深層-超深層碳酸鹽巖儲層理論技術進展與攻關方向

何治亮，馬永生，朱東亞，段太忠，耿建華，張軍濤，丁 茜，錢一雄，沃玉進，高志前

[1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司，北京 100728；3. 中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083；4.同濟大學 海洋與地球科學學院，上海 200092；5.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083]

全球碳酸鹽巖地層中蘊藏著豐富的油氣資源，是過去、也是未來油氣勘探開發重中之重的領域。中國幾代油氣工作者通過漫長艱苦的探索與實踐，先后在塔里木、四川和鄂爾多斯盆地的古老海相碳酸鹽巖層系中取得了舉世矚目的成果。近年來，隨著勘探技術的日益進步，碳酸鹽巖油氣勘探逐步向深層(埋深>4 500 m)和超深層(埋深>6 000 m)推進，發現了越來越多的油氣資源，成為世界超深層領域油氣勘探開發最活躍的地區。從20世紀90年代開始，中國分別在塔里木和四川盆地中發現了塔河、普光、龍崗、元壩、安岳以及川西等多個深層-超深層大型碳酸鹽巖油氣田。最近十多年來，相繼實施了一批超深井，如2006年完鉆的塔深1井深度為8 408 m，2018年完鉆的馬深1井深度達8 418 m，2020年完鉆的鷹1井和輪探1井深度分別為8 588和8 882 m，揭示了越來越多的碳酸鹽巖儲集體類型，獲得了油氣發現，為碳酸鹽巖儲層理論和技術進步奠定了基礎。近幾年又在塔里木盆地腹部的順北和滿西地區、7 000 ～8 500 m的超深層奧陶系碳酸鹽巖中取得了規模性商業儲量的發現，建成油氣年產量超百萬噸的油氣田。深層-超深層已成為中國油氣勘探開發的熱點領域，理論技術的系統創新和勘探開發實踐，促使中國在深層-超深層海相碳酸鹽巖油氣領域，特別是在深層-超深層碳酸鹽巖儲集體成因機理、地質模式、地球物理表征預測和儲層精細建模等方面，走在了世界前列[1]。

1 深層-超深層碳酸鹽巖儲層研究主要理論與技術進展

深層-超深層碳酸鹽巖領域油氣勘探開發面臨著巨大的技術和商業風險，其中，能否找到并精細描述深層-超深層規模性優質儲集體是甚為關鍵的理論技術瓶頸。國外前期研究認為，受成巖壓實和膠結作用影響，隨埋藏深度增加和地層年代變老，碳酸鹽巖中的孔隙度逐漸降低，大于6 000 m的超深層很難再有有效儲層存在[2-3]，這種認識一定程度上影響了對埋藏更深的碳酸鹽巖領域油氣的探索。近年來，中國油氣行業大膽實踐，不斷挑戰新深度，實施的一批超深探井揭示深層-超深層碳酸鹽巖地層中仍然發育多類型的優質儲集體，如鹽下的白云巖儲集體[4]、微生物巖儲集體[5]、斷裂-流體耦合作用下形成的斷溶體型儲集體等[6-7]。這些儲集體共同的特點是埋藏深度大，并普遍經歷過復雜的成巖改造過程。

1.1 深層優質碳酸鹽巖儲集體成因機理與模式

隨著塔里木盆地塔河油田和四川盆地普光氣田兩個大型深層碳酸鹽巖油氣田的發現和成功開發，針對不整合巖溶縫洞型[8]和礁灘型[9]碳酸鹽巖儲層的研究取得了一系列的理論和技術成果。馬永生等[10]提出三元控儲理論模型，認為沉積和成巖環境控制早期孔隙發育，構造-壓力耦合控制裂縫與溶蝕，流體與巖石相互作用控制深部溶蝕與孔隙的保存。何治亮等[11-12]提出構造、層序、巖相、流體和時間等5個因素控儲的地質成因模型。趙文智等[13]提出在沉積礁/灘的基礎上，白云石化、后生溶蝕-溶濾和深層埋藏-熱液等是碳酸鹽巖儲層大型化發育的關鍵地質條件。沈安江等[14]認為規模性優質儲集體大多在沉積成巖早期形成。大量機構和學者所開展的針對性模擬實驗和典型解剖，初步達成了一些共識。

1.1.1 原始高能相帶和早期白云巖化作用是優質儲集體發育的基礎

國內外各地區的研究實例表明，規模性碳酸鹽巖儲集體的分布大多表現出相控特征。早期高能臺緣(內)礁灘相帶中形成的礁灰巖和顆?；規r等建造是優質白云巖儲層發育的基礎[15-16]。高能相帶沉積物由于淘洗充分，顆粒含量高，粘土礦物含量較低，一般具有較高的原始物性，后期膠結物主要為亮晶，且由于礁灘體多發育在地形高部位，更易于遭受準同生大氣降水溶蝕而形成大量次生孔隙，有利于后期流體的進入和規模性白云石化作用的發生[17-20]。

地質歷史上大規模白云石化一般都是在準同生階段局限臺地蒸發海水環境或相鄰的高能相帶中形成的，主要發生薩布哈和滲透回流等白云石化過程，都與蒸發濃縮超高鹽度海水有密切的關系[21-3]。除此之外，還有埋藏白云石化[24]、熱液白云石化[25]和微生物白云石化[26]等作用機制。

