深層超深層碳酸鹽巖儲層理論技術(shù)進展與攻關(guān)方向

　　摘要:中國碳酸鹽巖油氣勘探不斷向深層和超深層推進，發(fā)現(xiàn)了越來越多的油氣資源，成為世界超深層領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)最活躍的地區(qū)。圍繞深層-超深層碳酸鹽巖儲集體成因機理、地質(zhì)模式、地球物理預(yù)測和儲層精細建模等方面，取得了重要進展。在深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲集體的成因研究上初步形成了一些共識:原始高能相帶和早期白云巖化作用是優(yōu)質(zhì)儲集體發(fā)育的基礎(chǔ);構(gòu)造抬升導(dǎo)致與不整合面相關(guān)的大氣水巖溶作用，形成巖溶縫洞型儲層;早期物質(zhì)基礎(chǔ)與后期深埋的構(gòu)造-流體環(huán)境是深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層形成-保持的關(guān)鍵。針對碳酸鹽巖成巖流體識別示蹤和成巖期次定年研究取得了重要進展，為碳酸鹽巖儲層高精度、高時空分辨率的成巖演化過程分析和成儲模式的建立，提供了新的思路和方向。深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預(yù)測技術(shù)，分別在高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規(guī)律與巖石物理模型、多相態(tài)混合孔隙流體彈性性質(zhì)變化規(guī)律以及高分辨率儲層反演等幾個方面，取得了一些實質(zhì)性進展。在深層碳酸鹽巖儲集體精細建模方法上，分別形成了結(jié)合多點統(tǒng)計與沉積過程模擬的地質(zhì)建模技術(shù)、孔隙型碳酸鹽巖油氣藏智能優(yōu)化地層沉積反演建模技術(shù)、多尺度數(shù)據(jù)融合巖石物理相建模技術(shù)、細胞自動機斷控巖溶過程數(shù)值模擬技術(shù)。深層-超深層碳酸鹽巖儲層研究還面臨一系列的重大理論技術(shù)難題。有關(guān)深層-超深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層成因機理的學(xué)術(shù)觀點紛爭，深層儲層地震預(yù)測還存在重大技術(shù)瓶頸，目前尚缺乏成熟有效的深層儲層精細表征與建模技術(shù)。未來需要在巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上，明確成巖流體類型，通過高溫高壓溶蝕實驗和數(shù)值模擬等方法，探索復(fù)雜流體作用下，特別是有機成巖流體作用下的儲集空間形成與保持機制;開發(fā)出更高溫壓條件下的巖石彈性測量系統(tǒng)，分析強非均質(zhì)性帶來的地震波傳播的尺度效應(yīng)，以地質(zhì)目標(biāo)模型為導(dǎo)向不斷優(yōu)化儲層刻畫技術(shù)流程;探索攻關(guān)多場耦合下的儲層沉積、成巖正反演數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)展多尺度數(shù)據(jù)融合、多方法協(xié)同的儲層智能建模技術(shù)，提升深層儲層建模精度。

　　關(guān)鍵詞:成因機理;巖石物理模型;地震預(yù)測;精細地質(zhì)建模;地質(zhì)過程模擬;地質(zhì)模式;碳酸鹽巖儲層;深層-超深層

　　全球碳酸鹽巖地層中蘊藏著豐富的油氣資源，是過去、也是未來油氣勘探開發(fā)重中之重的領(lǐng)域。中國幾代油氣工作者通過漫長艱苦的探索與實踐，先后在塔里木、四川和鄂爾多斯盆地的古老海相碳酸鹽巖層系中取得了舉世矚目的成果。近年來，隨著勘探技術(shù)的日益進步，碳酸鹽巖油氣勘探逐步向深層(埋深>4500m)和超深層(埋深>6000m)推進，發(fā)現(xiàn)了越來越多的油氣資源，成為世界超深層領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)最活躍的地區(qū)。

　　從20世紀(jì)90年代開始，中國分別在塔里木和四川盆地中發(fā)現(xiàn)了塔河、普光、龍崗、元壩、安岳以及川西等多個深層-超深層大型碳酸鹽巖油氣田。最近十多年來，相繼實施了一批超深井，如2006年完鉆的塔深1井深度為8408m，2018年完鉆的馬深1井深度達8418m，2020年完鉆的鷹1井和輪探1井深度分別為8588和8882m，揭示了越來越多的碳酸鹽巖儲集體類型，獲得了油氣發(fā)現(xiàn)，為碳酸鹽巖儲層理論和技術(shù)進步奠定了基礎(chǔ)。

