柴达木盆地阿尔金山前深层基岩气藏储集空间再认识与成储潜力区探讨

2020-04-10李江涛付锁堂王任一刘应如王海成奧文博

天然气工业 2020年2期

李江涛付锁堂王任一刘应如王海成奧文博马腾

1.中国石油青海油田公司 2.中国石油长庆油田公司 3.浙江海洋大学 4.中国石油勘探开发研究院西北分院

0 引言

基岩是对组成盆地基底的所有岩石的总称，其直接潜伏在沉积储层之下。在柴达木盆地阿尔金山前已发现的东坪1、尖探1区块属于基岩气藏，储层埋藏深，产层中部深度介于3 459～4 709 m，并且该区域5个产气井区气层平均埋深为4 360 m。该区域基岩气藏的发现，拓展了柴达木盆地天然气勘探开发的新领域，但是，自发现以来，一直认为基岩气藏的储集空间是由基质孔隙和裂缝双重介质构成，且基质孔隙发育，然而，气藏的开发实践显示此类气藏气井的产量递减快、稳产难度大，并且气藏挖潜的难度也大。由此可见，深化基岩气藏储集空间及成储主控因素的认识，探讨基岩有利目标储集体及成储潜力区非常重要。为此，笔者对基岩的溶蚀增孔特性和受力成缝特性开展调研，然后基于东坪1、尖探1区块基岩岩心、铸体薄片等资料，分析阿尔金山前深层基岩气藏的主要储集空间类型，进而提出该区域基岩有利目标储集体形成的主控因素，并结合区域地质背景深化了有利目标储集体和成储潜力区的认识，以期为实现该基岩气藏勘探开发的再突破提供参考。

1 基岩溶蚀增孔特性与受力成缝特性

阿尔金山前深层基岩气藏的岩石类型是火成岩和变质岩类。不同类型的岩石因矿物组成和结构不同，决定了岩石抗风化性、可溶蚀性和孔隙性有差异，进而由于岩石脆性的不同使得裂缝的产生存在差异[1-3]。

1.1 火成岩

用浓度为20%的盐酸对火成岩进行酸溶蚀实验，结果表明钙碱性火成岩增孔率只有2.1%，碱性火成岩增孔率约为4.6%，过碱性火成岩增孔率平均大于5%，可以看出火成岩碱度是影响基岩溶蚀孔发育程度的主要因素[1-3]。同时，通过对岩石主量元素含量与增孔率进行回归分析，明确K、Na、Ca、Mg等元素的含量与火成岩溶蚀增孔能力有较好的相关性[4]。在酸介质环境相似的情况下，碱度较高的过碱性火成岩的溶蚀增孔能力较强。

用草酸对花岗岩进行溶蚀实验，结果表明：①元素溶解量和淋滤率随草酸浓度的增高而增大，并且与元素在花岗岩中的含量成正比；②亲硫元素Fe和Mn的淋滤率明显大于亲石元素Al和Si；③草酸浓度的变化没有改变Al和Si的溶蚀行为；④H+和配位体作用促使长石、云母溶解明显，而石英溶解微弱或未溶解[5]。

以花岗岩为代表的火成岩岩性致密、强度大、密度大、吸水率低、质地坚硬，属硬石类岩石，其中石英（SiO2）的含量通常大于60%，且测得纯花岗岩石基质孔隙度介于0.5%～40%。因此，该类岩石耐酸、抗风化及抗压强度高。

1.2 变质岩

对常见的片麻岩进行酸溶蚀实验，结果显示用浓度为20%的盐酸对岩心进行溶蚀有一定的效果，但是増孔率不超过9%[6-7]。现场储层改造结果表明，片麻岩储层的酸压、酸化效果差。已有研究结果表明，片麻岩储层孔隙度、渗透率的变化范围大，储层非均质性强，裂缝是主要的储集空间和渗流通道[8]。选取岩性纯、质地好的片麻岩岩心，测得基质孔隙度平均值仅为1.01%，通常介于0.7%～2.2%，说明未风化的片麻岩基质孔不发育。

而以片麻岩为代表的变质岩长石含量高，抗压强度低，沿片理方向抗剪切强度较小，具有泊松比低、杨氏模量高的特征，脆性指数可达80%，压裂可改造性好。另外，动力变质岩以脆性变形为主，具有碎裂结构，微破裂发育，如构造角砾岩等[9-15]。