目前，關于白云石化作用能否造成孔隙度的增加仍是一個充滿爭議的話題。前人曾提出過等摩爾交代模式、殘余灰巖溶解模式和白云石膠結模式等多個理論來解釋白云巖中孔隙的成因[27-30]，這主要取決于原始灰巖的結構、白云石化流體的性質、成巖系統的溫壓條件和開放程度等多重因素的疊加。早期的白云巖化一般被認為是優質儲層形成的關鍵，在白云石化過程中原始的孔隙結構也經歷了重新調整-再分配過程，白云巖中的晶間孔、粒間孔及溶孔等多表現出對原始灰巖中孔隙的繼承[28,30]，雖然此過程并非一定能貢獻新增的孔隙空間，但是所形成的具有晶粒-顆粒支撐結構的白云巖具有更強的抗壓溶性[29,31-32]，特別是對于白云石化程度較高的儲層，隨著埋藏深度的增加，早期形成的孔隙更易于被保存下來，而不是被晚期化學壓溶所形成的膠結物充填，因此相比灰巖，深層-超深層白云巖更有利于形成優質儲層[29,33]。

1.1.2 構造抬升導致與不整合面相關的大氣水巖溶作用形成巖溶縫洞型儲層

巖溶縫洞型儲層在海相碳酸鹽巖儲層中占據著十分重要的地位，常形成大型-超大型油氣田，例如美國Puckett油氣田、意大利Rospo Mare 油氣田和中國塔河-輪南油田等[34]。國內外諸多學者對古巖溶縫洞型儲集體的分布規律、主控因素和成因機理等做了深入研究，建立了一系列的碳酸鹽巖縫洞儲集體成因模式與理論[35]。這些碳酸鹽巖地層在構造抬升作用或海平面下降的背景下暴露至地表，遭受地表淋濾作用形成不同級次和不同成因類型的層序界面[19]；層序界面之下的碳酸鹽巖儲層遭受(準)同生或表生期大氣淡水淋濾作用，含有CO2的酸性流體與碳酸鹽巖間發生水-巖相互作用，且溶蝕產物持續性被帶離，最終形成規模性巖溶縫洞型儲集體。

在多旋回盆地演化的宏觀背景下，中國塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地內多層系、大面積發育深層-超深層古巖溶縫洞型儲集層，具有良好的勘探前景。塔河油田是塔里木盆地已發現的油氣田中儲量最大的油氣田，也是研究深層奧陶系巖溶縫洞型儲集體較早、較成熟的區域之一，具有多期巖溶疊加改造、縫洞儲層類型多樣和非均質性強等特點[36]。研究表明，在塔河主體區，加里東中期(Ⅰ—Ⅲ幕)和海西早期構造抬升剝蝕階段是古巖溶作用發生的主要時期[8]。受多期次復合構造作用的影響[37]，中-上奧陶統碳酸鹽巖地層被差異性剝蝕，發生強烈的表生巖溶作用，形成了多期次、多形式疊加的古潛山型風化殼巖溶儲集體。而在塔河南部桑塔木組覆蓋的斜坡區域，酸性流體沿多期構造變形所形成的斷裂-裂隙體系運移，在碳酸鹽巖地層中發生深循環溶蝕作用，形成不同規模的斷控型巖溶儲集體，是斜坡區內幕巖溶碳酸鹽巖儲層發育的主要成因機制[6,38]。

1.1.3 早期物質基礎與后期深埋構造流體環境是深層優質碳酸鹽巖儲層形成-保持的關鍵

近年來，相繼在四川盆地雷口坡組發現了早期沉積組構控制的微生物巖儲層，在塔里木盆地超深層奧陶系中發現了順北地區“斷溶體”儲層和順南地區熱液硅化儲層等新類型碳酸鹽巖儲層，盡管成儲機制不同于常見的表生巖溶、埋藏有機酸和TSR相關的溶蝕作用，但其儲層形成原理與 “三元控儲”和“五因素控儲”模式基本一致[1]。

1.2 成巖流體識別示蹤和成巖期次定年新技術

成巖流體的作用幾乎貫穿了碳酸鹽巖儲層發育、形成、改造和保持的全部過程，尤其是某些對儲層形成具有建設性作用的溶蝕性流體和白云巖化流體等，在儲集空間的形成和演化、油氣的成藏和調整過程中都扮演了極為重要的角色。對于中國中西部3大盆地較古老的碳酸鹽巖層系而言，由于成巖流體的類型多樣、作用方式復雜，如何準確判識流體的來源和期次、示蹤流體的運移路徑、建立流體驅動-循環機制，都是十分關鍵但也極富挑戰性的科學問題與技術難題。

近年來，針對碳酸鹽巖成巖流體識別示蹤和成巖期次定年研究取得了重要進展，涌現了許多新的技術和方法：碳酸鹽礦物通過LA-ICP-MS方法開展U-Pb同位素定年，使微米級尺度下的成巖年代學分析成為可能。近期對生物介殼、成巖孔隙和斷層脈體等位置產出的碳酸鹽礦物定年都取得了較為可信的結果[43-44]。進一步結合陰極發光和微區微量元素特征展開具體分析，有助于更準確地判斷成巖流體的來源、性質和活動期次[45-46]。碳酸鹽礦物的團簇同位素(Δ47)與成巖溫度的直接關聯性使其可以作為一種有效的地質溫度計，且不會受到成巖流體同位素組成的影響[47]。因此，通過Δ47-T的相關函數關系計算成巖溫度，結合碳酸鹽巖穩定氧同位素(δ18O碳)，可以直接恢復成巖流體的性質(δ18O水)。基于此，還可以進一步討論團簇同位素分布特征與成巖體系的開放程度的關系[48]。此外，鎂同位素(δ26Mg)、鈣同位素(δ44Ca)以及鹵族元素(Cl，Br，I)等新的測試方法和技術也應用在碳酸鹽巖成巖流體來源判別、運移模擬過程中，特別是在研究白云石化時得到了有效的應用[49-50]。這些新興研究手段與傳統研究方法的結合，為碳酸鹽巖儲層高精度、高時空分辨率的成巖演化過程分析和成儲模式的建立，提供了新的思路和方向。

