中國油氣勘探開發中的沉積學研究新進展與發展方向

摘 要 【意義】沉積學發展與石油、天然氣等礦產資源工業化開采緊密相關，與油氣勘探開發實踐相互促進，碳酸鹽巖沉積學、深水重力流沉積學、細粒沉積學的發展，促進了全球海相碳酸鹽巖油氣、深水油氣、非常規油氣的規模增儲增產。【進展】近年來，我國含油氣盆地沉積學在源—匯系統與沉積過程正演模擬、陸相頁巖沉積特征及對含油氣性的影響、深層—超深層碳酸鹽巖儲層發育與保持機理、低滲—致密碎屑儲層非均質性成因分析與評價等方面取得了一系列新的進展，指導了油氣勘探生產中的有利區帶評價優選、井位部署、開發方案制定。【結論與展望】隨著油氣勘探實踐的不斷發展推動，向深層—超深層、非常規、復雜儲層等領域拓展，源—匯系統沉積學與沉積正演模擬技術創新、陸相頁巖沉積學、儲層非均質性定量評價與智能分析系統是未來重要的發展方向，相關的研究認識必將為推動全球及中國油氣工業高質量發展和陸相頁巖革命做出新貢獻。

關鍵詞 源—匯系統沉積學；深層—超深層儲層；陸相頁巖沉積學；智能巖心技術

第一作者簡介 朱如凱，男，1968年出生，博士，教授級高級工程師，沉積儲集層與非常規油氣地質，E-mail： zrk@petrochina.com.cn

通信作者 孫龍德，男，博士，中國工程院院士，教授級高級工程師，油氣勘探開發研究與工程實踐，E-mail：sunld-tlm@petrochina.com.cn

張天舒，女，博士，高級工程師，層序地層學與細粒沉積學，E-mail： zhangtianshu@petrochina.com.cn

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

沉積學是以露頭巖心觀察、實驗分析、物理數值模擬為主要分析方法，系統研究沉積（物）巖的物理和化學特征及其形成過程（包括沉積物搬運、沉積過程和沉積巖形成機理）的一門學科[1?2]。自19世紀后期沉積學開始從地層學中分離出來，至今已有約170年的歷史。沉積學的發展與石油、天然氣等礦產資源工業化開采緊密相關，與油氣勘探開發實踐相互促進。尤其是近年來，隨著非常規油氣勘探開發的不斷推進，將頁巖作為研究對象取得的一系列革命性的研究認識，助推了頁巖油氣勘探開發實踐不斷獲得新發現。非常規等油氣勘探開發實踐中遇到的科學難題同時也促進了沉積學衍生出細粒沉積學、頁巖沉積學和非常規沉積學等新的分支學科。國內外學者不斷總結分析了與油氣工業相關的沉積學研究進展[3?8]。本文回顧了沉積學及其分支學科在油氣勘探開發中的重要推動作用，介紹了國內外近期在含油氣盆地研究中的沉積儲層研究進展，包括源—匯系統沉積學與沉積過程正演模擬技術、頁巖沉積學與黑色頁巖系統、深層—超深層碳酸鹽巖儲層發育與保持機理、低滲—致密碎屑儲層非均質性成因分析與評價、智能巖心分析技術。展望了新的發展形勢下沉積學未來的攻關方向，為推動中國油氣工業高質量發展和陸相頁巖革命做出新貢獻。

1 沉積學發展與油氣勘探實踐

1849年，英國地質學家Sorby[9]首次使用偏光顯微鏡研究沉積巖的薄片，從此，沉積學的研究領域從宏觀深入到了微觀。1906年，Gilbert[10]利用水槽實驗研究沉積過程。1913年，Hatch et al.[11]出版第一本沉積學專著《沉積巖石學》。Udden[12]首次將粒度分析應用于沉積過程研究。Illing[13]提出重礦物對比應用于石油勘探的地層對比。Wentworth[14]提出符合流體力學規律的碎屑顆粒粒級界限，沉積物粒級的劃分走向科學量化。Wadell[15]提出“沉積學”概念，標志著沉積學已成為一門獨立的學科。沉積學于20世紀40—50年代在中國興起，潘鐘祥提出“陸相生油”理論，指導中國陸相盆地石油勘探于1959年發現大慶油田[16]。20世紀50—80年代，沉積盆地中油氣勘探開發實踐對沉積學研究不斷提出新的研究對象，衍生出碳酸鹽巖沉積學、深水重力流沉積學等分支學科，濁流沉積得到了充分的重視，一系列為滿足勘探開發需要的深水扇沉積模式先后被提出，這一時期海相碳酸鹽巖和深水油氣勘探獲得重大進展[17?18]。Vail et al.[19]將地震地層學發展起來，引起了層序地層學的革命。此后，經典層序地層學、成因層序地層學、海進—海退（T-R）層序、高分辨率層序地層學先后興起并被廣泛應用于海相、陸相盆地預測砂體展布，成為全球油氣勘探開發實踐的重要基礎理論和技術方法[20?21]。2000年以來，以致密油氣和頁巖油氣為代表的非常規油氣資源已逐漸成為全球新增化石能源供給的重要領域。沉積學的研究尺度從千米、米等大尺度向厘米、毫米、微米和納米等小尺度拓展[3?4]，細粒沉積學、頁巖沉積學[22]和非常規油氣沉積學等新的分支學科創立[7]，開啟了全球頁巖油氣革命。同時，沉積學重大革命性研究成果的應用也推動了油氣勘探領域的拓展和可采儲量的增長（圖1）。

