库车坳陷下侏罗统阿合组致密砂岩储层孔隙微观结构特征及其对致密气富集的控制作用

王 朋,孙灵辉,王 核,李自安

(1.中国科学院 广州地球化学研究所，广东 广州 510640； 2.中国科学院 研究生院，北京 100864；3.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083)

随着油气勘探由盆地中浅层走向深层，深层致密砂岩气资源逐渐引起人们的关注[1-9]。近年来，塔里木盆地库车坳陷中秋1井、博孜9井的勘探突破证实了该地区深层具有良好致密砂岩气勘探前景。前人研究表明，致密砂岩气藏宏观上具有低孔低渗和气水分布复杂等地质特征，微观上致密储层孔隙结构复杂、主要发育纳米级-微米级孔隙，孔隙具有形态差异大、连通性较差及非均质性较强的特征[10-15]。复杂的孔隙几何形态与连通性不仅决定了储层质量，也控制了天然气在致密储层中运移和聚集[16-18]，因此，厘清孔隙微观结构对于认识致密砂岩气富集规律和指导致密砂岩气勘探至关重要。目前，孔隙微观结构对致密气富集的控制作用的相关研究仍建立在理论认识和物理模拟实验基础之上[19-24]，缺少直接的地质证据证实这一关键问题。本文以库车坳陷迪北致密砂岩气藏为例，在储层物性分析和孔隙类型识别的基础上利用常规压汞实验和微米CT扫描实验分析储层孔隙微观结构特征，综合测井解释数据和包裹体实验揭示孔隙结构对致密砂岩气富集的控制作用，为致密砂岩气理论研究和勘探部署提供有力依据。

1 地质概况

迪北致密砂岩气藏位于库车坳陷依奇克里克断裂下盘的迪西断鼻构造下倾部位(图1)[25-27]。气藏主要产气层为下侏罗统阿合组致密砂岩，储层以辫状河三角洲平原的河床滞留沉积及辫状三角洲前缘的水下分流河道沉积的岩屑砂岩为主，岩石颗粒整体较粗，主要为砾岩、含砾粗砂岩和不等粒砂岩。烃源岩主要为下伏三叠系塔里奇克组和黄山街组湖相烃源岩及上覆的中、下侏罗统煤系烃源岩，源岩与储层具有“广泛分布、源储紧邻”的地质特征。前人研究表明，气藏虽然具有良好的烃源岩供气条件[28-30]，但气藏内部下侏罗统气水分布复杂：位于构造低部位的迪西1井、依南2井主要为气层、在依南5井为差气层和干层，而在位于构造高部位的依深4井、依南4井等多为气水同层和水层。

2 储层物性及孔隙类型

2.1 储层物性特征

187个下侏罗统阿合组致密砂岩样品的物性测试结果(图2)表明，位于构造下倾部位的依南2井孔隙度小于8%，平均孔隙度为3.2%，空气渗透率为(0.01～10)×10-3μm2，平均渗透率为1×10-3μm2；迪西1井孔隙度介于6%～8%，平均孔隙度为6.1%；位于构造上倾部位的依南4井阿合组物性好于依南2井和迪西1井，孔隙度基本介于6%～12%，空气渗透率(0.1～10)×10-3μm2。

2.2 储层孔隙类型

阿合组致密砂岩储层主要的孔隙类型包括：残余粒间孔隙、溶蚀孔隙(包括长石和岩屑等粒内溶孔、胶结物溶孔)以及微裂缝，但是以次生孔隙为主，残余原生孔隙较少。

2.2.1 残余粒间孔隙

镜下薄片观察表明下侏罗统阿合组储层中颗粒多为线-凹凸接触，仅在局部存在孔隙形状不规则的残余粒间孔隙(图3a，b)。储层岩屑中塑性组分含量高，早期碳酸盐胶结物较少，导致岩石的抗压实能力弱、原生粒间孔保存困难。此外，长期浅埋、短期深埋以及后期强烈的构造挤压作用也降低了原生粒间孔的孔隙度[30]。

