中国海相碳酸盐岩具有克拉通台地小、位于叠合盆地下构造层、埋藏深和年代老的特点,储层成因和分布是油气勘探面临的诸多科学问题之一.综述了近5年来中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室项目团队在中国海相碳酸盐岩沉积储层研究领域取得的3项创新性成果认识:①通过对四川盆地震旦系—寒武系、二叠系长兴组—三叠系飞仙关组等层系构造-岩相古地理的解剖,发现小克拉通台地台内裂陷普遍发育,建立了"两类台缘"和"双滩"沉积模式,揭示了台内同样发育烃源岩和规模储层,这为勘探领域由台缘拓展到台内提供了理论依据,并为安岳气田的发现所证实.②基于塔里木盆地勘探实践所提出的岩溶储层成因、内幕岩溶储层类型和分布规律的认识,突破了岩溶储层主要分布于潜山区的观点,创新提出碳酸盐岩内幕同样发育岩溶储层,这使勘探领域由潜山区拓展到内幕区,并为塔北南斜坡哈拉哈塘油田、顺北油田的发现所证实.③深层和古老海相碳酸盐岩储层仍具相控性、继承性大于改造性的地质认识,揭示了深层和古老海相碳酸盐岩储层的规模性和可预测性,确立了深层和古老碳酸盐岩油气勘探的地位和勘探家的信心,并为塔里木盆地、四川盆地油气勘探实践所证实;礁滩(丘)相沉积、蒸发潮坪、层序界面、暴露面和不整合面、古隆起和断裂系统控制深层和古老海相碳酸盐岩规模优质储层的分布.这些认识不但对碳酸盐岩沉积储层学科发展具重要的理论意义,而且为勘探领域的拓展提供了依据.

针对海相碳酸盐岩油气勘探开发中面临的储层非均质性表征和评价的难题,开展了多尺度储层地质建模和表征技术研发.分别以川东—鄂西三叠系飞仙关组、塔里木盆地奥陶系一间房组、四川盆地寒武系龙王庙组为例,阐述了宏观尺度、油藏尺度和微观尺度的储层地质建模、非均质性表征和评价技术的内涵和研究进展.宏观尺度储层地质建模和表征技术,解决储层地质体与非储层地质体的分布规律问题,揭示层序格架中储层的分布规律,并为地震储层预测提供储层地质模型的约束,其新进展是攻克了平躺露头数字采集的难题,该技术主要应用于勘探早期的储层预测和区带评价.油藏尺度储层地质建模和表征技术,解决单个储层地质体非均质性及主控因素问题,揭示流动单元和隔挡层的分布样式,其新进展是通过数字露头建模技术的引入,使储层地质模型由二维向三维延伸,该技术应用于有效储层预测、油气分布特征分析、探井和开发井部署.微观尺度储层孔喉结构表征技术,解决储层孔喉结构表征与评价问题,揭示孔喉结构的差异和对储层流动单元渗流机制的控制,其新进展是建立了渗透层和隔挡层的测井-地震识别图版,该技术主要应用于产能预测和评价.

构造-岩相古地理是生-储-盖及成藏组合评价的基础,在油气勘探研究中占有十分重要的地位,然而,限于资料和认识程度,我国主要海相含油气盆地已有的相图难以满足深层海相碳酸盐岩快速勘探的需求.应用新的钻井和地震资料,结合岩相识别技术,开展了塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩构造-岩相古地理研究,取得以下成果认识:①我国小克拉通海相碳酸盐台地构造-古地理具有隆坳相间、隆控储、坳控源的特点;②构造-岩相古地理具有"多台缘、多滩带和多台盆"的特点;③构造-岩相古地理对早期白云石化的发生和岩溶作用的范围及改造程度具有重要影响,从而控制储层分布;④建立了"多台缘"镶边台地模式并改进"双滩"缓坡沉积模式,揭示我国海相碳酸盐台地内部具备多种有利成藏组合.研究成果深化了我国小克拉通碳酸盐台地构造-岩相古地理共性特点的认识,为深层海相碳酸盐岩油气勘探提供了理论支撑.

