超深致密砂岩储层特征及影响因素——以库车坳陷阳霞凹陷侏罗系为例

宋金鹏 ，郇志鹏 ，田盼盼 ，杨连刚 ，代俊杰 ，王珠峰 ，邱升梁

（1.中国石油塔里木油田分公司勘探事业部，新疆 库尔勒 841000；2.中国石油塔里木油田分公司克拉油气开发部，新疆 库尔勒 841000；3.中国石油塔里木油田分公司安全环保与工程监督中心，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

近年来，超深层、致密储层等非常规领域成为油气勘探的重点、热点［1-2］。根据地层温度、压力等地质条件和钻井工程难度，一般将埋深6 000 m作为超深层界限［3-4］；而致密储层孔隙度小于 10%，渗透率小于 1×10-3μm2［5］，埋深大，物性差，资源量大，是天然气增储上产最具潜力的非常规油气资源［6］。

侏罗纪，库车坳陷构造相对稳定，湖水频繁进退形成优质的沼泽相碳质泥岩和煤系地层，是盆地重要的烃源岩。而侏罗系辫状河三角洲相砂岩储层粒度大、分选较差、非均质性强，埋深普遍大于6 500 m，平均孔隙度5.6%，覆压渗透率一般小于0.1×10-3μm2，多为低孔-低渗、特低孔-特低渗储层。致密砂岩储层与煤系烃源岩互层，相邻分布，油气大规模运聚成藏，形成坳陷北部大面积连续分布的致密油气富集区，是塔里木盆地油气勘探的重要接替领域。

1 地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，属于南天山褶皱带南缘的再生前陆盆地［7］，分为北部构造带、克拉苏构造带、南部斜坡带、拜城凹陷及阳霞凹陷等构造单元（见图1）。中生界，库车坳陷处于伸展环境，受北部山前基底断裂控制发育断陷湖盆［7-8］。研究区位于坳陷东北部阳霞凹陷，白垩系沉积前，凹陷南部隆升，侏罗系抬升剥蚀，残留厚度不均［9］，自下而上依次发育阿合组（J1a）、阳霞组（J1y）和克孜勒努尔组（J2kz）。 其中：J1a 为辫状河三角洲分流河道沉积，厚100～ 500 m；J1y厚320～ 700 m，为沼泽及深湖相；J2kz以前缘相为主，夹少量煤层。始新世喜山期，新特提斯洋闭合［7］，塔里木盆地发生大规模海退，古新世侵入的海水残留并逐渐蒸发浓缩［10］，阳霞凹陷发育240～ 500 m膏盐岩。巨厚膏盐岩、成岩作用演化及新生界强烈的推覆挤压构造运动，对侏罗系储层特征产生重要影响。

图1 库车坳陷构造单元及地层剖面

2 侏罗系储层特征

2.1 岩石学特征

储层岩石学特征受控于形成条件，并影响储层性质。阳霞凹陷侏罗系以辫状河三角洲相为主，储层粒度较大，成熟度偏低（见图2）。阿合组主要为砂砾岩、含砾石英岩屑粗砂岩，石英、长石、云母体积分数较高，偶见蚀变长石砾及黑色煤屑（见图 2a，2b，2f）；分选差，次棱角—次圆状。填隙物体积分数在6.9%～ 10.8%，其中胶结物为0.96%～ 4.80%，泥质杂基平均6.35%，黏土矿物体积分数集中分布在10%～ 20%。颗粒间以线、线-凹凸接触为主，线接触-孔隙、镶嵌-孔隙式胶结（见图2c，2d）。

阳霞组储层以砂砾岩、含砾细—中粒长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主，顶底发育煤层。岩屑多为沉积岩和变质岩岩屑，分选中等，次棱角—次圆状，结构成熟度中等，颗粒间点-线接触为主；粒间泥质体积分数较高，黏土矿物（伊利石及伊/蒙混层为主，见图2e）约7%，孔隙式胶结、泥质胶结为主，局部见石英加大边，硅质胶结较少。克孜勒努尔组储层岩性以灰色细砂岩、中砂岩为主，偶见薄层状含砾粗砂岩；石英体积分数在25%～ 55%，岩屑体积分数为20%～ 60%，长石体积分数为10%～ 15%，次棱角—棱角状，分选差，泥质胶结。

