古潛山碳酸鹽巖裂縫性儲層發(fā)育機(jī)制及地質(zhì)建模

張立安，曹 龍，崔名喆，吳穹螈，穆朋飛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459）

裂縫性古潛山變質(zhì)巖和碳酸鹽巖地層是一類重要的儲集層，適合油氣聚集形成特殊油氣藏［1-3］。隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)程度的不斷深入， 近些年來，在渤海灣盆地已發(fā)現(xiàn)大量潛山油氣田［4-7］。 然而潛山油田具有地質(zhì)年代久遠(yuǎn)、埋藏深度大、構(gòu)造運(yùn)動頻繁、儲層展布規(guī)律多樣、非均值性極強(qiáng)、勘探風(fēng)險大（單井鉆探費(fèi)用近億元）等難點，嚴(yán)重制約著潛山油田的高效開發(fā)。 前人對潛山裂縫儲層做過大量研究，側(cè)重于潛山裂縫規(guī)律和儲層發(fā)育模式［8-11］，少有學(xué)者將研究成果定量刻畫到三維地質(zhì)模型，指導(dǎo)油田開發(fā)生產(chǎn)實踐。 結(jié)合前人對古潛山變質(zhì)巖及古潛山碳酸鹽巖儲層的研究思路，應(yīng)用取心井、三維地震和測井資料，明確了碳酸鹽巖儲層發(fā)育的主控因素和展布規(guī)律，在地質(zhì)模式基礎(chǔ)上結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)資料建立古潛山裂縫雙孔介質(zhì)三維地質(zhì)模型，為BZ28油田低效井治理及挖潛提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

BZ28油田位于渤海西部海域渤南低凸起的中段，是一個受多期斷層復(fù)雜化的古潛山斷塊油氣藏（見圖1）， 南側(cè)和西側(cè)發(fā)育兩條大斷層控制著整個構(gòu)造形態(tài)， 使之成為地層向北東傾沒的單斜古潛山，潛山內(nèi)部發(fā)育兩組次級斷層相互交織切割。 其具有繼承性的基底古凸起構(gòu)造格局，多期構(gòu)造運(yùn)動及海平面升降控制了碳酸鹽巖地層的沉積特征。 地層自下而上劃分為下寒武統(tǒng)府君山組、饅頭組和毛莊組，中寒武統(tǒng)徐莊組和張夏組，上寒武統(tǒng)崮山組、長山組和鳳山組， 下奧陶統(tǒng)冶里組和亮甲山組，中奧陶統(tǒng)下馬家溝組和上馬家溝組。 研究區(qū)至少存在5期不同程度的沉積間斷， 研究區(qū)下寒武系地層在西部和南部處于古陸剝蝕區(qū)，無沉積；中寒武統(tǒng)厚度自西向東增大； 上寒武統(tǒng)-奧陶統(tǒng)均有不同程度的剝蝕。 實鉆錄井資料在府君山組、饅頭組、毛莊組、 亮甲山組和馬家溝組碳酸鹽巖均有油氣顯示，不同區(qū)塊、 不同井點和不同層段地層厚度差異明顯，儲層厚度變化巨大。

2 碳酸鹽巖儲層發(fā)育機(jī)制

根據(jù)巖心描述、壁心、鉆井巖屑、巖石薄片、掃描電鏡、 分析化驗等資料綜合研究，BZ28油田巖性主要為碳酸鹽巖，含少量碎屑巖和混積巖［12］。 碳酸鹽巖發(fā)育有白云巖、灰?guī)r、云灰?guī)r和灰云巖。 白云巖以不等粒白云巖、粉晶白云巖為主，其次為細(xì)晶白云巖；灰?guī)r以含屑(球粒、生屑、砂粒屑)泥晶灰?guī)r為主，其次為泥晶灰?guī)r和粉晶灰?guī)r。 薄片下，孔隙類型主要為次生孔隙，原始孔隙次之。 其中，次生孔隙可見粒間溶孔、晶間溶孔、溶縫及裂縫；原生孔隙保留有粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、體腔孔和鳥眼孔。

