与成层性较好的沉积岩潜山相比, 太古界潜山由于其岩石构成以岩浆岩、变质岩为主^[1], 故潜山内部结构、构造更加复杂多变, 这一特征为太古界潜山储集体形成机制、分布规律研究提出了严峻挑战。钻井证实, 济阳坳陷太古界以混合花岗岩类为主, 同时还发育了少量变质岩包体^[2]。岩石特征与华北、东北地区太古界基本一致^[3], 但也有少量报道指出个别地区太古界发育大量副变质岩, 如张家口—大同一带的早太古代孔兹岩系露头^[4], 这可能与太古宇地壳增生、岩浆构造热事件在不同地区的强弱差异有关。正是这种复杂的潜山岩石结构使济阳坳陷太古界储集体不具备层状特征, 故本文中称之为“储集体”。除风化壳储集体外, 很多学者指出太古界潜山还发育了潜山内幕储集体^[5], 内幕储集空间以构造裂缝为主^[6]。多数观点认为自潜山顶面向下储集物性逐渐变差^[7-8]。太古界储集体发育的影响因素包括构造运动、岩石组成、风化淋滤等^[9]。总之, 前人针对太古界潜山储集体开展了大量研究工作, 但目前还没有提出一套对太古界潜山勘探部署具有指导作用的储集体发育模式。笔者近年来对济阳—鲁西地区太古界进行持续研究, 探讨济阳坳陷太古界潜山储集体发育模式。

济阳坳陷是在前寒武系结晶岩和古生界碳酸盐岩及含煤碎屑岩组成的稳定地台基础上发展起来的中、新生代陆相断陷湖盆^[10]。太古界作为盆地基底经历印支、燕山等多期构造事件叠加改造, 形成了埕北、埕东、义和庄、郑家—王庄等十大潜山带(图 1, 据姜慧超等修改^[11])。截至目前, 济阳坳陷有520口井钻遇太古界, 其埋深变化大, 从数百米至五千余米不等; 因其为非重点勘探层系, 太古代岩石揭露普遍较薄, 最厚者仅约1 000 m。

图 1

图 1 鲁西-济阳地区构造略图 Fig.1 Tectonic sketch map of Luxi and Jiyang area

基于70口取心井千余块薄片资料, 将太古代岩石划分为两大类, 第一种为泰山岩群区域变质岩, 为一套沉积-火山建造经受中压角闪岩相区域变质形成的岩系, 济阳坳陷残留很少, 呈包体状产出, 岩石类型主要包括黑云角闪变粒岩及斜长角闪岩类; 第二种为新太古代岩浆构造活动形成的岩浆岩, 主要包括二长花岗岩、钾长花岗岩、片麻状花岗岩类及片麻状闪长岩类等。根据鲁西露头区太古界相变规律和钻井资料, 济阳坳陷太古界分布具有如下特征:区域变质岩系主要位于西部宁津凸起地区; 西南部惠民凹陷发育含大量中基性包体的花岗岩体; 向东至东营凹陷—义和庄凸起—车西一线包体数量大幅减少, 局部发育较小规模闪长岩岩体; 埕北—桩西地区为多期次多类型岩体发育区, 除普遍发育的二长花岗岩外, 闪长岩、正长花岗岩岩体规模也较大(图 2)。

图 2

图 2 济阳坳陷太古界岩性分区 Fig.2 Lithologic zoning of Archean Group in Jiyang Depression

济阳坳陷太古界构成主要为混合花岗岩类及古老变质岩系, 原岩非常致密, 几乎不发育原生孔隙, 孔隙度仅为0.3%~0.7%。太古界储集体储集空间基本都为次生, 主要包括次生溶孔和裂缝, 裂缝又可分为机械风化成因的网状缝、溶蚀扩大缝和构造裂缝(图 3)。钻井证实上述多类型储集空间在太古界潜山中的发育具有一定规律性。受潜山暴露期大气淡水淋滤、地表温度变化等地质营力影响, 次生溶孔和机械风化缝主要发育于潜山顶部储集体。而构造裂缝与溶蚀扩大缝分布则较为普遍, 随着距潜山顶面距离的逐渐增大, 潜山内部由于受地表地质营力影响小, 故构造裂缝与溶蚀扩大缝为其主要储集空间。

