成因控制下厚層碳酸鹽巖油藏隔夾層識(shí)別方法

李峰峰， 郭 睿*, 劉立峰， 宋世琦

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

中東白堊系碳酸鹽巖油藏多為厚層塊狀，普遍發(fā)育邊底水，油層厚度多介于60～120 m，儲(chǔ)集層垂向非均質(zhì)性強(qiáng)[1]。隔夾層影響了流體的運(yùn)移和壓力傳播, 對(duì)厚層碳酸鹽巖油藏合理開(kāi)發(fā)具有重要意義[2-3]。碳酸鹽巖受沉積環(huán)境及成巖作用雙重影響[4-5]，隔夾層地質(zhì)特征復(fù)雜，研究程度較低。相比碎屑巖油藏中的泥質(zhì)隔夾層和鈣質(zhì)隔夾層，碳酸鹽巖油藏中的隔夾層的類型、形成機(jī)理、分布規(guī)律及表征技術(shù)等差異較大[6-10]。不同成因的隔夾層發(fā)育規(guī)模及隔擋性能差異顯著，僅劃分儲(chǔ)層與隔夾層不能滿足厚層油藏開(kāi)發(fā)的需求。碳酸鹽巖隔夾層隱蔽性較高[1]，強(qiáng)烈的成巖改造導(dǎo)致不同類型的隔夾層性質(zhì)趨同，地球物理響應(yīng)特征差異較小。雖然取心井中可以精細(xì)識(shí)別不同類型的隔夾層，但未取心井隔夾層解釋難以開(kāi)展，嚴(yán)重制約了油藏地質(zhì)模型的建立。伊拉克M油田白堊系Mishrif組為厚層生物碎屑灰?guī)r油藏，油田處于開(kāi)發(fā)上產(chǎn)階段，開(kāi)發(fā)過(guò)程中矛盾突出，層間產(chǎn)液能力差異較大，油藏壓力遞減快，邊底水快速錐進(jìn)，無(wú)水采油期較短。注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中層間水竄嚴(yán)重，造成無(wú)效水循環(huán)。目前，油藏的地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度較低，鮮見(jiàn)與M油田地質(zhì)相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。基于巖心觀察、物性分析、鑄體薄片及壓汞實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)識(shí)別隔夾層，明確不同隔夾層的地質(zhì)成因及控制因素，通過(guò)巖-電精細(xì)標(biāo)定建立隔夾層識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，建立成因控制下隔夾層測(cè)井解釋方法，刻畫(huà)油藏內(nèi)部隔夾層空間展布特征，為厚層油藏分層系開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

M油田位于伊拉克東南部巴士拉以北(圖1)，構(gòu)造上屬于美索不達(dá)米亞盆地構(gòu)造前緣帶[11]。油田為一南北向長(zhǎng)軸背斜，構(gòu)造面積約750 km2，為大型碳酸鹽巖油田。主力產(chǎn)層為白堊系Mishrif組生物碎屑灰?guī)r，油氣儲(chǔ)量占整個(gè)油田的52%。Mishrif組地層厚度近300 m，與下伏的Rumaila組深水沉積呈整合接觸關(guān)系，與上覆Khasib組泥巖呈不整合接觸關(guān)系[12]，Mishrif組地層垂向非均質(zhì)性強(qiáng)，包含3個(gè)三級(jí)層序[13]和6個(gè)四級(jí)層序，向上劃分為成M cap、MA、MB1、MB2.1、MB2.2、MC1 共6個(gè)段。受海平面升降旋回的影響，不同層段的沉積環(huán)境、巖石類型和成巖演化存在顯著差異。白堊紀(jì)伊拉克東南部地區(qū)一直保持淺海碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境[11]，構(gòu)造作用影響較小, 氣候條件濕潤(rùn)[14]。M油田Mishrif組為具障壁的緩坡環(huán)境，沉積相包括岸灘、潟湖邊緣坪、潟湖、臺(tái)內(nèi)灘、灘后、障壁灘、潮道、灘前和開(kāi)闊淺海。

圖1 M油田構(gòu)造地理位置Fig.1 Geological location of M oilfield

2 隔夾層類型及成因

基于取芯井的巖心觀察、鑄體薄片、物性分析及壓汞實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)，根據(jù)沉積環(huán)境、巖石類型及形成機(jī)制等因素，認(rèn)為M油田Mishrif組發(fā)育局限沉積型、深水沉積型、風(fēng)化膠結(jié)型、淋濾膠結(jié)型和局限暴露型5類隔夾層(圖2)。

