引用本文
冯佳睿, 高志勇, 崔京钢, 周川闽. 深层、超深层碎屑岩储层勘探现状与研究进展. 2016, 31(7): 718-736
Feng Jiarui, Gao Zhiyong, Cui Jinggang, Zhou Chuanmin. The Exploration Status and Research Advances of Deep and Ultra-Deep Clastic Reservoirs. Advances in Earth Science, 2016, 31(7): 718-736  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.07.0718.
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深层、超深层碎屑岩储层勘探现状与研究进展
冯佳睿, 高志勇, 崔京钢, 周川闽
中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心,北京 100083

作者简介:冯佳睿(1982-),女,河北张家口人,工程师,主要从事沉积储层方面的研究.E-mail:jrfeng2016@163.com

基金:国家科技重大专项“前陆冲断带及复杂构造区地质演化过程、深层结构与储层特征”(编号:2016ZX05003-001)资助
摘要

近年来,随着油气资源增长的需求和勘探理论方法的深入,深达5 000~8 000 m深层、超深层碎屑岩储层日益成为油气勘探的新领域。20世纪70年代末以来,我国对深层、超深层碎屑岩储层的研究已经开展了几十年,取得了一系列重大发现。在我国典型盆地大地构造背景和沉积环境影响下,深层、超深层碎屑岩储层经历了长期的埋藏、压实和溶蚀等作用,通常物性较好而形成有效储层。因此,有效储层形成的主控因素成为深层、超深层碎屑岩领域研究关注的焦点。研究发现:① 深部溶蚀作用是深层、超深层碎屑岩有效储层形成的普遍机理,主要通过有机质成熟产生的有机酸和无机酸等对粒间碳酸盐胶结物和长石、岩屑等易溶组分的溶蚀,从而形成次生孔隙。② 地温梯度越低,成岩强度越弱,砂岩孔隙度衰减速率越慢;早期长期浅埋、晚期快速深埋的过程能够有效保存原生孔隙。③ 异常压力能够延缓岩石受到的压实作用,抑制有机酸排出而有利于深层、超深层储层形成次生孔隙。④ 膏盐层会延缓成岩作用进程,形成物性和压力双重封闭,有利于膏盐层下砂岩孔隙的保存。⑤ 黏土膜如绿泥石黏土膜等,对深层、超深层碎屑岩储层高孔隙度的保存具有重要贡献。⑥ 成岩压实作用、早期烃类充注及碎屑颗粒成分等因素也会对有效储层的形成产生影响。对深层、超深层储层油气地质研究,要立足于陆上,加强海洋特别是深水区域油气勘探工作,同时要进一步加强油气地质勘探理论和勘探技术的创新。

关键词: 深层; 超深层; 碎屑岩; 溶蚀作用; 埋藏方式
中图分类号:P618.130.2+1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)07-0718-19
The Exploration Status and Research Advances of Deep and Ultra-Deep Clastic Reservoirs
Feng Jiarui, Gao Zhiyong, Cui Jinggang, Zhou Chuanmin
Petroleum Geology Research and Laboratory Center,Research Institute of Petroleum Exploration & Evelopment, Beijing 100083, China
Fund:Foundation item:Projet supported by the National Science and Technology Major Prject of the Minstry of Science and Technology of China “The geological evolution process, deep structure and reservoir characteristics in foreland thrust belt and complex structural area”(No.2016ZX05003-001)
Abstract

In recent years, with increasing demand for oil and gas, and advances in exploration methods, deep and ultra-deep (5 000~8 000 m) clastic reservoirs have become a new domain for oil and gas exploration. Research on deep and ultra-deep clastic reservoirs began in the 1970s and has achieved a series of major findings. Under the typical tectonic setting and sedimentary environment of basins in China, deep and ultra-deep clastic reservoirs, having experienced long-term burial, compaction, and dissolution, generally possess good physical properties and have become effective reservoirs. Therefore, the main controlling factors on the formation of such reservoirs have become the focus of research on deep and ultra-deep clastic rocks. Previous studies in this field have made the following findings. ①Dissolution is a general mechanism for the formation of effective deep and ultra-deep clastic reservoirs. Specifically, the organic and inorganic acids generated by organic matter maturation act to dissolve soluble carbonate cement components such as feldspar and lithic fragments, forming secondary pores. ②The lower the geothermal gradient and weaker the intensity of diagenesis, the slower the decrease in sandstone porosity. Thus, the process of long-term early stage shallow burial and rapid late-stage deep burial is conducive to the preservation of primary porosity. ③Anomalous pressure can delay the compaction of rock, inhibiting the expulsion of organic acids that are favorable for the generation of secondary pores in deep and ultra-deep reservoirs. ④Gypsum layers can slow the process of diagenesis, forming dual sealing by physical properties and pressure. This is conducive to the preservation of porosity in sandstone located below the gypsum layer. ⑤Clay film ( e.g., chlorite film) also plays an important role in preserving the porosity of deep and ultra-deep clastic reservoirs. ⑥The formation of effective reservoirs also can also be influenced by the factors of diagenetic compaction, early hydrocarbon filling and clastic particles composition. Geologic research on deep and ultra-deep reservoirs should focus on reservoirs on land as this will strengthen our understanding of offshore reservoirs, especially in deep waters. Moreover, further innovation in theory and technology of oil and gas exploration are required.

