成岩流体对超深致密砂岩储层构造裂缝充填及溶蚀改造的影响:以塔里木盆地克拉苏油气田为例

The impact of diagenetic fluids on the structural fracture filling and dissolution alteration of ultra-deep tight sandstone reservoirs: a case study of the Kelasu oil and gas field in the Tarim Basin

摘要

塔里木盆地克拉苏油气区是我国“西气东输”的重要气源地,也是我国已建成的最大超深油气田。该区主要目的层组白垩系巴什基奇克组为一套中厚层细-中砂岩夹薄层泥岩建造,埋深主要介于6 000~8 000 m,储层基质孔隙度普遍低于10%,孔喉结构复杂,构造裂缝普遍发育,且有效裂缝网络对该类气藏高产稳产至关重要。同时,深埋高温压条件下,成岩流体沿裂缝快速活动,对储层裂缝有效性产生了差异影响。本文针对井下大量岩心构造裂缝开展CT扫描、主体薄片、阴极发光、激光共聚焦、扫描电镜等实验分析,系统研究了成岩流体在微裂缝尺度、岩心裂缝尺度、圈闭尺度、油气田尺度上对构造裂缝的成岩类型、配置关系、裂缝有效开度及影响分布范围。认为成岩流体对克拉苏油气田白垩系巴什基奇克组构造裂缝有效性的影响主要表现为裂缝面本身及周围储层孔喉的胶结充填及溶蚀作用,主体裂缝(超60%)胶结充填率不足5%,有效开度介于0.2~2 mm,成岩流体沿微裂缝胶结沉淀或溶蚀改造,但仅影响裂缝周围约4 mm~20 m范围,在岩石的差异矿物之间(一般为石英颗粒及长石颗粒)更易发生溶蚀;成岩流体垂向上沿背斜储层中上部50~150 m内的裂缝网络发生胶结、溶蚀作用,整体充填率约为60%~80%,在底水层中裂缝胶结充填率达60%~90%;平面上,成岩流体沿先期沉积水系迹线、顺构造裂缝活动,南北向影响距离为20~40 km,主要为方解石充填与胶结。由于高效沟通的裂缝网络位于目的层中-上部,应考虑在中部或中上部地层中钻完井,避开顶部的“基底式胶结”层,在北部区块针对裂缝中的方解石充填物大开度裂缝实施酸化压裂措施,提升储层整体渗流能力。

关键词

超深层 / 成岩流体 / 裂缝有效性 / 致密储层 / 塔里木盆地

Key words

ultra-deep / diagenetic fluids / effectiveness of structural fractures / tight reservoir / Tarim Basin

0 引言

天然气作为最清洁低碳的化石能源,是我国新型能源体系建设中不可或缺的重要组成部分,天然气灵活高效的特性还可支撑与多种能源协同发展,在碳达峰乃至碳中和阶段持续发挥积极作用^[1]。截至2022年底,天然气在一次能源消费总量中占比仅约8.4%^[1],因此,不断提升天然气产能,不仅对于国家能源保障提供有效助力,对居民空气质量改善及环境保护亦具有重要意义。根据国内外储层埋深的定义,不同国家通常将埋深超过4 000 m、4 500 m作为深层的划分界限^[2-3];我国对于储层埋深的划分,由于东西地区的低温梯度不同,东部盆地与西部盆地对于深层、超深层的划分也不同,通常将埋深超过6 000 m的地层称之为超深层^[4⇓-6]。对于“致密”砂岩储层的界定,通常将孔隙度<10%,储层基质渗透率<0.1 mD作为致密与否的判定标准^[7-8]。塔里木盆地库车坳陷克拉苏油气田是我国“西气东输”工程的主力气源地,该油气区主要目的层为白垩系巴什基奇克组,该套储层埋深普遍介于6 000~9 000 m,且储层基质孔隙度<10%,储层基质渗透率<0.05 mD,因此,属于超深致密砂岩储层^[9-10]。

