库车坳陷白垩系巴什基奇克组成岩层序地层特征①

赖 锦 王贵文，2 柴 毓 冉 冶 郑新华 信 毅 周 磊 吴庆宽

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249;2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249;3.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院 新疆库尔勒 841000)

0 引言

现今油气勘探开发进程的加快和现代地质分析测试技术的提高极大地促进了成岩作用的研究进程，同时也对储层成岩作用的研究提出了更高层次的要求，迫切需求定量性、高精度和可预测性的成岩作用研究［1-2］。传统的观点通常将层序地层学和成岩作用看作是相互独立的分支学科领域［3-4］，随着地质资料的积累和研究的不断深入，专家学者们逐渐认识到成岩作用的差异除受构造、流体等因素影响外，层序地层对其控制作用也十分明显［5］。表现在不同层序界面和体系域都有着不同的成岩反应规律，也有学者将其称为成岩层序地层学［6］，即以层序的地层成因特性为原理，充分成岩作用在层序中不同部位的系统差异。利用成岩作用的微观资料，研究层序内部成岩作用的变化规律［7-9］，通过建立层序地层格架内的成岩作用模式来进行层序的识别、划分以及实现储层砂体的预测［10］。主要包括两个方面的内容:一是把成岩作用研究置于等时的层序地层格架内，从成因机理上分析沉积物的原始组分、结构以及孔隙水条件等的差异对早期成岩作用以及成岩演化序列的影响;二是同样也可以借助微观成岩作用的研究为层序界面的划分和识别提供依据［7］。成岩层序地层学的已成为第二十九届国际沉积学年会的主要议题之一，在国际上也是储层成岩动力学研究新的热点［3，11-15］。研究表明，与传统的成岩研究方法相比，将成岩作用置于等时的层序地层格架内，比较不同体系域储集体成岩作用差异，并探讨层序界面对成岩作用及储集性能的影响［16］，可更有效地对储层成岩作用和物性变化时空分布规律进行解析和预测［1，12，17-18］，为储层的区域评价和预测提供新的思路［8，17］，这也是成岩层序地层学研究的最终目的［8］。

克深气田是在库车坳陷深层继克拉2、迪那2和大北气田等发现并建成投产之后相继发现的又一储量超千亿立方米的大型致密砂岩气田［19］。气田所在的库车坳陷构造变形具有典型的“东西分段、南北分带和上下分层”的特征，中下侏罗统和中上三叠统广覆式高生烃强度的煤系烃源岩条件与晚期强充注为大气田的形成奠定了物质基础，规模发育的有效储集砂岩为天然气良好的储集空间，山前发育的大量成排成带的叠瓦冲断构造为天然气聚集提供了有利场所［20］，沟通烃源岩与储集层且处于活动时期的断裂是深部天然气往浅部圈闭运移聚集的主要通道［21］。古近系库姆格勒木群和新近系吉迪克组两套巨厚的膏盐层、膏泥岩为深层大气田的保存提供了优越的盖层条件［20］。总体上气田发育优质的储盖组合，具有优越的油气成藏地质条件良好的油气勘探前景，其主力产层为下白垩统巴什基奇克组砂岩储集体［22］。然而作为典型的深层背斜构造圈闭型致密砂岩气类型［23］，克深气田天然气主要分布在背斜构造高部位，气藏具高温、高压、高产、高丰度、高生烃强度、规模储层、巨厚盖层与构造圈闭发育、产量受裂缝和有效储层控制的基本特征［24］。且储层经历的构造期次多，深埋致成岩演化程度较高，储层致密化严重［25］，因此通过将成岩作用置于等时的层序地层格架内，探讨层序地层格架中成岩作用类型以及成岩矿物组合特征，可为该类储层的综合评价和有利发育区带预测提供可靠的地质依据。

