南堡凹陷湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層識別及分布預(yù)測

張汶

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

近年來，渤海灣盆地在中深層巖性油氣藏勘探領(lǐng)域取得較大突破，發(fā)現(xiàn)了一批以湖相碳酸鹽巖為儲層的油氣藏，如遼中凹陷的錦州20-2油氣田和渤中凹陷的渤中13-1油田等。湖相碳酸鹽巖易受古氣候和古地貌影響，相帶窄、相變快，表現(xiàn)出橫向上巖石類型變化快、縱向上巖性組合較為復(fù)雜的特點(diǎn)［1-6］。國內(nèi)學(xué)者針對不同水深、不同水動力條件、不同位置及不同湖盆演化階段所發(fā)育的湖相碳酸鹽巖的巖性、沉積相模式及其儲集特征，進(jìn)行過研究總結(jié)。

1990年，杜韞華［7］根據(jù)渤海灣盆地古地理因素，結(jié)合巖石中顆粒類型、生物類型等特征將湖相碳酸鹽巖劃分為六大類；同時(shí)將儲集空間按形態(tài)和成因類型劃分為孔、洞、縫三大類，并對各類巖石的物性也進(jìn)行了總結(jié)分析，建立了綜合性的湖相碳酸鹽巖沉積模式。2002年，王冠民等［8］對惠民凹陷商河地區(qū)沙一段多層碳酸鹽巖進(jìn)行了分析，總結(jié)了該區(qū)域碳酸鹽巖的成分和沉積相，并探討了該類儲層的發(fā)育范圍及成巖作用對油氣成藏的影響。2006年，郭洪金等［9］通過對山東東辛油田沙一段湖相碳酸鹽巖的研究發(fā)現(xiàn)，該油田儲層巖性以生物灰?guī)r及鮞?；?guī)r為主；生物灰?guī)r儲集空間主要由溶蝕孔隙、生物體腔孔及骨架孔隙構(gòu)成，而鮞?；?guī)r儲層則以粒間孔和粒內(nèi)孔為主，2類巖性的儲層均具有較好的孔滲性，儲層物性主要受沉積環(huán)境及成巖作用影響。

總的來說，湖相碳酸鹽巖受控于古氣候、古水介質(zhì)和古水動力等因素影響，常具有混積特征，不同類型儲層的巖性、物性、含油性及發(fā)育特征均有差異。但目前國內(nèi)并未見到有文獻(xiàn)對各類儲層的優(yōu)劣進(jìn)行評價(jià)，以及對其中優(yōu)質(zhì)儲層的展布范圍進(jìn)行定量分析。

本文以南堡凹陷西南端曹妃甸A油田沙河街組沙一下亞段為例，通過巖心、薄片、測井、壓汞曲線等資料分析，對各類巖性特征、儲層特征、單井及多井沉積相進(jìn)行總結(jié)，并綜合古地貌特征建立儲層地質(zhì)模式。將地質(zhì)模式與沉積演化規(guī)律和井上實(shí)鉆情況相結(jié)合，歸納出湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層識別和預(yù)測的研究思路及方法，以指導(dǎo)本油田及相似油田的勘探開發(fā)。

1 研究區(qū)概況

曹妃甸A油田位于南堡凹陷的西南端，處于南堡凹陷向沙壘田凸起過渡的斷階帶上（見圖1a）。油田范圍內(nèi)已鉆探井5口，根據(jù)鉆井揭示，主要含油層段為沙一下亞段底部的一套湖相碳酸鹽巖儲層。該層段直接披覆于奧陶系古潛山基底之上，油藏埋深3 400～3 500 m，為中深層油藏，通過測試證實(shí)該段油品性質(zhì)好、產(chǎn)能高，為油氣富集的有利區(qū)帶。

同時(shí)，通過將沙一段頂面拉平，可以得到該沉積時(shí)期的地層沉積厚度，即相對古地貌。如圖1b所示，研究區(qū)發(fā)育東、西2個(gè)高點(diǎn)，1井和2井位于西高點(diǎn)斜坡區(qū)，3井和5井分別位于西高點(diǎn)的斜坡區(qū)邊緣和低洼區(qū)，4井位于東高點(diǎn)。古地貌西高點(diǎn)地層厚度為72 m，而東高點(diǎn)為110 m，整體顯示古地貌西高點(diǎn)高度和面積均大于東高點(diǎn)。古地貌低洼處，地層厚度最大值約為800 m，位于東西高點(diǎn)之間及研究區(qū)東北部，其余地區(qū)地層厚度介于 100～500 m（見圖 1b）。

