庫車坳陷DB氣田白堊系砂巖膠結作用及其與構造裂縫關系①

袁 靜 楊學君 袁凌榮 成榮紅 朱忠謙 李春堂 董道濤

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 山東青島 266580;2.中石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院 新疆庫爾勒 841000;3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057;4.中石化華北分公司 鄭州 450000)

塔里木盆地庫車坳陷DB氣田油氣資源豐富，已形成良好的天然氣產能，成為西氣東輸?shù)墓┰粗弧Ｔ摎馓锬康膶影讏紫抵髁Ξa層巴什基奇克組埋深普遍大于5 000 m，由于地震資料品質較差，對儲層的研究主要基于鉆井資料。巖芯物性分析表明，該氣田產氣層段為特低孔—特低滲裂縫性砂巖儲層，儲集空間類型復雜。從目前已經發(fā)表的文獻看，學者們對該氣田的研究重點主要集中于對其中裂縫的識別、描述、評價與成因分析［1-5］，對儲層成因機制和整個庫車坳陷白堊系的成巖作用也有所涉及［6-9］，但尚無專文對DB氣田白堊系巴什基奇克組的成巖作用開展研究，特別是尚未針對膠結作用這一嚴重影響儲層物性演化的成巖作用及其與裂縫演化的關系開展研究，造成對該氣田儲層成因機制的認識不夠系統(tǒng)和全面，制約了進一步高效勘探開發(fā)。

DB氣田巴什基奇克組成巖作用類型多樣，成巖過程復雜。本文充分利用鉆井巖芯資料，以普通薄片和鑄體薄片(228片)觀察與鑒定為基礎手段，輔以巖芯精細觀察(5口井，50.17 m)、陰極發(fā)光顯微鏡分析(77片)、掃描電鏡分析(28塊)、黏土礦物X衍射分析(56塊)、包裹體分析(3張薄片，38個包體)等技術手段，結合區(qū)域儲層地質研究成果，系統(tǒng)研究DB氣田巴什基奇克組砂巖儲層膠結作用特征，并剖析其與構造裂縫發(fā)育期次的關系。

1 區(qū)域地質背景

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，是一個以中、新生代沉積為主的疊加前陸盆地(圖1)［6］，DB氣田與西氣東輸?shù)钠瘘c——克拉2氣田同屬該坳陷北緣克拉蘇構造帶，且較克拉2氣田更接近于生油凹陷，是有利的油氣聚集成藏區(qū)域。DB地區(qū)自上而下發(fā)育第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系及三疊系，在氣田范圍內白堊系巴什基奇克組三個巖性段由于自南向北頂部逐漸被剝蝕，僅保留第二、第三段，均為產氣層段。前人研究表明，在白堊系巴什基奇克組沉積早期，DB地區(qū)發(fā)育了一套扇三角洲前緣的粗碎屑沉積物質(巴三段);到巴什基奇克組沉積中晚期，沉積了辮狀河三角洲前緣及濱淺湖沉積(巴二段)［7-8］。白堊紀末至古近紀初，由于構造抬升，DB地區(qū)整體缺失上白堊系，且下白堊系巴一段也全部遭受剝蝕。

圖1 塔里木盆地庫車坳陷次級構造單元劃分以及DB氣田位置分布示意圖(據(jù)劉春等，2009)Fig.1 Tectonic units of Kuqa Sub-basin in Tarim Basin and the location of DB gas field(according to Liu，et al.，2009)

2 巖石學特征和儲集空間類型

2.1 巖石學特征

巖芯觀察表明，DB氣田巴什基奇克組巖石顏色普遍為褐色、褐紅色、褐灰色，偶見灰綠色泥巖和灰白色細礫巖或含礫粗砂巖，反映沉積物主要形成于弱氧化環(huán)境。

對研究區(qū)已鉆井巴什基奇克組各巖石類型發(fā)育厚度的統(tǒng)計結果表明，其巖石類型以細砂巖、粉砂巖和泥巖為主，泥質粉砂巖和粉砂質泥巖較少，偶見中砂巖和含礫粗砂巖。總體上，巴二段比巴三段巖性稍粗，粉砂巖、細砂巖和中砂巖約占巴二段總厚度的75%，約占巴三段總厚度的55%。

從砂巖成分上看，以長石巖屑細砂巖最為常見，平均石英含量為51.1%，平均長石含量19.9%，平均巖屑含量28.8%，含少量云母。總體上，巴三段砂巖中黏土雜基和巖屑含量較高，巖性主要為長石質巖屑砂巖(和雜砂巖);巴二段砂巖中長石含量較高，巖性主要為巖屑質長石砂巖。

