郭原草，郭建華，李智宇，余燁，黃儼然

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3.湖南科技大學(xué) 地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

潛山型油氣藏是一種重要的油氣藏類型，約40%的潛山油氣藏儲(chǔ)層為花崗巖[1-4]?；◢弾r風(fēng)化殼儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，在垂向上具有顯著的分層特征；不同學(xué)者根據(jù)風(fēng)化殼巖芯、礦物組分、化學(xué)指標(biāo)、風(fēng)化程度、裂縫-孔洞特征及發(fā)育程度等，對(duì)花崗巖潛山儲(chǔ)層建立了不同的垂向分層模型[5-8]。劉震等[9]研究了風(fēng)化殼在形成過(guò)程中的改造-保存作用，將花崗巖風(fēng)化殼分為崩解層及未風(fēng)化層，提出了風(fēng)化殼雙層結(jié)構(gòu)模型；黃建紅等[10]將柴達(dá)木盆地東坪地區(qū)花崗質(zhì)基巖風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)由淺至深劃分為古土壤層、殘積層、半風(fēng)化層、未風(fēng)化層。伍勁等[11]認(rèn)為柴達(dá)木盆地東坪地區(qū)基巖在垂向上可以分為完全風(fēng)化層、半風(fēng)化層和未風(fēng)化層等不同結(jié)構(gòu)層，其中風(fēng)化層還可進(jìn)一步分為溶蝕帶和崩解帶。竇立榮等[12-13]根據(jù)乍得邦戈盆地L-1井區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的組合特征、儲(chǔ)層類型和巖石物理特征，將花崗質(zhì)基巖潛山的儲(chǔ)層垂向序列劃分為風(fēng)化淋濾帶、縫洞發(fā)育帶、半充填裂縫發(fā)育帶和致密帶。陳國(guó)成等[14]根據(jù)孔、縫發(fā)育程度和風(fēng)化強(qiáng)弱，將渤海灣盆地PL 油田的花崗巖潛山從垂向上分為極強(qiáng)風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、次風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶。徐國(guó)盛等[15]根據(jù)渤海灣盆地蓬萊地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼的特點(diǎn)，通過(guò)巖心、巖屑觀察，結(jié)合各種測(cè)井曲線綜合對(duì)比分析，將潛山花崗巖風(fēng)化殼由上至下分為砂礫質(zhì)風(fēng)化帶、裂縫帶與基巖帶。王昕等[16]基于巖石薄片鑒定、掃描電鏡分析、礦物X射線衍射分析、巖心和巖屑錄井、測(cè)井曲線等資料綜合分析認(rèn)為，隨著風(fēng)化淋濾作用由表及里逐漸減弱，渤海灣盆地蓬萊地區(qū)花崗巖潛山可劃分為土壤帶、砂礫質(zhì)風(fēng)化帶、裂縫帶和基巖帶?？傮w來(lái)看，前人針對(duì)花崗巖風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)提出了垂向結(jié)構(gòu)“兩分”模式[9]、“三分”模式[11,15]或“四分”模式[10,12-14,16]，總結(jié)了花崗巖風(fēng)化殼儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型[17-19]，并研究了儲(chǔ)層發(fā)育的控制因素和發(fā)育模式[20-23]。由于前人對(duì)于風(fēng)化殼發(fā)育機(jī)理及砂化作用等關(guān)鍵問題認(rèn)識(shí)不盡相同，出現(xiàn)了上述不盡相同的風(fēng)化殼分層方案。為更加合理地解釋花崗巖風(fēng)化殼儲(chǔ)層的地質(zhì)成因和發(fā)育過(guò)程，為此類油氣藏勘探開發(fā)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，本文作者基于風(fēng)化作用及砂化作用的基本概念和原理，以前人提出的花崗巖風(fēng)化殼地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用野外露頭、巖芯巖屑、測(cè)井曲線特征及地震反射特征等資料進(jìn)行綜合分析，提出一個(gè)適用于瓊東南盆地YLA 區(qū)花崗巖風(fēng)化殼垂向5層帶地質(zhì)模型，以便為區(qū)內(nèi)潛山型油氣藏勘探開發(fā)提供理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海，其陸緣發(fā)育眾多新生代含油氣沉積盆地。瓊東南盆地位于南海西北部大陸邊緣，是一新生代拉張盆地，東臨神弧隆起，西靠鶯歌海盆地，南接永樂隆起，北臨海南隆起，面積約80 000 km2；盆地總體呈NE—SW 向展布，在平面上具有南北分帶的構(gòu)造特征，由北向南可依次分為5個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即北部坳陷區(qū)、中部隆起區(qū)、中央坳陷區(qū)、南部隆起區(qū)和南部坳陷區(qū)(圖1)。盆地內(nèi)發(fā)育始新統(tǒng)至第四系地層，由老到新依次為嶺頭組、崖城組、陵水組、三亞組、梅山組、黃流組、鶯歌海組和樂東組[24-25]。瓊東南盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化史，中生代巖漿活動(dòng)劇烈，由于構(gòu)造抬升作用，花崗巖大面積出露地表并受到風(fēng)化剝蝕作用。自新生代開始再次出現(xiàn)拉張斷陷、沉積，形成一個(gè)以花崗巖為基底的斷陷盆地(始新世—漸新世)；YLA區(qū)位于盆地中央坳陷區(qū)松南低凸起東部，水深超過(guò)1 500 m，面積約3 000 km2，已實(shí)現(xiàn)三維地震全覆蓋，是盆地深水區(qū)內(nèi)富有潛力的勘探區(qū)塊[26-30]。區(qū)內(nèi)花崗巖潛山發(fā)育，目前鉆遇花崗巖潛山的鉆井有7 口，花崗巖地質(zhì)年代為三疊紀(jì)早期((246.1±6.0) Ma)，鉆遇巖石類型主要是二長(zhǎng)花崗巖及閃長(zhǎng)花崗巖。

