古老碳酸鹽巖層系油氣儲層地質(zhì)特征

劉 偉，孟慶陽，張光亞，張 磊

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

古老碳酸鹽巖層系油氣儲層地質(zhì)特征

劉 偉，孟慶陽，張光亞，張 磊

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

劉偉

對研究程度較高的北美奧陶系碳酸鹽巖油氣田特征參數(shù)作了統(tǒng)計和分析，對比中國下古生界碳酸鹽巖油氣田，分析了古老碳酸鹽巖油氣儲層的特點及主要控制因素。北美大陸奧陶紀(jì)沉積環(huán)境以環(huán)潮坪—淺水陸棚為主，儲集巖可簡單地劃分為四種巖相類型，包括泥晶灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥?；?guī)r以及顆?；?guī)r。晶間孔、角礫巖相關(guān)孔隙及溶蝕孔隙是最主要的孔隙類型，其中尤以晶間孔最為普遍。中國下古生界碳酸鹽巖油氣儲層的演化更為復(fù)雜，原生孔隙損失殆盡。北美和中國的研究都表明，巖溶儲層和白云巖儲層是主要的有效儲層。當(dāng)埋深超過3000m時，白云巖是主要的儲層巖石類型。在埋深增大的情況下白云巖保持更好的儲集性能，這是一個基本的趨勢。中國下古生界碳酸鹽巖埋深較大，所以白云巖儲層是一個特別值得關(guān)注的領(lǐng)域。

下古生界；碳酸鹽巖油氣田；碳酸鹽巖儲集層；北美地區(qū)；中國

劉偉1978年生，工程師。2001年畢業(yè)于西北大學(xué)，2008年在中國石油勘探開發(fā)研究院獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海相碳酸鹽巖沉積與儲層研究。通訊地址：100083北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號910信箱；電話：（010）83598457

海相碳酸鹽巖儲層研究是石油地質(zhì)研究的重要環(huán)節(jié)。中國的海相碳酸鹽巖層系多形成于多旋回的疊合盆地下部，以“時代老、埋藏深”為特點，與中新生代碳酸鹽巖儲層相比，經(jīng)歷了更為復(fù)雜的成巖演化歷史，具有更為復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)。筆者將下古生界碳酸鹽巖稱為古老碳酸鹽巖，對這一類古老碳酸鹽巖儲層地質(zhì)特征的研究顯得尤為重要。本文通過對研究程度較高的北美大陸地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖油氣田特征參數(shù)的統(tǒng)計和分析，對比中國早古生代碳酸鹽巖油氣田，力圖明確中國古老碳酸鹽巖油氣儲層的特點及主要控制因素。

1 古老碳酸鹽巖油氣田時空分布特征

碳酸鹽巖油氣田的時空分布具有不均衡性，世界上超過四分之三的石油儲量來自中東地區(qū)的侏羅系、白堊系和第三系，而大約三分之二的天然氣儲量來自前蘇聯(lián)、中東和美國的石炭系、二疊系。相比之下，在下古生界發(fā)現(xiàn)的油氣田的數(shù)量和儲量要少得多（圖1），目前主要集中在北美大陸、中國、俄羅斯波羅的海含油氣區(qū)以及澳大利亞坎寧盆地。

中國海相碳酸鹽巖分布面積達(dá)455×104km2［1］，主要分布在塔里木地臺、華北地臺、揚子地臺等地區(qū)，目前油氣發(fā)現(xiàn)主要集中在塔里木、鄂爾多斯和四川等盆地［2］。從層位上看，除南方海域第三系和四川盆地上古生界外，奧陶系是主要的碳酸鹽巖油氣產(chǎn)出層位。

北美地區(qū)是世界上最主要的奧陶系碳酸鹽巖油氣產(chǎn)區(qū)，也是研究最為深入的地區(qū)。油氣產(chǎn)出主要集中在威靈斯頓盆地、密執(zhí)安盆地、二疊盆地以及伊利諾斯盆地，主力產(chǎn)層包括寒武系—奧陶系A(chǔ)rbuckle群、下奧陶統(tǒng)Ellenburger組、中—上奧陶統(tǒng)Trenton-BlackRiver石灰?guī)r以及上奧陶統(tǒng)紅河組。本文選取了八個主要的具有代表性的奧陶系碳酸鹽巖油氣田（表1），對各種地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，來確定有利儲層的特征和控制因素。

