郭龍龍,王 峻,張春光,陳洪德

1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300452

隨著我國油氣勘探的持續(xù)推進(jìn),變質(zhì)巖潛山油氣藏已成為當(dāng)前勘探的重要領(lǐng)域之一[1]。變質(zhì)巖潛山油氣藏廣泛分布于我國東北地區(qū),是具有廣闊前景的非常規(guī)油氣資源[2-5]。長期以來,學(xué)術(shù)界對(duì)變質(zhì)巖潛山油氣地質(zhì)特征和成因機(jī)制開展了大量研究,主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)巖性對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響[6-9]。早期研究認(rèn)為變質(zhì)巖中脆性較強(qiáng)的長石等礦物溶蝕后形成的次生孔隙是油氣聚集的關(guān)鍵,但該觀點(diǎn)缺乏關(guān)于裂縫對(duì)變質(zhì)巖儲(chǔ)層影響的系統(tǒng)性研究。(2)潛山裂縫的成因及其對(duì)油氣聚集的控制作用[10-13]。研究表明變質(zhì)巖裂縫主要由巖石風(fēng)化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同作用形成,但對(duì)裂縫定量特征及其與儲(chǔ)層參數(shù)的關(guān)系還不清楚。(3)根據(jù)巖石風(fēng)化程度對(duì)潛山進(jìn)行帶狀劃分[14-15],這為進(jìn)一步研究變質(zhì)巖潛山的空間特征奠定了基礎(chǔ),但對(duì)不同帶的儲(chǔ)層參數(shù)缺乏定量約束。近年來,學(xué)者們開始從巖石物性角度對(duì)變質(zhì)巖儲(chǔ)層進(jìn)行特征研究[16],提出了礦物組成與孔隙參數(shù)之間的相關(guān)性,為建立儲(chǔ)層評(píng)價(jià)體系奠定了基礎(chǔ),但相關(guān)研究還比較淺顯。為此,本文在前人研究基礎(chǔ)上,采用多種測(cè)試手段,對(duì)遼東灣地區(qū)遼西凸起變質(zhì)巖儲(chǔ)層進(jìn)行系統(tǒng)分析,并利用礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)識(shí)別出了多種變質(zhì)巖類型,分析了裂縫形成的主控因素,以期為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變質(zhì)巖油氣資源潛力提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海海域位于渤海灣盆地東部,發(fā)育在具有太古宙—古中元古代結(jié)晶基底的中新生代克拉通裂谷斷陷盆地之上[17-22]。遼東灣坳陷位于渤海海域東北部,整體呈北東—南西向展布,于晚侏羅世,經(jīng)歷了巖石圈擴(kuò)張和拉張,形成了大規(guī)模的伸展斷裂及張性剪切斷裂。白堊紀(jì)以來,遼東灣坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造—沉積循環(huán),形成“三凹兩凸”的構(gòu)造格局[3,6]。

郯廬斷裂及其分支斷裂對(duì)遼東灣坳陷的形成與演化起著重要的控制作用。目前學(xué)界公認(rèn)郯廬斷裂在遼東灣坳陷內(nèi)有三條主要分支,即遼西、遼中和遼東斷裂[3,6]。遼西斷裂為郯廬斷裂在遼西區(qū)域的分支,表現(xiàn)為走滑—伸展復(fù)合斷裂,其將遼西區(qū)域切割為遼西凸起和鄰近的遼中凹陷。遼西凸起呈NNE向展布,是由遼西斷裂走滑運(yùn)動(dòng)所形成,表現(xiàn)為一個(gè)大型的斷塊式潛山。本文研究區(qū)域位于遼西凸起的中北段,主要包括JZ20-A區(qū)塊、JZ25-B區(qū)塊和JZ25-C區(qū)塊。這些斷塊位于遼西斷裂的上盤,并受其強(qiáng)烈控制(圖1a)。

圖1 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起位置及儲(chǔ)層綜合柱狀圖

2 太古宇巖石學(xué)特征

2.1 巖石類型

通過對(duì)研究區(qū)巖心、壁心薄片鑒定以及薄片結(jié)合測(cè)井標(biāo)定方法,識(shí)別出太古宇巖性由二長片麻巖、黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖、變質(zhì)花崗巖、片麻質(zhì)碎裂巖、碎裂花崗巖和碎斑巖等組成,并以片麻巖為主。