2.1 沉積是控制儲層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)

通過巖性組合、沉積構(gòu)造、生物化石等綜合分析，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造沉積、古地貌和古水深研究，認(rèn)為BZ28油田古生界碳酸鹽巖地層沉積時期地殼運(yùn)動相對平靜，地形相對平緩［13-15］，根據(jù)平面位置，可分為臺地邊緣、開闊臺地和局限臺地三種相（見圖2）。

開闊臺地相屬于高能沉積環(huán)境，為海水相對較淺的區(qū)域，水體深度小于100 m，位于臺地邊緣和局限臺地之間，海域比較廣闊，通常不受障壁島或生物礁遮擋，水體循環(huán)良好，鹽度正常，沉積過程中水體能量強(qiáng)，容易形成顆粒巖。 顆粒巖粒間孔隙發(fā)育，但在成巖過程中被大量膠結(jié)物充填，原生有效孔隙基本未保留下來，少見殘留粒間孔。 巖石薄片可見大部分顆粒巖發(fā)生過白云石化作用，但孔隙被膠結(jié)物充填， 在后期成巖作用中很難受溶蝕作用改造，孔隙度很低。 少部分顆粒巖在經(jīng)過膠結(jié)作用充填和白云石化后，仍保留有部分原生孔隙，后期遭受構(gòu)造作用和溶蝕作用的強(qiáng)烈改造， 孔隙度大幅改善，是BZ28油田非常重要的碳酸鹽巖儲集層。

局限臺地相屬于中—低能沉積環(huán)境，位于開闊臺地內(nèi)側(cè)，海水循環(huán)受到極大限制，向海方向通?？梢娪缮锝富驕\灘所構(gòu)建的斷續(xù)相連狀障壁島，鹽度不正?；蜉^高，主要發(fā)育云坪、灰云坪、泥云坪和云灰坪沉積。 水體能量較低，日照蒸發(fā)能力強(qiáng)，利于原生灰?guī)r發(fā)生白云石化，形成晶粒巖、顆粒晶粒巖及生物晶粒巖。 晶粒巖原生孔隙相對不發(fā)育，但在后期成巖過程中經(jīng)過白云石化、溶蝕溶解、構(gòu)造運(yùn)動等作用反復(fù)改造， 有利于次生孔隙和裂縫發(fā)育，形成優(yōu)質(zhì)儲層。

2.2 成巖是控制儲層發(fā)育的重要保障

通過巖石薄片觀察、 成巖系列研究及巖性礦物分析， 研究區(qū)古潛山碳酸鹽巖儲層經(jīng)歷成巖作用有白云石化作用、溶解作用、壓實作用、膠結(jié)作用和去白云化作用。 對于BZ28油田，膠結(jié)作用屬于破壞性成巖作用，大量膠結(jié)物充填原始孔隙空間；壓實作用損失大部分原始孔隙度，但可以產(chǎn)生裂縫，利于酸性流體運(yùn)移形成壓溶隙； 對碳酸鹽巖儲層最關(guān)鍵的是白云山化作用和溶解作用，改善儲層形成次生孔隙。

根據(jù)巖石薄片觀察， 除部分井段發(fā)育泥晶～泥粉晶白云巖外（見圖3a），其余多為交代白云巖（見圖3b）。 據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)白云石含量為35%～60%時，白云石晶間孔最發(fā)育， 孔隙直徑也相對較大， 孔徑為0.01～0.05 mm，孔隙邊緣呈折線狀。在部分白云石晶間孔中，可見有機(jī)質(zhì)充填（見圖3c）、孔壁或殘留瀝青。 白云石化結(jié)晶作用不僅產(chǎn)生晶間孔和晶間微孔，且白云巖脆性最強(qiáng)，易形成裂縫，晶間縫隙為后期溶解作用提供先決條件。 依據(jù)對研究區(qū)碳酸鹽巖儲層評價結(jié)果，白云巖平均孔隙度為4.52%，灰?guī)r平均孔隙度為1.91%，灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r的平均孔隙度為2.33%。

