渤中凹陷碳酸鹽巖潛山巖溶分帶特征與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布規(guī)律研究

華曉莉，李慧勇，孫希家，陶 莉，胡賀偉

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452

碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)量在世界油氣總儲(chǔ)量中占有非常重要的地位，目前全球有近50%的石油和25%的天然氣儲(chǔ)量分布于碳酸鹽巖儲(chǔ)集體中（馬新華等，2019；王建波等，2008；Zenger et al.，1980）。儲(chǔ)集層發(fā)育程度已逐漸成為制約油氣勘探的關(guān)鍵，尤其是海相碳酸鹽巖區(qū)油氣勘探（昝念民等，2018；汪澤成等，2013；Lamberta et al.,2006；付孝悅等，2002），與沉積間斷或者不整合面相關(guān)的古巖溶地層更是油氣的重要儲(chǔ)集層（李啟桂等，2013；段杰，2009；郭彤樓等，2003）。通過(guò)對(duì)塔里木盆地、四川盆地和鄂爾多斯盆地等地區(qū)大量調(diào)研，總結(jié)了巖相、斷裂、巖溶、白云石化等對(duì)儲(chǔ)集層的控制作用（吉云剛，2012；閆海軍等，2016；于洲等，2017；劉麗紅等，2017；華曉莉等，2018；何治亮等，2019）；同時(shí)將巖溶相在垂向上劃為表層巖溶帶、垂直滲流帶、季節(jié)變動(dòng)帶、水平潛流帶和深部緩流帶5 種，且縱向上不同相帶巖溶儲(chǔ)層特征對(duì)優(yōu)質(zhì)巖溶儲(chǔ)集層的發(fā)育具有一定的控制作用（蔣春雷和金振奎，2009；馮仁蔚等，2014）。

渤中凹陷西南環(huán)在渤中21/22構(gòu)造區(qū)潛山天然氣勘探獲得重大突破，下古生界潛山碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)集層是主要勘探層系。該構(gòu)造區(qū)面積約200 km2，僅2口井鉆遇古生界碳酸鹽巖，鉆井揭示古生界氣層垂向上顯示分段性特征，這與巖溶儲(chǔ)層垂向分帶性密切相關(guān)。目前針對(duì)下古生界儲(chǔ)集層的研究主要集中于后期巖溶作用對(duì)儲(chǔ)集層的改造方面，而對(duì)影響巖溶儲(chǔ)集層發(fā)育的巖溶分帶性特征研究較為薄弱。本文旨在通過(guò)巖心薄片、測(cè)井并結(jié)合地球化學(xué)資料，精細(xì)研究渤中21/22構(gòu)造區(qū)古生界碳酸鹽巖巖溶分帶特征，尋找有利于形成巖溶儲(chǔ)集層的巖溶相帶，對(duì)碳酸鹽巖區(qū)儲(chǔ)層研究及下一步勘探部署目標(biāo)優(yōu)選具有一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤中凹陷西南環(huán)碳酸鹽巖出露區(qū)域集中在渤中21/22構(gòu)造區(qū)，位于渤海灣盆地中部海域，潛山整體具有凹中隆的背斜構(gòu)造背景（圖1）。渤中21/22構(gòu)造區(qū)經(jīng)歷了渤海灣整體沉降，加里東、印支、海西、燕山、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的多期改造，使得潛山地層遭受長(zhǎng)期暴露剝蝕，碳酸鹽巖儲(chǔ)集層接受多期改造，形成了風(fēng)化殼型巖溶儲(chǔ)集層。渤中凹陷西南環(huán)潛山上覆地層為新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營(yíng)組和沙河街組一段。古生界潛山碳酸鹽巖地層是本文研究的目的層段，目前鉆井揭示古生界地層厚度約300 m，主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和云質(zhì)灰?guī)r的巖性組合特征（圖2）。

