埋藏(機(jī)械)壓實(shí)—側(cè)向擠壓地質(zhì)過(guò)程下深層儲(chǔ)層孔隙演化與預(yù)測(cè)模型

高志勇，馬建英，崔京鋼，馮佳睿，周川閩，吳昊

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)研究中心，北京 100083 2.提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院)，北京 100083 3.中國(guó)石油大港油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，天津 300280 4.中國(guó)地震局，北京 100036

深層儲(chǔ)層是現(xiàn)今油氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，其在成巖過(guò)程中經(jīng)歷了靜巖壓實(shí)效應(yīng)、流體壓實(shí)效應(yīng)和熱壓實(shí)效應(yīng)等多種壓實(shí)作用[1]。以庫(kù)車(chē)坳陷為代表的西部盆地中生界深層儲(chǔ)層具有早期長(zhǎng)期淺埋、后期快速深埋以及晚期強(qiáng)烈側(cè)向擠壓的共性地質(zhì)演化過(guò)程[2- 4]，即垂向機(jī)械壓實(shí)作用、側(cè)向擠壓作用均對(duì)深層儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性有重要影響。前人認(rèn)為庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶白堊系發(fā)育有效儲(chǔ)層，主要成因如下：受長(zhǎng)期淺埋和快速深埋藏、鹽下超壓作用、頂蓬構(gòu)造作用等可使原生孔保持，構(gòu)造擠壓破裂造縫、酸性流體溶蝕等形成次生孔隙[4- 10]。在垂向埋藏壓實(shí)、側(cè)向擠壓作用下，韓登林等[11]認(rèn)為白堊系儲(chǔ)層60%以上的壓實(shí)減孔量是由垂向壓實(shí)造成的，由構(gòu)造應(yīng)力引發(fā)的側(cè)向壓實(shí)占?jí)簩?shí)減孔量的比例在40%以下。由于西部盆地深層儲(chǔ)層受到低地溫梯度、喜山運(yùn)動(dòng)造成的側(cè)向擠壓和山前帶地層的重復(fù)疊置影響，其孔隙演化的定量評(píng)價(jià)與有利儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)變得十分困難。為了能夠較準(zhǔn)確的定量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)西部盆地深層儲(chǔ)層早期長(zhǎng)期淺埋—后期快速深埋—晚期側(cè)向擠壓地質(zhì)過(guò)程下的孔隙類(lèi)型與演化特征，筆者在先期針對(duì)白堊系深層儲(chǔ)層的巖石物理性質(zhì)變化、長(zhǎng)石溶蝕增孔量等方面開(kāi)展成巖物理模擬實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上[12- 14]，通過(guò)模擬白堊系儲(chǔ)層在經(jīng)歷此地質(zhì)過(guò)程下的成巖演化過(guò)程，再現(xiàn)不同埋藏壓實(shí)階段儲(chǔ)層孔隙演化規(guī)律，建立了定量評(píng)價(jià)深層儲(chǔ)層孔隙演化過(guò)程的技術(shù)方法，為深層有利儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

庫(kù)車(chē)坳陷侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)屬伸展盆地演化階段，盆地沉降幅度小、速率低，平均僅25～30 m/Ma[2]。距今65 Ma的古近紀(jì)初期，沉降幅度大、速率高，平均達(dá)133.3～200 m/Ma。至上新世庫(kù)車(chē)組沉積時(shí)期，構(gòu)造沉降幅度更大，沉降速率達(dá)到1 428 m/Ma，巨厚礫巖出現(xiàn)廣泛沉積。庫(kù)車(chē)坳陷平均地溫梯度值在18～28 ℃/km，屬于低溫冷盆[15]。研究區(qū)克深—大北地區(qū)鹽下深層構(gòu)造的形成與晚喜馬拉雅期強(qiáng)烈沖斷擠壓密切相關(guān)，上新世—第四紀(jì)是克拉蘇構(gòu)造帶形成的主要時(shí)期，主體構(gòu)造基本都是在庫(kù)車(chē)組中晚期定型[4]?？死K構(gòu)造帶白堊系儲(chǔ)層經(jīng)歷了早期長(zhǎng)期淺埋、后期快速深埋的特有埋藏方式，特別是上新世5 Ma以來(lái)，強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓作用對(duì)深層儲(chǔ)層產(chǎn)生了重要影響[1,4]。

2 模擬實(shí)驗(yàn)、參數(shù)確定與相似性分析

2.1 碎屑組分、成巖流體的確定

克拉蘇構(gòu)造帶白堊系儲(chǔ)層砂巖碎屑組分以石英為主，其次為長(zhǎng)石和巖屑等，巖屑成分主要為安山巖、流紋巖、變質(zhì)石英巖和千枚巖等[5,7- 10]。顆粒間充填有泥質(zhì)，膠結(jié)物主要為方解石和石膏等，儲(chǔ)集層成巖流體以氯化鈣為主。表1統(tǒng)計(jì)了克拉蘇構(gòu)造帶克深地區(qū)多口鉆井巴什基奇克組砂巖儲(chǔ)層樣品中石英、長(zhǎng)石及巖屑的種類(lèi)與含量，模擬的砂質(zhì)樣品按照實(shí)際巖芯樣品統(tǒng)計(jì)的礦物種類(lèi)及含量來(lái)配比。實(shí)驗(yàn)流體為重量濃度2%的氯化鈣溶液，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程后期(快速深埋—側(cè)向擠壓過(guò)程)加入重量濃度為0.5%的醋酸溶液，來(lái)模擬地層快速深埋后酸性水溶蝕的地質(zhì)作用。