中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室经过近10年的建设和发展,初步形成了岩石组分与结构分析、储层地球化学实验分析、孔隙形成与分布模拟实验、储层地质建模和基于储层地质模型的地震储层预测5项技术系列,为碳酸盐岩沉积储层研究提供了一站式解决方案.本文重点阐述了岩石组分与结构分析和储层地球化学实验分析2项技术系列的技术内涵、技术进展及应用.岩石组分与结构分析主要从不同角度开展岩石结构和矿物成分分析,是碳酸盐岩沉积储层研究最基础的工作,为深化沉积储层认识提供了手段.储层地球化学实验分析主要包括同位素和元素地球化学检测,在碳酸盐岩储层成因与分布规律研究中得到广泛的应用,其中碳酸盐矿物激光原位U-Pb同位素定年、团簇同位素、激光原位碳氧稳定同位素在线取样测定和微量-稀土元素激光面扫描成像等技术是近几年开发的核心技术,也体现了储层地球化学实验分析技术从全岩溶液法到激光原位法再到激光面扫描成像的技术发展趋势.

碳酸盐岩溶蚀作用是指流动的侵蚀性流体与碳酸盐岩之间相互作用的过程及由此产生的结果,从地表到深埋藏地层中均可发生.碳酸盐岩溶蚀模拟实验是指通过模拟地层环境来再现碳酸盐岩溶蚀作用的过程和结果,是研究碳酸盐岩储层规模溶蚀有利条件和分布规律的重要方法.中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室自主研发高温高压溶解动力学模拟装置,最终建成由岩石内部溶蚀、岩石表面溶蚀和高温高压原位可视化检测组成的碳酸盐岩溶蚀模拟实验技术.利用高温高压溶解动力学模拟实验装置,开展了碳酸盐岩埋藏溶蚀温度窗口和孔隙演化样式的实验研究,取得2个方面的认识:①高盐度流体背景模拟实验表明,随着温度增加,碳酸盐岩的溶蚀量具有缓慢下降—缓慢上升—快速下降的特征,由于地层水两种相反离子效应的作用,在80～110℃范围内存在一个有利于碳酸盐岩溶蚀的温度窗口;②通过粒间孔隙型、晶间孔隙型、溶蚀孔洞型、鲕模孔隙型和格架孔隙型5种碳酸盐岩溶蚀模拟的对比实验,认识到连通孔隙是埋藏溶蚀发生的先决条件和有利区域,碳酸盐岩内部组构差异会进一步加剧储集空间在孔、洞和缝组合上的复杂性.

针对碳酸盐岩储层非均质性强、平面分布复杂的特点,基于碳酸盐岩储层分布主要受大型不整合面、层间岩溶面、断裂系统、礁滩相带和膏质白云岩相带等地质要素控制的认识,通过储层测井识别和评价图版的标定,开展了地质-测井-地震一体化的碳酸盐岩储层地震预测技术攻关,形成了以储层地质模型为约束、测井储层识别和评价图版标定为基础,以台地类型/岩相、层序界面、岩溶储层、断裂系统、礁滩体、白云岩体识别为核心的6项储层地震预测技术.这些技术在塔北轮古西奥陶系潜山岩溶储层、哈拉哈塘油田奥陶系潜山内幕断溶体储层,四川盆地震旦系—寒武系礁滩储层、中二叠统栖霞组晶粒白云岩储层,鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组上组合白云岩风化壳储层的预测中取得了良好的应用实效,储层预测吻合率提高了20,以上.

在典型野外露头、岩心以及岩石薄片观察的基础上,结合实验分析数据,对四川盆地寒武系洗象池组岩相古地理、储层特征及其主控因素进行了研究.结果表明:①洗象池组沉积期为镶边碳酸盐台地沉积环境,盆地整体位于局限台地内部,在梁平—重庆台洼两侧发育高能滩相;②储层多发育在洗象池组中上段,岩性以颗粒白云岩、晶粒白云岩、藻白云岩为主,主要储集空间为溶蚀孔洞、粒间孔、晶间孔与裂缝,孔隙度集中分布在2,～5,之间,平均为3.46,;③储层的形成与分布受沉积相、准同生溶蚀作用与表生岩溶作用共同控制,储层主要发育在古地貌较高部位、海水向上变浅旋回的上部及奥陶系尖灭线附近.预测位于台洼两侧的合川—广安与南川—石柱一带古地貌高部位为有利滩相储层发育区,西充—广安—潼南地区为有利岩溶储层发育区;指出西充—广安一带为有利勘探靶区.

