柴达木盆地坪西地区副变质岩储集层特征

夏志远，刘占国，李森明，张永庶，王波，田明智，伍劲，邹开珍

（1. 中国石油杭州地质研究院，杭州 310023；2. 中国石油青海油田公司勘探开发研究院，甘肃敦煌 736202）

0 引言

作为油气勘探的热点，变质岩油气勘探开发引起了石油地质学家的高度重视[1-2]，并已认识到储集层的研究对变质岩油气勘探开发至关重要。国外对变质岩的原岩特征[3]、构造层理[4]与浅变质作用[5]开展了研究，较少涉及变质岩储集层及成藏。国内在渤海湾盆地辽河坳陷、东营凹陷和海拉尔盆地贝尔断陷相继发现以变质岩储集层为主的油气藏。辽河坳陷太古界变质岩潜山油藏储集岩为混合岩、黑云母斜长片麻岩及碎裂岩，已开展了油藏形成主控因素[6]、储集层特征[7-8]、综合评价及裂缝表征[9]与成藏条件[10]等研究。东营凹陷潜山油藏的储集岩主要为太古界片麻岩及变粒岩[11]；贝尔断陷布达特群副变质岩储集层岩性主要为碎裂安山凝灰岩、蚀变火山岩、不等粒变质砂岩及坍塌角砾岩[12-13]。上述变质岩储集层以原岩为火成岩的正变质岩为主，也未见系统研究副变质岩储集层特征、形成与分布的报道。

近年来柴达木盆地在基岩风化壳勘探上取得了较大突破，展示了广阔的前景。前期立足于基岩古潜山高部位，相继发现了祁连山前马北地区以正变质岩风化壳油藏[14]；在昆仑山前昆北地区发现了花岗岩风化壳油藏[15]；在阿尔金山前东坪地区发现了以花岗岩和花岗片麻岩为储集层的风化壳大型气藏[16]，这些油气藏的特点除分布在古潜山高部位之外，油气藏厚度受风化壳储集层厚度控制。近期在坪东断层以西（以下简称坪西地区）新发现了以副变质岩类为储集层的气藏，与上述基岩油气藏相比，储集层岩石类型具显著差异，且其构造部位低，处于现今斜坡—凹陷区，垂向具含气层系多，累计厚度大等特点，单井产气日均超 2×104m3。可见，新发现的副变质岩储集层有望实现天然气勘探领域向盆地斜坡—凹陷区深层大面积拓展，因此其储集层特征、形成机制和分布规律亟待开展深入研究。

1 研究区地质背景

图1 研究区位置、构造区划与地层综合柱状图

坪西地区主要位于柴达木盆地坪东断层以西的坪西斜坡区，以及东坪隆起的部分区域，是一个受南北向断层控制的南倾古斜坡构造（见图1）。中生代以来，阿尔金山前东段地区主要经历了燕山运动晚期、喜马拉雅早期、喜马拉雅中晚期等3个构造演化阶段[17]，自西向东形成了坪西凹陷、坪西斜坡、东坪隆起、牛北斜坡、坪东凹陷等隆坳相间的构造格局，构造继承性强，内部小断层发育。坪西地区的基底主要由元古代—古生代变质岩、花岗岩组成，锆石U-Pb定年研究表明最下部的黑云母花岗岩年龄为 406.9±4.4 Ma，形成于早泥盆世[18]。基底下部寒武系片麻岩之上局部分布奥陶系—志留系副变质岩，由钙质片岩、结晶灰岩与板岩组成，分别厚300～600 m，150～250 m，0～100 m。副变质岩之上分布残余古土壤层或中生界上侏罗统，岩性为灰色、褐灰色粉砂岩与紫色泥岩，三角洲与湖泊相沉积，厚10～130 m。之上为新生界古近系路乐河组与下干柴沟组。路乐河组下部以厚层褐色砂砾岩与灰白色泥质膏岩为主，上部以褐色泥岩夹泥质粉砂岩为主，为冲积扇与冲积平原相沉积，厚1 000～1 500 m。下干柴沟组下部以灰褐色含砾细砂岩、中细砾岩为主，为辫状河相沉积；上部以褐色泥岩夹灰色粉砂岩为主，为辫状河、辫状三角洲与湖泊相沉积，厚1 200～1 600 m。

