塔里木盆地库车坳陷东部下侏罗统煤系地层致密砂岩储层特征

秦 红，戴琦雯，袁文芳，刘洛夫，曹少芳，苏天喜，张 博，姜振学

（1.中国石油塔里木油田勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000； 2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 3.中国石油大学（北京）盆地与油藏研究中心，北京 102249； 4.中国石油大学（北京）非常规天然气研究院，北京 102249）

0 引言

侏罗纪煤系地层是中国广泛分布的重要含油气层位，在准噶尔盆地、焉耆盆地、塔里木盆地库车坳陷等侏罗系油气勘探中均有重大发现.煤系地层或与煤系地层相邻的储层多为低孔—低渗到特低孔—特低渗的致密储层，储层物性差，成岩作用复杂，有利区预测困难.郑浚茂等研究发现华北石炭—二叠系煤系地层有利储层分布受表生成岩作用控制[1]；朱国华等研究认为浙皖长广地区龙潭组砂岩内中—粗粒以上河道砂岩有利于孔隙的保存[2]；杨晓萍等研究认为鄂尔多斯和四川盆地煤系地层优质储层主要受到不整合面或层序界面、有利沉积相带、酸性水溶蚀作用等因素的控制[3].研究煤系地层的成岩作用与孔隙演化、分析高孔渗储层的形成原理、寻找有利储层分布规律，是煤系地层油气勘探的重要研究内容[4].塔里木盆地库车坳陷东部下侏罗统主要由煤系地层组成，其中依南2井在下侏罗统发现工业气流，储层致密且非均质性强.恢复储层成岩演化序列，分析储层孔隙演化过程，以及库车坳陷东部下侏罗统砂岩储层沉积作用、成岩及构造作用与孔隙演化的关系，有助于寻找有利储层、预测气藏分布.

1 地质概况

塔里木盆地是我国最大的中、新生代内陆沉积盆地.根据下古生界“三隆四坳”的构造格局可将盆地划分为7个构造单元，即库车坳陷、塔北隆起、北部坳陷、中央隆起、西南坳陷、塔南隆起和东南坳陷.研究区位于塔里木盆地库车坳陷东部依奇克里克构造带，北部为天山褶皱带，南部为秋里塔格构造带和阳霞凹陷[5]（见图1）.侏罗纪早期研究区为靠近山前的辫状河三角洲平原，沉积了阿合组的辫状河河道沉积，砂岩粒度较粗、分选较差，在平面上大片分布；阿合组之上的阳霞组沉积时期水体加深，主要为辫状河三角洲前缘及湖泊—沼泽相沉积，阳霞组沉积物主要为泥岩，尤其是顶部的大套泥岩代表在早侏罗世晚期水体已经变深，阳霞组内夹有煤层.

图1 塔里木盆地库车坳陷东部构造分区Fig.1 Tectonic zoning map of eastern Kuqa depression，Tarim basin

2 基本特征

2.1 沉积与岩石学特征

库车坳陷中生界地层发育一套连续沉积、厚度巨大的冲积—湖泊沉积体系，地层中碎屑岩占绝大部分，局部层段夹薄层状泥灰岩，地层层序发育完整.下侏罗统沉积地层自上而下分别为阳霞组和阿合组（见图2）.阳霞组地层厚度为300～700m，砂岩厚度约占地层厚度的30%，是灰色砂（砾）岩与深灰色—浅绿灰色泥岩、碳质泥岩、煤岩互层的煤系地层；阿合组地层厚度为100～500m，砂岩厚度占地层厚度的80%～90%，主要为浅灰—灰白色辫状河三角洲粗碎屑岩沉积.地层厚度自西北向东南变薄，砂岩体积分数及粒度逐渐降低，反映物源距西北更近.

库车坳陷东部下侏罗统属于三角洲—湖泊沉积体系，下部阿合组主要发育辫状河三角洲平原和前缘微相；上覆阳霞组主要发育浅湖、沼泽及辫状河三角洲前缘微相，且煤层发育[6].储层岩石类型主要为岩屑砂岩，部分为长石岩屑砂岩（见图3（a）、（b））.岩屑成分主要为变质岩，其次为岩浆岩，沉积岩最少（见图4（a）、（b））.变质岩岩屑成分主要为石英岩、片岩及千枚岩；岩浆岩岩屑成分主要为中酸性喷出岩及花岗岩；沉积岩岩屑成分主要为细砂岩及泥岩岩屑.镜下观察统计结果表明，粒间泥质体积分数较高，黏土矿物体积分数约为7%，主要为高岭石及伊利石.其他胶结物包括石英加大边及碳酸盐胶结物等，硅质胶结物平均体积分数较低，一般少于0.6%；碳酸盐胶结物平均体积分数略高，一般少于0.7%.颗粒分选为中—好，磨圆以次棱—次圆为主.颗粒间接触关系以点—线接触及线接触为主，部分地区层段为凹凸接触.总体上，塔里木盆地库车坳陷东部下侏罗统砂岩储层成分成熟度较低，结构成熟度中等，不利于储层原生孔隙的保存.

