塔河油田主体区下奥陶统小尺度缝洞体形成机制与分布预测.pdf

塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层的开发方向已逐渐从地震反射的“串珠型”缝洞储层转移到“非串珠”型的小缝洞储层,确定小尺度缝洞的形成机制和发育规律是提高此类储量动用率的关键。本次研究对塔河油田主体区岩心和薄片开展了缝洞描述,确定了小尺度缝洞的裂缝成因类型、缝洞参数和充填性质等特征。研究区裂缝划分为构造裂缝和非构造成因裂缝,呈高角度或垂直产状,构造裂缝充填程度弱于风化裂缝;孔洞的充填程度相对较高,但仍存在残留的孔隙空间。基于古岩溶地貌、局部残丘构造幅度的刻画、断裂特征分析和构造应力场模拟,确定了小尺度缝洞体的形成机制。小尺度缝洞的形成受古岩溶地貌、局部残丘构造幅度、断裂和构造应力场综合控制。地貌相对高部位利于岩溶的发生,主体东区地貌整体较主体西区高,缝洞相对西区更发育。残丘构造幅度也影响了岩溶储层的分布差异,残丘缓翼构造坡度相对较缓,利于水岩充分反应,更利于岩溶储层形成。主大断裂控制大尺度溶洞的形成,同时大溶洞和断裂又控制着小尺度缝洞的发育,深部小尺度缝洞受断裂控制的发育深度可达T74界面以下2 0 0 m深度。构造应力场影响着构造裂缝的分布,构造裂缝的形成又为孔洞的形成提供了溶蚀通道,间接控制着小尺度缝洞体的分布。在小尺度缝洞形成机制分析的基础上,建立了基于非线性神经网络深度学习算法的小尺度缝洞预测方法,确定了小尺度缝洞平面分布,预测结果与单井缝洞发育情况和初期产液能力相匹配。研究成果为油田整体动用小尺度缝洞储量奠定了技术基础。关键词:小尺度缝洞;形成机制;缝洞预测;塔河油田;下奥陶统;鹰山组;主体区中图分类号:P 6 1 8.1 3;T E 1 2 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 0 5 1-0 0 1 40 引言塔河油田奥陶系碳酸盐岩的缝洞储层非常发育,各类储集空间交错纵横,储集体展布规律和连通状况十分复杂1-4。塔河油田早期储集体的预测主要依靠地球物理手段5-6,通过识别地震反射中的串珠状强反射或依靠振幅变化率来识别缝洞储集体,实现早期的勘探与开发井位部署,并实现了以“残丘匹配串珠、强地震反射”为主的大尺度缝洞体规模开发。但随着勘探开发的不断深入,这类“串珠”目标数量和规模日趋变小,油田储量动用率的提高已不能单依靠识别这类大尺度的串珠型缝洞储层来实现7-8。从塔河油田开发至今,针对“串珠型”缝洞体的识别、刻画和分布的研究已日趋成熟,形成了一系列特色的评价技术9-1 0,满足了这一阶段油田的开发需要。近年来塔河油田提出了小尺度缝洞体的概念,即由裂缝、溶孔、小尺度溶洞叠加在一起的缝洞集合体。针对这类小尺度缝洞体而实施的评价井建产率高,地层能量虽然一般,但转抽后可稳定生产,产能中等,这表明在一定条件下,小尺度缝洞体也可达到经济开发水平1 1-1 3。这类小尺度缝洞体已成为油田增储上产新的可动用资源。由于存在不同的地质背景(塔河主体区风化壳及尖灭线过渡带等背景),储层受多期构造抬升和岩溶改造作用,导致不同地质背景下不同部位的小尺度缝洞体发育控制因素、空间配置关系尚不明确,对应的小尺度缝洞的发育模式也未完全建立。小尺度缝洞体的地震反射上表现为不规则弱串珠、非串珠或杂乱反射的特征,地震上识别较为困难。目前针对小尺度缝洞体地质成因、识别方法与标准、分布规律认识等方面仍然存在一些技术和方法瓶颈有待研究和探索。在塔河油田风化壳岩溶发育区存在大量的小尺度缝洞储量,深入研究这类小尺度缝洞体的成因机制和主控因素可为整体动用小尺度缝洞储量奠定基础。1 区域地质概况塔河油田距离新疆轮台县5 0 k m,构造位于阿克库勒凸起,北临雅克拉断凸,南与满加尔坳陷、顺托果勒隆起相接,西靠哈拉哈塘凹陷,东连草湖凹陷(图1 a)。区域演化特征表明,阿克库勒凸起是受多张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)5 3 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)a主体区构造位置图;b主体区地层岩性综合柱状图。