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    花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例

    黄建红 谭先锋 程承吉 李泽民 马丽娟 张海丽 吴颜雄

    黄建红, 谭先锋, 程承吉, 李泽民, 马丽娟, 张海丽, 吴颜雄, 2016. 花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例. 地球科学, 41(12): 2041-2060. doi: 10.3799/dqkx.2016.528
    引用本文: 黄建红, 谭先锋, 程承吉, 李泽民, 马丽娟, 张海丽, 吴颜雄, 2016. 花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例. 地球科学, 41(12): 2041-2060. doi: 10.3799/dqkx.2016.528
    Huang Jianhong, Tan Xianfeng, Cheng Chengji, Li Zemin, Ma Lijuan, Zhang Haili, Wu Yanxiong, 2016. Structural Features of Weathering Crust of Granitic Basement Rock and Its Petroleum Geological Significance: A Case Study of Basement Weathering Crust of Dongping Area in Qaidam Basin. Earth Science, 41(12): 2041-2060. doi: 10.3799/dqkx.2016.528
    Citation: Huang Jianhong, Tan Xianfeng, Cheng Chengji, Li Zemin, Ma Lijuan, Zhang Haili, Wu Yanxiong, 2016. Structural Features of Weathering Crust of Granitic Basement Rock and Its Petroleum Geological Significance: A Case Study of Basement Weathering Crust of Dongping Area in Qaidam Basin. Earth Science, 41(12): 2041-2060. doi: 10.3799/dqkx.2016.528

    花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例

    doi: 10.3799/dqkx.2016.528
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 41202043

    中国石油科技创新基金项目 2014D-5006-0108

    国家科技重大专项项目 2011E-0302

    国土资源部页岩气资源勘查重点实验室开放基金项目 BSYS2014-01

    详细信息
      作者简介:

      黄建红(1979-),女,博士研究生,工程师,主要从事油藏开发地质方面研究工作.E-mail: yuqi125@qq.com

      通讯作者: 谭先锋,E-mail: xianfengtan8299@163.com
    • 中图分类号: P588.37

    Structural Features of Weathering Crust of Granitic Basement Rock and Its Petroleum Geological Significance: A Case Study of Basement Weathering Crust of Dongping Area in Qaidam Basin

    图(20) / 表ll (2)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2016-03-13
    • 刊出日期:  2016-12-02

    花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例

      通讯作者: 谭先锋, xianfengtan8299@163.com
      作者简介: 黄建红(1979-),女,博士研究生,工程师,主要从事油藏开发地质方面研究工作.E-mail: yuqi125@qq.com
    • 1. 中国石油青海油田公司勘探开发研究院,甘肃敦煌 736202
    • 2. 重庆科技学院复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室,重庆 401331
    • 3. 重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331
    • 4. 中油测井青海事业部,甘肃敦煌 736202
    基金项目:  国家自然科学基金项目 41202043中国石油科技创新基金项目 2014D-5006-0108国家科技重大专项项目 2011E-0302国土资源部页岩气资源勘查重点实验室开放基金项目 BSYS2014-01

    摘要: 近年来,不少学者开始关注基岩油藏,但有关基岩风化壳的研究尚未有报道.以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为研究对象,结合东坪地区的地质资料、测井资料及地球化学资料,对花岗质基岩风化壳的结构特征及其与油气储集的关系进行了系统的研究.结果表明:(1) 建立了以Al2O3、CaO、Na2O、K2O为主要判别依据的花岗质基岩风化指数,准确的识别出古土壤层、残积层、半风化层、未风化层;(2) 根据成像测井响应特征及常规测井曲线可以很好地识别古风化壳特征;(3) 东坪地区基岩风化壳的主要储集空间有基岩溶蚀孔洞、基质矿物溶孔和基岩裂缝,共3种,为致密储层,风化壳由风化基面向上,孔隙逐渐发育,至半风化岩石中部的孔隙度较大,且以大孔隙为主,由半风化岩石到风化粘土层,孔隙的规模变小,逐渐以微孔隙为主,纵向上,孔隙度与风化程度、构造缝发育情况、埋藏深度及其和应力释放中心的距离具有相关性.风化壳的存在大大的改善了储层物性,扩展了含气面积,增加了含气层系,对花岗质基岩地层油气藏和深层油气勘探具有重要的理论价值和科学意义.

    English Abstract

      • 处于地壳表层的所有岩体无论它们的成因如何,均处于地壳表层各种风化作用营力之下,最终都不可避免的生成各种风化壳(李景阳和朱立军,2004).风化壳是地壳表层岩石风化的结果,除一部分溶解物质流失外,其碎屑残余物质和新生成的化学残余物质大都残留在原来岩石的表层.这个由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分,就称为风化壳.风化壳研究受到越来越多的国内外地质学家们的关注.作为分隔上下层的间断面,不整合和风化壳已经被广泛应用到工程地质、地层的分析和对比及固体矿产和油气的勘探开发中(吴恒,1994尚彦军等,2008邹才能等,2014).早在1933年,人们在美国的中德克萨斯州就发现了9个基岩风化壳油田(金衍泰和胡征钦,1996);在此之后,又分别在利比亚、委内瑞拉、越南、印度、印尼和俄罗斯发现了大储量油气田.风化壳的研究已经成为国际地质学家讨论的热点,当前的研究表明,人们多以岩性、地层的接触关系为依据对风化壳的结构进行划分,有关风化壳的结构特征及其对油气储集的控制作用缺乏典型的研究实例.