2.2 胶结物成分

库车坳陷东部下侏罗统储层中没有发现大量由方解石、沸石、石膏等成岩作用早期形成的易溶胶结物，原因是煤系地层的成岩作用早期处于酸性水介质环境中.总体上，储层胶结物体积分数较低，一般小于10%；胶结物主要成分包括高岭石、伊利石、硅质、方解石、白云石和菱铁矿等，其中高岭石、伊利石体积分数较高（见图5）.碳酸盐胶结物主要以晚期连晶方解石和铁白云石为主.与其他煤系地层相比，库车坳陷东部早侏罗世地层中伊利石胶结物体积分数较高，石英加大边较窄（见图6）.

一般在成岩早期酸性水介质影响下，储层中高岭石及硅质胶结物体积分数占优势，但是库车坳陷东部储层经历早期快速深埋和长时间成岩演化过程，早期形成的高岭石胶结物在中成岩—晚成岩阶段的碱性水介质环境中向伊利石转化，形成较高体积分数的伊利石胶结物；扫描电镜下可见长石溶蚀、自生钾长石向高岭石及伊利石转化，以及高岭石向伊利石转化等现象[7].在早期硅质胶结物形成期间，快速埋藏作用和较高体积分数的黏土矿物使硅质胶结物加大边的形成受到抑制[8]，表现为储层中硅质加大边级别较高，一般为Ⅱ—Ⅲ级，但加大边宽度较小.因此，在扫描电镜中常见颗粒表面加大的石英晶体，但显微镜中少见广泛分布的石英加大边，仅在局部观察到较窄的加大边现象.

图2 库车坳陷东部下侏罗统三叠系—侏罗系地层柱状图Fig.2 Triassic and Jurassic stratigraphic column of eastern Kuqa depression，Tarim basin

图3 库车坳陷东部下侏罗统储层岩石类型及体积分数Fig.3 Rock types and content of Reservoir bed

图4 库车坳陷东部下侏罗统岩屑成分及体积分数Fig.4 Detritus types and content of Reservoir bed

图5 库车坳陷东部下侏罗统储层黏土矿物体积分数Fig.5 Histogram of clay mineral content of Lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

图6 库车坳陷东部下侏罗统储层石英加大边（依南2C井，4 743.20m）Fig.6 The secondary concrescence of quartz edge（Well Yinan 2C，4 743.20m）

2.3 孔隙类型与物性特征

分析铸体薄片资料表明，库车坳陷东部下侏罗统储层孔隙类型以次生溶孔（粒间溶孔、粒内溶孔）及微孔隙为主，局部发育溶蚀缝及收缩缝（见图7（a））.研究区储层普遍埋深较大，最大埋深为6 000～7 000m，受压实作用等成岩作用影响，原生孔隙（原生粒间孔）基本消失，仅在最大埋深相对较浅（约为4 000m）的明南1井附近发育较多（见图7（b））.

图7 库车坳陷东部下侏罗统储层孔隙类型Fig.7 Reservoir poretypes of lower Jurassic

库车坳陷东部下侏罗统储层现今埋深一般为3 000～5 000m，孔隙度为1%～12%，渗透率为（0.01～10.00）×10－3μm2（见图8（a）、（b）），为低孔—低渗到特低孔—特低渗储层，总体上，储层物性自东向西、由北向南逐渐变差.储层主要发育辫状河三角洲平原—辫状河三角洲前缘河道砂体，非均质性强、物性差异较大[9].后期的成岩、构造等作用使差异加剧，导致即使在成分、粒度、分选和次生矿物体积分数相似的条件下，砂岩储集物性的变化也很大.

图8 库车坳陷东部下侏罗统储层孔隙度及渗透率分布Fig.8 Reservoir porosity and permeability of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression

3 成岩作用

3.1 强压实与压溶作用

库车坳陷东部下侏罗统储层中，岩石颗粒接触形式主要为线接触（≥90%），部分为凹凸或缝合线接触，反映储层压实较强烈（见图9）.压实作用强度与埋深及构造加压作用强度相关，依西地区埋深中等，构造应力较强，储层表现为强烈的压实及压溶作用，颗粒间以线接触—凹凸接触为主，压溶现象及颗粒压裂缝较发育，储层普遍致密，渗透率较低；依南地区压实强度中等，颗粒间以线接触为主，储层致密程度与溶蚀作用强度及粒间填隙物体积分数等因素相关；明南地区埋深较浅，后期抬升较高，压实作用较弱，下侏罗统储层受到表生淋滤作用，发育大量粒间、粒内溶孔，颗粒间以点—线接触为主，物性较好.库车坳陷东部储层压实作用受到差异构造应力及埋藏过程影响，表现为自西向东压实强度逐渐变弱.

