随着浅层油气勘探开发难度不断加大，深层、超深层逐渐成为油气勘探的重要新领域，并在近两年取得了新的发现^[1-8]。国内学者将埋藏深度范围为3500~4500m的油气藏称为深层油气藏，将埋藏深度大于4500m的油气藏称为超深层油气藏；国外将埋藏深度大于4000m的油气藏称为深层油气藏^[9-10]。全球深层油气田主要分布于墨西哥湾、中南美和非洲的位于大西洋两岸的地区、澳大利亚西北海岸地区、中东和西西伯利亚^[11]，其中美国墨西哥湾Kaskida油气田目的层埋深为7356m，可采储量约为1×10⁸t油当量，是全球已发现最深的海上砂岩油气田^[12]。21世纪，中国在深层—超深层油气勘探领域获得了一系列重大发现：塔里木盆地库车坳陷在6000~7000m深度发现了大北、克深等大型气田。其中Ks7井和Ks902井钻井深度超过8000m，创造了中国陆上钻探探井的新纪录^[13]。由于深层储层埋深大，经历了多期盆地构造运动改造和多期盆地流体活动变迁，通常表现为高温、高压、物性差、孔隙结构与成因复杂，因此，与中浅层储层相比，成岩作用对深层优质储层的分布具有更重要的控制作用^[14-15]。影响深层储层物性的因素也丰富多样，主要有沉积相带、岩石成分、成岩流体性质、成岩压力环境、地层埋藏方式、构造应力、烃类充注、膏盐效应、古地温等。不同沉积背景下深层优质储层的主要控制因素不同^[14-17]。

库车坳陷油气资源十分富集，主要分布于侏罗系、白垩系、古近系及新近系等层位，深层—超深层砂岩储层天然气资源分布广泛^[18-19]。20世纪末期，库车坳陷依南地区下侏罗统砂岩储层就发现了天然气，1998年，Yn2井在阿合组砂岩储层中获得高产气流，拉开了在库车坳陷侏罗系寻找油气的序幕。2011年，Dx1井在阿合组钻遇高产油气流^[20]。2018年，Td2井在阿合组和阳霞组获得工业油气流，掀起了库车坳陷侏罗系新一轮勘探热潮。库车坳陷依奇克里克地区中—下侏罗统埋藏深度大，一般在4000m以下，储层主体埋藏深度为4000~5000m，砂岩孔隙度为1%~12%，渗透率为0.01~10.00mD，为典型的低孔低渗到特低孔特低渗储层, 储层成岩作用复杂、非均质性强、勘探风险与难度大^[20-22]。本文综合利用铸体薄片、扫描电镜、物性分析、X射线衍射、镜质组反射率(R_o)和钻井与测井资料，结合区域沉积相展布、埋藏史和古地温资料对研究区中—下侏罗统储层成岩作用及其物性主控因素进行分析，明确中—下侏罗统深层优质储层物性控制因素，以期对库车坳陷依奇克里克地区侏罗系油气勘探有所帮助。

库车坳陷位于塔里木盆地北部，北与南天山造山带相邻，南与塔北隆起相接，呈NEE向展布，是一个在古生代被动陆缘和中生代陆内坳陷基础上发育起来的新生代再生前陆盆地^[23]。库车坳陷东部自北向南划分为依奇克里克构造带、秋里塔格构造带和阳霞凹陷^[24](图 1)，侏罗系自下而上划分为下侏罗统阿合组和阳霞组、中侏罗统克孜勒努尔组和恰克马克组及上侏罗统齐古组和喀拉扎组^[25]。本次研究对象是库车坳陷东部的依奇克里克地区中—下侏罗统阿合组、阳霞组和克孜勒努尔组。阿合组为辫状河三角洲沉积，发育平原亚相辫状河道和前缘亚相水下分流河道砂体，岩性以灰色—灰白色厚层砂砾岩、含砾粗砂岩、中粗砂岩为主，局部夹灰绿色中—细砂岩、暗黑色泥岩及煤线，其中砂岩厚度占地层厚度的80%~90%，砂体厚度大、泥质夹层少、岩性粗、分选差、区域稳定分布。阳霞组沉积时期水体加深，发育辫状河三角洲前缘及湖泊—沼泽相沉积，煤层发育，岩性为灰色砂(砾)岩、深灰色—浅绿色泥岩、碳质泥岩、煤岩互层的煤系地层，其中砂岩厚度占地层厚度的30%。克孜勒努尔组沉积时期出现大范围的滨浅湖沉积环境，岩性为灰色与灰绿色中层或厚层粉砂岩、细砂岩夹黑色碳质页岩，下部夹薄煤层^[25-26]。

