吳麗榮?┗瞥篩摘┰?劍英?┭執(zhí)娣錸?馬峰孫秀建

摘要：近年來，柴達木盆地東坪地區(qū)天然氣勘探獲得了重大突破，已累計產氣超過2×108 m3。通過鉆井巖芯觀察、偏光顯微鏡鑒定、物性分析以及場發(fā)射掃描電鏡研究發(fā)現，東坪地區(qū)基巖由變質巖和花崗巖組成，平均孔隙度為4.72%，平均滲透率為1.71×10-3 μm2。除裂縫和少量溶蝕孔外，巖石中基質微孔廣泛發(fā)育，主要包括花崗巖中發(fā)育于鐵鎂質礦物的微孔以及片麻巖中的云母片晶間孔兩類，其孔徑極小且連通性差，多為數百納米至數微米，為東坪地區(qū)基巖重要的天然氣儲集空間類型。大量石膏充填于上部基巖的孔縫中，為上覆地層路樂河組和干柴溝組沉積時咸水流體下滲沉淀、膠結所致，鹽類礦物的封堵作用為大氣田的形成起到了重要作用。這種發(fā)育于基巖中的“二元結構”的首次發(fā)現對指導咸化湖盆基巖油氣勘探具有重要意義。

關鍵詞：咸化湖盆；基巖；儲層特征；基質微孔；晶間孔；二元結構；東坪地區(qū)；柴達木盆地

中圖分類號：P618.130.2；TE122文獻標志碼：A

0引言

基巖油氣藏是一種特殊類型的油氣藏，主要是指儲存于結晶基巖中的油氣藏[13]，在全球分布較廣，包括非洲的利比亞、阿爾及利亞，歐洲的潘農盆地、第聶伯—頓涅茨盆地；亞洲的中國、越南、印度尼西亞，北美的美國以及南美的委內瑞拉等地區(qū)?，F有勘探成果表明：基巖中含有豐富的地質儲量，如利比亞的奧季拉油氣藏、阿爾及利亞的哈西邁薩烏德油氣藏、越南的白虎油氣藏、委內瑞拉的拉巴斯—馬拉油氣藏等均是地質儲量上億噸的大油氣田。根據俄羅斯學者馬爾德洛夫的統(tǒng)計結果，39個巨型基巖油氣田的原始油氣總儲量幾乎相當于世界已知油氣儲量的15%，總計石油儲量為5048×1011 t，天然氣儲量為2681×1011 m3[45]。Younes等關于基巖儲層的研究成果多集中在斷裂方位配置、發(fā)育期次、與不同性質應力的吻合度等[610]。李江濤等對基巖儲層特征作了常規(guī)描述性研究[1113]，多認為其儲集空間類型主要為構造作用和風化作用形成的各種裂縫以及少量溶蝕孔洞，這決定了較多的基巖油氣藏具有“短期產量高，但衰減快”的典型特征。

2011年，中國在柴達木盆地阿爾金山前基巖中發(fā)現了大氣田，其中東坪1井獲得每天11.26×104 m3 的高產工業(yè)氣流，拉開了柴達木盆地基巖天然氣的勘探序幕。2012年鉆探的東坪3井不僅在基巖“1 856～1 870 m”層段獲得每天36×104 m3的工業(yè)氣流，而且在其上覆地層中的多套層系亦獲得工業(yè)氣流，其中“611～616 m”層段獲得每天5.0×104 m3的工業(yè)氣流，“1 803～1 812 m”和“1 820～1 830 m”層段獲得每天0.65×104 m3的工業(yè)氣流。2014年以來，隨著研究的深入和相關支撐力度的加大，天然氣產量增加迅猛，在東坪102井獲得的天然氣產量竟高達每天57.7×104 m3，且持續(xù)穩(wěn)產。截止目前，東坪地區(qū)的21口試采井合計產氣能力已超過每天200×104 m3，累計生產天然氣超過2×108 m3，至此，東坪氣田成為中國陸上發(fā)現的最大基巖氣田。因此，研究基巖儲集空間類型及其高產穩(wěn)產控制因素顯得至關重要，但至今尚缺乏過硬的微觀證據。本文試圖針對柴達木盆地東坪地區(qū)花崗巖和變質巖開展系統(tǒng)的微觀巖石學和結構學特征研究，旨在為致密巖石中基質孔隙的發(fā)育提供更確鑿的證據，為特殊咸化湖盆中基巖氣田的儲層研究提供新的研究思路。

