王 波 劉 群 張惠良 盧文忠 張榮虎 曾慶魯

(中國石油杭州地質(zhì)研究院 杭州 310023)

0 前言

庫車坳陷是我國陸上天然氣勘探的一個(gè)重要領(lǐng)域，白堊系巴什基奇克組是國家“西氣東輸”的主力氣源層，其中大北氣田深層致密天然氣三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量超過2 510×108m3。但是目的層埋藏深(均超過5000 m)、鉆井取芯也越來越少，因此深層裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層的成因機(jī)制依然是困擾研究人員的一個(gè)難題［1，2］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者廣泛利用露頭和現(xiàn)代沉積體與油田地下儲(chǔ)層進(jìn)行類比研究，并且取得了豐碩的成果［3］。露頭砂體的分布規(guī)律、幾何形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層非均質(zhì)性的定量分析在預(yù)測無數(shù)據(jù)的井間儲(chǔ)層特性方面發(fā)揮了重要作用。露頭區(qū)又具備直觀、取樣方便的特點(diǎn)，因此露頭被用作地下地層和儲(chǔ)層的模擬對(duì)象。索罕露頭區(qū)位于大北氣田區(qū)東北方向約50 km，與大北氣田屬于同一構(gòu)造帶，其白堊系巴什基奇克組第三段在物源、相帶(沉積微相、巖性、巖相)以及骨架砂體方面與大北氣田井下一致，具有可比性，為大北氣田白堊系的典型露頭。但是露頭區(qū)儲(chǔ)層特征及成因機(jī)制方面是否與前人研究一致［4］?是否與井下一致?露頭儲(chǔ)層樣品能否代表井下儲(chǔ)層樣品開展大規(guī)模的開發(fā)實(shí)驗(yàn)?筆者基于露頭區(qū)大量淺鉆樣品(2.5 cm×30 cm)實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，嘗試解決上述儲(chǔ)層研究方面的問題，不僅具有較高的理論意義，同時(shí)也具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 研究區(qū)概況

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，北緣是南天山造山帶，南面是塔北隆起，呈NEE向展布。白堊系主要為下統(tǒng)，缺失上統(tǒng)，自下而上為亞格列木組、舒善河組、巴西蓋組和巴什基奇克組，古近系庫姆格列木群與白堊系不整合接觸。主力含氣層巴什基奇克組在垂向上表現(xiàn)為多期扇體相互疊置，在平面上表現(xiàn)為多個(gè)扇體相互連接，這樣形成的沖積扇—扇(辮狀)三角洲復(fù)合體直接進(jìn)入湖盆，形成了白堊紀(jì)時(shí)期規(guī)模巨大的砂體［5，7］。大北氣田構(gòu)造上位于庫車坳陷北部克拉蘇構(gòu)造帶西段，索罕露頭區(qū)(圖1)位于拜城縣城西北方向約40 km，大北氣田區(qū)東北方向約50 km。索罕露頭區(qū)地表出露地層與大北氣田井下一致，其中巴什基奇克組第三段出露條件最好。本次儲(chǔ)層對(duì)比研究工作也是基于該露頭區(qū)巴三段大量淺鉆樣品的實(shí)驗(yàn)分析資料，進(jìn)行露頭區(qū)與井下巴三段儲(chǔ)層差異性分析。

2 儲(chǔ)層差異性特征

2.1 沉積相帶

圖1 索罕露頭區(qū)剖面位置圖Fig.1 Location of the Suohan outcrop

巴什基奇克組第三段沉積時(shí)期，大北氣田井下為扇三角洲前緣亞相沉積，上部巖性以紅褐色細(xì)砂巖、粉砂巖與薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層為特征，下部為褐灰色細(xì)砂巖與泥巖互層沉積［2］。根據(jù)索罕露頭實(shí)測剖面的巖性、巖相、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地表自然伽馬、粒度及鏡下特征等綜合分析表明，索罕露頭區(qū)巴什基奇克組第三段亦為扇三角洲前緣細(xì)粒巖相沉積與大北氣田井下，骨架砂體均為水下分流河道砂體，局部伴生河口壩砂體。露頭區(qū)沉積相、亞相類型與井下一致，巖性、粒度整體也相似，剖面巖性組合特征也為砂巖夾泥巖，索罕露頭區(qū)泥巖層相對(duì)更發(fā)育，砂地比較低。物源與古水流分析表明①張榮虎，陳戈，王波，等.庫車—塔北地區(qū)白堊系—古近系沉積儲(chǔ)層研究及目標(biāo)優(yōu)選.中國石油杭州地質(zhì)研究院，2011.大北氣田井下處于扇體的主物源供給帶，而露頭區(qū)則處于扇體的側(cè)翼或者是連接部位(圖2)。