砂岩储层中裂缝有效性的评价方法主要包括生产动态分析法^{[11⇓⇓-14]}、地应力数值模拟法^{[15⇓⇓-18]}、岩石破裂性质分析法^[19]、物理模拟实验法^[20]、地震资料属性分析法^[21]、岩心裂缝系统描述法^[22]、露头裂缝建模分析法^[23]及地质综合统计法^[24]等,单一的裂缝有效性评价方法具有一定的局限性。因此,往往采取多方法综合分析^[25],且研究由定性分析转向定量表征^[26]。裂缝网络为成岩流体运移提供了高速通道^[27⇓-29],同时,成岩流体对构造裂缝具有较大的改造影响,通常会改变岩石本身的力学性质进而改变裂缝的发育特征^[30],而对于构造裂缝发育后的成岩作用,往往是对裂缝周围已沟通空间的胶结及溶蚀等^[31],同时,成岩流体也会加速裂缝中的沉淀积累,形成不同类型的裂缝充填物或裂缝桥接^[25,31],而形成的这些桥接,为整个裂缝网络的张开性提供有效支撑,使其在后期的构造活动中保持张开状态。前人针对超深致密储层的成岩作用已开展了较系统的研究^[32⇓-34],认为在超深高温高压条件下,成岩效应更易加大储层孔喉联通的非均质性,对储集空间有效保存影响较大^[35-36],但针对超深致密砂岩储层中构造裂缝的成岩改造尚未见到系统报道,仅有部分学者对构造裂缝充填物及成岩环境开展部分研究^[10,37]。

针对研究区的构造裂缝研究,前人主要围绕储层的裂缝定量表征^[8,38]、裂缝组合方式^[39],裂缝分级^[40]、裂缝的发育规律^[41-42]开展了研究,成岩流体对该区储层的改造主要有胶结作用、溶蚀作用、交代作用^[43-44]等,并对成岩作用与构造裂缝关系开展了定性分析^[45⇓-47],但尚未有成岩流体对构造裂缝有效性改造方式、成岩流体对裂缝网络的宏观改造范围等方面的系统报道。针对以上问题,本文利用扫描电镜、阴极发光、激光共聚焦显微镜、裂缝充填物碳氧同位素年代学分析、CT扫描定量分析,结合电成像测井与区域成岩改造统计分析等技术方法,定量分析了成岩流体对裂缝开度、渗透性的影响,总结分析了裂缝成岩改造在空间上的影响范围,指出了成岩流体对构造裂缝有效性改造的发育模式及生产启示。该成果对超深砂岩储层地质领域的认识提升,具有一定科学意义,同时对该类储层的裂缝改造方法提供了借鉴参考。

1 地质背景

克拉苏油气田位于塔里木盆地库车坳陷北部,南天山山前,整体发育规模背斜型圈闭(图1a)。受多期构造逆冲挤压作用影响,库车坳陷为前陆冲断背景,克拉苏油气田被一系列近东西向分布的逆冲断裂分割不同类型的断背斜及冲起构造(图1a),目的层白垩系巴什基奇克组为一套三角洲前缘分流河道砂体,厚度约300 m,岩性组合主要为中-细砂岩夹薄层泥岩(图1b),构造裂缝非常发育。虽然储层具有埋深大、低孔、基质致密特征^[48],完井实测数据显示,单井产气量可达300万m³/d^[49],研究表明,规模有效的构造裂缝网络是该套储层测试高产的关键因素。同时,自克拉苏油气田投产以来,先后完钻气井约230口,发现同井的不同层段、井区间、区段间气井产能差异大,储层表现出强非均质性^[50],动态资料提示,构造裂缝有效性具有显著差异^[51-52]。

2 构造裂缝发育特征

构造裂缝一般指在构造作用下,在地层中形成的天然裂缝。克拉苏油气田白垩系巴什基奇克组经历多期大规模逆冲推覆构造挤压及深埋成岩改造,发育多种类型的构造裂缝及裂缝充填类型。该类裂缝往往与断层、褶皱伴生,且沿裂缝面发育充填物。按裂缝发育的力学成因,前人将构造裂缝划分为拉张型裂缝(张裂缝)和剪切型裂缝(剪裂缝)^[12]。通过系统的岩心构造裂缝观察及露头区构造裂缝描述,研究区主要发育逆冲挤压背景下的剪裂缝(图2)。剪裂缝主要表现为裂缝面平直且光滑,开度较小且均匀,岩心实测约0.2~3 mm,露头剪裂缝延伸距离约2~30 m,岩心纵向贯穿可达2 m。剪裂缝多以平行或共轭的方式成组出现,走向具有较明显的指向性。铸体薄片下可见到剪性微裂缝,裂缝面平直,且裂缝断穿骨架颗粒。

