遼河大民屯凹陷中央構造帶太古宇變質巖儲層巖性特征分析

朱毅秀,單俊峰，王 歡,蔡國剛

1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 2.中國石油大學地球科學學院，北京 102249 3.中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010

0 引言

盆地基底結晶巖系潛山油氣藏的勘探已有100多年歷史[1-3]，目前已成為相對重要的油氣勘探領域[3-7]。早先研究主要側重潛山頂部油氣藏的成因和類型[3-10]，最近10多年以中國遼河地區為代表對變質巖內幕油氣藏有所研究[9-13]，主要研究方向為成藏作用及控制因素，儲層主要表征變質巖風化淋濾的孔縫和構造裂隙[14-21]。變質巖潛山油氣藏核心是儲層問題，儲層的關鍵是巖性。變質巖內幕油氣藏其內巖性的空間分布類似于沉積巖是成層分布還是傳統理論的塊狀分布，目前勘探成果還有待深入探討。近些年科研報告和文章認為是成層性的[10,22-23,①]。遼河坳陷大民屯凹陷在1983年就已發現太古宇變質巖油氣藏，歷經30多年勘探已取得豐碩的成果，其中央構造帶(研究區域)在東勝堡—靜安堡太古宇潛山的高部位已發現工業油氣并提交探明儲量，但在此構造帶潛山其他地方及深層勘探程度較低，仍具有較大的勘探潛力和較廣闊的勘探前景。對大民屯地區變質巖潛山前人主要從成藏、裂縫等方面進行研究[16,24-25,①]。綜合而全面地研究太古宇變質巖儲層巖性特征與儲層影響因素，探討變質巖空間分布特征有助于揭示潛山內幕結構，有利于豐富和完善新型的基巖內幕油氣成藏理論。

1 區域地質特征

研究區位于“小而肥”著稱的大民屯凹陷的中央地區(圖1)，緊鄰凹陷中最深的榮勝堡洼陷和三臺子與安福屯洼陷。基底斷裂發育，以正斷層為主。斷裂走向與組成郯廬斷裂重要部分的大民屯凹陷東西兩側的邊界斷裂平行，北東向展布為主；此方向展布的變質巖潛山被研究區域內前古近系沙四段沉積時期形成的北西向和近東西向次級斷裂分割而呈現條帶狀，形成了潛山東西分帶、南北分塊的構造格局*① 宋柏榮，王仁厚，徐萍，等. 遼河坳陷太古宇巨厚潛山儲層研究及應用. 盤錦：遼河油田勘探開發研究院，2008.② 朱毅秀，謝慶斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央構造帶基巖結構及儲層評價. 北京：中國石油大學，2010.。

區域上研究區結晶基底是“遼東型”太古宇變質巖，其片麻理、線理、不同巖性互層式“層理”、條帶狀構造等變質巖的結構構造是有序分布的，多為近東西向或北東東向。在同一地區各種巖石的構造走向和傾向一致，變化時同時發生變化、結果也一致，導致產狀變化相同或保持一致。這是因為此“遼東型”變質巖原巖是正常(水成)沉積巖和火山碎屑巖，其在固態條件下經歷了區域變質作用和混合變質作用，保留了原始構造。鋯石測年測定研究區變質巖的鋯石結晶年齡為26～25 Ga，區域變質巖年齡不早于26 Ga，混合巖化改造在區域變質之后，年代上與區域變質接近或更晚些，年齡為25～23 Ga*① 宋柏榮，王仁厚，徐萍，等. 遼河坳陷太古宇巨厚潛山儲層研究及應用. 盤錦：遼河油田勘探開發研究院，2008.?？赏茰y研究區區域變質巖和混合巖也屬于新太古代，類似于鞍山群地層系統上部地層。

據腳注①修編。圖1 大民屯凹陷構造單元劃分與研究區位置示意圖 Fig.1 Structural units of Damintun depression and the location in the study area

