優(yōu)質碳酸鹽巖縫洞型儲集層地質建模——以塔中北斜坡及塔北南緣奧陶系為例

倪新鋒，沈安江，潘文慶，張榮虎，于紅楓，董庸，朱永峰，王朝鋒

（1. 中國石油杭州地質研究院；2. 中國石油碳酸鹽巖儲集層重點實驗室；3. 中國石油塔里木油田公司）

0 引言

碳酸鹽巖儲集層具有較強的非均質性，儲集空間類型、儲集層成因及主控因素復雜，因而碳酸鹽巖儲集層建模與碎屑巖儲集層建模有所不同。且由于碳酸鹽巖儲集層建模起步較晚，研究內容和方法仍處于研究和發(fā)展階段，成果較少[1-3]。塔中北斜坡的 ZG8井—ZG43井區(qū)及塔北南緣的哈拉哈塘—新墾—英買力地區(qū)奧陶系是目前塔里木盆地重要的碳酸鹽巖勘探突破及建產區(qū)，其巖溶儲集層非均質性強，縫洞連通關系復雜，“一洞一藏、一井一策”，導致勘探成功率低，開發(fā)建產、穩(wěn)產難，因此迫切需要建立基于單井儲集層特征詳細解剖的儲集層地質模型來有效指導勘探及高效井部署。本次研究主要采用儲集層主控因素和儲集空間生產組合單參數定量、多參數綜合的建模法，建立實用的單井及綜合儲集層地質模型。

1 優(yōu)質巖溶儲集層發(fā)育的地質背景

層序界面、潛水面及斷裂面是形成塔中北斜坡鷹山組及塔北哈拉哈塘—新墾地區(qū)一間房組—鷹一段碳酸鹽巖巖溶儲集層的主控因素[4-10]，溶蝕（或巖溶）、破裂、白云石化、壓溶為研究區(qū)重要的建設性成巖作用。其中層序界面控制的層間巖溶是提高儲集層孔滲性能的最重要的建設性成巖作用，是研究區(qū)優(yōu)質儲集層形成的根本原因；潛水面控制的正常大氣水巖溶優(yōu)化前期儲集層，使儲集層具有向源穿層的特征；構造運動產生的裂縫是促進巖溶發(fā)育、控制儲集體分布的關鍵因素，大氣水沿斷裂和表層裂縫下滲以及熱液沿斷裂上涌形成熱液溶蝕、熱液白云石化及硅化等，對儲集層的影響利弊不一。

2 碳酸鹽巖儲集層地質建模

縫洞型碳酸鹽巖儲集空間主要有孔、洞、縫 3大類，不同儲集空間其孔滲特性及分布特征有很大差異。根據這一非均質性特征，提出了儲集層主控因素和儲集空間生產組合單參數定量、多參數綜合的建模原則，按照縱向比例1∶500，橫向展布1 000～1 500 m的尺度建立定量化單井儲集層地質模型。建模工作流程主要包括以下幾個步驟[11-14]。

2.1 模型參數優(yōu)選

建模參數提取正確與否直接關系到建模的成敗。本次研究在對研究區(qū)37口單井詳細解剖的基礎上，采用單參數定量、多參數綜合分析技術進行縫洞體定量描述，優(yōu)選了靜態(tài)和動態(tài)兩大類參數，其中靜態(tài)參數包括巖性、儲集空間類型、測井響應特征、地震響應特征、測試分析成果、鉆錄井漏失放空情況以及構造背景等，動態(tài)參數包括酸壓施工特征及生產曲線。

2.2 儲集層地質模型建立

2.2.1 地層及構造框架模型

根據地震資料構造解釋和地層解釋結果得到主要地質界面（如地層界面、斷裂面、儲集層頂底界面）、斷裂系統(tǒng)和古地貌的形態(tài)，采用計算幾何算法準確描述空間曲面（地質界面和斷層面）的拓撲關系，得到表征碳酸鹽巖縫洞儲集層幾何構型的地層及構造框架模型。