图1 塔河油田主体区构造位置及地层特征F i g.1 L o c a t i o n a n d s t r a t i g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a i n a r e a o f T a h e o i l f i e l d期构造运动和变形叠加,在前震旦系变质岩基底上发育的古凸起,先后经历了加里东期、海西期、印支燕山期及喜马拉雅期等多次构造运动1 4-1 5。加里东中晚期凸起形态初现,受区域挤压作用,在海西早期逐渐形成向西南倾伏的N E向鼻状凸起。受海西晚期改造,阿克库勒凸起基本定型,此后经历印支期构造运动、燕山期构造运动和喜马拉雅运动的叠加改造最终呈现现今大型古隆起形态1 6。塔河油田主体区位于阿克库勒凸起的中南部,是塔河油田主要油区。在长期风化剥蚀、暴露过程中下奥陶统地层也遭受了不同程度的剥蚀1 7。奥陶系下统鹰山组是主体区出露地层,上覆为石炭系泥岩,剥蚀缺失了一间房组(O2y j)、恰尔巴克组(O3q)、良里塔格组(O3l)、桑塔木组(O3s)、柯坪塔格组(S1k)及泥盆系(图1 b)。T74为奥陶系顶面典型的地震反射界面,表现为连续强振幅的反射特征。2 缝洞特征在岩溶地质背景下,一般孔、缝的形成在先,溶洞往往是在裂缝或溶孔的基础上扩展形成,溶洞形成后又易受到应力作用产生派生裂缝,在缝 孔 洞的不断溶蚀、扩展和演化中逐渐形成了复杂的缝洞储集体,本次将缝洞储集体里溶洞直径小于2 m且地震尺度难以识别的储集体定义为小缝洞储集体。根据基质孔隙、裂缝、溶孔和溶洞的相互配置关系,塔河油田将小尺度缝洞体划分为小尺度未充填溶洞、充填溶洞、裂缝 孔洞、裂缝 孔隙和溶孔 孔隙型储层1 8-1 9。为了更好地描述和认识研究区小尺度缝洞的发育特征,对研究区5 0余口取心井宏观和微观裂缝和溶蚀孔洞特征进行了精细描述,岩心观察长度6 8 0 m有余,薄片观察1 1 9片。2.1 裂缝特征根据岩心上显示的裂缝形态和力学成因机制痕迹2 0,可将研究区裂缝划分为构造成因裂缝和非构造成因裂缝两种类型(图2 a c),其中非构造成因裂缝包括风化裂缝和缝合线。从裂缝的溶蚀、充填和组合形式来看,本区肉眼可辨的构造裂缝约占裂缝总数的4 0%,这类裂缝多为垂直裂缝,张性裂缝和剪性裂缝发育比例大致相当,大部分呈未充填或微充填状态(图2 c、f),全充填率仅为2 0.5%,裂缝的垂向连通性较好。风化裂缝以垂直缝和高斜缝为主,充填程度高于构造缝,全充填率达9 1.7%。岩心裂缝发育线密度(裂缝条数/岩层厚度)在各单井中差异明显,单井取心段之间线密度为0.1 41.7条/m,裂缝发育具有较强的非均质性。微观薄片裂缝观察结果显示,约7 5%的裂缝被黏土、白云石、方解石、围岩岩块等充填(图2 g、i和j),约3%的裂缝为半充填状态,仅2 2%的微观裂缝未被矿物充填。微观镜下未充填的裂缝形态一般比较平直,可以贯穿各类颗粒,属于构造裂缝,充填程度较低;风化裂缝大都被各类矿物充填,黏土充填的比例最高,其次为方解石充填,少部分裂缝充填石英、沥青和红色铁质矿物,风化程度较深。镜下所显示的微观裂缝宽度为0.0 10.1 mm,这表明微观薄片裂缝观察统计得到的裂缝宽度以小裂缝为主,大裂缝较少。5 4 张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)a灰色微晶灰岩,构造垂直裂缝,裂缝(f r a c)被少量斑状方解石微充填,过油痕迹明显,X 1 6井,6 5 0 5 m;b灰色微晶灰岩,岩溶风化裂缝,裂缝中可见少许泥质,方解石不干净,局部形态明显弯曲不平直,裂缝宽度0.11.5 mm,缝面弯曲,形态变化大,可见硅质团块,X 8 8井,6 2 5 9.6 5 m;c灰色微晶灰岩,构造剪切裂缝,缝面干净无充填物,有较明显的原油过路痕迹,X 4 0 7井,5 3 9 3.8 1 m;d灰色微晶灰岩,见一方解石,全充填溶洞,洞径大小为2.4 c m 5.9 c m,溶洞中晶间可见明显油迹,X 4 1 5井,5 4 3 3.2 7 m;e灰色微晶灰岩,过油晶间孔,X 6 7井,5 6 7 0.1 