咸化湖盆高效基岩气藏储层中基质孔隙的发现及意义

吴丽荣�┗瞥筛摘┰�剑英�┭执娣铼�马峰孙秀建

摘要：近年来，柴达木盆地东坪地区天然气勘探获得了重大突破，已累计产气超过2×108 m3。通过钻井岩芯观察、偏光显微镜鉴定、物性分析以及场发射扫描电镜研究发现，东坪地区基岩由变质岩和花岗岩组成，平均孔隙度为4.72%，平均渗透率为1.71×10-3 μm2。除裂缝和少量溶蚀孔外，岩石中基质微孔广泛发育，主要包括花岗岩中发育于铁镁质矿物的微孔以及片麻岩中的云母片晶间孔两类，其孔径极小且连通性差，多为数百纳米至数微米，为东坪地区基岩重要的天然气储集空间类型。大量石膏充填于上部基岩的孔缝中，为上覆地层路乐河组和干柴沟组沉积时咸水流体下渗沉淀、胶结所致，盐类矿物的封堵作用为大气田的形成起到了重要作用。这种发育于基岩中的“二元结构”的首次发现对指导咸化湖盆基岩油气勘探具有重要意义。

关键词：咸化湖盆；基岩；储层特征；基质微孔；晶间孔；二元结构；东坪地区；柴达木盆地

中图分类号：P618.130.2；TE122文献标志码：A

0引言

基岩油气藏是一种特殊类型的油气藏，主要是指储存于结晶基岩中的油气藏[13]，在全球分布较广，包括非洲的利比亚、阿尔及利亚，欧洲的潘农盆地、第聂伯—顿涅茨盆地；亚洲的中国、越南、印度尼西亚，北美的美国以及南美的委内瑞拉等地区。现有勘探成果表明：基岩中含有丰富的地质储量，如利比亚的奥季拉油气藏、阿尔及利亚的哈西迈萨乌德油气藏、越南的白虎油气藏、委内瑞拉的拉巴斯—马拉油气藏等均是地质储量上亿吨的大油气田。根据俄罗斯学者马尔德洛夫的统计结果，39个巨型基岩油气田的原始油气总储量几乎相当于世界已知油气储量的15%，总计石油储量为5048×1011 t，天然气储量为2681×1011 m3[45]。Younes等关于基岩储层的研究成果多集中在断裂方位配置、发育期次、与不同性质应力的吻合度等[610]。李江涛等对基岩储层特征作了常规描述性研究[1113]，多认为其储集空间类型主要为构造作用和风化作用形成的各种裂缝以及少量溶蚀孔洞，这决定了较多的基岩油气藏具有“短期产量高，但衰减快”的典型特征。

2011年，中国在柴达木盆地阿尔金山前基岩中发现了大气田，其中东坪1井获得每天11.26×104 m3 的高产工业气流，拉开了柴达木盆地基岩天然气的勘探序幕。2012年钻探的东坪3井不仅在基岩“1 856～1 870 m”层段获得每天36×104 m3的工业气流，而且在其上覆地层中的多套层系亦获得工业气流，其中“611～616 m”层段获得每天5.0×104 m3的工业气流，“1 803～1 812 m”和“1 820～1 830 m”层段获得每天0.65×104 m3的工业气流。2014年以来，随着研究的深入和相关支撑力度的加大，天然气产量增加迅猛，在东坪102井获得的天然气产量竟高达每天57.7×104 m3，且持续稳产。截止目前，东坪地区的21口试采井合计产气能力已超过每天200×104 m3，累计生产天然气超过2×108 m3，至此，东坪气田成为中国陆上发现的最大基岩气田。因此，研究基岩储集空间类型及其高产稳产控制因素显得至关重要，但至今尚缺乏过硬的微观证据。本文试图针对柴达木盆地东坪地区花岗岩和变质岩开展系统的微观岩石学和结构学特征研究，旨在为致密岩石中基质孔隙的发育提供更确凿的证据，为特殊咸化湖盆中基岩气田的储层研究提供新的研究思路。