1.1 碳酸鹽巖沉積學

Peters（1863）觀察到達斯坦石灰巖中的有孔蟲，并強調了偏光顯微鏡對巖石學研究的作用[23]，Uddenet al.[24]利用偏光顯微鏡研究石灰巖微相，成果應用于美國油氣勘探。Folk[17]將碎屑巖的成因觀點引入到碳酸鹽巖結構成因分類，對碳酸鹽巖的成因認識由化學成因轉變為生物碎屑或生物成因，成為一場劃時代的革新。Wilson[25]建立了碳酸鹽巖沉積相模式，完善了碳酸鹽巖沉積學理論體系，推動全球油氣勘探走進騰飛階段。Riding[26]提出微生物碳酸鹽巖分類方案，此后，微生物碳酸鹽巖儲層成為碳酸鹽巖沉積學研究的新熱點（圖2）。

中國海相碳酸鹽巖的油氣勘探歷程與碳酸鹽巖儲層的研究進展密切相關，中國特色的碳酸鹽巖沉積學研究有力促進了我國油氣工業的發展。業治錚等[27]發表《石灰巖的結構—成因分類》一文，提出了國內首個基于機械沉積作用的石灰巖分類方案。馮增昭[28]將石灰巖劃分為三個大的結構類型，建立了石灰巖結構分類體系。曾允孚等[29]出版《沉積巖石學》，系統闡述了碳酸鹽巖巖石學特征及沉積相類型。此后，風化殼巖溶儲層與大氣水巖溶模式、臺緣礁灘儲層與浪控臺緣礁灘模式和臺內白云巖儲層與潮控陸表海臺地潮坪模式的建立，推動了中國碳酸鹽巖油氣勘探歷程開啟了三個階段：20世紀90年代以靖邊氣田為代表的找構造高部位的巖溶型碳酸鹽油氣藏階段、2000年以來以普光氣田為代表的臺地邊緣礁灘油氣藏階段、2010年以來克拉通內幕白云巖新領域拓展階段[3，30]。2015年，魯新便等[31]首次提出碳酸鹽巖斷控巖溶縫洞體（斷溶體）圈閉理論概念。隨著寒武系鹽下白云巖、斷溶體等領域的不斷認識深化，塔里木盆地形成了富滿油田、順北油田兩個地質儲量規模達十億噸級的超深層斷控型特大油氣田[32]（圖3）。

1.2 深水重力流沉積學

Forel[33]首先在瑞士的湖泊中發現由懸浮物引起的高密度流。Johnson[34]引入濁流和濁積巖的概念。Kuenen et al.[35]發表了《濁流為形成遞變層理的原因》一文，自此濁流研究開始受到廣泛重視。Bouma[18]建立了“鮑馬序列”，成為沉積學的一場革命。隨后，在“鮑馬序列”研究基礎上，建立了多個深水沉積扇體模式，如Normark[36]的現代扇模式，Mutti et al.[37]的古代扇模式，以及Walker[38]的海底扇相模式。Vail[39]提出深水沉積由盆底扇、斜坡扇和前積楔復合體組成，這一理論模式被廣泛應用于深水石油勘探。Reading et al.[40]根據沉積物粒度和供給體系建立濁積扇相模式，構建了深水重力流沉積學的基礎理論框架。Shanmugam[41]通過巖心、地震和測井資料揭示了深水沉積的復雜性，指出存在滑塌、滑動和碎屑流搬運和沉積過程，發展完善了重力流沉積學理論體系。2000年以來，從沉積動力學的角度探討重力流沉積演化過程、沉積產物分布及構型要素成為重力流沉積學研究的核心問題。水槽模擬實驗和數值模擬研究技術的興起，使得重力流流體與流態轉化、重力流與底流交互作用，底流（等深流）沉積機理，以及沉積物分布與構型要素等進一步明確[42?45]。2010年開始，深水實際監測研究技術的應用，直觀展示了濁流的搬運、侵蝕和沉積的全過程[46]。其中，混合事件層的分布對細粒非常規儲集層預測具有重要意義[43，47]。超臨界流沉積研究在一定程度上解釋了重力流水道的成因，為預測深水油氣勘探優質靶區提供了科學指導[47?50]。Paola et al.[51]將源—匯系統的“沉積物質平衡”用于估算沉積盆地填充的沉積通量。此后的研究將層序地層學、旋回地層學和源—匯系統相結合，實現沉積盆地的深水沉積充填類型和有利砂體分布預測[52?56]。源—匯系統的應用使得深水重力流沉積學獲得向定量化“深時”研究發展的新機遇。深水重力流沉積學理論的應用以及地球物理勘探技術的進步推動了全球海相和陸相深水油氣勘探（圖4）。截至2017年，以深水濁積扇為主的全球深水區油氣儲量占油氣發現總儲量的50%[57]。與此同時，中國湖相深水重力流沉積勘探進入快速發展階段，在鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地南堡凹陷及歧口凹陷、松遼盆地和準噶爾盆地等地區取得重要勘探突破[58]，其中，鄂爾多斯盆地隴東地區深湖—半深湖區發現了儲量規模超過數十億噸級的兩個大型油氣田——華慶油田與慶城油田。

1.3 細粒沉積學

細粒沉積學是研究細粒沉積巖的物質成分、結構構造、分類和成因、沉積過程與分布模式的綜合學科[59?60]。細粒沉積巖是指粒級小于62.5 μm的顆粒含量大于50%的碎屑沉積巖，其成分包括黏土礦物、粉砂、碳酸鹽礦物、生物硅質、磷酸鹽礦物、有機質及其他自生礦物等。細粒沉積學的研究對象決定其研究方法更側重于實驗觀察和定量化技術；其研究內容也從大尺度的地層格架、巖石學研究轉向精細地層、礦物屬性及成因研究。20世紀以來，隨著偏光顯微鏡、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、電子探針、鏡質體反射率分析等技術的廣泛應用，細粒沉積巖的組構特征進一步明確，細粒沉積巖的系統分類方法也逐漸完善。細粒沉積巖的巖石類型主要包括泥巖、頁巖、粉砂質泥（頁）巖、泥質粉砂巖和粉砂巖[59，61?62]。