Keyword: Deep reservoir; Ultra-deep reservoir; Clastic rock; Dissolution; Burial mode.
1 引 言

随着世界各国对油气能源需求量的增加及研究技术和方法的不断进步, 油气勘探的步伐势必会向全新的领域迈进。近年来, 陆上深层、海洋深水与非常规油气等是油气勘探的三大领域, 而开发盆地的深部储层资源已成为许多国家扩大油气储量的重要途径[1, 2]。其中, 对深层、超深层碎屑岩油气藏的勘探, 已成为我国石油工业未来最重要的发展方向之一[3~7], 因此加强深部碎屑岩储层研究具有重要战略意义。钟大康等[8]对中国深层、超深层碎屑岩储层基本特征进行了总结, 归纳出分布深度范围广、发育时代跨度大等特点。我国深层、超深层碎屑岩储层在所处盆地的大地构造背景和沉积环境影响下, 由于经历了长期的埋藏、压实及溶蚀作用, 与其他储层相比, 深层、超深层碎屑岩储层通常物性较好, 大多可以形成利于油气聚集的有效储层。本文通过对前人大量研究资料的搜集整理, 对我国深层、超深层碎屑岩有效储层形成的主控因素及典型实例进行了深入研究和探讨。

2 全球深层油气勘探重大发现

据统计, 2000— 2009年, 全球已有70多个国家在深度超过4 000 m的地层中进行了油气勘探, 80多个盆地和油区在4 000 m以下的层系中发现了2 300多个油气藏, 共发现30多个深层大油气田, 其中, 在埋深大于7 000 m的超深层发现了34个油气田, 且资源储量十分可观(图1)。全球深层油气田主要分布于墨西哥湾、中南美和非洲位于大西洋两岸的地区、澳洲西北海岸地区以及中东和西西伯利亚[9]。在4 500~6 668 m深度内, 阿根廷、意大利、利比亚、墨西哥、美国、特里尼达和多巴哥所发现的石油占这些国家现今可采石油储量的31%以上。在墨西哥和美国, 深部工业油气田的发现率高达50%~71%, 其中有25个是巨型油气田[10]。美国墨西哥湾Kaskida油气田是全球已发现的最深海上砂岩油气田, 目的层埋深7 356 m, 可采储量(油当量)近1× 108 t[11]。美国巴尔湖油田, 油层深度达6 060 m, 美国华盛顿油田埋深达6 540 m[12, 13]。美国西内盆地阿纳达科凹陷米尔斯兰奇气田(Mills Ranch Field)是世界上已开发的最深碳酸盐岩气田, 目的层下奥陶统白云岩埋深7 663~8 103 m, 孔隙度为5%~8%, 平均渗透率为7× 10-3 μ m2, 单井产气量为6× 104 m3/d, 可采储量为365× 108 m3。2009年, 美国墨西哥湾在近海浅水区超深层发现Davy Jones气藏, 开采深度可达7 620 m, 可采天然气储量达到5 660× 108~17 000× 108 m3[14~17]。

图1 全球深层含油气盆地分布图(邹才能.中国陆上深层油气勘探前景. 内部资料, 2012:1-10.)Fig.1 Distribution map of the global deep oil and gas basins

3 中国深层油气勘探重大发现

进入21世纪, 我国油气勘探在深层— 超深层领域获得一系列重大突破:在塔里木发现轮南塔河、塔中等海相碳酸盐岩大油气区及大北、克深等陆相碎屑岩大气田。其中, 位于塔中隆起北斜坡带中西部的塔中Ⅰ 号气田下奥陶统鹰山组凝析气藏, 是中国第一个亿吨级的层间岩溶缝洞型特大凝析气田, 塔中4油田和塔中10油田属于构造型油气藏, 塔中1号油田属于台缘带礁滩型油气藏, 其他油田以似层状油气藏为主[18, 19]。

塔里木盆地库车坳陷具有丰富的天然气资源, 继克拉2大气田发现后, 在克拉苏断裂下盘克深区带6 000~7 000 m深层发现了大北、克深等大型气田, 为克拉苏盐下深层大气田的典型代表[20]。近年来, 随着勘探程度的不断深入, 塔里木油田在研究区特别是库车坳陷克拉苏构造带部署了一系列评价井, 以了解储层发育变化、气藏类型、含气规模等, 为克拉苏万亿方大气区提供参数和依据, 其中克深7井、克深902井等创造了中国陆上钻探深井的新纪录(表1)。

同时, 在我国中部地区的碳酸盐岩深部储层也获得了重大发现。普光气田是四川盆地近期发现的规模最大、埋藏最深、资源丰度最高的气田。2005年初经国家储委审查的三级储量超过3 500× 108 m3, 可采储量878.32× 108 m3, 资源丰度38.53× 108 m3/km2[21]。同时, 普光气田也是中国原油裂解气藏规模最大、天然气最干、硫化氢储量最多的气藏, 其岩心样品孔隙度平均值在8%以上, 最大可达28.86%, 是中国目前发现的碳酸盐岩储层次生孔隙最发育的气藏。

