湖相碳酸盐岩作为济阳坳陷内的一种非常规储层, 已在24个油田取得突破, 油气探明储量达7 000多万吨, 具有较大的勘探潜力^[1-2]。湖相碳酸盐岩储层相带窄、相变快, 且经历了多期成岩作用的改造, 导致其储层非均值性强^[3]。多期岩溶作用是碳酸盐岩储层孔隙系统形成的重要作用之一^[4-5]。溶蚀流体的来源主要包括原始的孔隙水或黏土、石膏和其他蒸发盐脱水作用所释放出的流体^[6-7], 大气淡水, 泥岩压实释放的地下水和有机质热演化过程所释放的酸性流体。按照溶蚀作用发生的环境, 可划分为准同生岩溶储层、风化壳岩溶储层、埋藏岩溶储层, 主要的储集空间主要包括溶洞、溶孔、裂缝等^[8-12]。前两种岩溶储层的分布往往受控于不同级别的层序界面, 这些界面可以是向上变浅的米级旋回形成的短期暴露面, 也可以是与区域性大地构造事件作用下形成的不整合面, 这类岩溶储层的分布也往往具有可预测性^[13]。在干酪根热演化过程中所释放的有机酸的影响下, 深部的碳酸盐岩的稳定性快速降低, 易形成溶蚀孔隙^[14-15], 这类溶蚀孔隙的分布也往往受控于区域的不整合面^[16]。笔者以济阳坳陷四扣洼陷古近系沙四上亚段发育的湖相碳酸盐岩储层为研究对象, 通过岩心、薄片和测录井等资料对湖相碳酸盐岩储层中同生期岩溶、早期近地表岩溶、表生期岩溶和埋藏期岩溶储层的宏观和微观特征进行分析, 研究多期岩溶作用对有利储层发育的控制作用, 总结其在层序地层格架内的分布规律, 建立基于层序地层的岩溶储层发育模型, 为类似湖相碳酸盐岩优质储层的预测提供指导。

四扣洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷的中西部, 以义东断层为界与义和庄凸起相邻, 位于义东断裂带的下降盘。整个洼陷为一北东—南西走向的狭长的次级负向构造单元, 具有“北断南超、东西双断”的特点^[17]。东西走向的断裂带将其与北部的渤南洼陷分隔, 南部与陈家庄凸起相接; 东部与南北走向的罗家鼻状构造带相接; 西部则通过义东断裂与义和庄凸起相连。沙河街组四段沉积时期, 四扣洼陷开始进入深陷期, 边界断层活动强烈, 整个洼陷与周缘地区地形差异较大, 整体表现为南北陡而东西缓的特征。气候干燥炎热, 周缘母岩以古生界为主, 湖盆内主要发育砂砾岩、石灰岩、白云岩、膏盐和油页岩沉积^[18]。由于后期遭受剥蚀, 地层厚度为4.5~1 735.5 m。沙四上亚段的底部多以陆源碎屑沉积为主, 而碳酸盐岩、油页岩和高岩多分布于地层的顶部。

受湖盆周缘碳酸盐岩母岩的影响, 沙四上亚段时期湖盆边缘主要发育各类碳酸盐岩沉积, 生物礁(丘)主要分布在四扣洼陷西北部紧邻义东断裂带的断阶台地带, 为本区碳酸盐岩沉积厚度最大的区域, 生物礁呈北东—南西向展布, 北至义东20井, 南至义深2井, 生物礁(丘)单个规模并不大, 但往往成片分布; 主要的造礁生物是中国枝管藻、山东枝管藻及龙介虫的栖管化石, 附礁生物有湖相介行类、腹足类、轮藻、双壳类、有孔虫及鱼类等化石及其碎片, 介形类主要为南星介。其主要由礁前、礁基、礁核、礁坪和礁核5个微相组成, 礁核部位造礁生物相对比较发育, 单个相带的规模小。南部邵家斜坡带主要发育大面积的浅滩沉积, 根据岩石类型的不同, 可分为内碎屑滩、鲕粒滩、藻粒滩、生屑滩和滩间5种微相类型^[19]; 而湖盆中心发育咸水湖沉积, 岩性以较纯的膏盐和暗色泥页岩为主, 具有同心环带状分布特点(图 1)。