图 1

图 1 研究区区域位置图 Fig. 1 Location map of the study area

库车坳陷依奇克里克地区中—下侏罗统储层岩石类型主要为岩屑砂岩，部分为长石岩屑砂岩(图 2)。储层成分成熟度低，研究区中侏罗统克孜勒努尔组储层石英含量一般为25%~60%(平均为36.58%)，长石含量一般为7%~23%(平均为10.19%)，岩屑含量一般为37%~70%(平均为53.23%)，岩屑组分均以浅变质岩类和火山岩类为主，其次为石英质岩类。下侏罗统阳霞组储层石英含量为15%~60%(平均为32.32%)，长石含量为2%~20%(平均为4%)，岩屑含量为26%~85%(平均为61.12%)。下侏罗统阿合组石英含量一般为20%~70%(平均为53%)，长石含量为2%~25%(平均为12%)，岩屑含量一般为20%~75%(平均为33%)。下侏罗统储层岩屑成分主要是中酸性喷出岩及花岗岩，沉积岩岩屑最少。中—下侏罗统储层碎屑颗粒分选中等—较好，颗粒磨圆以次圆状—次棱角状为主，结构成熟度中等，颗粒以点接触—线接触、凹凸接触—线接触为主，胶结类型主要为孔隙式。砂体粒级偏粗，主要为砂砾岩、含砾粗砂岩和中粗砂岩。

图 2

图 2 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层岩石成分 Fig. 2 Rock composition of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area

实测岩心物性数据统计结果表明，依奇克里克地区中—下侏罗统储层孔隙度主要为4%~12%，平均为7.21%，储层渗透率为0.1~10mD，平均为9.15mD，部分储层渗透率较高(图 3)。岩心观察、岩石铸体薄片和扫描电镜分析表明，中—下侏罗统砂岩储集空间类型主要为次生溶蚀孔(图 4a—d)和构造裂缝(图 4e—i)，原生孔隙基本消失。

图 3

图 3 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层物性分布柱状图及孔隙度与渗透率相关性图 Fig. 3 Histogram of physical property distribution and correlation between porosity and permeability of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area

图 4

图 4 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层孔隙及裂缝特征 Fig. 4 Pore and fracture characteristics of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area

成岩作用是储层改造的主要因素，依奇克里克地区中—下侏罗统储层埋藏深度大、成岩作用强烈，成岩作用主要有压实作用、压溶作用、胶结作用、溶蚀作用。

压实作用与压溶作用是导致依奇克里克地区中—下侏罗统储层孔隙度变差的主要原因之一。研究区岩石颗粒接触形式主要为线接触，表现为塑性云母颗粒及岩屑的压实变形，部分为凹凸接触或缝合线接触。研究区储层经受的压实作用有两个阶段：一是中新世前正常埋藏压实作用，主要发生在埋藏深度0~1500m范围内，为早成岩A期阶段，碎屑岩内颗粒由分散点接触变为线接触；二是中新世以后由喜马拉雅运动引起的构造侧向挤压压实，发生在埋藏深度3000~5000m处，R_o为0.7%~1%，地层温度为80~140℃，成岩作用主要表现为经历了长期浅埋藏阶段且腐殖酸溶蚀的长石和岩屑颗粒被压垮，后者导致研究区储层压实异常强烈，是孔隙度变差的一个重要因素。后期侧向挤压可使砂岩发育大量裂缝(图 4e—i)，研究区裂缝的发育对中—下侏罗统储层物性的改善非常重要。

通过大量薄片观察统计了粒间胶结物体积率和负胶结物孔隙度，计算了研究区中—下侏罗统各层段储层压实作用和胶结作用损失的孔隙量(表 1)，压实减孔量平均为33.28%，胶结减孔量平均为2.68%。