圖1 研究區(qū)位置及沙一段沉積期地層厚度分布

以上特征反映，研究區(qū)沙一段沉積時(shí)，受基底影響古地貌相差較大，決定了沙一段時(shí)期不同古地貌將發(fā)育不同的巖性組合［10-17］。

2 湖相碳酸鹽巖沉積學(xué)特征

2.1 巖性特征

研究區(qū)目的層主要發(fā)育骨架碳酸鹽巖、顆粒碳酸鹽巖和泥晶碳酸鹽巖三大類。為了更好地對研究區(qū)儲層特征進(jìn)行研究，2井在沙一下亞段含油層位進(jìn)行了連續(xù)系統(tǒng)的取心，通過鉆井、測井、巖心和薄片觀察，確定其巖性分別為生物碎屑白云巖 （簡稱生屑云巖）、云質(zhì)礫巖和泥晶云巖三大類，其中生屑云巖層段的中、下部發(fā)育含礫生屑云巖。

2.1.1 生屑云巖

該類巖石是研究區(qū)沙一下亞段碳酸鹽巖中分布較廣的巖石類型，在研究區(qū)1井和2井中均有發(fā)育。構(gòu)成生屑云巖的生物碎屑一般以腹足類、介形蟲和藻類為主。其中，螺屑在巖石粒屑中最多可達(dá)60%以上，硅質(zhì)多已被白云石交代，成分為泥、粉晶白云石，薄片中體腔孔和鑄?？纵^為發(fā)育，同時(shí)可見白云石呈櫛殼狀向孔隙中生長特征（見圖2a—2d）。

生物碎屑以螺殼為主的原因可能有2個(gè)：1）螺是該環(huán)境下的主要物種。2）各類生物碎屑經(jīng)過湖浪的動蕩簸選，使得體型較大且較重的螺最終留存富集。一般情況下，螺殼的礦物成分由方解石構(gòu)成，但鏡下發(fā)現(xiàn)螺殼主要為白云石，殼內(nèi)溶解后可見少量方解石，反映強(qiáng)烈的準(zhǔn)同生期白云巖化作用。

含礫生屑云巖發(fā)育在生屑云巖層段的中下部，主要為粒屑結(jié)構(gòu)，礫石成分為泥晶白云石。基于巖心、薄片與地球化學(xué)資料對比推斷，粒屑為下伏基底奧陶系碳酸鹽巖原地風(fēng)化再沉積的產(chǎn)物。各種粒屑有相對成層富集趨勢，呈不規(guī)則外形，內(nèi)含生物碎片及隱藻。其中，礫屑成熟度較低，大小混雜，形態(tài)不一，填隙物以亮晶方解石為主，少量白云石亮晶呈櫛殼狀生長。砂屑粒度多在0.2～0.4 mm，多數(shù)砂屑內(nèi)部發(fā)育球團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，部分?jǐn)D壓變形（見圖2e）。巖石孔隙分布不均勻，裂隙較發(fā)育，局部粒間孔隙連通好。

2.1.2 泥晶云巖

在巖心觀察過程中，發(fā)現(xiàn)在生屑云巖層段中夾有薄層泥晶云巖。巖石中可見微弱水平層理，黃鐵礦局部富集，含泥，巖性較致密，并且沿垂直方向發(fā)育裂縫（見圖2f）。

2.1.3 云質(zhì)礫巖

該類巖石主要發(fā)育在沙一段底部靠近潛山的部分，礫石、泥晶白云巖發(fā)育，夾薄層生屑云巖，巖性較致密，發(fā)育中—高角度縫和網(wǎng)狀縫，但基本被方解石充填（見圖2g，2h）。薄片資料表明，云質(zhì)礫巖主要為砂礫屑結(jié)構(gòu)，巖性較致密，儲層物性較差。同時(shí)，角礫壓實(shí)破碎現(xiàn)象明顯，壓實(shí)縫發(fā)育，反映角礫形成時(shí)未固結(jié)、易破碎的特征。同位素鑒定結(jié)果表明，云質(zhì)角礫的δ13C為-3.1‰～0.7‰，δ18O 為-10.8‰～-8.5‰； 巖溶角礫 δ13C為-2.9‰～0.6‰，δ18O 為-10.1‰～-8.4‰，2 種成因的角礫具有相似的同位素特征，也反映云質(zhì)角礫巖中的礫石為古潛山風(fēng)化剝蝕原地堆積的產(chǎn)物，為內(nèi)碎屑角礫。

