深層碎屑巖儲層次生高孔帶發(fā)育特征及成因
——以吐哈盆地臺北凹陷下侏羅統(tǒng)為例

郝愛勝 李 劍 國建英 冉啟貴 張 華 齊雪寧吳 浩 賈雪麗 黃蝶芳 陳 旋 康積倫 史艷軍

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院4.蘭州大學地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院 5.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司

0 引言

儲集層次生高孔帶發(fā)育規(guī)律及成因研究對于指導深層油氣勘探部署和開發(fā)決策具有重要的意義[1-4]。隨著中淺層油氣勘探與開發(fā)程度的不斷提高，常規(guī)和整裝油氣資源日益減少，目前油氣勘探靶區(qū)已逐漸轉(zhuǎn)向深層[4-8]?？碧綄嵺`表明，在深層大面積低孔、低滲背景下仍然存在著有利儲層，而對其分布規(guī)律認識不清，則有可能制約油氣的規(guī)模勘探與開發(fā)[9-11]。在系統(tǒng)分析儲層基本特征的基礎上，明確深層儲層次生高孔帶發(fā)育規(guī)律及成因已成為油氣有效勘探、評價和生產(chǎn)過程中的核心問題。

吐哈盆地臺北凹陷下侏羅統(tǒng)是重要的油氣勘探目的層，隨著勘探與開發(fā)的持續(xù)推進，拓展盆地下侏羅統(tǒng)油氣接替領域尤為重要。通過對該盆地臺北凹陷不同區(qū)帶成藏地質(zhì)條件分析，認為臺北凹陷下侏羅統(tǒng)具有優(yōu)越的油氣地質(zhì)條件[12-17]。近年來，勘探實踐也揭示了該區(qū)良好的油氣勘探勢頭，有多口井在下侏羅統(tǒng)獲得工業(yè)油氣流，如勝北洼陷H8 井測試獲得日產(chǎn)油量3.22 m3，H801 井測試獲得日產(chǎn)油量11.25 m3；丘東洼陷JS1 井測試獲得日產(chǎn)油量10.9 m3、日產(chǎn)氣量1.5×104m3，K191 井測試獲得日產(chǎn)油量5.28 m3，日產(chǎn)氣量10.38×104m3。上述成果預示臺北凹陷下侏羅統(tǒng)具有巨大的油氣勘探潛力和前景。雖然國內(nèi)學者針對臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層特征的研究已經(jīng)取得了諸多有益的成果[12-20]，但目前對于下侏羅統(tǒng)次生高孔帶發(fā)育規(guī)律及成因仍缺乏研究，致使多口井在下侏羅統(tǒng)儲層試油氣段為干層，影響了該區(qū)下一步的油氣勘探部署。為此，筆者在分析前人研究成果的基礎上，綜合應用實測物性、測井解釋物性、鑄體薄片及掃描電鏡等資料，對吐哈盆地臺北凹陷下侏羅統(tǒng)次生高孔帶發(fā)育規(guī)律及其成因進行了系統(tǒng)研究，以期為今后深層油氣甜點區(qū)優(yōu)選及油氣高效勘探開發(fā)提供依據(jù)和指向。

1 地質(zhì)概況

吐哈盆地包括了墩隆起、吐魯番坳陷和哈密坳陷3 個一級構(gòu)造單元，研究區(qū)臺北凹陷是吐魯番坳陷的次一級構(gòu)造單元（圖1），面積約為1.0×104km2，是侏羅紀煤系地層主要含油氣區(qū)[18]。受斷裂控制，臺北凹陷具有南北分帶、東西分區(qū)的構(gòu)造格局，凹陷內(nèi)可分為七泉湖、恰勒坎、葡北等13 個含油氣構(gòu)造帶。凹陷內(nèi)侏羅系自下而上分為下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）和三工河組（J1s），中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、三間房租（J2s）和七克臺組（J2q），上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q）和喀拉扎組（J3k）。下侏羅統(tǒng)儲層埋藏深度變化較大，介于1 500～5 000 m，整體上從北向南埋藏深度逐漸增大。早—中侏羅世沉積期為河流沼澤—半深湖相含煤建造，臺北凹陷北緣主要沉積扇三角洲和辮狀河三角洲砂體，凹陷中部發(fā)育湖底扇沉積砂體，南緣主要發(fā)育辮狀河三角洲砂體，分流河道和河口壩砂體的拼合疊置提供了主要的油氣儲集層[12-15]。其中，八道灣組儲層以細砂巖和中砂巖為主，粗砂巖和粉砂巖次之[19-20]；三工河組儲層則主要為細砂巖、粗砂巖和砂礫巖。八道灣組和三工河組是臺北凹陷侏羅系深層油氣勘探的主要目的層。