0 m;f灰色微晶灰岩,过油构造裂缝,X 7 6井,5 7 8 0.5 2 m;g灰色微晶灰岩,半充填风化裂缝,有明显的黄褐色油迹,溶缝中可见被油浸润的黏土,缝宽0.2 mm,溶缝内有围岩残块,X 9 1井,5 7 3 9.1 0 m;h微亮晶细砂屑灰岩,未充填风化溶蚀裂缝,溶缝内无充填物无浸染物,干净、明亮,X 7 4井,5 4 9 5.5 m;i藻砂砾屑灰岩,裂缝全充填,充填物被硅化、沥青化,岩石中裂隙被粉屑方解石、白云石碎屑物混合充填,X 1 1 5井,5 9 9 6.9 5 m;j灰色骨屑微晶灰岩,一条全充填裂缝,生物碎屑有介形虫,棘屑,X 1 1 8井,5 8 5 0.9 0 m;k微亮晶骨屑藻砂屑灰岩,未充填晶间溶孔,孔隙中有稠油滞留,与晶间孔隙稠油相邻的脉壁外侧弱油浸溶孔,X 7 0 4井,5 7 3 4 m;l云化微亮晶砂屑灰岩,全充填晶间溶孔,溶孔被沥青充填,X 8 8井,6 3 0 4.5 m。F r a c裂缝;O i l过油痕迹;S i硅质团块;C a l方解石;c a v e全充填洞;S p o晶间孔;C l a y黏土;r o c k围岩残块;b i o藻砂砾屑;D o l白云石;S p o溶孔。图2 塔河油田主体区小尺度缝洞特征F i g.2 C h a r a c t e r i s t i c s o f f i n e-f r a c t u r e/p o r e i n t h e m a i n a r e a岩心和镜下微观尺度的裂缝虽然储集能力有限,但镜下约3 6%的裂缝可以见到沥青等有机质不同程度地贴附在裂缝壁上,表明小尺度的裂缝仍可作为储层重要的渗流通道。2.2 溶蚀孔、洞特征根据油田研究需要,并根据溶洞大小和溶洞与裂缝的关系可以进一步划分为小尺度溶洞储层(直径大于2 c m且小于2 m)和裂缝 孔洞储层(溶洞大于2 mm且小于2 c m),这里的溶洞泛指直径大于2 mm的储集空间。岩心观察到的溶洞尺度较小,长轴直径一般不超过6 c m,洞径主要是分布在21 0 mm,大多被方解石、白云石、硅质燧石或砂泥等碎屑物质充填,根据溶洞充填矿物差异将溶洞分为化学充填型溶洞、沉积型溶洞和垮塌造成的各种角张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)5 5 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)砾充填型溶洞3种类型。岩心尺度上以方解石充填的化学溶洞最为发育(图2 d),洞中中 粗晶方解石晶体间可存在残留的孔隙空间,从岩心上可见原油从这类溶洞中流出,这说明本区这类被巨大晶粒充填的小尺度溶洞也具有开发潜力。沉积型溶洞一般规模较大,在录井过程中特征明显,一般被不同压实程度的砂岩或泥岩充填;垮塌型溶洞一般是上部地层中原孔洞不断被溶蚀,地层应力失稳发生坍塌,形成较大规模的充填型溶洞,溶洞被原地垮塌的角砾充填而形成。这两类溶洞在岩心上只能根据岩性来判断,难以测量其规模。微观薄片尺度一般可以观察到较大的溶蚀孔(图2 k,h和l),6 5.3%的溶蚀孔直径分布在0.0 1 0.1 mm,只有约1 2%的溶蚀孔直径超过0.2 mm。约4 5%的镜下溶孔呈未充填状态,全充填溶孔中被方解石充填的比例最高,少部分溶孔被黏土、白云石、石英和沥青充填。岩心中还可肉眼见到过油晶间孔,肉眼难以看到孔隙,但镜下孔隙相对发育,微观尺度下有微裂缝存在,属于裂缝孔隙型储层(图2 e),当储层主要发育孔隙和溶孔,裂缝不发育时,这类储层称为溶孔 孔隙型储层。在所有统计的溶孔中,有含油迹或过油现象的溶孔约占4 7.5%(图2 k和l),这表明镜下溶孔也存在一定的储集能力。3 缝洞形成机制塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层具有极其复杂的储集空间组合,既有大型的洞穴系统,也有受多期构造或岩溶作用形成的裂缝 溶洞、裂缝 孔隙系统,裂缝溶蚀扩展形成新的溶蚀孔洞,溶蚀孔洞接受溶蚀充填形成更为复杂的缝洞系统。塔河油田主体区下奥陶统鹰山组灰岩中的小尺度缝洞体也是在多期构造运动和岩溶改造的共同作用下形成的2 1-2 3。