南堡凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖儲層特征及主控因素

2013-10-25 06:44:10楊國濤姚紀明陳少勇馮建松邢文軍

石油地質與工程 2013年6期

楊國濤，李娜，姚紀明，陳少勇，馮建松，邢文軍

（1.中國石油冀東油田分公司勘探開發研究院，河北唐山 063004；2.中國石油冀東油田油氣集輸公司；3.河北聯合大學礦業工程學院；4.中國石油冀東油田分公司陸上油田作業區）

1 地質概況

南堡凹陷及周邊是一個中生代開始發育的含油氣凹陷［1］，系渤海灣盆地黃驊坳陷內的次一級負向構造單元，位于黃驊坳陷北端，北靠燕山褶皺帶，東鄰渤中坳陷，西為滄縣隆起［2］，主要包括西河凸起、落潮灣凸起、西南莊－柏各莊凸起、馬頭營凸起和姜各莊凸起及南堡凹陷潛山帶［3］。區內前中生代經歷了多期構造運動，主要包括早元古代華北地臺結晶基底形成期、中晚元古代臺緣裂陷期、古生代地臺發育期。受海西期、印支期及其以后構造運動的影響，古生界存在不同程度的剝蝕，與上覆不同時代地層之間以角度不整合接觸。根據已鉆井資料分析，寒武系分為上、中、下統，細分8個地層組，即：府君山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組、長山、鳳山組［4］。受構造運動及古地貌的影響，地層厚度差異較大，介于196～672 m。主要沉積巖性為泥灰巖、灰巖、泥質灰巖、云灰巖、灰質白云巖、白云巖。

長期以來，碳酸鹽巖潛山勘探一直圍繞南堡1號、南堡2號構造奧陶系縫洞型油氣藏展開，并獲得了突破［5－6］。隨著對潛山油氣藏石油地質條件及儲層規律認識的進一步提高，對寒武系碳酸鹽巖油氣勘探同樣取得了重大進展，尤其是唐180×2井在寒武系潛山測試獲日產油260 m3高產工業油流，揭示了寒武系碳酸鹽巖良好的油氣勘探前景。本文運用沉積巖石學及儲層地質學方法，結合巖心薄片觀察、鉆錄井、FMI成像測井等綜合手段，綜合研究儲層特征及主控因素，建立了儲層發育成因地質模式，為該區的下步油氣勘探部署提供了地質依據。

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學特征

據對10多口鉆井巖心的詳細觀察及150多個巖石薄片分析結果，南堡凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖儲層的主要巖石類型為泥晶、粉晶白云巖占36.3%，亮晶砂屑云巖占7%，泥微晶顆粒灰巖占29.3%，泥晶、微晶灰巖占34.4%。泥晶、粉晶白云巖：灰色、褐灰色，主要為泥晶、粉晶結構，層狀分布粒屑，大小0.20～0.80 mm，由準同生白云巖化作用而成，晶粒多呈自形－半自形結構，常呈砂糖狀。亮晶砂屑云巖：灰褐色，砂屑大小0.15～1.70 mm，分選差，由粉－泥晶白云石組成，砂屑間以自形粉晶白云石為主，由準同生白云巖化作用或交代作用形成。泥微晶鮞粒灰巖：灰色、灰白色，鮞粒為塊狀構造，鮞粒大小0.40～1.40 mm，以泥晶方解石為主，具環帶結構，鮞粒重結晶達到微晶，鮞粒間以泥晶方解石為主，部分次為亮晶方解石，見幾丁質生物碎片，含量2%，陸源碎屑為石英、長石和海綠石。泥、微晶灰巖：灰褐色，泥、微晶結構，結構不均一，常見角礫狀構造，由于構造縫發育，相互切割形成角礫狀，且構造縫被方解石全充填，見縫合線被泥鐵質、黃鐵礦充填。

