塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統煤系地層致密砂巖儲層特征

秦 紅，戴琦雯，袁文芳，劉洛夫，曹少芳，蘇天喜，張 博，姜振學

（1.中國石油塔里木油田勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000； 2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3.中國石油大學（北京）盆地與油藏研究中心，北京 102249； 4.中國石油大學（北京）非常規天然氣研究院，北京 102249）

0 引言

侏羅紀煤系地層是中國廣泛分布的重要含油氣層位，在準噶爾盆地、焉耆盆地、塔里木盆地庫車坳陷等侏羅系油氣勘探中均有重大發現.煤系地層或與煤系地層相鄰的儲層多為低孔—低滲到特低孔—特低滲的致密儲層，儲層物性差，成巖作用復雜，有利區預測困難.鄭浚茂等研究發現華北石炭—二疊系煤系地層有利儲層分布受表生成巖作用控制[1]；朱國華等研究認為浙皖長廣地區龍潭組砂巖內中—粗粒以上河道砂巖有利于孔隙的保存[2]；楊曉萍等研究認為鄂爾多斯和四川盆地煤系地層優質儲層主要受到不整合面或層序界面、有利沉積相帶、酸性水溶蝕作用等因素的控制[3].研究煤系地層的成巖作用與孔隙演化、分析高孔滲儲層的形成原理、尋找有利儲層分布規律，是煤系地層油氣勘探的重要研究內容[4].塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統主要由煤系地層組成，其中依南2井在下侏羅統發現工業氣流，儲層致密且非均質性強.恢復儲層成巖演化序列，分析儲層孔隙演化過程，以及庫車坳陷東部下侏羅統砂巖儲層沉積作用、成巖及構造作用與孔隙演化的關系，有助于尋找有利儲層、預測氣藏分布.

1 地質概況

塔里木盆地是我國最大的中、新生代內陸沉積盆地.根據下古生界“三隆四坳”的構造格局可將盆地劃分為7個構造單元，即庫車坳陷、塔北隆起、北部坳陷、中央隆起、西南坳陷、塔南隆起和東南坳陷.研究區位于塔里木盆地庫車坳陷東部依奇克里克構造帶，北部為天山褶皺帶，南部為秋里塔格構造帶和陽霞凹陷[5]（見圖1）.侏羅紀早期研究區為靠近山前的辮狀河三角洲平原，沉積了阿合組的辮狀河河道沉積，砂巖粒度較粗、分選較差，在平面上大片分布；阿合組之上的陽霞組沉積時期水體加深，主要為辮狀河三角洲前緣及湖泊—沼澤相沉積，陽霞組沉積物主要為泥巖，尤其是頂部的大套泥巖代表在早侏羅世晚期水體已經變深，陽霞組內夾有煤層.

圖1 塔里木盆地庫車坳陷東部構造分區Fig.1 Tectonic zoning map of eastern Kuqa depression，Tarim basin

2 基本特征

2.1 沉積與巖石學特征

庫車坳陷中生界地層發育一套連續沉積、厚度巨大的沖積—湖泊沉積體系，地層中碎屑巖占絕大部分，局部層段夾薄層狀泥灰巖，地層層序發育完整.下侏羅統沉積地層自上而下分別為陽霞組和阿合組（見圖2）.陽霞組地層厚度為300～700m，砂巖厚度約占地層厚度的30%，是灰色砂（礫）巖與深灰色—淺綠灰色泥巖、碳質泥巖、煤巖互層的煤系地層；阿合組地層厚度為100～500m，砂巖厚度占地層厚度的80%～90%，主要為淺灰—灰白色辮狀河三角洲粗碎屑巖沉積.地層厚度自西北向東南變薄，砂巖體積分數及粒度逐漸降低，反映物源距西北更近.