基于露头地质调查、岩心和薄片观察、储层地球化学分析及溶蚀模拟实验的结果,剖析了四川盆地寒武系龙王庙组岩相古地理及白云岩储层特征、成因和分布规律.指出四川盆地龙王庙组为远端变陡的碳酸盐缓坡沉积,纵向上可划分为上、下2段,从下而上记录了气候从潮湿到干旱的变化序列;颗粒滩主要分布于龙王庙组上段的浅水内缓坡,是龙王庙组白云岩储层发育的基础;准同生溶蚀作用受暴露面控制,是龙王庙组颗粒滩储层孔隙发育的关键;埋藏期溶蚀孔洞主要沿准同生期形成的孔隙带继承性发育,对龙王庙组储集空间具有重要贡献;盐亭—安岳—威远一带滩体多期叠置,处于古地貌高部位且埋藏溶蚀发育,是勘探有利区,全盆地广泛分布的颗粒滩均为潜在的勘探对象.

通过对野外露头和钻井资料的岩性特征、沉积构造、沉积组合及相序等的详细分析,川西地区中泥盆统观雾山组可识别出6类沉积相,由西往东依次为盆地—斜坡相、台地边缘相、开阔—局限台地相及潮坪相.川西北地区沉积相分布明显受泥盆纪同沉积断层控制,具有由西往东迁移的特征,同时台地边缘具有由礁向滩演化的特征;受古岛遮挡影响,川西南地区沉积相分布与演化具有受同沉积断层及障壁岛双重控制的特征.沉积作用对观雾山组碳酸盐岩储层发育控制明显,主要表现在沉积作用控制了碳酸盐岩的储层类型及原生孔隙发育程度,受沉积旋回控制的相控准同生溶蚀改善了原生孔隙,受沉积演化控制的相分布控制了碳酸盐岩储层平面展布特征及有利储层分布.

近年来川西北、川中二叠系栖霞组油气勘探获得一系列突破,揭示了栖霞组广阔的勘探潜力.基于近几年的钻井、野外露头、测井、地震及微区多参数实验分析数据等资料,对四川盆地栖霞组沉积储层的关键地质问题开展了系统分析.研究认为:①栖霞组沉积受到川中古隆起残余地貌控制,其中古隆起大部分地区发育浅缓坡,古隆起东缘呈"S"形,向东南方向逐渐演化为中—深缓坡,古隆起西缘地貌最高,是台缘带发育的基础.②川西地区栖霞中晚期发育右倾的"L"形弱镶边台缘带,向东北延伸至广元地区,向西南延伸至峨眉山地区;台缘带向西突变为广海,向东则渐变为碳酸盐缓坡.③晶粒白云岩是栖霞组最主要的储集岩,是在准同生期富镁流体渗透回流作用下逐渐形成的,经历埋藏环境调整改造后定型.④优质白云岩储层受沉积相带、层序界面、微古地貌等因素控制,其中厚层晶粒白云岩主要分布在川西广元—江油以及雅安—峨眉山一带,中—薄层晶粒白云岩主要分布在川中南充—磨溪—高石梯一带.

基于野外露头、钻井岩心、测井及薄片等宏观及微观资料,对四川盆地茅口组的沉积相展布特征,储层类型、主控因素及分布规律展开了系统研究并取得以下认识:①茅口组沉积已不再受加里东期古隆起控制,沉积格局更多是受到峨眉地裂运动造成的北西-南东向断层的影响;②茅口组主要发育碳酸盐缓坡、斜坡及盆地3个主要相带,其中茅口组中晚期高位域发育的浅水缓坡高能滩是最有利的储集相带;③茅口组主要发育孔洞-孔隙型白云岩和岩溶缝洞型石灰岩2类储层,高能生物碎屑颗粒滩是茅口组2类储层形成的物质基础,早期白云石化作用是白云岩储层得以保存的关键因素,而构造运动及古岩溶作用是石灰岩储层发育的重要条件;④白云岩储层主要分布在雅安—乐山以及盐亭—广安地区,岩溶缝洞型石灰岩储层在全盆地均可见,但在泸州—开江古隆起范围内最为发育.

