成因控制下厚層碳酸鹽巖油藏隔夾層識別方法

李峰峰， 郭 睿*, 劉立峰， 宋世琦

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

中東白堊系碳酸鹽巖油藏多為厚層塊狀，普遍發育邊底水，油層厚度多介于60～120 m，儲集層垂向非均質性強[1]。隔夾層影響了流體的運移和壓力傳播, 對厚層碳酸鹽巖油藏合理開發具有重要意義[2-3]。碳酸鹽巖受沉積環境及成巖作用雙重影響[4-5]，隔夾層地質特征復雜，研究程度較低。相比碎屑巖油藏中的泥質隔夾層和鈣質隔夾層，碳酸鹽巖油藏中的隔夾層的類型、形成機理、分布規律及表征技術等差異較大[6-10]。不同成因的隔夾層發育規模及隔擋性能差異顯著，僅劃分儲層與隔夾層不能滿足厚層油藏開發的需求。碳酸鹽巖隔夾層隱蔽性較高[1]，強烈的成巖改造導致不同類型的隔夾層性質趨同，地球物理響應特征差異較小。雖然取心井中可以精細識別不同類型的隔夾層，但未取心井隔夾層解釋難以開展，嚴重制約了油藏地質模型的建立。伊拉克M油田白堊系Mishrif組為厚層生物碎屑灰巖油藏，油田處于開發上產階段，開發過程中矛盾突出，層間產液能力差異較大，油藏壓力遞減快，邊底水快速錐進，無水采油期較短。注水開發過程中層間水竄嚴重，造成無效水循環。目前，油藏的地質認識程度較低，鮮見與M油田地質相關的文獻報道。基于巖心觀察、物性分析、鑄體薄片及壓汞實驗等數據識別隔夾層，明確不同隔夾層的地質成因及控制因素，通過巖-電精細標定建立隔夾層識別標準，建立成因控制下隔夾層測井解釋方法，刻畫油藏內部隔夾層空間展布特征，為厚層油藏分層系開發提供地質依據。

1 區域概況

M油田位于伊拉克東南部巴士拉以北(圖1)，構造上屬于美索不達米亞盆地構造前緣帶[11]。油田為一南北向長軸背斜，構造面積約750 km2，為大型碳酸鹽巖油田。主力產層為白堊系Mishrif組生物碎屑灰巖，油氣儲量占整個油田的52%。Mishrif組地層厚度近300 m，與下伏的Rumaila組深水沉積呈整合接觸關系，與上覆Khasib組泥巖呈不整合接觸關系[12]，Mishrif組地層垂向非均質性強，包含3個三級層序[13]和6個四級層序，向上劃分為成M cap、MA、MB1、MB2.1、MB2.2、MC1 共6個段。受海平面升降旋回的影響，不同層段的沉積環境、巖石類型和成巖演化存在顯著差異。白堊紀伊拉克東南部地區一直保持淺海碳酸鹽巖臺地環境[11]，構造作用影響較小, 氣候條件濕潤[14]。M油田Mishrif組為具障壁的緩坡環境，沉積相包括岸灘、潟湖邊緣坪、潟湖、臺內灘、灘后、障壁灘、潮道、灘前和開闊淺海。

圖1 M油田構造地理位置Fig.1 Geological location of M oilfield

2 隔夾層類型及成因

基于取芯井的巖心觀察、鑄體薄片、物性分析及壓汞實驗等數據，根據沉積環境、巖石類型及形成機制等因素，認為M油田Mishrif組發育局限沉積型、深水沉積型、風化膠結型、淋濾膠結型和局限暴露型5類隔夾層(圖2)。

深水沉積型隔夾層發育在開闊淺海環境，屬于巖性隔夾層。開闊淺海位于風暴浪基面之下，水體較深，沉積物泥質含量較高，孔喉半徑較小，原始物性差，進而形成巖性遮擋。巖石主要為泥灰巖或含生屑泥灰巖，巖心呈淺灰白色致密狀，生物擾動現象普遍發育，鑄體薄片上可見栗孔蟲、海綿骨針等深水生物(圖2)。深水沉積型隔夾層僅在MB2.2層發育，厚度較大，生物擾動只能作用于沉積物表面幾厘米的范圍內[15]，對隔夾層影響較弱。

圖2 M油田Mishrif組地質特征及隔夾層類型Fig.2 Geology charactic and interlayers type of the Mishrif Formation in M oilfield

