优质碳酸盐岩缝洞型储集层地质建模——以塔中北斜坡及塔北南缘奥陶系为例

倪新锋，沈安江，潘文庆，张荣虎，于红枫，董庸，朱永峰，王朝锋

（1. 中国石油杭州地质研究院；2. 中国石油碳酸盐岩储集层重点实验室；3. 中国石油塔里木油田公司）

0 引言

碳酸盐岩储集层具有较强的非均质性，储集空间类型、储集层成因及主控因素复杂，因而碳酸盐岩储集层建模与碎屑岩储集层建模有所不同。且由于碳酸盐岩储集层建模起步较晚，研究内容和方法仍处于研究和发展阶段，成果较少[1-3]。塔中北斜坡的 ZG8井—ZG43井区及塔北南缘的哈拉哈塘—新垦—英买力地区奥陶系是目前塔里木盆地重要的碳酸盐岩勘探突破及建产区，其岩溶储集层非均质性强，缝洞连通关系复杂，“一洞一藏、一井一策”，导致勘探成功率低，开发建产、稳产难，因此迫切需要建立基于单井储集层特征详细解剖的储集层地质模型来有效指导勘探及高效井部署。本次研究主要采用储集层主控因素和储集空间生产组合单参数定量、多参数综合的建模法，建立实用的单井及综合储集层地质模型。

1 优质岩溶储集层发育的地质背景

层序界面、潜水面及断裂面是形成塔中北斜坡鹰山组及塔北哈拉哈塘—新垦地区一间房组—鹰一段碳酸盐岩岩溶储集层的主控因素[4-10]，溶蚀（或岩溶）、破裂、白云石化、压溶为研究区重要的建设性成岩作用。其中层序界面控制的层间岩溶是提高储集层孔渗性能的最重要的建设性成岩作用，是研究区优质储集层形成的根本原因；潜水面控制的正常大气水岩溶优化前期储集层，使储集层具有向源穿层的特征；构造运动产生的裂缝是促进岩溶发育、控制储集体分布的关键因素，大气水沿断裂和表层裂缝下渗以及热液沿断裂上涌形成热液溶蚀、热液白云石化及硅化等，对储集层的影响利弊不一。

2 碳酸盐岩储集层地质建模

缝洞型碳酸盐岩储集空间主要有孔、洞、缝 3大类，不同储集空间其孔渗特性及分布特征有很大差异。根据这一非均质性特征，提出了储集层主控因素和储集空间生产组合单参数定量、多参数综合的建模原则，按照纵向比例1∶500，横向展布1 000～1 500 m的尺度建立定量化单井储集层地质模型。建模工作流程主要包括以下几个步骤[11-14]。

2.1 模型参数优选

建模参数提取正确与否直接关系到建模的成败。本次研究在对研究区37口单井详细解剖的基础上，采用单参数定量、多参数综合分析技术进行缝洞体定量描述，优选了静态和动态两大类参数，其中静态参数包括岩性、储集空间类型、测井响应特征、地震响应特征、测试分析成果、钻录井漏失放空情况以及构造背景等，动态参数包括酸压施工特征及生产曲线。

2.2 储集层地质模型建立

2.2.1 地层及构造框架模型

根据地震资料构造解释和地层解释结果得到主要地质界面（如地层界面、断裂面、储集层顶底界面）、断裂系统和古地貌的形态，采用计算几何算法准确描述空间曲面（地质界面和断层面）的拓扑关系，得到表征碳酸盐岩缝洞储集层几何构型的地层及构造框架模型。

2.2.2 地质实体约束模型

由于框架模型中只包含地质界面和断层面，不能描述碳酸盐岩缝洞型储集层非均质性的纵横向变化，因此在储集层反演结果的基础上须进一步细化，通过定义层间的沉积结构进行三维空间内地层网格的构建，并根据前述动、静态建模参数对模型进行定义约束，建立地质实体约束模型，将该模型作为储集层地质模型的雏形，继而进行模型正演计算。