1地质概况

柴达木盆地位于青藏高原北部[1415]，其大地构造位置居于古亚洲构造域和古特提斯—喜马拉雅构造域的结合部[1618]，是在具有元古界变质结晶基底和古生界褶皱变形基底的地块上于印支运动后发育起来的一个中、新生代陆相含油气沉积盆地。该盆地面积12.1×104 km2，中、新生代沉积岩分布面积9.6×104 km2。自新生代以来，柴达木盆地长期处于青藏高原隆升背景之下，持续分阶段的隆升导致盆地的古海拔变高，湖盆封闭，气候干寒和盐源充足，形成了典型的高原咸化湖盆[1926]。东坪地区位于柴达木盆地西部阿尔金山前，为柴达木盆地西部坳陷区一里坪凹陷亚区的一个在古生代变质岩和海西期花岗岩基底上发育的南倾鼻状构造（图1），该区基岩主要由花岗岩和变质岩组成，其上覆地层为咸化湖盆沉积的碎屑岩[2729]，盐类矿物在地层中广泛发育[30]。

图1柴达木盆地东坪地区基岩顶面等深线

Fig.1Depth Contour of Top Bedrock in Dongping Area of Qaidam Basin

2储层特征

2.1岩石学特征

东坪地区基岩岩性主要以杂色、肉红色花岗岩，杂色、灰色片麻岩及花岗片麻岩为主，致密且坚硬。杂色花岗岩主要以块状构造为主，部分样品见条带状、似斑状构造，主要矿物成分为石英、斜长石、钾长石及少量黑云母等，部分样品含有角闪石，孔缝中充填物包括碳酸盐胶结物、盐类矿物以及风化作用产生的黏土矿物。X衍射全岩分析结果显示：花岗岩中石英含量（质量分数，下同）约为70%，斜长石为1%～5%，钾长石为1%～8%，黑云母一般小于5%，碳酸盐胶结物为5%～15%，黏土矿物为5%～15%；个别样品可见黄铁矿，盐类矿物主要为石膏或硬石膏，偶见石盐。片麻岩和花岗片麻岩多呈片麻状和条带状构造，片状云母广泛发育，石英含量约为25%，长石约为45%，黑云母约为20%，偶见角闪石、辉石，碳酸盐胶结物含量约为5%，黏土矿物约为5%，长石和石英等浅色矿物与各种暗色矿物（云母、角闪石、辉石等）构成不连续的明暗条带状或片麻状构造。

2.2物性特征

无论是时代较早的基岩储层（如中国渤海湾盆地大民屯凹陷太古界基岩），还是时代较晚的基岩储层（如印度尼西亚的贾提巴朗盆地中新世），其孔隙度绝大多数小于10%，多分布在3%～6%范围内，渗透率一般因含裂缝多少而波动范围较大，最大可达10 μm2。物性较好的储层如湄公河盆地白虎寒武系花岗岩[31]平均孔隙度为10%，平均渗透率为100×10-3 μm2，苏尔特盆地拿法拉—奥季拉寒武系花岗岩[32]平均孔隙度为11%，渗透率多在（700～800）×10-3 μm2范围内。

通过对东坪地区298个基岩进行物性分析，结果表明其平均孔隙度为4.72%，多分布在2%～8%范围内，平均渗透率为1.71×10-3 μm2，多分布在（0.05～5）×10-3 μm2范围内（图2）。采用石油天然气行业标准SY/T 6285—2011《油气储层评价方法》中火成岩和变质岩的储层孔隙度、渗透率类型划分标准[33]（表1）对研究区基岩进行物性分级，可将其划归为Ⅲ～Ⅳ类基岩储层。

图2东坪地区基岩孔渗关系

Fig.2Relationship Between Porosity and Permeability of Bedrock in Dongping Area

2.3孔隙结构特征

相同条件下天然气的流动阻力远小于液态石油，且具有可压缩性，能储集在更小的孔喉空间之中。据罗蛰潭等研究成果[34]，把非润湿相液体（汞）注入于多孔介质的孔隙中，液体汞会被表面张力作用阻止进入，因此，必须在外部对非润湿相液体施加压力。注入汞的每一个压力值就代表一个相应孔隙

