渤海海域锦州南油田太古宇变质岩潜山储层特征及其发育模式

2022-06-22刘宗宾吕坐彬王双龙

吉林大学学报（地球科学版） 2022年3期

刘宗宾,程奇, 吕坐彬, 房娜, 王双龙

中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452

0 引言

变质岩潜山作为一种特殊的潜山类型，一直以来是国内外地质学家争相研究的热点[1]。变质岩由于本身缺乏原生储集空间，储层的形成主要与后期的改造作用有关，因此厘清储层成因并建立储层发育模式是目前变质岩潜山研究的关键问题[2]。变质岩潜山由于岩性复杂、经历构造活动期次多，以及受不同类型流体改造等原因，导致其成储过程复杂、控制因素多样。在这一背景之下，通过详实的岩石学观察，厘清储层类型，再针对岩性、构造以及风化等关键成储要素进行分析，明确控制优质储层发育的关键因素并建立储层发育模式是变质岩储层研究较为现实的方法与手段。

世界上最早发现的变质岩潜山为委内瑞拉的拉帕兹油田[3]，我国最早探明的变质岩油田为酒泉盆地中的鸭儿峡油田[4]，这些油田中裂缝均是重要的储集空间。随后无论是国外的白虎油田还是国内兴隆台、东坪等变质岩潜山油田的探明均进一步证实了变质岩潜山重要的油气勘探意义[5-7]。近期，渤海油田在渤中19-6构造变质岩潜山探明了千亿m3油气田，烃柱高度超1 000 m[8-9]；同时，在中生界覆盖区探明了渤中13-2亿吨级变质岩潜山油田[10]，进一步展示了该领域巨大的勘探潜力。目前已有大量学者针对不同类型的潜山进行了大量的研究，普遍认识到变质岩潜山可以形成优质储层，而且储层非均质性强，其中构造裂缝对优质储层的形成具有重要的控制作用[11-14]。但由于变质岩潜山油藏在含油气盆地中储量占比较小以及油田数量较少，其研究程度远远低于其他类型的储层，尤其是变质岩潜山储层的形成主控因素以及储层发育模式还缺乏系统的研究。

锦州南油田是渤海首个投入开发的大型裂缝型变质岩潜山油田，自开发以来诞生过多口日产千m3井，至今仍然保持良好的开发态势。该油田勘探开发阶段积累了大量的岩心、分析化验、测井以及地球物理资料，为储层的研究提供了详实的资料基础，也为变质岩潜山储层模式的建立提供了良好的案例。本文基于研究区丰富的地质、地球物理资料，厘清了储层特征及分布规律，探讨了储层形成主控因素并建立了发育模式，以期为本油田后期的开发提供指导。

1 区域地质概况

锦州南油田位于渤海湾盆地辽东湾海域，构造上位于辽东湾坳陷辽西低凸起中部。辽西低凸起西侧为辽西凹陷，东侧为辽中凹陷(图1)。锦州南油田西侧以辽西1号断裂与辽西凹陷接触，东侧以辽中1号断裂与辽中凹陷接触[15-17]。辽西3号断裂穿过锦州南油田内部，使得整个油田构造特征进一步复杂化。辽西1号和3号2条断裂均以NEE向为主，在燕山期形成，具有左行走滑的性质；喜山期辽中1号断裂和辽西3号断裂断裂由左行走滑演化为右行走滑，同时具有拉张的分量，整体表现为右行拉张性质，东营组之后，断裂的活动性明显减弱，其中沙三段具有最大的拉张分量。潜山内幕发育大量的北西西向内幕断裂，目前普遍认为其与印支期构造活动有关。

ar.太古界；E3d1+2U.东一段、东二上段； E3d2L+3+E2s1.东二下段、东三段、沙一段； E2s2.沙二段； E2s3.沙三段； Mz.中生界；Qp+Nm+Ng.平原组、明化镇组、馆陶组。

垂向上，锦州南太古宇变质花岗岩直接被上覆沙河街组所覆盖，其中油田主体区主要被沙一、二段所覆盖。断坳转换期的沙一、二段具有较高的泥质体积分数，为潜山油气的聚集提供了良好的封盖条件。油源对比结果证实，潜山中的油气主要来源于辽西凹陷沙河街组烃源岩，潜山油气成藏具有典型的“新生古储”的特征。