2 阿尔金山前深层基岩气藏储集空间与成储主控因素

经钻井取心结果证实，该区基岩岩性以火成岩和变质岩为主，其储集体也统称为结晶岩储集体，由于岩浆侵入常引起围岩产生一定程度的变质作用，进而与多种变质岩共生[2]。结晶岩岩石致密、坚硬，只有受到长期强烈风化或构造破裂作用，在基岩侵蚀面上会出现风化孔隙带，进而成为油气储集的场所[2]。岩心分析资料结果表明，该区基岩岩性复杂、致密，基质孔不发育；CT扫描结果显示溶蚀孔沿裂缝分布，且以微细孔为主。从目前已取得的研究成果来看，岩性对该区基岩有效储集空间有一定的控制作用，碎裂动力变质岩是最有利于形成有效储集空间的岩性，其次是风化程度高的花岗片麻类区域变质岩和深色超碱性火成岩。

2.1 岩性对基质孔发育的影响

东坪1区块基岩岩性划分为花岗片麻岩、斜长片麻岩、石英片岩、碎斑及碎裂变质岩类和花岗岩、闪长岩及辉长岩的火成岩类，呈现多而杂的特点[16]。基于dp1、dp103、dpH101等井的岩心分析结果可知，东坪1区块基岩主要为变质岩，且以花岗片麻岩为主；岩心见灰白色、黑色花纹，裂缝发育，见溶蚀扩大，裂缝宽度介于1～2 mm，高角度裂缝发育，且裂缝发育多期次。由铸体薄片的分析结果，可知岩石矿物成分主要为石英、长石，石英具有变晶结构，长石风化程度高，有少量黑云母，呈定向排列，黑云母具有绿泥石化特征，裂缝见方解石脉体。由dpH101井铸体薄片可以观察到少量长石溶蚀孔，且多为孤立溶孔。

东坪1区块基岩所包含的岩石基本属于溶蚀增孔能力差的钙碱性岩类[16]，且具有多样性和微观差异性，非均质程度强。如图1所示，根据该区块岩样的Na2O＋K2O与SiO2含量，样品点全部位于花岗岩区域（图1-a）；根据铝饱和程度判别结果，认为该区块岩样属于强过铝质岩（图1-b）；根据区块内岩样K2O、SiO2含量，认为岩石属于高钾钙碱性系列（图1-c）；由区块岩样的碱度及SiO2含量，认为岩石属于钙碱性花岗岩（图1-d）。

尖探1区块基岩埋深在4 700 m左右，主要为侵入岩中的中酸性花岗岩、闪长岩和变质辉长岩，为増孔率小、基质孔不发育的钙碱性岩石。岩心分析结果表明，该区块基岩储层孔隙度介于0.81%～11.59%，平均为3.63%，大于2%（孔隙度下限）的有效孔隙度平均为4.20%；渗透率介于0.01～3.81 mD，平均为0.53 mD。尖探1区块基岩储层总体属于低孔、特低渗类型。

2.2 岩性对裂缝发育的影响

东坪1区块基岩岩心描述结果显示该区块裂缝密度平均为13.1条/m；针对不同的岩性，裂缝密度也不同，对于花岗岩，裂缝密度最大，平均为23.5条/m，其后依次为钙质片麻岩、花岗片麻岩、斜长片麻岩，裂缝密度相应为19.8条/m、14.3条/m、11.2条/m，这几种岩石的脆性排序与裂缝密度的排序一致，花岗岩脆性最大，斜长片麻岩脆性最小[15]。在dp105井、p1H-2-3井、dp106井发现了由于断层作用或碎裂作用形成的碎裂岩，破碎带发育有溶蚀孔。对4口井43块薄片的资料进行统计，结果表明微裂缝面密度平均为1.28 mm/mm2，片麻岩最大为2.2 mm/mm2，花岗片麻岩面裂缝面密度介于0.8～1.3 mm/mm2，微裂缝孔隙度平均为2.04%。

图1 东坪1区块基岩气藏储层岩性分类图

尖探1区块基岩岩心描述结果表明，jt1井岩性为杂色块状花岗闪长岩，裂缝发育，以高角度裂缝为主，局部呈网状缝，裂缝半充填方解石、硬石膏和石英等，沿裂缝面溶蚀现象明显。jb1-1井主体岩性与jt1井一致，局部发育侵入岩脉，岩性为深绿色块状辉长岩，属于基性侵入岩脉，岩石致密，裂缝多为高角度缝，充填方解石、硬石膏和石英等，沿裂缝面见少量的溶蚀现象。

