構造擠壓背景下深層砂巖壓實分異特征
——以塔里木盆地庫車前陸沖斷帶白堊系儲層為例

毛亞昆，鐘大康，李 勇，王騰宇，孫海濤，王 媛

[1.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 2.中國石油 塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000]

壓實作用與膠結作用對砂巖儲層孔隙體積損失的相對重要性研究表明許多含油氣盆地砂巖儲層孔隙體積變化主要由壓實作用造成的[1-4]。因此，研究壓實作用及其分異規(guī)律對儲層評價及預測具有重要意義。

壓實作用包括機械壓實和化學壓實。機械壓實表現(xiàn)為顆粒重排、塑形礦物變形及剛性顆粒破裂，化學壓實表現(xiàn)為壓溶及之后縫合線、硅質膠結物的發(fā)育[5]。壓實作用一般由上覆地層垂向負載引起，構造擠壓引起的構造壓實作用也有少量報道[6-8]。早期研究表明機械壓實主要發(fā)生于淺層(<2.5 km)，深層主要以化學壓實的方式進行[9]。隨著研究的深入，出現(xiàn)兩種不同的觀點，一種觀點認為深層沒有發(fā)生明顯的壓實作用，砂巖體積損失在淺層(<2.5 km)已經基本完成，深層的孔隙損失主要是膠結作用而非機械壓實或化學壓實造成的[10-14]；另一種觀點則認為深層壓實作用同樣是造成砂巖儲層孔隙損失的一種重要過程[4,15-18]。除化學壓實外，實際觀察、物理和數(shù)值模擬均表明在深埋或高應力環(huán)境下砂巖可通過顆粒重排、破裂和孔隙坍塌的變形方式調整巖石的壓縮應變過程[7,17-18]。粗粒徑、弱膠結、快速埋藏、低地溫梯度、高應力環(huán)境均有利于砂巖深層壓實發(fā)生[17-18]，因此，深層仍可能存在顯著的機械壓實作用，機械壓實作用與否與沉積巖性、成巖、盆地動力學環(huán)境有關?；诔练e巖性、成巖、盆地動力環(huán)境與深層碎屑巖壓實作用的研究，已進行了一些有益的探索[6,18-20]，但許多方面都有待深入提高，這些方面可能包括深層壓實變形方式、沉積與成巖對壓實演化分異的影響、盆地動力學與壓實應變之間的關系、以及深層壓實變形對孔隙發(fā)育的影響等。

本文利用薄片、陰極發(fā)光、全巖X-衍射、粒度分析等資料，在巖石學特征分析基礎上，對庫車前陸沖斷帶白堊系砂巖儲層壓實作用展開研究。通過壓實變形方式、壓實程度和壓實縱橫向分布特征、以及巖性、盆地動力學參數(shù)與機械壓實分異關系的研究，確定深層砂巖壓實演化路徑和壓實控制因素，為儲集層質量預測奠定基礎，并可對應力場及構造變形分析提供有益的支持。

1 地質背景

1.1 構造特征

庫車坳陷在塔里木盆地北部，以中、新生代沉積為主，整體呈NEE向展布，進一步劃分為克拉蘇構造帶、依奇克里克構造帶和秋里塔格構造帶、烏什凹陷、拜城凹陷和陽霞凹陷、以及北部單斜帶和南部斜坡帶7個二級構造單元[21]。庫車坳陷在晚二疊世—三疊紀為前陸盆地，侏羅紀—古近紀發(fā)展成陸內坳陷，新近紀之后為再生前陸盆地[22]?？死K構造帶是靠近山前的第二排構造帶，受喜馬拉雅期構造運動控制，發(fā)育一系列大致平行的、分段生長的東西向逆沖斷層和斷層相關褶皺構成的成排成帶的背斜構造圈閉[23](圖1)。