2.2 實(shí)驗(yàn)溫度、壓力及時(shí)間參數(shù)的確定

“地史”的時(shí)間尺度可達(dá)百萬(wàn)年，模擬實(shí)驗(yàn)鮮有能做到一年以上的，巨大的時(shí)間差異、地層溫度與機(jī)械壓力等對(duì)成巖的影響是較大的[16]。因此，成巖模擬的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、溫度與壓力等參數(shù)的確定需要科學(xué)的設(shè)定。

Sweeneyetal.[17]在開(kāi)展有機(jī)質(zhì)熱模擬實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算有機(jī)質(zhì)的EasyRo值并通過(guò)對(duì)有機(jī)質(zhì)的高溫加熱來(lái)迅速達(dá)到此EasyRo值，用此高溫的變化來(lái)代替百萬(wàn)年級(jí)的有機(jī)質(zhì)成熟時(shí)間，計(jì)算出泥頁(yè)巖熱模擬的實(shí)驗(yàn)溫度。依據(jù)EasyRo值、模擬目的層Ro值等與鉆井埋深的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可計(jì)算出成巖模擬實(shí)驗(yàn)的壓實(shí)時(shí)間與模擬的地層埋藏深度。表2所示，庫(kù)車(chē)坳陷隨著地層埋深的增加，鏡質(zhì)體反射率Ro值也具有明顯的增大趨勢(shì)。如地層埋深在1 261 m時(shí)，Ro值0.1%，實(shí)驗(yàn)溫度250 ℃，模擬地層Ro值為0.2%；埋深在2 440 m時(shí)，Ro值0.72%，實(shí)驗(yàn)溫度325 ℃，模擬地層Ro值為0.68%；埋深在2 940 m時(shí)，Ro值0.8%，實(shí)驗(yàn)溫度350 ℃，模擬地層Ro值為0.8%；當(dāng)埋深在4 534 m時(shí)，Ro值1.15%，實(shí)驗(yàn)溫度390 ℃，模擬地層Ro值為1.15%；當(dāng)埋深在5 310 m時(shí)，Ro值1.43%，實(shí)驗(yàn)溫度410 ℃～420 ℃，模擬地層Ro值為1.38%～1.52%?；诒?中有機(jī)質(zhì)熱模擬實(shí)驗(yàn)加熱溫度及有機(jī)質(zhì)地質(zhì)成熟時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中模擬不同埋藏深度所采用的實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)如下：模擬地層埋深1 000 m時(shí)溫度采用250 ℃、2 000 m對(duì)應(yīng)300 ℃、3 000 m對(duì)應(yīng)350 ℃、4 000 m對(duì)應(yīng)375 ℃、5 000 m對(duì)應(yīng)400 ℃、6 000 m對(duì)應(yīng)425 ℃、7 000 m對(duì)應(yīng)450 ℃、8 000 m對(duì)應(yīng)475 ℃。

另外，地殼的平均密度約為2.75 g/cm3，深度每增加1 km，壓力增加27.5 MPa，由于成巖模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)先滿足砂質(zhì)固結(jié)成巖的客觀要求，靜巖壓力可作等比例增加。因此，實(shí)驗(yàn)中模擬所采用的靜巖壓力在正常靜巖壓力基礎(chǔ)上，每增加1 km，補(bǔ)充壓力為55～60 MPa。以上溫度、壓力的增加，主要是為了對(duì)地史時(shí)間的補(bǔ)償。依據(jù)表2整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間理論上安排應(yīng)為120小時(shí)，為了增加砂質(zhì)固結(jié)成巖的要求，設(shè)計(jì)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)約28天。

2.3 實(shí)驗(yàn)與實(shí)際地質(zhì)過(guò)程的相似性分析

克拉蘇構(gòu)造帶克深—大北地區(qū)白堊系沉降可劃分為2個(gè)階段[2- 3]：1)早期長(zhǎng)期淺埋，即距今130～23 Ma地層緩慢沉降至2 000～3 000 m左右；2)后期快速深埋，即23 Ma至今快速沉降至6 000～8 000 m左右，以及5 Ma以來(lái)，強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓作用對(duì)深層儲(chǔ)層產(chǎn)生了重要影響。本次實(shí)驗(yàn)按照實(shí)際地質(zhì)演化過(guò)程，正演模擬不同埋深(溫度、壓力)階段的儲(chǔ)層成巖與孔隙演化。以上述確定的溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)，分別模擬早期淺埋藏階段的1 000 m(250 ℃，82.5 MPa)、2 000 m(300 ℃，110 MPa)、3 000 m(350 ℃，137.5 MPa)，后期快速深埋藏階段4 000 m(375 ℃，165 MPa)、5 000 m(400 ℃，192.5 MPa)、6 000 m(425 ℃，220 MPa)、7 000 m(450 ℃，247.5 MPa)和8 000 m(475 ℃，275 MPa)，以及晚期側(cè)向擠壓作用的砂質(zhì)成巖過(guò)程。在模擬的白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期淺埋—后期快速深埋的系列溫度、壓力條件的成巖實(shí)驗(yàn)后，松散的砂質(zhì)固結(jié)成砂巖，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)過(guò)程相吻合，為后續(xù)的儲(chǔ)層微觀特征分析等奠定了基礎(chǔ)。

表1 成巖模擬克深地區(qū)儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)樣品碎屑組分統(tǒng)計(jì)