1.3 深層碳酸鹽巖儲集體地球物理有效預測技術

針對深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預測面臨的諸多技術難題，國內外開展持續攻關研究，已取得了一些實質性進展[51-54]，而前沿研究主要包括高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規律與巖石物理模型，多相態混合孔隙流體彈性性質變化規律，高精度、高分辨率儲層反演等幾個方面。

1.3.1 高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規律與巖石物理模型

同濟大學聯合美國休斯頓大學建立了高溫(200 ℃)、高壓(150 MPa)巖石彈性與各向異性測量系統。收集了塔里木盆地躍進、順南以及順北地區深層-超深層(>6 000 m)碳酸鹽巖樣品，開展了不同壓力條件下干燥和水飽和巖石超聲縱橫波速度、密度與孔隙度測量。在高壓情況下，干燥巖石的孔隙度與縱波速度沒有相關性，說明縱波速度主要受巖石骨架彈性性質的影響；而高壓干燥巖石與高壓水飽和巖石之間的速度差異與孔隙度之間存在良好的相關性，說明該區儲層的地震波傳播速度受到裂縫發育與孔隙流體的雙重影響。由此，可建立裂縫發育密度與孔隙流體飽和度雙重控制的巖石物理(彈性)模型，從而可實現基于地震彈性參數反演基礎上的裂縫預測與流體檢測。

1.3.2 高溫、高壓條件下多類型、多相態混合孔隙流體彈性性質變化規律

美國休斯頓大學與科羅拉多礦業學院聯合成立的HDI(烴類直接檢測)研究聯合體開展了大量的不同溫壓條件下多相流體混合彈性模量、速度與密度的測量，獲得了諸多規律性認識[55-56]，形成了不同溫壓條件下多相流體混合彈性模量、速度與密度計算的FLASH軟件。通過取樣分析獲得孔隙流體類型及其飽和度參數，可利用FLASH軟件計算地層溫壓條件下多相混合孔隙流體的彈性參數，再基于巖石物理模型開展流體替代研究，進而實現儲層預測與流體檢測。FLASH軟件適用范圍是溫度小于200 ℃，壓力小于100 MPa。

1.3.3 模型與數據聯合驅動的高精度、高分辨率儲層反演

儲層預測與描述需要有高分率地震彈性參數反演數據。常規基于模型驅動的地震彈性參數反演，由于模型物理關系的不確定性(近似物理關系)帶來了反演結果的不確定性[57]。由于近似物理關系一般只是地震波動現象的一階近似，近似物理模型算子比較光滑，不能刻畫深層-超深層碳酸鹽巖儲層的強非均質性，因此，地震彈性參數反演的分辨率較低。解決的方案是將實際測井獲得的儲層彈性參數作為已知數據，來修正用于地震彈性參數反演的近似物理關系，獲得一個更高精度的物理模型算子。由于測井數據含有高頻信息，測井數據驅動構建的物理模型算子就具備了刻畫儲層強非均質性帶來的地震波場高頻擾動能力。因此，利用修正的物理模型算子反演的彈性參數就具備了高精度、高分辨率反演能力。

1.4 深層碳酸鹽巖儲集體精細建模新方法

由于深層碳酸鹽巖埋深大、資料稀少且品質較差，實現深層碳酸鹽巖儲層的精細建模成為業界普遍關注的重大技術難題。以深層碳酸鹽巖儲層成因機理和演化模式新認識，以及地球物理預測新技術為基礎，近期在深層碳酸鹽巖儲集體精細建模方法及技術方面取得了較大進展[58]。

1.4.1 結合多點統計與沉積過程模擬的地質建模技術

從兩點到多點再到沉積過程模擬，可以有效降低統計學建模對數據的嚴重依賴性。多點地質統計學通過訓練圖像代替變差函數，可更好地捕捉地下儲層的三維空間結構。采用類比或沉積模擬的方式建立訓練圖像庫，可打破鉆井數據的限制，更有效地支撐深層儲層三維建模。

無人機掃描和野外觀測建立數字露頭，現代沉積考察結合淺鉆建立類比模型，基于已開發油氣藏海量資料建立精細模型，沉積過程正演模擬獲取地質模型等，是獲取有效訓練圖像的主要方法。其中，基于沉積過程模擬建立訓練圖像的技術具有獨特優勢。沉積過程模擬通過較少的鉆井數據及三維地震數據，獲取地質歷史時期的古地形、沉降速率、碳酸鹽巖生長速率和古風向等一系列環境參數，通過正演的方法再現碳酸鹽巖臺地的生長演化過程[59-60]。該方法雖在鉆井數據條件化方面存在一定難度，但從宏觀結構上可掌控不同沉積相帶的組合關系，體現了成因控制的特點，可實質性反映真實的地層沉積過程，所建立的三維訓練圖像具有“原位等尺度”特征，可有效降低因尺度差異等效作用而造成的模擬誤差。將沉積模擬結果作為三維訓練圖像，通過多點地質統計學對研究區進一步模擬，模擬結果的精準程度得到進一步提升，且與鉆井數據信息全部吻合。沉積模擬與多點地質統計學的結合實現了成因控制與統計數據的有機融合，在深層儲層建模的適用性上優勢明顯。