表 1

表 1 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层压实减孔量、胶结减孔量评价表 Table 1 Evaluation results of porosity reduction by compaction and cementation of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area 层位 井 现今孔隙度/% 原始孔隙度/% 粒间胶结物体积率/% 负胶结物孔隙度/% 压实减孔量/% 胶结减孔量/% 井深/m 克孜勒努尔组 Yn4 8.24 40 6.17 14.41 29.90 4.33 2808.00~3220.00 Yx1 4.19 40 6.16 10.35 33.07 4.12 2364.00~2899.00 阳霞组 Yn2 9.68 40 3.04 12.72 31.26 2.09 4542.15~4553.85 6.17 40 1.50 7.67 35.02 0.97 4534.70~4541.01 4.91 40 3.35 8.26 34.60 2.19 4690.00~4730.00 Yn4 5.24 40 5.45 10.69 32.82 3.66 3661.00~3887.00 7.24 40 7.32 14.56 29.78 5.14 4117.00~4127.00 Yx1 2.15 40 5.26 7.41 35.20 3.41 3088.00~3683.00 阿合组 Yn2 5.37 40 2.45 7.82 34.91 1.59 4731.00~4748.76 9.06 40 4.25 13.31 30.79 2.94 4749.25~4758.06 4.38 40 2.25 6.63 35.74 1.45 4758.65~4788.50 4.25 40 2.25 6.50 35.83 1.44 4841.04~4843.00 3.24 40 4.00 7.24 35.32 2.59 4897.90~4901.90 Yn4 8.81 40 3.69 12.50 31.43 2.53 4374.48~4381.73 5.76 40 4.79 10.55 32.92 3.21 4407.06~4412.61 9.20 40 3.00 12.20 31.66 2.05 4451.17~4454.24 5.85 40 2.46 8.31 34.56 1.61 4454.73~4467.61 9.39 40 2.70 12.09 31.75 1.84 4552.34~4566.35 6.95 40 2.20 9.15 33.96 1.45 4647.15~4649.36 Kz1 2.65 40 4.68 7.33 35.25 3.03 4356.00~4388.00 Yx1 3.57 40 6.83 10.40 33.04 4.57 4009.00~4013.00

表 1 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层压实减孔量、胶结减孔量评价表 Table 1 Evaluation results of porosity reduction by compaction and cementation of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area

研究区侏罗系砂岩储层胶结类型多样，主要以硅质胶结和自生黏土矿物胶结为主，可见少量碳酸盐胶结、黄铁矿胶结和石盐晶体胶结。自生石英常以石英次生加大边的形式环绕石英颗粒增长，自生石英微晶多生长于石英碎屑颗粒表面或充填于粒间孔隙内，扫描电镜下可见典型的六方柱状。自生高岭石常呈斑点状集合体充填粒间孔隙，阳霞组及克孜勒努尔组储层中长石高岭石化现象普遍存在，与煤系地层形成的酸性环境有关。伊利石主要分布在埋藏深度大于4000m范围, 呈片状和毛发状，以孔隙搭桥式把砂岩孔隙充满。总体而言，储层成岩胶结作用较弱。

同生期至浅埋藏期，煤系地层中水生、陆生植物分解产生的腐殖酸和早成岩B期—中成岩A期富含Ⅲ型干酪根有机质热演化产生的有机酸和大量CO₂在压实作用驱动下随流体进入储层，对长石、富含长石的岩浆岩岩屑和变质岩岩屑骨架颗粒进行溶蚀，可产生大量次生溶蚀孔隙(图 4a—d)，但由于后期强烈构造挤压，大量溶蚀孔被破坏。薄片观察显示，溶蚀作用形成的孔隙净增量一般为3%左右。

