储层成岩流体系统特征及其影响——以塔里木盆地库车坳陷依奇克里克构造带阿合组为例

倪玲梅， 李 忠， 郭春涛， 罗 威

( 1. 曲靖师范学院 文化旅游学院，云南 曲靖 655011； 2. 中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029； 3. 山西工程技术学院 地质与环境工程学院，山西 阳泉 045000； 4. 北京市十一学校，北京 100039 )

0 引言

流体—岩石相互作用过程常伴随物质交换和迁移，成岩流体系统的封闭性决定成岩改造的方向和持续效应[1-5]，因此，根据成岩产物类型及空间分布特征，可以反演成岩流体的性质及演化过程[2-5]。塔里木盆地库车坳陷蕴藏丰富的油气和煤炭资源，库车坳陷东部下侏罗统天然气勘探取得较大突破[6-7]。其中，下侏罗统阿合组碎屑岩储层是库车坳陷的重要产层，有效储层埋深超过4.0 km，为深埋储层。依奇克里克背斜翼部的YN2、YN5、DB101、DB102及DB104井获得工业油气流[8-9]，位于背斜轴部的YS4及YN4井只见油气显示，但是无法形成工业气流[10]。目前，已有研究主要集中于断层封闭性方面，如郭宏莉等利用激光拉曼分析依奇克里克地区阿合组砂岩有机包裹体的成分，显示依奇克里克背斜轴部的YS4和YN4井阿合组砂岩包裹体中CO2含量较低，H2O含量较高，而背斜翼部的YN2与YN5井的情况相反，表明YS4和YN4井阿合组地层封存条件相对较差[11]，油气不易保存；曹文渊认为依奇克里克构造带的主要断裂(依奇克里克断裂)穿透泥岩及膏岩盖层直通地表，使靠近断裂的上盘区域(依深地区)的地层封闭性低于远离断层的下盘区域(依南地区)的，因此依深地区阿合组油气不易保存[12]。

传统地层封闭性的研究主要基于地层水及断层封闭性分析。考虑依奇克里克背斜阿合组砂岩的成岩作用时空分异，根据铸体薄片、扫描电镜、黏土矿物X线衍射、地层水及物性参数等资料，研究阿合组砂岩的岩石学参数、孔渗条件、成岩作用类型及地层水特征，探讨背斜轴部与翼部阿合组砂岩中自生黏土矿物组合的分布差异及成因机理，揭示依奇克里克背斜阿合组砂岩成岩流体演化过程及成岩系统封闭性特征，分析阿合组油气藏保存条件，为库车坳陷的下一步油气勘探提供指导，为地层封闭性的相关研究提供参考。

1 区域地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，北至南天山，南至塔北隆起[13]，整个坳陷呈北东东向，依次划分为北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带(克—依构造带)、拜城凹陷、秋里塔格背斜带及阳霞凹陷5个二级构造单元(见图1)。库车坳陷基底沉积深度为8.0～10.0 km的中新生界[14]，为中新生代盆地。中生代以来，库车坳陷经历二次大的构造运动，时间分别为晚中生代和新近纪[15-16]，分别受印度板块与拉萨地块、印度板块与欧亚板块碰撞的影响[17]，在强烈挤压背景下，发育大量逆冲推覆构造[18-20]。晚白垩世，库车坳陷经历区域隆升，受水平挤压影响，依奇克里克和吐格尔明区域形成背斜的雏形。中新世以来，构造变形作用自北向南依次变新[21-22]，依奇克里克和克拉苏背斜带逆冲断裂在康村期开始侵位，构造作用持续于库车期和西域期[23-24]，同时断层相关褶皱也依次形成[25-29]。依奇克里克背斜紧靠南天山，北翼缓，南翼陡，进一步划分为轴部的依深地区和南翼的依南地区，属于突破的断层传播褶皱[30-31]，重要断层为依奇克里克断层，断层延伸至地表，倾角较陡。

