金 強,程付啟,田 飛

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266580;2.中國科學院地質與地球物理研究所,北京100029)

巖溶型碳酸鹽巖儲層中縫洞復合體及其油氣地質意義

金 強1,程付啟1,田 飛2

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266580;2.中國科學院地質與地球物理研究所,北京100029)

大中型溶洞和溶蝕裂縫是塔河油田巖溶型碳酸鹽巖儲層的主要儲集空間,但是沿碳酸鹽巖裂縫還發(fā)育一系列溶蝕孔洞,形成了良好的油氣滲流通道和儲集空間,本文中稱其為縫洞復合體。根據(jù)露頭、巖心和測井等資料,對碳酸鹽巖縫洞復合體的分布與成因進行分析。結果表明,它們在巖溶型碳酸鹽巖中廣泛分布,且成因類型不同:在表層巖溶帶沿著節(jié)理或裂縫發(fā)育,在滲流巖溶帶沿著構造裂縫發(fā)育,在徑流巖溶帶沿著溶洞周圍環(huán)狀和放射狀裂縫發(fā)育,在斷層周圍沿著誘導裂縫發(fā)育;節(jié)理和裂縫是巖溶水流的通道,在節(jié)理或裂縫交叉處、以及穿越巖溶帶的可溶性較高的巖層處形成溶蝕孔洞,以致縫洞復合體形成。縫洞復合體在巖溶儲層內是連接不同儲集空間的橋梁,也被認為是大中型巖溶縫洞的雛形,對它的識別和評價有助于巖溶型儲層的深入認識。

碳酸鹽巖;巖溶作用;儲集空間;縫洞復合體;塔河油田

Keywords:carbonate;karstification;reservoir space;fracture-vug complex;Tahe Oilfield

碳酸鹽巖是重要的油氣儲集巖,在國外約一半的油氣儲量和產量來自碳酸鹽巖[1-2],其中主要是顆粒型灰?guī)r或白云巖,儲集空間以粒間孔隙為主[3-4]。中國碳酸鹽巖油氣儲層主要分布在塔里木、四川盆地[5-6],渤海灣盆地潛山油氣藏也是碳酸鹽巖儲層[7],它們的儲集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主[8-9]。塔河油田是中國已發(fā)現(xiàn)的最大的碳酸鹽巖油田,探明石油地質儲量超過13億t,也是世界上少有的巖溶縫洞型大油田[10]。其儲層是奧陶系經(jīng)受長期巖溶地質作用的灰?guī)r,石油主要產自于規(guī)模不等的溶洞和溶蝕裂縫,大型溶洞高度超過60m、長度超過5km[11],小的只有幾厘米,可見溶洞形態(tài)大小與分布極其復雜[12],而且約70%的溶洞空間被巖溶期的沉積砂泥、垮塌角礫和鈣華所充填,埋藏期熱液作用和膠結作用也可充填和堵塞儲集空間[12],造成剩余的縫洞空間被分隔,形成復雜的縫洞單元[13-14]。二十多年來,該油田的開發(fā)基本上是針對未充填或半充填的縫洞單元進行的,原油產量遞減快、采收率比較低[15]。隨著勘探開發(fā)的進展,越來越多的學者認為,巖溶縫洞型油藏除了未充填/半充填的大型溶洞外,沉積充填物、垮塌充填物發(fā)育良好的粒間孔隙[16-18],縫洞圍巖(即奧陶系灰?guī)r)受到風化淋濾、斷裂構造等作用形成了大量裂縫和溶蝕孔洞,特別是沿著節(jié)理/裂縫或平行巖層面形成了串珠狀小型溶洞,也就是本文中所稱縫洞復合體,它們構成了巖溶儲層分布廣泛的儲集空間,值得重視和研究。筆者根據(jù)露頭和巖心觀察到的縫洞復合體特征,并結合測井資料識別結果,探討縫洞復合體的分布規(guī)律與形成機制,期望有助于巖溶型碳酸鹽巖儲集空間的深入認識。

