超深低孔特低渗砂岩储层的孔隙成因及控制因素——以库车坳陷克深地区巴什基奇克组为例

孙海涛，钟大康，李 勇，毛亚昆，杨宪彰,

1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249 2.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000

0 引言

多年的勘探和研究[1-4]证实，位于塔里木盆地库车坳陷的白垩系巴什基奇克组砂岩储层具有巨大油气资源量和勘探开发潜力。前人研究[5-6]表明，巴什基奇克组砂岩储层为冲积扇-扇三角洲成因，岩性多为长石砂岩、岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩。库车坳陷中部的克拉苏断裂将这套储层分成断层上盘和断层下盘两个区域，克深地区巴什基奇克组砂岩储层即位于断层下盘。西气东输的源头克拉2气田位于断层上盘，储层埋深3 500～4 000 m，以受溶蚀改造扩大的粒间孔隙为主，孔隙度15%～20%，渗透率200×10-3～800×10-3m2，属于中孔中渗储层[7]；断层下盘埋深达6 000～8 000 m的砂岩储层基质孔隙度1.5 %～7.5 %，渗透率0.01×10-3～1×10-3m2，裂缝渗透率0.1×10-3～10×10-3m2，属于低孔特低渗储层[8]。值得注意的是，一方面，位于断层上盘和断层下盘同一层位的储层却有如此巨大的物性差异，原因何在；另一方面，不但断层上盘的中孔中渗储层发现了大气田[8]，而且位于断层下盘的克深地区的低孔特低渗储层中也发现了大气田其原因值得思考。

文献表明，许多学者先后对巴什基奇克组砂岩储层开展过详细研究[6, 9-15]。早期研究中，贾进华等[5, 15]针对断层上盘克拉2气田提出白垩系储层孔隙类型以不规则状、伸长状的剩余原生粒间孔为主。刘建清等[16]通过对上盘储层铸体薄片的观察发现，除了剩余原生粒间孔，上盘储层还有大量早期方解石胶结溶蚀形成的次生溶蚀孔。而近期张荣虎等[17]、张惠良等[8]对断裂下盘储层的研究基本继承了早期的观点，认为其以原生孔隙为主，包括少量粒间孔(包括残余原生粒间孔、粒间溶孔)、长石(或岩屑)粒内溶孔及微孔隙等多种孔隙类型，其中溶蚀孔-残余原生粒间孔的孔隙组合占储集空间总量的50%～90%[18]；并进一步强了调构造成岩效应，提出大北地区为裂缝-粒间孔型储层，克深地区为裂缝-溶蚀孔型储层[19]。潘荣等[20]最近却认为下盘这套储层原生孔隙基本消失，以次生孔隙为主，早期表生长石溶蚀、晚期酸性水溶蚀方解石、长石与岩屑，并沿裂缝溶蚀，最终形成了大量次生孔隙。可见，对于储层微观特征尤其是孔隙成因类型，目前仍存在较大分歧。

笔者认为，上述分歧是不同研究者在不同时期、针对不同地区以及利用与掌握的不同资料提出的各自认为比较合理的认识。为了明确这套储层的储集空间特征，有必要对孔隙成因进行系统梳理和研究。因此，笔者的团队在取得了大量新的岩心和薄片资料之后，系统观察了库车坳陷钻遇这套储层的35口井共1 035块砂岩薄片，并将常规的岩矿测试分析手段和一些新手段，如荧光薄片、场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜应用到储层微观研究，系统分析了克深地区这套超深低孔特低渗储层的孔隙成因及其控制因素。

1 地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地北部，克拉苏构造带位于库车坳陷的中部，研究区克深地区位于克拉苏断裂的下盘(图1)。晚白垩世受构造活动影响，坳陷抬升并遭受剥蚀，之后发生沉降并沉积了古近系膏盐岩。进入新近纪，在南天山强烈隆升的影响下，坳陷内沉积了巨厚的粗碎屑岩[21]，深埋的白垩系遭受强烈挤压发生破碎并向南逆冲，在断裂下盘的克深地区形成了多层叠置的冲断带[22-27]。逆冲作用对巴什基奇克组的挤压过程中既有横向挤压，也有垂向剪切，造成断裂带不同部位的应力环境和储层埋藏深度均相差甚远[28-29]；最重要的是，这次构造挤压对砂岩颗粒、填隙物以及孔隙的形态和排列方式都产生了影响。

