7 000 m以深优质砂岩储层的特征、成因机制及油气勘探意义——以库车坳陷下白垩统巴什基奇克组为例

曾庆鲁 莫 涛 赵继龙 唐永亮 张荣虎 夏九峰 胡春雷 史玲玲

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国石油勘探开发研究院 3.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院

0 引言

埋藏压实作用是储层孔隙减少的一种重要途径，前人对有效储层埋深下限进行了初步研究以指导深层油气勘探[1-3]。深层/超深层油气资源潜力巨大，但储量探明率较低，制约其油气勘探的关键问题之一就是深层/超深层是否发育规模优质储层[4-10]。近年来，我国在深层油气勘探领域取得了一系列重大突破，其中塔里木盆地库车坳陷下白垩统巴什基奇克组超深层砂岩储层中发现了一批高产、稳产大型气田[11-13]。前期研究结果发现，该套超深层储层多属于裂缝性低孔砂岩储层，平均孔隙度仅为5%，裂缝对储层物性改善具有关键作用[14-17]。新近钻探的博孜9井在7 600 m以深的巴什基奇克组发现了优质孔隙型砂岩储层，基质孔隙度超过10%，大大拓展了超深层油气勘探的深度下限。为了揭示该储层的储集特征和成因机制，降低7 000 m以深超深层油气勘探的风险，笔者利用岩心、测井和实验分析等资料，结合区域温压条件和储层埋藏演化历史对上述问题进行探讨，以期为超深层油气勘探提供技术支撑。

1 地质概况

克拉苏构造带位于塔里木盆地库车坳陷北部，面积约5 500 km2。中生代以来，受南天山造山带多次复合隆升和挤压冲断作用影响，巴什基奇克组埋藏深度大，是深层/超深层油气勘探的重要区域。根据盐层厚度和断裂特征，克拉苏构造带自东向西分为克深区段、大北区段、博孜区段和阿瓦特区段等4个圈闭集中发育区，南北分别以拜城断裂和克拉苏北断裂为界[18]。巴什基奇克组储层由北向南埋藏深度从3 500 m逐渐增加至8 000 m以深，其中7 000 m以深超深层现已发现大北3、克深8、克深9、克深12、克深13、克深19和博孜9等多个大中型油气藏，集中分布在克深断裂以南（图1）。其中，博孜9井位于克拉苏构造带博孜区段，巴什基奇克组储层现今埋深介于7 664～7 880 m（底界未穿）。

2 储层特征

2.1 储层岩石类型以岩屑长石砂岩为主

根据库车坳陷9口井363个岩心薄片鉴定结果，巴什基奇克组7 000 m以深超深层储层岩石类型以岩屑长石砂岩为主，次为长石岩屑砂岩。区域上自东向西，克深区段、大北区段和博孜9井岩矿特征基本相似（图2）。其中，博孜9井储层石英颗粒含量介于40%～55%（包括燧石等硅质碎屑）；长石颗粒含量介于25%～35%，以钾长石为主，次为斜长石；岩屑颗粒含量介于10%～35%，主要是变质岩和火山岩岩屑，含少量沉积岩岩屑。碎屑颗粒以中粒、细粒为主，分选中等，磨圆度次圆—次棱，点—线接触，成分成熟度和结构成熟度中等。颗粒形态完整，未见明显压溶现象。粒间被较多的泥杂基（7%～15%）和胶结物（1%～14%）充填，其中胶结物类型主要是白云石和方解石，见少量硬石膏、硅质和自生钠长石。

