本文摘要：摘要:中国碳酸盐岩油气勘探不断向深层和超深层推进，发现了越来越多的油气资源，成为世界超深层领域油气勘探开发最活跃的地区。围绕深层-超深层碳酸盐岩储集体成因机理、地质模式、地球物理预测和储层精细建模等方面，取得了重要进展。在深层优质碳酸盐岩储
摘要:中国碳酸盐岩油气勘探不断向深层和超深层推进，发现了越来越多的油气资源，成为世界超深层领域油气勘探开发最活跃的地区。围绕深层-超深层碳酸盐岩储集体成因机理、地质模式、地球物理预测和储层精细建模等方面，取得了重要进展。在深层优质碳酸盐岩储集体的成因研究上初步形成了一些共识:原始高能相带和早期白云岩化作用是优质储集体发育的基础;构造抬升导致与不整合面相关的大气水岩溶作用，形成岩溶缝洞型储层;早期物质基础与后期深埋的构造-流体环境是深层优质碳酸盐岩储层形成-保持的关键。针对碳酸盐岩成岩流体识别示踪和成岩期次定年研究取得了重要进展，为碳酸盐岩储层高精度、高时空分辨率的成岩演化过程分析和成储模式的建立，提供了新的思路和方向。深层-超深层碳酸盐岩储层地震预测技术，分别在高压条件下碳酸盐岩储层岩石骨架弹性变化规律与岩石物理模型、多相态混合孔隙流体弹性性质变化规律以及高分辨率储层反演等几个方面，取得了一些实质性进展。在深层碳酸盐岩储集体精细建模方法上，分别形成了结合多点统计与沉积过程模拟的地质建模技术、孔隙型碳酸盐岩油气藏智能优化地层沉积反演建模技术、多尺度数据融合岩石物理相建模技术、细胞自动机断控岩溶过程数值模拟技术。深层-超深层碳酸盐岩储层研究还面临一系列的重大理论技术难题。有关深层-超深层优质碳酸盐岩储层成因机理的学术观点纷争，深层储层地震预测还存在重大技术瓶颈，目前尚缺乏成熟有效的深层储层精细表征与建模技术。未来需要在岩石学、矿物学和地球化学研究基础上，明确成岩流体类型，通过高温高压溶蚀实验和数值模拟等方法，探索复杂流体作用下，特别是有机成岩流体作用下的储集空间形成与保持机制;开发出更高温压条件下的岩石弹性测量系统，分析强非均质性带来的地震波传播的尺度效应，以地质目标模型为导向不断优化储层刻画技术流程;探索攻关多场耦合下的储层沉积、成岩正反演数值模拟技术，发展多尺度数据融合、多方法协同的储层智能建模技术，提升深层储层建模精度。
关键词:成因机理;岩石物理模型;地震预测;精细地质建模;地质过程模拟;地质模式;碳酸盐岩储层;深层-超深层
全球碳酸盐岩地层中蕴藏着丰富的油气资源，是过去、也是未来油气勘探开发重中之重的领域。中国几代油气工作者通过漫长艰苦的探索与实践，先后在塔里木、四川和鄂尔多斯盆地的古老海相碳酸盐岩层系中取得了举世瞩目的成果。近年来，随着勘探技术的日益进步，碳酸盐岩油气勘探逐步向深层(埋深>4500m)和超深层(埋深>6000m)推进，发现了越来越多的油气资源，成为世界超深层领域油气勘探开发最活跃的地区。
从20世纪90年代开始，中国分别在塔里木和四川盆地中发现了塔河、普光、龙岗、元坝、安岳以及川西等多个深层-超深层大型碳酸盐岩油气田。最近十多年来，相继实施了一批超深井，如2006年完钻的塔深1井深度为8408m，2018年完钻的马深1井深度达8418m，2020年完钻的鹰1井和轮探1井深度分别为8588和8882m，揭示了越来越多的碳酸盐岩储集体类型，获得了油气发现，为碳酸盐岩储层理论和技术进步奠定了基础。
近几年又在塔里木盆地腹部的顺北和满西地区、7000～8500m的超深层奥陶系碳酸盐岩中取得了规模性商业储量的发现，建成油气年产量超百万吨的油气田。深层-超深层已成为中国油气勘探开发的热点领域，理论技术的系统创新和勘探开发实践，促使中国在深层-超深层海相碳酸盐岩油气领域，特别是在深层-超深层碳酸盐岩储集体成因机理、地质模式、地球物理表征预测和储层精细建模等方面，走在了世界前列[1]。