注：wt指重量百分含量。

表2 有機(jī)質(zhì)熱模擬實(shí)驗(yàn)中加熱時(shí)間、溫度及有機(jī)質(zhì)地質(zhì)成熟時(shí)間對(duì)比表

3 砂巖孔隙演化特征與控制因素

3.1 孔隙演化特征

前人認(rèn)為克拉蘇構(gòu)造帶白堊系儲(chǔ)層埋深在1 000～3 000 m為早成巖階段，埋深大于3 000 m為中成巖A階段[7- 9]。成巖物理模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了白堊系儲(chǔ)層分別在埋深1 000～3 000 m的早成巖階段、埋深大于3 000 m的中成巖A階段孔隙的類(lèi)型、含量，孔徑大小及變化特征。在獲取砂質(zhì)成巖樣品后，運(yùn)用OlympusBX51型偏光顯微鏡進(jìn)行儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)的觀察與描述，認(rèn)為模擬的白堊系深層儲(chǔ)層具有如下四階段演化特征：1)模擬埋深小于3 000 m(350 ℃,137.5 MPa)的淺埋藏階段(垂向壓實(shí)初期)，細(xì)砂巖碎屑顆粒以點(diǎn)接觸為主(圖1A，B)，顆粒間剩余原生孔保存較多。溶蝕擴(kuò)大孔面孔率為1.5%～2.0%(表3)，主要是少量巖屑、石英等顆粒溶蝕為主。砂巖面孔率出現(xiàn)了一個(gè)急速衰減的過(guò)程，由40%迅速減小到18%左右，該階段的視壓實(shí)率為20.0%～22.5%，減孔率為37.5%～55.0%，溶蝕率為3.8%～5.0%。砂巖孔隙以原生孔為主(圖1A，B)，溶蝕孔含量在埋深1 000 m始逐步增加。出現(xiàn)此面孔率快速降低的原因在于碎屑顆粒在壓實(shí)的初期存在一個(gè)位置調(diào)整的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，碎屑顆粒隨著外加壓力的不斷增加，壓實(shí)作用會(huì)不斷增強(qiáng)，石英和長(zhǎng)石等碎屑顆粒發(fā)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、位移，進(jìn)而使顆粒發(fā)生重新排列，達(dá)到位能最低的緊密堆積狀態(tài)，在此過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)陡變階段；2)模擬埋深3 000～4 500 m(387.5 ℃，137.5 MPa)淺埋藏—快速深埋藏轉(zhuǎn)換階段(垂向壓實(shí)中期)，細(xì)砂巖碎屑顆粒仍以點(diǎn)狀接觸為主，少量線狀接觸，碎屑顆粒中裂紋出現(xiàn)(圖1C)，長(zhǎng)石及巖屑顆粒等被溶蝕，孔隙類(lèi)型為剩余原生孔和溶蝕擴(kuò)大孔，溶蝕擴(kuò)大孔面孔率為1.5%～2.1%(表3)。砂巖面孔率減小至15%左右，孔隙變化曲線也處于陡變—緩變的轉(zhuǎn)換階段，此時(shí)曲線斜率最大，視壓實(shí)率為27.5%～40.0%，減孔率為50.0%～62.5%，溶蝕率為3.8%～5.3%；3)模擬埋深5 000～7 000 m(450 ℃, 247.5 MPa)深埋藏早期階段(垂向壓實(shí)晚期)，碎屑顆粒受壓實(shí)作用強(qiáng)烈，呈點(diǎn)—線狀接觸、線狀接觸(圖1D，E，F(xiàn))。壓實(shí)作用使石英、石英巖巖屑、長(zhǎng)石等顆粒裂紋較發(fā)育，裂紋內(nèi)鑄體浸染。顆粒間泥質(zhì)及部分長(zhǎng)石顆粒、巖屑被溶蝕，溶蝕現(xiàn)象局部較發(fā)育且溶蝕作用主要發(fā)生在碎裂紋及裂縫的基礎(chǔ)上，溶蝕擴(kuò)大孔面孔率為3.0%～5.0%(表3)。此階段剩余原生孔面孔率持續(xù)降低，溶蝕孔的面孔率處于最大發(fā)育階段，總的砂巖面孔率降低到12%左右，視壓實(shí)率為50.0%～52.5%，減孔率為57.5%～70.0%，溶蝕率為7.5%～12.5%。該階段自埋深5 000 m始，較多的碎屑顆粒內(nèi)出現(xiàn)裂紋，顆粒碎裂對(duì)溶蝕發(fā)生起促進(jìn)作用并利于孔隙的連通；4)模擬埋深7 000～8 000 m(475 ℃，275 MPa)甚至更深階段，屬深埋藏晚期階段(垂向過(guò)壓實(shí)—側(cè)向擠壓期)，碎屑顆粒以線狀接觸為主，少量的顆粒內(nèi)裂紋存在(圖1G)，溶蝕擴(kuò)大孔面孔率為4.0%～5.0%左右(表3)。該階段深層儲(chǔ)層不僅受到垂向壓實(shí)作用，進(jìn)而使骨架顆粒的排列方式更加趨于緊湊，同時(shí)還受到側(cè)向擠壓作用，在垂向機(jī)械壓實(shí)作用與側(cè)向擠壓作用的共同作用下，共軛雙方向的剪切作用力使得骨架顆粒趨向于共軛剪切方向的定向排列。在克深207井埋深6 994.0 m井段巖芯中可見(jiàn)明顯的、較多的共軛剪切縫，在其附近有共軛雙方向的顆粒定向排列出現(xiàn)。克深503井6 908.9 m井段中砂巖、大北307井7 210.4 m井段的細(xì)砂巖中，碎屑顆粒均表現(xiàn)為共軛雙方向的定向排列特征，與物理模擬實(shí)驗(yàn)中顆粒排列狀態(tài)是一致的(圖1G，H)。該階段視壓實(shí)率為52.5%～55.0%，減孔率為72.5%～75.0%，溶蝕率為10.0%～12.5%。由于溶蝕孔含量增加較少，隨埋深增大原生孔含量降低也較小，砂巖總面孔率較低一般<10%左右，但變化范圍不大，孔隙有明顯的保持趨勢(shì)。