2 副变质岩储集层特征

2.1 岩石类型

通过岩心、薄片、扫描电镜及全岩X光衍射等分析，明确了坪西地区发育 3类副变质岩储集层。第 1类为志留系板岩，具板理，颜色为灰色、灰绿色；具变余结构，残余石英与长石，且定向排列（见图2）。矿物成分以黏土与石英为主，二者之和超过 60%；方解石占5%～16%；长石占2%～3%，以钠长石为主；其余为少量辉石（主要来源于原岩）、硬石膏、重晶石、黄铁矿（见表1）。第2类为奥陶系结晶灰岩，变质程度低、保留部分原岩特征，是坪西地区基底主要的岩石类型，具块状结构，颜色为灰色、灰白色和绿灰色；结晶方解石含量高，普遍定向分布（见图2）。矿物成分以方解石为主，占比为 45%～60%，白云石含量较低；石英与黏土矿物各占 10%～25%；其余为少量的钠长石、菱铁矿、重晶石和硬石膏（见表1）。第3类为奥陶系的含云母、石英的钙质片岩，片理发育，颜色以黑灰色和灰白色为主；可见方解石、绢云母定向分布；黑云母与方解石片理极其发育（见图2）。矿物成分以方解石与黏土为主，两者之和占42%～72%；其次为石英，占比为20%～40%；长石占比为0.5%～12.0%，以钠长石为主；其余为少量的方沸石、重晶石、硬石膏（见表1）。综上所述，坪西地区3类副变质岩储集层可区分度高，板岩常见板理，钙质片岩片理十分发育，结晶灰岩因可塑性较强的结晶方解石含量高，宏观层理构造欠发育。副变质岩内的粒状、片状矿物排列分布与变质程度对应关系较好，钙质片岩变质程度最高，矿物定向性最好，结晶灰岩次之，板岩相对偏差。

图2 坪西地区副变质岩岩石类型特征

表1 坪西地区副变质岩全岩X光衍射分析矿物含量表

2.2 原岩类型

变质岩的岩石矿物成分与组合特征分析可以恢复其原岩类型，板岩、片岩、片麻岩、石英岩、大理岩等变质岩类原岩多为沉积岩[19-20]。坪西地区副变质岩岩石类型主要为板岩、结晶灰岩与钙质片岩，其原岩类型为奥陶系—志留系沉积岩。全岩X光衍射分析表明板岩的主矿物组合为石英与黏土（富铝系列）（见表1），薄片可见残余的石英与长石（见图2b），因此板岩的原岩以泥岩、含粉砂泥岩、粉砂岩或细砂岩为主。结晶灰岩主矿物为方解石（富钙系列），次为石英与黏土（见表1），表明其原岩主要为粉屑灰岩、含粉砂泥晶灰岩与泥质灰岩。钙质片岩主矿物组合为黏土、方解石与石英，三者含量较为接近（见表1），薄片可见方解石与绢云母（见图2h），表明其原岩主要为灰质粉砂岩、灰质泥岩与泥质灰岩、粉屑灰岩。副变质岩周围的花岗岩形成于早泥盆世，是熔岩冷却的产物，因此其原岩的形成时代应在更早之前的奥陶纪—志留纪。原岩的岩石类型以碳酸盐岩为主，同时也有碎屑岩与黏土岩，表明其形成于奥陶纪—志留纪的海相沉积环境。

