渤海湾盆地渤中凹陷西南部变质岩潜山裂缝型储层特征及主控因素

2022-06-16许鹏牛成民李慧勇张鑫肖述光

矿产勘查 2022年4期

许鹏，牛成民，李慧勇，张鑫，肖述光

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

渤海湾盆地是我国东部典型的富油型湖相盆地，油气资源丰富，已发现的油田较多，但大型天然气田鲜有发现，呈现出“油多气少”的特征(李欣等, 2013；薛永安等, 2019)。2018年，渤海油田在渤中凹陷西南部太古宇变质岩潜山发现了渤中19-6大型整装凝析气田，打开了渤海湾盆地天然气勘探全新领域(薛永安等, 2007，2019; 刘小平等, 2009; 邹华耀等, 2010；李欣等, 2013; 侯明才等, 2019；谢玉洪，2020)。勘探实践表明，渤中19-6气田的主要含气层系为深埋(平均埋深约4500～5500 m)变质岩潜山(侯明才等, 2019)，潜山内幕裂缝带厚度可达600～700 m，目前最深探井钻遇太古宇储层发育段近1000 m，仍见到较好的储层，整体净毛比超过40%。

而此前，我国东部渤海湾盆地已发现大民屯、兴隆台、锦州25-1南、王庄等多个变质岩油气藏，但其所揭示储层均为潜山顶面风化壳型，以风化淋滤所形成的孔隙和裂缝为主要储集空间，影响储层发育的根本因素主要为变质岩岩性，另外构造运动、岩浆侵入和大气淡水淋滤等也具有一定控制作用(袁静，2004；朱毅秀等，2018)。渤中19-6气田的发现突破了前人对于渤海湾盆地太古界储层多分布于距潜山顶面300 m以内范围内的传统地质认识。然而，对于深层变质岩潜山内幕储层的研究程度仍然较低，对其空间分布形式(类似于沉积岩的层状分布或传统块状分布)、储集特征及控制因素还不明确，对于优质储层发育机理的认识较少，尤其是其非均质性强、岩性横向变化快、裂缝结构复杂且发育不规则，严重制约了深层变质岩潜山油气的拓展勘探。由于该区域经历了多期次的构造运动，造成有效储层的形成及分布规律相对复杂。在此背景下，现有的潜山控储理论不足以支撑该区下一步精细勘探。因此，有必要进一步厘清变质岩潜山优质储层发育机制。

本文基于渤中19-6构造带共19口探井的岩芯、壁芯、薄片、成像测井等资料的分析，结合渤中凹陷西南部潜山带区域构造背景，对潜山优质储层的发育特征进行总结梳理，探讨储层发育的内在主控因素，为后续勘探提供参考和指导。

1 区域地质背景

渤中19-6构造带位于渤海湾盆地渤中凹陷西南部，北依沙垒田凸起，南接黄河口凹陷，西抵埕北低凸起，东至渤南低凸起，东北部向渤中凹陷主洼延伸(龚再升, 2004，2010)(图1)。其构造背景整体表现为近南北向的洼中隆起带，潜山断裂体系发育，被近北东向郯庐断裂西支和北西向的张蓬断裂带所切割(赵重远, 1984)，形成多个构造高点。该区潜山经历了印支、燕山、喜山等多期构造运动的改造，发育一系列背斜型、断鼻型和断块型潜山圈闭。

图1 渤中19-6构造区域位置(a)及构造简图(b)(据侯明才等，2019修改)

渤中19-6构造带潜山为基底的太古宇变质岩，是最主要的储层。太古宇之上被巨厚的新生界不整合披覆。凹陷内发育3套优质烃源岩，分别为古近系东三段、沙一段和沙三段。其中，沙三段烃源岩具有埋深最大、有机质热演化程度最高的特点，平均有机质镜质体反射率Ro>2.0%(谢玉洪等, 2019)。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

渤中19-6构造基底发育一套变质岩，按成因可划分为区域变质岩、动力变质岩和混合岩三大类。区域变质岩可进一步细分为花岗片麻岩和变质花岗岩类；动力变质岩主要为碎裂化片麻岩、碎裂岩两类；混合岩类主要包括混合片麻岩、混合花岗岩。太古宇潜山岩性整体以变质花岗岩为主，本节主要讨论这类岩性与其对应的常规测井曲线特征(图2)。

潜山变质花岗岩可细分为二长花岗岩与花岗闪长岩，这两类岩石均与自然伽马曲线有较好的耦合关系：二长花岗岩的自然伽马值在120～170 API之间，有时局部会大于170 API，一般可能为二长花岗质片麻岩，可能由于局部的黑云母富集导致钾元素含量过高。而花岗闪长质岩石其自然伽马值在70～110 API之间，但由于花岗闪长质岩石常与二长花岗质岩石互层，导致其整体的API值有些偏高，有时会达到120 API左右。

