冀中坳陷北部奧陶系儲層形成機理與分布模式

趙文龍，韓春元，嚴夢穎，喬 博，羅 靜，薛 輝，郭惠平

(中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

奧陶系潛山是冀中坳陷北部的重要油氣勘探領(lǐng)域，已發(fā)現(xiàn)蘇橋、永清等奧陶系潛山油氣藏，并取得了良好的勘探效益[1-2]。而北部河西務(wù)潛山帶一直被認為儲集條件差、非均質(zhì)性強，難以形成油氣富集。針對潛山帶奧陶系的儲集條件，前人曾做過大量研究工作[3-7]，尤其是在研究儲集空間組合特征、儲集體成因等方面。吳小洲等[8]認為冀中奧陶系儲層基本為非均質(zhì)似塊狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造形態(tài)和控山斷層是儲層發(fā)育的主要因素，指出了背斜構(gòu)造、斷裂發(fā)育帶利于儲層發(fā)育，以裂縫發(fā)育豐度對儲集層進行評價，而巖石類型及巖溶作用對儲層的影響論述較弱，并不能較好地反映儲層的儲集類型以及分布特征。郭建華等[9]將多期次巖溶作用和斷裂活動作為制約儲層發(fā)育的因素，主要論述了河西務(wù)構(gòu)造帶巖溶類型、期次及構(gòu)造裂縫分布規(guī)律對儲集層的改造作用，卻缺少了對巖性控制的孔隙型儲層的分析，可能會遺漏對該類儲層的評價。

因此，文中在巖心觀察基礎(chǔ)上，綜合運用鉆井、測井、分析化驗等資料，通過對儲層基本特征、成因類型、主控因素等展開攻關(guān)研究，明確了奧陶系潛山帶有利儲層的形成機制及發(fā)育特征，建立了儲層發(fā)育分布模式，為該區(qū)油藏模式的建立和油氣勘探部署提供了依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

冀中坳陷北部潛山帶已發(fā)現(xiàn)并落實了東儲、韓村、楊稅務(wù)、劉其營、劉其營西、永清和中岔口潛山圈閉(圖1)。地層發(fā)育下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組，中奧陶統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組，缺失上奧陶統(tǒng)地層。多口井試油資料顯示，上馬家溝組—峰峰組是該區(qū)奧陶系潛山主要的含油層系(表1)。

圖1 冀中坳陷北部奧陶系潛山圈閉簡圖Fig.1 Sketch map of Ordovician buried hill traps in northern Jizhong depression

表1 河西務(wù)構(gòu)造帶潛山井試油數(shù)據(jù)Table 1 Well test data of buried hills in Hexiwu tectonic belt

2 儲集層特征

2.1 儲集空間類型

鉆井資料揭示，奧陶系潛山地層巖性較為復(fù)雜，發(fā)育多種巖石類型，儲集層巖性以白云巖為主，其次為灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r。儲集空間經(jīng)歷了多期次成巖作用、巖溶作用以及構(gòu)造斷裂的改造，原生孔隙較難保存，儲集空間主要為晶間孔、晶間溶孔、構(gòu)造裂縫和溶蝕孔洞等次生儲集空間。

2.1.1 晶間(溶)孔

晶間孔在白云巖中較為發(fā)育，方解石被云化為白云石的過程，也是晶粒變小的過程，往往產(chǎn)生晶間孔(圖2a)。晶間孔之間一般有喉道或者微裂縫相連，在適宜條件下，巖溶流體可以滲入晶間孔內(nèi)產(chǎn)生晶間溶孔(圖2b)。

2.1.2 構(gòu)造裂縫

未被充填的構(gòu)造縫既可作為油氣儲集空間又是重要的滲流通道，由務(wù)古2、務(wù)古4井玫瑰花圖(圖2c、d)可以看出，區(qū)內(nèi)裂縫方向主要為北東—南西向和北西—南東向。楊稅務(wù)、南旺、韓村以及東儲4個潛山多口井的裂縫測井識別顯示(表2)，上馬家溝組上部—峰峰組裂縫發(fā)育程度最高，在楊稅務(wù)和韓村潛山最為發(fā)育，占地層厚度的30.3%～34.1%；上馬家溝組中部層段裂縫發(fā)育較為局限，僅在楊稅務(wù)潛山發(fā)育，占地層厚度的23.5%，而在韓村和東儲潛山發(fā)育極少甚至不發(fā)育；下馬家溝組上部—上馬家溝組下部層段裂縫相對較發(fā)育，個別井如務(wù)古2井裂縫發(fā)育厚度占地層厚度的52.6%，Ⅱ級裂縫為主要裂縫，占裂縫的89.52%。

