渤海海域奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲層特征及主控因素*
——以石臼坨凸起427構造帶為例

達麗亞 張新濤 徐春強 邊立恩 張 捷

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

巖溶作用是古老碳酸鹽巖形成有效儲層的重要控制因素之一，在不整合面之下碳酸鹽巖地層中形成的巖溶是十分重要的油氣儲層[1-6]，其典型代表是塔里木盆地和四川盆地，尤其是塔里木盆地有著中國最大規模的碳酸鹽巖油氣藏，該地區巖溶儲層的相關研究也處于我國領先地位[7-9]。目前有許多學者對巖溶古地貌刻畫和溶蝕縫洞體系識別做了大量的研究[10-12]；也有學者對碳酸鹽巖的溶蝕機制進行了細致研究，認為碳酸鹽巖巖溶作用存在多種不同類型的溶蝕機制[13-16]；另外，還有學者對古巖溶的垂向結構進行了專業術語的規整和定量化表征[17-18]。

20世紀80年代至90年代中國海油在渤海灣盆地發現了渤中28-1，渤中27-2、綏中36-1碳酸鹽巖潛山油氣田，近幾年又發現了渤中21-2、渤中22-1等含油氣構造，揭示了渤海灣盆地海相碳酸鹽巖具有巨大的勘探潛力[19-21]。但碳酸鹽巖儲層發育程度和儲層發育的位置、巖性、儲集空間類型、物性均表現出巨大的差異， 加之碳酸鹽潛山儲集空間展布復雜，非均質性強，平面上不同井區碳酸鹽巖儲層物性差別大，優質儲層發育展布規律和主控因素尚未完全研究清楚。目前渤海油田碳酸鹽巖勘探受到地震分辨率的限制，巖溶縫洞系統的發育情況、發育位置及其連通情況等很難給予準確的預測，加之巖溶作用對儲層的改造作用及影響深度尚未開展深入的研究，這必然大大制約今后該區潛山深部儲層的勘探進度。

位于石臼坨凸起的427構造于20世紀70年代被發現，該構造針對下古生界奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲層設計鉆探11口探井，獲得良好勘探發現，尤其是BZ12井測試日產油1 310 t，指示儲層物性及油氣運聚條件良好。已鉆井揭示，該構造奧陶系上馬家溝組、下馬家溝組、亮甲山組、冶里組地層中均見到油氣顯示或工業油氣流。由于該構造碳酸鹽巖儲層具有埋藏深度大、剝蝕強度大、構造改造作用強、非均質性極強等特點，使勘探面臨極高的風險。本文利用巖心、薄片、鉆井、測井、地震、分析化驗等資料，對奧陶系碳酸鹽巖儲層特征和巖溶儲層分布規律和巖溶控制因素進行系統研究，揭示該區潛山碳酸鹽巖巖溶儲層發育具有一定規模，同時也表明針對碳酸鹽巖巖溶儲層仍有很大的勘探空間。

1 地質概況

427構造帶隸屬于渤海灣盆地中部的石臼坨凸起南側分支，其西、南兩側發育的邊界大斷裂控制了潛山構造格局的發育，使之成為內部地層傾向NE、走向NW—SE的背斜構造帶。427構造帶與渤中凹陷相接，向南傾沒于渤中凹陷，處于油氣運移指向的有利位置，成藏條件非常優越(圖1)。目前在石臼坨凸起上已發現秦皇島32-6油田、秦皇島33-1油田、秦皇島33-1S油田、秦皇島29-2油氣田、渤中3-1油田等多個大規模整裝油氣田，油氣在新近系和古近系均有富集，是典型的復式油氣聚集區帶[22]。

圖1 427構造帶位置圖及潛山結構Fig.1 Regional location and buried hill structure of 427 tectonic belt