研究区烃源岩主要为三叠系及侏罗系的暗色泥岩、炭质泥岩及煤层。根据烃源岩演化，新近纪，特别是5 Ma以来，烃源岩进入生气阶段，构造圈闭形成时间与最晚的油气大量充注时间相匹配，形成大量油气藏[13,21,32]，同时构造运动产生的断裂也是天然气运移及散失的通道。以库车坳陷东部依奇克里克构造带下侏罗统阿合组砂岩储层为研究对象，沉积相为辫状河三角洲，岩性主要为浅灰色、灰白色砂砾岩、含砾粗砂岩及粗—中砂岩，含少量灰黑色泥岩、粉砂岩及煤[13,17,33]。研究区阿合组自沉积至今经历多期盆地沉降—抬升过程，最大古埋深接近5.8 km。

图1 研究区构造位置及背斜剖面Fig.1 Structural location and anticline profile in the study area

2 样品与实验方法

为确定黏土矿物类型，分析阿合组黏土矿物体积分数，利用D/Max-RC型X线衍射仪对175块阿合组砂岩样品进行X线衍射分析(XRD)。实验条件：Cu靶，管压为40 kV，管流为40 mA。

采集依奇克里克构造带3口探井中阿合组的地层水化学数据并进行分析。如果地层水中存在较高浓度的Ba2+，则地层水样品受到污染，予以排除[3,34]。

3 储层特征

3.1 岩石学特征

根据依奇克里克构造带阿合组砂岩铸体薄片统计结果，砂岩类型主要为长石岩屑砂岩及岩屑砂岩(见图2)。储层中石英颗粒以单晶石英为主，体积分数为30.0%～55.0%，平均为44.0%。长石体积分数为10.0%～25.0%，平均为18.0%，其中钾长石较为多见。岩屑体积分数为30.0%～50.0%，平均为38.0%，主要为变质岩岩屑，岩浆岩岩屑次之，沉积岩岩屑最少。碎屑颗粒主要为次棱角状和次圆状，颗粒之间的接触关系主要为线接触—凹凸接触，少量为点接触及缝合线接触。

图2 库车坳陷依奇克里克构造带阿合组砂岩成分Fig.2 Detrital composition of the Ahe Formation sandstone in the Yiqikelike Structural Belt, Kuqa Depression

3.2 物性特征

依奇克里克构造带阿合组孔隙类型以次生溶蚀孔为主，原生孔、晶间微孔及微裂缝次之。常见溶蚀孔为由长石和少量岩屑溶蚀而形成的铸模孔和筛状溶蚀孔，以及由含铁(铁)方解石、菱铁矿、硅质等胶结物溶蚀而形成的粒内和粒间溶蚀孔。由于阿合组在埋藏演化过程中受到多期构造活动影响，因此构造裂缝较为发育。

根据塔里木盆地下侏罗统阿合组砂岩物性测试数据，绘制孔隙度及渗透率分布直方图(见图3-4)。位于依奇克里克背斜轴部的YS4、YN4井阿合组砂岩孔隙度相对较大，孔隙度范围(平均值)分别为2.0%～14.0%(8.4%)、0～14.0%(7.5%)；位于背斜翼部的YN2(C)、YN5及DB102井阿合组砂岩孔隙度相对较低，孔隙度范围(平均值)分别为0～12.0%(5.0%)、0～12.0%(6.1%)及0～10.0%(4.2%)(见图3)。

图3 库车坳陷东部阿合组砂岩孔隙度分布直方图Fig.3 Porosity distribution histogram of Ahe Formation sandstones in the Eastern Kuqa Depression

研究区阿合组砂岩渗透率分布规律与孔隙度分布规律基本一致，位于依奇克里克背斜轴部的YS4、YN4井渗透率范围(平均值)分别为(0.01～100.00)×10-3μm2(2.89 ×10-3μm2)、(0.01～100.00)×10-3μm2(1.89 ×10-3μm2)，渗透率相对较高；位于背斜翼部的YN2(C)、DB102及YN5井的渗透率范围(平均值)分别为(0.01～10.00)×10-3μm2(0.62 ×10-3μm2)、(0.01～10.00)×10-3μm2(1.05 ×10-3μm2)、(0.01～100.00)×10-3μm2(1.90 ×10-3μm2)(见图4)，渗透率相对较低。

图4 库车坳陷东部阿合组砂岩渗透率分布直方图Fig.4 Permeability distribution histogram of Ahe Formation sandstones in the Eastern Kuqa Depression

