庫車坳陷下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖儲層孔隙微觀結構特征及其對致密氣富集的控制作用

王 朋,孫靈輝,王 核,李自安

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640； 2.中國科學院 研究生院，北京 100864；3.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

隨著油氣勘探由盆地中淺層走向深層，深層致密砂巖氣資源逐漸引起人們的關注[1-9]。近年來，塔里木盆地庫車坳陷中秋1井、博孜9井的勘探突破證實了該地區(qū)深層具有良好致密砂巖氣勘探前景。前人研究表明，致密砂巖氣藏宏觀上具有低孔低滲和氣水分布復雜等地質特征，微觀上致密儲層孔隙結構復雜、主要發(fā)育納米級-微米級孔隙，孔隙具有形態(tài)差異大、連通性較差及非均質性較強的特征[10-15]。復雜的孔隙幾何形態(tài)與連通性不僅決定了儲層質量，也控制了天然氣在致密儲層中運移和聚集[16-18]，因此，厘清孔隙微觀結構對于認識致密砂巖氣富集規(guī)律和指導致密砂巖氣勘探至關重要。目前，孔隙微觀結構對致密氣富集的控制作用的相關研究仍建立在理論認識和物理模擬實驗基礎之上[19-24]，缺少直接的地質證據(jù)證實這一關鍵問題。本文以庫車坳陷迪北致密砂巖氣藏為例，在儲層物性分析和孔隙類型識別的基礎上利用常規(guī)壓汞實驗和微米CT掃描實驗分析儲層孔隙微觀結構特征，綜合測井解釋數(shù)據(jù)和包裹體實驗揭示孔隙結構對致密砂巖氣富集的控制作用，為致密砂巖氣理論研究和勘探部署提供有力依據(jù)。

1 地質概況

迪北致密砂巖氣藏位于庫車坳陷依奇克里克斷裂下盤的迪西斷鼻構造下傾部位(圖1)[25-27]。氣藏主要產(chǎn)氣層為下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖，儲層以辮狀河三角洲平原的河床滯留沉積及辮狀三角洲前緣的水下分流河道沉積的巖屑砂巖為主，巖石顆粒整體較粗，主要為礫巖、含礫粗砂巖和不等粒砂巖。烴源巖主要為下伏三疊系塔里奇克組和黃山街組湖相烴源巖及上覆的中、下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖，源巖與儲層具有“廣泛分布、源儲緊鄰”的地質特征。前人研究表明，氣藏雖然具有良好的烴源巖供氣條件[28-30]，但氣藏內部下侏羅統(tǒng)氣水分布復雜：位于構造低部位的迪西1井、依南2井主要為氣層、在依南5井為差氣層和干層，而在位于構造高部位的依深4井、依南4井等多為氣水同層和水層。

2 儲層物性及孔隙類型

2.1 儲層物性特征

187個下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖樣品的物性測試結果(圖2)表明，位于構造下傾部位的依南2井孔隙度小于8%，平均孔隙度為3.2%，空氣滲透率為(0.01～10)×10-3μm2，平均滲透率為1×10-3μm2；迪西1井孔隙度介于6%～8%，平均孔隙度為6.1%；位于構造上傾部位的依南4井阿合組物性好于依南2井和迪西1井，孔隙度基本介于6%～12%，空氣滲透率(0.1～10)×10-3μm2。

2.2 儲層孔隙類型

阿合組致密砂巖儲層主要的孔隙類型包括：殘余粒間孔隙、溶蝕孔隙(包括長石和巖屑等粒內溶孔、膠結物溶孔)以及微裂縫，但是以次生孔隙為主，殘余原生孔隙較少。

2.2.1 殘余粒間孔隙

鏡下薄片觀察表明下侏羅統(tǒng)阿合組儲層中顆粒多為線-凹凸接觸，僅在局部存在孔隙形狀不規(guī)則的殘余粒間孔隙(圖3a，b)。儲層巖屑中塑性組分含量高，早期碳酸鹽膠結物較少，導致巖石的抗壓實能力弱、原生粒間孔保存困難。此外，長期淺埋、短期深埋以及后期強烈的構造擠壓作用也降低了原生粒間孔的孔隙度[30]。

