渤海海域奥陶系碳酸盐岩岩溶储层特征及主控因素*——以石臼坨凸起427构造带为例

达丽亚 张新涛 徐春强 边立恩 张 捷

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

岩溶作用是古老碳酸盐岩形成有效储层的重要控制因素之一，在不整合面之下碳酸盐岩地层中形成的岩溶是十分重要的油气储层[1-6]，其典型代表是塔里木盆地和四川盆地，尤其是塔里木盆地有着中国最大规模的碳酸盐岩油气藏，该地区岩溶储层的相关研究也处于我国领先地位[7-9]。目前有许多学者对岩溶古地貌刻画和溶蚀缝洞体系识别做了大量的研究[10-12]；也有学者对碳酸盐岩的溶蚀机制进行了细致研究，认为碳酸盐岩岩溶作用存在多种不同类型的溶蚀机制[13-16]；另外，还有学者对古岩溶的垂向结构进行了专业术语的规整和定量化表征[17-18]。

20世纪80年代至90年代中国海油在渤海湾盆地发现了渤中28-1，渤中27-2、绥中36-1碳酸盐岩潜山油气田，近几年又发现了渤中21-2、渤中22-1等含油气构造，揭示了渤海湾盆地海相碳酸盐岩具有巨大的勘探潜力[19-21]。但碳酸盐岩储层发育程度和储层发育的位置、岩性、储集空间类型、物性均表现出巨大的差异， 加之碳酸盐潜山储集空间展布复杂，非均质性强，平面上不同井区碳酸盐岩储层物性差别大，优质储层发育展布规律和主控因素尚未完全研究清楚。目前渤海油田碳酸盐岩勘探受到地震分辨率的限制，岩溶缝洞系统的发育情况、发育位置及其连通情况等很难给予准确的预测，加之岩溶作用对储层的改造作用及影响深度尚未开展深入的研究，这必然大大制约今后该区潜山深部储层的勘探进度。

位于石臼坨凸起的427构造于20世纪70年代被发现，该构造针对下古生界奥陶系碳酸盐岩岩溶储层设计钻探11口探井，获得良好勘探发现，尤其是BZ12井测试日产油1 310 t，指示储层物性及油气运聚条件良好。已钻井揭示，该构造奥陶系上马家沟组、下马家沟组、亮甲山组、冶里组地层中均见到油气显示或工业油气流。由于该构造碳酸盐岩储层具有埋藏深度大、剥蚀强度大、构造改造作用强、非均质性极强等特点，使勘探面临极高的风险。本文利用岩心、薄片、钻井、测井、地震、分析化验等资料，对奥陶系碳酸盐岩储层特征和岩溶储层分布规律和岩溶控制因素进行系统研究，揭示该区潜山碳酸盐岩岩溶储层发育具有一定规模，同时也表明针对碳酸盐岩岩溶储层仍有很大的勘探空间。

1 地质概况

427构造带隶属于渤海湾盆地中部的石臼坨凸起南侧分支，其西、南两侧发育的边界大断裂控制了潜山构造格局的发育，使之成为内部地层倾向NE、走向NW—SE的背斜构造带。427构造带与渤中凹陷相接，向南倾没于渤中凹陷，处于油气运移指向的有利位置，成藏条件非常优越(图1)。目前在石臼坨凸起上已发现秦皇岛32-6油田、秦皇岛33-1油田、秦皇岛33-1S油田、秦皇岛29-2油气田、渤中3-1油田等多个大规模整装油气田，油气在新近系和古近系均有富集，是典型的复式油气聚集区带[22]。

图1 427构造带位置图及潜山结构Fig.1 Regional location and buried hill structure of 427 tectonic belt

427构造带潜山岩性复杂，包括太古界变质花岗岩、下古生界碳酸盐岩、上古生界碎屑岩和中生界火山碎屑岩。本文研究目的层奥陶系位于427构造带中段，自下而上可划分为下奥陶统的冶里组、亮甲山组和中奥陶统的下马家沟组、上马家沟组。受多期构造作用叠加影响，奥陶系底部直接覆盖在寒武系及太古界花岗岩基地之上，顶部与东二下段不整合接触，缺失新生界古近系沙河街组、中生界和上古生界(图2)。

图2 427构造带奥陶系综合柱状图Fig.2 Ordovician synthesis column of 427 tectonic belt

2 储层特征

2.1 岩石类型

已钻井揭示，427构造带奥陶系碳酸盐岩潜山地层的岩石类型复杂，通过岩心观察、薄片鉴定及元素分析手段详细划分出16种岩石类型(表1)，总体上以灰岩类为主，白云岩次之。灰岩类根据成分、结构、颗粒含量的不同可进一步划分为泥晶灰岩、含白云质灰岩、白云质灰岩、颗粒灰岩，根据颗粒种类的不同又可划分为藻团粒、球粒、藻屑、砂屑、藻鲕、生屑灰岩等，其中生物碎片多见腕足类、介形虫、瓣鳃类、棘皮类，海百合茎、骨针次之(图3)。