2.2.2 溶蚀孔隙

阿合组致密储层溶蚀孔隙主要由长石、岩屑等碎屑颗粒被溶解和粘土杂基或者碳酸盐类胶结物被溶蚀而形成。长石和火山岩岩屑被溶蚀所形成的粒内溶孔受颗粒大小和形状限制(图4a)。胶结物含量较低(一般都小于10%)，主要成分为碳酸盐胶结物等。杂基溶孔或者胶结物溶孔的形状也受粒间孔隙形状控制，但孔径普遍较大(图4b，c)。溶蚀孔的发育与有机质产生的有机酸和二氧化碳对岩石组分溶解有关，也与后期抬升大气淡水溶蚀作用有关[23-25]。

图1 库车坳陷迪北致密砂岩气藏位置(a)及气藏剖面(b)Fig.1 The location of Dibei tight sand gas pool in the Kuqa Depression(a)and the gas reservoir cross section(b)

图2 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组致密砂岩气藏孔隙度(a)和渗透率(b)分布Fig.2 Porosity(a)and permeability(b)distribution of the Lower Jurassic Ahe tight sand gas reservoirs in Dibei area,Kuqa Depression

图3 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组致密砂岩储层粒间孔隙Fig.3 Intergranular pores of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.依南5井，埋深4 874.50 m，粒间孔发育，线-凹凸接触；b.依南5井，埋深4 850.55 m，粒间孔发育，多呈线接触

2.2.3 微裂缝

下侏罗统阿合组致密砂岩储层中主要发育3种成因裂缝：构造缝、粒缘缝和溶蚀缝(图5a—d)，其中构造缝最为普遍。构造缝多穿石英、硅质岩屑和长石颗粒等脆性矿物发育，裂缝平行分布，规模较大、延伸较长、但宽度变化较大(图5b)。沿构造裂缝常见伴生的溶蚀现象，但部分裂缝中可见胶结物。粒缘缝一般沿石英和长石等颗粒边缘分布，主要与压实和压溶等作用有关(图5c)。溶蚀缝多发育在粘土和碳酸盐矿物等胶结物中，裂缝规模和延伸长度没有明显规律性(图5d)。

3 孔隙微观结构特征

从致密砂岩样品压汞曲线及相关参数(图6；表1)可以看出，库车坳陷下侏罗统阿合组致密砂岩孔隙微观结构大致可以划分为3类。第一类：压汞曲线基本没有明显的平台(图6a)，储层孔喉分选较差(0.39～3.05)、排驱压力低(0.03～0.38 MPa)、特征结构系数大(0.37～5.47)、粗歪度(0.42～2.95)；第二类：压汞曲线具有一定的平台(图6b)，储层孔喉分选较差(0.07～0.64)、排驱压力中等(0.20～1.83 MPa)、特征结构系数较小(0.03～3.37)、歪度较小(1.41～2.46)；第三类：压汞曲线有一定的平台(图6c)，储层孔喉分选较好(0.03～0.10)、排驱压力较大(2.37～10.02 MPa)、特征结构参数最小(0.02～0.78)、细歪度(2.62～3.29)。进一步对比分析认为，第一类储层主要发育在粗砂岩中，储层孔喉分选差，孔喉大小非均质性强，最大连通孔喉半径大而且集中，储层孔喉对称性较好，具有较好的渗流特征，可能与裂缝发育有关。第三类储层主要发育在细-粉砂岩中，砂岩孔隙喉道分选相对较好，孔喉发育相对比较集中，但是排替压力大、结构参数小，连通孔隙孔径小且分散，具有明显的细歪度特征，说明储层孔喉具有不对称性，储层渗流能力较差。第二类储层主要发育在粗-细砂岩中孔喉微观结构介于第一类和第三类之间。

图4 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组致密砂岩储层溶蚀孔Fig.4 Dissolved pores of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.依南2井，埋深4 895.10 m，溶蚀作用强，长石岩屑粒内溶孔；b.依南2井，埋深4 905.10 m，粒间粘土杂基被溶蚀；c.依深4井，埋深3 990.94 m，碳酸盐胶结物被溶蚀