　　近幾年又在塔里木盆地腹部的順北和滿西地區(qū)、7000～8500m的超深層奧陶系碳酸鹽巖中取得了規(guī)模性商業(yè)儲量的發(fā)現(xiàn)，建成油氣年產(chǎn)量超百萬噸的油氣田。深層-超深層已成為中國油氣勘探開發(fā)的熱點領(lǐng)域，理論技術(shù)的系統(tǒng)創(chuàng)新和勘探開發(fā)實踐，促使中國在深層-超深層海相碳酸鹽巖油氣領(lǐng)域，特別是在深層-超深層碳酸鹽巖儲集體成因機理、地質(zhì)模式、地球物理表征預(yù)測和儲層精細建模等方面，走在了世界前列[1]。

　　1深層-超深層碳酸鹽巖儲層研究主要理論與技術(shù)進展

　　深層-超深層碳酸鹽巖領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)面臨著巨大的技術(shù)和商業(yè)風(fēng)險，其中，能否找到并精細描述深層-超深層規(guī)模性優(yōu)質(zhì)儲集體是甚為關(guān)鍵的理論技術(shù)瓶頸。國外前期研究認(rèn)為，受成巖壓實和膠結(jié)作用影響，隨埋藏深度增加和地層年代變老，碳酸鹽巖中的孔隙度逐漸降低，大于6000m的超深層很難再有有效儲層存在[2-3]，這種認(rèn)識一定程度上影響了對埋藏更深的碳酸鹽巖領(lǐng)域油氣的探索。近年來，中國油氣行業(yè)大膽實踐，不斷挑戰(zhàn)新深度，實施的一批超深探井揭示深層-超深層碳酸鹽巖地層中仍然發(fā)育多類型的優(yōu)質(zhì)儲集體，如鹽下的白云巖儲集體[4]、微生物巖儲集體[5]、斷裂-流體耦合作用下形成的斷溶體型儲集體等[6-7]。這些儲集體共同的特點是埋藏深度大，并普遍經(jīng)歷過復(fù)雜的成巖改造過程。

　　1.1深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲集體成因機理與模式

　　隨著塔里木盆地塔河油田和四川盆地普光氣田兩個大型深層碳酸鹽巖油氣田的發(fā)現(xiàn)和成功開發(fā)，針對不整合巖溶縫洞型[8]和礁灘型[9]碳酸鹽巖儲層的研究取得了一系列的理論和技術(shù)成果。馬永生等[10]提出三元控儲理論模型，認(rèn)為沉積和成巖環(huán)境控制早期孔隙發(fā)育，構(gòu)造-壓力耦合控制裂縫與溶蝕，流體與巖石相互作用控制深部溶蝕與孔隙的保存。何治亮等[11-12]提出構(gòu)造、層序、巖相、流體和時間等5個因素控儲的地質(zhì)成因模型。趙文智等[13]提出在沉積礁/灘的基礎(chǔ)上，白云石化、后生溶蝕-溶濾和深層埋藏-熱液等是碳酸鹽巖儲層大型化發(fā)育的關(guān)鍵地質(zhì)條件。沈安江等[14]認(rèn)為規(guī)模性優(yōu)質(zhì)儲集體大多在沉積成巖早期形成。大量機構(gòu)和學(xué)者所開展的針對性模擬實驗和典型解剖，初步達成了一些共識。

　　1.2成巖流體識別示蹤和成巖期次定年新技術(shù)

　　成巖流體的作用幾乎貫穿了碳酸鹽巖儲層發(fā)育、形成、改造和保持的全部過程，尤其是某些對儲層形成具有建設(shè)性作用的溶蝕性流體和白云巖化流體等，在儲集空間的形成和演化、油氣的成藏和調(diào)整過程中都扮演了極為重要的角色。對于中國中西部3大盆地較古老的碳酸鹽巖層系而言，由于成巖流體的類型多樣、作用方式復(fù)雜，如何準(zhǔn)確判識流體的來源和期次、示蹤流體的運移路徑、建立流體驅(qū)動-循環(huán)機制，都是十分關(guān)鍵但也極富挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題與技術(shù)難題。