图1 库车坳陷构造单元及部分钻井井位分布图Fig.1 Distribution map of the tectonic units and wells in Kuqa depression

2 孔隙成因及识别标志

2.1 储集空间类型

按照不同的划分依据，关于碎屑岩的储集空间划分存在多种方案[30-35]，例如根据成因、大小、形态等。孔隙形成过程复杂多变，因此不同依据分出的孔隙类型必然会有交叉，单类依据无法全面概括某一孔隙的所有特征及成因，所以笔者在本次研究中将上述不同的划分依据整合之后开展了综合分类。首先，根据形态，若储集空间的三维空间比较接近，则为孔隙，若某两维空间比另一维大许多(如大于10∶1)，则为裂缝；其次，根据孔隙规模，分为大孔(孔径>10m)和微孔(孔径<10m)；最后根据成因机制将不同规模的孔隙和裂缝进行细分(表1)。

表1 库车坳陷克深地区巴什基奇克组砂岩孔隙类型综合划分表

2.2 各类孔隙的识别标志

1)残余粒间孔，是原生粒间孔缩小后保留下的孔隙，是在沉积过程中产生的粒间体积未被胶结、再经过埋藏压实与构造挤压后体积减小后形成的(表1)，属于原生成因的孔隙。颗粒边缘痕迹平直，颗粒表面完整清晰，无溶蚀痕迹，粒间缺乏碳酸盐和黏土胶结物，石英颗粒的次生加大也不明显，也没有明显的胶结物溶蚀现象，多数样品甚至都看不到杂基。孔隙形态常为三角形，孔隙边缘棱角分明，孔内干净，孔径较小，但仍大于10m(图版a)。

2)残余粒间溶孔，是粒间体积内早期胶结物溶蚀后形成的溶蚀孔再受到晚期构造挤压而缩小形成的孔隙。区别于被构造挤压完全消失的粒间溶孔，该类孔隙由于受构造挤压多呈扁平状，且具有不同程度的定向性(图版b)。而且，孔隙边缘没有明显溶蚀痕迹，仅有极少量残余的早期胶结物，说明发生在构造挤压之前的早期溶蚀作用比较强，溶蚀比较彻底。这类孔隙的存在，证实了早期胶结物对储层粒间体积的保护作用和晚期构造挤压作用对储层的破坏。

3)晚期粒间溶孔，是粒间胶结物埋藏过程中遭受构造挤压之后晚期溶蚀形成的孔隙，由于溶蚀程度的差异，孔隙内胶结物的边缘凹凸不平，多呈锯齿状或港湾状。与残余粒间溶孔不同，晚期粒间溶蚀形成在构造挤压之后，没有表现出受构造挤压影响的定向性和挤压变形的特征(图版c)，粒间溶蚀的胶结物多为硅酸盐和碳酸盐胶结物，包括钠长石、方解石、白云石、少量岩屑和杂基溶蚀，但杂基的溶蚀只能在扫描电镜下进行识别。

4)晚期粒间溶蚀扩大孔，具有混合成因，是残余粒间孔、残余粒间溶孔进一步遭受晚期溶蚀、扩大形成的大孔隙，其孔径普遍较相邻的其他孔隙类型大(图版d)。由于强烈溶蚀，不但孔隙内的胶结物边缘凹凸不平，呈锯齿状或港湾状，而且颗粒边缘也受到不同程度溶蚀，使得颗粒边缘凹凸不平，也呈锯齿状或港湾状。另外，这种孔隙也不具挤压变形和定向性。除了粒径较大以外，这类孔隙与晚期粒间溶孔在其他方面不易区分。

5)粒内溶孔，是长石或岩屑颗粒内部被溶蚀形成的(图版e)，主要是沿长石解理面溶蚀，形成的孔隙多沿着解理缝分布，其次是其他岩屑内部不稳定成分的溶蚀，例如白云石或火山岩岩屑，这种溶蚀孔的形成不规则。粒内的溶蚀程度可强可弱，溶蚀强时会形成铸模孔，溶蚀弱时常形成数量众多的粒内微孔(图版e)。

6)各类微孔隙，包括杂基微孔、粒间微孔和粒内微孔(图版f)：有原生的，例如高岭石、绿泥石、伊利石等黏土矿物晶间微孔；也有次生的，例如长石和岩屑内部的溶蚀微孔。微孔隙的孔径虽然很小，但其数量多，对天然气的储集具有重要的意义，不可忽视。这类孔隙中微米级孔隙很少，有时候只有几十个纳米，必须利用更先进的显微分析技术才能详细观察其成因和特征。例如普通铸体薄片很难发现杂基内的微孔隙，而荧光薄片可以清晰地看到杂基微孔内的油浸现象(图版f)，另外场发射扫描电镜对于分析纳米级孔隙的形态特征和成因比普通的扫描电镜更加有效(图版g)。