2.2.2 地質實體約束模型

由于框架模型中只包含地質界面和斷層面，不能描述碳酸鹽巖縫洞型儲集層非均質性的縱橫向變化，因此在儲集層反演結果的基礎上須進一步細化，通過定義層間的沉積結構進行三維空間內地層網格的構建，并根據前述動、靜態(tài)建模參數對模型進行定義約束，建立地質實體約束模型，將該模型作為儲集層地質模型的雛形，繼而進行模型正演計算。

2.3 模型正演模擬

對所建立的模型進行了正演模擬[11,15]，為保證研究更具有針對性，模型的速度、密度等參數參考塔中—塔北實際地震資料確定。統(tǒng)計15口井地震、測井資料，確定圍巖平均速度為 6 000 m/s，密度為 2 500 kg/m3，模型地層速度為3 500 m/s，密度為2 400 kg/m3。采用點式震源進行激發(fā)，參考塔里木深層碳酸鹽巖實際地震資料，主頻定為25 Hz。采用中間放炮、兩側接收方式進行數據采集。參考野外實際地震資料采集方式，炮距定為50 m，檢波距為25 m。最大炮檢距為1 000 m，基本滿足動校正拉伸畸變限制和速度分析精度的要求。空間采樣率定為4 ms。針對建立的各種儲集層地質模型，開展全波場波動方程數值模擬，采用彈性波波動方程進行計算。最后將得到的偏移疊加剖面與實際地震剖面進行比較。

2.4 儲集層地質模型的驗證、修正、定型

通過模型正演模擬，可以發(fā)現(xiàn)模型與實際儲集層展布之間的差距，進而調整模型參數并修正模型，采用多次循環(huán)逐步逼近法，最終建立符合生產實際的儲集層地質模型。因此，儲集層地質建模過程是不斷完善的迭代過程，迭代次數越多，模型就越真實可信。

3 單井地質模型類型及特征

根據上述建模方法，建立塔中—塔北奧陶系 6類優(yōu)質縫洞型儲集層單井地質模型：層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型、斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型、層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型、層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型、斷裂面控制下部熱液單一孔洞型（白云巖中常見）及斷裂面控制單一裂縫型（見圖1、表1）。

3.1 層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型

圖1 塔中—塔北地區(qū)奧陶系6類碳酸鹽巖儲集層地質模型

表1 塔中—塔北奧陶系儲集層地質模型統(tǒng)計表

受三、四級層序界面控制形成洞穴及洞頂裂縫-孔洞，井周無大型斷裂，洞穴與裂縫共生共長（縫生洞、洞生縫）。該類儲集層地質模型一般距大斷裂2～5 km；儲集空間類型以洞穴及裂縫-孔洞為主，縱向呈準層狀分布，酸壓溝通了下部洞穴；Ⅰ、Ⅱ類儲集層占68.3%（見圖2a）；地震資料上主要表現(xiàn)為長串珠，或深淺串珠結合，收斂性較好，振幅能量較高（見圖2b）；洞頂裂縫在成像測井上走向比較雜亂，如HA12-1井，構造裂縫走向為 20°～30°和 330°～350°，而洞頂裂縫走向雜亂，優(yōu)勢發(fā)育走向為 10°～50°和 310°～350°（見圖2c）；HA12-1井反演儲集層呈準層狀分布，主體位于一間房組頂面向下10～20 ms（即30～60 m），少量25～40 ms（即75～120 m），層序界面控制作用明顯，深部孤立型儲集層為洞穴特征。根據串珠雕刻體積 98×104m3推算，縫洞體寬度為140 m左右；從酸壓施工特征來看（見圖2d），酸壓最高泵壓較高，泵壓有明顯下降趨勢，最后停泵測壓降階段，壓力由35.8 MPa下降到19.6 MPa僅用了20 min，反映酸壓溝通了大型縫洞儲集體；生產曲線以間歇燜井回壓持續(xù)生產型為主（見圖2e），油壓及產量呈均呈下降趨勢，反映溝通儲集層縫洞體能量有限，需間歇性關井回壓才能維持生產；洞頂裂縫-孔洞為主力產層，儲集層具有一定的成層性，洞穴為產層源源不斷提供油源。該類儲集層開發(fā)時鉆井不宜過深，揭穿洞頂即可，生產時油嘴不宜過大，否則極易水淹。

