庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組孔縫充填特征及流體來源

汪林波，韓登林，王晨晨，袁 瑞，林 偉，張 娟

（1.長江大學地球科學學院，武漢 430100；2.儲層微觀結構演化及數字表征實驗室，武漢 430100；3.非常規油氣湖北省協同創新中心，武漢 430100；4.長江大學信息與數學學院，湖北荊州 434023）

0 引言

庫車坳陷克深區塊是塔里木油田天然氣勘探開發的重點區域，其儲層為白堊系巴什基奇克組，具備優越的油氣地質條件及良好的天然氣勘探前景［1-3］。儲集層埋藏深度為5～8 km，由于強烈的成巖壓實作用和膠結作用而變得極為致密，孔隙和裂縫則作為儲層流體（油、氣、水）的儲集空間與運移通道，是儲層研究的重要方面［4-8］。儲集層孔隙保存是成巖流體與孔縫系統相互作用的結果［9］。一方面，成巖流體的活動影響了孔縫系統中孔隙的發育和演化，另一方面，儲集層孔縫介質本身也可能會對成巖地質流體的活動產生影響，進而控制儲集層的發育。對儲集層孔隙保存方面的研究，主要聚焦于成巖環境及其流體化學活動（膠結充填作用、交代作用、溶蝕作用等）對儲層孔隙演化的直接影響［10-11］。Steefel 等［12］在礦物沉淀模擬實驗中發現，地層流體在裂縫中結晶沉淀速率遠遠高于基巖孔隙，裂縫相較于其周圍的基質巖石孔隙更早地發生了充填和封閉；眾多學者研究認為，同一套成巖流體在儲集層孔縫體系中優先在裂縫中沉淀和膠結，進而對儲層的孔隙保存產生積極的影響［13］。

庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組作為典型的深層—超深層孔縫型致密砂巖儲層，在白堊紀時期的堿性成巖環境下，孔隙和裂縫中廣泛發育碳酸鹽膠結物（脈體）。王珂等［14］、鞏磊等［15］對庫車坳陷白堊系致密砂巖裂縫發育、充填程度及有效性對儲層的影響等方面進行了研究；劉云龍等［16］、羅威等［17］、劉芬等［18］則聚焦于庫車坳陷白堊系儲層的孔隙膠結作用特征及其對儲層孔隙演化影響的研究；裂縫的充填與孔隙的保存之間的流體耦合關系尚不清楚［19-23］。從產能數據對比可以看出，KS2 井區與KS8 井區儲層孔隙度差異不大。雖然作為滲流通道的裂縫在KS2 井區充填程度較高，但該井區仍然處于高產，而KS8 井區裂縫充填程度較低，卻表現為低產。這一產能差異也表明，裂縫的充填與孔隙的保存并非毫無關聯的地質機制，而作為孔縫網絡內遷移的成巖流體在孔縫內的耦合機制有待進一步研究。

基于巖石薄片觀察和陰極發光分析，結合微區原位元素測試，深入開展庫車坳陷克深井區儲層中裂縫和孔隙充填現象的研究，包括砂巖孔隙中賦存的膠結物和裂縫中充填脈體的組分、期次和來源等，從能量守恒角度建立成巖流體的耦合關系，從而研究深層孔縫型砂巖儲層的控制因素，以期為預測優質儲層分布提供理論依據。

1 地質概況

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，北靠南天山構造帶，南抵南部斜坡帶，是在古生代被動大陸邊緣發育起來的中新生代疊合前陸盆地。庫車前陸盆地構造具有南北分帶、東西分段的特征［24］。研究區位于庫車坳陷克深區帶，南北受控于拜城斷裂與克拉蘇斷裂（圖1a），典型的構造樣式為前陸沖斷疊瓦構造，形成于中生代燕山運動期和新生代喜馬拉雅運動期，由北向南包括克深5、克深2、克深8、克深9等多個斷背斜天然氣藏［25］。主力含氣儲層白堊系巴什基奇克組埋深5 500～8 500 m，巖性以紅褐色中—細粒砂巖和薄層泥巖為主，屬扇三角洲—辮狀河三角洲沉積（圖1b）。儲層發育殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔和微孔隙等多種類型，并且發育多期構造裂縫，孔隙度介于3%～7%，基質滲透率為0.05～0.5 mD，屬于典型的深層—超深層裂縫-孔隙型致密砂巖儲層［26］。

