库车坳陷DB气田白垩系砂岩胶结作用及其与构造裂缝关系①

袁 静 杨学君 袁凌荣 成荣红 朱忠谦 李春堂 董道涛

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580;2.中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院 新疆库尔勒 841000;3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057;4.中石化华北分公司 郑州 450000)

塔里木盆地库车坳陷DB气田油气资源丰富，已形成良好的天然气产能，成为西气东输的供源之一。该气田目的层白垩系主力产层巴什基奇克组埋深普遍大于5 000 m，由于地震资料品质较差，对储层的研究主要基于钻井资料。岩芯物性分析表明，该气田产气层段为特低孔—特低渗裂缝性砂岩储层，储集空间类型复杂。从目前已经发表的文献看，学者们对该气田的研究重点主要集中于对其中裂缝的识别、描述、评价与成因分析［1-5］，对储层成因机制和整个库车坳陷白垩系的成岩作用也有所涉及［6-9］，但尚无专文对DB气田白垩系巴什基奇克组的成岩作用开展研究，特别是尚未针对胶结作用这一严重影响储层物性演化的成岩作用及其与裂缝演化的关系开展研究，造成对该气田储层成因机制的认识不够系统和全面，制约了进一步高效勘探开发。

DB气田巴什基奇克组成岩作用类型多样，成岩过程复杂。本文充分利用钻井岩芯资料，以普通薄片和铸体薄片(228片)观察与鉴定为基础手段，辅以岩芯精细观察(5口井，50.17 m)、阴极发光显微镜分析(77片)、扫描电镜分析(28块)、黏土矿物X衍射分析(56块)、包裹体分析(3张薄片，38个包体)等技术手段，结合区域储层地质研究成果，系统研究DB气田巴什基奇克组砂岩储层胶结作用特征，并剖析其与构造裂缝发育期次的关系。

1 区域地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地北部，是一个以中、新生代沉积为主的叠加前陆盆地(图1)［6］，DB气田与西气东输的起点——克拉2气田同属该坳陷北缘克拉苏构造带，且较克拉2气田更接近于生油凹陷，是有利的油气聚集成藏区域。DB地区自上而下发育第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系及三叠系，在气田范围内白垩系巴什基奇克组三个岩性段由于自南向北顶部逐渐被剥蚀，仅保留第二、第三段，均为产气层段。前人研究表明，在白垩系巴什基奇克组沉积早期，DB地区发育了一套扇三角洲前缘的粗碎屑沉积物质(巴三段);到巴什基奇克组沉积中晚期，沉积了辫状河三角洲前缘及滨浅湖沉积(巴二段)［7-8］。白垩纪末至古近纪初，由于构造抬升，DB地区整体缺失上白垩系，且下白垩系巴一段也全部遭受剥蚀。

图1 塔里木盆地库车坳陷次级构造单元划分以及DB气田位置分布示意图(据刘春等，2009)Fig.1 Tectonic units of Kuqa Sub-basin in Tarim Basin and the location of DB gas field(according to Liu，et al.，2009)

2 岩石学特征和储集空间类型

2.1 岩石学特征

岩芯观察表明，DB气田巴什基奇克组岩石颜色普遍为褐色、褐红色、褐灰色，偶见灰绿色泥岩和灰白色细砾岩或含砾粗砂岩，反映沉积物主要形成于弱氧化环境。

对研究区已钻井巴什基奇克组各岩石类型发育厚度的统计结果表明，其岩石类型以细砂岩、粉砂岩和泥岩为主，泥质粉砂岩和粉砂质泥岩较少，偶见中砂岩和含砾粗砂岩。总体上，巴二段比巴三段岩性稍粗，粉砂岩、细砂岩和中砂岩约占巴二段总厚度的75%，约占巴三段总厚度的55%。

从砂岩成分上看，以长石岩屑细砂岩最为常见，平均石英含量为51.1%，平均长石含量19.9%，平均岩屑含量28.8%，含少量云母。总体上，巴三段砂岩中黏土杂基和岩屑含量较高，岩性主要为长石质岩屑砂岩(和杂砂岩);巴二段砂岩中长石含量较高，岩性主要为岩屑质长石砂岩。