表1火山岩和变质岩储层类型划分标准

Tab.1Classification Standard for Reservoir Types of Volcanic and Metamorphic Rocks

储层分类孔隙度φ渗透率k

火成岩储层Ⅰφ≥15%k≥10×10-3 μm2

火成岩储层Ⅱ10%≤φ<15%5×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

火成岩储层Ⅲ5%≤φ<10%1×10-3 μm2≤k<5×10-3 μm2

火成岩储层Ⅳ3%≤φ<5%0.1×10-3 μm2≤k<1×10-3 μm2

火成岩储层Ⅴφ<3%k<0.1×10-3 μm2

变质岩储层Ⅰφ≥10%k≥50×10-3 μm2

变质岩储层Ⅱ5%≤φ<10%10×10-3 μm2≤k<50×10-3 μm2

变质岩储层Ⅲ1%≤φ<5%1×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

变质岩储层Ⅳφ<1%k<1×10-3 μm2

大小下的毛细管压力值，在该压力下进入孔隙系统的汞量代表了相应的孔喉体积。随着注入压力不断增加，汞不断进入较小的孔隙中，直至进汞饱和度不随压力增加而变大，表明基质微孔的孔径小到已经无法让液体汞通过。由此根据最大进汞饱和度计算出来的孔隙体积仅为岩石氦气法测试出来的总孔隙体积的一部分，笔者将这部分液态汞无法进入而氦气能进入的孔隙空间视为基质微孔的总孔隙体积。

东坪地区基岩毛细管压力曲线分析结果显示，岩石孔隙结构普遍较差（表2），毛细管压力曲线几乎均不具有在一定压力下持续进汞的“平台结构”（图3），且最大进汞饱和度多分布在50%～60%之间，饱和度中值半径仅为数十纳米，最大连通喉道半径均小于15 μm，退汞效率也普遍较低。这一现象主要受控于基岩的储集空间类型：相对较大的储集空间主要为裂缝，相对较小的储集空间主要为基质微孔。裂缝的发育使得进汞饱和度随压力增大而增加，因而不具有常规碎屑岩储层毛细管压力曲线上常见的“平台结构”，基岩中广泛发育的基质微孔因孔喉极细造成其表面张力的阻力极大，对液态汞来说均为“死孔隙”，即使压力超过100 MPa，液态汞依然难以进入这些约占岩石总孔隙体积383%～766%的基质微孔空间，但这些孔径极小的微孔隙（数十到数百纳米）可以作为天然气的良好储层。

表2东坪地区基岩孔隙结构数据

Tab.2Data of Pore Structure of Bedrock in Dongping Area

东坪105井样品编号深度/m孔隙度/%渗透率/10-3 μm2排驱压力/MPa最大连通孔喉半径/μm最大进汞饱和度/%饱和度中值压力/MPa饱和度中值半径/μm退汞效率/%

1号3 451.982.70.0910.513.14154.136.20.02026.0

49号3 463.384.30.2200.492.16261.714.70.05027.1

58号3 466.762.00.5500.491.28959.315.20.0488.9

66号3 468.304.81.7000.1114.41250.773.20.01025.1

79号3 477.965.60.4300.227.35023.426.8

图3东坪地区基岩毛细管压力曲线

Fig.3Capillary Pressure Curves of Bedrock in Dongping Area

2.4孔隙类型

通过场发射环境扫描电镜（FEI Quanta 450 FEG，中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室）研究发现，东坪地区油气能够持续高产稳产主要是因为岩石中含有丰富的基质微孔，主要包括花岗岩中发育于铁镁质矿物中的微孔[图4（e）、（f）]以及片麻岩中的云母片晶间孔[图4（g）、（h）]。

这类储集空间孔径极小且连通性差，多为纳米级微孔（部分可达微米级），但数量极多，为研究区重要的天然气储集空间类型。多数样品的毛细管压力曲线研究结果显示，基质微孔对储集空间的贡献作用占岩石总孔隙体积的383%～493%，当岩石中裂缝和溶蚀孔不太发育时，基质孔隙对岩石总孔隙体积的贡献率可能高达76.6%。扫描电镜分析时的工作电压为20 kV，电子束入射束流大小为3×10-10 A。

