渤海海域渤中19-6构造带深层潜山储层特征及其控制因素

2019-03-22侯明才曹海洋李慧勇陈安清韦阿娟王粤川周雪威

天然气工业 2019年1期

侯明才曹海洋李慧勇陈安清韦阿娟陈扬王粤川周雪威叶涛

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学 2.成都理工大学沉积地质研究院3.中海石油（中国）有限公司天津分公司

0 引言

不整合在沉积盆地之下的潜山储层，尤其是埋深大于4 000 m的深层潜山，逐渐成为含油气盆地勘探中的重要新方向[1-2]。世界范围内潜山油气田的勘探历程分析发现，优质烃源岩配合有效潜山储层能够形成大型油气藏，例如我国准噶尔盆地的克拉美丽气田和松辽盆地的徐深气田、越南的Bach Ho油田、纳米比亚的Kudu气田、印度尼西亚Jawa盆地的Jatib Arang油气田等[3-10]。渤海湾盆地的勘探程度越来越高，下伏的潜山构造带广泛分布，目前在PL9-1、JZ20-2、渤中34-9、渤中13-1等潜山构造均获得良好油气显示[11-13]。作为盆地重要的油气上产接替领域，渤海湾盆地渤海海域太古界潜山正受到密切关注[14]，渤海海域西南部太古界潜山分布广泛（5.6 km2），陆续发现多个油气田，如曹妃甸11-6、曹妃甸18-2等油气田。近期，在渤中凹陷西南部渤中19-6潜山构造带深层太古界变质岩中取得了天然气勘探重大突破。

储层发育规律是深层潜山储层油气勘探及成藏规律研究的关键因素。尽管渤中19-6构造带已取得重大突破，但其储层研究相对成熟区块尚处于起步阶段，储层发育特征及控制因素认识仍不够深入。原因在于：①研究区储层具有岩性复杂多样、内部结构复杂、缝—孔复合发育、非均质性强的特征[15]，制约了储层的深化认识；②对比常规油气储层，不同类型、不同时期潜山有效储层形成及有效储层分布规律[16-21]难以描述，因此研究具有更大未知性及难预测性。笔者以渤中19-6大型深层潜山油气田发现为契机，通过对研究区钻井岩心、井壁岩心、岩石薄片的观察和描述，结合区域构造背景、录井及测井等资料，对渤中19-6构造带潜山储层系统的发育特征进行分析，研究储层展布规律，探讨控制储层发育的内在因素，以期更明显地提高潜山油气藏的勘探成效。

1 地质概况

BZ19-6构造带位于渤海湾盆地渤中凹陷西南部深层构造脊上，东南与渤南低凸起相邻，西部与埕北低凸起相邻，南部与黄河口凹陷相接，北为渤中凹陷主洼[22-24]，为渤中凹陷西南次洼和南次洼夹持的、具有洼中隆特征的背斜构造带[25-26]（图1）。

研究区渤中19-6构造带及周缘发育古近系孔店组（E1-2k）沙砾岩、沙河街组（E2s）砂岩及暗色泥岩、东营组（E3d）暗色泥岩，新近系馆陶组（N1g）与明化镇组（N2m）砂岩及第四系平原组（Q），潜山为太古界（Ar）变质岩。太古界为变质岩基地，孔店组为冲积扇环境筛积物，沙河街组发育辫状河三角洲及湖泊相，东营组为湖泊相机辫状河三角洲沉积，馆陶组为辫状河沉积，明化镇组为曲流河沉积[27-29]（图1）。其中沙河街组三段、沙河街组一段、东营组三段为主要烃源岩层；馆陶组、明化镇组、孔店组、沙河街组发育碎屑岩储层，太古界发育变质岩潜山储层，孔店组砂砾岩与太古界变质岩潜山是本次储层研究主要层段。钻井资料揭示，太古界变质岩多数经历了后期脉体的侵入，发生不同程度的混合变质作用，形成混合花岗岩等混合岩，局部夹有辉绿岩侵入体[30-33]。

