庫車拗陷東部侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣成藏條件分析

袁文芳，王鵬威，秦 紅，龐雄奇，張 博，杜忠明，邢 星

（1.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； 2.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 3.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

庫車拗陷東部侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣成藏條件分析

袁文芳1，王鵬威2，3，秦 紅1，龐雄奇2，3，張 博1，杜忠明2，3，邢 星1

（1.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； 2.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 3.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

有利的成藏條件是 “連續(xù)型”致密砂巖氣大規(guī)模聚集成藏的重要基礎(chǔ)，明確成藏條件對(duì)于致密砂巖氣藏理論研究和勘探實(shí)踐具有重要意義.文中討論庫車拗陷侏羅系阿合組“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成所需要的烴源巖、致密砂巖儲(chǔ)層、蓋層條件及構(gòu)造條件.結(jié)果表明：下伏三疊系烴源巖為致密砂巖氣藏的形成提供充足的氣源，廣泛分布的致密砂巖儲(chǔ)層控制致密砂巖氣藏在時(shí)間和空間的分布范圍，致密儲(chǔ)層上覆煤系地層與下伏泥巖為致密砂巖氣成藏提供保護(hù)作用；后期的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)，一方面促進(jìn)地層快速沉降，有利于烴源巖快速演化，另一方面對(duì)致密砂巖氣藏具有調(diào)整改造的作用，構(gòu)造裂縫改善儲(chǔ)層的物性，同時(shí)形成天然氣散失的通道.因此，有利的源巖、儲(chǔ)層、源儲(chǔ)配置關(guān)系、蓋層及構(gòu)造活動(dòng)是庫車拗陷東部侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成的有利條件.

“連續(xù)型”致密砂巖氣藏；成藏條件；庫車拗陷；侏羅系；烴源巖

0 引言

致密砂巖氣藏是繼常規(guī)氣藏之后又一重要的天然氣勘探領(lǐng)域.作為重要的非常規(guī)資源，致密砂巖氣藏以巨大的勘探潛力和研究?jī)r(jià)值得到國內(nèi)外學(xué)者和石油行業(yè)的關(guān)注[1-3].目前，國內(nèi)一般將致密砂巖氣藏定義為孔隙度小于10%、原地滲透率小于0.1×10-3μm2或空氣滲透率小于1.0×10-3μm2、孔喉半徑小于1 mm、含氣飽和度小于60%的砂巖中儲(chǔ)集的天然氣，一般無自然工業(yè)產(chǎn)量，但在采取一定經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)措施后，可以獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量.我國中西部地區(qū)廣泛分布的致密砂巖中蘊(yùn)含豐富的天然氣資源，它在我國能源結(jié)構(gòu)中所占比例日益擴(kuò)大，成為重要的能源接替者[4-5].庫車拗陷天然氣資源豐富，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，“連續(xù)型”致密砂巖氣資源顯示廣闊的勘探前景.由于地質(zhì)條件復(fù)雜，“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成所需的條件不明確，庫車拗陷致密砂巖氣藏勘探實(shí)踐面臨許多困難[6-7].因此，全面、系統(tǒng)地分析致密砂巖氣成藏條件是研究“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成機(jī)理的重要基礎(chǔ)，對(duì)于尋找“連續(xù)型”致密砂巖氣藏有利勘探區(qū)域具有現(xiàn)實(shí)意義.

人們通過對(duì)比國內(nèi)外典型氣藏的特征、分析其成藏機(jī)制等方法，對(duì)致密砂巖氣藏主控因素進(jìn)行研究，并認(rèn)為氣源巖持續(xù)充注、連片分布的致密儲(chǔ)層、穩(wěn)定沉降的構(gòu)造背景等地質(zhì)條件是“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成與分布的必要條件[8-10].筆者在典型氣藏解剖的基礎(chǔ)上，對(duì)比國內(nèi)外典型的致密砂巖氣藏，分析庫車拗陷“連續(xù)型”致密砂巖氣藏發(fā)育的地質(zhì)條件，為有效指導(dǎo)庫車拗陷致密砂巖氣勘探提供理論依據(jù).