1 区域地质概况

1.1 巴什基奇克组层序地层格架

库车坳陷中、新生带地层发育均比较齐全，自下而上钻遇的白垩系—古近系地层依次为亚格列木组(K1y)、舒善河组(K1s)、巴西盖组(K1b)、巴什基奇克组(K1bs)、库姆格列木群(E1-2km)和苏维依组(E2-3s)［26］。白垩系与下伏侏罗系呈平行不整合(局部为角度不整合)接触［27-28］。晚白垩世末(燕山末期运动)天山南缘的阶段性隆升导致其上白垩统地层基本被剥蚀，全区所发育的下白垩统自下而上分为亚格列木组、舒善河组、巴西盖组和巴什基奇克组，古近系库姆格列木组直接覆盖于早白垩统地层之上［29］，呈区域性不整合接触［30］。

巴什基奇克组为逆冲构造相对宁静期的地层记录或者盆地充填记录［31-32］，层序地层分析一般将巴什基奇克组划分为一个完整的三级层序［29］，其上界面对应古近系的库姆格列木群底界的区域平行不整合面［33］，下以巴西盖组顶部的沉积结构转换面(沉积物的粒度、成熟度、沉积构造等)为底界［31-32］。处于低位体系域的巴三段，其顶部以泥岩频繁互层为特征的初次湖泛面为边界，向上依次发育湖侵体系域(巴二段)和高位体系域(巴一段)［29］，最大湖泛面对应巴一段和巴二段分界处(图1)。由于此次研究的克深地区巴什基奇克组埋藏深，平均在6 200 m以上，多数井未钻遇低位体系域的巴三段，因此本次研究主要是以巴二段和巴一段为主。

1.2 储层基本特征

巴什基奇克组总体属于三角洲沉积体系，沉积相分异主要体现在纵向上［29］，巴三段沉积时期由于强烈的构造沉降导致其以扇三角洲粗碎屑沉积体系为主，沉积中晚期由于构造沉降基本停止，地形差降低，输入坳陷的物质变细，其沉积体系演化为以辫状河三角洲前缘为主［34］，发育水下分流河道、河口坝、水下分流间湾等微相［28］。纵向上相互叠置、平面上连片分布的水下分流河道、河口坝砂体为其主要的成因砂体类型，构成了良好的天然气储集空间。然而由于克深地区目的层埋藏深，平均在6 200 m以上，多数井未钻遇巴三段，因此本次研究主要是以巴二段和巴一段为主，可划分出的沉积微相类型主要是辫状河三角洲水下分流河道、河口坝和水下分流间湾。

根据岩芯观察、普通薄片、铸体薄片、阴极发光照片、X衍射以及扫描电镜分析资料，巴什基奇克组储层岩性以褐色、棕褐色岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主(图2)。石英含量主要分布在32%～65%，平均42.5%，长石含量17%～45%，平均32.1%，以钾长石和钠长石为主，岩屑12%～45%，平均26.4%，以变质岩岩屑和岩浆岩岩屑为主，沉积岩岩屑较少。粒度主要是中—细砂级别，颗粒分选中等—好，磨圆以次棱角状为主，颗粒之间接触关系主要为点—线式，部分颗粒分选较差或者颗粒粒度较细层段可见线接触，胶结类型以孔隙式为主。填隙物含量较高，杂基1%～15%，以泥质和铁泥质为主，平均3.4%，胶结物含量1%～25%，平均5.2%，以方解石、白云石、铁方解石和铁白云石为主，黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层为主。储层总体具成分成熟度较低和结构成熟度中等偏高的特点。

模拟地层覆压状态(压力为21.8 MPa)的230块岩性柱塞样的常规物性分析结果表明，储层孔隙度0.65%～11.35%，平均 4.41%，渗透率 0.001～6.96×10-3μm2，平均 0.12×10-3μm2，且绝大多数岩样覆压渗透率小于0.1×10-3μm2(图3)，属于典型裂缝性致密砂岩气储层。

薄片镜下观察表明储层孔隙类型多样，极不规则，大小相差悬殊，且孔径分布不均匀。早期长期浅埋和短期快速深埋的埋藏方式决定的储层特殊的成岩背景使得原生孔隙一定程度上能得到保留，但含量极少，一般呈弧面三角形或者不规则多边形状(图4A，B)。镜下可见到众多的长石和岩屑溶蚀形成的粒内孔隙(图4C，D)是重要的储集空间类型。黏土矿物(伊利石和伊/蒙混层)晶间孔数目较多(图4E，F)，但其孔径及喉道半径较小，对储层储集和渗流性能影响意义不大。此外，伴随构造裂缝产生而形成的微裂缝在增加储层储集空间的同时能提高储层渗透率，对于储层渗流性能的改善是非常显著的。