2.3 储集空间

坪西地区副变质岩储集层储集空间类型复杂多样，根据其形状、基本特征与形成机制可分为3大类6亚类。第1大类为裂缝，可分3个亚类，第1亚类为构造缝，可细分为高角度缝、低角度缝和多角度缝。高角度缝在 3类副变质岩中均可发育，角度一般大于60°，为挤压剪切作用所致。裂缝形状规则，缝壁平直，切割力强，规模大，承载能力强，且不易闭合（见图3a）。高角度缝改善了岩层的储集性能，是最有效的储集空间。低角度缝受走滑挤压应力作用而形成，角度小于20°或近平行，形状规则、平直，组系较为分明，常见于结晶灰岩与钙质片岩，与高角度缝相交（见图2h、图3b）。多角度缝与构造挤压有关，在应力集中释放区最为发育，一般呈网格、角砾状，组系杂乱，交叉切割，裂缝开度、延长度不一，在板岩及钙质片岩中最为发育（见图3c）。第2亚类为溶蚀缝，一般呈弯曲、蛇曲、港湾状，延伸性好，沿裂缝溶蚀扩大，发育程度受风化淋滤强度控制，在结晶灰岩与钙质片岩中较发育（见图3d）。第3亚类是风化缝，为岩石沿片理面物理风化破碎而形成的解理缝（片理缝），呈线状、漏斗状，在钙质片岩中最发育，其次是板岩（见图3e）。第2大类为溶蚀孔隙，可分2个亚类，第1亚类为孔径小于2 mm的溶孔，3类副变质岩沿裂缝均可发育，孔隙数量多，形状不规则（见图3f）。第2亚类孔径大于2 mm的溶洞，常见于钙质片岩，可沿裂缝或孤立发育，数量较少（见图3g）。溶洞与溶孔的发育受风化淋滤作用控制，风化产物主要是黏土，钙元素易于随水流失。第 3大类为纳米级晶间孔，呈棱角状，孔径微小，扫描电镜下可见，结晶灰岩中局部发育。由于结晶灰岩的原岩以泥粉晶级岩石为主，方解石颗粒偏小，因而形成的晶间孔也偏小（见图3h）。

2.4 物性及孔喉特征

2.4.1 物性特征

对岩心样品采用核磁共振法孔渗测试分析表明，板岩的物性相对最好，孔隙度为5.0%～6.3%，平均为5.5%；计算渗透率为（0.2～1.4）×10-3μm2，平均为0.8×10-3μm2。结晶灰岩次之，孔隙度为2.6%～7.2%，平均为4.4%；计算渗透率为（0.01～1.06）×10-3μm2，平均为0.3×10-3μm2。钙质片岩孔隙度较差，如Dp172井奥陶系钙质片岩的孔隙度为1.4%～6.2%，平均为3.5%；计算渗透率为（0.01～0.10）×10-3μm2，平均为 0.06×10-3μm2（见表2）。按照石油行业火山岩储集层划分标准[21]，坪西地区副变质岩属于Ⅳ类储集层，储集层类型为特低孔特低渗型。裂缝是坪西地区副变质岩重要的储集空间，但实测岩心样品只能反映储集层局部物性，很难反映裂缝对储集层整体物性的影响，因此副变质岩储集层的整体物性会由于裂缝的存在而得到显著改善。

图3 坪西地区副变质岩储集空间类型图版

表2 坪西地区副变质岩孔渗特征数据表

图4 坪西地区3类副变质岩储集层孔隙特征图

2.4.2 孔喉特征

岩心样品微米CT分析表明，3类副变质岩储集层的孔隙和喉道均较为发育，但在数量、体积与半径上存在较大差异。裂缝不发育的板岩，其孔喉的数量少，体积小，半径也偏小，以微孔为主，均匀分布（见图4a）；裂缝发育的结晶灰岩与钙质片岩，孔喉沿裂缝集中发育，其数量、体积与半径均高于板岩（见图4b、图4c）。可见，裂缝的发育程度对后两类副变质岩储集层孔喉的形成具有重要影响。裂缝的类型对孔喉的形成也有显著影响。构造缝开启度大，贯通性好，形成的孔隙数量多且半径大；片理缝开启度小，所形成的孔隙数量多，连通体积大，但孔隙半径偏小（见图4b、图4c）。