2.3 各类裂缝的识别标志

1)构造缝，是最主要的裂缝，颗粒或胶结物在埋藏过程中其受构造挤压后破碎形成了张裂缝和剪切缝，构造缝往往直接切穿颗粒或胶结物，在颗粒内形成的裂缝具有清晰的、平直的裂缝边缘(图版g)。其中，对于砂岩储层来讲，张性缝是有效缝，更有实际意义，且晚期溶蚀作用往往沿着张性缝溶蚀两侧的颗粒或胶结物，扩大成港湾状(图版h)。从岩心上看主要是高角度缝或垂直构造缝(图版i)，对储层储集性能和渗流性能具有改善作用。

2)粒缘缝，是由粒间孔隙收缩形成，也可以称之为孔隙收缩缝，类似于缩颈喉道。它是指颗粒在埋藏过程中受到压实和构造挤压，导致粒间体积缩小，相邻颗粒相互紧贴后残留孔隙形成的裂缝(图版j)，这类裂缝对于储层的渗流意义远大于其储集意义，它可以成为连通各类粒间孔隙的喉道。

3 储集空间分布特征及控制因素

3.1 分布特征

根据上述的储集空间综合分类及其识别标志，详细观察了克深地区10口井取心井的岩心铸体薄片，并使用点计法统计了薄片内上述不同类型孔隙的出现频次。结合全部岩心物性测试得到的孔隙度和渗透率数据，综合分析后发现，研究区巴什基奇克组储层的储集空间以孔隙为主，裂缝孔隙度并不高，其渗流意义远大于储集意义。从孔隙类型(图2)来看，以次生成因为主，包括残余粒间溶孔、晚期粒间溶孔、粒内溶孔以及晚期粒间溶蚀扩大孔中部分溶蚀扩大的体积；原生成因的孔隙仅包括残余粒间孔、杂基微孔、粒间微孔以及晚期粒间溶蚀扩大孔中的原生粒间体积。

图2 克深地区储集空间类型直方图Fig.2 Histogram of the types of reservoir space in Keshen district

3.2 控制因素

一般来说，碎屑岩储层的沉积环境和成岩作用对储集空间都有影响，特别是不同沉积环境、砂岩成分、颗粒大小、分选好坏、磨圆程度都对后期成岩作用及储集空间的分布有影响。在研究区，对比克拉苏断裂上盘的克拉地区，克深地区砂岩储层基本上具有相同的物源、沉积环境和岩石类型，然而依引言部分所述，二者储层物性差异甚大；其次，对于碎屑岩储层，随着埋藏深度的增加和压实作用的增强，原生孔隙通常会越来越少，同时经成岩作用改造，次生孔隙相对增多[36-37]，而对于克深地区埋藏深度已经达到6 000～8 000 m的砂岩储层，次生孔隙所占比例较高，是孔隙体积的主导地位。笔者认为，这与其埋藏过程及成岩演化过程有关，主要控制因素包含以下几点。

3.2.1 长期浅埋减缓了压实减孔作用

根据克深—大北地区代表井的埋藏史(图3)可以看出，该区白垩系的埋藏过程可分为2个阶段：前期(130～20 Ma)埋藏过程耗时超过了100 Ma，但埋藏深度并未超过2 500 m，埋藏速率仅为25 m/Ma；而后期(20 Ma以来)埋藏过程仅在20 Ma内快速深埋超过7 000 m，埋藏速率超过350 m/Ma。储层早期埋藏阶段长时间维持在较浅深度，到白垩纪末期即65 Ma时埋深仍在1 000 m左右，压实作用较弱；因此可以在某些薄片中看到未遭受任何溶蚀作用而保存了大量早期钙质胶结物的现象(图4a)，其颗粒接触不紧密，粒间杂基也没有受到强烈挤压，保存了大量原生粒间体积，例如残余粒间孔和晚期粒间溶蚀扩大孔的原生粒间体积，这有利于后期次生作用改造。