表1 我国最深的10口探井统计表 Table 1 The deepest 10 exploration wells in China

结合前人研究资料发现, 我国深层碎屑岩储层具有分布广、时间跨度大、储层物性差异大和孔隙类型多样等特点。

(1) 分布广

中国深层碎屑岩储层的深度分布范围较广, 在3 000~7 000 m 均有发育, 但大部分分布于3 500~4 000 m[22~27]。2005年国家储委颁发的《石油天然气储量计量规范》规定3 500~4 500 m为深层, 大于4 500 m为超深层。东部断陷盆地深层储层分布较浅, 多为3 000 m左右; 中部克拉通盆地深层碎屑岩储层的发育深度较大, 为3 000~4 500 m, 其中川西前陆盆地可达4 500 m; 西部挤压型盆地内深层碎屑岩储层发育的深度最大, 大多在4 000 m以上, 尤其是塔里木盆地, 深度可达到7 000 m以上。

(2)时间跨度大

我国深层、超深层碎屑岩储层时代跨越古生代、中生代到新生代[28~32] 。

Cao等[17]通过对全球约87个主要沉积盆地统计分析, 发现深部储层主要发育在5个地层, 分别为:上古生界, 侏罗系、白垩系、古近系和新近系。我国深部碎屑岩储层整体上表现出东新西老的特点, 东部断陷盆地发育的时代主要是新生代古近纪, 中西部盆地发育的时代既有古生代也有中生代[8]。

(3) 储层物性存在差异, 孔隙类型多样

我国深层、超深层碎屑岩储层埋深较大, 物性整体上存在差异, 西部挤压型盆地孔隙度和渗透率相对较高, 东部断陷型盆地较低, 中部克拉通盆地介于两者之间, 但是不同地区储层孔隙度整体基本均可达到10%[33, 34]。储层孔隙类型以残余粒间孔为主, 见溶蚀孔和微裂缝, 溶蚀孔以粒内溶孔最为常见, 溶蚀程度强烈可形成铸模孔。目前, 关于储层中大量粒间孔隙的归属问题还存在较大争议, 一些学者认为中深层异常高孔隙度储层储集空间以原生孔隙主导, 次生孔隙为辅[35~37]; 另一些学者则认为中深层异常高孔隙度储层储集空间以次生孔隙主导, 原生孔隙为辅或消失殆尽[38, 39]。

4 深层、超深层碎屑岩有效储层形成主控因素

深层、超深层碎屑岩有效储层的形成受到多方面因素的影响。我国许多学者就这一问题开展过长期而深入的研究[40~46]。普遍认为, 溶蚀作用、埋藏方式、异常高压等是主要因素, 而膏盐效应、黏土膜对原生孔隙的保存作用等也会对深层、超深层有效储层的形成具有积极贡献, 另外, 还应该考虑成岩压实作用、早期烃类充注和碎屑颗粒成分等因素的影响。

4.1 深部溶蚀作用

前人研究发现, 我国深部优质储层的形成几乎都与溶蚀作用有关, 主要是由有机质成熟产生的有机酸和二氧化碳(形成碳酸等无机酸)对粒间碳酸盐胶结物的溶蚀, 其次为长石和岩屑等物质的次生溶蚀, 溶蚀作用是形成我国深层、超深层优质碎屑岩储层最普遍的机理[47~55], 只是溶蚀程度因地区不同会有差异。

有机质脱羧是产生有机酸酸性流体的重要途径, 不同有机质类型, 如干酪根、煤及其组分、沥青和重质油等均可产生有机酸。应凤祥等[56]通过对我国主要含油气盆地油田水中有机酸分析发现, 中成岩A1阶段, 温度在80~120 ℃时, 有机质不断热演化生成有机酸和CO2, 此时有机酸溶液浓度最大, 对深部储层中碎屑颗粒的溶蚀作用强烈, 次生孔隙发育, 而地层中压力系数也开始增高, 碎屑颗粒的大量溶蚀发生在高温超压环境。通常认为, 异常高压能够减缓上覆沉积物的压实作用, 利于CO2溶解度的增大和酸性流体的运移, 促进长石和碳酸盐类矿物的次生溶蚀[57]。当温度升高至160~180 ℃时, 有机质降解生成部分CO2, 早期形成的有机酸发生脱羧作用释放CO2, CO2溶于水形成酸性流体, 为碎屑颗粒的二次溶蚀提供介质条件。

深层、超深层碎屑岩储层次生孔隙大量形成的同时, 自生黏土矿物和硅质胶结物等伴生的溶蚀产物也普遍发育。自生黏土矿物包括高岭石和伊利石等, 高岭石通常晶形较好, 集合体呈书页状或蠕虫状, 以充填粒间孔的形式产出[58]; 伊利石主要以片状、网状及蜂窝状等充填在颗粒溶孔内部或附着在颗粒表面。硅质胶结物表现为自生的石英加大边。研究者认为, 溶蚀产物能否被有效带出溶蚀区并进行长距离搬运, 是深部次生溶蚀作用改善储层物性的决定因素[59~61]。