图 3

图 3 太古界潜山主要储集空间类型 Fig.3 Main reservoir space types of Archaeozoic buried hills in Jiyang Depression

基于多类型储集空间发育规律, 在纵向上将太古界潜山划分为风化壳和内幕两种储集体。成像测井资料揭示风化壳储集体普遍发育溶蚀增强高导缝(图 4(a)), 而内幕储集体则主要发育连续或不连续高导缝(图 4(b)), 次生溶蚀现象较少。运用岩心、成像测井对常规测井资料进行标定, 明确了两类储集体常规测井响应特征的差异性。通常位于风化壳储集体最顶部的风化-破碎储集带井径曲线幅度大, 为连续的大井径段; 声波时差曲线呈锯齿状, 幅度变化较大; 岩石体积密度曲线呈短小锯齿状, 幅度逐渐变小; 中子孔隙度逐渐增大, 呈锯齿状, 为连续的高孔隙段(图 5)。向下进入风化壳储集体下部, 其井径曲线表现为高、低幅度交替变化的特点, 高幅度为大井径段, 是岩石破碎发育部位, 反之则为破碎轻微部位; 声波时差曲线呈短小锯齿状, 幅度变化不等, 在岩石破碎部位发生“周波跳跃”; 岩石体积密度幅度在破碎部位变小, 其形态呈刺刀状; 中子孔隙度在岩石破碎较弱部位曲线趋于平直。再向下进入潜山内幕致密带, 井径曲线幅度变化小, 呈平直状; 声波时差曲线幅度变化大, 趋于平直; 岩石体积密度大; 中子孔隙度曲线呈平直状态, 或因岩性变化而略有起伏, 但数值低。部分揭示太古界厚度较大的探井, 当在潜山内幕钻遇储集体时, 井径曲线显示扩径程度相对较低, 声波时差变化剧烈, 有“跳跃”现象, 密度有微弱降低, 中子孔隙度曲线呈“尖峰状”, 值较高。

图 4

图 4 太古界潜山风化壳及内幕储集体成像测井特征 Fig.4 Imaging logging characteristics of crust reservoir and inner buried hill reservoir of Archaeozoic buried hills

图 5

图 5 济阳坳陷太古界潜山储集体纵向分布 Fig.5 Longitudinal distribution of Archaeozoic buried hills reservoir in Jiyang Depression

综合分析济阳及周边太古界储集体发育规律, 同时结合前人关于太古界储层控制因素的认识, 认为太古界储集体的发育主要受控于构造改造程度、岩石矿物组成、潜山岩石结构与风化体保存程度等4个控制因素。但不同类型的储集体, 其影响因素也存在差异。

潜山内幕储集体主要受控于构造改造程度、岩石矿物组成、潜山岩石结构等三大因素。其中潜山岩石矿物组成为基础性因素, 通过对272块太古界岩石薄片观察发现, 从二长花岗岩到钾长花岗岩, 再到闪长岩类, 裂缝发育程度依次变差(表 1)。

表 1

表 1 济阳坳陷太古界主要岩石类型裂缝统计 Table 1 Fractrue statistics of main rock types of Anhaeozoic in Jiyang Depression 岩石类型 统计井数/口 薄片统计数量 见裂缝薄片比例/% 最大裂缝数/条 最小裂缝数/条 平均裂缝数/条 钾长花岗岩 5 28 46.4 125 2 15 二长花岗岩 15 149 66.4 110 1 26 闪长岩类 9 95 44.1 60 1 11

表 1 济阳坳陷太古界主要岩石类型裂缝统计 Table 1 Fractrue statistics of main rock types of Anhaeozoic in Jiyang Depression