图 1

图 1 四扣洼陷沙四上亚段湖侵体系域沉积相平面分布[19-20] Fig.1 Distribution of sedimentary facies of transgression system tract in Sikou Sag[19-20]

地震界面的接触关系表明四扣洼陷沙四上亚段为一个完整的三级层序, 其与上覆(沙三下亚段)和下伏地层(沙四下亚段)皆为不整合接触关系。层序的形成过程中, 经历了古气候由干旱向半潮湿转变, 湖平面加深在降低, 晚期经历构造运动, 地层整体抬升遭受剥蚀。湖盆低水位时期主要发育滨浅湖、滩坝和扇三角洲沉积, 湖侵和高位体系域发育期, 滨浅湖环境广泛发育灰色碳酸盐岩, 而洼陷带主要发育暗色油页岩、膏盐和盐岩沉积(图 2, 位置见图 1中A-A′)。低水位时期湖泊水位相对较低, 沉积范围较小, 地层主要分布在义东断裂带东侧, 而南部邵家地区由于地势较高, 低位体系域具有逐渐减薄的趋势; 湖侵体系域时期, 湖平面上升, 湖域面积变大, 沉积范围向湖盆边部扩张, 垂向上多表现为下粗上细的正序; 高位体系域时期, 湖平面早期相对稳定, 而晚期开始缓慢下降, 造成沉积中心向湖盆中部迁移, 测井曲线上多表现为下细上粗的反序特征^[19]。由于沙四段沉积后期经历了区域构造抬升, 发生剥蚀作用, 高位域仅在研究区北部的义东断裂带下降盘和湖盆中部的深洼带可见, 南部邵家地区的高位域时期的地层被剥蚀殆尽(图 2)。

图 2

图 2 四扣洼陷沙四上亚段剖面沉积相图 Fig.2 Sedimentary cross section of Es4s in Eocene around Sikou sag

四扣洼陷沙四上亚段湖相碳酸盐岩储层主要经历了同生岩溶作用、早期近地表岩溶、表生岩溶作用和埋藏岩溶作用。其中同生岩溶、早期近地表岩溶和表生岩溶作用主要与大气淡水成岩环境有关。同生岩溶是指在(准)同生期, 高能的礁滩体暴露于大气环境中, 不稳定的矿物遭受不饱和大气淡水的淋滤, 发生选择性的溶蚀; 随着湖平面的持续下降, 早期形成的沉积物脱离水体, 暴露于大气淡水环境中, 遭受的大规模非选择性溶蚀作用被称为早成岩近地表岩溶; 表生岩溶作用主要是对已经完成矿物稳定化转变、且固结成岩的碳酸盐岩进行溶蚀, 其发生的时间相对较长; 埋藏岩溶作用是指地下流体在中—深埋藏阶段对碳酸盐岩储层进行的溶蚀作用, 为相对封闭的体系。四扣洼陷沙四上亚段湖相碳酸盐岩地层中4类岩溶作用在基本特征和空间分布上存在较大差异。

与海相环境相比, 湖泊中的湖平面变化更为频繁, 同生岩溶作用也更为常见。这类岩溶作用在沙四上亚段内湖侵体系域和高位体系域中都有发育。在沉积期, 生物丘、滩相的沉积速率较快, 具有正向的沉积地貌。颗粒组分往往未固结成岩, 一旦湖平面相对下降, 这些高能的礁滩相沉积体便接受大气淡水的影响, 文石和高镁方解石等不稳定矿物遭受溶蚀, 形成大量的粒内溶孔和铸模孔隙(图 3(a)), 携带泥晶组分充填于孔隙底部, 形成示顶底构造, 上部往往被晚期方解石充填(图 3(b))。受重力作用的影响, 颗粒间常发育悬垂形和新月形胶结物。

图 3

图 3 四扣洼陷沙四上亚段同生期和早期近地表岩溶的微观特征 Fig.3 Micro-characteristic of syndepositional karstification and early phase near surface karstification of Es4s, Sikou Sag