局限沉積型隔夾層主要形成于潟湖環境中的構造洼地，在灘后沉積環境中也可發育，屬于巖性隔夾層。潟湖位于浪基面之下，水體能量較低，巖石泥晶含量較高[16]，沉積物的原始物性較差。巖石類型包括含生屑泥晶灰巖、生屑泥晶灰巖和泥晶灰巖，巖心呈淺黃白色致密狀，鑄體薄片上，顆粒破碎程度比較高，粒徑較小，生屑類型難以識別，偶見海綿骨針、介形蟲及底棲有孔蟲等(圖2)。古地貌差異導致潟湖對水體動蕩的響應比較敏感，隔夾層厚度發育頻率較高，厚度較小，平面分布穩定性差異大，測井曲線齒化程度較為嚴重。潟湖中生物擾動作用強烈，潛穴中通常充填白云石顆粒或生屑顆粒，有效改善沉積物物性，溶蝕性流體更容易滲入對潛穴充填物進行溶蝕，因此潛穴滲透率通常比基底要高。潟湖沉積速率較慢，不同期次的潛穴可相互連通，破壞了原始沉積物的結構[17]，對隔夾層的隔擋性能產生嚴重影響。局限沉積型隔夾層是Mishrif組主要的隔夾層類型，在MA層、MB1層和MB2.1層普遍發育。

淋濾膠結型隔夾層發育在障壁灘、岸灘及臺內灘等高能淺灘環境。淺灘位于浪基面之上，水體能量較強，顆粒組分含量較高，巖石原始物性較好，成巖流體容易沿粒間孔隙或裂縫滲入。淺灘通常位于古地貌隆起，海平面下降或灘體的加積作用更容易導致其暴露于大氣淡水環境。通常情況下，灘體上部遭受大氣淡水淋濾溶蝕[圖3(a)]，形成Ca2+向灘體下部運移，在潛流帶達到過飽和，同時潛流帶中CO2的脫氣作用也促使碳酸鈣發生沉淀[18]，造成灘體下部形成致密膠結帶[圖3(b)]。淋濾膠結型隔夾層屬于物性隔夾層。巖石類型主要為亮晶生屑灰巖，巖心呈亮白色致密狀，顆粒感較強，上下圍巖呈深褐色蜂窩狀。鑄體薄片上厚殼蛤類、雙殼類、底棲有孔蟲及似球粒等顆粒的粒間孔隙被方解石致密充填(圖2)。淋濾膠結型隔夾層主要在MA層、MB1層、MB2.1層和MC層淺灘環境中發育，厚度較薄，隱蔽性強，平面分布不穩定，加劇了厚層儲集層的非均質性。

局限暴露型隔夾層為炭質泥巖，形成于潟湖環境。低位體系域時期，潟湖環境發生暴露，潮濕氣候條件下降水豐富[14]，形成泥沼環境。潟湖長期暴露且植被發育[圖3(a)]。植被死亡后被快速埋藏，還原環境下，有機物被保存下來，適宜的溫度和壓力使埋藏環境具備成煤條件，有機質逐漸演化為炭質泥巖[19-21][圖3(b)]。局限暴露型隔夾層發育在MB2.1層頂部，厚度約10 cm(圖2)，分布比較穩定，測井特征明顯，不但可以在全區對比，也可在鄰區油田進行追蹤。

風化膠結型隔夾層巖石類型為風化角礫巖，屬于物性隔夾層。低位體系域，海平面大幅下降造成地層暴露，干旱氣候和濕潤氣候交替環境下，巖石長期遭受風化作用和淋濾作用[22]。淋濾作用破壞了巖石骨架，降低巖石抗應力強度，風化作用造成沉積物破碎形成角礫巖[圖3(a)]。淋濾作用形成的富含Ca2+的飽和流體在角礫巖縫隙中發生沉淀，將巖石致密膠結[圖3(b)]。巖心呈淺灰色致密狀，分選磨圓差，縫隙中膠結物呈淺黃綠色。鑄體薄片上，生屑顆粒先發生強烈溶蝕，后又被方解石充填，呈漂浮狀于泥晶基質中(圖2)。風化膠結型隔夾層發育在Mishrif組頂部Mcap層。

圖3 M油田Mishrif組隔夾層發育示意圖Fig.3 Development mode of interlayers of the Mishrif Formation in M oilfield