3.1 古岩溶地貌对小尺度缝洞形成的控制从现代岩溶所揭示的岩溶储层发育规律来看,岩溶古地貌形态和高程决定了古水动力场大小,影响着地表水流的渗滤和地下水活动范围和影响深度,决定了不同地貌位置大气淡水淋滤、侧向补给、畅排条件和汇水量大小。国内学者研究认为:岩溶储层的发育规律证实了岩溶地貌差异决定了风化壳古岩溶作用的强度和影响深度2 4-2 5。前人根据地层缺失与构造运动关系的通用规则,认为主体区海西早期(泥盆纪)一直处于隆升期,将该区块古岩溶期次主要定位为海西早期2 6-2 7。从海西早期古岩溶地貌的形态来看(图3),研究区在整个塔河地区处于缓坡平台位置,充填地层厚度小于5 0 m,中间有一南北向地势相对较低的冲沟,将缓坡平台分割成东西两个平台(绿色区域),平台地面总体来说比较平坦,但其上还是分布有小型地势相对较高的残丘(黄色和红色区域)或地势相对低洼的凹坑(蓝色区域)。为了研究小尺度缝洞体与古岩溶地貌的位置关系,统计了主体区7 0口井的缝洞识别结果,从小尺度缝洞综合发育率平面分布来看,主体东区的小尺度缝洞发育程度较西区高,发育区主要位于峰丛垄脊、丘丛垄脊残丘以及其多方向发散的缓坡区,这些区域具有地势缓慢降低的趋势,利于岩溶的发生(图3)。从单井小尺度缝洞发育规律看,主体东区受古岩溶地貌影响较为突出,主体西区受古岩溶地貌的影响稍弱,这表明主体西区小尺度缝洞形成受控因素更加复杂。虽然岩溶古地貌对区域上小尺度缝洞的形成具有明显的控制作用,但即使是同一幅度地貌背景下的缝洞发育程度仍有差异,结合区域地质构造背景以及井上小尺度缝洞发育程度推测研究区的构造变形及断裂等对小尺度缝洞的形成也有重要作用。3.2 局部残丘幅度对小尺度缝洞形成的控制主体区虽地处岩溶斜坡区,但局部的残丘、分水岭、沟谷却广泛分布,显示出具有不同构造幅度的微地形。岩溶残丘对岩溶及储集层规模具有重要控制作用,是主体区风化壳岩溶储集层发育的主体,也是油气聚集的重要单元。通过对海西早期古构造进行趋势面分析,刻画了不同幅度的残丘分布(图4 a)。从各小尺度缝洞类型的饼状占比分布图来看,残丘顶峰、狭长垄脊(残丘幅度一般大于4 0 m)高部位多发育溶孔 孔隙型和裂缝 孔隙型储层,宽缓残丘(残丘幅度为2 5 4 0 m)相对高部位裂缝 孔隙、裂缝 孔洞和溶洞储层更易发育(图4 a)。对比了主体区残丘幅度与小尺度缝洞发育率之间的匹配关系,认为残丘幅度控制了局部小尺度缝洞的发育,残丘边部(特别是缓翼,残丘幅度52 5 m)受坡面径流影响,构造坡度相对较缓的斜坡区域水岩反应更充分,因此表层岩溶影响深度可达T74地震界面以下5 6 张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)图3 海西早期岩溶古地貌与单井小尺度缝洞发育率分布图F i g.3 D i s t r i b u t i o n o f k a r s t t e r r a i n s a n d s i n g l e-w e l l f i n e-f r a c t u r e/p o r e g r o w t h r a t e s i n t h e e a r l y H e r c y n i a n1 5 0 m,如X 4 5 5井深部仍有缝洞分布(图4 b);残丘顶峰或残丘核部属残丘中相对孤立的古微构造高点,相对残丘缓翼丰富的坡面径流,残丘核部或顶峰受水流改造作用弱,水岩反应不强烈,主要受风化剥蚀改造,因此只在表层(影响深度一般在T74界面3 0 m以内)产生大量的溶孔、裂缝,但若无断裂发育,深部缝洞储集体不发育,如X 4 7 7井,位于鼻凸状垄脊残丘核部,构造陡坡大,浅部裂缝 孔隙相对发育,但深度缝洞不发育(图4 c)。综合以上分析和定量统计认为,主体区残丘幅度与小尺度缝洞的发育有一定关系,残丘幅度52 5 m利于小尺度缝洞发育(图4 d)。3.3 断裂对小尺度缝洞形成的控制塔河地区奥陶系地层大规模岩溶时期或期前形成的断裂对于古岩溶起到了控制作用2 8-3 0。这些断裂带附近也应是裂缝、溶蚀孔洞等发育的区域。前人研究确定了受断裂带控制的大型溶蚀洞穴带的分布,认为断裂控制了大尺度洞穴层的形成3 1。