遼西凸起太古宇潛山暗色礦物含量低,且?guī)r性簡單,因此用傳統(tǒng)的三孔隙度雙軌方法劃分不出礦物成分。本次研究在識(shí)別變質(zhì)巖巖石類型時(shí),主要選用對(duì)礦物放射性反映敏感的自然伽馬(GR)曲線,而巖石密度(DEN)和中子孔隙度(CNCF)曲線則作為輔助標(biāo)定。自然伽馬值的高低可以反映富鉀元素的鉀長石、黑云母等礦物含量的變化;高密度的暗色礦物會(huì)導(dǎo)致密度和補(bǔ)償中子增大,而淺色礦物則與此相反。據(jù)此建立的變質(zhì)巖巖—電關(guān)系(圖1b),自然伽馬小于160 API的為斜長片麻巖,自然伽馬大于160 API的為二長片麻巖(圖2),這與巖礦鑒定結(jié)果相吻合。具體巖石學(xué)特征如下:

圖2 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起JZ25-C區(qū)塊變質(zhì)巖巖性測(cè)井曲線交匯圖圖中黑色數(shù)字表示鉆井號(hào)。

(1)片麻巖類。片麻巖主要為二長片麻巖(圖3a)、斜長片麻巖(圖3b)和花崗片麻巖(圖2c,d)三大類巖石類型。二長片麻巖與斜長片麻巖均為中粗粒結(jié)構(gòu),弱片麻構(gòu)造,暗色礦物主要為黑云母和角閃石,淺色礦物主要為長石和石英?；◢徠閹r為中粒結(jié)構(gòu)、弱片麻狀構(gòu)造,淺色礦物主要為長石、石英;暗色礦物以角閃石為主,黑云母含量較低。

圖3 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起太古宇巖心特征

(2)碎裂巖。碎裂巖分布較為普遍,具變晶結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu),主要有片麻質(zhì)碎裂巖(圖3e,f)和碎斑巖兩大類。其原巖為片麻巖,巖石經(jīng)歷了強(qiáng)烈的破碎作用,巖石破碎嚴(yán)重,破碎后形成大小不一的碎塊和碎斑;礦物成分主要為長石、石英、黑云母和角閃石。

(3)混合巖。巖石由原區(qū)域變質(zhì)巖基巖和新生長英質(zhì)脈體兩部分組成,一般情況下基巖色深,脈體色淺,發(fā)育片麻狀、條帶狀構(gòu)造。根據(jù)脈體和基巖的含量,可劃分為混合巖化片麻巖(圖3g)、混合巖(圖2h)、混合片麻巖類(圖3i)和混合花崗巖類(圖3j)。

(4)變質(zhì)花崗巖。雜色,具變余半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀或弱片麻狀構(gòu)造,石英含量占長英質(zhì)總含量的20%～60%,研究區(qū)以變質(zhì)二長花崗巖為主(圖3l,m)。

(5)后期侵入巖脈。主要為后期基性巖脈——輝綠巖脈狀侵入體(圖3n)。

2.2 巖石展布特征

太古宇在中生代沉積前,呈現(xiàn)南高北低的地貌特征,北部地層保存相對(duì)完好,南部地層上部具有剝蝕,因此北部地區(qū)太古宇深部存在南部的地層序列,巖漿巖比例整體上自北向南逐漸變高。根據(jù)鉆井的巖石學(xué)特征及其鉆井的測(cè)井曲線特征,研究區(qū)JZ25-C區(qū)塊南部4D井、2井、6井、7井以二長片麻巖為主,1井、5井、8井巖性以斜長片麻巖、二長片麻巖為主;JZ25-B區(qū)塊以變質(zhì)花崗巖為主,二長片麻巖、碎裂花崗巖也較為發(fā)育;JZ20-A區(qū)塊以混合巖為主。研究區(qū)較深基底均為二長片麻巖,JZ25-C區(qū)塊南部地區(qū)僅發(fā)育下部的二長片麻巖;JZ25-C區(qū)塊北部地區(qū)、JZ25-B區(qū)塊巖性特征類似,上部地層巖性以斜長片麻巖為主,下部為二長片麻巖;北部JZ20-A區(qū)塊上部地層巖性以混合巖、花崗巖、黑云堿長片麻巖為主,較深部位為二長片麻巖(圖4)。

圖4 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起太古宇巖石分布特征

3 太古宇潛山儲(chǔ)集空間與物性特征

通過對(duì)遼西凸起北段9口井太古宇巖心孔隙度和滲透率的統(tǒng)計(jì),其儲(chǔ)集空間主要為孔隙—裂縫型和裂縫—孔隙型,并以裂縫為主。

JZ25-C區(qū)塊儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間主要是溶蝕孔、裂縫和微孔隙,裂縫占比最大。JZ25-C井區(qū)巖心上的宏觀裂縫寬度為 0.5～2 mm,以高角度張開縫為主。