表1 427构造带奥陶系碳酸盐岩储层岩石类型Table 1 Rock types for Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

a—BZ12井，3 200 m，泥晶灰岩，100(-)；b—BZ19井，3 180 m，泥晶生屑灰岩，海百合茎，50(-)；c—BZ19井，3267 m，粉晶棘皮变鲕粒灰岩，100(-)；d—BZ17井，3 682 m，亮晶藻鲕灰岩，100(-)；e—BZ12井，3 395 m，泥晶生屑灰岩，25(-)；f—XBZ12-1井，3 312 m，亮晶砂屑灰岩，50(-)；g—XBZ12-1井，3 321 m，泥晶球粒灰岩，50(-)；h—BZ18井，3 120 m，粉晶粒屑灰岩，海绵古针局部富集，200(-)；i—BZ3井，3 193 m，灰质细晶白云岩，100(-)；j—BZ19井，3 328 m，粉晶硅质白云岩，200(+)；k—BZ12井，3 342 m，泥晶白云岩，50(-)；l.BZ17井，3 511.41 m，团粒泥晶白云岩，方解石脉发育，岩石角砾化程度高，100(-)；m—BZ3井，3 097 m，粉晶云岩，50(-)；n—BZ17井，3 817 m，晶粒云岩，50(-)；o—BZ17井，3 826 m，晶粒云岩，硅质交代，200(+)。

图3 427构造带奥陶系碳酸盐岩储层薄片特征
Fig.3 Characteristics of thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

白云岩按成分和结构的差异可细分为泥晶白云岩、粉晶白云岩、颗粒白云岩、晶粒白云岩等。

笔者根据常量元素测定结果中氧化物质量分数反推矿物组成及含量，可以准确确定岩性，以减少录井及薄片鉴定带来的人为误差。通过MgO的质量分数XMgO确定白云石的含量y=XMgO(184/40)，并计算方解石的含量z=(XCaO/56-XMgO/40)100[23]。以BZ17井为例，上马家沟组以灰岩类为主；下马家沟组白云质含量增加，出现白云质灰岩或灰质白云岩；亮甲山组发育白云岩；冶里组为白云质灰岩夹薄层白云岩。整体上该井奥陶系碳酸盐岩潜山岩性在纵向上可划分为颗粒灰岩-泥晶灰岩-白云质灰岩-白云岩-白云质灰岩的岩性旋回(图4)，其中上马家沟组、下马家沟组、冶里组为开阔台地沉积，发育台内滩和台坪沉积微相；亮甲山组为局限台地沉积(图2)。

图4 BZ17井奥陶系潜山地层岩石化学分析Fig.4 Petrochemical analysis of downhole Ordovician buried hill stratigraphy of Well BZ17

2.2 储集空间类型

427构造带11口已钻井的取心和2000余张薄片分析揭示，碳酸盐岩储层储集空间可分为三类，即晶间溶蚀孔、裂缝、溶蚀洞。

1) 晶河溶蚀孔。晶间溶蚀孔多发育在亮甲山组白云岩储层之中,是在白云石晶粒间原生孔的基础上溶蚀扩大的次生孔隙(图5a)，面孔率2%～4%。在下马家沟组和上马家沟组泥晶灰岩和颗粒灰岩中发育较差，面孔率<1%。

2) 裂缝。裂缝主要包括构造缝和溶蚀缝两类。构造缝在奥陶系顶部较为发育，缝壁平滑，未见扩溶现象，岩心观察构造缝延伸最长可达35 cm，宽度最大3 cm，最小0.3 cm，被方解石全充填(图5b)；见有共轭剪切缝(图5c)，两组近似平行的裂缝相互切割形成，这类裂缝多为微裂缝，延伸性不强，缝宽0.1～0.2 cm(图5d)。溶蚀缝是由构造裂缝溶蚀扩大形成，溶蚀作用的发育程度决定于岩性与构造缝双重因素的影响。岩心和薄片观察表明，裂缝多为半充填或未充填，部分完全充填，主要被方解石充填，多为完全充填或部分充填(图5e)。

3) 溶蚀洞。溶蚀洞主要发育在下马家沟组和亮甲山组中，溶洞规模大小不一，溶洞中可观察到围岩角砾散落在洞穴中,后期被方解石胶结，形成岩溶角砾岩(图5f、g)。通过地震属性分析，可以发现洞穴多发育在潜山深部，但发育程度存在差异；有些洞穴成串珠状分布并且有一定的水平连通性，有些洞穴相对独立，与其他的洞穴不连通。