早期近地表岩溶作用往往与湖平面大面积萎缩所形成的短期暴露面有关, 多分布于湖盆边部的地层中^[21]。高位体系域时期, 湖平面持续下降, 利于这类岩溶作用的形成。早期形成的高能环境的礁滩沉积体未经历埋藏作用, 直接暴露于地表环境, 这些弱固结且具有较高孔隙度的碳酸盐岩组分遭受大气水的淋滤, 形成非选择性的孔、洞、缝(图 3(c))。颗粒碳酸盐岩原始的形貌往往被破坏, 形成大量细粒的岩溶角砾(图 3(d))。由于暴露时间相对较长, 往往易于遭受生物活动的影响, 造成早期的湖相碳酸盐岩会向土壤转化, 可见大量的根模孔和蛹的生物活动的遗迹(图 3(e)、(f), 据姜秀芳^[1], 2012)。

受水文条件的控制, 这类岩溶在垂向上具有分带性, 自上而下可分为垂向渗滤岩溶带和径流岩溶带, 各带内的孔隙类型和溶蚀、充填特征具有明显差异。顶部的垂向渗滤岩溶带内大气淡水主要沿垂向流动, 形成大量的高角度溶蚀缝、洞, 但由于流体横向流动性差, 因此这些溶蚀孔洞在横向上孤立分布。底部径流岩溶带内的流体主要以水平方向流动, 大气水沿早期孔隙和裂缝移动, 形成大规模连续性的蜂窝状孔洞, 溶蚀规模较大, 连通性相对较强。义东断阶带的YD301井高位体系域的3 590.3~3 597.4 m段发育两期典型的早期近地表岩溶作用。从岩心上看, 早成岩近地表岩溶作用主要受高频沉积旋回的控制, 单期岩溶储层发育的最大厚度为2 m。高频沉积旋回顶部的颗粒碳酸盐岩受岩溶改造作用较强, 而底部的泥晶灰岩基本不受大气淡水的影响。岩溶储层发育段由上至下依次为高角度溶缝发育段和圆形溶孔发育段。岩溶作用的分带性造成了孔隙类型垂向上由铸模孔隙逐渐向晶洞和高角度溶蚀缝转变, 储层的物性逐渐变好(图 4)。

图 4

图 4 四扣洼陷沙四上亚段早期近地表岩溶作用的岩心宏观特征(YD301井) Fig.4 Core characteristics of the early phase near surface karstification of Es4s, Sikou Sag(well YD301)

表生期岩溶的发育往往与构造运动造成的湖盆长期大面积暴露有关, 形成区域性的不整合面, 界面之下发育大规模的溶蚀孔洞及充填物^[22-23]。现有的生产试油资料证实在四扣洼陷沙四上亚段顶部不整合面之下的地层中往往存在一个高的孔渗带, 靠近凸起的位置更利于油气的富集(图 5, 位置见图 1中B-B′)。岩心中可以见到大量的高角度缝和岩溶角砾等现象, 表明沙四段晚期碳酸盐岩储层经历了长期的风化岩溶作用。与西北部的义东断阶带相比, 邵家洼陷南部缓坡带的碳酸盐岩地层遭受后期的剥蚀作用更为强烈。

图 5

图 5 四扣洼陷沙四段顶部不整合面对有利储层分布的控制 Fig.5 Controls on distribution of quality reservoir by unconformity of Es4s, Sikou Sag

表生期岩溶作用主要的识别标志包括:①与不整合面伴生的岩溶角砾岩; ②溶蚀孔洞和垂直的裂缝比较发育。四扣洼陷斜坡带S141井距不整合面10 m的岩心中可见3期的溶洞, 其内部结构与海相碳酸盐岩储层中的溶洞具有可比性, 溶洞从上至下划分为3个结构单元:①岩溶顶部垂直溶蚀带, 主要以发育各种垂直缝为主; ②岩洞内部充填角砾岩带, 岩溶角砾间多被石膏和泥质所充填; ③岩洞底部弱溶蚀带, 以发育各种孤立的中高角度缝为主要特征(图 6)。未被充填的顶部垂直溶蚀带和岩洞内部充填角砾岩往往可以作为良好的储集层。

图 6

图 6 四扣洼陷沙四上段顶部不整合面之下溶洞的发育特征(S141井) Fig.6 Characteristics of cave beneath Es4s top unconformity in Sikou Sag (well S141)