1 縫洞復合體的特征和成因類型

在巖溶地質條件下,縫在先、洞在后是縫洞復合體的成因特征,即在不同成因的節(jié)理或裂縫基礎上,被流水溶蝕擴大形成的、由裂縫串聯(lián)的一系列小型溶洞。裂縫控制了縫洞復合體的形成,不同成因或不同位置的裂縫導致了不同成因的縫洞復合體形成:表層巖溶帶裸露的碳酸鹽巖在風化作用下會產生大量節(jié)理,這些節(jié)理把巖石切成菱形塊狀,造成縫洞復合體一組是高角度的、一組是順層分布的,受地形地貌控制,有時高角度一組水流作用強則溶蝕孔洞發(fā)育,有時順層一組水流作用強則順層溶蝕孔洞發(fā)育;滲流巖溶帶的縫洞復合體圍繞構造裂縫或斷層發(fā)育,在駐水洞周圍也發(fā)育,這些裂縫以高角度為主,所以縫洞復合體是該帶的主要水流通道;徑流巖溶帶的裂縫圍繞溶洞呈放射狀或環(huán)形分布,而且在溶洞頂棚裂縫及縫洞復合體比較發(fā)育,這些裂縫不一定是構造縫,主要是溶洞周圍受力不均形成的裂縫;這三類縫洞復合體的分布、產狀和成因各不相同,分別稱為表層帶縫洞復合體、滲流帶縫洞復合體和徑流帶縫洞復合體,潛流巖溶帶目前研究不多,暫時不予討論。還有一類重要的縫洞復合體,就是沿斷層(斷裂帶)誘導裂縫發(fā)育的縫洞復合體,由于斷層可以穿越上述幾個巖溶帶,所以該類縫洞復合體延伸范圍可以很大(可以數(shù)百米或數(shù)千米),被稱為斷裂誘導縫洞復合體。

受裂縫及巖性組合控制,沿裂縫的小型串珠狀溶洞形態(tài)各異,洞直徑一般小于20 cm(也有的約為50 cm),沿單條裂縫為長條狀、在裂縫交叉處為橢球狀,如果裂縫切割可溶性較強的巖層,可順層發(fā)育串珠狀小型溶洞。一般情況下,裂縫或節(jié)理交叉處、裂縫切割到可溶性強的巖石處都有溶蝕孔洞形成,單個溶蝕孔洞的產狀不一定能夠看出巖溶水流運動方向,如果把沿著某一條或一組裂縫或節(jié)理發(fā)育的溶蝕孔洞產狀整體上看,溶蝕孔洞長軸方向就是溶蝕水流運動方向。對露頭和巖心的縫洞復合體觀察發(fā)現(xiàn),滲流巖溶帶溶蝕孔洞產狀表明巖溶水流高角度向下流動,徑流巖溶帶巖溶水流低角度橫向流動,表層巖溶帶水流方向比較雜亂。如果巖溶地質條件持續(xù)下去,縫洞復合體中溶蝕孔洞就會不斷擴大、連通形成大型溶洞,也就是說,縫洞復合體是大型溶洞發(fā)育的巖溶儲層雛形,所以不同成因縫洞復合體的研究在巖溶縫洞形成機制方面具有重要意義。

塔河野外露頭考察和塔河奧陶系巖心觀察發(fā)現(xiàn),表層巖溶帶的縫洞復合體比較發(fā)育,因為此處構造裂縫和風化節(jié)理發(fā)育,接受的地表水沖刷和淋濾溶蝕時間長,例如裸露的奧陶系灰?guī)r縫洞復合體非常典型(圖1(a)、(h)),在地表河底部、落水洞周緣可以形成蜂窩狀的溶蝕孔洞(圖1(b));滲流巖溶帶縫洞復合體圍繞著駐水洞、滲流井等滲流通道分布,而且溶蝕縫洞是高角度或垂向分布(圖1(f)、(g)),體現(xiàn)了滲流帶溶蝕流體的運動方式;徑流巖溶帶的縫洞復合體環(huán)繞地下河溶蝕形成的溶洞分布,在溶洞頂部發(fā)育程度比較高,其裂縫多數(shù)環(huán)狀平行溶洞發(fā)育、少量呈輻射狀分布(圖1(c)、(d))。此外,斷層附近裂縫發(fā)育則縫洞復合體也很發(fā)育(圖1(e))。縫洞復合體可以被碎屑物質和方解石等化學物質所充填[16,18],有的充填率比較高,如瘤狀灰?guī)r發(fā)育的縫洞復合體,后期被鈣華、泥質等充填,變成致密巖性(圖1(i))。

圖1 塔北露頭和塔河油田巖心上觀察到的不同成因縫洞復合體Fig.1 Different types of fracture-vug complexes observed from outcrops and drilling cores from Tahe Oilfield