國內外學者起初將頁巖作為生油巖研究，側重于探討其沉積環境及有機質的富集條件。謝家榮[63]于20世紀30年代出版了《石油》一書，提出生油頁巖有兩種類型，即：飽浸石油的頁巖和不含油但蒸餾后可獲得石油的頁巖。Bates et al.[64]1950年將掃描電子顯微鏡引入地質學，開展黏土顆粒三維可視化研究。Millot[65]1964 年出版第一本泥巖書Geologie desArgiles。Picard[66]1971 年提出細粒沉積巖分類。Potter et al.[22]1980年出版《頁巖沉積學》，系統闡述了頁巖的沉積特征。Dimberline et al.[67]1990年分析了半遠洋沉積物的成因，認為有機質富集沉積與海洋表層較高的生產力關系密切。Wignall[68]1994年出版了《黑色頁巖》，從沉積學、古生態學、地球化學、古生產力和有機質保存條件等方面介紹了黑色頁巖的沉積環境，認為豐富的有機質含量是在厭氧環境中形成的。Schieber et al.[60]1998年出版《頁巖與泥巖》，認為頁巖的沉積特征是“均質的”或“無沉積構造的”，是靜水條件下懸浮沉積的產物。進入21世紀，全球非常規油氣勘探開發取得了一系列突破性進展，已成為全球油氣生產的重要組成部分，得益于非常規油氣勘探開發和泥頁巖物理模擬實驗的共同推動，將頁巖作為儲集巖的微觀研究越來越受到重視。頁巖沉積學在巖石學與巖相分布預測、沉積環境判識、紋層結構與成因、有機質富集、儲集空間表征和含油性與可動性等方面取得的一系列顛覆傳統觀點的“非常規”認識，助推了頁巖油氣勘探開發實踐不斷獲得新發現[69]。Schieber et al.[70]在Science 期刊發表水槽實驗文章，表明紋層狀頁巖可在高能水動力條件下形成，這一認識挑戰了傳統認知。Macqueker et al. [71]指出“海洋雪”作用和藻類暴發是細粒沉積物的成因，細粒沉積物并非全部來自靜水條件下的連續懸浮沉降。Ghadeer et al.[72]提出事件沉積對細粒沉積物有機質的保存和稀釋有影響。2019年，黑色頁巖的淺水環境成因得到證實[73]（圖5）。隨著細粒沉積物輸運機制的深入研究，異重流、碎屑流、泥流、濃縮密度流和過渡流等細粒重力流沉積類型被明確定義[74?76]。近年來，眾多學者在中國湖相細粒沉積中識別出這些細粒重力流沉積類型，并認為異重流、過渡流和泥流等將陸源碎屑物質和有機質向深水沉積盆地搬運，影響有機質富集，形成多套源儲組合[77?79]。細粒重力流沉積的研究認識打破了深湖相頁巖均屬靜水沉積的傳統認知，對科學評價中國陸相頁巖油儲集“甜點段”具有重要意義，為陸相頁巖油地質資源評價和可采儲量計算提供科學依據[80]。

2 近期主要研究新進展

2.1 源—匯系統與沉積過程正演模擬

源—匯系統又稱為沉積物路徑系統，物源區碎屑物及溶解物風化剝蝕后經物源通道的搬運，最終在匯水盆地沉積下來，其組成部分主要分為物源區、搬運區以及沉積區[52]。在研究方法上，注重源、渠、匯三要素之間的相互關聯及動態響應機制，而非將三者視為分隔開來的單元，局限在某一要素內[51?56]。在國內，徐長貴[81]較早以渤海海域為例，將從“源”到“匯”的研究思路應用到斷陷湖盆沉積體系研究，并認為可以將沉積物從在物源區被剝蝕、搬運、沉積整個過程當作一個完整的源—匯系統來討論砂巖的發育機制。此后，相繼開展了南海北部珠江口盆地中新統被動大陸邊緣陸—洋源—匯系統剝蝕—沉積過程的研究、復雜陸相斷陷盆地源—匯時空耦合控砂理論等研究。當前，源—匯系統研究的發展體現在三個方向：一是源—匯系統描述，包括源—匯系統地貌單元描述、源—匯系統時空的尺度劃分；二是深時源—匯系統恢復（古地理重建），包括沉積區古地理重建、物源區古地理重建；三是源—匯系統定量表征，主要是沉積通量模型的建立與物源區古地勢恢復。其中，定量表征是源—匯系統研究最為重要的發展方向。

沉積正演是近年來逐漸興起的一種沉積學計算機模擬技術。它遵從控制沉積體系的物理規律，模擬了沉積體系從無到有的形成過程[51，55]。與傳統基于地質統計學的地學建模相比，具有如下優勢：一是沉積正演從初始條件開始順時間軸正向模擬，而地學建模則利用已知井對井間空間進行插值推測；二是沉積正演遵從沉積物侵蝕、搬運、沉積的物理規律，而地學建模主要依據地質統計學建立沉積體系模型。目前，地學建模已經發展到基于訓練圖像的模擬，其建模權重甚至超過了井數據，越來越多的學者嘗試結合地質統計學建模與沉積正演，來實現既能夠遵從實際數據，又能夠反映沉積過程與沉積動力學機制的模型[55]。與概念模型相比，沉積正演可以有效重現沉積學概念模型，可視化定量化預測沉積體系展布特征與規模；與水槽實驗相比，成本低，能夠實現地質空間與時間尺度的模擬，并且通過多種方法重現水槽實驗目前無法實現的地質現象。目前，國內油氣勘探開發中，多應用Sedsim 軟件和Dionisos-Flow沉積正演模擬軟件研究國內典型盆地砂體演化及其連通性、儲層非均質性特征，并用正演建模結果指導地質統計學相控建模[55?56，82]。