表2 冀中北部潛山儲層主要層段測井解釋裂縫發(fā)育情況Table 2 Fracture development status by well logging interpretation of main intervals of buried hill reservoirs in northern Jizhong depression

圖2 奧陶系碳酸鹽巖晶間孔、晶間溶孔及構(gòu)造裂縫Fig.2 Intergranular pores intergranular solution pores and structural fracture in Ordovician carbonate rocks

2.1.3 溶蝕孔洞

冀中坳陷部分區(qū)域缺失上奧陶統(tǒng)，經(jīng)歷了大規(guī)模的地層剝蝕和長期的巖溶作用，風(fēng)化溶蝕現(xiàn)象比較常見。據(jù)河西務(wù)構(gòu)造帶鉆井液漏失和鉆具放空數(shù)據(jù)，永清潛山、劉其營潛山鉆井液漏失量為1.00～422.96 m3，鉆具放空長度為0.20～1.35 m，永34井馬家溝組3 254.53～3 255.88 m井段鉆井液漏失達422.86 m3，鉆具放空長度達1.35 m，表明溶蝕孔洞比較發(fā)育。

2.2 儲層發(fā)育特征

根據(jù)潛山儲集空間組合特征，結(jié)合實際沉積特征和層序演化序列，劃分出白云巖孔隙型和巖溶縫洞型兩大類，并在縱向上識別出5套儲層。

白云巖孔隙型儲層在縱向上有4個發(fā)育段，受海平面變化的影響，均發(fā)育于海退旋回的上部，分布于亮甲山組上部—下馬家溝組下部、下馬家溝組上部—上馬家溝組下部、上馬家溝組中部和上馬家溝組上部—峰峰組下部。該類儲層的形成主要受白云石化作用的控制，儲集空間以晶間孔、粒內(nèi)或粒間溶孔等孔隙、微裂縫為主，儲集類型主要為裂縫-孔隙型。巖性主要為泥-粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖，通常為中薄層互層狀沉積，主要在云坪、灰云坪等潮坪沉積環(huán)境中形成。

巖溶縫洞型儲層主要沿加里東不整合面分布，由于長期受暴露和風(fēng)化剝蝕作用影響，巖溶主導(dǎo)的儲集空間占優(yōu)，主要為溶孔、溶洞、構(gòu)造-溶蝕縫、微裂縫，儲集類型為裂縫-溶蝕孔洞縫型。儲集巖以泥-粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖為主，其次為泥晶灰?guī)r，主要在灰云坪、云灰坪和局限臺地環(huán)境中沉積。據(jù)鉆井液漏失、鉆具放空資料及Fe、Mn、Sr、87Sr/86Sr、∑REE等地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析(圖3)，此類儲集層主要發(fā)育在不整合面以下的峰峰組—上馬家溝組上部。

圖3 務(wù)古4、馬97井奧陶系巖性及地球化學(xué)特征Fig.3 Ordovician and geochemical characteristics in Well Wugu 4 and Well Ma 97

3 儲層發(fā)育的形成機理探討

通過測井、錄井、測試及試油等手段研究，發(fā)現(xiàn)河西務(wù)構(gòu)造帶潛山儲集層發(fā)育程度差異較大,儲集層的儲集物性非均質(zhì)性較強,主要受巖性、裂縫發(fā)育程度、巖溶作用強度等因素的影響。

3.1 白云巖是儲層形成的基礎(chǔ)

白云巖的分布控制了孔隙的發(fā)育：①孔隙發(fā)育程度與巖性有關(guān)，據(jù)永16、永22井16.14 m的巖心統(tǒng)計，白云巖類占65%，灰?guī)r類占35%?；?guī)r平均孔隙度為2.0%，平均滲透率為0.32 mD；白云巖平均孔隙度為3.2%，平均滲透率為0.55 mD。②白云巖往往發(fā)育較多的晶間孔，尤其是粉細晶白云巖的晶間孔最為發(fā)育。據(jù)永11、永16、永22、蘇1-4井泥晶白云巖和粉細晶白云巖基質(zhì)孔隙度統(tǒng)計，泥晶白云巖基質(zhì)孔隙度為0.48%～1.60%，而粉晶白云巖基質(zhì)孔隙度為0.32%～6.20%。

