饶阳凹陷河间变质岩潜山内幕油气成藏模式与勘探方向

2019-04-03李成海田建章李晓燕卢永合赵铁东陈源裕

中国石油勘探 2019年6期

李成海田建章金芳高园李晓燕卢永合赵铁东陈源裕王标

（中国石油华北油田公司勘探开发研究院）

0 引言

变质岩油藏在全球分布广泛，在北美、南美和中国均发现了变质岩潜山油气藏，已成为潜山油气勘探的新领域[1-5]。中国已发现的变质岩油气藏大部分分布在渤海湾盆地，层位主要是在元古宇和太古宇，前人对其开展了一系列工作[6-8]。在辽河坳陷相继发现了兴隆台、齐家、欢喜岭、牛心坨、茨榆坨等太古宇变质岩潜山油藏[9]。李晓光通过对辽河变质岩潜山内幕油气成藏成因分析后认为，变质岩风化壳之下变质岩内幕既具有裂缝发育背景，也具备油气成藏条件，是潜山勘探的新领域[10]。赵贤正、田建章、曹兰柱、杨培山等对冀中坳陷潜山油气成藏进行研究后认为，冀中坳陷剩余油气资源量依然丰富，隐蔽型潜山、潜山内幕、潜山斜坡等油气藏勘探程度低，随着勘探技术的发展进步，上述潜山类型已成为油气勘探的重要接替领域[11-20]。冀中坳陷发育七大有利的变质岩潜山，成藏背景好，埋藏浅。2011 年新河凸起晋古19 井在1015m 进入变质岩潜山，在1017.2～1068m 井段试油获日产6.37t 的工业油流，表明冀中坳陷变质岩潜山已具备成藏条件。以往冀中坳陷勘探主要以残丘型潜山和变质岩风化壳油气藏为主，而对变质岩潜山内幕油气成藏条件、主控因素等研究较少。本文针对变质岩潜山内幕储层类型多样、油气成藏条件复杂等问题，以饶阳凹陷河间变质岩潜山为研究对象，从油源条件、储层特征及储盖组合三方面探讨变质岩潜山内幕油气成藏条件及成藏模式，旨在丰富变质岩潜山油气勘探理论，为下一步的变质岩潜山油气勘探提供地质指导。

1 地质概况与变质岩发育背景

1.1 地质概况

河间潜山带位于冀中坳陷饶阳凹陷中东部，受西侧河间基底大断层控制，在断层上升盘形成隆升潜山构造带，断层下降盘为河间生油洼槽（图1、图2）。河间潜山内幕自下而上发育太古宇阜平群组（Arf），中元古宇长城系常州沟组（Chc）、串岭沟组（Chch）、高于庄组（Chg）和蓟县系杨庄组（Jxy）、雾迷山组（Jxw），已发现常州沟组块状油藏、高于庄组层状油藏和雾迷山组块状油藏，合计探明储量661×104t。目前仅有10 口井钻遇河间变质岩潜山，其中3 口井见油气显示，2 口井试油获低产，含油性明显受裂缝控制，与构造位置高低无关。2014 年对河间变质岩潜山地震资料进行了高阶有限差分逆时偏移技术处理，大大提高了潜山内幕的成像精度[21]。在新处理的地震资料的基础上，对河间变质岩潜山油气成藏潜力进行了重新评价。河间变质岩潜山顶面埋深较浅，是一个北东向展布、南东向倾向的贝壳状半背斜，初步落实太古宇潜山变质岩体32km2，具有较好的勘探价值。

图1 饶阳凹陷中北部构造单元划分图Fig.1 Division of structural units in northern and central Raoyang sag

