渤海海域太古界变质岩潜山裂缝型储层发育主控因素分析

Analysis of the Main Controlling Factors of the Fractured Reservoirs Development in the Buried Hills of the Archean Metamorphic Rocks in the Bohai Sea Area

摘要

近几年，渤中凹陷，辽东湾地区太古界变质岩系陆续发现了多个亿吨级油气田，油气柱高度可超过1 000 m，展示了太古界潜山巨大的勘探潜力. 研究表明，储层发育程度决定了太古界潜山的油藏规模，而裂缝对储层具有核心控制作用. 分析表明，岩性对裂缝储层发育程度有明显影响，黑云母、角闪石等塑性矿物含量高的岩性段储层不发育，长石、石英矿物高含量段裂缝发育. 表生期风化淋滤降低了岩石的抗压强度，风化壳内裂缝发育程度和记录的期次都要远高于内幕带；薄片观察和模拟实验表明，发育裂缝的样品虽然裂缝被充填但其抗压强度显著降低，为后期裂缝再活化创造了条件；后期裂缝会选择原来的裂缝带重新活化，黏土矿物，碳酸盐矿物，铁质充填的裂缝更容易受到后期应力、流体的影响再活化. 宏观上，印支期逆冲推覆作用是形成裂缝储层的关键期，燕山期和喜山期断裂叠加改造对早期裂缝起到了重要的活化作用，印支期与燕山期、喜山期断裂叠合部位控制了厚层储层的分布.

Abstract

In recent years, multiple billion ton oil and gas fields have been discovered in the Precambrian metamorphic rocks of the Bozhong Depression and Liaodong Bay area, with height of oil and gas column exceeding 1 000 m, demonstrating the exploration potential of the Archean buried hills. Research has shown that the degree of reservoir development determines the oil reservoir scale of the Archean buried hill, and fractures plays a key controlling role in the reservoir. The lithology has a significant impact on the development degree of fractured reservoirs, The reservoirs with high content of plastic minerals such as biotite and hornblende are not well⁃developed, while fractures are developed with high content of feldspar and quartz minerals. The weathering and leaching during the epigenetic stage reduce the compressive strength of rocks, and the degree of crack development and recorded stages in the weathering crust are much higher than those in the inner zone. Experiments and thin section analysis have shown that samples with early developed fractures, although filled with minerals, have significantly reduced compressive strength, laying the foundation for later crack development. The later fractures will choose to reactivate the original crack zone, and fractures filled with clay minerals, carbonate minerals, and iron minerals are more susceptible to reactivation under the influence of later stress and fluid.Macroscopically, the Indosinian period was a critical period for the formation of fractured reservoirs due to thrust and overturning. The superimposed transformation of faults during the Yanshan and Himalayan periods played an important role in activating early fractures. The distribution of thick reservoirs was controlled by the overlapping of faults during the Indosinian, Yanshan, and Himalayan periods.

Graphical abstract

关键词

太古界 / 变质岩 / 裂缝 / 构造应力叠加 / 储层 / 渤中凹陷 / 渤海湾盆地 / 石油地质.

Key words

Archean / metamorphic rocks / fractures / tectonic stress superposition / reservoir / Bozhong Depression / Bohai Bay Basin / petroleum geology

0 引言

变质岩是油气重要的储集层之一. 世界上很多国家在变质岩中都发现了具有商业价值的油气田，如委内瑞拉Maracaibo Basin盆地La Paz⁃Mara Fields（Smith， 1956；）、利比亚Sirte Basin盆地Nafoora⁃Augila Fields（马龙等，2006）、中国埕岛地区片麻岩油田（高喜龙， 2012）、柴达木盆地变质岩基岩油田（孙秀建等，2019）、渤海湾盆地兴隆台油田（宋柏荣等，2011）、渤海湾盆地锦州25⁃1南花岗质片麻岩油田（周心怀等，2005；邓运华，2015）. 太古界变质岩作为渤海湾盆地的基底，其储层发育程度决定了油气藏的规模，变质岩储层成因研究一直以来都是国内外学者重要研究的领域. 前人对变质岩储集层的研究涉及潜山裂缝型储集空间表征、裂缝成因以及对储集层的控制作用（周心怀等，2005；宋柏荣等，2011； 高喜龙，2012；童凯军等，2012； 窦立荣等，2015）. 部分学者提出在潜山深层内幕同样可以形成构造裂缝型储集层（高先志等，2007），有学者通过对变质岩潜山裂缝发育期次及内部充填物特征进行刻画.