1.2 地層發(fā)育特征

庫車前陸沖斷帶白堊系巴什基奇克組為干旱氣候背景下的陸源碎屑沉積[24-25]，厚度約在200～300 m，自下而上劃分為巴三段、巴二段及巴一段，其中巴二段和巴一段為主要的含氣儲層發(fā)育段[3,26]。儲層現(xiàn)今埋深約3 000～8 000 m。自早白堊世中期(127 Ma)，白堊系儲層緩慢沉降，沉降速率約為50～60 m/Ma，至晚白堊世早中期(97 Ma)儲層埋至1 500 m～1 800 m，而后逐漸抬升遭受剝蝕，古新世早期(65 Ma)至古近紀末期(23 Ma)，又繼續(xù)緩慢沉降，埋深到2 000 m左右，到新近紀，進入到短時間快速埋藏階段，埋藏速率可以達到230～250 m/Ma，中新世末(5.3 Ma)地層埋深超過5 500 m，之后克拉蘇斷裂上盤儲層抬升到現(xiàn)今約3 200～4 500 m，下盤儲層繼續(xù)深埋至現(xiàn)今約5 500～8 500 m[26-27]。白堊系沉積時古地溫梯度約為25 ℃/km，新生代地溫梯度整體持續(xù)降低至21 ℃/km[28]。

圖1 庫車坳陷克拉蘇構造帶及其典型構造圈閉[26]Fig.1 Typical structural trap in Kelasu tectonic zone,Kuqa Depression[26]

1.3 沉積特征

前人對研究區(qū)巴什基奇克組沉積環(huán)境作過較詳細的研究，認為巴一段與巴二段為辮狀河三角洲前緣沉積，巴三段為扇三角洲前緣沉積[3,26,29]。巴什基奇克組沉積砂體厚度大，延伸遠，大范圍穩(wěn)定展布，砂地比值高，這可能與沉積時南天山物源供應充足、沉積地形比較平坦有關。沉積砂體以水下分流河道為主體，少量為河口壩沉積，砂體主要由分選中等-好的中、細粒砂巖組成，含少量的含礫砂巖、泥質砂巖、粉砂巖等[3]。

2 樣品及方法

本次樣品來自研究區(qū)8個背斜構造(圖1)，除大北1構造砂巖樣品為巴三段外(大北1地區(qū)僅保留有巴三段)，其余構造砂巖樣品均為巴一段和巴二段。砂巖樣品在不同構造的深度由北向南整體逐漸增加。

壓實作用研究的難點之一是沒有直接參數(shù)表征壓實程度。評價壓實程度常需要依據(jù)間接參數(shù)(緊密堆積指數(shù)、顆粒接觸指數(shù)、顆粒接觸類型比例[30]及粒間體積[10,12]等)和假定初始孔隙度[11]。本文利用大量薄片、陰極發(fā)光和粒度分析資料，使用定性及定量結合的方法，依據(jù)顆粒接觸類型比例、塑形顆粒變形情況、剛性顆粒破裂程度及粒間體積(%)綜合分析壓實程度及其變化規(guī)律，并進一步利用薄片及對應的粒度分析資料(篩析法)對礦物結構、雜基、膠結物含量與粒間體積的關系作對比分析。其中，粒間體積(%)為薄片下雜基含量(%)、粒間膠結物含量(%)與粒間孔隙含量(%)之和，不包括粒內溶孔量[12]。與膠結物含量不同，粒間體積是不可逆的下降變化過程。砂巖分選一致的情況下，粒間體積越小，壓實作用越強[12]。

3 巖石學特征

3.1 薄片分析結果

根據(jù)樣品薄片鑒定結果，巖石類型以巖屑長石砂巖與長石巖屑砂巖為主，成分成熟度及結構成熟度中等-好。石英含量為33%～65%，平均46%，長石含量為8%～45%，平均31%，巖屑含量為10%～51%，平均23%。巖屑以變質巖巖屑和巖漿巖巖屑為主，含部分沉積巖巖屑。剛性巖屑所占比例較多，塑性巖屑較少。雜基含量整體較低，基本在8%以下，平均2%～4%，主要包括泥質和泥鐵質，泥質成分主要為伊利石、伊蒙混層礦物，鐵質成分為赤鐵礦。膠結程度中等，膠結物含量1%～27%不等，其中，膠結類型以方解石和白云石膠結為主，此外有少量的硅質、鈉長石、硬石膏、粘土礦物等；巖石粒度以中、細粒為主，分選中等-好，次棱角-次圓狀。