1.2 变质岩发育背景

华北地台变质岩结晶基底是在华北地台克拉通化阶段形成的。华北克拉通的形成阶段基本持续了整个太古宙和古元古代，在此期间发生了多次构造事件，其中有3 次重要的克拉通化事件：①中太古代末期的迁西运动（2.9—2.7Ga）；②新太古代末期的阜平运动（2.6—2.4Ga）；③古元古代末期的吕梁运动（1.85—1.7Ga）[22-25]。华北克拉通的形成也伴随着TTG（英云闪长岩—奥长花岗岩—花岗闪长岩）岩石的形成，不同的地质时期形成了不同的变质岩系列。冀中坳陷雄古1 井、马古1 井、晋48 井和衡5 井变质岩样品锆石测年显示，变质岩形成时间约在2.51—2.4Ga[26]，与阜平运动中末期相吻合。阜平群中上亚群岩性主要为黑云母斜长片麻岩、黑云母角闪斜长片麻岩、浅粒岩、斜长角闪岩等，原岩主要为沉积碎屑岩、凝灰质砂岩、长石砂岩和碳酸盐岩，部分为火山碎屑岩和火山岩，为具有雏形冒地槽向陆棚浅海过渡的沉积环境[27]。河间潜山变质岩就是在阜平运动过程中经区域热变质作用形成的。

2 河间变质岩潜山成藏条件

前人对冀中变质岩潜山内幕研究程度较低，认为在潜山顶面风化壳才能形成储层，变质岩潜山内幕岩性为均一的致密块体，缺乏储集空间，潜山内幕难以成藏。本文从变质岩潜山油源条件、储层特征、储盖组合三方面对河间变质岩潜山油气成藏重新进行评价，研究显示河间变质岩潜山内幕具有良好的油气成藏条件。

2.1 油源条件

河间洼槽为饶阳凹陷最富油的洼槽之一。在沙三段至沙一段发展时期，饶阳凹陷处于湖泊连通的扩展全盛阶段，有沙三期和沙一期两次广泛水侵，形成沙三段和沙一下亚段两套重要的烃源岩层：沙三段暗色泥岩厚500m 左右，在河间洼槽厚700 多米，有机碳含量平均为0.75%，氯仿沥青“A”及总烃含量分别为0.2278%和1680mg/kg，有机质类型为Ⅱ1型，为一套中等—好烃源层；沙一段沉积时期，饶阳凹陷烃源岩沉积厚度不大，此时期河间断层活动强烈，在河间洼槽形成沉积中心，暗色泥岩厚316m，向四周逐渐变薄，有机碳含量为1.20%，氯仿沥青“A”和总烃含量分别为0.3806%和2411mg/kg，有机质类型为Ⅱ1型，为好烃源岩[28]，展现出河间洼槽良好的生油能力。

变质岩潜山紧邻河间富油洼槽，可为变质岩潜山提供丰富的油源。通过对河间潜山带构造精细解释，落实了潜山边界河间断层具有较大的断距，使沙三段、沙一下亚段烃源岩层与变质岩潜山直接接触，提供了区域上大面积的供油“窗口”，供油幅度可高达4600m，从而能够形成变质岩潜山千米以上的含油气幅度。断层是连接烃源层和储层的重要通道，对油气运聚和分布具有极为重要的作用[29-34]。变质岩潜山内幕断层和裂缝带发育，为潜山内幕油气成藏提供了高效的运移通道。已钻井在变质岩潜山内幕见到油气显示，马12 井在3179.77～3317.64m 井段试油见油花和少量天然气，累计产油3.5t；马39 井在2759.01～2831.06m 井段日产油0.451t，累计产油0.214t，说明变质岩潜山内幕已具备油气成藏条件。

2.2 储层特征

2.2.1 岩性特征

钻井证实河间潜山带变质岩种类较多，变化频繁。岩石薄片鉴定及岩心显示，河间变质岩潜山主要发育花岗片麻岩类岩石，其次为角闪片岩、花岗岩、角闪岩等（图3、表1）。岩心及岩屑也表明河间变质岩潜山内部岩性多样：马12 井揭露河间变质岩潜山335m，垂向上棕红色花岗片麻岩、灰绿色角闪片岩、杂色混合岩等岩性交替出现；马古1 井揭露河间变质岩潜山637.36m，垂向上浅红色花岗片麻岩、杂色角闪片岩、墨绿色角闪片岩等岩性交替出现。河间潜山内幕变质岩有多种岩性组合，具有花岗片麻岩、角闪片岩、混合岩等岩性交替变化的特征，打破了以往认为河间变质岩潜山内幕为均一块体的认识。