在深部溶蚀作用中, 长石的溶解现象普遍存在, 常与钠长石生成相伴生, 多形成粒间溶孔、粒内孔及少量铸模孔。作者对库车迪北地区依南4井下侏罗统阿合组砂岩进行镜下薄片观察, 发现该区深层、超深层砂岩储层内的长石溶解现象主要有以下几种类型:① 长石的溶蚀从边缘开始逐渐向中心扩散, 溶蚀程度逐渐增强(图2a); ② 长石的溶蚀沿解理缝的方向扩展, 这是长石溶蚀作用较为常见的一种特征(图2b); ③ 长石的溶蚀程度强烈, 长石颗粒大部分被溶蚀, 仅剩少部分溶蚀残余(图2c), 甚至几乎被全部溶蚀, 形成铸模孔(图2d); ④ 长石颗粒溶蚀程度强烈, 已区分不出溶蚀作用发生的具体方式, 形成溶蚀扩大孔(图2e); ⑤ 长石颗粒发生溶蚀后, 溶蚀孔隙多被方解石充填(图2f), 有时则会被油气充注。远光辉等[62]选取普通和铸体薄片为研究对象, 对长石溶蚀量和溶蚀产物含量进行精确统计, 认为东营凹陷北带古近系沙河街组四段— 三段中亚段碎屑岩储层中长石溶蚀作用发生在高温封闭的成岩环境下, 长石溶蚀速度较快, 而流体在颗粒间流动速度缓慢, 因此, 溶蚀产物大多是在原地或准原地沉淀, 长石溶蚀作用只是将原生孔隙进行结构上的再分配, 该区长石溶蚀后储层孔隙度变化不大, 孔隙结构变差。

图2 库车坳陷依南4井长石溶蚀作用的铸体薄片图像
(a)J1a, 4 571.08 m, 100(-), 长石边缘向中心溶蚀; (b) J1a, 4 575.64 m, 100(-), 长石沿解理溶蚀; (c) J1a, 4 575.64 m, 40(-), 长石溶蚀残余; (d)J1a, 4 575.64 m, 100(-), 铸模孔; (e) J1a, 4 572.99 m, 100(-), 溶蚀扩大孔; (f) J1a, 4 453.58 m, 100(-), 方解石充填Fig.2 Casting thin sections of feldspar dissolution from Yi’ nan 4 well in Kuqa depression
(a)J1a, 4 571.08 m, 100(-), feldspar dissolution from edge to center; (b)J1a, 4 575.64 m, 100(-), feldspar dissolution along cleavage; (c)J1a, 4 575.64 m, 40(-), residual feldspar dissolution; (d)J1a, 4 575.64 m, 100(-), mold holes; (e)J1a, 4 572.99 m, 100(-), dissolution pores; (f)J1a, 4 453.58 m, 100(-), calcite filling

4.2 低地温梯度和早期长期浅埋、晚期快速深埋过程利于孔隙保存

前人通过研究普遍认为, 低地温梯度对原生孔隙具有一定的保存作用, 还可使深埋储层处于次生孔隙大量发育期[63~65]。地温梯度越高, 成岩强度越强, 地温梯度对砂岩孔隙度具有显著的控制作用, 通常地温梯度每增加1 ℃, 砂岩孔隙度平均减少约7%[66]。因此, 地温梯度较低的地区, 砂岩孔隙度衰减速度较慢, 有效储层深度较大。塔里木盆地平均地温梯度约为20 ℃/km, 比我国其他大型盆地低0.5~1.0 ℃/100 m, 是一个典型的低温冷盆, 有效储层分布范围为4 500~6 000 m。由于该区地温梯度低, 石英砂岩抗压实能力强, 即使在埋深大于5 700 m时, 石英颗粒的压溶现象仍较弱, 颗粒多为点接触, 有利原生孔的保存。同时, 由于较低的地温梯度, 该区在大于5 000 m的深层地温约为100 ℃, 因此处于有机质成熟期, 利于对早期形成的胶结物、杂基及矿物颗粒的溶蚀, 提高砂岩孔隙度。因此, 塔里木盆地在埋深5 000~6 000 m时, 砂岩孔隙度仍可高达20%[67]。

除地温梯度这个因素外, 特殊的埋藏方式也会对孔隙产生一定影响。我国中西部前陆盆地如库车和准噶尔盆地南缘经历了特有的早期长期浅埋、晚期快速深埋的埋藏过程, 这对砂岩储层的孔隙度存在显著的保存作用[68~70]。