2.3 基岩孔缝关系及有效储集空间

基岩溶蚀孔隙的形成源于表生环境下的化学风化作用，成因包括矿物溶解和矿物蚀变两种。无论地表水还是地下水，只有通过裂缝才能进入基岩体内部，所以，矿物溶解形成的溶孔及溶缝仅限于开启的裂缝表面。而岩体内部矿物蚀变（长石高岭土化、黑云母绿泥石化）所导致的孔隙增加，通过铸体薄片的观察结果，发现这类情况在该区域较普遍[16]，但蚀变孔的连通性差，不属于有效孔。总体看来，区内基质孔隙度介于2%～3%，连通性好的溶蚀孔的发育主要受到断裂控制，且仅在裂缝发育的网状缝集中区溶蚀孔才相对发育。

岩石力学试验结果表明，该区基岩岩石抗压强度介于30～320 MPa，抗剪切强度介于30～340 MPa，强度高，可钻性极差；由于岩石脆性指数高，多期次的构造运动为天然缝网的形成提供了条件。综上所述，阿尔金山前深层基岩储层有效储集空间和渗流通道为构造缝、溶蚀缝，其主要形状及特征如表1所示。

表1 阿尔金山前深层基岩储集空间类型及特征表[15]

2.4 基岩成储主控因素

阿尔金山前深层基岩有利目标储集体的形成主要受到以下4个方面的影响。

1）岩性的影响。对于成缝及増孔能力强的基岩岩性（该区片麻岩成缝及増孔能力强于其他岩性，还有高含不稳定矿物长石和黑云母的岩石），易发生蚀变，进而溶解形成溶蚀孔缝；同时，矿物解理发育，易沿薄弱节理面裂开而形成裂缝。

2）构造作用。基岩裂缝形成与构造应力、构造变形和风化程度有关。在区域构造应力场的作用下，距离主控断层越近，形变越大，裂缝越发育，溶蚀作用则越强。

3）风化作用。基岩裂缝储集体是否发育还受到基岩抬升幅度、遭受风化剥蚀的程度、淋滤作用等因素的影响，在构造高部位受到的风化淋滤作用强，从而使裂缝较发育，溶蚀孔缝也易于形成。

4）岩脉侵入。局部基岩夹有侵入的花岗岩岩脉，岩脉岩性致密，物性较差，但岩脉边缘由于存在应力集中及糜棱、接触交代变质作用的影响，有利于微裂缝的形成。

阿尔金山前深层基岩有利目标储集体遵循“优势岩性—应力主导—高点富集”的三元控储规律。应综合考虑该区域构造应力、裂缝发育期次及优势岩性等方面的影响，对成储潜力区进行追踪，同时，还应考虑区域内基岩顶不整合面对天然气的输导与驻留的影响。

3 阿尔金山前深层基岩气藏成储潜力区探讨

根据基岩岩性识别的研究成果，对东坪1区块的48口井（直井33口、水平井15口）进行了岩性划分，统计结果表明，东坪1区块基岩岩性主要为片麻岩、花岗片麻岩及辉长岩（图2）；平面上，在片麻岩发育的区域气井产气量高，在辉长岩发育的区域气井产气量低，在岩性混杂的区域气井产量变化较大；纵向上片麻岩、花岗片麻岩交替变化，辉长岩沿断裂向高部位侵入[15]。

图2 东坪1区块岩性平面分布示意图

为此，根据不同基岩岩性的増孔成缝属性，应以过碱性及碱性花岗岩、霞石正长岩为代表，且钾、钠长石及富铁黑云母等不稳定矿物含量高的火成岩及以片麻岩、片岩、碎裂岩为代表的变质岩作为有利目标储集体。在对该区域已发现基岩气藏成储特征和主控因素研究的基础上，基于对其有利目标储集体形成的4个主控因素，划分为以下5类成储潜力区。

3.1 构造应力集中的张扭区

根据形成裂缝的不同应力类型，将构造裂缝划分为以下3种：在压应力作用下形成的张裂缝、在剪切应力作用下形成的剪切裂缝及同一构造变形过程中在压应力和剪切应力复合作用下形成的张剪性裂缝。阿尔金山前基岩发育多方向、多种分布形式的裂缝体系[15]。

东坪1区块26 ms时窗相干体数据沿层切片表现为由南向北推隆的基岩楔状体，受盆地由南向北、由西向东两大区域挤压应力的影响，在基岩楔状体顶端应力相对集中，形成两组交叉的、以张裂缝为主的缝网。该区块构造裂缝以张裂缝为主，占比为60%，张剪裂缝次之，占比为30%，剪切裂缝不发育，仅占10%。