渤海海域位于渤海湾盆地中部，是继承在中生界盆地基础上发育的大型叠合盆地，也是中国重要的原油生产基地，渤中凹陷是渤海海域最大的富烃凹陷（王清斌等，2020）. 渤中凹陷西南部在深层-超深层领域发现了渤中19⁃6，渤中13⁃2，渤中26⁃6多个太古界大型油气田（周心怀等，2017；薛永安等，2019；徐长贵等，2020），这些油气田埋深3 000~6 000 m，油气柱高度大，可超过1 000 m，储层发育范围广，储层规模大，超大规模储层奠定了多个超亿吨级油气田形成的地质基础. 部分构造带表现为风化壳特点，但油藏主体主要以内部裂缝及风化裂缝为主. 多期断裂叠加关系复杂，落实超大规模储层形成机制，确定关键构造期成储作用具有重要的科学及生产价值. 在对渤中西南环太古界潜山的研究中，多位学者论述了构造活动对储层形成的重要作用（周心怀等，2017；薛永安等，2019；徐长贵等，2020），并指出印支期逆冲构造活动对储层形成具有重要控制作用（徐长贵等，2019， 2020；周心怀等，2022）. 有部分学者认为晚期断裂对储层形成是决定性的而不是印支期（叶涛等，2021），上述观点都解释了部分地质现象，但对于控储核心机制，早晚期断裂叠加作用机制，构造与风化之间关联机制并未阐述清楚，也为预测优质储层分布带来了风险. 解决上述问题具有重要科学及勘探开发实践意义.

1 地质背景

渤中凹陷位于渤海湾盆地中东部，面积近1×10⁴ km²，是渤海海域面积最大的二级构造单元，盆地内油气资源丰富，在新近系、古近系、前古近系潜山发现了多个油气田（夏庆龙等，2012；王清斌等，2019）. 盆地自中生代以来经历了印支期、燕山期和喜山期3期构造运动改造，形成了典型的断-坳型盆地（吴智平等，2007；侯明才等，2019）. 本次研究的B9和B3构造区位于渤中凹陷西南部（图1），研究区西北部、西南部和东南部分别为沙垒田凸起、埕北低凸起和渤南低凸起. 地层自上而下为第四系平原组，新近系明化镇组和馆陶组，古近系东营组、沙河街组，中生界和太古界. 太古界为盆地基岩，岩性以混合花岗岩、花岗质片麻岩为主，锆石U⁃Pb同位素定年分析显示其形成年龄约为22~34亿年，峰值年龄25.3亿年（Xu et al.， 2024），是重要含油气层系. B3构造太古界上部被厚层中生界覆盖，中生界厚度约为100~1 500 m，中生界主要为安山岩及凝灰岩，岩性致密. B9和B3构造太古界变质岩发育超大规模储层（Xu et al.，2024）.

2 储集层岩性及储集空间

2.1　储层岩性特征

渤中凹陷西南部太古界潜山岩性复杂，原岩早期经历了区域变质作用、混合岩化作用以及后期的岩脉侵入和构造破碎作用. 潜山岩石类型可分为变质岩和侵入岩脉两个大类，变质岩以片麻岩、混合片麻岩、混合花岗岩、碎斑岩和碎裂岩为主（周心怀等，2022）. 侵入岩脉以辉绿岩、闪长玢岩为主（王德英等，2019；周心怀等，2022）.