2 变质岩潜山储层特征

2.1 储层岩性

研究区主要发育区域变质岩、构造变质岩碎裂岩以及后期的侵入岩脉3类岩性，其中：区域变质岩主要为各类片麻岩(斜长片麻岩及二长片麻岩)，构造变质岩碎裂岩多为区域变质岩在应力作用下碎裂化的结果：侵入岩脉为燕山期—喜山期侵入的脉体，以黑云母角闪岩、辉绿岩及闪长玢岩等为主。

斜长片麻岩斜长片麻岩为花岗岩经过中高级变质作用形成，主要成分是长石、云母和石英，具有粒状或片状(柱状)粒状变晶结构，交代作用十分发育，片麻状或条带状构造(图2a)。斜长片麻岩中长石和石英体积分数之和大于50%，长石多于石英，长石主要为斜长石。

二长片麻岩二长片麻岩为花岗岩经过中高级变质作用形成，主要成分是长石、云母和石英，具有片麻状构造或条带状构造。二长片麻岩中长石和石英体积分数之和大于50%，长石多于石英，其中钾长石体积分数大于斜长石体积分数(图2b)。

碎裂岩碎裂岩是岩石强烈挤压破碎的产物，因而矿物除碎裂外，还部分发生形变，出现波状消光，解理或双晶纹发生扭曲、裂开以至压扁、拉长等现象，但未达到糜棱化阶段的一类岩石。在碎裂过程中，原岩中仅留少部分碎斑呈棱角状或透镜状散布于基质中，碎基大于50%。在镜下，碎裂岩具典型的碎裂结构或碎斑结构，岩石的颜色较相应的正常岩石变深(图2c)。

侵入岩脉侵入岩脉包括黑云母角闪岩(图2d)、辉绿岩及闪长玢岩，这些岩石以岩脉的形式穿插于变质岩之中，尽管厚度整体不大，但是使得垂向上岩石序列变得更加复杂。由于这类岩石整体为中基性岩浆侵入的产物，因此岩石的暗色矿物含量较高，较易与片麻岩区分。

2.2 储集空间类型

变质岩由于本身不发育原生孔隙，因此其储集空间主要为次生孔隙[18]。镜下观察其主要发育构造裂缝、溶蚀缝、溶蚀孔以及破碎粒间孔4种类型，其中构造裂缝是最主要的储集空间类型。

镜下可见多期构造裂缝相互切割，这些裂缝多发育于长石中，部分可以切穿石英或者黑云母，尽管部分裂缝被方解石充填，但大部分裂缝现今仍然保持开启作为有效的储集空间(图2e)。先期的构造裂缝在大气淡水或者有机酸的作用下会发生溶蚀而形成溶蚀缝。溶蚀缝的缝宽较大，且缝面多不规则，这是溶蚀缝与构造裂缝的主要区别(图2f)。流体的溶蚀会使得裂缝的有效性大大增强。流体除了使得构造裂缝发生溶蚀外，同样会对黑云母、长石等矿物进行溶蚀(图2g)。溶蚀孔极大地提升了变质岩的孔隙度，这些孔隙与构造裂缝进行沟通，是变质岩高产稳产的重要保障。破碎粒间孔是变质岩较为特殊的一类储层类型，其多分布于碎裂岩之中。区域变质岩在构造应力作用下发生破碎，破碎的颗粒间形成了大量的破碎粒间孔(图2h)，这类储层尽管在变质岩中占比不高，但是其储层物性极好，是变质岩重要的储层类型。

2.3 储层垂向分带

变质岩潜山储层在垂向上具有明显的分带性，这种分带性与垂向上风化强度的变化有关。虽然潜山上覆的坡积砂砾岩不属于潜山这一层系，但是考虑到其与潜山的成因联系，本次分带研究中将其作为整体考虑其中。根据岩性、电性以及储层发育程度的差异将潜山体系从顶部自底部划分为坡积砂砾岩段、半风化壳上段、半风化壳下段以及基岩段4部分。

a. 斜长片麻岩，岩心，JZS-B,1 750.00 m；b. 二长片麻岩，岩心，JZS-B,1 759.00 m；c. 碎裂岩，JZS-B井，2 010.00 m；d. 黑云母角闪岩，JZS-A井，1 869.00 m；e.构造裂缝，JZS-H,1 620.00 m；f.溶蚀缝，JZS-E，1 800.00 m；g.溶蚀孔，JZS-E，1 800.00 m；h.破碎粒间孔，JZS-H,1 914.00 m。

