埋藏(機械)壓實—側向擠壓地質過程下深層儲層孔隙演化與預測模型

高志勇，馬建英，崔京鋼，馮佳睿，周川閩，吳昊

1.中國石油勘探開發研究院實驗研究中心，北京 100083 2.提高石油采收率國家重點實驗室(中國石油勘探開發研究院)，北京 100083 3.中國石油大港油田公司勘探開發研究院，天津 300280 4.中國地震局，北京 100036

深層儲層是現今油氣勘探的重點領域之一，其在成巖過程中經歷了靜巖壓實效應、流體壓實效應和熱壓實效應等多種壓實作用[1]。以庫車坳陷為代表的西部盆地中生界深層儲層具有早期長期淺埋、后期快速深埋以及晚期強烈側向擠壓的共性地質演化過程[2- 4]，即垂向機械壓實作用、側向擠壓作用均對深層儲層的儲集性有重要影響。前人認為庫車坳陷克拉蘇構造帶白堊系發育有效儲層，主要成因如下：受長期淺埋和快速深埋藏、鹽下超壓作用、頂蓬構造作用等可使原生孔保持，構造擠壓破裂造縫、酸性流體溶蝕等形成次生孔隙[4- 10]。在垂向埋藏壓實、側向擠壓作用下，韓登林等[11]認為白堊系儲層60%以上的壓實減孔量是由垂向壓實造成的，由構造應力引發的側向壓實占壓實減孔量的比例在40%以下。由于西部盆地深層儲層受到低地溫梯度、喜山運動造成的側向擠壓和山前帶地層的重復疊置影響，其孔隙演化的定量評價與有利儲層的預測變得十分困難。為了能夠較準確的定量評價與預測西部盆地深層儲層早期長期淺埋—后期快速深埋—晚期側向擠壓地質過程下的孔隙類型與演化特征，筆者在先期針對白堊系深層儲層的巖石物理性質變化、長石溶蝕增孔量等方面開展成巖物理模擬實驗研究基礎上[12- 14]，通過模擬白堊系儲層在經歷此地質過程下的成巖演化過程，再現不同埋藏壓實階段儲層孔隙演化規律，建立了定量評價深層儲層孔隙演化過程的技術方法，為深層有利儲層的評價與預測提供重要的實驗依據。

1 地質背景

庫車坳陷侏羅紀至白堊紀屬伸展盆地演化階段，盆地沉降幅度小、速率低，平均僅25～30 m/Ma[2]。距今65 Ma的古近紀初期，沉降幅度大、速率高，平均達133.3～200 m/Ma。至上新世庫車組沉積時期，構造沉降幅度更大，沉降速率達到1 428 m/Ma，巨厚礫巖出現廣泛沉積。庫車坳陷平均地溫梯度值在18～28 ℃/km，屬于低溫冷盆[15]。研究區克深—大北地區鹽下深層構造的形成與晚喜馬拉雅期強烈沖斷擠壓密切相關，上新世—第四紀是克拉蘇構造帶形成的主要時期，主體構造基本都是在庫車組中晚期定型[4]。克拉蘇構造帶白堊系儲層經歷了早期長期淺埋、后期快速深埋的特有埋藏方式，特別是上新世5 Ma以來，強烈的側向擠壓作用對深層儲層產生了重要影響[1,4]。

2 模擬實驗、參數確定與相似性分析

2.1 碎屑組分、成巖流體的確定

克拉蘇構造帶白堊系儲層砂巖碎屑組分以石英為主，其次為長石和巖屑等，巖屑成分主要為安山巖、流紋巖、變質石英巖和千枚巖等[5,7- 10]。顆粒間充填有泥質，膠結物主要為方解石和石膏等，儲集層成巖流體以氯化鈣為主。表1統計了克拉蘇構造帶克深地區多口鉆井巴什基奇克組砂巖儲層樣品中石英、長石及巖屑的種類與含量，模擬的砂質樣品按照實際巖芯樣品統計的礦物種類及含量來配比。實驗流體為重量濃度2%的氯化鈣溶液，在實驗過程后期(快速深埋—側向擠壓過程)加入重量濃度為0.5%的醋酸溶液，來模擬地層快速深埋后酸性水溶蝕的地質作用。