圖1 吐哈盆地臺北凹陷構(gòu)造單元劃分

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石類型主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，中等成分、結(jié)構(gòu)成熟度

臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層巖石類型主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖（圖2-a）。石英含量介于7.5%～56.9%，平均含量為30.6%；長石含量介于4.0%～32.7%，平均含量為19.8%；巖屑含量介于26.0%～87.2%，平均含量為49.7%，其中巖漿巖巖屑占58.0%，沉積巖巖屑占5.4%，變質(zhì)巖巖屑占5.1%，火山碎屑巖巖屑占23.8%。整體上，分選差—中等，磨圓次棱，點—線、線—凹凸接觸，碳酸鹽礦物和黏土礦物膠結(jié)為主，普遍具有中等成分和中等結(jié)構(gòu)成熟度。

2.2 儲層物性以特低孔、低孔—特低滲為主，發(fā)育少量中孔、中—高滲儲層

對臺北凹陷下侏羅統(tǒng)117 口井994 塊樣品的實測物性統(tǒng)計結(jié)果表明，孔隙度介于1.5%～19.1%，平均值為7.5%，頻率分布主體介于5%～10%；累積頻率分布曲線表明，有94.8%的實測孔隙度值小于15.0%（圖2-b）。滲透率介于0.002～595.741 mD，平均值為4.724 mD；頻率累積曲線表明，有98.5%的實測滲透率值小于50 mD，有94.6%的實測滲透率值小于10 mD，有73.5%的實測滲透率值小于1 mD，僅僅有約1.5%的實測滲透率值大于50 mD（圖2-c）。依據(jù)國家石油行業(yè)儲層評價標準[21]，臺北凹陷下侏羅統(tǒng)為典型的特低孔、低孔—特低滲碎屑巖儲層，局部發(fā)育少量中孔、中—高滲碎屑巖儲層，即在普遍低孔、低滲背景下存在部分物性相對較好的有利儲層。

圖2 臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層成分與物性特征圖

2.3 儲層儲集空間組合類型復雜，部分地區(qū)4 000 m以深儲集空間以原生粒間孔為主

臺北凹陷下侏羅統(tǒng)受控于差異的構(gòu)造背景、多樣的沉積環(huán)境及復雜的成巖作用[14,19-20]，致使儲層發(fā)育多種儲集空間類型，主要包括原生孔隙和次生孔隙。原生粒間孔表現(xiàn)為孔隙邊緣較為平滑、形狀較為規(guī)則、顆粒邊緣較為平直（圖3-a）；次生孔隙主要包括長石、巖屑等碎屑顆粒溶蝕形成不規(guī)則狀的粒內(nèi)孔隙及少量顆粒邊緣溶蝕孔（圖3-b～c）、自生黏土礦物和微晶石英形成的晶間微孔隙（圖3-d～e）、石英及長石等脆性顆粒受構(gòu)造應力作用破裂形成的微裂縫及凝灰質(zhì)等黏土易脫水收縮產(chǎn)生的粒緣收縮縫。不同深度儲層儲集空間組合類型不同，整體上隨著下侏羅統(tǒng)儲層埋藏深度增大，儲集空間明顯減小，且儲集空間組合類型變得復雜（圖3-a～c）；然而，在臺北凹陷部分地區(qū)埋深介于4 000～5 000 m 存在著儲集空間以原生粒間孔為主，次生溶蝕孔隙次之的孔隙類型組合特征（圖3-f）。

