柴達木盆地尖北地區裂縫性基巖氣藏儲層特征

陳更新 ，王建功，杜斌山，劉應如，李艷麗，楊會潔，李志明，俞曉峰

（1.中國石油勘探開發研究院西北分院，蘭州 730020；2.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736200）

0 引言

基巖風化殼是一種非沉積作用形成的油氣儲層。地質歷史時期，基巖暴露地表，在風化淋濾、剝蝕和構造運動作用下，次生孔隙和裂縫發育，并在埋藏期得以保存［1］，在良好的油源、輸導體系、蓋層體系均發育且匹配的前提條件下，基巖風化殼內易形成規模性油氣聚集。基巖油氣藏在國內外均有分布，如在古地臺（北美和南美地區）［2-3］、年輕地臺（西西伯利亞和西歐地區）［4］、中生界（越南大陸架）［5］以及年輕的褶皺造山帶山間坳陷（委內瑞拉）［6］均有油氣發現。國內外己經發現了300 多個工業性基巖油氣田，地質儲量巨大，如利比亞的拿法拉-奧季拉、阿爾及利亞的哈西邁薩烏德、越南的白虎以及委內瑞拉的拉巴斯-馬拉都是具有億噸級地質儲量的大油氣田［6］。中國渤海灣盆地的遼河坳陷、濟陽坳陷和三塘湖盆地、柴達木盆地等也發現了多個基巖整裝大油氣藏［7-8］。20 世紀末，勘探家們在柴達木盆地阿爾金山前基巖儲層中發現了不同程度的油氣顯示，但未獲得大規模油氣儲量［9-10］；2011 年，東坪1 井在基巖風化殼中獲得高產天然氣流，無阻流量達56 萬m3/d，由此拉開了阿爾金山前基巖風化殼油氣勘探序幕［11-12］，之后又在東坪3、東坪17、牛1、尖北等區塊相繼獲得工業油氣流［13-14］。基巖儲層具有巖性變化快、孔喉結構復雜、裂縫非均質性強等特點［15］，目前國內外已發現的基巖儲集層巖性主要為花崗巖、花崗質變質巖和風化底礫巖等，且以花崗巖最多。世界上絕大多數基巖儲集層的儲集空間包括構造運動和風化作用形成的裂縫，少數為伴生溶蝕縫和溶蝕孔，其孔隙度一般小于10%，多為3%～6%，因含裂縫或溶蝕孔縫，滲透率往往較高［16］，非均質性強，單井日產量差異大［17］。學者們對柴達木盆地阿爾金山前基巖儲層已進行了大量的卓有成效的研究，如李江濤等［18］認為東坪地區基巖的儲集空間類型主要為各種裂縫，含少量溶蝕孔洞，這決定了許多基巖油氣藏具有“初期產量高、遞減快”的典型特征；馬峰等［11］認為東坪地區基巖氣藏儲層的主要儲集空間包括基巖風化殼溶蝕孔和基巖內幕的晶間微孔，廣泛發育的基質微孔是研究區氣藏穩產的主要原因；吳麗榮等［19］認為基巖頂部風化破碎帶的孔隙和裂縫系統均被石膏和碳酸鹽膠結物充填，極其致密，幾乎不發育儲集空間；黃成剛等［20］認為溶蝕孔雖然在東坪地區廣泛發育，但并非發育于基巖風化殼中，而是發育于基巖內幕，為深部熱液溶蝕所致，風化殼中的溶蝕孔縫已經被上覆地層沉積時的咸水流體灌注膠結，已不具有儲集能力，反而具有良好的封堵性，對天然氣的聚集成藏具有極大的貢獻作用。

基巖風化殼可劃分為土壤層、完全風化層、半風化層和未風化層［21］，儲層主要發育在半風化層，關于研究區數百米厚的半風化層的研究較為薄弱，尤其是對尖北地區基巖的巖性、儲集空間類型、儲層發育規模和分布、孔隙結構及優質儲層的主控因素等研究均較少。針對研究區的石英閃長巖和花崗閃長巖儲層，綜合利用各種實驗分析手段和測井資料，系統開展儲層特征、主控因素和含氣性分析，以期為尖北地區基巖氣藏的勘探部署和開發方案編制、高效建產提供地質依據。

