库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组孔缝充填特征及流体来源

2022-05-13汪林波韩登林王晨晨

岩性油气藏 2022年3期

汪林波，韩登林，王晨晨，袁瑞，林伟，张娟

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.储层微观结构演化及数字表征实验室，武汉 430100；3.非常规油气湖北省协同创新中心，武汉 430100；4.长江大学信息与数学学院，湖北荆州 434023）

0 引言

库车坳陷克深区块是塔里木油田天然气勘探开发的重点区域，其储层为白垩系巴什基奇克组，具备优越的油气地质条件及良好的天然气勘探前景［1-3］。储集层埋藏深度为5～8 km，由于强烈的成岩压实作用和胶结作用而变得极为致密，孔隙和裂缝则作为储层流体（油、气、水）的储集空间与运移通道，是储层研究的重要方面［4-8］。储集层孔隙保存是成岩流体与孔缝系统相互作用的结果［9］。一方面，成岩流体的活动影响了孔缝系统中孔隙的发育和演化，另一方面，储集层孔缝介质本身也可能会对成岩地质流体的活动产生影响，进而控制储集层的发育。对储集层孔隙保存方面的研究，主要聚焦于成岩环境及其流体化学活动（胶结充填作用、交代作用、溶蚀作用等）对储层孔隙演化的直接影响［10-11］。Steefel 等［12］在矿物沉淀模拟实验中发现，地层流体在裂缝中结晶沉淀速率远远高于基岩孔隙，裂缝相较于其周围的基质岩石孔隙更早地发生了充填和封闭；众多学者研究认为，同一套成岩流体在储集层孔缝体系中优先在裂缝中沉淀和胶结，进而对储层的孔隙保存产生积极的影响［13］。

库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组作为典型的深层—超深层孔缝型致密砂岩储层，在白垩纪时期的碱性成岩环境下，孔隙和裂缝中广泛发育碳酸盐胶结物（脉体）。王珂等［14］、巩磊等［15］对库车坳陷白垩系致密砂岩裂缝发育、充填程度及有效性对储层的影响等方面进行了研究；刘云龙等［16］、罗威等［17］、刘芬等［18］则聚焦于库车坳陷白垩系储层的孔隙胶结作用特征及其对储层孔隙演化影响的研究；裂缝的充填与孔隙的保存之间的流体耦合关系尚不清楚［19-23］。从产能数据对比可以看出，KS2 井区与KS8 井区储层孔隙度差异不大。虽然作为渗流通道的裂缝在KS2 井区充填程度较高，但该井区仍然处于高产，而KS8 井区裂缝充填程度较低，却表现为低产。这一产能差异也表明，裂缝的充填与孔隙的保存并非毫无关联的地质机制，而作为孔缝网络内迁移的成岩流体在孔缝内的耦合机制有待进一步研究。

基于岩石薄片观察和阴极发光分析，结合微区原位元素测试，深入开展库车坳陷克深井区储层中裂缝和孔隙充填现象的研究，包括砂岩孔隙中赋存的胶结物和裂缝中充填脉体的组分、期次和来源等，从能量守恒角度建立成岩流体的耦合关系，从而研究深层孔缝型砂岩储层的控制因素，以期为预测优质储层分布提供理论依据。

1 地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，北靠南天山构造带，南抵南部斜坡带，是在古生代被动大陆边缘发育起来的中新生代叠合前陆盆地。库车前陆盆地构造具有南北分带、东西分段的特征［24］。研究区位于库车坳陷克深区带，南北受控于拜城断裂与克拉苏断裂（图1a），典型的构造样式为前陆冲断叠瓦构造，形成于中生代燕山运动期和新生代喜马拉雅运动期，由北向南包括克深5、克深2、克深8、克深9等多个断背斜天然气藏［25］。主力含气储层白垩系巴什基奇克组埋深5 500～8 500 m，岩性以红褐色中—细粒砂岩和薄层泥岩为主，属扇三角洲—辫状河三角洲沉积（图1b）。储层发育残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔和微孔隙等多种类型，并且发育多期构造裂缝，孔隙度介于3%～7%，基质渗透率为0.05～0.5 mD，属于典型的深层—超深层裂缝-孔隙型致密砂岩储层［26］。

2 样品采集与分析方法

本次研究样品采自KS2-2-1，KS207，KS501，KS504，KS506 等5 口井，其中，10 块样品具有明显的裂缝充填特征，11 块样品无裂缝产出特征（图2），共计21 块样品。纵向上，样品深度分布在6 366.3～6 877.9 m。所有样品均磨制成铸体薄片和包裹体薄片，在利用Leize 显微镜和阴极发光仪对碳酸盐充填物进行岩矿学分析的基础上，优选出12 块具有代表性的样品进行了98 个点的微区原位元素含量测定。