        柴达木盆地是我国油气资源勘探开发的重要战略基地.自1954年开展油气勘探以来,人们共发现中小型油气田25个(谭彦虎等,2006付锁堂,2010付锁堂等,2012).同时也在以往的勘探中,如跃进二号油田、跃西油田、马北油田的众多探井,分别在盆地基底-基岩和风化壳内有不同程度的工业油流或油气显示,昆北、东坪钻探了多口基岩风化壳高产油气流井,取得重大油气勘探成果(吴颜雄等,2014).近年来,不少学者开始关注基岩油藏(黄建红等,2013吴颜雄等,2014),但有关基岩风化壳的研究尚未有系统的报道,本文以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为研究对象,结合东坪地区的地质资料、测井资料及地球化学资料,对花岗质基岩风化壳的结构特征及其与油气储集的关系进行了系统的研究,为研究区基岩气藏的进一步勘探开发提供依据.

      • 东坪地区位于柴达木盆地西北缘,处于阿尔金山前带东段.研究区块西面为茫崖凹陷与大风山凸起,东接昆特依地区、冷湖构造带,东南面紧邻一里坪生烃凹陷,平均海拔为2 750 m,面积近5 000 km2.区内自西向东为尖北斜坡、东坪鼻隆、牛北斜坡、牛东鼻隆、冷北斜坡的“两隆三带”构造格局(付锁堂等,2012).各构造内部被一系列小断层切割形成背斜、断背斜、断块等圈闭形态.东坪鼻隆受控于坪东、坪西及红南断裂,该区上下各层构造形态基本一致.东坪1井区处于整个鼻隆的低断隆,受反向断层的控制形成的断鼻构造,高部位为断背斜构造.东坪3井区为鼻隆高断阶受小断层影响形成的背斜构造,构造继承性强.阿尔金山东段地区主要经历了3个大的构造演化阶段,分别为燕山早期断陷阶段:中生代(侏罗系)为伸展断陷阶段;喜山早期断坳阶段:路乐河组至下干柴沟组上段为拉分断陷阶段,东坪地区在断裂的控制下,具有了古斜坡背景;喜山中晚期挤压反转阶段:上干柴沟组-下油砂山组为坳陷阶段,东坪地区形成古隆起,并形成现今的构造形态(吴颜雄等,2014).区内发育基岩风化壳、侏罗系、古近系和新近系(图 1),其中东坪鼻隆发育新生代第三系,主要包括路乐河组(E1+2)、下干柴沟组下段(E31)与上段(E32)、上干柴沟组(N1)地层,下油砂山组(N21)、上油砂山组(N22)、狮子沟组(N23)在区内多遭受剥蚀,地层总厚度为1 000~8 000 m,整体向山前抬升减薄.目前已经发现基岩风化壳、E1+2、E31、E32等五套含气层系,本文主要针对基岩储层,开展基岩风化壳特征及油气储集意义研究.

        图  1  东坪地区构造位置和综合柱状图

        Figure 1.  Tectonic sketch and comprehensive column of Dongping area

      • 基岩风化壳前期经历了具有阶段性的风化作用,后期经历了沉积压实等成岩作用,使其在剖面上表现出明显的分层特征,因而地质学者认为不整合不仅是一个简单的“面”,更是一个“体”,其本身具有较独特的微观组构(吴孔友等,2002).早在1992年对三峡工程基岩风化壳的研究中,王幼麟(1992)提出了新鲜基岩、微风化带、弱风化带(较坚硬)、弱风化带(较松软)、强风化带和完全风化带的六结构分层.此后又有学者在此基础上提出了未风化带、微风化带、中等风化带、强风化带、残积土和全风化带的五结构分层(李景阳和朱立军,2004).本文在前人研究基础上,利用测井及地球化学等资料,根据风化程度的不同,对东坪地区基岩风化壳结构进行了系统识别.

      • 由于花岗岩具有与沉积岩截然不同的放射性特征,在能谱上有较高的识别率,其本身电性稳定为高电阻,但在风化和构造的双重作用下裂缝较发育,电成像对比度清晰,因此可以利用成像测井资料有效地划分基岩风化壳的古土壤层、残积层、半风化层、未风化层.此外根据成像测井标定常规测井后总结出不同纵向结构的常规曲线特征,在未测特殊测井时,利用常规测井资料也能准确划分出其基岩纵向结构带.本次研究通过对东坪地区成像测井响应特征(图 2)和常规测井曲线(图 3),对风化壳进行了定性识别.

        图  2  基岩不同结构的成像测井特征

        Figure 2.  Different structures imaging logging feature of bedrock

        图  3  基岩不同结构对应的常规曲线

        Figure 3.  Different structures regular graph of bedrock

        成像测井特征和常规测井曲线显示,柴达木盆地东坪地区古风化壳的不同层位有不同的结构,因而测井曲线表现出不同的特征.利用不同结构的风化程度、孔隙发育情况、电阻率、GR值、DEN值以及CNL值所表现出的不同特征可以有效地划分基岩风化壳的结构.根据基岩纵向结构的划分模式、常规以及成像测井曲线的不同特征组合,可以识别出风化壳的古土壤层、残积层和半风化层,不同风化层的特征组合存在明显差异(表 1).