2.3 储集物性特征

由于427构造带奥陶系碳酸盐岩的非均质性极强，小岩心样品物性分析结果不能完全代表岩层的物性特征，主要反映的是微观缝与基质的特性。从岩心样品物性分析并结合薄片分析来看，白云岩中孔隙度明显高于灰岩，灰岩岩性一般较致密，无有效晶间孔，基本不具有储集能力。通过对该区72个小样品的物性分析，结果表明孔隙度和渗透率关系较差，存在2种类型储层，即孔隙-裂缝性和裂缝-孔隙性储层，有效孔隙度为1%～4%，平均孔隙度为2.4%，渗透率为0.01～1.00 mD，平均渗透率为0.42 mD(图6)。

a—BZ3井，3 211.66 m，细晶白云岩，溶蚀孔，50(-)；b—BZ3-1-1井，3 286.5 m，泥晶白云岩，溶蚀缝被方解石充填，原岩破碎程度高，25(-)；c—BZ12井，3 242 m，泥晶灰岩，两期构造缝切割，25(-)；d—BZ3-1-1井，3 340 m，泥晶生屑灰岩，两期构造缝相交叉，缝内被粉晶方解石全充填，50(-)；e—BZ12井，3 323 m，泥晶白云岩，角砾化程度高，25(-)；f—XBZ12-1井，3 518.92～3 518.99 m,灰岩，岩溶洞穴；g—XBZ12-1井，3 278.35～3 278.48 m，灰岩，岩溶洞穴角砾岩。

图5 427构造带奥陶系碳酸盐岩储层岩心及薄片特征
Fig.5 Characteristics of cores and thin sections of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

图6 427构造带奥陶系碳酸盐岩储层孔隙度与渗透率关系Fig.6 Relationship between porosity and permeability of Ordovician carbonate reservoir in 427 tectonic belt

3 主控因素分析

3.1 岩性对岩溶储层发育的影响

不同岩性的溶蚀性不同。实际资料表明，427构造带奥陶系白云岩的储集性通常比石灰岩好(图7)，主要有2种原因：第一，白云岩的脆性通常比石灰岩大，更容易形成裂缝；第二，白云岩通常具有粉晶—细晶结构，原生晶间孔较发育，与泥晶结构的灰岩相比更容易使水介质进入产生溶蚀扩大[24]。因此，在渤海海域，优质的岩溶储层多发育在白云岩段，如渤中28-1油田、渤中21-2构造，细晶白云岩本身既是良好的储集空间，又利于水介质流动，而且更利于形成岩层溶蚀。

沉积环境控制了岩石类型，对岩溶储层的发育和分布具有重要的控制作用[21]。局限泻湖相有利于白云石化作用的发生，是有利的沉积相带；而开阔台地中滩相颗粒灰岩和台坪相泥晶灰岩是较差的储集相带，只有经历白云石化作用的影响才能形成有利的储集层。薄片观察发现，上马家沟组和下马家沟组的泥晶灰岩和泥晶生屑灰岩岩性致密，不发育溶蚀孔，可作为良好的盖层；而亮甲山组晶粒白云岩物性最好，孔隙度多大于3%，渗透率大于1 mD，是良好的储集层。

图7 427构造带奥陶系储层孔隙度、渗透率柱状图Fig.7 Histogram of porosity and permeability of Ordovician reservoir in 427 tectonic belt

3.2 构造破裂作用对岩溶储层发育和分布的影响

构造运动作用导致研究区发育二级不整合面，奥陶系与古近系直接接触。427构造带西侧受石南二号大断层长期活动的影响，奥陶系碳酸盐岩潜山发育众多NE—SW走向的裂缝，与边缘大断层走向一致。构造破裂作用形成的裂缝发育和分布直接控制了岩溶作用程度。在渗流带中，串珠状溶洞通常是在裂缝交叉处发育；在潜流带中，水平溶洞及地下暗河也常常是沿着裂缝呈规模性伸展[25]。裂缝与这些溶蚀孔洞缝等的复合，构建成缝洞性储层，成为427构造带奥陶系主要的储集空间和渗流通道。根据已钻井资料分析，裂缝对储层的影响表现在以下几个方面：①溶蚀孔洞大多沿着裂缝呈串珠状分布，为油气保存的有利场所；②薄片观察发现，微裂缝呈网状分布，有效改善了灰岩渗流能力；③半充填或未充填的裂缝不仅可以成为油气存储的空间，也可以成为油气运移的通道。另外，从裂缝与地层厚度比数据分析中可以看出(图8)，当裂缝发育段有效厚度与地层厚度百分比大于25%时，均能获得良好的测试产能；一般比值小于25%的地层测试产能都较低。例如，BZ12井进入潜山300 m范围内裂缝发育有效厚度达79 m，裂缝与地层厚度比达26%，测试获得日产1 310 t的高产油流；而XBZ12-1井裂缝与地层厚度比只有10%，为低产井。