圖2 層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型儲集層地質模型參數特征

3.2 斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型

受斷裂及其伴生的裂縫控制形成洞穴及洞頂裂縫-孔洞，洞穴由斷裂伴生的裂縫衍生而來，縫生洞、洞生縫，形成垮塌型洞穴。該類儲集層一般處于斷裂交叉處，鉆井過程中常發(fā)生漏失、放空等現(xiàn)象，如HA803井位于“X”型斷裂附近（見圖3a），鉆至6 632.54 m處溢流鉆井液0.8 m3，6 654.66～6 666.00 m累計放空鉆井液11.34 m3，累計灌入較重鉆井液577.5 m3；呈塊狀分布，以洞穴型及裂縫-孔洞型儲集層為主，洞穴往往孤立；Ⅰ、Ⅱ類儲集層占60.2%（見圖3b）；地震資料上主要表現(xiàn)為串珠及周邊雜亂特征，串珠振幅能量較高（見圖3c）；洞穴周緣裂縫在成像測井上顯示走向比較雜亂，如HA803井，構造裂縫走向為 20°～30°和 330°～350°，洞穴周緣裂縫比較雜亂，無優(yōu)勢發(fā)育走向（見圖3d、3e）；洞穴周緣裂縫孔洞方解石電子探針Mn2+/Fe2+值為1.133（小于2），陰極發(fā)光呈暗棕褐色（見圖3f），87Sr/86Sr值為0.708 734，包裹體均一溫度為70～90 ℃，鹽度較低（為6.3），指示為大氣水成因。因此，該類模型為斷裂面控制大氣淡水形成的垮塌型洞穴+洞頂裂縫-孔洞，為“縫生洞、洞生縫”不斷演化而來，洞穴及周緣裂縫-孔洞為主力產層；生產曲線常表現(xiàn)為間歇性壓井持續(xù)生產特征（見圖3g）。對該類儲集層開發(fā)應注重裂縫-孔洞充填性及其充填程度。

圖3 斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型儲集層地質模型參數特征

3.3 層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型

上部受層序界面控制，形成泥質半充填洞穴；下部受斷裂伴生的熱液控制，形成裂縫-孔洞型白云石化巖溶儲集層；表層洞穴與下部裂縫-孔洞型儲集層之間往往有致密隔層（見圖1c）。該類模型井基本位于構造緩坡部位，靠近斷裂；Ⅱ類儲集層占42.6%，無I類儲集層（見圖4a）；地震資料上主要表現(xiàn)為強串珠，串珠振幅能量較高（見圖4b）；成像測井上，上部表層洞穴被泥質及角礫充填（見圖4c），下部“正弦曲線”及暗色斑點代表裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育（見圖4d）；該類模型主要發(fā)育在塔中ZG43井區(qū)，表層洞穴被泥質充填的概率較高，下部裂縫-孔洞主要發(fā)育于白云石化儲集層中。對該類儲集層開發(fā)應更注重充填性及充填程度，以及下部白云石化作用對儲集層的影響。