已有研究表明, 裂缝发育潜力主要决定于岩石脆性。用实验所测脆性系数定量反映岩石脆性, 脆性系数为最大弹性应变与临界状态时总应变的比值。6口井16块不同岩石样品的岩石力学测试数据表明二长花岗岩脆性系数最大, 其次为花岗闪长岩和钾长花岗岩, 英云闪长岩和斜长角闪岩脆性系数最小(图 6)。测试结果与裂缝统计结果基本一致, 表明岩石矿物组成为储集体发育的重要控制因素之一。

图 6

图 6 济阳坳陷典型太古代岩石脆性系数对比 Fig.6 Comparison of brittleness coefficient of typical Archaeozoic rock in Jiyang Depression

潜山岩石结构为潜山内幕储集体发育的重要影响因素。试验数据证实整体状岩体结构强度大, 层状结构岩体强度小、易于形成裂缝^[12]。前人对沉积岩的裂缝发育规律研究证实, 岩石单层厚度控制裂缝密度, 裂缝密度与层厚呈负相关性^[13-15], 这一普遍规律应同样适用于太古代岩石。就太古界潜山而言, 浅色岩相与暗色岩相组成的互层状潜山其形成裂缝的潜力要好于大型的块状潜山。脆性不同的岩石互层搭配有利于后期的构造改造, 可在潜山内幕形成较大规模储集体。钻井取心收获率是反映储层裂缝发育程度的一个重要参考数据, 通常收获率越低, 说明裂缝发育程度越高。通过对系统取心井Z4-2井岩心的观察发现, 不同岩相组合取心收获率差异很大。其中花岗岩与闪长岩互层相发育段的收获率最低, 平均仅有约50%, 其次为花岗岩夹闪长岩或夹角闪岩相, 收获率最高的为单一闪长岩相或闪长岩夹花岗岩相(图 7)。这一特征充分说明潜山岩石结构是内幕储集体发育的一个重要影响因素。

图 7

图 7 不同岩石结构类型的岩心收获率 Fig.7 Brittleness coefficient of different Archaeozoic rock

构造改造程度为控制内幕储集体发育的最关键因素。辽河坳陷兴隆台潜山之所以发育大型潜山内幕储集体, 是由其所处区域中新生代以来强烈的构造活动所决定的。潜山所处区域的构造活动强度可用区域差应力值来反映。前人研究表明板块碰撞带或大断层附近差应力值增大, 而在板块内部则逐渐变小^[16], 与济阳坳陷及鲁西地区相比, 辽河坳陷所处的位置更靠近于郯庐断裂带。对比前人通过超显微构造估算法得出的各期构造事件区域差应力值, 辽河及周缘地区普遍大于济阳及邻区^[17](表 2)。因此, 区域构造活动强弱的差异可能是导致济阳太古界潜山内幕储集体发育规模、储集性能不及兴隆台潜山的一个重要原因。其次, 就济阳坳陷内部而言, 东部靠近郯庐断裂带的区域, 如埕北潜山、桩西潜山, 无论是从潜山宏观断裂发育程度还是从潜山储集体裂缝发育程度, 均明显好于西部的郑家—王庄潜山。这些现象都说明构造改造程度为控制内幕储集体发育的最关键因素。

表 2

表 2 不同构造期辽河周缘地区与济阳周缘地区差应力值对比 Table 2 Comparison of difference stress value between Liaohe area and Jiyang area 构造期 辽河及周缘地区 济阳及鲁西地区 燕山中期 吉林大黑山:112.5 MPa 山东蒙阴:82.6 MPa 燕山晚期 吉林大黑山:102.1 MPa 辽宁阜新:94.2 MPa 山东西部:77.8 MPa 喜山Ⅰ幕 辽河油田:72.8 MPa 济阳坳陷:43 MPa

表 2 不同构造期辽河周缘地区与济阳周缘地区差应力值对比 Table 2 Comparison of difference stress value between Liaohe area and Jiyang area