2.2 物性特征和儲集空間類型

巴什基奇克組頂部現(xiàn)今埋深都大于5 500 m，局部達到7 000 m，巖芯孔隙度主要分布在2.0%～7.0%之間，滲透率主要分布在(0.01～0.1)×10-3μm2之間，屬于特低孔—特低滲儲層。但從生產測試看，DB氣田各井測試滲透率普遍大于1×10-3μm2，主要集中分布在(5.0～30.0)×10-3μm2之間，遠遠大于巖芯測試滲透率。

經巖芯觀察、成像測井分析及巖石薄片的鏡下綜合分析發(fā)現(xiàn)，DB氣田巴什基奇克組砂巖面孔率較小，平均值僅為1.28%，但儲集空間類型多樣，屬裂縫—孔隙型。次生粒間溶孔、原生粒間孔、粒內溶孔、少量晶間—晶內孔和超粒大孔等各類孔隙占面孔率的83%，孔隙大小為0.5 mm/0.01～0.08 mm(最大/主要區(qū)間)，孔喉配位數(shù)為4/0～1(最大/主要區(qū)間)，即孔隙細小且多呈孤立狀，很少連通。裂縫平均占面孔率的17%，類型主要為構造裂縫，可見少量成巖縫(圖2)。構造裂縫以高角度裂縫為主，一般延伸較長，沿裂縫常伴有溶解現(xiàn)象，且主要為北西向、北東向和近南北向的高角度縫，基本為半充填—未充填。裂縫溝通孔隙形成了有效的油氣運移通道，是DB氣田特低孔—特低滲儲層獲得高產的主要因素［10］。

圖2 DB氣田白堊系砂巖微觀儲集空間組成直方圖Fig.2 Histogram of micro reservoir spaces of Cretaceous sandstones in DB gas field

3 膠結作用基本特征

巖石微觀分析表明，研究區(qū)巴什基奇克組膠結作用包括碳酸鹽、硫酸鹽、石英和長石次生加大、各種自生黏土礦物和黃鐵礦析出。膠結物平均含量9.1%，局部可高達20%～30%，成分以(含鐵)方解石類為主，約占膠結物總量的87%，另外可見少量自生白云石、自生石英、自生長石、(硬)石膏、石鹽等(圖版Ⅰ、圖3)。碳酸鹽類和石膏類膠結物多以孔隙、裂縫充填狀產出;不同裂縫中的充填物類型也有差別:石英顆粒微裂紋中常見自生硅質充填，長石顆粒微裂紋中可見自生方解石充填(圖版Ⅰ-e，f)，較大規(guī)模的裂縫多被(鐵)方解石和(鐵)白云石充填(圖版Ⅰ-g，h)。

3.1 碳酸鹽膠結

自生菱鐵礦是研究區(qū)巴什基奇克組砂巖儲層較常見的早期碳酸鹽膠結物，具有抵御壓實的作用;方解石類為主要碳酸鹽膠結物，平均含量7.9%(其中含鐵方解石平均含量1.9%)，局部含量高達20%～30%。可見自形—它形白云石多晶鑲嵌狀產出于構造溶蝕縫中(圖版Ⅰ-h)，近完全充填，也可與鐵方解石一同充填。這些方解石類和鐵白云石主要為晚期碳酸鹽膠結物，發(fā)生在大量溶蝕作用之后。

3.2 自生石英膠結

DB氣田巴二段砂巖中較巴三段常見自生石英以石英加大邊和孔隙充填狀產出(圖版Ⅰ-c、圖3c)，大小0.01～0.05 mm，晚期方解石類膠結物常將其交代成蠶食狀。分析表明，以石英次生加大形式存在的自生石英在泥質雜基(小于3%)或早期膠結物含量較少的砂巖中較強烈，可達Ⅱ～Ⅲ級，在一定程度上堵塞孔隙和喉道。

3.3 自生長石加大和鈉長石化

DB氣田砂巖儲層中自生長石主要以鉀長石加大邊產出(圖版Ⅰ-c)，強度較強時可呈孔隙充填狀。自生鈉長石亦較常見，大小一般0.005～0.01 mm，最大0.05 mm，常與自生方解石、石鹽等共生(圖3d)，亦常被晚期方解石類膠結物交代。

3.4 自生硫酸鹽礦物膠結作用

圖3 DB氣田白堊系砂巖中的膠結作用掃描電鏡下特征Fig.3 Cementation characteristics under electron microscope of Cretaceous sandstones in DB gas field

