程 鑫， 操應長,2， 遠光輝,2， 王艷忠,2， 昝念民

(1.中國石油大學(華東)深層油氣重點實驗室，山東青島 266580；2.海洋礦產資源評價與探測技術國家功能實驗室，山東青島 266071)

下古生界碳酸鹽巖油氣藏是渤海灣盆地重要的油氣勘探領域，以潛山頂部巖溶儲層為主要勘探目標，相繼發(fā)現冀中坳陷的任丘、黃驊坳陷的千米橋、濟陽坳陷的廣饒、樁西、孤島等一系列潛山頂部油氣藏[1-2]。雖然目前對潛山巖溶儲層的勘探程度不斷加深、范圍逐漸擴大，但是儲層極強的非均質性導致該類油氣藏的勘探效率仍有待提高，而明確其儲層成因和分布規(guī)律是提高油藏勘探效率的關鍵。關于表生條件下的碳酸鹽巖巖溶作用，國內外學者進行了大量研究并建立相應的巖溶模式，其中較為經典的2種模式為受海平面位置變化控制與大氣淡水透鏡體有關的島嶼、海岸型巖溶模式[3-6]，以及區(qū)域性抬升暴露條件下主要受地表、地下河流水體流動和侵蝕作用影響的大陸型巖溶模式[6-8]；部分學者還建立非暴露內幕區(qū)與承壓水有關的順層巖溶模式[9-10]。目前對渤海灣盆地巖溶儲層的勘探多引用經典的大陸型表生巖溶模式，將巖溶體劃分為表層帶、垂直滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶[11-12]。基于此模式，學者們主要通過取芯井段鉆遇的溶洞充填物以及非取芯井段的鉆具放空、井漏、測井響應特征和地震反射標志進行識別[8,13-15]。對于渤海灣盆地下古生界巖溶儲層，學者們對其垂向分布范圍尚未得到一個較統(tǒng)一的認識。如董月霞等[14]及邱隆偉等[15]對南堡凹陷下古生界碳酸鹽巖潛山的研究顯示巖溶儲層主要發(fā)育在不整合面之下100 m范圍內；而陳霞等[16]對華北地臺奧陶系巖溶儲層的研究、金振奎等[11]對黃驊坳陷巖溶儲層的研究以及郭建華等[17]對河西務構造帶潛山儲層的研究表明表生淋濾作用深度主要在侵蝕面之下200 m范圍內；閆偉等[18]對冀中坳陷奧陶系巖溶儲層的研究更是將巖溶作用最大范圍界定到不整合面之下400 m。這種認識的不一致性，一方面與不同地區(qū)地質條件及巖溶期次差異有關。下古生界沉積以來經歷多期構造運動的疊加改造，伴隨有多次抬升，儲層可能經歷多期巖溶[14,19-20]，不同時期的地質條件不同，其巖溶儲集體的分布和規(guī)模也會有所差異。因此巖溶儲層形成時間或古巖溶期次的準確厘定對明確巖溶儲層的分布十分重要。目前溶洞的定時斷代主要通過不整合面法、洞穴碎屑充填物巖性及古生物法、充填自生礦物測年法等[9,19,21-22]。另一方面地質資料和測試手段的局限性也會導致對地下地質體的認知受到一定限制。受控于空間分辨率的限制，測井和地震響應往往只能識別較大尺度的巖溶孔洞，而對于小規(guī)模(厘米～毫米級)孔洞較難識別；同時井漏除了是巖溶作用造成外，還可能受大規(guī)模斷層影響，這將直接影響對于表生巖溶作用深度的判斷，因而需要尋找更多的證據確定其分布范圍。在碳酸鹽巖的成巖作用研究中，利用膠結物的陰極發(fā)光及成分特征差異性區(qū)分膠結物期次并判斷其形成環(huán)境逐漸得到廣泛應用[23]，這可為明確成巖流體作用范圍及其控制下的儲層分布提供一個新視角。因此選取草橋潛山作為典型實例，以區(qū)域地質背景為約束，根據膠結物特征對儲層成因及分布進行精細化分析，以期為渤海灣盆地內同類儲層的研究提供一定借鑒。