2.2 實驗溫度、壓力及時間參數的確定

“地史”的時間尺度可達百萬年，模擬實驗鮮有能做到一年以上的，巨大的時間差異、地層溫度與機械壓力等對成巖的影響是較大的[16]。因此，成巖模擬的實驗時間、溫度與壓力等參數的確定需要科學的設定。

Sweeneyetal.[17]在開展有機質熱模擬實驗中，計算有機質的EasyRo值并通過對有機質的高溫加熱來迅速達到此EasyRo值，用此高溫的變化來代替百萬年級的有機質成熟時間，計算出泥頁巖熱模擬的實驗溫度。依據EasyRo值、模擬目的層Ro值等與鉆井埋深的對應關系，就可計算出成巖模擬實驗的壓實時間與模擬的地層埋藏深度。表2所示，庫車坳陷隨著地層埋深的增加，鏡質體反射率Ro值也具有明顯的增大趨勢。如地層埋深在1 261 m時，Ro值0.1%，實驗溫度250 ℃，模擬地層Ro值為0.2%；埋深在2 440 m時，Ro值0.72%，實驗溫度325 ℃，模擬地層Ro值為0.68%；埋深在2 940 m時，Ro值0.8%，實驗溫度350 ℃，模擬地層Ro值為0.8%；當埋深在4 534 m時，Ro值1.15%，實驗溫度390 ℃，模擬地層Ro值為1.15%；當埋深在5 310 m時，Ro值1.43%，實驗溫度410 ℃～420 ℃，模擬地層Ro值為1.38%～1.52%。基于表2中有機質熱模擬實驗加熱溫度及有機質地質成熟時間對應關系，本實驗中模擬不同埋藏深度所采用的實驗溫度對應如下：模擬地層埋深1 000 m時溫度采用250 ℃、2 000 m對應300 ℃、3 000 m對應350 ℃、4 000 m對應375 ℃、5 000 m對應400 ℃、6 000 m對應425 ℃、7 000 m對應450 ℃、8 000 m對應475 ℃。

另外，地殼的平均密度約為2.75 g/cm3，深度每增加1 km，壓力增加27.5 MPa，由于成巖模擬實驗應先滿足砂質固結成巖的客觀要求，靜巖壓力可作等比例增加。因此，實驗中模擬所采用的靜巖壓力在正常靜巖壓力基礎上，每增加1 km，補充壓力為55～60 MPa。以上溫度、壓力的增加，主要是為了對地史時間的補償。依據表2整個實驗時間理論上安排應為120小時，為了增加砂質固結成巖的要求，設計的整個實驗過程持續約28天。

2.3 實驗與實際地質過程的相似性分析

克拉蘇構造帶克深—大北地區白堊系沉降可劃分為2個階段[2- 3]：1)早期長期淺埋，即距今130～23 Ma地層緩慢沉降至2 000～3 000 m左右；2)后期快速深埋，即23 Ma至今快速沉降至6 000～8 000 m左右，以及5 Ma以來，強烈的側向擠壓作用對深層儲層產生了重要影響。本次實驗按照實際地質演化過程，正演模擬不同埋深(溫度、壓力)階段的儲層成巖與孔隙演化。以上述確定的溫度、壓力等實驗參數為基礎，分別模擬早期淺埋藏階段的1 000 m(250 ℃，82.5 MPa)、2 000 m(300 ℃，110 MPa)、3 000 m(350 ℃，137.5 MPa)，后期快速深埋藏階段4 000 m(375 ℃，165 MPa)、5 000 m(400 ℃，192.5 MPa)、6 000 m(425 ℃，220 MPa)、7 000 m(450 ℃，247.5 MPa)和8 000 m(475 ℃，275 MPa)，以及晚期側向擠壓作用的砂質成巖過程。在模擬的白堊系巴什基奇克組儲層經過長期淺埋—后期快速深埋的系列溫度、壓力條件的成巖實驗后，松散的砂質固結成砂巖，且實驗過程、結果與實際地質過程相吻合，為后續的儲層微觀特征分析等奠定了基礎。

