库车坳陷巴什基奇克组深层有效储层成岩演化序列

罗 威

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029； 2. 中国科学院大学，北京 100049)

随着油气勘探开发技术的飞速发展，盆地中浅层油气资源勘探程度不断提高，而深层油气资源逐渐受到地质学家的广泛关注[1-2]。与中浅层油气储层相比，深层-超深层油气储层地质演化时间长[3-4]，储层物性差[5]，储层评价与预测难度大[6-7]。深埋演化过程中，储层储集物性特征主要受控于成岩演化过程。因而识别成岩作用类型，建立精确成岩演化序列是研究储层形成演化过程的基础。

本文以库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组为研究对象，主要原因是研究区储层埋藏深度大，地质演化时间长，成岩演化过程复杂，是分析成岩演化序列的良好靶区。通过成岩序列解析有助于认识研究区储层形成演化过程及其时空展布特征，从而降低油气勘探风险[2]。

1 区域地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部边缘，发育多个次级构造单元[8-9](图1)。其中克拉苏构造带油气资源丰富，先后发现了克拉、大北以及克深等大型气田，为西气东输工程提供了重要的能源保障[10-11]。克拉苏构造带井区自上而下钻遇的地层有第四系、新近系、古近系、白垩系，其中白垩系主要钻遇巴什基奇克组，为主要的油气层[12]。

中生代以来，南天山造山带活化控制着库车坳陷的盆地格局。南天山造山带向南逆冲挤压，导致库车坳陷挠曲沉降，形成北山南盆的古地理格局[13-14]。巴什基奇克组为扇三角洲-辫状河三角洲沉积体系，平面上不同河道砂体侧向连接，垂向上多期河道砂体相互叠置[15-16]，从而形成巨大的油气储集砂体。巴什基奇克组储层埋深多在5 000 m以下，储集物性相对较差，为寻找优质储层提供了挑战。

图1 库车坳陷研究区位置

2 储层岩石学特征

巴什基奇克组储层岩石主要为红褐色长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，石英含量50%～65%，长石含量9%～23%，主要以钾长石和斜长石为主，岩屑含量20%～30%，以变质岩屑和火山岩屑为主。砂岩填隙物含量较高，杂基主要以泥质和铁质物质为主，含量1%～10%，粘土矿物主要以伊利石、伊蒙混层、绿泥石为主；胶结物以碳酸盐岩矿物、石膏及少量石英次生加大为主，含量1%～15%，局部可达25%。

岩石分选与磨圆中等，岩石颗粒多以线接触为主，次为凹凸接触和点接触。巴什基奇克组砂岩以颗粒支撑为主，具有低成分成熟度，中等结构成熟度特征。

3 成岩演化序列3.1 成岩矿物

巴什基奇克组表现为咸化沉积水体，以碱性成岩环境为主[15，17]，主要发育方解石、石膏、粘土矿物及赤铁矿等充填物。在深埋演化过程中成岩流体属性波动式变化，会形成石英次生加大、铁方解石等胶结物。
3.1.1 方解石

通过薄片观察、扫描电镜和阴极发光分析，方解石主要存在两期。第一期方解石形成于同生-早成岩期，由于沉积水体为碱性，盐度较高，沉淀早期方解石，以泥晶或细粒状存在(图2a)，充填于原生孔隙中或交代石英颗粒，阴极发光主要呈橙黄色。第二期形成在储层深埋中早期阶段，以粗粒亮晶为主(图2b)，该期次方解石一部分围绕早期方解石生长，显示早期泥晶方解石向后期的亮晶方解石转变；另一部分方解石主要充填在次生孔隙中，是地层流体中的Ca2+、Mg2+与CO32-相结合的产物。阴极发光主要呈暗红色(图2c)，包裹体均一温度在90～120℃之间[18-19]。两期方解石阴极发光颜色的转变表明相关离子含量以及氧化环境的改变[19]。
3.1.2 粘土矿物

薄片观察与扫描电镜分析表明，研究区自生粘土矿物主要包括伊利石、伊蒙混层、绿泥石。自生粘土矿物主要有矿物包膜和孔隙充填(图2d、图2e)两种赋存形式，其中孔隙充填结构显著降低储集性能，将原生孔隙逐渐转变为微孔隙；而粘土矿物包膜在研究区广泛发育，有效阻挡了石英次生加大的形成，有利于储层孔隙的保存。
3.1.3 石英胶结物