1 地質(zhì)概況

庫車拗陷位于塔里木盆地北緣，是典型的中新生代前陸盆地（見圖1）.北依天山褶皺帶，南鄰塔北隆起的輪臺(tái)斷隆，西起克拉蘇，東至庫爾勒，整體呈北東東的線狀展布，東西長為400 km，南北寬為30～120 km，盆地面積為2.8×104km2.多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使庫車拗陷具有“四帶三凹”的構(gòu)造格局，從北到南可劃分為北部單斜帶、克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶、秋里塔格構(gòu)造帶、前緣隆起帶，自東向西為東部的陽霞凹陷、中部拜城凹陷及西部烏什拗陷.庫車拗陷東部地區(qū)主要包括依奇克里克構(gòu)造帶、陽霞凹陷及秋里塔格構(gòu)造帶.下侏羅統(tǒng)及古近系—白堊系儲(chǔ)層發(fā)育廣泛分布，儲(chǔ)層厚度大，物性較差，是庫車拗陷東部地區(qū)致密砂巖氣重點(diǎn)勘探領(lǐng)域.下侏羅統(tǒng)主要發(fā)育以依南2氣藏為代表的致密砂巖氣藏，古近系—白堊系主要發(fā)育以迪那2氣田為代表的凝析氣藏.

圖1 庫車拗陷東部構(gòu)造單元分區(qū)及勘探成果Fig.1 The structure division and exploration results in eastern Kuqa depression

2 地質(zhì)特征

依南2氣藏為庫車拗陷典型“連續(xù)型”致密砂巖氣藏[7].該氣藏位于依奇克里克構(gòu)造帶穩(wěn)定的斜坡帶上，具有典型的“連續(xù)型”致密砂巖氣藏的特征.下侏羅統(tǒng)阿合組為氣藏的主要目的層之一，儲(chǔ)層廣泛發(fā)育，其中一、二、四段為砂巖段，儲(chǔ)層物性較差，孔隙度主要分布在3.6%～6.4%之間，70%的滲透率小于1×10-3μm2.阿合組與下伏三疊系氣源巖、上覆侏羅系陽霞組氣源巖緊密接觸（見圖2）.該氣藏的氣水分布不受構(gòu)造形態(tài)的控制，位于構(gòu)造低部位的依南2井、迪西1井為主要的工業(yè)氣流井，構(gòu)造高部位的依南4井、依深4井為水井（見圖2）.氣藏壓力異常，壓力因數(shù)介于1.71～1.87之間.

圖2 庫車拗陷東部依南2氣藏成藏模式Fig.2 Yi'nan 2 gas reservoir section，eastern Kuqa depression

3 形成條件

庫車拗陷侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣藏除表現(xiàn)典型致密氣藏的特征外，還具有自身獨(dú)特的成藏特點(diǎn).

3.1 烴源巖

烴源巖對(duì)“連續(xù)型”致密氣的成藏具有重要控制作用[8-9].目前，國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的 “連續(xù)型”致密砂巖氣藏大多為“源儲(chǔ)一體”，致密儲(chǔ)層與以煤系地層為主的氣源巖緊密相鄰[10].與典型的“連續(xù)型”致密砂巖氣藏相似，庫車拗陷下侏羅統(tǒng)阿合組致密砂巖儲(chǔ)集體與氣源巖具有良好的配置關(guān)系.它與三疊系塔里奇克組泥巖、煤層及下侏羅統(tǒng)陽霞組煤層近源接觸，為天然氣短距離二次運(yùn)移提供良好的基礎(chǔ)（見圖3）.三疊系泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TOC）為1.0%～2.0%，平均生烴潛量為3.28 kg/t，以Ⅲ型干酪根為主，烴源巖演化程度高，最高溫度Tmax接近于475℃，鏡質(zhì)體反射率Ro為1%～2%；煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.18%～91.50%，平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.16%，平均生烴潛量為55.07 kg/t，烴源巖演化程度高，Tmax接近于457℃.因此，三疊系氣源巖是一套高成熟的優(yōu)質(zhì)氣源巖.

“連續(xù)型”致密砂巖氣藏是動(dòng)態(tài)圈閉氣藏，氣藏的面積、規(guī)模隨著源巖供烴量的改變而變化.根據(jù)物質(zhì)平衡原理[11]，只有烴源巖大量供烴，致密儲(chǔ)層中天然氣的聚集量大于散失量才能保證致密氣藏的規(guī)模；否則，氣藏發(fā)生萎縮，甚至消亡.

庫車拗陷三疊系烴源巖具有晚期大量生烴并持續(xù)排烴的特征，天然氣在分子膨脹力的作用下持續(xù)向致密儲(chǔ)層充注，保證依南2氣藏具有充足的氣源.以三疊系黃山街組—克拉瑪依組為例，烴源巖排烴高峰期為上新世早期（距今5 Ma）之后，烴源巖最大排氣強(qiáng)度達(dá)到35×108m3/km2，最大排氣量為10.03×108m3（見表1）.