　　近年來，針對碳酸鹽巖成巖流體識別示蹤和成巖期次定年研究取得了重要進展，涌現(xiàn)了許多新的技術(shù)和方法:碳酸鹽礦物通過LA-ICP-MS方法開展U-Pb同位素定年，使微米級尺度下的成巖年代學(xué)分析成為可能。近期對生物介殼、成巖孔隙和斷層脈體等位置產(chǎn)出的碳酸鹽礦物定年都取得了較為可信的結(jié)果[43-44]。進一步結(jié)合陰極發(fā)光和微區(qū)微量元素特征展開具體分析，有助于更準(zhǔn)確地判斷成巖流體的來源、性質(zhì)和活動期次[45-46]。

　　1.3深層碳酸鹽巖儲集體地球物理有效預(yù)測技術(shù)

　　針對深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預(yù)測面臨的諸多技術(shù)難題，國內(nèi)外開展持續(xù)攻關(guān)研究，已取得了一些實質(zhì)性進展[51-54]，而前沿研究主要包括高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規(guī)律與巖石物理模型，多相態(tài)混合孔隙流體彈性性質(zhì)變化規(guī)律，高精度、高分辨率儲層反演等幾個方面。

　　1.3.1高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規(guī)律與巖石物理模型同濟大學(xué)聯(lián)合美國休斯頓大學(xué)建立了高溫(200℃)、高壓(150MPa)巖石彈性與各向異性測量系統(tǒng)。收集了塔里木盆地躍進、順南以及順北地區(qū)深層-超深層(>6000m)碳酸鹽巖樣品，開展了不同壓力條件下干燥和水飽和巖石超聲縱橫波速度、密度與孔隙度測量。在高壓情況下，干燥巖石的孔隙度與縱 波速度沒有相關(guān)性，說明縱波速度主要受巖石骨架彈性性質(zhì)的影響;而高壓干燥巖石與高壓水飽和巖石之間的速度差異與孔隙度之間存在良好的相關(guān)性，說明該區(qū)儲層的地震波傳播速度受到裂縫發(fā)育與孔隙流體的雙重影響。由此，可建立裂縫發(fā)育密度與孔隙流體飽和度雙重控制的巖石物理(彈性)模型，從而可實現(xiàn)基于地震彈性參數(shù)反演基礎(chǔ)上的裂縫預(yù)測與流體檢測。

　　1.3.2高溫、高壓條件下多類型、多相態(tài)混合孔隙流體彈性性質(zhì)變化規(guī)律美國休斯頓大學(xué)與科羅拉多礦業(yè)學(xué)院聯(lián)合成立的HDI(烴類直接檢測)研究聯(lián)合體開展了大量的不同溫壓條件下多相流體混合彈性模量、速度與密度的測量，獲得了諸多規(guī)律性認(rèn)識[55-56]，形成了不同溫壓條件下多相流體混合彈性模量、速度與密度計算的FLASH軟件。通過取樣分析獲得孔隙流體類型及其飽和度參數(shù)，可利用FLASH軟件計算地層溫壓條件下多相混合孔隙流體的彈性參數(shù)，再基于巖石物理模型開展流體替代研究，進而實現(xiàn)儲層預(yù)測與流體檢測。FLASH軟件適用范圍是溫度小于200℃，壓力小于100MPa。

　　1.4深層碳酸鹽巖儲集體精細建模新方法由于深層碳酸鹽巖埋深大、資料稀少且品質(zhì)較差，實現(xiàn)深層碳酸鹽巖儲層的精細建模成為業(yè)界普遍關(guān)注的重大技術(shù)難題。以深層碳酸鹽巖儲層成因機理和演化模式新認(rèn)識，以及地球物理預(yù)測新技術(shù)為基礎(chǔ)，近期在深層碳酸鹽巖儲集體精細建模方法及技術(shù)方面取得了較大進展[58]。

