图1（Fig.1）引用本文
Yang Xianzhang,Mao Yakun,Zhong Dakang,et al.Tectonic compression controls the vertical property variation of sandstone reservoir：An example of Cretaceous Bashijiqike Formation in Kuqa foreland thrust belt,Tarim Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(4):591-599.[杨宪彰，毛亚昆，钟大康，等.构造挤压对砂岩储层垂向分布差异的控制——以库车前陆冲断带白垩系巴什基奇克组为例[J].天然气地球科学，2016,27(4):591-599.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.04.0591
构造挤压对砂岩储层垂向分布差异的控制
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)04-0591-09
Tectonic compression controls the vertical property variation of sandstone reservoir：An example of Cretaceous Bashijiqike Formation in Kuqa foreland thrust belt,Tarim Basin
Yang Xian-zhang1，2
，Mao Ya-kun1，Zhong Da-kang1，3，Li Yong2，Neng Yuan2，Sun Hai-tao2，Liu Yun-long1
Key words： Kuqa; Reservoir; Tectonic compression; Diagenesis; Controlling factors;
引言
构造挤压造成的压实效应及对碎屑岩储层性质的影响引起了众多学者的重视，构造挤压产生构造压实造成储层孔隙损失和(或)裂缝发育，其对储层的改造效应受到构造应力大小、构造变形方式及构造样式、构造作用时间等因素的控制[1-5]。不同构造部位在不同构造挤压强度下，储层变化较大，同等条件下，构造挤压越强，构造压实减孔量越大，物性越差[6-8]。褶皱枢纽区的砂岩比翼部砂岩出现更多更广泛的颗粒压裂[3]，或者背斜核部与两翼部位的储层压实分异明显[9]，或者背斜一翼比背斜另一翼压实强，物性差[10]。 库车前陆冲断带位于南天山山前，受新生代晚期强烈构造挤压作用的影响，地层褶皱变形，广泛发育背斜、断背斜等收缩构造。构造挤压对白垩系储层具有显著控制作用，在构造挤压下，储层发生构造压实，孔隙缩小，岩石破裂等[8-11-13]。前人针对构造挤压下白垩系储层孔隙演化过程及储层平面变化规律做过一定研究，但构造挤压对储层垂向分布的影响还缺乏讨论。实际上，研究区白垩系储层上覆古近系巨厚膏盐岩滑脱层，导致其本身属于独立的褶皱变形体系。在褶皱变形过程中，巴什基奇克组上部地层位于中和面之上，表现为局部张应力特征，测井解释的最大主应力值较低，下部地层则表现了压扭性特征，测井解释的最大主应力值较高。这种差异可能对储层垂向分布产生重要影响。本文根据岩心薄片、岩心实测物性及密度数据、测井响应等研究垂向上储层性质变化及压实、溶蚀差异，通过讨论构造挤压与储层成岩变化、孔隙发育之间的关系，在尽可能排除其他因素影响的情况下，论证构造挤压对储层垂向差异发育的控制作用及控制程度。
1 地质概况
库车前陆冲断带位于塔里木盆地北部，其中段克拉苏构造带为主要勘探区（图1）。受喜马拉雅运动晚期构造挤压影响，克拉苏构造带发育一系列东西向的前展式逆冲断裂和大型背斜。依据区域断裂和构造特征，克拉苏构造带可划分为克拉区带和克深区带，克深区带分布克深2、克深8、克深5、大北3等深层气藏[14]。钻遇地层有下白垩统巴什基奇克组、古近系、新近系和第四系，上白垩统缺失。目的层巴什基齐克组以红色、褐红色砂岩及泥岩为主，厚度约为200~300m，自下而上划分为巴三段、巴二段及巴一段，上部遭受了不同程度的剥蚀，与上覆古近系库姆格列木群膏泥岩层不整合接触。沉积环境属于三角洲前缘沉积[15,16]。