新疆塔北隆起桥古地区前中生界碳酸盐岩潜山储层特征与发育模式

刘 倩，樊太亮，高志前，张同辉，马晓萱，卫 端，鲁新便

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

碳酸盐岩潜山储层是指现今被不整合埋藏在年轻盖层之下、与古风化壳之间有非渗透性地层相隔的储层，其埋深大且发育于潜山内部[1]。近年来，深层-超深层潜山碳酸盐岩储层勘探已经是碳酸盐岩油气勘探的重要方向[2-9]，但由于碳酸盐岩潜山储层具有强非均质性及发育受多种复杂因素控制等特征，使得储层分布十分复杂，极大程度加大了潜山油气藏的勘探难度[10-12]。2010—2011年，桥古地区的桥古1井和桥古101井于寒武系潜山试获工业油气流，使桥古地区成为塔北油田深层-超深层油气增储上产的重要阵地。桥古地区前中生界潜山地层受多期构造运动影响，断裂体系复杂，储层非均质性强，储层发育分布规律缺乏系统研究，严重制约该地区下一步油气勘探与靶区优选。对桥古地区碳酸盐岩潜山储层特征和储层发育模式进行精细研究，将对该地区储层发育分布规律的正确认识具有重要意义。本文将利用岩心、薄片、钻测井和地震等资料，对储层发育特征进行详细分析，厘清研究区岩石学特征，明确前中生界碳酸盐岩储集空间特征，基于储层发育控制的因素，总结研究区有利储层的发育模式，以期对研究区前中生界储集层的发育规律提供理论基础和指导。

1 区域地质概况

新疆桥古地区位于塔北隆起雅克拉断凸西段、库车山前带的中部地区，北邻库车坳陷，南接哈拉哈塘坳陷，行政区划属阿克苏地区的库车县、新和县[13](图1)。区内前中生界地层分布复杂，寒武系地层遭受剥蚀，局部残留。据已有探井分析，区内发育前震旦纪变质岩系，元古界—古生界发育海相碳酸盐岩储层，主要为白云岩储层，集中发育于寒武系玉尔吐斯组及肖尔布拉克组，厚度约390 m，潜山储集层之上由石炭系—白垩系覆盖。

图1 研究区位置图[13]Fig.1 Location map of the study area (after ref.[13])

前人研究表明，沙雅隆起经历的4个关键构造变革期控制整个雅克拉断凸构造演化全过程[14]。加里东晚期—海西早期，以变质岩基底卷入的逆冲断裂活动导致前中生界在研究区统一表现为南倾的宽缓隆起，断距较小，地层产状较缓，古潜山形成。海西晚期，强烈的构造运动使得先存断裂再次活动，地层剥蚀强烈，具有“强冲大褶”的特征。印支期时，又一次强烈的构造运动使海西晚期断裂复活，继续挤压逆冲，使早古生代地层进一步遭受剥蚀，甚至前震旦纪地层也遭受侵蚀作用。喜山晚期新生界地层反转，南高北低，构造最终定型。

桥古地区断裂构造十分发育，主要发育北东向和北东东向断裂，两组断裂构成共轭断裂样式，断裂具有多期次、长时间发育特征，褶皱作用相对较弱，构造核部剥蚀量大。目前研究区已发现桥古1、沙53等油气藏，且近几年深层潜山钻探的成功也表明研究区前中生界具有良好的勘探开发前景[15-17]。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

通过钻井岩心及镜下薄片的观察，发现研究区碳酸盐岩潜山储层岩性以白云岩为主，灰岩次之。根据岩石组分特征，白云岩类可分为晶粒白云岩、颗粒白云岩以及硅质白云岩三大类，其中晶粒白云岩以泥晶白云岩和细粉晶白云岩为主，含少量的灰质粉晶白云岩；颗粒白云岩主要为含砂屑泥晶白云岩(图2)。