依據(jù)沉積序列和成巖序列研究，溶解作用可分為三個階段：早期古潛山內(nèi)幕溶蝕作用階段、中期地層埋藏溶解作用階段和晚期地表風(fēng)化巖溶作用階段。 據(jù)巖石薄片統(tǒng)計，BZ28油田最主要的孔隙空間為晶間溶孔和粒間溶孔（見圖3d），少見粒內(nèi)溶孔、溶溝和溶縫。 粒間溶孔孔徑0.03～0.40 m，孔隙邊緣呈不規(guī)則鋸齒狀； 鏡下晶間溶孔分布最普遍，是在晶間孔基礎(chǔ)上溶蝕形成，孔徑0.02～0.30 mm，孔隙邊緣呈不規(guī)則港灣狀；粒內(nèi)溶孔分布較少，呈不均勻孤立狀；溶溝和溶縫通常是在裂縫基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)生溶蝕形成，寬度約0.1～0.5 mm，延伸范圍不遠(yuǎn)，發(fā)育不普遍。 地層埋藏溶解作用階段，部分溶孔進(jìn)一步擴(kuò)大，形成超大溶蝕孔。 表層巖溶作用階段，易溶物質(zhì)溶解發(fā)生垮塌，形成巖溶角礫和溶洞，此類強(qiáng)溶蝕作用僅在局部井段可見，且多被泥質(zhì)、黃鐵礦或方解石充填（見圖3e、3f）。

2.3 構(gòu)造是控制裂縫發(fā)育的關(guān)鍵因素

渤海灣盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化表明，研究區(qū)古潛山碳酸鹽巖地層沉積后，受郯廬走滑斷裂西支活動的持續(xù)影響，構(gòu)造地質(zhì)活動開始頻繁［16］。 BZ28油田南側(cè)和西側(cè)存在長期活動的大斷裂帶，構(gòu)造運(yùn)動一方面嚴(yán)格控制古潛山的構(gòu)造形態(tài)和斷裂系統(tǒng)，在油田內(nèi)部發(fā)育近南北向和近東西向兩組斷層相互切割，將油田劃分成7個斷塊。 另一方面，構(gòu)造運(yùn)動使盆地多次抬升，碳酸鹽巖地層遭受長期大氣風(fēng)化剝蝕和雨水淋濾作用形成古潛山裂縫儲層。 據(jù)巖心、薄片觀察和鉆井資料統(tǒng)計，上油組儲層裂縫較下油組發(fā)育， 證明在古生界碳酸鹽巖地層沉積以后， 后期構(gòu)造運(yùn)動對碳酸鹽巖儲層的改造作用更強(qiáng)。

斷裂系統(tǒng)及裂縫發(fā)育程度對儲層發(fā)育情況亦起到控制作用。 研究區(qū)未充填或半充填裂縫比較發(fā)育，充填物主要為鈣質(zhì)、硅質(zhì)和泥質(zhì)等碎屑，部分被方解石膠結(jié)充填，可見溶蝕孔洞沿裂縫呈串珠狀發(fā)育，裂縫對儲層的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在為油氣的運(yùn)移和成藏提供大量的有效儲集空間，同時也是油氣開采的主要滲流通道。

3 碳酸鹽巖儲層地質(zhì)建模

3.1 儲層地質(zhì)模式

3.1.1 儲層平面分區(qū)

由于研究區(qū)古生界地層遭受長期剝蝕而缺失嚴(yán)重，為了恢復(fù)研究區(qū)古地貌特征，研究中采用印模法和趨勢面法相結(jié)合對古地貌進(jìn)行恢復(fù)。 研究區(qū)古巖溶地貌根據(jù)地形高低， 劃分為巖溶高地帶、巖溶斜坡帶和巖溶洼地帶（見圖4）。 其中，巖溶高地呈點狀呈現(xiàn)，分布范圍??；巖溶斜坡呈連片狀分布，發(fā)育范圍比較寬廣；巖溶洼地主要發(fā)育在研究區(qū)北部和東南部，分布范圍比較局限。 寬緩的巖溶斜坡帶和點狀巖溶高地帶是白云巖石化的最有利區(qū)，局部發(fā)育石膏和硬石膏，在后期埋藏成巖過程中極易發(fā)生溶解而形成優(yōu)質(zhì)儲層［17-20］。新生紀(jì)時期，沉積海進(jìn)體系域，海平面上升，古近系沙河街組碎屑巖地層逐漸超覆在碳酸鹽巖潛山地層之上。 由于潛山碳酸鹽巖底部為太古界花崗巖基巖，因此碳酸鹽巖地層頂、底均存在不滲透性地層，使地層水易沿裂縫和孔隙平行流動，發(fā)生順層侵蝕。 但受地層水溶蝕作用影響比較局限。

