渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起中北段太古宇潛山成儲規律及主控因素

郭龍龍,王 峻,張春光,陳洪德

1.成都理工大學 沉積地質研究院,成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300452

隨著我國油氣勘探的持續推進,變質巖潛山油氣藏已成為當前勘探的重要領域之一[1]。變質巖潛山油氣藏廣泛分布于我國東北地區,是具有廣闊前景的非常規油氣資源[2-5]。長期以來,學術界對變質巖潛山油氣地質特征和成因機制開展了大量研究,主要集中在以下幾個方面:(1)巖性對儲層性質的影響[6-9]。早期研究認為變質巖中脆性較強的長石等礦物溶蝕后形成的次生孔隙是油氣聚集的關鍵,但該觀點缺乏關于裂縫對變質巖儲層影響的系統性研究。(2)潛山裂縫的成因及其對油氣聚集的控制作用[10-13]。研究表明變質巖裂縫主要由巖石風化和構造運動共同作用形成,但對裂縫定量特征及其與儲層參數的關系還不清楚。(3)根據巖石風化程度對潛山進行帶狀劃分[14-15],這為進一步研究變質巖潛山的空間特征奠定了基礎,但對不同帶的儲層參數缺乏定量約束。近年來,學者們開始從巖石物性角度對變質巖儲層進行特征研究[16],提出了礦物組成與孔隙參數之間的相關性,為建立儲層評價體系奠定了基礎,但相關研究還比較淺顯。為此,本文在前人研究基礎上,采用多種測試手段,對遼東灣地區遼西凸起變質巖儲層進行系統分析,并利用礦物組成與微觀結構識別出了多種變質巖類型,分析了裂縫形成的主控因素,以期為準確預測變質巖油氣資源潛力提供理論依據。

1 區域地質概況

渤海海域位于渤海灣盆地東部,發育在具有太古宙—古中元古代結晶基底的中新生代克拉通裂谷斷陷盆地之上[17-22]。遼東灣坳陷位于渤海海域東北部,整體呈北東—南西向展布,于晚侏羅世,經歷了巖石圈擴張和拉張,形成了大規模的伸展斷裂及張性剪切斷裂。白堊紀以來,遼東灣坳陷經歷了多期構造—沉積循環,形成“三凹兩凸”的構造格局[3,6]。

郯廬斷裂及其分支斷裂對遼東灣坳陷的形成與演化起著重要的控制作用。目前學界公認郯廬斷裂在遼東灣坳陷內有三條主要分支,即遼西、遼中和遼東斷裂[3,6]。遼西斷裂為郯廬斷裂在遼西區域的分支,表現為走滑—伸展復合斷裂,其將遼西區域切割為遼西凸起和鄰近的遼中凹陷。遼西凸起呈NNE向展布,是由遼西斷裂走滑運動所形成,表現為一個大型的斷塊式潛山。本文研究區域位于遼西凸起的中北段,主要包括JZ20-A區塊、JZ25-B區塊和JZ25-C區塊。這些斷塊位于遼西斷裂的上盤,并受其強烈控制(圖1a)。

圖1 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起位置及儲層綜合柱狀圖

2 太古宇巖石學特征

2.1 巖石類型

通過對研究區巖心、壁心薄片鑒定以及薄片結合測井標定方法,識別出太古宇巖性由二長片麻巖、黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖、變質花崗巖、片麻質碎裂巖、碎裂花崗巖和碎斑巖等組成,并以片麻巖為主。

遼西凸起太古宇潛山暗色礦物含量低,且巖性簡單,因此用傳統的三孔隙度雙軌方法劃分不出礦物成分。本次研究在識別變質巖巖石類型時,主要選用對礦物放射性反映敏感的自然伽馬(GR)曲線,而巖石密度(DEN)和中子孔隙度(CNCF)曲線則作為輔助標定。自然伽馬值的高低可以反映富鉀元素的鉀長石、黑云母等礦物含量的變化;高密度的暗色礦物會導致密度和補償中子增大,而淺色礦物則與此相反。據此建立的變質巖巖—電關系(圖1b),自然伽馬小于160 API的為斜長片麻巖,自然伽馬大于160 API的為二長片麻巖(圖2),這與巖礦鑒定結果相吻合。具體巖石學特征如下:

圖2 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起JZ25-C區塊變質巖巖性測井曲線交匯圖圖中黑色數字表示鉆井號。

(1)片麻巖類。片麻巖主要為二長片麻巖(圖3a)、斜長片麻巖(圖3b)和花崗片麻巖(圖2c,d)三大類巖石類型。二長片麻巖與斜長片麻巖均為中粗粒結構,弱片麻構造,暗色礦物主要為黑云母和角閃石,淺色礦物主要為長石和石英?；◢徠閹r為中粒結構、弱片麻狀構造,淺色礦物主要為長石、石英;暗色礦物以角閃石為主,黑云母含量較低。

