渤海灣盆地渤中凹陷西南部變質巖潛山裂縫型儲層特征及主控因素

許鵬，牛成民，李慧勇，張鑫，肖述光

(中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300459)

0 引言

渤海灣盆地是我國東部典型的富油型湖相盆地，油氣資源豐富，已發現的油田較多，但大型天然氣田鮮有發現，呈現出“油多氣少”的特征(李欣等, 2013；薛永安等, 2019)。2018年，渤海油田在渤中凹陷西南部太古宇變質巖潛山發現了渤中19-6大型整裝凝析氣田，打開了渤海灣盆地天然氣勘探全新領域(薛永安等, 2007，2019; 劉小平等, 2009; 鄒華耀等, 2010；李欣等, 2013; 侯明才等, 2019；謝玉洪，2020)?？碧綄嵺`表明，渤中19-6氣田的主要含氣層系為深埋(平均埋深約4500～5500 m)變質巖潛山(侯明才等, 2019)，潛山內幕裂縫帶厚度可達600～700 m，目前最深探井鉆遇太古宇儲層發育段近1000 m，仍見到較好的儲層，整體凈毛比超過40%。

而此前，我國東部渤海灣盆地已發現大民屯、興隆臺、錦州25-1南、王莊等多個變質巖油氣藏，但其所揭示儲層均為潛山頂面風化殼型，以風化淋濾所形成的孔隙和裂縫為主要儲集空間，影響儲層發育的根本因素主要為變質巖巖性，另外構造運動、巖漿侵入和大氣淡水淋濾等也具有一定控制作用(袁靜，2004；朱毅秀等，2018)。渤中19-6氣田的發現突破了前人對于渤海灣盆地太古界儲層多分布于距潛山頂面300 m以內范圍內的傳統地質認識。然而，對于深層變質巖潛山內幕儲層的研究程度仍然較低，對其空間分布形式(類似于沉積巖的層狀分布或傳統塊狀分布)、儲集特征及控制因素還不明確，對于優質儲層發育機理的認識較少，尤其是其非均質性強、巖性橫向變化快、裂縫結構復雜且發育不規則，嚴重制約了深層變質巖潛山油氣的拓展勘探。由于該區域經歷了多期次的構造運動，造成有效儲層的形成及分布規律相對復雜。在此背景下，現有的潛山控儲理論不足以支撐該區下一步精細勘探。因此，有必要進一步厘清變質巖潛山優質儲層發育機制。

本文基于渤中19-6構造帶共19口探井的巖芯、壁芯、薄片、成像測井等資料的分析，結合渤中凹陷西南部潛山帶區域構造背景，對潛山優質儲層的發育特征進行總結梳理，探討儲層發育的內在主控因素，為后續勘探提供參考和指導。

1 區域地質背景

渤中19-6構造帶位于渤海灣盆地渤中凹陷西南部，北依沙壘田凸起，南接黃河口凹陷，西抵埕北低凸起，東至渤南低凸起，東北部向渤中凹陷主洼延伸(龔再升, 2004，2010)(圖1)。其構造背景整體表現為近南北向的洼中隆起帶，潛山斷裂體系發育，被近北東向郯廬斷裂西支和北西向的張蓬斷裂帶所切割(趙重遠, 1984)，形成多個構造高點。該區潛山經歷了印支、燕山、喜山等多期構造運動的改造，發育一系列背斜型、斷鼻型和斷塊型潛山圈閉。

圖1 渤中19-6構造區域位置(a)及構造簡圖(b)(據侯明才等，2019修改)

渤中19-6構造帶潛山為基底的太古宇變質巖，是最主要的儲層。太古宇之上被巨厚的新生界不整合披覆。凹陷內發育3套優質烴源巖，分別為古近系東三段、沙一段和沙三段。其中，沙三段烴源巖具有埋深最大、有機質熱演化程度最高的特點，平均有機質鏡質體反射率Ro>2.0%(謝玉洪等, 2019)。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

渤中19-6構造基底發育一套變質巖，按成因可劃分為區域變質巖、動力變質巖和混合巖三大類。區域變質巖可進一步細分為花崗片麻巖和變質花崗巖類；動力變質巖主要為碎裂化片麻巖、碎裂巖兩類；混合巖類主要包括混合片麻巖、混合花崗巖。太古宇潛山巖性整體以變質花崗巖為主，本節主要討論這類巖性與其對應的常規測井曲線特征(圖2)。

