2. 中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院, 西安 710018;
3. 中国石油勘探开发研究院 西北分院, 兰州 730020
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China;
3. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development-Northwest, Lanzhou 730020, China
鄂尔多斯盆地陇东地区下古生界的勘探起始于20世纪70年代[1],“十四五”期间逐渐成为盆地增储上产的重要领域。截至2022年,钻遇下古生界的87口探井中有17口井试气获得日产大于1×104 m3的天然气流,含天然气井段大多数位于下古生界风化壳之下300 m范围内的白云岩地层,揭示了陇东地区风化壳气藏较好的勘探潜力。目前,学界对鄂尔多斯盆地下古生界风化壳储层及气藏的研究主要集中在乌审旗—志丹、米脂、苏里格等地区[2-5],也有部分学者对陇东地区古生代中央古隆起带东缘下古生界大规模地层抬升剥蚀区风化壳储层及气藏进行了不同角度的研究。如,王琨[6]、杨鹏等[7]等利用方解石原位U-Pb测年结合磷灰石裂变径迹方法,对该区构造发育时间进行了划分,并从构造发育与天然气的保存条件角度阐明了该地区形成的3种类型保存条件,指出了天然气勘探的有利区。丁志剑[8]采用地震剖面顶拉平结合上、下古生界波阻抗差异判识侵蚀沟槽与沉积洼地的方法,对陇东地区前石炭系古地貌进行了恢复。在古风化壳储层研究方面,刘行军等[9]综合利用电成像测井和常规测井资料,对不同类型的缝洞型碳酸盐岩储层进行了评价,并绘制了复合参数交会图版来识别风化壳气层;孙夕平等[10]利用相干体、蚂蚁追踪结合地震振幅分类特征的方法,获得了风化壳的有效储层厚度;杨柳等[11]、刘宝增等[12]通过地震发射特征识别、相控波阻抗反演等方法对风化壳断溶型储层进行识别;常少英等[13]利用地震波形分解去除上覆强反射后,应用频率域多尺度断裂检测识别了断溶体储层。这些研究成果涉及陇东地区的构造背景研究,风化壳储层的测井和地震识别,裂缝识别等多个方面,但在风化壳储层地质-地震综合系统性研究方面还有所欠缺。
基于前人的研究成果,综合利用地球物理资料,探讨陇东地区下古生界风化壳储层的岩石电性特征,地震剖面响应特征、控制有效储层孔隙发育的断裂-裂缝体系地震识别特征,以及风化壳储层形成的古地貌特征,并预测风化壳储层的分布,以期为该区风化壳气藏的勘探提供参考,也为类似地区风化壳储层研究提供借鉴。
1 地质概况鄂尔多斯盆地陇东地区构造位置位于伊陕斜坡与天环坳陷的西南部。早古生代,盆地西部受祁连—贺兰裂谷及南部秦岭裂谷的扩张肩部翘升影响,发育大型中央古隆起[14],古隆起在盆地西部、南部呈“L”型展布,研究区陇东地区即处在该古隆起“L”型的东翼(图 1a);该时期盆地处于克拉通稳定期,研究区在多期快速海进和缓慢海退的过程中沉积了一套厚度达数千米的深水斜坡—盆地海相碳酸盐岩、碎屑岩和重力流沉积。中寒武世徐庄组沉积晚期—张夏组沉积期,研究区自西向东依次发育灰岩台地前缘斜坡—云质灰岩台地边缘和台缘滩—白云岩坪(台内鲕粒滩、砂质浅滩)—泥云坪沉积,岩性以细—粉晶白云岩、鲕粒白云岩、颗粒灰岩为主。上寒武世,盆地内开始海退,庆阳古陆面积扩大,陇东地区以局限台地、缓坡沉积为主,自西向东依次发育台地前缘斜坡—泥云坪—白云岩坪沉积。中下奥陶统马家沟组沉积时期,多次大规模海侵导致庆阳古陆面积缩小,研究区自西向东依次发育灰岩台地前缘斜坡—泥云坪—白云岩坪(灰云坪、膏云坪)沉积。晚奥陶世,鄂尔多斯盆地受加里东运动影响整体抬升[15],研究区前石炭纪地层遭受风化剥蚀,在中央古隆起东西两侧石炭系与下伏奥陶系、寒武系形成低角度不整合接触,盆地西南部总体呈现为以中央古隆起为中心,由东西两侧向古隆起地层剥蚀量逐渐增加的趋势,并形成环中央古隆起分布的地层剥蚀尖灭。因此,在寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组,奥陶系马家沟组各段与石炭系不整合接触的地层顶部均可发育不同程度的风化壳储层(图 1b)。
