0 前言
致密砂岩气是指位于烃源岩之间或紧邻优质烃源岩的致密砂岩中、未经过大规模长距离运移而形成的非常规天然气，其储层为孔隙度≤10%、覆压渗透率≤0.1 ×10-3 μm2(空气渗透率≤1 ×10-3 μm2)的低孔、低—特低渗砂岩[1-2]。致密砂岩气通常含气饱和度低(<60%)，含水饱和度高(>40%)，依靠常规技术难以开采，但在一定经济和技术措施下可获得工业产能[3-5]。近年来，中国致密气勘探开发取得显著成效，形成了鄂尔多斯盆地苏里格气田、塔里木盆地库车克拉苏构造带深层气田、四川盆地川中—川西地区须家河气田等三大规模性致密气勘探领域。致密气储量和产量迅速增长，成为我国天然气增储上产最重要的领域[6-7]。有效储集空间和渗流通道对致密砂岩气藏的形成与分布具有重要意义，是致密砂岩储层获得高产和稳产的关键因素[6-7]。
库车坳陷迪北地区侏罗系致密砂岩气藏发现于1998年，按照构造圈闭勘探思路部署了依南2井，在侏罗系阿合组完井测试日产天然气10.8×104 m3。2011年借鉴致密气勘探思路，部署迪西1井，采用氮气钻井在侏罗系阿合组获产天然气59×104 m3/d、原油69.6 m3/d，迪北气藏也成为库车坳陷第一个发现并获得高产的致密气藏。2012年以来的勘探评价喜忧参半，始终未能获得规模储量和效益产量[8-10]。2022年在致密气藏、岩性油气藏勘探思路指导下，在依奇克里克背斜的南斜坡采用水平井横穿断裂-裂缝带的方法实施了迪北5井，该井位于依南2井东南侧3.2 km处，自南东向北西钻穿Ⅱ级断裂带，获产天然气10.9×104 m3/d、原油5.7 m3/d。2023年按照Ⅲ级断裂控制储层甜点、控制油气成藏、控制油气富集的思路，完钻的迪北501井、迪北6井和迪北104-H6井的测试油气产量并不高。这些勘探实践表明：断裂及伴生裂缝在控制储层甜点化和油气成藏富集方面仍然存在很大的不确定性；阿合组储层受构造应力挤压作用影响，物性非均质性强，常规砂岩储层和致密砂岩储层均有发育；迪北地区油气藏类型以构造油气藏为主，为晚期—超晚期成藏，油气产出以凝析油、成熟—高成熟天然气为主。
致密砂岩储层甜点特征及其对油气运聚成藏和富集的控制作用始终是勘探生产及攻关研究的核心问题，也是现有研究认识所未深入涉及的方向，主要表现在储层甜点区的地质模式与地震模型的吻合关系、储层的甜点区形成期与油气运聚期的耦合关系、储层的甜点区与油气富集区的叠合关系。本文以库车坳陷迪北地区侏罗系阿合组致密砂岩气藏解剖为例，详细分析有效储层的多尺度裂缝、微观孔隙及其非均质性特征，重构油气充注过程、储层致密化与甜点化过程，建立了有效储层多尺度甜点模式，明确了致密砂岩油气富集新模式、勘探评价新方向和资源潜力，为库车坳陷北部构造带和迪北区块的致密砂岩气高效勘探提供了理论基础。
1 地质背景
前人研究证实，中—上三叠统和中—下侏罗统煤系烃源岩是迪北气藏的主力烃源岩，其中上三叠统塔里奇克组煤系烃源岩的岩性主要为煤层和暗色泥岩，黄山街组烃源岩的岩性主要为暗色泥岩和碳质泥岩，两套烃源岩的累计厚度达250~450 m，发育在吐北地区、库车河地区和迪北地区3个沉积中心[12-14]。上三叠统总体上为成熟—高成熟腐殖型和腐泥型烃源岩，迪北地区阿合组天然气的成熟度（Ro）为1.1％~1.3％，与同层系原油的成熟度一致，与上三叠统烃源岩的成熟度匹配关系好[15-16]。上三叠统烃源岩在地质时期的平均生油强度为(130~260)×104 t/km2，生油中心在库车河地区；平均生气强度为85×108 m3/km2，生气中心分别在吐北地区、库车河地区和迪北地区 [17-19]。