图2 桥古地区潜山层岩石类型Fig.2 Rock types of buried hill layers in Qiaogu area(a)QG1-2井5 982.67～5 982.80 m,灰色泥晶白云岩；(b)QG101井，5 758.485 m，铸体薄片，10×单偏光，泥晶白云岩，晶形呈半自形，方解石充填裂缝，晶间溶孔被方解石充填；(c)QG1井，5 758.025 m，铸体薄片，10×单偏光，泥晶白云岩，晶形呈半自形-它形，重结晶现象明显，泥晶重结晶成晶粒更粗大的粉晶白云石；(d)QG1井，5 748.79～5 748.96 m，灰色油迹粉细晶白云岩；(e)QG102井，5 832.65～5 832.74 m，灰色粉晶白云岩,发育少量溶孔，半充填；(f)QG102井，5 825.86 m，铸体薄片，5×正交偏光，粉晶白云岩，白云石结晶差，发育未充填裂缝和方解石全充填缝，裂缝伴生溶孔部分被石英充填，部分粉晶晶粒重结晶成晶粒更粗大的细晶白云石；(g)QG1井，5 751 m，铸体薄片，5×正交偏光，粉晶白云岩，晶形呈它形，裂缝半充填，充填物为硅质；(h)QG101井，5 757.06 m，铸体薄片，10×单偏光、正交偏光，灰质粉晶白云岩，白云石经成岩作用变成呈条状分布的石膏；(i)QG101井，5 760，54 m，铸体薄片，5×正交偏光，灰质粉晶白云岩，发育未充填溶蚀扩大缝和小溶孔，可见重结晶现象；(j)QG1井，5 740.255 m，铸体薄片，2.5×单偏光，砾屑白云岩，保留了砾屑的形状，内部被重结晶成嵌晶状泥晶晶粒；(k)QG102井，6 113.36 m，铸体薄片，5×正交偏光，泥晶晶粒间有大的石英颗粒；(l)QG1井，5 752.84 m，铸体薄片，5×正交偏光，硅质白云岩，残余的砂屑、砾屑硅化，空孔被硅质石英充填，白云石为残余结构，孔隙不发育

(1)泥晶白云岩：是研究区碳酸盐岩储层的主要岩石类型(图2(a))，在桥古气藏主体区均有分布。典型井QG1、QG101以及QG102井中均见有分布，多发育在肖尔布拉克组的下段。该类岩石主要由泥晶和少量的粉晶组成。晶粒结构比较清晰，主要由呈半自形-它形的泥晶晶体组成，矿物成分主要为白云石，其含量通常大于90%，偶见白云石的晶间孔被金云母充填，也能看到有零散分布、含量极少的石英。由于白云石化成岩作用，有些层段形成少量的晶间孔，且部分被方解石充填(图2(b))，部分重结晶成晶粒更大的粉晶白云石(图2(c))。

(2)粉晶白云岩：是构成研究区碳酸盐岩储层最主要的岩石类型(图2(d)和(e))，在整个研究区均有分布，是目的储层段发育厚度最大的岩性。该类岩石晶粒内部结构较均匀，晶形主要呈半自形，矿物成分以白云石为主，其含量通常大于90%。在镜下薄片可观察到重结晶现象明显，局部的粉晶晶粒结晶成细晶晶粒，发育溶蚀扩大缝和半充填缝(图2(f))，充填物多为硅质、自生水云母及方解石等(图2(g))。

(3)灰质粉晶白云岩：研究区该类白云岩占比相比泥晶、粉晶白云岩小，仅有少量分布，主要发育在肖尔布拉克组上段地层。岩石内部结构不均匀，矿物成分以白云石和方解石为主，其中白云石含量大于50%。在镜下薄片中可观察到晶形呈半自形或它形的白云石经历了强烈的机械压实作用和重结晶作用(图2(h)和(i))。