研究区中—下侏罗统储层中伊/蒙混层占比为10%~20%，平均为18%，镜质组反射率为0.7%~1.3%，储层内石英次生加大为Ⅰ—Ⅱ级，同时可见铁方解石胶结物。依据碎屑岩储层成岩阶段划分标准，中—下侏罗统储层目前已演化至中成岩A2期。结合储层镜下成岩特征恢复其成岩序列及孔隙演化过程(图 5)。依奇克里克地区中—下侏罗统储层成岩序列及孔隙演化可以分为两个阶段(图 5a)。第一阶段为初期沉积埋藏压实减孔和随后长期浅埋藏期腐殖酸溶蚀增孔。该阶段主要发生在新近纪之前，成岩阶段为早成岩—中成岩A1期，中—下侏罗统煤系地层长期处于腐殖酸大量生成的深度(小于3000m)和温度范围(小于70℃)，R_o小于0.6%，成岩环境为孔隙流体中富含腐殖酸的常压开放成岩环境，发生的成岩反应为长石类矿物与腐殖酸反应生成大量的高岭石和一期石英加大边，并伴随发育大量的粒间溶孔和粒内溶孔，具有显著的增孔效应，但砂岩骨架抗压能力被破坏。第二阶段为后期快速深埋侧向挤压压实减孔和大量伊利石生成胶结减孔阶段，并伴随发育大量裂缝改善储层渗透率(图 5b)。该阶段发生在新近纪之后，成岩阶段为中成岩A1—A2期，埋藏深度为3000~5000m，R_o为0.7%~1%，地层温度为80~140℃。该阶段发生的成岩反应为富含溶蚀孔的长石和岩屑被压实压垮减孔；胶结成岩作用使长石和岩屑颗粒在封闭高温高压成岩环境中与有机酸反应生成大量伊利石(图 5c)、自生石英和多期石英加大边，且早期生成的高岭石在富含K⁺的环境中向伊利石大量转化(图 5d)，大量伊利石以搭桥式充填胶结于粒间溶孔和粒内溶孔内，破坏孔喉。新近纪之后，喜马拉雅运动引起强烈的构造挤压，大量裂缝的发育大大改善了储层渗透率。由储层渗透率随深度变化趋势可以看出，随着地层埋藏深度由3000m到5000m，渗透率大大增加(图 5b)。储层压实减孔量可达29%~36%，储层胶结减孔量平均为2.68%(表 1)，储层溶蚀增孔量为3%，从而预测了储层的孔隙演化。现今依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层孔隙度为4%~12%，平均为7.21%；储层渗透率集中于0.1~10mD，平均为9.15mD。

图 5

图 5 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层物性和黏土矿物含量随深度变化图 Fig. 5 Physical properties and clay mineral content change with depth of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area (a)孔隙度随深度变化图；(b)渗透率随深度变化图；(c)伊利石含量随深度变化图；(d)高岭石含量随深度变化图

新近纪之后，由于喜马拉雅运动，依奇克里克地区中—下侏罗统快速深埋挤压，前期经历了漫长腐殖酸溶蚀的长石和岩屑骨架颗粒被压实压塌减孔，以及深埋封闭高温高压且富含有机酸流体的成岩环境中大量伊利石、石英微晶和多期石英加大边胶结减孔，是储层低孔隙度的原因(图 6)。与此同时，强烈的构造剪切挤压作用使得砂岩发育大量裂缝，大大改善了这一类型储层的渗透率，使得储层具有较高渗透率。依奇克里克构造带Tz1井以西至库车河地区的裂缝—孔隙型储层为有利储层。Yn2井、Yn4井、Ys4井、Kz1井、Yx1井等的裂缝发育段均属于这种类型。砂岩孔隙度为8%~12%，渗透率为1~50mD, 喉道半径为1~3μm。(微)裂缝发育是这类储层的重要特点，且为低基质孔隙度下具备相对较高渗透率的必要条件。当(微)裂缝很发育时，孔隙度可达12%，相应的渗透率可达50mD，甚至超过50mD，如Yn2井阳霞组4542.00~4554.00m井段和Yn4井4552.34~4566.35m井段。储层岩性多为中粗砂以上粒级砂岩。该类型储层在气源较充足的情况下也可获得(高产)工业气流，如Yn2井阿合组储层。

图 6

图 6 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层伊利石含量与物性交会图 Fig. 6 Cross plot of illite content and physical properties of sandstone reservoirs in Middle-Lower Jurassic in the Yiqikelike area

沉积水动力条件决定了碎屑岩沉积物的粒度和分选，从而影响储层后期的成岩和物性演化。辫状河河道发育大型层系，岩相以板状交错层理及槽状交错层理含砾粗砂岩、粗砂岩及中砂岩为主，砂体平均孔隙度为8.42%, 平均渗透率为3.294mD。水下分流河道发育大型前积层砂体，岩相以大型板状交错层理粗砂岩为主体，平均孔隙度为6.76%，平均渗透率为1.893mD；心滩砂体平均孔隙度为6.79%，平均渗透率为1.464mD；而河口坝砂体岩相以中型槽状交错层理细砂岩为主，平均孔隙度为4.98%，平均渗透率为0.343mD(图 7)。辫状河河道和水下分流河道砂体粒级相对较粗，而河口坝及心滩砂体粒级相对偏细，不同粒级储层与其物性相关性统计表明，储层粒径大小与其物性之间存在良好的正相关性，粗砂岩物性显著优于中砂岩和细砂岩，不等粒砂岩因分选差而储层物性相对较差(图 8)。