早在太古宙郯廬斷裂就開始活動，五臺和呂梁運動活躍使本區發生強烈褶皺和區域變質作用、混合巖化作用，深變質和混合巖化作用形成了本區最早一套變質巖結晶基底。呂梁運動使遼河坳陷形成了盆地基底，在之后盆地構造蓋層發展時期，構造運動較平靜，以平緩穩定的垂直升降運動為主。薊縣運動至加里東運動時期，大民屯地區整體處于抬升狀態，長期遭受剝蝕，在研究區缺失中—新元古界和古生界。中—新生界也產生了多期沉積與剝蝕，并形成今天的地層層序格局與復雜的盆地構造及沉積演化*① 宋柏榮，王仁厚，徐萍，等. 遼河坳陷太古宇巨厚潛山儲層研究及應用. 盤錦：遼河油田勘探開發研究院，2008.② 朱毅秀，謝慶斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央構造帶基巖結構及儲層評價. 北京：中國石油大學，2010.。

2 研究區太古宇變質巖巖石學特征

根據鉆遇研究區太古宇潛山57口井的巖心和巖屑觀察、96片薄片鑒定及前人實驗測試分析結果等資料研究*① 宋柏榮，王仁厚，徐萍，等. 遼河坳陷太古宇巨厚潛山儲層研究及應用. 盤錦：遼河油田勘探開發研究院，2008.② 朱毅秀，謝慶斌，宋玲，等. 大民屯凹陷中央構造帶基巖結構及儲層評價. 北京：中國石油大學，2010.，認為大民屯中央構造帶太古宇鞍山群變質巖潛山巖性復雜(表1)，可見多種區域變質作用與混合變質作用、動力作用形成的三大類巖石，并進一步可細分為18種(表2)，多為中深變質巖。最常見為混合花崗巖、混合片麻巖、混合巖、混合巖化變粒巖、斜長片麻巖、斜長角閃巖、淺粒巖、變粒巖，夾糜棱巖、碎斑巖、碎裂巖等動力變質巖(圖2、表1、表2)。

表1 研究區太古宇部分樣品定名簡表

表2 研究區太古宇變質巖潛山主要巖石類型簡表

淺粒巖肉紅、灰白色為主，細?；◢徸兙ЫY構，塊狀構造，部分具有條紋狀構造；變晶晶粒大小為0.10～0.30 mm；主要造巖礦物為石英、斜長石、堿性長石及少量深色礦物(表3，圖2 b、g、k)。以長英質淺粒巖為主，另有鈉長淺粒巖、鉀長淺粒巖和二長淺粒巖等種類。推測由(凝灰質)長石砂巖(細?；蚍凵傲?變質而成，淺粒巖儲層是潛山高部位的主要儲層。

變粒巖淺灰、灰、灰黑色，多由鉀長石、石英、斜長石、黑云母與角閃石(表3)礦物組成，深色礦物大于10%；花崗變晶結構，塊狀構造為主，少量現微片麻狀、條帶狀；晶粒大小0.05～1.00 mm。組分上可分為黑云母變粒巖、角閃石變粒巖(表1，圖2 c、h)。推測其原巖是半黏土質巖石及砂巖。

斜長角閃巖與角閃巖灰黑、灰綠色及灰色，致密、堅硬，鱗片花崗變晶結構，塊狀構造；粒徑為0.20～3.50 mm。主要成分為斜長石和角閃石，另含少量黑云母、輝石(表3，圖2a、j)。該套巖石內角閃石和其他深色礦物體積分數多大于50%，基本不見裂縫，難形成儲集空間。推測其原巖為泥灰巖、凝灰巖或熔巖，多經中級區域變質作用而成，再經混合巖化作用后可形成條帶狀混合巖或混合片麻巖。