2 巖溶儲(chǔ)層旋回特征

根據(jù)水動(dòng)力作用的大小、方向，大氣水在地表一部分形成地表徑流，巖石遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化淋濾，形成表層風(fēng)化帶；另一部分大氣水受重力驅(qū)動(dòng)發(fā)生垂直滲流，形成垂直滲流帶，多發(fā)育近垂直裂縫；當(dāng)水進(jìn)入潛水面之后，發(fā)生橫向近水平流動(dòng)，水流穩(wěn)定，溶蝕作用強(qiáng)，形成水平潛流帶，發(fā)育溶蝕孔洞；最后水流至泄水面，幾乎處于滯留狀態(tài)，溶蝕作用很弱，形成深部緩流帶，孔縫不太發(fā)育。結(jié)合鉆井巖心、薄片、電性、地球化學(xué)這幾方面的標(biāo)志性特征，研究區(qū)垂向上自上而下劃分為四個(gè)帶：表層風(fēng)化帶、垂直滲流帶、水平潛流帶、深部緩流帶。

圖1 渤海灣盆地渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)域位置Fig.1 Structural location of the 21/22 structural area in the Bozhong Sag,Bohai Bay Basin

圖2 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 Generalized stratigraphy of the 21/22 structural area in the Bozhong Sag

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)目前已鉆井的巖心薄片觀察結(jié)果，不同帶的巖性和儲(chǔ)集空間都存在一定的差異性。Ke1 井在潛山頂面4888.79 m 巖心觀察巖性為泥晶灰?guī)r，可見(jiàn)泥質(zhì)，溶蝕孔洞、網(wǎng)狀裂縫發(fā)育，為表層風(fēng)化殼的典型特征，儲(chǔ)集空間為孔洞—裂縫型（圖3a）；Ke2 井在4362.5 m 薄片觀察巖性為比較致密的灰?guī)r，不利于發(fā)生溶蝕，僅發(fā)育近垂直裂縫，被完全充填，為垂直滲流帶（圖3b）；水平潛流帶在本區(qū)特征明顯，Ke2井4450.6 m陰極發(fā)光顯示粒間孔、溶蝕孔洞發(fā)育，由于水流穩(wěn)定，大量的溶蝕孔隙保存較好，巖性主要為粒屑灰?guī)r，為易溶性的巖石，具備發(fā)生強(qiáng)溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ)（圖3c）；深部緩流帶裂縫較少，在Ke1井下部5127 m薄片觀察到裂縫基本不發(fā)育，但由于白云巖發(fā)育，形成白云石化晶間孔隙（圖3d）。

圖3 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)不同巖溶相帶巖石學(xué)特征Fig.3 Petrological characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

2.2 電性特征

測(cè)井曲線自然伽馬值反映泥質(zhì)含量，電阻率曲線在碳酸鹽巖中可反映巖石致密程度，U相對(duì)值是風(fēng)化殼溶蝕作用的表征（張海濤和時(shí)卓，2008）。

表層風(fēng)化帶，由于表層風(fēng)化形成土壤層，泥質(zhì)含量高，形成泥質(zhì)灰?guī)r，自然伽馬值較高，呈微鋸齒狀，電阻率曲線值偏低，說(shuō)明巖石不太致密（圖4），U 相對(duì)值明顯偏大，為典型的風(fēng)化殼表層特征。垂直滲流帶，曲線特征與表層風(fēng)化帶相反，自然伽馬值低，曲線平直，電阻率值異常高，密度變大，說(shuō)明巖性非常致密，U 相對(duì)值變小，反映溶蝕程度較低。水平潛流帶，曲線特征最為明顯，自然伽馬值偏高，呈鋸齒狀，電阻率整體較小，U值變大，反映該帶溶蝕作用很強(qiáng)，易形成較厚的巖溶儲(chǔ)層。深部緩流帶，典型特征是U值呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明溶蝕作用逐漸減弱。

2.3 地球化學(xué)特征

碳酸鹽巖巖溶作用過(guò)程中，由于大氣淡水的混入，會(huì)對(duì)一些化學(xué)元素造成一定的影響。針對(duì)研究區(qū)目前資料，本次主要通過(guò)C、O、Sr同位素來(lái)進(jìn)一步證實(shí)巖溶帶的劃分及溶蝕強(qiáng)度（劉存革，2005）。一般而言，海相中δ13C、δ18O 含量比淡水要高，且有淡水混入時(shí)，大量富含87Sr的陸殼鍶隨地表徑流進(jìn)入沉積盆地，導(dǎo)致87Sr/86Sr 比值高（張濤等，2005）。

圖4 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)不同巖溶相帶測(cè)井曲線特征Fig.4 Logging curve characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