图2 阳霞凹陷侏罗系储层岩石学特征

2.2 储层物性特征

露头、岩心样品核磁共振分析结果表明，侏罗系储层压实程度高，原生孔隙基本未保存，孔隙以次生溶孔、微孔隙为主，局部发育溶蚀缝和构造缝，整体致密，孔渗低，物性差。

阿合组砂岩基质孔隙度为0.93%～ 12.23%，平均8.49%，渗透率分布于 0.01×10-3～ 15.00×10-3μm2，中值为0.769×10-3μm2；孔隙度和渗透率呈正相关，但相关系数较低。孔喉半径主要分布在0.45～ 4.74 μm，平均2.93 μm；排驱压力多在 0.3～ 1.1 MPa，平均 0.75 MPa。

阳霞组储层粒度较小，孔隙度主要分布在0.9%～ 16.4%，平均 6.1%，渗透率 0.92×10-3～ 16.31×10-3μm2，主要为裂缝-孔隙型储层，孔隙型储层以长石、岩屑等碎屑颗粒边缘及胶结物溶蚀形成的粒间溶孔为主，少量原生粒间孔、粒内溶孔。岩心中见直立缝、高角度斜交缝，早期缝被泥质或石英充填，局部有溶蚀扩大。而克孜勒努尔组储层物性相对较好，测井孔隙度多为5.1%～ 13.7%，平均10.1%，孔隙结构以中孔中喉为主。

2.3 地球化学特征

岩样中各类元素的质量分数（w）是储层沉积环境的真实微观记录。 其中，w（V）/（w（V）+w（Ni））、w（Ca）/（w（Ca）+w（Fe））［11］，w（Sr）/w（Ba）、w（K）/w（Na）、w（Fe）/w（Mn）［12］及 w（Mg）/w（Mn）、w（Mg）/w（Sr）等指标，可以分别反映沉积水体的氧化还原程度、盐度及气候等古沉积环境。阳霞地区侏罗系普遍含煤，地层水为氯化钙型（pH=6），探井元素数据如表1所示。其中：阿合组及阳霞组下部 w（V）/（w（V）+w（Ni））等指标呈明显高值，w （Mg）/w （Ca）、w （K） +w （Na）， 以 及 w （Mg）/w （Sr）、w（Mg）/w（Mn）较高，反映了还原、半咸水、气候湿热的沉积环境。阳霞组中、上部氧化程度增大，水体咸化，气候干热；至侏罗系上部，呈还原、盐度小的较干热环境。

表1 侏罗系各层位元素指标

3 致密砂岩主控因素

阳霞凹陷侏罗系储层受原始沉积组分，后期成岩压实、胶结、溶蚀作用，以及构造挤压等多种因素共同影响，储层致密、非均质性强。

3.1 沉积作用是储层物性的基础

早期沉积相决定了储层结构成熟度、组分成熟度及杂基体积分数［12-13］，控制了储层原始物性［14］和后期成岩作用的类型及强度，是形成侏罗系超深有效储层的基本条件。阳霞地区侏罗系广泛发育辫状河三角洲相，砂体厚度大，粒度中等—粗，分选较好，为储层提供了优质的物质基础。利用Beard等［15］的经验公式（式（1））恢复侏罗系原始孔隙度最高可达38.64%。

