渤海海域錦州南油田太古宇變質(zhì)巖潛山儲層特征及其發(fā)育模式

劉宗賓,程 奇, 呂坐彬, 房 娜, 王雙龍

中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452

0 引言

變質(zhì)巖潛山作為一種特殊的潛山類型，一直以來是國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家爭相研究的熱點[1]。變質(zhì)巖由于本身缺乏原生儲集空間，儲層的形成主要與后期的改造作用有關(guān)，因此厘清儲層成因并建立儲層發(fā)育模式是目前變質(zhì)巖潛山研究的關(guān)鍵問題[2]。變質(zhì)巖潛山由于巖性復(fù)雜、經(jīng)歷構(gòu)造活動期次多，以及受不同類型流體改造等原因，導(dǎo)致其成儲過程復(fù)雜、控制因素多樣。在這一背景之下，通過詳實的巖石學(xué)觀察，厘清儲層類型，再針對巖性、構(gòu)造以及風(fēng)化等關(guān)鍵成儲要素進行分析，明確控制優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素并建立儲層發(fā)育模式是變質(zhì)巖儲層研究較為現(xiàn)實的方法與手段。

世界上最早發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)巖潛山為委內(nèi)瑞拉的拉帕茲油田[3]，我國最早探明的變質(zhì)巖油田為酒泉盆地中的鴨兒峽油田[4]，這些油田中裂縫均是重要的儲集空間。隨后無論是國外的白虎油田還是國內(nèi)興隆臺、東坪等變質(zhì)巖潛山油田的探明均進一步證實了變質(zhì)巖潛山重要的油氣勘探意義[5-7]。近期，渤海油田在渤中19-6構(gòu)造變質(zhì)巖潛山探明了千億m3油氣田，烴柱高度超1 000 m[8-9]；同時，在中生界覆蓋區(qū)探明了渤中13-2億噸級變質(zhì)巖潛山油田[10]，進一步展示了該領(lǐng)域巨大的勘探潛力。目前已有大量學(xué)者針對不同類型的潛山進行了大量的研究，普遍認識到變質(zhì)巖潛山可以形成優(yōu)質(zhì)儲層，而且儲層非均質(zhì)性強，其中構(gòu)造裂縫對優(yōu)質(zhì)儲層的形成具有重要的控制作用[11-14]。但由于變質(zhì)巖潛山油藏在含油氣盆地中儲量占比較小以及油田數(shù)量較少，其研究程度遠遠低于其他類型的儲層，尤其是變質(zhì)巖潛山儲層的形成主控因素以及儲層發(fā)育模式還缺乏系統(tǒng)的研究。

錦州南油田是渤海首個投入開發(fā)的大型裂縫型變質(zhì)巖潛山油田，自開發(fā)以來誕生過多口日產(chǎn)千m3井，至今仍然保持良好的開發(fā)態(tài)勢。該油田勘探開發(fā)階段積累了大量的巖心、分析化驗、測井以及地球物理資料，為儲層的研究提供了詳實的資料基礎(chǔ)，也為變質(zhì)巖潛山儲層模式的建立提供了良好的案例。本文基于研究區(qū)豐富的地質(zhì)、地球物理資料，厘清了儲層特征及分布規(guī)律，探討了儲層形成主控因素并建立了發(fā)育模式，以期為本油田后期的開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

錦州南油田位于渤海灣盆地遼東灣海域，構(gòu)造上位于遼東灣坳陷遼西低凸起中部。遼西低凸起西側(cè)為遼西凹陷，東側(cè)為遼中凹陷(圖1)。錦州南油田西側(cè)以遼西1號斷裂與遼西凹陷接觸，東側(cè)以遼中1號斷裂與遼中凹陷接觸[15-17]。遼西3號斷裂穿過錦州南油田內(nèi)部，使得整個油田構(gòu)造特征進一步復(fù)雜化。遼西1號和3號2條斷裂均以NEE向為主，在燕山期形成，具有左行走滑的性質(zhì)；喜山期遼中1號斷裂和遼西3號斷裂斷裂由左行走滑演化為右行走滑，同時具有拉張的分量，整體表現(xiàn)為右行拉張性質(zhì)，東營組之后，斷裂的活動性明顯減弱，其中沙三段具有最大的拉張分量。潛山內(nèi)幕發(fā)育大量的北西西向內(nèi)幕斷裂，目前普遍認為其與印支期構(gòu)造活動有關(guān)。