3 变质岩储集层的形成

坪西地区副变质岩储集层的形成作用主要有副变质、风化、构造碎裂、溶蚀等4种。

3.1 副变质作用

前人对副变质作用的研究主要聚焦于变质特征种类与变质相类型[20]，未涉及副变质作用对储集层的影响。副变质作用在坪西地区不仅形成了板岩、结晶灰岩与钙质片岩 3种类型的副变质岩储集层，同时变质程度的高低对钙质片岩与结晶灰岩储集层的储集性能也有重大影响。钙质片岩整体变质程度高，片状、柱状矿物发育，岩石成层性好（见图2g—图2i），有利于风化形成解理缝从而扩大储集空间（见图3e）；变质程度高的结晶灰岩，方解石定向排列，利于沿层形成溶蚀孔（见图5a）；变质程度低的结晶灰岩，可保留较多的原岩特征，发育晶间孔（见图3h）。变质作用对钙质片岩的储集性能影响较大，其作用程度与储集层物性正相关，如Dp17井、Dp172井的钙质片岩的岩心实测孔隙度随埋深的增加有增大的趋势（见图6）。此外，结晶灰岩的埋深比钙质片岩浅，原岩基质孔隙也好于钙质片岩，但Dp172井、Dp174井结晶灰岩的测井计算孔隙度峰线基值却整体小于钙质片岩（见图7），这也说明变质程度与储集层物性呈一定的正相关性，变质程度高，储集层物性好。因此，变质作用对埋深较深的钙质片岩起建设性作用，深层也可发育副变质岩储集层。

图5 坪西地区副变质作用形成岩石照片

图6 坪西地区副变质岩储集层孔隙度与深度关系图

3.2 风化作用

岩石的风化作用主要受古气候、构造运动及古地貌等因素影响，其中构造运动控制其持续时间；古地貌影响其作用强度。受多期的基底抬升影响，坪西地区副变质岩在古近系沉积之前长期出露地表，受到了长达数千万年的风化，具有时间长、强度大、深度大的特点。副变质岩的风化作用类型有物理和化学2种，物理风化作用强度与岩石类型及温差相关，持续时间长，在副变质岩中产生了大量的解理与破碎缝，岩石沿解理面碎裂或杂乱破碎，方向性差（见图5b），取心收获率偏低，统计结果显示，Dp17井取心收获率低于50%；化学风化作用受季节性大气降水影响，沿裂缝断续进行，在岩石内风化淋滤形成溶蚀孔隙。物理与化学风化作用的强度常随岩石埋藏的深度增加而逐渐减弱，地势的高低变化会导致风化强度的差异[21-22]。地表层拉平剖面显示红南和坪北断层之间（Dp5井—Dp8井区）古近系路乐河组厚度明显变厚，路乐河组之下残留部分侏罗系，基底的同向轴反射特征也与两边存在明显差异（见图8）。基于地震解释分析，排除地层倾角、压实量与剥蚀量等因素影响，恢复了东坪地区古近系沉积前古地貌。古地貌图也显示其地势呈北高南低格局，北部为古凸起区，东南部为古斜坡区，西南部坪西地区处于古凹陷区，地势偏低（见图9）。总体而言，西南部坪西地区特殊的古凹陷地貌既有利于副变质岩储集层的保存，也有利于其长期接受风化。

图7 坪西地区奥陶系副变质岩储集层测井计算孔隙度

风化作用对坪西地区副变质岩储集层中的板岩与结晶灰岩影响较大，其作用强度与储集层物性具一定的正相关性。埋深变深，风化作用强度变小，储集层物性变差，如 Dp17井结晶灰岩（见图6a）与 Dp172井板岩岩心实测孔隙度（见图6b）随深度增加而变差。Dp172井板岩与Dp17井结晶灰岩的测井计算孔隙度峰值基线也呈现同样的规律（见图7）。

3.3 构造碎裂作用

图8 过Dp7井—Dp5井—Dp8井—Dp1井地震剖面（剖面位置见图1）

构造碎裂作用在坪西地区副变质岩储集层中形成构造缝，发育2个期次。第1期构造碎裂作用发生在白垩纪，主要形成低角度裂缝，第 2期发生在新近纪，产生了高角度缝及微细多角度缝。裂缝的发育期次对储集层形成影响重大，岩心和扫描电镜分析表明，第1期形成的低角度缝大多被充填，较少成为储集空间；第 2期构造碎裂作用形成的高角度与多角度缝可成为有效的储集空间（见图3c、图4b）。第 2期构造碎裂作用的程度和范围大于第 1期，形成的裂缝一般切割或斜交岩石层面并产生明显的错动或位移（见图5c）。构造缝的发育程度与岩石类型相关，钙质片岩易形成数量较多的高角度缝（见图5c），板岩与结晶灰岩中构造碎裂缝发育的数量相对偏少（见图2a、图3a）。