1 地質概況

東營凹陷是濟陽坳陷內的次一級構造單元，為基巖古地形背景上發(fā)育起來的斷—拗盆地，多期次的構造運動在凹陷內形成平南—平方王、鄭家—王莊以及草橋—廣饒等多個潛山帶。草橋潛山位于東營凹陷的南斜坡邊緣(圖1)，與廣饒凸起相接，潛山油氣勘探始于20世紀70年代，截至2015年累積探明石油地質儲量為23×106t[24-25]。研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖經歷加里東—海西期、印支期、燕山及喜山期等多期構造運動的疊加改造。其中加里東—海西期構造運動以穩(wěn)定升降為主，并未出現較大的地形起伏，但加里東期末—海西早期的構造抬升使其遭受長約140～150 Ma的風化淋濾；潛山構造的形成始于印支運動末期，印支期的南北向擠壓形成北西走向的草橋—廣饒潛山寬緩背斜，中生代燕山運動Ⅱ幕產生本區(qū)的石村斷層，由于斷層的掀斜作用，使研究區(qū)強烈隆起并遭受剝蝕，喜山運動末期，在經歷多次構造運動之后，該區(qū)隨濟陽坳陷一起穩(wěn)定下降，接受館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系沉積，形成現今構造形態(tài)[12,26]。

2 地層發(fā)育特征及其展布

東營凹陷下古生界為一套以碳酸鹽巖為主的海相沉積，與下伏太古界片麻巖不整合接觸，地層序列見圖2(a)。但是由北部斜坡區(qū)到南部凸起區(qū)，草橋地區(qū)下古生界殘留地層及接觸關系存在差異。東北部下古生界保留較為完整，上覆上古生界，未與新生界地層直接接觸；向西南方向凸起區(qū)變化，上古生界逐漸變薄直至缺失，下古生界上覆地層變?yōu)樾律?，下古生界缺失部分逐漸增多，與新生界接觸的下古生界逐漸變老(圖2(b)、(c))。

圖1 研究區(qū)構造位置Fig.1 Geological setting of Caoqiao area

圖2 草橋地區(qū)地層發(fā)育特征Fig.2 Developing characteristics of strata in Caoqiao area

3 巖溶儲層儲集特征

經歷漫長的成巖演化，草橋潛山下古生界碳酸鹽巖總體較為致密，基質孔隙度相對較低，80%以上的儲層孔隙度小于5%，70%以上的儲層滲透率小于0.1×10-3μm2，孔隙度與滲透率相關性差，但仍發(fā)育部分較高孔、滲(孔隙度大于5%，滲透率大于0.1×10-3μm2)的儲層(圖3)。

圖3 草橋潛山下古生界碳酸鹽巖物性特征Fig.3 Petrophysical properties of lower Paleozoic carbonate reservoirs in Caoqiao buried hill

下古生界碳酸鹽巖為孔洞和裂縫復合型儲集系統(tǒng)，儲集空間可以劃分為角礫間孔洞、基質孔洞和裂縫3種類型。其中角礫間孔洞是角礫間未被方解石膠結物完全充填的殘余空間(圖4(a)、(b))，或是角礫間膠結物被溶蝕形成的溶蝕孔洞(圖4(c))；基質孔洞可分為2種類型，一種為原巖溶蝕形成的不規(guī)則孔洞(圖4(d)、(e))，另一種為溶洞內的滲流粉砂等碎屑充填物的基質孔(圖4(f))；研究區(qū)裂縫以未被膠結物完全充填的構造裂縫為主(圖4(g)、(h)、(i))，發(fā)育少量溶蝕縫和壓溶縫。