圖1 瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造背景Fig.1 Regional tectonic background of Qiongdongnan Basin

2 花崗巖潛山風(fēng)化殼地質(zhì)模型

目前國(guó)內(nèi)提出的花崗巖潛山風(fēng)化殼地質(zhì)模型主要針對(duì)渤海灣盆地蓬萊9-1油田建立，也有基于柴達(dá)木盆地東坪氣田及松遼盆地、濟(jì)陽(yáng)坳陷、東營(yíng)凹陷等建立的地質(zhì)模型。由于前人對(duì)于風(fēng)化殼形成機(jī)理及風(fēng)化作用、砂化作用等關(guān)鍵問題認(rèn)識(shí)不盡相同，出現(xiàn)了前述多種風(fēng)化殼分層地質(zhì)模型[9-13,16,20-23](圖2)。本文以蓬萊9-1 油田風(fēng)化殼地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，基于風(fēng)化殼不同部位的風(fēng)化機(jī)理及所形成孔隙的類型特點(diǎn)，建立本區(qū)花崗巖風(fēng)化殼垂向5 層地質(zhì)模型(圖3)。在這個(gè)模型中，把上覆原地物理風(fēng)化形成的殘積層、短距離搬運(yùn)形成的坡積層以及頂部長(zhǎng)期風(fēng)化形成的黏土植被層稱為殘積-坡積層，因此，將前人提出的土壤帶、黏土帶、極強(qiáng)風(fēng)化帶、完全風(fēng)化層、黏土風(fēng)化帶、風(fēng)化殘積層、風(fēng)化堆積層等歸入殘積-坡積層，該層之下已軟化、砂化的部分稱為砂化層；砂化作用過(guò)程是原巖(花崗巖)原地軟化、水解及酸化過(guò)程，原巖疏松，易溶礦物黏土化，原有裂縫系統(tǒng)由于水化膨脹作用而閉合。基于以上認(rèn)識(shí)，本文將前人提出的砂質(zhì)風(fēng)化亞帶、砂質(zhì)帶、砂化層、風(fēng)化淋濾層、次風(fēng)化帶等歸入砂化層，砂化層之下就是未軟化但裂縫發(fā)育的原巖，由于這種裂縫明顯受到后期大氣淡水淋濾、溶蝕等影響，所以被稱為風(fēng)化裂縫層；從風(fēng)化作用原理及定義看，前人提出的裂縫層、礫質(zhì)層、碎裂帶、礫質(zhì)風(fēng)化帶、半風(fēng)化帶、風(fēng)化崩解帶、弱風(fēng)化帶等其裂縫系統(tǒng)屬于同一成因，只是裂縫層頂部風(fēng)化作用更強(qiáng)烈而已，因此，將上述裂縫層歸入風(fēng)化裂縫層。