2.3 模型正演模拟

对所建立的模型进行了正演模拟[11,15]，为保证研究更具有针对性，模型的速度、密度等参数参考塔中—塔北实际地震资料确定。统计15口井地震、测井资料，确定围岩平均速度为 6 000 m/s，密度为 2 500 kg/m3，模型地层速度为3 500 m/s，密度为2 400 kg/m3。采用点式震源进行激发，参考塔里木深层碳酸盐岩实际地震资料，主频定为25 Hz。采用中间放炮、两侧接收方式进行数据采集。参考野外实际地震资料采集方式，炮距定为50 m，检波距为25 m。最大炮检距为1 000 m，基本满足动校正拉伸畸变限制和速度分析精度的要求。空间采样率定为4 ms。针对建立的各种储集层地质模型，开展全波场波动方程数值模拟，采用弹性波波动方程进行计算。最后将得到的偏移叠加剖面与实际地震剖面进行比较。

2.4 储集层地质模型的验证、修正、定型

通过模型正演模拟，可以发现模型与实际储集层展布之间的差距，进而调整模型参数并修正模型，采用多次循环逐步逼近法，最终建立符合生产实际的储集层地质模型。因此，储集层地质建模过程是不断完善的迭代过程，迭代次数越多，模型就越真实可信。

3 单井地质模型类型及特征

根据上述建模方法，建立塔中—塔北奥陶系 6类优质缝洞型储集层单井地质模型：层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型、断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型、层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型、层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型、断裂面控制下部热液单一孔洞型（白云岩中常见）及断裂面控制单一裂缝型（见图1、表1）。

3.1 层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型

图1 塔中—塔北地区奥陶系6类碳酸盐岩储集层地质模型

表1 塔中—塔北奥陶系储集层地质模型统计表

受三、四级层序界面控制形成洞穴及洞顶裂缝-孔洞，井周无大型断裂，洞穴与裂缝共生共长（缝生洞、洞生缝）。该类储集层地质模型一般距大断裂2～5 km；储集空间类型以洞穴及裂缝-孔洞为主，纵向呈准层状分布，酸压沟通了下部洞穴；Ⅰ、Ⅱ类储集层占68.3%（见图2a）；地震资料上主要表现为长串珠，或深浅串珠结合，收敛性较好，振幅能量较高（见图2b）；洞顶裂缝在成像测井上走向比较杂乱，如HA12-1井，构造裂缝走向为 20°～30°和 330°～350°，而洞顶裂缝走向杂乱，优势发育走向为 10°～50°和 310°～350°（见图2c）；HA12-1井反演储集层呈准层状分布，主体位于一间房组顶面向下10～20 ms（即30～60 m），少量25～40 ms（即75～120 m），层序界面控制作用明显，深部孤立型储集层为洞穴特征。根据串珠雕刻体积 98×104m3推算，缝洞体宽度为140 m左右；从酸压施工特征来看（见图2d），酸压最高泵压较高，泵压有明显下降趋势，最后停泵测压降阶段，压力由35.8 MPa下降到19.6 MPa仅用了20 min，反映酸压沟通了大型缝洞储集体；生产曲线以间歇焖井回压持续生产型为主（见图2e），油压及产量呈均呈下降趋势，反映沟通储集层缝洞体能量有限，需间歇性关井回压才能维持生产；洞顶裂缝-孔洞为主力产层，储集层具有一定的成层性，洞穴为产层源源不断提供油源。该类储集层开发时钻井不宜过深，揭穿洞顶即可，生产时油嘴不宜过大，否则极易水淹。

图2 层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型储集层地质模型参数特征

3.2 断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型

受断裂及其伴生的裂缝控制形成洞穴及洞顶裂缝-孔洞，洞穴由断裂伴生的裂缝衍生而来，缝生洞、洞生缝，形成垮塌型洞穴。该类储集层一般处于断裂交叉处，钻井过程中常发生漏失、放空等现象，如HA803井位于“X”型断裂附近（见图3a），钻至6 632.54 m处溢流钻井液0.8 m3，6 654.66～6 666.00 m累计放空钻井液11.34 m3，累计灌入较重钻井液577.5 m3；呈块状分布，以洞穴型及裂缝-孔洞型储集层为主，洞穴往往孤立；Ⅰ、Ⅱ类储集层占60.2%（见图3b）；地震资料上主要表现为串珠及周边杂乱特征，串珠振幅能量较高（见图3c）；洞穴周缘裂缝在成像测井上显示走向比较杂乱，如HA803井，构造裂缝走向为 20°～30°和 330°～350°，洞穴周缘裂缝比较杂乱，无优势发育走向（见图3d、3e）；洞穴周缘裂缝孔洞方解石电子探针Mn2+/Fe2+值为1.133（小于2），阴极发光呈暗棕褐色（见图3f），87Sr/86Sr值为0.708 734，包裹体均一温度为70～90 ℃，盐度较低（为6.3），指示为大气水成因。因此，该类模型为断裂面控制大气淡水形成的垮塌型洞穴+洞顶裂缝-孔洞，为“缝生洞、洞生缝”不断演化而来，洞穴及周缘裂缝-孔洞为主力产层；生产曲线常表现为间歇性压井持续生产特征（见图3g）。对该类储集层开发应注重裂缝-孔洞充填性及其充填程度。