427構造帶潛山巖性復雜，包括太古界變質花崗巖、下古生界碳酸鹽巖、上古生界碎屑巖和中生界火山碎屑巖。本文研究目的層奧陶系位于427構造帶中段，自下而上可劃分為下奧陶統的冶里組、亮甲山組和中奧陶統的下馬家溝組、上馬家溝組。受多期構造作用疊加影響，奧陶系底部直接覆蓋在寒武系及太古界花崗巖基地之上，頂部與東二下段不整合接觸，缺失新生界古近系沙河街組、中生界和上古生界(圖2)。

圖2 427構造帶奧陶系綜合柱狀圖Fig.2 Ordovician synthesis column of 427 tectonic belt

2 儲層特征

2.1 巖石類型

已鉆井揭示，427構造帶奧陶系碳酸鹽巖潛山地層的巖石類型復雜，通過巖心觀察、薄片鑒定及元素分析手段詳細劃分出16種巖石類型(表1)，總體上以灰巖類為主，白云巖次之。灰巖類根據成分、結構、顆粒含量的不同可進一步劃分為泥晶灰巖、含白云質灰巖、白云質灰巖、顆粒灰巖，根據顆粒種類的不同又可劃分為藻團粒、球粒、藻屑、砂屑、藻鮞、生屑灰巖等，其中生物碎片多見腕足類、介形蟲、瓣鰓類、棘皮類，海百合莖、骨針次之(圖3)。

表1 427構造帶奧陶系碳酸鹽巖儲層巖石類型Table 1 Rock types for Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

a—BZ12井，3 200 m，泥晶灰巖，100(-)；b—BZ19井，3 180 m，泥晶生屑灰巖，海百合莖，50(-)；c—BZ19井，3267 m，粉晶棘皮變鮞粒灰巖，100(-)；d—BZ17井，3 682 m，亮晶藻鮞灰巖，100(-)；e—BZ12井，3 395 m，泥晶生屑灰巖，25(-)；f—XBZ12-1井，3 312 m，亮晶砂屑灰巖，50(-)；g—XBZ12-1井，3 321 m，泥晶球粒灰巖，50(-)；h—BZ18井，3 120 m，粉晶粒屑灰巖，海綿古針局部富集，200(-)；i—BZ3井，3 193 m，灰質細晶白云巖，100(-)；j—BZ19井，3 328 m，粉晶硅質白云巖，200(+)；k—BZ12井，3 342 m，泥晶白云巖，50(-)；l.BZ17井，3 511.41 m，團粒泥晶白云巖，方解石脈發育，巖石角礫化程度高，100(-)；m—BZ3井，3 097 m，粉晶云巖，50(-)；n—BZ17井，3 817 m，晶粒云巖，50(-)；o—BZ17井，3 826 m，晶粒云巖，硅質交代，200(+)。

圖3 427構造帶奧陶系碳酸鹽巖儲層薄片特征
Fig.3 Characteristics of thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

白云巖按成分和結構的差異可細分為泥晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖、晶粒白云巖等。

筆者根據常量元素測定結果中氧化物質量分數反推礦物組成及含量，可以準確確定巖性，以減少錄井及薄片鑒定帶來的人為誤差。通過MgO的質量分數XMgO確定白云石的含量y=XMgO(184/40)，并計算方解石的含量z=(XCaO/56-XMgO/40)100[23]。以BZ17井為例，上馬家溝組以灰巖類為主；下馬家溝組白云質含量增加，出現白云質灰巖或灰質白云巖；亮甲山組發育白云巖；冶里組為白云質灰巖夾薄層白云巖。整體上該井奧陶系碳酸鹽巖潛山巖性在縱向上可劃分為顆粒灰巖-泥晶灰巖-白云質灰巖-白云巖-白云質灰巖的巖性旋回(圖4)，其中上馬家溝組、下馬家溝組、冶里組為開闊臺地沉積，發育臺內灘和臺坪沉積微相；亮甲山組為局限臺地沉積(圖2)。

圖4 BZ17井奧陶系潛山地層巖石化學分析Fig.4 Petrochemical analysis of downhole Ordovician buried hill stratigraphy of Well BZ17