图5 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组裂缝Fig.5 Fractures in the Lower Jurassic Ahe Formation in Dibei area,Kuqa Depressiona.依深4井，埋深4 102 m，构造裂缝发育且被泥质充填；b.依南5井，埋深4 882.35 m，构造裂缝，沿裂缝可见溶蚀孔；c.依南5井，埋深4 875.12 m，沿石英次生加大发育粒缘缝；d.依南5井，埋深4 884.58 m，杂基中可见溶蚀缝

图6 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组致密砂岩压汞曲线特征Fig.6 MIP curves of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一类储层压汞曲线；b.第二类储层压汞曲线；c.第三类储层压汞曲线

进一步分析3类储层的孔喉半径分布特征可以发现，第一类储层的孔喉半径曲线表现为单峰的特征：孔隙和喉道的半径基本一致，二者没有明显的差异，孔喉半径分布范围较宽(0.016～2.500 μm)(图7a)；第二类为双峰特征：左侧为喉道半径，右侧为孔隙半径，孔隙和喉道差异大，孔喉比高，孔喉半径分布范围(0.016～1.600 μm)小于第一类储层(图7b)；第三类也表现为双峰特征：孔喉半径整体较小，范围为0.016～0.160 μm，孔隙的半径和喉道的半径差异小，孔喉比低(图7c)。

注：“—”表示无数据。

常规压汞实验是假设多孔介质由不同大小的毛细管束构成，无法反映孔隙和喉道半径的差异性[28]，为了进一步证实常规压汞实验结果，本次研究在常规压汞结果的基础上针对3种储层分别选取1个样品开展了微米CT测试(图8)，以精确辨识3种类型储层的孔隙和喉道分布特征。根据微米CT分析结果可以看出，3类储层孔喉半径平均值具有以下规律：第一类>第二类>第三类(表2)，此结果证实了常规压汞实验的结论。进一步对比每一类储层的孔隙半径和喉道半径的平均值表明，二者在第一类储层中基本一致，在第二类和第三类储层中有所差异且在第二类储层中差异较大。因此，综合常规压汞实验和微米CT实验判断，第一类孔隙和喉道系统主要表现为毛细管束特征[31]，微观结构最好，第二类和第三类孔隙和喉道系统主要表现为墨水瓶状，但第二类孔隙微观结构较好，第三类孔隙微观结构最差。

4 孔隙发育特征对含气性控制作用探讨

对比3类储层的含气饱和度可以发现明显的差异：第二类储层>第一类储层>第三类储层(图9)。进一步分析3类储层的测井解释结果可知，第二类储层多为气层，第一类储层多为水层、含气水层或者差气层，第三类储层多为干层，即孔喉半径一般、孔喉比大的孔喉系统(第二类)含气性最好，孔喉半径大、孔喉比小的孔喉系统(第一类)含气性较差，孔喉半径小、孔喉比小的孔喉系统(第三类)含气性最差。

图7 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组致密砂岩孔径分布Fig.7 The pore size distribution of the Lower Jurassic Ahe tight sand reservoirs in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一类致密砂岩储层孔喉半径曲线；b.第二类致密砂岩储层孔喉半径曲线；c.第三类储层孔喉半径曲线

图8 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组不同类型致密砂岩储层CT扫描二维切片Fig.8 2-D CT slices showing different tight sandstone reservoir types in the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depressiona.第一类储层，依南4井，埋深4 496 m;b.第二类储层，依南2井，埋深4 852 m;c.第三类储层，依南4井，埋深4 515 m