4 方解石膠結物陰極發(fā)光特征

方解石是碳酸鹽巖儲層中最主要的膠結物類型，其發(fā)育程度直接控制儲層質量；同時膠結物的產狀以及各期方解石間的關系也可以為儲層成巖演化的研究提供重要依據。研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖普遍經歷較強烈的方解石膠結，依據其陰極發(fā)光特征可將其分為不發(fā)光方解石、弱發(fā)光方解石和發(fā)亮光方解石3種類型(圖5)。進一步通過膠結物之間的溶蝕充填關系和切割關系，將區(qū)內方解石膠結劃分為4期。

圖5 草橋潛山下古生界碳酸鹽巖內方解石膠結物陰極發(fā)光特征Fig.5 Cathodoluminescence feature of calcite cements of lower Paleozoic carbonate in Caoqiao buried hill

首先根據發(fā)亮光方解石與不發(fā)光方解石之間的關系可將發(fā)亮光方解石劃分為2期，其中一期發(fā)亮光方解石以裂縫充填為主，且常見其溶蝕后被不發(fā)光方解石充填的現象(圖5(b))，表明其形成于不發(fā)光方解石之前；而另一期發(fā)亮光方解石既可以充填角礫間也可以呈裂縫充填，其多分布于不發(fā)光方解石膠結后的殘余孔或殘余裂隙中(圖5(a)、(c)、(d))，因此該期膠結物應形成于不發(fā)光方解石之后。對于弱發(fā)光方解石來說，可見其切割發(fā)亮光方解石脈的現象(圖5(b)),同時可見弱發(fā)光方解石溶蝕后被不發(fā)光方解石充填(圖5(b))以及裂縫內由邊部到中部依次充填弱發(fā)光方解石、不發(fā)光方解石和發(fā)亮光方解石的現象(圖5(d))。由此可知，弱發(fā)光方解石形成于早期發(fā)亮光方解石之后、不發(fā)光方解石和晚期發(fā)亮光方解石之前。綜上可建立方解石的膠結序列為：早期發(fā)亮光方解石→弱發(fā)光方解石→不發(fā)光方解石→晚期發(fā)亮光方解石。

5 儲層成因及分布

5.1 儲層成因

近地表巖溶作用除了溶蝕形成孔洞外，還包括圍巖的坍塌、碎屑沉積、化學沉淀等作用[8]。巖溶孔洞形成后，地表水的下滲以及地下暗河的流動會帶來碎屑物質以及異地角礫形成混雜堆積；隨著地層持續(xù)埋藏，溶洞無法承受上覆地層壓力發(fā)生坍塌,形成坍塌角礫，巖溶角礫巖和碎屑充填被認為是識別古風化殼巖溶儲層最直觀和最重要的巖石學標志[8,13]；而無論是在表生巖溶條件下還是隨后的埋藏成巖過程中，碳酸鹽礦物與流體反應易達到平衡的性質往往使流體在短期內對CaCO3飽和，CO2脫氣以及溫度升高等作用會使平衡狀態(tài)發(fā)生改變而沉淀方解石[3,7,27]，自生礦物記錄其沉淀時的成巖環(huán)境及流體信息，因此其巖相學和成分特征為成巖環(huán)境的恢復提供重要依據[23,27-28]。

研究區(qū)典型的溶洞角礫充填以及碎屑充填物(圖4(a)～(c)、(f))表明區(qū)內下古生界碳酸鹽巖儲層的形成與表生巖溶作用密切相關。但是由斜坡區(qū)到凸起區(qū)下古生界上覆地層的變化(圖2(c))以及典型井埋藏史(圖6)的恢復表明研究區(qū)經歷2期表生巖溶作用。因此明確區(qū)內較優(yōu)質儲層是早期表生巖溶與晚期巖溶作用疊加的結果還是晚期巖溶主控，對于預測優(yōu)質儲層的分布具有重要意義。綜合地層變化規(guī)律、膠結物陰極發(fā)光特征以及生產動態(tài)資料認為，較優(yōu)質儲層的形成是晚期表生淋濾作用的結果。主要有以下幾方面證據：