石英次生加大仅在局部层段发育，显著降低储层岩石的储集物性。研究区石英次生加大主要存在两期，第一期石英次生加大主要形成于构造抬升的表生成岩作用阶段，岩石遭受大气水的淋滤作用，长石和岩屑等不稳定矿物发生溶蚀，次生加大提供物质来源(图2f)，此阶段石英次生加大包裹体温度小于90℃，盐度较低，平均为3.5%[17]。第二期石英次生加大主要发生于深埋演化阶段，有机酸的大量充注导致长石和岩屑等不稳定矿物发生溶蚀，形成大量的伊利石和伊蒙混层矿物，同时也为石英次生加大提供了物质基础(图2g)。该阶段形成石英次生加大中的包裹体主要为与烃类伴生的盐水包裹体和甲烷包裹体，均一温度分布在120～170℃之间，盐度较高，分布在10%～15%左右[17]。

3.1.4 赤铁矿

赤铁矿形成主要与地表岩石有氧风化作用有关[20]，由于研究区沉积初期水体呈现氧化和碱性特征，有利于赤铁矿的形成。赤铁矿主要来源于富铁矿物的蚀变，尤其是不稳定的含铁硅酸盐矿物。赤铁矿在砂岩中通常以矿物包膜和孔隙充填两种形式存在(图2i)。

3.1.5 石膏

图2 巴什基奇克组成岩矿物典型照片

局部层段还可见石膏胶结物的发育，多呈嵌晶胶结形式产出，占据储层原始孔隙，导致储层储集物性的恶化；同时可见石膏对石英石等矿物颗粒边缘具有强烈的交代作用(图2h)。

3.2 压实作用

根据镜下观察表明，储层深埋演化过程中机械压实占主导地位，岩石颗粒主要以线接触为主。在薄片尺度上，可见石英等脆性颗粒破碎，云母等塑形颗粒被压弯发生塑性变形，矿物颗粒长轴定向排列(图3a、b)，局部可见压溶作用，进而形成石英的次生加大边。尽管研究区储层埋深较大，但是局部层段储层压实作用较弱，主要原因是早期同生期形成的方解石胶结物可以抑制压实作用的发生，同时晚期构造挤压活动强烈，孔隙流体压力增加以及烃类大规模充注形成的异常高压能进一步抑制压实作用的进行[21-23]。

3.3 溶蚀作用

巴什基奇克组溶蚀孔隙发育，溶蚀作用主要包括长石、岩屑及少量的方解石胶结物(图3c、图3d)。主要的溶蚀作用存在两期[23-24]：早期大气水淋滤和晚期有机酸溶蚀作用。长石和岩屑等矿物溶蚀现象普遍，可见长石铸模孔和岩屑筛状孔。根据包裹体和有机荧光特征，研究区存在两期液态油的充注和一期天然气的充注[22](图4)，其中第一期液态油为低成熟油，具有黄褐色荧光特征，第二期液态油为高成熟油，具蓝白色荧光，第三期的天然气未见荧光迹象。因此，有机酸伴随着油气的充注，形成一定数量溶蚀孔隙，改善储集性能。

3.4 破裂作用

图3 巴什基奇克组储层成岩作用典型照片

库车坳陷构造活动强烈，储层埋藏演化早期，发生大规模构造抬升，形成近WE向构造裂缝，输导大气水垂向淋滤，最大影响范围可达100 m。储层深埋演化过程，侧向构造挤压活动强烈，形成了一系列NW向和NNW向构造裂缝，成为有机酸运移通道，并且在裂缝周围可见明显的扩溶现象(图3e、图3f)。同时晚期构造裂缝输导深部油气向上运移，促使油气聚集成藏。

图4 库车坳陷巴什基奇克组成岩演化序列

3.5 成岩环境演变

成岩早期主要发育的成岩矿物包括泥晶方解石、石膏和赤铁矿，显示早期的碱性成岩环境。地球化学分析表明，研究区储层沉积期间古气候具有温湿、半干旱的特点，沉积水体具有碱性、咸化-半咸化的特点[15]。储层埋深到1 000 m左右，发生构造抬升，遭受大气水的淋滤作用，地层水呈酸性，有利于石英次生加大的形成以及长石和岩屑的溶解作用。储层在深埋演化过程中发生复杂的流体-岩石相互作用过程，同时温度、压力、流体特征也在波动变化。在深层地质环境的控制下，储层深埋演化早中期，地层水呈碱性，导致方解石、长石等胶结物的形成和石英的溶蚀作用。深层深埋演化晚期，构造裂缝发育，烃源岩成熟，有机酸充注，地层流体呈酸性，长石和岩屑等不稳定矿物发生溶蚀作用，石英次生加大显著。通过地球化学分析，现今地层水主要包含K+、Na+、Ca+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-，PH平均值在5.7左右，呈现弱酸性[17]，表明有机酸充注之后，不稳定矿物发生溶蚀，地层流体PH逐渐升高，呈现现今的地层水特征。因此，库车坳陷巴什基奇克组储层在深埋演化过程中先后经历了碱性-弱酸性-碱性-酸性等成岩流体过程。