圖3 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起太古宇巖心特征

(2)碎裂巖。碎裂巖分布較為普遍,具變晶結構和碎裂結構,主要有片麻質碎裂巖(圖3e,f)和碎斑巖兩大類。其原巖為片麻巖,巖石經歷了強烈的破碎作用,巖石破碎嚴重,破碎后形成大小不一的碎塊和碎斑;礦物成分主要為長石、石英、黑云母和角閃石。

(3)混合巖。巖石由原區域變質巖基巖和新生長英質脈體兩部分組成,一般情況下基巖色深,脈體色淺,發育片麻狀、條帶狀構造。根據脈體和基巖的含量,可劃分為混合巖化片麻巖(圖3g)、混合巖(圖2h)、混合片麻巖類(圖3i)和混合花崗巖類(圖3j)。

(4)變質花崗巖。雜色,具變余半自形粒狀結構,塊狀或弱片麻狀構造,石英含量占長英質總含量的20%～60%,研究區以變質二長花崗巖為主(圖3l,m)。

(5)后期侵入巖脈。主要為后期基性巖脈——輝綠巖脈狀侵入體(圖3n)。

2.2 巖石展布特征

太古宇在中生代沉積前,呈現南高北低的地貌特征,北部地層保存相對完好,南部地層上部具有剝蝕,因此北部地區太古宇深部存在南部的地層序列,巖漿巖比例整體上自北向南逐漸變高。根據鉆井的巖石學特征及其鉆井的測井曲線特征,研究區JZ25-C區塊南部4D井、2井、6井、7井以二長片麻巖為主,1井、5井、8井巖性以斜長片麻巖、二長片麻巖為主;JZ25-B區塊以變質花崗巖為主,二長片麻巖、碎裂花崗巖也較為發育;JZ20-A區塊以混合巖為主。研究區較深基底均為二長片麻巖,JZ25-C區塊南部地區僅發育下部的二長片麻巖;JZ25-C區塊北部地區、JZ25-B區塊巖性特征類似,上部地層巖性以斜長片麻巖為主,下部為二長片麻巖;北部JZ20-A區塊上部地層巖性以混合巖、花崗巖、黑云堿長片麻巖為主,較深部位為二長片麻巖(圖4)。

圖4 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起太古宇巖石分布特征

3 太古宇潛山儲集空間與物性特征

通過對遼西凸起北段9口井太古宇巖心孔隙度和滲透率的統計,其儲集空間主要為孔隙—裂縫型和裂縫—孔隙型,并以裂縫為主。

JZ25-C區塊儲層儲集空間主要是溶蝕孔、裂縫和微孔隙,裂縫占比最大。JZ25-C井區巖心上的宏觀裂縫寬度為 0.5～2 mm,以高角度張開縫為主。

JZ25-B區塊儲集空間極為發育,巖性以二長片麻巖、變質花崗巖及碎裂巖、碎斑巖或碎裂碎斑巖為主,溶蝕孔隙發育局限,可見云母溶蝕孔等,但裂縫發育,被鈣質、硅質充填(圖5a-c)。

圖5 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起太古宇儲集空間及裂縫疊加特征

JZ20-A區塊3個高點主力目的層系太古宇裂縫型儲層均發育。裂縫是主要的有效儲集空間,溶蝕孔隙發育局限(圖5d);在巖心上可見裂縫發育及長石的溶孔,在大部分鑄體薄片中也都可見多組裂縫和微裂縫(圖4d-f)。

據中華人民共和國石油天然氣行業標準《油氣儲層評價方法:SY/T 6285—2011》中關于變質巖儲層孔隙度—滲透率的劃分標準,儲層孔隙度可分為高孔、中孔、低孔和特低孔,滲透率可分為高滲、中滲、低滲和特低滲。通過對研究區巖心樣品進行孔隙度、滲透率分析,JZ25-C區塊太古宇潛山孔隙度為1.0%～31.2%,平均為9.85%;滲透率為(0.05～433.4)×10-3μm2,平均為12.86×10-3μm2,多數樣品滲透率小于1×10-3μm2,為中高孔—特低滲儲層;而JZ20-A區塊太古宇主要為中低孔—低滲儲層。

4 優質儲層控制因素

4.1 暗色礦物含量影響儲層裂縫發育程度

太古宇變質巖暗色礦物含量低,有利于裂縫的形成。以JZ20-A區塊為例,南高點4井以混合巖為主的變質巖暗色礦物含量為12.7%,孔隙度為4.2%;中高點7D井以碎裂花崗巖為主的變質巖暗色礦物含量為7.7%,孔隙度為6.0%;北高點5井以堿長混合片麻巖為主的變質巖暗色礦物含量為15%,孔隙度為3.3%。暗色礦物含量中高點最低,而南、北高點較高;太古宇儲層均發育,中高點最優,南北次之?？傮w來看,暗色礦物含量與孔隙度為負相關關系。