2.2.2 溶蝕孔隙

阿合組致密儲層溶蝕孔隙主要由長石、巖屑等碎屑顆粒被溶解和粘土雜基或者碳酸鹽類膠結物被溶蝕而形成。長石和火山巖巖屑被溶蝕所形成的粒內溶孔受顆粒大小和形狀限制(圖4a)。膠結物含量較低(一般都小于10%)，主要成分為碳酸鹽膠結物等。雜基溶孔或者膠結物溶孔的形狀也受粒間孔隙形狀控制，但孔徑普遍較大(圖4b，c)。溶蝕孔的發(fā)育與有機質產(chǎn)生的有機酸和二氧化碳對巖石組分溶解有關，也與后期抬升大氣淡水溶蝕作用有關[23-25]。

圖1 庫車坳陷迪北致密砂巖氣藏位置(a)及氣藏剖面(b)Fig.1 The location of Dibei tight sand gas pool in the Kuqa Depression(a)and the gas reservoir cross section(b)

圖2 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖氣藏孔隙度(a)和滲透率(b)分布Fig.2 Porosity(a)and permeability(b)distribution of the Lower Jurassic Ahe tight sand gas reservoirs in Dibei area,Kuqa Depression

圖3 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖儲層粒間孔隙Fig.3 Intergranular pores of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.依南5井，埋深4 874.50 m，粒間孔發(fā)育，線-凹凸接觸；b.依南5井，埋深4 850.55 m，粒間孔發(fā)育，多呈線接觸

2.2.3 微裂縫

下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖儲層中主要發(fā)育3種成因裂縫：構造縫、粒緣縫和溶蝕縫(圖5a—d)，其中構造縫最為普遍。構造縫多穿石英、硅質巖屑和長石顆粒等脆性礦物發(fā)育，裂縫平行分布，規(guī)模較大、延伸較長、但寬度變化較大(圖5b)。沿構造裂縫常見伴生的溶蝕現(xiàn)象，但部分裂縫中可見膠結物。粒緣縫一般沿石英和長石等顆粒邊緣分布，主要與壓實和壓溶等作用有關(圖5c)。溶蝕縫多發(fā)育在粘土和碳酸鹽礦物等膠結物中，裂縫規(guī)模和延伸長度沒有明顯規(guī)律性(圖5d)。

3 孔隙微觀結構特征

從致密砂巖樣品壓汞曲線及相關參數(shù)(圖6；表1)可以看出，庫車坳陷下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖孔隙微觀結構大致可以劃分為3類。第一類：壓汞曲線基本沒有明顯的平臺(圖6a)，儲層孔喉分選較差(0.39～3.05)、排驅壓力低(0.03～0.38 MPa)、特征結構系數(shù)大(0.37～5.47)、粗歪度(0.42～2.95)；第二類：壓汞曲線具有一定的平臺(圖6b)，儲層孔喉分選較差(0.07～0.64)、排驅壓力中等(0.20～1.83 MPa)、特征結構系數(shù)較小(0.03～3.37)、歪度較小(1.41～2.46)；第三類：壓汞曲線有一定的平臺(圖6c)，儲層孔喉分選較好(0.03～0.10)、排驅壓力較大(2.37～10.02 MPa)、特征結構參數(shù)最小(0.02～0.78)、細歪度(2.62～3.29)。進一步對比分析認為，第一類儲層主要發(fā)育在粗砂巖中，儲層孔喉分選差，孔喉大小非均質性強，最大連通孔喉半徑大而且集中，儲層孔喉對稱性較好，具有較好的滲流特征，可能與裂縫發(fā)育有關。第三類儲層主要發(fā)育在細-粉砂巖中，砂巖孔隙喉道分選相對較好，孔喉發(fā)育相對比較集中，但是排替壓力大、結構參數(shù)小，連通孔隙孔徑小且分散，具有明顯的細歪度特征，說明儲層孔喉具有不對稱性，儲層滲流能力較差。第二類儲層主要發(fā)育在粗-細砂巖中孔喉微觀結構介于第一類和第三類之間。

圖4 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖儲層溶蝕孔Fig.4 Dissolved pores of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.依南2井，埋深4 895.10 m，溶蝕作用強，長石巖屑粒內溶孔；b.依南2井，埋深4 905.10 m，粒間粘土雜基被溶蝕；c.依深4井，埋深3 990.94 m，碳酸鹽膠結物被溶蝕

圖5 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組裂縫Fig.5 Fractures in the Lower Jurassic Ahe Formation in Dibei area,Kuqa Depressiona.依深4井，埋深4 102 m，構造裂縫發(fā)育且被泥質充填；b.依南5井，埋深4 882.35 m，構造裂縫，沿裂縫可見溶蝕孔；c.依南5井，埋深4 875.12 m，沿石英次生加大發(fā)育粒緣縫；d.依南5井，埋深4 884.58 m，雜基中可見溶蝕縫