圖4 層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型儲集層地質模型參數特征

3.4 層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型

大氣淡水沿裂縫或早期溶孔下滲或側向運移，受層序界面控制形成的表層裂縫及斷裂伴生的裂縫擴溶形成溶縫，與溶孔組合形成裂縫-孔洞型儲集空間。該類模型井基本位于構造緩坡部位，靠近斷裂；縱向呈準層狀及塊狀分布，以裂縫-孔洞型儲集層為主；Ⅱ類儲集層占37.0%，無Ⅰ類儲集層（見圖5a）；地震資料上主要表現(xiàn)為弱串珠或片狀反射（見圖5b），串珠振幅能量中等，少量為長串珠，此現(xiàn)象與斷裂相關；成像測井上高導正弦曲線及暗色斑點發(fā)育，代表裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育（見圖5c），裂縫走向主體為30°～50°（見圖5d）。該類儲集層成層性較好，生產較平穩(wěn)，遞減率較低，在一定條件下可利用水平井開發(fā)以提高開采效率。

圖5 層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型儲集層地質模型參數特征

3.5 斷裂面控制下部熱液單一孔洞型

后期地層熱液、巖漿熱液沿斷裂及裂縫上涌、側移，發(fā)生熱白云石化及熱溶蝕作用，形成白云石晶間孔和晶間溶孔，優(yōu)化前期儲集層。該類型井靠近斷裂（見圖 6a），儲集層呈塊狀分布；以孔洞型和裂縫-孔洞型儲集層為主，Ⅰ、Ⅱ類儲集層占37.0%，其中Ⅰ類儲集層占10.6%（見圖6b）；地震資料上主要表現(xiàn)為弱串珠或片狀反射，串珠振幅能量中等（見圖6a）；成像測井上暗色斑點或斑塊發(fā)育，較孤立，裂縫不發(fā)育（見圖 6c）；ZG9井鷹山組儲集層段測試分析成果表明，F(xiàn)e2+、Mn2+含量低，Mn2+/Fe2+值為 0～1.8，平均為 0.269，導致陰極發(fā)光昏暗，以暗棕色為主，稀土元素Eu負異常，鹽水包裹體溫度較高，平均為 97.1 ℃，最高達134 ℃，87Sr/86Sr值為 0.708 743～0.709 371，平均0.708 943，處于背景值范圍，未受殼源鍶及幔源鍶影響，顯示了正常成巖熱流體的深埋藏白云石化特征。

圖6 斷裂面控制下部熱液單一孔洞型儲集層地質模型參數特征

3.6 斷裂面控制單一裂縫型

指由構造作用形成的裂縫體，裂縫既是滲濾通道，也是儲集空間。當裂縫系統(tǒng)范圍大、厚度大時可形成工業(yè)性油氣藏。該類模型儲集層形態(tài)復雜，受構造應力、地層巖石類型、巖石力學性質等多種因素控制，空間上多個裂縫體靠近發(fā)育，從而構成弱連通的裂縫系統(tǒng)；靠近斷裂處儲集層發(fā)育。僅見于TZ243井。

4 縫洞型巖溶儲集層綜合發(fā)育地質模型

在單井儲集層地質建?；A上，根據對研究區(qū)縫洞型巖溶儲集層分布規(guī)律的認識，結合儲集層形成機制及控制因素分析，分別建立了單面山構造背景臺型斜坡及緩斜坡2大類儲集層綜合地質模型。

4.1 塔中北斜坡單面山臺型斜坡儲集層地質模型

研究表明，塔中古隆起形成于晉寧期，定型于奧陶紀末期。奧陶紀晚期塔中地區(qū)產生強烈的板內構造活動，塔中以褶皺運動為主，與塔東地區(qū)發(fā)生整體強烈隆升，產生大量剝蝕，形成塔中北部臺型斜坡的構造背景，塔中北斜坡大部分地區(qū)接受了良四段沉積。在此構造及沉積背景下，塔中北斜坡鷹山組主要發(fā)育一套巖溶及白云石化縫洞型儲集層，巖溶作用及白云石化作用是儲集層形成的主要地質作用，經歷了準同生巖溶、中加里東期第Ⅰ幕（鷹山組沉積末期）、中加里東期第Ⅱ幕（良里塔格組沉積早—中期）和晚加里東期（志留系沉積期前）等多期巖溶的疊加改造。其中鷹山組沉積末期及良里塔格組沉積早—中期的巖溶作用對塔中北斜坡的影響最為突出，而志留系沉積前的巖溶作用對鷹山組儲集層主要起改善作用，且影響有限[5-7,16-17]。因此，根據單井建模成果，結合塔中北斜坡地質背景，建立了塔中北斜坡 ZG8井—ZG43井區(qū)單面山臺型斜坡背景下的縫洞型巖溶儲集層地質模型（見圖7）。