ar.太古界；E3d1+2U.東一段、東二上段 ； E3d2L+3+E2s1.東二下段、東三段、沙一段； E2s2.沙二段； E2s3.沙三段； Mz.中生界；Qp+Nm+Ng.平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組。

垂向上，錦州南太古宇變質(zhì)花崗巖直接被上覆沙河街組所覆蓋，其中油田主體區(qū)主要被沙一、二段所覆蓋。斷坳轉(zhuǎn)換期的沙一、二段具有較高的泥質(zhì)體積分數(shù)，為潛山油氣的聚集提供了良好的封蓋條件。油源對比結(jié)果證實，潛山中的油氣主要來源于遼西凹陷沙河街組烴源巖，潛山油氣成藏具有典型的“新生古儲”的特征。

2 變質(zhì)巖潛山儲層特征

2.1 儲層巖性

研究區(qū)主要發(fā)育區(qū)域變質(zhì)巖、構(gòu)造變質(zhì)巖碎裂巖以及后期的侵入巖脈3類巖性，其中：區(qū)域變質(zhì)巖主要為各類片麻巖(斜長片麻巖及二長片麻巖)，構(gòu)造變質(zhì)巖碎裂巖多為區(qū)域變質(zhì)巖在應(yīng)力作用下碎裂化的結(jié)果：侵入巖脈為燕山期—喜山期侵入的脈體，以黑云母角閃巖、輝綠巖及閃長玢巖等為主。

斜長片麻巖斜長片麻巖為花崗巖經(jīng)過中高級變質(zhì)作用形成，主要成分是長石、云母和石英，具有粒狀或片狀(柱狀)粒狀變晶結(jié)構(gòu)，交代作用十分發(fā)育，片麻狀或條帶狀構(gòu)造(圖2a)。斜長片麻巖中長石和石英體積分數(shù)之和大于50%，長石多于石英，長石主要為斜長石。

二長片麻巖二長片麻巖為花崗巖經(jīng)過中高級變質(zhì)作用形成，主要成分是長石、云母和石英，具有片麻狀構(gòu)造或條帶狀構(gòu)造。二長片麻巖中長石和石英體積分數(shù)之和大于50%，長石多于石英，其中鉀長石體積分數(shù)大于斜長石體積分數(shù)(圖2b)。

碎裂巖碎裂巖是巖石強烈擠壓破碎的產(chǎn)物，因而礦物除碎裂外，還部分發(fā)生形變，出現(xiàn)波狀消光，解理或雙晶紋發(fā)生扭曲、裂開以至壓扁、拉長等現(xiàn)象，但未達到糜棱化階段的一類巖石。在碎裂過程中，原巖中僅留少部分碎斑呈棱角狀或透鏡狀散布于基質(zhì)中，碎基大于50%。在鏡下，碎裂巖具典型的碎裂結(jié)構(gòu)或碎斑結(jié)構(gòu)，巖石的顏色較相應(yīng)的正常巖石變深(圖2c)。

侵入巖脈侵入巖脈包括黑云母角閃巖(圖2d)、輝綠巖及閃長玢巖，這些巖石以巖脈的形式穿插于變質(zhì)巖之中，盡管厚度整體不大，但是使得垂向上巖石序列變得更加復(fù)雜。由于這類巖石整體為中基性巖漿侵入的產(chǎn)物，因此巖石的暗色礦物含量較高，較易與片麻巖區(qū)分。