图9 库车坳陷东部下侏罗统储层压实作用Fig.9 Reservoir compaction of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

库车坳陷东部下侏罗统阿合组主要发育辫状河河道沉积，岩石粒度较粗，以中—粗砂岩及含砾砂岩为主；阳霞组发育辫状河三角洲前缘水下分流河道及滨浅湖沉积，岩石粒度偏细，泥质体积分数较多.分析储层岩石粒间孔隙发育程度与颗粒间接触关系，认为阿合组中压实作用的效果稍弱于阳霞组的，前者孔隙保存得更好.

库车坳陷东部下侏罗统储层岩石成分主要为岩屑砂岩，其抗压性比石英砂岩的低，压实作用对储层物性的破坏较为强烈.该地区主要发育辫状河三角洲—湖泊沼泽相沉积，砂岩分选较差，杂基体积分数较高，储层原生孔隙中易含有大量杂基，从而降低初始孔隙度.阳霞组储层为含煤地层，沉积初期水介质为酸性，不利于方解石等碳酸盐胶结物生成，储层孔隙之间没有支撑性的易溶胶结物，压实作用效果显著.该地区储层埋深较大，最大埋深为4 000～6 000m，在晚期强烈构造挤压作用下，储层被压实得极为致密.到中成岩A阶段，储层孔隙度减少了15%～20%；现今储层受压实作用影响，孔隙度减少了25%～38%.因此，压实作用是对该地区储层物性影响最大的成岩作用（见图10）.

3.2 多期酸性溶蚀与晚期碱性环境

含煤地层富含水生和陆生植物，埋藏后易产生腐殖酸，使成岩早期具有酸性水介质条件.塔里木盆地库车坳陷东部下侏罗统储层在成岩演化过程中经历的酸性溶蚀作用主要分两期：第一期为近地表的浅埋藏环境，溶蚀对象主要是长石岩屑等易溶组分，溶蚀强度较低，产物主要为酸性环境下的自生高岭石；第二期为中成岩阶段有机酸及CO2对长石及部分易溶岩屑的溶蚀作用.由于部分地区（如明南1井）后期地层抬升作用，导致储层受到表生淋滤作用而经历三期溶蚀.目前储层孔隙主要为次生溶孔与微孔隙，次生孔隙主要为粒内溶孔及粒间溶孔，溶蚀对象为长石、部分岩屑及粒间碳酸盐胶结物[10－12]（见图11）.

图10 库车坳陷东部下侏罗统储层压实作用与胶结作用Fig.10 Comparison between reservoir compaction and cementation of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

图11 库车坳陷东部下侏罗统储层溶蚀作用Fig.11 Reservoir dissolution of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

随着埋藏深度的增加及成岩作用的进行，地层水中酸性物质被逐渐消耗，水介质由酸性转变为碱性，目前储层处于中成岩A2—B阶段，颗粒间为线—凹凸状接触，储层中出现含铁方解石、铁白云石等晚期碳酸盐岩胶结、交代现象（见图12），孔隙度下降.石英加大边表现为Ⅲ级，扫描电镜中可见长石加大及榍石、硬石膏、重晶石等，黏土矿物中高岭石体积分数降低，伊利石体积分数增加.

图12 库车坳陷东部下侏罗统储层交代作用Fig.12 Reservoir metasomatism of lower Jurassic in the eastern Kuqa depression，Tarim basin

3.3 成岩演化与孔隙演化

库车坳陷东部下侏罗统储层次生孔隙普遍发育，主要形成于中成岩A—B期.次生孔隙主要由自生碳酸盐胶结物、长石，以及不稳定的岩屑受到有机酸、CO2和局部抬升剥蚀区的大气淡水的溶蚀、交代作用形成，主要表现为颗粒内部的溶解和部分粒间孔的扩大，喉道细、渗透率较低.该地区次生孔隙主要发育在中成岩A期，部分发育在中成岩B期，有机质处于低成熟—成熟阶段，有机酸和CO2浓度最高.储层在同生—早成岩阶段水介质为酸性—中性，颗粒有少量石英加大及高岭石，I／S属无序混层，颗粒呈点—线接触；中成岩A1—A2阶段水介质为酸性（有机酸高浓度段），石英、长石和高岭石加大普遍存在，I／S混层有序或部分有序，发育自生伊利石和绿泥石，颗粒呈线接触或线接触—凹凸接触，次生孔隙主要为颗粒溶解及粒间孔扩大，部分杂基溶解；中成岩A2—B阶段水介质为碱性—酸性，发育含铁碳酸盐（铁方解石、铁白云石、菱铁矿等），石英和长石加大均表现为Ⅲ级，部分颗粒有裂缝，颗粒间为凹凸—缝合接触.