4 成岩作用及演化

受上覆压力、构造应力及流体性质等影响，阿合组沉积物普遍经历极为复杂的压实压溶、胶结及溶蚀作用，在成岩作用过程中保留大量流体—岩石相互作用的信息，成岩作用的研究有助于恢复古流体演化规律。

4.1 压实作用

研究区阿合组砂岩碎屑颗粒之间主要为线接触及凹凸接触，部分石英颗粒接触部位可见缝合线接触(见图5(a))。砂岩中见云母碎片、沉积岩岩屑及少量千枚岩岩屑被挤压变形，研究区阿合组砂岩经历较强的压实作用。

Study on the performance of sulfate extended surfactants 10 42

图5 依奇克里克构造带阿合组砂岩成岩作用特征及孔隙类型Fig.5 Diagenesis characteristics and pore types of the Ahe Formation sandstone in the Yiqikelike Structural Belt

4.2 胶结作用

4.2.1 硅质胶结物特征

研究区阿合组砂岩硅质胶结物体积分数为2.0%～5.0%，大部分为石英次生加大边(见图5(b))，少量为自生石英颗粒(见图5(c))。自生石英颗粒较小，主要充填溶蚀孔隙。石英颗粒接触部位存在石英次生加大边，石英次生加大边形成于压实作用过程。

4.2.2 碳酸盐胶结物特征

研究区阿合组砂岩碳酸盐胶结物体积分数为0.5%～6.0%，平均为2.0%，成分主要为含铁(铁)方解石及方解石(见图5(d))，含少量菱铁矿。菱铁矿主要以微晶状充填粒间孔隙，部分交代碎屑颗粒，颗粒表面有溶蚀现象(见图5(e))。含铁(铁)方解石呈孔隙式胶结，部分交代碎屑颗粒，通常包围石英次生加大边(见图5(d))，形成时间晚于石英次生加大边。此外，可以观察到含铁(铁)方解石未充填大量后期长石溶蚀形成的溶蚀孔(见图5(d))，因此形成时间早于后期长石大规模溶蚀时间。

4.2.3 黏土矿物胶结

根据X线衍射数据，阿合组砂岩存在伊利石、绿泥石、伊/蒙混层及高岭石4种类型黏土矿物。在扫描电镜下，伊利石通常呈片状及丝缕状充填孔隙(见图5(f))，伊/蒙混层通常呈蜂窝状附着于颗粒表面(见图5(g))，高岭石通常呈分散状、书页状及蠕虫状不均匀充填长石和含铁(铁)方解石溶蚀孔隙(见图5(h))，大部分高岭石形成于大量长石和含铁(铁)方解石溶蚀后，绿泥石通常呈叶片状充填粒间孔(见图5(i))。

图6 研究区阿合组砂岩长石溶蚀孔面孔率对总面孔率的贡献Fig.6 Contribution of feldspar dissolution pores porosity to total porosity of the Ahe Formation sandstones in the study area

依奇克里克背斜不同部位阿合组砂岩黏土矿物组合不同，位于背斜轴部的YS4井以伊利石为主，平均体积分数为61.9%，高岭石次之，平均体积分数为19.2%；YN4井阿合组砂岩黏土矿物中伊利石平均体积分数为58.9%，绿泥石平均体积分数为26.5%，伊/蒙混层平均体积分数为9.4%，高岭石平均体积分数为5.1%。位于背斜翼部的YN2(C) 井阿合组砂岩黏土矿物中伊利石平均体积分数为62.7%，绿泥石平均体积分数为17.8%，伊/蒙混层平均体积分数为16.7%，高岭石平均体积分数为2.8%；YN5井阿合组砂岩黏土矿物中伊利石平均体积分数为70.2%，绿泥石平均体积分数为23.6%，伊/蒙混层平均体积分数为5.6%，高岭石平均体积分数为0.7%。研究区阿合组砂岩中黏土矿物以伊利石为主，依奇克里克背斜轴部阿合组砂岩中高岭石体积分数较高，翼部的高岭石体积分数较低。

