曾慶魯 莫 濤 趙繼龍 唐永亮 張榮虎 夏九峰 胡春雷 史玲玲

1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院 3.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

埋藏壓實(shí)作用是儲層孔隙減少的一種重要途徑，前人對有效儲層埋深下限進(jìn)行了初步研究以指導(dǎo)深層油氣勘探[1-3]。深層/超深層油氣資源潛力巨大，但儲量探明率較低，制約其油氣勘探的關(guān)鍵問題之一就是深層/超深層是否發(fā)育規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層[4-10]。近年來，我國在深層油氣勘探領(lǐng)域取得了一系列重大突破，其中塔里木盆地庫車坳陷下白堊統(tǒng)巴什基奇克組超深層砂巖儲層中發(fā)現(xiàn)了一批高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)大型氣田[11-13]。前期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該套超深層儲層多屬于裂縫性低孔砂巖儲層，平均孔隙度僅為5%，裂縫對儲層物性改善具有關(guān)鍵作用[14-17]。新近鉆探的博孜9井在7 600 m以深的巴什基奇克組發(fā)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)孔隙型砂巖儲層，基質(zhì)孔隙度超過10%，大大拓展了超深層油氣勘探的深度下限。為了揭示該儲層的儲集特征和成因機(jī)制，降低7 000 m以深超深層油氣勘探的風(fēng)險(xiǎn)，筆者利用巖心、測井和實(shí)驗(yàn)分析等資料，結(jié)合區(qū)域溫壓條件和儲層埋藏演化歷史對上述問題進(jìn)行探討，以期為超深層油氣勘探提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

克拉蘇構(gòu)造帶位于塔里木盆地庫車坳陷北部，面積約5 500 km2。中生代以來，受南天山造山帶多次復(fù)合隆升和擠壓沖斷作用影響，巴什基奇克組埋藏深度大，是深層/超深層油氣勘探的重要區(qū)域。根據(jù)鹽層厚度和斷裂特征，克拉蘇構(gòu)造帶自東向西分為克深區(qū)段、大北區(qū)段、博孜區(qū)段和阿瓦特區(qū)段等4個圈閉集中發(fā)育區(qū)，南北分別以拜城斷裂和克拉蘇北斷裂為界[18]。巴什基奇克組儲層由北向南埋藏深度從3 500 m逐漸增加至8 000 m以深，其中7 000 m以深超深層現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大北3、克深8、克深9、克深12、克深13、克深19和博孜9等多個大中型油氣藏，集中分布在克深斷裂以南（圖1）。其中，博孜9井位于克拉蘇構(gòu)造帶博孜區(qū)段，巴什基奇克組儲層現(xiàn)今埋深介于7 664～7 880 m（底界未穿）。

2 儲層特征

2.1 儲層巖石類型以巖屑長石砂巖為主

根據(jù)庫車坳陷9口井363個巖心薄片鑒定結(jié)果，巴什基奇克組7 000 m以深超深層儲層巖石類型以巖屑長石砂巖為主，次為長石巖屑砂巖。區(qū)域上自東向西，克深區(qū)段、大北區(qū)段和博孜9井巖礦特征基本相似（圖2）。其中，博孜9井儲層石英顆粒含量介于40%～55%（包括燧石等硅質(zhì)碎屑）；長石顆粒含量介于25%～35%，以鉀長石為主，次為斜長石；巖屑顆粒含量介于10%～35%，主要是變質(zhì)巖和火山巖巖屑，含少量沉積巖巖屑。碎屑顆粒以中粒、細(xì)粒為主，分選中等，磨圓度次圓—次棱，點(diǎn)—線接觸，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度中等。顆粒形態(tài)完整，未見明顯壓溶現(xiàn)象。粒間被較多的泥雜基（7%～15%）和膠結(jié)物（1%～14%）充填，其中膠結(jié)物類型主要是白云石和方解石，見少量硬石膏、硅質(zhì)和自生鈉長石。