1.4.2 孔隙型碳酸鹽巖油氣藏智能優化地層沉積反演建模技術

沉積模擬結果與實鉆井的誤差越低，建立的地質模型越接近于地下實際。傳統的基于手工調參方法尋優效率低，且難以建立最優模型的標準，智能優化算法在模型優化方面具有獨特優勢，但需要正演模擬的效率高且收斂性強。

針對深層碳酸鹽巖儲層，探索研發了基于生物能、動能、勢能相互轉化的碳酸鹽巖地層沉積正演模擬新方法，模擬原理集成了經典認識和專家經驗[61-62]。碳酸鹽巖沉積一般是盆地內源生物成因，該方法不考慮外源碳酸鹽和硅質碎屑，認為碳酸鹽巖地層的形成是生物能、勢能、動能和構造沉降相互作用的結果。生物能體現為碳酸鹽巖造巖生物的生長，動能表示為風能和風能引起的波浪能，勢能主要以古地形的樣式體現，構造沉降包括構造運動引起的地層沉降和沉積物荷載引起的均衡沉降。該沉積正演數學模型總體包括沉積物生產模型、能量分布模型以及沉積物搬運模型，是一種典型的拋物線方程，通過計算每個時間步長中地形海拔、動能和勢能分布，得到地形、動能和勢能的演化過程。沉積正演模型可以確定一個較好的沉積條件和其對應的可能區間，此時需要通過沉積反演技術快速找到在這個可能區間內的最優值，這個最優組合更接近真實沉積過程。沉積反演模擬技術核心在于優化算法及目標函數的建立，優化算法主要采用模擬退火及復形洗牌等，目標函數主要基于沉積序列比較技術，將模擬結果與實鉆井數據實現定量比較，并將其誤差最低作為最終標準。通過將沉積正演模擬技術與全局優化技術的結合，形成了地層沉積反演模擬框架，其調用正演模擬運算速度快，對于千萬節點網格模型，實現了單次模擬時間控制在1分鐘內。

1.4.3 多尺度數據融合巖石物理相建模技術

巖石物理相/巖石類型反映了碳酸鹽巖儲層質量差異，為更精細地反映深層碳酸鹽巖儲層非均質性，需要在少井資料條件下充分融合井、震及實驗室測試巖石物性信息，建立三維巖石物理相模型。

針對深層碳酸鹽巖儲層，形成了基于孔喉結構的巖石類型劃分方法[63-64]：即通過對巖心薄片進行壓汞實驗分析，尋找到與孔、滲關系最敏感的主孔喉半徑(R30)，并通過對孔、滲分段性進行巖石類型劃分，實現取心井巖石類型解釋。在取心井解釋基礎上，形成了基于機器學習的巖石物理相測井識別技術：即以取心井巖石類型劃分結果為訓練樣本，通過測井敏感曲線分析，采用決策樹/隨機森林機器學習方法實現了非取心井的巖石物理相解釋，解釋符合率超過90%，解釋精度達到了分米級別。從一維井眼到三維空間，巖石物理相建模需要三維地震資料進行空間約束，實現了基于疊前地震資料預測的巖石物理相技術：即以巖石物理模型為橋梁，建立孔隙結構與地震波場響應關系，最終實現巖心-井眼-三維空間巖石物理相預測。將多維度、多尺度數據關系映射到三維地質模型，實現深層優質儲層高精度三維建模。

1.4.4 細胞自動機斷控巖溶過程數值模擬技術

“斷溶體”油氣藏是塔里木盆地深部油氣藏的一種重要類型?！皵嗳荏w”屬于碳酸鹽巖一種特殊類型儲集體，受控于強烈的走滑斷裂-流體溶蝕改造作用，平面上具有沿走滑斷裂分布的特點，空間上具有沿斷裂帶呈“縱深”發育特征[65-68]。斷裂破碎程度差異和溶蝕作用強度差異造成斷溶體空間結構非均質性極強，常規的基于地質統計學的地質建模技術難以準確表征斷溶體空間分布及內部結構，給斷溶體油氣藏評價及高效開發帶來較大風險。

利用基于過程的建模技術優勢，從斷溶體地質成因過程出發，探索了基于溶蝕過程的斷溶體分布預測技術。根據斷溶體地質研究認識，認為斷控巖溶以斷裂破碎帶為核心發生溶蝕擴大，其溶蝕程度的差異受斷裂分布、裂縫密度、地層巖性差異、大氣淡水或地層深部熱液接觸時間等綜合因素影響。本文提出了一種基于細胞自動機的斷控巖溶過程模擬方法，以走滑斷裂形成的裂縫網絡為初始條件，以一定酸濃度的大氣水注入為作用條件，綜合考慮地層巖性差異、裂縫發育密度和重力作用，建立了基于酸擴散、連通性和傳導率共同控制的模擬規則，并最終形成由酸累積溶蝕量定量表征溶蝕演化程度的模擬方法。與傳統地質統計學方法相比，該方法考慮了成因過程，對于井資料少、地震資料品質低的斷溶體發育區，具有預測準確度高的優勢，通過塔河托甫臺某典型斷溶體單元測試，驗證了該方法有較強的實用性。

值得注意的是，該方法應用的初始條件及溶蝕參數對模擬結果有重要影響，斷溶體的成因在學術界仍存在多種認識，因此，地質成因的研究是推動該方法向前發展的重要基礎。另外，從條件化模擬的角度出發，為了使模擬結果與實際數據吻合，下一步仍需要借助自動反演或優化的方法推動該技術的智能化發展。