图1 库车坳陷地层综合柱状图及克深201井岩性剖面图Fig.1 Schematic stratigraphy in the Kuqa depression and the lithogology section for Well Keshen 201

图2 克深地区巴什基奇克组砂岩成分三角图Fig.2 Ternary diagram showing the framework-grain composition of Bashijiqike Formation

图3 克深气田巴什基奇克组储层孔渗关系图Fig.3 Core porosity versus core permeability crossplots for Bashijiqke Formation in Keshen gas field

图4 克深气田巴什基奇克组储层主要储集空间类型Fig.4 The reservoir pore space of Bashijiqike sandstones in Keshen Gas fields

2 成岩层序地层学研究概况

2.1 概念起源及发展

成岩层序地层学起初是用来解释碳酸盐岩层序地层学与成岩作用的关系［6］。由于硅质碎屑沉积物对孔隙水地化特性的变化不像碳酸盐岩那样反应敏感，且成岩作用的进程相比而言较缓慢［1，11］，这导致在层序地层格架内对碎屑岩成岩作用的及其孔隙演化的研究存在局限性［11］。即便如此，近年来不少学者通过探讨碎屑岩层序地层对成岩作用的控制，发现不同的层序部位以及层序界面附近的成岩现象仍有着较强的规律性［1，35］，表现为不同体系域内成岩现象和层序界面附近的成岩现象特征的差异。且尽管后期的成岩演化将掩盖一些早期的成岩特征，但是早期的成岩信息仍然部分可被保留下来［35］。成岩层序(不同地层层序单元所表现出的不同成岩规律)新概念被广泛采用［5］。

成岩层序地层学的研究一方面有助于层序的识别和划分，另一方面也有助于成岩相和优质储层发育带预测的研究［36］。研究油气储层的成岩相与成岩层序特征，能够从本质上认识储层储集性发育的规律性和控制因素，搞清复杂油气储层分布规律［5］。结合利用层序地层学原理分析沉积物的沉积和成岩演化史有助于阐明有利生储盖组合在时空上的分布规律［37］。

2.2 研究内容及方法流程

层序地层控制了成岩作用的类型与时空分布，主要表现在层序、准层序界面、湖侵和最大湖泛面附近，以及在低位体系域、湖侵体系域、高位体系域等地层层序条件下，成岩作用进程等具明显差异。将成岩作用置入层序地层格架内:一是比较不同体系域砂体成岩作用和成岩矿物组合特征差异，二是探讨层序界面附近成岩作用特征及储集性能的影响［16］。其中，层序界面是控制成岩作用的一个重要因素，不同类型的层序界面具有不同的成岩作用过程和特点［5］。且一个发育完好的层序通常由高位体系域、湖侵体系域和低位体系域构成，在湖平面变化过程中它们有着截然不同的成岩路径，并形成不同的成岩序列［5］。一般而言，层序对成岩作用的控制主要表现在3方面:一是层序不同部位沉积物组分和结构的差异决定了后期成岩作用类型和强度，二是各个体系域、层序界面上下有着不同的早期成岩作用，三是成岩流体如大气淡水通过层序界面影响其附近成岩作用类型［6，35］。