圖1 世界碳酸鹽巖油氣田時空分布特征（數(shù)據(jù)來自碳酸鹽巖油氣田數(shù)據(jù)庫,C&C公司,2000）

表1 北美油氣區(qū)主要奧陶系碳酸鹽巖油氣藏基本特征

2 北美油氣區(qū)奧陶系碳酸鹽巖油氣儲層特征

2.1 沉積體系

碳酸鹽巖形成于多種環(huán)境，雖然各種環(huán)境中形成的碳酸鹽巖由于沉積和成巖的影響而成為儲層，但不同相帶的碳酸鹽巖成為儲層的潛力卻不相同［3］。此外，儲集體的幾何形態(tài)以及與共生非儲集巖的關(guān)系，也通常受沉積環(huán)境控制。奧陶紀(jì)，北美大陸沉積環(huán)境比較單調(diào)，以環(huán)潮坪—淺水陸棚為主，在沉積相識別的基礎(chǔ)上，可以簡單地將儲集巖原巖劃分為四種巖性類型，包括泥晶灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥?；?guī)r以及顆?；?guī)r（表2）。

2.2 孔隙類型

碳酸鹽巖儲層孔隙系統(tǒng)復(fù)雜，主要體現(xiàn)在孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙成因兩個方面。Choquette和Pray［4］以孔隙地質(zhì)成因及演化方向為依據(jù)，提出碳酸鹽巖孔隙的分類和命名方案，得到了廣泛應(yīng)用。本文采用該分類方案，并做了一定簡化。

表2 北美油氣區(qū)主要奧陶系碳酸鹽巖油氣田儲層特征

北美油氣區(qū)八個主要奧陶系碳酸鹽巖油氣田儲層孔隙類型的統(tǒng)計表明，晶間孔、角礫巖相關(guān)孔隙及溶蝕孔隙是最主要的孔隙類型,裂縫相對次要(表2）。其中尤以晶間孔最為普遍，在八個油氣田中均有發(fā)育，在Cabin Creek、Pennel等四個油氣田中為主要孔隙類型。其次是與巖溶作用有關(guān)的角礫巖孔隙，它作為主要孔隙類型出現(xiàn)在Wilburton、Emma及Puckett油田。溶蝕孔隙（暴露溶蝕和埋藏溶蝕）在八個油氣田中均有發(fā)育，且是Wilburton和Emma油田的主要儲集空間。裂縫的分布也較普遍，但僅在兩個油氣田作為主要孔隙類型出現(xiàn)。雖然在粗粒沉積中，粒間孔有可能保存下來，但是由于受到成巖作用的強(qiáng)烈改造，其數(shù)量和規(guī)模均很小。

2.3 成巖作用

奧陶系碳酸鹽巖在漫長的地質(zhì)歷史中經(jīng)歷了多種成巖作用，這些成巖過程在很大程度上改變或模糊了沉積時的孔隙特征，并成為最終控制儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素。建設(shè)性的成巖作用包括溶蝕作用（大氣淡水溶蝕、非大氣淡水溶蝕）、白云石化作用及裂縫作用。

2.3.1 溶蝕作用

溶蝕作用可以發(fā)生在不同的成巖環(huán)境中。成巖作用早期，選擇性溶蝕在大氣淡水和超咸水環(huán)境中發(fā)生。前者與抬升暴露和潮濕氣候環(huán)境有關(guān)，后者與蒸發(fā)環(huán)境有關(guān)，在兩種環(huán)境中均形成典型的鑄?？缀腿芪g孔洞。