图3 断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型储集层地质模型参数特征

3.3 层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型

上部受层序界面控制，形成泥质半充填洞穴；下部受断裂伴生的热液控制，形成裂缝-孔洞型白云石化岩溶储集层；表层洞穴与下部裂缝-孔洞型储集层之间往往有致密隔层（见图1c）。该类模型井基本位于构造缓坡部位，靠近断裂；Ⅱ类储集层占42.6%，无I类储集层（见图4a）；地震资料上主要表现为强串珠，串珠振幅能量较高（见图4b）；成像测井上，上部表层洞穴被泥质及角砾充填（见图4c），下部“正弦曲线”及暗色斑点代表裂缝及溶蚀孔洞发育（见图4d）；该类模型主要发育在塔中ZG43井区，表层洞穴被泥质充填的概率较高，下部裂缝-孔洞主要发育于白云石化储集层中。对该类储集层开发应更注重充填性及充填程度，以及下部白云石化作用对储集层的影响。

图4 层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型储集层地质模型参数特征

3.4 层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型

大气淡水沿裂缝或早期溶孔下渗或侧向运移，受层序界面控制形成的表层裂缝及断裂伴生的裂缝扩溶形成溶缝，与溶孔组合形成裂缝-孔洞型储集空间。该类模型井基本位于构造缓坡部位，靠近断裂；纵向呈准层状及块状分布，以裂缝-孔洞型储集层为主；Ⅱ类储集层占37.0%，无Ⅰ类储集层（见图5a）；地震资料上主要表现为弱串珠或片状反射（见图5b），串珠振幅能量中等，少量为长串珠，此现象与断裂相关；成像测井上高导正弦曲线及暗色斑点发育，代表裂缝及溶蚀孔洞发育（见图5c），裂缝走向主体为30°～50°（见图5d）。该类储集层成层性较好，生产较平稳，递减率较低，在一定条件下可利用水平井开发以提高开采效率。

图5 层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型储集层地质模型参数特征

3.5 断裂面控制下部热液单一孔洞型

后期地层热液、岩浆热液沿断裂及裂缝上涌、侧移，发生热白云石化及热溶蚀作用，形成白云石晶间孔和晶间溶孔，优化前期储集层。该类型井靠近断裂（见图 6a），储集层呈块状分布；以孔洞型和裂缝-孔洞型储集层为主，Ⅰ、Ⅱ类储集层占37.0%，其中Ⅰ类储集层占10.6%（见图6b）；地震资料上主要表现为弱串珠或片状反射，串珠振幅能量中等（见图6a）；成像测井上暗色斑点或斑块发育，较孤立，裂缝不发育（见图 6c）；ZG9井鹰山组储集层段测试分析成果表明，Fe2+、Mn2+含量低，Mn2+/Fe2+值为 0～1.8，平均为 0.269，导致阴极发光昏暗，以暗棕色为主，稀土元素Eu负异常，盐水包裹体温度较高，平均为 97.1 ℃，最高达134 ℃，87Sr/86Sr值为 0.708 743～0.709 371，平均0.708 943，处于背景值范围，未受壳源锶及幔源锶影响，显示了正常成岩热流体的深埋藏白云石化特征。

图6 断裂面控制下部热液单一孔洞型储集层地质模型参数特征

3.6 断裂面控制单一裂缝型

指由构造作用形成的裂缝体，裂缝既是渗滤通道，也是储集空间。当裂缝系统范围大、厚度大时可形成工业性油气藏。该类模型储集层形态复杂，受构造应力、地层岩石类型、岩石力学性质等多种因素控制，空间上多个裂缝体靠近发育，从而构成弱连通的裂缝系统；靠近断裂处储集层发育。仅见于TZ243井。