近20年来，不少专家学者要根据露头、钻井和地震反射等资料对碎屑岩成岩层序地层学展开了卓有成效的工作［8］，但由于系统数据资料的缺乏，层序域成岩作用发育规律的研究仍有待深入［11］。因此，除基础理论研究需要加强外，同时亦亟需高密度的室外取样和高精度的室内地球化学分析。研究表明，元素俘获谱测井ECS(Elemental Capture Spectroscopy)利用快中子与地层中的原子核发生非弹性散射及热中子被俘获产生的瞬发γ射线的原理，通过剥谱法等方法解谱，就可以得到地层中 Si、Ca、Fe、S、Ti、Cl、Cr、Gd等不同元素的相对产额［38］;再经过氧化物闭合模型(所有元素质量的百分含量之和为100%)处理，可得到地层的矿物含量［39］;经过定量岩性分析，结合录井资料就可以较准确得到岩性含量［40］，如黏土含量、碳酸盐岩含量、砂质(石英+长石+云母等)含量、黄铁矿、菱铁矿、煤和膏盐岩等［41］。它不仅能够准确地确定地层岩性，更可将其进一步处理获得组成岩石的各种矿物含量［42］。除在确定矿物类型和含量、确定地层骨架密度和孔隙度、判别流体性质、分析沉积环境、压裂酸化等工程方面得到广泛应用外［42-43］。ECS测井无论是在成岩作用、成岩矿物组合特征以及成岩相研究中均具有得天独厚的优势［44-45］。因此本次研究在大量岩芯分析化验资料的资料上，主要通过ECS测井所获得岩石矿物特征作为成岩演化过程中成岩环境最直接的反应来阐明克深气田巴什基奇克组层序地层格架内成岩作用特征。

3 层序界面处成岩作用特征

层序界面形成于湖平面的相对下降期，是一个重要的沉积转换面。由于层序界面代表湖平面和水深的突然变化，使得界面处沉积速率、孔隙水化学特征、碎屑组分和结构都发生相应的变化［1］，而这些变化必然将导致其成岩作用的差异［46］。前人研究表明，层序界面对于成岩反应的制约主要体现在三方面［1，5-6，35］:一是层序界面代表着相对湖平面下降，由此引发大气淡水对硅铝酸盐进行充注和淋滤，长石等蚀变产生高岭石和形成次生溶蚀孔隙;其次，层序界面代表了短暂的沉积间断，较长的沉积驻留时间，一方面使得层序界面之下的地层压实作用比界面之上的压实作用要弱［6］，另一方面是使得在层序界面之下碳酸盐胶结物含量增加;最后是在成岩演化期，层序界面可作为流体的通道，对层序界面的溶蚀等成岩改造起到了很好的通道作用［35］。

3.1 溶蚀作用

层序界面包含了丰富的地质信息，也发育各具特色的成岩作用，但具体到库车坳陷白垩系巴什基奇克组储层，层序界面对成岩作用的控制则主要表现在溶蚀作用方面，这一点可以直观地从层序界面附近的砂体普遍发育的溶蚀现象得到佐证(图5A，B)。主要就是中下侏罗统和中上三叠统煤系烃源岩产生的有机酸无法达到层序界面处形成溶蚀。

从各单井的ECS测井资料来看，层序界面之下最典型的特征就是砂质含量显著减小(尤其是20 m范围之内)，尔后随着深度增加而含量相应增大并趋于稳定，随后逐渐减小，并在巴一段和巴二段分界线处(对应最大湖泛面位置)达到最小值(图6A，B)。由于层序界面形成时期，可容空间较低，一般形成的沉积物粒度较粗，杂基含量一般较少，石英、长石含量多，且较稳定的石英在成岩演化过程中不易发生蚀变［48］，因此层序界面处ECS测井中砂质含量的显著减小主要就是长石和岩屑发生溶蚀。

此外，由于铝硅酸盐矿物的溶解除了产生次生孔隙之外，也会产出一定数量的黏土矿物，如高岭石等(式1和式2)［47］，因此从储层演化角度来说，高岭石通常是长石溶解和次生孔隙发育的指示矿物［49］。但研究区巴什基奇克组储层长石普遍溶蚀但高岭石反而缺失的原因，主要就在于巴什基奇克组储层埋深较深的结果，较深的埋藏深度直接导致沉积物暴露在较高的地温下(大于130℃)，高岭石变得不稳定将向伊利石等转化，如下式 3［47，50-51］。这在 ECS 测井上也得到体现，即总体上层序边界附近的黏土含量比其他部位的相对要高(图6C和图6D)，且与ECS测井中所获得的砂质含量呈此消彼长关系(对比图6A和6C;6B和6D)，这也从侧面说明了层序界面之下的溶蚀作用。

