渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起中北段太古宇潜山成储规律及主控因素

郭龙龙,王 峻,张春光,陈洪德

1.成都理工大学 沉积地质研究院,成都 610059;2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452

随着我国油气勘探的持续推进,变质岩潜山油气藏已成为当前勘探的重要领域之一[1]。变质岩潜山油气藏广泛分布于我国东北地区,是具有广阔前景的非常规油气资源[2-5]。长期以来,学术界对变质岩潜山油气地质特征和成因机制开展了大量研究,主要集中在以下几个方面:(1)岩性对储层性质的影响[6-9]。早期研究认为变质岩中脆性较强的长石等矿物溶蚀后形成的次生孔隙是油气聚集的关键,但该观点缺乏关于裂缝对变质岩储层影响的系统性研究。(2)潜山裂缝的成因及其对油气聚集的控制作用[10-13]。研究表明变质岩裂缝主要由岩石风化和构造运动共同作用形成,但对裂缝定量特征及其与储层参数的关系还不清楚。(3)根据岩石风化程度对潜山进行带状划分[14-15],这为进一步研究变质岩潜山的空间特征奠定了基础,但对不同带的储层参数缺乏定量约束。近年来,学者们开始从岩石物性角度对变质岩储层进行特征研究[16],提出了矿物组成与孔隙参数之间的相关性,为建立储层评价体系奠定了基础,但相关研究还比较浅显。为此,本文在前人研究基础上,采用多种测试手段,对辽东湾地区辽西凸起变质岩储层进行系统分析,并利用矿物组成与微观结构识别出了多种变质岩类型,分析了裂缝形成的主控因素,以期为准确预测变质岩油气资源潜力提供理论依据。

1 区域地质概况

渤海海域位于渤海湾盆地东部,发育在具有太古宙—古中元古代结晶基底的中新生代克拉通裂谷断陷盆地之上[17-22]。辽东湾坳陷位于渤海海域东北部,整体呈北东—南西向展布,于晚侏罗世,经历了岩石圈扩张和拉张,形成了大规模的伸展断裂及张性剪切断裂。白垩纪以来,辽东湾坳陷经历了多期构造—沉积循环,形成“三凹两凸”的构造格局[3,6]。

郯庐断裂及其分支断裂对辽东湾坳陷的形成与演化起着重要的控制作用。目前学界公认郯庐断裂在辽东湾坳陷内有三条主要分支,即辽西、辽中和辽东断裂[3,6]。辽西断裂为郯庐断裂在辽西区域的分支,表现为走滑—伸展复合断裂,其将辽西区域切割为辽西凸起和邻近的辽中凹陷。辽西凸起呈NNE向展布,是由辽西断裂走滑运动所形成,表现为一个大型的断块式潜山。本文研究区域位于辽西凸起的中北段,主要包括JZ20-A区块、JZ25-B区块和JZ25-C区块。这些断块位于辽西断裂的上盘,并受其强烈控制(图1a)。

图1 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起位置及储层综合柱状图

2 太古宇岩石学特征

2.1 岩石类型

通过对研究区岩心、壁心薄片鉴定以及薄片结合测井标定方法,识别出太古宇岩性由二长片麻岩、黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩、变质花岗岩、片麻质碎裂岩、碎裂花岗岩和碎斑岩等组成,并以片麻岩为主。

辽西凸起太古宇潜山暗色矿物含量低,且岩性简单,因此用传统的三孔隙度双轨方法划分不出矿物成分。本次研究在识别变质岩岩石类型时,主要选用对矿物放射性反映敏感的自然伽马(GR)曲线,而岩石密度(DEN)和中子孔隙度(CNCF)曲线则作为辅助标定。自然伽马值的高低可以反映富钾元素的钾长石、黑云母等矿物含量的变化;高密度的暗色矿物会导致密度和补偿中子增大,而浅色矿物则与此相反。据此建立的变质岩岩—电关系(图1b),自然伽马小于160 API的为斜长片麻岩,自然伽马大于160 API的为二长片麻岩(图2),这与岩矿鉴定结果相吻合。具体岩石学特征如下:

图2 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起JZ25-C区块变质岩岩性测井曲线交汇图图中黑色数字表示钻井号。

(1)片麻岩类。片麻岩主要为二长片麻岩(图3a)、斜长片麻岩(图3b)和花岗片麻岩(图2c,d)三大类岩石类型。二长片麻岩与斜长片麻岩均为中粗粒结构,弱片麻构造,暗色矿物主要为黑云母和角闪石,浅色矿物主要为长石和石英。花岗片麻岩为中粒结构、弱片麻状构造,浅色矿物主要为长石、石英;暗色矿物以角闪石为主,黑云母含量较低。