近期，筆者開展了準噶爾盆地瑪湖地區二疊系上烏爾禾組深時源—匯系統沉積過程正演模擬，研究流程和技術思路如下：（1）古地貌恢復，通過對研究區上烏爾禾組底界構造精細解釋，基于地震解釋、鉆測井解釋并輔以沉積學綜合分析，運用殘余厚度法進行古地貌恢復，研究表明古地貌整體呈現緩坡淺湖特征，湖盆水深大于50 m，整體順物源坡度大致為1°，西北部為扎伊爾山，西側為中拐凸起，東南部為湖盆中心，中拐凸起到沉積湖盆以及扎伊爾山山腳到沉積湖盆為漸變轉化。（2）古沉積供給恢復，主要通過匯區的沉積厚度以及面積進行估算，通過對研究區鉆測井統計，估算上烏爾禾組一段時期，中拐扇群的平均沉積供給速率為28 km3/Ma，白堿灘扇群的平均沉積供給速率為20.8 km3/Ma，上烏爾禾組二段時期，中拐扇群的平均沉積供給速率為23 km3/Ma，白堿灘扇群的平均沉積供給速率約為18 km3/Ma。（3）古湖平面變化恢復，根據粒徑分布和顏色分布特征研究湖平面變化，半定量地以泥巖和砂礫巖的分界線為大致湖岸線范圍，可以看到湖盆范圍自老到新逐漸擴大，湖岸線逐漸向北遷移，遷移距離大致為10 km。（4）古沉積過程恢復，通過對巖心觀察以及分析化驗資料，發現研究區廣泛發育洪流、牽引流以及碎屑流三種流體。在此基礎上，輸入相應參數，建立沉積正演模型，研究區南北向長度為100 km，東西向長度為80 km，研究區東南角大地坐標為（X 15 400 000，Y 5 000 000），網格分辨率為1 km×1 km。模擬時間段為從267.7 Ma，到250.6 Ma，時間步長為0.3 Ma，總層數為57層（圖6）。總體認為，研究區為淺水湖盆，湖岸線遷移頻繁，湖岸線大致分布在坡上區域，扇三角洲平原欠發育，但前緣發育良好，延伸距離長。沉積物供給大、沉積物入湖較晚、坡度大并非礫石在緩坡長距離搬運的關鍵，而洪流強度大和水流量高，即強水動力為礫石扇體延伸長度增大的主要成因。

2.2 陸相頁巖沉積特征及對含油氣性的影響

常規油氣勘探的研究對象是湖相沉積中厚度占比小于30%的砂巖儲集體，主要研究沉積動力學條件與沉積體系特征、源—匯系統與儲集體分布、毫微米級的孔喉與裂縫體系、油氣運移與充注；而頁巖油氣勘探的研究對象是湖相沉積中厚度占比大于60%（湖盆中心區大于90%）的頁巖，主要研究紋層結構與巖相組合、有機質富集機理、微納米級的孔喉與頁理縫體系、油氣生成與富集規律。中國陸相沉積盆地發育多套湖相泥頁巖層系，具有分布范圍廣、沉積環境豐富和巖性復雜的特點。

本文以松遼盆地南部長嶺凹陷青山口組為例，研究了陸相頁巖沉積成因特征。松遼盆地現今面積約26×104 km2[83]。中央坳陷區長期為盆地的沉降和沉積中心，包括黑魚泡凹陷、明水階地、龍虎泡—大安階地、齊家—古龍凹陷、大慶長垣、三肇凹陷、長嶺凹陷、扶余隆起、雙坨子階地和朝陽溝階地，是主要的黑色頁巖和含油氣系統分布區[84]。在物源控制下，盆地南、北沉積體系存在差異，具有巖性復雜、沉積微相變化快的特征，影響頁巖的含油氣性[85]。長嶺凹陷位于中央坳陷區南部，整體呈現東低西高、南陡北緩的向斜構造形態，面積約為6 500 km2，從南向北依次發育三角洲前緣—半深湖—深湖沉積環境[86?87]。青山口組一段和二段劃分為兩個湖侵—湖退（T-R）層序，共包括13個準層序組，其中，準層序組1～6對應油層Q1～Q6，準層序組7～9對應油層Q7～Q9，是現階段松遼盆地青山口組頁巖油重點勘探開發層段[79]。

根據長嶺凹陷余字井地區C1井111個巖石樣品的XRD全巖礦物分析數據，黏土礦物含量最高，平均為37.6%，石英次之，平均含量為28.5%，長石類礦物平均含量為12.8%，其中，斜長石含量為11.7%，并含有少量碳酸鹽礦物、磷灰石、菱鐵礦和黃鐵礦。按照長英質礦物（石英和長石）、黏土礦物和碳酸鹽礦物的含量以50%為界限劃分為4個礦物巖石類型：黏土型、長英型、混積型和碳酸鹽型。基于巖心、薄片、XRF、312塊/次地化及測井數據分析，建立了巖相—沉積相—化學相—測井相—儲集空間圖版（圖7）。共識別出7種巖相，其中頁巖發育3種巖相，分別為黏土頁巖、混積頁巖和長英頁巖。頁巖發育5種紋層組合，分別為黏土礦物紋層、黏土礦物+長英質粉砂紋層、黏土礦物+介形蟲紋層和黏土礦物+長英質粉砂紋層+介形蟲紋層和黏土礦物+碳酸鹽礦物紋層。不同類型巖相的沉積成因和搬運機制存在差異，在縱向上最終以混合事件層[75]沉積在深湖區。黏土頁巖以半深湖—深湖相的靜水和泥流沉積為主，混積頁巖和長英頁巖以半深湖相的異重流、濁流及其過渡流沉積為主。