2 樣品采集與分析方法

本次研究樣品采自KS2-2-1，KS207，KS501，KS504，KS506 等5 口井，其中，10 塊樣品具有明顯的裂縫充填特征，11 塊樣品無裂縫產出特征（圖2），共計21 塊樣品。縱向上，樣品深度分布在6 366.3～6 877.9 m。所有樣品均磨制成鑄體薄片和包裹體薄片，在利用Leize 顯微鏡和陰極發光儀對碳酸鹽充填物進行巖礦學分析的基礎上，優選出12 塊具有代表性的樣品進行了98 個點的微區原位元素含量測定。

將產出裂縫并被脈體充填巖石樣品與同井同深度未見裂縫產出的巖石樣品均磨制成探針片。先進行陰極發光分析選定區域，再在偏光顯微鏡下圈定測點位置，最后再利用剝蝕電感耦合等離子質譜儀（LA-ICP-MS）在微米級尺度上對圈定測點進行原位測試。

陰極發光分析在長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室完成。采用Leica 顯微鏡進行常規巖石薄片觀察，使用CL8200 MK5 型陰極發光儀進行陰極發光分析。為使樣品的陰極發光測試結果可對照，測試條件均為真空度0.3 Pa、束電壓11 kⅤ、束電流270 μA。

微區原位元素含量分析在武漢上譜分析科技有限責任公司完成。利用激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀（LA-ICP-MS）進行微區原位元素含量分析。GeolasPro 激光剝蝕系統由COMPexPro 102 ArF 193 nm 準分子激光器和MicroLas 光學系統組成，ICP-MS 型號為Agilent7700e［27］。本次分析的激光束斑和頻率分別為44 μm和6 Hz。計算單礦物微量元素含量時，采用玻璃標準物質BHⅤO-2G，BCR-2G 和BIR-1G 進行多外標無內標校正。每個時段分辨分析數據包括20～30 s 空白信號和50 s 樣品信號。

3 孔隙-裂縫充填物發育特征

3.1 裂縫脈體類型和期次

通過對庫車坳陷克深井區的5 口井25 個樣品的鑄體薄片茜素紅染色觀察發現，克深井區白堊系巴什基奇克組砂巖裂縫中主要充填方解石脈體和白云石脈體。根據裂縫脈體陰極發光顏色及其巖相學特征可劃分出2 期方解石脈體和1 期白云石脈體。Ⅰ期方解石脈體沿裂縫壁發育且表面干凈，陰極發光呈橙黃色；Ⅱ期方解石表面較污濁且節理發育明顯，陰極發光為亮黃色，常與Ⅰ期方解石充填于同一條裂縫內；白云石脈體陰極發光呈橙紅色（圖3）。