潜山岩石按照其变质程度可划分为片麻岩类与残余变质岩类，片麻岩类较残余变质岩类暗色矿物含量更高，其色率较高，整体颜色偏深，由于其原岩为花岗质岩石，其变形程度较弱，一般为弱片麻或块状构造。这两类岩石其与深浅侧向电阻率有较好的耦合关系，其表现为片麻岩类一般为致密岩段，其裂缝不发育，同时具有较高的电阻率，一般大于1100 Ω·m，局部高值区可达到18000 Ω·m左右，而且曲线波动幅度大，其深浅幅度差通常大于200 Ω·m，声波时差曲线表现为箱型。而残余变质岩类其暗色矿物含量低，岩石力学性质表现为脆性，受构造应力易产生裂缝，其电阻率值为中等，一般在200～800 Ω·m之间，但其曲线波动幅度不大，深浅幅度差一般小于200 Ω·m，声波时差曲线表现为锯齿型。

另外，本区域潜山发育薄层侵入岩(2～50 m)，侵入到变质岩中，岩性以辉绿岩、二长斑岩等中基性火成岩为主，其自然伽马值较低，一般在60 API左右，具有高密度、高中子的特点。

2.2 储集空间特征

渤中19-6(代号：BZ19-6)太古宇变质花岗岩潜山储层的储集空间类型可分为孔隙和裂缝两大类(图3)。孔隙主要为风化淋滤造成的溶蚀孔洞(图3a～c)。而裂缝则是主要的储集空间类型，根据裂缝的成因可划分为构造缝和溶蚀缝两大类；裂缝分布广泛，多呈枝状分布，互相切割形成网状连通体系。岩芯和成像测井显示，裂缝多以网状缝和高角度剪切缝为主，局部裂缝被绿泥石、方解石或铁质矿物等充填；部分裂缝周围的矿物(主要为碱性长石)存在溶蚀现象，溶蚀孔洞呈串珠状沿剪切裂缝分布。

图3 渤中19-6构造太古宇变质岩储集空间特征

2.2.1 弱溶蚀改造型裂缝

该类储集空间主要为裂缝形成空隙，裂缝周围无明显的溶蚀改造。当岩石中脆性矿物受到挤压应力时，易于形成高角度相交的共轭剪切缝，裂缝常以较密集的网状裂缝形式存在(图3d)，成为裂缝型储层的最主要储集空间和潜山油气藏的运移通道(图3e)。根据充填现象可将没有明显溶蚀改造的裂缝分为未充填、半充填和全充填三种类型。未充填裂缝是潜山储层最主要的储集空间；充填—半充填缝多被方解石、铁白云石、绿泥石等矿物所充填(图3f)。早期形成的未充填裂缝伴随着流体或热液活动影响，开度逐渐变小至完全被充填，使得裂缝型储层的储集性能变差。若潜山的控圈断层后期较为活跃，则充填—半充填裂缝易于再活化(图3g)，孔隙度、渗透率能得到进一步提升。当变质花岗质岩石暗色矿物含量低于5%时，在岩石受到构造应力后，碱性长石易于形成晶内微裂缝(图3h)，镜下薄片可见，该类型裂缝可作为网状裂缝系统的重要连通性通道。

2.2.2 溶蚀改造型裂缝

先存的构造裂缝在遭受后期风化剥蚀、淋滤和地下流体的溶蚀作用后，可造成裂缝的扩溶现象，使裂缝的开度增大从而使储层物性变好。由于部分裂缝被少量方解石、绿泥石局部充填，部分斜长石内张性缝被铁质矿物充填后，则无法继续溶蚀，需要构造作用使其再次开启。镜下溶蚀构造缝多呈树枝状或网状，开度不一，缝宽在12～110 μm，部分裂缝宽度约0.8 mm(图3b、i)。

2.3 储层物性特征

通过对渤中19-6构造带19口井岩芯、壁芯常规物性分析的结果进行综合统计分析可知，太古宇潜山孔隙度为0.1%～21.9%，平均5.4%，中值4.5%，渗透率0.003～614.78 mD，平均6.25 mD，中值0.17 mD。其中潜山上段(进入潜山0～300 m范围)孔隙度0.1%～21.9%，平均6.2%，中值5.6%，渗透率0.003～614.78 mD，平均7.41 mD，中值0.18 mD；潜山下段(潜山300～900 m范围)孔隙度0.1%～11.4%，平均3.3%，中值2.8%，渗透率0.02～0.88 mD，平均0.09 mD，中值0.04 mD。整体属于中—低孔、特低渗储层(图4)。