表1 成巖模擬克深地區儲層實驗樣品碎屑組分統計

注：wt指重量百分含量。

表2 有機質熱模擬實驗中加熱時間、溫度及有機質地質成熟時間對比表

3 砂巖孔隙演化特征與控制因素

3.1 孔隙演化特征

前人認為克拉蘇構造帶白堊系儲層埋深在1 000～3 000 m為早成巖階段，埋深大于3 000 m為中成巖A階段[7- 9]。成巖物理模擬實驗再現了白堊系儲層分別在埋深1 000～3 000 m的早成巖階段、埋深大于3 000 m的中成巖A階段孔隙的類型、含量，孔徑大小及變化特征。在獲取砂質成巖樣品后，運用OlympusBX51型偏光顯微鏡進行儲層微觀結構的觀察與描述，認為模擬的白堊系深層儲層具有如下四階段演化特征：1)模擬埋深小于3 000 m(350 ℃,137.5 MPa)的淺埋藏階段(垂向壓實初期)，細砂巖碎屑顆粒以點接觸為主(圖1A，B)，顆粒間剩余原生孔保存較多。溶蝕擴大孔面孔率為1.5%～2.0%(表3)，主要是少量巖屑、石英等顆粒溶蝕為主。砂巖面孔率出現了一個急速衰減的過程，由40%迅速減小到18%左右，該階段的視壓實率為20.0%～22.5%，減孔率為37.5%～55.0%，溶蝕率為3.8%～5.0%。砂巖孔隙以原生孔為主(圖1A，B)，溶蝕孔含量在埋深1 000 m始逐步增加。出現此面孔率快速降低的原因在于碎屑顆粒在壓實的初期存在一個位置調整的過程，在這個過程中，碎屑顆粒隨著外加壓力的不斷增加，壓實作用會不斷增強，石英和長石等碎屑顆粒發生滑動、轉動、位移，進而使顆粒發生重新排列，達到位能最低的緊密堆積狀態，在此過程中就會出現一個陡變階段；2)模擬埋深3 000～4 500 m(387.5 ℃，137.5 MPa)淺埋藏—快速深埋藏轉換階段(垂向壓實中期)，細砂巖碎屑顆粒仍以點狀接觸為主，少量線狀接觸，碎屑顆粒中裂紋出現(圖1C)，長石及巖屑顆粒等被溶蝕，孔隙類型為剩余原生孔和溶蝕擴大孔，溶蝕擴大孔面孔率為1.5%～2.1%(表3)。砂巖面孔率減小至15%左右，孔隙變化曲線也處于陡變—緩變的轉換階段，此時曲線斜率最大，視壓實率為27.5%～40.0%，減孔率為50.0%～62.5%，溶蝕率為3.8%～5.3%；3)模擬埋深5 000～7 000 m(450 ℃, 247.5 MPa)深埋藏早期階段(垂向壓實晚期)，碎屑顆粒受壓實作用強烈，呈點—線狀接觸、線狀接觸(圖1D，E，F)。壓實作用使石英、石英巖巖屑、長石等顆粒裂紋較發育，裂紋內鑄體浸染。顆粒間泥質及部分長石顆粒、巖屑被溶蝕，溶蝕現象局部較發育且溶蝕作用主要發生在碎裂紋及裂縫的基礎上，溶蝕擴大孔面孔率為3.0%～5.0%(表3)。此階段剩余原生孔面孔率持續降低，溶蝕孔的面孔率處于最大發育階段，總的砂巖面孔率降低到12%左右，視壓實率為50.0%～52.5%，減孔率為57.5%～70.0%，溶蝕率為7.5%～12.5%。該階段自埋深5 000 m始，較多的碎屑顆粒內出現裂紋，顆粒碎裂對溶蝕發生起促進作用并利于孔隙的連通；4)模擬埋深7 000～8 000 m(475 ℃，275 MPa)甚至更深階段，屬深埋藏晚期階段(垂向過壓實—側向擠壓期)，碎屑顆粒以線狀接觸為主，少量的顆粒內裂紋存在(圖1G)，溶蝕擴大孔面孔率為4.0%～5.0%左右(表3)。該階段深層儲層不僅受到垂向壓實作用，進而使骨架顆粒的排列方式更加趨于緊湊，同時還受到側向擠壓作用，在垂向機械壓實作用與側向擠壓作用的共同作用下，共軛雙方向的剪切作用力使得骨架顆粒趨向于共軛剪切方向的定向排列。在克深207井埋深6 994.0 m井段巖芯中可見明顯的、較多的共軛剪切縫，在其附近有共軛雙方向的顆粒定向排列出現?？松?03井6 908.9 m井段中砂巖、大北307井7 210.4 m井段的細砂巖中，碎屑顆粒均表現為共軛雙方向的定向排列特征，與物理模擬實驗中顆粒排列狀態是一致的(圖1G，H)。該階段視壓實率為52.5%～55.0%，減孔率為72.5%～75.0%，溶蝕率為10.0%～12.5%。由于溶蝕孔含量增加較少，隨埋深增大原生孔含量降低也較小，砂巖總面孔率較低一般<10%左右，但變化范圍不大，孔隙有明顯的保持趨勢。