2.2 儲集空間類型

427構造帶11口已鉆井的取心和2000余張薄片分析揭示，碳酸鹽巖儲層儲集空間可分為三類，即晶間溶蝕孔、裂縫、溶蝕洞。

1) 晶河溶蝕孔。晶間溶蝕孔多發育在亮甲山組白云巖儲層之中,是在白云石晶粒間原生孔的基礎上溶蝕擴大的次生孔隙(圖5a)，面孔率2%～4%。在下馬家溝組和上馬家溝組泥晶灰巖和顆粒灰巖中發育較差，面孔率<1%。

2) 裂縫。裂縫主要包括構造縫和溶蝕縫兩類。構造縫在奧陶系頂部較為發育，縫壁平滑，未見擴溶現象，巖心觀察構造縫延伸最長可達35 cm，寬度最大3 cm，最小0.3 cm，被方解石全充填(圖5b)；見有共軛剪切縫(圖5c)，兩組近似平行的裂縫相互切割形成，這類裂縫多為微裂縫，延伸性不強，縫寬0.1～0.2 cm(圖5d)。溶蝕縫是由構造裂縫溶蝕擴大形成，溶蝕作用的發育程度決定于巖性與構造縫雙重因素的影響。巖心和薄片觀察表明，裂縫多為半充填或未充填，部分完全充填，主要被方解石充填，多為完全充填或部分充填(圖5e)。

3) 溶蝕洞。溶蝕洞主要發育在下馬家溝組和亮甲山組中，溶洞規模大小不一，溶洞中可觀察到圍巖角礫散落在洞穴中,后期被方解石膠結，形成巖溶角礫巖(圖5f、g)。通過地震屬性分析，可以發現洞穴多發育在潛山深部，但發育程度存在差異；有些洞穴成串珠狀分布并且有一定的水平連通性，有些洞穴相對獨立，與其他的洞穴不連通。

2.3 儲集物性特征

由于427構造帶奧陶系碳酸鹽巖的非均質性極強，小巖心樣品物性分析結果不能完全代表巖層的物性特征，主要反映的是微觀縫與基質的特性。從巖心樣品物性分析并結合薄片分析來看，白云巖中孔隙度明顯高于灰巖，灰巖巖性一般較致密，無有效晶間孔，基本不具有儲集能力。通過對該區72個小樣品的物性分析，結果表明孔隙度和滲透率關系較差，存在2種類型儲層，即孔隙-裂縫性和裂縫-孔隙性儲層，有效孔隙度為1%～4%，平均孔隙度為2.4%，滲透率為0.01～1.00 mD，平均滲透率為0.42 mD(圖6)。

a—BZ3井，3 211.66 m，細晶白云巖，溶蝕孔，50(-)；b—BZ3-1-1井，3 286.5 m，泥晶白云巖，溶蝕縫被方解石充填，原巖破碎程度高，25(-)；c—BZ12井，3 242 m，泥晶灰巖，兩期構造縫切割，25(-)；d—BZ3-1-1井，3 340 m，泥晶生屑灰巖，兩期構造縫相交叉，縫內被粉晶方解石全充填，50(-)；e—BZ12井，3 323 m，泥晶白云巖，角礫化程度高，25(-)；f—XBZ12-1井，3 518.92～3 518.99 m,灰巖，巖溶洞穴；g—XBZ12-1井，3 278.35～3 278.48 m，灰巖，巖溶洞穴角礫巖。

圖5 427構造帶奧陶系碳酸鹽巖儲層巖心及薄片特征
Fig.5 Characteristics of cores and thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

圖6 427構造帶奧陶系碳酸鹽巖儲層孔隙度與滲透率關系Fig.6 Relationship between porosity and permeability of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