3.2 全巖礦物分析結果

全巖X-衍射礦物分析表明(圖2)，礦物組分主要包括石英、長石、方解石、白云石、粘土以及少量的硬石膏等。

石英及長石礦物含量整體變化不大，石英礦物含量主要分布在50%～70%，平均62%；長石礦物含量主要分布在15%～35%，平均29%；大北地區(qū)比克深地區(qū)石英及長石礦物含量略高；而由北向南，由淺入深，石英礦物含量在不同構造略有降低，長石礦物含量略有升高。

碳酸鹽礦物含量為1%～30%，分布有所不均。大北地區(qū)碳酸鹽礦物含量整體較高，平均值10%，以方解石為主，白云石較少，克深地區(qū)碳酸鹽礦物含量平均值為8%，以白云石為主，方解石較少；南北向上，南部的碳酸鹽含量有所降低。

粘土礦物含量為1%～17%，平均值5.4%，分布較為均勻，個別地區(qū)含量較低。

4 壓實作用特征

4.1 壓實類型

鏡下觀察表明，研究區(qū)儲集砂巖主要呈線接觸，部分點接觸，少數(shù)凹凸接觸，縫合線未見發(fā)育，硅質膠結程度低 (圖3)；砂巖中云母礦物普遍強變形，泥巖屑、低級變質巖屑在不同構造發(fā)生不同程度的彎曲變形(圖3a，b，d，g)；同時，剛性顆粒(石英、長石)具破裂現(xiàn)象，大北1、大北2構造膠結程度較高，網(wǎng)狀破裂比較發(fā)育，但顆粒結構仍較完整(圖3c，e)，其它構造儲層砂巖中長石及較粗石英顆粒有一定程度破裂(圖3d)，破裂顆粒的數(shù)量比例有限，單個顆粒發(fā)育1～3條破裂縫，破裂程度較低。破裂縫有的彎曲，有的呈楔形，有的呈放射狀與其他破裂縫匯于一點，指示擠壓破裂的特點。

圖2 庫車前陸沖斷帶白堊系儲集砂巖全巖X-衍射分析礦物組分與深度的變化Fig.2 Composition from whole rock X-ray diffraction analysis vs. depth of the Cretaceous sandstone samples from Kuqa foreland thrust belta.吐北-大北地區(qū)；b.克拉-克深地區(qū)

圖3 庫車前陸沖斷帶巴什基奇克組砂巖壓實作用鏡下特征Fig.3 Microscopic compaction characteristics of samples from the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa foreland thrust belta.吐北1井，埋深4 503.7 m，鑄體薄片(-)，點-線接觸，泥巖巖屑微弱變形，中等壓實帶；b.克拉2井，埋深3 744.8 m，鑄體薄片(-)，點接觸，泥巖屑微弱變形，中等壓實帶；c.大北1井，埋深5 561.1 m，鑄體薄片(-)，線接觸，顆粒壓碎破裂較發(fā)育，但顆粒仍較完整，強壓實； d.克深202井，埋深6 797.3 m，鑄體薄片(+)，線接觸，云母強烈彎曲變形，強壓實帶；e.大北203井，埋深6 350.9 m，陰極發(fā)光，石英、長石破裂程度高、破裂縫多，強壓實； f.克深201井，埋深6 511.2 m，陰極發(fā)光，可見長石、石英顆粒破裂，強壓實帶；g.大北307井，埋深7 215.9 m，鑄體薄片(-)， 點、線接觸，巖屑微弱變形，中強壓實帶；h.克深13井，埋深7 355.1 m，陰極發(fā)光，線接觸，見顆粒破裂，中強壓實帶