圖1 庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶油氣藏分布圖

圖2 庫車坳陷巴什基奇克組超深層儲層巖礦特征圖

庫車坳陷整體上屬于低溫冷盆，不同構(gòu)造單元平均地溫梯度介于18～28 ℃/km，明顯低于我國其他沉積盆地[19]，加之其高熱導(dǎo)率的古近系厚層膏鹽巖造成下伏地層溫度降低[20]，進(jìn)一步延緩了儲層成巖過程。MDT地層測試結(jié)果表明，博孜9井井底巴什基奇克組地層溫度僅為156 ℃，折算地溫梯度為17.5 ℃/km。同時(shí)，根據(jù)42塊巖心樣品全巖X射線衍射和黏土礦物X射線衍射測試結(jié)果，博孜9井巴什基奇克組儲層黏土礦物含量介于2%～17%，平均值為7.0%；碳酸鹽礦物含量介于0～29%，平均值為9.6%，與鏡下薄片鑒定結(jié)果一致。黏土礦物表現(xiàn)為伊利石—伊/蒙混層—綠泥石—高嶺石組合，其中伊利石含量為50%，呈片狀或絲縷狀分布在粒間或顆粒表面；伊/蒙混層含量為27%，形態(tài)呈蜂窩狀或片狀，伊/蒙間層比為20%；綠泥石和高嶺石含量均小于12%，鏡下較為少見。顆粒結(jié)構(gòu)、地層溫度、黏土礦物及硅質(zhì)等自生礦物特征表明，巴什基奇克組儲層仍處于中成巖階段。

2.2 儲層物性為低孔隙度、低滲透率

超深層砂巖儲層由于埋藏壓實(shí)和較強(qiáng)的成巖作用物性普遍較差，裂縫對儲層品質(zhì)改善和氣井高產(chǎn)起到關(guān)鍵性作用。庫車坳陷巴什基奇克組超深層普遍發(fā)育裂縫性低孔砂巖儲層，基質(zhì)孔隙度峰值區(qū)介于1.5%～5.0%，基質(zhì)滲透率峰值區(qū)介于0.01～0.10 mD，孔隙度和滲透率相關(guān)性總體較差，裂縫能夠提高基質(zhì)滲透率1～3個數(shù)量級[21]。博孜9井的鉆探改變了以往的認(rèn)識，在埋深7 600～7 800 m鉆遇了高孔隙度砂巖儲層。依據(jù)該井135塊巖心氦孔隙度和滲透率測試結(jié)果，基質(zhì)孔隙度峰值區(qū)介于6%～13%，平均值為9.2%，基質(zhì)滲透率峰值區(qū)介于0.5～50.0 mD，平均值為5.08 mD，整體表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率。儲層孔隙度和滲透率相關(guān)性較好，具有常規(guī)碎屑巖儲層結(jié)構(gòu)特征（圖3）。同時(shí)，裂縫不發(fā)育，僅見于巴什基奇克組上部。

2.3 儲集空間以原生粒間孔為主

根據(jù)鑄體薄片、激光共聚焦和場發(fā)射掃描電鏡測試結(jié)果，博孜9井巴什基奇克組儲層儲集空間以原生粒間孔為主，次為粒間溶孔，兩者約占儲集空間的比例超過99%，偶見未充填裂縫和粒內(nèi)溶孔（表1）。

2.3.1 原生粒間孔

巴什基奇克組儲層原生粒間孔形態(tài)多為三角形或不規(guī)則多邊形，邊緣光滑平直，部分被黏土膜包裹呈細(xì)齒狀，直徑介于50～150 μm，平均面孔率為3.7%，占總面孔率的80%以上（圖4-a～c）。粒間常見連晶狀方解石膠結(jié)物、板狀自生鈉長石和六方柱狀自生石英加大，黏土礦物多充填粒間或分布在顆粒邊緣或表面，以絲縷狀、絲片狀伊利石、蜂窩狀伊/蒙混層較為常見（圖4-d～f）?？紫锻B通性較好，與粒緣片狀喉道構(gòu)成有效的孔喉網(wǎng)絡(luò)。