        纵向结构 地质特征 常规曲线特征 电成像特征 阵列声波特征
        古土壤层 岩石结构完全破坏,遇水崩解,分化蚀变,次生矿物发育 GR高值、DENCNL中低值、电阻率低值 受粘土含量高的影响,成像整体呈暗色 纵波时差大,岩石抗压强度和弹性模量较小
        残积层 岩石结构大部分破坏,岩石破碎 电阻率中高值 成像图颜色较暗,存在微裂缝,裂缝间距大 纵波时差小,有一定的各向异性
        半风化层 岩石结构完整,风化裂缝较发育 电阻率高值、CNL低值、DEN高值、井眼扩径 裂缝发育,主要集中在中上部,裂缝间距小 纵波时差小,裂缝发育层段斯通利波衰减强烈

        表 1  基岩纵向结构在地质、测井上的特征

        Table 1.  Geological and well logging features of vertical structure on bedrock

      • 柴达木盆地东坪地区基岩风化壳的元素地球化学特征表现为不活动元素(Al2O3、Fe2O3、SiO2)的相对富集以及碱和碱土金属元素(CaO、Na2O、K2O、MgO)的流失.风化壳物质通常来源于风化壳基底中相对不溶部分的聚集和变性.从化学上来说,风化物质的主要成分为Si、Fe和Al的氧化物.但碱及碱土金属元素的流失和Si、Al、Fe等元素的相对富集程度还与风化原岩的原矿物成分有密切关系.长石类和含铁镁质矿物在风化过程中遭到破坏,Si、Al、Na、Ca等离子被释放出来,Na、Ca等离子从地层中淋滤掉,而Si、Al离子在高岭石和多水高岭石中被保存下来,或赋存在二氧化硅和高岭石矿物中,于粘土层下部杂色泥岩段再沉积或继续遭受淋滤作用;不稳定的铁镁矿物(辉石、橄榄石、角闪石、黑云母)在风化作用下生成氧化铁,其中的Mg和正长石及黑云母中的K都会失去,但交代作用有可能再重新回到不整合之中.元素俘获谱测井(elemental capture spectroscopy,简称ECS)(图 4)所得到的地球化学元素纵向变化特征能直观地反映风化程度的影响及变化.图 4a东坪103井的富集元素是指Fe、Si、Al含量总和,淋失元素指K、Na、Ca、Mg元素含量总和.可以看出,基岩顶部风化作用最强,富集元素含量最高,淋失元素含量最低,随着风化程度减弱,富集元素含量逐渐减少而淋失元素含量逐渐增加.

        图  4  东坪103井ECS元素及基岩风化指数特征

        Figure 4.  ECS elements and bedrock weathering index feature of Dongping 103 wells

        由于受风化影响,基岩顶部风化带部分长石高岭石化,Al2O3含量较高;而受淋滤作用影响,碱和碱土金属元素(CaO、Na2O、K2O、MgO)含量较低.本文利用ECS得到的化合物含量建立基岩风化指数DRW,定量指示风化程度的强弱.从基岩风化指数DRW随深度变化图可以看出,基岩地层从上到下随着风化程度减弱,基岩风化指数DRW逐渐减小,在3 240~3 310 m井段存在两个异常峰值(图 4),说明半风化层中上部的风化程度比下部更高,随着基岩深度的增加,风化指数最终趋于稳定.利用风化指数DRW可以量化评价基岩风化程度.表 2为基岩风化壳纵向结构带的DRW划分标准(DRW=Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)).

        基岩纵向结构带 风化指数DRW
        古土壤层 >0.55
        残积层 0.37~0.55
        半风化层 0.10~0.37
        未风化层 <0.10

        表 2  基岩风化壳纵向结构带的DRW划分标准

        Table 2.  DRW division standard weathering crust vertical structure

      • 风化壳纵向上岩性主要为碳酸盐岩、玄武岩、花岗岩和碎屑岩,笔者通过岩心和薄片的观察结合电成像、自然伽马能谱和测井等手段对东坪地区基岩风化壳岩性进行研究,发现东坪地区基岩的岩性包括2类:(1) 侵入岩浆岩类,主要为花岗岩类,主要分布在东坪地区的西北部与东南部;(2) 片麻岩,主要分布在东坪1井区(图 5).

        图  5  东坪地区成像识别基岩岩性

        Figure 5.  Bedrock lithology of imaging logging in Dongping

        花岗岩成像背景为亮白色,表现为致密块状的特征,可见高角度裂缝发育.ECS测井结果表明整体上矿物比较均一,以石英长石为主,含少量的暗色矿物和碳酸盐岩矿物,中间夹有4个薄层,暗色矿物含量明显高于上下的围岩,石英长石含量相对低,元素含量道中表现为铁、铝元素含量高,硅元素含量低.与常规测井资料对比笔者发现在暗色矿物含量高的层段,自然伽马相对低,中子密度明显高于上下的围岩,表明元素俘获谱测井得到的元素含量纵向演变规律与矿物剖面与自然伽马、密度、中子测井曲线变化形态有很好的一致性(图 6).