潛山變質花崗巖可細分為二長花崗巖與花崗閃長巖，這兩類巖石均與自然伽馬曲線有較好的耦合關系：二長花崗巖的自然伽馬值在120～170 API之間，有時局部會大于170 API，一般可能為二長花崗質片麻巖，可能由于局部的黑云母富集導致鉀元素含量過高。而花崗閃長質巖石其自然伽馬值在70～110 API之間，但由于花崗閃長質巖石常與二長花崗質巖石互層，導致其整體的API值有些偏高，有時會達到120 API左右。

潛山巖石按照其變質程度可劃分為片麻巖類與殘余變質巖類，片麻巖類較殘余變質巖類暗色礦物含量更高，其色率較高，整體顏色偏深，由于其原巖為花崗質巖石，其變形程度較弱，一般為弱片麻或塊狀構造。這兩類巖石其與深淺側向電阻率有較好的耦合關系，其表現為片麻巖類一般為致密巖段，其裂縫不發育，同時具有較高的電阻率，一般大于1100 Ω·m，局部高值區可達到18000 Ω·m左右，而且曲線波動幅度大，其深淺幅度差通常大于200 Ω·m，聲波時差曲線表現為箱型。而殘余變質巖類其暗色礦物含量低，巖石力學性質表現為脆性，受構造應力易產生裂縫，其電阻率值為中等，一般在200～800 Ω·m之間，但其曲線波動幅度不大，深淺幅度差一般小于200 Ω·m，聲波時差曲線表現為鋸齒型。

另外，本區域潛山發育薄層侵入巖(2～50 m)，侵入到變質巖中，巖性以輝綠巖、二長斑巖等中基性火成巖為主，其自然伽馬值較低，一般在60 API左右，具有高密度、高中子的特點。

2.2 儲集空間特征

渤中19-6(代號：BZ19-6)太古宇變質花崗巖潛山儲層的儲集空間類型可分為孔隙和裂縫兩大類(圖3)?？紫吨饕獮轱L化淋濾造成的溶蝕孔洞(圖3a～c)。而裂縫則是主要的儲集空間類型，根據裂縫的成因可劃分為構造縫和溶蝕縫兩大類；裂縫分布廣泛，多呈枝狀分布，互相切割形成網狀連通體系。巖芯和成像測井顯示，裂縫多以網狀縫和高角度剪切縫為主，局部裂縫被綠泥石、方解石或鐵質礦物等充填；部分裂縫周圍的礦物(主要為堿性長石)存在溶蝕現象，溶蝕孔洞呈串珠狀沿剪切裂縫分布。

圖3 渤中19-6構造太古宇變質巖儲集空間特征

2.2.1 弱溶蝕改造型裂縫

該類儲集空間主要為裂縫形成空隙，裂縫周圍無明顯的溶蝕改造。當巖石中脆性礦物受到擠壓應力時，易于形成高角度相交的共軛剪切縫，裂縫常以較密集的網狀裂縫形式存在(圖3d)，成為裂縫型儲層的最主要儲集空間和潛山油氣藏的運移通道(圖3e)。根據充填現象可將沒有明顯溶蝕改造的裂縫分為未充填、半充填和全充填三種類型。未充填裂縫是潛山儲層最主要的儲集空間；充填—半充填縫多被方解石、鐵白云石、綠泥石等礦物所充填(圖3f)。早期形成的未充填裂縫伴隨著流體或熱液活動影響，開度逐漸變小至完全被充填，使得裂縫型儲層的儲集性能變差。若潛山的控圈斷層后期較為活躍，則充填—半充填裂縫易于再活化(圖3g)，孔隙度、滲透率能得到進一步提升。當變質花崗質巖石暗色礦物含量低于5%時，在巖石受到構造應力后，堿性長石易于形成晶內微裂縫(圖3h)，鏡下薄片可見，該類型裂縫可作為網狀裂縫系統的重要連通性通道。