3.2.2 早期胶结作用间接保存了原生粒间体积

该套储层在早期处于低—中咸化碱性水的成岩环境[19]，因此在同生成岩期和早成岩A期内发生过早期胶结作用，包括碳酸盐胶结和铝硅酸盐胶结，例如发橙红色、橙黄色光的连晶状的早期方解石基底式胶结(图4a)。这种早期胶结物一方面在弱压实环境中就占据了大部分粒间体积，增强了颗粒的抗压效应，另一方面在晚期遭受溶蚀的时候，可以将已占据的原生粒间体积释放出来形成残余粒间溶孔，而这类孔隙从本质上也是原生成因控制的孔隙体积。现今残余粒间溶孔占到了全部孔隙的15%，只是先被胶结保留，后可以被溶蚀释放。当然也有未被溶蚀的情况，这样才会保留下来成为早期胶结物发育的证据(图4)，这说明早期胶结物在全部体积的体积分数远远超过15%，可见其对原生粒间体积的保存确实起到了重要作用。

a.克深地区(据克深2井)；b.大北地区(据大北302井)。据文献[19]修改。图3 克深—大北地区埋藏史曲线图Fig.3 Burial history curve of wells in Keshen & Dabei district

a.弱压实环境形成的早期胶结物，克深202井，6 766.70 m，颗粒边缘平直、无溶蚀痕迹，粒间发育早期钙质胶结物，阴极发光为亮橙色；b.早期改制胶结，克拉2井，3 635.40 m，亮橙色阴极发光，颗粒漂浮或点接触，说明为弱压实作用背景下形成的早期胶结物；c.挤压减孔作用特征，克深205井，7 086.09 m，构造挤压导致颗粒定向排列，且之前表生溶蚀阶段形成的次生孔隙和原有的粒间体积均被挤压缩小；d.晚期粒间溶蚀作用，克深8井，6 730.29 m，经历构造挤压后，晚期溶蚀保留的残余钙质胶结物，边缘不整齐，呈港湾状。图4 克深地区巴什基奇克组砂岩部分成岩作用特征Fig.4 Characteristics of sandstones diagenesis of Bashijiqike Formation in Keshen Area

3.2.3 构造活动的挤压减孔效应强于其造缝增孔效应

在晚期快速深埋的过程中，断裂下盘克深地区的储层遭受了强烈的构造挤压。在薄片中识别出的大量颗粒裂缝和部分颗粒定向排列的现象(图4c)，都是受到了晚期构造挤压作用的影响才出现的[38]。首先，在3.2.1节中已经论述过，这套储层早期由于长期浅埋和早期胶结作用导致了早期的弱压实作用，故而这种定向性特征不是早期压实导致；其次，这套砂岩的沉积环境为冲积扇-扇三角洲，这种环境下的砂岩颗粒不会有这么好的定向性，而且，我们所知的定向性还可以从颗粒间收到挤压的残余孔隙定向排列(图4c)看出，所以可以排除沉积成因的影响。这种构造挤压应力从逆冲背斜与逆冲断块构造的形成和砂岩孔喉缩小或消失过程中得到了缓冲，同时产生了构造减孔效应，而挤压的同时，岩石和颗粒的破碎也可以形成多级多尺度的缝网，例如构造缝和粒缘缝；但是这种多级缝网对储集空间的贡献较小(<1%)，并未大规模增孔，其重要性主要体现在对储层渗流能力提高。因此，储集空间仍以孔隙为主，该储层仍为孔隙型储层，而非裂缝型储层(图5)。

那么构造挤压的减孔效应对储层孔隙的影响程度到底是否强烈？实际上，目前的证据不足以支持构造挤压减孔对研究区各个部位的储层都产生了强烈影响。换句话说，构造挤压减孔效应可能只在局部构造较强，例如逆冲断裂的构造高部位(图5中大北地区的样品)，这一点还有待继续深入讨论。

n为样品数。图5 库车坳陷巴什基奇克组储层的孔隙度-渗透率交汇图Fig.5 Plot of porosity and permeability of sandstones of Bashijiqike Formation in Kuqa depression