研究區(qū)巴二段砂巖中自生硫酸鹽礦物平均含量0.23%，成分以硬石膏為主，石膏罕見。(硬)石膏多以孔隙充填或局部嵌晶式膠結顆粒，還可見其交代顆粒(主要是長石)，其產出晚于自生石英和自生長石。

3.5 黏土礦物轉化作用

DB氣田巴什基奇克組黏土礦物類型以伊利石、伊/蒙混層和綠泥石為主，高嶺石少見，反映其堿性為主的成巖環(huán)境。

4 膠結作用成因分析

膠結作用屬于化學成巖作用的一種，自生礦物的物質來源一般有:從附近泥巖排入砂巖中的富含礦物質的溶液、砂巖中原始礦物的蝕變、沉積后顆粒間的溶液、從地層深處侵入的富含礦物質的熱液等幾種。國內外學者曾指出砂巖中的自生礦物沉淀與泥巖黏土礦物轉化有重要關系［10-12］。綜合考慮DB氣田地層垂向和平面發(fā)育特征，筆者認為盡管不排除局部地區(qū)靠近沉積間斷面的巴什基奇克組上部地層因大氣水淋濾形成富鈣溶液而為碳酸鹽膠結物的沉淀提供物質來源，但研究區(qū)廣布淺水辮狀河三角洲或扇三角洲前緣分流河道砂巖、河道間褐紅色泥巖夾于其中的巖性組合使從鄰近泥巖排入砂巖中的富含礦物質的溶液為本區(qū)自生礦物的沉淀提供了最重要的物質來源。

從鉆井資料看，本區(qū)砂泥巖界面處常有方解石富集產出。如DB102井5 327.3～5 327.4 m井段，砂層下伏20 cm的紅褐色泥巖，砂泥巖界面處灰白色方解石富集發(fā)育(圖4a)。自砂巖—泥巖界面處至砂巖中部，方解石(類)等膠結物含量逐漸減少，孔隙度逐漸增大，顆粒由點接觸—線接觸(或以點接觸為主)逐漸演化為以線接觸為主(圖4b、圖版Ⅱ)。總體而言，在一套巖性相對均一的砂巖層內，越靠近砂泥巖性突變面碳酸鹽含量越高、物性越差，越遠離砂泥巖性突變面碳酸鹽含量越少、物性越好(圖4b)。

究其原因，研究區(qū)巴什基奇克組泥巖形成于淺水扇三角洲、辮狀河三角洲前緣的水道之間，由于水體較淺且間歇性暴露，顏色呈紅褐色，泥巖中罕見有機質，在埋藏成巖過程中不會因熱演化生成有機酸，而是隨著埋深增加和溫度、壓力提高，其中的黏土礦物發(fā)生規(guī)律性轉變和演化，生成大量的離子，如:Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、SiO23-和CO23-等溶解在泥巖的孔隙水中，且隨著泥巖的壓實脫水而排入附近的砂巖中，生成大量(含鐵)碳酸鹽自生礦物充填粒間孔和裂縫，同時析出較多石鹽和鈉長石(圖版Ⅱ)，石英在局部層段則發(fā)生溶解(圖版Ⅱ-c)。因此，本區(qū)碳酸鹽膠結作用與黏土礦物轉化有明顯的因果關系。

5 膠結作用期次分析

黏土礦物演化的階段性與古地溫、有機質熱成熟度和成巖階段有一定對應關系。應鳳祥等根據(jù)蒙脫石在I/S混層中S的百分比將I/S混層的轉化依次分為:蒙脫石帶、漸變帶、第一迅速轉化帶、第二迅速轉化帶、第三轉化帶和伊利石帶，分別與早成巖A期、早成巖B期、中成巖A1亞期、中成巖A2亞期、中成巖B期和晚成巖期對應［13］。因此，泥巖中黏土礦物的迅速轉化帶即自生礦物的大量生成帶。在不同成巖階段，包括這些黏土礦物在內的各類自生礦物的產狀及其賦存的巖石組構會有不同。根據(jù)DB地區(qū)熱史—埋藏史研究成果，現(xiàn)今白堊系巴什基奇克組處于中成巖期(圖5)。

5.1 早成巖期

圖4 DB氣田白堊系砂泥巖界面處碳酸鹽膠結物分布特征Fig.4 Carbonate cements distribution on the boundary of sandstone and mudstone of Cretaceous in DB gas field

