裴仰文, 王 静, 范彩伟, 吴孔友, 张泽宇

(1.深层油气全国重点实验室,山东青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 3.中海石油(中国)湛江/海南分公司,海南海口 570300)

当岩石受力超过其强度极限时,可通过不同类型的变形过程,形成结构特征具有显著差异的构造现象[1]。前人研究发现,在低—非孔隙性岩石中(孔隙度小于15%),通常发育由近平行的两个面组成的不连续构造,如断层和裂缝等;而在高孔隙性岩石中(孔隙度大于15%)则通过局部压实、膨胀或剪切等作用,以颗粒滑动、旋转及破碎等方式发生变形进而形成狭窄的条带状构造,即变形带[2-5]。断层、裂缝和变形带的发育使得岩石在微观尺度的构造变形也具有显著差异。鉴于此,前人对微观构造变形的结构特征、构造类型和成因机制开展大量研究[6-10],发现岩石中微观构造的发育一方面既可能为油气提供储集空间或运移通道,另一方面也可能形成有效的油气封堵[11-14],并发现微观构造对储层具有显著的改造作用[15-18]。琼东南盆地油气资源丰富,特别是近年来在乐东—陵水凹陷连续发现陵水13-2、陵水17-2、陵水25-1等大中型气田,充分证实琼东南盆地所蕴含的巨大勘探潜力,因此吸引石油地质学家的广泛关注[19-21]。近年来的勘探结果表明琼东南盆地温压条件特殊,且在盆地中深层地层中有大量的微观构造发育。然而琼东南盆地发育的微观构造类型、构造特征尚不清楚,特别是微观构造发育对琼东南盆地储层的改造作用有待进一步厘定。因此笔者选择琼东南盆地崖城及周边地区为研究区,通过岩心和镜下观察对研究区发育的微观构造变形特征、微观构造变形类型与岩石组分之间的关系、微观构造变形的形成机制进行研究,并评价微观构造变形的发育对研究区储层物性的改造作用,对研究区后续的油气勘探提供一定的理论指导。

1 地质背景

琼东南盆地位于海南岛东南、南海北部,呈北东向延伸,其西侧以1号断层与莺歌海盆地邻接,北部为海南隆起,东部与珠江口盆地相接,面积约为60000 km2,最大沉积厚度高可达12 km,是一个新生代伸展型含油气盆地(图1)。

图1 琼东南盆地构造区划分示意图(据文献[20],有修改)Fig.1 Schematic diagram of structural division of Qiongdongnan Basin (After citation[20], modified)

琼东南盆地的总体构造格局为“南北分带、东西分块”,在纵向上具有“下断上坳”的垂向双层结构[22-23]。琼东南盆地包括北部坳陷带、中部隆起带、中央坳陷带、南部隆起带4个一级构造单元,并可进一步细分为20个二级构造单元,包含崖北、崖南、松西、松东、乐东、陵水、松南、宝岛、北礁、北礁西、北礁东、甘泉和长昌13个凹陷以及崖城凸起、松涛凸起、崖南低凸起、陵水低凸起、陵南低凸起、松南低凸起和北礁凸起7个凸起[24-26]。

琼东南盆地经历早期断陷和后期坳陷2个演化阶段,在古近纪断陷阶段,盆地依次沉积始新统陆相岭头组(E2l)、下渐新统海陆过渡相崖城组(E3y)、上渐新统滨—浅海相陵水组(E3l);在新近纪坳陷阶段,海水加深,盆地接受海相的连续沉积,自下而上依次沉积下中新统三亚组(N1s)、中中新统梅山组(N1m)、上中新统黄流组(N1h)、上新统莺歌海组(N2y)和更新统乐东组(Qld)(图2)。勘探表明,盆地发育3套烃源岩,即始新统湖相烃源岩、渐新统海陆过渡相烃源岩及中新统海相烃源岩,且上渐新统陵水组(E3l)与上中新统黄流组(N1h)为琼东南盆地主要产气层[25,27]。由于在新生代经历复杂的构造演化并接受快速沉积,琼东南盆地压力结构在平面上具有显著的差异性[28-29]:松东—松南现今各套地层均处于静水压力中,为常压带;东部松南—宝岛—长昌区断裂较发育,为泄压带;崖南—乐东—陵水凹陷断裂不发育,但沉积来自崖城凸起的三角洲砂体,为砂体泄压型低压带;大崖城区因欠压实作用使得压力明显高于其他地区,故为异常高压带。