2 深層-超深層碳酸鹽巖儲層研究的關鍵科學技術難題

2.1 優質碳酸鹽巖儲層成因機理問題

中國在深層-超深層碳酸鹽巖勘探領域先后發現了四川盆地的普光、元壩、龍崗、安岳、川西等氣田，以及塔里木盆地的塔河油田和塔中油氣田等，證實了以往認為的生烴“死亡線”以下仍然具有巨大的勘探潛力[10,69-71]。針對這些儲層，眾多機構和學者開展了深入的研究工作，取得了非常豐富的研究成果，學術觀點紛呈。大體可分為原生為主、次生為主和復合成因等3類。

例如，塔里木盆地塔中北坡地區中、下奧陶統不斷取得油氣新發現，有關其儲層的成因尚未統一觀點。

順南地區5口鉆井的連井剖面顯示一間房組碳酸鹽巖孔隙度呈現一定的旋回性。從一間房組底部到頂部可以識別出4個旋回，絕大部分旋回的聲波曲線從下到上逐漸升高，對應孔隙度從下到上逐漸升高。云露和曹自成[72]、陳紅漢等[73]認為塔中北坡地區中、下奧陶統發育的多期不整合造成的層間巖溶以及(準)同生巖溶作用促進了有利儲層的發育。從旋回頂部樣品的SEM照片中可以看出方解石微晶大小不均一，較小的方解石微晶貼附于較大的方解石微晶而存在。國外在中東地區等也發現同樣的兩組粒徑不同的方解石微晶共存的現象[74]。多位學者給出了不同的原因去解釋粒徑較小的方解石微晶出現的原因，比如受鎂離子毒化[75]、受有機質的影響[75]，遭受流體溶蝕[76]等。近些年來，很多地質學家用奧斯特瓦爾德成熟作用(Ostwald ripening)去解釋低鎂方解石的形成及溶蝕[74,77]。Volery研究發現，Ostwald ripening現象在海平面短期下降形成的大氣淡水透鏡體上部更為明顯，而位于大氣淡水透鏡體之外的碳酸鹽巖沒有發生該過程[74]，因此認為Ostwald ripening是造成塔中北坡地區奧陶系一間房組沉積旋回頂部儲層物性改善的主要原因之一。

也有學者認為，碳酸鹽巖地層在沉積之后的埋藏過程中受多種成巖作用影響，原生孔隙已所剩無幾，失去儲層意義。膠結作用是造成碳酸鹽巖儲層、尤其是顆?；規r孔隙破壞最主要的原因之一。氬離子拋光掃描電鏡顯示塔中北坡地區中、下奧陶統大部分巖石的儲集空間主要以分布于低鎂方解石晶體間的微孔為主，孔徑均在10 μm以下[78]。如此小的孔喉導致流經的方解石飽和流體也較少，與之相比，存在于顆粒或晶體之間的大孔是流體運移的主要通道，因此也更容易發生膠結作用而被充填[79]。并且方解石在較小孔隙內發生沉淀所需要的臨界飽和度高于在大孔中沉淀所需要的[80]，因此微小的孔喉不易被方解石等膠結物充填，更易保存下來成為最終的有效儲集空間。后期不同類型流體溶蝕作用形成的次生孔隙、孔洞和洞穴才是主要的油氣儲集空間[81-82]。

形成深層-超深層碳酸鹽巖儲層的溶蝕改造流體類型既可以有早期的混合水、大氣降水，也可以有后期的酸性熱液、油氣生成和轉化過程中的有機酸、TSR相關富含CO2和H2S流體等[1,12,83]，流體的性質與活動強度與盆地內特定的構造活動和地質體系的開放程度等密切相關[83]。

塔里木盆地奧陶系、鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組、四川盆地震旦系燈影組等碳酸鹽巖儲層都經歷了強烈的構造抬升-大氣降水巖溶改造作用，形成了大型的巖溶風化殼型碳酸鹽巖油氣藏[84]。根據碳酸鹽巖溶蝕和沉淀的熱力學和動力學控制因素，大氣降水巖溶作用形成的巖溶孔洞多在巖溶不整合面之下有限深度內形成，再往深處則會形成方解石的充填[85]。在隆起高部位的巖溶高地區域，大氣降水對碳酸鹽巖處于不飽和狀態，并且流量非常大，能對碳酸鹽巖產生強烈的溶蝕作用。大量鉆井揭示，巖溶孔洞發育多在不整合面下200 m深度范圍內，局部可發育至1 100 m深度[86]。在巖溶斜坡-洼地區域，隨著大氣降水向下滲流，流量變小，溫度升高，逐漸達到對方解石的飽和狀態，會在已有裂縫或孔洞中形成方解石的充填[85,87]。

盡管多數學者更認同埋藏溶蝕作用，認為在逐漸沉降埋藏環境中，有機質生烴過程中伴生的富含有機酸的酸性流體會導致碳酸鹽巖發生埋藏溶蝕作用[88]，尤其強調TSR導致的富含H2S和CO2酸性流體對碳酸鹽巖儲層形成具有建設性作用。例如，四川盆地長興組-飛仙關組深層碳酸鹽巖儲層發育與埋藏溶蝕 (有機酸和TSR溶蝕作用) 密切相關[10]，且隨著TSR相關H2S和CO2的逐漸升高，越來越強烈的酸性流體介質環境非常有利于孔隙的持久保持[42]。也有學者提出酸性流體很難一直保持對碳酸鹽巖的欠飽和狀態，且在封閉體系下溶蝕與沉淀作用幾乎同時發生，總孔隙度基本保持不變[89-90]，因此認為溶蝕作用產生次生孔隙的建設性效應遠遠不及因埋藏壓實和膠結作用導致的孔隙破壞作用。