庫車坳陷東部下侏羅統屬于三角洲—湖泊沉積體系，下部阿合組主要發育辮狀河三角洲平原和前緣微相；上覆陽霞組主要發育淺湖、沼澤及辮狀河三角洲前緣微相，且煤層發育[6].儲層巖石類型主要為巖屑砂巖，部分為長石巖屑砂巖（見圖3（a）、（b））.巖屑成分主要為變質巖，其次為巖漿巖，沉積巖最少（見圖4（a）、（b））.變質巖巖屑成分主要為石英巖、片巖及千枚巖；巖漿巖巖屑成分主要為中酸性噴出巖及花崗巖；沉積巖巖屑成分主要為細砂巖及泥巖巖屑.鏡下觀察統計結果表明，粒間泥質體積分數較高，黏土礦物體積分數約為7%，主要為高嶺石及伊利石.其他膠結物包括石英加大邊及碳酸鹽膠結物等，硅質膠結物平均體積分數較低，一般少于0.6%；碳酸鹽膠結物平均體積分數略高，一般少于0.7%.顆粒分選為中—好，磨圓以次棱—次圓為主.顆粒間接觸關系以點—線接觸及線接觸為主，部分地區層段為凹凸接觸.總體上，塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統砂巖儲層成分成熟度較低，結構成熟度中等，不利于儲層原生孔隙的保存.

2.2 膠結物成分

庫車坳陷東部下侏羅統儲層中沒有發現大量由方解石、沸石、石膏等成巖作用早期形成的易溶膠結物，原因是煤系地層的成巖作用早期處于酸性水介質環境中.總體上，儲層膠結物體積分數較低，一般小于10%；膠結物主要成分包括高嶺石、伊利石、硅質、方解石、白云石和菱鐵礦等，其中高嶺石、伊利石體積分數較高（見圖5）.碳酸鹽膠結物主要以晚期連晶方解石和鐵白云石為主.與其他煤系地層相比，庫車坳陷東部早侏羅世地層中伊利石膠結物體積分數較高，石英加大邊較窄（見圖6）.

一般在成巖早期酸性水介質影響下，儲層中高嶺石及硅質膠結物體積分數占優勢，但是庫車坳陷東部儲層經歷早期快速深埋和長時間成巖演化過程，早期形成的高嶺石膠結物在中成巖—晚成巖階段的堿性水介質環境中向伊利石轉化，形成較高體積分數的伊利石膠結物；掃描電鏡下可見長石溶蝕、自生鉀長石向高嶺石及伊利石轉化，以及高嶺石向伊利石轉化等現象[7].在早期硅質膠結物形成期間，快速埋藏作用和較高體積分數的黏土礦物使硅質膠結物加大邊的形成受到抑制[8]，表現為儲層中硅質加大邊級別較高，一般為Ⅱ—Ⅲ級，但加大邊寬度較小.因此，在掃描電鏡中常見顆粒表面加大的石英晶體，但顯微鏡中少見廣泛分布的石英加大邊，僅在局部觀察到較窄的加大邊現象.

圖2 庫車坳陷東部下侏羅統三疊系—侏羅系地層柱狀圖Fig.2 Triassic and Jurassic stratigraphic column of eastern Kuqa depression，Tarim basin

圖3 庫車坳陷東部下侏羅統儲層巖石類型及體積分數Fig.3 Rock types and content of Reservoir bed

圖4 庫車坳陷東部下侏羅統巖屑成分及體積分數Fig.4 Detritus types and content of Reservoir bed

圖5 庫車坳陷東部下侏羅統儲層黏土礦物體積分數Fig.5 Histogram of clay mineral content of Lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

圖6 庫車坳陷東部下侏羅統儲層石英加大邊（依南2C井，4 743.20m）Fig.6 The secondary concrescence of quartz edge（Well Yinan 2C，4 743.20m）

2.3 孔隙類型與物性特征

分析鑄體薄片資料表明，庫車坳陷東部下侏羅統儲層孔隙類型以次生溶孔（粒間溶孔、粒內溶孔）及微孔隙為主，局部發育溶蝕縫及收縮縫（見圖7（a））.研究區儲層普遍埋深較大，最大埋深為6 000～7 000m，受壓實作用等成巖作用影響，原生孔隙（原生粒間孔）基本消失，僅在最大埋深相對較淺（約為4 000m）的明南1井附近發育較多（見圖7（b））.