图4 渤中19-6构造太古宇变质岩储集层物性特征

3 潜山储层分带特征

综合对比钻井和地震资料，渤中19-6气田潜山储层结构垂向上可以划分为两个带，即风化裂缝带(距离潜山顶面0～300 m范围)和内幕裂缝带(距离潜山顶面300～1000 m范围)。渤中19-6构造风化裂缝带和内幕裂缝带在垂向结构剖面上具有层次但又无明显界限，该区古潜山在前新近纪曾遭受了长期的风化剥蚀，其顶部风化裂缝带在各个井区普遍发育，受风化淋滤作用影响更大，储层易发育；内幕裂缝带的展布则具有较强非均质性，受风化淋滤作用的影响较小，其储层发育程度受构造活动和岩性的影响较大(图5)。

图5 渤中19-6构造太古宇潜山变质岩储层分带特征

3.1 风化裂缝带

变质岩潜山在漫长的地质历史中经历强烈风化、淋滤作用，溶蚀孔、缝均较发育，储层物性较好，横向分布稳定，连通性好。构造带各钻井揭示风化裂缝带厚度分布在60.5～315.9 m，平均厚度156.1 m，储层厚度24.5～191.9 m，平均为92.6 m，储层净毛比33.5%～81.7%，平均为59.3%。大气淡水的风化淋滤作用是变质岩潜山风化裂缝带储层形成的主要因素，其对花岗岩潜山的改造主要体现在改善了岩石物性，形成了大量的次生孔隙裂缝，为变质岩潜山提供了大量储集空间。

太古宇潜山变质岩风化裂缝带位于新生界孔店组风化砂砾岩层之下，受构造应力和风化作用共同影响，储集空间类型以“孔隙—裂缝型”为主。变质岩潜山受历次构造运动影响，裂缝本身较为发育；新生代地层沉积前，潜山顶面长期暴露地表，接受长时间的物理风化、剥蚀淋滤作用，地面流体沿裂缝下渗产生溶蚀作用，在网状缝的基础上产生沿裂缝的扩溶孔和粒内溶蚀孔。裂缝也起到了相互沟通的作用，储集空间连通性较好。扫描电镜分析显示，长石颗粒沿微缝、解理面溶蚀强烈，发育溶蚀孔隙和喉道，部分孔隙和裂缝填充了高岭石、伊利石、伊蒙混层等黏土矿物、铁白云石、方解石等碳酸盐类矿物和石英、黄铁矿、菱铁矿等自生矿物。风化裂缝带“孔隙—裂缝型”储层在常规测井曲线上表现为电阻率值低，中子—密度曲线较基质背景有明显的孔隙特征，其中声波曲线有增大趋势。孔隙—裂缝型储层常规测井曲线表现为电阻率值略高，中子—密度曲线较基质背景有明显的孔隙特征，声波时差曲线增大(图5)。

3.2 内幕裂缝带

BZ19-6构造带钻至潜山内幕共11口井，揭示内幕裂缝带厚度分布在37.6～740.2 m，平均301.2 m，其中储层厚度5.0～255.8 m，平均68.5 m，净毛比0.6%～34.7%，平均为22.7%。储层发育程度较上部风化裂缝带较差，净毛比降低。垂向上，由于距离潜山顶面较远(>300 m)，内幕裂缝带接受的风化淋滤作用减弱，沿裂缝的溶蚀扩大的孔洞欠发育，主要储集空间为多期构造运动控制下形成的各种裂缝，主要发育“裂缝型”储层。潜山内幕致密夹层较多，部分裂缝被碳酸盐矿物充填。裂缝型储层常规测井曲线表现为电阻率值较高，有一定的“刺刀状”，孔隙度、渗透率曲线反映物性整体较差，但存在局部高值区(图5)。

4 储层发育主控因素

4.1 裂缝主要成因机制

影响储层裂缝发育程度的因素比较多，通过对潜山储层裂缝的不同成因机制进行系统分析发现，岩性(矿物)组合及多期构造运动是渤海海域太古宇变质岩潜山裂缝发育的主要控制因素。