圖1 物理模擬克深—大北地區(qū)深層儲(chǔ)層的孔隙類(lèi)型與微觀特征A.砂巖以粒間孔為主，顆粒間點(diǎn)狀接觸，溶蝕擴(kuò)大孔不甚發(fā)育；B.碎屑顆粒間點(diǎn)狀接觸為主，粒間原生孔為主；C.碎屑顆粒點(diǎn)狀接觸為主，粒間少量泥質(zhì)、長(zhǎng)石顆粒被溶蝕；D.碎屑顆粒點(diǎn)—線狀接觸，長(zhǎng)石及少量巖屑被溶蝕，并見(jiàn)顆粒被壓碎裂；E.碎屑顆粒點(diǎn)—線狀接觸，巖屑顆粒被壓碎裂并發(fā)生溶蝕；F.碎屑顆粒點(diǎn)—線狀接觸，大量碎屑顆粒被壓碎裂并發(fā)生溶蝕，溶蝕孔較發(fā)育；G. 碎屑顆粒線狀接觸為主，顯共軛雙方向定向排列，部分顆粒破裂后被溶蝕；H.顆粒線狀接觸為主，顯共軛雙方向定向排列。碎裂后被溶蝕，但溶蝕現(xiàn)象減弱。圖中的紅色均為鑄體。Fig.1 The photos show the reservoir microscopic characteristics in different buried stages of diagenetic physical modeling

薄片面孔率%剩余原生孔含量/%溶蝕擴(kuò)大孔/%填隙物含量/%視壓實(shí)率/%減孔率/%溶蝕率/%溫度/℃壓力/MPa模擬埋深/m壓實(shí)階段25.023.51.57.020.037.53.83001102000淺埋藏階段(垂向壓實(shí)初期)18.016.02.013.022.555.05.0325123.5250022.020.41.69.022.545.04.0350137.5300020.018.51.59.027.550.03.8362.5151.53500淺埋—深埋轉(zhuǎn)換階段(垂向壓實(shí)中期)15.013.31.710.037.562.54.3375165400020.017.92.14.040.050.05.3387.5178.5450016.013.03.03.052.560.07.5400192.55000深埋藏早期(垂向壓實(shí)晚期)17.012.05.03.050.057.512.5425220600012.08.04.08.050.070.010.0450247.5700011.07.04.07.055.072.510.0462.5261.57500深埋藏晚期(垂向過(guò)壓實(shí)—側(cè)向擠壓期)10.05.05.09.052.575.012.54752758000

注：視壓實(shí)率=(V1-V2-V3)/V1×100%，減孔率=(V1-V3)/V1×100%，V1.原始孔隙體積，m3；V2.填隙物體積，m3；V3.粒間孔體積，m3；溶蝕率=(溶蝕擴(kuò)大孔體積/原始孔體積)×100%，單位%。

3.2 壓實(shí)減孔作用

由于受西部盆地特有的早期長(zhǎng)期淺埋、后期快速深埋的埋藏方式影響，特別是在快速深埋作用下，儲(chǔ)層受機(jī)械壓實(shí)作用影響巨大，而所受的壓溶作用不甚發(fā)育?？梢?jiàn)，在淺埋藏階段使儲(chǔ)層孔隙度降低的主要作用是壓實(shí)。在實(shí)際巖芯薄片中，白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層的中上部碎屑顆粒多為點(diǎn)—線狀接觸，儲(chǔ)層下部砂巖顆粒主要是線接觸，見(jiàn)塑性巖屑顆粒被壓彎，石英顆粒表面具已愈合的壓裂紋，均說(shuō)明巖石自上而下壓實(shí)作用呈變強(qiáng)的趨勢(shì)，已達(dá)中等壓實(shí)程度[8]。韓登林等[11]梳理出了垂向壓實(shí)和側(cè)向擠壓分別對(duì)于白堊系儲(chǔ)層的壓實(shí)效應(yīng)(表4)，60%以上的壓實(shí)減孔量是由垂向壓實(shí)造成的，由構(gòu)造應(yīng)力引發(fā)的側(cè)向壓實(shí)占?jí)簩?shí)減孔量的比例在40%以下。由表3可知，物理模擬的白堊系儲(chǔ)層在經(jīng)歷了淺埋藏—深埋藏—側(cè)向擠壓過(guò)程后，儲(chǔ)層中剩余原生孔面孔率由原始堆積狀態(tài)時(shí)的40%變化至深埋藏晚期的5%左右。視壓實(shí)率由20.0%變化為55.0%，模擬埋深5 000～8 000 m儲(chǔ)層視壓實(shí)率為50.0%～55.0%。垂向壓實(shí)減孔率由37.5%變化為70.0%左右，在模擬埋深7 500～8 000 m的垂向過(guò)壓實(shí)—側(cè)向擠壓壓實(shí)聯(lián)合作用下減孔率可達(dá)72.5%～75.0%(圖2)。統(tǒng)計(jì)庫(kù)車(chē)坳陷各井白堊系儲(chǔ)層巖芯樣品的視壓實(shí)率均值為34.23%～75.32%，平均為54.7%，可見(jiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的視壓實(shí)率值與實(shí)際樣品的視壓實(shí)率值較一致(表3，4)。表4中實(shí)際巖芯樣品的壓實(shí)減孔量值為27.2%～40.2%，平均為34.4%，低于物理模擬實(shí)驗(yàn)的壓實(shí)減孔量值。分析其原因在于，表4中實(shí)際巖芯樣品的總壓實(shí)減孔量值是依據(jù)估算的庫(kù)車(chē)坳陷儲(chǔ)層垂向壓實(shí)所造成的面孔減少率為0.5%/100 m的經(jīng)驗(yàn)公式得出的[11]，物理模擬實(shí)驗(yàn)的壓實(shí)減孔率是在薄片觀察基礎(chǔ)上，依據(jù)計(jì)算公式得出的(表3注釋)，可見(jiàn)二者還是存在一定差異。因此，推測(cè)克拉蘇構(gòu)造帶深層儲(chǔ)層實(shí)際地質(zhì)過(guò)程中壓實(shí)減孔量的值可能高于表4中統(tǒng)計(jì)的27.2%～40.2%的巖芯樣品的總壓實(shí)減孔量值。