3 隔夾層判別

通過巖-電精細標定，確定了隔夾層與儲層、不同類型隔夾層的測井分布區間(表1)。從測井曲線雷達圖疊置效果來看[圖4(a)]，儲集層與隔夾層測井值具有一定的疊合區間。應用“誤判率”來表征不同測井曲線對于儲集層和隔夾層的區分性。誤判率指隔夾層和儲集層測井分布交叉區間與兩者測井值域分布總區間的比值。誤判率比值越大，該曲線對兩者的區分性越差。結果表明：伽馬測井曲線(GR)誤判率為20%，自然電位曲線(SP)誤判率為40%，電阻率曲線(RT)采用對數比值得到誤判率為56.8%，密度曲線(DEN)誤判率為20%，聲波時差曲線(DT)誤判率為17%，中子孔隙度曲線(NPHI)誤判率為25%。從計算結果來看，沒有任何一條曲線可將隔夾層和儲集層完全區分開來。伽馬曲線、密度曲線和聲波時差曲線誤判率相對較低。采用伽馬曲線不能將淋濾膠結型、風化膠結型區和儲集層分開；采用密度曲線不能區分淋濾膠結型和儲集層，聲波時差曲線不能區分局限沉積型、淋濾膠結型和儲集層。淋濾膠結型隔夾層發育于淺灘環境，而淺灘測井特征明顯，伽馬曲線值小于30 API，密度曲線值小于2.45 g·cm-3，聲波時差曲線值大于70 μs·m-1。基于誤判隔夾層類型最少原則，優選密度曲線將儲集層和其他四類隔夾層區分開，在淺灘相的控制下，應用密度曲線或聲波時差曲線在灘體內部識別淋濾膠結型隔夾層。

表1 M油田Mishrif組儲集層和隔夾層測井判別標準

通過測井曲雷達圖研究不同類型隔夾層的測井響應差異。結果表明：不同類型隔夾層的自然電位曲線值域分布相似性較高(圖4)。局限暴露型隔夾層各類曲線值分布區間較窄，伽馬高峰值可明顯區別于其他類型[圖4(e)]。風化膠結型隔夾層的高密度值、低聲波時差值和低中子值等可作為其重要的識別特征[圖4(f)]。深水沉積型和局限沉積型隔夾層巖石類型、結構組分、物性分布和含油性特征類似，測井曲線值域區間重合度較高，測井曲線難以區分[圖4(b)和圖4(d)]。

取芯井中隔夾層雖然可以精細識別，而未取芯井中隔夾層解釋必須緊緊依靠測井曲線，針對M油田Mishrif組不同類型隔夾層測井響區分性差的問題，提出了基于成因的隔夾層識別方法(圖5)。該方法充分利用了隔夾層分布的沉積相帶差異和空間分布差異，識別步驟為：①根據密度測井曲線值2.55 g·cm-3劃分儲集層與隔夾層，儲集層中包含了淋濾膠結型隔夾層，隔夾層中僅包含其余四類隔夾層。在儲集層中確定淺灘相儲層分布層段，在沉積相的控制，以密度曲線值小于2.45 g·cm-3或聲波曲線值70 μ·m-1，可識別淋濾膠結型隔夾層。②針對其他四類隔夾層，應遵循特定的識別順序。局限暴露型和風化膠結型隔夾層具有明顯的測井響應特征，首先應用伽馬測井曲線，以80 API為界限值識別出局限暴露型隔夾層，以密度曲線值2.65 g·cm-3判別風化膠結型隔夾層。該兩類隔夾層的發育位置比較固定，檢查并驗證解釋結果的發育層段是否符合地質認識。③深水沉積型和局限沉積型測井曲線特征相似，但發育層段差異較大，深水沉積型僅在MB2.2層發育，而局限沉積型發育層段比較廣。基于兩者分布特征，通過地層格架控制，首先在MB2.2層內部，應用伽馬曲線、電阻率曲線、密度曲線、聲波時差曲線或中子孔隙度曲線識別深水沉積型隔夾層。在MA層、MB1層及MB2.1層內部，以伽馬曲線、密度曲線或中子孔隙度曲線識別局限沉積型隔夾層。該方法需要特定的識別順序，通過相控和層控實現隔夾層的判別，判別結果的有效性必須基于對不同類型隔夾層的地質成因認識和測井門檻值的確定。

圖5 基于成因控制的不同類型隔夾層判別流程Fig.5 Different interlayers recognition flowchart under the control of genesis

GR為伽馬測井, API; SP為自然電位測井, mV; RT為電阻率測井, Ω·m; DEN為密度測井, g·cm-3; DT為聲波時差測井, μs·m-1; NEU為中子孔隙度測井,%圖4 M油田Mishrif組隔夾層測井曲線雷達圖Fig.4 Radar figure of different logging of interlayers of Mishrif Formation in M oilfield