大氣淡水溶蝕與主要不整合面關(guān)系密切，全球大約20%~30%的可采出油氣資源與不整合有著密切聯(lián)系［5］。例如北美地區(qū)阿巴拉契亞盆地奧陶系內(nèi)發(fā)育的Owl Creek不整合（也稱Knox不整合面）對于巖溶儲層的發(fā)育有重要意義。巖溶儲層以相對低的基質(zhì)孔隙度和發(fā)育的溶孔、溶洞、裂縫孔隙及角礫孔隙為特征。

埋藏環(huán)境下形成的溶蝕現(xiàn)象在碳酸鹽巖儲層中也較為常見，這通常與地下流體中的有機(jī)酸或硫酸有關(guān)。流體沿斷裂或裂縫流動，在流動過程中改造已經(jīng)存在的孔隙體系，這類儲層通常以形態(tài)不規(guī)則、但連通性較好的溶蝕孔洞為特征。

在表1和表2給出的八個油氣田中均發(fā)現(xiàn)了溶蝕作用發(fā)育或存在的證據(jù)，其中Emma和Puckeet等五個油氣田主要發(fā)生大氣淡水溶蝕作用，而Pennel和Lima-Indiana等四個油氣田以非大氣淡水溶蝕為主，溶蝕孔隙和角礫孔隙是Wilburton、Emma等四個油氣田的主要儲層孔隙類型（表2）。

區(qū)域性的暴露溶蝕是控制有效儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素。廣泛發(fā)育的溶洞系統(tǒng)中通?？梢宰R別出三種巖溶相，即洞頂相、溶洞充填相及溶洞坍塌相。而持續(xù)的埋藏作用則導(dǎo)致未完全充填的溶洞系統(tǒng)進(jìn)一步破裂、坍塌及角礫巖化。與埋藏作用相關(guān)的坍塌和角礫巖化更是巖溶儲層中有效孔隙的重要成因，例如美國西德克薩斯州Emma油田Ellenburger組［6-7］。

2.3.2 白云石化作用

近地表和埋藏環(huán)境形成的白云巖，都不同程度地發(fā)育晶間孔隙，這些晶間孔隙的產(chǎn)生主要是由于白云石交代方解石時固體體積的減小。白云石化作用對儲層的影響表現(xiàn)在兩個方面：（1）增加了儲層孔隙，雖然有時白云石化使巖石孔隙增加不多，但可以明顯提高巖石滲透率；（2）過白云石化會使早期形成的晶間孔堵塞，從而事實上減少巖石孔隙度。

北美地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層巖性主要為白云巖，有兩種成因：一是在準(zhǔn)同生期形成于蒸發(fā)潮坪、局限半局限潮坪或臺地中的白云巖；另一類是熱液流體沿斷裂帶或斷層活動造成斷裂附近石灰?guī)r的白云石化。

潮坪白云巖儲層中，白云石化程度在橫向和垂向上的變化，是影響儲層性質(zhì)的重要因素，潮上帶的過白云石化和潮下帶程度較低的白云石化對儲層產(chǎn)生負(fù)面影響［8-9］。而熱液白云巖儲層的分布受控于斷裂體系的分布，如位于美國密執(zhí)安盆地西南部的Albion Scipio油田儲集體為呈長條狀（長達(dá)77km，寬不到2.6km）沿斷裂帶分布的灰—褐色白云巖［10］。2.3.3裂縫作用

裂縫在碳酸鹽巖中相當(dāng)普遍，其形成與構(gòu)造作用、差異壓實作用、鹽丘運動等有關(guān)。因為裂縫孔隙的測定相對困難，因此裂縫作用最終能使孔隙度增加多少還不明確，但是裂縫會提高巖石滲透率已經(jīng)得到很多理論和實踐的證實。此外，裂縫還為溶蝕流體提供流動通道。裂縫僅在Wilburton和Emma油氣田中作為主要孔隙類型出現(xiàn)，在Pennel和Puckett油田中是次要孔隙類型。