2.2 巖石學(xué)特征

盡管露頭和井下巴三段在物源、沉積相帶、巖性巖相及骨架砂體類型等方面具有相同的特征。但是，由于位于不同的扇體部位，沉積物搬運(yùn)距離不同，儲(chǔ)層巖石學(xué)特征略有差異:根據(jù)索罕露頭區(qū)277片鑄體薄片的詳細(xì)鑒定表明，巖性以巖屑長石砂巖為主，其次為長石巖屑砂巖(圖3)，巖屑以火山巖(凝灰?guī)r)巖屑，變質(zhì)巖(片巖、板巖)巖屑及云母為主，另有平均含量為2%～3%的碳酸鹽巖屑;雜基類型為泥質(zhì)和灰質(zhì)，均較普遍發(fā)育，但是含量較低;膠結(jié)物平均總含量為7%(表)，以方解石為主。大北氣田井下［8］巖石類型以細(xì)粒長石巖屑砂巖為主(圖3)，碎屑成分中石英、長石平均含量較露頭低，巖屑含量非常高;填隙物中膠結(jié)物和雜基平均值較露頭區(qū)均偏高(表1)。露頭與井下巴三段儲(chǔ)層微觀特征表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)成熟度相似，成分成熟度露頭區(qū)略高于井下，長石含量相對(duì)較高，巖屑含量相對(duì)少。

圖2 庫車坳陷白堊系巴三段沉積模式Fig.2 Sedimentary mode of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member in Kuqa depression

圖3 巴三段巖石骨架組分三角圖Fig.3 The petromineralogy triangular plot of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member

表1 索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段砂巖儲(chǔ)層碎屑成分Table 1 Contents of petromineralogy of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop and Dabei gas field

2.3 儲(chǔ)層物性

根據(jù)對(duì)露頭區(qū)巴三段600個(gè)樣品測得的594組物性數(shù)據(jù)分析，露頭區(qū)孔隙度范圍在1% ～20.02%之間，平均值13.16%;滲透率范圍在0.03×10-3μm2～152.0×10-3μm2，平均值為 28.0 ×10-3μm2;孔滲相關(guān)性較好(圖4)。其中優(yōu)勢巖石相(板狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖-平行層理粉砂巖)物性最好，孔隙度集中在13% ～18%，滲透率分布在1×10-3μm2～100×10-3μm2。相比之下，井下相同的優(yōu)勢巖石相(也為板狀層理細(xì)砂巖和平行層理粉砂巖)的孔隙度分布在2% ～7%，滲透率分布在0.01×10-3μm2～1×10-3μm2之間，基本屬于特低孔特低滲儲(chǔ)層［8］。從儲(chǔ)層物性來講，露頭與井下差異非常大，露頭物性較好，尤其是孔隙度值較高，孔滲相關(guān)性良好。

2.4 儲(chǔ)集空間類型

首先索罕露頭區(qū)孔隙度和滲透率相關(guān)性非常好，反映孔隙主要以粒間孔為主，其次根據(jù)鏡下面孔率統(tǒng)計(jì)，原生孔隙與次生孔隙比約為9.8∶1②盧文忠，王波，夏志遠(yuǎn)等，大北氣田典型露頭儲(chǔ)層數(shù)字化精細(xì)描述，中國石油杭州地質(zhì)研究院，2011.，說明即殘余原生粒間孔占孔隙類型的絕對(duì)優(yōu)勢，次生孔隙含量較低。另外鏡下可識(shí)別的孔隙類型，另外鏡下可識(shí)別的孔隙類型，按成因分為3類，包括原生孔隙、次生孔隙和裂縫。原生孔隙是指原生粒間孔和殘余原生粒間孔;次生孔隙包括粒間溶孔，長石和巖屑的粒內(nèi)孔以及泥屑中的微孔隙;裂縫則包括構(gòu)造微裂縫、泥屑收縮縫和成巖壓碎縫(圖5)。