将产出裂缝并被脉体充填岩石样品与同井同深度未见裂缝产出的岩石样品均磨制成探针片。先进行阴极发光分析选定区域，再在偏光显微镜下圈定测点位置，最后再利用剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS）在微米级尺度上对圈定测点进行原位测试。

阴极发光分析在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成。采用Leica 显微镜进行常规岩石薄片观察，使用CL8200 MK5 型阴极发光仪进行阴极发光分析。为使样品的阴极发光测试结果可对照，测试条件均为真空度0.3 Pa、束电压11 kⅤ、束电流270 μA。

微区原位元素含量分析在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS）进行微区原位元素含量分析。GeolasPro 激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm 准分子激光器和MicroLas 光学系统组成，ICP-MS 型号为Agilent7700e［27］。本次分析的激光束斑和频率分别为44 μm和6 Hz。计算单矿物微量元素含量时，采用玻璃标准物质BHⅤO-2G，BCR-2G 和BIR-1G 进行多外标无内标校正。每个时段分辨分析数据包括20～30 s 空白信号和50 s 样品信号。

3 孔隙-裂缝充填物发育特征

3.1 裂缝脉体类型和期次

通过对库车坳陷克深井区的5 口井25 个样品的铸体薄片茜素红染色观察发现，克深井区白垩系巴什基奇克组砂岩裂缝中主要充填方解石脉体和白云石脉体。根据裂缝脉体阴极发光颜色及其岩相学特征可划分出2 期方解石脉体和1 期白云石脉体。Ⅰ期方解石脉体沿裂缝壁发育且表面干净，阴极发光呈橙黄色；Ⅱ期方解石表面较污浊且节理发育明显，阴极发光为亮黄色，常与Ⅰ期方解石充填于同一条裂缝内；白云石脉体阴极发光呈橙红色（图3）。

3.2 孔隙赋存的碳酸盐胶结物类型和期次

研究区巴什基奇克组储层发育多种类型、多种期次的胶结物。其中，碳酸盐胶结是区内最丰富、分布最广的胶结类型，包含方解石、白云石等矿物。储层中的碳酸盐胶结物体积分数一般为1.0%～32.0%，极少可高达40.0% 以上，平均为5.3%。利用铸体薄片、阴极发光分析等观察发现，该区赋存于孔隙中的碳酸盐胶结物类型以方解石和白云石为主，具有多期次形成的特点。根据结构、晶体形态及形成先后关系，可将孔隙内充填的碳酸盐胶结物划分出2 期方解石胶结和2 期白云石胶结。Ⅰ期方解石胶结物以基底式胶结为主，阴极发光呈亮黄色，颗粒之间呈不紧密接触，表明成岩时期较早，未遭受压实作用或受压实作用改造较弱；Ⅱ期方解石胶结物围绕I期方解石胶结物产出，阴极发光呈橙黄色（图4a，4b）。Ⅱ期方解石胶结以孔隙式胶结为主，方解石胶结物常呈斑块状充填于粒间孔隙和溶蚀孔隙（图4c）。Ⅰ期白云石呈橙黄色光，以微粉晶聚集成团块状产出（图4d）；Ⅱ期白云石呈不规则晶粒状，主要赋存于粒间溶蚀孔隙内，常与泥质杂基内碎屑共生，阴极发光呈橙红色（图4e，4f）。

综上所述，研究区发育的裂缝脉体与孔隙赋存的胶结物矿物类型有很好的对应性，均发育方解石、白云石。裂缝中充填了2 期方解石脉体和1 期白云石脉体；孔隙中赋存2 期方解石胶结物和2 期白云石胶结物。由于胶结物是在某种成岩环境中从孔隙水中沉淀出来充填于孔隙、裂缝之中的，为了探究二者在成分、期次及来源上的耦合关系，可采用微区原位元素分析等地球化学测试方法进一步研究。

4 孔缝充填物微区原位地球化学特征

库车坳陷克深井区孔隙与裂缝中均发育多期次的碳酸盐胶结物。将矿物微区阴极发光特征与微量元素分析相结合，既能反映岩石矿物内部结构，又能有效分析其成岩流体形成的地球化学环境。选取KS2-2-1 井同深度的孔隙与裂缝碳酸盐胶结物样品结合阴极发光特征圈定测点区域（图5），进行激光微区原位地球化学分析。