图1 渤中19-6构造带位置图及地层柱状图

2 储层特征

本次研究资料取自渤中19-6构造带BZ19-6-A井的井壁岩心、录井数据、测井数据。井壁岩心样品观察描述70个，普通岩石薄片、铸体薄片观察共87块，录井、测井分析700 m。孔隙度、渗透率测试样品33个，孔隙度、渗透率测试均在中海石油（中国）有限公司天津分公司实验中心渤海实验中心完成。

2.1 岩石学特征

图2 BZ19-6-A井深层潜山储层特征综合柱状图（分段岩性栏数字对应井壁岩心照片栏数字）

图3 BZ19-6-A井井壁岩心照片

渤中19-6构造带钻井揭示深层潜山地层岩性较复杂，与传统意义的潜山储层不同。渤中19-6构造带深层潜山储层不是单纯的基底变质岩形成的储集层，是由太古界变质花岗岩和上覆孔店组砂砾岩共同构成的储层系统，称为深层泛潜山储层系统。以BZ19-6-A井为例，孔店组厚度为460.35 m（井段3 563.6～4 023.95 m），太古界变质岩厚度为156.05 m（井段4 023.95～4180.00 m，未钻完）。孔店组砂砾岩储层具有分层性（图2），顶部砂砾颗粒分选较差，含有大量火山岩砾石及变质岩砾石且颗粒较大（图3-a、b），形态呈角砾状，石英含量相对较少（小于50%）；中部砂砾分选较好，成分成熟度高，以石英颗粒为主（大于70%），次为长石颗粒，含有少量暗色矿物，颗粒胶结紧密（图3-c），长石多被溶蚀，底部为含凝灰质砂砾岩。孔店组砂砾岩成分以太古界变质岩为主，陆源碎屑含量高，少量中生界火山岩，杂基含量低，为成分干净的“富砂贫泥”近源沉积体，属典型的筛积沉积。太古界变质岩层以变质二长花岗岩、变质闪长花岗岩、片麻岩、碎裂岩为主，夹闪长玢岩、二长斑岩、辉绿岩等后期侵入体。顶部具有明显风化特征，黏土矿物发育，发育大量溶蚀孔隙和裂缝（图2、3-d、e）；上部以二长片麻岩为主，斜长石、钾长石含量较大，角闪石等暗色矿物较少，岩石结构致密（图3-f）；中部以碎裂变质闪长花岗岩为主，具有花岗岩成分，但是花岗结构被破坏（图3-g），底部黑云母、角闪石等暗色矿物增多，为碎裂黑云二长片麻岩，并具有典型混合岩特征（图3-h、i）。中上部可见蚀变辉绿岩，分析为侵入体。太古界变质岩潜山在地质历史时期经历多期交代及热液蚀变作用：早期有弱的钠长石交代斜长石；后期有强烈的热液蚀变；有绿泥石化和碳酸盐化，碳酸盐化成分有菱铁矿、铁白云石和铁方解石，与绿泥石化同时的有榍石、黄铁矿和水云母；岩石矿物后期遭受酸性交代作用多形成玉髓、硅化石英、高岭石等。此外，岩石可见大量类似于碎裂、碎斑和碎粒结构，判断为隐爆角砾岩或隐爆凝灰岩，其与构造角砾岩区别在于：破碎石英多不具备波状消光，大量碎片具有相同消光位，为原地破碎证据，凝灰级碎屑有的成弧形脉状、有的凝灰脉锲入某种矿物中尖灭，可见到长宽比大的间棱角状石英碎屑，凝灰碎屑离母体矿物距离很近（小于0.5 mm）。

2.2 储集空间特征

基岩潜山储层多属于风化壳类型及孔洞—裂缝型储层[34-38]。根据岩心、井壁岩心、铸体薄片及成像测井等资料综合分析，渤中19-6构造带深层潜山形成以砂砾岩＋变质花岗岩潜山为组合的泛潜山储层系统。储集空间具有孔隙型＋裂缝型的双重介质特点，形成砂砾岩孔隙＋风化壳＋内幕裂缝的多层次储集空间，主要包括砂砾岩及变质岩潜山碎裂颗粒粒间孔、溶蚀孔及裂缝（图3、4）。渤中19-6构造带泛潜山储层系统经历了多期次构造运动，在构造应力下产生大量裂缝，裂缝期次众多，大量微裂缝未充填或部分充填，此外，储层多期长期暴露于地表，受到强烈的大气淡水淋滤作用，易形成大量溶蚀孔隙，多期次的热液活动同样对孔隙的形成起到建设作用，此外，孔店组特殊的筛积沉积本身具有保存大量孔隙的潜在可能。