其次为张裂缝。张裂缝的裂缝面通常凹凸不平,裂缝沿走向延伸多分叉及合并。裂缝开度较大,岩心实测张裂缝开度3~7 mm,最高可达1~2 cm,沿走向裂缝开度变化大(图2)。该类裂缝空间延伸距离远,露头实测裂缝沿地层垂向贯穿可达200 m,单组沿走向延伸约200~300 m。主要以直立缝为主(与地层夹角>75°),但该类裂缝整体线密度较低。除张裂缝及剪裂缝之外,还发育一类走滑压扭背景下形成的张剪裂缝,裂缝面特征与剪切裂缝类似,平直而光滑,开度均匀,多见擦痕,反映裂缝面的位移特征。岩心实测裂缝开度为0.3~2 mm,该类裂缝通常线密度较高,主要形成于走滑压扭的应力环境中。三类裂缝在电成像测井中均表现为一系列的正余弦曲线(图2),裂缝倾角越高、曲线越高陡,反之,曲线越平缓。

3 成岩流体对裂缝充填及溶蚀改造

在沉积物深埋过程中,成岩作用逐步增强^[53]。库车坳陷克拉苏构造带白垩系巴什基奇克组砂岩在埋藏阶段经历了多期的成岩作用,包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用等。储层的压实主要为埋藏压实作用和构造压实作用。胶结作用主要包括硅质胶结(石英)、长石胶结(钾长石、钠长石)、碳酸盐胶结(方解石、白云石)、硫酸盐胶结(硬石膏)以及黏土、赤铁矿等胶结。溶蚀作用包括碎屑颗粒溶蚀和胶结物溶蚀。交代作用主要为方解石交代石英颗粒、白云石交代长石和岩屑。

3.1 构造裂缝的成岩作用类型

成岩流体对克拉苏油气田白垩系巴什基奇克组储层的改造主要为胶结充填及溶蚀作用。其中,构造裂缝的胶结充填类型分为方解石胶结、白云石胶结和硬石膏胶结,主要表现为对不同尺度裂缝本身的沉淀、充填以及对微裂缝周围孔喉的胶结。岩心观察表明,裂缝开度越小充填率越高,通常开度小于1 mm的构造裂缝均被完全充填。以克深501为例,岩心中不同走向、倾角的裂缝均被方解石矿脉充填,裂缝局部开度较大的位置具部分充填特征(图3a),相对应的,镜下微裂缝观察表明,方解石流体沿微裂缝对周边孔喉沉淀、胶结(图3b,c)。另外,裂缝的白云石及硬石膏充填也是研究区主要的成岩作用类型,主要分布在研究的南部区块(克深13、克深9等),白云石沿裂缝面均匀充填(图3d),并在期周围的储层孔喉中形成白云石、硬石膏的胶结物(图3e,f)。成岩流体对构造裂缝的溶蚀改造,体现在对前期裂缝充填的溶蚀,主要出现在开度较大的裂缝中,裂缝充填物面具有典型溶蚀痕迹,充填物自生矿物层表面被溶蚀后变得平整、光滑,局部见到港湾状、月牙状溶蚀残余物分布。

3.2 构造裂缝的有效开度与充填情况

大量的岩心观察表明,保留下来的构造裂缝有效开度主要介于0.2~2 mm。大多数(60%~80%)裂缝的开度<0.2 mm。克深13区块以及大北201区块岩心裂缝有效开度较大,主要介于0.5~2 mm,且克深13区块的岩心裂缝开度普遍较大,开度大于2 mm的裂缝占比超过40%(图4)。裂缝胶结物主要为钙质胶结物,包括方解石、白云石和硬石膏,其次为硅质胶结物。岩心观察表明,裂缝整体表现出局部充填特征,大多数开度小于1 mm的裂缝被胶结物完全充填(图4)。克深段的裂缝充填整体较弱,未充填裂缝占比达80%,大北段构造裂缝充填程度相对较高,全充填裂缝占比可达50%~70%;博孜段构造裂缝主要以半充填及未充填为主,合计占比约80%。

