基岩风化壳是一种非沉积作用形成的油气储层。地质历史时期，基岩暴露地表，在风化淋滤、剥蚀和构造运动作用下，次生孔隙和裂缝发育，并在埋藏期得以保存^[1]，在良好的油源、输导体系、盖层体系均发育且匹配的前提条件下，基岩风化壳内易形成规模性油气聚集。基岩油气藏在国内外均有分布，如在古地台（北美和南美地区）^[2-3]、年轻地台（西西伯利亚和西欧地区）^[4]、中生界（越南大陆架）^[5]以及年轻的褶皱造山带山间坳陷（委内瑞拉）^[6]均有油气发现。国内外己经发现了300多个工业性基岩油气田，地质储量巨大，如利比亚的拿法拉-奥季拉、阿尔及利亚的哈西迈萨乌德、越南的白虎以及委内瑞拉的拉巴斯-马拉都是具有亿吨级地质储量的大油气田^[6]。中国渤海湾盆地的辽河坳陷、济阳坳陷和三塘湖盆地、柴达木盆地等也发现了多个基岩整装大油气藏^[7-8]。20世纪末，勘探家们在柴达木盆地阿尔金山前基岩储层中发现了不同程度的油气显示，但未获得大规模油气储量^[9-10]；2011年，东坪1井在基岩风化壳中获得高产天然气流，无阻流量达56万m³/d，由此拉开了阿尔金山前基岩风化壳油气勘探序幕^[11-12]，之后又在东坪3、东坪17、牛1、尖北等区块相继获得工业油气流^[13-14]。基岩储层具有岩性变化快、孔喉结构复杂、裂缝非均质性强等特点^[15]，目前国内外已发现的基岩储集层岩性主要为花岗岩、花岗质变质岩和风化底砾岩等，且以花岗岩最多。世界上绝大多数基岩储集层的储集空间包括构造运动和风化作用形成的裂缝，少数为伴生溶蚀缝和溶蚀孔，其孔隙度一般小于10%，多为3%~6%，因含裂缝或溶蚀孔缝，渗透率往往较高^[16]，非均质性强，单井日产量差异大^[17]。学者们对柴达木盆地阿尔金山前基岩储层已进行了大量的卓有成效的研究，如李江涛等^[18]认为东坪地区基岩的储集空间类型主要为各种裂缝，含少量溶蚀孔洞，这决定了许多基岩油气藏具有“初期产量高、递减快”的典型特征；马峰等^[11]认为东坪地区基岩气藏储层的主要储集空间包括基岩风化壳溶蚀孔和基岩内幕的晶间微孔，广泛发育的基质微孔是研究区气藏稳产的主要原因；吴丽荣等^[19]认为基岩顶部风化破碎带的孔隙和裂缝系统均被石膏和碳酸盐胶结物充填，极其致密，几乎不发育储集空间；黄成刚等^[20]认为溶蚀孔虽然在东坪地区广泛发育，但并非发育于基岩风化壳中，而是发育于基岩内幕，为深部热液溶蚀所致，风化壳中的溶蚀孔缝已经被上覆地层沉积时的咸水流体灌注胶结，已不具有储集能力，反而具有良好的封堵性，对天然气的聚集成藏具有极大的贡献作用。

基岩风化壳可划分为土壤层、完全风化层、半风化层和未风化层^[21]，储层主要发育在半风化层，关于研究区数百米厚的半风化层的研究较为薄弱，尤其是对尖北地区基岩的岩性、储集空间类型、储层发育规模和分布、孔隙结构及优质储层的主控因素等研究均较少。针对研究区的石英闪长岩和花岗闪长岩储层，综合利用各种实验分析手段和测井资料，系统开展储层特征、主控因素和含气性分析，以期为尖北地区基岩气藏的勘探部署和开发方案编制、高效建产提供地质依据。