图3 河间变质岩潜山岩石薄片显微照片Fig.3 Photomicrographs of rock slices of Hejian metamorphic buried hills

表1 河间变质岩潜山岩石类型统计Table 1 Statistics of rock types of Hejian metamorphic buried hills

变质岩的岩石类型对后期裂缝及孔隙的形成具有一定的控制作用。近年来辽河潜山勘探及储层研究表明：不同岩性的变质岩在构造应力作用下裂缝发育程度不同，变质岩形成裂缝存在“优势岩性”现象[35-37]。在同样的构造应力作用下，含脆性矿物较多的岩石易产生裂缝，含暗色矿物较多的岩石不容易产生裂缝。河间变质岩潜山裂缝发育也具有“优势岩性”现象。河间变质岩内幕花岗片麻岩主要由钾长石、酸性长石和石英组成，脆性矿物含量高，颜色浅，构造裂缝发育，是储层形成的有利岩石组合；角闪片岩矿物成分以角闪石、斜长石为主，色深、性软，不易产生裂缝，是潜山内幕隔层发育的岩石组合。如马古1 井、马12井中颜色较浅的片麻岩类岩石（浅红色、肉红色花岗片麻岩等），电测解释Ⅱ类裂缝发育，试油产能较好，也说明了颜色较浅的片麻岩类裂缝较为发育（表2、图4）；而颜色较深的角闪片岩类岩石（浅绿色、棕绿色角闪片岩等）裂缝较不发育，如马39 井中颜色较深的角闪片岩裂缝不发育，试油产能低。河间潜山变质岩纵向上多种岩性相互叠置分布，为潜山内幕储盖组合及油气成藏奠定了基础。

表2 河间变质岩潜山探井试油数据表Table 2 Production test data from exploration wells drilled in Hejian metamorphic buried hills

图4 马39 井、马古1 井和马12 井裂缝分布图Fig.4 Fractures distribution in Wells Ma 39， Magu 1 and Ma 12图中试油编号与表2 中试油编号对应

2.2.2 储集空间类型

河间变质岩形成于太古宙晚期，在漫长的地质历史演化中，经历了风化剥蚀、溶蚀淋滤及多期构造运动改造，储集空间类型多样，包括各种成因的节理缝、裂缝和孔隙，孔隙主要为溶蚀孔、晶间（粒间）孔等。马古1 井主要发育高角度裂缝、斜交裂缝、网状裂缝、水平节理缝、粒间溶孔和溶蚀缝，多数裂缝被方解石充填或半充填（图5a—d）；马12 井构造裂缝发育，裂缝相互切割呈网状分布，裂缝开度大，少数被透明的碳酸盐次生矿物充填或半充填（图5e）；马65 井构造裂缝发育，裂缝相互斜交，溶蚀孔缝、粒间孔较为发育（图5f、g）。

2.2.3 物性特征

冀中坳陷潜山内幕变质岩非均质性较强，发育物性好的储层。冀中坳陷变质岩样品实验测得有效孔隙度为0.5%～21.2%，孔隙度在5% 以上的占45%，渗透率为0～11mD，渗透率大于1mD的占33%(图6)。辽河坳陷兴古潜山是国内典型的太古宇变质岩潜山油藏，经测定其样品孔隙度介于0.6%～13.3%，孔隙度在5%以上的占41%，渗透率大于1mD 的占30%[38]。相比而言，冀中坳陷变质岩潜山内幕储层物性较好，为油气聚集提供了良好的条件。马古1 井在2482.09～2644.81m 井段试油，日产水41.5m3，累计产水162m3；马12 井在3179.77～3451.52m 井段试油日产水62m3，累计产水458.8m3，说明变质岩潜山内幕储层具有较好的储集性能（表2）。