结合前人对塔河地区断裂岩溶的分析,认为海西期后(大规模溶蚀期后)易形成受控于早期大型溶蚀孔洞层派生的小尺度缝洞。由于溶蚀洞穴带岩石强度低,在后期应力作用下,会优先发生破裂,在其他环境相同时,洞穴带是小尺度缝洞相对发育带。从断裂、大溶洞、小尺度缝洞发育分布关系图可以看出(图5),溶洞高度(厚度)大于1 0 m的井大都分布在北北东向的断裂附近,这类断裂是加里东中晚期海西早期挤压逆推形成的,控制着大型溶洞的发育;溶洞厚度5 1 0 m发育带主要受次一级断裂影响。从主大断裂和次级断裂的单井缝洞纵向解剖来看,主大断裂控溶深度更大,次级断裂控溶深度浅。海西早期主大断裂或次级断裂控制早期裂缝和大溶洞的形成,同时大溶洞和断裂又控制着裂缝孔隙型、孔洞型储层的发育,深部小尺度缝洞受断裂控制的发育深度可达T74界面以下2 0 0 m以上(图6)。结合小尺度缝洞分布与断裂的关系分析认为,主体西区主断裂相对东区更为发育,对小尺度缝洞的形成也具有明显的控制作用。从与邻近断裂距离与小尺度缝洞发育率统计关系来看,主体东区主断张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)5 7 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)a主体区残丘幅度分布图;bX 4 5 5井缝洞识别剖面;bX 4 5 5井缝洞识别剖面;cX 4 7 7井缝洞识别剖面;d不同残丘幅度上单井小尺度缝洞发育率关系图。图4 主体区不同幅度的残丘与小尺度缝洞分布关系图F i g.4 D i s t r i b u t i o n r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n m o n a d n o c k s o f d i f f e r e n t s i z e s a n d f i n e-f r a c t u r e/p o r e g r o w t h r a t e s i n t h e m a i n a r e a裂3 5 0 m距离内对小尺度缝洞发育的控制作用较强,单井小尺度缝洞发育率高,远离断裂逐渐不发育(图7 a);主体西区断裂复杂,多期断裂叠加,单井小尺度缝洞发育率与邻近断裂距离的关系不明显,但与大型主大断裂远近的相关性强,距离主大断裂越近,缝洞越发育,主大断裂控制范围可达5 0 0 m以上(图7 b、c)。3.4 构造古应力场的分布对小尺度缝洞形成的控制加里东 海西期构造活跃,由于在地层不断抬升过程中上奥陶统地层剥蚀殆尽,目的层围压不断下降,在构造应力集中的部位容易发育裂缝和断裂3 2-3 5。运用薄板应力模拟方法3 3,基于T74顶面构造形态分布,模拟构造主形成时期的古应力场分布。主体东区构造主应力值高于主体西区,主应力的分布呈北东走向,与北东断裂分布趋势相似;主体东区构造主应力高值区(应力值高于6 0 M P a)的分布与构造古地形的高低和断裂分布相关;主体西区的主应力场高值区域分布范围较小,主要顺北东向大断裂方向展布(图8 a)。构造剪切应力的高值区域呈面团状分布,主体西区的剪切应力高值主要分布在中部和南部;主体东区的剪切应力场分布与岩溶地貌趋势相似,断裂发育区也是剪切应力最大的区域(图8 b)。模拟结果表明:构造主应力与小缝洞群的发育度呈一定的正相关性,应力相对低值区,构造变形应力并非核心主控因素,缝洞发育是各地质因素综合影响的结果;但应力强度高值区对大小缝洞的发育5 8 张 娟,谢润成,杨 敏,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)图5 主体区断裂与小尺度缝洞发育率分布图F i g.5 D i s t r i b u t i o n m a p o f f r a c t u r e s a n d f i n e-f r a c t u r e/p o r e g r o w t h r a t e s i n t h e m a i n a r e a图6 断裂控制区内的井纵向小尺度缝洞连井对比剖面F i g.6 C o m p a r i s o