(4)砂屑泥晶白云岩：在研究区仅有少量发育，虽然发育较少，但却是构成储层的重要岩石类型。该类岩石以颗粒结构为主，颗粒-晶粒结构次之，成分以泥晶白云岩为主，形状不规则。矿物成分以白云石为主，含量大于80%。在镜下薄片中可观察到该类岩石主要保留了砂屑的形状，内部被重结晶成嵌晶状泥晶晶粒，泥晶晶粒间有石英颗粒，发育溶蚀扩大缝(图2(j)和(k))。

(5)硅质白云岩：是构成研究区储层的第三大类岩石类型，在目的层段均有少量发育。该类岩石内部结构不均匀，矿物成分以硅质和白云石为主，其中白云石含量大于50%。在镜下可观察到残余的砂屑、砾屑硅化，空孔被硅质石英充填，白云石为残余结构，孔隙不发育，偶见裂缝，部分薄片中的硅质有被定向挤压排列的形状，说明单井所属区域遭受了强烈的构造运动(图2(l))。

2.2 储集空间特征

碳酸盐岩储集层具有岩性变化大、储集空间类型多样、次生成岩作用改造明显以及非均质性强等特点[18]。常规测井资料由于其响应机制和分辨率有限，往往在岩性和储集空间精细识别解释等方面具有一定的局限性，而电阻率成像测井能在一定程度上弥补这种不足[18-19]。因此，将电成像测井结合常规测井应用于研究区碳酸盐岩储集空间识别上，可为准确识别储集空间结构特征提供有利支撑[20]。碳酸盐岩各储集空间类型在电成像测井图像上的显示特征如表1所示。

(1)裂缝：桥古地区潜山地层中裂缝十分发育，主要原因是地层的多期次构造运动，裂缝是桥古地区碳酸盐岩白云岩储层的重要渗滤通道和储集空间，同时控制着溶孔、溶洞的发育。在电成像测井图像上，裂缝可分为天然裂缝(张开裂缝、闭合裂缝)和诱导缝，研究的有效裂缝指的是张开裂缝[21]。裂缝在成像图像上显示为深色或黑色的正弦曲线[22]，角度不同在图像上的表现形态也不一样，主要分为高角度开启缝、中角度开启缝、近水平开启缝以及网状开启缝。这些裂缝类型在整个研究区均有发育。

表1 不同储集空间类型在电成像测井图像上的显示特征

(2)溶孔：在裂缝型储集层的背景下，由于地下水的溶蚀作用，产生了大小不一的溶孔，溶孔在成像图像上显示为深色或黑色的不规则斑块。溶孔在研究区少量发育，多数与裂缝相伴而生。

(3)溶洞：溶洞的测井响应在成像图像上显示极板拖行暗色条带夹局部亮色团块，大型溶洞表现为所有极板全是黑色[23]，溶洞在研究区局部可见，总体欠发育。

通过岩心成像对比分析，建立桥古地区白云岩储层储集空间的成像解释模型(图3)，包括三大类成像解释模式，分别为线状模式(近水平缝、高角度缝、扩溶构造缝、网状交错缝、层理、诱导缝等)(图3(a)—(c))、块状模式(小型溶洞)(图3(d)—(f))和斑状模式(裂缝伴生溶孔、层状或杂乱分布的溶蚀孔洞、半充填的溶洞等)(图3(g)—(i))。

图4 QG1井肖上段储集空间精细刻画Fig.4 Fine depiction of the reservoir space in the upper Xiao member of well QG1

以电成像测井解释图版为指示，通过电成像测井结合常规测井对研究区单井储集空间结构特征进行精细刻画。桥古井储集空间的精细刻画展示了肖尔布拉克组上段储集空间垂向分布特征如图4所示。肖尔布拉克组上段整段储层储集空间相对较发育，上部主要发育中高角度溶蚀扩大缝，局部可见溶蚀孔，溶孔多数与裂缝相伴而生，中部发育中低角度裂缝，下部整体发育裂缝。从单井上结合岩性发现，粉晶白云岩段多发育构造裂缝和溶蚀扩大缝，泥晶白云岩段裂缝发育相对较弱，仅发育少量微裂缝(图5)。