2.2.4 储层发育模式及分布

图5 河间变质岩潜山储层储集空间类型Fig.5 Types of reservoir space inside Hejian metamorphic buried hills

图6 冀中坳陷变质岩样品物性统计直方图Fig.6 Statistical histogram of physical properties of metamorphic rock samples from Jizhong depression

变质岩潜山储层的形成与潜山构造演化密切相关。河间变质岩潜山裂缝的形成大致可分为早期、中期和晚期3 个裂缝发育期次（图7）。早期：太古宙晚期—元古宙早期（Ar—Pz）(图7a)，受阜平运动影响，华北地台发生强烈的区域性褶皱运动，变质岩潜山长期出露地表，潜山顶部受到风化淋滤作用，裂缝与溶蚀孔洞发育，形成风化壳裂缝溶蚀带；中期：中生代（Mz）(图7b)，受印支运动和燕山运动的影响，变质岩潜山内幕断层发育，其附近形成裂缝发育带，断层与裂缝带沟通地表水，造成潜山内幕含暗色矿物较少的片麻岩类岩石发生溶蚀，最终在潜山内幕形成裂缝溶蚀带和层状溶蚀带；晚期：新生代（Kz）(图7c)，受喜马拉雅运动影响，河间断裂活动强烈，在其附近形成多条派生断层，形成河间断裂带，断裂带附近发育裂缝带。在多期构造应力作用下，变质岩潜山内幕构造裂缝十分发育。同时有机溶液继续对潜山内部储集空间进行改造，形成新的次生孔隙，这些都为后期油气充注提供了良好的储集空间。

图7 变质岩潜山储层裂缝发育模式图Fig.7 Schematic fracture development modes in metamorphic buried hill reservoirs

河间变质岩潜山储层纵向分布具有一定的规律性。裂缝的形成受岩性、构造作用、风化淋滤作用等控制，在变质岩潜山不同区域形成了3 种储层发育模式。第一种是风化壳裂缝溶蚀带：在潜山顶部风化淋滤与构造的双重作用控制下，溶蚀孔洞和裂缝发育，形成风化壳溶蚀型储集空间（图7a）；第二种是潜山内幕层状溶蚀带：潜山内幕构造活动薄弱区，在前期形成的少量裂缝的基础上，后期地下溶液充注或岩浆侵入改造原岩，形成潜山内幕溶蚀改造型储集空间（图7b）；第三种是构造裂缝带：潜山内幕受构造应力较强的区域，断层发育，形成剪切裂缝带，特别是在暗色矿物含量较少的岩层中，构造裂缝更加发育，形成潜山内幕裂缝型储集空间（图7c）。

2.3 储盖组合

储盖组合是河间变质岩潜山油气成藏的关键。根据储层形成时期，河间变质岩潜山具有3 种储盖组合模式。①太古宙早期的下储上盖模式，变质岩潜山风化壳裂缝溶蚀带可作为储层，晚期元古宙沉积的致密层可作为盖层。变质岩潜山顶面曾长期暴露于地表，溶蚀孔洞和裂缝发育，是良好的储层；其上覆的元古宇致密层可作为盖层，如串岭沟组碳质泥岩是良好的区域性盖层。②中生代的自储自盖模式，潜山内幕断裂发育，断裂附近的裂缝发育带和地表水溶蚀带可作为良好的储层，含暗色矿物较多的角闪片岩类岩石可作为盖层。③新生代的自储自盖模式，位于河间断裂带附近的构造裂缝带裂缝和溶蚀孔洞发育，可作为储层，在其上部含暗色矿物较多、塑性较强的岩石或断裂末端构造活动变弱、裂缝基本不发育的致密层可作为盖层或内幕隔层。另外，后期岩浆侵入所形成的岩床裂缝不发育，可直接作为内幕隔层。钻井揭示，河间变质岩潜山内幕以Ⅱ类裂缝为主，裂缝发育带与致密层交替出现，可形成良好的储盖组合（图4）。河间变质岩潜山花岗片麻岩和角闪片岩交替出现并与多期次构造运动叠合，在纵向上形成了良好的储盖组合配置，为潜山内幕油气成藏提供了有力保障。