JZ25-B區(qū)塊儲(chǔ)集空間極為發(fā)育,巖性以二長片麻巖、變質(zhì)花崗巖及碎裂巖、碎斑巖或碎裂碎斑巖為主,溶蝕孔隙發(fā)育局限,可見云母溶蝕孔等,但裂縫發(fā)育,被鈣質(zhì)、硅質(zhì)充填(圖5a-c)。

圖5 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起太古宇儲(chǔ)集空間及裂縫疊加特征

JZ20-A區(qū)塊3個(gè)高點(diǎn)主力目的層系太古宇裂縫型儲(chǔ)層均發(fā)育。裂縫是主要的有效儲(chǔ)集空間,溶蝕孔隙發(fā)育局限(圖5d);在巖心上可見裂縫發(fā)育及長石的溶孔,在大部分鑄體薄片中也都可見多組裂縫和微裂縫(圖4d-f)。

據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法:SY/T 6285—2011》中關(guān)于變質(zhì)巖儲(chǔ)層孔隙度—滲透率的劃分標(biāo)準(zhǔn),儲(chǔ)層孔隙度可分為高孔、中孔、低孔和特低孔,滲透率可分為高滲、中滲、低滲和特低滲。通過對(duì)研究區(qū)巖心樣品進(jìn)行孔隙度、滲透率分析,JZ25-C區(qū)塊太古宇潛山孔隙度為1.0%～31.2%,平均為9.85%;滲透率為(0.05～433.4)×10-3μm2,平均為12.86×10-3μm2,多數(shù)樣品滲透率小于1×10-3μm2,為中高孔—特低滲儲(chǔ)層;而JZ20-A區(qū)塊太古宇主要為中低孔—低滲儲(chǔ)層。

4 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層控制因素

4.1 暗色礦物含量影響儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度

太古宇變質(zhì)巖暗色礦物含量低,有利于裂縫的形成。以JZ20-A區(qū)塊為例,南高點(diǎn)4井以混合巖為主的變質(zhì)巖暗色礦物含量為12.7%,孔隙度為4.2%;中高點(diǎn)7D井以碎裂花崗巖為主的變質(zhì)巖暗色礦物含量為7.7%,孔隙度為6.0%;北高點(diǎn)5井以堿長混合片麻巖為主的變質(zhì)巖暗色礦物含量為15%,孔隙度為3.3%。暗色礦物含量中高點(diǎn)最低,而南、北高點(diǎn)較高;太古宇儲(chǔ)層均發(fā)育,中高點(diǎn)最優(yōu),南北次之?？傮w來看,暗色礦物含量與孔隙度為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4.2 構(gòu)造作用是裂縫形成的關(guān)鍵

潛山裂縫發(fā)育程度除受巖性控制外,還受到構(gòu)造活動(dòng)的控制。通過研究區(qū)巖心(圖3)和薄片(圖5)的觀察,多期構(gòu)造活動(dòng)形成多組互相疊加的裂縫,可改善儲(chǔ)層質(zhì)量;此時(shí)裂縫既可作為油氣運(yùn)移通道,也可構(gòu)成儲(chǔ)集空間。儲(chǔ)層中的有效裂縫大多為高角度縫,呈多期網(wǎng)狀相互交叉切割狀態(tài),裂縫的開啟程度與延伸度不一,平均寬度大于 10 cm。

遼西凸起太古宇潛山裂縫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,多期裂縫的疊加作用控制了潛山內(nèi)幕裂縫型儲(chǔ)層和溶孔—裂縫型儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)模與分布。該區(qū)構(gòu)造裂縫共有3組:中高角度的NE、NW向裂縫,中低角度的EW、SN向裂縫,低角度的NNE、NNW向裂縫。其中,低角度的兩組裂縫界面平直,但開啟程度差,是與后期主應(yīng)力方向不一致的早期壓裂縫;高角度的裂縫開啟程度高,但延伸距離短,是張性裂縫。

區(qū)域構(gòu)造差異活動(dòng)控制了裂縫有效性。漸新世郯廬斷裂強(qiáng)烈右行走滑在右旋張扭應(yīng)力場(chǎng)作用下,形成近SN向隆起,并伴生大量NE—SW向雁列斷層;燕山早期,受到NE向強(qiáng)剪切和SN向強(qiáng)擠壓的應(yīng)力作用,發(fā)育NNE向剪裂縫和SN向張裂縫;喜馬拉雅早期,受到NW向強(qiáng)伸展和NE向弱剪切的應(yīng)力作用,發(fā)育NE向剪裂縫和北東向張裂縫;喜馬拉雅晚期,受到NE向強(qiáng)剪切和NW向弱伸展的應(yīng)力作用,發(fā)育EW向張裂縫及NE向和NW向共軛剪裂縫(圖6)。