a.斜長角閃巖，不規則角閃石晶體包裹長石晶體，安93井，2 970.5 m； b.碎裂化淺粒巖，裂縫及半充填，安76井，1 779.5 m；c.變粒巖，深色礦物(角閃石、黑云母)綠泥石化，細粒變晶結構，安602井，2 950.5 m；d.黑云母斜長角閃片麻巖，定向排列的深色礦物，靜35井，2 090.0 m；e.混合巖，粗中粒變晶結構，安114井，3 050.0 m；f.混合片麻巖，黑云母弱定向排列及微裂縫，安106井，3 005.0 m；g.碎裂狀混合淺粒巖，破碎縫及變晶結構，沈166井，3 185.0 m；h.混合變粒巖，未充填的微裂縫與溶孔，勝10井，3 300.7 m；i.混合花崗巖，變形長石晶體及破碎狀，勝22井，2 841.0 m；j.斜長角閃巖，裂縫及充填，安101井，2 515.3 m；k.淺粒巖，勝11井，2 866.0 m；l.混合片麻巖，靜35井，2 090.0 m；m.混合花崗巖，安86井，3 473.1 m。a—i 9幅照片均為正交光下照片。Q.石英；Bi.黑云母；Hb.普通角閃石；Kf.鉀長石；Pl.斜長石。圖2 遼河大民屯凹陷中央構造帶變質巖儲層顯微鏡與巖心中不同類型巖性、微觀孔縫特征Fig.2 Different types of lithology and microscopic characteristics of the metamorphic reservoir in the centre area of Damintun depression

井號深度/m巖性定名礦物組成(巖心和薄片)安1012 554.0長英質淺粒巖長石70%,石英25%,黑云母、角閃石5%安1302 879.5碎裂狀淺粒巖鉀長石30%,石英33%,斜長石10%,糜棱組分15%,方解石10%,黑云母2%安1303 021.0中細粒變晶淺粒巖鉀長石36%,斜長石17%,石英42%,黑云母2%,角閃石2%,其他小于1%安1332 785.0角閃石變粒巖斜長石28%,鉀長石29%,石英30%,角閃石10%,黑云母2%,其他1%安932 915.0角閃石黑云母變粒巖長石65%(鉀長石45%,斜長石20%),黑云母20%,角閃石10%,鐵礦等5%安932 970.5混合巖鉀長石40%,斜長石15%,石英20%,角閃巖20%,黑云母5%安1063 005.0混合片麻巖鉀長石25%,斜長石30%,石英35%,黑云母5%,角閃石4%,鐵質1%靜352 095.8中粗?；旌匣◢弾r斜長石25%,鉀長石40%,石英30%,角閃石5%沈2333 547.5中粗粒變晶混合花崗巖鉀長石43%,斜長石25%,石英30%,角閃石2%勝213 280.0混合花崗巖石英33%,鉀長石42%,斜長石25%勝173 410.0斜長角閃片麻巖角閃石45%,斜長石40%,石英10%,鉀長石5%勝222 863.5斜長角閃巖石英15%,角閃石50%,斜長石35%安212 952.9角閃巖角閃石75%,輝石20%,其他5%

斜長角閃片麻巖深灰、灰黑色，鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造，以角閃石、斜長石為主(表3)，少量石英、鉀長石，有時含黑云母(圖2d)。推測原巖為中基性火山噴發巖、火山碎屑巖(凝灰巖)。主要在東勝堡潛山北部的勝17井、勝14井和勝22井分布較多。

混合片麻巖肉紅、灰紅色為主夾深灰、灰黑色，鱗片花崗變晶結構、花崗變晶結構，片麻狀構造；由鉀長石、石英、斜長石和少量深色礦物(表3，圖2 f、l)組成。強烈的混合作用，暗色基體定向排列，巖石中殘留基體體積分數<50%。

混合花崗巖顏色以淺灰、灰白、淡紅色為主，中粗粒粒狀變晶結構，塊狀構造和混合構造為主,可見少量片麻狀構造；混合作用最徹底，結構與結晶的花崗巖相似，仍可見花崗質或硅質脈體；成分主要由鉀長石、石英、酸性斜長石和少量深色礦物組成(表3)。主要包括斜長混合花崗巖和二長混合花崗巖(圖2 i、m)。