4 缝洞型岩溶储集层综合发育地质模型

在单井储集层地质建模基础上，根据对研究区缝洞型岩溶储集层分布规律的认识，结合储集层形成机制及控制因素分析，分别建立了单面山构造背景台型斜坡及缓斜坡2大类储集层综合地质模型。

4.1 塔中北斜坡单面山台型斜坡储集层地质模型

研究表明，塔中古隆起形成于晋宁期，定型于奥陶纪末期。奥陶纪晚期塔中地区产生强烈的板内构造活动，塔中以褶皱运动为主，与塔东地区发生整体强烈隆升，产生大量剥蚀，形成塔中北部台型斜坡的构造背景，塔中北斜坡大部分地区接受了良四段沉积。在此构造及沉积背景下，塔中北斜坡鹰山组主要发育一套岩溶及白云石化缝洞型储集层，岩溶作用及白云石化作用是储集层形成的主要地质作用，经历了准同生岩溶、中加里东期第Ⅰ幕（鹰山组沉积末期）、中加里东期第Ⅱ幕（良里塔格组沉积早—中期）和晚加里东期（志留系沉积期前）等多期岩溶的叠加改造。其中鹰山组沉积末期及良里塔格组沉积早—中期的岩溶作用对塔中北斜坡的影响最为突出，而志留系沉积前的岩溶作用对鹰山组储集层主要起改善作用，且影响有限[5-7,16-17]。因此，根据单井建模成果，结合塔中北斜坡地质背景，建立了塔中北斜坡 ZG8井—ZG43井区单面山台型斜坡背景下的缝洞型岩溶储集层地质模型（见图7）。

图7 塔中北斜坡ZG8井—ZG43井区奥陶系鹰山组缝洞型碳酸盐岩储集层地质模型

塔中北斜坡鹰山组（O1—2y）储集层主要集中在鹰山组一段下亚段及鹰山组二段，其中鹰一段下亚段主体发育泥质半充填洞穴+洞顶裂缝-孔洞型岩溶储集层及单一孔洞型白云岩储集层；鹰二段上亚段发育表层泥质半充填洞穴+下部热液岩溶作用及白云石化作用形成的裂缝-孔洞型白云石化储集层，主要发育在ZG43井—ZG45井区；鹰二段下亚段大范围发育沿断裂上涌的富镁流体选择性白云石化作用形成的云化储集层，并在 ZG51井区区域性发育。因此，塔中北斜坡 ZG8井—ZG43井区鹰山组主要发育断裂面控制下部热液单一孔洞型、层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型储集层，断裂面、层序界面、大气水岩溶作用、热液岩溶作用及白云石化作用控制储集层的形成与展布。

4.2 塔北南缘哈拉哈塘单面山缓斜坡储集层地质模型

研究表明，塔北南缘奥陶系主要经历了准同生期、一间房组沉积末期、良里塔格组沉积末期及志留系沉积前4期主要的岩溶[4-5,18]，其中准同生期和志留系沉积前的岩溶作用对研究区影响最为突出，而一间房组沉积末期的岩溶作用主要起改善储集层性能的作用，且影响深度局限于一间房组顶部，良里塔格组沉积末期岩溶作用受岩性的影响，影响深度同样有限，或者有利岩溶发生的部分已大多被剥蚀。因此，哈拉哈塘地区奥陶系岩溶储集层的主要形成时期为同生期和加里东晚期（志留系沉积前），其形成机制为同生期与层序界面相关的大气水岩溶，及加里东晚期由断裂沟通泄水的顺层岩溶（潜山区的潜水面控制岩溶），形成的储集层具有较好的成层性和受断裂控制明显的特点，成因机制分析和储集层钻井结果以及地震反演结果一致。综上，根据单井建模的成果，结合塔北南缘哈拉哈塘地区地质背景，建立了哈拉哈塘地区奥陶系斜坡背景下的缝洞型岩溶储集层地质模型（见图8）。