圖6 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖壓汞曲線特征Fig.6 MIP curves of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一類儲層壓汞曲線；b.第二類儲層壓汞曲線；c.第三類儲層壓汞曲線

進一步分析3類儲層的孔喉半徑分布特征可以發(fā)現(xiàn)，第一類儲層的孔喉半徑曲線表現(xiàn)為單峰的特征：孔隙和喉道的半徑基本一致，二者沒有明顯的差異，孔喉半徑分布范圍較寬(0.016～2.500 μm)(圖7a)；第二類為雙峰特征：左側為喉道半徑，右側為孔隙半徑，孔隙和喉道差異大，孔喉比高，孔喉半徑分布范圍(0.016～1.600 μm)小于第一類儲層(圖7b)；第三類也表現(xiàn)為雙峰特征：孔喉半徑整體較小，范圍為0.016～0.160 μm，孔隙的半徑和喉道的半徑差異小，孔喉比低(圖7c)。

注：“—”表示無數(shù)據(jù)。

常規(guī)壓汞實驗是假設多孔介質由不同大小的毛細管束構成，無法反映孔隙和喉道半徑的差異性[28]，為了進一步證實常規(guī)壓汞實驗結果，本次研究在常規(guī)壓汞結果的基礎上針對3種儲層分別選取1個樣品開展了微米CT測試(圖8)，以精確辨識3種類型儲層的孔隙和喉道分布特征。根據(jù)微米CT分析結果可以看出，3類儲層孔喉半徑平均值具有以下規(guī)律：第一類>第二類>第三類(表2)，此結果證實了常規(guī)壓汞實驗的結論。進一步對比每一類儲層的孔隙半徑和喉道半徑的平均值表明，二者在第一類儲層中基本一致，在第二類和第三類儲層中有所差異且在第二類儲層中差異較大。因此，綜合常規(guī)壓汞實驗和微米CT實驗判斷，第一類孔隙和喉道系統(tǒng)主要表現(xiàn)為毛細管束特征[31]，微觀結構最好，第二類和第三類孔隙和喉道系統(tǒng)主要表現(xiàn)為墨水瓶狀，但第二類孔隙微觀結構較好，第三類孔隙微觀結構最差。

4 孔隙發(fā)育特征對含氣性控制作用探討

對比3類儲層的含氣飽和度可以發(fā)現(xiàn)明顯的差異：第二類儲層>第一類儲層>第三類儲層(圖9)。進一步分析3類儲層的測井解釋結果可知，第二類儲層多為氣層，第一類儲層多為水層、含氣水層或者差氣層，第三類儲層多為干層，即孔喉半徑一般、孔喉比大的孔喉系統(tǒng)(第二類)含氣性最好，孔喉半徑大、孔喉比小的孔喉系統(tǒng)(第一類)含氣性較差，孔喉半徑小、孔喉比小的孔喉系統(tǒng)(第三類)含氣性最差。

圖7 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖孔徑分布Fig.7 The pore size distribution of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一類致密砂巖儲層孔喉半徑曲線；b.第二類致密砂巖儲層孔喉半徑曲線；c.第三類儲層孔喉半徑曲線

圖8 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組不同類型致密砂巖儲層CT掃描二維切片F(xiàn)ig.8 2-D CT slices showing different tight sandstone reservoir types in the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一類儲層，依南4井，埋深4 496 m;b.第二類儲層，依南2井，埋深4 852 m;c.第三類儲層，依南4井，埋深4 515 m