图1 库车坳陷克拉苏构造带油气藏分布图

图2 库车坳陷巴什基奇克组超深层储层岩矿特征图

库车坳陷整体上属于低温冷盆，不同构造单元平均地温梯度介于18～28 ℃/km，明显低于我国其他沉积盆地[19]，加之其高热导率的古近系厚层膏盐岩造成下伏地层温度降低[20]，进一步延缓了储层成岩过程。MDT地层测试结果表明，博孜9井井底巴什基奇克组地层温度仅为156 ℃，折算地温梯度为17.5 ℃/km。同时，根据42块岩心样品全岩X射线衍射和黏土矿物X射线衍射测试结果，博孜9井巴什基奇克组储层黏土矿物含量介于2%～17%，平均值为7.0%；碳酸盐矿物含量介于0～29%，平均值为9.6%，与镜下薄片鉴定结果一致。黏土矿物表现为伊利石—伊/蒙混层—绿泥石—高岭石组合，其中伊利石含量为50%，呈片状或丝缕状分布在粒间或颗粒表面；伊/蒙混层含量为27%，形态呈蜂窝状或片状，伊/蒙间层比为20%；绿泥石和高岭石含量均小于12%，镜下较为少见。颗粒结构、地层温度、黏土矿物及硅质等自生矿物特征表明，巴什基奇克组储层仍处于中成岩阶段。

2.2 储层物性为低孔隙度、低渗透率

超深层砂岩储层由于埋藏压实和较强的成岩作用物性普遍较差，裂缝对储层品质改善和气井高产起到关键性作用。库车坳陷巴什基奇克组超深层普遍发育裂缝性低孔砂岩储层，基质孔隙度峰值区介于1.5%～5.0%，基质渗透率峰值区介于0.01～0.10 mD，孔隙度和渗透率相关性总体较差，裂缝能够提高基质渗透率1～3个数量级[21]。博孜9井的钻探改变了以往的认识，在埋深7 600～7 800 m钻遇了高孔隙度砂岩储层。依据该井135块岩心氦孔隙度和渗透率测试结果，基质孔隙度峰值区介于6%～13%，平均值为9.2%，基质渗透率峰值区介于0.5～50.0 mD，平均值为5.08 mD，整体表现为低孔隙度、低渗透率。储层孔隙度和渗透率相关性较好，具有常规碎屑岩储层结构特征（图3）。同时，裂缝不发育，仅见于巴什基奇克组上部。

2.3 储集空间以原生粒间孔为主

根据铸体薄片、激光共聚焦和场发射扫描电镜测试结果，博孜9井巴什基奇克组储层储集空间以原生粒间孔为主，次为粒间溶孔，两者约占储集空间的比例超过99%，偶见未充填裂缝和粒内溶孔（表1）。

2.3.1 原生粒间孔

巴什基奇克组储层原生粒间孔形态多为三角形或不规则多边形，边缘光滑平直，部分被黏土膜包裹呈细齿状，直径介于50～150 μm，平均面孔率为3.7%，占总面孔率的80%以上（图4-a～c）。粒间常见连晶状方解石胶结物、板状自生钠长石和六方柱状自生石英加大，黏土矿物多充填粒间或分布在颗粒边缘或表面，以丝缕状、丝片状伊利石、蜂窝状伊/蒙混层较为常见（图4-d～f）。孔隙往往连通性较好，与粒缘片状喉道构成有效的孔喉网络。

图3 博孜9井巴什基奇克组储层物性特征图

表1 博孜9井巴什基奇克组不同类型储集空间面孔率统计表

图4 博孜9井巴什基奇克组储层储集空间微观特征照片

2.3.2 粒间溶孔

巴什基奇克组储层粒间溶孔主要是粒间胶结物溶蚀和长石粒缘溶蚀成因，常表现为港湾状、锯齿状或不规则状，往往作为原生粒间孔的扩大部分，易于形成线状或带状分布，进一步改善储层孔喉结构和渗流能力（图4-g）。镜下可见方解石轻微溶蚀，进一步扩大了粒缘喉道宽度和孔隙空间（图4-h）。长石的溶蚀最初沿内部解理开始，初期形成米粒状微孔隙，后期不断增大，最终导致颗粒部分溶蚀或全部溶掉形成铸膜孔（图4-i）。粒间溶孔平均面孔率为0.9%，占总孔隙的19.4%。