圖1 物理模擬克深—大北地區深層儲層的孔隙類型與微觀特征A.砂巖以粒間孔為主，顆粒間點狀接觸，溶蝕擴大孔不甚發育；B.碎屑顆粒間點狀接觸為主，粒間原生孔為主；C.碎屑顆粒點狀接觸為主，粒間少量泥質、長石顆粒被溶蝕；D.碎屑顆粒點—線狀接觸，長石及少量巖屑被溶蝕，并見顆粒被壓碎裂；E.碎屑顆粒點—線狀接觸，巖屑顆粒被壓碎裂并發生溶蝕；F.碎屑顆粒點—線狀接觸，大量碎屑顆粒被壓碎裂并發生溶蝕，溶蝕孔較發育；G. 碎屑顆粒線狀接觸為主，顯共軛雙方向定向排列，部分顆粒破裂后被溶蝕；H.顆粒線狀接觸為主，顯共軛雙方向定向排列。碎裂后被溶蝕，但溶蝕現象減弱。圖中的紅色均為鑄體。Fig.1 The photos show the reservoir microscopic characteristics in different buried stages of diagenetic physical modeling

薄片面孔率%剩余原生孔含量/%溶蝕擴大孔/%填隙物含量/%視壓實率/%減孔率/%溶蝕率/%溫度/℃壓力/MPa模擬埋深/m壓實階段25.023.51.57.020.037.53.83001102000淺埋藏階段(垂向壓實初期)18.016.02.013.022.555.05.0325123.5250022.020.41.69.022.545.04.0350137.5300020.018.51.59.027.550.03.8362.5151.53500淺埋—深埋轉換階段(垂向壓實中期)15.013.31.710.037.562.54.3375165400020.017.92.14.040.050.05.3387.5178.5450016.013.03.03.052.560.07.5400192.55000深埋藏早期(垂向壓實晚期)17.012.05.03.050.057.512.5425220600012.08.04.08.050.070.010.0450247.5700011.07.04.07.055.072.510.0462.5261.57500深埋藏晚期(垂向過壓實—側向擠壓期)10.05.05.09.052.575.012.54752758000

注：視壓實率=(V1-V2-V3)/V1×100%，減孔率=(V1-V3)/V1×100%，V1.原始孔隙體積，m3；V2.填隙物體積，m3；V3.粒間孔體積，m3；溶蝕率=(溶蝕擴大孔體積/原始孔體積)×100%，單位%。

3.2 壓實減孔作用

由于受西部盆地特有的早期長期淺埋、后期快速深埋的埋藏方式影響，特別是在快速深埋作用下，儲層受機械壓實作用影響巨大，而所受的壓溶作用不甚發育?？梢?，在淺埋藏階段使儲層孔隙度降低的主要作用是壓實。在實際巖芯薄片中，白堊系巴什基奇克組儲層的中上部碎屑顆粒多為點—線狀接觸，儲層下部砂巖顆粒主要是線接觸，見塑性巖屑顆粒被壓彎，石英顆粒表面具已愈合的壓裂紋，均說明巖石自上而下壓實作用呈變強的趨勢，已達中等壓實程度[8]。韓登林等[11]梳理出了垂向壓實和側向擠壓分別對于白堊系儲層的壓實效應(表4)，60%以上的壓實減孔量是由垂向壓實造成的，由構造應力引發的側向壓實占壓實減孔量的比例在40%以下。由表3可知，物理模擬的白堊系儲層在經歷了淺埋藏—深埋藏—側向擠壓過程后，儲層中剩余原生孔面孔率由原始堆積狀態時的40%變化至深埋藏晚期的5%左右。視壓實率由20.0%變化為55.0%，模擬埋深5 000～8 000 m儲層視壓實率為50.0%～55.0%。垂向壓實減孔率由37.5%變化為70.0%左右，在模擬埋深7 500～8 000 m的垂向過壓實—側向擠壓壓實聯合作用下減孔率可達72.5%～75.0%(圖2)。統計庫車坳陷各井白堊系儲層巖芯樣品的視壓實率均值為34.23%～75.32%，平均為54.7%，可見模擬實驗的視壓實率值與實際樣品的視壓實率值較一致(表3，4)。表4中實際巖芯樣品的壓實減孔量值為27.2%～40.2%，平均為34.4%，低于物理模擬實驗的壓實減孔量值。分析其原因在于，表4中實際巖芯樣品的總壓實減孔量值是依據估算的庫車坳陷儲層垂向壓實所造成的面孔減少率為0.5%/100 m的經驗公式得出的[11]，物理模擬實驗的壓實減孔率是在薄片觀察基礎上，依據計算公式得出的(表3注釋)，可見二者還是存在一定差異。因此，推測克拉蘇構造帶深層儲層實際地質過程中壓實減孔量的值可能高于表4中統計的27.2%～40.2%的巖芯樣品的總壓實減孔量值。