3 次生高孔帶發(fā)育特征

3.1 原生孔隙正常演化趨勢線

圖3 臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層儲集空間鏡下特征照片

儲層原生孔隙正常演化趨勢線，也有學者將其定義為儲層最大孔隙度正常演化趨勢線[4-5,10]、正常壓實—膠結(jié)作用使儲層孔隙度衰減的趨勢線[9,22]、正常壓實趨勢線[23]，是研究與厘定次生高孔帶是否發(fā)育的核心工作。次生高孔帶是指儲層埋藏成巖過程中經(jīng)歷增孔地質(zhì)作用（如大氣水淋濾、有機酸溶蝕）或?？椎刭|(zhì)作用（如顆粒黏土礦物環(huán)邊/包膜、烴類侵位、異常高壓）使得儲層孔隙度高于正常沉積成巖條件下最大孔隙度的儲層相對集中發(fā)育帶，其往往是含油氣盆地中深層油氣勘探的甜點。Bloch等[10]通過大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析認為：①在給定相對較小的深度范圍內(nèi)大多數(shù)碎屑巖儲層孔隙度分布呈現(xiàn)近似正態(tài)分布或為對數(shù)正態(tài)分布；②儲層現(xiàn)今孔隙度分布的偏度是由于受到成巖作用等改造所引起，影響砂巖儲層的成巖作用越強，孔隙度分布模式偏度亦愈明顯。因此，可以根據(jù)儲層孔隙度分布特征來推算正?？紫抖热号c次生孔隙度群分界點，進而厘定儲層正常最大原生孔隙度。當存在明顯的?？椎刭|(zhì)作用或增孔地質(zhì)作用時，儲層孔隙度分布直方圖表現(xiàn)為雙峰或左偏特征，雖然雙峰特征的孔隙度分布中正常次群體與異常次群體會有部分重疊，但異常次群體本身亦具有正態(tài)分布特征，取雙峰態(tài)中的正常次群體的最大值作為儲層正常最大原生孔隙度（圖4-a）；而在正常的沉積和成巖條件下，儲層孔隙度分布表現(xiàn)為近似正態(tài)分布特征或不明顯的右偏特征[10,24-26]，儲層正常最大原生孔隙度值則讀取其直方圖中的最大值（圖4-b）。

根據(jù)臺北凹陷中—下侏羅統(tǒng)3 480 個巖心實測孔隙度數(shù)據(jù)，通過繪制埋藏深度間隔300 m 的孔隙度分布直方圖，并厘定其分布特征，進而計算出等深度間隔范圍內(nèi)儲層正常最大原生孔隙度；對正常最大原生孔隙度與之所對應的中值深度進行擬合，發(fā)現(xiàn)埋深與正常最大原生孔隙度相關性較好，且呈現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)關系，其判定系數(shù)高達0.922（圖4-c）。

以建立的函數(shù)關系式計算了不同深度所對應的儲層正常最大原生孔隙度，繪制出臺北凹陷中—下侏羅統(tǒng)儲層原生孔隙正常演化趨勢線（圖5-a 中藍色虛線）；筆者借鑒Bloch 方法所建立的儲層原生孔隙正常演化趨勢線與Ramm[23]所建立的正常壓實趨勢線接近（圖5-a 中綠色虛線）。

圖4 臺北凹陷侏羅系儲層正常最大原生孔隙度的確定及其與深度的相關性圖

圖5 臺北凹陷中—下侏羅統(tǒng)原生孔隙正常演化趨勢線及下侏羅統(tǒng)次生高孔帶發(fā)育特征圖

3.2 次生高孔帶發(fā)育特征

依據(jù)儲層原生孔隙正常演化趨勢線明確了中—下侏羅統(tǒng)儲層主要發(fā)育4 個次生高孔帶（圖5-a）；其中，中侏羅統(tǒng)主要分布在2 400～2 500 m 和3 100～3 500 m 兩個深度段，下侏羅統(tǒng)則分布在4 000～4 300 m 和4 450～4 550 m 兩個深度段，且對應于次生高孔帶Ⅰ和次生高孔帶Ⅱ（圖5-b）。根據(jù)前人對有效儲層物性下限的厘定方法[27-30]，明確了下侏羅統(tǒng)儲層有效孔隙度下限演化趨勢線（圖5-b 紅色虛線）；結(jié)合原生孔隙正常演化趨勢線，將下侏羅統(tǒng)次生高孔帶內(nèi)的儲層類型劃分為次生高孔隙度儲層、正常演化高孔隙度儲層和正常演化低孔隙度儲層。位于有效儲層孔隙度下限演化趨勢線左側(cè)的儲層稱為正常演化低孔隙度儲層，有效儲層孔隙度下限演化趨勢線與原生孔隙正常演化趨勢線所夾持的儲層稱為正常演化高孔隙度儲層，而位于原生孔隙正常演化趨勢線右側(cè)的儲層稱為次生高孔隙度儲層（圖5-b）。統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)正常演化低孔隙度儲層孔隙度一般小于10.0%，平均孔隙度為5.5%，滲透率小于1.0 mD，平均為0.6 mD；正常演化高孔隙度儲層孔隙度主要介于5.0%～25.0%，平均孔隙度為11.2%，滲透率主要介于0.1～10.0 mD，平均滲透率為16.7 mD（圖6）。正常演化高孔隙度儲層主要分布在臺北凹陷七泉湖、火焰山、葡北及鄯善弧形等構(gòu)造帶，除七泉湖構(gòu)造帶下侏羅統(tǒng)儲層埋深相對較淺（約2 300 m）導致儲層孔滲相對較高外，其他地區(qū)正常演化高孔隙度儲層均發(fā)育在埋深4 000 m 以深，儲層孔滲相對七泉湖構(gòu)造帶較低。次生高孔帶儲層孔隙度介于9.0%～15.8%，主要介于10.0%～15.0%，平均孔隙度為12.0%，滲透率主要介于1.0～10.0 mD，平均滲透率為7.1 mD（圖6）；其中，次生高孔帶Ⅰ中的次生高孔隙度儲層所對應的孔隙度介于11.5%～15.8%，平均值為12.8%，滲透率介于0.4～286.3 mD，平均值為9.1 mD，平面上主要分布于火焰山構(gòu)造帶；次生高孔帶Ⅱ中的次生高孔隙度儲層對應的孔隙度介于9.0%～12.6%，平均值為10.4%，滲透率介于1.0～7.8 mD，平均值為2.8 mD，平面上主要分布于葡北構(gòu)造帶。