3.2.4 晚期溶蚀形成次生孔隙，但未大规模增孔

次生孔隙是改善本套储层储集性能的最主要原因。该储层经历了多期溶蚀，构造挤压之后的晚期溶蚀最终定格了次生孔隙的发育程度。虽然巴什基奇克组砂岩在表生阶段遭受过淋滤溶蚀[20]，但是，表生淋滤造成的溶蚀规模并不大，表生溶蚀的增孔量小于3%[19]；而晚期酸性水溶蚀则较为彻底，形成了大量粒内溶孔、晚期粒间溶孔和晚期粒间溶蚀扩大孔中溶蚀扩大的部分(图版h)，这三者的比例占到全部孔隙的35%(图2)。实际上，表生淋滤形成的一些溶蚀孔隙后期构造挤压过程中受到挤压，部分消失成粒缘缝(图版j)，残余粒间溶孔保存下来量较少，因此对于次生孔隙度贡献较大的仍是晚期溶蚀作用。那么，晚期溶蚀的成因是什么？研究表明，晚期的构造挤压活动直接导致前期形成的溶蚀孔隙缩小甚至消失，随着挤压强度增加，部分碎屑颗粒破碎形成裂缝，并沿着裂缝向两侧溶蚀(图版h)，这说明晚期溶蚀主要沿着裂缝溶蚀；另外晚期溶蚀过程中，很多晚期胶结物也发生了溶蚀并形成残余物(图4d)，形成的溶孔较小，未受挤压而变形，且无定向排列特征。前人[38]研究表明，该地区的油气充注与此时构造活动导致的断裂和裂缝的形成期次刚好匹配，因此推测这一期溶蚀与烃源岩生烃形成的有机酸形成的酸性流体有关。

4 结论

1)库车坳陷克深地区白垩系巴什基奇克组砂岩储层的储集空间以次生成因为主，包括残余粒间溶孔、晚期粒间溶孔、粒内溶孔以及晚期粒间溶蚀扩大孔中部分溶蚀扩大的部分；而且，经过了后期的构造挤压减孔和造缝，并未将储层完全改造成裂缝型储层。

2)该砂岩储层的储集空间特殊类型多、次生孔隙相对比例较高的原因与其复杂的埋藏过程和成岩演化有关。早期阶段，长时间处于浅埋藏的碱性成岩环境下，压实作用弱，早期胶结作用强，一方面降低孔隙度，另一方面间接保存了一部分粒间体积；在早期强烈胶结后，进一步遭受了后期构造挤压减孔，使部分孔隙缩小并呈现出定向性；最后，晚期溶蚀能在较低程度上形成一些次生孔隙，但并没有大规模增孔，储层仍维持低孔特低渗的特征。

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图 版

图版说明

a.残余粒间孔，克深2-1-5井，6 714.35 m，单片光，箭头所指的残余粒间孔，颗粒边缘平直、无溶蚀痕迹，孔隙多呈三角形，且粒间缺乏胶结物；b.残余粒间溶孔，克深207井，6 797.91 m，激光共聚焦照片，箭头所指的孔隙具有左上至右下的定向性，且孔隙呈压扁状，内部见少量早期胶结物的残余；c.晚期粒间溶孔，克深201井，6 509.67 m，激光共聚焦照片，箭头所指的孔隙中见到大量粒间胶结物，且胶结物边缘呈锯齿状或港湾状，具有溶蚀特征，整个孔隙未表现出受构造挤压影响的定向性和挤压变形特征，与图版b具有明显区别；d.晚期粒间溶蚀扩大孔，克深202井，6 799.7 m，激光共聚焦照片，箭头所指的孔隙与图版c类似，但是孔径大，受溶蚀后颗粒边缘呈现凹凸状，但孔隙同样不具挤压变形特征和定向性；e.粒内溶孔，克深208井，6 605.76 m，箭头所指的是颗粒内溶孔，长石或岩屑内部被溶(左侧，单片光)，孔隙不规则，溶蚀强时会形成铸模孔，溶蚀弱时常形成微孔隙，荧光薄片(右侧)下易识别；f.杂基微孔和粒间微孔，克深2-1-5井，6 717.10 m，左侧为普通铸体薄片单片光，箭头所指表明颗粒内，粒间杂基均被油气侵染，表明存在微孔隙，右侧为荧光薄片，在荧光薄片内清晰可见粒间微孔隙、杂基内微孔隙和粒内微孔；g.粒内微孔和裂缝，克深207井，6 870.5 m，场发射扫描照片，箭头所指的粒内微孔为纳米级，且颗粒表面有网状缝，可作为喉道；h.张性缝，克深207井，6 798 m，单片光，箭头所指为张性裂缝，沿裂缝溶蚀，裂缝两侧呈港湾状；i.高角度缝，克深8井，6 736.38 m，岩心上的直劈缝；j.粒缘缝，克深8003井，6 779.22 m，激光共聚焦照片，颗粒压实后，紧贴颗粒边缘形成粒缘缝，可作为有效的渗流通道。