粵中地區(qū)三水盆地布心組湖相碳酸鹽巖致密油儲層特征

唐 鑫 萍

(中國石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280)

0 引 言

湖相碳酸鹽巖在陸相沉積盆地中廣泛發(fā)育，在國內(nèi)外很多盆地均已獲得工業(yè)油流，比如中國準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地、四川盆地、渤海灣盆地[1-4]，美國Great Salt Lake盆地、Ridge盆地、Pyramid Lake盆地，東非大裂谷Tanganyika盆地，玻利維亞 Palaeo-Andean盆地，阿根廷Andina盆地等[5-11]。受湖盆沉積環(huán)境的影響，湖相碳酸鹽巖物性總體較為致密，且多與泥質(zhì)烴源巖互層或共生發(fā)育，其中儲存的油氣多具有致密油氣的特征[1-4,12-15]。諸多盆地的勘探實踐表明，以湖相碳酸鹽巖為儲層的致密油分布范圍廣、資源潛力大。

儲層研究被稱為非常規(guī)油氣研究的“靈魂”[16-17]。致密油儲層研究主要包括巖性、物性、含油氣性、烴源巖特性等要素，這些要素可為致密油“甜點”分布的預(yù)測乃至鉆探目標(biāo)的優(yōu)選提供直接決策依據(jù)[18-21]。近兩年，湖相碳酸鹽巖致密油儲層研究的新進展主要集中于準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組、柴達(dá)木盆地漸新統(tǒng)、四川盆地侏羅系大安寨組。這些研究揭示了該類儲層的特點：巖性普遍具有混積巖特征，即為多種礦物或巖性組分所混合；儲集空間以納米—微米級孔隙為主，包括礦物晶間孔、生物體腔孔、溶蝕擴大孔及其微裂縫系統(tǒng)；優(yōu)選儲層段經(jīng)水平井多段多簇壓裂改造后，增產(chǎn)效果顯著[1-4,12-13,22-24]。

粵中地區(qū)三水盆地古近系布心組地層中發(fā)育大面積碳酸鹽巖。前人研究表明：三水盆地碳酸鹽巖是在湖盆演化過程中貧物源階段內(nèi)源沉積的產(chǎn)物，形成于較干旱炎熱氣候下的半咸水環(huán)境，呈條帶狀分布于盆地的斜坡區(qū)域，分為灰泥坪、碳酸鹽巖臺地兩種沉積相類型[25-26]。這些研究為該區(qū)致密油勘探工作的開展提供了重要基礎(chǔ)。近年來，隨著研究的深入，湖相碳酸鹽巖巖性復(fù)雜、儲層非均質(zhì)性強的矛盾日益凸顯，急需開展針對性的儲層研究。本文聚焦三水盆地古近系布心組湖相碳酸鹽巖的巖性、物性、烴源巖特性等儲層要素，為該區(qū)的致密油研究奠定基礎(chǔ)，并為相似巖性背景的致密油研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 粵中地區(qū)三水盆地古近系構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic Division of Paleogene in Sanshui Basin of Central Guangdong Area

三水盆地為中國南方中小盆地群之一，是粵中地區(qū)最大的盆地，位于珠江三角洲西北部，北起廣東省清遠(yuǎn)市，南至佛山市，西抵肇慶市，東至廣州市，面積為3 375 km2。盆地構(gòu)造位置處于華南陸緣，是晚白堊世華南陸緣伸展、破裂形成的一個中—新生代陸相斷陷盆地，呈近SN向展布，總體為不規(guī)則菱形[27-29]。盆地內(nèi)可分為東、西部兩個斜坡，南、北部兩個凹陷及中北部寶竹背斜5個構(gòu)造單元(圖1)。盆地以上古生界海相碳酸鹽巖及中生界火成巖為基底，沉積地層包括白堊系、古近系和第四系。古近系從老到新依次發(fā)育古新統(tǒng)莘莊組和始新統(tǒng)布心組、西布組、華涌組。前人經(jīng)過大量勘探工作[30]，在寶竹背斜發(fā)現(xiàn)了寶月、竹山崗兩個油氣田，主要油氣產(chǎn)層為古近系布心組。研究表明，布心組是盆地?zé)N源巖的主要發(fā)育層段，其巖性主要為泥巖、灰?guī)r、砂巖，分為一段、二段和三段，其中碳酸鹽巖主要發(fā)育于布心組二段和三段。