3.6 成岩演化序列

综合流体包裹体温度和粘土矿物组合[18，23，25，26]，参考石油天然气行业标准(SY/T5477-2003)，库车坳陷巴什基奇克组砂岩储层成岩演化阶段可达到中成岩A期，局部达到中成岩B期。在储层同生成岩作用阶段，沉积水体呈碱性，有利于方解石、石膏、赤铁矿以及蒙脱石等矿物的沉淀。同生期成岩矿物主要充填在原生孔隙中，导致储层质量的恶化。在早成岩A阶段埋藏演化过程中可见泥晶方解石和石膏对石英等矿物颗粒边缘的交代作用，也进一步反证同生-早成岩阶段成岩流体呈现碱性特征。

储层深埋1 000 m左右后，发生大规模的构造抬升运动，进入表生成岩作用阶段，形成大量近WE向的构造裂缝，导致大气水的淋滤和渗流，造成长石和岩屑等不稳定矿物的溶蚀作用，局部层段溶蚀作用强烈，可见长石的铸模孔，同时形成高岭石，也为石英次生加大提供物质基础。由于构造抬升运动，巴什基奇克组遭受剥蚀，形成不整合面，因而不整合面的发育控制着次生溶蚀孔隙的发育过程。垂向上，大气水可影响100 m范围内的储层溶蚀过程。

随后，储层进入早成岩B阶段，成岩流体逐渐由弱酸性向碱性转变。大量的亮晶方解石胶结物以及少量长石次生加大的出现，同时伴随着石英的溶蚀作用，因而可见亮晶方解石对石英的交代作用。同时，由于碱性成岩环境，同生期的蒙脱石、表生期的高岭石逐渐向伊利石和绿泥石转化，并充填次生孔隙，局部绿泥石具有包壳结构，有利于保存原始孔隙。

随着储层的深埋演化，地层温度和压力的升高，储层进入中成岩A阶段，局部层位进入中成岩B阶段，烃源岩逐渐成熟，构造活动强烈，形成大量的构造裂缝，成为有机酸和油气运移的主要通道。在构造裂缝的疏导下，有机酸显著的溶蚀长石和岩屑等不稳定矿物，形成大量次生孔隙。

4 结论

(1)库车坳陷巴什基奇克组主要为红褐色的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，成岩矿物包括方解石、粘土矿物、石英次生加大、石膏以及赤铁矿。

(2)巴什基奇克组成岩演化过程复杂，经历了压实、胶结、溶蚀、交代以及破裂等成岩演化过程及碱性-弱酸性-碱性-酸性等成岩流体过程，表现出差异的成岩矿物组合特征；目前成岩演化阶段可达到中成岩A期，局部达到中成岩B期。

(3)库车坳陷巴什基奇克组成岩演化序列：同生期-早成岩A期，泥晶方解石、石膏、赤铁矿和蒙脱石形成；表生成岩期，构造裂缝发育，长石和岩屑溶蚀以及石英次生加大和高岭石形成；早成岩B期，亮晶方解石和伊利石与绿泥石形成，石英发生溶解；中成岩A-B期，构造裂缝发育，有机酸溶蚀和三期油气充注，长石和岩屑溶解，石英次生加大形成。

参考文献：

[1] 孙龙德，邹才能，朱如凯，等.中国深层油气形成、分布与潜力分析[J].石油勘探与开发，2013，40(6)：641-649.

[2] PANG X，JIA C，WANG W.Petroleum geology features and research developments of hydrocarbon accumulation in deep petroliferous basins[J].Petroleum Science，2015，12(1)：1-53.

[3] 张荣虎，杨海军，王俊鹏，等.库车坳陷超深层低孔致密砂岩储层形成机制与油气勘探意义[J].石油学报，2014，35(6)：1057-1069.

[4] 张荣虎，姚根顺，寿建峰，等.沉积、成岩、构造一体化孔隙度预测模型[J].石油勘探与开发，2011，38(2)：145-151.