Ke1 井C、O、Sr 同位素值變化趨勢(shì)明顯分為四段（表1,圖5），其中表層風(fēng)化帶和水平潛流帶C 和O 同位素組成都偏小，87Sr/86Sr 比值明顯偏大，為淡水混入特征，均代表溶蝕強(qiáng)度高的證據(jù)，反之垂直滲流帶和深部緩流帶C、O 同位素值偏大，Sr 同位素比值降到最低，為海水特征，說(shuō)明溶蝕強(qiáng)度較弱。

3 不同巖溶相帶儲(chǔ)層分布規(guī)律

由于巖溶作用強(qiáng)度的差異，各帶儲(chǔ)層發(fā)育特征也存在不同。根據(jù)前面分析各帶的巖石學(xué)特征、儲(chǔ)集空間、物性特征，表層風(fēng)化帶巖性主要為泥晶灰?guī)r，發(fā)育溶蝕孔洞、網(wǎng)狀裂縫，儲(chǔ)集空間為孔洞—裂縫型，由于表層風(fēng)化，裂縫完全被方解石充填，但仍保存有未被充填的溶蝕孔洞，說(shuō)明該帶物性好；垂直滲流帶巖性為比較致密的灰?guī)r，不利于發(fā)生溶蝕，僅發(fā)育近垂直裂縫，而且被完全充填，物性較差；水平潛流帶巖性主要為典型高能灘相的粒屑灰?guī)r，上部白云巖發(fā)育，這兩種巖性均為易溶性的巖石，具備發(fā)生強(qiáng)溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，儲(chǔ)集空間類型與表層風(fēng)化殼類似，為孔洞—裂縫型，同時(shí)存在被充填現(xiàn)象，但由于水流穩(wěn)定，大量的溶蝕孔隙保存較好，物性相對(duì)最好；深部緩流帶雖然溶蝕作用弱，裂縫較少，但由于白云巖發(fā)育，形成白云石化晶間孔隙，物性相對(duì)垂直滲流帶較好。整體上，表層風(fēng)化帶和水平潛流帶物性要好，深部緩流帶白云巖的發(fā)育改善了儲(chǔ)層物性，相對(duì)較好（圖6；圖7）。

表1 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)C、O、Sr同位素組成Table 1 Carbon,oxygen,strontium isotopic compositions of samples from the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

圖5 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)不同巖溶相帶地球化學(xué)特征Fig.5 Geochemical characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong area

通過(guò)對(duì)各巖溶帶的易溶巖性、充填程度、溶蝕強(qiáng)度、孔隙類型、物性條件等綜合分析，將溶蝕作用強(qiáng)、呈半充填程度、還存在一定有效孔隙、裂縫密度和孔隙度相對(duì)大、物性好的儲(chǔ)層歸為Ⅰ類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；溶蝕作用較弱、充填程度嚴(yán)重、物性較好的儲(chǔ)層歸為Ⅱ類儲(chǔ)層；溶蝕作用弱，巖性致密、完全充填、物性較差的儲(chǔ)層劃為Ⅲ類儲(chǔ)層?？v向上，I類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要分布在表層風(fēng)化帶，即不整合面以下20 m 范圍內(nèi)，還有水平潛流帶，距不整合面50～200 m（圖6）。另外，表層風(fēng)化帶和水平潛流帶儲(chǔ)層發(fā)育不受巖性影響，除了普遍認(rèn)為在白云巖中儲(chǔ)層較發(fā)育外，灰?guī)r中也發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。但是在溶蝕作用弱的深部緩流帶，白云巖發(fā)育區(qū)則是潛在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育帶。

圖6 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)不同巖溶相帶儲(chǔ)層分布Fig.6 Reservoir distribution of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong area

圖7 渤中凹陷21/22構(gòu)造區(qū)不同巖溶相帶儲(chǔ)層模式圖Fig.7 Reservoir formation model of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)巖溶儲(chǔ)層垂向具有分帶性特征，自上而下分為表層風(fēng)化帶、垂直滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶，且其巖電特征與溶蝕作用差異性控制了儲(chǔ)層發(fā)育段。

（2）優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要分布在表層風(fēng)化帶和水平潛流帶，即不整合面以下20 m 范圍內(nèi)和距不整合面50～200 m。此外在溶蝕作用弱的深部緩流帶，白云巖發(fā)育區(qū)則是潛在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育帶。