库车前陆盆地白垩系巴什基奇克组砂岩是我国西气东输的重要产气层段, 也是埋深超过5 000 m, 压实作用强烈却仍发育良好储层的代表。该区储层沉积距今130 Ma, 沉积和成岩演化过程可分为2个阶段:①早期长期浅埋, 距今130~23 Ma BP, 地层沉降至2 000~3 000 m, 为早成岩阶段, 地层接受缓慢而稳定的压实作用; ②后期快速深埋, 即23 Ma至今, 地层快速沉降至9 000 m左右, 为中成岩— 晚成岩阶段, 压实作用强烈, 构造应力作用使砂岩明显发育构造裂缝[71]。由于经历了特殊埋藏过程, 库车坳陷大北地区下白垩统巴什基奇克组砂岩深层、超深层储集层储集空间类型主要为粒间孔(残余原生粒间孔和粒间溶孔)及长石(或岩屑)粒内溶孔及微孔隙, 微裂缝发育, 主要的孔隙组合为残余原生粒间孔— 溶蚀孔— 微孔隙[72]。张荣虎等[73]对大北地区下白垩统巴什基奇克组储层孔隙演化特征进行分析后指出, 在沉积早期沉积物不断快速堆积, 砂岩储层承受的压实作用逐渐加大, 同时早期的方解石、石膏胶结作用及次生石英加大, 使原生孔隙急剧减少。晚期快速深埋阶段, 储层处于早成岩B晚期, 持续的压实作用和晚期的方解石胶结及石英加大, 同时晚期油气充注带来的酸性水溶蚀, 使该区孔隙度保持在8%~12%。上新世至今, 该区储层持续埋深达6 000 m以上, 砂岩储层遭受深埋压实的减孔作用相对减弱, 受喜马拉雅运动的影响, 库车前陆褶皱冲断带向南扩展[74], 库姆格列木群以上地层发生褶皱而其下的中生界变形则以断裂为主[75], 次生孔隙开始发育, 相继发生构造作用(侧向挤压及破裂)形成大量裂缝性储层, 孔隙度平均保持在8%左右(图3)。

图3 库车坳陷大北地区下白垩统巴什基奇克组储层孔隙演化图[73]Fig.3 Pore evolution of the Lower Cretaceous reservoir of Bashijiqike group from Dabei in Kuqa depression[73]

准噶尔盆地南缘为典型的前陆冲断盆地, 发育早期缓慢浅埋, 晚期快速深埋的地层埋藏方式, 而在远离冲断带前缘, 靠近斜坡地带仍发育以持续的沉降方式为主的埋藏方式(图4)。林潼等[76]通过研究发现, 准噶尔盆地南缘这种不同的埋藏方式对储层的影响作用有显著不同。四棵树地区在沉积早期经历了长期缓慢的浅埋藏作用, 颗粒间压实作用较弱, 长期保持大量原生孔隙, 晚期快速的深埋藏时间短暂, 颗粒间流体来不及排出而停留在储层颗粒间, 同时化学作用还未对砂岩形成明显的破坏作用, 进而更有效地保存了原生孔隙。

图4 准噶尔盆地南缘地区2种埋藏曲线图[76]
(a)地层埋藏过程为早期缓慢浅埋、晚期快速深埋; (b)地层埋藏过程为持续沉降埋藏Fig.4 Two burial cruves in the southern margin of Junggar Basin[76]
(a)Shallow burial at early stage, rapid deep burial at later stage; (b)Continued burial

4.3 超压的影响

研究表明, 全世界范围内约有160个盆地的超压与油气分布有关[77]。异常高压对于保存和形成深层、超深层高孔隙带具有重要意义。从20世纪70年代开始, 国外学者就提出压力在油气生成和有机质演化过程中是一个重要因素并逐步开展了深入而系统的研究[78~82]。我国众多学者对典型盆地中超压体系油气成藏条件及机理、超压作用的形成特点及对高孔隙带的影响等方面进行了探讨[83~85]。异常高压对于形成深层、超深层优质储层形成起了很重要的作用。

首先, 异常压力能够对岩石的压实作用起到延缓效应: 当砂岩内部孔隙中的流体排出不畅时, 随着埋藏深度的增加, 上覆地层负荷增大, 容易在砂岩储层中形成异常高压, 延缓岩石的压实作用, 使孔隙得到很好的保存, 进而在深部形成优质储层。这种机理在中国东部和西部盆地深层、超深层优质储层形成过程中普遍存在, 国内外许多学者通过研究也证实了这一观点[86~89]。

其次, 异常高压抑制有机酸排出, 有利于深部储层形成次生孔隙。有机质热演化生烃和CO2与有机酸的排出是同时进行的。在超压抑制有机质热演化的同时, 也会延迟有机酸和CO2的排出。这样在更深的地层范围, 干酪根可以降解生烃, 同时排出CO2和有机酸, 形成酸性热流体, 溶蚀储层中的易溶组分, 产生次生孔隙。前人通过大量高压模拟实验也证明了这一观点[90~92], 超压的形成对有机质热演化和油气生成有明显的抑制作用。

肖军等[93]以琼东南盆地为研究对象, 探讨了异常地层压力对深部储集层物性的影响和控制作用。研究发现, 琼东南盆地在4 000 m以下依然存在着含较高孔隙的优质储层。该区深度超过4 000 m的钻井约占58%, 并普遍发育超压, 特别是已获得商业油气流(如Y2113井)的陵水组和三亚组砂岩。琼东南盆地深部储层的异常物性与异常地层压力的存在有关。如图5中YC3512井中常压段或过渡段3 900~4 000 m附近存在高孔隙度15%~23%, 对应渗透率为80× 10-3~900× 10-3 μ m2; 而在超压段4 500~4 600 m, 测井孔隙度则为15%~32%, 对应渗透率为80× 10-3 ~1 000× 10-3 μ m2。

图5 琼东南盆地YC3512井测井孔隙度、渗透率与压力系数剖面图[93]Fig.5 The profile of logging porosity, permeability and pressure coefficient in YC3512 well, Qiongdongnan Basin[93]

4.4 含盐的控制作用

膏盐效应在中国东部和西部盆地中普遍存在, 中部较少。我国众多学者通过对典型盆地中膏盐盖层的性质、特征及对油气形成的作用等方面进行了深入探究, 认为膏盐在深层、超深层优质储层的形成过程中主要体现在以下几个方面:

