咸化湖盆高效基巖氣藏儲(chǔ)層中基質(zhì)孔隙的發(fā)現(xiàn)及意義

吳麗榮?┗瞥篩摘┰?劍英?┭執(zhí)娣錸?馬峰孫秀建

摘要：近年來(lái)，柴達(dá)木盆地東坪地區(qū)天然氣勘探獲得了重大突破，已累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)2×108 m3。通過(guò)鉆井巖芯觀(guān)察、偏光顯微鏡鑒定、物性分析以及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，東坪地區(qū)基巖由變質(zhì)巖和花崗巖組成，平均孔隙度為4.72%，平均滲透率為1.71×10-3 μm2。除裂縫和少量溶蝕孔外，巖石中基質(zhì)微孔廣泛發(fā)育，主要包括花崗巖中發(fā)育于鐵鎂質(zhì)礦物的微孔以及片麻巖中的云母片晶間孔兩類(lèi)，其孔徑極小且連通性差，多為數(shù)百納米至數(shù)微米，為東坪地區(qū)基巖重要的天然氣儲(chǔ)集空間類(lèi)型。大量石膏充填于上部基巖的孔縫中，為上覆地層路樂(lè)河組和干柴溝組沉積時(shí)咸水流體下滲沉淀、膠結(jié)所致，鹽類(lèi)礦物的封堵作用為大氣田的形成起到了重要作用。這種發(fā)育于基巖中的“二元結(jié)構(gòu)”的首次發(fā)現(xiàn)對(duì)指導(dǎo)咸化湖盆基巖油氣勘探具有重要意義。

關(guān)鍵詞：咸化湖盆；基巖；儲(chǔ)層特征；基質(zhì)微孔；晶間孔；二元結(jié)構(gòu)；東坪地區(qū)；柴達(dá)木盆地

中圖分類(lèi)號(hào)：P618.130.2；TE122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

基巖油氣藏是一種特殊類(lèi)型的油氣藏，主要是指儲(chǔ)存于結(jié)晶基巖中的油氣藏[13]，在全球分布較廣，包括非洲的利比亞、阿爾及利亞，歐洲的潘農(nóng)盆地、第聶伯—頓涅茨盆地；亞洲的中國(guó)、越南、印度尼西亞，北美的美國(guó)以及南美的委內(nèi)瑞拉等地區(qū)。現(xiàn)有勘探成果表明：基巖中含有豐富的地質(zhì)儲(chǔ)量，如利比亞的奧季拉油氣藏、阿爾及利亞的哈西邁薩烏德油氣藏、越南的白虎油氣藏、委內(nèi)瑞拉的拉巴斯—馬拉油氣藏等均是地質(zhì)儲(chǔ)量上億噸的大油氣田。根據(jù)俄羅斯學(xué)者馬爾德洛夫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，39個(gè)巨型基巖油氣田的原始油氣總儲(chǔ)量幾乎相當(dāng)于世界已知油氣儲(chǔ)量的15%，總計(jì)石油儲(chǔ)量為5048×1011 t，天然氣儲(chǔ)量為2681×1011 m3[45]。Younes等關(guān)于基巖儲(chǔ)層的研究成果多集中在斷裂方位配置、發(fā)育期次、與不同性質(zhì)應(yīng)力的吻合度等[610]。李江濤等對(duì)基巖儲(chǔ)層特征作了常規(guī)描述性研究[1113]，多認(rèn)為其儲(chǔ)集空間類(lèi)型主要為構(gòu)造作用和風(fēng)化作用形成的各種裂縫以及少量溶蝕孔洞，這決定了較多的基巖油氣藏具有“短期產(chǎn)量高，但衰減快”的典型特征。