1 區域概況

尖北地區位于柴達木盆地阿爾金山前，西面為南翼山和小梁山，東面為東坪氣田，南面緊鄰大風山凸起（圖1）。阿爾金山前整體表現為南傾斜坡構造形態，受北西-南東向斷層的控制，在東坪地區、牛東地區形成了一個大型鼻狀隆起。尖頂山地區呈現“北高南低”狀，被尖北、尖頂山、尖南斷裂切割，形成了背斜、斷背斜、斷塊等圈閉形態。

圖1 柴達木盆地尖北氣藏分布及基巖頂面等深度圖Fig.1 Distribution of Jianbei gas reservoir in Qaidam Basin and contour map of bedrock top surface

2016 年，勘探家們在尖北地區開展風險勘探，部署了尖探1 井，在基巖頂段獲得了重大油氣發現，其后又陸續部署了尖探2、尖3 加深、尖北101和尖北H1-3 等井，均在基巖頂段解釋出氣層，氣層平均厚度約為30 m，其中尖探2 井在基巖頂段試氣，獲得日產氣7 萬m3，尖3 加深井獲得日產氣4 萬m3，6 口主力產氣井的日產氣總量約為48 萬m3，產量穩定。鉆井取心分析結果顯示，尖北氣藏基巖主要為石英閃長巖和花崗閃長巖，反映了不同巖性的基巖均可形成良好的儲層，打破了以往尋找花崗巖和片麻巖等優質儲層的禁錮，為這一地區的勘探突破開辟了新的天然氣勘探領域。

2 巖石學特征

柴達木盆地具有古生代褶皺基底和元古代結晶基底的雙重基底結構。野外露頭調查結果顯示，阿爾金山前基巖主要為元古代變質巖基底上形成的多期侵入巖，包括花崗巖、花崗閃長巖和石英閃長巖。尖北氣藏基巖儲層以石英閃長巖和花崗閃長巖為主，石英閃長巖和花崗閃長巖均為花崗巖到閃長巖之間的過渡巖石類型，薄片鑒定結果顯示，巖石主要礦物成分為石英、長石、黑云母、角閃石等，其中花崗巖中石英的體積分數大于60%，花崗閃長巖中石英的體積分數為20%～60%，石英閃長巖中石英的體積分數為5%～20%，閃長巖中石英的體積分數小于5%。產氣層多位于基巖頂部，巖性為石英閃長巖和花崗閃長巖，基巖上覆地層為路樂河組，為碎屑巖沉積（圖2）。

通過巖心觀察和薄片鑒定可以得出，尖北氣藏基巖主要發育雜色塊狀石英閃長巖和花崗閃長巖，見片麻構造，為中酸性侵入巖，暗色與淺色礦物條帶相間，呈定向或條帶狀斷續排列，風化程度中等—強，發育不同尺度的裂縫（圖3），其礦物成分主要為長石、黑云母、石英和少量角閃石。尖探1 井基巖頂段巖心的X 射線衍射分析結果表明，長石的平均質量分數為38.3%（鈉長石為37.3%，鉀長石為1.0%），石英的平均質量分數為7.9%，黑云母和黏土礦物的平均質量分數之和為20.3%，還可見部分方解石、方沸石和石膏，充填于裂縫中。尖探1 井元素掃描測井顯示，基巖儲層礦物成分以斜長石和暗色礦物為主，含少量石英、正長石和方解石，有利于溶蝕孔的發育。

圖2 尖北地區尖探1 井基巖綜合柱狀圖Fig.2 Synthesis columnar chart of bedrock in well Jiantan 1 in Jianbei area

圖3 尖北地區基巖的典型巖心照片（a）尖探1 井，4 642.65 m（b）尖探1 井，4 643.06 m，裂縫中充填的石膏；（c）尖北101 井，4 751.33 m，方解石和硬石膏充填于礦物顆粒間；（d）尖北101 井，4 751.33 m，解理縫發育，黏土礦物含量較高Fig.3 Typical bedrock core photos in Jianbei area