坡积砂砾岩段该带主要由正常沉积的砂(砾)岩组成，这些砂岩具有明显的沉积构造特征而区分于风化成因的砂砾岩，薄片下粒间较为干净，粒间孔较为发育。该带整体厚度较薄，一般在20 m以下(图3)，是潜山进入水下初期沉积的产物，多沉积在古地貌相对较低的部位。

半风化壳上段锦州南油田基本缺失完全风化的风化黏土层，这可能与后期的改造作用有关。半风化壳上段以风化形成的砂砾岩为主，厚度较薄，薄片下可见大量风化成因的砂砾，这些砂砾的成分与变质岩成分一致，但与上覆的坡积砂砾岩相比明显分选性更差，粒间风化泥质体积分数更高，因而储层物性一般较差。

半风化壳下段半风化壳下段以变质花岗岩为主，岩心中可见明显的风化蚀变现象(图2b)，该带裂缝极其发育，是该油田储层的主要发育段。值得注意的是，该段在成像测井中裂缝开度大，沿着裂缝面具有明显的溶蚀特征，表明半风化壳下段遭受过较强的风化溶蚀(图3)。该段在常规测井曲线上较基岩带具有高声波时差、高中子孔隙度、低密度以及电阻率值，也均证实该带储层整体优于半风化壳上段。

基岩段该段整体较为致密，基本不受风化作用改造，因此具有高密度、低中子孔隙度以及低声波时差特征。尽管在成像测井图案中偶尔可以观察到少量构造裂缝，但该区域的裂缝多发生闭合或者充填，而与上段的裂缝呈现出极大的差异(图3)。

GR.自然伽马；Rd．深侧向电阻率；Rs．浅侧向电阻率；DEN．中子密度；CNL．中子孔隙度；AC．声波时差。

3 潜山储层形成控制因素

3.1 岩性

大量研究已证实岩性对变质岩潜山储层具有重要的控制作用[19-20]；长英质矿物体积分数高的岩石较暗色矿物体积分数高的岩石脆度大，更容易形成构造裂缝。研究区斜长片麻岩、二长片麻岩以及碎裂岩均具有较高的长英质体积分数，而侵入岩脉的黑云母角闪岩、辉绿岩及闪长玢岩等暗色矿物体积分数较高。无论是野外还是钻井均揭示，在相同的构造背景下，浅色矿物体积分数高的花岗质片麻岩较侵入体更易于形成储层(图4)。

JZS-C井中频繁钻遇辉绿岩脉与二长片麻岩互层，其中辉绿岩由于含有较多的暗色矿物而具有低自然伽马、高中子密度以及高中子孔隙度的特征；成像测井中，辉绿岩与二长片麻岩侵入边界清晰。成像测井中，侵入体中少有裂缝发育，而相邻的二长片麻岩具有显著破碎的特征，指示储层较为发育(图4c)。这一现象证实，在相同的构造背景下，研究区片麻岩较侵入体更易于形成优质储层。

3.2 构造作用

构造改造作用是变质岩储层形成的主要外因[21-22]。构造活动过程中，当应力强度超过岩石破裂强度时就会产生大量的断裂，同时伴生微裂缝，组成裂缝系统。因此断裂带附近的变质岩中往往发育不同级别的裂缝，进而改善了储集层物性。

锦州南油田发育NEE向以及近NWW向两组断裂，其中以NEE向断裂占主导。印支期，受华南板块与华北板块碰撞，潜山内幕形成了大量NWW向内幕断裂；燕山期至喜山期，郯庐断裂带发生走滑活动，形成了大量的NEE向断裂。对钻井的裂缝走向进行统计证实，研究区主要的裂缝走向也为NE向以及NWW向(图5)，与断裂的宏观走向基本一致，证实研究区裂缝确与断裂具有明显的成因联系。推测NE向裂缝多与NEE向走滑断裂的剪切拉张活动有关，而NWW向裂缝与印支期近NEE向挤压作用有关。