碎裂巖與碎斑巖巖石遭受不同程度的壓碎，壓碎、變形作用到被碾碎成大小不等的碎塊或粉末，碎裂程度中等到極高。研究區域主要為長英質碎裂巖，如碎裂化長英質淺粒巖、碎裂化混合花崗片麻巖和碎裂化混合花崗巖(圖2b、j、g)。碎裂結構，塊狀構造；主要成分為石英和長石,少量黑云母(表3)。構造縫隙和破碎粒間孔發育，孔縫部分被泥質、方解石及鐵質充填，部分孔縫含油。如安76井1 779.5 m處的碎裂化混合花崗巖；勝14井3 109.4 m處的長英質碎斑巖。

3 研究區太古宇變質巖空間分布

3.1 潛山內幕地層對比

本次研究嘗試根據地震、測井、錄井、分析化驗資料及巖性組合，在相鄰地區類似沉積巖地層進行變質巖潛山內幕地層對比分析，選取多條太古宇變質巖古潛山巖性對比剖面(圖3)，并總結出研究區巖性綜合柱狀示意圖(圖4)。綜合對比結果顯示：本區變質巖古潛山帶地層在垂向上大致從下至上分為混合花崗巖帶，混合花崗巖與混合片麻巖夾角閃巖、輝綠巖帶，混合巖和變粒巖帶，淺粒巖與片麻巖帶等幾個巖性組合帶(層段)。各層段不均勻夾斷裂破碎帶，太古宇頂部是不整合面，為風化殼或風化破碎帶。

圖3 研究區沈233—安17井巖性對比圖Fig.3 Lithological correlation diagram of Shen 233 to Well An17 in the study area

3.2 巖性垂向分布

綜合比較各井相對高程、平面位置、可能疊置關系、測井響應、巖性組合特征、區域地層組合特征，歸納出研究區地層巖性組合特征(圖4)，由下至上分為多個巖性組合段，呈現出混合花崗巖—混合巖與混合片麻巖—角閃斜長片麻巖與角閃巖—變粒巖與淺粒巖--風化殼等巖性組合段，巖層中夾豐富基性脈巖和碎裂巖為主的動力變質巖。除了風化殼以外，不同井、不同區塊發育巖性組合段不一樣。

3.3 研究區巖性平面分布

統計及綜合分析研究區不同巖性平面分布特征(圖5)，主要巖性分布如下。

3.3.1 混合花崗巖分布區域

混合花崗巖是研究區分布最廣泛的巖類，主要在安福屯斷層的東西兩側和安78斷層的南側成片分布，即在研究區域西部、東北部、西北部和中部，以及安福屯潛山和靜北潛山底部層序、東勝堡—靜安堡潛山帶西側及靜安堡潛山分布。井剖面上顯示,混合花崗巖主要分布在相對深的層序中，內部存在多種被充填的構造裂隙與淋濾風化溶孔。

3.3.2 淺粒巖分布區域

研究區大部分地方有分布，也是分布最廣泛的變質巖類之一，主要在榮勝堡斷層的北側和東勝堡斷層兩側成大片分布，另在靜安堡也有分布，位于研究區南部和中部，構成東勝堡潛山和靜安堡潛山主體。厚層狀淺粒巖中夾多種變粒巖、片麻巖、碎裂巖等其他巖類，有時可見較富含深色礦物的變粒巖和淺粒巖相互疊置或互層。淺粒巖在中央構造帶潛山變質巖巖體相對高部位分布，內部存在多種半充填、未充填的裂隙與溶孔，易形成有利儲層。

3.3.3 變粒巖分布區域

變粒巖位于研究區域中北部，在研究區分布較廣，呈小塊狀，是靜安堡潛山和靜北潛山底層重要組成部分。靜安堡潛山北靠近安福屯潛山部位變粒巖較發育，暗色礦物含量較多；巖性較脆，混合巖化與碎裂化較強烈。中厚層狀至薄層狀可見，剖面上變粒巖和淺粒巖、片麻巖互層和不等厚疊置，夾多種片麻巖、碎裂巖、角閃巖等其他巖類。變粒巖有時也可以達到中級粒度或弱定向排列，顯示片麻巖特征。部分巖石內部存在一定裂隙與淋濾風化溶孔。