图5 QG1井肖上段储层综合柱状图Fig.5 Integrated reservoir histogram of the upper Xiao member of well QG1

综合4口典型单井的储集空间结构精细刻画，认为研究区主要发育三种储集空间类型，即裂缝、溶孔和溶洞，其中以裂缝为主。裂缝的类型主要为中高角度溶蚀扩大缝和低角度近水平缝，主要发育在粉细晶白云岩、灰质粉晶白云岩和砂屑泥晶白云岩岩段，泥晶白云岩段欠发育；溶孔次之，很少孤立存在，常常与裂缝相伴而生，主要发育在细粉晶白云岩段；溶洞局部孤立发育。

2.3 储层物性特征

分析核磁孔隙度与面孔率关系发现，薄片面孔率与孔隙度成一定的线性关系，可以反映宏观物性，所以面孔率对研究不同岩相的物性特征具有统计意义。

用ImageJ软件计算扫描的铸体薄片面孔率，分析不同岩相与物性的关系特征。研究区桥古1、桥古101、桥古102、桥古1-2井4口钻井68个岩心样品对应的面孔率统计数据如图6和表2所示。桥古地区前中生界碳酸盐岩储层非均质性强，整体面孔率较低。具体表现为粉晶白云岩平均面孔率最高，物性最好；砂屑白云岩和灰质粉晶白云岩次之；硅质白云岩和泥晶白云岩平均面孔率较低，物性差(图6)。

图6 桥古地区不同岩相面孔率分布箱状图Fig.6 Box plot of porosity distribution of different lithofacies in Qiaogu area

表2 桥古地区岩性面孔率统计

储层物性结合储集空间精细刻画结果综合分析得出：粉晶白云岩、砂屑泥晶白云岩和灰质粉晶白云岩储集空间发育，物性较好，为优势岩相；硅质白云岩和泥晶白云岩储集空间欠发育，物性差，为非储层岩相。

2.4 储集单元特征

在碳酸盐岩储集层研究中，以岩层是否具备储集、封闭条件为依据，根据纵向上岩性的组合序列，将地层划分为若干个基本单元[24]。在碳酸盐岩储集层的划分与对比中，将这种在剖面上按岩性组合划分、能够储集并保存油气的基本单元称为储集单元。本文储集单元细分主要是在岩性组合、储集空间刻画的基础上进行储集层和致密层的划分，进而对储集单元的垂向组合进行研究。

图7 QG1井肖尔布拉克组储集单元划分Fig.7 Reservoir unit division in the upper Xiao member of well QG1(a)5 747.85～5 748.02 m，灰色粉晶白云岩，发育半充填水平缝；(b)5 748.60～5 748.79 m，灰色油迹粉细晶白云岩，发育沟通水平缝的垂直缝，成网状分布；(c)5 752.62～5 748.72 m，灰色油迹粉晶白云岩，发育溶蚀孔洞；(d)5 754.35～5 754.40 m，灰黑色细晶白云岩，发育中高角度溶蚀扩大缝，全充填；(e)5 754.89～5 755.03 m，灰黑色泥晶白云岩，发育溶蚀扩大缝，全充填；(f)5 756.72～5 756.80 m，灰黑色泥晶白云岩，发育直立充填缝

以桥古1井为模板建立储集层、致密层的识别划分标准(图7)，储集层以粉晶白云岩为主，发育中高角度溶蚀扩大缝、半充填缝、垂直缝、网状缝等，局部发育溶蚀孔洞，多有油迹显示。测井曲线上GR为低值且起伏不大，电阻率为中低值，成像测井图像相对偏暗黄，孔隙度较高。致密层(隔层)主要发育在泥晶白云岩段，厚度较大且分布稳定，裂缝、溶孔基本不发育，即使发育裂缝也多为规模小的全充填缝，位于旋回的下部。测井曲线上GR为低值且起伏不大，电阻率为中高值、成像测井图像以亮白色为主，孔隙度很低。