包裹体镜下观察表明，迪北地区下侏罗统阿合组中烃类包裹体总体较为发育，特别是在第一类和第二类储层中都发现了大量的蓝白光和浅黄色荧光包裹体，说明两类储层内都发生过油气充注，但第三类储层基本观察不到烃类包裹体存在。不同类型储层内包裹体发育特征存在一定的差异[32]：第一类储层中烃类包裹体多存在穿石英颗粒裂纹中，石英颗粒内包裹体较少(图10a—d)；第二类储层中裂缝发育程度较低，颗粒中烃类包裹体多发育在石英颗粒内(图10e—h)。综合储层孔隙微观结构、烃类包裹体发育特征和现今储层含气性判断，第一类储层的“毛细管束”孔喉系统内虽然在地史时期发生过油气充注，但现今基本为水层和含气水层；第二类储层的“墨水瓶”状孔喉系统同样发生过油气充注，现今仍为气层。但是第三类储层的“墨水瓶”状的孔隙系统的孔隙和喉道半径比第二类储层的小，所以无法构成致密储层有效的储集空间。上述研究表明，对于连续型致密砂岩气而言，天然气主要富集在孔喉半径相对较小的“墨水瓶”型的孔隙系统中，而孔喉半径相对较大的“毛细管束”型的孔喉系统则主要形成天然气运移通道(图11)。

表2 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组不同类型储层孔隙和喉道对比Table 2 The comparison of pores and throats between different reservoir types in the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depression

喜马拉雅晚期强烈的构造挤压造成库车坳陷下侏罗统阿合组致密砂岩中广泛发育构造裂缝[28]，这些裂缝在不同程度上增大了致密砂岩储层的喉道半径，在致密储层中形成了“毛细管束”型的孔喉系统，从而形成了致密砂岩气高效的运移通道。勘探实践也证实，依南2井和迪西1井下侏罗统阿合组致密储层中裂缝发育强度较低，天然气散失量相对小，天然气产能相对较高；而靠近构造高部位反冲断层的依南4井和依深4井裂缝发育密度较高，天然气单井产能较低[33-34]。因此，致密砂岩气藏勘探过程中，需要谨慎看待裂缝发育对天然气富集成藏过程中的作用。

5 结论

1) 库车坳陷下侏罗统阿合组主要发育“低孔低渗”的致密砂岩储层，储集空间主要由溶蚀孔隙、残余粒间孔以及微裂缝构成。

图9 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组不同类型储层含气饱和度对比Fig.9 The comparison of gas-bearing saturation in different reservoir types of the Lower Jurassic Ahe Fm in Dibei area,Kuqa Depression

图10 库车坳陷迪北致密砂岩气藏烃类包裹体发育特征Fig.10 Micrographs showing the hydrocarbon inclusions in Dibei tight sand gas reservoirs,Kuqa Depressiona,b.依南4井，埋深4 641.38 m，穿石英颗粒裂纹发育大量蓝白色荧光烃类包裹体；c,d.依深4井，埋深3 682.6 m，穿石英颗粒裂纹见到大量发浅黄色荧光烃类包裹体；e,f.依南5井，埋深4 766.6 m，石英颗粒内成群体状分布发蓝白色荧光的烃类包裹体；g,h.依南2井，埋深4 898.75 m，石英 颗粒内见气液两相、浅黄色荧光烃类包裹体

图11 库车坳陷迪北地区下侏罗统阿合组孔隙微观结构控制下致密气富集模式Fig.11 The tight gas enrichment pattern under the control of microscopic pore structure in the Lower Jurassic Ahe reservoirs in Dibei area,Kuqa Depression

2) 阿合组致密储层孔隙微观结构可分为3类：第一类主要发育在粗砂岩中，孔喉分选差、孔喉半径大、孔喉比小、渗流能力较好以及孔喉半径曲线具有单峰的特征，孔喉系统主要表现为毛细管束状；第二类主要发育在粗-细砂岩中，孔喉分选较差，孔喉半径小于第一类储层，孔喉半径曲线具有双峰的特征、孔喉比大，孔喉系统主要为墨水瓶状；第三类主要发育在细-粉砂岩中，孔喉分选相对较好，孔喉半径小于第二类储层，孔喉半径曲线同样具有双峰的特征、孔喉比小，渗流能力差，孔喉系统也表现为墨水瓶状。

3) 对于连续型致密砂岩气而言，天然气主要富集在孔喉半径相对较小的“墨水瓶”型的孔隙系统中，而孔喉半径相对较大的“毛细管束”型的孔喉系统则主要形成天然气运移通道。