圖2 基于蓬萊9-1油田建立的花崗巖風(fēng)化殼地質(zhì)模型Fig.2 Geological models of granite weathering crust based on Penglai 9-1 oil field

圖3 YLA區(qū)花崗巖風(fēng)化殼地質(zhì)模型Fig.3 Geological model of granite weathering crust in YLA area

殘積-坡積層、砂化層和風(fēng)化裂縫層都形成于地表環(huán)境，受大氣降水垂直滲濾作用控制。但從水文地質(zhì)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，在地表以下還有一個(gè)受地下水平潛流控制的水平潛流層。地下潛流同樣可以使原巖水化、水解及酸化，使原有裂縫系統(tǒng)溶蝕加寬，形成呈水平方向延伸發(fā)育的孔洞系統(tǒng)，從而為油氣儲(chǔ)集提供了有利空間。該層深度主要取決于風(fēng)化地表的高差及降雨量。原則上，河流水位面相當(dāng)于潛流面，它可能直接下伏于風(fēng)化裂縫層之下，也可能與風(fēng)化裂縫層相隔一個(gè)致密層(基巖)。由于潛山經(jīng)歷過(guò)多期次升降運(yùn)動(dòng)，水平潛流溶蝕層也會(huì)遭受多期次的改造與破壞。

3 典型風(fēng)化殼露頭解析

前述研究表明，花崗巖潛山風(fēng)化殼在垂向上具有明顯分層性。由于鉆井及地震資料難以全面、準(zhǔn)確地揭示風(fēng)化殼真實(shí)面貌，故采取將今論古的思想，通過(guò)尋找現(xiàn)今遺留的露頭對(duì)花崗巖風(fēng)化殼進(jìn)行精細(xì)刻畫和描述。通過(guò)走訪調(diào)查，在湖南省大圍山地區(qū)找到1個(gè)比較完整的花崗巖風(fēng)化殼剖面(圖4)。該風(fēng)化殼由于砂礦挖掘開采而完整暴露。通過(guò)對(duì)剖面進(jìn)行踏勘與鑒定，在地表上可識(shí)別出3層。

圖4 典型花崗巖潛山風(fēng)化殼露頭(湖南，瀏陽(yáng)大圍山)Fig.4 Typical weathering crust outcrop of granite buried hill(Daweishan,Liuyang,Hunan)

1) 殘積-坡積層。殘積-坡積層位于風(fēng)化殼的頂部，主要由未經(jīng)分選的砂礫巖組成，厚度不等，是花崗巖在原地經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈物理及化學(xué)風(fēng)化作用，發(fā)生破碎并殘留在原地形成的砂、泥、礫組成的混雜堆積物(圖5(a))。風(fēng)化殼之上極其發(fā)育的土壤層是大圍山地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及強(qiáng)烈風(fēng)化作用的結(jié)果。

2) 砂化層。由于上覆殘積-坡積層的阻隔，物理風(fēng)化作用減弱，化學(xué)風(fēng)化作用即大氣淡水滲濾開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，包括溶解、水化、水解及酸化作用，其中，水化及酸化作用能使巖石膨脹、變軟，水解作用及酸化作用則使長(zhǎng)石、角閃石等礦物分解。

通過(guò)上述一系列化學(xué)風(fēng)化作用，花崗巖中易溶、易分解的礦物黏土化，而最穩(wěn)定的SiO2礦物則被完整地保留下來(lái)；花崗巖顆粒組分僅剩石英，石英顆粒間為黏土礦物，原巖疏松呈散沙狀，呈“砂化”特征，故稱砂化層(圖5(b))。這種化學(xué)風(fēng)化作用并沒有造成大量物質(zhì)流失，從而使花崗巖原有結(jié)構(gòu)、構(gòu)造得以完整保存。因此，砂化層保留了原巖的粒狀顆粒結(jié)構(gòu)及原有的構(gòu)造痕跡，繼承了原巖的產(chǎn)出狀態(tài)，但由于原巖的水化膨脹，原有裂縫基本消失。通過(guò)觀察露頭發(fā)現(xiàn)，砂化層厚度分布不穩(wěn)定，在山頭部位往往厚度較大，在山間厚度變小甚至尖滅，這主要是由于后期山間地表流水的沖刷、削蝕而成。隨著深度的增加，原巖固結(jié)程度也相應(yīng)增加，逐漸向風(fēng)化裂縫層過(guò)渡。