式中：φo为原始孔隙度；D25，D75分别为累积曲线上概率25%，75%处对应的颗粒直径，mm。

岩性孔渗数据表明，整体上，不同粒度岩性的孔隙度差别不大，而粒径与渗透率之间存在明显的正相关性：小砾岩粒度大，物性最好；随粒度减小，渗透率迅速降低。主要原因是：1）小砾岩分选均一，砾石成分以石英、玄武岩、花岗岩为主，抗压实能力强，原始物性保存程度较高；细砂、粉砂岩分选差，杂基和泥质体积分数高，非均质性强，原始储层物性差，岩屑中体积分数较高的云母、黏土矿物等塑性组分在成岩过程中，由于强压实而挤压变形，堵塞孔喉。2）粒度越大，微裂缝发育程度越高。经过成岩作用，粗颗粒碎屑岩应力相对集中，在强烈压实和构造应力的侧向挤压作用下，更易发生颗粒破碎，产生微裂缝；而细粒碎屑岩更多地表现为压实、变形，微裂缝欠发育。

3.2 成岩作用控制储层物性

成岩作用决定了阳霞凹陷侏罗系深层储层当前的孔渗大小和有效性。根据分析化验资料，阳霞凹陷侏罗系伊/蒙混层比在20%～ 50%，镜质组反射率Ro为1.0%～ 1.5%；颗粒间以线接触为主，部分呈凹凸接触，处于中成岩阶段A，B期，主要经历了早期强烈压实、后期胶结、溶蚀及构造破裂等作用，导致原生孔隙大幅减少，主要发育溶蚀孔、微裂缝、构造缝等次生孔隙。

压实作用是侏罗系储层致密化的主要因素。阳霞凹陷侏罗系早期长期浅埋，中晚期受印支运动影响发生抬升，经历早期表生淋滤，产生部分溶蚀孔隙。后期快速深埋，导致储层压实和胶结成岩加快。颗粒间多呈线接触，石英、长石等刚性颗粒破碎，云母、泥质岩屑等塑性颗粒明显弯曲变形，粒间原生孔隙保存程度低（见图3a）。埋藏前期随埋深增大，减孔率迅速增加，后期趋于减缓。 根据前人模拟实验（见式（2））［16-17］计算可得，8 000 m的超深埋藏使储层压实减孔率达32%，现存孔隙度只占原生孔隙度的9%～ 20%。

式中：φcp为压实减孔率；a为常数；H为埋深，m。

胶结作用是导致储层低孔-低渗的重要因素。侏罗系储层主要为孔隙式胶结，胶结物多为泥质，黏土矿物以粒表-粒间玫瑰花状伊利石、绿泥石包膜及伊/蒙混层（见图3b）为主；部分硅质胶结多表现为石英多期次生加大充填粒间孔隙，少量长石加大及碳酸盐胶结（见图3c，3d）。胶结物充填在粒间孔，破坏储层孔渗性，增加储层抗压实性，为后期溶蚀作用创造了有利条件。

图3 阳霞凹陷侏罗系成岩作用微观特征

胶结作用减孔率φcm为

式中：φp为物性分析孔隙度；Rp为胶结物溶孔面孔率；R为总面孔率；φc为胶结物体积分数。

胶结物溶孔面孔率一般占总面孔率的12%～ 20%，平均15.6%，岩心分析孔隙度平均8.49%，储层胶结物体积分数平均2.16%，胶结作用减孔率为3.48%。

溶蚀作用显著改善了阳霞凹陷侏罗系储层孔隙度，以长石溶蚀为主。早期表生阶段气候湿热，长石、岩屑等颗粒遭受丰富的大气淡水淋滤，又经长期的埋藏阶段，高矿化度酸性地层流体及油气充注后大量有机酸的溶蚀改造，产生大量蜂窝状、筛孔状粒内溶孔及微孔隙，提高了致密储层孔隙度（见图3e）。由于溶孔多分布在粒内，缺乏有效连通，长石溶蚀对渗透率的改善作用较小。侏罗系储层溶蚀孔面孔率一般占总面孔率的27%～ 90%，平均72%，计算得溶蚀作用增孔率为6.11%。阳霞凹陷侏罗系交代作用不甚明显，少见方解石交代长石，对储层物性影响有限。