2.4 孔隙结构较为均质

根据36块岩心样品高压压汞测试结果，博孜9井巴什基奇克组储层排驱压力主值区介于0.1～0.8 MPa，最小值为0.09 MPa，最大为2.60 MPa。排驱压力与储层渗透率、孔隙度相关性均较好，表明储层孔隙结构较为均质。基质孔喉峰值区介于0.25～6.30 μm，孔喉分选性中等—好，毛细管压力曲线表现为低排粗喉或中排中喉特征，储层基质渗透性较好。

3 优质储层成因机制

3.1 粗岩性提供抗压保孔的物质基础

库车坳陷巴什基奇克组砂岩广泛发育，厚度介于100～300 m，整体上受南天山造山带和温宿古隆起控制，自东向西逐渐减薄，在阿瓦3井以西剥蚀殆尽。在北部南天山造山带、西部温宿古隆起和东南部塔东物源控制下，巴什基奇克组自下向上发育扇三角洲前缘亚相—辫状河三角洲前缘亚相，垂向上多期水下分流河道和河口砂坝相互叠置，平面上多个三角洲朵体相互连接，朵体向湖盆内部延伸距离超过60 km，具有满盆含砂的特点。岩性以中砂岩、细砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度中等，常见多种类型交错层理，反映出远缘、牵引流的沉积特征。受燕山末期温宿古隆起和南天山造山带限制，在克拉苏构造带西部形成构造三角带，地貌具有三面高、中间低的特点，同时受到温宿古隆起近源水系的影响，博孜—大北区段巴什基奇克组沉积了一套相对粗粒砂岩，以中砂岩、细砂岩为主，见少量粗砂岩和含砾砂岩，砂地比高达70%～90%。

博孜9井位于克拉苏构造带西部构造三角带的中心区域，钻揭巴什基奇克组的厚度为216 m，为巴什基奇克组二段和三段（图5）。其中，巴二段厚度为131 m，岩性以褐色厚—巨厚层状中砂岩、细砂岩为主，其次为薄—中厚层状含砾砂岩，局部夹薄层粉砂岩和泥岩，见多层含灰砂岩，砂地比高达95%。单个砂岩层厚度最大值为65 m，自然伽马曲线呈微齿状箱形—钟形，孔隙度、渗透率和含气饱和度曲线呈多个鼓包，中间间隔以薄层低物性含灰砂岩或泥质岩类，整体属于气层富集段。巴三段厚度为85 m（未钻穿），岩性为褐色中—巨厚层状细砂岩、中砂岩，泥岩和粉砂岩明显增多且单层厚度变大，砂岩物性变差，含气饱和度降低。统计结果表明，中砂岩物性相对较好，平均孔隙度为9.4%，细砂岩物性相对较差，平均孔隙度为6.7%。

研究发现，博孜9井处于南天山物源和温宿古隆起物源三角洲朵状砂体叠加位置，由于温宿古隆起的阻挡和物源就近供给，细粒组分随水流进入湖盆内部，粗粒组分顺势沉积下来，导致砂岩尤为富集。成像测井古水流识别结果表明，博孜9井巴什基奇克组砂岩沉积时存在两支古水流方向，分别来自近北方向和西南方向（图5）。显微镜下也可观察到棱角—次棱状和次圆—圆状两类颗粒混杂堆积特征（图4-a），是由于不同物源区沉积物搬运距离差异较大造成的。重矿物表现为磁铁矿—赤褐铁矿—白钛石—石榴石组合，属于南天山物源重矿物和温宿古隆起物源重矿物之间的混合类型。以上结果显示，在古隆起控制下，双向物源共同作用是博孜9井巴什基奇克组砂岩颗粒较粗、占比较大的主要原因。粗粒组分更利于组成稳定骨架以减少压实作用对原生孔隙的破坏，同时叠加远物源颗粒较好的分选性，进而为后期成岩过程中的抗压保孔奠定了物质基础[22]。