尖北地区位于柴达木盆地阿尔金山前，西面为南翼山和小梁山，东面为东坪气田，南面紧邻大风山凸起（图 1）。阿尔金山前整体表现为南倾斜坡构造形态，受北西-南东向断层的控制，在东坪地区、牛东地区形成了一个大型鼻状隆起。尖顶山地区呈现“北高南低”状，被尖北、尖顶山、尖南断裂切割，形成了背斜、断背斜、断块等圈闭形态。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 柴达木盆地尖北气藏分布及基岩顶面等深度图 Fig. 1 Distribution of Jianbei gas reservoir in Qaidam Basin and contour map of bedrock top surface

2016年，勘探家们在尖北地区开展风险勘探，部署了尖探1井，在基岩顶段获得了重大油气发现，其后又陆续部署了尖探2、尖3加深、尖北101和尖北H1-3等井，均在基岩顶段解释出气层，气层平均厚度约为30 m，其中尖探2井在基岩顶段试气，获得日产气7万m³，尖3加深井获得日产气4万m³，6口主力产气井的日产气总量约为48万m³，产量稳定。钻井取心分析结果显示，尖北气藏基岩主要为石英闪长岩和花岗闪长岩，反映了不同岩性的基岩均可形成良好的储层，打破了以往寻找花岗岩和片麻岩等优质储层的禁锢，为这一地区的勘探突破开辟了新的天然气勘探领域。

柴达木盆地具有古生代褶皱基底和元古代结晶基底的双重基底结构。野外露头调查结果显示，阿尔金山前基岩主要为元古代变质岩基底上形成的多期侵入岩，包括花岗岩、花岗闪长岩和石英闪长岩。尖北气藏基岩储层以石英闪长岩和花岗闪长岩为主，石英闪长岩和花岗闪长岩均为花岗岩到闪长岩之间的过渡岩石类型，薄片鉴定结果显示，岩石主要矿物成分为石英、长石、黑云母、角闪石等，其中花岗岩中石英的体积分数大于60%，花岗闪长岩中石英的体积分数为20%~60%，石英闪长岩中石英的体积分数为5%~20%，闪长岩中石英的体积分数小于5%。产气层多位于基岩顶部，岩性为石英闪长岩和花岗闪长岩，基岩上覆地层为路乐河组，为碎屑岩沉积（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 尖北地区尖探1井基岩综合柱状图 Fig. 2 Synthesis columnar chart of bedrock in well Jiantan 1 in Jianbei area

通过岩心观察和薄片鉴定可以得出，尖北气藏基岩主要发育杂色块状石英闪长岩和花岗闪长岩，见片麻构造，为中酸性侵入岩，暗色与浅色矿物条带相间，呈定向或条带状断续排列，风化程度中等—强，发育不同尺度的裂缝（图 3），其矿物成分主要为长石、黑云母、石英和少量角闪石。尖探1井基岩顶段岩心的X射线衍射分析结果表明，长石的平均质量分数为38.3%（钠长石为37.3%，钾长石为1.0%），石英的平均质量分数为7.9%，黑云母和黏土矿物的平均质量分数之和为20.3%，还可见部分方解石、方沸石和石膏，充填于裂缝中。尖探1井元素扫描测井显示，基岩储层矿物成分以斜长石和暗色矿物为主，含少量石英、正长石和方解石，有利于溶蚀孔的发育。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 尖北地区基岩的典型岩心照片 （a）尖探1井，4 642.65 m（b）尖探1井，4 643.06 m，裂缝中充填的石膏；（c）尖北101井，4 751.33 m，方解石和硬石膏充填于矿物颗粒间；（d）尖北101井，4 751.33 m，解理缝发育，黏土矿物含量较高 Fig. 3 Typical bedrock core photos in Jianbei area