2.2 物性特征和储集空间类型

巴什基奇克组顶部现今埋深都大于5 500 m，局部达到7 000 m，岩芯孔隙度主要分布在2.0%～7.0%之间，渗透率主要分布在(0.01～0.1)×10-3μm2之间，属于特低孔—特低渗储层。但从生产测试看，DB气田各井测试渗透率普遍大于1×10-3μm2，主要集中分布在(5.0～30.0)×10-3μm2之间，远远大于岩芯测试渗透率。

经岩芯观察、成像测井分析及岩石薄片的镜下综合分析发现，DB气田巴什基奇克组砂岩面孔率较小，平均值仅为1.28%，但储集空间类型多样，属裂缝—孔隙型。次生粒间溶孔、原生粒间孔、粒内溶孔、少量晶间—晶内孔和超粒大孔等各类孔隙占面孔率的83%，孔隙大小为0.5 mm/0.01～0.08 mm(最大/主要区间)，孔喉配位数为4/0～1(最大/主要区间)，即孔隙细小且多呈孤立状，很少连通。裂缝平均占面孔率的17%，类型主要为构造裂缝，可见少量成岩缝(图2)。构造裂缝以高角度裂缝为主，一般延伸较长，沿裂缝常伴有溶解现象，且主要为北西向、北东向和近南北向的高角度缝，基本为半充填—未充填。裂缝沟通孔隙形成了有效的油气运移通道，是DB气田特低孔—特低渗储层获得高产的主要因素［10］。

图2 DB气田白垩系砂岩微观储集空间组成直方图Fig.2 Histogram of micro reservoir spaces of Cretaceous sandstones in DB gas field

3 胶结作用基本特征

岩石微观分析表明，研究区巴什基奇克组胶结作用包括碳酸盐、硫酸盐、石英和长石次生加大、各种自生黏土矿物和黄铁矿析出。胶结物平均含量9.1%，局部可高达20%～30%，成分以(含铁)方解石类为主，约占胶结物总量的87%，另外可见少量自生白云石、自生石英、自生长石、(硬)石膏、石盐等(图版Ⅰ、图3)。碳酸盐类和石膏类胶结物多以孔隙、裂缝充填状产出;不同裂缝中的充填物类型也有差别:石英颗粒微裂纹中常见自生硅质充填，长石颗粒微裂纹中可见自生方解石充填(图版Ⅰ-e，f)，较大规模的裂缝多被(铁)方解石和(铁)白云石充填(图版Ⅰ-g，h)。

3.1 碳酸盐胶结

自生菱铁矿是研究区巴什基奇克组砂岩储层较常见的早期碳酸盐胶结物，具有抵御压实的作用;方解石类为主要碳酸盐胶结物，平均含量7.9%(其中含铁方解石平均含量1.9%)，局部含量高达20%～30%。可见自形—它形白云石多晶镶嵌状产出于构造溶蚀缝中(图版Ⅰ-h)，近完全充填，也可与铁方解石一同充填。这些方解石类和铁白云石主要为晚期碳酸盐胶结物，发生在大量溶蚀作用之后。

3.2 自生石英胶结

DB气田巴二段砂岩中较巴三段常见自生石英以石英加大边和孔隙充填状产出(图版Ⅰ-c、图3c)，大小0.01～0.05 mm，晚期方解石类胶结物常将其交代成蚕食状。分析表明，以石英次生加大形式存在的自生石英在泥质杂基(小于3%)或早期胶结物含量较少的砂岩中较强烈，可达Ⅱ～Ⅲ级，在一定程度上堵塞孔隙和喉道。

3.3 自生长石加大和钠长石化

DB气田砂岩储层中自生长石主要以钾长石加大边产出(图版Ⅰ-c)，强度较强时可呈孔隙充填状。自生钠长石亦较常见，大小一般0.005～0.01 mm，最大0.05 mm，常与自生方解石、石盐等共生(图3d)，亦常被晚期方解石类胶结物交代。

3.4 自生硫酸盐矿物胶结作用

图3 DB气田白垩系砂岩中的胶结作用扫描电镜下特征Fig.3 Cementation characteristics under electron microscope of Cretaceous sandstones in DB gas field

研究区巴二段砂岩中自生硫酸盐矿物平均含量0.23%，成分以硬石膏为主，石膏罕见。(硬)石膏多以孔隙充填或局部嵌晶式胶结颗粒，还可见其交代颗粒(主要是长石)，其产出晚于自生石英和自生长石。