圖3 博孜9井巴什基奇克組儲層物性特征圖

表1 博孜9井巴什基奇克組不同類型儲集空間面孔率統(tǒng)計(jì)表

圖4 博孜9井巴什基奇克組儲層儲集空間微觀特征照片

2.3.2 粒間溶孔

巴什基奇克組儲層粒間溶孔主要是粒間膠結(jié)物溶蝕和長石粒緣溶蝕成因，常表現(xiàn)為港灣狀、鋸齒狀或不規(guī)則狀，往往作為原生粒間孔的擴(kuò)大部分，易于形成線狀或帶狀分布，進(jìn)一步改善儲層孔喉結(jié)構(gòu)和滲流能力（圖4-g）。鏡下可見方解石輕微溶蝕，進(jìn)一步擴(kuò)大了粒緣喉道寬度和孔隙空間（圖4-h）。長石的溶蝕最初沿內(nèi)部解理開始，初期形成米粒狀微孔隙，后期不斷增大，最終導(dǎo)致顆粒部分溶蝕或全部溶掉形成鑄膜孔（圖4-i）。粒間溶孔平均面孔率為0.9%，占總孔隙的19.4%。

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)較為均質(zhì)

根據(jù)36塊巖心樣品高壓壓汞測試結(jié)果，博孜9井巴什基奇克組儲層排驅(qū)壓力主值區(qū)介于0.1～0.8 MPa，最小值為0.09 MPa，最大為2.60 MPa。排驅(qū)壓力與儲層滲透率、孔隙度相關(guān)性均較好，表明儲層孔隙結(jié)構(gòu)較為均質(zhì)?；|(zhì)孔喉峰值區(qū)介于0.25～6.30 μm，孔喉分選性中等—好，毛細(xì)管壓力曲線表現(xiàn)為低排粗喉或中排中喉特征，儲層基質(zhì)滲透性較好。

3 優(yōu)質(zhì)儲層成因機(jī)制

3.1 粗巖性提供抗壓?？椎奈镔|(zhì)基礎(chǔ)

庫車坳陷巴什基奇克組砂巖廣泛發(fā)育，厚度介于100～300 m，整體上受南天山造山帶和溫宿古隆起控制，自東向西逐漸減薄，在阿瓦3井以西剝蝕殆盡。在北部南天山造山帶、西部溫宿古隆起和東南部塔東物源控制下，巴什基奇克組自下向上發(fā)育扇三角洲前緣亞相—辮狀河三角洲前緣亞相，垂向上多期水下分流河道和河口砂壩相互疊置，平面上多個三角洲朵體相互連接，朵體向湖盆內(nèi)部延伸距離超過60 km，具有滿盆含砂的特點(diǎn)。巖性以中砂巖、細(xì)砂巖為主，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度中等，常見多種類型交錯層理，反映出遠(yuǎn)緣、牽引流的沉積特征。受燕山末期溫宿古隆起和南天山造山帶限制，在克拉蘇構(gòu)造帶西部形成構(gòu)造三角帶，地貌具有三面高、中間低的特點(diǎn)，同時(shí)受到溫宿古隆起近源水系的影響，博孜—大北區(qū)段巴什基奇克組沉積了一套相對粗粒砂巖，以中砂巖、細(xì)砂巖為主，見少量粗砂巖和含礫砂巖，砂地比高達(dá)70%～90%。

博孜9井位于克拉蘇構(gòu)造帶西部構(gòu)造三角帶的中心區(qū)域，鉆揭巴什基奇克組的厚度為216 m，為巴什基奇克組二段和三段（圖5）。其中，巴二段厚度為131 m，巖性以褐色厚—巨厚層狀中砂巖、細(xì)砂巖為主，其次為薄—中厚層狀含礫砂巖，局部夾薄層粉砂巖和泥巖，見多層含灰砂巖，砂地比高達(dá)95%。單個砂巖層厚度最大值為65 m，自然伽馬曲線呈微齒狀箱形—鐘形，孔隙度、滲透率和含氣飽和度曲線呈多個鼓包，中間間隔以薄層低物性含灰砂巖或泥質(zhì)巖類，整體屬于氣層富集段。巴三段厚度為85 m（未鉆穿），巖性為褐色中—巨厚層狀細(xì)砂巖、中砂巖，泥巖和粉砂巖明顯增多且單層厚度變大，砂巖物性變差，含氣飽和度降低。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，中砂巖物性相對較好，平均孔隙度為9.4%，細(xì)砂巖物性相對較差，平均孔隙度為6.7%。