3) 風(fēng)化裂縫層?；◢弾r中裂縫非常發(fā)育，主要是由巖漿冷凝收縮及后期構(gòu)造應(yīng)力作用而形成。隨著埋藏深度增加，化學(xué)風(fēng)化作用減弱，巖石固結(jié)程度增加，垂直滲透的大氣淡水將繼續(xù)沿著既有裂縫流動(dòng)，導(dǎo)致原巖溶蝕、既有裂縫加寬加密及原巖破碎、裂縫被水解作用產(chǎn)生的黏土礦物所充填，形成所謂的碎裂帶或砂礫化帶(圖5(c))，但從上往下風(fēng)化溶蝕加寬現(xiàn)象逐漸變?nèi)?，碎裂程度減弱(圖5(c))，往下逐漸過(guò)渡至致密花崗巖(基巖)。風(fēng)化裂縫層中極其發(fā)育的裂縫顯然是有利的油氣儲(chǔ)集空間。

4 單井花崗巖風(fēng)化殼分層

目前YLA 區(qū)內(nèi)已鉆至花崗巖潛山的探井有5口，以YLA-11 井資料最詳細(xì)。該井于2 935 m 鉆遇固結(jié)程度較高的花崗巖，于3 089 m完鉆，在這段巖層中獲得了多個(gè)井壁取芯，巖性為二長(zhǎng)花崗巖，這段地層歸屬已無(wú)異議。針對(duì)YLA-11井，通過(guò)井-震標(biāo)定在地震剖面上追蹤識(shí)別出Ts，Tf和Tj界面；砂化層的底界面對(duì)應(yīng)一段高連續(xù)、中—強(qiáng)振幅的反射同相軸；界面上部對(duì)應(yīng)中—強(qiáng)振幅、中—高連續(xù)反射結(jié)構(gòu)，可能受到了巖層內(nèi)部流體的影響；界面下部為中—弱振幅、中連續(xù)反射結(jié)構(gòu)，地震相變化明顯，說(shuō)明巖性和非均質(zhì)性發(fā)生了變化；風(fēng)化裂縫層的底界面對(duì)應(yīng)一段近乎空白的反射同相軸，界面下部為中—強(qiáng)振幅、中連續(xù)反射結(jié)構(gòu)，振幅強(qiáng)度和連續(xù)性明顯與上部的不同，地震相差異較大，顯示巖性和非均質(zhì)性發(fā)生了變化；水平潛流縫洞層對(duì)應(yīng)的是一段中—差連續(xù)、中—弱振幅的反射同相軸，界面下部多為中—弱振幅、雜亂—空白反射，與上部的地震相相差較大，表明巖層物性及結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；在剖面屬性圖上，砂化層的瞬時(shí)頻率較高，多為20～30 Hz，明顯低于下部的風(fēng)化裂縫層的瞬時(shí)頻率；水平潛流縫洞層內(nèi)的瞬時(shí)頻率變化較大，大部分區(qū)域?yàn)?0 Hz以上，顯著高于風(fēng)化裂縫層的瞬時(shí)頻率；基巖層的瞬時(shí)頻率最大，遠(yuǎn)高于上部的水平潛流縫洞層的平均值(圖6)。