深水沉積型隔夾層發(fā)育在開(kāi)闊淺海環(huán)境，屬于巖性隔夾層。開(kāi)闊淺海位于風(fēng)暴浪基面之下，水體較深，沉積物泥質(zhì)含量較高，孔喉半徑較小，原始物性差，進(jìn)而形成巖性遮擋。巖石主要為泥灰?guī)r或含生屑泥灰?guī)r，巖心呈淺灰白色致密狀，生物擾動(dòng)現(xiàn)象普遍發(fā)育，鑄體薄片上可見(jiàn)栗孔蟲(chóng)、海綿骨針等深水生物(圖2)。深水沉積型隔夾層僅在MB2.2層發(fā)育，厚度較大，生物擾動(dòng)只能作用于沉積物表面幾厘米的范圍內(nèi)[15]，對(duì)隔夾層影響較弱。

圖2 M油田Mishrif組地質(zhì)特征及隔夾層類型Fig.2 Geology charactic and interlayers type of the Mishrif Formation in M oilfield

局限沉積型隔夾層主要形成于潟湖環(huán)境中的構(gòu)造洼地，在灘后沉積環(huán)境中也可發(fā)育，屬于巖性隔夾層。潟湖位于浪基面之下，水體能量較低，巖石泥晶含量較高[16]，沉積物的原始物性較差。巖石類型包括含生屑泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r和泥晶灰?guī)r，巖心呈淺黃白色致密狀，鑄體薄片上，顆粒破碎程度比較高，粒徑較小，生屑類型難以識(shí)別，偶見(jiàn)海綿骨針、介形蟲(chóng)及底棲有孔蟲(chóng)等(圖2)。古地貌差異導(dǎo)致潟湖對(duì)水體動(dòng)蕩的響應(yīng)比較敏感，隔夾層厚度發(fā)育頻率較高，厚度較小，平面分布穩(wěn)定性差異大，測(cè)井曲線齒化程度較為嚴(yán)重。潟湖中生物擾動(dòng)作用強(qiáng)烈，潛穴中通常充填白云石顆粒或生屑顆粒，有效改善沉積物物性，溶蝕性流體更容易滲入對(duì)潛穴充填物進(jìn)行溶蝕，因此潛穴滲透率通常比基底要高。潟湖沉積速率較慢，不同期次的潛穴可相互連通，破壞了原始沉積物的結(jié)構(gòu)[17]，對(duì)隔夾層的隔擋性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。局限沉積型隔夾層是Mishrif組主要的隔夾層類型，在MA層、MB1層和MB2.1層普遍發(fā)育。

淋濾膠結(jié)型隔夾層發(fā)育在障壁灘、岸灘及臺(tái)內(nèi)灘等高能淺灘環(huán)境。淺灘位于浪基面之上，水體能量較強(qiáng)，顆粒組分含量較高，巖石原始物性較好，成巖流體容易沿粒間孔隙或裂縫滲入。淺灘通常位于古地貌隆起，海平面下降或?yàn)w的加積作用更容易導(dǎo)致其暴露于大氣淡水環(huán)境。通常情況下，灘體上部遭受大氣淡水淋濾溶蝕[圖3(a)]，形成Ca2+向?yàn)w下部運(yùn)移，在潛流帶達(dá)到過(guò)飽和，同時(shí)潛流帶中CO2的脫氣作用也促使碳酸鈣發(fā)生沉淀[18]，造成灘體下部形成致密膠結(jié)帶[圖3(b)]。淋濾膠結(jié)型隔夾層屬于物性隔夾層。巖石類型主要為亮晶生屑灰?guī)r，巖心呈亮白色致密狀，顆粒感較強(qiáng)，上下圍巖呈深褐色蜂窩狀。鑄體薄片上厚殼蛤類、雙殼類、底棲有孔蟲(chóng)及似球粒等顆粒的粒間孔隙被方解石致密充填(圖2)。淋濾膠結(jié)型隔夾層主要在MA層、MB1層、MB2.1層和MC層淺灘環(huán)境中發(fā)育，厚度較薄，隱蔽性強(qiáng)，平面分布不穩(wěn)定，加劇了厚層儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性。

局限暴露型隔夾層為炭質(zhì)泥巖，形成于潟湖環(huán)境。低位體系域時(shí)期，潟湖環(huán)境發(fā)生暴露，潮濕氣候條件下降水豐富[14]，形成泥沼環(huán)境。潟湖長(zhǎng)期暴露且植被發(fā)育[圖3(a)]。植被死亡后被快速埋藏，還原環(huán)境下，有機(jī)物被保存下來(lái)，適宜的溫度和壓力使埋藏環(huán)境具備成煤條件，有機(jī)質(zhì)逐漸演化為炭質(zhì)泥巖[19-21][圖3(b)]。局限暴露型隔夾層發(fā)育在MB2.1層頂部，厚度約10 cm(圖2)，分布比較穩(wěn)定，測(cè)井特征明顯，不但可以在全區(qū)對(duì)比，也可在鄰區(qū)油田進(jìn)行追蹤。