3.3.4 混合巖和混合片麻巖分布區域

混合巖和混合片麻巖主要分布在研究區中部、北部，深度上于淺、中深部位潛山帶分布，見于靜安堡潛山東部和靜北潛山底部太古宇層序中，沿勝13—勝14—勝17—安83—安101—安93及安81以北區域分布，占研究區東北部分區域，也是目前已發現油氣的重要區域。其內富含長石與石英礦物，具備形成優質變質巖儲層的物質基礎，可見溶蝕擴大裂隙及縫隙，并多由綠泥石、方解石、硅質和鐵質等充填與半充填?；旌匣钠閹r較豐富，基體為黑云母二長片麻巖、鉀長片麻巖、角閃斜長片麻巖、角閃二長片麻巖，在其強烈混合時可成為混合花崗巖，脈體多為長英質。

4 巖石組分和類型對儲集層的影響

本區太古宇變質巖儲集體在縱向上自上而下分為3個儲集帶，依次是風化破碎儲集帶、斷裂發育儲集帶和致密帶[26]。儲層儲集空間主要為裂縫、溶孔和其他，研究區域為裂隙型儲層。變質巖儲層為低孔隙中低滲透性到特低孔低滲至特低滲性型。變質巖的復雜演化歷程，導致了其內儲集空間經歷了形成、發展、堵塞、再形成等復雜演化。巖性特征對這種演變具有重要控制作用，巖性是儲層形成與儲集空間保存的兩大核心控制因素之一。

in(英寸)為非法定計量單位，1 in = 2.54 cm。圖4 大民屯凹陷中央構造帶太古宇變質巖巖性綜合柱狀示意圖Fig.4 Lithological column of the Archean metamorphic reservoir in the centre area of Damintun depression

圖5 大民屯凹陷中央構造帶基巖潛山太古宇主要巖性平面分布圖Fig.5 Lithology planar distribution of the Archean bed rock buried-hill in the central area of Damintun depression

4.1 主要造巖礦物對儲集層的影響

長石具兩組完全解理，性脆，易形成蝕變溶蝕孔縫；受力后易沿解理縫加大裂開、發生破裂，多期疊加作用使縫隙開度變大，形成宏觀縫。石英礦物穩定，基本沒有溶蝕孔隙，僅在強力作用下出現破裂，并在后期成巖中多被硅質愈合。黑云母、角閃石等易蝕變深色礦物容易形成蝕變的溶蝕孔(縫)隙，鏡下常見角閃石溶蝕而呈現殘余狀或幻影狀，黑云母在強力或長期力作用后產生碎裂或變形及形成沿解理縫擴大的裂縫。

早期研究顯示：變質巖中深色礦物黑云母和角閃石體積分數越少、相對剛性礦物越多，越對儲層有利，并得出其體積分數和物性呈負相關。比較這種體積分數和物性關系，可知碎裂變形與黑云母和角閃石在巖石中體積分數有一定關系。統計表明：角閃石體積分數為10%～15%的變質巖在溶蝕強烈區域比角閃石為其他體積分數的變質巖易形成有利溶蝕孔洞；黑云母體積分數5%～15%的變質巖在相同受力與風化溶蝕條件下，形成的裂縫與溶孔更多、滲透性也較好，更易于形成有利儲層；深色礦物體積分數大于15%的變質巖構造成因的儲集空間發育更差。這可能是由于含鐵鎂礦物較高的深色礦物高含量時使巖石彈性變強、抗壓性變強，延展性較好，出現變形而不破裂，從而減少裂縫量與裂隙率，出現裂縫延伸短的細微裂縫為主；同時深色礦物蝕變更強，產生的蝕變物就近充填裂隙，從而形成全充填和半充填的裂縫，對形成儲層不利；深色礦物體積分數小于15%、淺色礦物(長英質)體積分數大于80%的變質巖，性脆、受力后容易發生破碎，更容易沿解理縫形成裂縫，構造成因的儲集空間更發育。