图2 琼东南盆地综合地层柱状图(据文献[25],有修改)Fig.2 Comprehensive strata log diagram of Qiongdongnan Basin (After citation[25], modified)

2 研究方法

本研究在琼东南盆地崖城区11口钻井岩心观察的基础上,对关键心段进行采样和岩石薄片制作,通过镜下观察对研究区中深层发育的微观构造进行特征识别和类型划分;对所采集的岩心样品进行全岩分析,探讨岩性和矿物组成(黏土、石英、长石等含量)与微观构造类型之间的关系,探讨不同微观构造类型的变形机制;并进一步通过孔隙度、渗透率测试,定量评价研究区微观构造发育对储层物性的改造作用。

3 微观构造特征

3.1 微观构造的宏观特征

在琼东南盆地取芯井YC19-A、YC19-B、YC13-A、YC13-B、YC13-C、YC21-A等井的岩心样品中观察到微观构造现象(如图3绿色箭头所示)。观察发现,除少量裂缝发育之外(图3(a)、(b)),岩心中还发育大量的微观构造(图3(c)～(f))。所观察到的微观构造多呈狭长条带状,且与其两侧未变形的原岩相比颜色较深,遇水后颜色反差更加明显。

研究区取芯井中观察到的裂缝和微观构造主要发育在砂岩段地层中(图3),石英体积分数多在40%～74%,黏土矿物含量较少。其中仅在大崖城区YC19-B井的梅山组(N1m)地层中观察到少量微裂缝的发育(图3(a)、(b)),裂缝面多数不平直,未见明显擦痕、阶步,充填现象不明显;而在大崖城区YC19-A、YC19-B、YC13-A、YC13-B等井中观察到大量微观构造的发育(图3(c)～(f)),并主要集中在YC19-B井梅山组二段(N1m2)、YC19-A井崖城组一段(E3y1)地层中,多呈窄而长的条带状,具有一定的宽度(一般小于5 mm),沿岩心延伸长度最长可达15～20 cm。

3.2 微观构造的镜下特征

在岩心观察的基础之上,选择发育裂缝和变形带的典型样品,按照垂直裂缝和变形带的方向切割磨制薄片,并在光学显微镜下观察其微观视域构造特征,发现4种微观构造的发育,分别为微裂缝、碎裂带、微观涂抹带和硅酸盐混合变形带(图4)。

图4 微观构造的镜下特征Fig.4 Microscopic features of micro-structures

琼东南盆地部分薄片中可观察到微裂缝的发育,并有少量方解石充填现象;但微裂缝密度较低,且多发育于脆性地层中,如大崖城区YC19-A井的黄流组一段(N1h1)与YC19-B井的梅山组一段(N1m1)(图4(a)～(c))。镜下观察发现,微裂缝较为平直,并切穿部分石英、长石等矿物颗粒,指示微裂缝可能具有剪切性质。

除微裂缝外,研究区还观察到大量狭长条带状微观构造的发育,且主要集中在高孔隙性砂岩中(图4(d)～(i))。与微裂缝相比,图4(d)～(i)所观察到的微观构造多具有一定的宽度(0.1 ～ 0.5 mm),条带内部石英、长石等矿物颗粒发生一定程度的破碎、旋转,颗粒粒径变小,并导致孔隙度发生坍塌。根据狭长条带中矿物颗粒变形方式及孔隙度变化特征,进一步将其细分为3种不同类型,分别为碎裂带(图4(d)、(e))、微观涂抹带(图4(f)、(g))和硅酸盐混合变形带(图4(h)、(i))。