有机质演化过程中所释放出的有机酸、CO₂和H₂S等酸性物质可以改变地层中原始流对周围碳酸盐岩组分进行溶蚀^[14]。这类酸性流体的活动主要受热对流机制和其中所含挥发组分浮力作用的控制, 多自下而上运移, 溶蚀流体的流动性较弱, 且流量较小, 因此溶蚀作用所形成的孔洞规模较小, 以1到几毫米的针状微孔为主, 不同岩心中孔径差异较大, 溶孔的尺寸主要受原始粒间孔发育的影响, 不同井的溶蚀部分所占的比例以及溶蚀程度有着较大区别。与埋藏溶蚀有关的孔隙中常充填棕色原油或黑色的沥青质, 薄片中主要的识别标志包括:①形成于埋藏环境的粗晶方解石胶结物被溶蚀(图 7(c)), 这类粗晶方解石阴极发光特征为黑色, 包裹体测温表明其形成温度为100~120 ℃^[17], 这表明随后发生的溶蚀作用应该与埋藏流体有关; ②碳酸盐岩储层中基质和胶结物发生非组构选择性溶蚀; ③缝合线和晚期形成的斜交的、高角度和水平状的开放裂缝发生扩溶(图 7(d))。以上这些典型现象的发生表明研究区内碳酸盐岩储层经历了埋藏溶蚀作用的改造。

图 7

图 7 四扣洼陷沙四上亚段埋藏岩溶储层特征 Fig.7 Buried karst micro-characteristics in lacustrine carbonate of Es4s, Sikou Sag

四扣洼陷沙四上亚段埋藏岩溶储层中的孔和缝往往充填了大量的有机质和沥青质, 表明溶蚀流体可能与有机质热演化过程中所释放出的流体有关。在烃类的热演化过程中, 不同阶段可以释放出不同的流体, 生油期往往伴随着有机酸的形成, 而CO₂和H₂S的产生要略晚于石油生成^[25]。四扣洼陷内主要的烃源岩是沙三下亚段(Es₃^x), 油气生成的峰值从Ng至今, 烃源岩的镜质体反射率小于1.0表明油气生成过程中主要以释放流体为主, 这说明有机酸是该区埋藏岩溶作用的主要溶蚀流体(图 8)。

图 8

图 8 有机质热演化过程和四扣洼陷埋藏热演化史 Fig.8 Thermal evolution during maturation of hydrocarbons and burial thermal maturation of strata in Sikou Sag

四扣洼陷不同地区的不整合面之下发育大量的埋藏溶蚀孔隙(图 9), 且越靠近断层储层的孔隙度和渗透率明显增大, 以上这些表明沙四上亚段顶部的不整合面和断层可以作为酸性流体运移的通道。在一些合适的部位, 如果流体流动遇到非渗透层阻挡时, 便可向与之相邻的岩石侧向渗透, 如果这种岩石含有碳酸盐岩并具有一定的渗透率, 碳酸盐岩矿物的溶解便可在此发生(图 7(a)、(b))。如果非渗透层内存在一些早期发育的构造缝, 那么流体也会沿着这些裂缝对非渗透性的泥晶碳酸盐岩地层进行溶蚀(图 7(d))。

图 9

图 9 四扣洼陷沙四上亚段异常高孔带及其内部孔隙特征 Fig.9 Abnormal high porosity zone and its porosity characteristic of Es4s, Sikou Sag

四扣洼陷沙四上亚段湖相碳酸盐岩储层经历了复杂的成岩演化过程, 多期的岩溶作用是决定储层质量的关键因素。岩溶作用的发育与构造活动和沉积相带密切相关, 空间上具有良好继承性。本文中收集四扣洼陷沙四上亚段内2 400~3 400 m之间的物性测试数据146个。从物性和埋深的交汇图来看, 孔隙度值随着埋深的增加逐渐减小。四扣洼陷沙四上亚段地层从上至下一共发育两个异常高孔渗带(图 9)。第一个高孔渗带位于2 480~2 640 m之间, 第二个高孔带位于3 080~3 220 m之间, 这两个异常高孔渗带中次生孔隙大量发育, 表生岩溶作用和埋藏岩溶作用所形成的溶蚀孔隙所占比重较高, 且两个异常高孔渗带的深度与不整合面发育的深度相重合。这表明不整合面在岩溶储层的形成过程中起到了两个方面的作用。首先, 不整合面之下的储层受大气淡水作用的影响, 形成了大量的次生孔洞, 提高了储层的物性。同时, 埋藏期泥岩释放出的有机酸可以沿着不整合面运移, 对储层进一步进行溶蚀改造, 进一步提高储层的质量^[16]。