表1 庫車拗陷東部三疊系烴源巖排烴特征Table 1 Hydrocarbon expulsion characteristic of Triassic in eastern Kuqa depression

3.2 致密儲(chǔ)層

致密儲(chǔ)層作為致密砂巖氣成藏的基本要素之一，它的空間展布和致密化過程決定致密砂巖氣藏的分布范圍及氣水分布規(guī)律[12].庫車東部侏羅系儲(chǔ)層物性較差，以依南2致密砂巖氣藏侏羅系阿合組為例，儲(chǔ)層平均孔隙度為6.15%，平均滲透率為5.65×10-3μm2，平均孔喉半徑為0.5μm.儲(chǔ)層巖性主要是巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，砂礫巖的沉積厚度占總地層厚度的65.0%～70.0%，砂體厚度大.砂巖成分成熟度較低，巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.0%～55.0%.依南2氣藏儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，對(duì)氣水分布具有一定的控制作用.壓汞及激光共聚焦數(shù)據(jù)顯示，水層對(duì)應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)較好，表現(xiàn)為孔喉半徑大，孔隙分選較好，孔隙度大，滲透率高，有利于流體的活動(dòng)；干層對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)較差，表現(xiàn)為孔喉半徑小，孔隙分選較差，滲透率較低（見表2）.因此，儲(chǔ)層物性較好或較差都不利于天然氣在致密儲(chǔ)層中聚集成藏.對(duì)比依南2氣藏氣水分布與儲(chǔ)層物性關(guān)系，氣層的孔隙度主要分布在2%～8%之間，干層的孔隙度多小于2%，水層的孔隙度多大于8%.

表2 依南2氣藏儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of pore structure in Yi'nan 2 reservoir

圖3 庫車拗陷侏羅系、三疊系烴源巖地化剖面Fig.3 Jurassic and Triassic source rock geochemical profile in Kuqa depression

阿爾伯達(dá)及鄂爾多斯等中外典型致密氣藏研究成果表明，沉積成巖作用對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的形成、演化具有關(guān)鍵性的作用[13-14].前期沉積環(huán)境、后期成巖作用通過砂巖的分選性、磨圓度、砂巖粒徑、巖屑含量、泥質(zhì)含量、膠結(jié)物含量等因素控制致密儲(chǔ)層的發(fā)育，從而控制致密砂巖氣藏的發(fā)育范圍.

依南2氣藏阿合組具有多個(gè)向上變細(xì)的沉積序列，厚層砂巖中間夾雜薄層的泥巖（見圖4）.結(jié)合庫車拗陷古地理分析[15]，認(rèn)為阿合組儲(chǔ)層主要以辮狀河三角洲的分流河道沉積砂體為主，儲(chǔ)層的物性具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，砂巖粒徑、巖屑含量、泥質(zhì)含量等因素制約致密儲(chǔ)層的空間展布.泥質(zhì)、巖屑等塑性物質(zhì)的含量對(duì)致密砂巖孔隙度演化的影響非常明顯.泥巖顆粒、碎屑物質(zhì)占據(jù)剛性顆粒之間的空間，并具有極強(qiáng)的塑性，泥質(zhì)、碎屑物質(zhì)含量越高，巖石抗壓性越差，儲(chǔ)層越致密.

圖4 庫車拗陷東部依南2井測(cè)井沉積相分析Fig.4 The logging sedimentary facies analysis in Yi'nan 2 well，eastern Kuqa depression

沉積作用控制儲(chǔ)層的形成，成巖作用決定儲(chǔ)層的演化[16-21].庫車拗陷致密儲(chǔ)層廣泛發(fā)育的成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用等.阿合組儲(chǔ)層的膠結(jié)作用主要包括碳酸鹽、硫酸鹽等自生礦物的析出沉淀.薄片資料顯示（見圖5），阿合組儲(chǔ)層碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，主要分布在5.0%～25.0%之間.大量的膠結(jié)物充填孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)層有效孔隙度減小，加劇儲(chǔ)層致密化的進(jìn)程.庫車拗陷侏羅系阿合組儲(chǔ)層致密化時(shí)期約為23 Ma，儲(chǔ)層致密化時(shí)間早于烴源巖大量排烴時(shí)間[7]，因此致密儲(chǔ)層的形成與分布為“連續(xù)型”致密砂巖氣大規(guī)模成藏提供條件.