3 成藏模式及勘探方向

3.1 成藏模式

河间变质岩潜山内幕具有近油源、油气优先充注的优越成藏条件。通过潜山内幕精细构造解释，根据变质岩潜山内幕储集空间与盖层在纵向上的分布，并结合烃源岩与潜山位置关系及油气输导体系，建立了3 种油气成藏模式（图8）。

3.1.1 侧向供烃—断层输导—潜山顶面风化壳块状油气藏成藏模式

变质岩潜山顶面经风化作用与构造作用，主要发育裂缝、溶蚀孔洞，储集空间发育。上部串岭沟组（Chch）发育一套稳定的碳质泥岩，厚度约45m，可作为优质盖层。变质岩和石英砂岩储层与河间洼槽沙一下亚段烃源岩和沙三段烃源岩通过河间大断层沟通，油气沿断层运移至潜山顶部形成块状油气藏。

图8 河间变质岩潜山油气成藏模式图Fig.8 Hydrocarbon accumulation models inside Hejian metamorphic buried hills

3.1.2 远源供烃—断层、裂缝复合输导—潜山内幕岩性层状油气藏成藏模式

变质岩潜山裂缝发育与变质岩中暗色矿物的含量呈负相关，花岗片麻岩暗色矿物含量较少，易产生裂缝，可形成储层。各个内幕裂缝带之间被色深、性软、暗色矿物含量较多的致密岩层带分割。该类储层与烃源岩之间存在断层或裂缝带，油气通过断层和裂缝侧向运移成藏。储层发育受岩性控制，可形成内幕岩性层状油气藏。

3.1.3 近源供烃—断层、裂缝复合输导—潜山内幕裂缝带油气藏成藏模式

河间变质岩潜山经历了多期构造运动，发育多期内幕断层和河间边界大断层，在断层附近易形成裂缝带，裂缝是油气良好的储集空间。变质岩潜山内幕储层非均质性强，潜山内幕含暗色矿物较多的岩层塑性较强，构造裂缝基本不发育，可作为盖层。烃源岩通过河间大断层和内幕断层与裂缝带沟通，油气通过断层与裂缝带发生运移。裂缝带既是油气输导体系也是油气聚集空间，为内幕裂缝带油气成藏提供了良好的条件。

3.2 勘探方向

变质岩潜山内幕岩性和构造的差异，造成了潜山内幕储层的强非均质性，同时也造就了油气在潜山内幕分布的差异性。单侧供烃的陡带变质岩潜山内幕油气成藏模式复杂，一味地追求钻探构造高点，并不一定能获得成功。根据本次对河间变质岩潜山油气成藏研究，位于河间大断裂附近的变质岩潜山内幕裂缝带油气成藏最为有利，是勘探突破的首选方向。河间断裂带发育多条北东向展布的派生断层，发育多个裂缝带，纵向上形成相互叠置的储层发育带，储盖组合有利；大断裂与洼槽烃源岩直接对接沟通，油气充足；马12 井在断裂带附近已发现低产油层，表明河间断裂带是油气聚集的有利位置。位于河间潜山东部的潜山内幕储层多具层状特征，储盖组合有利，依靠河间断裂带与河间洼槽烃源岩沟通，油气输导体系有利，是河间变质岩潜山发现规模储量的有利区。

河间变质岩潜山内幕具备良好的油气成藏条件和多种成藏模式，勘探条件优越。通过深化河间变质岩潜山油气成藏研究，将对冀中坳陷其他富油洼槽变质岩潜山，如廊固凹陷西侧的大兴凸起、霸县凹陷西侧的牛驼镇凸起和晋县凹陷东侧的宁晋凸起等潜山内幕勘探具有重要的指导作用。