4.3 溶蚀作用

研究区阿合组砂岩溶蚀作用广泛发育，其中以长石溶蚀较为多见(见图5(c-d))，少量含铁(铁)方解石及不稳定的火山岩岩屑也发生溶蚀。根据薄片观察资料，长石溶蚀孔中不存在含铁(铁)方解石，长石溶蚀发生于含铁(铁)方解石胶结后。由于溶蚀孔面孔率与总面孔率呈正相关关系(见图6)，溶蚀作用对储层质量的改善具有建设性作用。此外，长石颗粒粒内溶蚀孔及周缘粒间孔存在较多高岭石，研究区阿合组砂岩自生高岭石主要形成于长石溶蚀过程。

4.4 成岩序列演化

根据各成岩矿物之间的接触关系，以及石英次生加大边、含铁(铁)方解石胶结物内的流体包裹体均一温度特征[35-38]，结合研究区热史—埋藏史演化规律，按照SY/T 5477—2003《碎屑岩成岩阶段划分》，划分依奇克里克背斜不同构造部位阿合组砂岩成岩作用阶段(见图7)。

由图7可知，早成岩阶段(时间为203～150 Ma，地层温度为0～85 ℃)，依奇克里克区域阿合组砂岩埋深小于2.7 km，依奇克里克背斜还未形成，区域成岩作用类型及产物相似，主要为机械压实作用，并伴随少量溶蚀作用，可见少量石英次生加大边。中成岩阶段(时间为150～5 Ma，地层温度为85～170 ℃)，依奇克里克区域阿合组持续埋深，依南、依深地区最大古埋深分别为5.8、5.4 km。该时期研究区阿合组砂岩成岩作用类型主要为化学压实、胶结作用及少量溶蚀作用，胶结物为石英次生加大边、含铁(铁)方解石胶结及黏土矿物，溶蚀规模较小，溶蚀对象为少量长石及岩屑，与第一次烃类充注相关，时间为20～16 Ma[35-36,39-40]。随依奇克里克断裂的形成，尤其喜马拉雅运动晚期(5 Ma)以来，构造活动加剧，依奇克里克构造带逐渐定型并被抬升[23-32]，依南、依深地区阿合组砂岩成岩作用类型出现差异。虽然依奇克里克背斜轴部埋深大于4.0 km，并且地层温度超过120 ℃，镜下高岭石发育，平均体积分数为1.2%，背斜翼部高岭石几乎不可见。黏土矿物X线衍射数据也证明依奇克里克背斜轴部阿合组高岭石体积分数较高(YS4和YN4井)，而背斜翼部阿合组高岭石体积分数较低(YN2(C)和DB102井)。高岭石由长石大规模溶蚀形成，而长石溶蚀与第二次烃类充注相关，时间为5～3 Ma[35-36]。

图7 依奇克里克背斜不同构造部位阿合组砂岩成岩序列演化特征Fig.7 Evolution cheracteristics of diagenetic sequences of Ahe Formation sandstone in different structural parts of Yiqikelike Anticline

5 成岩流体系统特征

5.1 地层水特征

图8 依奇克里克背斜阿合组地层水化学特征参数变化规律Fig.8 Variation regularity of the formation water chemical characteristic parameters of the Ahe Formation in the Yiqikelike Anticline

图9 依奇克里克背斜阿合组地层水Piper图Fig.9 Piper diagram of the Ahe Formation in the Yiqikelike Anticline

5.2 黏土矿物分布特征

根据成岩作用及成岩演化分析，依奇克里克背斜不同构造部位阿合组砂岩黏土矿物组合存在差异，主要表现为背斜轴部目的层砂岩黏土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主，背斜翼部目的层砂岩黏土矿物以伊利石、绿泥石、伊/蒙混层为主(见表1)，特别是高岭石体积分数由背斜轴部至翼部逐渐降低。成岩作用分析表明，研究区阿合组高岭石的形成与钾长石溶蚀有关。自生高岭石的形成需要开放或半开放的流体环境，使长石溶解形成的Na+、K+、Al3+及Si4+及时排出，成岩流体得到稀释[43-48]。如果流体环境较为封闭，那么矿物溶解形成的离子不能及时排出，并且成岩流体被缓冲，导致pH增高，不利于高岭石的形成。因此，依深地区阿合组流体迁移速度相对较高，成岩环境为半开放环境。