图4 BZ19-6-A井岩石薄片图

碎裂颗粒粒间孔多在构造应力作用下形成，形成期次复杂，孔隙规模大小不等，包括宏观孔及微观孔，多表现在长石等易受到构造应力作用的脆性矿物上。此外，由于长期暴露于地表，潜山顶部岩石遭受强烈物理风化，易发生破碎同样会形成碎裂颗粒粒间孔（图3-e）。该类型孔隙在孔店组砂砾岩及太古界变质岩潜山岩体中均有发育，是渤中19-6构造带深层泛潜山储集系统的重要组成部分（图4-a、b）。

溶蚀孔为次生孔隙，受流体沿着断裂—裂缝渗入而形成，多表现为不同矿物溶蚀孔，溶蚀矿物主要为斜长石和角闪石。依据其产状特征可分为晶间溶蚀孔隙，粒间、粒内溶蚀孔隙等。渤中19-6构造带太古界潜山上直接覆盖新生代地层，中间大量缺失古生代及中生代地层，遭受过长期地质风化，易形成溶蚀孔（图4-c）；孔店组砂砾岩层成分成熟度高，同样表明经历强烈的流体改造，易形成溶蚀孔隙（图4-d）。

裂缝是渤中19-6构造带深层潜山储集层最重要的储集类型，分为构造缝和溶蚀缝，多成枝状分布，相互切割—联通。发育在断裂带断层交汇处的构造裂缝为主要类型，受断层影响，裂缝发育不均匀，表现为临近断裂带并平行于断裂带。长石等脆性矿物在构造应力的影响下沿节理也易形成裂理或解理缝（图4-e）。溶蚀缝可以细分为两部分，一部分是构造缝遭受溶蚀作用而成，是构造缝的延伸和继承，多发育在断裂附近（图4-i）；另外一部分与风化壳的发育有关并发育在风化壳附近，此类缝展布没有明显规律，多成枝状发散（图4-f）。裂缝带间均为致密层（图4-h）。裂缝多为半充填或未充填，部分完全充填，早期裂缝主要被方解石、白云石、铁白云石等碳酸盐矿物充填，早起裂缝受到晚期裂缝切割（图4、5）。BZ19-6-B井3 877.55～3 878.70 m岩心发育裂缝125条，平均线密度为122条/m，可划分4期（图5）：早期（绿色）中—高角度裂缝，多被铁质充填；中期（蓝色）多为高角度、共轭型有效裂缝；晚期（红色）低角度有效裂缝；此外还识别出一系列更早期（黄色）被充填裂缝，呈脉状，判断与混合岩化有关。