2011年，中國(guó)在柴達(dá)木盆地阿爾金山前基巖中發(fā)現(xiàn)了大氣田，其中東坪1井獲得每天11.26×104 m3 的高產(chǎn)工業(yè)氣流，拉開(kāi)了柴達(dá)木盆地基巖天然氣的勘探序幕。2012年鉆探的東坪3井不僅在基巖“1 856～1 870 m”層段獲得每天36×104 m3的工業(yè)氣流，而且在其上覆地層中的多套層系亦獲得工業(yè)氣流，其中“611～616 m”層段獲得每天5.0×104 m3的工業(yè)氣流，“1 803～1 812 m”和“1 820～1 830 m”層段獲得每天0.65×104 m3的工業(yè)氣流。2014年以來(lái)，隨著研究的深入和相關(guān)支撐力度的加大，天然氣產(chǎn)量增加迅猛，在東坪102井獲得的天然氣產(chǎn)量竟高達(dá)每天57.7×104 m3，且持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。截止目前，東坪地區(qū)的21口試采井合計(jì)產(chǎn)氣能力已超過(guò)每天200×104 m3，累計(jì)生產(chǎn)天然氣超過(guò)2×108 m3，至此，東坪氣田成為中國(guó)陸上發(fā)現(xiàn)的最大基巖氣田。因此，研究基巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型及其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)控制因素顯得至關(guān)重要，但至今尚缺乏過(guò)硬的微觀(guān)證據(jù)。本文試圖針對(duì)柴達(dá)木盆地東坪地區(qū)花崗巖和變質(zhì)巖開(kāi)展系統(tǒng)的微觀(guān)巖石學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)特征研究，旨在為致密巖石中基質(zhì)孔隙的發(fā)育提供更確鑿的證據(jù)，為特殊咸化湖盆中基巖氣田的儲(chǔ)層研究提供新的研究思路。

1地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部[1415]，其大地構(gòu)造位置居于古亞洲構(gòu)造域和古特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域的結(jié)合部[1618]，是在具有元古界變質(zhì)結(jié)晶基底和古生界褶皺變形基底的地塊上于印支運(yùn)動(dòng)后發(fā)育起來(lái)的一個(gè)中、新生代陸相含油氣沉積盆地。該盆地面積12.1×104 km2，中、新生代沉積巖分布面積9.6×104 km2。自新生代以來(lái)，柴達(dá)木盆地長(zhǎng)期處于青藏高原隆升背景之下，持續(xù)分階段的隆升導(dǎo)致盆地的古海拔變高，湖盆封閉，氣候干寒和鹽源充足，形成了典型的高原咸化湖盆[1926]。東坪地區(qū)位于柴達(dá)木盆地西部阿爾金山前，為柴達(dá)木盆地西部坳陷區(qū)一里坪凹陷亞區(qū)的一個(gè)在古生代變質(zhì)巖和海西期花崗巖基底上發(fā)育的南傾鼻狀構(gòu)造（圖1），該區(qū)基巖主要由花崗巖和變質(zhì)巖組成，其上覆地層為咸化湖盆沉積的碎屑巖[2729]，鹽類(lèi)礦物在地層中廣泛發(fā)育[30]。

圖1柴達(dá)木盆地東坪地區(qū)基巖頂面等深線(xiàn)

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

2儲(chǔ)層特征

2.1巖石學(xué)特征

東坪地區(qū)基巖巖性主要以雜色、肉紅色花崗巖，雜色、灰色片麻巖及花崗片麻巖為主，致密且堅(jiān)硬。雜色花崗巖主要以塊狀構(gòu)造為主，部分樣品見(jiàn)條帶狀、似斑狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石及少量黑云母等，部分樣品含有角閃石，孔縫中充填物包括碳酸鹽膠結(jié)物、鹽類(lèi)礦物以及風(fēng)化作用產(chǎn)生的黏土礦物。X衍射全巖分析結(jié)果顯示：花崗巖中石英含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）約為70%，斜長(zhǎng)石為1%～5%，鉀長(zhǎng)石為1%～8%，黑云母一般小于5%，碳酸鹽膠結(jié)物為5%～15%，黏土礦物為5%～15%；個(gè)別樣品可見(jiàn)黃鐵礦，鹽類(lèi)礦物主要為石膏或硬石膏，偶見(jiàn)石鹽。片麻巖和花崗片麻巖多呈片麻狀和條帶狀構(gòu)造，片狀云母廣泛發(fā)育，石英含量約為25%，長(zhǎng)石約為45%，黑云母約為20%，偶見(jiàn)角閃石、輝石，碳酸鹽膠結(jié)物含量約為5%，黏土礦物約為5%，長(zhǎng)石和石英等淺色礦物與各種暗色礦物（云母、角閃石、輝石等）構(gòu)成不連續(xù)的明暗條帶狀或片麻狀構(gòu)造。