巖心觀察還發(fā)現(xiàn),并不是所有的碳酸鹽巖都能夠形成縫洞復合體,厚層或塊狀灰?guī)r不易形成縫洞復合體,如S67井5 466.8～5 467.1 m角礫狀灰?guī)r段,裂縫與溶蝕孔洞均不發(fā)育;此外,泥質含量很高的灰?guī)r也不容易形成縫洞復合體,如T601井5 538～5539 m泥質灰?guī)r段,泥質含量約40%,僅見幾條縫合線,無縫洞復合體發(fā)育。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),中-薄層、泥質含量在15%～40%的灰?guī)r裂縫或節(jié)理、縫洞復合體比較發(fā)育,而且發(fā)育順層溶蝕孔洞。分析認為,縫洞復合體形成既受裂縫(提供溶蝕水流通道)發(fā)育情況的控制,又受巖性組成的影響,從而導致不同巖溶帶、不同巖層之間縫洞復合體發(fā)育特征的差異。但是,縫洞復合體發(fā)育的厚度變化很大,厚度可以超過10 m?？p洞復合體的概念是從露頭觀察得到的,巖心上經(jīng)常只能看到一條溶蝕裂縫及其溶蝕孔洞(圖1(g)),沿灰?guī)r縫合線也可以形成縫洞復合體,其中往往含油性良好。

2 巖溶儲層中縫洞復合體的識別

從地表露頭和巖心觀察到的縫洞復合體如果能夠在井下得到識別,才真正具有油氣地質和油氣開發(fā)意義。鑒于前人利用測井信息識別裂縫[19],筆者利用巖心觀察結果與測井曲線對比,發(fā)現(xiàn)多種測井信息與縫洞復合體有一定相關性,裂縫發(fā)育段電阻率降低,尤其是裂縫特別發(fā)育部位的淺側向測井值降低很明顯[20];當裂縫充填泥質的時候,會造成自然伽馬響應增大,從而計算得到的泥質含量(Vsh)增大[21]。裂縫開度是裂縫的重要參數(shù),裂縫開度越大、裂縫的儲集性能越好。根據(jù)相關實物模擬實驗和三維有限元模擬,裂縫的深淺雙側向電導率差和鉆井液濾液電阻率的乘積跟裂縫的開度成正比[21]。由于裂縫段和縫洞復合帶內的測井響應相似,采用泥質含量(Vsh)、淺側向電導率(1/RLLS)和電阻率差絕對值與鉆井液濾液電阻率乘積(K3×Rmf)建立多參數(shù)加權函數(shù)(式1)來識別縫洞復合帶和裂縫段:

式中,Y1為泥質含量標準化;Y2為淺側向電導率標準化;Y3為電導率差絕對值與鉆井液電阻率乘積標準化;M＞0.45時是縫洞復合體發(fā)育段,0.16＜M＜0.45時為裂縫段。

為了確定上述判別的準確率,將巖心資料與成像測井解釋成果顯示的縫洞復合體作為正確目標進行比對,從而得到識別的符合率。塔河油田有數(shù)十口井進行了成像測井,從其圖像可以清晰地看出縫洞復合體發(fā)育的位置和形態(tài),如S74井在5714.2～5719.8 m的深度范圍內發(fā)育縫洞復合體(圖2(a)),其裂縫傾角屬于高角度大于50°、沿著裂縫明顯地見有溶蝕擴大,形成縫洞復合體,該段巖心也反映了縫洞復合體的存在(圖2(b))。通過與巖心和成像測井對比,上述方法符合率為78%,達到了儲層預測評價的要求。利用本文中方法計算出的裂縫、縫洞復合體等數(shù)據(jù)已用于塔河油田的油藏地質建模中。

圖2 S74井成像測井所顯示的縫洞復合體特征和對應的巖心特征Fig.2 Fracture-vug complexes showing on imaging logging from well S74 and corresponding drilling cores

3 縫洞復合體研究的意義

縫洞復合體與裂縫經(jīng)常發(fā)育在一起,過去常將其認識為裂縫。例如圖2(b)過去就認為是裂縫,實際上沿著裂縫溶蝕形成了一系列0.5～15 cm的溶蝕孔洞,也就是本文中所述的縫洞復合體。大中型溶洞(大型溶洞洞高大于5 m、中型溶洞洞高大于2 m)是塔河油田目前產出油氣的主要儲集體,縫洞復合體起著連接大中型溶洞的作用,在巖溶儲層中起著重要的油氣儲集和滲流作用,也是巖溶儲層中不可忽視的儲集體。