(1)碎裂带:当纯净砂岩受外力作用时,其内部矿物颗粒接触点应力增加,通过颗粒破碎、粒度减小及孔隙坍塌等变形形式发育形成碎裂带,属于一种亚地震构造类型[2,3,5,28]。碎裂带多发育在大崖城区YC19-B井的梅山组二段(N1m2)与YC13-C井的陵水组三段(E3l3)(图4(d)、(e))。原岩中脆性矿物体积分数为87%～90%(石英、长石),黏土矿物体积分数为7%～8%;而在碎裂带内脆性矿物为80%～82%,黏土矿物体积分数为15%～18%。碎裂带内矿物颗粒破碎,矿物粒径减小并发生一定程度的定向排列(图5(a)),矿物间多以颗粒接触为主,孔隙度明显减小。

(2)微观涂抹带:微观涂抹带是由于黏土矿物含量较高或局部存在泥质条带而发生微观尺度的泥质涂抹现象;涂抹过程中发生黏土矿物定向排列并形成断层泥,石英等脆性矿物颗粒被黏土矿物分隔而未发生普遍的颗粒破碎现象[2,3,5,29]。微观涂抹带多发育在大崖城区YC19-B井梅山组二段(N1m2)与YC21-A井崖城组一段(E3y1)(图4(f)、(g))。以图4(f)为例,原岩中脆性矿物体积分数为82%(石英、长石),黏土矿物体积分数为17%;而在微观涂抹带内脆性矿物为25%,黏土矿物体积分数为72%。微观涂抹带内,黏土矿物受力后通过剪切变形旋转至与条带近平行方向并定向排列,孔隙度较小;石英和长石颗粒较少,被黏土矿物环绕且无明显的颗粒破碎现象(图5(b))。

(3)硅酸盐混合变形带:硅酸盐混合变形带是在不纯净高孔隙性砂岩中发育的一种兼具碎裂作用和微观涂抹作用的微观构造,但其由于碎裂作用而发生的石英颗粒破碎程度明显弱于碎裂岩,由于微观涂抹作用发生的黏土矿物定量排列程度也明显弱于微观涂抹带[3,5,8]。硅酸盐混合变形带多发育在大崖城区YC13-C井的陵水组三段(E3l3)与YC19-A井崖城组一段(E3y1)(图4(h)～(i))。以图3(h)为例,原岩中脆性矿物体积分数为83%(石英、长石),黏土矿物体积分数为14%;而在硅酸盐混合变形带内脆性矿物为50%,黏土矿物体积分数为47%。与碎裂带和微观涂抹带相比,硅酸盐混合变形带中脆性矿物和黏土矿物含量均介于两者之间。硅酸盐混合变形带中石英、长石等脆性矿物多以旋转滑动为主要变形方式,颗粒破碎程度较弱(图5(c));黏土矿物在石英、长石颗粒间发生微观涂抹,形成织物状结构。

3.3 微观构造的分布规律

通过对琼东南盆地取芯井的岩心以及薄片观察发现,大崖城区微观构造较为发育,主要集中在YC19-A与YC19-B两口井中,并在YC13-A、YC13-B、YC13-C、YC21-A等井中也有少量发育。从平面分布来分析,以上井位主要分布在崖南凹陷西部和崖南低凸起(图1),反映微观构造的发育受到1号断层和2号断层的控制。从微观构造发育层段来分析,不同层段微观构造的发育类型和程度存在差异:一方面,研究区微观构造主要集中发育在梅山组二段和崖城组一段,少量发育在黄流组一段和陵水组三段;另一方面,在埋深相对较浅的层位多发育微裂缝(如黄流组一段和梅山组二段),而其他3种微观构造类型则主要在埋深相对较深的层位,例如碎裂带主要发育在陵水组三段和崖城组一段,微观涂抹带主要发育在崖城组一段,硅酸盐混合变形带主要发育在陵水组三段和崖城组一段。这一垂向分布规律可能反映随着埋深的增加,温度和压力加大,导致岩石韧性逐步增强,使得脆性变形(如微裂缝)更容易发生在浅部地层,而脆性-韧性变形(如碎裂带、微观涂抹带和硅酸盐混合变形带)则更容易发生在深部地层。然而由于研究区各钻井取芯长度有限,本研究针对微观构造平面和垂向分布规律的分析可能存在一定的局限性。