因此，研究區(qū)深埋砂巖以較強的機械壓實為主，化學壓實有一定程度的發(fā)展，但是，顆粒重排、塑性變形的方式仍是晚期壓實變形的主要方式，晚期壓實也未演變?yōu)閼兯榱岩?guī)模發(fā)育破壞巖石結構的方式進行。

4.2 壓實作用空間分異特征

4.2.1 南北向壓實分異顯著

壓實作用沿南北方向規(guī)律性變化，不同構造部位具有強烈的壓實非均質性。依據(jù)砂巖壓實特征及壓實強度，南北向上可劃分出中等壓實(Ⅰ級)帶、中強壓實(Ⅱ級)帶、強壓實帶3個等級。中等壓實(Ⅰ級)帶主要位于北部克拉蘇斷裂上盤，構造上屬于逆沖抬升帶，這個帶砂巖顆粒線接觸比例大于30%，點接觸比例大于50%，云母強彎曲變形，泥巖屑基本無變形，未見-少見顆粒壓碎破裂(圖3a，b)，粒間體積為16%～34%，峰值22%～24%(表1；圖4)。強壓實帶分布在克拉蘇斷裂下盤北部，構造上屬于逆沖擴展中部，這些地方顆粒線接觸比例大于70%，少量具凹凸接觸，云母及低級變質巖屑有較強彎曲變形，剛性顆粒破裂常見(圖3c—f)，粒間體積為6%～34%，峰值10%～12%(表1；圖4)。中強壓實帶分布在中等壓實帶與強壓實帶之間的地區(qū)和強壓實帶以南地區(qū)，構造上位于逆沖擴展前鋒部位，在逆沖抬升帶和逆沖擴展中帶的過渡地區(qū)也可能發(fā)育，這些地方線接觸比例大于50%，點接觸比例超過20%～30%(圖3g，h)，顆粒破裂較常見，粒間體積為10%～30%，峰值16%～18%(表1；圖4)。可見，由北向南儲層砂巖顆粒線接觸、凹凸接觸比例先增多又減少，顆粒變形及破裂的程度同樣先增強后又變弱，粒間體積則具有相反的變化趨勢，反映南北向上弱-強-弱的壓實分帶特征。

4.2.2 東西向壓實分異較低

東西向上，砂巖壓實分異不如南北向明顯?？松疃蔚纳皫r粒間體積最小值要低于大北段(圖4)，顆粒破裂程度也弱。這可能與東西向上碳酸鹽膠結強度不同有關。薄片及X-衍射分析結果表明，大北段以方解石膠結為主，膠結相對較強，克深段以白云石膠結為主，膠結相對較弱(圖2)。碳酸鹽強膠結有利于保護巖石體積，但易導致巖石破裂。

4.2.3 縱向上有反深度壓實效應

縱向上，針對巖性相似、弱膠結中-細砂巖(雜基≤5%，膠結物≤5%)，埋深5 500 m以上的砂巖粒間體積保持在20%～21%，埋深為6 000～6 500 m(西段)與6 500～7 000 m(東段)的砂巖粒間體積為10%，埋深為7 200～7 500 m的砂巖粒間體積為16%～17%，粒間體積不僅有隨深度增加而減小的變化，也具有反深度的變化，反映壓實效應不完全受深度控制(圖5)。研究區(qū)普遍發(fā)育超壓，但過剩壓力的變化并不能抵消垂向有效應力的增加趨勢(圖6)，因此，僅依據(jù)上覆地層垂向負載及超壓發(fā)育難以對壓實效應分布做出合理的解釋，壓實分布可能受橫向構造因素控制。而且，克拉蘇大斷裂下盤深層儲層砂巖粒間體積的差值可達7%～8%，說明砂巖體積損失并非在淺層就已經完成。

表1 庫車前陸沖斷帶砂巖儲層機械壓實作用強度分類Table1 Mechanical compaction grading of the sandstone reservoir in Kuqa foreland thrust belt

圖4 庫車前陸沖斷帶白堊系儲層砂巖粒間體積頻率分布Fig.4 Frequency distribution of intergranular volumes of the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa foreland thrust belta.吐北-大北地區(qū)；b.克拉-克深地區(qū)