下侏罗统阿合组是迪北气藏的主力产层，为一套辫状河三角洲平原亚相辫状河道沉积，岩性以灰白色(含砾)粗砂岩、中砂岩和细砂岩为主，夹薄层状砾岩、砂砾岩和泥岩，自上而下可划分为一段、二段和三段。迪北地区阿合组厚度为280~300 m，巨厚层状含砾砂岩叠置连片分布，储层埋深3 900~7 100 m，夹于下侏罗统阳霞组和上三叠统塔里奇克组两套煤系烃源岩之间，形成烃源岩、储层共生的“三明治”结构。
迪北斜坡带发育多条高角度逆冲断裂，整体表现为自南向北阶梯式抬升，局部发育断背斜和断鼻构造[20-22]。综合断裂发育特征、断裂与油气的关系，根据断裂规模、断开层位，将断裂划分为4个级别：Ⅰ级断裂控制了构造带边界，断开层位多，断距大于500 m，平面上近东西向延伸长度大于20 km，对油气成藏主要起破坏作用。Ⅱ级断裂控制了局部构造展布，断开层位较多，断距为150~500 m，东西向延伸长度为10~20 km，南北向宽度为1~4 km，该类断裂均沟通三叠系—侏罗系烃源岩层和储层。Ⅲ级断裂断开阿合组复合砂体，断距为50~150 m，近东西向延伸长度为1~10 km，南北向宽度为1~2 km。Ⅳ级断裂断开阿合组单砂体-复合砂体，断距为10~50 m，近东西向延伸长度为0.2~0.5 km，南北向宽度为0.5~1 km。侏罗系阿合组致密气钻探实践证实Ⅲ级—Ⅳ级断裂带附近油气最为富集，如迪西1井、迪北101井、迪北5井侧钻点、迪北105X井和迪北104井等工业油气流井主要钻遇在Ⅲ级—Ⅳ级断裂裂缝发育区。
2 有效储层储集空间特征及甜点模型
2.1 有效储层储集空间特征
迪北地区10余口井的侏罗系阿合组(含裂缝)储层岩心实测和测井解释的物性表明，储层孔隙度主要介于4.0%~9.0%、平均值为7.3%，渗透率主要介于(0.01~100.00)×10-3 μm2、平均值为12.32×10-3 μm2。阿合组不同粒度砂岩的孔隙度及渗透率差异较大(图2)，其中，中—粗砂岩、粗—中砂岩的孔隙度相对较高，平均孔隙度为8.6%~8.9%。油气产层段的孔隙度一般大于6%，渗透率一般大于0.2×10-3 μm2；差气层和干层段孔隙度一般低于5%，渗透率低于0.2×10-3 μm2。迪北地区侏罗系阿合组储层储集空间以孔隙为主，包括粒间溶孔、粒内溶孔和微孔隙，含少量原生粒间孔，其次为裂缝，包括构造缝和成岩压碎缝；储层储集空间类型总体以裂缝-孔隙型为主，其厚度占比为40%~60%[23-24]。
迪北地区受喜马拉雅期较强构造挤压作用，发育多排东西向延伸的逆冲断裂，断裂带及附近形成不同级别的伴生高角度裂缝及颗粒压碎缝，它们可连通储集空间、提高储层渗流能力，形成裂缝-孔隙型储层[25-27]。基于成像测井资料、岩石铸体薄片鉴定发现，迪北地区侏罗系阿合组构造裂缝相对发育，主要为近东西向展布的未充填构造挤压缝，其次为颗粒压碎缝。沿裂缝周缘往往有溶蚀扩大特征(图3)。成像测井裂缝解释表明，构造裂缝密度相对高值区主要为迪西1井区(0.44条/m)、迪北104井区(0.66条/m)、迪北5井区(发育张开缝47条、闭合缝4条，裂缝密度0.18条/m)(图4)、迪北501井区(发育张开缝113条、半张开缝93条、闭合缝8条，裂缝密度0.30条/m)、迪北6井区(发育张开缝26条、半张开缝46条、闭合缝11条，裂缝密度0.15条/m)、吐孜4井区(0.31条/m)，其他井区如依南4井区、迪北101井区、迪北102井区和迪北103井区的裂缝密度均小于0.1条/m。总之，裂缝在平面上主要集中于不同级别断裂附近的300 m范围之内，且密度随着与断裂距离的增加而降低；纵向上主要集中于阿合组的中上部。