表4 庫(kù)車(chē)坳陷白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層壓實(shí)效應(yīng)對(duì)比(據(jù)韓登林等[11])

圖2 物理模擬克深—大北地區(qū)深層儲(chǔ)層視壓實(shí)率、減孔率及溶蝕率演化圖Fig.2 The graph shows the evolution of the rate of compaction, reduction of porosity and dissolution ratio in different burial stages of diagenetic physical modeling

3.3 膠結(jié)作用減孔

砂巖粒間孔隙是由埋藏成巖過(guò)程中壓實(shí)與膠結(jié)作用的量決定的。除了壓實(shí)作用降低粒間孔隙外，孔隙度還取決于自生膠結(jié)物所堵塞的現(xiàn)存粒間容積的量[18]。機(jī)械壓實(shí)作用構(gòu)成了孔隙度—深度關(guān)系基準(zhǔn)，溶蝕和膠結(jié)作用造成了巖石在孔隙度—深度基準(zhǔn)線左右的變化[19]。隨著埋深的增大，溫度與壓力的增加或時(shí)代的變老，膠結(jié)作用的重要性逐漸增加。膠結(jié)作用降低了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性，但亦在一定程度上抑制了壓實(shí)作用，并為后期溶蝕奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)[8]。

大北地區(qū)巴什基奇克組儲(chǔ)層填隙物中，雜基成分主要為鐵泥質(zhì)和泥質(zhì)，含量在2%～14%。砂巖中常見(jiàn)的膠結(jié)物為硅質(zhì)、方解石、鐵白云石、黃鐵礦和硬石膏，膠結(jié)物以方解石為主[8,20]，平均含量為8.7%。物理模擬的白堊系儲(chǔ)層在經(jīng)歷了淺埋藏—深埋藏—側(cè)向擠壓過(guò)程后，粒間填隙物主要為泥質(zhì)和方解石膠結(jié)物。在模擬淺埋藏階段粒間填隙物含量較高，為7%～13%；在模擬深埋藏早期階段填隙物含量較低，為3%～4%左右，主要是有機(jī)酸溶蝕致使填隙物含量較低；在模擬深埋藏晚期階段填隙物含量有所增加，達(dá)7%～9%(表3)，主要是后期較多的方解石膠結(jié)物生成造成。模擬實(shí)驗(yàn)中的填隙物含量變化與實(shí)際地質(zhì)演化過(guò)程的結(jié)果較為一致[7- 9]。

3.4 原生孔隙保持

克拉蘇構(gòu)造帶巴什基奇克組深層儲(chǔ)層原生孔隙的保持機(jī)制較為明確，王招明等[6]認(rèn)為克拉蘇構(gòu)造帶存在構(gòu)造頂蓬結(jié)構(gòu)，構(gòu)造頂蓬作用起到了抵消部分上覆地層靜巖壓力的效果，減壓作用在一定程度上保護(hù)了儲(chǔ)層孔隙，同時(shí)減緩了儲(chǔ)層成巖演化過(guò)程。再者，巴什基奇克組上覆膏鹽巖層密度小、熱導(dǎo)率高，致使鹽下儲(chǔ)層的地溫較低，抑制了成巖作用，利于其下部?jī)?chǔ)層保持相對(duì)較高的孔隙度和滲透性[4- 5]。上覆的膏鹽巖不但具有強(qiáng)烈的塑性，其本身具有很高的突破壓力和超壓，對(duì)異常高壓起到了壓力和物性的雙重封閉，有效地阻止了異常高壓的泄露，異常高壓抑制了顆粒所受的壓實(shí)作用，從而使剩余原生孔隙得以保持[21- 22]。庫(kù)車(chē)坳陷深層異常高壓的形成除與上覆膏鹽巖的存在有關(guān)外，還與晚期構(gòu)造側(cè)向擠壓作用密切相關(guān)，特別是在克拉蘇構(gòu)造帶，構(gòu)造擠壓對(duì)超壓的最大貢獻(xiàn)率為55%～80%[23]，超壓強(qiáng)度從北向南逐漸遞減[24]。在實(shí)際地質(zhì)過(guò)程及物理模擬實(shí)驗(yàn)中，超壓作用發(fā)生于深埋藏早期階段(垂向壓實(shí)晚期)。在持續(xù)的垂向壓實(shí)作用下，儲(chǔ)層中粒徑大的顆粒承受的壓力較大，致使粗砂顆粒、中砂顆粒易發(fā)生碎裂，形成顆粒裂紋和成巖縫。雖然剩余原生孔持續(xù)降低，但在超壓作用下，粒間孔隙的降低速率變得緩慢，進(jìn)而較好的保持了原生孔隙。