2 巖石學(xué)與巖相特征

巖芯、薄片、掃描電鏡分析結(jié)果表明，粵中地區(qū)三水盆地古近系布心組碳酸鹽巖巖性主要為泥灰?guī)r、云質(zhì)泥灰?guī)r、生物灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r。X射線衍射(XRD)分析結(jié)果表明，巖石礦物成分主要為方解石，部分為白云石、黏土礦物，含少量石英、長石、黃鐵礦、硬石膏、鐵白云石、菱鐵礦(表1)。礦物成分中，石英、長石、黏土礦物與陸源沉積物有關(guān)，這種混源沉積特征在國內(nèi)外湖相碳酸鹽巖中普遍出現(xiàn)，其原因在于湖相沉積水體范圍相對較小，容易受陸源沉積物影響[31-34]。

泥灰?guī)r為灰—灰白色，發(fā)育波狀層理、水平層理，具干裂結(jié)核構(gòu)造，偶見生物化石；礦物成分主要由方解石、黏土礦物組成，含少量石英、白云石；方解石多呈他形，少量呈半自形；黏土礦物以片狀高嶺石、伊利石、伊蒙混層為主。云質(zhì)泥灰?guī)r顏色、構(gòu)造、化石發(fā)育情況與泥灰?guī)r一致；礦物成分主要由方解石、黏土礦物、白云石組成；方解石、黏土礦物形態(tài)與泥灰?guī)r一致；白云石多為半自形—自形，呈斑塊狀、條帶狀分布。生物灰?guī)r為灰—深灰色，發(fā)育疊層石等生物成因構(gòu)造，生物十分發(fā)育，常見枝管藻、藍(lán)綠藻、螺、介形蟲等生物化石；礦物成分上，方解石占絕對優(yōu)勢，占90%左右；膠結(jié)物主要為泥晶，局部含亮晶。泥晶灰?guī)r為深灰色，發(fā)育生物攪動構(gòu)造，見少量介形蟲、螺等生物化石；礦物成分主要為方解石，含少量黏土礦物；方解石晶粒較細(xì)，多為泥晶級別。泥晶砂屑灰?guī)r顏色、構(gòu)造、化石發(fā)育情況、礦物組分與泥晶灰?guī)r一致；不同的是，方解石多形成內(nèi)碎屑顆粒，顆粒級別為粉砂—砂級，從而形成泥晶(粉)砂屑灰?guī)r或含(粉)砂屑的泥晶灰?guī)r，本文統(tǒng)一稱為泥晶砂屑灰?guī)r。

研究區(qū)碳酸鹽巖有以下共同點：一是巖性較細(xì)，基質(zhì)含量高，顆粒含量較低，僅部分生物淺灘灰?guī)r的顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)超過50%；二是膠結(jié)物主要為泥晶，僅部分巖石裂縫和部分生物腔體內(nèi)發(fā)育亮晶膠結(jié)物；三是單層厚度較薄，一般為1～7 m，總體表現(xiàn)為較弱水動力的細(xì)粒巖沉積環(huán)境；四是油氣顯示活躍，基質(zhì)孔、裂縫中普遍含油，泥灰?guī)r一般為熒光—油跡顯示，生物灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r顯示級別一般為油跡—油斑，巖芯出筒時常見原油從裂縫出滲出(圖2～6)。

為明確各巖石類型的分布規(guī)律，首先開展了巖芯-測井響應(yīng)分析。研究區(qū)碳酸鹽巖具有低自然伽馬、高深側(cè)向電阻率特征，與泥巖有明顯區(qū)別。生物灰?guī)r測井曲線形態(tài)為箱型，泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r測井曲線形態(tài)均為指型。

據(jù)侯明才等的研究[25-26,35]，三水盆地碳酸鹽巖發(fā)育的東部斜坡和西部斜坡均為緩坡構(gòu)造背景，碳酸鹽巖在緩坡基底之上發(fā)育且受湖浪控制；在優(yōu)勢巖相上，從濱湖、淺湖至半深湖有一定的分異。本文在前人研究基礎(chǔ)上，綜合巖芯樣品和測井曲線，開展了井間巖性對比。依據(jù)泥巖顏色及泥地比劃分了半深湖、淺湖、濱湖3種沉積相。半深湖巖性主要為泥巖，含少量深色泥灰?guī)r，泥巖為灰黑—黑色；淺湖巖性主要為泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r、生物灰?guī)r與泥巖互層，泥巖為深灰色；濱湖巖性主要為泥灰?guī)r、云質(zhì)泥灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖與泥巖互層，具有陸源-內(nèi)源混合沉積的特征，泥巖為灰—雜色。