2.2 儲集空間類型及特征

根據巖心觀察和薄片鏡下鑒定結果，南堡凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖潛山儲層的儲集空間主要為裂縫、溶蝕孔洞和基質孔隙三大類。其中，溶蝕孔洞包括相對孤立分布的溶洞及沿裂縫分布的裂縫溶擴洞，洞徑一般為0.5～2.0cm，多被方解石或碎屑巖充填、半充填，是寒武系潛山儲層的重要儲滲空間。基質孔隙主要包括晶間孔、粒間、粒內溶孔及殘余粒間孔等。晶間孔一般在0.01～0.2 mm，殘余粒間孔僅在張夏組的鮞粒灰巖中比較發育，粒間、粒內溶孔主要見于泥、粉晶云巖及亮晶砂屑云巖。孔徑一般小于0.3 mm，多呈“蜂窩狀”分布，大部分未充填，少量被方解石半充填，部分孔隙中見油浸、油斑。裂縫主要包括構造縫、成巖縫，其發育程度主要受構造運動、巖溶作用及成巖作用控制。構造縫以高角度裂縫為主，其次為低角度裂縫，局部微裂縫呈網狀分布，縫寬為0.5～1.0cm，少數達2 cm，裂縫大多已被方解石或白云石充填，局部井段見有沿溶蝕孔洞發育的裂縫，半充填，偶見油跡。成巖縫主要包括壓溶縫、破裂縫、溶蝕縫等，常呈鋸齒狀、蛇狀彎曲延伸。縫寬為0.01～0.20 cm，局部巖心段發育有網狀微裂縫，其中常被泥質或方解石全充填，部分未充填。

2.3 儲集層類型及物性特征

利用井壁成像測井（FMI）資料，結合常規測井響應特征及巖心、薄片資料，將南堡凹陷寒武系碳酸鹽巖儲集層按儲集空間特征劃分為4種類型：溶蝕孔洞型、孔隙型、裂縫－孔隙型、裂縫型（圖1）。

圖1 南堡凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖儲層綜合評價

（1）溶蝕孔洞型儲集層：以泥粉晶白云巖、亮晶砂屑云巖為主，儲集空間為晶間孔、晶間溶孔、粒間溶孔和洞穴等。常規測井表現為自然伽馬一般為低值，深淺側向為中等值，密度值減小，聲波時差值較高，形態表現為“尖峰”，中子孔隙度為高值。平均孔隙度為4.4%，分布在1.8%～7.9%之間，滲透率差異較大，分布在（0.1～11.2）×10－3μm2，平均滲透率為2.1×10－3μm2。

（2）孔隙型儲集層：以泥粉晶白云巖為主，儲集空間主要為晶間孔、晶間溶孔，為白云巖化作用及重結晶作用所形成。常規測井表現為聲波時差和中子測井值中高值，密度值偏低。孔隙型儲層平均孔隙度為2.8%，主要分布在0.1%～4.0%，平均滲透率為0.8×10－3μm2，主要分布在（0.01～3.0）×10－3μm2。

（3）裂縫－孔隙型儲集層：以泥粉晶白云巖為主。儲集空間主要為晶間溶孔、粒間、粒內溶孔和裂縫，古巖溶、重結晶作用及溶蝕作用是孔隙發育的主要成因，同時后期裂縫發育改善了儲層的連通性。自然伽馬為低值，深淺側向電阻率為中高值，呈現明顯“正差異”，孔隙度測井表現為聲波時差和中子測井值較高，密度值低。裂縫－孔隙型儲層平均孔隙度為3.7%，主要分布在0.5%～6.5%，平均滲透率為1.2%×10－3μm2，主要分布在（0.01～8.0）×10－3μm2。

（4）裂縫型儲集層：以泥晶、微晶灰巖為主。常規測井表現為雙側向出現差異值，密度、中子、聲波時差曲線變化不明顯。裂縫型儲層平均孔隙度為1.5%，主要分布在0.5%～3.0%，平均滲透率為0.6%×10－3μm2，主要分布在（0.1～2.1）×10－3μm2。

通過上述綜合對比分析，溶蝕孔洞型、裂縫－孔隙型儲集層物性相對較好，裂縫型儲集層物性相對較差。溶蝕孔洞型、裂縫－孔隙型儲集層主要分布在寒武系中、下統的泥、粉晶灰質白云巖、云巖。

3 儲層發育主控因素及地質模式

3.1 構造應力作用

南堡凹陷及周邊寒武系經歷了晚古生代到第四紀的各種地質構造作用，多期構造應力釋放為產生構造縫提供了有利的地質動力條件，形成了由斷裂、裂縫及微裂縫組成的斷裂－裂縫網絡體系［7］。據區域構造特征、構造應力場模擬、鉆井成像測井及測試等資料分析，寒武系儲集層裂縫體系主要為與大斷裂平行的北東－南西向和與大斷裂斜交的北北西－南南東向，在多組大斷裂交匯區及高應變地區是高角度裂縫有利發育區。