图 7

图 7 依奇克里克地区中—下侏罗统沉积微相对储层物性影响 Fig. 7 Influence of sedimentary microfacies of Middle-Lower Jurassic on reservoir physical properties in the Yiqikelike area

图 8

图 8 依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层粒度对储层物性影响 Fig. 8 Influence of grain size of sandstone reservoirs in Middle Lower Jurassic on reservoir physical properties in the Yiqikelike area

构造—埋藏成岩压实是控制储层性质的最重要的因素，研究区储层压实减孔量一般超过30%，同一砂体不同微相(层段)间储层压实减孔量差异显著，砂岩粒级相对粗的微相(层段)储层压实减孔量低于砂岩粒级相对细的微相(层段)。储层中发生溶蚀作用，产生了一些溶蚀孔，溶蚀增孔量在3%左右，提高了储层的孔隙度(但对渗透率影响不大)。

由于研究区中—下侏罗统储层成岩压实普遍较强，局部甚至极强烈，粒间常呈嵌合状，残存孔隙度往往孤立状分布而缺乏连通性，所以储层物性尤其是渗透率很差(常小于1mD)。这类渗透率较低的砂岩储层在构造应力作用下易产生裂缝，裂缝的发育能极大地改善储层的物性。虽然裂缝(隙)增加的孔隙度有限(一般小于1%)，但使孤立状分布的孔隙相互连通，因而储层渗透性大为提高，渗透率呈数量级递增。裂缝的发育是依奇克里克地区中—下侏罗统优质储层发育的主要控制因素。

对Yn4井和Yn2井阳霞组和阿合组铸体薄片进行了(微)裂缝发育情况的详细观察统计，发现储层不同程度地发育微裂缝。对Yn2井、Yn4井下侏罗统储层物性统计表明，渗透率大于1mD的储层均不同程度地发育微裂缝(图 9)。Ys4井、Yn5井的资料同样表明，裂缝发育层段储层的渗透率一般大于1mD。

图 9

图 9 依奇克里克地区下侏罗统储层裂缝发育程度与孔隙度和渗透率关系图 Fig. 9 Relationship between development degree of fractures with porosity and permeability in Lower Jurassic reservoirs in the Yiqikelike area

基于大量样品实验研究分析了库车坳陷依奇克里克地区中—下侏罗统砂岩储层特征及其主控因素，认为中—下侏罗统砂岩储层为低孔低渗储层，部分储层渗透率较高。储层孔隙度低主要与早期遭受腐殖酸长期溶蚀的砂岩后期快速深埋压实压垮减孔和后期大量伊利石原地沉淀堆积胶结减孔相关，部分储层渗透率高主要与砂岩经历构造挤压所发育的大量裂缝相关。粗砂级沉积微相是优质储层形成的沉积基础，大量裂缝发育可大大改善储层渗透率。

前人对该地区中—下侏罗统储层的研究主要集中于成岩作用和优质储层的主控因素，认为溶蚀作用是改善该区储层的主要成岩作用，有利储层主要分布于强溶蚀层段，但由于该区储层在浅埋藏阶段经历了腐殖酸长期溶蚀，抗压实能力降低，早期的溶蚀孔在后期快速深埋阶段易被压实压垮，且深埋藏、高温封闭成岩阶段有机酸溶蚀砂岩会沉淀大量黏土矿物破坏储层物性。本研究认为，该区中—下侏罗统储层溶蚀作用增孔量有限，具有较强抗压实能力且裂缝发育的层段是优质储层段。

本研究从储层特征、成岩演化方面和有利储层主控因素方面对库车坳陷中—下侏罗统储层进行了分析，相对还不够精细，为了更好地明确中—下侏罗统储层的主控因素，还应该结合成像测井和地震资料，进一步量化分析不同沉积微相下的水动力条件、砂岩结构特征、泥质含量等对储层抗压实能力和裂缝发育特征的影响，更加深入地了解该区中—下侏罗统优质储层的主控因素，为该区后续的勘探开发提供帮助。