选取克深区块57块岩心样品,共计136条构造裂缝开展CT扫描,进一步分析裂缝充填情况。以克深503井为例,分辨率为9 μm精度下,扫描全直径岩心(约6.5 cm),截面图显示裂缝有效开启部分为暗色条缝,裂缝充填物为亮色片状、条状物(图5a),在选区取样后(样品直径2.5 cm),采取0.9 μm扫描精度,CT定量分析及统计表明,裂缝内部空间沟通良好(图5c),裂缝张开空间被充填物分割,呈片状不均匀连通(图5d),有效开启度介于0.2~1.5 mm,主值分布区间为0.2~0.6 mm。裂缝充填程度分析表明(图5e),低充填程度(0%~5%)的裂缝占比最高,超过60%,其次为较低(>5%~40%)充填程度的裂缝,占比约13%,全充填(>95%~100%)的裂缝占比超10%。

3.3 微裂缝与成岩流体配置关系

对于超深致密砂岩储层而言,微裂缝与孔喉的有效配置关系影响油气产能的高低及稳产高产的能力^[54]。笔者利用阴极发光、铸体薄片、CT扫描和激光共聚焦等实验分析手段,鉴定观察了共计62个含微裂缝的薄片及样品,将克拉苏气田区微裂缝与成岩流体的配置关系划分为2类:缝孔胶结型、缝孔改造型(图6)。缝孔胶结型表现为裂缝充填物(多为方解石及白云石)沿裂缝将裂缝周围孔喉胶结,裂缝充填物成分与孔喉胶结物成分一致。该类裂缝经裂缝充填物碳氧同位素测年分析证实多为喜马拉雅早期构造裂缝^[10,30]。缝孔改造型主要特征为微裂缝多为未充填或半充填状态,微裂缝与周围的孔喉有很好的沟通作用,成岩流体沿裂缝可见对周围孔喉的溶蚀,对基质孔喉的连通起到了很好的改造作用。裂缝充填物碳氧同位素测年证据表明^[55],该类裂缝多发育于喜马拉雅中-晚期,溶蚀作用往往伴随油气的充注。

4 成岩流体对裂缝体系的影响范围

4.1 成岩流体沿微裂缝的活动范围

成岩流体沿微裂缝的活动范围具有一定局限性。选取克深区块13块样品开展CT扫描、激光共聚焦实验、扫描电镜及铸体薄片显微镜镜下观察。0.9 μm CT扫描精度下,微裂缝与其周围孔喉呈团、片、聚带分布(图7a,b),表明成岩流体带来的胶结充填、溶蚀沟通局限于微裂缝周围。进一步的镜下微观定量分析表明,微裂缝可有效连通裂缝周围孔喉,但有效沟通距离约为微裂缝开度的20~100倍范围内的孔喉^[10,30],因此,成岩流体对微裂缝主要的影响范围为其周围开度20~100倍范围,由于该区的裂缝开度为0.2~2 mm。据此推测可知成岩流体沿微裂缝的活动范围约4 mm~20 m。同时,在微裂缝沟通的孔喉范围内,流体活动的溶蚀改造作用仍具有一定选择性:在岩石的差异矿物之间(一般为石英颗粒及长石颗粒)矿物更易被溶蚀,从而产生新的连通喉道,而同种矿物类型不易产生溶蚀孔隙。

4.2 成岩流体在垂向上的影响范围

区域地质研究表明,目的层巴什基奇克组与上覆膏泥岩、膏盐岩呈不整合接触^[56]。通过叠合不同区块取心相对不整合面的位置(图8),结合岩心观测的实际统计数据发现,不整合面附近的裂缝显示出较高的胶结物(充填物)含量(图8),表明上覆的石膏(盖层)流体对目的层上部裂缝有较大影响,推测早期缝网沟通上覆膏岩层,加快了Ca、Mg离子的输送,使成岩胶结作用与目的层上部缝网叠加,平均胶结物百分比为60%~80%,胶结物影响距离约为50 m(图8)。