巖石的主要礦物為斜長石，其次為黑云母，石英的體積分數多為5%～6%，局部見方解石和硬石膏充填于礦物顆粒間［圖4（a）—（c）］，斜長石風化程度中—強，部分長石因風化致使其表面絹云母化，部分黑云母綠泥石化，長石原生結構模糊，解理縫發育［圖4（d）］，黏土礦物含量較高。

圖4 尖北地區尖探1 井基巖儲層微觀特征（a）石英閃長巖，4 640.10 m，半自形粒狀結構，主要礦物成分為長石，其次為黑云母，石英體積分數約6%，局部見礦物顆粒間充填硬石膏，長石風化程度中等—強；（b）石英閃長巖，4 641.10 m，半自形粒狀結構，主要礦物成分為長石，其次為黑云母，石英體積分數約5%，局部粒間充填硬石膏，長石風化程度強；（c）石英閃長巖，4 645.60 m，半自形粒狀結構，主要礦物成分為長石，其次為黑云母，石英體積分數約5%，局部粒間充填方解石，長石風化程度強；（d）石英閃長巖，4 646.60 m，半自形粒狀結構，主要礦物成分為長石，其次為黑云母，石英體積分數約2%，長石風化程度強；（e）石英閃長巖，4 643.23 m，發育微裂隙和沿黑云母解理縫形成的溶孔，部分被方解石和硬石膏充填；（f）石英閃長巖，4 641.98 m，長石風化程度強，長石顆粒內部發育大量溶蝕孔；（g）石英閃長巖，4 646.10 m，見大量長石溶蝕孔，部分被硬石膏充填；（h）石英閃長巖，4 646.36 m，見黑云母溶蝕孔；（i）石英閃長巖，4 643.31 m，發育1～2 μm 基質微孔；（j）石英閃長巖，4 641.42 m，發育1～2 μm 基質微孔；（k）石英閃長巖，4 545.44 m，見裂縫和沿縫擴溶，溶蝕孔發育；（l）石英閃長巖，4 542.98 m，見長石溶蝕孔，裂縫及沿縫擴溶，部分被硬石膏充填Fig.4 Microscopic characteristics of bedrock reservoir in well Jiantan 1 in Jianbei area

3 儲集空間類型

尖北地區在古近紀接受沉積以前，其基底歷經長達350 Ma 的暴露和多期次構造運動的抬升［22-23］，淋濾風化作用造成巖石的溶蝕強烈，同時斷裂及其派生的裂縫系統發育，對儲集空間的形成具有積極意義，儲集空間類型多樣，包括溶蝕孔、基質微孔、裂縫及縫內擴溶孔。

3.1 溶蝕孔

在長期風化淋濾過程中，基巖表層巖石會發生選擇性溶解，生成新的物質，如長石經風化作用會生成高嶺石，高嶺石在一定條件下進一步轉化為其他黏土礦物，部分溶蝕產物被流體帶離，形成溶蝕孔隙。風化淋濾作用主要發生于基巖半風化殼的頂部，其溶蝕強度與距基巖頂的距離密切相關，距離越近，溶蝕作用越強。鑄體薄片鑒定結果顯示，尖北基巖風化淋濾帶的溶蝕孔隙發育，主要為長石粒內溶孔和黑云母溶孔，還可見解理縫和微裂縫等儲集空間，部分孔隙后期被方解石和硬石膏充填［圖4（e）—（h）］，孔隙直徑為數十到數百微米，這些儲集空間的廣泛發育是基巖氣藏穩產的重要保障。

3.2 基質微孔

掃描電鏡下可見大量基質微孔，孔隙直徑為0.49～2.24 μm［圖4（i）—（j）］，包括長石的解理縫、黑云母片晶間孔或縫等，連通性差，但數量極多，可作為天然氣的有效儲集空間。