3.2 孔隙賦存的碳酸鹽膠結物類型和期次

研究區巴什基奇克組儲層發育多種類型、多種期次的膠結物。其中，碳酸鹽膠結是區內最豐富、分布最廣的膠結類型，包含方解石、白云石等礦物。儲層中的碳酸鹽膠結物體積分數一般為1.0%～32.0%，極少可高達40.0% 以上，平均為5.3%。利用鑄體薄片、陰極發光分析等觀察發現，該區賦存于孔隙中的碳酸鹽膠結物類型以方解石和白云石為主，具有多期次形成的特點。根據結構、晶體形態及形成先后關系，可將孔隙內充填的碳酸鹽膠結物劃分出2 期方解石膠結和2 期白云石膠結。Ⅰ期方解石膠結物以基底式膠結為主，陰極發光呈亮黃色，顆粒之間呈不緊密接觸，表明成巖時期較早，未遭受壓實作用或受壓實作用改造較弱；Ⅱ期方解石膠結物圍繞I期方解石膠結物產出，陰極發光呈橙黃色（圖4a，4b）。Ⅱ期方解石膠結以孔隙式膠結為主，方解石膠結物常呈斑塊狀充填于粒間孔隙和溶蝕孔隙（圖4c）。Ⅰ期白云石呈橙黃色光，以微粉晶聚集成團塊狀產出（圖4d）；Ⅱ期白云石呈不規則晶粒狀，主要賦存于粒間溶蝕孔隙內，常與泥質雜基內碎屑共生，陰極發光呈橙紅色（圖4e，4f）。

綜上所述，研究區發育的裂縫脈體與孔隙賦存的膠結物礦物類型有很好的對應性，均發育方解石、白云石。裂縫中充填了2 期方解石脈體和1 期白云石脈體；孔隙中賦存2 期方解石膠結物和2 期白云石膠結物。由于膠結物是在某種成巖環境中從孔隙水中沉淀出來充填于孔隙、裂縫之中的，為了探究二者在成分、期次及來源上的耦合關系，可采用微區原位元素分析等地球化學測試方法進一步研究。

4 孔縫充填物微區原位地球化學特征

庫車坳陷克深井區孔隙與裂縫中均發育多期次的碳酸鹽膠結物。將礦物微區陰極發光特征與微量元素分析相結合，既能反映巖石礦物內部結構，又能有效分析其成巖流體形成的地球化學環境。選取KS2-2-1 井同深度的孔隙與裂縫碳酸鹽膠結物樣品結合陰極發光特征圈定測點區域（圖5），進行激光微區原位地球化學分析。

結果（表1）顯示，孔縫充填碳酸鹽膠結物（脈體）的δEu 均呈正異常，這與高含量的Eu 礦物（如斜長石）的溶解有很大關系。而不同期次碳酸鹽膠結物中Fe，Mn 含量和部分稀土特征參數均顯示出一定的差異。已有研究表明，碳酸鹽礦物的陰極發光特征主要受Fe 和Mn 元素的影響，其絕對質量分數以及Fe/Mn 值的變化會導致礦物呈現不同的發光特征［28］。同時，Fe，Mn 元素含量與古流體來源及沉積環境密切相關，Fe，Mn 元素含量隨成巖作用的增強而增加［29-30］。

表1 庫車坳陷克深井區KS2-2-1 井白堊系巴什基奇克組砂巖孔縫中的碳酸鹽膠結物的微量元素和稀土元素質量分數Table 1 Mass fraction of trace elements and rare earth elements in carbonate cements filled in sandstone pores and fractures of Cretaceous Bashijiqike Formation of well KS2-2-1 in Keshen well block，Kuqa Depression

Ⅰ期方解石膠結物（CⅠ孔）的Mn/Fe 值相對較高，陰極發光呈亮黃色，具低鐵、低鎂和δCe 呈顯著負異常的特征，說明成礦流體形成于氧化環境條件下。Ⅱ期方解石膠結物（CⅡ孔）Fe，Mn 含量增大，Mn/Fe 值相對較低，陰極發光呈橙黃色，δCe 呈弱負異常，成巖環境的還原性增強；Ⅰ期白云石膠結物（DⅠ孔）Mn/Fe 值相對較高，陰極發光呈亮橘黃色，δCe 呈強烈負異常，說明其形成于氧化環境。Ⅱ期白云石膠結物（DⅡ孔）陰極發光呈橙紅色，δCe 呈正異常，說明其形成過程中還原性成巖流體交代作用增強。