該階段對應于黏土礦物轉化的蒙皂石帶和漸變帶，I/S混層比從＞70%降至50%，黏土礦物轉化生成的各類離子伴著脫水作用而排出，自生礦物會在砂泥巖界面處、砂巖中的優(yōu)勢運移通道中優(yōu)先發(fā)生沉淀。由于埋藏深度淺，巖石遭受的壓實作用弱，此時砂巖顆粒主要呈點接觸，大量膠結物沉淀在孔隙之間(圖版Ⅱ-e，f)。這些發(fā)生在有效壓實作用之前的膠結作用屬于保持性成巖作用［14］，在一定程度上增加了巖石的抗壓實能力，有利于原生孔隙的保存，如DB 101井5 800.84～5 801.22 m和 DB 102井 5 324.14～5 326.69 m殘余粒間孔和溶蝕粒間孔較發(fā)育，鏡下常見顆粒表面和孔隙邊緣有早期膠結作用而成的菱鐵礦包膜。

由于該時期地層埋藏淺、地溫低，黏土礦物轉化速率較低，所以膠結作用整體速率相應也較低，且膠結速率基本不會有太大變化，自生礦物以方解石和菱鐵礦為主。泥巖中某些無定向毛毛狀裂縫中充填的灰白色泥晶方解石即為該時期產物。

圖5 DB氣田白堊系砂巖膠結作用期次示意圖Fig.5 Sandstone cementation stages of Cretaceous sandstones in DB gas field

5.2 中成巖期

該階段對應于黏土礦物轉化的第一迅速轉化帶、第二迅速轉化帶和第三轉化帶，I/S混層比從50%降至20%甚至更低，因而是黏土礦物轉化的主要時期，也是自生礦物生成的主要時期。該時期生成的自生礦物不僅總量多，而且類型豐富，以方解石類為主，其次是白云石類、石膏類和硅質等。富含礦物質的成巖溶液自泥巖排出后，依然會在砂巖中的優(yōu)勢運移通道(骨架砂巖中物性較好條帶、砂巖中的裂縫)中發(fā)生沉淀(圖版Ⅱ-g，h)。

由于地層埋深大，巖石遭受中等—較強的壓實作用，顆粒以線接觸為主，自生礦物主要呈顆粒充填狀。如圖12所示，DB102井5 326.5 m處的巖石顆粒以線接觸為主，含鐵方解石呈孔隙充填狀，其均一溫度范圍主要為100℃～110℃，參考該井的埋藏史圖可知它們大致形成于6～5 Ma，處于中成巖A1早期。對38個裂縫鹽水包裹體(包括石英顆粒裂紋、方解石裂縫脈體兩類)分析表明，其均一溫度的峰值為90℃～100℃(主要)和 120℃ ～130℃(次要)(圖6)，表明研究區(qū)主要發(fā)育兩期裂縫和至少兩期膠結物充填。由圖5可知，第一期發(fā)生在距今約6～5 Ma(N1/N2界限)，當時巴什基奇克組埋深大致4 000 m(捕獲包裹體的均一溫度90℃～100℃);第二期發(fā)生在距今約3～2 Ma(N/Q界限)，巴什基奇克組埋深大致4 900 m(捕獲包裹體的均一溫度120℃～130℃)。

綜上所述，依據(jù)黏土礦物I/S混層比垂向演化曲線和埋藏史曲線，推測研究區(qū)共三期主要的膠結作用:①“6 Ma之前”，地層埋藏淺，膠結速率緩慢，泥巖壓實排水作用強烈，該時期砂巖發(fā)生的膠結強度較大，持續(xù)時間最長;②“6～5 Ma”時期，膠結作用強烈，持續(xù)時間較短，較重要;③“3～2 Ma”時期，膠結作用較強，持續(xù)時間短，由于地層埋藏深，地層壓實致密，泥巖孔隙水不易排入到砂巖中，對儲層影響較弱(圖5、表 1)。

需要指出的是，膠結作用的發(fā)生還會受到其他多種因素的影響:裂縫的發(fā)育能改變巖石的滲濾性，其發(fā)育段常常是流體運移的優(yōu)勢通道，會影響局部的化學成巖作用特征;裂縫的發(fā)育可能會從附近泥巖帶來豐富的礦物質溶液，促進膠結作用的發(fā)生;烴類氣體的充注會使得砂巖粒間孔隙中的含水飽和度減低，從而會大大降低依靠水—巖反映的化學成巖作用速率，甚至會使其停滯;砂巖附近泥巖的發(fā)育程度決定了它能為膠結作用提供的離子總量，進而影響砂巖膠結作用的強弱。