岩石的主要矿物为斜长石，其次为黑云母，石英的体积分数多为5%~6%，局部见方解石和硬石膏充填于矿物颗粒间[图 4（a）—（c）]，斜长石风化程度中—强，部分长石因风化致使其表面绢云母化，部分黑云母绿泥石化，长石原生结构模糊，解理缝发育[图 4（d）]，黏土矿物含量较高。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 尖北地区尖探1井基岩储层微观特征 （a）石英闪长岩，4 640.10 m，半自形粒状结构，主要矿物成分为长石，其次为黑云母，石英体积分数约6%，局部见矿物颗粒间充填硬石膏，长石风化程度中等—强；（b）石英闪长岩，4 641.10 m，半自形粒状结构，主要矿物成分为长石，其次为黑云母，石英体积分数约5%，局部粒间充填硬石膏，长石风化程度强；（c）石英闪长岩，4 645.60 m，半自形粒状结构，主要矿物成分为长石，其次为黑云母，石英体积分数约5%，局部粒间充填方解石，长石风化程度强；（d）石英闪长岩，4 646.60 m，半自形粒状结构，主要矿物成分为长石，其次为黑云母，石英体积分数约2%，长石风化程度强；（e）石英闪长岩，4 643.23 m，发育微裂隙和沿黑云母解理缝形成的溶孔，部分被方解石和硬石膏充填；（f）石英闪长岩，4 641.98 m，长石风化程度强，长石颗粒内部发育大量溶蚀孔；（g）石英闪长岩，4 646.10 m，见大量长石溶蚀孔，部分被硬石膏充填；（h）石英闪长岩，4 646.36 m，见黑云母溶蚀孔；（i）石英闪长岩，4 643.31 m，发育1~2 μm基质微孔；（j）石英闪长岩，4 641.42 m，发育1~2 μm基质微孔；（k）石英闪长岩，4 545.44 m，见裂缝和沿缝扩溶，溶蚀孔发育；（l）石英闪长岩，4 542.98 m，见长石溶蚀孔，裂缝及沿缝扩溶，部分被硬石膏充填 Fig. 4 Microscopic characteristics of bedrock reservoir in well Jiantan 1 in Jianbei area

尖北地区在古近纪接受沉积以前，其基底历经长达350 Ma的暴露和多期次构造运动的抬升^[22-23]，淋滤风化作用造成岩石的溶蚀强烈，同时断裂及其派生的裂缝系统发育，对储集空间的形成具有积极意义，储集空间类型多样，包括溶蚀孔、基质微孔、裂缝及缝内扩溶孔。

在长期风化淋滤过程中，基岩表层岩石会发生选择性溶解，生成新的物质，如长石经风化作用会生成高岭石，高岭石在一定条件下进一步转化为其他黏土矿物，部分溶蚀产物被流体带离，形成溶蚀孔隙。风化淋滤作用主要发生于基岩半风化壳的顶部，其溶蚀强度与距基岩顶的距离密切相关，距离越近，溶蚀作用越强。铸体薄片鉴定结果显示，尖北基岩风化淋滤带的溶蚀孔隙发育，主要为长石粒内溶孔和黑云母溶孔，还可见解理缝和微裂缝等储集空间，部分孔隙后期被方解石和硬石膏充填[图 4（e）—（h）]，孔隙直径为数十到数百微米，这些储集空间的广泛发育是基岩气藏稳产的重要保障。

扫描电镜下可见大量基质微孔，孔隙直径为0.49~2.24 μm[图 4（i）—（j）]，包括长石的解理缝、黑云母片晶间孔或缝等，连通性差，但数量极多，可作为天然气的有效储集空间。