2.2 儲集空間類型

變質(zhì)巖由于本身不發(fā)育原生孔隙，因此其儲集空間主要為次生孔隙[18]。鏡下觀察其主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、溶蝕縫、溶蝕孔以及破碎粒間孔4種類型，其中構(gòu)造裂縫是最主要的儲集空間類型。

鏡下可見多期構(gòu)造裂縫相互切割，這些裂縫多發(fā)育于長石中，部分可以切穿石英或者黑云母，盡管部分裂縫被方解石充填，但大部分裂縫現(xiàn)今仍然保持開啟作為有效的儲集空間(圖2e)。先期的構(gòu)造裂縫在大氣淡水或者有機酸的作用下會發(fā)生溶蝕而形成溶蝕縫。溶蝕縫的縫寬較大，且縫面多不規(guī)則，這是溶蝕縫與構(gòu)造裂縫的主要區(qū)別(圖2f)。流體的溶蝕會使得裂縫的有效性大大增強。流體除了使得構(gòu)造裂縫發(fā)生溶蝕外，同樣會對黑云母、長石等礦物進行溶蝕(圖2g)。溶蝕孔極大地提升了變質(zhì)巖的孔隙度，這些孔隙與構(gòu)造裂縫進行溝通，是變質(zhì)巖高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。破碎粒間孔是變質(zhì)巖較為特殊的一類儲層類型，其多分布于碎裂巖之中。區(qū)域變質(zhì)巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破碎，破碎的顆粒間形成了大量的破碎粒間孔(圖2h)，這類儲層盡管在變質(zhì)巖中占比不高，但是其儲層物性極好，是變質(zhì)巖重要的儲層類型。

2.3 儲層垂向分帶

變質(zhì)巖潛山儲層在垂向上具有明顯的分帶性，這種分帶性與垂向上風(fēng)化強度的變化有關(guān)。雖然潛山上覆的坡積砂礫巖不屬于潛山這一層系，但是考慮到其與潛山的成因聯(lián)系，本次分帶研究中將其作為整體考慮其中。根據(jù)巖性、電性以及儲層發(fā)育程度的差異將潛山體系從頂部自底部劃分為坡積砂礫巖段、半風(fēng)化殼上段、半風(fēng)化殼下段以及基巖段4部分。

a. 斜長片麻巖，巖心，JZS-B,1 750.00 m；b. 二長片麻巖，巖心，JZS-B,1 759.00 m；c. 碎裂巖，JZS-B井，2 010.00 m；d. 黑云母角閃巖，JZS-A井，1 869.00 m；e.構(gòu)造裂縫，JZS-H,1 620.00 m；f.溶蝕縫，JZS-E，1 800.00 m；g.溶蝕孔，JZS-E，1 800.00 m；h.破碎粒間孔，JZS-H,1 914.00 m。

坡積砂礫巖段該帶主要由正常沉積的砂(礫)巖組成，這些砂巖具有明顯的沉積構(gòu)造特征而區(qū)分于風(fēng)化成因的砂礫巖，薄片下粒間較為干凈，粒間孔較為發(fā)育。該帶整體厚度較薄，一般在20 m以下(圖3)，是潛山進入水下初期沉積的產(chǎn)物，多沉積在古地貌相對較低的部位。

半風(fēng)化殼上段錦州南油田基本缺失完全風(fēng)化的風(fēng)化黏土層，這可能與后期的改造作用有關(guān)。半風(fēng)化殼上段以風(fēng)化形成的砂礫巖為主，厚度較薄，薄片下可見大量風(fēng)化成因的砂礫，這些砂礫的成分與變質(zhì)巖成分一致，但與上覆的坡積砂礫巖相比明顯分選性更差，粒間風(fēng)化泥質(zhì)體積分數(shù)更高，因而儲層物性一般較差。