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下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地陇东地区构造位置(a)及下古生界地质结构模式(b) Fig. 1 Structural location (a) and geological structure model of Lower Paleozoic (b) of Longdong area, Ordos Basin |
早古生代,中央古隆起东侧斜坡带和内侧坳陷区发育3套烃源岩层系,可为下古生界风化壳储层提供气源。第一套为下二叠统山西组2段煤系烃源岩地层,在研究区热演化程度较高,早白垩世,该烃源岩层系进入生排烃高峰,产生的天然气向下运移形成有效供烃[16],是下古生界风化壳气藏的主要供烃层系。第二套为奥陶系马家沟组内部发育的泥灰岩,该地层在研究区剥蚀较严重,是风化壳气藏的次要供烃层系。第三套为中寒武统徐庄组—张夏组泥岩、泥灰岩层,该地层有机质丰度偏低,可作为风化壳气藏的潜在供烃层系。晚侏罗世—早白垩世,烃源岩进入生烃高峰,生成的天然气沿寒武系及奥陶系顶部区域性不整合面向东、向南运移,并在成藏期之前形成的断裂、裂缝的有效沟通下,进入风化壳储层,在古地貌高部位成藏。
2 储层特征寒武世,鄂尔多斯盆地在一定程度上继承了中晚元古代的沉积构造格局[17-18],陇东地区处于浅海潮坪沉积环境,岩性以泥晶—微晶白云岩为主,无法直接形成有效储层,而碳酸盐岩受晚期风化溶蚀或断裂-裂缝体系改造或自身原生孔隙发育都有可能形成有效储层,储集空间以裂缝、微裂缝、晶间溶蚀孔为主,部分储层发育原生晶间孔。对研究区下古生界75块风化壳含气储层样品进行分析测试,结果显示:孔隙度为0.68%~6.91%,平均为4.44%,渗透率为0.04~0.42 mD,平均为0.29 mD,储层物性整体较差。根据《致密砂岩气地质评价方法:GB/T30501—2022》[19]对储层的划分标准,该储层类型为致密储层,但在裂缝发育及溶蚀作用改造下,少部分致密储层的孔渗条件有所改善,形成含气储层。按照成因不同,研究区风化壳储层可分为溶孔型、裂缝-溶孔型和裂缝-溶缝型3种。
(1)溶孔型。该类储层由白云岩潮坪及台内鲕粒滩等有利相带沉积的细晶白云岩(图 2a)、鲕粒白云岩(图 2b)及少量亮晶砂屑白云岩、生物礁滩灰岩、生屑微晶灰岩等形成,储层的原生孔隙较发育。另外,后期准同生及表生阶段岩溶、风化作用产生的次生孔隙也可进一步促进储层物性的改善,如张夏组鲕粒滩相沉积的鲕粒灰岩在白云岩化作用下形成有效储层(图 2c);马家沟组四段(马四段)白云岩在成岩阶段发育的晶间溶孔也可促进有效储层的形成(图 2d)。
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下载原图 图 2 陇东地区下古生界风化壳储层探井岩心照片 (a)细晶残余颗粒白云岩,CT1井,3 780.84 m,奥陶系马家沟组二段;(b)鲕粒白云岩,CT1井,4 044.02 m,寒武系徐庄组;(c)亮晶砂屑白云岩发育晶间孔,A73井,5 136.20 m,寒武系张夏组;(d)细晶白云岩发育晶间孔、晶间溶孔,CT1井,3 780.84 m,奥陶系马家沟组二段;(e)细晶白云岩,晶间孔、溶孔发育,部分被方解石半充填,F1井,3 699.40 m,奥陶系马家沟组三段;(f)粉晶含泥白云岩,裂缝及溶孔发育,A17井,4 140.04 m,奥陶系马家沟组三段;(g)粉晶白云岩,裂缝发育,A23井,3 956.58 m,奥陶系马家沟组二段;(h)粉晶白云岩,裂缝发育,F55井,3 903.30 m,寒武系三山子组。 Fig. 2 Core photos of weathered crust reservoirs of exploration wells of Lower Paleozoic in Longdong area |