3.3 蓋層

圖5 庫車拗陷東部侏羅系阿合組儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)Fig.5 Carbonate cementation in Jurassic Ahe formation，eastern Kuqa depression

庫車拗陷侏羅系阿合組致密砂巖氣藏除了具有優(yōu)越的源巖和儲(chǔ)層條件之外，還具有良好的蓋層條件.致密砂巖氣藏對(duì)氣藏底部的封堵有一定的要求[22].底部良好的封堵可以保證浮力在天然氣運(yùn)聚過程中不起作用，天然氣在氣體分子膨脹力的作用下，以活塞式整體推動(dòng)上方的地層水，使天然氣可以在水下方聚集，形成氣水倒置的分布特征.阿合組下伏三疊系烴源巖層為致密砂巖氣藏提供豐富物源的同時(shí)，也為氣藏提供良好的封堵條件，保障天然氣在致密儲(chǔ)層中以分子膨脹力為動(dòng)力，整體驅(qū)動(dòng)地層水向構(gòu)造上傾部位聚集成藏.因此，三疊系源巖層與阿合組儲(chǔ)層形成“源儲(chǔ)緊鄰、源蓋一體”的成藏模式.

阿爾伯達(dá)盆地Joli Fou海相頁巖層封蓋下白堊統(tǒng)的致密儲(chǔ)層，為致密砂巖氣成藏提供保護(hù)作用[23].與阿爾伯達(dá)盆地Joli Fou海相頁巖層相似，阿合組致密儲(chǔ)層上覆陽霞組巨厚的煤系地層，該地層分布較穩(wěn)定，可以有效降低致密儲(chǔ)層中天然氣散失的速率，有利于阿合組致密砂巖氣藏大規(guī)模的形成；阿合組致密儲(chǔ)層下伏三疊系湖沼相地層除了可以作為有效烴源巖外，還可以作為蓋層保護(hù)阿合組致密儲(chǔ)層中的天然氣發(fā)生散失.

3.4 構(gòu)造活動(dòng)

“連續(xù)型”致密砂巖氣藏的發(fā)育與分布對(duì)構(gòu)造條件具有一定的要求.一般認(rèn)為致密砂巖氣藏形成分布在構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的位置.庫車拗陷經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中喜山晚期近南北向的擠壓作用顯著.晚期強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓對(duì)致密砂巖氣的成藏具有明顯的控制作用.

構(gòu)造活動(dòng)對(duì)致密砂巖氣藏的控制作用主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：后期快速沉降有利于氣源巖快速成熟、大量生排烴，為致密氣藏提供充足的氣源；構(gòu)造裂縫對(duì)致密砂巖氣藏具有一定的調(diào)整改造作用.

喜山運(yùn)動(dòng)晚期南北向構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，庫車拗陷在巨大的擠壓應(yīng)力下呈現(xiàn)擾曲沉降，三疊系烴源巖演化速度加快，迅速進(jìn)入生排氣高峰時(shí)期.分析庫車拗陷三疊系烴源巖熱演化史（見圖6），喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)前，三疊系烴源巖熱演化速率較慢，Ro為0.50%～0.75%；經(jīng)歷喜山晚期構(gòu)造活動(dòng)后，三疊系烴源巖Ro迅速增加為1.50%，烴源巖進(jìn)入生氣高峰.因此，充足的氣源、晚期持續(xù)排烴有利于形成大規(guī)模的致密砂巖氣藏.

晚期構(gòu)造活動(dòng)對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的改造活動(dòng)具有兩面性.一方面，構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生大量的構(gòu)造裂縫，酸性水沿著裂縫向致密儲(chǔ)層中運(yùn)移，形成溶蝕孔洞，改善致密儲(chǔ)層的物性，局部物性較好的位置形成天然氣聚集的良好場(chǎng)所，即“甜點(diǎn)”.依南2井局部裂縫發(fā)育井段的天然氣含氣飽和度比無裂縫發(fā)育井段的高.另一方面，與川西拗陷、鄂爾多斯盆地相似，庫車拗陷晚期劇烈的構(gòu)造活動(dòng)形成的斷裂、裂縫對(duì)致密砂巖氣藏具有不同程度的破壞[24-25].當(dāng)裂縫發(fā)育在致密砂巖氣藏的邊界時(shí)，根據(jù)力平衡原理[11]建立的原始致密砂巖氣藏邊界將被破壞，致密氣藏發(fā)生萎縮，甚至消失.