構造變形和斷裂作用能直接形成儲集空間，作為流體運移通道，會導致深部熱液流體對碳酸鹽巖進行溶蝕改造。最具特色的一類儲層是，斷裂-熱液作用使碳酸鹽巖發生顯著的熱液白云石化，形成熱液白云巖儲層[91]。熱液白云巖型油氣藏目前是北美和中東等地區油氣勘探的重要目標[92]。四川盆地二疊系茅口組和棲霞組也發現熱液白云石化儲集層[93-94]。在塔里木盆地塔深1井和順南4井等碳酸鹽巖儲層中也發育有與熱液活動有關高孔隙度規模性儲層[6,96]。也有許多學者提出，熱液會導致大量的沉淀和膠結作用，減少儲集空間，因而更多表現為一種負面因素。

2.2 碳酸鹽巖儲層預測技術存在重大技術瓶頸

中國深層-超深層碳酸鹽巖儲層沉積類型多樣，經歷過多期次構造運動改造，非均質性極強[51]，通過地球物理方法實現精準的儲層預測與流體檢測面臨巨大挑戰，主要包括以下科學與技術難題。

1) 深層-超深層碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性性質變化規律不清。以中國塔里木盆地為例，深層-超深層碳酸鹽巖儲層一般在6 000 m深度以下，儲層處在高溫(150～200 ℃)、高壓(150～220 MPa)環境，與中淺層相比，儲層巖石骨架的彈性性質在溫度與壓力變化共同影響下會發生復雜的變化，這種變化規律尚不清楚。

2) 深層-超深層多類型、多相態混合孔隙流體彈性性質變化規律不清。多類型、多相態混合孔隙流體在上述高溫高壓條件下的彈性模量、地震波傳波速度、密度和粘度等基本物理參數變化規律認識更不清楚。目前尚無實驗手段來直接測量如此高溫高壓條件下多類型多相態混合流體的彈性模量以及地震波傳播速度，而孔隙流體的彈性性質直接影響著儲集巖地震縱、橫波傳播速度與衰減等地震參數的變化[97-98]。

3) 多尺度孔隙與裂縫、多類型儲集空間以及孔隙流體與固體骨架耦合條件下地震響應機理不清。以塔里木盆地深層-超深層碳酸鹽巖儲層為例，由于其沉積類型多樣，并且受多次構造運動改造，儲層孔隙幾何形狀十分復雜，如溶解作用形成的溶蝕“硬”孔隙和應力作用形成的裂縫“軟”孔隙[99]，在相同基質條件下，“硬”孔和“軟”孔的孔隙剛度可能相差10～103數量級，對儲層巖石地震波傳播速度的影響則可達到20%～100%；如果同時存在多尺度孔隙與裂縫，孔隙與裂縫尺度變化可達105數量級，非均質性極強，由此帶來地震波傳播誘導孔隙流體與固體骨架發生相互作用，導致地震巖石物理響應機理十分復雜。

4) 基于傳統模型驅動的儲層刻畫具有很大的不確定性[57]，導致深層-超深層碳酸鹽巖儲層上覆巨厚復雜介質。深層-超深層地震反射能量弱，信噪比低，地震成像質量差。由于深層-超深層反射地震信號高頻吸收衰減嚴重，從而導致深層-超深層儲層地震垂向分辨率很低?；趥鹘y模型驅動的儲層刻畫技術，由于物理模型只是實際介質不同程度的近似描述，因此，用于儲層反演的物理理論具有不確定性，同時，用于儲層反演的實際地震數據頻帶有限并且數據中含有噪音，從而給儲層刻畫帶來了很大的不確定性。

5) 儲層刻畫存在多尺度數據融合問題。儲層刻畫需要綜合利用巖心、測井和地面反射地震多尺度數據，數據尺度變化達到106數量級。如何融合多尺度數據是儲層精細刻畫的關鍵問題。

綜上所述，深層-超深層儲層預測和描述需要從巖石物理理論與建模、高分辨儲層反演、多尺度數據融合以及反演結果的不確定評估等多個方面開展研究，以期提高深層-超深層儲層刻畫的能力。

2.3 缺乏成熟有效的深層儲層精細表征與建模技術

儲層表征與建模是定量化認識儲層特征的重要內容，其中三維精細地質模型是定量表征儲層的終極表現形式。定量地質建模技術在過去近四十年的發展歷程中，呈現出從傳統的確定性建模、兩點統計學建模、基于目標建模，向多點地質統計學建模、沉積過程建模、以及智能化地質建模等較新的建模技術發展的總體趨勢[58,100-102]。傳統建模技術依賴于數據驅動，由于淺層油氣藏通常具有較多的鉆井數據、品質較高的地震數據，一定程度上保障了傳統建模技術在業界的應用和發展。隨著油氣藏儲層研究逐步走向深層，高昂的鉆井成本制約了數據的采集，加之地震品質的降低，傳統的數據驅動型建模技術面臨巨大挑戰，適用于深層碳酸鹽巖儲層的建模技術存在一系列難題。