3.3 裂縫及縫內溶孔

通過巖心觀察和薄片鑒定，可見不同尺度的裂縫發育，部分被充填，可分為2 種類型：一類為構造縫，另一類為成巖解理縫，二者呈網狀交叉切割，裂縫開度、延伸長度各不相同。構造縫是在構造應力作用下形成的剪切或拉張縫，具有開度大、延伸長、縫面規則和穿層性強等特點，往往會造成晶體巖層的錯動和位移，研究區構造縫可分為2 期［圖3（a）］：第1 期為高角度構造縫，傾角多大于65°，以石膏或方解石充填為主；第2 期為低角度構造縫，角度多為15°～40°，暗色礦物充填或未填充。這2 期裂縫傾角不同，具有明顯的切割特征，且裂縫充填物也不同。構造縫與構造運動及其演化密切相關，已有研究成果表明［24-25］，阿爾金山沖斷帶在中—新生代主要經歷了3 個構造演化階段，分別為燕山晚期的斷陷階段、喜山早期的斷坳階段和喜山中—晚期的擠壓反轉階段，尖頂山斷層、尖北斷層、尖南斷層等3 條主要斷層在3 個階段均發生活動，且派生出多條次生斷層。通過曲率屬性獲得的尖北地區基巖頂面構造縫平面分布圖（圖5）與鉆井證實的斷層發育特征具有一致性，表明研究區的裂縫以構造縫為主，基巖結構破碎，發育數百米厚的裂縫帶。

成巖解理縫多發育于長石和云母類礦物中，主要受控于晶體的結晶習性，后期在構造應力或風化作用影響下，解理縫可能被擴張形成裂縫。偏光顯微鏡下可見黑云母解理縫廣泛發育，呈定向排列［圖3（a）—（c）］，傾角多為40°～65°。據巖心裂縫條數統計，構造縫占比約為61%，成巖解理縫占比約為39%。

圖5 尖北地區基巖頂面斷裂與裂縫分布特征Fig.5 Fault and fracture distribution characteristics of bedrock top surface in Jianbei area

利用成像測井解釋成果，可統計裂縫的類型、寬度、密度和孔隙度，利用這些參數對裂縫進行定量評價。微裂縫寬度為0.01～0.05 mm，平均為0.02 mm；裂縫密度（單位長度的裂縫條數）較大（圖6），為2～10 條/m，平均為3.85 條/m，單位面積上的裂縫長度為1～3 m/m2，平均為1.49 m/m2；裂縫孔隙度為0～0.05%，平均為0.03%，遠小于基質孔隙度。研究區的裂縫不是主要的儲集空間，但為重要的滲流通道。

圖6 尖北地區尖探1 井基巖段裂縫參數統計Fig.6 Fracture parameter statistics of bedrock in well Jiantan 1 in Jianbei area

研究區大量發育的裂縫為流體運移通道，包括酸性流體，能夠通過裂縫進入基巖內部，對周緣礦物進行溶蝕改造［26］，特別是深大斷裂，甚至可以允許流體進入基巖較深處，從而在基巖內幕形成溶蝕孔隙。裂縫還可成為溶蝕產物帶離的通道，溶蝕作用使得原始顆粒結構發生改變，在顆粒內部或邊緣位置產生新的溶蝕孔隙。該類型的溶蝕作用多發生于微裂縫中，沿縫擴溶明顯，呈現裂縫與溶蝕孔共生的特點［圖4（k）—（l）］。部分縫內擴溶孔后期易被石膏充填，形成石膏團塊。

4 基巖半風化殼的分帶特征

尖北地區基巖在長期暴露過程中，表層礦物發生了強烈溶蝕，形成了大量溶蝕孔洞，且大氣淡水沿早先形成的裂縫和溶蝕孔洞下滲使較深巖層亦發生了稍弱的巖溶作用，形成了半風化層，是儲層發育的主要層段。半風化層內，溶蝕作用強度受控于裂縫的發育程度，造成了各地區縱向上具有明顯差異性，巖心和測井均證實了這種縱向分帶性。根據風化程度差異及其控制因素，可將半風化層進一步劃分為風化淋濾帶和裂縫溶蝕帶，二者具有不同的測井響應。風化淋濾帶測井曲線具有以下特征：伽馬值較低，相對高聲波值，自下而上逐漸降低，相對低的電阻率值，自下而上呈逐漸升高趨勢，全烴值高，鉆時較小，表明巖石較為疏松，平均厚度約80 m；裂縫溶蝕帶測井曲線具有以下特征：低聲波值，高電阻率值，高伽馬值，全烴值遠低于風化淋濾帶，鉆時較高，表明巖石相對致密（參見圖2，圖7）。