(2)裂缝-溶孔型。受加里东运动影响,马家沟组沉积后,鄂尔多斯盆地西缘发生大范围的差异隆升和风化剥蚀[20],发育裂缝-溶孔型风化壳储层。岩溶高地地表水充裕,水流循环强度大,水流动性较强,溶蚀物质易于带出,产生溶蚀(图 2e),在溶蚀及断裂-裂缝的双重作用下,溶蚀孔洞进一步扩大或连通,形成裂缝-溶孔(图 2f)。岩溶谷地、岩溶洼地等较低的古地貌单元由于水流缓滞,岩溶作用弱,风化壳以风化残余堆积和沉淀充填为主,储层物性较差。
(3)裂缝-溶缝型。该类储层的形成与古断裂密切相关。加里东运动时期,鄂尔多斯盆地西南部继承中—新元古代拗拉槽构造格局,发育一组北西向展布的断裂体系,在庆阳古隆起的持续隆升下,沿古隆起翼部北东方向发育一组环古隆起且呈北西向展布的断裂。在2组断层密集分布且交会的地区,破碎带流体强化各类白云岩表生期及浅埋藏期岩溶作用,形成溶蚀,与原有裂缝形成网状岩溶缝储集空间,如陇东地区北部A23井、F55井马家沟组二段(马二段)与三山子组白云岩储层,原生孔隙不发育,平均孔隙度为1.16%~5.93%,但在2组较密集发育的裂缝改造后(图 2g,2h),储层局部渗透率达到1.00~4.00 mD。另外,从大量岩心薄片可以看出,裂缝附近的内幕型岩溶也较为发育(图 2e—2h),表明断裂及裂缝沟通流体产生溶蚀,也可改善储层物性。
由于晚古生代庆阳古陆持续隆起,研究区上古生界底与奥陶系、寒武系各层系均呈现不同程度的角度不整合接触,3种类型的风化壳储层在各层系均有分布,裂缝-溶孔型主要分布在各层系的岩溶高地古地貌单元;裂缝-溶缝型主要分布在各层系的岩溶斜坡古地貌单元;溶孔型风化壳储层主要分布在马二段、马四段及张夏组碳酸盐岩高能沉积相带岩溶盆地古地貌单元。
3 地球物理识别储层方法 3.1 测井识别陇东地区3种类型风化壳储层具有不同的电性特征(图 3):①溶孔型风化壳储层,纵向上一般发育于马三段和马四段,主要表现为高声波时差(AC),高中子孔隙度(CNL),低电阻率(RT)、低自然伽马(GR)、低密度(DEN)的“两高三低”测井响应特征[21],测井曲线波动幅度较大,具有较为明显的“跳跃”现象(图 3d);溶蚀孔洞一般为半充填—无充填,由于泥浆的侵入,溶蚀孔洞电阻率降低,在成像测井图像上显示为深色斑点,由于该类易溶蚀储层往往发育于水动力条件较强的沉积相带,地层成层性好,易于后期溶蚀扩孔,因而也可见低倾角暗色条带(图 3a)。②裂缝-溶孔型风化壳储层,纵向上主要发育于寒武系张夏组,表现出与溶孔型储层相似的“两高三低”测井响应特征,不同的是测井曲线的波动幅度更小;成像测井图像上除深色斑点外,还可见高倾角暗色条带和相互交错形成的网状暗色条带(图 3b,3e)。③裂缝-溶缝型风化壳储层,储集空间以裂缝、裂缝溶蚀孔为主,溶洞发育较少,钻井统计结果表明,除水动力较强的高能沉积相带外,其他沉积相带发育的风化壳储层均属于这一类型,该类型储层在研究区下古生界普遍发育(表 1);与围岩相比,该类储层的AC,CNL及DEN值差异不大,RT值略高,GR呈低值,测井曲线波动幅度最小(图 3f);成像测井图像上可见密集的高角度网状裂缝及不规则分布的断续状暗色条带(图 3c),分析认为该条带是地层水沿裂缝活动形成溶蚀缝,溶蚀缝及裂缝共同组成了该类风化壳储层的储集空间。
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下载原图 图 3 陇东地区部分探井下古生界风化壳储层测井响应特征 Fig. 3 Well logging response characteristics of weathered crust reservoirs in Lower Paleozoic of some exploration wells in Longdong area |