1地質概況

柴達木盆地位于青藏高原北部[1415]，其大地構造位置居于古亞洲構造域和古特提斯—喜馬拉雅構造域的結合部[1618]，是在具有元古界變質結晶基底和古生界褶皺變形基底的地塊上于印支運動后發(fā)育起來的一個中、新生代陸相含油氣沉積盆地。該盆地面積12.1×104 km2，中、新生代沉積巖分布面積9.6×104 km2。自新生代以來，柴達木盆地長期處于青藏高原隆升背景之下，持續(xù)分階段的隆升導致盆地的古海拔變高，湖盆封閉，氣候干寒和鹽源充足，形成了典型的高原咸化湖盆[1926]。東坪地區(qū)位于柴達木盆地西部阿爾金山前，為柴達木盆地西部坳陷區(qū)一里坪凹陷亞區(qū)的一個在古生代變質巖和海西期花崗巖基底上發(fā)育的南傾鼻狀構造（圖1），該區(qū)基巖主要由花崗巖和變質巖組成，其上覆地層為咸化湖盆沉積的碎屑巖[2729]，鹽類礦物在地層中廣泛發(fā)育[30]。

圖1柴達木盆地東坪地區(qū)基巖頂面等深線

Fig.1Depth Contour of Top Bedrock in Dongping Area of Qaidam Basin

2儲層特征

2.1巖石學特征

東坪地區(qū)基巖巖性主要以雜色、肉紅色花崗巖，雜色、灰色片麻巖及花崗片麻巖為主，致密且堅硬。雜色花崗巖主要以塊狀構造為主，部分樣品見條帶狀、似斑狀構造，主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石及少量黑云母等，部分樣品含有角閃石，孔縫中充填物包括碳酸鹽膠結物、鹽類礦物以及風化作用產生的黏土礦物。X衍射全巖分析結果顯示：花崗巖中石英含量（質量分數，下同）約為70%，斜長石為1%～5%，鉀長石為1%～8%，黑云母一般小于5%，碳酸鹽膠結物為5%～15%，黏土礦物為5%～15%；個別樣品可見黃鐵礦，鹽類礦物主要為石膏或硬石膏，偶見石鹽。片麻巖和花崗片麻巖多呈片麻狀和條帶狀構造，片狀云母廣泛發(fā)育，石英含量約為25%，長石約為45%，黑云母約為20%，偶見角閃石、輝石，碳酸鹽膠結物含量約為5%，黏土礦物約為5%，長石和石英等淺色礦物與各種暗色礦物（云母、角閃石、輝石等）構成不連續(xù)的明暗條帶狀或片麻狀構造。

2.2物性特征

無論是時代較早的基巖儲層（如中國渤海灣盆地大民屯凹陷太古界基巖），還是時代較晚的基巖儲層（如印度尼西亞的賈提巴朗盆地中新世），其孔隙度絕大多數小于10%，多分布在3%～6%范圍內，滲透率一般因含裂縫多少而波動范圍較大，最大可達10 μm2。物性較好的儲層如湄公河盆地白虎寒武系花崗巖[31]平均孔隙度為10%，平均滲透率為100×10-3 μm2，蘇爾特盆地拿法拉—奧季拉寒武系花崗巖[32]平均孔隙度為11%，滲透率多在（700～800）×10-3 μm2范圍內。

通過對東坪地區(qū)298個基巖進行物性分析，結果表明其平均孔隙度為4.72%，多分布在2%～8%范圍內，平均滲透率為1.71×10-3 μm2，多分布在（0.05～5）×10-3 μm2范圍內（圖2）。采用石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6285—2011《油氣儲層評價方法》中火成巖和變質巖的儲層孔隙度、滲透率類型劃分標準[33]（表1）對研究區(qū)基巖進行物性分級，可將其劃歸為Ⅲ～Ⅳ類基巖儲層。

圖2東坪地區(qū)基巖孔滲關系

Fig.2Relationship Between Porosity and Permeability of Bedrock in Dongping Area

2.3孔隙結構特征

相同條件下天然氣的流動阻力遠小于液態(tài)石油，且具有可壓縮性，能儲集在更小的孔喉空間之中。據羅蟄潭等研究成果[34]，把非潤濕相液體（汞）注入于多孔介質的孔隙中，液體汞會被表面張力作用阻止進入，因此，必須在外部對非潤濕相液體施加壓力。注入汞的每一個壓力值就代表一個相應孔隙

表1火山巖和變質巖儲層類型劃分標準

Tab.1Classification Standard for Reservoir Types of Volcanic and Metamorphic Rocks