4.2 構造作用是裂縫形成的關鍵

潛山裂縫發育程度除受巖性控制外,還受到構造活動的控制。通過研究區巖心(圖3)和薄片(圖5)的觀察,多期構造活動形成多組互相疊加的裂縫,可改善儲層質量;此時裂縫既可作為油氣運移通道,也可構成儲集空間。儲層中的有效裂縫大多為高角度縫,呈多期網狀相互交叉切割狀態,裂縫的開啟程度與延伸度不一,平均寬度大于 10 cm。

遼西凸起太古宇潛山裂縫的統計結果表明,多期裂縫的疊加作用控制了潛山內幕裂縫型儲層和溶孔—裂縫型儲層的發育規模與分布。該區構造裂縫共有3組:中高角度的NE、NW向裂縫,中低角度的EW、SN向裂縫,低角度的NNE、NNW向裂縫。其中,低角度的兩組裂縫界面平直,但開啟程度差,是與后期主應力方向不一致的早期壓裂縫;高角度的裂縫開啟程度高,但延伸距離短,是張性裂縫。

區域構造差異活動控制了裂縫有效性。漸新世郯廬斷裂強烈右行走滑在右旋張扭應力場作用下,形成近SN向隆起,并伴生大量NE—SW向雁列斷層;燕山早期,受到NE向強剪切和SN向強擠壓的應力作用,發育NNE向剪裂縫和SN向張裂縫;喜馬拉雅早期,受到NW向強伸展和NE向弱剪切的應力作用,發育NE向剪裂縫和北東向張裂縫;喜馬拉雅晚期,受到NE向強剪切和NW向弱伸展的應力作用,發育EW向張裂縫及NE向和NW向共軛剪裂縫(圖6)。

圖6 渤海灣盆地遼東灣地區遼西凸起構造演化應力分布及裂縫走向

根據以往的研究成果,當裂縫走向與現今最大主應力方向的夾角小于30°時,裂縫會形成潛山儲層中的有效縫。并非所有的中高角度裂縫都會形成有效縫,只有早期裂縫與現今主應力方向一致,裂縫才能得到有效保存[23-26]。利用成像測井進行了太古宇當前最大主應力分析,結果表明,當最大主應力的方位為NE—SW向和NW—SE向、且裂縫與應力方向相同時,應力的作用將有利于裂縫的開啟;裂縫與應力方向共軛時,裂縫的有效性降低。因此,遼西凸起太古宇潛山NE向和NW向中高角度剪裂縫有效性高;EW向和SN向中低角度張裂縫最差。

JZ25-C-1井、JZ25-C-2井和JZ25-C-4D井裂縫密度大,且裂縫與應力方向相同;JZ25-C-8井裂縫與應力方向相同,但裂縫密度小;JZ25-C-5井整體裂縫密度小,而且僅在太古宇頂部的裂縫與應力方向相同。結合區域應力背景分析,并根據各組裂縫的切割關系,判斷裂縫的形成時期,對各期次裂縫充填情況進行了研究。遼西凸起太古宇潛山印支運動形成的微裂縫,被斷層泥和白云石充填,不能構成有效儲集空間;燕山運動裂縫充填碎基、鐵質礦物和鐵白云石為主,碎裂作用強,是變質巖儲層主要造縫期,碎裂巖和碎斑巖較發育;喜馬拉雅期裂縫以方解石充填、半充填為主,后期經溶蝕可構成有效裂縫。

5 結論

(1)遼西凸起太古宇巖性由二長片麻巖、黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖、變質花崗巖、片麻質碎裂巖、碎裂花崗巖和碎斑巖等組成,并以片麻巖為主。太古宇地層在中生代沉積前,呈現南高北低的地貌特征,北部地層保存相對完好,南部地層上部具有剝蝕,因此北部地區太古宇深部存在南部的地層序列,巖漿巖比例整體上自北向南逐漸變高。

(2)太古宇變質巖具有溶蝕孔、裂縫和微孔隙3種儲層類型,以裂縫為主;潛山內幕高密度裂縫分布區與儲層發育具有明顯的一致性,因此裂縫發育程度是遼東灣地區遼西凸起中北段太古宇潛山儲層的主控因素。

(3)太古宇潛山發育3組構造裂縫,區域構造差異活動與暗色礦物含量控制了裂縫有效性及裂縫規模;燕山運動是變質巖儲層主要造縫期,喜馬拉雅期裂縫以方解石充填、半充填為主,后期經溶蝕可構成有效裂縫。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

陳洪德、王峻提出論文總體構思,張春光負責引言編寫;郭龍龍負責其余部分編寫及統稿;郭龍龍、張春光負責圖件編繪。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

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.