　　2深層-超深層碳酸鹽巖儲層研究的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題

　　2.1優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層成因機理問題

　　中國在深層-超深層碳酸鹽巖勘探領(lǐng)域先后發(fā)現(xiàn)了四川盆地的普光、元壩、龍崗、安岳、川西等氣田，以及塔里木盆地的塔河油田和塔中油氣田等，證實了以往認(rèn)為的生烴“死亡線”以下仍然具有巨大的勘探潛力[10，69-71]。針對這些儲層，眾多機構(gòu)和學(xué)者開展了深入的研究工作，取得了非常豐富的研究成果，學(xué)術(shù)觀點紛呈。大體可分為原生為主、次生為主和復(fù)合成因等3類。例如，塔里木盆地塔中北坡地區(qū)中、下奧陶統(tǒng)不斷取得油氣新發(fā)現(xiàn)，有關(guān)其儲層的成因尚未統(tǒng)一觀點。順南地區(qū)5口鉆井的連井剖面顯示一間房組碳酸鹽巖孔隙度呈現(xiàn)一定的旋回性。

　　從一間房組底部到頂部可以識別出4個旋回，絕大部分旋回的聲波曲線從下到上逐漸升高，對應(yīng)孔隙度從下到上逐漸升高。云露和曹自成[72]、陳紅漢等[73]認(rèn)為塔中北坡地區(qū)中、下奧陶統(tǒng)發(fā)育的多期不整合造成的層間巖溶以及(準(zhǔn))同生巖溶作用促進了有利儲層的發(fā)育。從旋回頂部樣品的SEM照片中可以看出方解石微晶大小不均一，較小的方解石微晶貼附于較大的方解石微晶而存在。國外在中東地區(qū)等也發(fā)現(xiàn)同樣的兩組粒徑不同的方解石微晶共存的現(xiàn)象[74]。多位學(xué)者給出了不同的原因去解釋粒徑較小的方解石微晶出現(xiàn)的原因，比如受鎂離子毒化[75]、受有機質(zhì)的影響[75]，遭受流體溶蝕[76]等。

　　近些年來，很多地質(zhì)學(xué)家用奧斯特瓦爾德成熟作用(Ostwaldripening)去解釋低鎂方解石的形成及溶蝕[74，77]。Volery研究發(fā)現(xiàn)，Ostwaldripening現(xiàn)象在海平面短期下降形成的大氣淡水透鏡體上部更為明顯，而位于大氣淡水透鏡體之外的碳酸鹽巖沒有發(fā)生該過程[74]，因此認(rèn)為Ostwaldripening是造成塔中北坡地區(qū)奧陶系一間房組沉積旋回頂部儲層物性改善的主要原因之一。也有學(xué)者認(rèn)為，碳酸鹽巖地層在沉積之后的埋藏過程中受多種成巖作用影響，原生孔隙已所剩無幾，失去儲層意義。膠結(jié)作用是造成碳酸鹽巖儲層、尤其是顆粒灰?guī)r孔隙破壞最主要的原因之一。

　　氬離子拋光掃描電鏡顯示塔中北坡地區(qū)中、下奧陶統(tǒng)大部分巖石的儲集空間主要以分布于低鎂方解石晶體間的微孔為主，孔徑均在10μm以下[78]。如此小的孔喉導(dǎo)致流經(jīng)的方解石飽和流體也較少，與之相比，存在于顆�；蚓�體之間的大孔是流體運移的主要通道，因此也更容易發(fā)生膠結(jié)作用而被充填[79]。并且方解石在較小孔隙內(nèi)發(fā)生沉淀所需要的臨界飽和度高于在大孔中沉淀所需要的[80]，因此微小的孔喉不易被方解石等膠結(jié)物充填，更易保存下來成為最終的有效儲集空間。后期不同類型流體溶蝕作用形成的次生孔隙、孔洞和洞穴才是主要的油氣儲集空間[81-82]。

　　3未來攻關(guān)方向

　　3.1深層-超深層碳酸鹽巖儲層發(fā)育機理

　　與國外大多為中生代中淺層碳酸鹽巖儲層相比，中國古老層系深層-超深層碳酸鹽巖儲集體普遍經(jīng)歷過長期復(fù)雜的埋藏成巖演化過程，其孔隙發(fā)育和保持機理的研究更為重要。深埋藏過程中，多種類型流體的溶蝕、膠結(jié)等改造作用對碳酸鹽巖儲層孔隙形成和破壞起著至關(guān)重要的作用。因此，需要在詳細的巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上，明確成巖流體類型(大氣降水、富Si/Mg熱液、成巖成烴流體、有機演化與TSR相關(guān)流體等)，通過高溫高壓溶蝕實驗和數(shù)值模擬等方法來揭示構(gòu)造-流體耦合作用過程和機制，探索復(fù)雜流體作用下，特別是有機成巖流體作用下的儲集空間形成與保持機制。通過碳、氧、鍶同位素、微量和稀土元素、流體包裹體等綜合地球化學(xué)方法，開展成巖流體作用類型識別與示蹤，是常用方法。