白云巖的分布控制了裂縫的發(fā)育程度。白云巖的儲集物性比灰?guī)r好，主要原因是白云巖比灰?guī)r脆性大，其裂縫發(fā)育程度隨之增高。據(jù)務(wù)古2井碳酸鹽巖裂縫統(tǒng)計，白云巖段裂縫厚度為108.1 m，裂縫率達48.5%，而灰?guī)r段裂縫厚度為49.7 m，裂縫率為17.2%，白云巖段裂縫率遠大于灰?guī)r層段。此外，相關(guān)研究表明，除個別低溫水介質(zhì)中CO2含量較高、壓力較大的條件外，白云巖的溶解度均高于方解石的溶解度，加之白云巖較好的晶間孔和較高的裂縫率等特點，決定了白云巖溶蝕孔洞縫比灰?guī)r發(fā)育程度高，因此，白云巖的發(fā)育也是利于巖溶作用的重要因素。

3.2 裂縫發(fā)育程度是儲層形成的關(guān)鍵

裂縫能極大地溝通儲集空間，裂縫發(fā)育的部位可以控制原有孔隙的連通，可以連通晶間孔、溶孔，使相對孤立的孔隙連片，也可以使裂縫之間相互貫通，進而改善儲層的儲集性能。巖溶流體也往往沿著裂縫進行巖溶作用。裂縫不發(fā)育區(qū)巖溶作用只能在巖石表面進行，通常不利于形成有效儲層。裂縫發(fā)育程度是儲層形成的關(guān)鍵所在，斷裂活動促進裂縫發(fā)育，在實鉆過程中，普遍存在斷層附近的井發(fā)生井漏、鉆具放空的現(xiàn)象。永15井的上馬家溝組鉆進時槽面顯示較活躍，曾2次發(fā)生井涌，3 081.9～3 302.0 m已測試出油。表明斷裂附近的構(gòu)造縫及順縫溶洞發(fā)育，大大改善了巖石的儲集性能。

3.3 巖溶作用強度控制儲層的優(yōu)劣

巖溶作用控制著大縫洞的形成，往往是巖溶縫洞型儲層形成的主要因素。據(jù)鉆井液漏失、鉆具放空資料及Fe、Mn、Sr、87Sr/86Sr、∑REE等地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析[10]，巖溶作用主要發(fā)育在不整合面以下的峰峰組—上馬家溝組上部，在河西務(wù)潛山帶巖溶作用較為普遍發(fā)育，主要集中在不整合面以下100 m范圍之內(nèi)。儲層的優(yōu)劣與巖溶作用時間成正比關(guān)系，巖溶時間越長，其縫洞越發(fā)育、儲集性能越好，儲層越發(fā)育[11-16]。如霸縣凹陷的牛19井，上覆地層無石炭系—二疊系的覆蓋，其風(fēng)化淋濾時間明顯變長，在1 578.7～1 594.0 m井段巖溶縫洞較為發(fā)育，發(fā)生鉆井液漏失349.2 m3的井漏，而劉其營潛山、東儲潛山等均有石炭系—二疊系的覆蓋，巖溶作用段發(fā)育程度明顯變?nèi)酰?6口井中僅有4口井發(fā)生放空漏失，巖溶縫洞不甚發(fā)育。

4 儲層發(fā)育分布模式

以儲層的形成機理為主線，建立了冀中坳陷北部奧陶系區(qū)域塊-層復(fù)合型、區(qū)域?qū)訝?、局部塊狀3種儲層發(fā)育與分布模式。

4.1 區(qū)域塊-層復(fù)合型

該儲層發(fā)育模式受巖溶作用和巖性的雙重控制。當(dāng)巖溶作用較為強烈、巖性影響變?yōu)榇我獣r，儲集空間類型以溶蝕性縫洞為主，儲層的分布主要沿不整合面形成塊狀，具有區(qū)域塊狀溶蝕縫洞型儲層發(fā)育分布模式，霸縣凹陷的蘇橋潛山帶上馬家溝組上部—峰峰組儲層具有區(qū)域塊狀特征。當(dāng)巖溶作用較弱時，儲層分布主要受層狀白云巖控制，儲集空間則為白云巖晶間孔、構(gòu)造微裂縫與溶蝕孔洞縫，具有區(qū)域塊-層復(fù)合型發(fā)育分布模式，廊固凹陷河西務(wù)北部潛山帶上馬家溝組上部—峰峰組為區(qū)域塊-層復(fù)合型儲層。