游離烴（S1）與有機質豐度（TOC）的比值為游離烴飽和程度（OSI），可反映原油可動性[88]。長嶺凹陷C1井青山口組一二段OSI值介于28～206 mg/g，主要集中在100 mg/g左右，不同巖相含油飽和度指數具有明顯差異。其中，由于有機質豐度與游離烴含量較低，白云巖具有最低的OSI值，平均為57 mg/g，含油性較差。介形蟲灰巖、混積頁巖、長英頁巖和黏土頁巖三類頁巖的OSI值接近，平均值為80 mg/g。從圖8a中可以看出，混積頁巖、長英頁巖和黏土頁巖在TOC大于2%后，OSI值普遍更低，反映了對于頁巖而言，自由烴增加量相比于有機質豐度增加量小，說明較高的TOC值不一定具有較高的可動性。粉砂巖具有最高的OSI值，平均為122 mg/g，具有明顯的超越效應，可動性最好。

熱解烴（S2）與TOC的比值為氫指數（HI），反映了烴源巖的生烴潛力[89?90]。長嶺凹陷C1井青山口組一二段的HI值介于245～407 mg/g，其中，白云巖和介形蟲灰巖的HI值最低，為270 mg/g左右，粉砂巖HI值為374 mg/g。不同頁巖巖相的HI值亦有差異，混積頁巖的HI值最低，為356 mg/g，長英頁巖的HI值為368 mg/g，黏土頁巖的HI值最高，為407 mg/g。當TOC大于2%，三類頁巖的HI值相對較高，普遍大于400 mg/g，反映了高TOC具有較高的生烴潛力。

2.3 深層—超深層碳酸鹽巖儲層發育與保持機理

尋找深層（埋深4 500～6 000 m）、超深層（埋深大于6 000 m）乃至萬米深層油氣資源已成為當今油氣勘探的現實需求及重要趨勢，深層、超深層勘探對象主要為碳酸鹽巖、碎屑巖、火山巖、變質巖。但深層—超深層是否發育規模優質儲層長期存在爭議，隨著油氣勘探向縱深推進，全球范圍內發現了數量眾多的深層—超深層大油氣田，同時，鉆井巖心揭示深—超深層碳酸鹽巖（尤其是白云巖）孔隙度與埋深關系不明顯，在深層—超深層碎屑巖與火山巖地層也發育多個次生孔隙發育帶，證實深埋藏環境不缺乏規模優質儲層，但規模優質儲層成因和分布依然是深層—超深層油氣勘探面臨的關鍵科學問題。

我國海相碳酸鹽巖油氣勘探實踐證實，深層—超深層主要發育（裂縫）—孔洞型白云巖儲層和巖溶縫洞型灰巖儲層。

深—超深層（裂縫）—孔洞型白云巖儲層既有保留或殘留原巖礁（丘）灘結構的白云巖儲層，也有晶粒白云巖儲層，儲集空間以孔隙（lt;2 mm）和孔洞（2 mm～5 cm）為主。塔里木盆地肖爾布拉克組、蓬萊壩組、鷹山組下段和四川盆地燈影組、龍王廟組、棲霞組—茅口組、長興組—飛仙關組普遍發育該類儲層。研究認為深—超深層白云巖儲層仍具有相控性，礁（丘）灘沉積是基礎，儲集空間主要形成于沉積和表生環境，以原生孔和表生溶蝕孔洞為主，繼承性大于改造性；深—超深層白云巖通過埋藏—熱液溶蝕作用可以形成埋藏溶蝕孔洞，甚至可以局部富集，但埋藏環境主要為孔隙保持、富集或貧化的場所，增孔和減孔量總體處于平衡狀態；早期白云石沉淀（或白云石化）具有很高的保持早期孔隙的潛力，基于成巖演化微區多參數實驗分析技術，建立了五種成因類型白云石（巖）地質和地球化學特征（表1）。

深層—超深層可以發育孔隙（洞）型、裂縫—孔隙（洞）型白云巖儲層，具相控性，多孔礁（丘）灘沉積（包括含膏鹽碳酸鹽沉積）是基礎，儲集空間主要為沉積原生孔和早表生溶孔，部分來自埋藏—熱液溶蝕作用并可發生局部富集，埋藏溶蝕孔洞沿先存孔滲發育帶分布，與先存孔隙（洞）具繼承性，早期白云石化具很高的保持早期孔隙的潛力。

巖溶縫洞型灰巖儲層包括潛山巖溶儲層和內幕巖溶儲層兩大類，內幕巖溶儲層又包括層間巖溶儲層和斷溶體儲層兩類，均位于大型不整合面或碳酸鹽巖內幕暴露面之下，或與走滑斷裂伴生，儲集空間以巖溶孔洞（2 mm～5 cm）、溶洞（5～50 cm）和洞穴（gt;50 cm）為主[31?32，92]。同沉積暴露巖溶、層間和潛山巖溶控制早、晚表生兩類巖溶縫洞的發育，走滑斷裂疊加表生巖溶作用導致斷溶體儲層呈柵狀規模發育，溶蝕模擬實驗揭示巖溶縫洞（孔洞）的發育具相控性，主要發育在泥粒灰巖中，顆粒灰巖、粒泥灰巖和泥晶灰巖中少見，巖溶縫洞的保持深度可達10 000 m。