6 膠結作用與構造裂縫的關系

當構造應力超過巖石的抗壓強度、抗拉強度或抗剪強度時，即可破裂產生構造裂縫。由于膠結作用的速率緩慢，加之裂縫充填規(guī)律的復雜性，長期以來學者們大多有意或無意地忽略膠結作用在裂縫演化中的作用，往往僅基于裂縫形成的力學機理解釋巖石中的開啟裂縫［15-16］。Stephen 等［17］認為當巖層整體處于活躍流體和高地溫條件下，裂縫賦存的基巖會發(fā)生強烈的化學成巖作用(即膠結作用和溶解作用)，因而裂縫也會受到相應影響。同時，構造裂縫的發(fā)育會明顯改善巖石的孔滲性，使流體優(yōu)先在其中滲流，造成裂縫附近的成巖作用較為強烈。因此成巖作用在深埋沉積盆地的裂縫物性研究中是必不可少的，通過研究各期構造裂縫的充填情況，建立裂縫的形成期次與膠結作用歷史的匹配關系，可以確定裂縫有效保存與否。

前期的研究業(yè)已表明，DB地區(qū)白堊系主要發(fā)育K+E、N1末和N2末的三期構造裂縫，其中N2末形成的裂縫是最重要的一期［5］。

圖6 DB氣田白堊系砂巖膠結物和包裹體均一溫度分布特征Fig.6 Cements characteristic and histogram of homogenization temperature of inclusions in fractures of Cretaceous sandstones in DB gas field

表1 DB氣田巴什基奇克組砂巖主要的膠結作用期次Table 1 Cement stages of Cretaceous sandstones in DB gas field

6.1 第一期構造裂縫

該期構造裂縫形成于K+E(6 Ma以前)，由于形成時期較早，經歷了多期膠結作用，因此目前近于完全充填，有效者或開啟者極少。

具體來說，該期構造裂縫有兩類。一類是同沉積(同生—準同生)裂縫，主要表現(xiàn)為未固結砂泥巖界面附近的無定向裂縫，成因于同沉積斷裂地震作用。這些裂縫目前基本閉合或被泥晶方解石和(或)上下圍巖的同生砂泥沉積物充填。另一類是高角度構造裂縫，成因于燕山期構造抬升之前的應力擠壓作用，在巖性界面處有時可見低角度剪切裂縫。該期構造裂縫往往具有特征性的“二層”或“三層”充填結構，表明發(fā)生了兩期或三期充填:①緊貼縫壁最先沉淀灰白色微/泥晶方解石薄層;②研究區(qū)在50 Ma±前后發(fā)生了一期主要的烴類充注(以油為主)過程［18-20］，原油優(yōu)先在背斜頂部聚集，其后又立即發(fā)生了泄漏，縫壁上殘留的原油由于地下高溫和縫壁的相互擠錯而向炭黑或石墨轉化，呈現(xiàn)為一層灰黑色炭質充填物;③若裂縫足夠寬，在其后的成巖過程中還會再發(fā)生一期亮晶方解石沉淀(圖7a)。

6.2 第二期構造裂縫

該期構造裂縫形成于N1末，恰好處于最重要的膠結作用時期(6～5 Ma±)，其后還經歷了一期較弱的膠結作用(3～2 Ma±)，裂縫包裹體以該期捕獲的為主(圖6)，裂縫充填物以方解石類為主，基本未見灰黑色炭質(圖7b)，因此該期形成的裂縫目前充填程度較高，有效裂縫或開啟裂縫較少。

6.3 第三期構造裂縫

該期構造裂縫形成于N2末(3～2 Ma)，錯過了主要膠結作用時期，充填程度較低，是研究區(qū)最重要的有效裂縫，該時期捕獲的裂縫包裹體相對很少(圖6、圖7c)。

圖7 DB氣田白堊系砂巖主要構造裂縫及其充填特征Fig.7 Tectonic fractures and their filling characteristics within Cretaceous sandstones in DB gas field

7 結論

(1)DB氣田白堊系巴什基奇克組砂巖為裂縫—孔隙型特低孔—特低滲含氣儲層，膠結作用強烈，尤其以自生碳酸鹽類礦物膠結為主。

(2)本氣田碳酸鹽膠結作用與黏土礦物轉化有明顯的因果關系，在一套巖性相對均一的砂巖層內，越靠近砂泥巖性突變面碳酸鹽含量越高、物性越差，越遠離砂泥巖性突變面碳酸鹽含量越少、物性越好。

(3)本氣田巴什基奇克組共發(fā)育“6 Ma以前”、“6～5 Ma”、“3～2 Ma”三期主要的膠結作用。

(4)上述多期次膠結作用與本氣田三期構造裂縫的有效性關系密切。第一期(K+E)構造裂縫經歷了多期膠結作用，幾乎全部被膠結物充填，有效者極少;第二期(N1末)構造裂縫充填程度較高，充填物以方解石類為主，有效者較少;錯過主要膠結作用的第三期(N2末)構造裂縫是最有效的儲集空間。

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