        图  6  东坪306井花岗岩ECS曲线

        Figure 6.  Gneiss ECS sketch of Dongping 306 well

        片麻岩可见到片麻状纹理特征,成组出现细的暗色条带,其产状稳定,类似于沉积岩中观察到的纹层,这是在应力或者高温等条件下形成的部分暗色矿物定向排列产生,由于含有暗色矿物,图像为亮,同时可见交错的网状裂缝发育,ECS处理成果图显示暗色矿物、石英长石和碳酸盐岩基本各占1/3,纵向上矿物成分变化较大,局部碳酸盐岩质量分数可高达50%以上,少数层段的暗色矿物质量分数超过50%,整体上钾元素含量比较低,质量分数多小于2%(图 7).

        图  7  东坪103井片麻岩ECS曲线

        Figure 7.  Gneiss ECS graph of Dongping 103 well

        两类岩性通过ECS对比后差异主要体现3个方面:(1) 矿物含量的不同,花岗岩暗色矿物含量低,片麻岩暗色矿物含量高;(2) 矿物成分的纵向分布形式差异大,片麻岩矿物含量纵向上变化大而花岗岩矿物含量纵向上稳定;(3) 常规曲线的不同,主要体现在自然伽马和钾含量上,片麻岩自然伽马相对低,纵向上波动大,花岗岩自然伽马相对高,纵向上波动小.除此之外,中子密度也有所不同,但由于中子密度受井眼环境的影响较大,且中子存在众多的环境校正,因此存在的差异不能完全归结为岩性的差异.

      • 同一基岩由于所处的局部环境条件不同,所遭受风化因素的作用和剧烈程度不一样,因此不同风化带风化产物的成分和性质也不相同(王幼麟,1992).通过对东坪地区的岩心资料、测井和地球化学等资料分析发现,各井区的纵向结构带均存在3套层系,即土壤层、残积层、半风化层.据此,笔者建立了基岩风化壳纵向结构模型(图 8),不同风化壳层系特征不同.

        图  8  基岩风化壳理论结构模型及纵向结构剖面对比

        Figure 8.  Theory and structure model of weathering crust and comparison of profile the vertical structure

        (1) 土壤层:古土壤层是厚度最小的一个层,厚度一般小于2 m.主要原生矿物为石英、长石、角闪石和黑云母,但由于受到强烈的风化作用(DRW>0.05) 及一定的成岩作用,其古土壤层的结构几乎全部被破坏,原生矿物也基本发生蚀变,形成的次生矿物主要为水云母、绿泥石、绿帘石甚至是蛭石,pH值略有降低,但变化不大.由于风化程度严重,分散度增大导致古土壤层比表面有所增大(王幼麟,1992).该层母岩矿物成分、组织结构全部破坏,除部分石英颗粒外,原生矿物几乎全部转变为粘土矿物.在斜坡地带古土壤层很难保存,仅在少数的台地、残丘有分布,故笔者在常规测井曲线上难以识别出古土壤.在成像测井图像上,古土壤为一厚度小于2 m的低阻黑色条带,与上覆地层和下伏完全风化层呈突变接触.该层化学风化作用除了Na、Mg、Ca、K元素几乎全部被淋失外,主要是脱硅富铝铁化作用,即SiO2含量明显减少,Al2O3和Fe2O3含量明显增大(吴宏伟等,1999;付伟等,2015).GAMM(Gamma-ray logging)和GATO(Gamma ray without uranium)相对于上覆沉积岩明显升高,趋势一致,受Th、K含量增加为主要因素,较下伏地层值偏低;电成像色暗,类似于泥质岩,无层理和韵律现象可区别于沉积岩,由于差异性分化局部可见原岩亮斑.柴达木盆地东坪地区取心资料证实古土壤层的主要岩性为泥质岩,岩石全部转化为粘土,基岩结构和构造全部被破坏,受生物扰动,氧化后颜色多为褐红色,在区域作为盖层.

        (2) 残积层:主要原生矿物同样为石英、长石、角闪石和黑云母,由于受到风化作用,大部分原生矿物发生蚀变,形成绢云母、绿泥石、绿帘石、部分方解石和游离的硅铁铝氧化物,钠长石和黑云母全部转化为粘土矿物.由于原生石英和少量钾长石颗粒较粗而成为土中砾石.常呈褐黄色、灰褐色、灰色.该层pH值与土壤层比较略有降低,比表面减小.该层原岩的结晶结构联接全部丧失,虽原岩结构尚可辨认,但全部转化为松散的矿物材料,肉眼难见长石颗粒,在水中很快崩解破坏.泥质含量相对较高,岩石结构大部分被破坏,主要发育裂缝,为物性相对较差的层状储集体.厚度1~10 m.其GAMMGATO攀高,幅度差增加,值略低于下伏地层且逐渐接近原岩几近不变,电阻率和补偿密度均较下伏地层略低,声波和补偿中子较下伏地层略偏高;电成像明暗交替,反映出有若干大小不等、产状不一的高导缝发育特征.成像图颜色较暗,存在微裂缝,裂缝间距大.残积层在测井曲线上的特征由上向下表现为:ACCNL数值逐渐变小,GRDENLLD数值逐渐变大,ACDENCNLGR和电阻率曲线在完全风化带和半风化带之间存在明显突变台阶(图 9).该层在成像测井上表现为高阻亮斑和低阻暗斑混杂堆积的模糊不清层段,整体颜色较暗,无基岩骨架特征,岩心为基岩风化粘土与基岩风化残留角砾混杂堆积物.笔者在完全风化带的成像测井内部见少量浅色条带,为石膏和碳酸盐的胶结条带,且发育少量被胶结的裂缝(图 10).岩石几乎全部转化为粘土,仅有很少的基岩残余角砾,原岩结构模糊不清,具有较强的胶结现象;Fe、Ti、Al等元素相对含量高,而Na、Si等元素的含量较低.在上覆沉积物压实作用下岩性较致密,孔渗性相对较差,是一套良好的封盖层,也可阻止油气窜层运移.岩性、气候、沉积间断、暴露时间等直接影响风化黏土层的发育,其厚度为数米至十余米,局部因后期再剥蚀可能缺失.