向下胶结充填作用明显减弱,裂缝胶结充填率下降为约13%,岩心裂缝具有一定溶蚀特征,表明受限空间内成岩流体活动的范围受到限制,中上部气层中发生一定的酸性溶蚀作用。此外,根据对水区和气区填充裂缝的对比分析,下部水层中构造裂缝显示出较高的胶结物百分比(充填物),充填程度达60%~90%,反映了在目的层下部裂缝虽然形成时期不同,由于一直都在地层水体活动范围内,导致裂缝网络充填更强。

构造裂缝对成岩流体的导流能力也随深度变化而变化。由于克拉苏油气田区主要以干气、凝析油为主,对克深2区块的电成像资料系统统计表明,目的层中裂缝的导电性主要归因于裂缝中的填充矿物或流体。高阻缝主要表现为成岩矿物的充填(方解石、白云石及硬石膏),未充填或半充填的裂缝由于钻井泥浆侵入,因此表现为较高的导电性。整体而言,大部分的高阻缝(黄色、红色的蝌蚪图)主要位于目的层的上部(图9a),距顶约50~150 m(例如ks2-13,ks2-14,ks2-17,ks2-3),这与岩心观察的结果是一致的(图9b,c,d;其中图c为图b的滚扫照片),反映了富钙质成岩流体经目的层顶部的不整合面沿裂缝网络对储层成岩胶结的特征。相对而言,高导缝(浅蓝、深蓝色的蝌蚪图)主要位于目的层的下部,距底约50~100 m,反映了底部水层中裂缝连通性更好,充填虽然较高,但仍具有一定的渗透通道供地层水进入,因此,整体表现出导电的特征。除此之外,裂缝对成岩流体的垂向导流呈现更复杂的状态,以ks2-25井为例,高阻缝(黄色蝌蚪图)主要出现在该井的中部地层,反映了裂缝分布及成岩作用的多样性,推测为早期裂缝发育集中段。

4.3 成岩流体在平面上的影响范围

构造成岩环境对裂缝充填物的类型具有决定作用。克拉苏构造带巴什基奇克组为辫状河(扇)三角洲沉积环境,为山前物源,淡水搬运入宽浅湖的沉积背景,为淡水-半碱水介质成岩环境;而南部沉积期为盐湖,强蒸发使得成岩环境为偏碱性水介质^[10,12]。综合各井岩心裂缝充填物类型统计结果及沉积微相平面分布,克拉苏气田区充填物类型主要为方解石、白云石及硬石膏,并有石英充填物的发现^[57]。北部区块裂缝充填程度相对较高,充填裂缝占比约65%,其中,克深6区块充填的构造裂缝占比68%,克深24区块66%,岩心裂缝充填物主要为方解石,相比之下,克深8区块充填的构造裂缝占比约27%,克深9区块充填裂缝占比约26%,克深13区块为22%,岩心裂缝充填物主要为白云石及硬石膏。

成岩流体沿先期沉积水系迹线及顺构造裂缝活动。克拉苏构造带深层白垩系巴什基奇克组胶结物类型在平面上具有“波浪式”分布特征。方解石胶结物整体分布于克拉苏构造带北部,且东西向具有不同水系过渡的“湾区”特征,如博孜102、克深501、克深901等井区均位于方解石胶结北移的转弯区。方解石形成于淡水-半碱水介质富钙成岩环境,据此推测,方解石胶结物富集区为沉积期水系入湖区域。经系统对比平面沉积水系分布(图10),明确了成岩流体沿沉积水系迹线活动(图10)。博孜3—大北3—克深24—克深8一线(图中深色虚线)往北强胶结、强溶蚀,南北向影响距离为20~40 km;该分界线往南,沉积水系影响减弱,宽浅湖盆沉积背景,强蒸发使得成岩环境为偏碱性水介质,胶结物类型转变为白云石、膏岩盐,成岩活动减弱,东部克深段溶蚀影响范围更广,可延伸至克深13区块。