風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層巖石類型為風(fēng)化角礫巖，屬于物性隔夾層。低位體系域，海平面大幅下降造成地層暴露，干旱氣候和濕潤(rùn)氣候交替環(huán)境下，巖石長(zhǎng)期遭受風(fēng)化作用和淋濾作用[22]。淋濾作用破壞了巖石骨架，降低巖石抗應(yīng)力強(qiáng)度，風(fēng)化作用造成沉積物破碎形成角礫巖[圖3(a)]。淋濾作用形成的富含Ca2+的飽和流體在角礫巖縫隙中發(fā)生沉淀，將巖石致密膠結(jié)[圖3(b)]。巖心呈淺灰色致密狀，分選磨圓差，縫隙中膠結(jié)物呈淺黃綠色。鑄體薄片上，生屑顆粒先發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕，后又被方解石充填，呈漂浮狀于泥晶基質(zhì)中(圖2)。風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層發(fā)育在Mishrif組頂部Mcap層。

圖3 M油田Mishrif組隔夾層發(fā)育示意圖Fig.3 Development mode of interlayers of the Mishrif Formation in M oilfield

3 隔夾層判別

通過(guò)巖-電精細(xì)標(biāo)定，確定了隔夾層與儲(chǔ)層、不同類型隔夾層的測(cè)井分布區(qū)間(表1)。從測(cè)井曲線雷達(dá)圖疊置效果來(lái)看[圖4(a)]，儲(chǔ)集層與隔夾層測(cè)井值具有一定的疊合區(qū)間。應(yīng)用“誤判率”來(lái)表征不同測(cè)井曲線對(duì)于儲(chǔ)集層和隔夾層的區(qū)分性。誤判率指隔夾層和儲(chǔ)集層測(cè)井分布交叉區(qū)間與兩者測(cè)井值域分布總區(qū)間的比值。誤判率比值越大，該曲線對(duì)兩者的區(qū)分性越差。結(jié)果表明：伽馬測(cè)井曲線(GR)誤判率為20%，自然電位曲線(SP)誤判率為40%，電阻率曲線(RT)采用對(duì)數(shù)比值得到誤判率為56.8%，密度曲線(DEN)誤判率為20%，聲波時(shí)差曲線(DT)誤判率為17%，中子孔隙度曲線(NPHI)誤判率為25%。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，沒(méi)有任何一條曲線可將隔夾層和儲(chǔ)集層完全區(qū)分開(kāi)來(lái)。伽馬曲線、密度曲線和聲波時(shí)差曲線誤判率相對(duì)較低。采用伽馬曲線不能將淋濾膠結(jié)型、風(fēng)化膠結(jié)型區(qū)和儲(chǔ)集層分開(kāi)；采用密度曲線不能區(qū)分淋濾膠結(jié)型和儲(chǔ)集層，聲波時(shí)差曲線不能區(qū)分局限沉積型、淋濾膠結(jié)型和儲(chǔ)集層。淋濾膠結(jié)型隔夾層發(fā)育于淺灘環(huán)境，而淺灘測(cè)井特征明顯，伽馬曲線值小于30 API，密度曲線值小于2.45 g·cm-3，聲波時(shí)差曲線值大于70 μs·m-1。基于誤判隔夾層類型最少原則，優(yōu)選密度曲線將儲(chǔ)集層和其他四類隔夾層區(qū)分開(kāi)，在淺灘相的控制下，應(yīng)用密度曲線或聲波時(shí)差曲線在灘體內(nèi)部識(shí)別淋濾膠結(jié)型隔夾層。

表1 M油田Mishrif組儲(chǔ)集層和隔夾層測(cè)井判別標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)測(cè)井曲雷達(dá)圖研究不同類型隔夾層的測(cè)井響應(yīng)差異。結(jié)果表明：不同類型隔夾層的自然電位曲線值域分布相似性較高(圖4)。局限暴露型隔夾層各類曲線值分布區(qū)間較窄，伽馬高峰值可明顯區(qū)別于其他類型[圖4(e)]。風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層的高密度值、低聲波時(shí)差值和低中子值等可作為其重要的識(shí)別特征[圖4(f)]。深水沉積型和局限沉積型隔夾層巖石類型、結(jié)構(gòu)組分、物性分布和含油性特征類似，測(cè)井曲線值域區(qū)間重合度較高，測(cè)井曲線難以區(qū)分[圖4(b)和圖4(d)]。