2.2 有效储层非均质性特征
迪北地区侏罗系阿合组厚280~300 m，以辫状河三角洲上平原辫状河道粗砂岩、含砾粗砂岩为主，砂体构型复杂，岩相非均质性强、横向迁移变化大、连续性差。垂向上可识别5~6个旋回，每个旋回内幕砂体在垂向上、横向上频繁叠置。叠合砂体规模较大，累计厚度5~10 m，沿河道侧向延伸一般小于2 000 m；但单砂体规模小，其厚度一般小于2 m，沿河道侧向延伸一般小于300 m(图5)。
按照砂体类型、储层物性和储层孔喉结构特征，将储集砂体分为前积坝砂、侧积坝砂、河道底部滞留沉积和河道漫溢砂四类，其中前三类为有效储集砂体，其岩性、物性和排驱压力见表1。由表可见，前积坝砂非均质性较弱，储层物性最好；河道底部滞留层非均质性强，物性较差。
表1 侏罗系阿合组不同沉积微相岩性、储层物性及排驱压力特征表Table 1 Characteristics of lithology, reservoir properties and displacement pressure of different sedimentary microfacies in the Jurassic Ahe Formation |
| 序号 | 微相类型 | 岩性 | 孔隙度/% | 渗透率/10-3 μm2 | 排驱压力/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 前积坝砂 | 含砾砂岩、粗砂岩 | 6~11/9.4 | 0.1~50.0/7.4 | 0.1~1.0/0.22 |
| 2 | 侧积坝砂 | 中—粗砂岩 | 5~9/6.8 | 0.1~10.0/1.72 | 0.2~1.0/0.52 |
| 3 | 河道底部滞留沉积 | 小砾岩、砂砾岩 | 3~6/4.7 | 0.1~1.1/0.65 | 0.6~1.5/1.15 |
| 4 | 河道漫溢砂 | 粉—细砂岩、泥质粉砂岩 | 3.7 | 0.12 | 1.88 |
注：表中数值表示方式为最小值~最大值/平均值。 |
迪北地区阿合组Ⅰ类储层砂体(孔隙度>9%，渗透率>5×10-3 μm2)和Ⅱ类储层砂体(孔隙度6%~9%，渗透率(1~5)×10-3 μm2)占有效总砂体厚度的32%~59%，Ⅲ类储层砂体(孔隙度4%~6%，渗透率(0.17~1)×10-3 μm2)和Ⅳ类储层砂体(孔隙度≤4%，渗透率≤0.17×10-3 μm2)占有效总砂体厚度的41%~68%。Ⅰ类和Ⅱ类储层主要分布于阿合组上部，其横向连续性稍差于Ⅲ类与Ⅳ类储层。
2.3 有效储层多尺度甜点模式
迪北地区侏罗系东西向多级次断裂及其伴生的裂缝带和南北向走滑断裂及其伴生的裂缝带沟通下伏三叠系煤系和暗色泥岩烃源岩的腐殖酸及有机酸，输导至上覆侏罗系阿合组砂岩中，溶蚀长石质颗粒和岩屑成分，发育大量溶蚀成因的基质孔隙，成为主要的储层孔隙类型，并构成裂缝-孔隙型有效储层的甜点区，即断裂-裂缝-孔隙复合体（简称断-缝-孔体）。