3 主控因素分析

3.1 巖性對巖溶儲層發育的影響

不同巖性的溶蝕性不同。實際資料表明，427構造帶奧陶系白云巖的儲集性通常比石灰巖好(圖7)，主要有2種原因：第一，白云巖的脆性通常比石灰巖大，更容易形成裂縫；第二，白云巖通常具有粉晶—細晶結構，原生晶間孔較發育，與泥晶結構的灰巖相比更容易使水介質進入產生溶蝕擴大[24]。因此，在渤海海域，優質的巖溶儲層多發育在白云巖段，如渤中28-1油田、渤中21-2構造，細晶白云巖本身既是良好的儲集空間，又利于水介質流動，而且更利于形成巖層溶蝕。

沉積環境控制了巖石類型，對巖溶儲層的發育和分布具有重要的控制作用[21]。局限瀉湖相有利于白云石化作用的發生，是有利的沉積相帶；而開闊臺地中灘相顆粒灰巖和臺坪相泥晶灰巖是較差的儲集相帶，只有經歷白云石化作用的影響才能形成有利的儲集層。薄片觀察發現，上馬家溝組和下馬家溝組的泥晶灰巖和泥晶生屑灰巖巖性致密，不發育溶蝕孔，可作為良好的蓋層；而亮甲山組晶粒白云巖物性最好，孔隙度多大于3%，滲透率大于1 mD，是良好的儲集層。

圖7 427構造帶奧陶系儲層孔隙度、滲透率柱狀圖Fig.7 Histogram of porosity and permeability of Ordovician reservoir in 427 tectonic belt

3.2 構造破裂作用對巖溶儲層發育和分布的影響

構造運動作用導致研究區發育二級不整合面，奧陶系與古近系直接接觸。427構造帶西側受石南二號大斷層長期活動的影響，奧陶系碳酸鹽巖潛山發育眾多NE—SW走向的裂縫，與邊緣大斷層走向一致。構造破裂作用形成的裂縫發育和分布直接控制了巖溶作用程度。在滲流帶中，串珠狀溶洞通常是在裂縫交叉處發育；在潛流帶中，水平溶洞及地下暗河也常常是沿著裂縫呈規模性伸展[25]。裂縫與這些溶蝕孔洞縫等的復合，構建成縫洞性儲層，成為427構造帶奧陶系主要的儲集空間和滲流通道。根據已鉆井資料分析，裂縫對儲層的影響表現在以下幾個方面：①溶蝕孔洞大多沿著裂縫呈串珠狀分布，為油氣保存的有利場所；②薄片觀察發現，微裂縫呈網狀分布，有效改善了灰巖滲流能力；③半充填或未充填的裂縫不僅可以成為油氣存儲的空間，也可以成為油氣運移的通道。另外，從裂縫與地層厚度比數據分析中可以看出(圖8)，當裂縫發育段有效厚度與地層厚度百分比大于25%時，均能獲得良好的測試產能；一般比值小于25%的地層測試產能都較低。例如，BZ12井進入潛山300 m范圍內裂縫發育有效厚度達79 m，裂縫與地層厚度比達26%，測試獲得日產1 310 t的高產油流；而XBZ12-1井裂縫與地層厚度比只有10%，為低產井。

此外，雖然灰巖的脆性及溶蝕性均小于白云巖，但在裂縫發育段灰巖的巖溶發育程度明顯增強，形成有利的運移通道和儲存空間，大大提高了儲層的滲流能力。

圖8 427構造帶奧陶系儲層裂縫段與地層厚度比Fig.8 The ratio of the net fault to the fracture thickness of Ordovician reservoir in the 427 tectonic belt