3 中國奧陶系碳酸鹽巖油氣儲層特征

中國古老碳酸鹽巖層系的演化，具有以下特點。

（1）構(gòu)成多旋回疊合盆地的下部層系，大多經(jīng)歷了從裂谷盆地→克拉通盆地→被動大陸邊緣盆地→前陸盆地的疊加復(fù)合過程，具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)［11］。

（2）碳酸鹽巖層系分布時代老，埋藏深。國外海相地層以中、新生界為主，即便是古生界油氣藏，埋深通常也不會超過4000m。而中國海相地層分布以古生界為主，勘探目的層常常超過4 000 m，絕大多數(shù)都在3000m以上（表3）。

表3 中國部分地區(qū)古老碳酸鹽巖油氣儲層特征

由此可見，中國奧陶系碳酸鹽巖儲層特征比國外更為復(fù)雜。目前的勘探實踐表明，我國早古生代碳酸鹽巖油氣發(fā)現(xiàn)主要集中在塔里木盆地和鄂爾多斯盆地，巖溶儲層和白云巖儲層是最重要的儲層類型。

3.1 古巖溶儲層

在我國，多次構(gòu)造運動為暴露型古巖溶儲層發(fā)育提供了條件，古生代至少發(fā)育四期巖溶作用——加里東中晚期、海西早期、海西晚期、印支期［12］。

加里東運動對中國古生代碳酸鹽巖層系影響深遠(yuǎn)。奧陶紀(jì)末，加里東運動使鄂爾多斯盆地整體抬升，遭受了長達(dá)150Ma的風(fēng)化剝蝕，至中石炭世才開始沉降，接受中上石炭統(tǒng)的沉積，并在這個不整合面附近形成了大型油氣藏。在塔里木盆地，塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)巖溶風(fēng)化殼是中加里東運動的產(chǎn)物，縫洞型儲層呈準(zhǔn)層狀展布［13］，已有工業(yè)油氣發(fā)現(xiàn)。此外越來越多的證據(jù)表明，塔北地區(qū)加里東期巖溶也廣泛發(fā)育［14-16］。海西期是另一次重要的巖溶發(fā)育期，該期巖溶在塔北隆起最為顯著，鉆井及地震資料揭示下石炭統(tǒng)與下伏中奧陶統(tǒng)、志留系—泥盆系呈角度不整合接觸關(guān)系。

除暴露溶蝕外，地下熱液流體也對碳酸鹽巖地層有溶蝕作用。由于熱液中含有大量的以及有機(jī)酸等酸性物質(zhì)，在其沿斷裂（裂縫）、不整合面和其它孔隙進(jìn)入碳酸鹽巖時，通常會沿?zé)嵋和ǖ纼蓚?cè)進(jìn)行溶蝕改造，形成油氣聚集的新場所［17-18］。鄂爾多斯盆地奧陶系深部白云巖中的溶蝕孔洞，其成因?qū)儆跓崴畮r溶作用的結(jié)果，如定探1井、陜12井。在我國塔里木盆地奧陶系石灰?guī)r、白云巖中，熱液巖溶不像風(fēng)化殼巖溶作用那樣形成大型的溶蝕孔洞,而是形成大量毫米級的小溶孔［19］。如塔中地區(qū)塔中44井和塔中12井良里塔格組，熱液白云石化使英買7井碳酸鹽巖儲層得到明顯改善。

暴露巖溶作用和埋藏溶蝕作用是古巖溶儲層形成的兩種最重要成巖作用。暴露巖溶作用是儲層形成的基礎(chǔ)和前提，埋藏溶蝕作用是儲層建設(shè)性的補(bǔ)充。埋藏溶蝕作用與前期暴露巖溶作用的多期次疊加配置和溶蝕改造是導(dǎo)致有效儲集空間發(fā)育、儲滲條件改善以及儲層形成的決定性因素［20］。