        图  9  东坪7井E1+2标准层测井曲线

        Figure 9.  Well logging curve of Dongping 7 wells E1+2 standard

        图  10  成像测井中残积层裂缝

        Figure 10.  Crack of eluvium in imaging logging

        (3) 半风化层:半风化层厚度较大, 一般大于400 m.主要矿物为斜长石、石英、云母、角闪石, 少量矿物发生蚀变, 几乎无粘土矿物.蚀变主要沿着裂隙发育, 其孔隙度和渗透性与土壤层和残积层相比较差, 解理裂隙面有浸染现象形成泥化薄膜.半风化层与残积层之间界限明显, 呈突变接触.在不整合形成过程中, 大气淡水沿早先形成的裂隙下渗, 使下伏岩层发生岩溶, 形成大量风化裂隙和溶蚀孔洞, 造成风化淋滤带次生孔隙(带)发育基岩球状风化, 风化作用沿节理面从节理块外部向中心进行, 从下部到上部, 随着风化强度增加, 节理面风化增强、增多, 呈现出网状缝的特征, 节理块变小、变圆滑; 从下到上粘土矿物增多.在成像测井上表现为一网状缝发育段, 具有基岩骨架的特征, 可见大量的高导正弦裂缝交织成网状, 裂缝边缘模糊不平整且具有溶蚀加宽现象, 局部见大的暗斑, 为低阻的强溶蚀部位, 可能是溶孔, 溶洞.伽马高值, 电成像色亮, 夹杂若干暗色条纹, 随深度增加高阻现像越发明显, 裂缝发育程度降低.主要发育大量低角度节理缝和正弦高导缝.在测井曲线上的特征表现为:AC曲线基线值很低, 呈跳跃频率高且跳跃幅度大的"尖峰状"曲线; DENCNL曲线为一跳跃明显的曲线, 局部裂缝集中发育处的曲线呈低密度的"平台"; GR曲线基线值较高, 局部裂缝集中发育处为低值的"平台", 发育于裂缝; SP值偏小; 电阻率基线值较大, 在裂缝集中发育处为低值的"平台"(图 9).半风化层在成像测井图像上的颜色较浅, 宏观上表现为以低角度节理缝为主, 并发育高导正弦裂缝的层段(图 10).半风化层局部具有被网状缝切割且溶蚀现象, 这可能是后期断层切割造成的.致密基岩段具少量裂缝.致密基岩段在测井曲线上的响应特征表现为:ACCNL基线值相比半风化层基线值更低, 曲线跳跃频率明显减小且跳跃幅度明显减弱; GRDENSP和电阻率基线值明显增大, 接近原岩的测井响应特征.半风化层呈块状, 厚度大, 孔缝配置较好, 是主要的储集体.

        (4) 未风化层:未风化层为新鲜的花岗岩,主要成分为斜长石、石英、黑云母、角闪石,次生矿物为少量的绢云母、绿泥石、绿帘石、方解石和赤铁矿,无粘土矿物,无长石高岭石化.岩石及矿物晶体无次生裂隙,无风化蚀变现象,有少量构造裂隙.纵向结构带的总体特征是平面存在连续性、纵向存在差异性.

      • 通过对古构造、古气候等信息进行综合分析,东坪地区基岩风化壳结构主要受风化剥蚀的时间、暴露期的古气候、上覆沉积环境、岩性的不同、断裂构造、古地貌等因素综合控制.综合考虑以上6个因素,笔者恢复了东坪地区基岩风化壳的形成环境及模式(图 11).基岩风化壳主要表现为:(1) 风化剥蚀的暴露时间直接决定了风化壳的厚度,间断时间越长,半风化岩石厚度往往就越大,一般认为具有风化粘土层的风化壳其形成需要数十万年以上的漫长过程(尚彦军等,2008),当然在特定物质(细粒松散层)、特定气候(潮湿)等条件下,风化粘土层形成的时间会变短;(2) 暴露期柴达木盆地阿尔金南缘,其气候类型属于炎热干燥类型(谭彦虎等,2006),就气候因素而言不利于风化壳储层发育,尤其土壤层形成时,在炎热干燥气候下风化作用以物理性风化主,化学风化和生物风化较弱;(3) 上覆层不同沉积环境的水动力强弱直接关系到下伏层风化壳的最终发育状态.就水动力强弱对下伏层侵蚀程度而言,各种主要岩相顺序依次为:冲积相砂、砾岩>湖相砂、生物灰岩>冲积相泥岩>湖相泥岩,研究区位于阿尔金南麓,其风化壳上覆层的沉积岩相主要为冲击相砂、砾岩, 这也是造成局部风化壳及其结构不完整的原因;(4) 岩性是形成风化壳的基础,岩性不同风化壳结构会有较大差异,变质岩和火成岩致密而性脆,研究区经强烈构造作用的改造以及长时间的风化淋浴作用,形成了以花岗岩和片麻岩为主要基岩的风化壳;(5) 裂缝也是地表大气降水进入基岩内部对基岩进行溶蚀改造的通道和场所,再者裂缝的特征是划分风化壳结构的一个重要指标, 因此,构造裂缝的发育特征对风化壳结构具有控制作用,往往在断层附近风化壳厚度较大,半风化层厚度大;(6) 古地形对风化壳发育具一定影响,地形高则地下水位相对低,同时侵蚀作用也相对强烈,如东坪3井区古构造高点附近土壤层的缺失;较陡的地形由于水流相对较强, 植被较少,其风化作用偏向物理风化,风化下来的碎屑物质也很难保存.而较缓的地形土壤容易保存,植被发育,化学风化作用、生物风化作用相对较强,风化形成的一些细碎屑物质也容易残留在原地;地形起伏较大的地区易形成沟谷,而山区沟谷中水流一般下切侵蚀强烈,东坪8井区缺失土壤层除因为上述的岩性因素外,和处于相对于东坪1井区和东坪3井区较低位置,暴露期可能与大型的沟壑有关.