依南2致密砂巖氣藏中，依深4井、依南4井阿合組地史時(shí)期為氣層，現(xiàn)今表現(xiàn)為水層，主要是由于后期發(fā)育的斷裂裂縫改善儲(chǔ)層的物性，使該部位的孔喉半徑大于“連續(xù)型”致密砂巖氣成藏的臨界孔喉半徑，天然氣不能在致密儲(chǔ)層中聚集成藏（見圖7）.

圖6 庫車拗陷東部三疊系塔里奇克組烴源巖熱演化Fig.6 Geothermal evolution of Triassic source rock in eastern Kuqa depression

圖7 庫車拗陷東部依南2氣藏氣水分布Fig.7 Gas and water distribution in Yi'nan 2 gas reservoir，eastern Kuqa depression

4 成藏條件

良好的源儲(chǔ)配置關(guān)系及烴源巖晚期大量排烴為侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣成藏提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ).因此，在構(gòu)造下傾部位、與烴源巖廣泛接觸的致密砂巖具有優(yōu)越的成藏條件.其次，致密砂巖的廣泛分布為致密砂巖氣藏形成優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集條件.而且下侏羅統(tǒng)阿合組儲(chǔ)層致密化時(shí)間較早，與烴源巖排烴時(shí)間具有良好的耦合關(guān)系，有利于“連續(xù)型”致密砂巖氣藏的形成.微觀上，儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)性對(duì)氣水分布具有良好的控制作用：儲(chǔ)層物性太好或太差都不利于天然氣的聚集成藏，而且儲(chǔ)層非均質(zhì)性是 “連續(xù)型”致密砂巖氣藏中存在“甜點(diǎn)”的必要條件.當(dāng)氣源充足時(shí)，天然氣可以在低孔低滲的儲(chǔ)層內(nèi)連續(xù)成藏，但是成藏過程中優(yōu)先在相對(duì)高孔滲的儲(chǔ)層中聚集，形成“甜點(diǎn)”.蓋層的底封作用減少天然氣的散失，對(duì)“連續(xù)型”致密砂巖氣藏具有良好的保護(hù)作用.側(cè)向構(gòu)造擠壓導(dǎo)致地層快速埋深，有利于烴源巖的熱演化，對(duì)致密砂巖氣藏的形成具有促進(jìn)作用，但是后期斷裂的形成改變氣藏的氣水分布規(guī)律.因此，與源巖緊密接觸、儲(chǔ)層物性較好、良好的底封條件、適當(dāng)?shù)臉?gòu)造活動(dòng)是形成“連續(xù)型”致密砂巖氣藏的有利條件.

5 結(jié)論

（1）庫車拗陷東部三疊系湖沼相沉積厚度大，分布廣泛，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度大，成熟度高，是一套優(yōu)質(zhì)氣源巖，晚期大量排烴為致密氣藏的形成提供充足的氣源.

（2）侏羅系阿合組致密儲(chǔ)層分布廣泛，儲(chǔ)層致密化時(shí)間早于烴源巖大量排烴時(shí)間，有利于“連續(xù)型”致密砂巖氣聚集成藏.儲(chǔ)層的物性條件是氣水分布的重要控制因素，物性太好或太差都不利于天然氣聚集.

（3）與致密儲(chǔ)層緊密相鄰的泥巖、煤層減少天然氣的散失量，為致密砂巖氣的大規(guī)模成藏提供保護(hù)作用.

（4）構(gòu)造活動(dòng)對(duì)致密砂巖氣的成藏控制作用具有兩面性：一是促進(jìn)烴源巖演化，為致密砂巖氣成藏提供充足的物源；二是構(gòu)造活動(dòng)對(duì)致密砂巖氣藏具有調(diào)整改造的作用.

（5）充足的氣源巖、廣泛分布的致密儲(chǔ)層、良好的源儲(chǔ)配置關(guān)系、有效的蓋層條件，以及適當(dāng)?shù)臉?gòu)造活動(dòng)是庫車拗陷東部侏羅系“連續(xù)型”致密砂巖氣藏形成的有利條件.

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TE121.2

A

2095-4107（2014）04-0001-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.04.001

2014-02-19；

陸雅玲

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2011CB201105）

袁文芳（1976-），女，博士，工程師，主要從事沉積學(xué)與儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)方面的研究.