1深层-超深层碳酸盐岩储层研究主要理论与技术进展
深层-超深层碳酸盐岩领域油气勘探开发面临着巨大的技术和商业风险，其中，能否找到并精细描述深层-超深层规模性优质储集体是甚为关键的理论技术瓶颈。国外前期研究认为，受成岩压实和胶结作用影响，随埋藏深度增加和地层年代变老，碳酸盐岩中的孔隙度逐渐降低，大于6000m的超深层很难再有有效储层存在[2-3]，这种认识一定程度上影响了对埋藏更深的碳酸盐岩领域油气的探索。近年来，中国油气行业大胆实践，不断挑战新深度，实施的一批超深探井揭示深层-超深层碳酸盐岩地层中仍然发育多类型的优质储集体，如盐下的白云岩储集体[4]、微生物岩储集体[5]、断裂-流体耦合作用下形成的断溶体型储集体等[6-7]。这些储集体共同的特点是埋藏深度大，并普遍经历过复杂的成岩改造过程。
1.1深层优质碳酸盐岩储集体成因机理与模式
随着塔里木盆地塔河油田和四川盆地普光气田两个大型深层碳酸盐岩油气田的发现和成功开发，针对不整合岩溶缝洞型[8]和礁滩型[9]碳酸盐岩储层的研究取得了一系列的理论和技术成果。马永生等[10]提出三元控储理论模型，认为沉积和成岩环境控制早期孔隙发育，构造-压力耦合控制裂缝与溶蚀，流体与岩石相互作用控制深部溶蚀与孔隙的保存。何治亮等[11-12]提出构造、层序、岩相、流体和时间等5个因素控储的地质成因模型。赵文智等[13]提出在沉积礁/滩的基础上，白云石化、后生溶蚀-溶滤和深层埋藏-热液等是碳酸盐岩储层大型化发育的关键地质条件。沈安江等[14]认为规模性优质储集体大多在沉积成岩早期形成。大量机构和学者所开展的针对性模拟实验和典型解剖，初步达成了一些共识。
1.2成岩流体识别示踪和成岩期次定年新技术
成岩流体的作用几乎贯穿了碳酸盐岩储层发育、形成、改造和保持的全部过程，尤其是某些对储层形成具有建设性作用的溶蚀性流体和白云岩化流体等，在储集空间的形成和演化、油气的成藏和调整过程中都扮演了极为重要的角色。对于中国中西部3大盆地较古老的碳酸盐岩层系而言，由于成岩流体的类型多样、作用方式复杂，如何准确判识流体的来源和期次、示踪流体的运移路径、建立流体驱动-循环机制，都是十分关键但也极富挑战性的科学问题与技术难题。
近年来，针对碳酸盐岩成岩流体识别示踪和成岩期次定年研究取得了重要进展，涌现了许多新的技术和方法:碳酸盐矿物通过LA-ICP-MS方法开展U-Pb同位素定年，使微米级尺度下的成岩年代学分析成为可能。近期对生物介壳、成岩孔隙和断层脉体等位置产出的碳酸盐矿物定年都取得了较为可信的结果[43-44]。进一步结合阴极发光和微区微量元素特征展开具体分析，有助于更准确地判断成岩流体的来源、性质和活动期次[45-46]。
1.3深层碳酸盐岩储集体地球物理有效预测技术
针对深层-超深层碳酸盐岩储层地震预测面临的诸多技术难题，国内外开展持续攻关研究，已取得了一些实质性进展[51-54]，而前沿研究主要包括高压条件下碳酸盐岩储层岩石骨架弹性变化规律与岩石物理模型，多相态混合孔隙流体弹性性质变化规律，高精度、高分辨率储层反演等几个方面。
1.3.1高压条件下碳酸盐岩储层岩石骨架弹性变化规律与岩石物理模型同济大学联合美国休斯顿大学建立了高温(200℃)、高压(150MPa)岩石弹性与各向异性测量系统。收集了塔里木盆地跃进、顺南以及顺北地区深层-超深层(>6000m)碳酸盐岩样品，开展了不同压力条件下干燥和水饱和岩石超声纵横波速度、密度与孔隙度测量。在高压情况下，干燥岩石的孔隙度与纵 波速度没有相关性，说明纵波速度主要受岩石骨架弹性性质的影响;而高压干燥岩石与高压水饱和岩石之间的速度差异与孔隙度之间存在良好的相关性，说明该区储层的地震波传播速度受到裂缝发育与孔隙流体的双重影响。由此，可建立裂缝发育密度与孔隙流体饱和度双重控制的岩石物理(弹性)模型，从而可实现基于地震弹性参数反演基础上的裂缝预测与流体检测。