研究發(fā)現(xiàn)，博孜9井處于南天山物源和溫宿古隆起物源三角洲朵狀砂體疊加位置，由于溫宿古隆起的阻擋和物源就近供給，細(xì)粒組分隨水流進(jìn)入湖盆內(nèi)部，粗粒組分順勢沉積下來，導(dǎo)致砂巖尤為富集。成像測井古水流識別結(jié)果表明，博孜9井巴什基奇克組砂巖沉積時(shí)存在兩支古水流方向，分別來自近北方向和西南方向（圖5）。顯微鏡下也可觀察到棱角—次棱狀和次圓—圓狀兩類顆粒混雜堆積特征（圖4-a），是由于不同物源區(qū)沉積物搬運(yùn)距離差異較大造成的。重礦物表現(xiàn)為磁鐵礦—赤褐鐵礦—白鈦石—石榴石組合，屬于南天山物源重礦物和溫宿古隆起物源重礦物之間的混合類型。以上結(jié)果顯示，在古隆起控制下，雙向物源共同作用是博孜9井巴什基奇克組砂巖顆粒較粗、占比較大的主要原因。粗粒組分更利于組成穩(wěn)定骨架以減少壓實(shí)作用對原生孔隙的破壞，同時(shí)疊加遠(yuǎn)物源顆粒較好的分選性，進(jìn)而為后期成巖過程中的抗壓?？椎於宋镔|(zhì)基礎(chǔ)[22]。

3.2 早—中期弱壓實(shí)有效保留原生孔隙

博孜9井巴什基奇克組沉積之后，主要經(jīng)歷了燕山晚期的抬升剝蝕、喜馬拉雅早期的持續(xù)深埋和喜馬拉雅晚期短暫抬升及后期沉降等3個埋藏階段，現(xiàn)今埋深超過7 600 m，為歷史最大埋深（圖6）[23]。成巖早期（距今125～20 Ma），儲層長期處于淺埋藏狀態(tài)，埋深始終小于3 000 m，垂向壓實(shí)作用相對較弱，有利于粒間孔隙的大量保存；成巖中期（距今20～5 Ma），儲層上覆古近系沉積了一套巨厚膏鹽巖地層（厚度超過1 500 m），埋深仍小于5 000 m，膏鹽巖的塑性流動可抵消部分重力，進(jìn)一步延緩垂向壓實(shí)作用；成巖晚期（距今5～0 Ma），新近系巨厚礫巖沉積后，儲層進(jìn)入快速深埋階段，但持續(xù)時(shí)間較短。

圖5 博孜9井巴什基奇克組綜合柱狀圖

前人的研究成果表明，庫車坳陷古近系膏鹽巖和鹽上地層在擠壓變形過程中逐步形成了多種類型的頂蓬構(gòu)造，其中褶皺型頂蓬構(gòu)造能夠引起鹽上地層大幅度上拱進(jìn)而抵消部分上覆靜巖壓力和擠壓應(yīng)力[24]。博孜9斷背斜構(gòu)造位于克拉蘇構(gòu)造帶深層區(qū)南側(cè)，拜城斷裂以北，構(gòu)造形成時(shí)間相對較晚，上覆鹽層擠壓變形過程中形成巨大的鹽枕構(gòu)造，鹽上地層上拱構(gòu)成頂蓬結(jié)構(gòu)（圖7）。同時(shí)，巨厚膏鹽巖封閉能力強(qiáng)，鹽下儲層流體表現(xiàn)為異常高壓特征，壓力系數(shù)高達(dá)1.88，進(jìn)而延緩巖石的壓實(shí)作用，加之較低的地溫梯度，使孔隙得到較好的保存[9]。