3.5 黏土矿物转化作用

DB气田巴什基奇克组黏土矿物类型以伊利石、伊/蒙混层和绿泥石为主，高岭石少见，反映其碱性为主的成岩环境。

4 胶结作用成因分析

胶结作用属于化学成岩作用的一种，自生矿物的物质来源一般有:从附近泥岩排入砂岩中的富含矿物质的溶液、砂岩中原始矿物的蚀变、沉积后颗粒间的溶液、从地层深处侵入的富含矿物质的热液等几种。国内外学者曾指出砂岩中的自生矿物沉淀与泥岩黏土矿物转化有重要关系［10-12］。综合考虑DB气田地层垂向和平面发育特征，笔者认为尽管不排除局部地区靠近沉积间断面的巴什基奇克组上部地层因大气水淋滤形成富钙溶液而为碳酸盐胶结物的沉淀提供物质来源，但研究区广布浅水辫状河三角洲或扇三角洲前缘分流河道砂岩、河道间褐红色泥岩夹于其中的岩性组合使从邻近泥岩排入砂岩中的富含矿物质的溶液为本区自生矿物的沉淀提供了最重要的物质来源。

从钻井资料看，本区砂泥岩界面处常有方解石富集产出。如DB102井5 327.3～5 327.4 m井段，砂层下伏20 cm的红褐色泥岩，砂泥岩界面处灰白色方解石富集发育(图4a)。自砂岩—泥岩界面处至砂岩中部，方解石(类)等胶结物含量逐渐减少，孔隙度逐渐增大，颗粒由点接触—线接触(或以点接触为主)逐渐演化为以线接触为主(图4b、图版Ⅱ)。总体而言，在一套岩性相对均一的砂岩层内，越靠近砂泥岩性突变面碳酸盐含量越高、物性越差，越远离砂泥岩性突变面碳酸盐含量越少、物性越好(图4b)。

究其原因，研究区巴什基奇克组泥岩形成于浅水扇三角洲、辫状河三角洲前缘的水道之间，由于水体较浅且间歇性暴露，颜色呈红褐色，泥岩中罕见有机质，在埋藏成岩过程中不会因热演化生成有机酸，而是随着埋深增加和温度、压力提高，其中的黏土矿物发生规律性转变和演化，生成大量的离子，如:Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、SiO23-和CO23-等溶解在泥岩的孔隙水中，且随着泥岩的压实脱水而排入附近的砂岩中，生成大量(含铁)碳酸盐自生矿物充填粒间孔和裂缝，同时析出较多石盐和钠长石(图版Ⅱ)，石英在局部层段则发生溶解(图版Ⅱ-c)。因此，本区碳酸盐胶结作用与黏土矿物转化有明显的因果关系。

5 胶结作用期次分析

黏土矿物演化的阶段性与古地温、有机质热成熟度和成岩阶段有一定对应关系。应凤祥等根据蒙脱石在I/S混层中S的百分比将I/S混层的转化依次分为:蒙脱石带、渐变带、第一迅速转化带、第二迅速转化带、第三转化带和伊利石带，分别与早成岩A期、早成岩B期、中成岩A1亚期、中成岩A2亚期、中成岩B期和晚成岩期对应［13］。因此，泥岩中黏土矿物的迅速转化带即自生矿物的大量生成带。在不同成岩阶段，包括这些黏土矿物在内的各类自生矿物的产状及其赋存的岩石组构会有不同。根据DB地区热史—埋藏史研究成果，现今白垩系巴什基奇克组处于中成岩期(图5)。

5.1 早成岩期

图4 DB气田白垩系砂泥岩界面处碳酸盐胶结物分布特征Fig.4 Carbonate cements distribution on the boundary of sandstone and mudstone of Cretaceous in DB gas field