圖2 研究區(qū)各類儲層巖石學(xué)特征

2.2 測井響應(yīng)特征

從電性特征來看，沙一下亞段生屑云巖和云質(zhì)礫巖差異明顯，利用巖心標(biāo)定測井，可對各類碳酸鹽巖的電性特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，生屑云巖密度曲線取值范圍明顯小于云質(zhì)礫巖，同時(shí)，生屑云巖聲波時(shí)差取值明顯大于云質(zhì)礫巖層（見表1），表現(xiàn)出生屑云巖層物性好于云質(zhì)礫巖層的特征，并且兩段之間無隔夾層，為突變接觸。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征

化驗(yàn)資料表明，沙一下亞段生屑云巖儲層具有雙重孔隙介質(zhì)特征，其中孔隙主要發(fā)育鑄?？?、體腔孔和粒間溶孔，裂縫主要發(fā)育構(gòu)造縫和溶蝕構(gòu)造縫。地層水的溶蝕作用對儲層具有改良效果，不僅形成大量的溶蝕孔洞，還使得孔隙間的連通性變好，但同時(shí)也增強(qiáng)了儲層的非均質(zhì)性。

表1 曹妃甸A油田各類碳酸鹽巖電性特征

根據(jù)壓汞曲線分析，生屑云巖層排驅(qū)壓力為0.03～0.39 MPa，飽和中值壓力 0.12～2.49 MPa，平均喉道半徑為2.4～15.1 μm，孔喉結(jié)構(gòu)以中歪度為主，孔隙度主要分布在11.1%～32.9%，平均19.8%，滲透率主要分布在 1.0～389.8 μm2，平均 57.1 μm2，為中孔、中滲儲層。

云質(zhì)礫巖層的儲集空間主要為粒間孔、溶蝕孔、構(gòu)造縫和溶蝕構(gòu)造縫。根據(jù)壓汞曲線分析，排驅(qū)壓力為0.10～9.28 MPa，飽和中值壓力為 0.88～9.95 MPa，平均喉道半徑為0.7～3.8 μm，孔喉結(jié)構(gòu)具有中—細(xì)歪度儲層特征，孔隙度主要分布在8.0%～15.0%，平均為10.5%，滲透率主要分布在0.1～16.8 μm2，平均為3.6 μm2，為低孔、特低滲儲層。而泥晶云巖不具有儲集層的孔喉結(jié)構(gòu)特征，為非儲層。

通過上述資料分析得知，研究區(qū)沙一下亞段儲層主要分為2種巖性類型，一是生屑云巖儲層，二是云質(zhì)礫巖儲層。其中，生屑云巖儲層為本區(qū)的優(yōu)質(zhì)儲層，云質(zhì)礫巖儲層物性較差，泥晶云巖為隔夾層。

2.4 沉積相模式及儲層演化規(guī)律

通過巖心、井壁取心和薄片資料分析，可將沙一下亞段濱淺湖相進(jìn)一步劃分為生屑灘、灘緣、潟湖及礫屑灘等沉積亞相。沙一下亞段底部的云質(zhì)礫巖為礫屑灘相沉積，由奧陶系古潛山風(fēng)化剝蝕原地堆積的角礫經(jīng)過膠結(jié)、溶解和壓實(shí)等成巖作用而形成；同時(shí)，受湖水周期性漲落的影響，該層段中上部具有生屑灘與礫石灘交替發(fā)育、成分混積的特征。礫屑灘之上發(fā)育生屑灘亞相，以生屑云巖沉積為主。該巖性與生物活動息息相關(guān)，主要發(fā)育在水體清潔、溫暖、深度適中的淺水區(qū)域，薄片中可見大量未充填溶蝕孔和鑄?？住Ｍ瑫r(shí)，生屑云巖層段內(nèi)部發(fā)育潟湖相和灘緣相沉積，其中灘緣相為生屑灘向半深湖或潟湖相的過渡相，巖性以薄層生屑云巖與泥晶云巖或灰質(zhì)泥巖互層為主。而潟湖相為生屑灘與古隆起間的局限湖泊環(huán)境，該環(huán)境水體能量弱，以灰綠色泥巖沉積為主（見圖3）。