根据构造样式、断裂发育规模、储层性质等特征，建立迪北地区阿合组砂体4个级次尺度的储层甜点模式(图6)。其重要特征为Ⅰ级、Ⅱ级逆冲断裂空间断距和横向延伸规模巨大，其断距一般在150 m以上，横向延伸距离一般为10 km以上，以东西向展布为主，纵向上均断穿侏罗系阿合组至上覆地层，直至古近系。其典型特征为近东西向展布的逆冲断裂形成的多尺度的断-缝-孔体，断-缝-孔体裂缝发育，裂缝密度大于1条/m，显著提升了储层的连通性；储层物性好，孔隙度大于8%，渗透率大于100 ×10-3 μm2。Ⅲ级断裂形成的断-缝-孔体规模较小，往往依附于Ⅱ级断裂带的南北两侧，总体呈连片状分布。Ⅳ级断裂主要为Ⅲ级断裂伴生的南北向走滑断裂，以断穿阿合组内部单砂体和复合砂体为主，形成的断-缝-孔体规模最小，往往近距离地尖灭于致密砂岩储层之中。
远离断裂带的砂岩，裂缝基本不发育，储集空间以基质孔隙为主，难以形成储层甜点。钻井分析表明，迪北地区侏罗系阿合组单井产油气量(水量)与距断裂带远近及裂缝发育程度呈正相关性，离断裂距离越近，裂缝及孔隙网络越发育，单井测试产气/水量越高，具体特征见表2。
表2 侏罗系阿合组不同类型甜点储层裂缝密度及测试产量特征表Table 2 Characteristics of fracture density and tested production of different types of sweet reservoirs in the Jurassic Ahe Formation |
| 序号 | 储层甜点级次 | 裂缝密度及储层物性 | 测试产量/(104 m3·d-1) | 典型钻井 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Ⅰ级断裂甜点区 | 平均孔隙度9.6%，平均渗透率4.07×10-3 μm2 | 无测试 | 依深4井 |
| 2 | Ⅱ级断裂甜点区 | 裂缝密度47条/100 m | 天然气21.9 | 迪北104井 |
| 3 | Ⅱ级断裂甜点区 | 裂缝密度10.9条/100 m | 天然气10 | 迪北5井 |
| 4 | Ⅲ级断裂甜点区 | 裂缝密度0.5条/100 m | 天然气0.5、水50.5 | 依南5井 |
| 5 | Ⅳ级断裂甜点区 | 裂缝密度24条/100 m | 天然气58.4 | 迪西1井 |
| 6 | 甜点不发育 | 裂缝密度2条/100 m | 天然气1.5 | 迪北102井 |
3 油气充注过程及成藏特征
3.1 油气充注期次
3.2 成藏过程及演化模式
迪北地区侏罗系阿合组气藏的压力梯度为0.35 MPa/100 m，压力系数为1.73~1.81，具有高压—超高压特征；地温梯度为2.67 ℃/100 m，属正常的温度系统；气油比相对较高，一般为7 900~14 000 m3/t[28]。天然气干燥系数为0.82~0.95，甲烷碳同位素组成一般为-34.23~-31.5‰，天然气相对密度为0.610 8~0.642 5、平均值为0.626 0。天然气成分以CH4为主，含量在88.8%~92.2%(平均90.5%)；C2H6含量为4.35%~5.14%(平均4.76%)；N2含量低，为0.153%~3.330%(平均0.744%)；酸性气体含量较低，其中CO2含量为0.993%~2.600%(平均1.839%)，不含H2S。