3.2 古巖溶作用

古巖溶作用可以認為是含有CO2的地表水（大氣淡水）和地下酸性水對可溶碳酸鹽巖淋濾、溶蝕、搬運、沉積及充填等多種作用的綜合。它通常包括三期不同類型的溶蝕作用。即同生期大氣淡水溶蝕作用、古風化殼巖溶作用及埋藏有機溶蝕作用［8－11］，對碳酸鹽巖儲層物性具有明顯改造作用。根據成像測井、鉆錄井資料及巖心分析，區內寒武系比較常見的有古風化殼巖溶作用及埋藏有機溶蝕作用兩種，巖溶作用對儲層物性的影響主要體現在形成未完全充填的洞穴、孔洞及溶縫。縱向上，古風化殼作用會產生碎屑支撐的角礫灰巖及黃鐵礦充填物，見少量的充填、半充填的孔洞。埋藏有機溶蝕作用由于長期滲流及地下水潛流作用，易形成未完全充填的洞穴、小型孔洞、溶縫、洞頂破裂縫及溶洞充填物中的孔隙，一般在不整合面下200 m范圍內，多發生泥漿漏失及鉆具放空現象（表1）。

表1 南堡凹陷及周邊寒武系泥漿漏失及鉆具放空統計

3.3 成巖作用

通過鏡下薄片、陰極發光、成像測井等觀察研究，區內寒武系成巖作用類型主要有溶蝕作用、破裂作用、重結晶作用、交代作用及膠結充填作用等［12］。溶蝕作用主要包括表生成巖期大氣淡水的溶蝕淋濾作用及地下水滲流、潛流溶蝕作用。表生溶蝕作用常見于寒武系中上統，伴生碎屑支撐的角礫狀灰巖，如T20×1井長山、鳳山組（1750.2～1753.9 m）常見角礫狀構造，發育的構造縫被方解石全充填，偶見泥鐵質、碎屑充填物；滲流、潛流溶蝕作用易見于寒武系中下統的徐莊組、毛莊組及府君山組，常發育洞穴、洞頂破裂帶及溶蝕孔洞，如T180×2井毛莊組（1820.8～1827.6 m）溶蝕孔洞發育段。破裂作用主要包括沉積作用、構造作用、風化作用等，最常見的破裂作用能形成壓溶縫、溶蝕縫及縫合線，常與斷裂緊密伴生，具成組成帶狀展布特征；重結晶作用具有雙重作用，能導致礦物晶體結構變粗，晶間空隙增大，改善儲集空間，同時，后期晶粒自生加大作用充填晶間孔隙，也能降低有效孔隙度，區內常見有方解石重結晶導致縫洞被半充填、全充填。交代作用以白云巖交代方解石為主，易見張夏組鮞狀灰巖中鮞粒被方解石交代（如T20×1井段1785.15～1786.43 m）。膠結充填作用主要對儲集空間起破壞作用。膠結、充填礦物常見方解石、黃鐵礦、泥質、砂屑及生屑等，以方解石、泥鐵質膠結充填為主。

研究表明，寒武系上統長山組、鳳山組及崮山組主要經歷了構造破裂作用，表生溶蝕作用、膠結充填作用等，早期形成的構造裂縫、溶蝕孔洞受到后期強裂的膠結充填作用及重結晶破壞作用，降低了有效儲集空間。而寒武系中、下統主要經歷了溶蝕作用，地下水的滲流、潛流溶蝕作用、破裂作用、重結晶作用等，其中，溶蝕作用及重結晶作用對儲集空間改善的貢獻最大。

3.4 儲層發育地質模式

以儲層基本特征研究為基礎，結合南堡凹陷及周邊構造演化特點，充分考慮儲層主控因素，尤其是古巖溶及成巖作用，建立了寒武系儲層發育地質模式。研究表明，由于經歷了多期抬升剝構造作用，寒武系地層厚度差異較大，多期巖溶及成巖作用對碳酸鹽巖儲層具有明顯的改造作用。區內主要發育兩種巖溶作用，即古風化殼巖溶作用及埋藏有機巖溶作用的，形成了多期巖溶帶。按巖溶作用類型劃分，縱向上主要為表生巖溶帶、滲流巖溶帶及潛流巖溶帶三種類型。表生巖溶帶主要發育在寒武系上統，以構造縫為主要儲層空間，由于后期的膠結充填作用，儲集性能差，滲流巖溶帶在寒武系的中、下統均較發育，以裂縫－孔隙型儲集空間為主，伴隨發育溶蝕洞，主要受構造破裂及埋藏有機溶蝕的影響，儲層物性較好。潛流巖溶帶常見順層發育的溶蝕孔洞及洞頂破裂帶，主要集中發育在中統頂部及下統中下部，儲集性能好，是下步勘探有利儲層帶（圖2）。