表4 庫車坳陷白堊系巴什基奇克組儲層壓實效應對比(據韓登林等[11])

圖2 物理模擬克深—大北地區深層儲層視壓實率、減孔率及溶蝕率演化圖Fig.2 The graph shows the evolution of the rate of compaction, reduction of porosity and dissolution ratio in different burial stages of diagenetic physical modeling

3.3 膠結作用減孔

砂巖粒間孔隙是由埋藏成巖過程中壓實與膠結作用的量決定的。除了壓實作用降低粒間孔隙外，孔隙度還取決于自生膠結物所堵塞的現存粒間容積的量[18]。機械壓實作用構成了孔隙度—深度關系基準，溶蝕和膠結作用造成了巖石在孔隙度—深度基準線左右的變化[19]。隨著埋深的增大，溫度與壓力的增加或時代的變老，膠結作用的重要性逐漸增加。膠結作用降低了儲層的儲集性，但亦在一定程度上抑制了壓實作用，并為后期溶蝕奠定了物質基礎[8]。

大北地區巴什基奇克組儲層填隙物中，雜基成分主要為鐵泥質和泥質，含量在2%～14%。砂巖中常見的膠結物為硅質、方解石、鐵白云石、黃鐵礦和硬石膏，膠結物以方解石為主[8,20]，平均含量為8.7%。物理模擬的白堊系儲層在經歷了淺埋藏—深埋藏—側向擠壓過程后，粒間填隙物主要為泥質和方解石膠結物。在模擬淺埋藏階段粒間填隙物含量較高，為7%～13%；在模擬深埋藏早期階段填隙物含量較低，為3%～4%左右，主要是有機酸溶蝕致使填隙物含量較低；在模擬深埋藏晚期階段填隙物含量有所增加，達7%～9%(表3)，主要是后期較多的方解石膠結物生成造成。模擬實驗中的填隙物含量變化與實際地質演化過程的結果較為一致[7- 9]。

3.4 原生孔隙保持

克拉蘇構造帶巴什基奇克組深層儲層原生孔隙的保持機制較為明確，王招明等[6]認為克拉蘇構造帶存在構造頂蓬結構，構造頂蓬作用起到了抵消部分上覆地層靜巖壓力的效果，減壓作用在一定程度上保護了儲層孔隙，同時減緩了儲層成巖演化過程。再者，巴什基奇克組上覆膏鹽巖層密度小、熱導率高，致使鹽下儲層的地溫較低，抑制了成巖作用，利于其下部儲層保持相對較高的孔隙度和滲透性[4- 5]。上覆的膏鹽巖不但具有強烈的塑性，其本身具有很高的突破壓力和超壓，對異常高壓起到了壓力和物性的雙重封閉，有效地阻止了異常高壓的泄露，異常高壓抑制了顆粒所受的壓實作用，從而使剩余原生孔隙得以保持[21- 22]。庫車坳陷深層異常高壓的形成除與上覆膏鹽巖的存在有關外，還與晚期構造側向擠壓作用密切相關，特別是在克拉蘇構造帶，構造擠壓對超壓的最大貢獻率為55%～80%[23]，超壓強度從北向南逐漸遞減[24]。在實際地質過程及物理模擬實驗中，超壓作用發生于深埋藏早期階段(垂向壓實晚期)。在持續的垂向壓實作用下，儲層中粒徑大的顆粒承受的壓力較大，致使粗砂顆粒、中砂顆粒易發生碎裂，形成顆粒裂紋和成巖縫。雖然剩余原生孔持續降低，但在超壓作用下，粒間孔隙的降低速率變得緩慢，進而較好的保持了原生孔隙。