该阶段对应于黏土矿物转化的蒙皂石带和渐变带，I/S混层比从＞70%降至50%，黏土矿物转化生成的各类离子伴着脱水作用而排出，自生矿物会在砂泥岩界面处、砂岩中的优势运移通道中优先发生沉淀。由于埋藏深度浅，岩石遭受的压实作用弱，此时砂岩颗粒主要呈点接触，大量胶结物沉淀在孔隙之间(图版Ⅱ-e，f)。这些发生在有效压实作用之前的胶结作用属于保持性成岩作用［14］，在一定程度上增加了岩石的抗压实能力，有利于原生孔隙的保存，如DB 101井5 800.84～5 801.22 m和 DB 102井 5 324.14～5 326.69 m残余粒间孔和溶蚀粒间孔较发育，镜下常见颗粒表面和孔隙边缘有早期胶结作用而成的菱铁矿包膜。

由于该时期地层埋藏浅、地温低，黏土矿物转化速率较低，所以胶结作用整体速率相应也较低，且胶结速率基本不会有太大变化，自生矿物以方解石和菱铁矿为主。泥岩中某些无定向毛毛状裂缝中充填的灰白色泥晶方解石即为该时期产物。

图5 DB气田白垩系砂岩胶结作用期次示意图Fig.5 Sandstone cementation stages of Cretaceous sandstones in DB gas field

5.2 中成岩期

该阶段对应于黏土矿物转化的第一迅速转化带、第二迅速转化带和第三转化带，I/S混层比从50%降至20%甚至更低，因而是黏土矿物转化的主要时期，也是自生矿物生成的主要时期。该时期生成的自生矿物不仅总量多，而且类型丰富，以方解石类为主，其次是白云石类、石膏类和硅质等。富含矿物质的成岩溶液自泥岩排出后，依然会在砂岩中的优势运移通道(骨架砂岩中物性较好条带、砂岩中的裂缝)中发生沉淀(图版Ⅱ-g，h)。

由于地层埋深大，岩石遭受中等—较强的压实作用，颗粒以线接触为主，自生矿物主要呈颗粒充填状。如图12所示，DB102井5 326.5 m处的岩石颗粒以线接触为主，含铁方解石呈孔隙充填状，其均一温度范围主要为100℃～110℃，参考该井的埋藏史图可知它们大致形成于6～5 Ma，处于中成岩A1早期。对38个裂缝盐水包裹体(包括石英颗粒裂纹、方解石裂缝脉体两类)分析表明，其均一温度的峰值为90℃～100℃(主要)和 120℃ ～130℃(次要)(图6)，表明研究区主要发育两期裂缝和至少两期胶结物充填。由图5可知，第一期发生在距今约6～5 Ma(N1/N2界限)，当时巴什基奇克组埋深大致4 000 m(捕获包裹体的均一温度90℃～100℃);第二期发生在距今约3～2 Ma(N/Q界限)，巴什基奇克组埋深大致4 900 m(捕获包裹体的均一温度120℃～130℃)。

综上所述，依据黏土矿物I/S混层比垂向演化曲线和埋藏史曲线，推测研究区共三期主要的胶结作用:①“6 Ma之前”，地层埋藏浅，胶结速率缓慢，泥岩压实排水作用强烈，该时期砂岩发生的胶结强度较大，持续时间最长;②“6～5 Ma”时期，胶结作用强烈，持续时间较短，较重要;③“3～2 Ma”时期，胶结作用较强，持续时间短，由于地层埋藏深，地层压实致密，泥岩孔隙水不易排入到砂岩中，对储层影响较弱(图5、表 1)。

需要指出的是，胶结作用的发生还会受到其他多种因素的影响:裂缝的发育能改变岩石的渗滤性，其发育段常常是流体运移的优势通道，会影响局部的化学成岩作用特征;裂缝的发育可能会从附近泥岩带来丰富的矿物质溶液，促进胶结作用的发生;烃类气体的充注会使得砂岩粒间孔隙中的含水饱和度减低，从而会大大降低依靠水—岩反映的化学成岩作用速率，甚至会使其停滞;砂岩附近泥岩的发育程度决定了它能为胶结作用提供的离子总量，进而影响砂岩胶结作用的强弱。