取芯井中隔夾層雖然可以精細(xì)識(shí)別，而未取芯井中隔夾層解釋必須緊緊依靠測(cè)井曲線，針對(duì)M油田Mishrif組不同類型隔夾層測(cè)井響區(qū)分性差的問(wèn)題，提出了基于成因的隔夾層識(shí)別方法(圖5)。該方法充分利用了隔夾層分布的沉積相帶差異和空間分布差異，識(shí)別步驟為：①根據(jù)密度測(cè)井曲線值2.55 g·cm-3劃分儲(chǔ)集層與隔夾層，儲(chǔ)集層中包含了淋濾膠結(jié)型隔夾層，隔夾層中僅包含其余四類隔夾層。在儲(chǔ)集層中確定淺灘相儲(chǔ)層分布層段，在沉積相的控制，以密度曲線值小于2.45 g·cm-3或聲波曲線值70 μ·m-1，可識(shí)別淋濾膠結(jié)型隔夾層。②針對(duì)其他四類隔夾層，應(yīng)遵循特定的識(shí)別順序。局限暴露型和風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層具有明顯的測(cè)井響應(yīng)特征，首先應(yīng)用伽馬測(cè)井曲線，以80 API為界限值識(shí)別出局限暴露型隔夾層，以密度曲線值2.65 g·cm-3判別風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層。該兩類隔夾層的發(fā)育位置比較固定，檢查并驗(yàn)證解釋結(jié)果的發(fā)育層段是否符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)。③深水沉積型和局限沉積型測(cè)井曲線特征相似，但發(fā)育層段差異較大，深水沉積型僅在MB2.2層發(fā)育，而局限沉積型發(fā)育層段比較廣。基于兩者分布特征，通過(guò)地層格架控制，首先在MB2.2層內(nèi)部，應(yīng)用伽馬曲線、電阻率曲線、密度曲線、聲波時(shí)差曲線或中子孔隙度曲線識(shí)別深水沉積型隔夾層。在MA層、MB1層及MB2.1層內(nèi)部，以伽馬曲線、密度曲線或中子孔隙度曲線識(shí)別局限沉積型隔夾層。該方法需要特定的識(shí)別順序，通過(guò)相控和層控實(shí)現(xiàn)隔夾層的判別，判別結(jié)果的有效性必須基于對(duì)不同類型隔夾層的地質(zhì)成因認(rèn)識(shí)和測(cè)井門檻值的確定。

圖5 基于成因控制的不同類型隔夾層判別流程Fig.5 Different interlayers recognition flowchart under the control of genesis

GR為伽馬測(cè)井, API; SP為自然電位測(cè)井, mV; RT為電阻率測(cè)井, Ω·m; DEN為密度測(cè)井, g·cm-3; DT為聲波時(shí)差測(cè)井, μs·m-1; NEU為中子孔隙度測(cè)井,%圖4 M油田Mishrif組隔夾層測(cè)井曲線雷達(dá)圖Fig.4 Radar figure of different logging of interlayers of Mishrif Formation in M oilfield

4 隔夾層空間分布

根據(jù)測(cè)井識(shí)別結(jié)果，研究隔夾層空間展布特征。結(jié)果顯示：M油田Mishrif組不同層段隔夾層類型和結(jié)構(gòu)樣式存在顯著差異(圖6)。

圖6 M油田Mishrif組不同類型隔夾層空間展布Fig.6 Distribution of different interlayers of Mishrif Formation in M oilfield

MC層發(fā)育淋濾膠結(jié)型隔夾層，發(fā)育頻率介于0.03～0.1個(gè)/m，厚度介于4～7 m。隔夾層為薄層板狀，發(fā)育范圍比較局限，厚度分布比較穩(wěn)定。MC層距離油藏底水較近，局部發(fā)育的隔夾層可對(duì)底水錐進(jìn)具有一定的隔擋作用，且隔夾層分布面積越大，對(duì)底水錐進(jìn)的抑制效果越好[23]，開(kāi)發(fā)井位宜部署于隔夾層上部。

MB2.2層整體為深水沉積型隔夾層，地層厚度介于15～30 m。隔夾層穩(wěn)定性較好，呈厚度塊狀，局部發(fā)育有薄層儲(chǔ)集層。該套隔層封閉性較高，將油藏下部MC層和上部MB2.1層分隔開(kāi)來(lái)，可作為兩套開(kāi)發(fā)層系，同時(shí)，深水沉積型隔夾層的存在有效抑制了底水的錐進(jìn)[3]。