3.2 白云巖儲層

奧陶系碳酸鹽巖時代久遠(yuǎn)，在形成和埋藏過程中經(jīng)歷了多種成巖作用，導(dǎo)致原始孔隙體系被破壞直至消亡。據(jù)孫紹清（C&C公司，2000）對全球主要碳酸鹽巖油氣田的統(tǒng)計，當(dāng)埋深超過3000m時，氣/凝析油藏中，白云巖是主要的儲層巖石類型（圖2）。由此可見，相對于石灰?guī)r，在埋深增大的情況下白云巖保持更好的儲集性能，這是一個基本的趨勢。中國下古生界碳酸鹽巖埋深較大，絕大多數(shù)超過3000m，所以白云巖儲層是一個特別值得關(guān)注的領(lǐng)域。

圖2 碳酸鹽巖油氣藏埋藏深度與巖性類型關(guān)系（據(jù)C&C公司，2000）

準(zhǔn)同生期白云巖晶粒較小，孔隙性較差，但是分布面積廣，成層性好，如四川盆地三疊系雷口坡組、鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組以及塔里木盆地中—下寒武統(tǒng)。埋藏白云巖晶粒粗，晶間孔非常發(fā)育，但其形成和分布規(guī)律較復(fù)雜，如塔里木盆地蓬萊壩組、四川盆地下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組以及鄂爾多斯盆地馬家溝組。強(qiáng)烈的后期成巖作用，可明顯改造各類白云巖的儲集性能——在巖溶作用、埋藏溶蝕作用及構(gòu)造破裂作用下，白云巖比石灰?guī)r更敏感，更易于發(fā)育成優(yōu)質(zhì)儲層，如四川威遠(yuǎn)氣田燈影組、塔里木英買力寒武系白云巖、鄂爾多斯馬家溝組白云巖等儲層都是典型的復(fù)合成因優(yōu)質(zhì)白云巖儲層（表3）。

4 結(jié)論與認(rèn)識

通過對北美地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖油氣田的資料統(tǒng)計不難看出，古老碳酸鹽巖儲層有效孔隙主要是白云巖晶間孔和溶蝕孔隙。中國在小克拉通板塊背景下形成的早古生代碳酸鹽巖油氣儲層的演化則更為復(fù)雜，原生孔隙損失殆盡，受不整合面和斷裂系統(tǒng)控制的巖溶儲層和白云巖儲層是主要的有效儲層，它們是我國古老碳酸鹽巖層系油氣勘探所應(yīng)關(guān)注的重點。而針對古老碳酸鹽巖層系的儲層研究，除要加強(qiáng)白云巖機(jī)理性研究外，還要注意小克拉通板塊構(gòu)造活動與巖溶儲層發(fā)育的關(guān)系。

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編輯：吳厚松

Geologic Characteristics of Oil and Gas Reservoirs in Old Lower Paleozoic and Sinian Carbonate Rocks

Liu Wei,Meng Qingyang,Zhang Guangya,Zhang Lei

Correlated with statistics and analysis of the characteristic parameters from eight Ordovician carbonate reservoirs in eight oil and gas fields in north American,the features and the main controlling factors of the Lower Paleozoic and Sinian carbonate reservoirs from some oil and gas fields in China are studied.In North American,the Ordovician sedimentary environments mostly were circular tide flats to shallow shelves and the carbonate reservoirs can be briefly divide into four types of lithofacies,including mudstone,wackestone,packstone and grainstone,in which intercrystal pores,pores related with breccia and dissolved pores are common while in China,the evolution of Lower Paleozoic and Sinian carbonate reservoirs are more complicated and primary pores are mostly damaged out. The both results of reservoir analysis to North American and China have shown that both of kast reservoirs and dolostone reservoirs are all effective ones.When burial depth are more than 3000m,dolostone is the dominant type of reservoir rock.As increasing depth,dolostone can keep good reservoir capability,which is a elementary trend. The Lower Paleozoic and Sinian carbonate rock are commonly greatly deep-buried in many basins in China so that the dolostone reservoirs are a domain worthy to pay an attention especially.

Lower Paleozoic;Carbonate reservoir;Carbonate field;Dolostone;North American;China

TE112.23

A

1672-9854(2010)-01-0015-06

2009-09-16

Liu Wei：male,Engineer.Add:PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,20 Xueyuan Rd., Beijing,100083 China