2.4 低滲—致密碎屑儲層非均質性成因分析與評價

油氣勘探儲層，日趨面臨類型多樣化、品質劣質化、評價難度大的問題。一是，儲層低品質化趨勢明顯，新增石油探明儲量品位明顯變差，建產難度加大；二是，針對低品質、復雜儲層，分析測試與評價預測技術方法需完善和研發。目前常用的微觀巖礦鑒定、成巖作用分析與孔隙演化恢復、有利儲集體分布規律與預測評價等儲層分析和評價相關技術，在20世紀60年代已經成熟，并沿用至今。油氣儲層研究和勘探生產必須與大數據和人工智能相結合，以實現儲層分析評價的高效化、定量化和智能化。本文重點以鄂爾多斯盆地延長組長8低滲—致密砂巖儲層、準噶爾盆地阜康凹陷二疊系上烏爾河組砂礫巖儲層為例闡述研究進展。

鄂爾多斯盆地長8油層組儲層以細—中粒、中粒巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖等為主，填隙物以黏土礦物、鈣質、硅質膠結為主，含量介于9%～12%。原生孔隙和次生孔隙均發育，也存在少量微裂隙。孔隙類型組合以粒間孔—溶孔為特征，面孔率介于2.62%～4.38%。縱向上沉積作用差異造成的粒度、分選及泥質含量差異，導致儲層縱向極強的非均質性，加之不均一的溶蝕作用，儲層縱向物性非均質性更強。通過大量統計及相關性分析，結合生產實踐，優選沉積微相類型、砂體結構、物性、孔喉、滲流等參數，定量分析各參數分布狀況及參數間相關性，建立了儲層綜合分類評價標準，評價預測了長8段低滲—致密砂巖儲層在平面上儲層分類圖（圖9）。油藏主體受烴源巖分布控制，油藏發育區主要位于有利生烴中心烴源巖發育區；在有利生烴范圍，油藏能否成藏及含油富集程度則主要受儲層品質的控制。

阜康凹陷二疊系上烏爾河組砂礫巖儲層巖心中礫石以次棱角狀為主，且含有較多泥質，整體為扇三角洲沉積。上烏爾禾組為巖屑砂（礫）巖，石英含量介于1%～18%，平均為6.9%；長石含量介于1%～22%，平均為7.6%；巖屑含量介于68%～100%，平均為85.5%，巖屑成分主要為火山巖，以凝灰質巖為主，含量占巖礦組分的70%以上，其次為安山巖、霏細巖，少量花崗巖。填隙物類型有泥質、方解石、硅質、濁沸石及高嶺石，其中以泥質為主，含量介于2%～12%，成分主要為伊利石和蒙皂石，其成因和火山灰填隙物的蝕變有關；濁沸石含量介于0～3%，整體含量較低，其成因和火山灰水解蝕變有關。孔隙度介于0.81%～15.5%，平均為7.31%，中值為5.24%，滲透率介于（0.02～3.15）×10-3 μm2，平均為0.06×10-3 μm2，中值為0.03×10-3 μm2。高壓壓汞結果顯示，上烏爾禾組較好儲層段壓汞曲線揭示的排驅壓力為1.36 MPa，孔喉主要介于0.16～0.40 μm，孔喉半徑中值為0.19 μm，最大進汞飽和度可超過90%。

儲層物性主要受填隙物含量和巖性（粒度）雙重因素影響，填隙物和巖性與沉積相關系密切。面孔率和填隙物含量呈負相關關系，填隙物含量越高，面孔率越低，儲集物性越差，中砂巖物性較好，而砂礫巖物性相對較差。總之，低泥質含量的中砂巖以及部分細砂巖，儲層物性最佳。此外，斜坡區上烏爾禾組局部井段發育沸石類礦物，特別是濁沸石，在有機酸條件下容易溶蝕，形成次生孔隙，改善儲層物性，可以在局部地區形成相對優質儲層。

通過埋藏史、成巖作用和孔隙演化的綜合研究，建立斜坡區上烏爾禾組成巖—孔隙演化模式。儲層孔隙由壓實作用、方解石膠結作用減小至15%左右，隨后在伊利石、石英膠結等作用下進一步減小至現今的5%～8%，局部層段由于溶蝕作用孔隙度可達10%。除上述儲層內因外，超壓和裂縫對儲層滲流性能的改善作用較大。康探1井和阜49井上烏爾禾組取得高產工業油氣流，特別是康探1 井，5 116～5 121 m 試油層段，4 mm 油嘴試油獲得日產油132.01 m3，日產氣11 190 m3；4 994～5 066 m 試油層段，6 mm 油嘴試油獲得日產油114.54 m3，日產氣6 000 m3。綜合分析認為裂縫和高壓是油氣高產的主要因素。單井原油產量與壓力系數有明顯正相關性，高產井區壓力系數高達1.7以上，低產井壓力系數在1.5左右。除了超壓對油氣高產的貢獻之外，裂縫發育程度是油氣高產的另一個主要因素，阜49—康探1井位裂縫發育區，從FMI裂縫解釋結果以及聲波遠探測成果表明裂縫的發育，阜48井則裂縫不發育。油氣產量與裂縫發育程度具有顯著的正相關關系。裂縫對儲層孔隙度貢獻有限，但裂縫的發育能夠大大改善儲層滲透性。