2.2物性特征

無(wú)論是時(shí)代較早的基巖儲(chǔ)層（如中國(guó)渤海灣盆地大民屯凹陷太古界基巖），還是時(shí)代較晚的基巖儲(chǔ)層（如印度尼西亞的賈提巴朗盆地中新世），其孔隙度絕大多數(shù)小于10%，多分布在3%～6%范圍內(nèi)，滲透率一般因含裂縫多少而波動(dòng)范圍較大，最大可達(dá)10 μm2。物性較好的儲(chǔ)層如湄公河盆地白虎寒武系花崗巖[31]平均孔隙度為10%，平均滲透率為100×10-3 μm2，蘇爾特盆地拿法拉—奧季拉寒武系花崗巖[32]平均孔隙度為11%，滲透率多在（700～800）×10-3 μm2范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)東坪地區(qū)298個(gè)基巖進(jìn)行物性分析，結(jié)果表明其平均孔隙度為4.72%，多分布在2%～8%范圍內(nèi)，平均滲透率為1.71×10-3 μm2，多分布在（0.05～5）×10-3 μm2范圍內(nèi)（圖2）。采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6285—2011《油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法》中火成巖和變質(zhì)巖的儲(chǔ)層孔隙度、滲透率類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)[33]（表1）對(duì)研究區(qū)基巖進(jìn)行物性分級(jí)，可將其劃歸為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)基巖儲(chǔ)層。

圖2東坪地區(qū)基巖孔滲關(guān)系

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

2.3孔隙結(jié)構(gòu)特征

相同條件下天然氣的流動(dòng)阻力遠(yuǎn)小于液態(tài)石油，且具有可壓縮性，能儲(chǔ)集在更小的孔喉空間之中。據(jù)羅蟄潭等研究成果[34]，把非潤(rùn)濕相液體（汞）注入于多孔介質(zhì)的孔隙中，液體汞會(huì)被表面張力作用阻止進(jìn)入，因此，必須在外部對(duì)非潤(rùn)濕相液體施加壓力。注入汞的每一個(gè)壓力值就代表一個(gè)相應(yīng)孔隙

表1火山巖和變質(zhì)巖儲(chǔ)層類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)

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

儲(chǔ)層分類(lèi)孔隙度φ滲透率k

火成巖儲(chǔ)層Ⅰφ≥15%k≥10×10-3 μm2

火成巖儲(chǔ)層Ⅱ10%≤φ<15%5×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

火成巖儲(chǔ)層Ⅲ5%≤φ<10%1×10-3 μm2≤k<5×10-3 μm2

火成巖儲(chǔ)層Ⅳ3%≤φ<5%0.1×10-3 μm2≤k<1×10-3 μm2

火成巖儲(chǔ)層Ⅴφ<3%k<0.1×10-3 μm2

變質(zhì)巖儲(chǔ)層Ⅰφ≥10%k≥50×10-3 μm2

變質(zhì)巖儲(chǔ)層Ⅱ5%≤φ<10%10×10-3 μm2≤k<50×10-3 μm2

變質(zhì)巖儲(chǔ)層Ⅲ1%≤φ<5%1×10-3 μm2≤k<10×10-3 μm2

變質(zhì)巖儲(chǔ)層Ⅳφ<1%k<1×10-3 μm2

大小下的毛細(xì)管壓力值，在該壓力下進(jìn)入孔隙系統(tǒng)的汞量代表了相應(yīng)的孔喉體積。隨著注入壓力不斷增加，汞不斷進(jìn)入較小的孔隙中，直至進(jìn)汞飽和度不隨壓力增加而變大，表明基質(zhì)微孔的孔徑小到已經(jīng)無(wú)法讓液體汞通過(guò)。由此根據(jù)最大進(jìn)汞飽和度計(jì)算出來(lái)的孔隙體積僅為巖石氦氣法測(cè)試出來(lái)的總孔隙體積的一部分，筆者將這部分液態(tài)汞無(wú)法進(jìn)入而氦氣能進(jìn)入的孔隙空間視為基質(zhì)微孔的總孔隙體積。