圖7 塔中北斜坡ZG8井—ZG43井區(qū)奧陶系鷹山組縫洞型碳酸鹽巖儲集層地質模型

塔中北斜坡鷹山組（O1—2y）儲集層主要集中在鷹山組一段下亞段及鷹山組二段，其中鷹一段下亞段主體發(fā)育泥質半充填洞穴+洞頂裂縫-孔洞型巖溶儲集層及單一孔洞型白云巖儲集層；鷹二段上亞段發(fā)育表層泥質半充填洞穴+下部熱液巖溶作用及白云石化作用形成的裂縫-孔洞型白云石化儲集層，主要發(fā)育在ZG43井—ZG45井區(qū)；鷹二段下亞段大范圍發(fā)育沿斷裂上涌的富鎂流體選擇性白云石化作用形成的云化儲集層，并在 ZG51井區(qū)區(qū)域性發(fā)育。因此，塔中北斜坡 ZG8井—ZG43井區(qū)鷹山組主要發(fā)育斷裂面控制下部熱液單一孔洞型、層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型儲集層，斷裂面、層序界面、大氣水巖溶作用、熱液巖溶作用及白云石化作用控制儲集層的形成與展布。

4.2 塔北南緣哈拉哈塘單面山緩斜坡儲集層地質模型

研究表明，塔北南緣奧陶系主要經歷了準同生期、一間房組沉積末期、良里塔格組沉積末期及志留系沉積前4期主要的巖溶[4-5,18]，其中準同生期和志留系沉積前的巖溶作用對研究區(qū)影響最為突出，而一間房組沉積末期的巖溶作用主要起改善儲集層性能的作用，且影響深度局限于一間房組頂部，良里塔格組沉積末期巖溶作用受巖性的影響，影響深度同樣有限，或者有利巖溶發(fā)生的部分已大多被剝蝕。因此，哈拉哈塘地區(qū)奧陶系巖溶儲集層的主要形成時期為同生期和加里東晚期（志留系沉積前），其形成機制為同生期與層序界面相關的大氣水巖溶，及加里東晚期由斷裂溝通泄水的順層巖溶（潛山區(qū)的潛水面控制巖溶），形成的儲集層具有較好的成層性和受斷裂控制明顯的特點，成因機制分析和儲集層鉆井結果以及地震反演結果一致。綜上，根據單井建模的成果，結合塔北南緣哈拉哈塘地區(qū)地質背景，建立了哈拉哈塘地區(qū)奧陶系斜坡背景下的縫洞型巖溶儲集層地質模型（見圖8）。

塔北南緣哈拉哈塘地區(qū)奧陶系儲集層主要集中在鷹山組上部至一間房組，發(fā)育 3套儲集層，一間房組（O2y）1套、鷹山組2套，主要集中在一間房組頂面以下120 m范圍內。其中一間房組主要為受頂部平行不整合面控制的單一裂縫-孔洞型儲集層，僅在HA8井區(qū)見受斷裂面控制的洞穴+裂縫-孔洞型儲集層；受層序界面及斷裂面控制的洞穴+洞頂裂縫-孔洞型儲集層主要發(fā)育在鷹山組，可能與當時的潛水面及鷹山組比一間房組泥晶灰?guī)r含量略多有關。研究統(tǒng)計結果表明，泥晶灰?guī)r中形成大型洞穴的概率比純顆?；?guī)r要高，該認識還需利用高溫高壓模擬等手段進一步驗證。因此，哈拉哈塘地區(qū)主要發(fā)育鷹山組至一間房組層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型、斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型及一間房組層序界面控制的單一裂縫-孔洞型儲集層。