半風(fēng)化殼下段半風(fēng)化殼下段以變質(zhì)花崗巖為主，巖心中可見明顯的風(fēng)化蝕變現(xiàn)象(圖2b)，該帶裂縫極其發(fā)育，是該油田儲層的主要發(fā)育段。值得注意的是，該段在成像測井中裂縫開度大，沿著裂縫面具有明顯的溶蝕特征，表明半風(fēng)化殼下段遭受過較強的風(fēng)化溶蝕(圖3)。該段在常規(guī)測井曲線上較基巖帶具有高聲波時差、高中子孔隙度、低密度以及電阻率值，也均證實該帶儲層整體優(yōu)于半風(fēng)化殼上段。

基巖段該段整體較為致密，基本不受風(fēng)化作用改造，因此具有高密度、低中子孔隙度以及低聲波時差特征。盡管在成像測井圖案中偶爾可以觀察到少量構(gòu)造裂縫，但該區(qū)域的裂縫多發(fā)生閉合或者充填，而與上段的裂縫呈現(xiàn)出極大的差異(圖3)。

GR.自然伽馬；Rd．深側(cè)向電阻率；Rs．淺側(cè)向電阻率；DEN．中子密度；CNL．中子孔隙度；AC．聲波時差。

3 潛山儲層形成控制因素

3.1 巖性

大量研究已證實巖性對變質(zhì)巖潛山儲層具有重要的控制作用[19-20]；長英質(zhì)礦物體積分數(shù)高的巖石較暗色礦物體積分數(shù)高的巖石脆度大，更容易形成構(gòu)造裂縫。研究區(qū)斜長片麻巖、二長片麻巖以及碎裂巖均具有較高的長英質(zhì)體積分數(shù)，而侵入巖脈的黑云母角閃巖、輝綠巖及閃長玢巖等暗色礦物體積分數(shù)較高。無論是野外還是鉆井均揭示，在相同的構(gòu)造背景下，淺色礦物體積分數(shù)高的花崗質(zhì)片麻巖較侵入體更易于形成儲層(圖4)。

JZS-C井中頻繁鉆遇輝綠巖脈與二長片麻巖互層，其中輝綠巖由于含有較多的暗色礦物而具有低自然伽馬、高中子密度以及高中子孔隙度的特征；成像測井中，輝綠巖與二長片麻巖侵入邊界清晰。成像測井中，侵入體中少有裂縫發(fā)育，而相鄰的二長片麻巖具有顯著破碎的特征，指示儲層較為發(fā)育(圖4c)。這一現(xiàn)象證實，在相同的構(gòu)造背景下，研究區(qū)片麻巖較侵入體更易于形成優(yōu)質(zhì)儲層。

3.2 構(gòu)造作用

構(gòu)造改造作用是變質(zhì)巖儲層形成的主要外因[21-22]。構(gòu)造活動過程中，當(dāng)應(yīng)力強度超過巖石破裂強度時就會產(chǎn)生大量的斷裂，同時伴生微裂縫，組成裂縫系統(tǒng)。因此斷裂帶附近的變質(zhì)巖中往往發(fā)育不同級別的裂縫，進而改善了儲集層物性。

錦州南油田發(fā)育NEE向以及近NWW向兩組斷裂，其中以NEE向斷裂占主導(dǎo)。印支期，受華南板塊與華北板塊碰撞，潛山內(nèi)幕形成了大量NWW向內(nèi)幕斷裂；燕山期至喜山期，郯廬斷裂帶發(fā)生走滑活動，形成了大量的NEE向斷裂。對鉆井的裂縫走向進行統(tǒng)計證實，研究區(qū)主要的裂縫走向也為NE向以及NWW向(圖5)，與斷裂的宏觀走向基本一致，證實研究區(qū)裂縫確與斷裂具有明顯的成因聯(lián)系。推測NE向裂縫多與NEE向走滑斷裂的剪切拉張活動有關(guān)，而NWW向裂縫與印支期近NEE向擠壓作用有關(guān)。