儲層分類孔隙度φ滲透率k

火成巖儲層Ⅰφ≥15%k≥10×10-3 μm2

火成巖儲層Ⅱ10%≤φ<15%5×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

火成巖儲層Ⅲ5%≤φ<10%1×10-3 μm2≤k<5×10-3 μm2

火成巖儲層Ⅳ3%≤φ<5%0.1×10-3 μm2≤k<1×10-3 μm2

火成巖儲層Ⅴφ<3%k<0.1×10-3 μm2

變質巖儲層Ⅰφ≥10%k≥50×10-3 μm2

變質巖儲層Ⅱ5%≤φ<10%10×10-3 μm2≤k<50×10-3 μm2

變質巖儲層Ⅲ1%≤φ<5%1×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

變質巖儲層Ⅳφ<1%k<1×10-3 μm2

大小下的毛細管壓力值，在該壓力下進入孔隙系統(tǒng)的汞量代表了相應的孔喉體積。隨著注入壓力不斷增加，汞不斷進入較小的孔隙中，直至進汞飽和度不隨壓力增加而變大，表明基質微孔的孔徑小到已經無法讓液體汞通過。由此根據最大進汞飽和度計算出來的孔隙體積僅為巖石氦氣法測試出來的總孔隙體積的一部分，筆者將這部分液態(tài)汞無法進入而氦氣能進入的孔隙空間視為基質微孔的總孔隙體積。

東坪地區(qū)基巖毛細管壓力曲線分析結果顯示，巖石孔隙結構普遍較差（表2），毛細管壓力曲線幾乎均不具有在一定壓力下持續(xù)進汞的“平臺結構”（圖3），且最大進汞飽和度多分布在50%～60%之間，飽和度中值半徑僅為數十納米，最大連通喉道半徑均小于15 μm，退汞效率也普遍較低。這一現象主要受控于基巖的儲集空間類型：相對較大的儲集空間主要為裂縫，相對較小的儲集空間主要為基質微孔。裂縫的發(fā)育使得進汞飽和度隨壓力增大而增加，因而不具有常規(guī)碎屑巖儲層毛細管壓力曲線上常見的“平臺結構”，基巖中廣泛發(fā)育的基質微孔因孔喉極細造成其表面張力的阻力極大，對液態(tài)汞來說均為“死孔隙”，即使壓力超過100 MPa，液態(tài)汞依然難以進入這些約占巖石總孔隙體積383%～766%的基質微孔空間，但這些孔徑極小的微孔隙（數十到數百納米）可以作為天然氣的良好儲層。

表2東坪地區(qū)基巖孔隙結構數據

Tab.2Data of Pore Structure of Bedrock in Dongping Area

東坪105井樣品編號深度/m孔隙度/%滲透率/10-3 μm2排驅壓力/MPa最大連通孔喉半徑/μm最大進汞飽和度/%飽和度中值壓力/MPa飽和度中值半徑/μm退汞效率/%

1號3 451.982.70.0910.513.14154.136.20.02026.0

49號3 463.384.30.2200.492.16261.714.70.05027.1

58號3 466.762.00.5500.491.28959.315.20.0488.9

66號3 468.304.81.7000.1114.41250.773.20.01025.1

79號3 477.965.60.4300.227.35023.426.8

圖3東坪地區(qū)基巖毛細管壓力曲線

Fig.3Capillary Pressure Curves of Bedrock in Dongping Area

2.4孔隙類型

通過場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（FEI Quanta 450 FEG，中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室）研究發(fā)現，東坪地區(qū)油氣能夠持續(xù)高產穩(wěn)產主要是因為巖石中含有豐富的基質微孔，主要包括花崗巖中發(fā)育于鐵鎂質礦物中的微孔[圖4（e）、（f）]以及片麻巖中的云母片晶間孔[圖4（g）、（h）]。

這類儲集空間孔徑極小且連通性差，多為納米級微孔（部分可達微米級），但數量極多，為研究區(qū)重要的天然氣儲集空間類型。多數樣品的毛細管壓力曲線研究結果顯示，基質微孔對儲集空間的貢獻作用占巖石總孔隙體積的383%～493%，當巖石中裂縫和溶蝕孔不太發(fā)育時，基質孔隙對巖石總孔隙體積的貢獻率可能高達76.6%。掃描電鏡分析時的工作電壓為20 kV，電子束入射束流大小為3×10-10 A。