20 ℃条件下，迪北地区气藏凝析油密度为0.786 3~0.825 6 g/cm3(平均0.798 2 g/cm3)，50 ℃条件下凝析油密度为0.763 7~0.806 0 g/cm3(平均0.783 9 g/cm3)；50 ℃条件下原油动力黏度为0.706 3~1.460 0 mPa·s(平均1.016 8 mPa·s)。
迪北地区侏罗系阿合组巨厚层状致密砂岩储层现今具有强烈的非均质性，这使油气在局部储集体呈不连续的透镜状或块状分布；油气聚集不受构造控制，是迪北斜坡带形成大面积岩性气藏的关键因素。如前所述，阿合组气藏的石油和天然气经历2期充注(图8)。第1期(18~12 Ma)为原油充注。该阶段储层尚未致密，储集物性好，是良好的油气运聚通道，烃类往构造高部位聚集形成常规油藏(图8b)，但受后期构造挤压而遭到破坏，石油调整逸散严重。第2期(5 Ma至今)为天然气充注。受构造逆冲挤压与埋藏压实的影响，该阶段储层总体相对致密，在断裂-裂缝发育带形成甜点，三叠系烃源岩在喜马拉雅晚期生成的成熟天然气沿Ⅲ级、Ⅳ级断层及其裂缝带高效运移并强烈充注，在构造平缓区富集，正向构造区受储层断-缝-孔体甜点控制富集油气，构造高部位受致密砂岩物性侧向遮挡，形成大面积砂岩含气、局部富集的成藏模式(图8a)。
4 储层致密-甜点化与成藏耦合过程
4.1 储层致密-甜点化与油气充注耦合关系
对迪北地区侏罗系阿合组气藏油气充注史、埋藏史和储层演化史的综合分析表明，阿合组储层在18~12 Ma时期的埋深为3 900~4 900 m，地层温度为105~124 ℃，预测储层孔隙度为15%~18%。此时充注的第1期烃类流体在构造高部位聚集形成常规油藏；5 Ma以来，储层埋深增至4 900~5 100 m，地层温度增至128~140 ℃，此埋深与温度增量使储层孔隙度减少10%。而晚喜马拉雅期构造挤压与含铁碳酸盐矿物胶结的共同作用使储层快速致密化、非均质化，孔隙度降至6%~8%，渗透率一般低于0.1×10-3 μm2[29]。但储层致密化的同时发生了甜点化作用，强烈的构造活动使裂缝发育，储层渗透率得到明显改善。此时发生第2期成藏的天然气充注，天然气沿断层及裂缝带在储层甜点区高效运移富集(图9)。
4.2 油气成藏富集规律
迪北地区阿合组气藏的裂缝主要为断裂附近的伴生裂缝。在区域构造变形特征、断裂规模研究的基础上，将迪北气藏范围内的断裂划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级[30]，其中第Ⅳ级为微小断裂可称为裂缝，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级断裂可通过常规三维地震剖面解释追踪，主要产状以东西向展布为主，是南北向逆冲构造推覆的结果。第Ⅳ级主要与Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级断裂伴生，以南北向小型走滑断裂-裂缝为主，可通过裂缝预测技术识别。本次研究采用精确方向场驱动下的地震真倾角导向滤波预处理，使断点更突出；在本征值相干的基础上开展基于方向约束的蚁群追踪及脊线加强的相干增强，得到的平面图上断层清晰，断层连续性得到加强，一些小的断层也更加明显。预测结果显示，断裂两侧裂缝较发育，呈带状分布(图10)。