表1 布心組碳酸鹽巖X射線衍射礦物分析結(jié)果

圖2 Q5井604.9 m深度處泥灰?guī)r巖芯、顯微鏡及掃描電鏡圖像Fig.2 Core, Microscope and SEM Images of Muddy Limestone at 604.9 m Depth in Well Q5

圖3 Q5井592.8 m深度處云質(zhì)泥灰?guī)r巖芯、顯微鏡及掃描電鏡圖像Fig.3 Core, Microscope and SEM Images of Dolomitic Muddy Limestone at 592.8 m Depth in Well Q5

圖4 Q5井843.6 m深度處生物灰?guī)r巖芯、顯微鏡及掃描電鏡圖像Fig.4 Core, Microscope and SEM Images of Biological Limestone at 843.6 m Depth in Well Q5

圖5 H1A井1 461.8 m深度處泥晶灰?guī)r巖芯、顯微鏡及掃描電鏡圖像Fig.5 Core, Microscope and SEM Images of Micrite Limestone at 1 461.8 m Depth in Well H1A

圖6 H1A井1 463.5 m深度處泥晶砂屑灰?guī)r巖芯、顯微鏡及掃描電鏡圖像Fig.6 Core, Microscope and SEM Images of Micritic Arenaceous Limestone at 1 463.5 m Depth in Well H1A

考慮到云質(zhì)泥灰?guī)r與泥灰?guī)r均發(fā)育于濱湖，在測井上難以區(qū)分，且云質(zhì)泥灰?guī)r含量較少，故在井間對比時，將二者統(tǒng)一歸為(云質(zhì))泥灰?guī)r。同樣地，泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r均發(fā)育于淺湖，在測井上難以區(qū)分，且泥晶砂屑灰?guī)r含量較少，故在井間對比時，將二者統(tǒng)一歸為泥晶(砂屑)灰?guī)r。井間對比結(jié)果表明碳酸鹽巖主要發(fā)育于濱、淺湖區(qū)域。從濱湖至淺湖，碳酸鹽巖類型具有一定的分異性：濱湖主要為(云質(zhì))泥灰?guī)r；淺湖主要為生物灰?guī)r、泥晶(砂屑)灰?guī)r，含少量泥灰?guī)r。(云質(zhì))泥灰?guī)r、泥晶(砂屑)灰?guī)r、生物灰?guī)r井間可對比性較強，在井間具有一定的連續(xù)性；在縱向上，各類碳酸鹽巖與泥巖形成間互沉積(圖7)。

3 物性特征

常規(guī)物性分析表明，粵中地區(qū)三水盆地古近系布心組碳酸鹽巖孔隙度為2.8%～9.6%，滲透率一般小于1 mD，巖石較為致密。致密的特征使賦存在碳酸鹽巖中的油氣在以往常規(guī)開采方式下難以形成工業(yè)油氣流，因此，研究區(qū)碳酸鹽巖早期探井具有“井井見油、井井不流”的特征。

鏡下特征表明，看似致密的儲層其實并非“鐵板一塊”，巖石內(nèi)部常見裂縫和基質(zhì)孔隙，部分生物灰?guī)r中可見溶蝕孔(圖4)。微米CT掃描分析結(jié)果表明：在孔隙度為4.6%的泥晶灰?guī)r內(nèi)部，孔隙平均半徑為1.799 μm，大量微米級孔隙存在于基質(zhì)內(nèi)部，微米尺度的粒間膠結(jié)物發(fā)育，孔隙空間分布較為分散且連通性差；喉道平均半徑為0.573 5 μm，呈層狀分布；孔喉配位數(shù)為3.8，吼道發(fā)育數(shù)量明顯高于孔隙(圖8)。綜合顯微鏡、掃描電鏡、微米CT掃描分析結(jié)果，巖石呈多尺度孔隙分布特征，基質(zhì)內(nèi)部存在較大儲集空間。

顯微鏡下可見裂縫和基質(zhì)孔在各個巖石類型中均有發(fā)育，而溶蝕孔僅發(fā)育于生物灰?guī)r，其原因可能與生物灰?guī)r的顆粒含量相對較多、生物較為發(fā)育有關(guān)。因為較多的顆粒含量有利于原始粒間孔的保存，雖然原始生物體腔孔在成巖早期易被方解石顆粒充填，但這些充填的方解石顆粒也容易在后期被溶蝕，從而形成溶蝕孔。鑒于溶蝕孔在儲集空間的重要意義[36-37]，將生物灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)歸為溶蝕孔-裂縫型，其他碳酸鹽巖的孔隙結(jié)構(gòu)歸為基質(zhì)孔-裂縫型。

