽河油田研究院相关工作人员大力支持与帮助，研究生宋玲、高兴、杨程宇、王晓东、陈明鑫、张军燕、范金龙、佘亚明、李众和本科生罗林、李若懿、赵桐玥、衣方宇等同学参与项目研究工作及后续资料整理工作，在此特致谢意！