圖5 庫車前陸沖斷帶白堊系巴什基奇克組砂巖粒間體積與深度關系Fig.5 Relationship between intergranular volumes and depth of the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa foreland thrust belta.吐北-大北地區(qū)；b.克拉-克深地區(qū)

圖6 庫車前陸沖斷帶白堊系儲層地層壓力Fig.6 Pore-fluid pressure of the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa foreland thrust belt

5 壓實分異機制

砂巖的機械壓實實際是在一定應力作用下巖石體積的收縮過程，其主要表現(xiàn)為巖石孔隙空間的縮小。因而，壓實程度取決于巖石本身的可壓縮性與作用于巖石骨架的有效應力[11,16,31]。在沉積盆地中，砂巖巖石學特征、成巖作用及其所處的盆地動力環(huán)境制約著巖石可壓縮性及有效應力的發(fā)育，進而控制著壓實過程及相應砂巖粒間體積的變化。

5.1 巖石壓縮性相關參數(shù)與壓實分異的關系

一般來說，壓縮性弱的砂巖壓實程度高，砂巖的壓縮性與砂巖成分、粒度、分選、膠結過程有關[5,31-32]。

研究區(qū)砂巖成分成熟度與粒間體積的關系顯示(圖7a，b)，粒間體積與砂巖成分成熟度不具正相關性。成分成熟度一致的砂巖粒間體積差異較大，甚至有的隨成分成熟度增高反而變小。以上表明，成分成熟度的變化對研究區(qū)砂巖壓實分異無可識別的影響。

圖7 庫車前陸沖斷帶白堊系儲層砂巖成分成熟度(a,b)、粒徑(c,d)、分選系數(shù)(e,f)及膠結物含量(g,h)與砂巖粒間體積關系Fig.7 Relationship between compositional maturity(a,b),grain size(c,d),sorting(e,f),cements and intergranular volumes(g,h) of the Cretaceous sandstone reservoirs in Kuqa foreland thrust belt

研究區(qū)壓實作用與粒徑和巖石分選的關系相對密切?？傮w而言，粒徑越粗，粒間體積越大，壓實越弱。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，不同構造的砂巖粒徑所造成的壓實差異變化有一定的不同。對于中、細砂巖來說，壓實越強的構造，粒間體積隨粒徑變化的幅度越弱(圖7c，d)。這表明，隨壓實作用增強，中砂巖與細砂巖壓實減孔量差值減小。由圖7e、f可知，雜基少、弱膠結的情況下，同一構造砂巖粒間體積隨砂巖分選系數(shù)的變化表現(xiàn)出“兩頭小，中間略大”的現(xiàn)象。當砂巖分選系數(shù)處于1.8～2.0時，砂巖粒間體積最大，當分選變好或變差，砂巖粒間體積均可能略有降低。這種現(xiàn)象是因為分選好的砂巖，初始粒間空間大，壓實過程中損失了更多的孔隙空間，分選較差的砂巖初始空間小，可壓縮空間小，壓實減孔少。因而分選兩端的砂巖粒間體積均較小。

膠結作用有助于提高巖石抗壓能力，抑制壓實，膠結程度與膠結時間均可能對砂巖壓實過程產生重要影響[2,31]。研究區(qū)砂巖樣品的膠結物主要為碳酸鹽(包括方解石、白云石)，及少量的粘土、鈉長石、硅質、硬石膏。統(tǒng)計顯示，膠結程度與砂巖粒間體積關系呈較好的正相關性(圖7g，h)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當膠結物含量大于15%～20%，不同構造砂巖粒間體積漸趨于一致，說明在這些膠結物形成以前，不同構造砂巖粒間體積損失相當，暗示不同構造砂巖的早期壓實演化接近一致。當膠結物含量降低時，隨膠結物含量降低，不同構造砂巖粒間體積逐漸分開，壓實分異幅度逐漸增強，換言之，膠結程度越低，壓實差異越大，表明膠結作用對砂巖壓實過程具有明顯抑制作用，也說明壓實分異不完全受控于成巖膠結。比較東西向不同構造儲層壓實差異，大北1、大北2地區(qū)膠結程度較強(圖2)，這可能會降低這些地區(qū)整體壓實效應，這可能也是西段壓實分異幅度低于東段的原因(圖7g，h)。