圖7 庫車坳陷東部下侏羅統儲層孔隙類型Fig.7 Reservoir poretypes of lower Jurassic

庫車坳陷東部下侏羅統儲層現今埋深一般為3 000～5 000m，孔隙度為1%～12%，滲透率為（0.01～10.00）×10－3μm2（見圖8（a）、（b）），為低孔—低滲到特低孔—特低滲儲層，總體上，儲層物性自東向西、由北向南逐漸變差.儲層主要發育辮狀河三角洲平原—辮狀河三角洲前緣河道砂體，非均質性強、物性差異較大[9].后期的成巖、構造等作用使差異加劇，導致即使在成分、粒度、分選和次生礦物體積分數相似的條件下，砂巖儲集物性的變化也很大.

圖8 庫車坳陷東部下侏羅統儲層孔隙度及滲透率分布Fig.8 Reservoir porosity and permeability of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression

3 成巖作用

3.1 強壓實與壓溶作用

庫車坳陷東部下侏羅統儲層中，巖石顆粒接觸形式主要為線接觸（≥90%），部分為凹凸或縫合線接觸，反映儲層壓實較強烈（見圖9）.壓實作用強度與埋深及構造加壓作用強度相關，依西地區埋深中等，構造應力較強，儲層表現為強烈的壓實及壓溶作用，顆粒間以線接觸—凹凸接觸為主，壓溶現象及顆粒壓裂縫較發育，儲層普遍致密，滲透率較低；依南地區壓實強度中等，顆粒間以線接觸為主，儲層致密程度與溶蝕作用強度及粒間填隙物體積分數等因素相關；明南地區埋深較淺，后期抬升較高，壓實作用較弱，下侏羅統儲層受到表生淋濾作用，發育大量粒間、粒內溶孔，顆粒間以點—線接觸為主，物性較好.庫車坳陷東部儲層壓實作用受到差異構造應力及埋藏過程影響，表現為自西向東壓實強度逐漸變弱.

圖9 庫車坳陷東部下侏羅統儲層壓實作用Fig.9 Reservoir compaction of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

庫車坳陷東部下侏羅統阿合組主要發育辮狀河河道沉積，巖石粒度較粗，以中—粗砂巖及含礫砂巖為主；陽霞組發育辮狀河三角洲前緣水下分流河道及濱淺湖沉積，巖石粒度偏細，泥質體積分數較多.分析儲層巖石粒間孔隙發育程度與顆粒間接觸關系，認為阿合組中壓實作用的效果稍弱于陽霞組的，前者孔隙保存得更好.

庫車坳陷東部下侏羅統儲層巖石成分主要為巖屑砂巖，其抗壓性比石英砂巖的低，壓實作用對儲層物性的破壞較為強烈.該地區主要發育辮狀河三角洲—湖泊沼澤相沉積，砂巖分選較差，雜基體積分數較高，儲層原生孔隙中易含有大量雜基，從而降低初始孔隙度.陽霞組儲層為含煤地層，沉積初期水介質為酸性，不利于方解石等碳酸鹽膠結物生成，儲層孔隙之間沒有支撐性的易溶膠結物，壓實作用效果顯著.該地區儲層埋深較大，最大埋深為4 000～6 000m，在晚期強烈構造擠壓作用下，儲層被壓實得極為致密.到中成巖A階段，儲層孔隙度減少了15%～20%；現今儲層受壓實作用影響，孔隙度減少了25%～38%.因此，壓實作用是對該地區儲層物性影響最大的成巖作用（見圖10）.