除上述異常高壓(超壓)對深層儲層原生孔隙保持的機制外，通過成巖物理模擬實驗分析，微觀上深層儲層骨架顆粒共軛雙方向定向排列支撐作用，也可有效保持原生孔隙。如圖1G、H所示，在模擬深埋藏晚期階段(垂向過壓實—側向擠壓壓實期)，深層儲層不僅受到垂向壓實作用，使骨架顆粒的排列方式更加趨于緊湊，同時還受到側向擠壓作用，在垂向機械壓實與側向擠壓共同作用下，在異常壓力(超壓)保持孔隙的基礎上，疊加了儲層骨架顆粒共軛雙方向定向排列支撐作用，使原生孔隙含量降低較小，孔隙具有明顯的保持趨勢。

3.5 溶蝕增孔作用

粒間溶孔是庫車坳陷西部克深、大北地區的重要儲集空間類型，溶蝕作用主要表現為長石和巖屑的溶蝕，還有少量的石英顆粒溶蝕。砂巖中的次生孔隙，尤其是埋藏成巖過程中形成的次生孔隙與鉀長石的關系最為密切，其次是鈉長石。克深、大北地區白堊系深層儲層中溶蝕作用較為發育，顯微鏡下可見方解石及長石、巖屑顆粒邊緣溶解形成的粒間溶孔和粒間溶蝕擴大孔，孔隙邊緣形態不規則而呈港灣狀。粒間溶孔是大北地區僅次于剩余原生粒間孔的儲集空間類型。長石、中酸性火山巖屑、灰巖巖屑等顆粒溶蝕形成粒內溶孔，這類孔隙形態不規則、分選較差[8]。在強烈垂向壓實和擠壓作用后，溶蝕作用的發生大大地改善了本區儲層的儲集性能。

在物理模擬孔隙演化的第2—第4階段均有較多的長石等溶蝕作用發生，第二階段為埋深3 000～5 000 m的中成巖A1階段，是溶蝕孔快速增加的階段，可見較大量的溶蝕孔出現(圖1)；第三階段為埋深5 000～7 000 m的中成巖A2階段，溶蝕孔面孔率處于最大發育階段，自埋深5 000 m始，較多的碎屑顆粒內出現裂紋，顆粒碎裂對溶蝕發生起促進作用并利于孔隙的連通(圖1)；第四階段為埋深7 000～9 000 m的中成巖B—晚成巖階段，該階段溶蝕孔含量增加的逐漸減少，處于較穩定發育階段，溶蝕作用對深層有利儲層的發育具重要作用。

4 砂巖孔喉演化特征

4.1 孔喉演化特征

大北地區白堊系巴什基奇克組儲層壓汞資料分析結果表明，儲層最大孔喉半徑在0.063 5～20.52 μm之間，總體顯示出排驅壓力較高、孔喉半徑小、細孔喉的特點[8]。成巖模擬實驗中，隨著模擬埋深的增大，細砂巖最大、最小及平均孔徑、喉徑等參數均具有先降低、后增大或者保持的特點(表5)。模擬埋深5 000 m是孔徑發生變化的重要位置(圖3)，最大孔徑降低至埋深7 000 m后又有所增大，增大至147 μm左右。平均孔徑具有相似的演化特征，模擬埋深7 000 m時最低降至49.44 μm，之后又增大至56.61～62.38 μm。最大喉徑、平均喉徑值在模擬埋深3 000～5 000 m時將降低至最小，由模擬埋深5 000 m始，二者數值有增大趨勢，至埋深超過7 000 m時，最大喉徑可達48.29～49.91 μm，平均喉徑可達9.55～12.84 μm。由于砂巖的滲透率與最大、平均孔徑及喉徑具較好正相關性，因此，在模擬埋深1 000～5 000 m階段，也就是長期淺埋的早成巖階段至由淺埋藏至快速深埋轉換時期的中成巖A1階段，砂巖儲層滲透率隨埋深增大持續降低。當埋深大于5 000 m時，即快速深埋后期的中成巖A2—B階段和晚成巖階段，由于大量脆性顆粒發生碎裂，砂巖碎裂及局部的定向排列等特征有利于孔隙連通性的增強，使深層儲層的滲透性明顯提高[10]。