2.2　储集空间特征

渤中凹陷西南部太古界潜山变质岩储集空间以裂缝及溶蚀孔为主. 从潜山顶面向下，变质岩储层依次可以分为风化裂缝带、裂缝带、致密带、内幕裂缝带和基岩带（Xu et al.，2024），其中，风化裂缝带、裂缝带和内幕裂缝带是储层主要发育段（周心怀等，2022）. 潜山顶面附近受风化淋滤作用影响较大，储集空间类型以孔隙-裂缝型为主，而潜山内幕受构造应力破碎作用影响较大，储集空间以裂缝型为主.

裂缝主要包括宏观的构造缝（图2a，2b）及微裂缝（图2c，2d）. 孔隙主要由与钾长石、斜长石以及碳酸盐胶结物等易溶矿物的溶解形成（图2e，2f，2g，2h），钾长石颗粒在构造应力下挤压破碎，发育大量微裂缝并强烈溶蚀，表现为裂缝与溶蚀并存的特点（图2h）.

3 裂缝形成机制及主控因素

3.1　不同岩性裂缝形成能力差异性

岩性及矿物的组合直接影响裂缝的生成能力. B6⁃2井岩心（4 254.22~4 255.10 m）一条高角度剪切缝切穿长英质高含量段、长英质中含量段、长英质低含量段（图3），在长英质高含量段伴生裂缝线密度16条/10 cm，在长英质中等含量段伴生裂缝线密度6条/10 cm，在长英质低含量段伴生裂缝线密度3条/10 cm，这一现象说明在不同的围岩条件下裂缝的生成能力有很大差别，脆性矿物（长石、石英）含量较高的层段更有利于裂缝及伴生裂缝的生成，与此相对应，相近应力条件下，暗色矿物含量较高的层段裂缝及伴生裂缝生成能力弱（图3）. 大量钻井也证实在角闪岩、角闪片麻岩段储层裂缝往往不发育.

为了进一步探讨长英质含量对储层形成能力的影响的界限值，本文分析了渤海太古界潜山岩心钻取的柱塞的抗压强度与长石+石英总含量的相关关系（图4）. 图中长石与石英总含量69%~72%压实破裂强度突然降低，可作为影响太古界变质岩储层力学性质的关键拐点. 长石石英含量低于70%，或者黑云母、角闪石等暗色塑性矿物含量高于30%，不利于裂缝储层的形成.

3.2　构造应力与风化淋滤协同控储机制

风化作用是变质岩潜山优质储层发育重要的地质因素（王德英等，2019）. 经历了风化作用的岩石会在变质岩潜山顶部形成几百米不等的厚层风化淋滤带. 风化淋滤作用可以产生长石矿物溶孔，碳酸盐矿物再溶解分配，角闪石、黑云母溶孔，直接贡献储集空间. 矿物的溶蚀和蚀变大大降低了岩石的机械强度，风化后的岩石破裂压力也会大幅度降低，为后期弱挤压及拉张背景下形成裂缝储层创造了条件，统计表明，裂缝在太古界潜山顶面0~350 m范围内储层裂缝发育程度高，密度大，远高于内幕断层带的裂缝密度，其主要原因在于岩石受到风化作用影响后破裂压力大幅度降低，对应力更为敏感（图5）.

3.3　压扭与拉张应力对储层影响差异性

有学者注意到了不同性质断裂对储层的影响，提出压性断裂最好，压扭性断裂次之，张扭性断裂最差（刘惠民等，2014）. 渤中凹陷在地质历史时期经历了多期次挤压和拉张构造应力作用，潜山内部裂缝发育. 为了揭示变质岩中裂缝的成因机制，本次研究选取与研究区野外太古界二长片麻岩样品为研究对象，开展了岩石破裂过程测试和声发射实验，模拟挤压和拉张构造应力条件下变质岩裂缝形成的差异性. 实验在中国地震局地质研究所构造物理实验室开展，压性实验样品制备成直径40 mm、高80 mm的标准圆柱样； 张性实验样品制备成直径60 mm、高30 mm的圆盘样. 实验中使用16个直径为5 mm的声发射探头固定于实验样品表面， 接收和记录实验过程中出现的微裂缝信号. 实验采用荷载控制方式进行加载，压性实验的加载速度为0.1 kN/s，张性实验的加载速度为0.02 kN/s，实验过程中保持加载过程与声发射全波形采集.