開闊淺湖相以泥灰?guī)r和泥巖沉積為主，發(fā)育在沙河街組沙一段中上部，反映該時(shí)期水體較深，為相對安靜的沉積環(huán)境，披覆在該套碳酸鹽巖儲層之上。

綜上所述，研究區(qū)沙一下亞段總體上為向上湖平面逐漸變深的正旋回沉積，同時(shí)，各亞相內(nèi)發(fā)育次一級的旋回性變化。

圖3 曹妃甸A油田2井取心段沉積相劃分及垂向巖性組合

同時(shí)，根據(jù)各巖相沉積特征，可將沙一下亞段湖相碳酸鹽巖沉積演化過程劃分為早期、中期、晚期和末期（見圖 4）。

沙一下亞段沉積早期，湖平面較低，古隆起暴露，遭受風(fēng)化剝蝕形成古潛山的風(fēng)化殼，風(fēng)化殼之上以古潛山風(fēng)化剝蝕原地堆積或由高部位垮塌堆積而成的礫屑灘沉積為主。同時(shí)，該時(shí)期古地貌低洼處水體相對清澈，溫度、水深適中，螺殼等腹足類生物開始發(fā)育，從而形成生屑灘沉積；而在半深湖—深湖處，由于水體變深，生物逐漸減少，主要發(fā)育泥晶灰?guī)r或泥巖沉積（見圖 4a）。

沙一下亞段沉積中期，隨著湖平面上升，古潛山暴露范圍漸漸縮小，適合生物發(fā)育的斜坡范圍擴(kuò)大，生屑灘的發(fā)育也隨著湖平面的上升逐漸向古隆起方向抬升遷移，后一期的生屑云巖上超在前期生屑云巖之上。同時(shí)，受生屑灘的堆積遮擋影響，在生屑灘與古隆起之間形成了潟湖環(huán)境，以泥巖與灰（云）質(zhì)泥巖混積為主（見圖 4b）。

沙一下亞段沉積晚期，隨著湖平面的進(jìn)一步上升，古潛山全部淹沒于水下，生屑灘也主要發(fā)育于水深相對較淺的古潛山頂部及周圍（見圖4c）。從進(jìn)入沙一下亞段末期以后，隨著湖平面進(jìn)一步加深，已不適合生物的生存繁殖，生屑灘逐漸消亡，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榘肷詈詈嗟哪嗷規(guī)r、泥巖沉積，本區(qū)碳酸鹽巖沉積結(jié)束（見圖 4d）。

從沉積演化規(guī)律可以看出，研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層生屑云巖層厚度受多期灘體疊置的影響，在古隆起斜坡處相對較厚，在古隆起頂部及斜坡邊緣發(fā)育期次相對較少，沉積厚度較薄，縱剖面上呈透鏡狀分布。同時(shí)向古隆起低洼處生屑灘逐漸相變?yōu)榘肷詈詈啵瑤r性也由生屑云巖轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗷規(guī)r、泥巖沉積。

圖4 沙一下亞段沉積剖面演化示意

3 優(yōu)質(zhì)儲層展布

生屑云巖沉積模式只能定性地描述其空間展布形態(tài)，由于研究區(qū)油藏埋深較大，無法通過沉積模式結(jié)合地震相的方法來定量預(yù)測儲層的分布。但研究區(qū)有較為豐富的鉆井資料，通過鉆井情況與等時(shí)地層格架內(nèi)的有利巖相及古地貌相結(jié)合進(jìn)行分析，可以預(yù)測生屑云巖儲層的分布范圍。

由前文沉積演化規(guī)律的描述可知，生屑灘發(fā)育主要受古地貌的控制，平面上疊置連片，縱向上呈透鏡狀分布。同時(shí)，井上的實(shí)鉆情況也具有透鏡體的沉積形態(tài)，1井和2井均位于古潛山構(gòu)造的斜坡帶，沙一段地層沉積厚度分別為113 m和159 m，對應(yīng)生屑云巖層厚度為9.1 m和14.3 m，并且2口井生屑云巖層縱向上連續(xù)，夾層發(fā)育較少。而位于古潛山構(gòu)造斜坡邊緣的3井，地層沉積厚度170 m，生屑云巖厚度減薄至6.8 m，且生屑云巖層段中泥巖夾層較發(fā)育，儲層縱向上較為零散；位于古潛山構(gòu)造低洼處的4井和5井，在地層沉積厚度大于180 m的范圍僅鉆遇灰?guī)r或泥灰?guī)r，未鉆遇生屑云巖（見表2）。各井的實(shí)鉆情況也證實(shí)了古地貌對湖相碳酸鹽巖儲層具有重要的控制作用，并且沙一段地層沉積厚度180 m范圍內(nèi)埋深適中，為生屑云巖發(fā)育區(qū)。