图3 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起太古宇岩心特征

(2)碎裂岩。碎裂岩分布较为普遍,具变晶结构和碎裂结构,主要有片麻质碎裂岩(图3e,f)和碎斑岩两大类。其原岩为片麻岩,岩石经历了强烈的破碎作用,岩石破碎严重,破碎后形成大小不一的碎块和碎斑;矿物成分主要为长石、石英、黑云母和角闪石。

(3)混合岩。岩石由原区域变质岩基岩和新生长英质脉体两部分组成,一般情况下基岩色深,脉体色浅,发育片麻状、条带状构造。根据脉体和基岩的含量,可划分为混合岩化片麻岩(图3g)、混合岩(图2h)、混合片麻岩类(图3i)和混合花岗岩类(图3j)。

(4)变质花岗岩。杂色,具变余半自形粒状结构,块状或弱片麻状构造,石英含量占长英质总含量的20%～60%,研究区以变质二长花岗岩为主(图3l,m)。

(5)后期侵入岩脉。主要为后期基性岩脉——辉绿岩脉状侵入体(图3n)。

2.2 岩石展布特征

太古宇在中生代沉积前,呈现南高北低的地貌特征,北部地层保存相对完好,南部地层上部具有剥蚀,因此北部地区太古宇深部存在南部的地层序列,岩浆岩比例整体上自北向南逐渐变高。根据钻井的岩石学特征及其钻井的测井曲线特征,研究区JZ25-C区块南部4D井、2井、6井、7井以二长片麻岩为主,1井、5井、8井岩性以斜长片麻岩、二长片麻岩为主;JZ25-B区块以变质花岗岩为主,二长片麻岩、碎裂花岗岩也较为发育;JZ20-A区块以混合岩为主。研究区较深基底均为二长片麻岩,JZ25-C区块南部地区仅发育下部的二长片麻岩;JZ25-C区块北部地区、JZ25-B区块岩性特征类似,上部地层岩性以斜长片麻岩为主,下部为二长片麻岩;北部JZ20-A区块上部地层岩性以混合岩、花岗岩、黑云碱长片麻岩为主,较深部位为二长片麻岩(图4)。

图4 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起太古宇岩石分布特征

3 太古宇潜山储集空间与物性特征

通过对辽西凸起北段9口井太古宇岩心孔隙度和渗透率的统计,其储集空间主要为孔隙—裂缝型和裂缝—孔隙型,并以裂缝为主。

JZ25-C区块储层储集空间主要是溶蚀孔、裂缝和微孔隙,裂缝占比最大。JZ25-C井区岩心上的宏观裂缝宽度为 0.5～2 mm,以高角度张开缝为主。

JZ25-B区块储集空间极为发育,岩性以二长片麻岩、变质花岗岩及碎裂岩、碎斑岩或碎裂碎斑岩为主,溶蚀孔隙发育局限,可见云母溶蚀孔等,但裂缝发育,被钙质、硅质充填(图5a-c)。

图5 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起太古宇储集空间及裂缝叠加特征

JZ20-A区块3个高点主力目的层系太古宇裂缝型储层均发育。裂缝是主要的有效储集空间,溶蚀孔隙发育局限(图5d);在岩心上可见裂缝发育及长石的溶孔,在大部分铸体薄片中也都可见多组裂缝和微裂缝(图4d-f)。

据中华人民共和国石油天然气行业标准《油气储层评价方法:SY/T 6285—2011》中关于变质岩储层孔隙度—渗透率的划分标准,储层孔隙度可分为高孔、中孔、低孔和特低孔,渗透率可分为高渗、中渗、低渗和特低渗。通过对研究区岩心样品进行孔隙度、渗透率分析,JZ25-C区块太古宇潜山孔隙度为1.0%～31.2%,平均为9.85%;渗透率为(0.05～433.4)×10-3μm2,平均为12.86×10-3μm2,多数样品渗透率小于1×10-3μm2,为中高孔—特低渗储层;而JZ20-A区块太古宇主要为中低孔—低渗储层。

4 优质储层控制因素

4.1 暗色矿物含量影响储层裂缝发育程度

太古宇变质岩暗色矿物含量低,有利于裂缝的形成。以JZ20-A区块为例,南高点4井以混合岩为主的变质岩暗色矿物含量为12.7%,孔隙度为4.2%;中高点7D井以碎裂花岗岩为主的变质岩暗色矿物含量为7.7%,孔隙度为6.0%;北高点5井以碱长混合片麻岩为主的变质岩暗色矿物含量为15%,孔隙度为3.3%。暗色矿物含量中高点最低,而南、北高点较高;太古宇储层均发育,中高点最优,南北次之。总体来看,暗色矿物含量与孔隙度为负相关关系。