        图  11  基岩风化壳形成模式

        Figure 11.  Genetic model of bedrock weathering crust

      • 东坪地区下干柴沟组储层砂岩中的孔隙十分发育,孔隙总量多且分布均匀,孔隙连通性好.孔隙类型主要为原生粒间孔、溶蚀扩大粒间孔、铸模孔、粒内溶蚀孔和粒内缝等(图 12).在原生粒间孔发育的基础上溶蚀扩大,粒间除少量的方解石充填外,颗粒之间呈点状接触,局部悬空状,填集密度低岩石疏松,孔隙分布均匀,连通性好.笔者根据下干柴沟组储层砂岩毛管压力曲线特征和储层物性与压汞参数的相关性,将储层孔隙结构分为3类(图 13):

        图  12  东坪地区基岩岩性及储集空间类型

        Figure 12.  Bedrock lithology and reservoir space of Dongping area

        图  13  东坪地区下干柴沟组E32储层孔隙结构分类

        Figure 13.  Under Ganchaigou E32 pore structure classification of Dongping area

        Ⅰ类孔隙结构:曲线形态明显大幅度偏粗歪度,并出现明显的一类直线平台,孔隙分选性好,以中-细孔隙为主,孔喉半径分布范围相对集中在中细喉,具有较低的排驱压力,低中值压力,大主流孔喉半径.

        Ⅱ类孔隙结构:曲线以偏粗歪度为主,并且出现一倾斜的小平台,曲线形态表明孔隙一般分选相对较好,以细孔隙为主,孔喉大小出现相对集中在细-微细喉,较低排驱压力,低中值压力,中等中值半径,主流孔喉半径中等.此种类型曲线反映的储层储渗性能较好,但相对于Ⅰ类稍差.

        Ⅲ类孔隙结构:曲线更向右上方靠拢、倾斜,基本无平台,多为细歪度,孔隙分选较差,以微细孔隙为主,孔喉大小的出现相对集中在微细喉,曲线特征参数表现为排驱压力较大、较小的中值半径、较小的主流孔喉半径.相比较而言,反映的储层储渗性能相对较差,但也具有一定的渗透性,贡献较小.

        从各类储层孔隙结构的分布频率(图 14)看,Ⅰ类孔隙结构分布最多,占半数以上,达到57.1%;其次为Ⅱ类孔隙结构,占28.6%;Ⅲ类孔隙结构分布相对较少,占14.3%,表明东坪3井古近系储层孔隙结构整体较好.

        图  14  坪地区下干柴沟组E32储层孔隙结构分类

        Figure 14.  Under Ganchaigou E32 pore structure classification of Dongping area

        由岩心照片和铸体薄片分析结果(图 12)可知,基岩储集层既有基质孔隙,也有裂缝孔隙;既有溶蚀孔隙,也有溶蚀裂缝;既有溶蚀孔洞,也有溶蚀缝洞等多种类型储集空间.基岩储层的孔隙结构复杂,储集空间类型主要为裂缝和溶蚀孔.基岩储层裂缝、溶蚀孔非常发育,成像图上暗色条带、斑点和板块状特征十分明显.裂缝的发育为基质孔的形成提供了前提条件,对于改善基岩储层的储渗条件起着重要的作用,溶蚀对象主要是暗色矿物和长石,沿裂缝或解理缝进行,形成大量基质孔,从而改善储层物性,成为有效储层.

        图 12a~12h可知,裂缝孔隙度高的层段对应溶蚀孔发育:成像图上基岩网状裂缝非常发育,溶蚀孔洞十分明显;基岩储层的核磁T2谱分布特征表现为大孔、中孔、小孔都发育,符合溶蚀孔的特征;储层孔隙结构大小分布图也表明,基岩储层的孔隙也在大孔、中孔和小孔均有分布,不同尺寸的孔隙都比较发育,为裂缝-溶孔型储层.综上所述,东坪地区基岩储层溶蚀作用强,裂缝、溶蚀孔均非常发育,具有双重孔隙介质.