圖6 草橋地區(qū)草古113井埋藏史Fig.6 Burial history of well Cg113 in Caoqiao area

(1)在地層展布規(guī)律上可以清晰地看出，在上古生界覆蓋區(qū)，下古生界厚度和殘留地層穩(wěn)定，地層保留完整，而在無上古生界覆蓋區(qū)，由北向南，下古生界出露的地層逐漸變老。這表明在晚期抬升淋濾過程中大量地層已經被剝蝕；收集到的斜坡帶中生界和新生界碎屑巖資料也顯示，在中生界和新生界地層中碳酸鹽巖巖屑和礫石廣泛發(fā)育，表明其在中生代—新生代確實經歷長時間的剝蝕。在此過程中，早期表生淋濾在上部地層內形成的巖溶體也被剝蝕掉，而在殘留地層中形成新的巖溶體。

(2)儲層內方解石膠結物的陰極發(fā)光特征也為儲層成因的判斷提供重要依據。前人研究表明，方解石的陰極發(fā)光特征主要受膠結物內Fe、Mn元素的影響，Mn是主要的激發(fā)劑，Fe是主要的淬滅劑，Mn、Fe的絕對質量分數以及Mn/Fe的變化會導致方解石呈現不同的發(fā)光特征[29]。碳酸鹽膠結物內的Mn、Fe質量分數一方面受控于成巖流體中Fe、Mn質量分數，另一方面主要受成巖環(huán)境氧化還原性的影響：氧化條件下Fe、Mn多以Fe3+、Mn4+形式存在，不易進入晶格，方解石不發(fā)光；次氧化條件下Fe多為Fe3+離子，不易進入晶格，Mn以Mn2+形式存在，可以進入晶格，方解石陰極發(fā)光明亮；還原條件下Fe、Mn以Fe2+和Mn2+離子形式存在，可以進入晶格，方解石發(fā)光變弱[29-30]。

這可以從研究區(qū)內4期方解石的Fe、Mn質量分數差異得到驗證，以方解石膠結物陰極發(fā)光差異性和膠結期次的劃分為基礎，利用電子探針對不同期次方解石的成分進行原位微區(qū)分析，各元素的質量分數均以氧化物形式體現(表1)。

表1 草橋潛山下古生界碳酸鹽巖內方解石膠結物化學組成

結果表明，不同期次方解石的CaO和MgO質量分數均有較寬的分布范圍，CaO質量分數多在54.0%～57.0%變化，MgO質量分數在0.02%～0.7%，各期次方解石間的CaO、MgO質量分數差異并不大(圖7(a))。但是各期次方解石的FeO、MnO質量分數存在明顯差異(圖7(b))。其中第Ⅲ期不發(fā)光方解石FeO、MnO質量分數最低，其FeO質量分數均低于0.05%，平均為0.01%，MnO質量分數均小于0.03%，平均為0.004%；第Ⅳ期發(fā)亮光方解石FeO、MnO質量分數最高，MnO質量分數多大于0.15%，平均為0.25%，FeO質量分數多大于0.1%，平均值可達0.304%；而第Ⅰ期發(fā)亮光和第Ⅱ期弱發(fā)光膠結物FeO、MnO質量分數在前兩者之間，以第Ⅲ期膠結物為參照，第Ⅰ期膠結物MnO、FeO質量分數均有升高，平均值分別可達0.09%和0.06%，而第Ⅱ期膠結物MnO升高幅度與第Ⅰ期相近，平均值為0.05%；但FeO質量分數明顯大幅增加，FeO質量分數均大于0.1%，平均可達0.23%。而第Ⅰ期與第Ⅳ期方解石之間Mn、Fe質量分數的差異可能是晚期成巖流體內Fe、Mn質量分數更高造成的。由此可知，儲層經歷淺埋—深埋—暴露—淺埋的變化。但是這一變化應發(fā)生在加里東—海西期巖溶之后，第Ⅲ期不發(fā)光方解石應與晚期表生淋濾對應，因為早期巖溶作用前地層以穩(wěn)定沉降為主，未發(fā)生明顯的構造變形，這與研究區(qū)內觀察到的早于不發(fā)光方解石膠結的2期裂縫相互切割(圖5(b))以及角礫內發(fā)育弱發(fā)光方解石脈(圖5(c))的現象不符。另一方面，在研究區(qū)樣品中未見到早于前2期膠結的裂縫內或角礫間不發(fā)光方解石膠結，表明其確實在晚期淋濾過程中被剝蝕掉。