表1 依奇克里克背斜不同构造部位阿合组砂岩成岩流体系统封闭性及成岩作用特征

与依奇克里克背斜轴部相比，背斜翼部阿合组砂岩高岭石体积分数较低，伊利石、绿泥石等矿物体积分数较高。一方面是由于5 Ma时最大古埋深达到5.8 km，现今古埋深接近5.0 km，地层温度高达138 ℃，当地层温度在120～140 ℃之间时，伊利石结晶动力学屏障明显减小[2,46,49]，可以大量生成伊利石，在Fe2+、Mg2+的加入下，高岭石也可以转化为绿泥石。另一方面，随地层埋深的增加，地层温度逐渐增高，介质流体迁移速度较小，长石溶解产生的K+不能及时排出，离子活度α(K+)/α(H+)增大，水—岩相互作用产生的大量离子不能及时扩散或迁移，流体pH增高，变为碱性。这种封闭成岩环境更有利于伊利石、绿泥石等黏土矿物形成。根据成岩产物中黏土矿物组合的分布特征，依奇克里克背斜翼部阿合组砂岩成岩环境较背斜轴部的更为封闭。

5.3 构造裂缝发育

由库车坳陷区域构造演化史可知，5 Ma以来，依奇克里克构造带发育大量逆冲断层及相关背斜。在依奇克里克背斜轴部多形成高角度直通地表的逆断层，如依奇克里克断层，断层深部错断侏罗系泥岩封闭层，浅部贯穿膏盐岩[11,50]，使致密性岩层失去连续性，而南翼形成多条未断穿至地表的北倾台阶式逆断层。库车坳陷野外露头和岩心裂缝[51-52]分析表明，依奇克里克构造带裂缝以未充填、半充填裂缝为主，并且依深地区高角度裂缝比依南地区的多。此外，区域应力场分析表明，背斜转折端及区域大断裂附近裂缝密度高于背斜两翼地区的(见图10)，因此推测依奇克里克背斜轴部依深地区的裂缝密度大于背斜翼部依南地区的[51-52]。依奇克里克背斜轴部阿合组介质流体的迁移或扩散更为便捷和快速，水—岩相互作用产生的离子更能及时排出，成岩流体系统为半开放系统，长石溶蚀易产生高岭石；背斜翼部依南地区裂缝密度相对较少，阿合组介质流体的活动性较弱，不利于高岭石的生成。

5.4 封闭性

目前，依奇克里克背斜轴部的YS4、YN4井阿合组仅见油气显示，无法形成工业油气流，而背斜翼部的YN2、YN5及DB102井阿合组获得工业油气流[8-9]。根据研究区砂岩物性测试数据分析结果，依奇克里克构造带阿合组砂岩的储集物性不是控制油气富集的关键因素。库车坳陷阿合组砂岩中成岩矿物分布特征、地层水化学参数及构造特征综合分析显示，5 Ma以来，依奇克里克背斜轴部(依深地区)阿合组成岩流体系统封闭性比背斜翼部(依南地区)的差，而库车坳陷东部烃源岩第二次烃类充注时间(5～3 Ma)与依奇克里克构造带定型时间相匹配[53-54]，因此依奇克里克背斜不同构造部位成岩流体系统封闭性是影响油气藏分布的关键因素。背斜轴部阿合组成岩流体系统相对开放，油气充注后易通过裂缝、断层及孔隙扩散或迁移，不易保存，主要发育含气水层；背斜翼部阿合组成岩流体系统相对封闭，油气充注后不易散失，主要发育含气层。

图10 库车坳陷断控褶皱裂缝发育模式(据文献[52]修改)Fig.10 The model for the fractures developed in the faulted fold in the Kuqa Depression(modified by reference [52])

6 结论

(1)5 Ma以来，塔里木盆地库车坳陷依奇克里克背斜不同构造部位阿合组砂岩中黏土矿物组合存在差异，背斜轴部阿合组砂岩中黏土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主，背斜翼部阿合组砂岩中黏土矿物以伊利石、绿泥石、伊/蒙混层为主，其中背斜轴部的高岭石体积分数较高，背斜翼部的较低。

(3)依奇克里克背斜不同构造部位成岩流体系统封闭性对天然气聚集影响较大，背斜轴部阿合组砂岩成岩流体系统为半开放系统，天然气不易保存，主要发育含气水层；背斜翼部阿合组砂岩成岩流体系统相对封闭，天然气保存较好，主要发育含气层。