3.4 微观构造与岩石组分的关系

通过对研究区31件发育微观构造的岩心样品进行全岩测试分析获取原岩的岩石矿物体积分数,由于方解石、白云石、铁白云石、石膏、菱铁矿和黄铁矿的体积分数极低(均低于3%),因此本文主要统计各样品的黏土矿物、石英和长石体积分数(见表1“原岩”一栏);而对于发育微观构造的样品,本研究采用微观视域面积法估算微观构造条带中黏土矿物和脆性矿物(石英和长石)的体积分数(见表1“微观构造”一栏)。在此基础上通过对比原岩与微观构造矿物体积分数,进一步探讨岩石矿物组分与微观构造变形之间的关系(表1)。

表1 原岩及微观构造矿物体积分数统计(部分数据)Table 1 Statistics of mineral contents of host rocks and micro-structures (partial data)

从表1中可以看出:发育微裂缝的原岩中石英体积分数在56%～64%,长石体积分数在22%～33%,黏土矿物体积分数在4%～17%;发育碎裂带的原岩中石英体积分数在54%～64%,长石体积分数在20%～37%,黏土矿物体积分数在2%～10%;发育硅酸盐混合变形带的原岩中石英体积分数在40%～66%,长石体积分数在20%～40%,黏土矿物体积分数在3%～17%;发育微观涂抹带的原岩中石英体积分数在40%～74%,长石体积分数在11%～40%,黏土矿物体积分数在6%～17%。

基于表1中原岩与微观构造矿物体积分数,编制原岩矿物体积分数与微观构造类型散点图(图6(a)、(b))和微观构造类型与变形带矿物体积分数散点图(图6(c)、(d))。如图6(a)、(b)所示,原岩中脆性矿物体积分数和黏土矿物体积分数与微观构造类型之间无明显相关性。而从图6(c)、(d)中观察发现,变形带中脆性矿物体积分数和黏土矿物体积分数与微观构造类型之间具有较强的相关性:当脆性矿物体积分数高于76%,黏土矿物体积分数低于20%时,发育的微观构造多为碎裂带;当脆性矿物体积分数低于45%,黏土矿物体积分数高于50%时,发育的微观构造多为微观涂抹带;而当脆性矿物体积分数介于45%～76%,黏土矿物体积分数介于20%～50%时,发育的微观构造多为硅酸盐混合变形带。

3.5 微观构造变形机制

综上所述,研究区发育有4种不同类型的微观构造,分别为微裂缝、碎裂带、硅酸盐混合变形带和微观涂抹带;且4种微观构造具有不同的微观变形特征和机制(表2)。

表2 原岩及微观构造矿物体积分数统计Table 2 Statistics of mineral contents of host rocks and micro-structures

(1)微裂缝:多发育在黏土矿物体积分数低于5%的纯净砂岩中(表2(a)),是主要受控于微观剪切应力而发育的线性破裂面。微裂缝较为平直,通常直接切穿石英、长石等矿物颗粒,部分微裂缝可被方解石等矿物充填。变形过程中,剪切变形集中在单一不连续面,石英、长石等矿物颗粒发生剪切破碎并在微裂缝两侧呈现出一定的微观错动。

(2)碎裂带:变形带内黏土矿物体积分数低于20%(表2(b)),是在微观剪切应力控制下发育的具有一定宽度的变形条带。由于变形带内黏土矿物较少,石英、长石等矿物颗粒之间以硬接触为主,在剪切应力作用下发生矿物颗粒破碎而使粒径减小,且破碎颗粒沿剪切方向定向排列,变形带内孔隙度与原岩相比显著减小。

(3)硅酸盐混合变形带:变形带内黏土矿物体积分数介于20%～50%(表2(c))。由于层状硅酸盐矿物体积分数相对较高,变形带内石英、长石等矿物颗粒之间的硬接触有效面积有所减小,导致剪切变形过程中矿物颗粒的破碎程度较低,并以石英、长石、黏土矿物等颗粒的旋转、滑动和混合为主要变形方式,并沿剪切方向发生一定程度的定向排列。变形过程中,层状硅酸盐矿物在石英、长石等矿物颗粒间发生微涂抹,导致颗粒间孔隙被层状硅酸盐矿物分割成“织物状”,孔隙间连通性与原岩相比明显变差。