3.2 早—中期弱压实有效保留原生孔隙

博孜9井巴什基奇克组沉积之后，主要经历了燕山晚期的抬升剥蚀、喜马拉雅早期的持续深埋和喜马拉雅晚期短暂抬升及后期沉降等3个埋藏阶段，现今埋深超过7 600 m，为历史最大埋深（图6）[23]。成岩早期（距今125～20 Ma），储层长期处于浅埋藏状态，埋深始终小于3 000 m，垂向压实作用相对较弱，有利于粒间孔隙的大量保存；成岩中期（距今20～5 Ma），储层上覆古近系沉积了一套巨厚膏盐岩地层（厚度超过1 500 m），埋深仍小于5 000 m，膏盐岩的塑性流动可抵消部分重力，进一步延缓垂向压实作用；成岩晚期（距今5～0 Ma），新近系巨厚砾岩沉积后，储层进入快速深埋阶段，但持续时间较短。

图5 博孜9井巴什基奇克组综合柱状图

前人的研究成果表明，库车坳陷古近系膏盐岩和盐上地层在挤压变形过程中逐步形成了多种类型的顶蓬构造，其中褶皱型顶蓬构造能够引起盐上地层大幅度上拱进而抵消部分上覆静岩压力和挤压应力[24]。博孜9断背斜构造位于克拉苏构造带深层区南侧，拜城断裂以北，构造形成时间相对较晚，上覆盐层挤压变形过程中形成巨大的盐枕构造，盐上地层上拱构成顶蓬结构（图7）。同时，巨厚膏盐岩封闭能力强，盐下储层流体表现为异常高压特征，压力系数高达1.88，进而延缓岩石的压实作用，加之较低的地温梯度，使孔隙得到较好的保存[9]。

图6 博孜9井巴什基奇克组储层孔隙演化与热史埋藏史配置图

图7 过博孜9井南北向地震剖面图

此外，砂岩中碳酸盐胶结物对砂岩孔隙演化具有重要影响，导致储层在埋深较大的情况下压实作用仍不强烈[25-26]。博孜9井巴什基奇克组发育多层含灰砂岩，显微镜下可见较多的碳酸盐胶结物充填在粒间，呈基底式或连晶式胶结，与颗粒边缘接触紧密，构成牢固的颗粒—胶结物骨架（图4-g～h）。这一现象说明储层在埋藏成岩早期经历了较强的碳酸盐胶结，有效抑制了垂向压实作用，使相邻原生粒间孔隙和粒缘喉道得以保留。

3.3 晚期低构造应力使孔隙得以大量保存

成岩晚期的侧向逆冲构造挤压对砂岩孔隙的保存具有重要影响。实验模拟结果表明，构造应力对储集层的减孔作用受控于应力作用的时代和大小[27-29]。从过博孜9井的地震剖面（图7）来看，博孜9井处于逆冲推覆构造带的前缘，中间存在巨大的盐枕构造，古近系库姆格列木群膏盐岩的塑性流动有效减缓了构造挤压作用。声发射古应力测试结果表明，博孜9井巴什基奇克组最大古构造应力为24.9 MPa，远低于位于逆冲推覆构造带中部的大北12井（表2）。喜马拉雅晚期南天山造山带持续隆升，应力由北向南传播，一方面强挤压构造应力被成排成带形成的逆冲背斜、断块构造抵消减弱，另一方面传递至博孜9区段及形成断背斜圈闭的时间也相对较晚。因而，构造变形和侧向挤压作用较弱，储层构造裂缝相对不发育。显微镜下可观察到岩石颗粒形态完整，未见明显的定向排列、压实、压溶现象，原生粒间孔得以大量保存（图4-a～c）。

表2 博孜9、大北12井巴什基奇克组中砂岩记忆的古应力场分量统计表 单位：MPa

3.4 储层孔隙演化模式

博孜9井巴什基奇克组储层经历了弱压实强度、中等胶结强度及中等溶蚀作用，现今仍保留近10%的平均孔隙度。通过普通薄片、铸体薄片、阴极发光、扫描电镜等资料对其成岩演化过程进行了恢复，储层主要经历了4期成岩作用阶段。