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下载CSV 表 1 陇东地区部分探井下古生界风化壳储层含气岩心特征统计 Table 1 Statistics of gas-bearing core characteristics of weathered crust reservoirs in Lower Paleozoic of some exploration wells in Longdong area |
前人研究认为有效储层多发育在岩溶古地貌残丘边缘地带及沟槽两侧上方斜坡部位,这些区域断裂、裂缝发育,风化淋滤作用强烈,溶孔、溶洞等储集体发育[22-23],碳酸盐岩形成有效储集空间受岩溶古地貌的影响大,因此通过地震特征识别风化壳储层时须先对古地貌进行刻画。古地貌恢复的方法有沉积学法、层拉平法、高分辨率层序地层学法、印模法、残厚法、井-震联合法及“双界面法”等[24-25],由于研究区下古生界厚度受庆阳古隆起抬升向隆起方向减小的影响,本文采用印模法。从三维地震刻画的古地貌结果(图 4)可知:陇东地区下古生界风化壳古地貌总体呈西高东低、南高北低的单斜态势。根据油田岩溶地貌三级单元划分方案[26]及本区古地貌特征,可进一步将单斜古地貌分为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地3个次级单元。
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下载原图 图 4 陇东地区下古生界顶面古地貌平面特征 注:下古生界顶面与盒8底界地层厚度差采用印模法计算得出。 Fig. 4 Paleogeomorphology planar characteristics of the top of Lower Paleozoic in Longdong area |
(1)岩溶高地。主要分布在研究区东南部,风化剥蚀、垂直渗滤作用强,易形成大量高角度裂缝和溶蚀孔洞;可细分出台地、洼地2个三级地貌单元,在较强水流冲刷条件下,洼地与台地相对高差更大,台地边缘更容易形成断裂、裂缝及溶蚀,B1-13-61,B1-14-70等5口开发井都属于这一成因类型,都在下古生界产层中的天然气日产量超过16 000 m3。岩溶高地上的台地边缘是下古生界风化壳储层发育的重要场所。
(2)岩溶斜坡。主要分布在研究区中部A43—CT1井一带,呈长条状分布,是岩溶高地与岩溶盆地之间过渡的古地貌单元,岩溶作用较岩溶高地弱,但由于坡度的存在,流体受到重力控制,易通过地表径流形成溶蚀孔、缝;可细分为残丘、侵蚀沟及浅洼3个三级地貌单元,发育大小不一的主次沟槽,在平面上呈“树枝状”展布,侵蚀沟深度较小,为20~30 m,而宽度较大,为700~1 300 m;侵蚀沟槽之间发育大量残丘微古地貌单元,由于受到密度较大的侵蚀沟槽影响,残丘的边缘易发育大量溶蚀孔洞,并在区域断层及溶蚀坍塌的影响下发育各类裂缝及溶蚀缝,区内A17,A43等井就属于此类储层,均钻探到工业气流。岩溶斜坡上残丘微古地貌单元边缘是下古生界风化壳储层发育的另一重要场所。
(3)岩溶盆地。主要分布于研究区东北部BT16—A24井区一带,在古地貌单元中海拔最低,是古水流的汇水区,岩溶作用较弱,填充作用较强,风化壳储层整体物性较差;可细分为缓丘、沟槽及谷地3个三级地貌单元;储层中发育的原生孔隙,可形成晶间孔和溶蚀孔缝,因此在岩溶盆地缓丘区带也可形成有效的风化壳储层,如DT1井下古生界试气获得日产12 619 m3天然气流。