而从储集物性变化规律来看，随着离不整合面距离的增加，孔隙度总体逐渐减小，如克深201井和克深208井(图7A，B)，说明对巴什基奇克组这样一个原生孔隙基本损失殆尽，以次生溶蚀孔隙为主的致密砂岩气储层而言，层序界面对溶蚀孔隙的控制还是很显著的。但当离层序边界距离较远时(一般大于100 m)，则不具此规律，如克深2-1-5井和2-2-4井(图7C，D)，孔隙度非但不随深度增加而减小反而具有增加的趋势，主要就是溶蚀作用受层序边界影响的大气淡水淋滤深度范围有限，下覆的离层序边界距离较远的砂体，除受层序边界的大气淡水淋滤外，油气充注时期使得大量有机酸性水得以侵入，这也是造成砂体溶蚀的另一原因。

图5 层序边界附近发育的溶蚀作用Fig.5 Dissolution of framework grains under the sequence boundary

图6 ECS测井砂质含量随深度变化关系图Fig.6 Crossplots showing the variation of sand content(Q-F-M in ECS logging)with burial depth

由以上(1)层序界面下薄片中普遍可见溶蚀现象;(2)靠近层序界面附近储层物性变好;(3)靠近层序界面附近长石岩屑含量减少等可以看出，层序界面对于巴什基奇克组储层的溶蚀控制作用还是比较显著的，证实了大气淡水在次生溶蚀孔隙形成中的淋滤作用［48，52］。研究表明，克深地区埋深超过7 900 m的巴什基奇克组仍发育优质碎屑岩储集层其中很大一部分原因就是溶蚀作用的贡献，一般以150 m内的砂体大气淡水溶蚀有效性最好，溶蚀作用具有横向成层性的特征［53］。

3.2 压实和胶结作用

就压实作用而言，相关的成岩物理模拟实验已证实，巴什基奇克组顶部层序界面的形成导致沉积物在地质历史时期较长时间处于浅埋状态，直至受喜玛拉雅运动的影响才快速深埋至现今深度。与其它深层致密储层的长期缓慢逐渐埋藏型和短期快速深埋型埋藏方式相比，巴什基奇克组储层早期浅埋—晚期快速深埋型埋藏方式使得沉积物压实作用并不彻底，保留有与埋深不相匹配的相对较好物性条件［53］。

图7 孔隙度与距层序边界距离关系Fig.7 Crossplots showing the relationships between porosity and its distance to sequence boundary

图8 ECS测井碳酸盐岩含量随深度变化关系图Fig.8 Crossplots showing the variation of carbonate content with burial depth

层序界面形成时期较长的沉积物驻留时间使湖水与大气淡水的混合从而易发生表生胶结作用［1］。对巴什基奇克组储层而言，层序界面之下一定深度确实出现了较高含量的碳酸盐岩，但总体上层序界面对其碳酸盐岩胶结作用的控制并不明显，在层序的其他部位均可见较高和/或较低碳酸盐岩胶结物含量(图8A，B)，反应了成岩作用纵向上的非均质性。这可能与巴什基奇克组沉积时期整体的干旱、炎热的古气候条件有关，氧化宽浅湖盆的古地理背景使得泥晶方解石和石盐等矿物可以直接从沉积水体中析出，形成同生期胶结物［54-55］，因此在层序的各个部位均可形成较高含量的碳酸盐岩胶结物。

4 不同体系域成岩作用差异

随着湖平面的升降变化，沉积体系域不断进行着从低位、湖侵到高位体系域的演变，体系域垂向上的演化控制了成岩环境的演化，也将引导出不同的成岩作用进程及其演化路径，从而形成具有成岩演化过程下的独特的成岩作用［56］，并形成不同的成岩序列［5］。主要就是层序地层格架内不同沉积体系域具有不同的岩性组合方式，处于不同的成岩环境并经历了不同的成岩过程［57］，因此不同体系域中不同的沉积体系变化使得成岩演化具有明显的规律性［7］。这种相关性可以通过不同体系域所发育的成岩作用类型体现出来，因此，根据对不同层序各个体系域垂向演化的分析，便可为成岩作用的发育、演化及优质储集体预测提供新的思路。考虑到巴三段低位体系域砂体由于埋藏过深而基本未钻遇，因此本次研究主要对比以最大湖泛面为二分时间单元分界线的巴一段高位域和巴二段湖侵域砂体内的成岩作用差别。