（1）　挤压条件

二长片麻岩的整个变形破裂过程中都持续有声发射事件产生，声发射事件率呈逐渐增加趋势. 虽然声发射率整体呈上升趋势，但加载过程中高低声发射率是间歇出现的，实验中1 125 s、1 530 s、1 950 s时分别出现明显的声发射事件率突增现象，并将整个变形破坏过程分为数个阶段. 1 530 s开始样品声发射率的突增，短时间内大量的声发射事件产生于样品上部，形成第二个声发射集中区，说明这个阶段大量微裂纹在样品上部产生扩展. 此后样品的声发射定位结果逐渐向中部集中，两端的微裂隙向中间拓展、贯通并于最后形成宏观贯通裂缝. （图6）.

（2）　拉张条件

二长片麻岩样品较为均匀，没有过多的先存裂隙，从定位结果来看，二长片麻岩样品早期的声发射事件分布较为均匀，没有形成其他岩性样品明显的裂隙集中区域. 随着载荷的增加，声发射累计以较低的事件率持续上升，样品内部裂隙分布依旧相对均匀. 520 s后声发射事件率开始上升，并在575 s时达到最高. 此时的样品内新增的声发射出现在样品中上部分，形成明显的条状聚集区，说明大量微裂隙在此时产生且扩展迅速，汇合贯通形成滑动面. 观察结果显示最后阶段的声发射定位的集中区与样品最终宏观破裂面一致（图7）.

模拟实验表明，在挤压背景下和拉张背景下都可以形成裂缝，但两者相比较挤压作用形成的裂缝数量多，规模大，尤其是沿着主破裂面形成了的伴生的微裂缝体系，规模也远超过拉张背景形成的裂缝，这证实了挤压背景对裂缝储层的形成更有利.

3.4　不同期次构造活动叠加控储机制

地质条件下裂缝往往被不同类型的矿物所充填，常见的充填物有石英、铁质矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物、热液相关的黄铁矿、萤石、重晶石等（Xu et al.，2024）. 宏观上还可以被后期岩浆所充填，渤海海域后期岩浆活动强烈，主要包括辉绿岩、闪长玢岩、石英岩脉等. 裂缝充填后的岩石的抗压、抗剪强度变化及裂缝形成能力是建立早晚期断裂控储机制的关键.

为了进一步落实微裂缝发育段与微裂缝不发育段岩石段破裂强度的差异，选择B6⁃8井两段同岩性岩心开展了加载围压（48 MPa）的三轴抗压实验，测试结果表明，发育微裂缝的样本，尽管有裂缝充填支撑作用，但岩石的抗压强度大大降低（表1），不发育微裂缝的样品，抗压强度比前一个样品高3.39倍.

薄片观察表明，早期裂缝充填作用普遍发育，晚期构造活动对早期裂缝的活化改造作用是裂缝能否成为有效储层的关键. 活化裂缝荧光显示较好，未活化裂缝未见荧光显示，是非储层（图8a，8b）. 变质岩潜山相当多的早期裂缝被铁质、碳酸盐和粘土矿物等充填. 但晚期活化裂缝往往与早期裂缝密切相关，一部分切穿充填物在原裂缝发育，一部分沿着早期裂缝方向发育在早期充填裂缝周围（图8c，8d，8e）. 而且，可以看到早活化裂缝有明显的选择性，碳酸盐矿物充填的裂缝再活化比例高，当碳酸盐矿物充填和黏土矿物充填并存时，黏土矿物充填的更容易再活化.

上述薄片观察到的构造活化现象从微观上证实了早晚期构造活动的叠加影响模式与机制，成岩流体的多样性决定了裂缝充填的复杂性. 碳酸盐矿物、分散的铁质矿物、黏土矿物等低强度的矿物充填后，薄片观察到的大量裂缝在这些矿物充填的裂缝周围发育. 碳酸盐矿物化学活动性强易溶蚀，分散的铁质矿物及黏土矿物对裂缝两侧裂缝的粘合作用弱，是相对薄弱带，更容易受后期构造作用影响而重新开启，上述机理是后期构造活化早期构造缝进而形成有效储层的重要机制. 在后期开发过程中，B9⁃9井区远离顶面的内幕带，虽然发育早期裂缝，但裂缝充填严重（图8g，8h，8i）后期活化不足，大部分裂缝没有重新开启，导致该段多口开发井为低效井或无产能井.