2.3 储层物性特征

图5 BZ19-6-B井潜山岩心特征及裂缝素描图

图6 BZ19-6-A井深层潜山储层物性特征图

孔店组储集层共取42个井壁岩心样品进行孔隙度测试分析，分析结果显示孔隙度介于2.9%～14.9%（图6-a），平均值为7.5%，其中小于5%的样品10个，占24%，5%～10%的样品为36个，占62%，大于10%样品为6个，占14%，按照SY/T 6285—2011《油气储层评价方法》碎屑岩储层划分标准，孔店组储层为超低孔—特低孔型储层，（图6-c1）。孔店组储层孔隙度可划分为明显的3段，上段孔隙度较高，向下逐步减小（图6-a）。结合岩性特征分析，上段砂砾岩成分成熟度较低，含大量火成岩砾石、变质岩砾石，石英含量较少，长石含量较多，且长石多被溶蚀，分选较差，石英颗粒较小，火成岩砾石、变质岩砾石颗粒较大，因此孔隙度较高；中段火成岩砾石、变质岩砾石、长石等含量减少，石英含量增多，且石英颗粒之间接触紧密，孔隙度降低；下段凝灰质成分增多，孔隙填充程度较高，孔隙度较低。太古界变质岩潜山地层储层段共测试36个孔隙度数据及27个渗透率数据，孔隙度介于1.2%～12.8%，平均值为4.3%，其中小于5%的样品25个，占69%，按照SY/T 6285—2011《油气储层评价方法》变质岩储层划分标准，为Ⅲ类储层，介于5%～10%的样品9个，为Ⅱ类储层，大于10%的样品2个，为Ⅰ类储层（图6-c2）；渗透率介于0.02～11.80 mD，其中大于1 mD的样品（3个）渗透率值分别为1.24 mD、5.39 mD、11.8 mD，其他24个样品的渗透率值均小于1 mD，平均值为0.97 mD（图6-b、c3）。由于渗透率测试样品为储层基质，渗透率极低，故不代表储层的真实渗透率。风化壳、潜山内幕裂缝十分发育，极大地改善了储层的渗透率。太古界变质岩潜山储层物性非均质性强，具有明显的分带性，风化壳顶部风化程度最强处物性特征较差，风化壳内溶蚀裂缝带物性最好，进入潜山内幕，裂缝带物性明显好于致密带。

3 储层发育控制因素

3.1 沉积环境奠定孔店组砂砾岩储集体形成基础

储层发育特征及其储集条件的优劣均与沉积环境及沉积物类型有着密切的相关性[39]。孔店组砂砾岩具有其独特之处，通过井壁岩心、薄片及测井分析可知，储层岩石颗粒以纯净石英颗粒为主，少量长石颗粒，长石颗粒多被溶蚀形成孔隙，石英颗粒分选磨圆程度较高。底部基岩为太古界变质花岗岩，花岗质母岩具有坚硬且节理发育的特性，推断孔店组沉积物属于典型的筛积物。筛积是指在扇体表层呈舌状堆积的砾石层，大都具颗粒流沉积性质，颗粒支撑，少数是不稳定的水流沉积，筛积物粒度粗、渗透性好，水流通过时会迅速向下渗漏，并导致地表水流迅速减小，象筛子一样让水流从其中渗走、并阻止了细粒物质的搬运。筛积砾岩形成有着特定物源和特殊气候条件要求：需在干旱环境下且母岩为节理发育的坚硬岩石。筛积沉积具有如下沉积特点：①粒度粗、渗透性好的次棱角状粗块砾石组成砾石层，砂和泥质沉积物较少，分选较好；②充填物主要为渗滤的砂，具明显双众数粒度分布特点；③砂体无明显的成层界线，块状构造；④多分布在扇根及扇中。渤海湾盆地为典型的裂谷型盆地，具备形成大型冲积扇的条件，下部太古界花岗岩、花岗片麻岩为母岩，长英质矿物含量高、刚性大，多期构造导致岩石节理等裂缝发育，具备近源筛积堆积形成优质储层的条件。

3.2 多期裂缝控制太古界变质岩潜山储层展布

变质岩本身并不是储层发育的有利地质体，必须经历裂缝作用、溶蚀作用等改造之后才能成为有利储集体。对于致密的变质岩，潜山暴露期的风化淋滤作用的深度受限，很难对其造成有效的改造。因此，潜山内幕要形成有效储层，首先需要受到强烈构造作用形成裂缝。裂缝能够成为风化淋滤作用往基岩拓展的通道，从而形成溶蚀裂缝。渤中凹陷经历了多期构造运动，具备形成高密度裂缝的条件。研究发现潜山内幕高密度裂缝分布区与储层发育明显的一致性。通过对研究区3口井的裂缝进行统计发现，内幕裂缝型或溶蚀孔隙—裂缝型储层的发育规模与分布受控于多期裂缝的叠加作用。3组有效构造裂缝性质、走向和倾角统计可知：北东、东西向裂缝以中高角度为主，北西向裂缝以中低角度为主（图7-a）。通过研究区构造应力场分析可知，北西方向低角度裂缝，为走滑断裂转弯部位所形成，处在挤压应力场中，裂缝多为闭合无效裂缝，而北东向裂缝多处在拉张应力下，因此多为张开有效裂缝（图7-b）。结合研究区构造演化过程与裂缝发育关系可知，燕山期以来是太古界潜山内幕有效裂缝的主要发育时期。