(1)表層巖溶帶縫洞復合體發(fā)育段厚度大。

塔河油田奧陶系在晚加里東—海西期巖溶作用非常強烈,巖溶地質現(xiàn)象也很全面,巖溶分帶現(xiàn)象明顯,即從奧陶系頂面向下分布著表層巖溶帶、滲流巖溶帶、徑流巖溶帶和潛流巖溶帶[5,8,11]。T444井巖溶期的奧陶系灰?guī)r位于巖溶高地[8],因地勢較高,未發(fā)育地表河流,也沒有坡積物堆積[11],但是在其頂部32 m的深度范圍內除發(fā)育3個洞高在0.5～0.9 m的小型溶洞外,其他均為縫洞復合體(圖3)。其中裂縫呈高角度狀態(tài),溶蝕作用顯著,測井解釋孔隙度在4%～21%,而奧陶系灰?guī)r測井解釋孔隙度基本小于2%,說明縫洞復合體的存在;縫洞復合體發(fā)育段內,裂縫交叉處溶蝕作用相對強烈可以形成較大規(guī)模的溶洞,圖3中顯示的3個洞高大于0.5 m的溶洞就是這樣成因的;5555 m以下是比較致密的奧陶系灰?guī)r,裂縫和縫洞復合體均不發(fā)育(圖3)。表層巖溶帶縫洞復合體分布特征可以參見圖4。

圖3 T444井表層巖溶帶縫洞復合體發(fā)育柱狀圖Fig.3 Histogram of fracture-vug complexes from well T444

(2)滲流巖溶帶和徑流巖溶帶的縫洞復合體圍繞溶洞發(fā)育。

滲流巖溶帶也發(fā)育高角度裂縫,但是裂縫發(fā)育程度沒有表層巖溶帶那么廣泛,裂縫及縫洞復合體多數(shù)在斷層、滲流井和駐水洞附近發(fā)育(圖4)。徑流巖溶帶發(fā)育地下河,其裂縫和縫洞復合體平行地下河發(fā)育,以低角度為主[11]。這也是兩個巖溶帶的區(qū)分標志,滲流巖溶帶主要發(fā)育滲流井和駐水洞等大型縫洞結構(圖4),徑流巖溶帶主要發(fā)育廳堂洞、干流洞、支流洞、末梢洞等大型縫洞結構,圍繞著這些大型縫洞結構,發(fā)育構造裂縫(斷層周圍)、溶蝕裂縫(溶洞和早期裂縫周圍)和垮塌裂縫(環(huán)繞溶洞頂部),這些裂縫在流水作用下可以形成形態(tài)各異的縫洞復合體。

塔河油田奧陶系幾乎每一口井在大型縫洞周圍均發(fā)現(xiàn)有裂縫和縫洞復合體,借助巖心和測井資料可見其發(fā)育特征,例如TK714井5568.8～5573.5 m為一駐水洞,該洞上下縫洞復合體很發(fā)育(厚度約為6 m),形成縫洞復合體的裂縫是高角度的。再如TK454井5548.3～5 582.5 m為徑流巖溶帶,其中5567～5578 m為一個洞高11 m的地下河干流洞,該洞之上5 m、之下3.7 m厚度的灰?guī)r發(fā)育縫洞復合體,此處的裂縫和縫洞復合體內裂縫基本上為低角度的。筆者根據(jù)野外剖面與塔河油田實際巖心、測井識別結果,繪制的巖溶儲層縫洞結構及縫洞復合體類型模式圖(圖4)具有歸納總結和模式預測的意義。

圖4 塔河油田奧陶系巖溶儲層縫洞結構及縫洞復合體類型模式Fig.4 Model showing fracture-vug complex distribution and their genetic types in karst reservoir rocks in Ordovician carbonates in Tahe Oilfield