2.2.2 溶蝕改造型裂縫

先存的構造裂縫在遭受后期風化剝蝕、淋濾和地下流體的溶蝕作用后，可造成裂縫的擴溶現象，使裂縫的開度增大從而使儲層物性變好。由于部分裂縫被少量方解石、綠泥石局部充填，部分斜長石內張性縫被鐵質礦物充填后，則無法繼續溶蝕，需要構造作用使其再次開啟。鏡下溶蝕構造縫多呈樹枝狀或網狀，開度不一，縫寬在12～110 μm，部分裂縫寬度約0.8 mm(圖3b、i)。

2.3 儲層物性特征

通過對渤中19-6構造帶19口井巖芯、壁芯常規物性分析的結果進行綜合統計分析可知，太古宇潛山孔隙度為0.1%～21.9%，平均5.4%，中值4.5%，滲透率0.003～614.78 mD，平均6.25 mD，中值0.17 mD。其中潛山上段(進入潛山0～300 m范圍)孔隙度0.1%～21.9%，平均6.2%，中值5.6%，滲透率0.003～614.78 mD，平均7.41 mD，中值0.18 mD；潛山下段(潛山300～900 m范圍)孔隙度0.1%～11.4%，平均3.3%，中值2.8%，滲透率0.02～0.88 mD，平均0.09 mD，中值0.04 mD。整體屬于中—低孔、特低滲儲層(圖4)。

圖4 渤中19-6構造太古宇變質巖儲集層物性特征

3 潛山儲層分帶特征

綜合對比鉆井和地震資料，渤中19-6氣田潛山儲層結構垂向上可以劃分為兩個帶，即風化裂縫帶(距離潛山頂面0～300 m范圍)和內幕裂縫帶(距離潛山頂面300～1000 m范圍)。渤中19-6構造風化裂縫帶和內幕裂縫帶在垂向結構剖面上具有層次但又無明顯界限，該區古潛山在前新近紀曾遭受了長期的風化剝蝕，其頂部風化裂縫帶在各個井區普遍發育，受風化淋濾作用影響更大，儲層易發育；內幕裂縫帶的展布則具有較強非均質性，受風化淋濾作用的影響較小，其儲層發育程度受構造活動和巖性的影響較大(圖5)。

圖5 渤中19-6構造太古宇潛山變質巖儲層分帶特征

3.1 風化裂縫帶

變質巖潛山在漫長的地質歷史中經歷強烈風化、淋濾作用，溶蝕孔、縫均較發育，儲層物性較好，橫向分布穩定，連通性好。構造帶各鉆井揭示風化裂縫帶厚度分布在60.5～315.9 m，平均厚度156.1 m，儲層厚度24.5～191.9 m，平均為92.6 m，儲層凈毛比33.5%～81.7%，平均為59.3%。大氣淡水的風化淋濾作用是變質巖潛山風化裂縫帶儲層形成的主要因素，其對花崗巖潛山的改造主要體現在改善了巖石物性，形成了大量的次生孔隙裂縫，為變質巖潛山提供了大量儲集空間。

太古宇潛山變質巖風化裂縫帶位于新生界孔店組風化砂礫巖層之下，受構造應力和風化作用共同影響，儲集空間類型以“孔隙—裂縫型”為主。變質巖潛山受歷次構造運動影響，裂縫本身較為發育；新生代地層沉積前，潛山頂面長期暴露地表，接受長時間的物理風化、剝蝕淋濾作用，地面流體沿裂縫下滲產生溶蝕作用，在網狀縫的基礎上產生沿裂縫的擴溶孔和粒內溶蝕孔。裂縫也起到了相互溝通的作用，儲集空間連通性較好。掃描電鏡分析顯示，長石顆粒沿微縫、解理面溶蝕強烈，發育溶蝕孔隙和喉道，部分孔隙和裂縫填充了高嶺石、伊利石、伊蒙混層等黏土礦物、鐵白云石、方解石等碳酸鹽類礦物和石英、黃鐵礦、菱鐵礦等自生礦物。風化裂縫帶“孔隙—裂縫型”儲層在常規測井曲線上表現為電阻率值低，中子—密度曲線較基質背景有明顯的孔隙特征，其中聲波曲線有增大趨勢?？紫丁芽p型儲層常規測井曲線表現為電阻率值略高，中子—密度曲線較基質背景有明顯的孔隙特征，聲波時差曲線增大(圖5)。