第一期为早成岩A期，储层初始孔隙度介于34%～36%，经过长时间浅埋藏，早期碳酸盐胶结物大量发育，原始泥杂基向黏土矿物转化，形成黏土膜包裹颗粒，总体减孔量达16%；第二期为表生成岩期，储层抬升遭受风化淋滤，长石、岩屑和少量碳酸盐胶结物遭受溶蚀，总体增孔量介于2%～4%，同时伴随着自生钠长石的沉淀和黏土矿物间的转化；第三期为早成岩阶段，储层在持续深埋压实作用下，成岩环境由弱酸性向弱碱性过渡，黏土矿物演化过程中析出的镁离子交代早期的方解石胶结物，硬石膏、钠长石和自生石英加大开始出现，总体减孔量介于7%～9%；第四期是中成岩A期，膏盐岩顶蓬作用下形成低地温场迟缓成岩作用，低构造应力对储集空间影响较小，而油气携带的酸性流体进入岩石内部，钠长石、硅质颗粒和岩屑均遭受一定程度的溶蚀，受封闭水体环境的限制，就近沉淀下来形成新的自生长石和次生石英颗粒，总体减孔量介于4%～5%，形成至今孔隙度为10%的砂岩储层（图6）。

4 油气勘探意义

4.1 7 000 m以深超深层发育规模有效储层

以孔隙度4.0%作为有效储层下限，综合考虑沉积岩相、膏盐岩分布和构造应力等因素对储层物性的控制作用，对库车坳陷7 000 m以深超深层有效储层分布进行了评价预测。有效储层主要分布在三角洲前缘主水道区、上覆膏盐岩厚度大、晚期构造应力弱的“三者”叠合部位，具有成带成片规模分布特征（图8）。其中，博孜—大北区段有效储层厚度介于50～150 m，孔隙度介于6%～13%，原生孔隙为主；克深区段有效储层厚度介于50～100 m，孔隙度介于4%～7%，次生孔隙占比介于40%～60%；部分区段构造裂缝较发育，对储层渗透性能改善明显。

图8 克拉苏构造带巴什基奇克组超深层有效储层厚度分布图

4.2 库车坳陷超深层具有万亿立方米天然气储量规模

库车坳陷盐下超深层具有生储盖组合匹配关系好、油气成藏过程与构造演化同步、盐下叠瓦冲断构造圈闭成排成带分布等有利条件，具有区带连片含油气、局部构造高丰度富集的特征[12]。目前，克深区段已落实万亿立方米天然气地质储量，博孜—大北区段万亿立方米气区建设成效显著，其中，7 000 m以深超深层发现的天然气三级地质储量已超四千亿立方米。库车坳陷超深层已有19个储备圈闭，总面积近400 km2，后续经地震资料连片处理和构造解释模型优化有望发现新的圈闭，博孜9井超深层优质砂岩储层的发现也为钻探这些圈闭提供了技术支撑和勘探依据。库车坳陷超深层整体具有万亿立方米天然气储量潜力，是塔里木盆地增储上产的最现实领域之一，具有极其巨大的勘探价值。

5 结论

1）与其他超深层裂缝性低孔砂岩储层不同，博孜9井巴什基奇克组储层在埋深7 600 m以深平均孔隙度仍达9.2%，平均渗透率为5.08 mD，原生粒间孔比例高达80%，孔喉连通性好，目前仍处于中成岩阶段。

2）超深层优质砂岩储层成因机制主要是粗粒砂岩高度富集提供了抗压保孔的物质基础、早—中期长时间浅埋藏延缓压实减孔、膏盐岩顶蓬构造抑制垂向压实、晚期构造挤压应力弱保护原生孔隙，其中膏盐岩顶蓬构造和弱构造挤压是形成优质储层的关键因素。

3）库车坳陷7 000 m以深超深层有效储层在区域上成片成带规模分布，厚度介于50～150 m，为库车坳陷超深层万亿立方米天然气储量规模夯实了物质基础，勘探潜力巨大。同时，博孜9井超深层的勘探突破也为8 000 m以深的圈闭钻探提供了技术支撑。