通过岩心观察和薄片鉴定，可见不同尺度的裂缝发育，部分被充填，可分为2种类型：一类为构造缝，另一类为成岩解理缝，二者呈网状交叉切割，裂缝开度、延伸长度各不相同。构造缝是在构造应力作用下形成的剪切或拉张缝，具有开度大、延伸长、缝面规则和穿层性强等特点，往往会造成晶体岩层的错动和位移，研究区构造缝可分为2期[图 3（a）]：第1期为高角度构造缝，倾角多大于65°，以石膏或方解石充填为主；第2期为低角度构造缝，角度多为15°~40°，暗色矿物充填或未填充。这2期裂缝倾角不同，具有明显的切割特征，且裂缝充填物也不同。构造缝与构造运动及其演化密切相关，已有研究成果表明^[24-25]，阿尔金山冲断带在中—新生代主要经历了3个构造演化阶段，分别为燕山晚期的断陷阶段、喜山早期的断坳阶段和喜山中—晚期的挤压反转阶段，尖顶山断层、尖北断层、尖南断层等3条主要断层在3个阶段均发生活动，且派生出多条次生断层。通过曲率属性获得的尖北地区基岩顶面构造缝平面分布图（图 5）与钻井证实的断层发育特征具有一致性，表明研究区的裂缝以构造缝为主，基岩结构破碎，发育数百米厚的裂缝带。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 尖北地区基岩顶面断裂与裂缝分布特征 Fig. 5 Fault and fracture distribution characteristics of bedrock top surface in Jianbei area

成岩解理缝多发育于长石和云母类矿物中，主要受控于晶体的结晶习性，后期在构造应力或风化作用影响下，解理缝可能被扩张形成裂缝。偏光显微镜下可见黑云母解理缝广泛发育，呈定向排列[图 3（a）—（c）]，倾角多为40°~65°。据岩心裂缝条数统计，构造缝占比约为61%，成岩解理缝占比约为39%。

利用成像测井解释成果，可统计裂缝的类型、宽度、密度和孔隙度，利用这些参数对裂缝进行定量评价。微裂缝宽度为0.01~0.05 mm，平均为0.02 mm；裂缝密度（单位长度的裂缝条数）较大（图 6），为2~ 10条/m，平均为3.85条/m，单位面积上的裂缝长度为1~3 m/m²，平均为1.49 m/m²；裂缝孔隙度为0~ 0.05%，平均为0.03%，远小于基质孔隙度。研究区的裂缝不是主要的储集空间，但为重要的渗流通道。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 尖北地区尖探1井基岩段裂缝参数统计 Fig. 6 Fracture parameter statistics of bedrock in well Jiantan 1 in Jianbei area

研究区大量发育的裂缝为流体运移通道，包括酸性流体，能够通过裂缝进入基岩内部，对周缘矿物进行溶蚀改造^[26]，特别是深大断裂，甚至可以允许流体进入基岩较深处，从而在基岩内幕形成溶蚀孔隙。裂缝还可成为溶蚀产物带离的通道，溶蚀作用使得原始颗粒结构发生改变，在颗粒内部或边缘位置产生新的溶蚀孔隙。该类型的溶蚀作用多发生于微裂缝中，沿缝扩溶明显，呈现裂缝与溶蚀孔共生的特点[图 4（k）—（l）]。部分缝内扩溶孔后期易被石膏充填，形成石膏团块。

尖北地区基岩在长期暴露过程中，表层矿物发生了强烈溶蚀，形成了大量溶蚀孔洞，且大气淡水沿早先形成的裂缝和溶蚀孔洞下渗使较深岩层亦发生了稍弱的岩溶作用，形成了半风化层，是储层发育的主要层段。半风化层内，溶蚀作用强度受控于裂缝的发育程度，造成了各地区纵向上具有明显差异性，岩心和测井均证实了这种纵向分带性。根据风化程度差异及其控制因素，可将半风化层进一步划分为风化淋滤带和裂缝溶蚀带，二者具有不同的测井响应。风化淋滤带测井曲线具有以下特征：伽马值较低，相对高声波值，自下而上逐渐降低，相对低的电阻率值，自下而上呈逐渐升高趋势，全烃值高，钻时较小，表明岩石较为疏松，平均厚度约80 m；裂缝溶蚀带测井曲线具有以下特征：低声波值，高电阻率值，高伽马值，全烃值远低于风化淋滤带，钻时较高，表明岩石相对致密（参见图 2，图 7）。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 尖北地区基岩连井剖面与孔隙度纵向变化规律 Fig. 7 Cross well profile and longitudinal porosity variation of bedrock in Jianbei area