3 發展方向

沉積學的發展與油氣勘探開發實踐密不可分。沉積學重大革命性研究成果的應用推動了油氣勘探領域的拓展和可采儲量的增長；同時，碳酸鹽巖、深水碎屑巖、非常規、深層—超深層等油氣勘探開發實踐中遇到的科學難題促進了沉積學研究方法的創新與集成，隨著油氣勘探實踐的不斷發展推動，必然衍生出新的沉積學分支學科及新的學科增長點。

3.1 源—匯系統沉積學與沉積正演模擬技術創新

完整的源—匯系統分析著眼于物源體系、沉積物搬運路徑、沉積物分配關系、系統內的各要素及其耦合作用，需注重多時間尺度的定量表征、多學科交叉的動態研究，有必要建立新的分支學科——“源—匯系統沉積學”。與傳統沉積學相比，“源—匯系統沉積學”的先進性體現在四個方面：一是源—匯系統不再局限于沉積學和層序地層學研究中的沉積區，將研究區域擴展到剝蝕區和搬運區；二是結合地貌學研究，重視建立地表地貌與地下地質的相互關聯，綜合運用源區的地貌學特征預測匯區的沉積學現象；三是源—匯系統更注重通過定量/半定量分析，建立物源搬運和沉積整個過程的定量響應關系，提高沉積體預測的精準度；四是源—匯系統遵從正演思路，力求重塑沉積物從源到匯的侵蝕、搬運、沉積的動態過程，深刻揭示沉積體成因機制。具體的研究內容及方向包括以下方面。

（1）“ 將今論古”是深時源—匯系統的重要思想指導，關鍵在于細化約束條件以進行古今對比，即類比、構建現代源—匯系統地質要素的多元統計數值模型，為深時源—匯系統研究提供指導；深時源—匯系統的研究過程是古物源、古地貌、古地勢、古氣候、古流域、古水系、古岸線、古水深、古環境等多參數的定量化分析，地質學、地貌學、氣候學、水力學、計算機科學及統計學等多學科的融合，定性、定量等多維度多方法的交叉。

（2） 源—匯系統是一個動態變化的整體，用靜態的古地理重建較長地質時間內的古地理并估算平均沉積物供給速率的思路和方法，不足以反映源—匯系統的演化過程。地質演化（特別是動態的沉積物供給）受地質事件的影響較大，對時間尺度超過106年的沉積供給量進行平均，顯然無法捕獲短期內供給量的波動變化，亟需攻關精確的沉積巖測年技術，建立高精度年代地層格架。

（3）“ 物源區—搬運區—沉積區”三大地貌單元經由沉積物物質平衡互相聯系，如何更好地將古物源區、搬運區的信號傳播、沉積區保存的地層聯系起來仍然是一個挑戰。地層記錄的形成受構造運動、氣候條件及水平面變化影響，源—匯系統與地球動力學結合，能夠更好地將構造過程與沉積記錄聯系在一起。

（4） 源—匯系統關鍵地質參數之間的耦合關系研究需加強與正演模擬相結合的動態化研究。數值模擬和物理模擬有助于理清“剝蝕—搬運—沉積”過程的耦合模式及系統驅動機制，數值模擬以相對真實的沉積背景為約束條件，綜合參數進行模擬計算，基于幾何模型、擴散模型和流體流動模型的地層正演模擬可以預測沉積體的分布模式，重建沉積區古地理。

（5） 內陸湖盆源—匯系統存在多個物源供給、沉積物混合的問題，復雜的構造背景及沉積體系使研究難度更高。當前對陸相湖盆源—匯系統的定量研究仍較為匱乏，常以某一時期某個陸相湖盆為研究對象，利用多元數值統計學方法構建各系統要素之間的關系，尚未建立成熟的研究方法和通用的源—匯系統模式與預測模型，地質參數數據庫還需要進一步完善。針對中國陸相含油氣盆地特點，有必要在源—匯系統沉積學指導思想下，開展陸相含油氣盆地巖相古地理再認識與勘探新領域研究，研究陸相沉積體充填演化模式與新類型成因機理、陸相盆地古地理恢復技術與沉積體精細刻畫技術研究、陸相盆地原型演化、構造—沉積響應與古地理再認識、陸相含油氣盆地源儲配置關系與勘探新區新領域評價等，提出新領域，發現新層系和新的資源類型。

3.2 陸相頁巖沉積學

近期，Jin et al.[93]從地球系統科學角度揭示了有機碳循環和黑色頁巖沉積規律，指出巖石圈演化驅動有機碳循環，軌道力控制氣候變化和沉積旋回，風化作用控制氣候和營養物供給，生物的光合和呼吸作用控制有機質豐度。同時，有學者通過天文旋回的研究，探討了天文旋回與有機質富集的關系，如Zhang et al.[94]研究認為地球軌道40萬年長偏心率周期驅動鄂爾多斯盆地中三疊統長7段湖泛期富有機質頁巖層序發育、古生產力與有機質保存的高頻波動；長7段相對較低的沉積速率，降低了對有機質的稀釋。Wei et al.[95]通過準噶爾盆地下二疊統蘆草溝組天文旋回的研究，揭示了地球軌道120萬年超長斜率周期與高頻軌道周期的疊加驅動晚古生代冰期期間的湖平面變化與陸相頁巖有機質富集。陸相湖盆富有機質多形成于缺氧含鐵環境，沉積物有機質礦化過程多由異化鐵還原介導，淡水湖盆間歇性硫化較為明顯。相對來說，陸相頁巖沉積比海相頁巖沉積規模更小，非均質性更強，亟須建立“陸相頁巖沉積學”新的沉積學分支學科，基于沉積學、石油地質學、有機地球化學、納米科學等多學科融合，應用數字化新技術方法，建立不同學科知識體系和實驗技術的交叉聯網，從細粒沉積物形成、搬運、沉積、成巖演化等系統中的物理、化學和生物作用，以及礦物、有機質、孔隙、流體和相態等靜態和動態演化過程入手，加強陸相頁巖層系的巖相、紋層組合和有機質的平面分布預測等領域的技術研發和應用，服務于頁巖油氣勘探開發實踐，陸相頁巖沉積學的發展必將開創沉積學研究領域新的里程碑成果，為推動中國“陸相頁巖油”革命作出貢獻。