[5] 李忠.盆地深层流体-岩石作用与油气形成研究前沿[J].矿物岩石地球化学通报，2016，35(5)：807-816.

[6] EVANS J，CADE C A，BRYANT S.A geological approach to permeability prediction in clastic reservoirs[J].AAPG Memoir，1997，69(69)：91-101.

[7] KHALIFA M，MORAD S. Impact of structural setting on diagenesis of fluvial and tidal sandstones： The Bahi Formation， Upper Cretaceous， NW Sirt Basin，North Central Libya[J].Marine and Petroleum Geology，2012，38(1)：211-231.

[8] 卢华复，贾东，陈楚铭，等.库车新生代构造性质和变形时间[J].地学前缘，1999，6(4)：215-221.

[9] 刘志宏，卢华复，李西建 等.库车再生前陆盆地的构造演化[J].地质科学，2000，35(4)：482-492.

[10] 王招明.塔里木盆地库车坳陷克拉苏盐下深层大气田形成机制与富集规律[J].天然气地球科学，2014，25(2)：153-166.

[11] 杜金虎，王招明，胡素云，等.库车前陆冲断带深层大气区形成条件与地质特征[J].石油勘探与开发，2012，39(4)：385-393.

[12] 刘春，张惠良，韩波，等.库车坳陷大北地区深部碎屑岩储层特征及控制因素[J].天然气地球科学，2009，20(4)：504-512.

[13] LI Z，SONG W，PENG S，et al. Mesozoic-Cenozoic tectonic relationships between the Kuqa subbasin and Tian Shan，northwest China： constraints from depositional records[J].Sedimentary Geology，2004，172(3)：223-249.
[14] 陈戈，黄智斌，张惠良，等.塔里木盆地库车坳陷白垩系巴什基奇克组物源精细分析[J].天然气地球科学，2012，23(6)：1025-1033.

[15] 张荣虎，王俊鹏，马玉杰，等.塔里木盆地库车坳陷深层沉积微相古地貌及其对天然气富集的控制[J].天然气地球科学，2015，26(4)：667-678.

[16] 潘荣，朱筱敏，刘芬，等.新疆库车坳陷克拉苏冲断带白垩系辫状河三角洲沉积特征及其与储集层发育的关系[J].古地理学报，2013，15(5)：707-716.

[17] 李玲，唐洪明，王茜，等.克拉苏冲断带克深区带白垩系超深储集层成岩演化[J].新疆石油地质，2017，38(1)：7-14.

[18] 鲁雪松，刘可禹，卓勤功，等.库车克拉2气田多期油气充注的古流体证据[J].石油勘探与开发，2012，39(5)：537-544.

[19] 毛亚昆，钟大康，能源，等.库车前陆冲断带白垩系储层流体

包裹体特征与油气成藏[J].中国矿业大学学报，2015，44(6)：1033-1042.

[20] GOLDBERG K，MORAD S，AL-AASM I S，et al. Diagenesis of Paleozoic playa-lake and ephemeral-stream deposits from the Pimenta Bueno Formation，Siluro-Devonian (?) of the Parecis Basin， central Brazil[J].Journal of South American Earth Sciences，2011，32(1)：58-74.

[21] FOSSEN H，SCHULTZ R A，SHIPTON Z K，et al. Deformation bands in sandstone：A review[J]. Journal of the Geological Society，2007，164(4)：755-769.

[22] GUO X，LIU K，JIA C，et al. Effects of early petroleum charge and overpressure on reservoir porosity preservation in the giant Kela-2 gas field，Kuqa depression，Tarim Basin，northwest China[J].AAPG Bulletin，2016，100(2)：191-212.

[23] LAI J， WANG G， CHAI Y， et al. Deep burial diagenesis and reservoir quality evolution of high-temperature， high-pressure sandstones： Examples from Lower Cretaceous Bashijiqike Formation in Keshen area，Kuqa depression，Tarim basin of China[J].AAPG Bulletin， 2017，101(6)：829-862.

[24] 赖锦，王贵文，信毅，等.库车坳陷巴什基奇克组致密砂岩气储层成岩相分析[J].天然气地球科学，2014，25(7)：1019-1032.

[25] 冯松宝，徐文明，顿亚鹏.库车坳陷克拉苏构造带超高压大气田储层流体包裹体特征及成藏信息[J].石油实验地质，2014，36(2)：211-217.

[26] 于志超，刘可禹，赵孟军，等.库车凹陷克拉2气田储层成岩作用和油气充注特征[J].地球科学，2016，41(3)：533-545.