3.2 多期酸性溶蝕與晚期堿性環境

含煤地層富含水生和陸生植物，埋藏后易產生腐殖酸，使成巖早期具有酸性水介質條件.塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統儲層在成巖演化過程中經歷的酸性溶蝕作用主要分兩期：第一期為近地表的淺埋藏環境，溶蝕對象主要是長石巖屑等易溶組分，溶蝕強度較低，產物主要為酸性環境下的自生高嶺石；第二期為中成巖階段有機酸及CO2對長石及部分易溶巖屑的溶蝕作用.由于部分地區（如明南1井）后期地層抬升作用，導致儲層受到表生淋濾作用而經歷三期溶蝕.目前儲層孔隙主要為次生溶孔與微孔隙，次生孔隙主要為粒內溶孔及粒間溶孔，溶蝕對象為長石、部分巖屑及粒間碳酸鹽膠結物[10－12]（見圖11）.

圖10 庫車坳陷東部下侏羅統儲層壓實作用與膠結作用Fig.10 Comparison between reservoir compaction and cementation of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

圖11 庫車坳陷東部下侏羅統儲層溶蝕作用Fig.11 Reservoir dissolution of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

隨著埋藏深度的增加及成巖作用的進行，地層水中酸性物質被逐漸消耗，水介質由酸性轉變為堿性，目前儲層處于中成巖A2—B階段，顆粒間為線—凹凸狀接觸，儲層中出現含鐵方解石、鐵白云石等晚期碳酸鹽巖膠結、交代現象（見圖12），孔隙度下降.石英加大邊表現為Ⅲ級，掃描電鏡中可見長石加大及榍石、硬石膏、重晶石等，黏土礦物中高嶺石體積分數降低，伊利石體積分數增加.

圖12 庫車坳陷東部下侏羅統儲層交代作用Fig.12 Reservoir metasomatism of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

3.3 成巖演化與孔隙演化

庫車坳陷東部下侏羅統儲層次生孔隙普遍發育，主要形成于中成巖A—B期.次生孔隙主要由自生碳酸鹽膠結物、長石，以及不穩定的巖屑受到有機酸、CO2和局部抬升剝蝕區的大氣淡水的溶蝕、交代作用形成，主要表現為顆粒內部的溶解和部分粒間孔的擴大，喉道細、滲透率較低.該地區次生孔隙主要發育在中成巖A期，部分發育在中成巖B期，有機質處于低成熟—成熟階段，有機酸和CO2濃度最高.儲層在同生—早成巖階段水介質為酸性—中性，顆粒有少量石英加大及高嶺石，I／S屬無序混層，顆粒呈點—線接觸；中成巖A1—A2階段水介質為酸性（有機酸高濃度段），石英、長石和高嶺石加大普遍存在，I／S混層有序或部分有序，發育自生伊利石和綠泥石，顆粒呈線接觸或線接觸—凹凸接觸，次生孔隙主要為顆粒溶解及粒間孔擴大，部分雜基溶解；中成巖A2—B階段水介質為堿性—酸性，發育含鐵碳酸鹽（鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦等），石英和長石加大均表現為Ⅲ級，部分顆粒有裂縫，顆粒間為凹凸—縫合接觸.

東部明南地區受到表層地層水淋濾影響，可觀察到超大溶蝕孔隙及溶蝕裂縫，高嶺石體積分數較高.西部依西—克孜地區構造擠壓強烈，顆粒間以凹凸—縫合線接觸為主.通過礦物包裹體均一溫度與古地溫測算確定礦物形成時的古地溫，結合埋藏史可推測礦物形成時期.包裹體均一溫度測算結果表明，石英加大邊和碳酸鹽膠結物的形成時間在中成巖A階段（包裹體溫度為100～130℃）.鏡下薄片觀察可知，碳酸鹽膠結物一般位于顆粒石英加大邊外（見圖13），所以其形成時間晚于石英加大邊的[13].

圖13 庫車坳陷東部下侏羅統儲層膠結物特征Fig.13 Characteristics of cement of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression，Tarim basin

結合酸性水介質（含煤地層）的碎屑巖成巖階段劃分標準，總結研究區成巖演化序列（見圖14）.