多期的岩溶作用对四扣洼陷沙四上亚段湖相碳酸盐岩优质储层的形成起到了决定性作用。总的来说, 四扣洼陷沙四上亚段的生物礁和浅滩都经历了早期大气淡水的影响, 但浅滩中同生期岩溶作用更强烈, 铸模孔和粒内溶孔发育较多, 而早期近地表岩溶储层在生物礁更为常见。由于邵家地区后期抬升剥蚀更为强烈, 因此表生岩溶储层发育的规模更大。由于生物礁具有更高的孔隙度和较大的厚度, 更利于埋藏溶蚀储层的发育。通过对不同体系域内岩溶储层类型和发育范围的统计, 本文中建立了基于层序地层的湖相岩溶储层发育模型(图 10)。

图 10

图 10 四扣洼陷沙四上亚段湖相碳酸盐岩岩溶储层发育模型 Fig.10 Developmental model of lacustrine karstic reservoir of Es4s, Sikou Sag

首先, 受高频沉积旋回所控制的湖相碳酸盐岩地层内, 同生期岩溶储层往往分布于湖平面升降过程中能周期性暴露的、易于遭受溶蚀的地区。这类储层往往是可以预测的, 湖侵体系域时期, 随着湖平面的逐渐上升, 可以形成一系列的湖岸上超沉积, 受高频湖平面振荡导致上超带内所形成的碳酸盐岩浅滩发生频繁暴露, 易于形成铸模孔、溶蚀孔缝和晶洞。接着, 在高水位期随着湖平面的缓慢下降, 各种碳酸盐岩沉积物不断进积, 形成一系列具有进积样式的碳酸盐岩沉积物, 受到湖平面振荡造成的频繁暴露, 这些沉积物易于发生早期近地表岩溶作用, 但溶蚀的厚度往往不会超过滩体的厚度; 随着湖平面的进一步下降, 形成区域的不整合面, 对这些进积型碳酸盐岩浅滩进行更大规模和强烈的溶蚀, 影响的深度和范围明显要大于前者。由于沉积水体较深, 湖盆斜坡带下部的碳酸盐岩浅滩的暴露溶蚀通常与后期的区域抬升构造运动有关, 一般很难见到由湖平面下降所产生的同生期和近地表岩溶现象。最终, 湖相碳酸盐岩进入埋藏阶段, 当到达生烃门限时, 湖盆中心的烃源岩热演化过程中会释放出大量的有机酸, 这些酸性流体受异常压力和浮力作用的共同影响, 流体主要会优先沿着不整合面、断层带、地层高孔渗带和构造裂缝带向湖盆的高部位进行移动, 并进行溶蚀。因此, 油气运移的主要路径往往是埋藏溶蚀孔形成的有利地区, 越靠近源岩的孔隙型滩体更易于被溶蚀, 如果有机酸进入早期被大气水溶蚀的礁滩体中, 就会形成复合型溶蚀孔隙, 进一步改善储层的物性。

基于四扣洼陷古近系湖相碳酸盐岩岩溶储层的实例分析发现多期岩溶作用是控制有利储层形成的关键因素。湖相碳酸盐岩岩溶型储层的形成受控于同生期、表生期和埋藏期的溶蚀作用。粒内溶孔、铸模孔是同生期岩溶作用的产物, 而高角度的溶蚀缝和晶洞是早期近地表岩溶作用的结果, 这两类储层的分布受控于储层的原始沉积厚度。表生期岩溶储层主要发育大尺度的溶洞, 单个溶洞由顶部垂直溶蚀带、内部充填角砾岩带和底部弱溶蚀带组成, 未被充填的顶部垂直溶蚀带和岩洞内部带可以作为良好的储集空间。埋藏岩溶储层的孔隙呈现为“蜂窝状”或“针孔状”, 且常充填棕色原油或黑色沥青。同生期岩溶和早期近地表岩溶储层主要分布于湖侵体系域的湖岸上超带和高位体系域时期水退形成的前积型浅滩顶部; 表生岩溶储层主要分布于不整合面之下; 埋藏岩溶储层的分布受控于酸性流体的有效运移路径。