變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)
——以渤海錦州25-1南油田為例

程 奇，劉宗賓，王建立，王 剛，王樹濤

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引言

近年來，渤海油田發(fā)現(xiàn)一批大中型變質(zhì)巖潛山油氣田，如遼西低凸起錦州25-1南、渤中凹陷渤中19-6及渤中13-2等億噸級(jí)潛山油氣藏，基巖潛山油藏成為渤海油田油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域[1-3]。渤海多個(gè)大型潛山油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)表明，由于變質(zhì)巖潛山油藏裂縫儲(chǔ)層具有橫向變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)呈現(xiàn)復(fù)雜的注水受效生產(chǎn)特征，儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不清成為制約油田高效開發(fā)的關(guān)鍵因素，建立變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式尤為重要。

由于變質(zhì)巖潛山經(jīng)歷構(gòu)造活動(dòng)期次多，儲(chǔ)層發(fā)育控制因素較多，成儲(chǔ)過程復(fù)雜，確定儲(chǔ)層發(fā)育主控因素，建立儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式是變質(zhì)巖潛山研究的關(guān)鍵問題[4-8]。人們主要從成藏模式、巖性及儲(chǔ)集空間特征等方面研究變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層特征。蔣有錄等[9]認(rèn)為潛山油氣成藏受烴源巖及供烴方式、儲(chǔ)集特征、儲(chǔ)蓋組合等因素控制；付廣等[10]認(rèn)為油氣沿?cái)嗔鸦虿徽厦鎮(zhèn)认蜻\(yùn)移至潛山頂部風(fēng)化殼聚集成藏；黃鳳祥等[11]、陳心路等[12]、黃凱等[13]對(duì)變質(zhì)巖潛山巖性開展地震、測(cè)井綜合識(shí)別研究，認(rèn)為巖性對(duì)潛山裂縫發(fā)育起根本性控制作用；周東紅等[14]、童凱軍等[15]認(rèn)為在構(gòu)造及風(fēng)化共同作用下基巖潛山可形成多種儲(chǔ)集空間類型，如構(gòu)造縫、溶蝕孔等。

有關(guān)變質(zhì)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式及其生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律方面綜合性的研究較少。以渤海錦州25-1南油田變質(zhì)巖潛山為研究對(duì)象，以研究區(qū)地質(zhì)、地球物理及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料為基礎(chǔ)，探討裂縫儲(chǔ)層發(fā)育主控因素，建立三類裂縫儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式；結(jié)合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，總結(jié)各類儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)開發(fā)井的生產(chǎn)規(guī)律。該結(jié)果對(duì)后期油藏精細(xì)挖潛及同類型潛山油藏的高效開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

錦州25-1南油田太古宇潛山頂面構(gòu)造呈半背斜構(gòu)造特征，西側(cè)以遼西1號(hào)斷層為界與遼西凹陷相鄰，東側(cè)向遼中凹陷下傾，從北向南發(fā)育兩個(gè)高點(diǎn)(見圖1)。古近系超覆或披覆于潛山面之上，具有頂薄翼厚的特點(diǎn)，且地層傾向近南東向，構(gòu)造頂部較緩，翼部相對(duì)較陡[16-18]。同時(shí)，太古宇潛山頂面發(fā)育多條不同規(guī)模的斷層，斷層走向多為北東—南西向，部分為近東西向，其中遼西1號(hào)斷層(F1)規(guī)模最大。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布及位置

渤海灣盆地為發(fā)育于古老中朝地臺(tái)之上的新生代裂陷盆地。錦州25-1南油田基巖潛山儲(chǔ)層發(fā)育演化主要?jiǎng)澐譃閮纱箅A段：

(1)太古宇—中生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成古潛山的雛形階段。早元古代五臺(tái)運(yùn)動(dòng)、呂梁運(yùn)動(dòng)時(shí)期，華北地臺(tái)克拉通發(fā)生強(qiáng)烈褶皺和區(qū)域變質(zhì)作用，形成華北地臺(tái)基底；中生代，燕山運(yùn)動(dòng)影響整個(gè)華北地臺(tái)，研究區(qū)發(fā)生抬升剝蝕，褶皺形成一系列背向斜，前古近紀(jì)古山嶺體系形成(見圖2)；

(2)古近紀(jì)潛山形成階段。古近紀(jì)，斷裂活動(dòng)十分活躍，其中沙三段為盆地裂谷演化階段(裂陷Ⅱ幕)，受強(qiáng)烈的斷裂作用，潛山頂面被眾多小斷層切割，呈現(xiàn)局部凹、凸相間的特征，同時(shí)，形成一系列局部高點(diǎn)和局部地塹區(qū)；東營組沉積時(shí)期，構(gòu)造應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生改變(裂陷Ⅲ幕)，以走滑擠壓為主，受右旋走滑構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用明顯，斷層繼承性活動(dòng)，在淺部呈明顯的走滑特征，除局部發(fā)生輕微掀斜活動(dòng)外，整體構(gòu)造形態(tài)較前一時(shí)期改變不大，潛山構(gòu)造完全定型(見圖2)。