圖6 博孜9井巴什基奇克組儲層孔隙演化與熱史埋藏史配置圖

圖7 過博孜9井南北向地震剖面圖

此外，砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物對砂巖孔隙演化具有重要影響，導(dǎo)致儲層在埋深較大的情況下壓實(shí)作用仍不強(qiáng)烈[25-26]。博孜9井巴什基奇克組發(fā)育多層含灰砂巖，顯微鏡下可見較多的碳酸鹽膠結(jié)物充填在粒間，呈基底式或連晶式膠結(jié)，與顆粒邊緣接觸緊密，構(gòu)成牢固的顆?！z結(jié)物骨架（圖4-g～h）。這一現(xiàn)象說明儲層在埋藏成巖早期經(jīng)歷了較強(qiáng)的碳酸鹽膠結(jié)，有效抑制了垂向壓實(shí)作用，使相鄰原生粒間孔隙和粒緣喉道得以保留。

3.3 晚期低構(gòu)造應(yīng)力使孔隙得以大量保存

成巖晚期的側(cè)向逆沖構(gòu)造擠壓對砂巖孔隙的保存具有重要影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明，構(gòu)造應(yīng)力對儲集層的減孔作用受控于應(yīng)力作用的時(shí)代和大小[27-29]。從過博孜9井的地震剖面（圖7）來看，博孜9井處于逆沖推覆構(gòu)造帶的前緣，中間存在巨大的鹽枕構(gòu)造，古近系庫姆格列木群膏鹽巖的塑性流動有效減緩了構(gòu)造擠壓作用。聲發(fā)射古應(yīng)力測試結(jié)果表明，博孜9井巴什基奇克組最大古構(gòu)造應(yīng)力為24.9 MPa，遠(yuǎn)低于位于逆沖推覆構(gòu)造帶中部的大北12井（表2）。喜馬拉雅晚期南天山造山帶持續(xù)隆升，應(yīng)力由北向南傳播，一方面強(qiáng)擠壓構(gòu)造應(yīng)力被成排成帶形成的逆沖背斜、斷塊構(gòu)造抵消減弱，另一方面?zhèn)鬟f至博孜9區(qū)段及形成斷背斜圈閉的時(shí)間也相對較晚。因而，構(gòu)造變形和側(cè)向擠壓作用較弱，儲層構(gòu)造裂縫相對不發(fā)育。顯微鏡下可觀察到巖石顆粒形態(tài)完整，未見明顯的定向排列、壓實(shí)、壓溶現(xiàn)象，原生粒間孔得以大量保存（圖4-a～c）。

表2 博孜9、大北12井巴什基奇克組中砂巖記憶的古應(yīng)力場分量統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

3.4 儲層孔隙演化模式

博孜9井巴什基奇克組儲層經(jīng)歷了弱壓實(shí)強(qiáng)度、中等膠結(jié)強(qiáng)度及中等溶蝕作用，現(xiàn)今仍保留近10%的平均孔隙度。通過普通薄片、鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡等資料對其成巖演化過程進(jìn)行了恢復(fù)，儲層主要經(jīng)歷了4期成巖作用階段。

第一期為早成巖A期，儲層初始孔隙度介于34%～36%，經(jīng)過長時(shí)間淺埋藏，早期碳酸鹽膠結(jié)物大量發(fā)育，原始泥雜基向黏土礦物轉(zhuǎn)化，形成黏土膜包裹顆粒，總體減孔量達(dá)16%；第二期為表生成巖期，儲層抬升遭受風(fēng)化淋濾，長石、巖屑和少量碳酸鹽膠結(jié)物遭受溶蝕，總體增孔量介于2%～4%，同時(shí)伴隨著自生鈉長石的沉淀和黏土礦物間的轉(zhuǎn)化；第三期為早成巖階段，儲層在持續(xù)深埋壓實(shí)作用下，成巖環(huán)境由弱酸性向弱堿性過渡，黏土礦物演化過程中析出的鎂離子交代早期的方解石膠結(jié)物，硬石膏、鈉長石和自生石英加大開始出現(xiàn)，總體減孔量介于7%～9%；第四期是中成巖A期，膏鹽巖頂蓬作用下形成低地溫場遲緩成巖作用，低構(gòu)造應(yīng)力對儲集空間影響較小，而油氣攜帶的酸性流體進(jìn)入巖石內(nèi)部，鈉長石、硅質(zhì)顆粒和巖屑均遭受一定程度的溶蝕，受封閉水體環(huán)境的限制，就近沉淀下來形成新的自生長石和次生石英顆粒，總體減孔量介于4%～5%，形成至今孔隙度為10%的砂巖儲層（圖6）。