4.2 區(qū)域?qū)訝?/h3>

該儲層發(fā)育模式主要受巖性控制，以泥-粉-細晶白云巖為主，儲集空間主要為白云石晶間孔和構(gòu)造微裂縫。潮坪相是白云巖形成的主要環(huán)境，通過蒸發(fā)泵白云化和回流滲透白云化作用，形成的儲層往往具有橫向上連續(xù)、縱向上分帶、區(qū)域性層狀分布的特征。在亮甲山組—下馬家溝組下部、下馬家溝組上部—上馬家溝組下部、上馬家溝組上部—峰峰組下部較為集中發(fā)育此類儲層。

4.3 局部塊狀

該儲層發(fā)育模式受巖性、裂縫發(fā)育程度控制，儲層巖性以中-粗晶白云巖為主，儲集空間可以是晶間孔、微裂縫，也可以是溶蝕孔洞縫。剖面中的中-粗晶白云巖具有明顯的霧心亮邊結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)歷了多期次的交代作用，陰極發(fā)光呈暗紫色，較高的白云石有序度(0.93～0.96)、δ18O值負漂移(-6.783‰～-9.380‰)以及白云巖流體包裹體較高的溫度(均一化溫度達77.2 ℃)也證實了該類白云巖具有埋藏白云化的典型特征。該模式下形成的白云巖可能是在埋藏過程中受斷層等因素影響，整體呈現(xiàn)出局部塊狀分布模式，在上馬家溝組中部表現(xiàn)出局部塊狀分布特征?；谝陨险J識，在楊稅務(wù)潛山帶西部鉆探安探1X井，于區(qū)域塊-層復(fù)合狀儲層中獲得日產(chǎn)氣為40.89×104m3/d、日產(chǎn)油為71.16 m3/d的高產(chǎn)油氣流；在楊稅務(wù)潛山帶東部鉆探的安探3井，于區(qū)域?qū)訝盍良咨絻荧@得日產(chǎn)氣為50×104m3/d、日產(chǎn)油為35.00 m3/d的高產(chǎn)油氣流。預(yù)測楊稅務(wù)潛山天然氣圈閉資源量326×108m3、凝析油873×104t，實現(xiàn)楊稅務(wù)潛山奧陶系油氣勘探重大突破。研究成果對楊稅務(wù)及其周邊奧陶系潛山領(lǐng)域的勘探部署具有長遠的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

5 結(jié) 論

(1) 冀中坳陷北部奧陶系潛山發(fā)育4套白云巖孔隙型和1套巖溶縫洞型儲集層。巖性主要為泥-粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖，其次為泥晶灰?guī)r，儲集空間主要發(fā)育晶間(溶)孔、構(gòu)造裂縫和溶蝕孔洞等。云巖孔隙型儲層發(fā)育在亮甲山組—下馬家溝組下部、下馬家溝組上部—上馬家溝組下部、上馬家溝組中部及上馬溝組上部—峰峰組下部，巖溶縫洞型儲層發(fā)育在上馬家溝組上部—峰峰組。

(2) 奧陶系潛山有利儲層的形成主要受到巖石類型、裂縫發(fā)育程度和巖溶作用強度的多種作用控制，巖石類型是控制儲層形成的基礎(chǔ)，裂縫發(fā)育程度是制約儲層形成的關(guān)鍵，巖溶作用強度控制儲層的優(yōu)劣。

(3) 儲層發(fā)育區(qū)域發(fā)育層狀、區(qū)域塊-層復(fù)合狀和局部塊狀3種模式，亮甲山組—下馬家溝組下部、下馬家溝組上部—上馬家溝組下部、上馬家溝組上部—峰峰組下部受到潮坪相蒸發(fā)泵白云化和回流滲透白云化作用的控制，具有區(qū)域?qū)訝罘植继卣鳎簧像R家溝組上部—峰峰組受到巖溶作用和層狀白云巖雙重作用的影響，具有區(qū)域塊-層復(fù)合狀分布特點；而上馬家溝組中部具有埋藏白云化作用的特征，表現(xiàn)出局部塊狀分布模式。3種模式的建立有力地支撐了楊稅務(wù)潛山重大勘探突破，對奧陶系潛山領(lǐng)域的勘探部署具有長遠的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。