3.2 內幕裂縫帶

BZ19-6構造帶鉆至潛山內幕共11口井，揭示內幕裂縫帶厚度分布在37.6～740.2 m，平均301.2 m，其中儲層厚度5.0～255.8 m，平均68.5 m，凈毛比0.6%～34.7%，平均為22.7%。儲層發育程度較上部風化裂縫帶較差，凈毛比降低。垂向上，由于距離潛山頂面較遠(>300 m)，內幕裂縫帶接受的風化淋濾作用減弱，沿裂縫的溶蝕擴大的孔洞欠發育，主要儲集空間為多期構造運動控制下形成的各種裂縫，主要發育“裂縫型”儲層。潛山內幕致密夾層較多，部分裂縫被碳酸鹽礦物充填。裂縫型儲層常規測井曲線表現為電阻率值較高，有一定的“刺刀狀”，孔隙度、滲透率曲線反映物性整體較差，但存在局部高值區(圖5)。

4 儲層發育主控因素

4.1 裂縫主要成因機制

影響儲層裂縫發育程度的因素比較多，通過對潛山儲層裂縫的不同成因機制進行系統分析發現，巖性(礦物)組合及多期構造運動是渤海海域太古宇變質巖潛山裂縫發育的主要控制因素。

4.1.1 巖礦組合對裂縫發育的影響

在構造變形幅度較大的巖層中，不同的構造位置決定了裂縫密度發育的差異性(羅世偉, 2019; 萬遠飛等, 2021)，巖性是控制巖層裂縫密度發育的重要因素(鄒才能等, 2015)?；◢忛W長質片麻巖、變質花崗閃長巖及變質二長花崗巖是渤海海域的主要變質巖類型，其中，不同的造巖礦物直接影響到巖石的成縫能力。渤海海域太古宇潛山變質巖多以脆性礦物含量較高的淺色礦物組成，鑄體薄片分析結果統計，變質巖中長石+石英百分含量在20.0%～100.0%，平均為91%，云母和角閃石礦物百分含量主要分布在5%～15%，平均為9%，在構造應力作用下有利于形成良好的儲集體。薄片中常見堿性長石發育粒內裂縫，斜長石中則相對較少。在變質花崗閃長巖與變質二長花崗巖體集中發育的巖性帶中，裂縫相對更發育，儲層較為破碎。由于長石易形成節理縫，結合地層水滲流作用，晶體構造縫隙和原生的晶間縫發生溶蝕、風化淋濾作用。而石英對比長石較為穩定，不易蝕變(湯建榮等, 2016; 劉小洪等, 2019)，但在應力作用下易發生破裂形成構造縫。但短柱狀或粒狀習性的暗色礦物和片狀云母則相對難于破裂，不易形成好的儲集體，說明淺色礦物含量高的二長花崗巖和花崗閃長巖最易于形成裂縫。

結合巖石力學試驗數據，制作力學三軸抗壓強度柱狀圖(圖6)，綜合柱狀圖與數據得到暗色礦物與三軸破壞強度關系，發現在相同巖性條件下，抗壓強度會隨著深度的增加而增強，從而導致較淺部位更容易產生裂縫；而相同深度下暗色礦物含量高的巖石抗壓強度更高，不易產生裂縫。這論證了巖性影響了裂縫發育，即暗色礦物含量較少的巖石其造縫能力較強。