除上述異常高壓(超壓)對(duì)深層儲(chǔ)層原生孔隙保持的機(jī)制外，通過(guò)成巖物理模擬實(shí)驗(yàn)分析，微觀上深層儲(chǔ)層骨架顆粒共軛雙方向定向排列支撐作用，也可有效保持原生孔隙。如圖1G、H所示，在模擬深埋藏晚期階段(垂向過(guò)壓實(shí)—側(cè)向擠壓壓實(shí)期)，深層儲(chǔ)層不僅受到垂向壓實(shí)作用，使骨架顆粒的排列方式更加趨于緊湊，同時(shí)還受到側(cè)向擠壓作用，在垂向機(jī)械壓實(shí)與側(cè)向擠壓共同作用下，在異常壓力(超壓)保持孔隙的基礎(chǔ)上，疊加了儲(chǔ)層骨架顆粒共軛雙方向定向排列支撐作用，使原生孔隙含量降低較小，孔隙具有明顯的保持趨勢(shì)。

3.5 溶蝕增孔作用

粒間溶孔是庫(kù)車(chē)坳陷西部克深、大北地區(qū)的重要儲(chǔ)集空間類(lèi)型，溶蝕作用主要表現(xiàn)為長(zhǎng)石和巖屑的溶蝕，還有少量的石英顆粒溶蝕。砂巖中的次生孔隙，尤其是埋藏成巖過(guò)程中形成的次生孔隙與鉀長(zhǎng)石的關(guān)系最為密切，其次是鈉長(zhǎng)石?？松?、大北地區(qū)白堊系深層儲(chǔ)層中溶蝕作用較為發(fā)育，顯微鏡下可見(jiàn)方解石及長(zhǎng)石、巖屑顆粒邊緣溶解形成的粒間溶孔和粒間溶蝕擴(kuò)大孔，孔隙邊緣形態(tài)不規(guī)則而呈港灣狀。粒間溶孔是大北地區(qū)僅次于剩余原生粒間孔的儲(chǔ)集空間類(lèi)型。長(zhǎng)石、中酸性火山巖屑、灰?guī)r巖屑等顆粒溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，這類(lèi)孔隙形態(tài)不規(guī)則、分選較差[8]。在強(qiáng)烈垂向壓實(shí)和擠壓作用后，溶蝕作用的發(fā)生大大地改善了本區(qū)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。

在物理模擬孔隙演化的第2—第4階段均有較多的長(zhǎng)石等溶蝕作用發(fā)生，第二階段為埋深3 000～5 000 m的中成巖A1階段，是溶蝕孔快速增加的階段，可見(jiàn)較大量的溶蝕孔出現(xiàn)(圖1)；第三階段為埋深5 000～7 000 m的中成巖A2階段，溶蝕孔面孔率處于最大發(fā)育階段，自埋深5 000 m始，較多的碎屑顆粒內(nèi)出現(xiàn)裂紋，顆粒碎裂對(duì)溶蝕發(fā)生起促進(jìn)作用并利于孔隙的連通(圖1)；第四階段為埋深7 000～9 000 m的中成巖B—晚成巖階段，該階段溶蝕孔含量增加的逐漸減少，處于較穩(wěn)定發(fā)育階段，溶蝕作用對(duì)深層有利儲(chǔ)層的發(fā)育具重要作用。

4 砂巖孔喉演化特征

4.1 孔喉演化特征

大北地區(qū)白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層壓汞資料分析結(jié)果表明，儲(chǔ)層最大孔喉半徑在0.063 5～20.52 μm之間，總體顯示出排驅(qū)壓力較高、孔喉半徑小、細(xì)孔喉的特點(diǎn)[8]。成巖模擬實(shí)驗(yàn)中，隨著模擬埋深的增大，細(xì)砂巖最大、最小及平均孔徑、喉徑等參數(shù)均具有先降低、后增大或者保持的特點(diǎn)(表5)。模擬埋深5 000 m是孔徑發(fā)生變化的重要位置(圖3)，最大孔徑降低至埋深7 000 m后又有所增大，增大至147 μm左右。平均孔徑具有相似的演化特征，模擬埋深7 000 m時(shí)最低降至49.44 μm，之后又增大至56.61～62.38 μm。最大喉徑、平均喉徑值在模擬埋深3 000～5 000 m時(shí)將降低至最小，由模擬埋深5 000 m始，二者數(shù)值有增大趨勢(shì)，至埋深超過(guò)7 000 m時(shí)，最大喉徑可達(dá)48.29～49.91 μm，平均喉徑可達(dá)9.55～12.84 μm。由于砂巖的滲透率與最大、平均孔徑及喉徑具較好正相關(guān)性，因此，在模擬埋深1 000～5 000 m階段，也就是長(zhǎng)期淺埋的早成巖階段至由淺埋藏至快速深埋轉(zhuǎn)換時(shí)期的中成巖A1階段，砂巖儲(chǔ)層滲透率隨埋深增大持續(xù)降低。當(dāng)埋深大于5 000 m時(shí)，即快速深埋后期的中成巖A2—B階段和晚成巖階段，由于大量脆性顆粒發(fā)生碎裂，砂巖碎裂及局部的定向排列等特征有利于孔隙連通性的增強(qiáng)，使深層儲(chǔ)層的滲透性明顯提高[10]。

表5 物理模擬克深—大北井區(qū)深層細(xì)砂巖儲(chǔ)層孔徑、喉徑統(tǒng)計(jì)表

圖3 物理模擬克深—大北井區(qū)細(xì)砂巖儲(chǔ)層孔徑、喉徑演化趨勢(shì)圖Fig.3 The graph shows the reservoir pore diameter and throat diameter in different burial stages