圖2 錦州25-1南油田潛山發(fā)育構(gòu)造演化

2 儲(chǔ)層特征

2.1 儲(chǔ)層類型

研究區(qū)太古宇變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層由一套區(qū)域變質(zhì)巖及受構(gòu)造作用改造的碎裂變質(zhì)巖組成[19]。巖性以片麻巖和碎裂巖為主，夾少量二長(zhǎng)花崗巖、黑云母花崗巖等巖脈。變質(zhì)巖本身無原生孔隙，儲(chǔ)層的形成多與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)，研究區(qū)主要發(fā)育張性裂縫、剪切裂縫及亞斷裂帶(大裂縫)，根據(jù)裂縫產(chǎn)生機(jī)理及裂縫規(guī)模，劃分為張性裂縫、剪切裂縫及亞斷裂帶三類裂縫儲(chǔ)層。

張性裂縫一般平面延伸距離較短，開度較大且縫面不規(guī)則，巖心上可以觀察較大的裂縫空腔(見圖3(a))，多與正斷層的形成有關(guān)。剪切裂縫的平面延伸距離較張性裂縫的長(zhǎng)，縫面平直且開度較小，多與擠壓作用及走滑活動(dòng)相伴生(見圖3(b))。亞斷裂帶是指地震尺度上難以識(shí)別的微小斷裂，與裂縫不同，斷裂帶兩側(cè)發(fā)生位移變形，且通常形成構(gòu)造角礫巖(見圖3(c)),在不同應(yīng)力環(huán)境下均可形成，代表更強(qiáng)的變形。

圖3 錦州25-1南油田太古宇潛山儲(chǔ)層特征及其測(cè)井響應(yīng)

不同類型的儲(chǔ)層在成像測(cè)井上具有不同的表現(xiàn)形式。張性裂縫與剪切裂縫在成像測(cè)井上為暗色的正弦曲線，但張性裂縫縫寬大(見圖3(d))，剪切裂縫縫寬小。剪切裂縫通常以組的形式存在，裂縫密度大(見圖3(e))。亞斷裂帶在成像測(cè)井上可見明顯的破碎角礫及暗色的礫間孔洞(見圖3(f))，裂縫特征具有明顯的差異。

2.2 儲(chǔ)層分帶

古近系沉積前，儲(chǔ)層遭受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，根據(jù)地質(zhì)背景分析、巖心觀察、測(cè)井分析，以及對(duì)典型井元素地球化學(xué)特征的研究，童凱軍等認(rèn)為，研究區(qū)風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)整體缺失風(fēng)化黏土層，只發(fā)育半風(fēng)化殼[15,20]，半風(fēng)化殼又可劃分為半風(fēng)化殼上段和半風(fēng)化殼下段兩部分(見圖4)，統(tǒng)計(jì)各區(qū)半風(fēng)化殼段厚度為20～240 m。其中，半風(fēng)化殼上段儲(chǔ)集空間主要為裂縫與溶蝕孔隙；半風(fēng)化殼下段儲(chǔ)集空間主要為裂縫，其次為溶蝕孔隙。

圖4 錦州25-1南油田變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層垂向分帶(2井)

裂縫主要以構(gòu)造縫為主，根據(jù)巖心和成像測(cè)井統(tǒng)計(jì)結(jié)果，錦州25-1南油田變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層裂縫傾角主要分布在50°～60°之間，裂縫走向主要為NE—SW、NW—SE向，裂縫產(chǎn)狀在半風(fēng)化殼上段和半風(fēng)化殼下段基本一致(見圖4)。裂縫密度主要分布在0.5～3.5條/m之間。

3 儲(chǔ)層發(fā)育控制因素

潛山儲(chǔ)層，尤其是基巖儲(chǔ)層與傳統(tǒng)的沉積巖儲(chǔ)層具有較大差異，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的主控因素也不盡相同[21-23]。錦州25-1南油田潛山發(fā)育典型的構(gòu)造成因裂縫儲(chǔ)層。

3.1 褶皺作用

構(gòu)造裂縫為錦州25-1南油田潛山主要的儲(chǔ)集空間類型。中生代中期，燕山運(yùn)動(dòng)影響整個(gè)華北地臺(tái)，研究區(qū)抬升剝蝕，褶皺形成一系列背向斜，前古近紀(jì)古山嶺體系形成[24-25]，屬于潛山構(gòu)造早期發(fā)育階段，發(fā)生褶皺作用并形成南北兩個(gè)小規(guī)模背斜構(gòu)造——1-8井區(qū)和2-7井區(qū)。