表5 物理模擬克深—大北井區深層細砂巖儲層孔徑、喉徑統計表

圖3 物理模擬克深—大北井區細砂巖儲層孔徑、喉徑演化趨勢圖Fig.3 The graph shows the reservoir pore diameter and throat diameter in different burial stages

4.2 孔喉分選特征

儲層巖石的微觀孔喉結構直接影響著儲層的儲集滲流能力[25]，反映孔喉分選特征的參數主要有均質系數、孔隙喉道分選系數(Sp)、孔隙喉道偏度(歪度)等。均質系數表征儲油巖石孔隙介質中每一個喉道與最大喉道半徑的偏離程度。在0～1之間變化，均質系數值越大孔喉分布越均勻。分選系數(Sp)，反映喉道大小分布集中程度的參數，具有某一等級的喉道占絕對優勢時，Sp值小，表示喉道分選程度好，越均勻。偏度(歪度)表示孔隙分布相對于平均值來說是偏大孔還是偏小孔，一般在+2～-2之間，正值稱粗歪度為大孔，驅油效率高，負值屬細歪度為小孔，驅油效率低。表6統計了成巖物理模擬的細砂巖儲層主要孔喉結構參數，分析其具有如下特征：在淺埋藏階段(垂向壓實初期)為均質系數為0.38～0.46，分選系數為0.72～0.88，偏度為0.16～0.24；淺埋至深埋轉換階段(垂向壓實中期)均質系數為0.28～0.37，分選系數為0.77～0.96，偏度為-0.07～0.22；在深埋藏早期階段(垂向壓實晚期)均質系數為0.37～0.40，分選系數為0.70～0.80，偏度為0.10～0.32；深埋藏晚期(垂向過壓實—側向擠壓期)階段均質系數為0.38～0.42，分選系數為0.80～0.91，偏度為0.21～0.24(表6)。由上述演化數據表明，細砂巖隨著模擬埋深的增大均質系數具有由大變小、復又變大的特點，反映了深層儲層喉道分布均勻，孔喉均一性較強；分選系數表明在淺埋藏—轉換階段細砂巖儲層喉道的均一性差，至深埋藏以后儲層喉道的均一性較強。偏度數據表明儲層在深埋以后，孔徑同樣以大孔為主。

表6 物理模擬克深—大北井區深層儲層孔喉分選特征參數統計表

5 深層儲層孔隙預測模型

5.1 孔隙預測模型

以模擬實驗獲取的砂巖儲層孔隙演化參數為基礎，結合前人在實際地質過程下儲層成巖與孔隙演化特征的認識[7- 9]，建立了庫車坳陷深層儲層成巖與孔隙演化的4段性特征預測模型(圖4)：1)淺埋藏階段，儲層受較強的壓實作用，在垂向靜巖壓力作用下，原生粒間孔急劇減少。輔以早期方解石等膠結作用，弱的石英加大作用，剩余原生孔隙度降低至20%左右。發育第一期構造縫促進了溶蝕作用的發生。晚白堊世(晚燕山運動)，儲層逐漸抬升遭受剝蝕，較強的表生溶蝕作用可使孔隙度增加1%～3%[9]。2)淺埋—深埋轉換階段，儲層受持續的垂向靜巖壓實作用、石英次生加大和方解石膠結作用的影響，剩余原生孔持續降低至15%左右。第二期構造縫、漸新世油氣的初次注入[9]，有機酸使長石發生溶蝕，溶蝕孔增加2%左右。3)快速深埋早期階段，受持續垂向靜巖壓實作用、晚期方解石膠結(充填裂縫)和石英次生加大作用，剩余原生孔持續降低至7%～8%左右，該階段出現的構造擠壓頂蓬支撐[6]、鹽下低地溫梯度及超壓作用，較好的保持了原生孔隙。同時，碎屑顆粒中出現大量的破裂現象，較多的顆粒內無定向裂縫發育。第一期成巖壓碎縫與第三期構造縫，增強了酸性水溶蝕作用，出現大量的溶蝕擴大孔，次生溶孔的含量可達4%～5%左右。4)快速深埋晚期—側向擠壓階段，白堊系深層儲層進入中成巖階段，儲層持續的受垂向靜巖壓實作用。由于受喜馬拉雅運動的影響，南天山強烈崛起，自北向南強烈的逆沖擠壓作用于白堊系儲層，由于受強烈的構造擠壓頂蓬支撐效應、鹽下低地溫梯度及超壓作用影響，儲層剩余原生孔隙得以較好保持，減孔作用較弱，剩余原生孔保持在5%左右。在垂向靜巖壓實、側向擠壓應力共同作用下，砂巖骨架顆粒出現了明顯的共軛方向定向排列，骨架顆粒的定向排列支撐作用使深層儲層的孔徑、喉徑得以有效保持。同時，部分骨架顆粒內出現了共軛剪切裂縫，形成第二期成巖壓碎縫，進而增加了長石等顆粒的溶蝕性，溶蝕擴大孔可達4%。深層儲層在超壓、頂蓬效應、低地溫及骨架顆粒定向排列支撐四種作用下，剩余原生孔隙得以保持。在構造側向擠壓與成巖壓碎破裂造縫、次生溶蝕兩種改造機制作用下，增強了深層儲層的可溶蝕性、提高了滲透性，使深層仍發育有利儲層(圖4)，孔隙度總體達到3%～8%，滲透率達到(1～10)×10-3μm2。