根據(jù)巖心實測物性及與之所配套的鑄體薄片相結(jié)合，定量統(tǒng)計儲層不同儲集空間類型的含量，并計算儲層原生孔隙和次生孔隙發(fā)育的相對含量，分析臺北凹陷下侏羅統(tǒng)兩個次生高孔帶儲層的發(fā)育特征。分析結(jié)果表明，兩個次生高孔帶儲層均以發(fā)育原生粒間孔為主，次生孔隙次之。次生高孔帶儲層面孔率介于2.0%～5.0%，平均面孔率為3.3%；其中，原生孔隙相對含量介于60.5%～90.0%，平均含量占81.5%，次生孔隙相對含量介于10.0%～39.5%，平均含量占18.5%。以原生孔隙正常演化趨勢線為界，選取次生高孔帶Ⅰ和次生高孔帶Ⅱ的正常最大原生孔隙度平均值分別約為11%和8.5%（圖5），根據(jù)次生高孔帶儲層實測孔隙度，計算次生高孔帶Ⅰ中次生孔隙的貢獻介于9.1%～35.0%，平均貢獻孔隙度約占16.4%；次生高孔帶Ⅱ中次生孔隙的貢獻介于5.6%～32.5%，平均貢獻孔隙度約為17.7%。依據(jù)原生孔隙正常演化趨勢線與實測孔隙度計算得到的次生孔隙度相對平均含量同鑄體薄片觀測次生孔隙平均相對含量接近。因此，臺北凹陷下侏羅統(tǒng)深層有利儲層為原生孔隙主導的次生高孔帶。

圖6 臺北凹陷下侏羅統(tǒng)次生高孔帶內(nèi)不同類型儲層物性分布特征圖

4 次生高孔帶成因

4.1 高石英質(zhì)碎屑含量的粗砂巖和砂礫巖是深層次生高孔帶發(fā)育的物質(zhì)基礎

臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層主要為碳酸鹽礦物和黏土礦物膠結(jié)，壓實和膠結(jié)是孔隙度減小的主要因素。選取臺北凹陷下侏羅統(tǒng)次生高孔帶內(nèi)不同類型的儲層微相、巖性、分選系數(shù)、膠結(jié)物含量等因素進行次生高孔帶主控因素的分析，對比研究結(jié)果（表1）表明，次生高孔隙度儲層、正常演化高孔隙度儲層和正常演化低孔隙度儲層顆粒大小平均粒徑φ值分別為1.41、1.43 和2.10，且次生高孔隙度儲層中剛性巖屑含量高，石英質(zhì)碎屑含量介于51%～78%，顆粒抗壓實能力強[31]，使得有效儲層（正常演化高孔隙度儲層和次生高孔隙度儲層）顆粒以點—線、線—線接觸為主（圖3）；黏土礦物膠結(jié)含量平均值分別為1.6%、1.5%和2.8%；碳酸鹽膠結(jié)物平均含量分別為1.2%、1.4%和2.6%；而分選系數(shù)分布特征及其平均值則相似，差異不明顯。臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層主要為辮狀河三角洲和湖底扇沉積，相對于正常演化低孔隙度儲層沉積微相，次生高孔隙度儲層和正常演化高孔隙度儲層則以分流河道、河口壩和湖底扇主水道沉積為主。此外，試油資料的統(tǒng)計表明，下侏羅統(tǒng)次生高孔帶內(nèi)地層壓力系數(shù)介于0.82～1.09，屬于正常壓力系統(tǒng)[32]，排除了超壓對于深層儲層物性的影響。因此，有利的沉積微相、較粗的顆粒粒徑、高石英質(zhì)碎屑含量及相對較低的膠結(jié)物含量是次生高孔隙度儲層形成的主要控制因素，使得在深層原生孔隙得以大量保存，這可為酸性水進入孔隙和溶解儲層中易溶的碎屑巖顆粒和膠結(jié)物提供了良好的條件[1]。