圖14 庫車坳陷東部下侏羅統儲層成巖演化序列Fig.14 Diagenetic evolution sequence of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

利用孔隙度推導模型[14－16]，根據鏡下儲層成巖作用特征、自生礦物體積分數、發育時間、埋藏史及構造作用特征，對目的層位孔隙演化歷史進行反演恢復，得到庫車坳陷東部下侏羅統儲層孔隙演化模式（見圖15）.早成巖階段，由于受到煤系地層酸性水的影響，沉積物中缺乏早期碳酸鹽巖支撐顆粒間孔隙，壓實作用導致儲層孔隙快速減小；中成巖階段發生長石及巖屑溶蝕現象，粒內及粒間的溶蝕孔隙有效地改善儲層物性，溶蝕作用主要發育在粒度較大或裂縫發育、地層水易于流動的儲層中；晚期碳酸鹽膠結加劇儲層的致密程度，局部可見的石英變質現象體現快速埋藏時期強烈的構造擠壓作用對儲層的影響，并在儲層中廣泛發育粒內裂紋；現今主要表現為廣泛致密的、裂縫段的高孔滲儲層.

4 有利儲層發育規律

分析影響儲層物性的主要因素，控制儲層致密的主要沉積因素為碎屑組分、粒度和黏土礦物體積分數等，其中粒度和物性關系緊密，粒度越粗物性越好.主要成巖作用包括垂向的地層壓實作用及側向的構造壓實作用，長石、巖屑及自生礦物的溶蝕作用，石英及長石的次生加大等，壓實作用對儲層孔隙度的減小幅度遠大于膠結作用的（見圖10）.構造作用對儲層的影響較為復雜，首先，強烈的側向擠壓應力導致儲層在垂向壓實的基礎上進一步壓實，造成孔隙度進一步下降[12]；其次，構造應力轉化為熱能，對成巖作用及有機質演化造成影響[17]；最后，統計裂縫發育的巖心分析數據發現，裂縫發育段的孔隙度略有增加，但增加量不大，一般不超過2%；滲透率增加較明顯，可增加1～2個數量級.由于裂縫孔隙度較小，所以認為裂縫不是最主要的儲集空間，但裂縫發育段的滲透率較好，可以改善儲層的滲透性（見圖16），證明構造應力產生的構造裂縫為流體的流動提供了通道和空間，為次生孔隙的形成和滲透率的改善創造了條件.

圖15 庫車坳陷東部下侏羅統儲層孔隙演化模式Fig.15 Pore evolution pattern of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

圖16 庫車坳陷東部下侏羅統儲層裂縫孔隙度與滲透率Fig.16 Fracture porosity and permeability of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa Depression

綜上所述，有利儲層主要發育在粒度較粗的辮狀河道及裂縫發育的儲層中，粒度較粗、壓實強度較弱、溶蝕作用較強，裂縫發育段普遍溶蝕強度大且滲透率較好.這些區域在剖面上主要位于陽霞組第Ⅲ段及阿合組第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ段，這些層段儲層溶蝕強度大、砂巖粒度粗且壓實強度較弱；平面上主要位于辮狀河道相及大型斷裂發育區中，這些地區儲層物性較好且裂縫較發育.

5 結論

（1）塔里木盆地庫車坳陷東部下侏羅統的煤系地層致密儲層為辮狀河三角洲沉積的巖屑砂巖，粒間泥質體積分數較高，硅質膠結物及碳酸鹽膠結物體積分數較低.

（2）煤系地層沉積早期的酸性水介質導致儲層早期缺乏碳酸鹽膠結物支撐，壓實作用強，儲層致密，物性較差.受顆粒表面泥質影響，石英加大邊級別較大而寬度較窄.壓實強度受控于儲層埋深和構造擠壓作用.

（3）有利儲層分布受控于沉積相帶分布和成巖作用強度，主要發育在粒度較粗的辮狀河道及裂縫發育的儲層中.

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