6 胶结作用与构造裂缝的关系

当构造应力超过岩石的抗压强度、抗拉强度或抗剪强度时，即可破裂产生构造裂缝。由于胶结作用的速率缓慢，加之裂缝充填规律的复杂性，长期以来学者们大多有意或无意地忽略胶结作用在裂缝演化中的作用，往往仅基于裂缝形成的力学机理解释岩石中的开启裂缝［15-16］。Stephen 等［17］认为当岩层整体处于活跃流体和高地温条件下，裂缝赋存的基岩会发生强烈的化学成岩作用(即胶结作用和溶解作用)，因而裂缝也会受到相应影响。同时，构造裂缝的发育会明显改善岩石的孔渗性，使流体优先在其中渗流，造成裂缝附近的成岩作用较为强烈。因此成岩作用在深埋沉积盆地的裂缝物性研究中是必不可少的，通过研究各期构造裂缝的充填情况，建立裂缝的形成期次与胶结作用历史的匹配关系，可以确定裂缝有效保存与否。

前期的研究业已表明，DB地区白垩系主要发育K+E、N1末和N2末的三期构造裂缝，其中N2末形成的裂缝是最重要的一期［5］。

图6 DB气田白垩系砂岩胶结物和包裹体均一温度分布特征Fig.6 Cements characteristic and histogram of homogenization temperature of inclusions in fractures of Cretaceous sandstones in DB gas field

表1 DB气田巴什基奇克组砂岩主要的胶结作用期次Table 1 Cement stages of Cretaceous sandstones in DB gas field

6.1 第一期构造裂缝

该期构造裂缝形成于K+E(6 Ma以前)，由于形成时期较早，经历了多期胶结作用，因此目前近于完全充填，有效者或开启者极少。

具体来说，该期构造裂缝有两类。一类是同沉积(同生—准同生)裂缝，主要表现为未固结砂泥岩界面附近的无定向裂缝，成因于同沉积断裂地震作用。这些裂缝目前基本闭合或被泥晶方解石和(或)上下围岩的同生砂泥沉积物充填。另一类是高角度构造裂缝，成因于燕山期构造抬升之前的应力挤压作用，在岩性界面处有时可见低角度剪切裂缝。该期构造裂缝往往具有特征性的“二层”或“三层”充填结构，表明发生了两期或三期充填:①紧贴缝壁最先沉淀灰白色微/泥晶方解石薄层;②研究区在50 Ma±前后发生了一期主要的烃类充注(以油为主)过程［18-20］，原油优先在背斜顶部聚集，其后又立即发生了泄漏，缝壁上残留的原油由于地下高温和缝壁的相互挤错而向炭黑或石墨转化，呈现为一层灰黑色炭质充填物;③若裂缝足够宽，在其后的成岩过程中还会再发生一期亮晶方解石沉淀(图7a)。

6.2 第二期构造裂缝

该期构造裂缝形成于N1末，恰好处于最重要的胶结作用时期(6～5 Ma±)，其后还经历了一期较弱的胶结作用(3～2 Ma±)，裂缝包裹体以该期捕获的为主(图6)，裂缝充填物以方解石类为主，基本未见灰黑色炭质(图7b)，因此该期形成的裂缝目前充填程度较高，有效裂缝或开启裂缝较少。

6.3 第三期构造裂缝

该期构造裂缝形成于N2末(3～2 Ma)，错过了主要胶结作用时期，充填程度较低，是研究区最重要的有效裂缝，该时期捕获的裂缝包裹体相对很少(图6、图7c)。

图7 DB气田白垩系砂岩主要构造裂缝及其充填特征Fig.7 Tectonic fractures and their filling characteristics within Cretaceous sandstones in DB gas field

7 结论

(1)DB气田白垩系巴什基奇克组砂岩为裂缝—孔隙型特低孔—特低渗含气储层，胶结作用强烈，尤其以自生碳酸盐类矿物胶结为主。

(2)本气田碳酸盐胶结作用与黏土矿物转化有明显的因果关系，在一套岩性相对均一的砂岩层内，越靠近砂泥岩性突变面碳酸盐含量越高、物性越差，越远离砂泥岩性突变面碳酸盐含量越少、物性越好。

(3)本气田巴什基奇克组共发育“6 Ma以前”、“6～5 Ma”、“3～2 Ma”三期主要的胶结作用。

(4)上述多期次胶结作用与本气田三期构造裂缝的有效性关系密切。第一期(K+E)构造裂缝经历了多期胶结作用，几乎全部被胶结物充填，有效者极少;第二期(N1末)构造裂缝充填程度较高，充填物以方解石类为主，有效者较少;错过主要胶结作用的第三期(N2末)构造裂缝是最有效的储集空间。

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