圖7 尖北地區基巖連井剖面與孔隙度縱向變化規律Fig.7 Cross well profile and longitudinal porosity variation of bedrock in Jianbei area

4.1 風化淋濾帶

基巖表層風化淋濾帶主要是指受地表水徑流下滲作用影響的巖石礦物，發生溶蝕、溶解作用并被帶離而形成的溶蝕孔隙發育帶。越靠近暴露面，溶蝕作用越強烈，儲層孔隙越發育，隨著深度的增加，溶蝕作用逐漸變弱，儲層物性變差，直到地表水難以到達的區域，風化淋濾作用極弱或消失，該深度為風化淋濾帶的下限。因此，風化淋濾帶的儲層物性主要受控于距基巖頂的距離，距基巖頂越近，風化溶蝕作用越強，物性越好。研究區孔隙度隨深度變化曲線的高值段主要集中在基巖風化淋濾帶內，從上到下，孔隙度明顯降低。風化淋濾帶內，裂縫也非常發育，對于溶蝕具有促進作用。

尖探1 井基巖頂部10 塊樣品的毛管壓力曲線顯示，風化淋濾帶儲層具有低排驅壓力，為0.18～1.57 MPa，表明存在大孔喉或者微裂縫。隨著壓力的增大，進汞飽和度增加，但不發育平臺段，表明孔隙分選性差；最大進汞飽和度為50%～80%，退汞效率較低，多為45%～65%，表明巖石發育較多微孔隙和“死”孔隙。中值壓力為10.07～63.50 MPa，中值半徑為0.01～0.07 μm（圖8），小孔喉大量發育，孔喉半徑分布曲線呈“雙峰態”或“多峰態”，最大孔喉半徑為30.00 μm，多數孔喉半徑為0.01～0.60 μm，最大連通孔喉半徑為0.47～4.08 μm。總體上，尖北地區基巖表現為雙重孔隙結構特征，既發育大喉道的溶蝕孔或裂縫，又發育小喉道的微孔隙，并且后者在數量上占大多數。

圖8 尖北地區尖探1 井風化淋濾帶儲層孔隙結構特征Fig.8 Pore structure characteristics of weathered leaching zone in well Jiantan 1 in Jianbei area

巖心的CT 掃描結果顯示，風化淋濾帶的基質孔隙較發育，以微孔-細喉為主，連通孔隙半徑為0.64～10.80 μm，平均為3.10 μm；喉道半徑為0.61～8.01 μm，平均為2.75 μm，連通體積占總孔隙體積的76.5%，連通孔隙的數量占比小，但其體積卻占比多。核磁共振測試結果顯示，孔隙吼道分布呈“多峰式”，少量樣品的弛豫時間大于50 ms，而大部分樣品的弛豫時間為0.1～20.0 ms，揭示了基巖儲層以微孔為主。研究區67 塊基巖樣品的物性統計結果表明，風化淋濾帶儲層孔隙度為1.56%～6.83%，平均孔隙度為3.30%，滲透率為0.10～1.70 mD，平均為0.50 mD，物性整體上低于鄰區東坪基巖。