東坪地區(qū)基巖毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)分析結(jié)果顯示，巖石孔隙結(jié)構(gòu)普遍較差（表2），毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)幾乎均不具有在一定壓力下持續(xù)進(jìn)汞的“平臺(tái)結(jié)構(gòu)”（圖3），且最大進(jìn)汞飽和度多分布在50%～60%之間，飽和度中值半徑僅為數(shù)十納米，最大連通喉道半徑均小于15 μm，退汞效率也普遍較低。這一現(xiàn)象主要受控于基巖的儲(chǔ)集空間類(lèi)型：相對(duì)較大的儲(chǔ)集空間主要為裂縫，相對(duì)較小的儲(chǔ)集空間主要為基質(zhì)微孔。裂縫的發(fā)育使得進(jìn)汞飽和度隨壓力增大而增加，因而不具有常規(guī)碎屑巖儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)上常見(jiàn)的“平臺(tái)結(jié)構(gòu)”，基巖中廣泛發(fā)育的基質(zhì)微孔因孔喉極細(xì)造成其表面張力的阻力極大，對(duì)液態(tài)汞來(lái)說(shuō)均為“死孔隙”，即使壓力超過(guò)100 MPa，液態(tài)汞依然難以進(jìn)入這些約占巖石總孔隙體積383%～766%的基質(zhì)微孔空間，但這些孔徑極小的微孔隙（數(shù)十到數(shù)百納米）可以作為天然氣的良好儲(chǔ)層。

表2東坪地區(qū)基巖孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

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

東坪105井樣品編號(hào)深度/m孔隙度/%滲透率/10-3 μm2排驅(qū)壓力/MPa最大連通孔喉半徑/μm最大進(jìn)汞飽和度/%飽和度中值壓力/MPa飽和度中值半徑/μm退汞效率/%

1號(hào)3 451.982.70.0910.513.14154.136.20.02026.0

49號(hào)3 463.384.30.2200.492.16261.714.70.05027.1

58號(hào)3 466.762.00.5500.491.28959.315.20.0488.9

66號(hào)3 468.304.81.7000.1114.41250.773.20.01025.1

79號(hào)3 477.965.60.4300.227.35023.426.8

圖3東坪地區(qū)基巖毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)

Fig.3Capillary Pressure Curves of Bedrock in Dongping Area

2.4孔隙類(lèi)型

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（FEI Quanta 450 FEG，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）研究發(fā)現(xiàn)，東坪地區(qū)油氣能夠持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)主要是因?yàn)閹r石中含有豐富的基質(zhì)微孔，主要包括花崗巖中發(fā)育于鐵鎂質(zhì)礦物中的微孔[圖4（e）、（f）]以及片麻巖中的云母片晶間孔[圖4（g）、（h）]。

這類(lèi)儲(chǔ)集空間孔徑極小且連通性差，多為納米級(jí)微孔（部分可達(dá)微米級(jí)），但數(shù)量極多，為研究區(qū)重要的天然氣儲(chǔ)集空間類(lèi)型。多數(shù)樣品的毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)研究結(jié)果顯示，基質(zhì)微孔對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)作用占巖石總孔隙體積的383%～493%，當(dāng)巖石中裂縫和溶蝕孔不太發(fā)育時(shí)，基質(zhì)孔隙對(duì)巖石總孔隙體積的貢獻(xiàn)率可能高達(dá)76.6%。掃描電鏡分析時(shí)的工作電壓為20 kV，電子束入射束流大小為3×10-10 A。

圖4東坪地區(qū)基巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型

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

除此之外，無(wú)論是在花崗巖中，還是在變質(zhì)巖中，均發(fā)育裂縫[圖4（a）、（b）]和溶蝕孔[圖4（c）、（d）]。裂縫為基巖中最為常見(jiàn)的儲(chǔ)集空間類(lèi)型，常常與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)[69]；溶蝕孔主要發(fā)育于長(zhǎng)石等易溶礦物之中，其孔徑大小從數(shù)微米到幾十微米不等，與成巖過(guò)程中酸性流體的溶蝕強(qiáng)度有關(guān)。

圖5東坪地區(qū)基巖中裂縫的充填狀態(tài)