4.2 构造作用是裂缝形成的关键

潜山裂缝发育程度除受岩性控制外,还受到构造活动的控制。通过研究区岩心(图3)和薄片(图5)的观察,多期构造活动形成多组互相叠加的裂缝,可改善储层质量;此时裂缝既可作为油气运移通道,也可构成储集空间。储层中的有效裂缝大多为高角度缝,呈多期网状相互交叉切割状态,裂缝的开启程度与延伸度不一,平均宽度大于 10 cm。

辽西凸起太古宇潜山裂缝的统计结果表明,多期裂缝的叠加作用控制了潜山内幕裂缝型储层和溶孔—裂缝型储层的发育规模与分布。该区构造裂缝共有3组:中高角度的NE、NW向裂缝,中低角度的EW、SN向裂缝,低角度的NNE、NNW向裂缝。其中,低角度的两组裂缝界面平直,但开启程度差,是与后期主应力方向不一致的早期压裂缝;高角度的裂缝开启程度高,但延伸距离短,是张性裂缝。

区域构造差异活动控制了裂缝有效性。渐新世郯庐断裂强烈右行走滑在右旋张扭应力场作用下,形成近SN向隆起,并伴生大量NE—SW向雁列断层;燕山早期,受到NE向强剪切和SN向强挤压的应力作用,发育NNE向剪裂缝和SN向张裂缝;喜马拉雅早期,受到NW向强伸展和NE向弱剪切的应力作用,发育NE向剪裂缝和北东向张裂缝;喜马拉雅晚期,受到NE向强剪切和NW向弱伸展的应力作用,发育EW向张裂缝及NE向和NW向共轭剪裂缝(图6)。

图6 渤海湾盆地辽东湾地区辽西凸起构造演化应力分布及裂缝走向

根据以往的研究成果,当裂缝走向与现今最大主应力方向的夹角小于30°时,裂缝会形成潜山储层中的有效缝。并非所有的中高角度裂缝都会形成有效缝,只有早期裂缝与现今主应力方向一致,裂缝才能得到有效保存[23-26]。利用成像测井进行了太古宇当前最大主应力分析,结果表明,当最大主应力的方位为NE—SW向和NW—SE向、且裂缝与应力方向相同时,应力的作用将有利于裂缝的开启;裂缝与应力方向共轭时,裂缝的有效性降低。因此,辽西凸起太古宇潜山NE向和NW向中高角度剪裂缝有效性高;EW向和SN向中低角度张裂缝最差。

JZ25-C-1井、JZ25-C-2井和JZ25-C-4D井裂缝密度大,且裂缝与应力方向相同;JZ25-C-8井裂缝与应力方向相同,但裂缝密度小;JZ25-C-5井整体裂缝密度小,而且仅在太古宇顶部的裂缝与应力方向相同。结合区域应力背景分析,并根据各组裂缝的切割关系,判断裂缝的形成时期,对各期次裂缝充填情况进行了研究。辽西凸起太古宇潜山印支运动形成的微裂缝,被断层泥和白云石充填,不能构成有效储集空间;燕山运动裂缝充填碎基、铁质矿物和铁白云石为主,碎裂作用强,是变质岩储层主要造缝期,碎裂岩和碎斑岩较发育;喜马拉雅期裂缝以方解石充填、半充填为主,后期经溶蚀可构成有效裂缝。

5 结论

(1)辽西凸起太古宇岩性由二长片麻岩、黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩、变质花岗岩、片麻质碎裂岩、碎裂花岗岩和碎斑岩等组成,并以片麻岩为主。太古宇地层在中生代沉积前,呈现南高北低的地貌特征,北部地层保存相对完好,南部地层上部具有剥蚀,因此北部地区太古宇深部存在南部的地层序列,岩浆岩比例整体上自北向南逐渐变高。

(2)太古宇变质岩具有溶蚀孔、裂缝和微孔隙3种储层类型,以裂缝为主;潜山内幕高密度裂缝分布区与储层发育具有明显的一致性,因此裂缝发育程度是辽东湾地区辽西凸起中北段太古宇潜山储层的主控因素。

(3)太古宇潜山发育3组构造裂缝,区域构造差异活动与暗色矿物含量控制了裂缝有效性及裂缝规模;燕山运动是变质岩储层主要造缝期,喜马拉雅期裂缝以方解石充填、半充填为主,后期经溶蚀可构成有效裂缝。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

陈洪德、王峻提出论文总体构思,张春光负责引言编写;郭龙龙负责其余部分编写及统稿;郭龙龙、张春光负责图件编绘。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

CHEN Hongde and WANG Jun proposed the overall concept of the paper, while ZHANG Chunguang was responsible for writing the introduction. GUO Longlong was responsible for the preparation and compilation of the remain-ing parts. GUO Longlong and ZHANG Chunguang were responsible for the compilation and drafting of the drawings. All authors have read and agree to the submission of the final manuscript.