根據(jù)斷裂的規(guī)模以及切割的層位將研究區(qū)斷裂劃分為一級斷裂、二級斷裂及三級斷裂。斷裂分布與鉆井儲層厚度關(guān)系表明，一級斷裂附近的鉆井儲層厚度差異較大，JZS-H井儲層厚度可達117.1 m，而同樣緊鄰一級斷裂的JZS-E井儲層厚度僅17.0 m，表現(xiàn)出極強的非均質(zhì)性；這表明研究區(qū)儲層發(fā)育程度與是否緊鄰大型斷裂帶并無直接聯(lián)系。值得注意的是，在三級斷裂密集帶處，儲層厚度一般均較大，這表明研究區(qū)斷裂的疊加效應(yīng)對儲層的控制作用強于斷裂的級別，即多期斷裂疊加且斷裂密度大的區(qū)域較單一大型斷裂發(fā)育區(qū)儲層厚度更大。

a. 長英質(zhì)礦物體積分數(shù)高的花崗巖裂縫發(fā)育；b. 暗色礦物體積分數(shù)高的侵入巖裂縫欠發(fā)育；c. JZS-C井巖性與儲層發(fā)育關(guān)系柱狀圖。

圖5 錦州南油田斷裂級別、疊加關(guān)系與儲層厚度關(guān)系

3.3 風(fēng)化作用

潛山在形成大量的構(gòu)造裂縫后，暴露地表同時會遭受強烈的風(fēng)化淋濾。一方面，風(fēng)化淋濾形成半風(fēng)化殼，高部位半風(fēng)化殼上段往往會被剝蝕；另一方面，高部位風(fēng)化淋濾產(chǎn)物會在低部位發(fā)生充填。因此古地貌位置對風(fēng)化的強度以及風(fēng)化殼的保存具有明顯的控制作用。采用印模法對研究區(qū)古地貌進行了恢復(fù)(圖6)，印模法強調(diào)潛山不整合面之上地層沉積期間的古水平面既是古不整合地貌定位的標(biāo)志，又是基底古構(gòu)造沉降以及古構(gòu)造恢復(fù)的主標(biāo)尺。由于不整合面之上發(fā)生了沉積作用，沉積作用的印記可以為當(dāng)時古地貌、古基底起伏提供有效的證據(jù)，進而使定量或半定量古構(gòu)造恢復(fù)成為可能。潛山上覆沉積層厚度越大，代表古地貌越低，反之越高。結(jié)合研究區(qū)實際情況，利用潛山上覆沙河街組地層厚度恢復(fù)了前新生代潛山的古地貌(圖7)。結(jié)合古地貌的高低關(guān)系、地勢坡降以及上覆沙河街組地層厚度，進一步將古地貌劃分出5類二級地貌單元：凸起帶、平臺區(qū)、高斜坡、低斜坡、凹陷帶，不同地貌單元的特征及關(guān)鍵參數(shù)見表1。

古地貌恢復(fù)結(jié)果(圖7，表2)表明：北側(cè)的JZS-A和JZS-H井區(qū)屬于高凸起帶，該帶風(fēng)化作用強，儲層厚度大，5口開發(fā)井儲層厚度在80～170 m之間，同時該帶鉆井普遍缺失半風(fēng)化殼上段，該區(qū)域開發(fā)效果最好，平均單井產(chǎn)能在300 m3/d；中部的JZS-B和JZS-G井區(qū)屬于平臺區(qū)，儲層段厚度大且變化小(100～120 m)，但頂部風(fēng)化殼往往被風(fēng)化產(chǎn)物充填, 12口開發(fā)井證實平均產(chǎn)能在230 m3/d；JZS-EE井區(qū)屬于高斜坡，儲層較厚(130 m)，4口開發(fā)井證實平均產(chǎn)能在280 m3/d；JZS-D和JZS-F井區(qū)屬于低斜坡，儲層較薄，在斜坡處發(fā)育風(fēng)化產(chǎn)物充填，4口開發(fā)井揭示儲層厚度在60～80 m之間，平均產(chǎn)能為120 m3/d(圖7)；JZS-E井區(qū)位于凹陷帶，儲層厚度小于30 m，平均單井產(chǎn)能僅為5 m3/d，開發(fā)效果不理想。對比儲層厚度以及開發(fā)井產(chǎn)能結(jié)果表明，平臺區(qū)儲層發(fā)育穩(wěn)定，高斜坡區(qū)域儲層發(fā)育較厚，凸起帶儲層厚度變化較大、低斜坡儲層發(fā)育較薄，凹陷帶儲層發(fā)育最差。