3.3 岩溶作用有效提高储层储集能力

作为重要建设性埋藏成岩作用，岩溶作用有效地提高了储层的储集能力[36]。井壁岩心、薄片及扫描电镜观察表明，在研究区孔店组砂砾岩及太古界变质岩潜山风化壳中均大量发育溶蚀孔洞、粒内溶孔、粒间溶孔、晶间溶孔、溶蚀缝等各类与岩溶作用相关的孔隙，是泛潜山储集系统形成重要的控制因素。

孔店组砂砾岩体与上覆沙河街组为不整合接触，地层存在暴露地表阶段，研究区临近砂砾岩体推测为筛积物，主要以石英长石颗粒为主，颗粒支撑，有利储层发育。研究区东部发育郯庐走滑断裂带，为孔店组砂砾岩体强烈溶蚀作用奠定先决条件。在构造应力作用下长石等节理发育的脆性矿物易产生各种裂缝，促进大气降水等流体的进入，促进岩石化学风化作用，生成溶蚀孔隙。孔店组孔隙度测试样品结果均大于1%，测井解释有效孔隙储层段均为气层，主要为孔隙型储层。

图7 渤中BZ19-6构造带裂缝特征图

太古界变质花岗岩潜山溶蚀作用主要发生在顶部风化壳，潜山经历海西、印支、燕山、华北、喜马拉雅等多期构造运动叠加改造和多期次、长时间的暴露风化淋滤作用，形成风化溶蚀带（风化壳）。风化壳内发育大量溶蚀型孔缝，在靠近边界大断裂部位的多期裂缝叠加区，溶蚀作用更为明显。值得注意的是，太古界潜山属于深层古老潜山，从古地貌形态上有利于多期岩溶作用的发育，形成了风化壳、内幕裂缝带和致密带等3层结构。风化壳表皮风化过于强烈，孔隙封堵较强。但是在风化壳中下部，孔隙型或裂缝—孔隙型储层特别发育（图8）。随着深度的加深，溶蚀作用减弱，裂缝对储层的贡献加强，逐渐向溶蚀裂缝储层和裂缝储层演变，致密基岩带储集性能急剧下降。总体上，与上覆孔店组形成“砂砾岩孔隙带＋风化壳溶蚀裂缝带＋内幕裂缝带”的多层次储层结构。

图8 BZ19-6-A井太古界变质岩潜山孔隙度与渗透率关系图

3.4 其他地质作用对储集性能的贡献

渤海海域深层泛潜山储集系统的发育是多重地质作用的共同产物。除上述因素外，还存在其他建设性的储层控制因素。大量的薄片现象表明太古界潜山变质花岗岩体内部可能存在超临界流体的隐爆作用，形成了隐爆角砾岩或隐爆凝灰岩，最后经热流体的交代蚀变形成各种蚀变岩。古潜山岩体经过隐爆作用的体积膨胀与吸热降温，造成岩石破碎、密度降低、热液渗透蚀变反应等，形成与之相关的多孔缝、高渗透储层（图9-a、b）。另外，通过对井壁岩心及薄片的观察发现，太古界变质岩潜山发生强烈的混合岩化作用，产生通常是花岗成分的熔融体。若熔融体保持封闭，并在母岩岩体内结晶，则产生混合的岩石或混合岩（图9-c）。混合化作用对储层的建设作用体现在：①新生长英质脉体的侵入，使得浅色矿物增多，岩体整体脆性增高，有利于裂缝发育；②新生长英质脉体的侵入，提高岩体非均质性程度增强，造成岩石内部应力场分布不均，有利于裂缝形成。