4 源儲配置關(guān)系

常規(guī)油氣藏儲層內(nèi)的油氣是在浮力作用下從烴源巖運移而來的，儲層與烴源巖在空間分布上的界限比較明顯，因此，常規(guī)油氣藏儲層研究一般不涉及烴源巖特性。但致密油儲層內(nèi)的原油以原位滯留或短距離運移為主，浮力作用受限，使儲層與烴源巖在空間分布上的界限不明顯，又使烴源巖特性成為致密油能否成藏的關(guān)鍵[14-15]。因此，致密油儲層研究離不開與儲層緊鄰的烴源巖研究，即烴源巖特性研究，亦可稱為源儲配置關(guān)系研究[38-39]。

鉆井位置見圖1連井線；GR值為自然伽馬，單位為API；RD值為深側(cè)向電阻率，單位為Ω·m圖7 三水盆地東部斜坡布心組碳酸鹽巖連井沉積相Fig.7 Sedimentary Facies of Carbonate Rocks of Buxin Formation in East Slope of Sanshui Basin

實驗由中國石油勘探開發(fā)研究院非常規(guī)油氣重點實驗室采用MicroXCT-400型微米三維立體成像儀完成；微米CT掃描分辨率為1.08 μm圖8 H1A井1 461.8 m深度處碳酸鹽巖微米CT掃描成像模型圖片F(xiàn)ig.8 Images of Micro CT Scanning Model for Carbonate Rock at 1 461.8 m Depth in Well H1A

前人大量研究表明，粵中地區(qū)三水盆地在漸新世后發(fā)生強烈隆升剝蝕，原型盆地邊緣剝蝕較為嚴(yán)重，現(xiàn)存的三水殘余盆地均為原型盆地相對靠內(nèi)部的部分[40-42]。受其影響，布心組暗色泥巖分布范圍廣，基本覆蓋整個殘余盆地，厚度為200～300 m。廣覆式分布的烴源巖成為致密油成藏的有利因素。

鑒于碳酸鹽巖主要分布在布心組二段和三段，為研究緊鄰碳酸鹽巖儲層的烴源巖特征，本文統(tǒng)計了這兩段地層的烴源巖參數(shù)。結(jié)果表明：布心組烴源巖干酪根類型為Ⅱ1—Ⅱ2型，均為Ⅱ型；鏡質(zhì)體反射率(Ro)一般為0.8%～1.8%，均為成熟烴源巖。有機質(zhì)類型、成熟度在研究區(qū)變化不明顯，因此，本文的烴源巖特性研究著重分析有機質(zhì)豐度(表2)，烴源巖總有機碳一般為1%～2%，總烴(HC)含量一般為(450～1 000)×10-6，生烴潛量(S1+S2)一般為(6～11)×10-3，有機質(zhì)豐度較高。該統(tǒng)計結(jié)果與劉春蓮等的研究結(jié)果[43-45]大體相符。

為揭示與碳酸鹽巖密切接觸的泥巖有機質(zhì)豐度，對東部斜坡碳酸鹽巖較為發(fā)育的H1井和Q5井進行了泥巖樣品總有機碳測試。這些泥巖與碳酸鹽巖互層發(fā)育，形成互層型源儲配置關(guān)系(圖9)。依據(jù)上述沉積相劃分方法，樣品所在泥巖段的沉積相包括半深湖、淺湖、濱湖3種類型。半深湖泥巖總有機碳為1.6%～2.2%，依據(jù)烴源巖劃分標(biāo)準(zhǔn)[38-39]，其為好烴源巖；淺湖泥巖總有機碳為1.0%～1.7%，亦為好烴源巖；濱湖泥巖總有機碳為0.58%～0.89%，為中等烴源巖。

表2 布心組烴源巖有機質(zhì)豐度統(tǒng)計結(jié)果

圖9 布心組碳酸鹽巖致密油儲層綜合評價Fig.9 Comprehensive Evaluation of Tight Oil Reservoir of Carbonate Rocks in Buxin Formation