褶皺作用早期，中部地層受擠壓隆起，在隆起核部發(fā)育平行背斜軸的張性裂縫(見圖5(a-b))。隨褶皺作用加強(qiáng)，已形成的張性裂縫縱向延伸規(guī)模逐漸增大，不斷形成平行于背斜軸的新張性裂縫(見圖5(b))。隨擠壓隆起持續(xù)增強(qiáng)，褶皺曲率持續(xù)增加，張性裂縫不斷向巖體內(nèi)部延伸，裂縫儲(chǔ)層在褶皺核部裂縫最為發(fā)育，同時(shí)在褶皺作用晚期，由于受撓曲滑動(dòng)褶皺作用，在褶皺翼部產(chǎn)生大量剪切裂縫組，平面延伸距離較長(zhǎng)，但裂縫儲(chǔ)層厚度相對(duì)核部變薄(見圖5(c))。隨翼部?jī)A角逐漸增大，撓曲滑動(dòng)越來越弱，在褶皺核部發(fā)育正斷層，褶皺脊部出現(xiàn)塌陷(見圖5(d))。

圖5 錦州25-1南油田潛山褶皺內(nèi)部構(gòu)造演化模型(剖面位置見圖1(b))

恢復(fù)錦州25-1南油田太古宇潛山古地貌，統(tǒng)計(jì)2-7井區(qū)褶皺帶已鉆井裂縫儲(chǔ)層厚度，在褶皺不同部位鉆遇的裂縫儲(chǔ)層厚度不同，在褶皺核部(古地貌高部位)2、7、E25井鉆遇的沙河街組較薄，裂縫儲(chǔ)層較厚；在褶皺翼部(古地貌低部位)A39、A35井鉆遇的沙河街組較厚，裂縫儲(chǔ)層較薄(見圖6)。統(tǒng)計(jì)不同古構(gòu)造部位的裂縫產(chǎn)狀，褶皺核部的裂縫與層面呈高角度相交，以張性裂縫為主(2、7、E25井)，褶皺翼部裂縫傾角相對(duì)變小，主要發(fā)育剪切裂縫組(A35、A39井)。

圖6 錦州25-1南油田潛山裂縫儲(chǔ)層厚度變化特征

3.2 斷裂作用

古近紀(jì)早期(沙三段沉積時(shí)期)和古近紀(jì)晚期(東營組沉積時(shí)期)，錦州25-1南油田潛山斷裂活動(dòng)十分活躍，形成大量伴生構(gòu)造裂縫，尤其是在大斷層附近派生的亞斷裂帶(大裂縫)，進(jìn)一步改善研究區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能。

古近紀(jì)早期(沙三段沉積時(shí)期)，受太平洋板塊持續(xù)俯沖和印度板塊向北擠壓的共同作用，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以NW—SE向拉張應(yīng)力為主，形成北北東至北東向的雁列壘—塹式斷層，斷層走向具有較好的一致性，斷層及伴生裂縫方向主要為NE—SW向。古近紀(jì)晚期(東營組沉積時(shí)期)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚呋瑧?yīng)力場(chǎng)，走滑應(yīng)力為NE—SW向，形成一系列北東東、近東西向雁列式走滑正斷層，同時(shí)在走滑應(yīng)力場(chǎng)作用下形成EW向的拉張裂縫及剪切裂縫(見圖7)，走滑應(yīng)力場(chǎng)對(duì)早期形成的裂縫有改造作用。

圖7 兩期斷裂活動(dòng)期錦州25-1南油田潛山頂面斷層走向及伴生裂縫走向

研究區(qū)共有99條斷層，斷層斷距及延伸長(zhǎng)度變化較大，根據(jù)斷層切穿地層層位的差異，將潛山頂面斷層分為3個(gè)級(jí)別：一級(jí)斷層為斷開太古宇頂面、沙河街組、東營組及新近系的斷裂，共4條，斷距平均為800 m，延伸長(zhǎng)度平均為12.0 km；二級(jí)斷層為斷開太古宇頂面、沙三段、沙二段的斷裂，共15條，斷距平均為300 m，延伸長(zhǎng)度平均為4.0 km；三級(jí)斷層未斷穿沙三段，共80條，斷距平均為90 m，延伸長(zhǎng)度平均為1.5 km。斷層斷距越大、距離斷層越近，伴生裂縫發(fā)育密度及開度越大，斷層附近裂縫發(fā)育與斷層具有很好的相關(guān)關(guān)系。在斷層附近，構(gòu)造應(yīng)力及構(gòu)造裂縫分布具有分帶性，主要為斷層活動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)帶，在平面距離斷層倍斷距時(shí)，裂縫最為發(fā)育(見圖8)。