3.3 儲層非均質性定量評價與智能分析系統

不管是深層—超深層儲層、低滲—致密儲層，還是頁巖油氣儲層，儲層非均質性導致的含油氣富集差異性均是困擾勘探生產中的有利區帶評價優選、井位部署、開發方案制定的關鍵問題。傳統儲層非均質性評價主要依托露頭、巖心、測井、物性等數據資料，以宏觀為主，開展層間、層內、平面和孔隙結構等方面的分析。有必要基于儲層孔隙、裂縫發育保持機理的新認識，建立從傳統巖心分析向智能巖心分析、從傳統儲層成巖作用研究向智能成巖相系統分析、從傳統儲層非均質性評價向智能儲層非均質性評價的轉變發展，建立評價方法體系，預測有利儲層分布。

（1） 智能巖心技術。巖心是石油勘探開發的一手數據，是最為準確、最為直觀的金標準手段；巖心分析可為油氣成烴成儲成藏史研究、提高采收率和尋找優質儲量提供支撐。隨著石油勘探開發轉向深層—超深層和非常規，儲層非均質性強，原有基于巖心的單點式分析已不能滿足需要，必須將多種尺度的巖心圖像和巖心實驗數據進行綜合分析，發展智能巖心技術。智能巖心技術是指以多尺度巖心圖像和巖心實驗數據為分析對象，利用深度學習、計算機視覺等技術實現油氣儲層礦物組分、結構組分、孔隙結構、巖石結構等方面的智能分析和表征，綜合分析巖心圖像、巖心實驗的多模態數據，利用人工智能技術實現基于巖心的全面、智能、量化儲層微觀表征。同時，通過顯微設備與人工智能軟件相結合，利用深度學習、計算機視覺等技術實現多尺度巖心圖像的智能分析，融合物性、粒度等巖心分析和專家經驗等多模態數據，實現基于巖心圖像的儲層礦物成分、巖石結構、孔隙結構等全面精細量化表征，真正做到“所學即所得”。智能巖心技術的研發有助于推動儲層評價向更加精準、量化、直觀、全面的方向去變革。

（2） 智能成巖相分析系統。常規的儲層成巖作用及成巖相研究是通過巖礦鑒定成巖礦物，定性判識成巖流體、成巖環境，同時根據成巖演化序列分析確定成巖作用對儲層孔隙演化的控制作用，確定成巖相類型，再結合沉積相、測井相、地震相等確定成巖相分布，進而預測有利儲層和成巖圈閉分布，發展趨勢是先進行測井、薄片、巖性、物性等多數據錄入，通過層次聚類、K-最近鄰算法（KNN）等深度學習和機器學習，實現成巖相智能分類、邊界識別和可視化輸出，形成成巖相分布單井、連井及平面圖件，指導有利儲層評價預測。

（3） 智能儲層非均質性評價技術體系。應用包括露頭、巖心、測井、實驗分析等由納米到千米尺度的數據，分析儲集體非均質性、物性非均質性、成巖非均質性、含油非均質性，形成儲集體展布圖、物性分布圖、成巖相分布圖、含油氣飽和度分布圖等一系列關鍵圖件，分別明確儲集體的規模形態、儲層儲集性能、儲集空間的類型、儲層的飽和度分布，指導有利區評價優選。

4 結論

（1） 沉積學的每一次重大革命性研究成果的應用均推動了油氣勘探領域的拓展和可采儲量的增長。碳酸鹽巖沉積模式的建立，促進了20世紀60—70年代油氣儲產量的高峰增長；巖溶儲層與斷溶體的新認識，促進了我國21世紀以來儲產量的規模增長；深水重力流沉積學的新認識，促進了自20世紀90年代以來深水油氣勘探的大發現和儲產量增長；細粒沉積學的新認識，促進了自21世紀開始的非常規頁巖油氣儲產量規模增長。

（2） 通過建立源—匯系統分析方法與沉積過程正演模擬技術，我國在不同含油氣盆地砂體演化及其連通性、儲層非均質性等方面取得重要進展；通過典型盆地陸相頁巖沉積學研究及儲集性、含油氣性等分析研究，指導儲集層劃分和甜點識別，為精細地質模型的構建提供了關鍵地質參數；通過深層—超深層碳酸鹽巖儲層發育與保持機理、低滲—致密碎屑儲層非均質性成因分析與評價研究，評價預測了有利儲層分布；研究成果有效指導了有利儲層評價和勘探部署及增儲增產。

（3） 隨著油氣勘探實踐的不斷發展推動，必然衍生出新的沉積學分支學科及新的學科增長點，應用數字化新技術方法，建立不同學科知識體系和實驗技術的交叉聯網是必然趨勢，源—匯系統沉積學與沉積正演模擬技術創新、陸相頁巖沉積學、儲層非均質性定量評價與智能分析系統是中國含油氣盆地沉積學研究的重點發展方向。

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基金項目：國家自然科學基金項目（42090020，42090025）；中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術開發項目（2019E2601）；黑龍江省“揭榜掛帥”科技攻關項目（2021ZXJ01A09）