沉积时北部物源充足，湖盆面积大，地形平缓，水体较浅，因此沉积砂体厚度大，分布稳定，纵向叠置，横向连片，砂地比值高。砂体主要为水下分流河道沉积，少量为河口坝沉积。砂岩的成分成熟度与结构成熟度较高，岩石类型以岩屑长石砂岩与长石岩屑砂岩为主，石英含量为33%~65%，平均为43%，长石含量为8%~45%，平均为32%，岩屑含量为10%~51%，平均为25%，以变质岩岩屑和岩浆岩岩屑为主。填隙物有泥铁质杂基和胶结物。杂基总体上含量较低，一般在5%以下，平均为2%~4%，泥质成分主要为伊利石、伊/蒙混层，铁质成分为赤铁矿。胶结物以方解石和白云石为主，少量的硅质、钠长石、黏土等。碎屑粒度主要为中、细粒，分选中等—好，磨圆次棱角—次圆状。空间上砂岩成分成熟度与结构成熟度变化较小，尤其在克深区带，这种变化更小。
图1 研究区位置与库车前陆盆地构造单元
Fig.1 Location and structural units of Kuqa foreland basin
2 样品选取与分析方法
样品选自库车前陆冲断带中段克拉苏构造带克深区带巴什基奇克组取心段中，巴一段、巴二段到巴三段都有分布。用以观察统计的岩心薄片样品均为中、细砂岩，分选较好，分选系数小于2，杂基含量低于5%，以此消除或减弱粒度、分选、杂基含量等沉积因素对储层的影响，为进一步降低胶结作用的影响，结合岩石薄片和全岩矿物X-射线衍射分析，剔除基底式胶结的样品和胶结物含量大于10%的样品。 前人[17,18]研究认为主应力与电阻率关系密切，主应力变大，电阻率值相应变高。根据电阻率曲线在纵向上的变化，巴什基奇克组纵向上划分为3个带，从上到下对应张性带、过渡带及压扭带，这3个带电阻率曲线的基线值依次提高（图2,图3），表明最大主应力由上至下增大。然后，利用岩心、测井、薄片、物性对比不同带储层性质及成岩作用差异，结合构造地质背景，将成岩与构造挤压联系起来，以此分析构造挤压对储层垂向差异分布的控制。压实作用差异通过压实和胶结对孔隙度损失评价图来定量比较，所选择样品遵循上述选样原则，初始孔隙度利用相应的粒度分析资料根据Trask公式和Beard公式[19,20]进行估算，计算表明初始孔隙度集中在34%~37%之间，在作压实和胶结对孔隙度损失评价图的时候，设置初始孔隙度为36%。
图2 研究区典型井测井响应、裂缝及孔隙发育特征
Fig.2 The characteristics of log response,fracture and pore from the typical well in the study area
3 储层垂向分布差异
3.1 孔隙发育差异
根据大量铸体薄片观察，同一背斜或同一口井孔隙在垂向上的发育出现了明显差异。张性带孔隙最为发育，孔隙以残余粒间孔、粒间溶孔、溶蚀扩大孔为主，面孔率一般为2%~7%，孔径最大，为20~120μm[图4(a)—图4(c)]。过渡带孔隙发育中等，以残余粒间孔、粒间溶孔、微孔隙为主，面孔率较低，一般小于2%，孔径变小，微孔隙增多[图4(d)—图4(f)]。压扭带孔隙发育最差，主要为一些微孔隙，孔径小于10μm，面孔率小于1%，多数小于0.5%，甚至观察不到孔隙[图4(g)—图4(i)]。 考虑砂岩厚度或砂泥比变化的影响，相似砂岩厚度或砂泥比的样品，同样具有上述变化规律，孔隙发育由上至下总体变差，面孔率降低，平均孔径变小，指示孔隙发育差异受成岩改造较大。
3.2 物性差异
根据砂岩岩心实测物性分析，巴什基奇克组砂岩孔隙度一般为1%~12%，平均为5.6%，渗透率主要为(0.01～1)×10-3μm2，基本属于特低孔—低孔、特低渗储层。岩心实测孔隙度和测井解释孔隙度呈现明显分层，物性分层界限与张性带、过渡带和压扭带界限基本一致（图2,图5）。张性带储层物性最好，过渡带次之，压扭带储层物性最差。根据岩心实测物性，压扭带砂岩孔隙度主要为1%~3.5%，过渡带孔隙度主要为1%~6%，张性带孔隙度主要为1%~11%，并且深埋优质储层(孔隙度>8%)都分布在张性带（图5）。物性这种垂向上的变化在不同构造都普遍存在，同一构造而言，张性带比过渡带储层孔隙度高3%~5%。 垂向上物性变化具有“穿层”特征，物性变化与岩性分层对应较差，其由上至下的下降趋势与电阻率和应力值增大趋势较为一致，指示垂向上物性差异与应力变化关系密切。
3.3 密度差异