圖8 錦州25-1南油田潛山斷裂附近裂縫密度及裂縫開度

4 儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)

4.1 儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式

褶皺作用和斷裂活動(dòng)是研究區(qū)裂縫儲(chǔ)層發(fā)育的兩大主控因素。早期，褶皺作用形成褶皺核部張性裂縫和翼部復(fù)合裂縫組，其中凸起帶中部主要發(fā)育張性裂縫，凸起帶邊部斜坡區(qū)主要發(fā)育剪切裂縫；晚期，兩次大型斷裂活動(dòng)分別在沙三段和東營組沉積時(shí)期派生大量亞斷裂帶(大裂縫)，在大斷層附近發(fā)育亞斷裂(大裂縫)破碎帶，且距離斷裂越近，裂縫儲(chǔ)層發(fā)育越好，距離斷裂越遠(yuǎn)，裂縫儲(chǔ)層發(fā)育越差。

錦州25-1南油田潛山主要發(fā)育凸起帶、高斜坡及低斜坡三類古地貌，綜合兩大主控因素對(duì)裂縫發(fā)育的控制作用，研究區(qū)主要發(fā)育三類儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式：凸起帶儲(chǔ)層(2-7井區(qū)、1-8井區(qū))、高斜坡帶儲(chǔ)層(A15H井區(qū))及近斷層低斜坡帶(4D井區(qū))。凸起帶核部較發(fā)育大尺度裂縫平行軸方向的張性裂縫，凸起帶翼部主要發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小共軛剪切裂縫；高斜坡帶高部位發(fā)育張性裂縫，低部位發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小的共軛剪切裂縫；大斷層附近的低斜坡帶發(fā)育沙三段和東營組沉積時(shí)期派生的大量亞斷裂帶(大裂縫)(見圖9)。

圖9 研究區(qū)三類典型裂縫儲(chǔ)層

4.2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)

對(duì)于三類儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，按照高部位采油、低部位注水的方式部署水平井開發(fā)井網(wǎng)，根據(jù)投產(chǎn)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，總結(jié)生產(chǎn)規(guī)律。在凸起帶(1-8井區(qū)、2-7井區(qū))普遍存在兩種井組模式：A井組和B井組(見圖9(a))。A井組為在核部附近部署的平行交錯(cuò)注采井組，由于平行縫之間的空間溝通較少，注入水從低部位逐步抬升，緩慢保壓生產(chǎn)，采油井見水時(shí)間較晚，生產(chǎn)8 a后，采油井逐步見水；B井組為翼部的注采井組，由于共軛剪切裂縫空間溝通，生產(chǎn)2 a后，采油井見水(見圖10(a-b))。在高斜坡帶部署井組C(見圖9(b))，采油井位于高部位平行張性裂縫帶，注水井位于低部位共軛剪切裂縫帶，注水4 a后，采油井逐步見水(見圖10(c))。在大斷層附近的低斜坡帶部署井組D(見圖9(c)),由于亞斷裂帶(大裂縫)溝通，D井組注水1個(gè)月后見水(見圖10(d))。

圖10 研究區(qū)三類儲(chǔ)層注采生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征

一方面，通過生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料進(jìn)一步驗(yàn)證儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式的合理性。另一方面，基于儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)模式的生產(chǎn)規(guī)律更加清楚，凸起帶核部的注采井組無水采油期長(zhǎng)，開發(fā)效果好；高斜坡帶和凸起帶翼部的注采井組開發(fā)效果次之，由于大裂縫溝通，導(dǎo)致近斷層低斜坡帶的采油井易發(fā)生暴性水淹。

5 結(jié)論

(1)渤海錦州25-1南油田潛山儲(chǔ)層主要發(fā)育于半風(fēng)化殼段，主要儲(chǔ)集空間以天然構(gòu)造裂縫為主，即張性裂縫、剪切裂縫及亞斷裂帶(大裂縫)三種類型裂縫。

(2)錦州25-1南油田潛山儲(chǔ)層的發(fā)育受控于褶皺作用和斷裂活動(dòng)，潛山發(fā)育早期，褶皺作用控制裂縫儲(chǔ)層的發(fā)育，分別在核部和翼部形成張性裂縫與剪切裂縫；潛山形成后，斷裂活動(dòng)分別在沙三段和東營組沉積時(shí)期派生大量的亞斷裂帶(大裂縫)。

(3)綜合地貌與儲(chǔ)層關(guān)系建立油田凸起帶、高斜坡帶及近斷層低斜坡帶三類儲(chǔ)層發(fā)育模式。其中，凸起帶核部的注采井組無水采油期長(zhǎng)，開發(fā)效果好；高斜坡帶和凸起帶翼部的注采井組開發(fā)效果次之；大裂縫溝通導(dǎo)致近斷層低斜坡帶的采油井易發(fā)生暴性水淹。