      • 由风化基面向上,孔隙逐渐发育,至半风化岩石中部的孔隙度较大,且以大孔隙为主,由半风化岩石到风化豁土层,孔隙的规模变小,逐渐以微孔隙为主(李晓燕等,2010).基岩风化壳的物性主要受到埋藏深度影响,埋藏深度不同也会使风化壳地层经历不同的成岩作用,从而具有不同的孔渗特征.岩性的不同也会对储层的物性有一定的影响,由于不同矿物的抗风化能力不同,岩性对古风化壳中裂缝和孔隙的发育具有重要影响(曾方明等,2016).

        基岩储层是由宏观裂缝和岩块系统组成的双重孔隙介质.对东坪区块基岩143块样品进行分析,孔隙度集中分布在2.0%~7.0%,大于物性下限2%的孔隙度均值为4.5%;渗透率主要分布在0.1×10-3~10×10-3 μm,平均渗透率为2.63×10-3 μm,总体上,基岩属致密储层.孔隙度和渗透率的频率直方图反映出储层具有双孔介质的特征(图 15).

        图  15  东坪地区基岩储层物性直方图

        Figure 15.  Rock reservoir properties histogram of Dongping area

      • 基岩风化壳结构中孔隙、裂缝的发育规律对地层不整合油藏的形成与分布具有重要意义,主要表现在风化粘土层的封闭能力和半风化岩层作为油气运移通道的孔、渗性能两个方面(郝芳等,2005邱海军等,2016曾方明,2016).埋藏在不同深度的风化壳经历过的成岩作用也是不同的,因此在风化壳的不同层位会有不同的孔、渗特征,古风化壳中随着风化程度的增加,平均孔隙度升高(张宁和陈礼明,1990).

        笔者对柴达木盆地东坪地区东坪3、东坪6、东坪7、东坪9、东坪11、东坪12共6口直井根据基岩孔隙度模型计算的孔隙度进行对比,得出它们的均值分别为7.15%、7.90%、7.66%、7.57%、6.34%、6.75%.从图 16可以看出,就单井而言孔隙度在残积层最大,随埋深增加变小,成像反映为裂缝较发育的井段孔隙度较大,构造主裂缝处伴随次级裂缝发育孔隙度最高可达12%.东坪3、东坪12、东坪11井依次离构造高点渐远,随着埋深增加,孔隙度减小.东坪11、东坪6、东坪7、东坪9井共4口井在埋深上近似相同,但从等势线和断层位置判断东坪11井处于相对稳定位置,受构造破坏较弱;孔隙度计算表明,相对于东坪6、东坪7、东坪9井孔隙度较低.以上资料表明:(1) 孔隙度与风化程度及构造缝发育情况相关,即自由裂缝和构造缝均较发育的地区孔隙度较高,总体表现为残积层的孔隙度明显要高于半风化层;(2) 基岩孔隙度与埋藏深度相关,即随着基岩风化壳的埋藏深度的增加,孔隙度会逐渐下降;(3) 孔隙度与应力释放中心的距离相关,即应力释放中心抬升最高断层发育,地层受机械破坏最强,距离应力释放中心越远受破坏越小,裂缝孔隙度会降低.纵向上同一井区距离基岩顶部越远,裂缝孔隙度与溶蚀孔隙度均会变小,具体关系如下.

        图  16  基岩纵向结构孔隙度对比

        Figure 16.  Bedrock vertical structure porosity comparison chart

        (1) 孔隙度与风化程度及构造缝发育相关:残积层由于受分化淋滤作用相对比较强,岩石结构大部分破坏,岩石破碎,自由裂缝和构造缝均较发育由此造成孔隙度较高;半风化层岩石结构相对完整,但也有一定程度的风化淋滤,所以同样也发育有裂缝,在明显构造缝井段孔隙度也较高.但总体来说残积层的孔隙度明显要高于半风化层(图 16).

        (2) 基岩孔隙度与埋深相关:风化壳的埋藏深度不同,所对应基岩的孔渗性也会有所不同.风化壳埋藏越深风化程度越低,对应的孔隙度成下降趋势.东坪3井、东坪12井、东坪11井埋深依次增加,所表现出的孔隙度都在一定范围内变化,但总体上平均孔隙度表现为依次变小(图 17a).

        图  17  东坪3井区纵向⑷和平面(b)孔隙度变化

        Figure 17.  Longitudinal porosity change (a) and plane porosity comparison (b) of Dongping Well-3

        (3) 孔隙度与应力释放中心的距离相关:东坪3井井区的基底在喜山运动时期向上侵入隆起,应力释放中心抬升最高,并发育断层,地层受机械破坏最强,孔隙度较高.而东坪6井、东坪7井、东坪9井及东坪11井整体上表现为距离应力释放中心越远受破坏越小,裂缝孔隙度降低(图 17b).

      • 纵向上同一井区距离基岩顶部越远,计算的裂缝孔隙度与溶蚀孔隙度均越小,东坪3井区顶部的裂缝和溶蚀孔隙度较高而气测也主要集中在基岩顶部,说明基岩顶部物性好同时具有较好的含气性;东坪1井区距离基岩顶部较近的地层试气产量都比较高,深层的试气试采产量相对较低,如坪1-2-3井基岩中下部的试采段3 292.3~3 314.8 m、3 330.1~3 359.0 m基本对产量没有贡献,纵向上总体是物性决定含气性(图 18).