密度是岩石物理性质中重要的一项研究内容，它常可以反映砂岩的压实致密程度及物性大小。一般来说，密度越大，岩石越致密，压实程度越高，物性越差。研究区岩心实测密度表明（图6），巴什基奇克组砂岩密度为2.35~2.7g/cm3，平均值为2.59g/cm3，总体上砂岩密度较高。砂岩密度变化与埋深关系不大，但中和面上下密度值差异明显。过 渡带与压扭带密度值总体上高于张性带，一般为2.5~
图4 研究区巴什基奇克组砂岩储层孔隙发育特征
Fig.4 Pore characteristic of Bashijiqike sandstone reservoir in the study area
图5 研究区巴什基奇克组砂岩孔隙度与渗透率关系
Fig.5 The relationship on porosity and permeability of Bashijiqike sandstone in the study area
3.4 裂缝发育差异
裂缝的发育与应力性质、强度和构造部位等有关[11-21]。岩心与薄片观察和测井解释表明，中和面之上发育张裂缝，裂缝数量较多，以东西向或北东东向为主，常见裂缝弯曲、绕过颗粒，较多为高角度缝和直劈缝，倾角大于70°，倾角分布相对集中，未充填裂缝的张开度较大，为同褶皱期形成的裂缝[图2，图3，图7(a)，图7(b)]。中和面之下多发育网状缝和剪切缝，裂缝数量较少，北北西向，裂缝平直，切穿颗粒，裂缝倾角相对分散，有高角度和低角度裂缝，低角度剪切缝的张开度较小[图2，图3，图7(c)，图7(d)]，其中，低角度裂缝可能与同褶皱期挤压应力有关，高角度裂缝可能是地层上部高角度裂缝部分切穿下部地层所致。 裂缝可以改善地层渗透性能。岩心实测物性揭示发育裂缝的样品渗透率可以提高几十倍到上百倍，尤其对于张性带样品来说，裂缝对渗透性能的改善作用更大（图5），表明张性带储层连通性更好。
图6 研究区巴什基奇克组砂岩密度与深度关系
Fig.6 The relationship on density and depth of Bashijiqike sandstone in the study area
4 储层垂向上的成岩差异
4.1 垂向上压实差异
压实作用是我国含油气盆地砂岩储层孔隙体积减少的主要因素，受沉积组分、埋藏史、胶结强度及构造应力大小等多种因素控制[7]。含油气盆地中存在多种压实效应[22]，对研究区来讲，白垩系储层经历了埋藏压实和晚期构造压实，总体上压实程度较强，视压实率主要为45%~75%，由于构造挤压程度不同，平面上由北向南构造压实程度整体逐渐降低。 垂向上不同部位的砂岩压实程度显著不同，张性带压实最弱，向下压实程度变强。同一背斜褶皱内，镜下观察显示张性带砂岩样品颗粒接触相对疏松，发育较多的点接触、点—线接触，过渡带与压扭带砂岩样品颗粒接触相对紧密，发育较多的点—线接触、线接触，甚至存在少量的凹凸接触。薄片鉴定数据定量计算表明，大北3地区张性带砂岩视压实率为43.9%~56.4%，平均为50.1%，过渡带与压扭带为52.7%~65.1%，平均为58.8%；克深地区张性带砂岩视压实率为47.3%~69.8%，平均为58.6%，过渡带为58.2%~76%，平均为67.8%，压扭带为61.1%~76.4%，平均为68.7%。克深地区与大北3地区张性带和过渡带、压扭带之间的视压实率差值为8%～10%，约占总压实率的16%，对应的绝对压实减孔量差值为2%~3%，最大可相差5%~6%。克深地区压实程度高于大北3地区，垂向上压实率差值也相对较高。压实和胶结对孔隙度损失评价图显示（图8），胶结物含量相等的情况下，过渡带与压扭带样品向粒间体积变小和孔隙度变差的方向偏移，与张性带样品集偏离明显，显示储层垂向上经历不同程度的压实作用。 压实分析所选样品在克深2地区与克深8地区埋深为6 700~7 000m，大北3地区埋深为7 200~7 370m。对同一构造来说，所选样品的岩石学特征、埋藏轨迹基本相似，在埋藏深度如此之深，而最大埋深相差又很小的情况下，压实率和孔隙发育却存在显著差异，这很难用上覆地层垂向负载造成的压实效应做出合理解释，因此压实垂向分异主要由侧向构造压实不同造成的。
4.2 垂向上溶蚀差异