基岩中不同组系的构造裂缝在纵向上呈阶梯状，且相互沟通，形成纵向上的裂缝网络；在平面上，不同方位的构造裂缝互相连通，构成平面上的裂缝网络。纵横方向上的构造裂缝网络系统，控制着该区域天然气的输导和驻留。并且，裂缝间距与切穿深度呈正相关关系，即裂缝间距越大（对应裂缝密度越小），则裂缝切穿深度越大，延伸也越长，进而开度也越大[15]。

因此，阿尔金山前基岩裂缝型有利目标储集体是分布在挤压、走滑或张扭等多期多应力方向的地应力集中区，特别是在断裂交汇且被纵、横向断裂复杂化的基岩体以及张裂缝发育的基岩体是成储潜力区。

3.2 侵入体岩性界面接触带

东坪1区块基岩岩性主要为片麻岩和花岗岩，具体可以划分出11种岩石。尖探1区块基岩岩性以花岗闪长岩为主，另外还有辉长岩。通过钻井、岩心观察、岩石薄片鉴定及元素录井资料的分析，无论是阿尔金山前整个区域内还是各基岩气田范围内基岩岩性明显不同，因此，必然在侵入时间、成岩特征、演化规律及物理化学性质等方面存在较大差异，而这些差异必然造成不同岩性存在结合面或接触面之间的缝合线，在这些界面缝合线上则容易产生裂缝。因此，确定不同岩性的接触关系和接触面位置，有利于识别区域性大断裂。如图3所示，奥陶系白云岩和花岗片麻岩接触面是明显的阿尔金山左行走滑大断裂。

图3 阿尔金山前不同岩性基岩接触面及断裂分布关系平面示意图

不同岩性因物理、化学性质不同，接触面两侧岩石的热胀冷缩、受力成缝、酸蚀増孔能力则不同，形成大断裂的同时微裂缝也发育，所以，基岩体不同岩性的接触面是成储潜力区。

3.3 挤隆抬升的风化带

通常，构造高点的岩石出露地表面积大、受到的风化作用强烈且作用时间长。基岩中的构造裂缝经过后期地表水的淋滤溶解作用后溶蚀扩大，形成构造溶解缝，经过溶解作用的裂缝加宽、加长。再加上可溶性矿物的选择性溶解作用，形成了溶蚀缝，其特点是缝壁不规则、宽度不等，且延伸长度小于构造缝，主要沿易溶矿物富集带分布。

长石类、暗色矿物晶体的解理发育，在构造作用或风化作用的影响下，沿着解理面形成了构造解理缝，其中半充填或全充填方解石、硬石膏和石英等矿物。基岩中钾、钠长石及富铁黑云母等不稳定矿物受到地层水溶解作用的影响，发生了晶体结构改变，进而形成溶蚀缝。风化缝是基岩受地表物理和化学风化作用使得岩石风化破碎而形成的裂缝。因此，处于基岩隆起高点部位的风化壳是缝网、孔洞较为发育的成储潜力区。

3.4 剥蚀区近围坡积带

基岩顶部岩石以物理风化为主，风化崩解的碎屑被搬运到中、低部位，形成剥蚀残积带、坡积带和低洼堆积带。在低洼堆积带，因地表水汇集，以化学风化为主，发生胶结和充填作用的可能性较大。而在基岩顶部存在“剃光头”现象，说明具有构造高点的地质体在风化早期，其顶部岩石先遭到风化，破碎后的颗粒碎屑被搬运到构造腰部沉积下来，因此坡积带易形成有利的储集体发育区。

结合该区基岩的上覆古近系下干柴沟组下段底部砾岩的特征，表现为裂缝发育，化学充填作用相对较弱。推测该层段沉积前形成的基岩风化壳主要以物理风化作用为主。所以，该井区基岩风化剥蚀的碎屑堆积带，即中、低部位的坡积带应属于成储潜力区。通过东坪1区块钻探证实，其构造高部位并非都是高产井区所处的位置，而在其腰部集中发生钻井井漏的现象，并且钻获了高产井。

3.5 假整合或不整合面

上覆地层和基岩顶面通常为整合接触关系，由于该区域基岩岩性复杂，不同岩性的风化程度存在较大差异，使得基岩顶面（风化侵蚀面）高低不平。从钻井和取心结果来看，局部存在井漏及岩心破碎、收获率低的现象，也说明基岩顶面风化程度存在差异。因此，该区域应普遍存在平行不整合和角度不整合两类界面，为形成不整合类储集体提供了条件，也是主要的成储潜力区。