1.3.2高温、高压条件下多类型、多相态混合孔隙流体弹性性质变化规律美国休斯顿大学与科罗拉多矿业学院联合成立的HDI(烃类直接检测)研究联合体开展了大量的不同温压条件下多相流体混合弹性模量、速度与密度的测量，获得了诸多规律性认识[55-56]，形成了不同温压条件下多相流体混合弹性模量、速度与密度计算的FLASH软件。通过取样分析获得孔隙流体类型及其饱和度参数，可利用FLASH软件计算地层温压条件下多相混合孔隙流体的弹性参数，再基于岩石物理模型开展流体替代研究，进而实现储层预测与流体检测。FLASH软件适用范围是温度小于200℃，压力小于100MPa。
1.4深层碳酸盐岩储集体精细建模新方法由于深层碳酸盐岩埋深大、资料稀少且品质较差，实现深层碳酸盐岩储层的精细建模成为业界普遍关注的重大技术难题。以深层碳酸盐岩储层成因机理和演化模式新认识，以及地球物理预测新技术为基础，近期在深层碳酸盐岩储集体精细建模方法及技术方面取得了较大进展[58]。
2深层-超深层碳酸盐岩储层研究的关键科学技术难题
2.1优质碳酸盐岩储层成因机理问题
中国在深层-超深层碳酸盐岩勘探领域先后发现了四川盆地的普光、元坝、龙岗、安岳、川西等气田，以及塔里木盆地的塔河油田和塔中油气田等，证实了以往认为的生烃“死亡线”以下仍然具有巨大的勘探潜力[10，69-71]。针对这些储层，众多机构和学者开展了深入的研究工作，取得了非常丰富的研究成果，学术观点纷呈。大体可分为原生为主、次生为主和复合成因等3类。例如，塔里木盆地塔中北坡地区中、下奥陶统不断取得油气新发现，有关其储层的成因尚未统一观点。顺南地区5口钻井的连井剖面显示一间房组碳酸盐岩孔隙度呈现一定的旋回性。
从一间房组底部到顶部可以识别出4个旋回，绝大部分旋回的声波曲线从下到上逐渐升高，对应孔隙度从下到上逐渐升高。云露和曹自成[72]、陈红汉等[73]认为塔中北坡地区中、下奥陶统发育的多期不整合造成的层间岩溶以及(准)同生岩溶作用促进了有利储层的发育。从旋回顶部样品的SEM照片中可以看出方解石微晶大小不均一，较小的方解石微晶贴附于较大的方解石微晶而存在。国外在中东地区等也发现同样的两组粒径不同的方解石微晶共存的现象[74]。多位学者给出了不同的原因去解释粒径较小的方解石微晶出现的原因，比如受镁离子毒化[75]、受有机质的影响[75]，遭受流体溶蚀[76]等。
近些年来，很多地质学家用奥斯特瓦尔德成熟作用(Ostwaldripening)去解释低镁方解石的形成及溶蚀[74，77]。Volery研究发现，Ostwaldripening现象在海平面短期下降形成的大气淡水透镜体上部更为明显，而位于大气淡水透镜体之外的碳酸盐岩没有发生该过程[74]，因此认为Ostwaldripening是造成塔中北坡地区奥陶系一间房组沉积旋回顶部储层物性改善的主要原因之一。也有学者认为，碳酸盐岩地层在沉积之后的埋藏过程中受多种成岩作用影响，原生孔隙已所剩无几，失去储层意义。胶结作用是造成碳酸盐岩储层、尤其是颗粒灰岩孔隙破坏最主要的原因之一。
氩离子抛光扫描电镜显示塔中北坡地区中、下奥陶统大部分岩石的储集空间主要以分布于低镁方解石晶体间的微孔为主，孔径均在10μm以下[78]。如此小的孔喉导致流经的方解石饱和流体也较少，与之相比，存在于颗粒或晶体之间的大孔是流体运移的主要通道，因此也更容易发生胶结作用而被充填[79]。并且方解石在较小孔隙内发生沉淀所需要的临界饱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胶结物充填，更易保存下来成为最终的有效储集空间。后期不同类型流体溶蚀作用形成的次生孔隙、孔洞和洞穴才是主要的油气储集空间[81-82]。