5.2 有效應力演化與壓實分異的關系

除與巖石壓縮性相關外，壓實程度還受有效應力演化控制，隨有效應力增加，壓實作用增強[5,11]。研究區(qū)白堊系儲層有效應力演化大體分為兩個階段：新近紀之前，盆地處于陸內坳陷階段，有效應力由上覆地層垂向負載提供；新近紀以來(23.3～0 Ma)，盆地處于再生前陸盆地發(fā)展階段，巖石骨架承擔的有效應力由上覆地層垂向負載及水平構造應力共同給予。研究區(qū)儲層壓實作用在南北向和深度上的變化規(guī)律主要與晚期構造擠壓應力有關。

新近紀以前(23.3 Ma)，研究區(qū)發(fā)生整體沉降，研究區(qū)南部埋藏速率略低于北部，東部埋藏速率略高于西部，最大埋深處于2 000～2 300 m(圖8)，一直未出現(xiàn)超壓[33]，推測當時北部與東部儲層壓實程度略強，這與現(xiàn)今北部克拉地區(qū)壓實弱的現(xiàn)象不符，說明該階段之后可能才是研究區(qū)不同構造壓實分異的關鍵時期。結合現(xiàn)今砂巖粒間體積大小(圖5)，該階段結束時砂巖粒間體積還可達到20%以上，這為深埋階段發(fā)生壓實作用極為有利[15-16]。

新近紀之后，研究區(qū)進入短時間快速埋藏階段，水平構造應力增強，最大主應力逐漸轉化為水平方向[34-35]。利用離散元數(shù)值模擬*尹宏偉.基于構造模擬實驗的大北-克深三維區(qū)構造應力場及應變研究[R].塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，2014.的方法，分別模擬出了垂直有效應力及水平構造應力的變化情況。結果顯示，庫車沉積初期(5.3MPa)，研究區(qū)儲層已達到深埋狀態(tài)(圖8)，垂直應力在平面上未有可識別的差異，而水平應力沿南北方向開始顯示較明顯的分異，離構造應力源較近的儲層，應力值偏高。庫車沉積期以后，克拉蘇斷裂上盤儲層發(fā)生抬升(圖8)，儲層構造應力降低，降低的原因可能與抬升變形過程中水平構造應力發(fā)生釋放以及垂向應力降低等因素有關，而斷裂下盤儲層水平應力繼續(xù)差異演化，結果是水平應力在南北方向上具有中-高-較高的變化特征，壓實程度沿南北向中-強-較強的變化正是對此的響應。因此，構造擠壓作用是控制儲層南北向壓實分異的主要原因。在構造擠壓作用下，不同構造部位產生強烈的壓實非均質性，逆沖抬升部位和逆沖前鋒端壓實強度相對較弱，可能發(fā)育較好的儲層。

圖8 庫車前陸沖斷帶白堊系砂巖儲層典型井埋藏史Fig.8 Burial history of the Cretaceous sandstone reservoirs in a typical well in Kuqa foreland thrust belta.克拉2井埋藏史-熱史；b.克深2井埋藏史-熱史

6 結論

1) 分選好、粒徑較細的砂巖壓實效應相對較強，但隨壓實作用增強，中砂巖與細砂巖壓實減孔量差值減小。

2) 膠結作用抑制壓實，保護儲層。強膠結(膠結物含量>15%)砂巖壓實分異較低，膠結程度較弱的(膠結物含量<15%)砂巖壓實分異較強，隨膠結程度降低，壓實分異幅度增大。

3) 構造擠壓作用對深層壓實的影響很大，導致不同構造部位儲層強烈的壓實非均質性。逆沖抬升帶和沖斷帶前鋒壓實相對較弱，發(fā)育較好的儲層。

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