5 构造裂缝成岩模式与开发意义

前陆冲断背景下,构造挤压导致了缝网系统的发育,进而提高了超深层致密砂岩储层的渗透率,是不同成岩流体的通道^[58]。裂缝充填物年代学研究及构造裂缝组走向分析表明,克拉苏气田区受喜马拉雅运动影响,整体为近南北向的挤压应力,主要经历早期的缓慢挤压、中期的中速挤压和晚期的强烈快速挤压。早期(第一期)主要为应力缓慢累加阶段,裂缝走向主要为近南北向或与主应力成较小交角,裂缝延伸不远,在整个区块均有分布,裂缝密度整体较低。中期(第二期)中速挤压时期,随着挤压应力的逐步加大,进入褶皱弯曲阶段,轴部形成平行排列的张裂缝,同时,剪切裂缝组进一步发育。晚期(第三期)强烈快速挤压期,研究区内强烈的构造挤压作用最终促使断背斜成型,大量发育在背斜轴部、背斜高部位共轭剪切缝由于受到背斜上部形变影响,裂缝开度增大,在拉张应力的作用下变为张裂缝^[12]。第一、第二期裂缝形成时,储层埋深约2 000~3 000 m,来自顶部不整合面的富钙质成岩流体沿裂缝网络得以沉淀积累,形成一定的“顶钙”层(图11)。值得注意的是,早期裂缝由于挤压变形较弱,裂缝发育有限,因此,仅在早期褶皱的部分地区形成连片的“基底式胶结”层。同时,在天然气聚集的后期发育了大量裂缝,位于上部地层的裂缝表现出更大开度和长度,这些特征有助于油气在上层储层中迁移。下部地层的裂缝由于具有更小的开度和更高的密度,更容易被来自下部泥岩层的富钙离子流体胶结(图11)。裂缝和流体的联合作用导致了底部钙质胶结层的形成。最终,当气体在上层聚集时,上部酸性溶蚀作用继续,但较强的胶结作用发生于下部的水层。

成岩流体对构造裂缝有效性影响综合分析表明,成岩作用在裂缝周围影响具有一定局限性,且方解石充填、胶结在北部区块。因此,首先可以在实施垂直裂缝走向钻大斜度井的同时,对中上部地层中的大开度裂缝实施酸化压裂措施,南部区块仅开展大规模压裂即可,这样可以进一步对储层基质孔喉进行有效沟通;其次,应优先考虑在中部或中上部地层中钻完井,该项措施可以有效钻穿油气层,减少对底水的沟通连接,亦可以使下部充填程度高的裂缝对下部底水产生屏蔽作用,一定程度上提高油气藏的采收率。

6 结论

(1)克拉苏油气田白垩系巴什基奇克组发育3类构造裂缝:拉张型裂缝(张裂缝)、剪切型裂缝(剪裂缝)和走滑型裂缝(张剪缝)。成岩流体对构造裂缝有效性的影响主要表现为裂缝面本身及周围储层孔喉的胶结充填及溶蚀作用,半充填-全充填构造裂缝仅占比约25%,保留下来的构造裂缝有效开度主要介于0.2~2 mm。

(2)成岩流体沿微裂缝的活动范围具有一定局限性,影响裂缝周围约4~20 m范围,成岩矿物沿微裂缝胶结沉淀或溶蚀改造,使微裂缝与其周围孔喉呈团、片、聚带分布,在岩石的差异矿物之间(一般为石英颗粒及长石颗粒)矿物更易被溶蚀,从而产生新的连通喉道,而同种矿物类型不易产生溶蚀孔隙。

(3)垂向上,成岩流体顺目的层顶部不整合面,沿背斜中上部裂缝网络在储层中发生胶结、溶蚀作用,垂向上影响范围约50~150 m,裂缝面充填率约为60%~80%,局部井段表现异常高成岩集中分布,同时,在底水层中裂缝胶结充填作用更强(达60%~90%);平面上,成岩流体沿先期沉积水系迹线、顺构造裂缝活动,南北向影响距离为20~40 km。

(4)高效沟通的裂缝网络位于目的层中-上部,成岩流体沿早期裂缝网络易在目的层局部形成连片的“基底式胶结”,可针对大开度裂缝实施酸化压裂措施,提升储层整体渗流能力;同时,裂缝和流体的联合作用导致目的层底部钙质胶结层虽对底水有一定屏蔽作用,仍应优先考虑在中部或中上部地层中钻完井,进一步减少底水上侵风险。

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基金资助

中国石油天然气集团有限公司基础性前瞻性重大科技专项“叠合盆地中下组合油气成藏与保持机制研究(2023ZZ02)”