3.3 巖溶相帶對巖溶儲層發育的控制

巖溶作用發育強度在垂向上具有明顯的差異性，取決于水介質溶蝕動力的改變。通常根據不同的溶蝕動力可以將巖溶剖面自上而下分為表層巖溶帶、垂向滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶等4個巖溶相帶：①表層巖溶帶是地表強烈巖溶化過程的產物，通常廣泛發育陸源碎屑顆粒充填溶蝕洞縫等現象；②垂向滲流帶是出露在潛水面以上在大氣降水期間才充有水，具有流量少、間歇性、垂直向下滲流的特點；③水平潛流帶是在潛水面之下緩流帶之上的部分，長期充滿水且向勢能較低部位流動，流量大，流速較高；④深部緩流帶雖然也長期充滿水，但流動極其緩慢[17-18]。依據單井鉆遇不同巖溶相帶測井響應及充填物巖石成分，427構造帶奧陶系碳酸鹽巖可以劃分出2個巖溶帶，即垂向滲流帶和水平潛流帶。

實鉆結果表明，鉆具放空和鉆井液漏失主要發生在距離潛山面50～553 m范圍內，漏失量為4～235 m3，反映地層中存在未充填的溶洞，特別是在距離潛山面552.5 m處仍然存在巨大的溶洞(表2)。在此范圍之上的地層巖溶儲層不發育，由于沒有鉆井完全揭示奧陶系，所以無法預測這個范圍之下的層段是否還有溶洞。同時也表明，本區滲流帶的深度為50 m左右，由于水流量小，溶蝕強度不如潛流帶；不是有利儲層發育帶;而下部緩流帶以膠結為主，同樣不利于儲層發育。

表2 427構造帶各井鉆井液漏失統計Table 2 Dribbing fuid loss statistics for each well in 427 tectonic belt

3.4 古地貌對巖溶儲層發育和分布的控制

古地形地貌對古巖溶縫洞系統的發育程度和分布具有重要的控制作用。地形的高低直接影響地下水流的方向和匯集指向[25-26]。古地貌恢復發現，427構造帶奧陶系總體趨勢呈南高北低的態勢(圖9)，水流方向也應該是自南向北，因此該期巖溶帶走向應該是南北向。

圖9 427構造帶奧陶系潛古巖溶地貌與儲層分布Fig.9 Palaeogeomorphology and reservoir distribution of Ordovician buried hill in 427 tectonic belt

從該區古巖溶地貌圖上可以劃分出巖溶高地、巖溶緩坡、巖溶階坪和巖溶溝谷等4種二級地貌單元。巖溶高地分布范圍僅局限在南部；巖溶緩坡普遍發育，呈寬緩分布范圍廣的特點；巖溶溝谷主要在本區中部和北部發育。圖10為427構造帶奧陶系地震曲率屬性體預測深部地層縫洞系統分布圖，可以看出巖溶高地縫洞更加發育,巖溶緩坡次之,巖溶溝谷最弱。平面上，油氣主要分布在巖溶高地和巖溶緩坡內，連片性較差，說明油氣分布受控局部構造圈閉控制較小，主要受巖溶古地貌及巖溶儲層控制，這表明寬緩的巖溶緩坡和巖溶高地是巖溶儲層發育和油氣匯聚最有利的指向區。

圖10 427構造帶奧陶系地震曲率屬性體預測縫洞系統分布Fig.10 Ordovician seismic curvature attributes tectonic belt predict fracture distribution in 427 tectonic belt

4 結論

1) 427構造帶下古生界奧陶系碳酸鹽巖儲層巖石主要以灰巖為主,白云巖次之；儲集空間有晶間溶蝕孔、裂縫和溶蝕洞三類，儲層類型有孔隙-裂縫性及裂縫-孔隙性兩類。

2) 427構造帶碳酸鹽巖巖溶儲層形成的主控因素分析表明：①巖性是儲層形成的基礎，有利儲集層主要發育在局限臺地相；②構造破裂作用是巖溶儲層形成的關鍵，受邊界大斷層長期活動的影響，可形成構造縫且更易形成溶蝕擴大縫，是巖溶作用發育最有利的場所；③427構造帶奧陶系可劃分出2個巖溶帶，即垂向滲濾帶和水平潛流帶；④寬緩的巖溶高地和巖溶斜坡這2個二級巖溶帶是最有利于溶蝕作用發育的部位。