结果（表1）显示，孔缝充填碳酸盐胶结物（脉体）的δEu 均呈正异常，这与高含量的Eu 矿物（如斜长石）的溶解有很大关系。而不同期次碳酸盐胶结物中Fe，Mn 含量和部分稀土特征参数均显示出一定的差异。已有研究表明，碳酸盐矿物的阴极发光特征主要受Fe 和Mn 元素的影响，其绝对质量分数以及Fe/Mn 值的变化会导致矿物呈现不同的发光特征［28］。同时，Fe，Mn 元素含量与古流体来源及沉积环境密切相关，Fe，Mn 元素含量随成岩作用的增强而增加［29-30］。

表1 库车坳陷克深井区KS2-2-1 井白垩系巴什基奇克组砂岩孔缝中的碳酸盐胶结物的微量元素和稀土元素质量分数Table 1 Mass fraction of trace elements and rare earth elements in carbonate cements filled in sandstone pores and fractures of Cretaceous Bashijiqike Formation of well KS2-2-1 in Keshen well block，Kuqa Depression

Ⅰ期方解石胶结物（CⅠ孔）的Mn/Fe 值相对较高，阴极发光呈亮黄色，具低铁、低镁和δCe 呈显著负异常的特征，说明成矿流体形成于氧化环境条件下。Ⅱ期方解石胶结物（CⅡ孔）Fe，Mn 含量增大，Mn/Fe 值相对较低，阴极发光呈橙黄色，δCe 呈弱负异常，成岩环境的还原性增强；Ⅰ期白云石胶结物（DⅠ孔）Mn/Fe 值相对较高，阴极发光呈亮橘黄色，δCe 呈强烈负异常，说明其形成于氧化环境。Ⅱ期白云石胶结物（DⅡ孔）阴极发光呈橙红色，δCe 呈正异常，说明其形成过程中还原性成岩流体交代作用增强。

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Ⅰ期方解石脉体（CⅠ缝）阴极发光呈橙黄色，δCe呈弱负异常，与Ⅱ期方解石胶结物（CⅡ孔）相似的阴极发光颜色和Mn/Fe值；Ⅱ期方解石脉体（CⅡ缝）的Fe，Mn 含量升高，阴极发光呈亮黄色。白云石脉（D缝）的Fe，Mn 元素含量很高，阴极发光呈橙红色。这些微量元素的含量和稀土元素特征参数在一定程度上佐证了阴极发光镜下孔缝胶结物期次划分的合理性。

综上所述，孔隙中的Ⅰ期碳酸盐胶结物相较于Ⅱ期碳酸盐胶结物，阴极发光更亮，Fe，Mn 元素含量和Mn/Fe 值更高，指示了碳酸盐流体成岩环境由开放到封闭，氧化环境到还原环境，浅埋到深埋的特征。同时，Ⅰ期方解石脉体（CⅠ缝）和Ⅱ期方解石胶结物（CⅡ孔）具有相似的成岩特征，为了进一步揭示孔缝流体性质和来源，采用微区原位稀土元素配分模式分析进一步研究。

由于沉积岩中的稀土元素含量对沉积环境的水介质变化有较高的敏感度，除了可以用来划分流体的形成期次，还可以通过稀土元素配分模式的形态来推断流体的性质和来源［31-33］。采用激光原位分析技术，结合阴极发光下的矿物特征，在微米级尺度上对孔缝碳酸盐胶结物进行原位测试，得到不同部位和不同期次微量元素与稀土元素（REE）的含量。本文采用澳大利亚后太古代页岩（PAAS）的标准稀土含量，对研究区孔缝充填物的稀土元素数据进行标准化处理，得到稀土配分模式（图6）。

此次研究样品的稀土元素特征参数见表2 所列，目的层内孔隙与裂缝碳酸盐胶结物（脉体）的轻稀土元素（LREE）相对重稀土元素（HREE）富集，REE配分曲线右倾，稀土配分模式属于轻稀土富集型。

表2 库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组砂岩孔缝中的碳酸盐胶结物稀土元素质量分数Table 2 Massfraction of rare earth elements of carbonate cements filled in sandstone pores and fractures of Cretaceous Bashijiqike Formation in Keshen well block，Kuqa Depression