布心組碳酸鹽巖主要分布于濱、淺湖相，因此，淺湖好烴源巖的發(fā)育對于近源成藏的致密油來說具有關(guān)鍵作用。據(jù)苑坤等研究可知，三水盆地布心組二段、三段烴源巖有機質(zhì)豐度高值位于半深湖—淺湖區(qū)域，除布心組三段西部斜坡淺湖區(qū)發(fā)育三角洲沉積導(dǎo)致總有機碳較低以外，淺湖斜坡區(qū)與總有機碳高值區(qū)有很大的重疊[45]。劉春蓮等對布心組烴源巖沉積環(huán)境的系統(tǒng)研究[43-44]指出：一方面，咸化湖的水體分層環(huán)境有利有機質(zhì)保存；另一方面，由于斜坡區(qū)亦是后期火山熱活動較集中的區(qū)域，有利于提高原始有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率，使得斜坡區(qū)淺湖相亦大面積發(fā)育總有機碳大于1%的好烴源巖。

5 儲層綜合評價

以H1井和Q5井巖性、物性、含油氣性、烴源巖特性為基礎(chǔ)，開展儲層初步綜合評價分析(圖9)。濱湖和淺湖碳酸鹽巖儲層有以下共同點：一是儲集空間均為孔隙-裂縫雙重孔隙，除淺湖生物灰?guī)r發(fā)育少量溶蝕孔外，主要儲集空間均為裂縫和微米級基質(zhì)孔隙；二是儲層在橫向上均具有一定連續(xù)性；三是均為泥巖、灰?guī)r間互沉積，具有致密油源儲共生的成藏條件，灰?guī)r上、下均被泥巖所夾持，為互層型源儲配置關(guān)系。

對比分析表明：①濱湖碳酸鹽巖巖性為泥灰?guī)r、云質(zhì)泥灰?guī)r，其中含較多的黏土礦物，而方解石、白云石等脆性礦物的含量較低；孔隙度為2.8%～4.5%，物性較差；油氣顯示一般為熒光—油跡，灰?guī)r緊鄰的濱湖泥巖總有機碳為0.58%～0.89%，為中等烴源巖。②淺湖碳酸鹽巖巖性為泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r、生物灰?guī)r，方解石、白云石等脆性礦物的含量較高；孔隙度為4.0%～9.6%，物性相對較好；油氣顯示一般為油跡—油斑，甚至含油，灰?guī)r緊鄰的淺湖泥巖總有機碳為1.0%～1.7%，源儲配置關(guān)系好。相比之下，淺湖碳酸鹽巖為有利儲層。

6 結(jié) 語

(1)粵中地區(qū)三水盆地古近系布心組湖相碳酸鹽巖致密油儲層巖性主要為泥灰?guī)r、云質(zhì)泥灰?guī)r、生物灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r；巖石礦物成分主要為方解石，部分為白云石、黏土礦物，含少量石英、長石、黃鐵礦、硬石膏、鐵白云石、菱鐵礦；具有一定混源沉積特征。碳酸鹽巖主要發(fā)育于濱、淺湖區(qū)域，濱湖主要為泥灰?guī)r，淺湖主要為生物灰?guī)r、泥晶(砂屑)灰?guī)r，含少量泥灰?guī)r。

(2)儲層內(nèi)發(fā)育有由裂縫、微米級基質(zhì)孔隙、少數(shù)溶蝕孔組成的儲集空間，組成基質(zhì)孔-裂縫型、溶蝕孔-裂縫型兩種孔隙結(jié)構(gòu)?；|(zhì)孔、裂縫中普遍含油，泥灰?guī)r一般為熒光—油跡顯示，生物灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r一般為油跡—油斑顯示，巖芯出筒時常見原油從裂縫出滲出，油氣顯示活躍。

(3)淺湖—半深湖形成的暗色泥巖總有機碳為1%～2%，高豐度的暗色泥巖與碳酸鹽巖相互疊置，形成良好的互層型源儲配置關(guān)系。儲層初步綜合評價表明：淺湖碳酸鹽巖巖性為泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r、生物灰?guī)r，方解石含量高；孔隙度一般為4.0%～9.6%，物性相對較好；油氣顯示非?；钴S，一般為油跡—油斑，甚至含油；灰?guī)r緊鄰的淺湖泥巖總有機碳為1.0%～1.7%，源儲配置關(guān)系好，為潛在有利儲層。

(4)最后需要指出的是，從三水盆地和其他盆地湖相碳酸鹽巖的實際情況來看，湖相碳酸鹽巖成分和分布均具有復(fù)雜性和非均質(zhì)性。本文定位于致密油儲層潛力分析，旨在為該區(qū)的致密油研究奠定基礎(chǔ)，后期需開展系統(tǒng)的沉積研究以明確儲層成因及分布，以期獲得更全面、更深入的致密油儲層認(rèn)識。