而井下大北氣田儲(chǔ)層孔隙類型主要為次生孔隙(含粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微孔隙)，其次為原生粒間孔、裂縫(圖5)［8］，裂縫的發(fā)育為這種特低孔特低滲深部儲(chǔ)層的高產(chǎn)提供了基礎(chǔ)［2］。露頭與井下儲(chǔ)集空間類型最大的差別在于前者以原生孔隙為主，后者則以次生孔隙為主。

索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段砂巖儲(chǔ)層差異性特征表現(xiàn)為，二者沉積相帶一致，巖石學(xué)特征略有差異;但是在儲(chǔ)集空間類型和儲(chǔ)層物性上差異較大。下文通過對(duì)比分析露頭和井下儲(chǔ)層的控制因素，揭示二者出現(xiàn)上述差異性的主控因素。

3 差異性主控因素

3.1 埋藏方式

根據(jù)地層厚度、地溫梯度、剝蝕量、壓實(shí)系數(shù)以及包裹體均一溫度等參數(shù)作露頭區(qū)與井下埋藏史圖，并結(jié)合電微鏡下的孔隙特征、成巖現(xiàn)象與成巖序列作孔隙演化史曲線(圖6)。從圖中可以看出，大北202井區(qū)經(jīng)歷了早期長期淺埋、中期抬升暴露和晚期快速深埋的過程［2］，最大埋深達(dá)到5 000 m以下，使得孔隙損失較大。而露頭區(qū)埋藏過程則與此不同，在歷經(jīng)早期淺埋—抬升—淺埋之后，在23.3 Ma時(shí)經(jīng)歷了深埋，埋深最大4 000～4 500 m之間;之后略微抬升—沉降后，于喜山晚期又巨幅抬升，最終出露地表(圖6);而且遭受現(xiàn)代地表風(fēng)化淋濾作用，使得在淺埋藏且受溶蝕的作用下，保存了較好的儲(chǔ)層物性。對(duì)比分析表明，二者的埋藏方式差異很大，目前索罕露頭區(qū)較井下為淺埋藏。

圖4 索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段孔滲相關(guān)圖Fig.4 The porosity-permeability correlation of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop and Dabei gas field

圖5 索罕露頭區(qū)巴三段砂巖儲(chǔ)層鏡下孔隙特征Fig.5 Porosity characteristics under microscope of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop and Dabei gas field

圖6 索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段埋藏史對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of bury history of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop and Dabei gas field

3.2 成巖作用

根據(jù)David W.Houseknecht 1987年的計(jì)算方法［9］對(duì)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙度造成的喪失進(jìn)行評(píng)價(jià)。粒間體積為膠結(jié)物體積與殘余原生粒間孔隙之和(在發(fā)生溶解作用的地層中，顆粒邊緣溶蝕而增加的孔隙體積須排除);膠結(jié)物總量為各類膠結(jié)物含量之和。以原始粒間體積為40%，分別計(jì)算壓實(shí)作用和膠結(jié)作用造成的孔隙損失百分比。而實(shí)際孔隙度損失為實(shí)際原始孔隙度與上述孔隙度損失百分比的乘積，現(xiàn)今儲(chǔ)層孔隙度為實(shí)際原始孔隙度與實(shí)際孔隙度損失之差。

圖7左為整個(gè)露頭區(qū)4個(gè)建模砂體的成巖作用量化圖。根據(jù)對(duì)井下薄片鑒定的膠結(jié)物含量與孔隙度數(shù)據(jù)分析，表明索罕露頭區(qū)儲(chǔ)層壓實(shí)作用貢獻(xiàn)為36%，膠結(jié)作用貢獻(xiàn)為24%。由于井下和露頭區(qū)的實(shí)際原始儲(chǔ)層孔隙度一致，且假定為40%。經(jīng)計(jì)算后露頭區(qū)實(shí)際壓實(shí)減孔量為14.4%，實(shí)際膠結(jié)減孔量為9.6%，計(jì)算露頭區(qū)現(xiàn)今儲(chǔ)層孔隙度為16%。另外考慮到構(gòu)造側(cè)向擠壓減孔及溶蝕增孔等因素，則該結(jié)果與實(shí)測儲(chǔ)層孔隙度平均值13.16%基本相符合。