此外，虽然灰岩的脆性及溶蚀性均小于白云岩，但在裂缝发育段灰岩的岩溶发育程度明显增强，形成有利的运移通道和储存空间，大大提高了储层的渗流能力。

图8 427构造带奥陶系储层裂缝段与地层厚度比Fig.8 The ratio of the net fault to the fracture thickness of Ordovician reservoir in the 427 tectonic belt

3.3 岩溶相带对岩溶储层发育的控制

岩溶作用发育强度在垂向上具有明显的差异性，取决于水介质溶蚀动力的改变。通常根据不同的溶蚀动力可以将岩溶剖面自上而下分为表层岩溶带、垂向渗流带、水平潜流带和深部缓流带等4个岩溶相带：①表层岩溶带是地表强烈岩溶化过程的产物，通常广泛发育陆源碎屑颗粒充填溶蚀洞缝等现象；②垂向渗流带是出露在潜水面以上在大气降水期间才充有水，具有流量少、间歇性、垂直向下渗流的特点；③水平潜流带是在潜水面之下缓流带之上的部分，长期充满水且向势能较低部位流动，流量大，流速较高；④深部缓流带虽然也长期充满水，但流动极其缓慢[17-18]。依据单井钻遇不同岩溶相带测井响应及充填物岩石成分，427构造带奥陶系碳酸盐岩可以划分出2个岩溶带，即垂向渗流带和水平潜流带。

实钻结果表明，钻具放空和钻井液漏失主要发生在距离潜山面50～553 m范围内，漏失量为4～235 m3，反映地层中存在未充填的溶洞，特别是在距离潜山面552.5 m处仍然存在巨大的溶洞(表2)。在此范围之上的地层岩溶储层不发育，由于没有钻井完全揭示奥陶系，所以无法预测这个范围之下的层段是否还有溶洞。同时也表明，本区渗流带的深度为50 m左右，由于水流量小，溶蚀强度不如潜流带；不是有利储层发育带;而下部缓流带以胶结为主，同样不利于储层发育。

表2 427构造带各井钻井液漏失统计Table 2 Dribbing fuid loss statistics for each well in 427 tectonic belt

3.4 古地貌对岩溶储层发育和分布的控制

古地形地貌对古岩溶缝洞系统的发育程度和分布具有重要的控制作用。地形的高低直接影响地下水流的方向和汇集指向[25-26]。古地貌恢复发现，427构造带奥陶系总体趋势呈南高北低的态势(图9)，水流方向也应该是自南向北，因此该期岩溶带走向应该是南北向。

图9 427构造带奥陶系潜古岩溶地貌与储层分布Fig.9 Palaeogeomorphology and reservoir distribution of Ordovician buried hill in 427 tectonic belt

从该区古岩溶地貌图上可以划分出岩溶高地、岩溶缓坡、岩溶阶坪和岩溶沟谷等4种二级地貌单元。岩溶高地分布范围仅局限在南部；岩溶缓坡普遍发育，呈宽缓分布范围广的特点；岩溶沟谷主要在本区中部和北部发育。图10为427构造带奥陶系地震曲率属性体预测深部地层缝洞系统分布图，可以看出岩溶高地缝洞更加发育,岩溶缓坡次之,岩溶沟谷最弱。平面上，油气主要分布在岩溶高地和岩溶缓坡内，连片性较差，说明油气分布受控局部构造圈闭控制较小，主要受岩溶古地貌及岩溶储层控制，这表明宽缓的岩溶缓坡和岩溶高地是岩溶储层发育和油气汇聚最有利的指向区。

图10 427构造带奥陶系地震曲率属性体预测缝洞系统分布Fig.10 Ordovician seismic curvature attributes tectonic belt predict fracture distribution in 427 tectonic belt

4 结论

1) 427构造带下古生界奥陶系碳酸盐岩储层岩石主要以灰岩为主,白云岩次之；储集空间有晶间溶蚀孔、裂缝和溶蚀洞三类，储层类型有孔隙-裂缝性及裂缝-孔隙性两类。

2) 427构造带碳酸盐岩岩溶储层形成的主控因素分析表明：①岩性是储层形成的基础，有利储集层主要发育在局限台地相；②构造破裂作用是岩溶储层形成的关键，受边界大断层长期活动的影响，可形成构造缝且更易形成溶蚀扩大缝，是岩溶作用发育最有利的场所；③427构造带奥陶系可划分出2个岩溶带，即垂向渗滤带和水平潜流带；④宽缓的岩溶高地和岩溶斜坡这2个二级岩溶带是最有利于溶蚀作用发育的部位。