东部明南地区受到表层地层水淋滤影响，可观察到超大溶蚀孔隙及溶蚀裂缝，高岭石体积分数较高.西部依西—克孜地区构造挤压强烈，颗粒间以凹凸—缝合线接触为主.通过矿物包裹体均一温度与古地温测算确定矿物形成时的古地温，结合埋藏史可推测矿物形成时期.包裹体均一温度测算结果表明，石英加大边和碳酸盐胶结物的形成时间在中成岩A阶段（包裹体温度为100～130℃）.镜下薄片观察可知，碳酸盐胶结物一般位于颗粒石英加大边外（见图13），所以其形成时间晚于石英加大边的[13].

图13 库车坳陷东部下侏罗统储层胶结物特征Fig.13 Characteristics of cement of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression，Tarim basin

结合酸性水介质（含煤地层）的碎屑岩成岩阶段划分标准，总结研究区成岩演化序列（见图14）.

图14 库车坳陷东部下侏罗统储层成岩演化序列Fig.14 Diagenetic evolution sequence of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

利用孔隙度推导模型[14－16]，根据镜下储层成岩作用特征、自生矿物体积分数、发育时间、埋藏史及构造作用特征，对目的层位孔隙演化历史进行反演恢复，得到库车坳陷东部下侏罗统储层孔隙演化模式（见图15）.早成岩阶段，由于受到煤系地层酸性水的影响，沉积物中缺乏早期碳酸盐岩支撑颗粒间孔隙，压实作用导致储层孔隙快速减小；中成岩阶段发生长石及岩屑溶蚀现象，粒内及粒间的溶蚀孔隙有效地改善储层物性，溶蚀作用主要发育在粒度较大或裂缝发育、地层水易于流动的储层中；晚期碳酸盐胶结加剧储层的致密程度，局部可见的石英变质现象体现快速埋藏时期强烈的构造挤压作用对储层的影响，并在储层中广泛发育粒内裂纹；现今主要表现为广泛致密的、裂缝段的高孔渗储层.

4 有利储层发育规律

分析影响储层物性的主要因素，控制储层致密的主要沉积因素为碎屑组分、粒度和黏土矿物体积分数等，其中粒度和物性关系紧密，粒度越粗物性越好.主要成岩作用包括垂向的地层压实作用及侧向的构造压实作用，长石、岩屑及自生矿物的溶蚀作用，石英及长石的次生加大等，压实作用对储层孔隙度的减小幅度远大于胶结作用的（见图10）.构造作用对储层的影响较为复杂，首先，强烈的侧向挤压应力导致储层在垂向压实的基础上进一步压实，造成孔隙度进一步下降[12]；其次，构造应力转化为热能，对成岩作用及有机质演化造成影响[17]；最后，统计裂缝发育的岩心分析数据发现，裂缝发育段的孔隙度略有增加，但增加量不大，一般不超过2%；渗透率增加较明显，可增加1～2个数量级.由于裂缝孔隙度较小，所以认为裂缝不是最主要的储集空间，但裂缝发育段的渗透率较好，可以改善储层的渗透性（见图16），证明构造应力产生的构造裂缝为流体的流动提供了通道和空间，为次生孔隙的形成和渗透率的改善创造了条件.

图15 库车坳陷东部下侏罗统储层孔隙演化模式Fig.15 Pore evolution pattern of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa depression

图16 库车坳陷东部下侏罗统储层裂缝孔隙度与渗透率Fig.16 Fracture porosity and permeability of lower Jurassic reservoir in eastern Kuqa Depression

综上所述，有利储层主要发育在粒度较粗的辫状河道及裂缝发育的储层中，粒度较粗、压实强度较弱、溶蚀作用较强，裂缝发育段普遍溶蚀强度大且渗透率较好.这些区域在剖面上主要位于阳霞组第Ⅲ段及阿合组第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ段，这些层段储层溶蚀强度大、砂岩粒度粗且压实强度较弱；平面上主要位于辫状河道相及大型断裂发育区中，这些地区储层物性较好且裂缝较发育.

5 结论

（1）塔里木盆地库车坳陷东部下侏罗统的煤系地层致密储层为辫状河三角洲沉积的岩屑砂岩，粒间泥质体积分数较高，硅质胶结物及碳酸盐胶结物体积分数较低.

（2）煤系地层沉积早期的酸性水介质导致储层早期缺乏碳酸盐胶结物支撑，压实作用强，储层致密，物性较差.受颗粒表面泥质影响，石英加大边级别较大而宽度较窄.压实强度受控于储层埋深和构造挤压作用.

（3）有利储层分布受控于沉积相带分布和成岩作用强度，主要发育在粒度较粗的辫状河道及裂缝发育的储层中.

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