4 构造活动叠合控储作用

4.1　研究区经历的主要构造幕次

华北克拉通自形成以来经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜山期多期构造运动（李三忠，2011）. 为了进一步确定研究区经历的构造幕次，采用激光原位方解石U⁃Pb同位素方法对研究区岩心中的方解石脉开展了定年工作，实验在中国石油勘探开发研究院杭州分院完成. 样品选取太古界变质岩岩心裂缝中的方解石脉体，利用激光剥蚀（LA）与高分辨单接收电感耦合等离子质谱仪（ICP⁃MS）联用，测定裂缝中方解石脉的U⁃Pb方解石年龄. 实验分析原理：用激光束对待测样品微区目标进行烧蚀，被烧蚀出来的物质在Ar等离子体中发生电离，然后用质谱仪对被电离物质进行同位素比值的测量，再根据被测样品与相应标准样品的同位素比值测量结果进行有关元素含量和被测样品同位素年龄的计算.

测试结果表明，渤中凹陷太古界变质岩裂缝中方解石脉的绝对年龄214±33 Ma，104±23 Ma，41.6±4.3 Ma（图9，表2），这些年龄分别代表了印支期、燕山期、喜山期构造活动年龄，是太古界变质岩经历这些构造改造的关键证据. 也是开展多期次构造运动叠加控制储层发育研究的重要支撑.

4.2　印支期构造活动及其控储作用

太古界主要发育印支期、燕山期、喜马拉雅期3期构造活动期（徐长贵等，2019；周心怀等，2022）. 中生代以前，研究区为稳定的克拉通，沉积了厚度相对稳定的古生界（徐长贵等，2019）. 印支期在华南板块的北向的挤压作用下，形成了近NWW向的基底卷入式的强烈逆冲推覆，大面积的太古界被抬升至地表遭受风化剥蚀，并沿着断裂的主动盘形成了逆冲相关褶皱（吴智平等， 2007）. 太古界顶部的古生界遭受剥蚀，从逆冲褶皱最高点向两侧地层楔状加厚（图10）. 进入燕山中期，在拉张背景下先期逆冲断裂发生负反转，早期古生界地层形成“薄底构造”（图10），在反转断裂的控制下较低构造带沉积了厚层中生界（图10）. 燕山末期，受太平洋构造域的控制，研究区再次进入挤压阶段，但应力远弱于印支期，对潜山顶部进行了少量剥蚀与改造（侯贵廷等， 2001）；喜马拉雅期由于太平洋俯冲方向发生变化以及印度板块与欧亚板块碰撞，郯庐断裂发生右旋走滑拉张活动（李三忠等，2011）. 喜山期运动对潜山内部早期裂缝产生再活化作用，使早期裂缝发生再次开启. 上述构造运动中印支期构造挤压强度高，波及范围广，影响深度大是构造成储关键期.

F3断裂是控制研究区逆冲推覆构造的主断层（图10），先期逆冲形成逆冲推覆构造主体，后期负反转，控制中生界盆地沉积，并在底部形成典型的古生界薄底构造（图10）. F3断裂在逆冲期其两侧岩石承受的挤压剪切应力大，成储效应明显. 在后期伸展背景下，断层下降盘快速沉降，并控制了中生界盆地的发育. 下降盘的快速沉降造成上升盘横向上应力失稳，早期挤压剪切形成的缝网体系得以开启（图10）. 大型控盆断裂会形成上下盘之间较大的高程差，由于重力作用可以形成大量深切临空节理，这些裂缝与节理都可以成为有效储集空间. 紧邻F3断层的上升盘是沿着F3走向的多个构造高点，也是主要应力释放区和构造形变强度较大的区带，理论上也更易发育裂缝.