4.2 孔喉分選特征

儲(chǔ)層巖石的微觀孔喉結(jié)構(gòu)直接影響著儲(chǔ)層的儲(chǔ)集滲流能力[25]，反映孔喉分選特征的參數(shù)主要有均質(zhì)系數(shù)、孔隙喉道分選系數(shù)(Sp)、孔隙喉道偏度(歪度)等。均質(zhì)系數(shù)表征儲(chǔ)油巖石孔隙介質(zhì)中每一個(gè)喉道與最大喉道半徑的偏離程度。在0～1之間變化，均質(zhì)系數(shù)值越大孔喉分布越均勻。分選系數(shù)(Sp)，反映喉道大小分布集中程度的參數(shù)，具有某一等級(jí)的喉道占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)時(shí)，Sp值小，表示喉道分選程度好，越均勻。偏度(歪度)表示孔隙分布相對(duì)于平均值來(lái)說(shuō)是偏大孔還是偏小孔，一般在+2～-2之間，正值稱(chēng)粗歪度為大孔，驅(qū)油效率高，負(fù)值屬細(xì)歪度為小孔，驅(qū)油效率低。表6統(tǒng)計(jì)了成巖物理模擬的細(xì)砂巖儲(chǔ)層主要孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其具有如下特征：在淺埋藏階段(垂向壓實(shí)初期)為均質(zhì)系數(shù)為0.38～0.46，分選系數(shù)為0.72～0.88，偏度為0.16～0.24；淺埋至深埋轉(zhuǎn)換階段(垂向壓實(shí)中期)均質(zhì)系數(shù)為0.28～0.37，分選系數(shù)為0.77～0.96，偏度為-0.07～0.22；在深埋藏早期階段(垂向壓實(shí)晚期)均質(zhì)系數(shù)為0.37～0.40，分選系數(shù)為0.70～0.80，偏度為0.10～0.32；深埋藏晚期(垂向過(guò)壓實(shí)—側(cè)向擠壓期)階段均質(zhì)系數(shù)為0.38～0.42，分選系數(shù)為0.80～0.91，偏度為0.21～0.24(表6)。由上述演化數(shù)據(jù)表明，細(xì)砂巖隨著模擬埋深的增大均質(zhì)系數(shù)具有由大變小、復(fù)又變大的特點(diǎn)，反映了深層儲(chǔ)層喉道分布均勻，孔喉均一性較強(qiáng)；分選系數(shù)表明在淺埋藏—轉(zhuǎn)換階段細(xì)砂巖儲(chǔ)層喉道的均一性差，至深埋藏以后儲(chǔ)層喉道的均一性較強(qiáng)。偏度數(shù)據(jù)表明儲(chǔ)層在深埋以后，孔徑同樣以大孔為主。

表6 物理模擬克深—大北井區(qū)深層儲(chǔ)層孔喉分選特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

5 深層儲(chǔ)層孔隙預(yù)測(cè)模型

5.1 孔隙預(yù)測(cè)模型

以模擬實(shí)驗(yàn)獲取的砂巖儲(chǔ)層孔隙演化參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人在實(shí)際地質(zhì)過(guò)程下儲(chǔ)層成巖與孔隙演化特征的認(rèn)識(shí)[7- 9]，建立了庫(kù)車(chē)坳陷深層儲(chǔ)層成巖與孔隙演化的4段性特征預(yù)測(cè)模型(圖4)：1)淺埋藏階段，儲(chǔ)層受較強(qiáng)的壓實(shí)作用，在垂向靜巖壓力作用下，原生粒間孔急劇減少。輔以早期方解石等膠結(jié)作用，弱的石英加大作用，剩余原生孔隙度降低至20%左右。發(fā)育第一期構(gòu)造縫促進(jìn)了溶蝕作用的發(fā)生。晚白堊世(晚燕山運(yùn)動(dòng))，儲(chǔ)層逐漸抬升遭受剝蝕，較強(qiáng)的表生溶蝕作用可使孔隙度增加1%～3%[9]。2)淺埋—深埋轉(zhuǎn)換階段，儲(chǔ)層受持續(xù)的垂向靜巖壓實(shí)作用、石英次生加大和方解石膠結(jié)作用的影響，剩余原生孔持續(xù)降低至15%左右。第二期構(gòu)造縫、漸新世油氣的初次注入[9]，有機(jī)酸使長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕，溶蝕孔增加2%左右。3)快速深埋早期階段，受持續(xù)垂向靜巖壓實(shí)作用、晚期方解石膠結(jié)(充填裂縫)和石英次生加大作用，剩余原生孔持續(xù)降低至7%～8%左右，該階段出現(xiàn)的構(gòu)造擠壓頂蓬支撐[6]、鹽下低地溫梯度及超壓作用，較好的保持了原生孔隙。同時(shí)，碎屑顆粒中出現(xiàn)大量的破裂現(xiàn)象，較多的顆粒內(nèi)無(wú)定向裂縫發(fā)育。第一期成巖壓碎縫與第三期構(gòu)造縫，增強(qiáng)了酸性水溶蝕作用，出現(xiàn)大量的溶蝕擴(kuò)大孔，次生溶孔的含量可達(dá)4%～5%左右。4)快速深埋晚期—側(cè)向擠壓階段，白堊系深層儲(chǔ)層進(jìn)入中成巖階段，儲(chǔ)層持續(xù)的受垂向靜巖壓實(shí)作用。由于受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，南天山強(qiáng)烈崛起，自北向南強(qiáng)烈的逆沖擠壓作用于白堊系儲(chǔ)層，由于受強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓頂蓬支撐效應(yīng)、鹽下低地溫梯度及超壓作用影響，儲(chǔ)層剩余原生孔隙得以較好保持，減孔作用較弱，剩余原生孔保持在5%左右。在垂向靜巖壓實(shí)、側(cè)向擠壓應(yīng)力共同作用下，砂巖骨架顆粒出現(xiàn)了明顯的共軛方向定向排列，骨架顆粒的定向排列支撐作用使深層儲(chǔ)層的孔徑、喉徑得以有效保持。同時(shí)，部分骨架顆粒內(nèi)出現(xiàn)了共軛剪切裂縫，形成第二期成巖壓碎縫，進(jìn)而增加了長(zhǎng)石等顆粒的溶蝕性，溶蝕擴(kuò)大孔可達(dá)4%。深層儲(chǔ)層在超壓、頂蓬效應(yīng)、低地溫及骨架顆粒定向排列支撐四種作用下，剩余原生孔隙得以保持。在構(gòu)造側(cè)向擠壓與成巖壓碎破裂造縫、次生溶蝕兩種改造機(jī)制作用下，增強(qiáng)了深層儲(chǔ)層的可溶蝕性、提高了滲透性，使深層仍發(fā)育有利儲(chǔ)層(圖4)，孔隙度總體達(dá)到3%～8%，滲透率達(dá)到(1～10)×10-3μm2。