四川盆地中三叠统雷口坡组还未发现规模连片的油气田群,勘探陷入困境,关键问题是其储层形成机制与分布规律认识不清.利用最新的油气勘探成果和丰富的基础资料,从层序地层划分与对比入手,系统梳理和分析了中三叠统的地层分布、沉积与储层特征.研究结果表明:①盆地内存在中三叠统天井山组(亦称"雷口坡组五段"),为中三叠统重要的有利勘探层系之一;②微生物岩为雷口坡组重要的碳酸盐岩类型,具有规模发育和形成规模有效储层的潜力;③准同生期的白云石化和岩溶作用、表生期的岩溶作用是雷口坡组储层成孔的主要控制因素,早埋藏期酸性成岩环境和埋藏期溶蚀作用及构造裂缝是孔隙保持和改善、改造的关键因素;④古隆起周缘的风化壳岩溶分布带、准同生岩溶作用叠加表生岩溶改造的微生物岩与颗粒滩分布带为有利储层发育区带.

塔里木盆地轮南地区轮探1井在8000 m以深的下寒武统台缘带白云岩中获得重大突破,证实了寒武系台缘带发育优质生储盖组合,是塔里木盆地深层重要的油气勘探领域.通过岩石学、同位素地层对比及地震相分析,认为轮南地区寒武系台缘带经历了早期碳酸盐缓坡到中后期镶边台地的沉积演化过程,形成寒武系盐下多套优质生储盖组合:早寒武世玉尔吐斯期为富泥质的较深水中缓坡外带—外缓坡沉积,发育一套厚20～30 m的烃源岩;肖尔布拉克期为中缓坡外带石灰岩沉积,构造高部位局部发育潮坪及颗粒滩相白云岩储层;吾松格尔期,发育8～10 km宽的弱镶边台缘礁(丘)滩相储层;中寒武世发育4～5 km宽的强镶边台缘,台内发育5～8 km宽的膏云坪、泥云坪相泥质白云岩及10～15 km宽的膏盐湖—盐湖相膏盐岩2类优质盖层.指出轮南地区吾松格尔组弱镶边台缘及礁(丘)后颗粒滩与中寒武统膏盐岩构成的储盖组合是目前最现实的勘探领域;中寒武统沙依里克组盐间颗粒滩储盖组合值得进一步探索;古构造高部位肖尔布拉克组的上部白云岩地层仍具勘探潜力.

塔里木盆地古城地区奥陶系碳酸盐岩近年来展现出良好的勘探潜力.通过对古城地区钻遇奥陶系10余口探井的岩心、岩石薄片观察和阴极发光、包裹体、沥青反射率分析以及地震资料解释,并结合区域研究成果,系统分析了古城地区奥陶系碳酸盐岩的成储、成藏条件.研究表明:①古构造-流体作用是控制下奥陶统鹰山组下段—蓬莱坝组滩相白云岩储层发育及油气聚集成藏的重要因素;②二叠纪后的构造热事件对油气成藏起到关键的调整改造作用,受岩浆热液活动的影响,加里东期—早海西期原生油藏发生大规模裂解,形成原油裂解气藏及残留古油藏;③奥陶系油气藏的形成与演化经历了3个阶段,包括原生油气藏形成,古油藏破坏裂解生气,以及气藏调整、破坏、再形成阶段,并具有多期演化的油气成藏模式.指出古城低凸起西部、北部的生储盖组合条件良好,断裂和岩浆侵入影响较小,是有利油气勘探区.

白云岩成因及白云岩储层发育的控制作用尚不明确,这造成了优质白云岩储层预测的困难,严重制约了鄂尔多斯盆地西缘奥陶系的勘探部署和天然气发现.早奥陶世,盆地西缘总体处于开阔海缓坡或弱镶边台地沉积环境,内缓坡及台地边缘带起到一定的障壁作用.岩石薄片观察表明,盆地西缘奥陶系白云岩主要为颗粒白云岩和晶粒白云岩,颗粒白云岩残余颗粒结构清晰,晶粒白云岩包括泥粉晶白云岩、粗粉晶白云岩、粉细晶白云岩、细晶白云岩、中细晶白云岩和中粗晶白云岩等.白云岩地球化学分析显示:泥粉晶白云岩碳同位素δ13C值多偏正,微量元素具有低Na、K及较高Fe的特征,锶同位素87Sr/86Sr值与同时期海水相似,稀土元素Eu亏损,阴极发光显示为暗棕色或暗褐色;细晶-颗粒白云岩δ13C值多偏负,微量元素具有低Na、K、Fe的特征,87Sr/86Sr值明显大于同时期海水,阴极发光显示为桔黄色、暗红色及红色发光,包裹体均一温度普遍偏高.根据区域构造和沉积演化、岩石学特征、气候环境以及地球化学特征综合分析,盆地西缘奥陶系泥粉晶白云岩由准同生期蒸发泵白云石化作用形成,细晶-颗粒白云岩由浅埋藏期回流-渗透白云石化作用形成.同生期颗粒滩原生孔隙在白云石化之后由于白云岩的抗压实能力强而得以保存下来,后期进一步溶蚀扩大形成现今盆地西缘奥陶系白云岩储层中最主要的储集空间.