4 隔夾層空間分布

根據測井識別結果，研究隔夾層空間展布特征。結果顯示：M油田Mishrif組不同層段隔夾層類型和結構樣式存在顯著差異(圖6)。

圖6 M油田Mishrif組不同類型隔夾層空間展布Fig.6 Distribution of different interlayers of Mishrif Formation in M oilfield

MC層發育淋濾膠結型隔夾層，發育頻率介于0.03～0.1個/m，厚度介于4～7 m。隔夾層為薄層板狀，發育范圍比較局限，厚度分布比較穩定。MC層距離油藏底水較近，局部發育的隔夾層可對底水錐進具有一定的隔擋作用，且隔夾層分布面積越大，對底水錐進的抑制效果越好[23]，開發井位宜部署于隔夾層上部。

MB2.2層整體為深水沉積型隔夾層，地層厚度介于15～30 m。隔夾層穩定性較好，呈厚度塊狀，局部發育有薄層儲集層。該套隔層封閉性較高，將油藏下部MC層和上部MB2.1層分隔開來，可作為兩套開發層系，同時，深水沉積型隔夾層的存在有效抑制了底水的錐進[3]。

MB2.1層內部發育局限沉積型和淋濾膠結型隔夾層，頂部發育薄層的局限暴露型隔夾層。 MB2.1層地層厚度較大，隔夾層發育頻率較低, 介于0.06～ 0.07個/m，隔夾層厚度介于2～6 m，隔夾層分布比較穩定，呈“千層餅狀”，隔擋性能較好。MB2.1層垂向非均質性較強，下部為障壁灘沉積環境，上部為潟湖、灘后及臺內灘等沉積環境。上下儲集層物性差異較大，開發過程中產液剖面不均衡，多套穩定隔夾層的發育有利于該套層系油氣的高效開發。局限暴露型隔夾層厚度雖薄，但全區分布穩定，對流體的封閉性較好，可以將MB2.1層和MB1層分隔成兩套開發層系。

MB1層發育局限沉積型和淋濾膠結型隔夾層，隔夾層發育頻率介于0.06～0.16個/m，厚度介于1～7 m。隔夾層疊置關系呈“多層樓狀”，單層厚度較小，平面分布不穩定，發育“天窗式”缺口，對流體垂向運移隔擋效果較差，開發過程中容易發生水竄。隔夾層的發育增加了儲集層的非均質性，不利于油氣開發。

MA層發育局限沉積型和淋濾膠結型隔夾層，發育頻率介于0.05～0.09個/m，隔夾層厚度介于1～12 m。隔夾層厚度差異較大，垂向疊置程度較低，呈“迷宮狀”。該類隔夾層對流體的隔擋效果較差，加劇了儲集層的非均質性。局部厚層隔夾層可以對流體起到較好的封閉作用。

M cap發育風化膠結型隔夾層，厚度介于6～10 m，隔夾層呈均質厚層狀，在全區分布比較穩定，測井特征易于識別，將Mishrif組與Khasib組分隔為不同開發層系。

M油田Mishrif組不同層段隔夾層的類型、規模及結構特征如表2所示。

表2 M油田Mishrif組不同層段隔夾層特征

5 結論

(1)M油田Mishrif組發育局限沉積型、深水沉積型、風化膠結型、淋濾膠結型和局限暴露型5類隔夾層。深水沉積型發育于開闊淺海環境，僅在MB2.2層分布，厚度較大，隔擋性能好。局限沉積型隔夾層主要發育在潟湖環境，在MA層、MB1層及MB2.1層均有分布，厚度較小、空間分布不穩定。風化膠結型隔夾層形成于干旱和濕潤交替氣候條件，沉積物長期遭受風化作用和淋濾作用形成致密角礫巖，分布在Mishrif組頂部。淋濾膠結型隔夾層發育于淺灘高能環境，屬于物性隔夾層，在MA層、MB1層、MB2.1層和MC層均有分布，隱蔽性強。局限暴露型隔夾層形成于潟湖環境，巖石類型為炭質泥巖，僅在MB2.1頂部發育，厚度較薄，全工區范圍內可追蹤對比。

(2)針對不同類型隔夾層測井特征區分性差的問題，基于隔夾層地質分析和測井特征研究，建立了成因控制下的隔夾層識別方法。通過相控原則，應用密度曲線在灘相儲集層中識別出隱蔽性較高的淋濾膠結型隔夾層。優選特征測井曲線，應用伽馬測井曲線和密度測井曲線識別出局限暴露型和風化膠結型隔夾層。基于層控原則，在MB2層識別出深水沉積型隔夾層，再在MA層、MB1層及MB2.1層識別出局限沉積型隔夾層。