4 储层发育规律

渤中19-6构造带深层泛潜山储集系统是由上部孔店组砂砾岩储层与下部太古界变质岩潜山“风化壳＋内幕裂缝带”组成的多类型、多层带复合型储集层体系。BZ19-6-A井孔店组砂砾岩层厚度达460.35 m，上部物性较好，含大量火成岩砾石、变质岩砾石，具有高自然伽马、高自然电位、高声波时差、高中子、较低密度的特征，测井解释为气层，储集空间类型以溶蚀孔为主；下部测井解释为非气层，表现为高自然伽马、自然电位有所降低、低中子的特征，结合岩石学特征分析，由于石英含量的增加，且接触紧密，有效孔隙度降低；底部凝灰质砂砾岩层，具有极高的自然伽马值，物性最差。深浅电阻率在上部存在一段明显的差异，浅电阻率整段降低，可能与该层段岩性成熟度差、孔隙发育有关，成像测井上可以明显看出成层性，上部发育小型孔隙（图2）。较高的自然伽马值说明孔店组砂砾岩母岩是可能是太古界长英质基岩。

图9 隐爆作用及混合岩化作用岩石薄片图

BZ19-6-A井太古界变质岩潜山储集体的钻遇厚度为156.05 m（未完），该潜山储集体纵向上由浅至深，受到风化溶蚀作用的程度不同及内幕裂缝系统发育程度的差异，具有明显的分带性。各层带之间界线不清晰，均为逐步过渡，原岩结构和风化强度影响各层带的厚度。太古界潜山顶部强风化带泥质含量高、物性差，表现为高自然伽马、低电阻率、低自然电位的特征，风化非常强烈，岩性较松散，薄片分析可见大量黏土矿物，孔隙封堵严重。风化壳中下部溶蚀—裂缝带风化淋滤强烈，溶蚀孔洞、裂缝发育，表现为较低自然伽马、较高电阻率的特征（图2），铸体薄片多见溶蚀孔洞、碎裂颗粒粒间孔，构造裂缝发育，多成枝网状，沟通性好，尽管后期多被碳酸盐岩交结，仍能保持很好的储层物性特征。扫描电镜分析显示，长石颗粒溶蚀强烈，发育大量溶蚀孔缝，形成良好储集空间，以孔隙型储层和裂缝—孔隙型储层为主。内幕裂缝带的风化淋滤作用减弱，溶蚀孔隙较少，以裂缝为主，表现为较低自然伽马、自然伽马值小幅度波动较快、高电阻率、高中子的特征，横向分布不稳定，连通性差。铸体薄片显示具有多期次裂缝发育，多为充填—半充填裂缝，充填物多为碳酸盐岩；岩心上识别至少3期裂缝，保留部分有效储层，以孔隙—裂缝型储层为主，具有较强的非均质性。潜山内幕致密层，溶蚀孔隙与裂缝均欠发育，整体物性差，表现为低自然伽马、低电阻率、高密度的特征（图2）。岩石学特征表现为颗粒接触紧密，不发育或极少发育裂缝，扫描电镜显示，溶蚀孔隙多被充填。内幕裂缝带和致密带相互交叉，没有明显的分带界限。潜山地层三维地震品质差，解释困难，从钻井所揭示的储层特征分析，内幕裂缝带多沿主要断裂分布，特别是多期断裂的叠加处有利于规模储层的形成。由于BZ19-6-A井太古界变质岩潜山未钻完，故不能完整揭示整个潜山内幕的储层发育特征。

根据储层控制因素，建立渤中19-6构造带深层泛潜山储层发育模式（图10）。渤中19-6构造带泛潜山储层系统为典型的深层潜山系统，泛潜山系统由孔店组砂砾岩储集体和太古界变质岩潜山储集体两部分构成，孔店组砂砾岩层横向分布稳定，厚度大，以孔隙型、裂缝—孔隙型为主；变质岩潜山储集体埋藏深、厚度巨大，钻井揭示厚度有限，顶部风化壳发育成层状，横向展布明显，内幕裂缝带储层的规模和分布规律受主要断裂控制，具有结构不规则、厚度不均匀的特点。整个泛潜山储集系统受上覆沙河街组与东营组超厚（厚度介于800～1 000 m）欠压实超压泥岩的保护，为该大型气藏的形成奠定了基础。