风化壳储集体主要受控于构造改造程度、岩石矿物组成与风化体保存程度等三大因素, 此处重点分析风化体保存程度对风化壳储集体的控制作用。太古界在构造运动中抬升至地表, 经历表生阶段机械风化、大气淡水淋滤等多种物理化学作用, 形成潜山风化壳, 本文中暂将表生阶段所经历的所有物理化学过程统称为风化改造作用。前人针对与太古界岩石特征类似的火山岩风化壳进行的大量研究表明，风化淋滤时间达到约45 Ma时, 风化体厚度趋于稳定^[18-20], 而太古界风化淋滤时间非常漫长, 即使从印支运动起始, 风化淋滤时间也达到了49~208 Ma(表 3), 因此影响太古界风化壳储层的关键是风化体的后期保存。

表 3

表 3 济阳坳陷典型太古界潜山风化改造时间 Table 3 Weathering modification time of typical Archaeozoic buried hills in Jiyang Depression 典型潜山带 潜山上覆地层 距今年龄/Ma 与中三叠世末期时间差/Ma 垦东 侏罗系坊子组 173 49 埕北30 侏罗系坊子组 173 49 孤东 侏罗系坊子组 173 49 桩西 侏罗系坊子组 173 49 埕东 侏罗系坊子组 173 49 高青 侏罗系坊子组 173 49 平方王 古近系孔店组 53 169 义和庄 古近系沙四段 45 177 郑4 古近系沙四段 45 177 富台 古近系沙三段 40 182 青坨子 新近系馆陶组 14 208 滨县 新近系馆陶组 14 208 郑家—王庄 新近系馆陶组 14 208 胜坨—盐家 新近系馆陶组 14 208 广饶 新近系馆陶组 14 208

表 3 济阳坳陷典型太古界潜山风化改造时间 Table 3 Weathering modification time of typical Archaeozoic buried hills in Jiyang Depression

针对太古界风化壳发育特征, 在鲁西地区进行了专项野外考察, 在章丘、临朐、沂源等地筛选了8个观测点进行风化壳发育特征观测(表 4)。野外观测表明, 可以将太古界风化壳自上而下划分为风化成因土壤层、强风化带和弱风化带3个层段(图 8)。土壤层以次生矿物为主, 成土状, 厚度0.3~5 m不等; 强风化带主体岩石风化强、疏松, 锤轻击便碎, 网状风化缝、溶缝孔较发育, 见风化较强的碎块(形状有角砾状、块状、片状等), 该带厚度0.5~20 m不等; 弱风化带主体岩石呈浅灰色, 风化弱、较致密, 见风化较强的碎块(形状以块状为主), 捶击不易打碎, 风化缝孔少见, 仅见不同方向、不同角度节理缝。该带厚为10~20 m。

表 4

表 4 鲁西地区风化壳特征观测点位置 Table 4 Position of observation point of weathering crust characteristics in Luxi area GPS点号 地理位置 地层或岩体 62 章丘团元沟 山草峪组黑云变粒岩 79 临朐沂山 蒙山岩套中粒含黑云角闪英云闪长质片麻岩 150 章丘垛庄 傲徕山岩套二长花岗岩 158 临朐沂山 蒋峪单元黑云母二长花岗岩 198 沂源上枝 松山单元中粒二长花岗岩 199 沂源潍坊界 松山单元中粒二长花岗岩 205 临朐西桃花 峄山岩套片麻状粗中粒含角闪黑云花岗闪长岩 200 沂水刘家泉 傲徕山岩套弱片麻状中粒含黑云二长花岗岩

表 4 鲁西地区风化壳特征观测点位置 Table 4 Position of observation point of weathering crust characteristics in Luxi area

图 8

图 8 山东沂源太古界风化壳储集体纵向结构特征 Fig.8 Vertical structure characteristics of Archaeozoic weathering crust reservoir in Yiyuan, Shandong Province

覆盖区测井资料表明, 不同潜山部位太古界风化壳结构有明显差异, 潜山顶面坡度影响风化壳储层保存。平缓潜山面有利于风化体保存, 风化体结构完整, 储集性能较好。如郑家潜山顶部的郑古1井(图 9), 在潜山顶面钻遇良好储层, 试油获液量72.2 m³。断剥面坡度陡, 则不利于风化体保存, 往往缺失土壤层及部分强风化带, 因此储集性能较差，如位于胜坨潜山断坡的坨137井(图 9), 在进入潜山后钻遇干层或差储层, 试油仅获液量0.34 m³。对不同潜山不同部位47口井的试油资料统计发现, 平缓潜山顶面的太古界储集体, 其储集性能普遍优于陡峭的潜山斜坡(图 10)。