圖6 YLA-11測(cè)井-地震標(biāo)定對(duì)比Fig.6 YLA-11 log-seismic calibration comparison

工區(qū)內(nèi)鉆遇花崗巖潛山的探井共計(jì)4 口(YLA-31，YLA-32，YLA-11和YLA-12)；在前述地質(zhì)分層基礎(chǔ)上，對(duì)4 口井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以YLA-11 為例，在YLA-11 井測(cè)井交匯圖中(圖7)，僅能識(shí)別出基巖層高體積密度、低電阻率和低聲波時(shí)差參數(shù)，其余測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)混合在一起，無(wú)法看出顯著的風(fēng)化殼成層特征。對(duì)自然伽瑪射線強(qiáng)度、聲波時(shí)差、電阻率、體積密度和中子孔隙度這5 項(xiàng)測(cè)井指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(圖8)：自然伽瑪射線強(qiáng)度由砂化層到基巖層大致呈逐漸增大趨勢(shì)，符合越靠近基巖層，長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高的規(guī)律；自然伽馬射線強(qiáng)度分布區(qū)間隨著深度增加由(55～65)×10-14C/(kg·s)逐漸抬升至(65～85)×10-14C/(kg·s)，其中砂化層的自然伽瑪射線強(qiáng)度普遍較大，可能是花崗巖原地風(fēng)化后形成的泥質(zhì)導(dǎo)致；聲波時(shí)差均值則與深度呈負(fù)相關(guān)，符合巖性和物性的變化趨勢(shì)。聲波時(shí)差分布呈現(xiàn)兩極分化趨勢(shì)，砂化層和風(fēng)化裂縫層主要分布在(360～426)×10-6s/m 之間，水平潛流縫洞層和基巖層則位于(213～246)×10-6s/m之間；平均電阻率相對(duì)穩(wěn)定，以砂化層和水平潛流層相對(duì)較大，為18 Ω·m 左右，推測(cè)是地層內(nèi)含有地下水等流體導(dǎo)致，而風(fēng)化裂縫層對(duì)應(yīng)值顯著偏低，只有10 Ω·m；電阻率分布區(qū)間以砂化層和水平潛流層相對(duì)較寬，為5～25 Ω·m；平均體積密度由砂化層的2.23 g/cm3增大至基巖層的2.52 g/cm3，符合巖性和物性的變化趨勢(shì)。體積密度分布特征與聲波時(shí)差類似，水平潛流縫洞層和基巖層的體積密度普遍較大，多為2.5～2.6 g/cm3；中子孔隙度平均值基本保持在21%左右，水平潛流縫洞層的相對(duì)較低，為15.5%；中子孔隙度分布區(qū)間大致隨深度增加逐漸下移，而基巖層的中子孔隙度多為20%左右，相對(duì)較大。

5 結(jié)論

1) 基于風(fēng)化作用及砂化作用的概念，總結(jié)出花崗巖風(fēng)化殼垂向5層地質(zhì)模型；從上到下依次為殘積-坡積層、砂化層、風(fēng)化裂縫層、水平潛流層、基巖層；地表之上3層受到大氣降水滲濾作用控制，水平潛流層發(fā)育則受到地下潛流控制；從上自下物理風(fēng)化作用逐漸減弱，化學(xué)風(fēng)化作用先增強(qiáng)后減弱，原巖固結(jié)程度逐漸增加。

2) 砂化層、風(fēng)化裂縫層和水平潛流縫洞層是風(fēng)化殼中的有利儲(chǔ)層，三者儲(chǔ)集空間有顯著差異，其中，砂化層為孔洞型儲(chǔ)層，風(fēng)化裂縫層為裂縫型儲(chǔ)層，水平潛流縫洞層為孔洞-裂縫復(fù)合型儲(chǔ)層。

3) 殘積-坡積層、砂化層、風(fēng)化裂縫層的巖性特征及孔隙類型類似于碎屑巖，尤其是砂化層，在鉆井測(cè)井資料中及野外踏勘時(shí)極易被誤認(rèn)為河流、扇-三角洲相沉積，從而誤導(dǎo)勘探方向，正確識(shí)別這2個(gè)層是花崗巖風(fēng)化殼儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

4) 野外踏勘、鉆井-測(cè)井分析、井震標(biāo)定等結(jié)果均驗(yàn)證了前述風(fēng)化殼地質(zhì)模型的合理性。地震剖面顯示，地震相在每一層界面處均出現(xiàn)了明顯差異，指示出風(fēng)化殼巖性和非均質(zhì)性存在顯著變化，瞬時(shí)頻率由淺到深呈明顯逐漸增大趨勢(shì)。自然伽瑪射線強(qiáng)度、體積密度由淺到深呈逐漸增大趨勢(shì)，聲波時(shí)差與中子孔隙度則與深度呈負(fù)相關(guān)規(guī)律，電阻率則相對(duì)穩(wěn)定；總體來(lái)看，地震相、測(cè)井指標(biāo)隨深度變化趨勢(shì)與風(fēng)化殼巖性、物性基本吻合，但測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)交匯圖沒有顯示出明顯的成層性。