渤中凹陷碳酸盐岩潜山岩溶分带特征与优质储层分布规律研究

华晓莉，李慧勇，孙希家，陶 莉，胡贺伟

中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452

碳酸盐岩油气储量在世界油气总储量中占有非常重要的地位，目前全球有近50%的石油和25%的天然气储量分布于碳酸盐岩储集体中（马新华等，2019；王建波等，2008；Zenger et al.，1980）。储集层发育程度已逐渐成为制约油气勘探的关键，尤其是海相碳酸盐岩区油气勘探（昝念民等，2018；汪泽成等，2013；Lamberta et al.,2006；付孝悦等，2002），与沉积间断或者不整合面相关的古岩溶地层更是油气的重要储集层（李启桂等，2013；段杰，2009；郭彤楼等，2003）。通过对塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地等地区大量调研，总结了岩相、断裂、岩溶、白云石化等对储集层的控制作用（吉云刚，2012；闫海军等，2016；于洲等，2017；刘丽红等，2017；华晓莉等，2018；何治亮等，2019）；同时将岩溶相在垂向上划为表层岩溶带、垂直渗流带、季节变动带、水平潜流带和深部缓流带5 种，且纵向上不同相带岩溶储层特征对优质岩溶储集层的发育具有一定的控制作用（蒋春雷和金振奎，2009；冯仁蔚等，2014）。

渤中凹陷西南环在渤中21/22构造区潜山天然气勘探获得重大突破，下古生界潜山碳酸盐岩岩溶储集层是主要勘探层系。该构造区面积约200 km2，仅2口井钻遇古生界碳酸盐岩，钻井揭示古生界气层垂向上显示分段性特征，这与岩溶储层垂向分带性密切相关。目前针对下古生界储集层的研究主要集中于后期岩溶作用对储集层的改造方面，而对影响岩溶储集层发育的岩溶分带性特征研究较为薄弱。本文旨在通过岩心薄片、测井并结合地球化学资料，精细研究渤中21/22构造区古生界碳酸盐岩岩溶分带特征，寻找有利于形成岩溶储集层的岩溶相带，对碳酸盐岩区储层研究及下一步勘探部署目标优选具有一定的指导意义。

1 区域地质概况

渤中凹陷西南环碳酸盐岩出露区域集中在渤中21/22构造区，位于渤海湾盆地中部海域，潜山整体具有凹中隆的背斜构造背景（图1）。渤中21/22构造区经历了渤海湾整体沉降，加里东、印支、海西、燕山、喜马拉雅运动的多期改造，使得潜山地层遭受长期暴露剥蚀，碳酸盐岩储集层接受多期改造，形成了风化壳型岩溶储集层。渤中凹陷西南环潜山上覆地层为新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组一段。古生界潜山碳酸盐岩地层是本文研究的目的层段，目前钻井揭示古生界地层厚度约300 m，主要为灰岩、泥质灰岩和云质灰岩的岩性组合特征（图2）。

2 岩溶储层旋回特征

根据水动力作用的大小、方向，大气水在地表一部分形成地表径流，岩石遭受强烈的风化淋滤，形成表层风化带；另一部分大气水受重力驱动发生垂直渗流，形成垂直渗流带，多发育近垂直裂缝；当水进入潜水面之后，发生横向近水平流动，水流稳定，溶蚀作用强，形成水平潜流带，发育溶蚀孔洞；最后水流至泄水面，几乎处于滞留状态，溶蚀作用很弱，形成深部缓流带，孔缝不太发育。结合钻井岩心、薄片、电性、地球化学这几方面的标志性特征，研究区垂向上自上而下划分为四个带：表层风化带、垂直渗流带、水平潜流带、深部缓流带。

图1 渤海湾盆地渤中凹陷21/22构造区域位置Fig.1 Structural location of the 21/22 structural area in the Bozhong Sag,Bohai Bay Basin

图2 渤中凹陷21/22构造区地层综合柱状图Fig.2 Generalized stratigraphy of the 21/22 structural area in the Bozhong Sag

2.1 岩石学特征

根据研究区目前已钻井的岩心薄片观察结果，不同带的岩性和储集空间都存在一定的差异性。Ke1 井在潜山顶面4888.79 m 岩心观察岩性为泥晶灰岩，可见泥质，溶蚀孔洞、网状裂缝发育，为表层风化壳的典型特征，储集空间为孔洞—裂缝型（图3a）；Ke2 井在4362.5 m 薄片观察岩性为比较致密的灰岩，不利于发生溶蚀，仅发育近垂直裂缝，被完全充填，为垂直渗流带（图3b）；水平潜流带在本区特征明显，Ke2井4450.6 m阴极发光显示粒间孔、溶蚀孔洞发育，由于水流稳定，大量的溶蚀孔隙保存较好，岩性主要为粒屑灰岩，为易溶性的岩石，具备发生强溶蚀作用的物质基础（图3c）；深部缓流带裂缝较少，在Ke1井下部5127 m薄片观察到裂缝基本不发育，但由于白云岩发育，形成白云石化晶间孔隙（图3d）。

图3 渤中凹陷21/22构造区不同岩溶相带岩石学特征Fig.3 Petrological characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