(3)最后試油及油氣綜合顯示資料也表明晚期大氣水淋濾對于區(qū)內優(yōu)質儲層的形成更為重要。以圖2(c)所示剖面為例，在無上古生界覆蓋的強烈剝蝕區(qū)，廣氣1井 518.2～520.2 m和549.4～552.4 m井段油氣綜合顯示結果為1類層，草古101井581.3～696 m井段，試油顯示為日產油29.1 t、日產水6.83 t的稠油層；而到晚期弱剝蝕區(qū)的草古120井，725.3～766 m井段油氣綜合顯示為干層，到晚期未暴露區(qū)的草古3井 1 433.4～1 609.5 m井段以3類層為主。儲層類型的這種差異性可以明顯體現出晚期巖溶作用對優(yōu)質儲層發(fā)育的控制作用，而加里東期—海西期表生淋濾影響較弱。

圖7 草橋潛山方解石膠結物成分交會圖Fig.7 Chemical component cross-plot calcite cements in Caoqiao buried hill

5.2 優(yōu)質儲層分布

優(yōu)質儲層的分布可以分為橫向分布和縱向分布兩方面來討論。對于橫向分布來說，通過前述儲層成因的分析已經明確，研究區(qū)巖溶儲層與晚期表生淋濾作用相關，因此優(yōu)質儲層應多分布于下古生界強烈剝蝕區(qū)；而對于上覆上古生界地區(qū)以及兩者之間的弱剝蝕過渡區(qū)，碳酸鹽巖儲集性能較差；除非有晚期斷裂的強烈改造，這些部位很難作為有力儲層的發(fā)育區(qū)。

選取東營凹陷下古生界上覆地層為上古生界的純化潛山、王家崗潛山以及平南潛山，并篩選其中遠離斷層的儲層與草橋潛山進行儲集空間和物性對比可以發(fā)現，草橋潛山發(fā)育大量溶蝕孔洞并在近不整合處發(fā)育大量較高孔、滲儲層，且儲層物性明顯受不整合控制，隨距不整合距離增加而下降；而當潛山上覆地層為上古生界時，其巖石相對致密，孔隙度、滲透率明顯偏低；且儲層物性縱向變化不明顯，孔隙度多小于5%，滲透率均小于10×10-3μm2，并以小于1×10-3μm2為主(圖8)。對照研究區(qū)內油氣資源分布和殘留地層的關系(圖2(b))也可以發(fā)現，探明和預測含油氣區(qū)均分布在缺失八陡組的強烈剝蝕區(qū)，而在殘留八陡組的晚期弱剝蝕區(qū)和殘留上古生界的晚期未剝蝕區(qū)，油氣資源較少。頂部只殘留長山組—饅頭組的更強烈剝蝕區(qū)域含油氣性差，可能與其地層中泥巖或泥質質量分數較高有關。

圖8 東營凹陷不同期次巖溶儲層儲集特征對比Fig.8 Comparison between karsted reservoirs of different generation in Dongying Sag

為了研究工區(qū)內巖溶儲層的垂向分布，對草橋地區(qū)取芯較長、距不整合面距離較大的草古100井的儲集空間及陰極發(fā)光特征縱向變化進行詳細分析(圖9)。