图 9

图 9 潜山顶部与断坡典型探井风化壳储层发育特征 Fig.9 Development characteristics of weathering crust reservoirs of top and ramp of buried hills

图 10

图 10 平缓潜山面与陡峭断剥面太古界储集体储集性能差异性 Fig.10 Reservoir performance difference of weathering crust reservoir of top and ramp of buried hills

在分析内幕储集体发育控制因素的基础上, 建立了内幕储集体发育模式(图 11)。济阳坳陷太古界潜山内幕储集体发育主要受构造改造程度和内幕断层控制, 济阳东部构造改造强的潜山, 内幕储集体较为发育, 如埕北潜山。内幕断层上盘可形成优质内幕储集体, 对断层下盘改善作用较小。潜山结构是内幕储集体形成的重要影响因素。济阳坳陷太古界以混合花岗岩类为主, 但闪长岩及角闪岩等暗色岩相发育有差异, 这种差异造成了平面上不同潜山带潜山结构的差异性, 暗色岩相夹层或包体较多的潜山带, 潜山结构好, 有利于内幕储集体发育; 岩性单一的潜山, 结构较差, 储集体发育也较差。在构造改造程度同等的情况下, 结构较好的潜山形成内幕储集体的潜力要高于结构差的潜山。因此就潜山内幕储集体而言, 构造改造程度为控制储集体发育的最关键性因素, 潜山岩石结构为一种重要调节性因素。

图 11

图 11 济阳坳陷太古界潜山内幕储集体发育模式 Fig.11 Development model of Archaeozoic inner buried hill reservoir in Jiyang Depression

在分析太古界风化壳储集体发育控制因素的基础上, 建立了风化壳储集体发育模式(图 12)。潜山顶部岩相特征差异, 造成了风化壳储集体在横向上发育程度的差异。暗色矿物为主的岩相(闪长岩或角闪岩包体)发育区储集性能往往较差。断裂发育程度往往决定了风化壳储集体在纵向上的发育厚度, 大型断裂对风化壳储集体的改善作用非常明显, 往往可形成厚度大、储集性能好的风化壳储集体, 尤其对断层的上盘物性改善作用很大, 如郑4潜山。风化体保存程度是风化壳储集体储集性能优劣的最终决定因素, 潜山顶面较为平缓的区域, 风化体的三层结构保存较为完整, 储集性能较好, 坡度较为陡峭的区域, 由于风化体保存较差, 储集性能一般或较差。整体而言, 潜山顶面岩石矿物组成差异影响风化壳储集体的平面分布, 断裂改造则影响风化壳储集体的纵向规模, 风化体保存程度则控制了风化壳储集体的最终储集性能。

图 12

图 12 济阳坳陷太古界潜山风化壳储集体发育模式 Fig.12 Development model of Archaeozoic weathering crust reservoir in Jiyang Depression

(1) 济阳坳陷太古界潜山发育了风化壳和潜山内幕两类储集体, 构造裂缝在两类储集体中普遍发育, 而机械风化缝与次生溶蚀孔洞主要发育于风化壳储集体。

(2) 潜山内幕储集体主要受控于构造改造程度、岩石矿物组成、潜山岩石结构等三大因素, 济阳坳陷太古界潜山岩石矿物组成差异较小, 构造改造程度为控制内幕储集体发育程度的最关键性因素, 潜山岩石结构为一种重要的调节性因素。

(3) 风化壳储集体主要受控于断裂改造程度、岩石矿物组成与风化体保存程度等三大因素, 潜山顶面岩石矿物组成差异影响风化壳储集体的平面分布, 断裂改造则影响风化壳储集体纵向规模, 而风化体保存程度则控制了风化壳储集体的最终储集性能。