图9 东坪地区古近系路乐河组地层恢复厚度图

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用是基质孔隙形成的主因。副变质岩中的不稳定矿物含量高，如板岩中的暗色矿物及铝硅酸盐类、结晶灰岩中的方解石、钙质片岩中的暗色矿物及方解石均是易溶矿物，可受大气淡水淋滤溶蚀而形成孔隙。溶孔的发育程度受控于裂缝性质和数量，构造缝与风化解理缝为溶解的矿物元素提供迁移通道。溶蚀作用主要产生了2类储集空间，第1类为溶蚀缝，即沿构造或解理缝溶蚀扩大而增加储集空间（见图3d）；第2类是大小不一的溶孔、小溶洞（见图3f、图3g）及溶蚀微孔（见图5d），一般在裂缝附近发育，形成良好的孔洞缝储集系统（见图4b、图4c）。

3.5 储集层形成阶段

基于原岩储集层类型、岩浆侵入时期、构造运动与基底抬升等因素建立了坪西地区 5个阶段的储集层形成模式。第 1阶段为原岩形成阶段，寒武系花岗岩基底之上沉积了奥陶系泥晶灰岩与泥岩互层、泥晶灰岩、志留系泥岩夹砂岩3个岩性段，孔隙类型以原生孔为主。第2阶段为早泥盆世副变质岩形成阶段，此时熔岩开始活动并沿着构造挤压形成的坪西断层整体向上侵入，将寒武系花岗岩变质成片麻岩；奥陶系海相沉积岩变质成钙质片岩、结晶灰岩；志留系碎屑岩变质成板岩，形成了3类储集层，其层理发育程度与成层性向上变少或变差。坪西断层断距大，下盘地层保存完整；上盘志留系与奥陶系上部地层被剥蚀。第 3阶段为风化剥蚀阶段，石炭纪至三叠纪，盆地基底的抬升致使副变质岩长期受到风化剥蚀和溶蚀，极大改善了板岩和结晶灰岩储集层的储集性能。断层下盘的板岩大部分被剥蚀，局部残余，中上部沿风化缝形成了大量溶孔；上盘发育奥陶系下部地层与寒武系。第 4阶段为低角度缝形成阶段，白垩纪中期构造碎裂作用是主因，形成了大量的低角度缝。风化和溶蚀作用产生的风化缝、溶孔与低角度缝在晚期部分被充填，损失了较多的储集空间。断层下盘板岩分布范围变小，板岩之上覆盖了侏罗系；断层上盘奥陶系被剥蚀，残余侏罗系及寒武系。第 5阶段是高角度缝形成阶段，新近纪早期的构造剪切挤压作用形成了大量高角度与微细多角度缝，同时溶蚀作用也产生了大量溶孔。断层下盘的结晶灰岩与板岩之上覆盖了侏罗系与古近系，上盘侏罗系被剥蚀，花岗岩或片麻岩之上覆盖古近系。

4 储集层分布

4.1 纵向分布

坪西地区副变质岩自上而下发育了 3个岩性段，上覆10～30 m厚的稳定古土壤层之下依次为板岩、结晶灰岩和钙质片岩。第 1段岩性主要为厚层结晶灰岩夹薄层钙质片岩，局部分布板岩，主要位于中上奥陶统。结晶灰岩厚50～210 m，钙质片岩厚5～20 m，板岩厚约80 m，向两侧快速尖灭。第2段岩性为钙质片岩夹结晶灰岩，主要位于中奥陶统。钙质片岩厚 50～140 m，结晶灰岩厚40～70 m。第3段岩性以钙质片岩为主，厚度大于100 m（见图10），主要位于下奥陶统。从探井的全烃曲线纵向高值分布来看，第 1岩性段显示最频繁，明显好于第 2岩性段，但二者横向可连通性差（见图10），表明储集层纵向非均质性较强，主要受以下因素影响：首先，副变质岩原岩类型多，既包括碎屑岩与黏土岩，也包括碳酸盐岩，纵向岩相变化快，因此形成的副变质岩类型多，纵向岩相变化快；其次，副变质岩储集层自上而下变质程度增加，风化强度变弱；最后，裂缝类型的不同与发育程度的差异也会对副变质岩储集层的非均质性产生较大影响。第1岩性段位于基底上部，埋深相对浅，受风化作用影响最大，风化淋虑作用的改造使得储层物性整体好于第2岩性段，因而第 1岩性段应是当前勘探最主要的目的层系，这一认识也得到勘探的证实，Dp17井4 338～4 351 m（第 1岩性段）试气获得工业气流，日产气5.1×104m3。第3岩性段以Dp171井、174井为代表，在深部有好的全烃集中显示，表明深部仍可发育副变质岩储集层，这是因为第 3岩性段埋深相对最深，受变质作用影响最大，变质程度最高，变质作用形成的层理构造对储集层起建设性作用。因此，副变质岩储集层勘探可不受埋深制约，深部也可发育较好的储集层，第3岩性段也是下步勘探的重要目的层系。Dp171井4 778～4 788 m（第3岩性段）试气也获得工业气流，日产气4.9×104m3。