根據(jù)對生屑云巖儲層沉積演化規(guī)律的分析，以及各井間古地貌位置關(guān)系，結(jié)合地震和鉆井資料，可建立生屑云巖儲層向構(gòu)造高部位厚度變化的預(yù)測模型（見圖5a），并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型（見圖5b）。

圖5 生屑云巖儲層厚度變化預(yù)測模型與數(shù)學(xué)模型

模型中1井和2井分別為X點(diǎn)和W點(diǎn)，XX1和WW1分別對應(yīng)該井的生屑云巖層厚度9.1 m和14.3 m，古潛山構(gòu)造頂部最高點(diǎn)位置為Y點(diǎn)，則YY1為構(gòu)造最高點(diǎn)生屑灘的預(yù)測厚度，同時(shí)根據(jù)厚度變化趨勢可推測出生屑灘的理論尖滅點(diǎn)為Z點(diǎn)。

根據(jù)地震和鉆井資料分析，古地貌地層傾角∠XWM約為6°，可以將井與井之間的斜線距離近似于水平距離。則1井和2井之間距離M1為575 m，同理可得M2為538 m，YZ近似等于 M3，則 M 為 M1，M2和M3之和。

由式（1）計(jì)算得出M3為449 m，則M為1 562 m。

由圖5b可得：

再由式（2）計(jì)算得出YY1厚度為4.1 m，即古潛山構(gòu)造頂部生屑云巖層厚度為4.1 m，由此預(yù)測本區(qū)古潛山高部位仍普遍發(fā)育生屑灘。

綜合上述資料分析，研究區(qū)古潛山構(gòu)造高部位生屑灘厚度較薄，斜坡處因多期灘體的疊置，生屑灘厚度最大，至斜坡下部（古地貌地層厚度180 m處）灘體逐漸變薄到尖滅，因此古潛山斜坡處為生屑云巖優(yōu)質(zhì)儲層的有利鉆探目標(biāo)區(qū)，具有重要的勘探潛力。

4 結(jié)論

1）南堡凹陷西南端沙一下亞段發(fā)育了生屑云巖、云質(zhì)礫巖和泥晶云巖等三大類湖相碳酸鹽巖。各類碳酸鹽巖電性特征差異明顯，建立了各巖類電性特征模板，并識別出生屑云巖儲層為本區(qū)的優(yōu)質(zhì)儲層，云質(zhì)礫巖儲層物性較差，泥晶云巖為隔夾層。

2）研究區(qū)沙一下亞段沉積期發(fā)育濱湖和淺湖相，進(jìn)一步劃分為生屑灘、灘緣、潟湖及礫屑灘等沉積亞相。儲層物性從礫屑灘相向生屑灘相逐漸變好，沉積演化整體上為向上湖平面逐漸變深的正旋回沉積，同時(shí)根據(jù)垂向上各沉積亞相組合特征，將其演化過程劃分為沙一下亞段早期、中期、晚期和末期4個(gè)階段；并描述了各時(shí)期湖盆內(nèi)不同構(gòu)造位置沉積的碳酸鹽巖特征，對優(yōu)質(zhì)儲層生屑云巖的展布形態(tài)進(jìn)行了刻畫。

3）研究區(qū)生屑云巖優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育受古地貌控制，縱向剖面上呈透鏡狀分布。通過鉆井資料與古地貌特征相結(jié)合，分析得到優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育范圍局限于古地貌地層厚度180 m范圍內(nèi)；通過將地質(zhì)理論模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，預(yù)測出古地貌最高點(diǎn)生屑云巖層的厚度，證實(shí)了本區(qū)古潛山高部位仍發(fā)育生屑灘，并定量預(yù)測了優(yōu)質(zhì)儲層的分布范圍及變化趨勢。這對該區(qū)域湖相碳酸鹽巖油田的勘探開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。