5.2 預(yù)測(cè)模型與實(shí)際孔隙演化的吻合性

前人對(duì)克拉蘇構(gòu)造帶深層有利儲(chǔ)層進(jìn)行了預(yù)測(cè)，王波等[26]認(rèn)為白堊系巴什基奇克組埋深普遍大于5 000 m，西部大北—克拉蘇深層構(gòu)造帶目前埋深為6 000～7 000 m，預(yù)測(cè)的該組有效儲(chǔ)層埋深下限約為8 000～8 300 m；劉春等[8]認(rèn)為大北地區(qū)巴什基奇克組儲(chǔ)層內(nèi)構(gòu)造裂縫和壓實(shí)裂縫非常發(fā)育，在埋深5 000 m以上的儲(chǔ)層中仍有工業(yè)氣流的存在，表明深埋藏導(dǎo)致強(qiáng)壓實(shí)的同時(shí)也產(chǎn)生了裂縫，構(gòu)造破裂是大北地區(qū)深部低孔低滲儲(chǔ)層獲得高產(chǎn)的主要因素。張惠良等[27]認(rèn)為大北1氣田巴什基奇克組構(gòu)造裂縫發(fā)育型砂巖有效儲(chǔ)層相對(duì)發(fā)育，縱向埋深可達(dá)8 150 m。圖5顯示了大北井區(qū)白堊系深層儲(chǔ)層實(shí)際巖芯孔隙度垂向變化特征，深層有利儲(chǔ)層的埋深可超過(guò)8 000m，且主要發(fā)育于5 000～7 000 m的埋深范圍內(nèi)。筆者建立的深層儲(chǔ)層孔隙預(yù)測(cè)模型與白堊系深層儲(chǔ)層實(shí)際巖芯(測(cè)井)孔隙度垂向變化較一致，表明通過(guò)地質(zhì)過(guò)程約束下的成巖模擬實(shí)驗(yàn)，可定量揭示出深層儲(chǔ)層在早期長(zhǎng)期淺埋、后期快速深埋的特有埋藏方式下，埋深5 000～7 000 m是大規(guī)模次生溶蝕發(fā)生段，是孔隙度提高的重要層段。同時(shí)，由于快速深埋的垂向壓實(shí)和側(cè)向擠壓作用，埋深超過(guò)7 000 m也是孔徑與喉徑快速增大的層段，表明該層段也是滲透率增大的重要層段，因此推測(cè)庫(kù)車(chē)坳陷在埋深8 000 m甚至更深仍發(fā)育有效儲(chǔ)層。

圖4 物理模擬克深—大北井區(qū)深層儲(chǔ)層成巖過(guò)程孔隙演化預(yù)測(cè)模型Fig.4 The reservoir porosity evolution model and control factors in different burial stages

圖5 庫(kù)車(chē)坳陷大北井區(qū)白堊系深層儲(chǔ)層巖芯孔隙度垂向變化圖Fig.5 The profile shows the reservoir porosity evolution in DABEI area of Kuqa depression

6 結(jié)論

模擬了庫(kù)車(chē)坳陷白堊系巴什基奇克組經(jīng)歷了早期長(zhǎng)期淺埋—后期快速深埋—晚期側(cè)向擠壓地質(zhì)過(guò)程下的儲(chǔ)層成巖演化過(guò)程，并建立了深層儲(chǔ)層孔隙預(yù)測(cè)模型。認(rèn)為深層儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型、含量變化及演化具有明顯的4段性特征，其中第3個(gè)演化階段即深層儲(chǔ)層快速埋藏后的早期階段是孔隙度和滲透率提高的重要階段，為有利儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵時(shí)期。深層儲(chǔ)層在超壓、頂蓬效應(yīng)、低地溫梯度及骨架顆粒定向排列支撐四種作用下，剩余原生孔得以保持。構(gòu)造側(cè)向擠壓與成巖壓碎破裂造縫、次生溶蝕兩種改造機(jī)制，改善了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性、提高了滲透性。定量揭示出庫(kù)車(chē)坳陷深層儲(chǔ)層在埋深5 000～7 000 m是孔徑、喉徑快速增大的層段，是深層儲(chǔ)層最有利的發(fā)育層段，推測(cè)埋深8 000 m甚至更深仍可發(fā)育有效儲(chǔ)層。

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