针对现有微生物碳酸盐岩分类不够系统、岩石类型及组合的环境意义不明确、岩相古地理重建缺乏微生物碳酸盐岩沉积模式指导等科学问题,通过塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地2个元古宇剖面和3个显生宇剖面详细的岩类学和岩石组合序列研究,取得3项成果与认识:①建立了构造尺度和形态特征相结合的系统的微生物碳酸盐岩分类方案.②明确了微生物碳酸盐岩岩石类型及组合的环境意义.风暴浪基面之下远端以欠补偿黑色泥岩和硅质岩沉积为主,近端的下斜坡以具丘状结构的纹理石碳酸盐岩和灰泥丘建造为主;风暴浪基面和正常浪基面之间的上斜坡以小—中型泡沫状、团块状凝块石碳酸盐岩和小—中型柱状、锥状、穹窿状叠层石碳酸盐岩建造为主;正常浪基面与平均低潮线之间以大—中型波状叠层石碳酸盐岩建造为主;平均低潮线之上的潮坪环境以大—中型层(席)状微生物碳酸盐岩、丘状微生物碳酸盐岩建造为主.③建立了缓坡沉积体系和镶边沉积体系微生物碳酸盐岩沉积模式.这些认识对微生物碳酸盐岩岩相古地理重建和储层分布预测具重要的指导意义.

奥陶系盐下白云岩储层是鄂尔多斯盆地中东部天然气勘探的重要接替领域.基于钻井岩心、微观薄片、物性分析及地球化学特征等资料,应用微区多参数实验分析方法,对奥陶系盐下白云岩储层特征、成因与分布开展了系统研究.结果表明:①奥陶系盐下主要发育颗粒滩白云岩和微生物白云岩储层,其中颗粒滩白云岩储层岩性为砂屑白云岩、鲕粒白云岩和粉—细晶白云岩,储集空间由溶蚀孔洞、粒间孔、晶间(溶)孔和裂缝组成,平均孔隙度为6.04,;微生物白云岩储层岩性为凝块石白云岩,储集空间为溶蚀孔洞和微裂缝,平均孔隙度为5.64,.②奥陶系盐下白云岩储层孔隙来源于对颗粒滩和微生物丘中原生孔隙的继承,并经受了溶蚀作用、白云石化作用,以及膏盐矿物、石英、细—中晶白云石与方解石等充填作用的改造.③有利储层主要分布于中央古隆起、横山隆起及乌审旗坳陷中的低凸起带上.

鄂尔多斯盆地寒武系深层具有良好的勘探潜力,中寒武统张夏组为寒武系勘探的重要目的层系.通过野外剖面详测和岩心、薄片观察及实验分析,对张夏组储层的特征、成因及主控因素进行了分析和研究,并预测了有利储层发育区.研究表明:①张夏组主要发育台缘鲕粒白云岩和台内鲕粒白云岩2类储层.②台缘带鲕粒滩累计厚度集中在50～300 m之间,鲕粒粒径平均为1.25 mm,鲕粒白云岩储集空间以溶蚀孔洞、粒间溶孔和晶间(溶)孔为主,平均测井孔隙度和渗透率分别为2.0,和0.038×10-3μm2.③台内鲕粒滩厚度在50～120 m之间,鲕粒粒径平均为0.85 mm,鲕粒白云岩储集空间以溶蚀孔洞、粒间溶孔为主,平均测井孔隙度和渗透率分别为3.3,和2.787×10-3μm2.④张夏组储层受鲕粒滩相、白云石化以及三级/四级层序界面控制,台缘规模有利储层发育在四级海退层序中上部的鲕粒白云岩地层中,台内规模有利储层发育在寒武系顶部不整合面之下的鲕粒白云岩地层中.预测台缘岐山—旬邑一带和台内陇东地区为两大规模有利储层发育区.