4 油氣勘探意義

4.1 7 000 m以深超深層發(fā)育規(guī)模有效儲層

以孔隙度4.0%作為有效儲層下限，綜合考慮沉積巖相、膏鹽巖分布和構(gòu)造應(yīng)力等因素對儲層物性的控制作用，對庫車坳陷7 000 m以深超深層有效儲層分布進(jìn)行了評價(jià)預(yù)測。有效儲層主要分布在三角洲前緣主水道區(qū)、上覆膏鹽巖厚度大、晚期構(gòu)造應(yīng)力弱的“三者”疊合部位，具有成帶成片規(guī)模分布特征（圖8）。其中，博孜—大北區(qū)段有效儲層厚度介于50～150 m，孔隙度介于6%～13%，原生孔隙為主；克深區(qū)段有效儲層厚度介于50～100 m，孔隙度介于4%～7%，次生孔隙占比介于40%～60%；部分區(qū)段構(gòu)造裂縫較發(fā)育，對儲層滲透性能改善明顯。

圖8 克拉蘇構(gòu)造帶巴什基奇克組超深層有效儲層厚度分布圖

4.2 庫車坳陷超深層具有萬億立方米天然氣儲量規(guī)模

庫車坳陷鹽下超深層具有生儲蓋組合匹配關(guān)系好、油氣成藏過程與構(gòu)造演化同步、鹽下疊瓦沖斷構(gòu)造圈閉成排成帶分布等有利條件，具有區(qū)帶連片含油氣、局部構(gòu)造高豐度富集的特征[12]。目前，克深區(qū)段已落實(shí)萬億立方米天然氣地質(zhì)儲量，博孜—大北區(qū)段萬億立方米氣區(qū)建設(shè)成效顯著，其中，7 000 m以深超深層發(fā)現(xiàn)的天然氣三級地質(zhì)儲量已超四千億立方米。庫車坳陷超深層已有19個儲備圈閉，總面積近400 km2，后續(xù)經(jīng)地震資料連片處理和構(gòu)造解釋模型優(yōu)化有望發(fā)現(xiàn)新的圈閉，博孜9井超深層優(yōu)質(zhì)砂巖儲層的發(fā)現(xiàn)也為鉆探這些圈閉提供了技術(shù)支撐和勘探依據(jù)。庫車坳陷超深層整體具有萬億立方米天然氣儲量潛力，是塔里木盆地增儲上產(chǎn)的最現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域之一，具有極其巨大的勘探價(jià)值。

5 結(jié)論

1）與其他超深層裂縫性低孔砂巖儲層不同，博孜9井巴什基奇克組儲層在埋深7 600 m以深平均孔隙度仍達(dá)9.2%，平均滲透率為5.08 mD，原生粒間孔比例高達(dá)80%，孔喉連通性好，目前仍處于中成巖階段。

2）超深層優(yōu)質(zhì)砂巖儲層成因機(jī)制主要是粗粒砂巖高度富集提供了抗壓?？椎奈镔|(zhì)基礎(chǔ)、早—中期長時(shí)間淺埋藏延緩壓實(shí)減孔、膏鹽巖頂蓬構(gòu)造抑制垂向壓實(shí)、晚期構(gòu)造擠壓應(yīng)力弱保護(hù)原生孔隙，其中膏鹽巖頂蓬構(gòu)造和弱構(gòu)造擠壓是形成優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵因素。

3）庫車坳陷7 000 m以深超深層有效儲層在區(qū)域上成片成帶規(guī)模分布，厚度介于50～150 m，為庫車坳陷超深層萬億立方米天然氣儲量規(guī)模夯實(shí)了物質(zhì)基礎(chǔ)，勘探潛力巨大。同時(shí)，博孜9井超深層的勘探突破也為8 000 m以深的圈閉鉆探提供了技術(shù)支撐。