图4东坪地区基岩储集空间类型

Fig.4Types of Reservoir Space of Bedrock in Dongping Area

除此之外，无论是在花岗岩中，还是在变质岩中，均发育裂缝[图4（a）、（b）]和溶蚀孔[图4（c）、（d）]。裂缝为基岩中最为常见的储集空间类型，常常与构造活动有关[69]；溶蚀孔主要发育于长石等易溶矿物之中，其孔径大小从数微米到几十微米不等，与成岩过程中酸性流体的溶蚀强度有关。

图5东坪地区基岩中裂缝的充填状态

Fig.5Crack Filling States of Bedrock in Dongping Area

通过对岩芯手标本观察、偏光显微镜下铸体薄片研究以及场发射环境扫描电镜能谱面扫描分析可以得出：上部基岩中的裂缝多被石膏等盐类矿物充填[图5（a）]，研究区自古新世以来为咸化湖沉积[2729，3538]，基岩上覆地层路乐河组和干柴沟组沉积时期的盆地处于干旱、氧化的咸化沉积环境[19，39]，沉积物中见到大量石膏发育，沉积时咸水流体下渗进入顶部基岩裂缝中，沉淀胶结形成的盐类矿物可对裂缝进行有效封堵，这对下部基岩储集体中的天然气来说是良好的盖层。扫描电镜下硫元素面分布特征与钙元素面分布特征高度吻合，充分显示了石膏对裂缝等储集空间的有效充填作用[图5（b）、（c）]。相对下部的基岩中裂缝多呈半充填状态，具有一定的连通性[图5（d）～（f）]；成像测井资料显示裂缝以密集的高角度缝为主，另发育低角度水平裂缝，两者呈网状交错，共同构成了良好的储集空间。据现有资料的不完全统计，东坪地区基岩中发育的裂缝和少量溶蚀孔对储集空间的贡献作用占岩石总孔隙体积的234%～617%。

3高效基岩气藏形成条件

赵文智等将规模大、气藏储量丰度高、产量高、经济效益好的气藏称为高效气藏[4042]，如四川盆地东北部飞仙关组高效气藏[4344]。部分气田尽管储量规模大，但储量丰度低、产量低、经济效益差，这类气藏被称为低效气藏，如鄂尔多斯盆地苏里格气田。东坪基岩气藏储层高效含气的主要原因包括：①气源条件较好，具有“三源”供烃的特征，曹正林等研究认为东坪地区油气源主要来自于周缘的坪东凹陷、昆特依凹陷和伊北凹陷的侏罗系煤型气[4547]，且具有大断裂沟通的特点（图6）；②储层物性较好且储集空间类型多样，不仅发育裂缝和溶蚀孔，而且基质微孔广泛发育；③基岩顶部因盐类矿物充填胶结形成有效封堵，具有良好的盖层条件；④阿尔金山前东坪地区具有持续发育的古隆起背景，为油气运移的长期指向区[48]。

图6东坪地区基岩气藏成藏模式

Fig.6Accumulation Model of Bedrock Gas

Reservoirs in Dongping Area

4结语

（1）柴达木盆地阿尔金山前东坪地区高效基岩气藏中，天然气高产稳产的主要原因是基岩中发育裂缝和少量溶蚀孔，以及广泛发育花岗岩铁镁质矿物微孔和片麻岩云母片晶间孔等两类基质孔隙。基质微孔对岩石总储集空间的贡献率为38.3%～493%。这一重要发现在中国尚属首次，对鲜有报道的基岩微观孔隙研究提供了直观证据，并开拓了该领域的研究思路。

（2）上部基岩因被石膏等盐类矿物充填变得极其致密，对下部储层具有良好的油气封堵作用；下部基岩发育半充填裂缝和丰富的基质微孔。这种特殊咸化环境下独有的纵向储盖组合“二元结构”对高效大气田的形成具有重要意义。

中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室张小军、李智勇、李志明、苟迎春、王朴、潘星、张世铭、吴梁宇、邓江林等参与了部分工作，在此一并表示感谢。

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