圖6 印模法恢復(fù)古地貌模式圖

圖7 錦州南油田古地貌單元劃分

4 儲層發(fā)育模式

結(jié)合儲層發(fā)育特征及其主要控制因素，建立了研究區(qū)儲層發(fā)育模式(圖8)。潛山巖體內(nèi)部，儲層主要發(fā)育于花崗片麻巖中，侵入巖脈由于暗色礦物體積分數(shù)高，多作為內(nèi)幕的隔層；斷裂的活動對儲層的分布具有重要的控制作用，多期斷裂疊加區(qū)域儲層厚度更大，這也為后期的風(fēng)化作用提供了滲流的通道；構(gòu)造作用形成了不同的古地貌特征，進一步控制了垂向上儲層結(jié)構(gòu)的變化，其中平臺區(qū)儲層發(fā)育最為穩(wěn)定，高斜坡區(qū)域儲層發(fā)育較厚，凸起帶儲層厚度變化較大，低斜坡儲層發(fā)育較薄，凹陷帶儲層發(fā)育最差。

值得注意的是，平臺區(qū)由于地勢平坦，一方面利于風(fēng)化殼的保存，同時其上部易于沉積灘壩砂，潛山儲層結(jié)構(gòu)最為完整、儲層厚度最大；凸起帶與高斜坡區(qū)由于構(gòu)造位置較高，遭受了較強的構(gòu)造破壞及風(fēng)化作用，形成了較厚的破碎帶，但由于古地貌坡度較大，不利于風(fēng)化殼的保存，因此往往缺失半風(fēng)化殼上段；低斜坡帶受風(fēng)化作用較弱，儲層厚度較小，但由于坡度較小，利于上風(fēng)化殼的保存，潛山結(jié)構(gòu)較為完整；凹陷帶內(nèi)潛山風(fēng)化作用最弱，但是其由于構(gòu)造幅度最低，更易于發(fā)育坡積砂巖。因此錦州南油田儲層發(fā)育程度整體具有平臺區(qū)、凸起區(qū)、斜坡區(qū)、凹陷區(qū)的優(yōu)勢序列；但不同構(gòu)造區(qū)儲層的垂向結(jié)構(gòu)模式具有顯著差異。

表1 錦州南油田二級地貌單元劃分指標(biāo)

表2 錦州南油田不同古地貌單元開發(fā)井產(chǎn)能統(tǒng)計

圖8 錦州南變質(zhì)巖潛山油田儲層發(fā)育模式

5 結(jié)論

1)錦州南油田變質(zhì)巖潛山儲層以構(gòu)造裂縫為主，同時發(fā)育破碎粒間孔、溶蝕孔等；在垂向上，根據(jù)風(fēng)化強度以及儲層發(fā)育等因素可將潛山系統(tǒng)劃分為坡積砂礫巖段、半風(fēng)化殼上段、半風(fēng)化殼下段以及基巖段4部分。

2)錦州南油田優(yōu)質(zhì)儲層分布受巖性、構(gòu)造作用以及風(fēng)化作用共同控制。脆性礦物體積分數(shù)高的花崗片麻巖儲層發(fā)育程度優(yōu)于中基性侵入體，多期斷裂疊加部位儲層厚度大，古地貌高部位受風(fēng)化改造強，對先期裂縫擴溶效應(yīng)更加明顯，進一步提升了儲層的品質(zhì)。