3.1.2 儲層垂向分帶

BZ28油田碳酸鹽巖儲層垂向具有明顯分帶性（見圖5），下油組發(fā)育順層溶蝕帶，中間被不穩(wěn)定厚層致密灰?guī)r段或泥巖段所分隔，上油組主要發(fā)育垂直淋濾帶和風(fēng)化殼帶。 下油組碳酸鹽巖地層與底部太古界花崗巖基底呈不整合面接觸，成巖過程中地層水沿層運(yùn)動發(fā)生溶蝕，當(dāng)寒武系碳酸鹽巖地層暴露地表后，遭受表生淋濾作用，儲層得到進(jìn)一步改造。 儲集空間主要為晶間溶孔、粒間溶孔、溶蝕縫等，屬于潛山內(nèi)幕溶蝕型儲層。 上油組儲層位于碳酸鹽巖潛山頂部，已鉆井顯示，主要分布在潛山頂面，厚度為0～250 m。 在新生代古近系沙河街組碎屑巖地層沉積前， 古潛山碳酸鹽巖地層出露地表，長期遭受風(fēng)化剝蝕、表生水淋濾和構(gòu)造運(yùn)動形成風(fēng)化巖溶帶，孔、洞、縫均十分發(fā)育，屬于風(fēng)化殼巖溶型儲層。

3.1.3 儲層發(fā)育模式

本次研究以塊狀碳酸鹽巖中間發(fā)育非儲集灰?guī)r和泥巖段為界， 將目的層劃分為下油組和上油組，上油組儲層發(fā)育優(yōu)于下油組。 其中，上油組孔、洞、縫均十分發(fā)育，儲層厚度相對穩(wěn)定，分布范圍較廣。 優(yōu)質(zhì)儲層呈帶狀分布于研究區(qū)西南部局限臺地和開闊臺地間，N1井區(qū)和S1井區(qū)儲層最發(fā)育， 是油田開發(fā)調(diào)整的優(yōu)勢區(qū)。8D井區(qū)和T1井區(qū)靠近臺地邊緣古地貌較低區(qū)域，隔夾層發(fā)育，儲層物性較差（見圖6）。

3.2 地質(zhì)建模

裂縫性儲層地質(zhì)建模應(yīng)綜合考慮原始孔隙的分布規(guī)律、溶解作用對溶蝕孔隙的控制作用和斷裂系統(tǒng)對裂縫發(fā)育的控制作用等因素［21-26］，遵循成因建模法則，以垂向和平面劃分的區(qū)帶作為約束條件，運(yùn)用Petrel軟件建立雙孔介質(zhì)儲層地質(zhì)模型。