基岩表层风化淋滤带主要是指受地表水径流下渗作用影响的岩石矿物，发生溶蚀、溶解作用并被带离而形成的溶蚀孔隙发育带。越靠近暴露面，溶蚀作用越强烈，储层孔隙越发育，随着深度的增加，溶蚀作用逐渐变弱，储层物性变差，直到地表水难以到达的区域，风化淋滤作用极弱或消失，该深度为风化淋滤带的下限。因此，风化淋滤带的储层物性主要受控于距基岩顶的距离，距基岩顶越近，风化溶蚀作用越强，物性越好。研究区孔隙度随深度变化曲线的高值段主要集中在基岩风化淋滤带内，从上到下，孔隙度明显降低。风化淋滤带内，裂缝也非常发育，对于溶蚀具有促进作用。

尖探1井基岩顶部10块样品的毛管压力曲线显示，风化淋滤带储层具有低排驱压力，为0.18~ 1.57 MPa，表明存在大孔喉或者微裂缝。随着压力的增大，进汞饱和度增加，但不发育平台段，表明孔隙分选性差；最大进汞饱和度为50%~80%，退汞效率较低，多为45%~65%，表明岩石发育较多微孔隙和“死”孔隙。中值压力为10.07~63.50 MPa，中值半径为0.01~0.07 μm（图 8），小孔喉大量发育，孔喉半径分布曲线呈“双峰态”或“多峰态”，最大孔喉半径为30.00 μm，多数孔喉半径为0.01~0.60 μm，最大连通孔喉半径为0.47~4.08 μm。总体上，尖北地区基岩表现为双重孔隙结构特征，既发育大喉道的溶蚀孔或裂缝，又发育小喉道的微孔隙，并且后者在数量上占大多数。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 尖北地区尖探1井风化淋滤带储层孔隙结构特征 Fig. 8 Pore structure characteristics of weathered leaching zone in well Jiantan 1 in Jianbei area

岩心的CT扫描结果显示，风化淋滤带的基质孔隙较发育，以微孔-细喉为主，连通孔隙半径为0.64~10.80 μm，平均为3.10 μm；喉道半径为0.61~ 8.01 μm，平均为2.75 μm，连通体积占总孔隙体积的76.5%，连通孔隙的数量占比小，但其体积却占比多。核磁共振测试结果显示，孔隙吼道分布呈“多峰式”，少量样品的弛豫时间大于50 ms，而大部分样品的弛豫时间为0.1~20.0 ms，揭示了基岩储层以微孔为主。研究区67块基岩样品的物性统计结果表明，风化淋滤带储层孔隙度为1.56%~6.83%，平均孔隙度为3.30%，渗透率为0.10~1.70 mD，平均为0.50 mD，物性整体上低于邻区东坪基岩。

裂缝溶蚀带位于风化淋滤带以下，溶蚀作用较风化淋滤带更弱。在裂缝发育处，流体沿着裂缝到达更深的地层，裂缝周缘矿物发生溶蚀，形成次生孔隙较为发育的裂缝溶蚀带。裂缝溶蚀带距离基岩顶有数米到数十米的深度，岩石整体较为致密，裂缝对于孔隙的发育起决定性作用，FMI测井解释结果显示，孔隙发育段与裂缝发育段具有很好的吻合关系。裂缝沟通流体，使易溶矿物发生溶蚀，沿缝扩溶现象普遍存在，缝内溶蚀强烈，形成裂缝性次生溶蚀孔洞，核磁共振的孔隙度谱表现为前移的宽峰。裂缝不发育处，流体难以到达，溶蚀作用微弱，孔隙度较低，孔隙频谱表现为以窄单峰为主。尖探1井的裂缝溶蚀带发育3个次生孔隙带，深度分别为4 713~4 728 m，4 780~4 892 m和4 938~ 4 967 m（图 9），裂缝密度大，裂缝孔隙度高，总孔隙度和次生孔隙度均明显较其他层段更高，次生孔隙度占总孔隙度的80%以上。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 尖北地区尖探1井基岩段裂缝溶蚀带孔隙发育特征 Fig. 9 Pore development characteristics of fracture dissolution zone in well Jiantan1 in Jianbei area