Fig.5Crack Filling States of Bedrock in Dongping Area

通過(guò)對(duì)巖芯手標(biāo)本觀(guān)察、偏光顯微鏡下鑄體薄片研究以及場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡能譜面掃描分析可以得出：上部基巖中的裂縫多被石膏等鹽類(lèi)礦物充填[圖5（a）]，研究區(qū)自古新世以來(lái)為咸化湖沉積[2729，3538]，基巖上覆地層路樂(lè)河組和干柴溝組沉積時(shí)期的盆地處于干旱、氧化的咸化沉積環(huán)境[19，39]，沉積物中見(jiàn)到大量石膏發(fā)育，沉積時(shí)咸水流體下滲進(jìn)入頂部基巖裂縫中，沉淀膠結(jié)形成的鹽類(lèi)礦物可對(duì)裂縫進(jìn)行有效封堵，這對(duì)下部基巖儲(chǔ)集體中的天然氣來(lái)說(shuō)是良好的蓋層。掃描電鏡下硫元素面分布特征與鈣元素面分布特征高度吻合，充分顯示了石膏對(duì)裂縫等儲(chǔ)集空間的有效充填作用[圖5（b）、（c）]。相對(duì)下部的基巖中裂縫多呈半充填狀態(tài)，具有一定的連通性[圖5（d）～（f）]；成像測(cè)井資料顯示裂縫以密集的高角度縫為主，另發(fā)育低角度水平裂縫，兩者呈網(wǎng)狀交錯(cuò)，共同構(gòu)成了良好的儲(chǔ)集空間。據(jù)現(xiàn)有資料的不完全統(tǒng)計(jì)，東坪地區(qū)基巖中發(fā)育的裂縫和少量溶蝕孔對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)作用占巖石總孔隙體積的234%～617%。

3高效基巖氣藏形成條件

趙文智等將規(guī)模大、氣藏儲(chǔ)量豐度高、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好的氣藏稱(chēng)為高效氣藏[4042]，如四川盆地東北部飛仙關(guān)組高效氣藏[4344]。部分氣田盡管儲(chǔ)量規(guī)模大，但儲(chǔ)量豐度低、產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益差，這類(lèi)氣藏被稱(chēng)為低效氣藏，如鄂爾多斯盆地蘇里格氣田。東坪基巖氣藏儲(chǔ)層高效含氣的主要原因包括：①氣源條件較好，具有“三源”供烴的特征，曹正林等研究認(rèn)為東坪地區(qū)油氣源主要來(lái)自于周緣的坪東凹陷、昆特依凹陷和伊北凹陷的侏羅系煤型氣[4547]，且具有大斷裂溝通的特點(diǎn)（圖6）；②儲(chǔ)層物性較好且儲(chǔ)集空間類(lèi)型多樣，不僅發(fā)育裂縫和溶蝕孔，而且基質(zhì)微孔廣泛發(fā)育；③基巖頂部因鹽類(lèi)礦物充填膠結(jié)形成有效封堵，具有良好的蓋層條件；④阿爾金山前東坪地區(qū)具有持續(xù)發(fā)育的古隆起背景，為油氣運(yùn)移的長(zhǎng)期指向區(qū)[48]。

圖6東坪地區(qū)基巖氣藏成藏模式

Fig.6Accumulation Model of Bedrock Gas

Reservoirs in Dongping Area

4結(jié)語(yǔ)

（1）柴達(dá)木盆地阿爾金山前東坪地區(qū)高效基巖氣藏中，天然氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要原因是基巖中發(fā)育裂縫和少量溶蝕孔，以及廣泛發(fā)育花崗巖鐵鎂質(zhì)礦物微孔和片麻巖云母片晶間孔等兩類(lèi)基質(zhì)孔隙?；|(zhì)微孔對(duì)巖石總儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)率為38.3%～493%。這一重要發(fā)現(xiàn)在中國(guó)尚屬首次，對(duì)鮮有報(bào)道的基巖微觀(guān)孔隙研究提供了直觀(guān)證據(jù)，并開(kāi)拓了該領(lǐng)域的研究思路。

（2）上部基巖因被石膏等鹽類(lèi)礦物充填變得極其致密，對(duì)下部?jī)?chǔ)層具有良好的油氣封堵作用；下部基巖發(fā)育半充填裂縫和豐富的基質(zhì)微孔。這種特殊咸化環(huán)境下獨(dú)有的縱向儲(chǔ)蓋組合“二元結(jié)構(gòu)”對(duì)高效大氣田的形成具有重要意義。

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張小軍、李智勇、李志明、茍迎春、王樸、潘星、張世銘、吳梁宇、鄧江林等參與了部分工作，在此一并表示感謝。

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