3.2.2 地震反射特征对研究区原始地震剖面风化壳上覆稳定沉积的盒8(二叠系石盒子组8段)底界反射层进行拉平,再统计不同成因风化壳储层的古地貌、断裂及地震响应特征,并进行归类分析及盲井验证,即可获得不同风化壳储层地震剖面识别特征。研究结果显示,裂缝-溶孔型风化壳储层在地震反射剖面一般呈现顶超“削截”现象,表现为高频、弱振幅、不连续反射的特征,岩溶高地的台地和岩溶斜坡的残丘微古地貌正向古构造呈现出类似塔里木盆地“断溶体”的花状断裂特征,同相轴错位较明显[27],并且具有被密集的微断距断层错断的特征,如过A17井地震反射(图 5a)。裂缝-溶缝型风化壳储层地震反射剖面也有同相轴顶超“削截”现象,表现为高频、中振幅、连续反射,该类型储层主要发育于断距较大的断层密集区,如BT16井(图 5b)。溶孔型风化壳储层地震反射顶超“削截”现象不明显,表现为强连续性、中—弱振幅、中频反射特征,断裂切割往往较少,平面上主要发育于距庆阳古隆起相对较远、剥蚀程度较弱的东部和北部地区,如DT1井(图 5c)。
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下载原图 图 5 陇东地区下古生界不同类型风化壳储层地震剖面 Fig. 5 Seismic profiles of different weathered crust reservoirs in Lower Paleozoic of Longdong area |
陇东地区下古生界风化壳储层类型以裂缝-溶孔型为主,同时发育部分裂缝-溶缝及溶孔型储层,断裂-裂缝体系在风化壳储层的发育过程中起到关键作用,对下古生界进行断裂-裂缝体系检测是识别风化壳储层及分析其空间分布特征的重要手段[28]。采用叠后地震图像增强法对研究区断层-裂缝体系进行识别的主要思路为,先对地震叠后数据进行Contourlet变换,进行地震振幅的方向分解;分别对分解后不同方向的振幅计算相干;将计算的各个方向相干体进行融合,以定性表征断裂-裂缝带的方向及发育强度。该技术在突出小尺度断裂-裂缝带方面具有明显优势[29],结果(图 6)显示,断裂-裂缝发育强度指示因子与前期人机交互解释的断裂吻合较好,说明其结果可靠;研究区发育北西向、北东东向2组断裂-裂缝带,其中北西向断裂-裂缝带与地层尖灭线近于平行,北东东向断裂-裂缝带发育程度较差,但在与北西向断裂-裂缝带交会区可形成良好的断裂-裂缝网,有利于裂缝-溶孔及裂缝-溶缝型储层的形成。
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下载原图 图 6 陇东地区石炭系底界至下古生界20 ms地震反射层段断裂-裂缝体系平面展布特征 Fig. 6 Planar distribution characteristics of fault-fracture system within 20 ms seismic reflection interval from the bottom boundary of Carboniferous to Lower Paleozoic in Longdong area |
陇东地区下古生界寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组及奥陶系马家沟组都有含气性,其中张夏组、三山子组及奥陶系马家沟组二段、四段是主要含气层段。对录井、测井及岩心分析资料进行综合分析,确定井点处储层段的白云岩厚度,结合地震反演结果刻画白云岩厚度平面分布;采用地震叠前敏感参数反演技术获得含气性分布结果;将含气性结果和白云岩厚度加权计算出各层的有效储层(含气层)厚度平面图。结果显示:张夏组主要发育裂缝-溶孔型、裂缝-溶缝型白云岩风化壳储层,沿地层尖灭线内侧呈北东向条带状分布于A62—A31井区、呈东西向条带状分布于DT3—A51—XT1井区(图 7a);三山子组风化壳储层仅在上部白云岩段发育溶孔型储层,由于三山子组沉积时期盆地发生较短暂的不均衡抬升剥蚀,三山子组分布范围比张夏组明显缩小,储层主要发育于A23—A51井区,呈北薄南厚的条带状分布(图 7b);马二段沉积期盆地发生奥陶纪第一次海侵,马二段沉积范围比三山子组、马一段有所扩大,该层段主要发育溶孔型白云岩储层,主要分布在A24—A31—F124井区(图 7c),呈北厚南薄趋势;马四段沉积期,沉积范围进一步扩大,主要发育裂缝-溶孔型、溶孔型白云岩储层,呈北西向条带状分布在BT16—F55井及XT1井以东地区(图 7d),分布范围较广。