3.2.1 儲層裂縫建模

前人關(guān)于渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造研究表明，新生代時期，渤南低凸起主要遭遇拉張應(yīng)力作用，斷層主應(yīng)力方向為北東—南西向。 根據(jù)巖心井構(gòu)造應(yīng)力實驗結(jié)果，巖石力學(xué)參數(shù)泊松比為0.28，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.54。通過已鉆井巖心觀察、核磁測井和成像測井等資料得知，BZ28油田沿北東和北西方向發(fā)育兩組裂縫，裂縫寬度為0.05～0.25 mm。第一組裂縫傾角為15°～35°，屬于低角度裂縫；第二組裂縫傾角為55°～80°，屬于高角度裂縫。其中，下油組裂縫密度平均為5條/m，上油組裂縫密度平均為14條/m。 儲層裂縫的空間展布則需要依靠地震手段進(jìn)行分析，分別提取下油組和上油組頂面沿層的平均曲率、 最大曲率、最小曲率、高斯曲率等多種曲率屬性，對比發(fā)現(xiàn)，最大曲率對縫洞系統(tǒng)較為敏感， 與鉆井吻合較好，對裂縫展布具有很好的指示意義。 以鉆井所獲取的裂縫參數(shù)作為硬數(shù)據(jù)，以地震資料所提取的曲率屬性作為軟數(shù)據(jù)，利用帶趨勢性的序貫指示方法插值建立裂縫概率體（見圖7），結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)資料對概率模型進(jìn)行優(yōu)選，以優(yōu)選模型為約束，應(yīng)用Petrel軟件建立離散裂縫片三維空間分布模型（見圖8）。

3.2.2 儲層屬性建模

裂縫性儲層屬性包括基質(zhì)孔隙度和滲透率、裂縫孔隙度和滲透率［27-28］。其中，基質(zhì)孔隙度和滲透率建模采用常規(guī)建模方法，以古潛山碳酸鹽巖沉積相作為控制條件，對井點數(shù)據(jù)用克里金插值。 裂縫孔隙度可利用離散裂縫片（DFN）面積乘以裂縫平均寬度計算得到。 裂縫滲透率有兩種計算方法：一是利用試井解釋滲透率對基質(zhì)滲透率進(jìn)行校正；二是利用離散裂縫片和平均裂縫寬度進(jìn)行等效滲透率計算。 但試井分析存在很大不確定性，因此本次研究通過對裂縫網(wǎng)格模型粗化， 獲取裂縫網(wǎng)絡(luò)模型的sigma因子、裂縫孔隙度和I、J、K方向的裂縫滲透率。實際上， 裂縫與基質(zhì)屬于統(tǒng)一的流體動力學(xué)單元，將裂縫網(wǎng)格模型耦合基質(zhì)模型，從而得到潛山裂縫性儲層雙孔雙滲地質(zhì)模型，油藏數(shù)值模擬結(jié)果更加符合地質(zhì)模式。 根據(jù)雙孔雙滲模型分析油田不同開發(fā)階段基質(zhì)、裂縫的出油規(guī)律和滲流特征，結(jié)合隔夾層分布特征，解決生產(chǎn)矛盾，為潛山裂縫油藏不穩(wěn)定注水技術(shù)研究提供地質(zhì)依據(jù)， 增油效果明顯。油田早期研究未認(rèn)識到下油組亦存在隔夾層，通過地質(zhì)模型分析證實N1井與BZ28井的連通性，且之間存在隔夾層， 注水井N1井新解釋58 m儲層并補(bǔ)孔，BZ28-1井增油效果明顯，成功治理低效井,解決N1～BZ28-1井組動靜態(tài)矛盾。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)平面上白云巖發(fā)育區(qū)控制優(yōu)質(zhì)儲層展布，在成巖階段，白云巖易發(fā)生溶蝕形成孔隙，在構(gòu)造運(yùn)動時期，白云巖易產(chǎn)生裂縫改善儲層。 垂向上，下油組主要發(fā)育內(nèi)幕溶蝕孔隙型儲層，中間被致密層分隔， 上油組主要發(fā)育風(fēng)化殼巖溶型儲層，上油組儲層發(fā)育優(yōu)于下油組。

（2）綜合鉆井、測井、地震資料，逐步認(rèn)清古潛山碳酸鹽巖裂縫儲層發(fā)育模式，建立符合地下認(rèn)識的儲層地質(zhì)模型。 該研究成果成功解決了油田生產(chǎn)動靜態(tài)矛盾和多口低效井治理問題，同時為油田潛力挖潛和增儲上產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。 該項技術(shù)形成了潛山碳酸鹽巖裂縫性儲層發(fā)育模式研究思路和雙孔介質(zhì)儲層地質(zhì)建模方法，有助于渤海灣盆地類似油田的高效勘探開發(fā)。