包裹體鏡下觀察表明，迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組中烴類包裹體總體較為發(fā)育，特別是在第一類和第二類儲層中都發(fā)現(xiàn)了大量的藍白光和淺黃色熒光包裹體，說明兩類儲層內都發(fā)生過油氣充注，但第三類儲層基本觀察不到烴類包裹體存在。不同類型儲層內包裹體發(fā)育特征存在一定的差異[32]：第一類儲層中烴類包裹體多存在穿石英顆粒裂紋中，石英顆粒內包裹體較少(圖10a—d)；第二類儲層中裂縫發(fā)育程度較低，顆粒中烴類包裹體多發(fā)育在石英顆粒內(圖10e—h)。綜合儲層孔隙微觀結構、烴類包裹體發(fā)育特征和現(xiàn)今儲層含氣性判斷，第一類儲層的“毛細管束”孔喉系統(tǒng)內雖然在地史時期發(fā)生過油氣充注，但現(xiàn)今基本為水層和含氣水層；第二類儲層的“墨水瓶”狀孔喉系統(tǒng)同樣發(fā)生過油氣充注，現(xiàn)今仍為氣層。但是第三類儲層的“墨水瓶”狀的孔隙系統(tǒng)的孔隙和喉道半徑比第二類儲層的小，所以無法構成致密儲層有效的儲集空間。上述研究表明，對于連續(xù)型致密砂巖氣而言，天然氣主要富集在孔喉半徑相對較小的“墨水瓶”型的孔隙系統(tǒng)中，而孔喉半徑相對較大的“毛細管束”型的孔喉系統(tǒng)則主要形成天然氣運移通道(圖11)。

表2 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組不同類型儲層孔隙和喉道對比Table 2 The comparison of pores and throats between different reservoir types in the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depression

喜馬拉雅晚期強烈的構造擠壓造成庫車坳陷下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖中廣泛發(fā)育構造裂縫[28]，這些裂縫在不同程度上增大了致密砂巖儲層的喉道半徑，在致密儲層中形成了“毛細管束”型的孔喉系統(tǒng)，從而形成了致密砂巖氣高效的運移通道?？碧綄嵺`也證實，依南2井和迪西1井下侏羅統(tǒng)阿合組致密儲層中裂縫發(fā)育強度較低，天然氣散失量相對小，天然氣產(chǎn)能相對較高；而靠近構造高部位反沖斷層的依南4井和依深4井裂縫發(fā)育密度較高，天然氣單井產(chǎn)能較低[33-34]。因此，致密砂巖氣藏勘探過程中，需要謹慎看待裂縫發(fā)育對天然氣富集成藏過程中的作用。

5 結論

1) 庫車坳陷下侏羅統(tǒng)阿合組主要發(fā)育“低孔低滲”的致密砂巖儲層，儲集空間主要由溶蝕孔隙、殘余粒間孔以及微裂縫構成。

圖9 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組不同類型儲層含氣飽和度對比Fig.9 The comparison of gas-bearing saturation in different reservoir types of the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depression

圖10 庫車坳陷迪北致密砂巖氣藏烴類包裹體發(fā)育特征Fig.10 Micrographs showing the hydrocarbon inclusions in Dibei tight sand gas reservoirs,Kuqa Depressiona,b.依南4井，埋深4 641.38 m，穿石英顆粒裂紋發(fā)育大量藍白色熒光烴類包裹體；c,d.依深4井，埋深3 682.6 m，穿石英顆粒裂紋見到大量發(fā)淺黃色熒光烴類包裹體；e,f.依南5井，埋深4 766.6 m，石英顆粒內成群體狀分布發(fā)藍白色熒光的烴類包裹體；g,h.依南2井，埋深4 898.75 m，石英 顆粒內見氣液兩相、淺黃色熒光烴類包裹體

圖11 庫車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組孔隙微觀結構控制下致密氣富集模式Fig.11 The tight gas enrichment pattern under the control of microscopic pore structure in the Lower Jurassic Ahe reservoirs in Dibei area,Kuqa Depression

2) 阿合組致密儲層孔隙微觀結構可分為3類：第一類主要發(fā)育在粗砂巖中，孔喉分選差、孔喉半徑大、孔喉比小、滲流能力較好以及孔喉半徑曲線具有單峰的特征，孔喉系統(tǒng)主要表現(xiàn)為毛細管束狀；第二類主要發(fā)育在粗-細砂巖中，孔喉分選較差，孔喉半徑小于第一類儲層，孔喉半徑曲線具有雙峰的特征、孔喉比大，孔喉系統(tǒng)主要為墨水瓶狀；第三類主要發(fā)育在細-粉砂巖中，孔喉分選相對較好，孔喉半徑小于第二類儲層，孔喉半徑曲線同樣具有雙峰的特征、孔喉比小，滲流能力差，孔喉系統(tǒng)也表現(xiàn)為墨水瓶狀。

3) 對于連續(xù)型致密砂巖氣而言，天然氣主要富集在孔喉半徑相對較小的“墨水瓶”型的孔隙系統(tǒng)中，而孔喉半徑相對較大的“毛細管束”型的孔喉系統(tǒng)則主要形成天然氣運移通道。