根据铸体薄片观察，研究区主要为粒间碳酸盐胶结物溶蚀[图4(a)—图4(c)]，少量为长石、岩屑溶蚀，总体上溶蚀程度中等。镜下观察认为溶蚀作用有2期，早期溶蚀发生在白垩纪晚期，与巴什基奇克组抬升暴露于地表有关[12,13]，晚期溶蚀发生在中新世末(5.3Ma)以后，下伏煤系有机质成熟产生大量酸性水引起了碳酸盐胶结物和长石溶蚀[23,24]。现今镜下可识别的与溶蚀有关的孔隙类型以晚期粒间溶孔为主，其次有残余早期粒间溶孔、晚期溶蚀扩大孔，粒内溶孔等，残余早期粒间溶孔为后期强构造挤压下发生缩小变形后保存下来的早期溶孔。 垂向上张性带溶蚀程度较高，粒间溶孔较为常见，数量较多，可见少量的粒内溶孔，溶孔内有少量方解石溶蚀残余[图4(a)—图4(c)]。构造裂缝越发育，粒间溶孔相对越多，表明裂缝促进了溶蚀。过渡带与压扭带粒间溶孔数量相对较少，但所占比例却比较高，可能与原生孔隙损失较多、现今孔隙发育差有关[图4(d)—图4(f)，图4(h)]。薄片统计表明张性带溶蚀面孔率为0.5%~2%，过渡带与压扭带溶蚀面孔率一般小于1%。根据砂岩镜下面孔率与孔隙度关系推测（图9），溶蚀引起的储层垂向孔隙度差值约为1%~2%。
图7 研究区巴什基奇克组裂缝发育特征
Fig.7 The fracture characteristic of Bashijiqike Formation in the study area
(a)克深8井，6 735.39m，张性带，张裂缝，紫色铸体薄片(-)；(b)克深8004井，6 996～6 997m，张性带，张裂缝，岩心与成像测井；(c)克深206井，6 712.84m，过渡带，剪切缝，紫色铸体薄片(-)；(d)克深801井，7 228.6m，压扭带，剪切缝，紫色铸体薄片(-)
图8 研究区巴什基奇克组砂岩压实和胶结对孔隙度损失评价
Fig.8 Comparison of porosity reduction of Bashijiqike Formation between compaction and cementation
5 构造挤压与储层垂向发育的关系
研究区白垩系储层形成于盆地坳陷阶段，在埋藏过程中，经历了早中期(125~0Ma)长时间浅埋和晚期(5.3~0Ma)短时间深埋与构造强挤压阶段。浅埋期，储层经历埋藏压实和碳酸盐强胶结与石英弱胶结之后[25]，孔隙度变为15%左右[13]。库车中晚期(5.3Ma)，储层遭受强烈构造挤压减孔和造缝，总体上构造挤压减孔量约为5%~10%，之后储层发生晚期溶蚀，现今孔隙度为1%~12%，平均孔隙度约为5.2%。 构造挤压作用下，地层发生褶皱变形，褶皱变形中存在一个中和面[26]。概念模型和实际剖面模拟表明 魏红兴，莫涛，侯贵廷.库车前陆冲断带北部山前构造裂缝形成机制及预测.中国石油塔里木油田分公司.内部报告，2014. 巴什基奇克组上部地层为张性带，位于中和面之上，表现为局部张应力，裂缝相对发育，中、下部地层为过渡带和压扭带，位于中和面之下，表现为压扭应力。岩心和薄片观察表明上部地层常见张裂缝，裂缝张开度较大，指示张应力，中下部地层见剪切缝、网状缝，裂缝相对不发育，裂缝闭合度高，指示压扭应力。测井解释的最大主应力值显示由上至下
图9 研究区巴什基奇克组砂岩镜下面孔率与孔隙度关系
Fig.9 The relationship on microscopic facial porosity rate and porosity of Bashijiqike sandstone in the study area
6 结论
(1)库车前陆冲断带克深区带巴什基奇克组由上至下应力值逐渐增高，上部为局部张应力，向下为压扭应力，裂缝分析表明上部裂缝多，张裂缝发育，下部裂缝少，发育剪裂缝。 (2)同一构造地层上部孔隙较为发育，物性好，向下物性变差，垂向上孔隙度差值可以达3%~5%。物性及裂缝垂向差异和地层应力值变化对应关系较好，指示储层垂向差异与应力变化有关。 (3)构造挤压与成岩作用的关系分析表明构造挤压控制地层垂向上压实和溶蚀差异。构造挤压作用下，地层褶皱变形，同一背斜中和面上下存在明显的应力差异，巴什基奇克组砂岩上部地层处于中和面之上，张应力对构造压实具有补偿效应，压实弱，同时张裂缝相对发育，裂缝数量多,张开度大，对溶蚀有利，储层孔隙发育好，反之，处于中和面之下的巴什基奇克组储层孔隙发育则较差。
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