图8 QG1-QG101-QG102井储层连井剖面Fig.8 Reservoir connection profile of well QG1-QG101-QG102

根据上述划分储集层和致密层的标准，对QG1、QG101和QG102井储集单元进行划分。选取研究区桥古气藏主体区南北向QG1-QG101-QG102一条连井剖面(图8)，对肖上段储层段及致密段垂向发育特征进行分析。结果显示桥古气藏主体区肖尔布拉克组上段发育5套储层，横向分布稳定，厚度在垂向上没有明显特征。下部第1套开发层系厚度较大，储层物性好，勘探潜力大； 第2套开发层系厚度相对较小，储层物性较好，横向连通性好；第3套储层厚度可观，储层物性好，勘探开发潜力大；第4套和第5套储层分布局限，但储层段物性好，厚度可观。肖尔布拉克组下段的顶部发育一套较厚储层，且横向上具有很好的连通性。总体而言，肖尔布拉克组上段优势储层发育于第1、3、4套开发层系。

3 储层主控因素及发育模式

3.1 储层主控因素分析

研究区前中生界碳酸盐岩储层发育的控制因素主要有岩相、断裂、埋藏-热液及表生岩溶作用，其中表生岩溶作用对储层发育影响很弱，对储层发育起主要控制作用的是岩相、断裂和埋藏-热液作用三种因素。这三种因素既相互独立又相互影响，对研究区优质储层的形成起到至关重要的作用。

3.1.1 岩相是有利储层形成的基础

桥古地区前中生界岩性主要为细粉晶白云岩、泥晶白云岩、砂屑泥晶白云岩、灰质粉晶白云岩和硅质白云岩。从钻井岩心和镜下薄片中可观察到细粉晶白云岩、砂屑泥晶白云岩和灰质粉晶白云岩。其中，主要发育裂缝，溶蚀孔、晶间溶孔少量发育，储层的基质物性好(图9(a)—(c))。泥晶白云岩和硅质白云岩裂缝少量发育，大多数被半-全充填，且不发育溶孔，储层的基质物性差(图9(d))。这种现象表明储层的优劣与岩相类型密切相关[25]。

3.1.2 断裂作用沟通有效储集空间

桥古地区经历了多期次构造运动，研究区构造断裂十分发育。研究区前中生界重点勘探的储层为裂缝型储层。从钻井岩心和镜下薄片中普遍见到断裂周围的岩层中有大量的裂缝，主要为中高角度的开启缝和半充填缝，这些裂缝改善了岩石的储集性能(图9(b))。而远离断裂的岩层仅有少量微裂缝发育，且裂缝大部分被充填，充填物主要为方解石和硅质(图9(e)和(f))。即断裂的发育程度控制裂缝的发育程度[26]，从而控制储层的储集性能[27-29]。

图9 桥古地区潜山储层储集空间类型Fig.9 Reservoir space types of buried hill reservoirs in Qiaogu area(a)QG101井，5 760.85 ～5 761.04 m，灰色灰质白云岩，发育高角度缝未充填，见小溶孔；(b)QG1井，5 756.38 m，铸体薄片，10×单偏光，粉晶白云岩，晶形呈半自形，发育未充填缝，且裂缝周围白云石晶粒为更粗大的细晶晶粒；(c)QG1井，5 752.315 m，铸体薄片，10×正交偏光，细粉晶白云岩，晶形呈半自形，发育晶间溶蚀孔；(d)QG102井，5 830.94～5 831.09 m，深灰色硅质白云岩，发育两期裂缝，为高角度充填缝，第一期为白云石充填，为1～2 mm；第二期为红褐色铁质充填，3～4 mm；(e)QG1井，5 758.955 m，铸体薄片，5×正交偏光，泥晶白云岩，裂缝被白云石和硅质充填；(f)QG1井，5 755.64～5 755.74 m，灰黑色细晶白云岩，发育高角度溶蚀扩大缝；(g)QG102井，5 832.65～5 832.74 m，灰色粉晶白云岩，发育少量溶孔，半充填；(h)QG1井，5 752.62～5 752.72 m，灰色油迹粉晶白云岩，发育溶蚀孔洞；(i)QG101井，5 757.71 m，铸体薄片，2.5×正交偏光，粉晶白云岩，裂缝、溶孔被硅质充填