①膏盐层热导率高, 导热性强, 抑制和延缓成岩作用进程[94~97]; ②膏盐层的封盖作用, 造成下伏地层流体排出不畅, 延缓压实作用, 利于膏盐层下孔隙的保存[98~100]; ③膏盐在深部脱水, 石膏转化为硬石膏, 析出的水由于流通不畅引起超压, 造成膏盐层超压和物性的双重封闭。

膏盐层为盐下深层、超深层储集层物性保持创造了条件。前人对库车坳陷克拉苏构造带膏盐岩特征研究后指出, 古近系膏盐层隔热性能差的特征导致深部地温易于传到地表, 盐下地层热量易于散失, 从而降低了储集层的成岩演化速度, 利于保持盐下砂岩储层的高孔隙度[101]。同时, 膏盐层对深部地温的影响随膏盐层的厚度而变化, 膏盐岩层厚度越大, 对其下部地层温度的影响就越大。大北3井在7 043 m深处测得地层温度约为146 ℃, 仅比大北1井气层段地温高20 ℃左右, 但其深度差异却达1 500 m, 而大北3井白垩系巴什基奇克组砂岩热演化成熟度较低, 这为深埋条件下发育有效储集层创造了条件。另外, 该区膏盐层厚度与储集层孔隙度正相关, 膏盐层厚每增加300 m, 储集层孔隙度约增加1%。吐北1井古近系发育1 273 m膏盐岩, 而吐北2井仅为271 m, 前者下伏白垩系储集层孔隙度平均达13.7%, 比后者高出3%, 因此巨厚膏盐层对其下部的储集层物性保持具有重要的作用(表2)。

膏盐层会对油气储存和保存产生有利的影响。库车秋里塔格构造带主要发育古近系库姆格列木群和新近系吉迪克组2套膏盐层。该区在强烈的构造挤压影响下形成了裂缝与断层, 但由于膏盐层自身塑性强、易流动, 使得裂缝与断层得以充填, 使断层和裂缝消失在膏盐岩盖层中而无法穿透并到达膏盐岩之上的岩层, 使得异常高压得以保存[102]。超压膏盐岩层下的砂岩储集性能较好, 库车前陆盆地发现了一系列与超压膏盐岩层有关的油气藏, 如克拉2气田(图6)。

表2 库车坳陷大北地区膏盐层厚度与白垩系储集层物性对比 Table 2 The comparison of the salt thickness and Cretaceous reservoir properties from Dabei in Kuqa depression

膏盐层可以形成超压封闭和物性封闭的双重封闭机制。库车坳陷西部库姆格列木群( E1-2km), 主要由盐岩、膏泥岩和泥岩组成, 最厚可达4 400 m, 封盖条件非常好。据克拉2井测井推算, 库姆格列木群盖层的突破压力高达60 MPa[102]。当埋深超过2 000 m时, 石膏会变成硬石膏, 析出近一半体积的水, 而当石膏与盐、泥层交互沉积时会大大增加盐、泥岩的塑性。同时, 石膏转化为硬石膏而释放出的近一半体积的水因流通不畅而滞留在膏泥岩地层中, 引起泥岩欠压实而形成超压[99]。超压与物性双重封闭机制对盐下油气藏的保存极为有利。

图6 库车坳陷克拉2气田成藏模式图[103]Fig.6 Accumulation model of Kela 2 gas field in Kuqa depression[103]

4.5 黏土膜对原生孔隙的保护作用

黏土膜对深层、超深层碎屑岩储层中的孔隙保存机制方面的研究一直受到国内外学者的普遍关注。Bloch等[104]通过研究发现, 原生黏土膜通过抑制石英次生加大以达到保存孔隙的目的; Billault等[105]认为砂岩储层中发育的原生黏土膜含量高达一定值时, 甚至能够阻碍方解石的胶结。黏土膜在我国深层、超深层碎屑岩储层中较为常见, 在塔里木盆地志留系和泥盆系、松辽盆地侏罗系和白垩系、东濮凹陷第三系、四川盆地三叠系和侏罗系、鄂尔多斯盆地三叠系等均有分布[106~110], 矿物成分为蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等, 分原生和自生2种类型。前人通过对典型盆地碎屑岩储层中黏土膜成因及对储集性能影响等方面的研究一致认为, 自生黏土膜在中— 低压实强度下对深埋藏砂岩储集层的孔隙保存具有积极作用[111~118]。

绿泥石黏土膜是一种重要的黏土膜类型, 在深层、超深层碎屑岩储层中也极为常见, 对高孔隙度的保存具有重要意义。绿泥石黏土膜多以放射状垂直颗粒环边生长, 具有薄层、等厚、连续生长的特点[119]。姚泾利等[120]提出绿泥石黏土膜的形成经历了原始颗粒沉积、原始颗粒表面吸附成膜、颗粒初期压实、环边绿泥石化和自生绿泥石形成等5个阶段(图7), 其形成环境受沉积环境和物源条件控制, 主要发育于三角洲前缘水下分流河道和河口坝等沉积微相中。黄思静等[109]和朱平等[121]分别对自生绿泥石的形成机制及其与储层孔隙保存的关系进行过探讨, 认为自生的绿泥石是深部地层中孔隙保存的重要机制。