MB2.1層內(nèi)部發(fā)育局限沉積型和淋濾膠結(jié)型隔夾層，頂部發(fā)育薄層的局限暴露型隔夾層。 MB2.1層地層厚度較大，隔夾層發(fā)育頻率較低, 介于0.06～ 0.07個(gè)/m，隔夾層厚度介于2～6 m，隔夾層分布比較穩(wěn)定，呈“千層餅狀”，隔擋性能較好。MB2.1層垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)，下部為障壁灘沉積環(huán)境，上部為潟湖、灘后及臺(tái)內(nèi)灘等沉積環(huán)境。上下儲(chǔ)集層物性差異較大，開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)液剖面不均衡，多套穩(wěn)定隔夾層的發(fā)育有利于該套層系油氣的高效開(kāi)發(fā)。局限暴露型隔夾層厚度雖薄，但全區(qū)分布穩(wěn)定，對(duì)流體的封閉性較好，可以將MB2.1層和MB1層分隔成兩套開(kāi)發(fā)層系。

MB1層發(fā)育局限沉積型和淋濾膠結(jié)型隔夾層，隔夾層發(fā)育頻率介于0.06～0.16個(gè)/m，厚度介于1～7 m。隔夾層疊置關(guān)系呈“多層樓狀”，單層厚度較小，平面分布不穩(wěn)定，發(fā)育“天窗式”缺口，對(duì)流體垂向運(yùn)移隔擋效果較差，開(kāi)發(fā)過(guò)程中容易發(fā)生水竄。隔夾層的發(fā)育增加了儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性，不利于油氣開(kāi)發(fā)。

MA層發(fā)育局限沉積型和淋濾膠結(jié)型隔夾層，發(fā)育頻率介于0.05～0.09個(gè)/m，隔夾層厚度介于1～12 m。隔夾層厚度差異較大，垂向疊置程度較低，呈“迷宮狀”。該類隔夾層對(duì)流體的隔擋效果較差，加劇了儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性。局部厚層隔夾層可以對(duì)流體起到較好的封閉作用。

M cap發(fā)育風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層，厚度介于6～10 m，隔夾層呈均質(zhì)厚層狀，在全區(qū)分布比較穩(wěn)定，測(cè)井特征易于識(shí)別，將Mishrif組與Khasib組分隔為不同開(kāi)發(fā)層系。

M油田Mishrif組不同層段隔夾層的類型、規(guī)模及結(jié)構(gòu)特征如表2所示。

表2 M油田Mishrif組不同層段隔夾層特征

5 結(jié)論

(1)M油田Mishrif組發(fā)育局限沉積型、深水沉積型、風(fēng)化膠結(jié)型、淋濾膠結(jié)型和局限暴露型5類隔夾層。深水沉積型發(fā)育于開(kāi)闊淺海環(huán)境，僅在MB2.2層分布，厚度較大，隔擋性能好。局限沉積型隔夾層主要發(fā)育在潟湖環(huán)境，在MA層、MB1層及MB2.1層均有分布，厚度較小、空間分布不穩(wěn)定。風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層形成于干旱和濕潤(rùn)交替氣候條件，沉積物長(zhǎng)期遭受風(fēng)化作用和淋濾作用形成致密角礫巖，分布在Mishrif組頂部。淋濾膠結(jié)型隔夾層發(fā)育于淺灘高能環(huán)境，屬于物性隔夾層，在MA層、MB1層、MB2.1層和MC層均有分布，隱蔽性強(qiáng)。局限暴露型隔夾層形成于潟湖環(huán)境，巖石類型為炭質(zhì)泥巖，僅在MB2.1頂部發(fā)育，厚度較薄，全工區(qū)范圍內(nèi)可追蹤對(duì)比。

(2)針對(duì)不同類型隔夾層測(cè)井特征區(qū)分性差的問(wèn)題，基于隔夾層地質(zhì)分析和測(cè)井特征研究，建立了成因控制下的隔夾層識(shí)別方法。通過(guò)相控原則，應(yīng)用密度曲線在灘相儲(chǔ)集層中識(shí)別出隱蔽性較高的淋濾膠結(jié)型隔夾層。優(yōu)選特征測(cè)井曲線，應(yīng)用伽馬測(cè)井曲線和密度測(cè)井曲線識(shí)別出局限暴露型和風(fēng)化膠結(jié)型隔夾層。基于層控原則，在MB2層識(shí)別出深水沉積型隔夾層，再在MA層、MB1層及MB2.1層識(shí)別出局限沉積型隔夾層。