5 儲集層地質模型的應用效果

圖8 塔北南緣哈拉哈塘地區(qū)奧陶系鷹山組至一間房組縫洞型碳酸鹽巖儲集層地質模型

圖9 儲集層類型及生產情況評價結果

對上述 6類儲集層地質模型綜合評價認為（見圖9a），層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型儲集層儲集性能最好，Ⅰ、Ⅱ類儲集層占 68.3%，洞頂裂縫-孔洞為主要儲集空間；其次為斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型，Ⅰ、Ⅱ類儲集層占60.2%，該類洞穴總體為垮塌型；再次為層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型，Ⅱ類儲集層占42.6%，主要發(fā)育于塔中10號帶鷹二段出露區(qū)；最后為斷裂面控制下部熱液單一孔洞型、層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型，Ⅰ、Ⅱ類儲集層占 37.0%。因此，尋找符合洞穴和裂縫-孔洞型配置關系以及斷裂面控制熱液的區(qū)域是勘探的重點。

對研究區(qū) 71口建產井生產情況統(tǒng)計表明（見圖9b、9c），其生產曲線主要有以下4類：①間歇燜井回壓持續(xù)生產型，一般對應洞穴+洞頂裂縫型或洞穴+下部裂縫-孔洞型儲集層；②持續(xù)下降型，一般對應孤立洞穴型或裂縫-孔洞型儲集層；③高產穩(wěn)產型，一般對應洞穴+洞頂裂縫-孔洞型或單一裂縫-孔洞型儲集層；④低產穩(wěn)產型，一般對應單一孔洞型模型。其中，以持續(xù)下降型及間歇燜井回壓持續(xù)生產型為主，與模型評價結果吻合。因此，高效井的部署要以符合洞穴+裂縫-孔洞型配置關系的儲集層為重點。

近期獲得重大突破的RPX井，位于塔北南緣哈拉哈塘的南部順層巖溶區(qū)大型走滑斷裂處，前期儲集層預測結果認為該井奧陶系仍可發(fā)育斷裂控制的洞穴及裂縫-孔洞型儲集層，后被鉆探結果所證實。RPX井靠近斷裂，地震資料顯示為串珠狀，收斂性好，為斷裂控制的洞穴+裂縫-孔洞型儲集層，與高效井HA803井類似，下部為孤立洞穴。鉆探過程中，7 000多米處發(fā)生鉆井液漏失、放空，Ⅰ、Ⅱ類優(yōu)質儲集層厚14.5 m，日產油近百噸，中途換成7 mm油嘴，見少量水。筆者建議該類模型應使用小油嘴開采，否則極易水淹，隨即換3 mm油嘴穩(wěn)定無水采油至今。由此可見，地質模型對實際勘探開發(fā)具有很好的指導作用。

6 結論

塔中—塔北奧陶系主要發(fā)育 6類儲集層單井地質模型：①層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型；②斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型；③層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型；④層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型；⑤斷裂面控制下部熱液單一孔洞型；⑥斷裂面控制單一裂縫型。塔中北斜坡ZG8井—ZG43井區(qū)鷹山組主要發(fā)育③、⑤兩類儲集層，而塔北南緣哈拉哈塘地區(qū)鷹山組至一間房組主要發(fā)育①、②兩類儲集層。6類儲集層地質模型中，層序界面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型儲集層最有利，其次為斷裂面控制洞穴+洞頂裂縫-孔洞型，再次為層序界面及斷裂面控制表層洞穴+下部裂縫-孔洞型，最后為斷裂面控制下部熱液單一孔洞型、層序界面及斷裂面控制單一裂縫-孔洞型。因此，儲集層地質模型符合洞穴和裂縫-孔洞型配置關系以及斷裂面控制熱液的區(qū)域是未來勘探及高效井部署的重點。

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