塔北南缘哈拉哈塘地区奥陶系储集层主要集中在鹰山组上部至一间房组，发育 3套储集层，一间房组（O2y）1套、鹰山组2套，主要集中在一间房组顶面以下120 m范围内。其中一间房组主要为受顶部平行不整合面控制的单一裂缝-孔洞型储集层，仅在HA8井区见受断裂面控制的洞穴+裂缝-孔洞型储集层；受层序界面及断裂面控制的洞穴+洞顶裂缝-孔洞型储集层主要发育在鹰山组，可能与当时的潜水面及鹰山组比一间房组泥晶灰岩含量略多有关。研究统计结果表明，泥晶灰岩中形成大型洞穴的概率比纯颗粒灰岩要高，该认识还需利用高温高压模拟等手段进一步验证。因此，哈拉哈塘地区主要发育鹰山组至一间房组层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型、断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型及一间房组层序界面控制的单一裂缝-孔洞型储集层。

5 储集层地质模型的应用效果

图8 塔北南缘哈拉哈塘地区奥陶系鹰山组至一间房组缝洞型碳酸盐岩储集层地质模型

图9 储集层类型及生产情况评价结果

对上述 6类储集层地质模型综合评价认为（见图9a），层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型储集层储集性能最好，Ⅰ、Ⅱ类储集层占 68.3%，洞顶裂缝-孔洞为主要储集空间；其次为断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型，Ⅰ、Ⅱ类储集层占60.2%，该类洞穴总体为垮塌型；再次为层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型，Ⅱ类储集层占42.6%，主要发育于塔中10号带鹰二段出露区；最后为断裂面控制下部热液单一孔洞型、层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型，Ⅰ、Ⅱ类储集层占 37.0%。因此，寻找符合洞穴和裂缝-孔洞型配置关系以及断裂面控制热液的区域是勘探的重点。

对研究区 71口建产井生产情况统计表明（见图9b、9c），其生产曲线主要有以下4类：①间歇焖井回压持续生产型，一般对应洞穴+洞顶裂缝型或洞穴+下部裂缝-孔洞型储集层；②持续下降型，一般对应孤立洞穴型或裂缝-孔洞型储集层；③高产稳产型，一般对应洞穴+洞顶裂缝-孔洞型或单一裂缝-孔洞型储集层；④低产稳产型，一般对应单一孔洞型模型。其中，以持续下降型及间歇焖井回压持续生产型为主，与模型评价结果吻合。因此，高效井的部署要以符合洞穴+裂缝-孔洞型配置关系的储集层为重点。

近期获得重大突破的RPX井，位于塔北南缘哈拉哈塘的南部顺层岩溶区大型走滑断裂处，前期储集层预测结果认为该井奥陶系仍可发育断裂控制的洞穴及裂缝-孔洞型储集层，后被钻探结果所证实。RPX井靠近断裂，地震资料显示为串珠状，收敛性好，为断裂控制的洞穴+裂缝-孔洞型储集层，与高效井HA803井类似，下部为孤立洞穴。钻探过程中，7 000多米处发生钻井液漏失、放空，Ⅰ、Ⅱ类优质储集层厚14.5 m，日产油近百吨，中途换成7 mm油嘴，见少量水。笔者建议该类模型应使用小油嘴开采，否则极易水淹，随即换3 mm油嘴稳定无水采油至今。由此可见，地质模型对实际勘探开发具有很好的指导作用。

6 结论

塔中—塔北奥陶系主要发育 6类储集层单井地质模型：①层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型；②断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型；③层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型；④层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型；⑤断裂面控制下部热液单一孔洞型；⑥断裂面控制单一裂缝型。塔中北斜坡ZG8井—ZG43井区鹰山组主要发育③、⑤两类储集层，而塔北南缘哈拉哈塘地区鹰山组至一间房组主要发育①、②两类储集层。6类储集层地质模型中，层序界面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型储集层最有利，其次为断裂面控制洞穴+洞顶裂缝-孔洞型，再次为层序界面及断裂面控制表层洞穴+下部裂缝-孔洞型，最后为断裂面控制下部热液单一孔洞型、层序界面及断裂面控制单一裂缝-孔洞型。因此，储集层地质模型符合洞穴和裂缝-孔洞型配置关系以及断裂面控制热液的区域是未来勘探及高效井部署的重点。

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