4.1.1 岩矿组合对裂缝发育的影响

在构造变形幅度较大的岩层中，不同的构造位置决定了裂缝密度发育的差异性(罗世伟, 2019; 万远飞等, 2021)，岩性是控制岩层裂缝密度发育的重要因素(邹才能等, 2015)。花岗闪长质片麻岩、变质花岗闪长岩及变质二长花岗岩是渤海海域的主要变质岩类型，其中，不同的造岩矿物直接影响到岩石的成缝能力。渤海海域太古宇潜山变质岩多以脆性矿物含量较高的浅色矿物组成，铸体薄片分析结果统计，变质岩中长石+石英百分含量在20.0%～100.0%，平均为91%，云母和角闪石矿物百分含量主要分布在5%～15%，平均为9%，在构造应力作用下有利于形成良好的储集体。薄片中常见碱性长石发育粒内裂缝，斜长石中则相对较少。在变质花岗闪长岩与变质二长花岗岩体集中发育的岩性带中，裂缝相对更发育，储层较为破碎。由于长石易形成节理缝，结合地层水渗流作用，晶体构造缝隙和原生的晶间缝发生溶蚀、风化淋滤作用。而石英对比长石较为稳定，不易蚀变(汤建荣等, 2016; 刘小洪等, 2019)，但在应力作用下易发生破裂形成构造缝。但短柱状或粒状习性的暗色矿物和片状云母则相对难于破裂，不易形成好的储集体，说明浅色矿物含量高的二长花岗岩和花岗闪长岩最易于形成裂缝。

结合岩石力学试验数据，制作力学三轴抗压强度柱状图(图6)，综合柱状图与数据得到暗色矿物与三轴破坏强度关系，发现在相同岩性条件下，抗压强度会随着深度的增加而增强，从而导致较浅部位更容易产生裂缝；而相同深度下暗色矿物含量高的岩石抗压强度更高，不易产生裂缝。这论证了岩性影响了裂缝发育，即暗色矿物含量较少的岩石其造缝能力较强。

图6 渤中19-6构造区三轴抗压强度柱状图

4.1.2 多期构造运动对裂缝发育的影响

对于致密的变质岩，在暴露期大气淡水的风化淋滤作用影响有限，难以对深部潜山内幕(距离潜山面300 m以下)的变质岩进行有效改造。因此，潜山内幕裂缝型储层的形成主要因素是内幕裂缝能够成为大气淡水往深部基岩渗滤拓展的通道(于海波等, 2015; 杨一珉等, 2020；侯明才等, 2021)，从而发生进一步的扩溶。印支期、燕山期、喜山期三期重要构造运动的构造应力叠加是渤中19-6潜山形成高密度裂缝发育的基础(赵重远, 1984)。通过对研究区多口钻井的成像测井进行统计，发现内幕裂缝型或溶蚀孔隙—裂缝型储层的发育规模与分布受控于多期构造运动的叠加作用，三组方向裂缝分别对应三期构造运动。裂缝性质、走向和倾角统计结果显示：北东、东西向裂缝以中高角度为主，北西向裂缝以中低角度为主(图7)。通过研究区构造应力场分析可知，北西方向低角度裂缝，为走滑断裂转弯部位所形成，处在挤压应力场中，裂缝多为闭合无效裂缝，而北东向裂缝多处在拉张应力下，因此多为张开有效裂缝。结合研究区构造演化过程与裂缝发育关系可知，印支期的大规模近南北向挤压造山运动是太古宇潜山内幕所有裂缝的主要形成时期，燕山期的多次隆升与反转在此基础上主要起到叠加改造作用，其走滑应变较强，产生了一系列共轭剪切缝，喜山期主要起到了先存裂缝再活化的作用(万远飞等, 2021)，对裂缝有效性起到了较强的控制的作用。

图7 渤中19-6构造区构造活动对太古宇潜山构造控制作用

4.2 太古宇潜山变质岩成储模式

渤中19-6构造的岩性复杂，影响到了储层的分布，同时，研究区太古宇潜山储集层垂向发育规律明显，整体呈现为风化裂缝带和内幕裂缝带两层的发育模式。其中风化作用和构造裂缝共同控制了风化裂缝带储层的发育，裂缝发育程度较高，岩性较全，形成多套碎裂带组成的立体空间网状裂缝体系。

内幕型裂缝储层主要受到构造运动引起的断裂发育控制，在相同构造应力条件下，脆性矿物高而暗色矿物少的层位有利于形成碎裂带。渤中19-6构造位于渤海郯庐西支走滑断裂带上，自中生代以来经历了多期构造运动，形成了复杂的断裂体系与应力场展布。其整体位于印支期挤压背斜构造内，邻近走滑断裂带，为典型的挤压背景，已钻井揭示暗色矿物含量低的长英质岩石发育，易于破碎，是内幕裂缝型储层的有利发育区。

渤中19-6构造太古宇变质岩潜山储层垂向展布特征明显，多期构造应力的叠加使渤中19-6潜山形成风化裂缝带+内幕裂缝带的立体网状储集体系，顶部风化裂缝带受控于沿断裂的风化淋滤作用，容易形成良好的储层，深部内幕裂缝带在岩性与多期构造活动的影响下，储层规模较大，形成太古宇深埋潜山“优势岩性—多期裂缝”的耦合控储机制。