2.2 电性特征

测井曲线自然伽马值反映泥质含量，电阻率曲线在碳酸盐岩中可反映岩石致密程度，U相对值是风化壳溶蚀作用的表征（张海涛和时卓，2008）。

表层风化带，由于表层风化形成土壤层，泥质含量高，形成泥质灰岩，自然伽马值较高，呈微锯齿状，电阻率曲线值偏低，说明岩石不太致密（图4），U 相对值明显偏大，为典型的风化壳表层特征。垂直渗流带，曲线特征与表层风化带相反，自然伽马值低，曲线平直，电阻率值异常高，密度变大，说明岩性非常致密，U 相对值变小，反映溶蚀程度较低。水平潜流带，曲线特征最为明显，自然伽马值偏高，呈锯齿状，电阻率整体较小，U值变大，反映该带溶蚀作用很强，易形成较厚的岩溶储层。深部缓流带，典型特征是U值呈降低的趋势，说明溶蚀作用逐渐减弱。

2.3 地球化学特征

碳酸盐岩岩溶作用过程中，由于大气淡水的混入，会对一些化学元素造成一定的影响。针对研究区目前资料，本次主要通过C、O、Sr同位素来进一步证实岩溶带的划分及溶蚀强度（刘存革，2005）。一般而言，海相中δ13C、δ18O 含量比淡水要高，且有淡水混入时，大量富含87Sr的陆壳锶随地表径流进入沉积盆地，导致87Sr/86Sr 比值高（张涛等，2005）。

图4 渤中凹陷21/22构造区不同岩溶相带测井曲线特征Fig.4 Logging curve characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

Ke1 井C、O、Sr 同位素值变化趋势明显分为四段（表1,图5），其中表层风化带和水平潜流带C 和O 同位素组成都偏小，87Sr/86Sr 比值明显偏大，为淡水混入特征，均代表溶蚀强度高的证据，反之垂直渗流带和深部缓流带C、O 同位素值偏大，Sr 同位素比值降到最低，为海水特征，说明溶蚀强度较弱。

3 不同岩溶相带储层分布规律

由于岩溶作用强度的差异，各带储层发育特征也存在不同。根据前面分析各带的岩石学特征、储集空间、物性特征，表层风化带岩性主要为泥晶灰岩，发育溶蚀孔洞、网状裂缝，储集空间为孔洞—裂缝型，由于表层风化，裂缝完全被方解石充填，但仍保存有未被充填的溶蚀孔洞，说明该带物性好；垂直渗流带岩性为比较致密的灰岩，不利于发生溶蚀，仅发育近垂直裂缝，而且被完全充填，物性较差；水平潜流带岩性主要为典型高能滩相的粒屑灰岩，上部白云岩发育，这两种岩性均为易溶性的岩石，具备发生强溶蚀作用的物质基础，储集空间类型与表层风化壳类似，为孔洞—裂缝型，同时存在被充填现象，但由于水流稳定，大量的溶蚀孔隙保存较好，物性相对最好；深部缓流带虽然溶蚀作用弱，裂缝较少，但由于白云岩发育，形成白云石化晶间孔隙，物性相对垂直渗流带较好。整体上，表层风化带和水平潜流带物性要好，深部缓流带白云岩的发育改善了储层物性，相对较好（图6；图7）。

表1 渤中凹陷21/22构造区C、O、Sr同位素组成Table 1 Carbon,oxygen,strontium isotopic compositions of samples from the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

图5 渤中凹陷21/22构造区不同岩溶相带地球化学特征Fig.5 Geochemical characteristics of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong area

通过对各岩溶带的易溶岩性、充填程度、溶蚀强度、孔隙类型、物性条件等综合分析，将溶蚀作用强、呈半充填程度、还存在一定有效孔隙、裂缝密度和孔隙度相对大、物性好的储层归为Ⅰ类优质储层；溶蚀作用较弱、充填程度严重、物性较好的储层归为Ⅱ类储层；溶蚀作用弱，岩性致密、完全充填、物性较差的储层划为Ⅲ类储层。纵向上，I类优质储层主要分布在表层风化带，即不整合面以下20 m 范围内，还有水平潜流带，距不整合面50～200 m（图6）。另外，表层风化带和水平潜流带储层发育不受岩性影响，除了普遍认为在白云岩中储层较发育外，灰岩中也发育优质储层。但是在溶蚀作用弱的深部缓流带，白云岩发育区则是潜在优质储层发育带。

图6 渤中凹陷21/22构造区不同岩溶相带储层分布Fig.6 Reservoir distribution of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong area

图7 渤中凹陷21/22构造区不同岩溶相带储层模式图Fig.7 Reservoir formation model of different karst facies in the 21/22 structural area of the Bozhong Sag

4 结论

（1）研究区岩溶储层垂向具有分带性特征，自上而下分为表层风化带、垂直渗流带、水平潜流带和深部缓流带，且其岩电特征与溶蚀作用差异性控制了储层发育段。

（2）优质储层主要分布在表层风化带和水平潜流带，即不整合面以下20 m 范围内和距不整合面50～200 m。此外在溶蚀作用弱的深部缓流带，白云岩发育区则是潜在优质储层发育带。