圖6 渤中19-6構造區三軸抗壓強度柱狀圖

4.1.2 多期構造運動對裂縫發育的影響

對于致密的變質巖，在暴露期大氣淡水的風化淋濾作用影響有限，難以對深部潛山內幕(距離潛山面300 m以下)的變質巖進行有效改造。因此，潛山內幕裂縫型儲層的形成主要因素是內幕裂縫能夠成為大氣淡水往深部基巖滲濾拓展的通道(于海波等, 2015; 楊一珉等, 2020；侯明才等, 2021)，從而發生進一步的擴溶。印支期、燕山期、喜山期三期重要構造運動的構造應力疊加是渤中19-6潛山形成高密度裂縫發育的基礎(趙重遠, 1984)。通過對研究區多口鉆井的成像測井進行統計，發現內幕裂縫型或溶蝕孔隙—裂縫型儲層的發育規模與分布受控于多期構造運動的疊加作用，三組方向裂縫分別對應三期構造運動。裂縫性質、走向和傾角統計結果顯示：北東、東西向裂縫以中高角度為主，北西向裂縫以中低角度為主(圖7)。通過研究區構造應力場分析可知，北西方向低角度裂縫，為走滑斷裂轉彎部位所形成，處在擠壓應力場中，裂縫多為閉合無效裂縫，而北東向裂縫多處在拉張應力下，因此多為張開有效裂縫。結合研究區構造演化過程與裂縫發育關系可知，印支期的大規模近南北向擠壓造山運動是太古宇潛山內幕所有裂縫的主要形成時期，燕山期的多次隆升與反轉在此基礎上主要起到疊加改造作用，其走滑應變較強，產生了一系列共軛剪切縫，喜山期主要起到了先存裂縫再活化的作用(萬遠飛等, 2021)，對裂縫有效性起到了較強的控制的作用。

圖7 渤中19-6構造區構造活動對太古宇潛山構造控制作用

4.2 太古宇潛山變質巖成儲模式

渤中19-6構造的巖性復雜，影響到了儲層的分布，同時，研究區太古宇潛山儲集層垂向發育規律明顯，整體呈現為風化裂縫帶和內幕裂縫帶兩層的發育模式。其中風化作用和構造裂縫共同控制了風化裂縫帶儲層的發育，裂縫發育程度較高，巖性較全，形成多套碎裂帶組成的立體空間網狀裂縫體系。

內幕型裂縫儲層主要受到構造運動引起的斷裂發育控制，在相同構造應力條件下，脆性礦物高而暗色礦物少的層位有利于形成碎裂帶。渤中19-6構造位于渤海郯廬西支走滑斷裂帶上，自中生代以來經歷了多期構造運動，形成了復雜的斷裂體系與應力場展布。其整體位于印支期擠壓背斜構造內，鄰近走滑斷裂帶，為典型的擠壓背景，已鉆井揭示暗色礦物含量低的長英質巖石發育，易于破碎，是內幕裂縫型儲層的有利發育區。

渤中19-6構造太古宇變質巖潛山儲層垂向展布特征明顯，多期構造應力的疊加使渤中19-6潛山形成風化裂縫帶+內幕裂縫帶的立體網狀儲集體系，頂部風化裂縫帶受控于沿斷裂的風化淋濾作用，容易形成良好的儲層，深部內幕裂縫帶在巖性與多期構造活動的影響下，儲層規模較大，形成太古宇深埋潛山“優勢巖性—多期裂縫”的耦合控儲機制。

5 結論

(1)渤中19-6氣田太古宇潛山巖性以二長花崗巖、花崗閃長巖以及部分后期侵入體為主；儲集空間以構造裂縫為主，包括剪切縫、充填—半充填縫、構造溶蝕縫；研究區物性統計表明該區儲層屬于中—低孔、特低滲儲層。

(2)長時間暴露的大氣淡水淋濾溶蝕，使得富含長英質礦物的潛山變質巖易于溶蝕，風化淋濾作用影響風化裂縫帶儲層發育，改變了巖石的物理化學性質，同時也改善了巖石物性，形成了大量的次生孔隙裂縫，為變質巖潛山提供了大量儲集空間。

(3)相同應力體系下，暗色礦物含量較低的巖石更容易發育裂縫，多期構造運動的擠壓作用是形成構造裂縫的基礎，印支期、燕山強烈的擠壓造山運動是規模性裂縫型儲層發育的基礎，喜山期構造運動使部分裂縫晚期再活化形成有效裂縫，多期構造運動是內幕裂縫帶儲層發育的有利條件。

(4)研究區儲層發育模式(圖8)受控于“優勢巖性—多期裂縫”耦合控儲機制，風化淋濾作用和斷裂體系相互疊加形成優勢儲層發育帶，多期構造應力的疊加使渤中19-6潛山內幕裂縫帶形成規模型儲層，風化裂縫帶與內幕裂縫帶的結合使太古宇儲層發育段最厚可達1000 m。

圖8 渤中19-6構造區裂縫型儲層發育模式