尖北地区基岩储层的含气饱和度受溶蚀孔、基质微孔和裂缝的发育程度控制。无论是风化淋滤带还是裂缝溶蚀带，全烃值与孔隙度具有较好的正相关性。风化淋滤带溶蚀孔和裂缝均发育，物性较好，含气性好，全烃高值段绝大多数位于风化淋滤带；裂缝溶蚀带的裂缝发育段全烃值明显较高，裂缝不发育处全烃值低（图 10）。尖探1井取心样品的荧光薄片分析结果显示，基质溶孔、粒间孔和裂缝均发荧光（图 11）。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 尖北地区基岩的成藏模式 Fig. 10 Hydrocarbon accumulation model of bedrock in Jianbei area

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 尖北地区尖探1井的荧光和偏光显微镜照片 （a）4 639.98 m，粒间发荧光；（b）4 641.57 m，长石颗粒内发荧光；（c）4 644.22 m，裂缝发荧光；（d）与（a）为同一视域，正交偏光；（e）与（b）为同一视域，正交偏光；（f）与（c）为同一视域，正交偏光 Fig. 11 Typical fluorescent and polarized micrograph in well Jiantan 1 in Jianbei area

尖北地区多井试气结果表明，构造高部位为气层或者干层，构造低部位为水层或干层，储层的含气性一定程度上受构造控制（图 10），且储层质量决定了含气构造的丰度，由此可见储层含气性还受孔隙和裂缝的发育程度控制，即风化淋滤带与裂缝溶蚀带的含气丰度也存在差异。风化淋滤带构造位置高，裂缝发育，基质孔隙发育，连通性好，为准层状，平均厚度较大，构造高部位试气结果显示多为气层，日产量约为7~15万m³。裂缝溶蚀带物性较差，多数试气结果为干层，局部的裂缝发育段形成了甜点气层，但产量低于风化淋滤带，如尖3深的4 767~4 772 m井段日产气约为4万m³。根据上述2带的储层结构特征可制定不同的开发方案，对于风化淋滤带可以采用直井-水平井联合开发，直井射孔段或者水平井水平段应靠近风化淋滤带上部，以基岩顶面以下20~40 m为宜；对于裂缝溶蚀带储层的开发需要借助于地球物理方法预测出裂缝发育段甜点，以直井开发为主，在裂缝发育段射孔。

（1）尖北地区基岩储层主要为石英闪长岩和花岗闪长岩，在构造运动或者风化淋滤作用下形成了各种储集空间类型，包括溶蚀孔、基质微孔、裂缝及缝内溶蚀孔。其中裂缝可分为2种类型，一类为构造缝，一类为成岩解理缝。

（2）尖北地区基岩半风化层可分为上下2带，即风化淋滤带和裂缝溶蚀带。风化淋滤带发育溶蚀孔和裂缝，准层状，连通孔喉半径多为1~5 μm，距基岩顶的距离控制了储层质量的好坏；裂缝溶蚀带主要发育裂缝及缝内溶孔。

（3）尖北地区基岩储层的含气性主要受控于构造部位和孔缝发育程度，不同的构造位置和分带可制定不同的开发方案，以获得更高的天然气产量。