阿合组油气成藏的关键因素是致密砂岩储层甜点区、直接盖层和侧向遮挡。断裂-裂缝与油气井产量的耦合关系[28]解剖表明：Ⅰ级、Ⅱ级断裂带断距大、延伸远，是储层甜点发育区，但盖层被Ⅰ级、Ⅱ级断裂破坏严重，侧向遮挡条件差，含油气性差，测试油气产量低或高产水，如迪北501井、迪北103井和依深4井；Ⅲ级、Ⅳ级断裂-裂缝规模小，一般仅断穿阿合组至下伏烃源岩或仅在阿合组内部发育，南北侧向或东西侧向高部位受不发育裂缝的致密砂岩遮挡，容易形成富油气区，测试油气产量高，如依南2井、迪西1井、迪北104井和迪北5井；不同级次断裂-裂缝间空白区，总体裂缝欠发育，岩性相对致密，孔隙连通性和油气输导性差，测试产气量低，可作为油气的侧向遮挡，如迪北102井和迪北6井(图10，图11)。
5 油气勘探开发地质意义
迪北气藏生储盖组合具有典型的“三明治”结构，上下烃源岩夹巨厚层储集体在区域上稳定分布。通过气藏储层甜点、油气充注期次、流体性质、盖层及侧向遮挡等多因素分析，结合实际钻井动态、静态测试及试采资料，认为阿合组致密砂岩气藏的富集区主要受控于3方面因素(图12)：第一是烃源岩的分布。由于晚期成岩阶段储层较致密，油气为短距离运移，多表现为紧邻烃源岩、面状供烃、持续充注成藏的特征，所以优质烃源岩是致密气藏形成的基础[28]。第二是砂岩储层甜点。阿合组砂岩储层物性非均质性强，储层基质孔隙连通性差，Ⅲ级断裂及Ⅵ级断裂伴生的裂缝可有效沟通储层基质孔隙，提高渗流能力，最终形成致密砂岩储层的地质甜点。第三是有效圈闭封盖遮挡条件。迪北地区构造背景总体为向南倾的斜坡，构造平缓带的上覆暗色泥岩盖层和致密储层物性侧向遮挡是形成局部油气圈闭有效性的关键因素。综合评价表明：迪北地区侏罗系阿合组致密砂岩气藏勘探开发的潜力巨大，油气成藏富集区的有利圈闭面积可达106 km2，主要集中于迪北斜坡的中部平台区和南部相对平缓区。按照迪北已发现气藏的储量丰度天然气为16×104 m3/km2、凝析油为7.3×104 t/km2[19,28]估算，新发现的有利圈闭资源量天然气为1 699×108 m3、石油为778×104 t。
6 结论
（1）迪北地区侏罗系阿合组有效储层以裂缝-孔隙型为主，储层基质物性普遍致密，受断裂-裂缝改造后孔渗性明显增强，发育4级断裂控制的4级尺度的甜点区。Ⅰ级—Ⅱ级断裂控制的断裂-裂缝-孔隙体以东西向展布为主，规模大、分布广、孔渗性好；Ⅲ级及Ⅳ级断裂控制的断裂-裂缝-孔隙体规模小，分布局限，往往尖灭于南北向或东西向展布的致密砂岩之中。
（2）阿合组成储-成藏耦合关系属于晚期边致密化、边甜点化、边天然气充注成藏，第二期有效的烃类充注时间为5 Ma至今，储层经历构造挤压和晚期胶结作用，迅速致密化，孔隙度为6%~8%，天然气沿断层-裂缝带向多尺度储层甜点区高效运移充注。
（3）阿合组油气成藏富集的关键因素是储层甜点、直接盖层和侧向遮挡，Ⅲ级及Ⅳ级断裂-裂缝断穿阿合组至下伏烃源岩或仅在阿合组内部发育，南北侧向或东西横向高部位受裂缝不发育的致密砂岩物性遮挡，纵向受上覆泥岩盖层封堵，容易形成富油气聚集区。
（4）迪北地区侏罗系阿合组富油气聚集区有利圈闭面积可达106 km2，主要集中于迪北斜坡的中部平台区和南部相对平缓区，预测资源量天然气为1 699×108 m3、石油为778×104 t。