        图  18  东坪1井区纵向含气性分布规律

        Figure 18.  Longitudinal containing gas distribution of Dongping well-1

        东坪地区区域应力作用较强、断层发育处是储层的良好储集空间,东坪1井区由于更靠近坪东断层,断裂系统更发育,加之自生变质岩中溶蚀孔发育,因此储层的裂缝孔隙度和溶蚀孔隙度比东坪3井区明显增大.相应的气测异常也比较活跃.气测显示的连续性和试气产量表明片麻岩含气厚度更大,产量更高,纵向上半分化层含气性远远好于残积层,是基岩主要的含气层段(图 19).

        图  19  东坪地区气藏含气性分布规律

        Figure 19.  Distribution of containing gas in Dongping regional gas reservoirs

      • 东坪构造整体上属于鼻隆构造,鼻隆发育多种类型的有利圈闭,包括构造圈闭(以背斜、断鼻为主)、地层岩性圈闭、基岩潜山圈闭等.东坪鼻隆受控于坪东、坪西及红南断裂,该区上下各层构造形态基本一致.东坪地区基岩气藏是底部为底水所托的块状花岗岩、片麻岩岩体构成的气藏,半风化层是东坪基岩气藏的主要载体.东坪基岩储层主要为区内海西期、加里东期花岗岩和元古界达肯达坂群变质岩的基岩风化壳-缝洞型储层.

        研究区东坪1、东坪103井风化壳储层岩性以前古生代变质岩为主,东坪2井储层以花岗岩为主,成像测井显示3口井裂缝发育.由此笔者认为,东坪基岩风化壳大面积连片分布.东坪1井气柱高度达360 m,上部风化壳发育,下部裂缝发育,风化壳发育可以使下部裂缝中溶蚀作用发育,对于改善储层具有重要作用.不整合面是油气输导体系的重要组成部分,其作为油气从“源”到“藏”的桥梁和纽带,直接影响油气的运移方向和聚集部位.柴达木盆地北缘基岩顶面为不整合面,上覆地层为中新生界.油气沿基岩不整合面运移,在圈闭条件发育的基岩储层中聚集成藏.断层两侧均为渗透层,断层可能不具备封闭能力,气藏主要靠底水封存(图 20).由于东坪地区没有残留有侏罗系地层,而古近系下伏的基岩又发生了强烈的风化淋漓作用,次生孔隙与裂缝十分发育,为基岩油气藏的形成奠定了基础.因此,东坪地区油气的运移特点是侏罗系烃源岩所生高成熟油气沿源岩断裂作垂向运移,然后沿风化壳和不整合面作横向运移,首先在东坪1井区的基岩和古近系储层聚集成藏,然后再沿不整合面向东坪3井区调整运移,并在该井区的基岩和古近系储层聚集成藏.

        图  20  东坪4-东坪104-东坪1-东坪103基岩风化壳气藏剖面

        Figure 20.  Gas reservoir profile of bedrock weathering crust of Dongping well-4-Dongping104-Dongping1-Dongping well-103

      • (1) 花岗质基岩风化壳具有典型的层状结构,根据其风化程度的不同,由浅至深可被划分为古土壤层、残积层、半风化层、未风化层.其中古土壤层的主要岩性为泥质岩,岩石全部转化为粘土,可作为区域盖层;半风化层呈块状,厚度大,孔缝配置较好,是主要的储集体,东坪地区目前的钻探深度均在半风化层.

        (2) 根据成像测井响应特征及常规测井曲线可以很好地识别古风化壳特征.由于风化作用的程度不同,不同结构孔隙发育情况、电阻率、GR值、DEN值以及CNL值表现出不同特征,因此可以根据成像测井响应特征及常规测井曲线有效地划分基岩风化壳的结构.利用ESC测井测得的地球化学元素,即富集元素(Fe、Si、Al)及淋失元素(K、Na、Ca、Mg)的总和,也可以很好地识别古风化壳特征.根据ECS得到的化合物含量建立了基岩风化壳指数DRW,可以定量识别风化程度的强弱.

        (3) 基岩风化壳的主要储集空间有基岩溶蚀孔洞、基质矿物溶孔和基岩裂缝共3种,为致密储层.物性主要受到埋藏时间、埋藏深度及岩性的影响.风化壳由风化基面向上,孔隙逐渐发育,半风化层中部的孔隙度较大,且以大孔隙为主,由半风化层到风化豁土层,孔隙的规模变小,且逐渐以微孔隙为主.纵向上,孔隙度与风化程度及构造缝发育情况、埋藏深度、及其与应力释放中心的距离相关,即自由裂缝和构造缝均较发育的地区孔隙度较高,总体表现为残积层的孔隙度明显高于半风化层;随着基岩风化壳的埋藏深度的增加,孔隙度会逐渐下降;应力释放中心抬升最高,断层发育,地层受机械破坏最强,距离应力释放中心越远,地层受破坏越小,裂缝孔隙度会降低.纵向上同一井区距离基岩顶部越远,裂缝孔隙度与溶蚀孔隙度均会变小;风化壳具有重要的含气性,可以形成规模气藏.

    参考文献 (38)

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