圖4東坪地區(qū)基巖儲集空間類型

Fig.4Types of Reservoir Space of Bedrock in Dongping Area

除此之外，無論是在花崗巖中，還是在變質巖中，均發(fā)育裂縫[圖4（a）、（b）]和溶蝕孔[圖4（c）、（d）]。裂縫為基巖中最為常見的儲集空間類型，常常與構造活動有關[69]；溶蝕孔主要發(fā)育于長石等易溶礦物之中，其孔徑大小從數微米到幾十微米不等，與成巖過程中酸性流體的溶蝕強度有關。

圖5東坪地區(qū)基巖中裂縫的充填狀態(tài)

Fig.5Crack Filling States of Bedrock in Dongping Area

通過對巖芯手標本觀察、偏光顯微鏡下鑄體薄片研究以及場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡能譜面掃描分析可以得出：上部基巖中的裂縫多被石膏等鹽類礦物充填[圖5（a）]，研究區(qū)自古新世以來為咸化湖沉積[2729，3538]，基巖上覆地層路樂河組和干柴溝組沉積時期的盆地處于干旱、氧化的咸化沉積環(huán)境[19，39]，沉積物中見到大量石膏發(fā)育，沉積時咸水流體下滲進入頂部基巖裂縫中，沉淀膠結形成的鹽類礦物可對裂縫進行有效封堵，這對下部基巖儲集體中的天然氣來說是良好的蓋層。掃描電鏡下硫元素面分布特征與鈣元素面分布特征高度吻合，充分顯示了石膏對裂縫等儲集空間的有效充填作用[圖5（b）、（c）]。相對下部的基巖中裂縫多呈半充填狀態(tài)，具有一定的連通性[圖5（d）～（f）]；成像測井資料顯示裂縫以密集的高角度縫為主，另發(fā)育低角度水平裂縫，兩者呈網狀交錯，共同構成了良好的儲集空間。據現有資料的不完全統(tǒng)計，東坪地區(qū)基巖中發(fā)育的裂縫和少量溶蝕孔對儲集空間的貢獻作用占巖石總孔隙體積的234%～617%。

3高效基巖氣藏形成條件

趙文智等將規(guī)模大、氣藏儲量豐度高、產量高、經濟效益好的氣藏稱為高效氣藏[4042]，如四川盆地東北部飛仙關組高效氣藏[4344]。部分氣田盡管儲量規(guī)模大，但儲量豐度低、產量低、經濟效益差，這類氣藏被稱為低效氣藏，如鄂爾多斯盆地蘇里格氣田。東坪基巖氣藏儲層高效含氣的主要原因包括：①氣源條件較好，具有“三源”供烴的特征，曹正林等研究認為東坪地區(qū)油氣源主要來自于周緣的坪東凹陷、昆特依凹陷和伊北凹陷的侏羅系煤型氣[4547]，且具有大斷裂溝通的特點（圖6）；②儲層物性較好且儲集空間類型多樣，不僅發(fā)育裂縫和溶蝕孔，而且基質微孔廣泛發(fā)育；③基巖頂部因鹽類礦物充填膠結形成有效封堵，具有良好的蓋層條件；④阿爾金山前東坪地區(qū)具有持續(xù)發(fā)育的古隆起背景，為油氣運移的長期指向區(qū)[48]。

圖6東坪地區(qū)基巖氣藏成藏模式

Fig.6Accumulation Model of Bedrock Gas

Reservoirs in Dongping Area

4結語

（1）柴達木盆地阿爾金山前東坪地區(qū)高效基巖氣藏中，天然氣高產穩(wěn)產的主要原因是基巖中發(fā)育裂縫和少量溶蝕孔，以及廣泛發(fā)育花崗巖鐵鎂質礦物微孔和片麻巖云母片晶間孔等兩類基質孔隙。基質微孔對巖石總儲集空間的貢獻率為38.3%～493%。這一重要發(fā)現在中國尚屬首次，對鮮有報道的基巖微觀孔隙研究提供了直觀證據，并開拓了該領域的研究思路。

（2）上部基巖因被石膏等鹽類礦物充填變得極其致密，對下部儲層具有良好的油氣封堵作用；下部基巖發(fā)育半充填裂縫和豐富的基質微孔。這種特殊咸化環(huán)境下獨有的縱向儲蓋組合“二元結構”對高效大氣田的形成具有重要意義。

中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室張小軍、李智勇、李志明、茍迎春、王樸、潘星、張世銘、吳梁宇、鄧江林等參與了部分工作，在此一并表示感謝。

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