　　由于深層-超深層碳酸鹽巖儲集體經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖演化過程，需要對成巖流體類型和過程進行精細解析，因此亟需在微米甚至納米尺度上開展原位微區(qū)的地球化學(xué)分析。明確成巖流體活動時代和期次是開展溶蝕過程和機理研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。方解石和白云石是主要的成巖膠結(jié)礦物，因此需要針對性地借助高分辨率等離子質(zhì)譜儀或多接收質(zhì)譜儀發(fā)展完善碳酸鹽巖礦物U-Pb定年技術(shù)，進一步與Ar-Ar，Rb-Sr，Re-Os等測年方法聯(lián)合，準(zhǔn)確測定不同類型流體活動時代。

　　石油論文投稿刊物：《石油學(xué)報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1980年，是中國石油學(xué)會主辦，國內(nèi)外公開發(fā)行的石油及天然氣科學(xué)技術(shù)方面的綜合性學(xué)術(shù)期刊。

　　4結(jié)論

　　通過眾多機構(gòu)和學(xué)者的艱苦探索和“產(chǎn)-學(xué)-研-用”的有效結(jié)合，中國在深層-超深層碳酸鹽巖儲集體成因機理、地質(zhì)模式、地球物理預(yù)測、儲層精細建模等方面，取得了重要進展，也面臨一系列的重大理論技術(shù)難題，亟待深入攻關(guān)。

　　1)在深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲集體的成因研究上初步形成了一些共識:原始高能相帶和早期白云巖化作用是優(yōu)質(zhì)儲集體發(fā)育的基礎(chǔ);構(gòu)造抬升導(dǎo)致與不整合面相關(guān)的大氣水巖溶作用，形成巖溶縫洞型儲層;早期物質(zhì)基礎(chǔ)與后期深埋的構(gòu)造流體環(huán)境是深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層形成-保持的關(guān)鍵。針對碳酸鹽巖成巖流體識別示蹤和成巖期次定年研究取得了重要進展，為碳酸鹽巖儲層高精度、高時空分辨率的成巖演化過程分析和成儲模式的建立，提供了新的思路和方向。未來需要在巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上，明確成巖流體類型，通過高溫高壓溶蝕實驗和數(shù)值模擬等方法，探索復(fù)雜流體作用下，特別是有機成巖流體作用下的儲集空間形成與保持機制。

　　2)深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預(yù)測技術(shù)，分別在高壓條件下碳酸鹽巖儲層巖石骨架彈性變化規(guī)律與巖石物理模型、多相態(tài)混合孔隙流體彈性性質(zhì)變化規(guī)律和高分辨率儲層反演等幾個方面，取得了一些實質(zhì)性進展。未來需要開發(fā)更高溫壓條件下的巖石彈性測量系統(tǒng)，分析強非均質(zhì)性帶來的地震波傳播的尺度效應(yīng)，以地質(zhì)目標(biāo)模型為導(dǎo)向來不斷優(yōu)化儲層地震預(yù)測與描述技術(shù)流程。

　　3)在深層碳酸鹽巖儲集體精細建模方法上，分別形成了結(jié)合多點統(tǒng)計與沉積過程模擬的地質(zhì)建模技術(shù)、孔隙型碳酸鹽巖油氣藏智能優(yōu)化地層沉積反演建模技術(shù)、多尺度數(shù)據(jù)融合巖石物理相建模技術(shù)和細胞自動機斷控巖溶過程數(shù)值模擬技術(shù)。未來需要攻關(guān)多場耦合下的儲層沉積和成巖正反演數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)展多尺度數(shù)據(jù)融合、多方法協(xié)同的儲層智能建模技術(shù)，提升深層儲層建模精度。

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　　作者：何治亮1，2，馬永生1，2，朱東亞3，段太忠3，耿建華4，張軍濤3，丁茜3，錢一雄3，沃玉進3，高志前5

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