4.2 有機酸的溶蝕增孔是深層次生高孔帶發(fā)育的根本原因

臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層的成巖演化史與次生高孔帶的發(fā)育特征密切相關，即次生高孔帶形成與下伏煤系烴源巖生烴演化過程中酸性流體有關。結(jié)合黏土礦物中伊蒙混層比和煤系烴源巖鏡質(zhì)體反射率分布特征，在次生高孔帶內(nèi)的儲層主要處于中成巖階段A1亞期，有機質(zhì)熱演化處于低成熟—成熟階段，有機酸大量生成；烴指數(shù)（S1/TOC）計算結(jié)果也表明，在4 000 m 以深烴指數(shù)均大于10，烴源巖處于排烴門限，干酪根開始脫羧并產(chǎn)生有機酸[33-34]，是有機酸有利保存區(qū)和有機酸濃度最大區(qū)[35]。砂礫巖、粗砂巖等為深埋砂巖儲層原生孔隙的保存提供了有利物質(zhì)基礎，而有機酸進入儲層后對長石和巖屑等碎屑組分發(fā)生溶解作用，形成大量不同類型的溶蝕孔隙，儲層以粒間—粒內(nèi)溶蝕混合孔組合為特征。鏡下照片也顯示，在次生高孔帶的儲層中長石溶蝕非常普遍，并伴隨著高嶺石和自生石英的沉淀（圖3-c～e）。定量統(tǒng)計結(jié)果表明，次生高孔帶與高嶺石含量縱向上的對應關系也可以說明次生孔隙的形成與長石溶蝕密切相關，在次生高孔帶的儲層高嶺石含量較高，長石的溶蝕導致了高嶺石的增加（圖7），這指示長石等溶蝕有效地改善了儲集性。因此，有機酸溶蝕作用是臺北凹陷下侏羅統(tǒng)次生高孔帶發(fā)育的主要原因。

5 油氣地質(zhì)意義

圖7 臺北凹陷下侏羅統(tǒng)次生高孔帶成因分析圖

隨著中淺層油氣勘探程度的提高，吐哈盆地油氣勘探領域也從環(huán)洼區(qū)調(diào)整型構(gòu)造油氣藏逐漸向深層洼陷區(qū)源內(nèi)巖性油氣藏推進。下侏羅統(tǒng)4 000 m 以深碎屑巖儲層作為洼陷區(qū)有利的勘探目標，其有利儲層主要分布在辮狀河三角洲前緣水下分流河道、河口壩及湖底扇主水道區(qū)；尤其在臺北凹陷下侏羅統(tǒng)三工河組頂部廣泛發(fā)育一套以粗砂巖、砂礫巖為主的有利儲集層，砂體單層厚度大，側(cè)向延伸距離遠，縱向上緊鄰煤系烴源巖，有利的源儲配置易于油氣成藏。目前，下侏羅統(tǒng)深層已相繼發(fā)現(xiàn)多個油氣藏，勘探潛力巨大，未來勘探重點將圍繞下侏羅統(tǒng)4 000 m 以深的正常演化高孔隙度儲層和次生高孔隙度儲層詳細開展工作，對于深層油氣藏高效勘探開發(fā)具有重要的指導意義。

6 結(jié)論

1）臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層巖石類型為成分、結(jié)構(gòu)成熟度中等的長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，物性以特低孔、低孔—特低滲為主，儲層儲集空間組合類型復雜，部分地區(qū)4 000 m 以深儲集空間以原生粒間孔為主；儲層埋深與正常最大原生孔隙度呈較好的對數(shù)函數(shù)關系。

2）臺北凹陷下侏羅統(tǒng)儲層在整體低孔、低滲背景下發(fā)育兩個次生高孔帶，原生孔隙含量介于60.5%～90%，平均含量可達81.5%；次生高孔隙度儲層孔隙度介于10%～15%，滲透率介于1～10 mD，在平面上主要分布于火焰山、葡北及鄯善弧形構(gòu)造帶。

3）辮狀河三角洲前緣水下分流河道和河口壩中高石英質(zhì)碎屑含量、相對弱壓實弱膠結(jié)的粗砂巖和砂礫巖為深層次生高孔帶的形成提供了物質(zhì)基礎，而有機酸溶蝕增孔是深層次生高孔帶發(fā)育的主要原因。4 000 m 以深次生高孔隙度儲層和正常演化高孔隙度儲層為有利儲層，是下一步臺北凹陷深部油氣勘探的目標。