孔隙所赋存的碳酸盐胶结物稀土元素配分特征：Ⅰ期方解石胶结物的δCe 为（0.17～0.43）×10-6，平均值为0.26×10-6，δCe 表现为显著负异常；Ⅱ期方解石胶结物的δCe 为（0.76～0.98）×10-6，平均值为0.86×10-6，δCe 表现为弱负异常（图6a）；Ⅰ期白云石胶结物的δCe 表现为负异常，δCe 值为（0.77～0.85）×10-6，平均值为0.82×10-6；Ⅱ期白云石胶结物的稀土元素配分模式中δCe 为（1.31～2.32）×10-6，平均值为1.89×10-6，δCe 表现为正异常（图6c）。由此可见，本区成岩环境可能存在一个相对氧化向相对还原的变化过程。

裂缝中碳酸盐脉体的稀土配分特征：I期方解石脉的ΣREE 值为（33.83～205.57）×10-6，δCe 值为（0.77～0.85）×10-6，平均值为0.82×10-6，δCe 表现为弱负异常（图6b）；Ⅱ期方解石脉的ΣREE 值为（345.44～785.42）×10-6，高于Ⅰ期方解石脉，δCe 值为（0.87～0.94）×10-6，平均值为0.91×10-6，δCe 表现为弱负异常。这是因为在埋藏成岩过程中，由于压实-压溶作用以及矿物脱水作用，形成一定量的成岩流体，这种流体往往处于相对封闭的环境中，长期条件下流体与围岩发生水-岩相互作用，使岩石中的稀土元素持续迁移出来，形成稀土元素含量较高的成岩流体，故Ⅱ期方解石脉的总稀土含量要高于Ⅰ期方解石脉。白云石脉的ΣREE 值为（114.77～325.95）×10-6，δCe 值为（0.78～0.85）×10-6，平均值为0.81×10-6，δCe表现为弱负异常。

从流体中沉淀的碳酸盐矿物带有其相关流体的稀土元素地球化学特征［34］。在运用稀土元素进行流体来源追踪的过程中，发现孔隙中Ⅱ期方解石胶结物与裂缝中Ⅰ期方解石脉的稀土元素总量（ΣREE）、δEu 和δCe 等特征参数相似，同时具有相似稀土配分模式。孔隙赋存的Ⅱ期方解石胶结物和裂缝充填的Ⅰ期方解石脉是由同一来源的成岩流体沉淀而来。

5 孔缝成岩流体期次及来源

通过对库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组孔隙和裂缝中充填的碳酸盐胶结物（脉体）进行阴极发光分析，认为该区存在多期次的成岩流体。学者们针对区内砂岩中碳酸盐胶结物流体包裹体进行了均一温度测试，发现孔隙和裂缝中发育多期次的成岩流体。毛亚昆等［35-36］和李玲等［37-38］对孔隙胶结物中赋存的盐水包裹体进行均一温度测定，发现存在2 期方解石胶结物，Ⅰ期方解石胶结物形成温度介于80～90 ℃，Ⅱ期则介于100～120 ℃；还存在2 期的白云石胶结物，Ⅰ期形成温度介于90～100 ℃；Ⅱ期介于120～130 ℃。而孙可欣等［39］和张月等［40］则对裂缝的碳酸盐脉体进行盐水包裹体均一温度测定，发现该区存在2 期方解石脉体，Ⅰ期形成温度为110～130 ℃，Ⅱ期形成温度介于140～150 ℃；存在1 期形成温度介于150～160 ℃的白云石脉体。

根据已有的胶结物及脉体内流体包裹体显微测温数据［35-40］，结合研究区构造埋藏史-热演化史（图7），可以看出，库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组储集层孔缝体系中存在同期次的碳酸盐成岩流体，即赋存于孔隙中的Ⅱ期方解石胶结物和裂缝中产出的Ⅰ期方解石脉体，二者大概在距今9.0～12.2 Ma发生沉淀。结合阴极发光分析和微区原位微量元素分析得知，二者阴极发光均呈橘黄色，Mn/Fe 值相似，形成于相对封闭的成岩环境；δCe 均表现为弱的负异常，说明其形成于弱氧化-还原的成岩环境；稀土配分模式相似，即由同一来源的成岩流体沉淀形成。

6 石油地质意义

库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组储层孔缝体系中，发育的成岩流体存在期次和来源上的耦合关系，即存在同一套的碳酸盐流体进入孔缝缝网体系。从能量守恒的角度分析，同一套碳酸盐流体优先进入裂缝中，从而对周边孔隙形成一种保护。这对库车坳陷克深井区白垩系巴什基奇克组储层的孔隙演化有了间接控制作用，对于孔隙的规模保存有建设性的意义，有利于深入了解深层孔缝型砂岩储层的控制因素，同时为预测优质储层分布提供理论依据。