圖6 渤海灣盆地遼東灣地區(qū)遼西凸起構(gòu)造演化應(yīng)力分布及裂縫走向

根據(jù)以往的研究成果,當(dāng)裂縫走向與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向的夾角小于30°時(shí),裂縫會(huì)形成潛山儲(chǔ)層中的有效縫。并非所有的中高角度裂縫都會(huì)形成有效縫,只有早期裂縫與現(xiàn)今主應(yīng)力方向一致,裂縫才能得到有效保存[23-26]。利用成像測(cè)井進(jìn)行了太古宇當(dāng)前最大主應(yīng)力分析,結(jié)果表明,當(dāng)最大主應(yīng)力的方位為NE—SW向和NW—SE向、且裂縫與應(yīng)力方向相同時(shí),應(yīng)力的作用將有利于裂縫的開啟;裂縫與應(yīng)力方向共軛時(shí),裂縫的有效性降低。因此,遼西凸起太古宇潛山NE向和NW向中高角度剪裂縫有效性高;EW向和SN向中低角度張裂縫最差。

JZ25-C-1井、JZ25-C-2井和JZ25-C-4D井裂縫密度大,且裂縫與應(yīng)力方向相同;JZ25-C-8井裂縫與應(yīng)力方向相同,但裂縫密度小;JZ25-C-5井整體裂縫密度小,而且僅在太古宇頂部的裂縫與應(yīng)力方向相同。結(jié)合區(qū)域應(yīng)力背景分析,并根據(jù)各組裂縫的切割關(guān)系,判斷裂縫的形成時(shí)期,對(duì)各期次裂縫充填情況進(jìn)行了研究。遼西凸起太古宇潛山印支運(yùn)動(dòng)形成的微裂縫,被斷層泥和白云石充填,不能構(gòu)成有效儲(chǔ)集空間;燕山運(yùn)動(dòng)裂縫充填碎基、鐵質(zhì)礦物和鐵白云石為主,碎裂作用強(qiáng),是變質(zhì)巖儲(chǔ)層主要造縫期,碎裂巖和碎斑巖較發(fā)育;喜馬拉雅期裂縫以方解石充填、半充填為主,后期經(jīng)溶蝕可構(gòu)成有效裂縫。

5 結(jié)論

(1)遼西凸起太古宇巖性由二長片麻巖、黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖、變質(zhì)花崗巖、片麻質(zhì)碎裂巖、碎裂花崗巖和碎斑巖等組成,并以片麻巖為主。太古宇地層在中生代沉積前,呈現(xiàn)南高北低的地貌特征,北部地層保存相對(duì)完好,南部地層上部具有剝蝕,因此北部地區(qū)太古宇深部存在南部的地層序列,巖漿巖比例整體上自北向南逐漸變高。

(2)太古宇變質(zhì)巖具有溶蝕孔、裂縫和微孔隙3種儲(chǔ)層類型,以裂縫為主;潛山內(nèi)幕高密度裂縫分布區(qū)與儲(chǔ)層發(fā)育具有明顯的一致性,因此裂縫發(fā)育程度是遼東灣地區(qū)遼西凸起中北段太古宇潛山儲(chǔ)層的主控因素。

(3)太古宇潛山發(fā)育3組構(gòu)造裂縫,區(qū)域構(gòu)造差異活動(dòng)與暗色礦物含量控制了裂縫有效性及裂縫規(guī)模;燕山運(yùn)動(dòng)是變質(zhì)巖儲(chǔ)層主要造縫期,喜馬拉雅期裂縫以方解石充填、半充填為主,后期經(jīng)溶蝕可構(gòu)成有效裂縫。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

陳洪德、王峻提出論文總體構(gòu)思,張春光負(fù)責(zé)引言編寫;郭龍龍負(fù)責(zé)其余部分編寫及統(tǒng)稿;郭龍龍、張春光負(fù)責(zé)圖件編繪。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

CHEN Hongde and WANG Jun proposed the overall concept of the paper, while ZHANG Chunguang was responsible for writing the introduction. GUO Longlong was responsible for the preparation and compilation of the remain-ing parts. GUO Longlong and ZHANG Chunguang were responsible for the compilation and drafting of the drawings. All authors have read and agree to the submission of the final manuscript.