圖7右為大北1井成巖作用量化圖。定量化后確定壓實(shí)作用貢獻(xiàn)為53%，膠結(jié)作用貢獻(xiàn)為27%。計(jì)算井下實(shí)際壓實(shí)減孔量為21.2%，實(shí)際膠結(jié)減孔量為10.8%，計(jì)算井下現(xiàn)今儲(chǔ)層孔隙度為8%?？紤]到構(gòu)造側(cè)向擠壓減孔及溶蝕增孔等因素，則該結(jié)果與實(shí)測儲(chǔ)層孔隙度平均值5%基本相符合。對(duì)比分析表明露頭區(qū)巴三段儲(chǔ)層在成巖作用方面的主要影響因素為壓實(shí)作用，相比井下為弱壓實(shí)。

圖7 索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段砂巖儲(chǔ)層成巖作用量化圖(井下數(shù)據(jù)來自大北1井)Fig.7 The quantized reservoir diagenesis of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop and Dabei gas field

3.3 構(gòu)造擠壓程度

根據(jù)前人最大古構(gòu)造應(yīng)力減孔的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式［10］，大北1井區(qū)白堊系巴什基奇克組三段儲(chǔ)層的埋深在5 500～5 800 m之間，成巖演化階段已達(dá)中成巖A2亞期，并處于相對(duì)強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用范圍內(nèi)，最大古構(gòu)造應(yīng)力達(dá)74.8～75.4 MPa，其最大減孔量可達(dá)6.1%～6.2%。露頭區(qū)則采用前人側(cè)向擠壓減孔實(shí)驗(yàn)?zāi)M公式［11］，應(yīng)用Kaiser效應(yīng)點(diǎn)方法測試得到9組25個(gè)數(shù)據(jù)②，露頭區(qū)最大古構(gòu)造擠壓力值為44 MPa，根據(jù)公式得出構(gòu)造擠壓減孔率為3.2%。對(duì)比分析表明露頭區(qū)構(gòu)造側(cè)向擠壓比井下弱。

3.4 現(xiàn)代風(fēng)化淋濾作用

露頭區(qū)巴三段出露地表后遭受了現(xiàn)代風(fēng)化淋濾作用，形成了一定數(shù)量的溶蝕孔隙，改造了儲(chǔ)層物性。但是由于現(xiàn)代風(fēng)化淋濾作用正在進(jìn)行，經(jīng)歷的地質(zhì)時(shí)間相對(duì)較為短暫。相對(duì)于古表生期或者埋藏期形成的溶蝕孔隙，使現(xiàn)代風(fēng)化淋濾作用形成的溶蝕孔隙數(shù)量難于統(tǒng)計(jì)，但是在鏡下可以見到一些現(xiàn)代風(fēng)化淋濾作用的證據(jù)(圖8)，其中包括泥質(zhì)層間泄水構(gòu)造、褐鐵礦浸染雜基、滲流物質(zhì)粒間充填以及高價(jià)鐵氧化膜等。

綜合分析表明，索罕露頭區(qū)巴三段砂巖儲(chǔ)層與井下巴三段儲(chǔ)層差異原因在于露頭區(qū)經(jīng)歷了淺埋藏、弱壓實(shí)、弱擠壓和現(xiàn)代風(fēng)化淋濾。

4 結(jié)論

通過露頭與井下儲(chǔ)層的對(duì)比研究表明，索罕露頭區(qū)與大北氣田井下巴三段相帶一致，巖石學(xué)特征略有差異;二者在儲(chǔ)集空間類型和儲(chǔ)層物性上差異較大。盡管井下埋藏深、取芯困難，但是利用露頭儲(chǔ)層樣品代替井下樣品開展一系列開發(fā)實(shí)驗(yàn)的思路，面臨著重大挑戰(zhàn)。進(jìn)一步分析儲(chǔ)層控制因素表明，索罕露頭區(qū)巴三段砂巖儲(chǔ)層與井下巴三段儲(chǔ)層差異原因在于露頭區(qū)經(jīng)歷了淺埋藏、弱壓實(shí)、弱擠壓和現(xiàn)代風(fēng)化淋濾。這對(duì)深入了解庫車坳陷深層裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層性質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義?；诙咧g的差異性及勘探開發(fā)需求，露頭研究成果如何應(yīng)用到井下，如何設(shè)計(jì)露頭樣品代替井下樣品的開發(fā)實(shí)驗(yàn)方案，仍需做大量研究工作。

圖8 索罕露頭區(qū)巴三段砂巖儲(chǔ)層鏡下現(xiàn)代風(fēng)化淋濾特征Fig.8 Weathering and leaching characteristics under microscope of Cretaceous Bashijiqike Formation 3rd member between Suohan outcrop

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