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Ⅰ期方解石脈體（CⅠ縫）陰極發光呈橙黃色，δCe呈弱負異常，與Ⅱ期方解石膠結物（CⅡ孔）相似的陰極發光顏色和Mn/Fe值；Ⅱ期方解石脈體（CⅡ縫）的Fe，Mn 含量升高，陰極發光呈亮黃色。白云石脈（D縫）的Fe，Mn 元素含量很高，陰極發光呈橙紅色。這些微量元素的含量和稀土元素特征參數在一定程度上佐證了陰極發光鏡下孔縫膠結物期次劃分的合理性。

綜上所述，孔隙中的Ⅰ期碳酸鹽膠結物相較于Ⅱ期碳酸鹽膠結物，陰極發光更亮，Fe，Mn 元素含量和Mn/Fe 值更高，指示了碳酸鹽流體成巖環境由開放到封閉，氧化環境到還原環境，淺埋到深埋的特征。同時，Ⅰ期方解石脈體（CⅠ縫）和Ⅱ期方解石膠結物（CⅡ孔）具有相似的成巖特征，為了進一步揭示孔縫流體性質和來源，采用微區原位稀土元素配分模式分析進一步研究。

由于沉積巖中的稀土元素含量對沉積環境的水介質變化有較高的敏感度，除了可以用來劃分流體的形成期次，還可以通過稀土元素配分模式的形態來推斷流體的性質和來源［31-33］。采用激光原位分析技術，結合陰極發光下的礦物特征，在微米級尺度上對孔縫碳酸鹽膠結物進行原位測試，得到不同部位和不同期次微量元素與稀土元素（REE）的含量。本文采用澳大利亞后太古代頁巖（PAAS）的標準稀土含量，對研究區孔縫充填物的稀土元素數據進行標準化處理，得到稀土配分模式（圖6）。

此次研究樣品的稀土元素特征參數見表2 所列，目的層內孔隙與裂縫碳酸鹽膠結物（脈體）的輕稀土元素（LREE）相對重稀土元素（HREE）富集，REE配分曲線右傾，稀土配分模式屬于輕稀土富集型。

表2 庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組砂巖孔縫中的碳酸鹽膠結物稀土元素質量分數Table 2 Massfraction of rare earth elements of carbonate cements filled in sandstone pores and fractures of Cretaceous Bashijiqike Formation in Keshen well block，Kuqa Depression

孔隙所賦存的碳酸鹽膠結物稀土元素配分特征：Ⅰ期方解石膠結物的δCe 為（0.17～0.43）×10-6，平均值為0.26×10-6，δCe 表現為顯著負異常；Ⅱ期方解石膠結物的δCe 為（0.76～0.98）×10-6，平均值為0.86×10-6，δCe 表現為弱負異常（圖6a）；Ⅰ期白云石膠結物的δCe 表現為負異常，δCe 值為（0.77～0.85）×10-6，平均值為0.82×10-6；Ⅱ期白云石膠結物的稀土元素配分模式中δCe 為（1.31～2.32）×10-6，平均值為1.89×10-6，δCe 表現為正異常（圖6c）。由此可見，本區成巖環境可能存在一個相對氧化向相對還原的變化過程。

裂縫中碳酸鹽脈體的稀土配分特征：I期方解石脈的ΣREE 值為（33.83～205.57）×10-6，δCe 值為（0.77～0.85）×10-6，平均值為0.82×10-6，δCe 表現為弱負異常（圖6b）；Ⅱ期方解石脈的ΣREE 值為（345.44～785.42）×10-6，高于Ⅰ期方解石脈，δCe 值為（0.87～0.94）×10-6，平均值為0.91×10-6，δCe 表現為弱負異常。這是因為在埋藏成巖過程中，由于壓實-壓溶作用以及礦物脫水作用，形成一定量的成巖流體，這種流體往往處于相對封閉的環境中，長期條件下流體與圍巖發生水-巖相互作用，使巖石中的稀土元素持續遷移出來，形成稀土元素含量較高的成巖流體，故Ⅱ期方解石脈的總稀土含量要高于Ⅰ期方解石脈。白云石脈的ΣREE 值為（114.77～325.95）×10-6，δCe 值為（0.78～0.85）×10-6，平均值為0.81×10-6，δCe表現為弱負異常。