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下载原图 图 7 陇东地区下古生界主要风化壳储层厚度分布 Fig. 7 Thickness distribution of main weathered crust reservoirs in Lower Paleozoic of Longdong area |
风化壳储层的发育受控于地层剥蚀残余分布、微古地貌台地、残丘分布、断裂-裂缝发育等多种因素。对陇东地区试气获得日产气量大于10 000 m3的14口探井进行合成地震记录精细标定,分析含气风化壳储层的地震响应特征,提取各类地震属性;再对储层含气性、试气日产量、地震属性、地震反射特征进行综合回归分析及盲井验证,最后应用于全区含气风化壳储层分布预测。结果显示,表层含气风化壳储层含气性与下古生界顶部20 ms内的地震反射波峰振幅属性呈负相关,该段的地震属性能够反映研究区86% 的风化壳储层平面分布特征。将微古地貌、断裂-裂缝平面分布检测、地震波峰振幅属性等3种因素进行融合即可实现对含气风化壳储层的平面分布预测,根据预测结果,将含气风化壳储层分布有利区划分为2类,一类有利区为微古地貌台地或残丘、地震反射波峰振幅属性负异常、检测裂缝均较为发育的区域,二类有利区为3种因素中2项为异常的区域。对研究区风化壳储层的预测结果(图 8)显示:发育一类有利区12个,面积208.47 km2,二类有利区10个,面积745.45 km2,一、二类有利区主要沿A25井—BT5井,A21井—A54井,ET3井—A72井3个区域呈条带状分布。
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下载原图 图 8 陇东地区石炭系底界至下古生界20 ms地震反射层段含气风化壳储层分布预测图 Fig. 8 Distribution prediction of gas-bearing weathered crust reservoirs within 20 ms seismic reflection interval from the bottom boundary of Carboniferous to Lower Paleozoic in Longdong area |
(1)陇东地区寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组以及奥陶系马家沟组各段与石炭系不整合接触的顶面下均不同程度的发育风化壳储层,岩性以泥晶—微晶白云岩为主,物性较差,属于致密储层,根据成因可分为溶孔型、裂缝-溶孔型、裂缝-溶缝型3种,以裂缝-溶孔型为主;3种类型储层具有不同的测井响应、地震反射特征。
(2)研究区下古生界顶部风化壳古地貌可分为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地3个次级古地貌单元,岩溶高地上的台地边缘、岩溶斜坡上残丘边缘是风化壳储层发育的主要场所;区域下古生界发育北西、北东东向2组断裂体系形成的断裂-裂缝网有利于裂缝-溶孔及裂缝-溶缝型风化壳储层形成。
(3)研究区下古生界风化壳储层均沿地层尖灭线内侧呈环带状分布,其中一类含气风化壳储层发育有利区12个,面积208.47 km2,二类有利区10个,面积745.45 km2。
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