同样由于研究区的碱性成岩环境，碳酸盐岩胶结物可发育于层序的不同部位，因此体系域对碳酸盐岩胶结物的影响也不明显(图8)。

前已述及，随着湖平面的下降，高位体系域砂体有可能出现暴露，导致大气降水对铝硅酸盐矿物等进行淋滤改造［58］，高位体系域的一部分砂体(即巴一段顶部)因为抬升受到大气淡水淋滤。同时长石岩屑蚀变的伴生产物高岭石在成岩演化过程中又将转化成伊利石和伊蒙混层，这直接导致层序界面之下黏土矿物含量增高(图6C，D、图9)。

虽然在一个层序地层单元形成过程中，水介质的物理化学条件将发生变化，沉积物的矿物成分、微量元素等类型和含量皆发生周期性变化［59］，如随着湖平面的低→高→低的变化，绿泥石和高岭石呈低→高→低变化，而伊利石和伊/蒙混层则呈高→低→高变化［60］。但由于高岭石、伊利石等黏土矿物含量受后生成岩作用影响较大，巴什基奇克组储层经过后期成岩作用的改造，上述的这一规律性并不明显，如图9中各单井纵向上黏土矿物含量分布并不具明显的规律性。虽然在最大湖泛面处见最大值，但在层序边界以及巴二段湖侵体系域底部，也可见较高含量的黏土矿物(图9)，这可能与有机酸溶蚀作用有关，由于巴什基奇克组油气主要来源于下伏的中下侏罗统和中上三叠统煤系烃源岩，有机酸将随油气充注进入巴什基奇克组储层中，巴二段底部的砂体由于易于跟有机酸接触，因此具备优先溶蚀的条件，同时伴生出较高的黏土含量，这也是为什么有些井随着砂体与层序边界的距离越远，但物性反而越好的主要原因(图7C，D)。从图10中也可以看出，总体上储层孔隙度随深度增大而逐渐降低，此后又有逐渐增高的趋势，与层序界面控制的大气淡水溶蚀以及有机酸性水溶蚀作用的机理是相吻合的。

水侵体系域晚期或高位体系域早期的最大湖泛面附近，可容空间较大，水动力能量弱，形成的沉积物泥质含量相对较高，而砂质含量较小(图6C，D、图10)，但这一点主要不是受成岩作用影响，而是由沉积因素所控制的沉积物原始组分和结构所决定的。

图9 ECS测井黏土矿物含量随深度变化关系图Fig.9 Crossplots showing the variation of clay content with burial depth

图10 克深207井层序地层格架内物性变化及ECS成岩矿物组合特征Fig.10 Reservoir property and diagenetic mineral characteristics in sequence stratigraphic framework of Well Keshen 207

5 结论

(1)库车坳陷白垩系巴什基奇克组层序界面之下的主要成岩作用特征是长石和岩屑的溶蚀作用，较高的黏土矿物含量是溶蚀伴生的高岭石成岩转化的结果。

(2)层序界面之下虽可见较高的碳酸盐岩含量，但由于研究区碱性成岩环境背景，在层序的其他部位均可见较高或较低的碳酸盐岩含量。

(3)同样由于碱性成岩环境背景，体系域对碳酸盐岩胶结作用的控制也不明显，黏土矿物由于后生成岩作用影响较大，在体系域内也没有相应规律性变化。

(4)除在最大湖泛面处外，黏土矿物在层序边界和巴二段湖侵域砂体底部出现的高值，主要由溶蚀作用伴生的高岭石向伊利石和伊/蒙混层转化有关。

致谢 感谢长江大学地球科学学院胡明毅教授的宝贵修改意见。

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