圖9 草古100井儲集特征、含油性及陰極發(fā)光特征縱向變化Fig.9 Vertical variation of reservoir space, oil bearing property and cathodoluminescence features in well Cg100

從圖中可以看出，由近不整合面到遠離不整合面，明顯呈現出取芯收獲率升高，巖溶角礫及晚期不發(fā)光和發(fā)亮光方解石含量降低的趨勢。在距不整合面50 m范圍內，巖溶角礫較為發(fā)育，同時不發(fā)光方解石廣泛發(fā)育，表明該范圍內表生巖溶作用強烈;而到距不整合面約140 m的深度處，雖然巖溶角礫不太發(fā)育，但仍見小規(guī)模溶洞，同時雖然膠結物以弱發(fā)光方解石為主，仍發(fā)育部分晚期不發(fā)光和發(fā)亮光方解石；但到距不整合面約150 m時，膠結物完全變?yōu)橐栽缙谌醢l(fā)光方解石為主，這表明此時已基本無大氣水作用。同時統(tǒng)計研究區(qū)典型井的漏失情況以及試油產量與距不整合面距離的關系也可以看出，發(fā)生漏失以及試油產能較高的儲層全部分布在距不整合面150 m范圍內，并以距不整合面距離小于50 m為主；當距不整合面距離大于150 m時無漏失現象，未見產層(圖10)。 綜合膠結物分布特征及生產動態(tài)資料可以看出，晚期巖溶作用下形成的優(yōu)質儲層分布在距不整合面150 m范圍內，并且在距不整合面50 m范圍內儲層最為發(fā)育。雖然古生界碳酸鹽巖在漫長的演化過程中經歷多期構造運動及多種成巖流體的疊加改造，使其成因及分布多樣化、復雜化，但不同的演化過程必然會有不同的地質響應以及相應的地質證據。通過草橋地區(qū)下古生界碳酸鹽巖潛山的研究可以發(fā)現，其地層特征及方解石膠結物陰極發(fā)光多樣性作為剝蝕—沉積過程和成巖流體作用過程的重要記錄，可為該類儲層的成因和分布研究提供有利的依據。因此明確不同地區(qū)、不同類型潛山的地層結構差異性以及膠結物陰極發(fā)光特征和成分的變化，將會對該類儲層的成因差異性分析、分布規(guī)律差異性研究以及進一步精細勘探具有一定的指導和借鑒意義。

圖10 草橋潛山典型井井漏及試油產量縱向分布Fig.10 Vertical distribution of circulation loss and well testing data from typical wells in Caoqiao buried hill

6 結 論

(1)草橋地區(qū)下古生界碳酸鹽巖為次生孔洞和裂縫型儲層，儲集空間可以分為角礫間孔洞、基質孔洞和裂縫3種類型；儲層內碳酸鹽膠結物具有多期次性，依據其形成順序可劃分為早期發(fā)亮光方解石、弱發(fā)光方解石、不發(fā)光方解石和晚期發(fā)亮光方解石4期膠結。

(2)綜合地層發(fā)育特征、方解石膠結物的陰極發(fā)光和成分特征及其變化規(guī)律，明確草橋地區(qū)下古生界較優(yōu)質儲層是地層經燕山期—喜山期抬升剝蝕，殘留地層在晚期大氣水淋濾作用下形成的；該期巖溶形成的優(yōu)質儲層主要分布在上古生界缺失的強烈剝蝕區(qū)，其縱向上分布在距下古生界與新生界間不整合面150 m范圍內，并以距不整合面50 m范圍內優(yōu)質儲層最為發(fā)育。

(3)地層結構以及膠結物的陰極發(fā)光和成分特征良好地記錄了地質歷史時期的構造及成巖流體的演化，可作為判斷巖溶儲層成因和分布規(guī)律的重要依據。