從流體中沉淀的碳酸鹽礦物帶有其相關流體的稀土元素地球化學特征［34］。在運用稀土元素進行流體來源追蹤的過程中，發現孔隙中Ⅱ期方解石膠結物與裂縫中Ⅰ期方解石脈的稀土元素總量（ΣREE）、δEu 和δCe 等特征參數相似，同時具有相似稀土配分模式。孔隙賦存的Ⅱ期方解石膠結物和裂縫充填的Ⅰ期方解石脈是由同一來源的成巖流體沉淀而來。

5 孔縫成巖流體期次及來源

通過對庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組孔隙和裂縫中充填的碳酸鹽膠結物（脈體）進行陰極發光分析，認為該區存在多期次的成巖流體。學者們針對區內砂巖中碳酸鹽膠結物流體包裹體進行了均一溫度測試，發現孔隙和裂縫中發育多期次的成巖流體。毛亞昆等［35-36］和李玲等［37-38］對孔隙膠結物中賦存的鹽水包裹體進行均一溫度測定，發現存在2 期方解石膠結物，Ⅰ期方解石膠結物形成溫度介于80～90 ℃，Ⅱ期則介于100～120 ℃；還存在2 期的白云石膠結物，Ⅰ期形成溫度介于90～100 ℃；Ⅱ期介于120～130 ℃。而孫可欣等［39］和張月等［40］則對裂縫的碳酸鹽脈體進行鹽水包裹體均一溫度測定，發現該區存在2 期方解石脈體，Ⅰ期形成溫度為110～130 ℃，Ⅱ期形成溫度介于140～150 ℃；存在1 期形成溫度介于150～160 ℃的白云石脈體。

根據已有的膠結物及脈體內流體包裹體顯微測溫數據［35-40］，結合研究區構造埋藏史-熱演化史（圖7），可以看出，庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組儲集層孔縫體系中存在同期次的碳酸鹽成巖流體，即賦存于孔隙中的Ⅱ期方解石膠結物和裂縫中產出的Ⅰ期方解石脈體，二者大概在距今9.0～12.2 Ma發生沉淀。結合陰極發光分析和微區原位微量元素分析得知，二者陰極發光均呈橘黃色，Mn/Fe 值相似，形成于相對封閉的成巖環境；δCe 均表現為弱的負異常，說明其形成于弱氧化-還原的成巖環境；稀土配分模式相似，即由同一來源的成巖流體沉淀形成。

6 石油地質意義

庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組儲層孔縫體系中，發育的成巖流體存在期次和來源上的耦合關系，即存在同一套的碳酸鹽流體進入孔縫縫網體系。從能量守恒的角度分析，同一套碳酸鹽流體優先進入裂縫中，從而對周邊孔隙形成一種保護。這對庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組儲層的孔隙演化有了間接控制作用，對于孔隙的規模保存有建設性的意義，有利于深入了解深層孔縫型砂巖儲層的控制因素，同時為預測優質儲層分布提供理論依據。

7 結論

（1）庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組砂巖孔縫充填碳酸鹽中，均發育有方解石和白云石。其中，孔隙中發育2 期方解石膠結物，2 期白云石膠結物；裂縫中發育2 期方解石脈體，1 期白云石脈體。

（2）庫車坳陷克深井區白堊系巴什基奇克組裂縫中Ⅰ期方解石脈與孔隙中Ⅱ期方解石膠結物在成礦流體成分、期次、來源上具有相似性。

（3）庫車坳陷克深井區深層孔縫型碎屑巖儲層的孔隙與裂縫中的流體具有同期同源性，孔隙的規模保存有重要意義，為裂縫充填背景下的油氣高產提供了理論支持。