1) 如何實現從數據驅動建模向過程驅動建模的有效轉變。傳統建模技術中確定性建模需要地質信息與井震信息具有較明確的相關關系，兩點統計學建模需要足夠的直接觀察數據(鉆井數據)來約束建模過程(計算變差函數和作為條件數據點)，基于目標建模需要對儲層的形態、規模、組合關系具備大量的先驗認識及定量數據。鉆井少、地震資料質量差的深層儲層地質建模顯然難以滿足以上建模方法的條件。充分利用各領域知識來彌補觀察資料之不足，是可能的解決途徑。因此，通過綜合集成儲層形成過程及演化的最新領域知識，形成地層沉積正演模擬模型，實現地質過程驅動的建模技術，可以彌補條件數據的不足，進一步提升資料稀缺條件下儲層建模和預測的合理性。如何量化碳酸鹽巖沉積過程、如何建立合理的數字化模型是擺在面前的重要難題。

2) 如何通過智能優化技術提升深層建模的效率和準確性。在深層資料稀疏的條件下，儲層認識的不確定性必然增大，尋找合理和最優的模型面臨挑戰。在基于地質過程的油氣藏建模方法中，傳統的基于專家經驗法則進行手動調參，工作量巨大、隨機性強、尋優困難，難以滿足深層儲層勘探開發的快速節奏和對地質模型精準度的高要求。智能優化算法在不同行業領域得到快速發展和應用[103-104]，能否將其引入到深層儲層地質建模領域，以及如何通過緊密結合，取得更優實用效果，需要深入探索。

3) 如何將多維度、多尺度信息進行高效融合以保障深層地質模型精度。深層碳酸鹽巖油氣藏開發風險大，對于地質模型的精準度要求高，多信息源跨尺度數據的高效融合更加重要。深入挖掘三維地震信息，如何將微納米級的巖心孔喉嫁接到數米至數百米級精度的測井和三維地震，如何將單點信息映射到三維空間，均面臨一系列難題。地質建模的發展有賴于測井及地震技術的進步，進一步攻關多維度、多尺度信息融合方法，才能實現三維地質模型“深度更深、精度不減”的技術指標。

3 未來攻關方向

3.1 深層-超深層碳酸鹽巖儲層發育機理

與國外大多為中生代中淺層碳酸鹽巖儲層相比，中國古老層系深層-超深層碳酸鹽巖儲集體普遍經歷過長期復雜的埋藏成巖演化過程，其孔隙發育和保持機理的研究更為重要。深埋藏過程中，多種類型流體的溶蝕、膠結等改造作用對碳酸鹽巖儲層孔隙形成和破壞起著至關重要的作用。因此，需要在詳細的巖石學、礦物學和地球化學研究基礎上，明確成巖流體類型(大氣降水、富Si/Mg熱液、成巖成烴流體、有機演化與TSR相關流體等)，通過高溫高壓溶蝕實驗和數值模擬等方法來揭示構造-流體耦合作用過程和機制，探索復雜流體作用下，特別是有機成巖流體作用下的儲集空間形成與保持機制。

通過碳、氧、鍶同位素、微量和稀土元素、流體包裹體等綜合地球化學方法，開展成巖流體作用類型識別與示蹤，是常用方法。由于深層-超深層碳酸鹽巖儲集體經歷了復雜的成巖演化過程，需要對成巖流體類型和過程進行精細解析，因此亟需在微米甚至納米尺度上開展原位微區的地球化學分析。明確成巖流體活動時代和期次是開展溶蝕過程和機理研究的關鍵環節。方解石和白云石是主要的成巖膠結礦物，因此需要針對性地借助高分辨率等離子質譜儀或多接收質譜儀發展完善碳酸鹽巖礦物U-Pb定年技術，進一步與Ar-Ar，Rb-Sr，Re-Os等測年方法聯合，準確測定不同類型流體活動時代。

除了不整合面巖溶型以及礁灘相儲集體之外，超深鉆井揭示深層-超深層碳酸鹽巖中的主要儲集體類型還常見有微生物巖儲集體、鹽下白云巖儲集體和斷控儲集體等。開展詳細多尺度表征是明確不同類型儲集體特征、展布和規模的重要手段。宏觀尺度上，主要針對野外露頭開展沉積相和層序地層研究，采用無人機和激光雷達掃描，進行三維測量與建模。中觀尺度上，主要借助鉆井巖心和成像測井等資料，明確儲集空間特征和類型。微觀尺度上，主要借助薄片、掃描電鏡和巖石CT等資料，開展幾何參數與數學參數綜合表征，詳細研究儲層巖石組構、孔隙類型與孔隙度、滲透率的定量關系。

碳酸鹽巖儲層的形成與保持過程就是碳酸鹽巖在不同巖石組構、地層結構、構造應力和熱體制背景下，以及溫度、壓力、 pH 值和孔隙流體動力學條件下，發生的破裂、溶解、蝕變、交代、重結晶和沉淀等過程。水-巖反應模擬實驗是探索碳酸鹽巖溶蝕、沉淀規律的一種重要實驗技術，也是重建碳酸鹽巖儲層演化機理和模式的重要手段。分析實際地層環境提煉關鍵反應參數，如溫度、壓力、流體、水巖比等，借助水-巖模擬實驗以及數值模擬計算，可以查明不同條件下流體-碳酸鹽巖的相互作用過程，明確影響礦物溶解沉淀的因素，探索碳酸鹽巖儲集空間形成的機制。在以往的工作中，范明等[39]通過溶蝕實驗，揭示了碳酸鹽巖“溶蝕窗”的存在；丁茜等[105]通過實驗模擬，證實了生烴伴生流體對碳酸鹽巖能產生顯著的溶蝕改造作用，已為進一步開展相關研究奠定了很好的基礎。