根据断裂的规模以及切割的层位将研究区断裂划分为一级断裂、二级断裂及三级断裂。断裂分布与钻井储层厚度关系表明，一级断裂附近的钻井储层厚度差异较大，JZS-H井储层厚度可达117.1 m，而同样紧邻一级断裂的JZS-E井储层厚度仅17.0 m，表现出极强的非均质性；这表明研究区储层发育程度与是否紧邻大型断裂带并无直接联系。值得注意的是，在三级断裂密集带处，储层厚度一般均较大，这表明研究区断裂的叠加效应对储层的控制作用强于断裂的级别，即多期断裂叠加且断裂密度大的区域较单一大型断裂发育区储层厚度更大。

a. 长英质矿物体积分数高的花岗岩裂缝发育；b. 暗色矿物体积分数高的侵入岩裂缝欠发育；c. JZS-C井岩性与储层发育关系柱状图。

图5 锦州南油田断裂级别、叠加关系与储层厚度关系

3.3 风化作用

潜山在形成大量的构造裂缝后，暴露地表同时会遭受强烈的风化淋滤。一方面，风化淋滤形成半风化壳，高部位半风化壳上段往往会被剥蚀；另一方面，高部位风化淋滤产物会在低部位发生充填。因此古地貌位置对风化的强度以及风化壳的保存具有明显的控制作用。采用印模法对研究区古地貌进行了恢复(图6)，印模法强调潜山不整合面之上地层沉积期间的古水平面既是古不整合地貌定位的标志，又是基底古构造沉降以及古构造恢复的主标尺。由于不整合面之上发生了沉积作用，沉积作用的印记可以为当时古地貌、古基底起伏提供有效的证据，进而使定量或半定量古构造恢复成为可能。潜山上覆沉积层厚度越大，代表古地貌越低，反之越高。结合研究区实际情况，利用潜山上覆沙河街组地层厚度恢复了前新生代潜山的古地貌(图7)。结合古地貌的高低关系、地势坡降以及上覆沙河街组地层厚度，进一步将古地貌划分出5类二级地貌单元：凸起带、平台区、高斜坡、低斜坡、凹陷带，不同地貌单元的特征及关键参数见表1。

古地貌恢复结果(图7，表2)表明：北侧的JZS-A和JZS-H井区属于高凸起带，该带风化作用强，储层厚度大，5口开发井储层厚度在80～170 m之间，同时该带钻井普遍缺失半风化壳上段，该区域开发效果最好，平均单井产能在300 m3/d；中部的JZS-B和JZS-G井区属于平台区，储层段厚度大且变化小(100～120 m)，但顶部风化壳往往被风化产物充填, 12口开发井证实平均产能在230 m3/d；JZS-EE井区属于高斜坡，储层较厚(130 m)，4口开发井证实平均产能在280 m3/d；JZS-D和JZS-F井区属于低斜坡，储层较薄，在斜坡处发育风化产物充填，4口开发井揭示储层厚度在60～80 m之间，平均产能为120 m3/d(图7)；JZS-E井区位于凹陷带，储层厚度小于30 m，平均单井产能仅为5 m3/d，开发效果不理想。对比储层厚度以及开发井产能结果表明，平台区储层发育稳定，高斜坡区域储层发育较厚，凸起带储层厚度变化较大、低斜坡储层发育较薄，凹陷带储层发育最差。

图6 印模法恢复古地貌模式图

图7 锦州南油田古地貌单元划分

4 储层发育模式

结合储层发育特征及其主要控制因素，建立了研究区储层发育模式(图8)。潜山岩体内部，储层主要发育于花岗片麻岩中，侵入岩脉由于暗色矿物体积分数高，多作为内幕的隔层；断裂的活动对储层的分布具有重要的控制作用，多期断裂叠加区域储层厚度更大，这也为后期的风化作用提供了渗流的通道；构造作用形成了不同的古地貌特征，进一步控制了垂向上储层结构的变化，其中平台区储层发育最为稳定，高斜坡区域储层发育较厚，凸起带储层厚度变化较大，低斜坡储层发育较薄，凹陷带储层发育最差。

值得注意的是，平台区由于地势平坦，一方面利于风化壳的保存，同时其上部易于沉积滩坝砂，潜山储层结构最为完整、储层厚度最大；凸起带与高斜坡区由于构造位置较高，遭受了较强的构造破坏及风化作用，形成了较厚的破碎带，但由于古地貌坡度较大，不利于风化壳的保存，因此往往缺失半风化壳上段；低斜坡带受风化作用较弱，储层厚度较小，但由于坡度较小，利于上风化壳的保存，潜山结构较为完整；凹陷带内潜山风化作用最弱，但是其由于构造幅度最低，更易于发育坡积砂岩。因此锦州南油田储层发育程度整体具有平台区、凸起区、斜坡区、凹陷区的优势序列；但不同构造区储层的垂向结构模式具有显著差异。