5.2 預測模型與實際孔隙演化的吻合性

前人對克拉蘇構造帶深層有利儲層進行了預測，王波等[26]認為白堊系巴什基奇克組埋深普遍大于5 000 m，西部大北—克拉蘇深層構造帶目前埋深為6 000～7 000 m，預測的該組有效儲層埋深下限約為8 000～8 300 m；劉春等[8]認為大北地區巴什基奇克組儲層內構造裂縫和壓實裂縫非常發育，在埋深5 000 m以上的儲層中仍有工業氣流的存在，表明深埋藏導致強壓實的同時也產生了裂縫，構造破裂是大北地區深部低孔低滲儲層獲得高產的主要因素。張惠良等[27]認為大北1氣田巴什基奇克組構造裂縫發育型砂巖有效儲層相對發育，縱向埋深可達8 150 m。圖5顯示了大北井區白堊系深層儲層實際巖芯孔隙度垂向變化特征，深層有利儲層的埋深可超過8 000m，且主要發育于5 000～7 000 m的埋深范圍內。筆者建立的深層儲層孔隙預測模型與白堊系深層儲層實際巖芯(測井)孔隙度垂向變化較一致，表明通過地質過程約束下的成巖模擬實驗，可定量揭示出深層儲層在早期長期淺埋、后期快速深埋的特有埋藏方式下，埋深5 000～7 000 m是大規模次生溶蝕發生段，是孔隙度提高的重要層段。同時，由于快速深埋的垂向壓實和側向擠壓作用，埋深超過7 000 m也是孔徑與喉徑快速增大的層段，表明該層段也是滲透率增大的重要層段，因此推測庫車坳陷在埋深8 000 m甚至更深仍發育有效儲層。

圖4 物理模擬克深—大北井區深層儲層成巖過程孔隙演化預測模型Fig.4 The reservoir porosity evolution model and control factors in different burial stages

圖5 庫車坳陷大北井區白堊系深層儲層巖芯孔隙度垂向變化圖Fig.5 The profile shows the reservoir porosity evolution in DABEI area of Kuqa depression

6 結論

模擬了庫車坳陷白堊系巴什基奇克組經歷了早期長期淺埋—后期快速深埋—晚期側向擠壓地質過程下的儲層成巖演化過程，并建立了深層儲層孔隙預測模型。認為深層儲層孔隙類型、含量變化及演化具有明顯的4段性特征，其中第3個演化階段即深層儲層快速埋藏后的早期階段是孔隙度和滲透率提高的重要階段，為有利儲層形成的關鍵時期。深層儲層在超壓、頂蓬效應、低地溫梯度及骨架顆粒定向排列支撐四種作用下，剩余原生孔得以保持。構造側向擠壓與成巖壓碎破裂造縫、次生溶蝕兩種改造機制，改善了儲層的儲集性、提高了滲透性。定量揭示出庫車坳陷深層儲層在埋深5 000～7 000 m是孔徑、喉徑快速增大的層段，是深層儲層最有利的發育層段，推測埋深8 000 m甚至更深仍可發育有效儲層。

致謝 審稿專家的意見與建議對本文有很大幫助，在此深表謝意！

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