图10 坪西地区副变质岩岩相纵向分布特征（剖面位置见图1）

图11 坪西地区基底顶部均方根振幅属性图

4.2 平面分布

古地貌控制了副变质岩的平面分布，古凸起区地势高，副变质岩多被剥蚀，古凹陷与斜坡区地势较低，保存了副变质岩（见图7）。坪西地区副变质岩储集层具有不同的均方根振幅属性响应，测井解释及地震资料综合分析表明 Dp172顶部板岩呈中弱振幅属性；Dp17井顶部结晶灰岩呈中强振幅属性；钙质片岩呈强振幅属性（见图10、图11）。红南断层与坪西断层之间均方根振幅属性整体较强，之外整体偏弱。基于均方根平面振幅属性，通过岩心及测/录井资料综合标定，分析了坪西地区 3副变质岩平面分布特征。副变质岩主要分布于红南和坪西两个断层之间，板岩在 Dp172井、Dp8井区局部分布；板岩外围分布大面积的结晶灰岩，覆盖Dp8井与Dp17井区；钙质片岩分布于Dp173井、Dp8井以东、Dp17井以西。平面上，板岩分布面积较小，钙质片岩分布面积较广，结晶灰岩分布面积最广（见图12）。钙质片岩和结晶灰岩也是坪西地区副变质岩主要的储集层类型，目前已在Dp17井区的结晶灰岩与钙质片岩中获得工业气流。因此下步副变质岩勘探的平面有利区为 Dp173井东侧与 Dp17井西南部钙质片岩与结晶灰岩发育区。

图12 坪西地区副变质岩岩相平面分布图

5 结论

柴达木盆地坪西地区副变质岩储集层岩石类型主要为板岩、结晶灰岩与钙质片岩，原岩为奥陶系—志留系的的海相沉积岩，发育3大类6亚类储集空间类型，第 1类为裂缝，包括构造缝、溶蚀缝与风化解理缝；第2类为溶蚀孔隙，包括溶孔和溶洞；第3类为纳米级晶间孔隙。副变质岩为特低孔特低渗型储集层，裂缝的发育程度与类型控制了副变质岩储集层的孔喉分布，裂缝周缘孔喉发育，构造缝比片理缝更易形成大孔喉半径储集层。

变质、风化、构造碎裂、溶蚀等 4种作用是副变质岩储集层形成的关键。钙质片岩变质作用程度与储层物性正相关，板岩、结晶灰岩风化强度越大，储集层物性越好；构造碎裂作用发育 2个期次，形成了多类构造缝；溶蚀作用产生了溶蚀缝与溶孔，是基质孔隙增加的主因。副变质岩储集层的形成经历了原岩、副变质岩、风化剥蚀、低角度缝与高角度缝形成等 5个主要阶段。

副变质岩储集层纵向分布受岩石类型、风化强度与变质程度影响，非均质性强，自上而下发育 3个岩性段，第1与第3岩性段是下步勘探的主要目的层系；副变质岩平面夹于红南与坪西两个断层之间的古凹陷区，结晶灰岩与钙质片岩分布范围较广，Dp173以东与 Dp17西南部钙质片岩与结晶灰岩发育区是下步有利的勘探区带。