3.3 上覆巨厚膏盐岩有效保护储层

喜山期，新特提斯洋闭合，受印度、欧亚板块碰撞挤压远距离效应影响，南天山造山带隆升并大规模海退，阳霞凹陷发育为潟湖，残余海水浓缩，形成巨厚膏盐岩。致密、热导率高的膏盐岩对侏罗系储层物性保存起到了积极作用。室内常温下，膏盐岩热导率比砂泥岩等大多数的沉积岩高2～4倍，而杂基和孔隙内的流体使其热导率比常见沉积岩高10～30倍［18］。阳霞凹陷上覆的巨厚膏盐岩将下部地层热量向上快速传递，大幅度降低了盐下储层的地层温度。石膏在压实过程中转化为硬石膏并释放出大量水分，脱出的水分滞留在致密膏盐岩层内，引起泥岩欠压实,形成异常高压；同时，膏盐岩塑性流动部分抵消了上部地层的垂向重力，有效减缓垂向压实作用，使下部储层成岩演化进程明显放缓，从而有利于下部侏罗系储层孔隙的保存［19］。钻探显示，孔隙度随埋深变化在膏盐岩集中发育段附近出现明显拐点，巨厚膏盐岩下部地层孔隙度比正常趋势线高2%～ 4%，8 000 m超深储层孔隙度仍达6%～ 8%。

3.4 构造作用显著改善储层渗透性

构造作用对侏罗系储层物性影响具有双重性：一方面，构造挤压使颗粒旋转、定向分布，孔渗变差；另一方面，产生大量构造裂隙，并沿裂缝发生溶蚀（见图4）。

图4 阳霞凹陷侏罗系储层演化“四史”配置

阳霞凹陷侏罗系稳定沉积后，受印支运动影响，局部抬升，上统被剥蚀（见图4）。之后的燕山期，凹陷沉降；喜山早期，构造活动加强，凹陷发生沉积间断，白垩系顶部再次遭受剥蚀。古新世以来，构造相对稳定，盆地持续沉降，埋深迅速增大；至始新世，喜山晚期造山运动使深部构造变形加剧，侏罗系储层遭受剧烈的南北向侧向挤压应力。

基于厚层泥岩段应力敏感性反应，可以利用浅侧向电阻率测井曲线计算古构造应力［20］：

式中：σmax为最大有效古构造应力，MPa；Rt为浅侧向电阻率，Ω·m。

阳霞凹陷侏罗系计算得到的σmax为75.7 MPa，与岩石声发射实验测量得到的74.8～ 80.9 MPa［21］相符合。在此基础上，计算构造挤压减孔率 φt［14］：

强烈的构造挤压使侏罗系减孔率达到6.67%，储层进一步致密化，伴生的构造裂缝与砂砾岩压实形成的粒缘缝、石英等刚性颗粒强烈压实破裂产生的裂纹缝、云母失水蚀变收缩形成的粒间片状裂隙及长石解理缝等组合形成有效的缝网系统，沟通了孤立状次生溶孔，构成了致密储层中重要的渗流通道，极大地改善了储层渗透性。

4 结论

1）阳霞凹陷侏罗系超深储层多为砂砾岩、石英岩屑粗—中砂岩、长石岩屑粗—中砂岩，泥质胶结、线接触为主，平均孔隙度5.6%，渗透率中值为0.769×10-3μm2，储层致密，主要发育次生溶孔及构造缝、微裂缝，属孔隙-裂缝双孔介质。

2）沉积作用为侏罗系致密储层提供了物质基础。粒径与渗透率之间存在明显的正相关性：刚性颗粒含量高的小砾岩分选较好，抗压实性强，粒度大，物性最好，恢复原始孔隙度达38.64%；粒度减小，渗透率迅速降低。

3）压实、胶结等成岩作用使储层大幅减孔35.48%，是储层致密化的主要因素；而巨厚膏盐岩降低了下部地层温度并形成异常高压，有利于储层物性的保存，同时强烈的构造作用产生的裂缝与次生溶孔、微裂缝有效沟通，显著改善了储层渗透性。