对研究区钻井进行了统计，在邻近F3断裂带的印支期逆冲构造带的核部，储层厚度大，最大厚度超过1 000 m；储层净毛比高，最大储层累计厚度超过440 m，最大净毛比达到60%. 平均储层厚度285.1 m，净毛比平均值42.4%（表2），展示了印支期构造活动对太古界变质岩潜山超大规模储层形成的核心控制作用.

4.3　印支期后构造活动叠加控储作用

B3、B9构造区太古界岩性主要为花岗片麻岩-花岗混合岩，岩性都是以富含石英、长石的片麻岩-混合岩，平面变化小；构造演化上为同一背景下，近同期抬升、剥蚀与埋藏的构造带；上述条件也较好地排除了风化差异及岩性差异的干扰.

区域上对B3、B9构造区不同期次的断裂进行了刻画，并统计多口井裂缝的走向，研究区呈现多组不同时期形成的裂缝叠加展布的面貌. 其中，F1断裂组近东西向展布，具有挤压性质，是印支早期南北向挤压形成的断裂体系（徐长贵等，2019；周心怀等，2022）. 北西向大断裂（图11，F2、F3）具有明显的逆冲推覆性质，是印支晚期北东向挤压形成的断裂体系，其控制了背斜的整体形态（徐长贵等，2019；周心怀等，2022）. NEE方向的燕山期挤压断层切割印支期背斜东南侧（图11，F7）；另外一组近南北向走滑断层在燕山期形成，并在喜山期仍长期活动（图11，F4、F5、F6）进一步让背斜复杂化；喜山期断裂在盆地边控制了新生代盆地（图11， F4、F5、F6）.

宏观上，以F1为代表的印支早期断层组、以F3为代表的印支晚期断层与燕山-喜山期长期活动的走滑断层F4、F5、F6在构造带西侧叠合，形成了一个多期断裂密集叠合区. F2断层与印支早期的F1断层组在构造带东侧叠合，其南侧被少数几条燕山期断层（F7）切割（图11），上述断裂叠合特点对储层的发育程度起到了明显的控制作用.

构造带西侧储层净毛平均42.4%，钻井揭示其裂缝走向主要为近东西向，部分为北西向（表2），根据区带断裂分析结果，这一区域也是印支期、燕山期、喜山期断裂的叠加区（图11）；东西向及北西向期断裂主要形成于印支期，虽然断裂及裂缝形成年代久远，并见到大量充填现象，但晚期断裂足可以对已充填的裂缝再活化改造，进而形成有效储层. 构造带东侧储层净毛比为23.4%，也是低效井主要分布区，燕山期断裂叠加改造影响范围小，喜山期断裂不发育，后期再活化作用弱是储层净毛比低的主要原因.

印支期、燕山期和喜马拉雅期3期构造运动对渤中凹陷变质岩基岩潜山的叠加改造，形成了渤海基岩变质岩潜山超大规模裂缝体系，为后期油气的充注提供了超大规模疏导体系及储集空间，进而奠定了超大规模油气藏形成的条件.

5 结论

（1）太古界变质岩超大规模储层主要受岩性、风化、构造活动3因素控制. 岩性是基础，黑云母、角闪石等塑性矿物含量高的岩性裂缝不发育，长石、石英矿物含量超过70%的岩性裂缝发育；风化后岩石强度降低有利于裂缝发育；构造活动是主控因素，挤压应力与拉张应力相比，挤压应力形成的裂缝发育程度高.

（2）早晚期构造运动的叠加活化作用是变质岩潜山裂缝储层形成的重要机制. 早期裂缝虽有矿物充填但岩石抗压强度显著降低，利于后期裂缝的形成. 被黏土，碳酸盐，铁质矿物充填的裂缝更容易受到后期应力、流体的影响再活化.

（3）太古界潜山自印支期以来经历了印支期，燕山期，喜山期3幕次构造运动改造. 印支期强烈逆冲推覆作用奠定了后期超大规模储层发育基础，印支期断裂与燕山期、喜山期断裂叠合部位控制了潜山裂缝型储层集中发育带.

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基金资助

国家“十三五”科技重大专项(2016ZX05024003)