3未来攻关方向
3.1深层-超深层碳酸盐岩储层发育机理
与国外大多为中生代中浅层碳酸盐岩储层相比，中国古老层系深层-超深层碳酸盐岩储集体普遍经历过长期复杂的埋藏成岩演化过程，其孔隙发育和保持机理的研究更为重要。深埋藏过程中，多种类型流体的溶蚀、胶结等改造作用对碳酸盐岩储层孔隙形成和破坏起着至关重要的作用。因此，需要在详细的岩石学、矿物学和地球化学研究基础上，明确成岩流体类型(大气降水、富Si/Mg热液、成岩成烃流体、有机演化与TSR相关流体等)，通过高温高压溶蚀实验和数值模拟等方法来揭示构造-流体耦合作用过程和机制，探索复杂流体作用下，特别是有机成岩流体作用下的储集空间形成与保持机制。通过碳、氧、锶同位素、微量和稀土元素、流体包裹体等综合地球化学方法，开展成岩流体作用类型识别与示踪，是常用方法。
由于深层-超深层碳酸盐岩储集体经历了复杂的成岩演化过程，需要对成岩流体类型和过程进行精细解析，因此亟需在微米甚至纳米尺度上开展原位微区的地球化学分析。明确成岩流体活动时代和期次是开展溶蚀过程和机理研究的关键环节。方解石和白云石是主要的成岩胶结矿物，因此需要针对性地借助高分辨率等离子质谱仪或多接收质谱仪发展完善碳酸盐岩矿物U-Pb定年技术，进一步与Ar-Ar，Rb-Sr，Re-Os等测年方法联合，准确测定不同类型流体活动时代。
石油论文投稿刊物：《石油学报》(双月刊)创刊于1980年，是中国石油学会主办，国内外公开发行的石油及天然气科学技术方面的综合性学术期刊。
4结论
通过众多机构和学者的艰苦探索和“产-学-研-用”的有效结合，中国在深层-超深层碳酸盐岩储集体成因机理、地质模式、地球物理预测、储层精细建模等方面，取得了重要进展，也面临一系列的重大理论技术难题，亟待深入攻关。
1)在深层优质碳酸盐岩储集体的成因研究上初步形成了一些共识:原始高能相带和早期白云岩化作用是优质储集体发育的基础;构造抬升导致与不整合面相关的大气水岩溶作用，形成岩溶缝洞型储层;早期物质基础与后期深埋的构造流体环境是深层优质碳酸盐岩储层形成-保持的关键。针对碳酸盐岩成岩流体识别示踪和成岩期次定年研究取得了重要进展，为碳酸盐岩储层高精度、高时空分辨率的成岩演化过程分析和成储模式的建立，提供了新的思路和方向。未来需要在岩石学、矿物学和地球化学研究基础上，明确成岩流体类型，通过高温高压溶蚀实验和数值模拟等方法，探索复杂流体作用下，特别是有机成岩流体作用下的储集空间形成与保持机制。
2)深层-超深层碳酸盐岩储层地震预测技术，分别在高压条件下碳酸盐岩储层岩石骨架弹性变化规律与岩石物理模型、多相态混合孔隙流体弹性性质变化规律和高分辨率储层反演等几个方面，取得了一些实质性进展。未来需要开发更高温压条件下的岩石弹性测量系统，分析强非均质性带来的地震波传播的尺度效应，以地质目标模型为导向来不断优化储层地震预测与描述技术流程。
3)在深层碳酸盐岩储集体精细建模方法上，分别形成了结合多点统计与沉积过程模拟的地质建模技术、孔隙型碳酸盐岩油气藏智能优化地层沉积反演建模技术、多尺度数据融合岩石物理相建模技术和细胞自动机断控岩溶过程数值模拟技术。未来需要攻关多场耦合下的储层沉积和成岩正反演数值模拟技术，发展多尺度数据融合、多方法协同的储层智能建模技术，提升深层储层建模精度。
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作者：何治亮1，2，马永生1，2，朱东亚3，段太忠3，耿建华4，张军涛3，丁茜3，钱一雄3，沃玉进3，高志前5
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