(4)微观涂抹带:变形带内黏土矿物体积分数高于50%(表2(d))。由于层状硅酸盐矿物体积分数较高,变形带内绝大多数石英、长石等矿物颗粒被黏土矿物环绕包裹,硬接触有效面积很小,导致在剪切变形过程中,石英、长石等颗粒未发生明显的破碎现象;变形带内的黏土矿物薄层则在剪切作用下沿着平行于剪切应力的方向发生微观涂抹。由于微观涂抹带内部致密且孔隙度很低,在微观视域中将其两侧岩石孔隙分割为2个独立的系统。

4 微观构造对储层物性的改造作用

本研究对研究区发育微观构造的岩心样品开展孔隙度、渗透率测试,并定量分析与原岩孔隙度、渗透率之间的差异,探讨研究区高温高压条件下微观构造发育对于储层物性的改造作用。

根据11组岩石孔隙度、渗透率统计结果,计算获得微观构造发育导致原岩孔隙度、渗透率产生的变化量(增幅+/降幅-),并制作孔隙度、渗透率柱状对比图(图7)。

综合分析图7发现:①微裂缝的发育能够有效提高岩石孔隙度和渗透率(图7(a)),孔隙度增幅为4.7%～8.0%,渗透率增幅为(29～146)×10-3μm2;②碎裂带的发育既可提高岩石孔隙度(最大增幅为1.2%),也可降低岩石孔隙度(最大降幅为2.8%),既可提高岩石的渗透率(最大增幅为2.5 ×10-3μm2),也可降低岩石渗透率(最大降幅为0.7×10-3μm2)(图7(b)),但碎裂带发育导致岩石孔隙度、渗透率产生的变化量与微裂缝相比明显偏低;③硅酸盐混合变形带的发育使岩石孔隙度、渗透率降低,孔隙度降幅为0.1%～3.2%,渗透率降幅为(0.01～0.7)×10-3μm2(图7(c))。

前人针对Unita、Rio Grannde Rift、North Sea等全球多个盆地中微观构造发育对储层渗透率的影响开展大量研究[2,3,15,17,30-35],发现在常规温压条件盆地中,微观构造的发育普遍导致储层物性变差,渗透率降低幅度最高可达6个数量级(图8)。而本研究中11组数据显示,琼东南盆地高温高压条件下微观构造的发育对储层渗透率的影响作用较为有限。其中微裂缝的发育可使渗透率增大,最高增幅可达1个数量级,储层物性得到一定的改善;碎裂带的发育即可使渗透率增大也可使其降低,但变化幅度均低于1个数量级;硅酸盐混合变形带的发育普遍使岩石渗透率降低,但降低幅度低于1个数量级。

图8 变形带发育对原岩渗透率的影响(据文献[2],[10],[31]～[35],有修改)Fig.8 Influence of deformation bands development on permeability of protolith(after citation[2],[10],[31]～[35], modified)

5 结 论

(1)琼东南盆地崖城区主要发育4种微观构造,分别为微裂缝、碎裂带、硅酸盐混合变形带和微观涂抹带。其中微裂缝是通过岩石微观尺度的破裂作用形成,碎裂带是通过岩石矿物颗粒的碎裂作用形成,硅酸盐混合变形带是通过岩石中层状和架状硅酸盐的混合作用形成,而微观涂抹带则是通过岩石中泥质条带的涂抹作用而形成。

(2)琼东南盆地崖城区发育的微观构造类型与变形带内黏土矿物体积分数相关:黏土矿物体积分数低于20%时以发育碎裂带为主,高于50%时以发育微观涂抹带为主,介于20%～50%时以发育硅酸盐混合变形带为主。

(3)琼东南盆地崖城区微观构造的发育对储层物性具有一定的改造作用:微裂缝可显著提升岩石孔隙度(增幅4.7%～8%)和渗透率(增幅为(29～146)×10-3μm2);碎裂带既可提高也可降低岩石孔隙度(-2.8%～+1.2%)和渗透率((-0.7～+2.5)×10-3μm2);硅酸盐混合变形带小幅降低岩石孔隙度(降幅为0.1%～3.2%)和渗透率(降幅为(0.01～0.7)×10-3μm2)。