3.1.3 埋藏-热液作用对储层发育叠加改造

牙哈—英买力地区深大断裂(牙哈断裂)附近的白云岩可能部分受到岩浆活动产生的热液影响[30-32]。从区域上看，桥古地区距海西期岩浆源较近，也位于深大断裂带(库纳斯断裂带)附近，具有埋藏-热液发育背景。埋藏-热液溶蚀在研究区有两种识别标志：一是岩心上可见残余的热液溶蚀孔洞(图9(g)和(h))；二是镜下薄片可见裂缝和早期的晶间孔、溶蚀孔被硅质充填(图9(i))。埋藏-热液对储层发育起双重作用[33]，一是热液溶蚀产生溶蚀孔洞对储层起建设性作用，二是硅质胶结充填对储层起破坏性作用。可见埋藏-热液作用对储层发育有利有弊，对储层有一定的叠加改造作用。

3.2 储层发育模式

根据桥古地区碳酸盐岩潜山储层发育的主控因素，建立研究区碳酸盐岩储层发育模式(图10)。

图10 桥古地区储层发育模式Fig.10 Reservoir development model in Qiaogu area

加里东晚期—海西早期，逆冲断裂活动导致桥古地区前中生界表现为南倾的宽缓隆起，断背斜潜山形成。多期次构造运动导致前中生界地层抬升剥蚀，同时逆冲断裂持续性发育，地层分布复杂，前震旦系基底出露，局部寒武系地层直接覆盖在前震旦系基底之上。研究区寒武系发育不同类型白云岩，主要以厚层粉晶白云岩和泥晶白云岩互层分布。由于白云岩岩石力学性质差异，多期次断裂发育产生大量裂缝，造成不同岩相裂缝发育程度不同。细粉晶白云岩、砂屑泥晶白云岩和灰质粉晶白云岩裂缝发育，泥晶白云岩和硅质白云岩裂缝少量发育。在喜山期埋藏阶段，断层沟通深部热液对断裂带附近的地层进行叠加改造。岩相对热液溶蚀改造同样起到控制性作用，粉晶白云岩、砂屑泥晶白云岩和灰质白云岩发育少量溶蚀孔，储层基质物性较好；而泥晶白云岩和硅质白云岩遭受的埋藏溶蚀作用非常微弱，几乎不发育溶孔，储层基质物性差。使得桥古地区形成受岩相、断裂主控，埋藏-热液叠加改造的互层状内幕潜山储层发育模式。

4 结 论

(1)桥古地区碳酸盐岩潜山储层岩性可分为晶粒白云岩、颗粒白云岩和硅质白云岩三大类。其中晶粒白云岩以泥晶白云岩和细粉晶白云岩为主，含少量灰质粉晶白云岩；颗粒白云岩以砂屑泥晶白云岩为主。桥古地区主要发育三种储集空间类型，以裂缝为主，主要发育中高角度开启缝、近水平缝、网状缝以及溶蚀扩大缝；溶孔次之，与裂缝相伴而生；溶洞局部孤立发育。

(2)肖尔布拉克组上段发育5套开发小层系，细粉晶云岩段储层段发育较好，泥晶云岩段储集性差，部分发育致密层。优势储层发育于第1、3、4套开发层系，是未来油气勘探与靶区优选重点目标。

(3)潜山储层发育主要受控于岩相、断裂及埋藏-热液作用。其中，岩相是储层发育的有利基础，断裂是储层发育的关键因素，埋藏-热液作用对储层发育叠加改造。基于潜山储层控制因素，建立桥古地区受岩相、断裂主控，埋藏-热液叠加改造的内幕潜山储层发育模式。