(3)縫洞復合體含油性好又是滲流通道。

在塔北隆起奧陶系露頭區(qū),有些縫洞復合體被敲開后可以聞到濃烈的油氣味道,在巖心看到的縫洞復合體充注原油的現(xiàn)象非常多,如圖1(g)、(h)。縫洞復合體的孔隙度和滲透率在巖心上目前尚不能準確測量(因為其是孔隙、裂縫和溶洞不均勻分布的三重介質),測井信息的定性解釋(如位置、厚度)比較可信,定量解釋(如孔隙度、滲透率)值得進一步驗證,但是油田開發(fā)實踐表明:縫洞復合體發(fā)育段的孔滲性遠大于只有裂縫的灰?guī)r,特別是滲透性遠大于裂縫性灰?guī)r,因其裂縫被溶蝕擴大,成為油氣良好的運移通道。

縫洞復合體可以被碎屑物質充填,還可以被方解石等化學物質充填[16],但是其方解石晶間或碎屑顆粒之間仍有儲集空間,如圖1(i)中的方解石晶間仍有石油充注。

4 結 論

(1)巖溶期被地表水淋濾的構造裂縫或節(jié)理不斷溶蝕擴大,在裂縫交叉處、或易溶巖性處產生溶蝕孔洞,這些溶洞規(guī)模小(一般洞直徑不超過30 cm),呈串珠狀沿著溶蝕裂縫分布或順著易溶巖層分布,形成了巖溶型碳酸鹽巖特殊的儲集空間。

(2)表層巖溶帶縫洞復合體沿著高角度和低角度節(jié)理或裂縫強烈發(fā)育,其總厚度可以達到20 m以上;滲流巖溶帶縫洞復合體主要沿高角度構造縫發(fā)育,在駐水洞附近比較密集發(fā)育;徑流巖溶帶縫洞復合體主要沿低角度裂縫、圍繞地下河溶洞發(fā)育;斷層誘導裂縫也致使縫洞復合體強烈發(fā)育,斷層兩盤誘導裂縫產狀不同,常常穿越不同巖溶帶,其中的孔洞規(guī)模較大,是值得重視的一類縫洞復合體。

(3)各種類型的縫洞復合體儲集空間和滲透性良好,是不可小視的巖溶型儲集體,利用測井資料可以將其位置和厚度解釋解釋出來,其定量描述尚須繼續(xù)深入研究。此外,由于縫洞復合體規(guī)模小,在地震剖面上的響應不明顯,如何提高地震資料精度、提取敏感屬性,從而實現(xiàn)縫洞復合體地震識別,將是縫洞復合體儲層研究的重要方向。

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(編輯 徐會永)

Identification of fracture-vug complex from karsted carbonates and its significance in petroleum geology

JIN Qiang1,CHENG Fuqi1,TIAN Fei2
(1.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

Medium to large scale fractures and caves are important reservoir spaces in karsted oilfields,which has been proven by petroleum exploration and production in Tahe Oilfield.However,a great number of small vugs or caves distributed along fractures have been found in outcrops of the Ordovician carbonates and the cores from Tahe Oilfield.These small caves are connected by fractures to form very good hydrocarbon storages and seepage channels,which are referred to as fracture-vug complex.By investigations on outcrops,drilling-cores and well-loggings,our study shows that the fracture-vug complexes are distributed widely in karsted carbonates including surface karst zone,vadose karst zone and runoff karst zone,as well as among the fault induced fractures.Four genetic types of fracture-vug complexes can be recognized.Formation of the fracturevug complexes are recognized that carbonate fractures or joints were enlarged by atmospheric water leaching,and caves were formed at cross of fractures or joints and at easy corroding lithologies so that resulted in small caves distributing along fractures and along easy corroding beddings.Identification of fracture-vug complex helps to predict and evaluate reservoir spaces in karsted carbonate rocks.

P 618.1

:A

金強,程付啟,田飛.巖溶型碳酸鹽巖儲層中縫洞復合體及其油氣地質意義[J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(3):49-55.

JIN Qiang,CHENG Fuqi,TIAN Fei.Identification of fracture-vug complex from karsted carbonates and its significance in petroleum geology[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(3):49-55.

1673-5005(2017)03-0049-07doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.03.006

2016-11-12

國家自然基金重點支持項目(U1663204);國家科技重大專項(2016ZX05014-002);國家“973”重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2011CB201001)

金強(1956-),男,教授,博士,博士生導師,研究方向為油氣地質。E-mail:jinqiang@upc.edu.cn。

程付啟(1978-),男,副教授,博士,碩士生導師,研究方向為油氣地質與油氣地球化學。E-mail:chengfq9804@163.com。