4.2 巖石類型對儲集層的影響

研究區變質巖儲層為裂隙型儲層，在相同應力場作用下，變質巖脆性高的更易于形成縫隙。石英、長石等淺色礦物為脆性礦物，含量高、脆性強；而黑云母、角閃石等深色礦物為塑性礦物，其含量高、塑性強和延展性好，不易變形與破碎。因此，常把變質巖中石英、長石等淺色礦物含量較高、相對易形成裂縫的混合片麻巖、混合花崗巖、淺粒巖、碎裂化的變粒巖，以及碎裂巖與碎斑巖等稱為儲集巖；而把角閃巖和斜長角閃巖等深色礦物體積分數較高(50%以上)，在相同構造應力作用下難形成裂縫并易于愈合的變質巖巖類，稱為非儲集巖。

角閃斜長片麻巖、淺粒巖、變粒巖等研究區區域變質巖，儲集空間為構造裂縫、溶孔與溶縫、少量晶間孔等。統計顯示：深色礦物體積分數大于15%的區域變質巖儲集空間發育差；體積分數小于15%、受力后容易發生破碎，出現裂隙。研究區長英質體積分數高(80%及以上),碎裂化的淺粒巖與變粒巖、片麻巖具較好的儲集物性。

研究區高級變質巖即混合花崗巖和混合片麻巖，其長英質含量高、堅硬、性脆,暗色礦物含量少，易產生破裂，碎裂化后易產生裂隙，宏觀縫寬常大于10 mm，孔隙度為3%～7%，滲透率大于10×10-3μm2，易形成裂縫型儲層。

長英質碎裂巖、碎斑巖的裂縫、破碎粒間孔發育，經淋濾(溶蝕)作用形成的孔隙也極其發育。再改造的糜棱巖容易形成裂縫，可成為優質儲層。

總的比較并評價研究區變質巖儲層可知：深色礦物體積分數低于5%的混合花崗巖和長英質淺粒巖、黑云母體積分數小于10%的混合片麻巖(片麻巖)為優質儲集巖；其次為深色礦物體積分數為10%～15%的混合片麻巖(片麻巖)、變粒巖和混合花崗巖為較有利的儲集巖；深色礦物體積分數大于15%的變質巖在研究區基本為非油氣儲集巖。

5 結論

1)大民屯凹陷中央構造帶太古宇變質巖巖性復雜，細分為三大類18種，變質巖儲層有混合花崗巖、混合片麻巖、長英質變粒巖、淺粒巖、長英質碎裂巖與碎斑巖。最有效儲層為碎裂化混合花崗巖、碎裂化混合片麻巖和淺粒巖。

2)內幕變質巖體巖性在空間上不均一。潛山內幕地層對比顯示本區變質巖潛山帶地層在垂向上大致從下至上分為混合花崗巖帶到風化破碎帶等多個巖性組合帶。太古宇變質巖在垂向上(由下至上)分為多個巖性段，呈現出混合花崗巖—混合巖與混合片麻巖—角閃斜長片麻巖與角閃巖—變粒巖與淺粒巖—風化殼，巖層中夾豐富基性脈巖，上部夾豐富碎裂巖。巖性平面上呈現分區性。

3)巖石類型和礦物種類對研究區域太古宇變質巖裂縫型儲層起控制作用，高含量長英質巖石易于形成有利的孔縫，不同含量深色礦物的變質巖儲集性不同；碎裂化混合花崗巖與混合片麻巖、淺粒巖、部分動力變質巖可作為優質儲層。潛山內幕變質巖體巖性不均質，決定了其物性不均一，變質巖體非傳統認為的塊狀均一。

致謝：項目完成過程中得到中石油遼河油田研究院相關工作人員大力支持與幫助，研究生宋玲、高興、楊程宇、王曉東、陳明鑫、張軍燕、范金龍、佘亞明、李眾和本科生羅林、李若懿、趙桐玥、衣方宇等同學參與項目研究工作及后續資料整理工作，在此特致謝意！