川西坳陷须家河组储层为典型的致密砂岩储层, 但在致密的背景下又发育了相对优质的储层。通过多种研究手段发现, 川西坳陷须家河组储层中普遍发育的绿泥石环边胶结物对原生孔隙起到了良好的保护作用[122]。该区须家河组储层绿泥石发育在须四上亚段和须二下亚段。绿泥石衬里发育的岩石, 颗粒间接触强度较低, 多为点到线接触。自生绿泥石与砂岩储集空间的保存和演化存在密切的关系, 孙全力等[122]认为自生绿泥石的贡献作用主要体现在阻止其他胶结物在孔隙中沉淀、缓解压实作用、促进颗粒溶蚀等几个方面。

图7 绿泥石黏土膜形成过程分析图[120]Fig.7 Diagram of the chlorite clay film forming process[120]

4.6 成岩压实作用、早期烃类充注和碎屑颗粒成分

寿建峰等[123]认为我国油气盆地砂岩深部储层的成岩压实机制具有多样性, 既包括传统意义上的上覆岩柱引起的静岩压实效应, 也包括盆地热流控制的热压实效应以及构造变形引起的构造压实效应。其中, 静岩压实效应就是通常所说的压实作用、压实— 压溶作用, 这是深层、超深层砂岩储层孔隙体积减少的重要因素; 热压实效应体现在地温场对成岩作用的影响, 地层温度的升高能够显著加快砂岩的压实进程; 构造压实效应贯穿于整个成岩过程, 主要表现为构造活动对岩石的构造变形作用, 多见于我国西部挤压型的油气盆地, 构造侧向挤压和基底隆升加快砂岩的压实进程, 而晚期构造推覆则利于保存砂岩孔隙度[124]。

早期烃类充注和碎屑颗粒成分对深层、超深层碎屑岩储层中的成岩作用, 特别是对压实效应的影响也值得关注。早期烃类注入孔隙, 排出孔隙内的流体, 抑制石英、碳酸盐类矿物的胶结作用, 减缓压实效应, 利于原生孔隙的保持。这种现象在我国深层、超深层碎屑岩储层中普遍存在, 如鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、黄骅坳陷等[125~127]。碎屑颗粒成分对深层、超深层储层的影响主要体现在不同性质颗粒的抗压实效应, 石英、长石等刚性颗粒抗压实能力强, 塑性矿物及岩屑等抗压实能力弱, 而分选和磨圆较差的岩石, 压实效应则更为显著。深层、超深层碎屑岩中颗粒成分和结构不同, 岩屑含量不同, 通常导致压实效应和孔隙度产生差异, 如岩屑砂岩中千枚岩岩屑、片岩岩屑及云母类矿物等塑性颗粒含量较高, 在压实作用下易形成假杂基, 这类砂岩的孔隙度普遍较低。

在有效储层主控因素的影响下, 不同类型沉积盆地深层、超深层碎屑岩储层的形成机制也有所不同。我国西部挤压型盆地, 如库车坳陷克深地区, 由于受到构造应力作用普遍发育裂缝性储层, 塔里木盆地东河塘地区的泥盆系东河砂岩, 在前陆环境特有的埋藏方式影响下保持与深度不对应的较高孔隙度[128]; 东部渤海湾盆地东营凹陷下第三系碎屑岩储层的发育与普遍存在的异常压力有关[129]。另外, 深部溶蚀作用、成岩压实作用等成因机理, 在我国中部、东部和西部均存在, 只是不同区域发育程度不同。

5 讨论与展望

众所周知, 深层、超深层储层的油气地质条件更加复杂和多样化, 为了更好地完成该类储层的油气勘探和开采工作, 需要对其成因机理和分布规律等进行更为深入和细致的研究, 同时, 要进一步明确深层、超深层储层能源发展方向, 更新石油地质观念和发展新的储层地质理论和勘探开发技术, 这对提高我国油气储量和产量, 满足国民生产需要和保障国家能源安全都具有重要的现实意义。

(1) 立足深层、超深层储层能源的发展方向, 海洋成为又一大重点勘探区域

深层、超深层碎屑岩储层资源潜力大, 是未来深层油气勘探的重要领域。近年来, 随着勘探技术的日趋成熟, 对陆上碎屑岩储层的勘探深度逐渐加大, 如我国西部塔里木盆地2001年平均井深4 971 m, 2010年为6 124 m, 增加了1 153 m。同时, 通过对碎屑岩储层成因机理研究发现, 深层、超深层碎屑岩储层由于埋藏方式、早期烃类充注和黏土膜保护, 以及后期裂缝改造储集性能等作用, 通常能够形成一定规模的有效储层, 在有利的地质背景如大型构造带和古隆起影响下, 利于大规模油气藏的生成[25]。