3.2 深層-超深層碳酸鹽巖儲層地球物理預測技術

針對深層-超深層碳酸鹽巖儲層預測，雖然取得了較大的進步，但目前仍有諸多技術難題有待攻關探索。在深層-超深層碳酸鹽巖儲層巖石骨架與多類型、多相態孔隙流體混合彈性性質變化規律方面，塔里木盆地輪探1井的鉆探深度已達8 882 m，而目前的高溫高壓實驗設備還達不到8 000 m以上深度的溫壓條件，因此，需要開發更高溫壓條件下的巖石彈性測量系統，以便通過實驗更好地理解溫度壓力對碳酸鹽巖儲層巖石骨架以及孔隙流體彈性性質的影響規律。

深層-超深層碳酸鹽巖儲層多尺度、多類型儲集空間決定了儲層的強非均質性，這種強非均質性帶來了地震波傳播的尺度效應，相關的巖石物理模型以及地震波傳播模型需要深入開展研究，其中，對尺度效應的認識就可以用來更好地解釋測井與地震數據。

深層-超深層碳酸鹽巖儲層的準確預測需要綜合利用好巖心、測井和地面反射地震多尺度數據，因此，如何將模型驅動與數據結合起來進行多尺度數據融合，從而降低儲層預測的不確定性是關鍵。近年來快速發展起來的人工智能與深度學習技術有望在深層-超深層碳酸鹽巖儲層刻畫中發揮重要作用。

深層-超深層碳酸鹽巖儲層準確預測的前提是要有高保真與高分辨率的地震數據以及高質量的測井數據，同時，也要結合實際儲層的地質特征，通過試驗與分析，建立以地質目標模型為導向，不斷優化的儲層刻畫技術流程，力求取得實際效果。

3.3 深層-超深層碳酸鹽巖儲層地質建模

探索攻關多場耦合下的儲層沉積、成巖正反演數值模擬技術?；谶^程的建模技術是深層碳酸鹽巖儲層建模的重要技術發展方向。沉積過程和后期的成巖改造聯合控制了優質儲層發育的基本格架和最終的分布。在明確深層碳酸鹽巖儲層成因機理的基礎上，量化其沉積成巖改造條件，進一步探索建立其數學方程，發展沉積過程與成巖過程一體化模擬技術，才能提高深層優質儲層的預測與描述能力。

發展多尺度數據融合、多方法協同的儲層智能建模技術。深層儲層智能地質建模是未來重要研究方向，多元多尺度數據的綜合應用，是提升深層儲層建模精度的必由之路?？绯叨葦祿g在等效過程中必然存在一定的誤差，因此要探索更高效的融合方法。智能建模技術除算法研究之外，更需要大量的訓練樣本作為積累，因此，深入開展深層碳酸鹽巖儲層的知識庫的建設就成為緊迫而重要的基礎工作。

4 結論

通過眾多機構和學者的艱苦探索和“產-學-研-用”的有效結合，中國在深層-超深層碳酸鹽巖儲集體成因機理、地質模式、地球物理預測、儲層精細建模等方面，取得了重要進展，也面臨一系列的重大理論技術難題，亟待深入攻關。

1) 在深層優質碳酸鹽巖儲集體的成因研究上初步形成了一些共識：原始高能相帶和早期白云巖化作用是優質儲集體發育的基礎；構造抬升導致與不整合面相關的大氣水巖溶作用，形成巖溶縫洞型儲層；早期物質基礎與后期深埋的構造流體環境是深層優質碳酸鹽巖儲層形成-保持的關鍵。針對碳酸鹽巖成巖流體識別示蹤和成巖期次定年研究取得了重要進展，為碳酸鹽巖儲層高精度、高時空分辨率的成巖演化過程分析和成儲模式的建立，提供了新的思路和方向。未來需要在巖石學、礦物學和地球化學研究基礎上，明確成巖流體類型，通過高溫高壓溶蝕實驗和數值模擬等方法，探索復雜流體作用下，特別是有機成巖流體作用下的儲集空間形成與保持機制。

2) 深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預測技術，分別在高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規律與巖石物理模型、多相態混合孔隙流體彈性性質變化規律和高分辨率儲層反演等幾個方面，取得了一些實質性進展。未來需要開發更高溫壓條件下的巖石彈性測量系統，分析強非均質性帶來的地震波傳播的尺度效應，以地質目標模型為導向來不斷優化儲層地震預測與描述技術流程。

3) 在深層碳酸鹽巖儲集體精細建模方法上，分別形成了結合多點統計與沉積過程模擬的地質建模技術、孔隙型碳酸鹽巖油氣藏智能優化地層沉積反演建模技術、多尺度數據融合巖石物理相建模技術和細胞自動機斷控巖溶過程數值模擬技術。未來需要攻關多場耦合下的儲層沉積和成巖正反演數值模擬技術，發展多尺度數據融合、多方法協同的儲層智能建模技術，提升深層儲層建模精度。

致謝：深層碳酸鹽巖儲層研究具有重大的理論與應用價值，正在引起越來越多的關注，通過大家共同的努力，相信會有更多、更有分量的理論技術成果涌現出來。本文是在近期相關工作基礎上所做的粗淺思考和總結，受筆者學識和閱歷限制，難免掛一漏萬，部分觀點尚不成熟，謹為引玉之磚，以期得到同行的討論和指正。相關研究工作得到了朱日祥、金之鈞、賈承造、王成善和郝芳等學者的關心和指導，研究過程中與油氣企業和科學院所的諸多學者所做的深入討論，獲益良多。文中引用了中國石油、中國石化相關單位寶貴資料，在此一并表示衷心感謝。