4.2 裂縫溶蝕帶

裂縫溶蝕帶位于風化淋濾帶以下，溶蝕作用較風化淋濾帶更弱。在裂縫發育處，流體沿著裂縫到達更深的地層，裂縫周緣礦物發生溶蝕，形成次生孔隙較為發育的裂縫溶蝕帶。裂縫溶蝕帶距離基巖頂有數米到數十米的深度，巖石整體較為致密，裂縫對于孔隙的發育起決定性作用，FMI 測井解釋結果顯示，孔隙發育段與裂縫發育段具有很好的吻合關系。裂縫溝通流體，使易溶礦物發生溶蝕，沿縫擴溶現象普遍存在，縫內溶蝕強烈，形成裂縫性次生溶蝕孔洞，核磁共振的孔隙度譜表現為前移的寬峰。裂縫不發育處，流體難以到達，溶蝕作用微弱，孔隙度較低，孔隙頻譜表現為以窄單峰為主。尖探1 井的裂縫溶蝕帶發育3 個次生孔隙帶，深度分別為4 713～4 728 m，4 780～4 892 m 和4 938～4 967 m（圖9），裂縫密度大，裂縫孔隙度高，總孔隙度和次生孔隙度均明顯較其他層段更高，次生孔隙度占總孔隙度的80%以上。

圖9 尖北地區尖探1 井基巖段裂縫溶蝕帶孔隙發育特征Fig.9 Pore development characteristics of fracture dissolution zone in well Jiantan1 in Jianbei area

5 氣藏分布與開發建議

尖北地區基巖儲層的含氣飽和度受溶蝕孔、基質微孔和裂縫的發育程度控制。無論是風化淋濾帶還是裂縫溶蝕帶，全烴值與孔隙度具有較好的正相關性。風化淋濾帶溶蝕孔和裂縫均發育，物性較好，含氣性好，全烴高值段絕大多數位于風化淋濾帶；裂縫溶蝕帶的裂縫發育段全烴值明顯較高，裂縫不發育處全烴值低（圖10）。尖探1井取心樣品的熒光薄片分析結果顯示，基質溶孔、粒間孔和裂縫均發熒光（圖11）。

尖北地區多井試氣結果表明，構造高部位為氣層或者干層，構造低部位為水層或干層，儲層的含氣性一定程度上受構造控制（圖10），且儲層質量決定了含氣構造的豐度，由此可見儲層含氣性還受孔隙和裂縫的發育程度控制，即風化淋濾帶與裂縫溶蝕帶的含氣豐度也存在差異。風化淋濾帶構造位置高，裂縫發育，基質孔隙發育，連通性好，為準層狀，平均厚度較大，構造高部位試氣結果顯示多為氣層，日產量約為7～15 萬m3。裂縫溶蝕帶物性較差，多數試氣結果為干層，局部的裂縫發育段形成了甜點氣層，但產量低于風化淋濾帶，如尖3 深的4 767～4 772 m 井段日產氣約為4 萬m3。根據上述2 帶的儲層結構特征可制定不同的開發方案，對于風化淋濾帶可以采用直井-水平井聯合開發，直井射孔段或者水平井水平段應靠近風化淋濾帶上部，以基巖頂面以下20～40 m 為宜；對于裂縫溶蝕帶儲層的開發需要借助于地球物理方法預測出裂縫發育段甜點，以直井開發為主，在裂縫發育段射孔。

圖11 尖北地區尖探1 井的熒光和偏光顯微鏡照片（a）4 639.98 m，粒間發熒光；（b）4 641.57 m，長石顆粒內發熒光；（c）4 644.22 m，裂縫發熒光；（d）與（a）為同一視域，正交偏光；（e）與（b）為同一視域，正交偏光；（f）與（c）為同一視域，正交偏光Fig.11 Typical fluorescent and polarized micrograph in well Jiantan 1 in Jianbei area

6 結論

（1）尖北地區基巖儲層主要為石英閃長巖和花崗閃長巖，在構造運動或者風化淋濾作用下形成了各種儲集空間類型，包括溶蝕孔、基質微孔、裂縫及縫內溶蝕孔。其中裂縫可分為2 種類型，一類為構造縫，一類為成巖解理縫。

（2）尖北地區基巖半風化層可分為上下2 帶，即風化淋濾帶和裂縫溶蝕帶。風化淋濾帶發育溶蝕孔和裂縫，準層狀，連通孔喉半徑多為1～5 μm，距基巖頂的距離控制了儲層質量的好壞；裂縫溶蝕帶主要發育裂縫及縫內溶孔。

（3）尖北地區基巖儲層的含氣性主要受控于構造部位和孔縫發育程度，不同的構造位置和分帶可制定不同的開發方案，以獲得更高的天然氣產量。