随着能源需要的日益增长, 海洋油气勘探的重要性也越发明显, 特别是深水油气勘探成为了世界海洋油气勘探的热点和主要方向。巴西近海、美国墨西哥湾、安哥拉和尼日利亚近海是备受关注的世界四大深海油区。在墨西哥湾的深水, 仅2008年就获得15项深水发现, 2002— 2008年发现了超过66× 108桶油当量。其中, 位于墨西哥湾密西西比三角洲的列克— 华盛顿湖油田, 深度为6 540 m, 探明石油可采储量0.94亿t, 是目前全球发现的最深气田。深水油气能源多分布于被动大陆边缘盆地或与被动大陆边缘相关的裂谷盆地。油气储层常为白垩系或第三系, 且多为第三系深水浊积砂岩[130]。目前, 我国对深水油气的勘探还处于起步阶段, 海底扇和斜坡水道的浊积砂岩是未来主要的勘探领域。海底扇和斜坡水道不仅具有优越的供烃条件和有利的构造位置, 同时其自身储层条件优越, 通常扇体和水道规模较大, 浊积砂岩发育。

(2) 深层海相烃源岩的生烃模式和液态石油保存环境的新认识

对深层、超深层储层油气资源的勘探研究, 由于地质背景、埋藏方式、控制因素等比浅层油气储层更加复杂, 因此在对传统的理论认识和地质资料深入探究的基础上, 需要发展新的石油地质理论和方法以满足对深层和超深层油气储层勘探和开发的需要, 如深层海相烃源岩的生烃模式和液态石油保存环境等问题, 研究者们就提出了新的观点。

赵文智等[131]在单一烃源灶常规生烃模式基础上, 研究扩展了中国深层海相烃源岩的生烃模式, 将单峰式生烃模式完善为完整的双峰式, 即包括“ 生油” 和“ 生气” 2个高峰, 同时提出源岩中滞留的分散液态烃在高— 过成熟阶段能裂解成气, 使烃源岩仍具有良好成气潜力。基于上述观点, 海相烃源岩热演化和生烃历史应比以往认定的更长, 资源总量更大。

传统观点认为, 原油在160 ℃开始裂解, 200 ℃之前基本完全裂解, 然而近期一些新的地质发现对传统观念提出了挑战:中国渤海湾盆地发现的牛东1井蓟县系雾迷山组潜山凝析油层底部温度达201.1 ℃(对应深度6 027 m); 美国瓦勒维尔杰盆地帕凯特油气田和特拉华盆地戈麦斯油气田在4 575~6 100 m发现了大量凝析油气, 部分生产层温度高达232 ℃[13]; 波斯湾马伦油田产层温度超过230 ℃, 俄罗斯滨里海盆地布拉海油藏在7 550 m深度、295 ℃条件下仍有液态烃聚集[10]。上述研究和发现证明液态石油的保存深度大于传统认识深度。

(3) 油气储层勘探技术创新

深层、超深层碎屑岩油气勘探深度较大, 油气藏地质条件复杂, 井底温度高、地层压力大, 因此对钻探技术和设备提出了更高的要求。位于阿克苏地区拜城县境内的克深902井, 是塔里木油田在克拉苏构造带克深9构造高点西南翼的一口评价井, 中国石油川庆钻探公司技术人员在过程中使用“ 进口PDC及涡轮+孕镶钻头” 、旋冲钻井等新技术, 顺利攻克盐上地层砾石含量高、掉块多等提速技术难题, 完钻深度达到8 038 m, 为下一步推进中国石油超深井的勘探评价工作积累了宝贵经验。

另外, 超高温钻井液等深井配套技术, 在深层油气勘探工程技术应用中取得了重大进展。国内泡沫钻井液抗高温能力从150 ℃提高到350 ℃, 形成了抗温350 ℃的水基泡沫钻井液技术, 其抗温能力比国外聚合物成膜增黏泡沫钻井液技术高50 ℃。同时, 研发了超高温条件下成胶率高的抗超高温纳米有机土及配套的油基钻井液关键处理剂, 形成了抗温250 ℃、密度2.60 g/cm3的油基钻井液技术, 达到国外同类技术水平[132]。克深7井位于塔里木盆地库车地区, 该井膏盐层埋深达7 945 m, 井底温度超过180 ℃, 泥浆密度高达2.55 g/cm3, 属于世界级钻探难题。在克深7井钻探过程中勘探技术人员结合了国内外超深井钻井配套技术及油基抗高温高密度钻井液体系, 成功钻至目的层, 确保勘探任务的顺利完成[133]。

6 结 论

随着我国经济的发展和能源需求的迫切增长, 深层、超深层碎屑岩储层已成为油气勘探工作的一项重要研究内容, 并不断取得新进展。在我国中部、东部和西部地区均发现了深层、超深层的优质碎屑岩储层, 特别是西部地区, 勘探深度已超过7 000 m。

我国典型盆地深层、超深层碎屑岩优质储层的大量研究实例表明, 深部溶蚀作用、低地温梯度和早期长期浅埋、晚期快速深埋过程、超压作用、膏盐效应、黏土膜对原生孔隙的保存等, 都会对有效储层的发育产生重要影响。成岩压实作用、早期烃类充注及碎屑颗粒成分等也是值得考虑的因素。

深层、超深层碎屑岩油气勘探前景广阔, 今后应在对陆上油气储层勘探基础上, 加强对海洋特别是深水油气勘探方面的工作, 同时要重视油气勘探理论的创新, 不断完善深层、超深层油气储层勘探技术, 争取新的更大油气田的发现。

The authors have declared that no competing interests exist.

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