近年来，我国原油产量远不能满足需求量，石油对外依存度攀升至72%，寻找新的油气接替资源对缓解我国油气供需矛盾具有十分重要的意义^[1-2]。湖相碳酸盐岩作为分布最为广泛的沉积岩之一，多与优质烃源岩互层或共生，普遍具备良好的油气成藏条件^[3-4]。特别是近年来，我国相继在江汉盆地、准噶尔盆地、三塘湖盆地和渤海湾盆地的泥质云岩或泥质灰岩中发现了页岩油气的存在，证实了中国陆上湖相碳酸盐岩具备良好的勘探开发前景^[5-8]。

潜江凹陷作为江汉盆地最重要的富烃凹陷之一，内部潜江组主要由白云质泥岩、泥质白云岩及钙芒硝岩混积而成^[9-10]，钻井揭示平面上具有“满凹皆油浸显示”的现象，发育典型的源储一体式油藏^[11]。前人对盐间碳酸盐岩储层发育特征开展了大量研究，初步明确了白云石晶间孔、晶间溶孔或微裂缝为主要的储集空间类型，储层孔隙度较高，部分可达30%，渗透率相对较低，平均为0.55~2.18mD，属于中孔—特低渗储层^[9-13]。然而，由于区域内矿物成分复杂、岩相变化较快，导致储层非均质性较强，盐间碳酸盐岩储层发育机理尚缺乏有效认识，勘探往往面临有利区、带、层和段如何优选等问题，进而限制了研究区油气高效开发。基于此，本文以潜江组潜三段湖相碳酸盐岩层系为例，联合多种技术手段，在明确岩石类型基础上，系统对比了不同类型岩石储层孔隙结构差异，探讨了储层发育影响因素，以期为推进江汉盆地湖相碳酸盐岩油气开发提供理论依据。

潜江凹陷位于江汉盆地中部（图 1），面积约为2500km²，是一个重要的二级构造单元^[4-5]。潜江凹陷整体表现为两斜坡一洼陷，东西部高中间低、南部高北部低的双断菱形构造^[14]。研究区经历了两个断—坳旋回，发育新沟嘴组和潜江组两套生储油层系。受潜北强烈的断层活动和快速沉降影响，潜江组沉积时期，潜江凹陷埋藏最深且沉降速率也最快，是盆地内的沉积中心，发育一套巨厚潜江组盐间含油层系，其形成环境具有高盐度、强蒸发、封闭性、潮湿与干旱气候交替的特点^[15-16]。根据岩性的差异变化，潜江组自上而下可细分为潜一段(Eq₁)、潜二段(Eq₂)、潜三段(Eq₃)和潜四段(Eq₄)^[11]。总的来说，潜江组由砂泥岩层和盐韵律层频繁交互而成，其中盐韵律层由盐岩层与盐间页岩层组成，共计193个^{[15, 17]}。潜三段和潜四段干酪根类型主要为Ⅱ₁型，热演化程度(R_o)分布范围为0.5%~0.88%，具有形成丰富油气资源的基础，是页岩油勘探最有利层段^[18-21]。

图 1

图 1 江汉盆地构造单元划分（a）、潜江凹陷构造位置分布图（b）及区域地层柱状图（c） Fig. 1 Division of structural units in Jianghan Basin (a), structural location of Qianjiang Sag (b), and regional stratigraphic column (c)

基于XRD测试结果，识别出潜三段碳酸盐岩储层矿物成分复杂，主要包括白云石、方解石、石英、黏土矿物和钙芒硝等。其中，白云石含量相对较高，分布范围为2%~74.2%，平均为24.7%；黏土含量介于1%~51.3%，平均为17.3%；石英含量介于1.6%~42.3%，平均为17.8%；长石含量介于0.6%~43%，平均为11.3%。钙芒硝作为区域内常见的盐类矿物，其平均含量可达12.7%。

在矿物识别基础上，本文以长英质矿物(即石英和长石)、黏土矿物和碳酸盐矿物（即方解石和白云石）为岩性分类三角图的3个端元，以均一化处理后矿物含量的50%为分界点，划分出黏土质页岩（黏土矿物相对含量大于50%）、富长英质碎屑岩（长英质矿物相对含量大于50%）、碳酸盐岩（碳酸盐矿物相对含量大于50%）和混积岩（黏土矿物、长英质矿物和碳酸盐矿物相对含量均不高于50%）4种基本岩相类型（图 2）。从矿物学角度来看，研究区主要发育碳酸盐岩、富长英质碎屑岩和混积岩，黏土质页岩含量较少（图 2）。进一步结合镜下岩石结构观测结果，根据矿物颗粒粒度，将碳酸盐岩细分为颗粒碳酸盐岩和泥晶碳酸盐岩，同时，混积岩细分为颗粒混积岩和细粒混积岩。需要说明的是，由于岩性分类三角图未将盐类矿物纳入分类标准，因此对于钙芒硝和石盐等盐类矿物含量较高的岩石直接按盐类类型归类为硫酸盐岩和盐岩等。

图 2

图 2 潜江凹陷潜江组碳酸盐岩层系主要矿物组成及岩相类型 Fig. 2 Main mineral compositions and lithofacies types of carbonate rock series in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag

镜下显示，颗粒碳酸盐岩纹层特征发育不明显，碳酸盐矿物颗粒粒度较大，粒径普遍大于100μm（图 3a）。颗粒碳酸盐岩主要沉积在湖泊破浪带，浅水高能环境，含有少量鲕粒和陆源碎屑，颗粒间多为点接触或线接触（图 3a）。该岩相矿物学特征表现为主要由白云石和方解石构成，其含量整体在40.5%~79.3%之间，平均为53.1%。长英质矿物含量相对次之，分布范围为7.3%~44.5%，平均为29.3%；黏土矿物含量较低，分布范围为1.6%~30.7%，平均为4.7%。此外，有机碳测试结果表明，颗粒碳酸盐岩TOC分布范围为0.15%~2.33%，平均为0.65%（图 4）。

图 3

图 3 潜江凹陷潜江组H61X井不同类型岩石镜下微观特征 Fig. 3 Microscopic characteristics of various types of rocks in Qianjiang Formation in Well H61X, Qianjiang Sag (a)颗粒碳酸盐岩，潜三段，2341.6m，单偏光；(b) 泥晶碳酸盐岩，潜三段，2295.15m，单偏光；(c)颗粒混积岩，潜三段，2241.76m，单偏光；(d) 细粒混积岩，潜三段，2208.8m，单偏光；(e) 富长英质碎屑岩，潜三段，2357.36m，单偏光；(f) 黏土质页岩，潜三段，2232.4m，单偏光

图 4

图 4 潜江凹陷潜江组典型岩相岩石TOC分布图 Fig. 4 TOC distribution of rocks with typical lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag

泥晶碳酸盐岩是潜江凹陷主要的碳酸盐岩相之一，分布范围较广，在浅水沉积环境和深水环境中都有发育。泥晶碳酸盐岩由于矿物颗粒粒度较细，光学显微镜下难以准确描述矿物结构特征（图 3b）。但XRD测试结果显示其矿物组成整体与颗粒碳酸盐岩相似，以白云石和方解石矿物为主，含量整体介于45.4%~71.8%，平均为54%；长英质矿物和黏土矿物平均含量分别为15.7%和17.1%。此外，进一步的观测结果显示，泥晶碳酸盐岩内部可见明显的有机质条带分布（图 3b）。因此，泥晶碳酸盐岩TOC也较颗粒碳酸盐岩明显增加，TOC分布范围为0.42%~2.96%，平均为1.45%（图 4）。

颗粒混积岩主要由长英质砂屑、碳酸盐鲕粒以及黏土矿物按照不同比例形成（图 3c），矿物颗粒粒度较粗，没有明显的定向排列规律。颗粒混积岩中不同类型矿物含量整体相似，其中碳酸盐矿物含量平均为36.5%，黏土矿物和长英质矿物含量平均为11.9%和35.5%。颗粒混积岩TOC分布范围为0.24%~2.3%，平均为0.87%（图 4）。

相较于颗粒混积岩而言，细粒混积岩矿物颗粒粒径显著降低，细粒的碳酸盐颗粒、陆源碎屑长英质颗粒和黏土矿物颗粒相互混杂堆积（图 3d）。碎屑颗粒的含量一般为17%~45.9%，平均为26.4%，呈棱角状和次棱角状，分选一般，石英多为单晶石英。碳酸盐矿物主体为20.1%~46%，平均为34.8%；细粒的黏土矿物主要分布在14%~42.7%，平均为28.5%。细粒混积岩有机质丰度相对较高，分布范围为0.22%~3.82%，平均为1.26%（图 4）。

镜下图像显示，富长英质碎屑岩中大量不同粒径的砂屑和石英颗粒相互混杂（图 3e）。石英含量主要分布在18%~42.3%之间，平均为27%；长石含量主要分布在14%~43%之间，平均为26.4%。此外，该类岩相还包含一定量的碳酸盐矿物和黏土矿物，平均值分别为28.6%和5.1%。进一步分析显示，富长英质碎屑岩有机质丰度相对最低，介于0.11%~2.03%，平均为0.6%（图 4）。

黏土质页岩主要由细粒的黏土矿物、长英质陆源碎屑矿物组成，含少量的泥晶方解石和泥晶白云石（图 3f）。黏土矿物呈薄层状分布，其含量主要分布在44.4%~51.3%之间，平均为47.35%。长英质陆源碎屑矿物则呈细条带状或长条状，其含量为2%~34.3%，平均为23.4%；方解石和白云石组成的碳酸盐矿物含量相对较低，平均值仅为11%左右。此外，本研究还注意到黏土矿物中往往混杂一定的暗色有机质（图 3f），因此黏土质页岩的TOC相对较高，介于1%~3.46%，平均为1.15%（图 4）。

盐湖盆地硫酸盐岩主要为钙芒硝岩，呈灰白色或褐棕色，一般呈晶形完好的菱板状，集合体呈条带状、层状、透镜状、花瓣状，晶体大小不一，呈细到巨晶，一般大于5mm。普遍见两期生长现象，部分为裂隙充填物，呈纤维脉产出。钙芒硝与石盐、白云石等共生。由于硫酸盐岩主要由钙芒硝等盐类矿物组成，有机质基本不可见，在此不对其含量做进一步分析测试。

盐岩呈无色或灰白色，晶粒大小不一，一般以中粗晶为主，晶粒为0.3~1cm，局部达数厘米，晶形为自形—半自形，以半自形为主，晶体中常见立方体状或其他形状的气液相包裹体，局部见原生羽毛状构造，常交代无水芒硝和钙芒硝。与硫酸盐岩类似，盐岩中有机质含量较低，未做进一步分析测试。

受干湿气候交替变化影响，纵向上发育多个韵律旋回，每个韵律旋回形成一套岩相组合。盐湖盆地主要发育四大类岩相组合体，分别为富长英质碎屑岩与泥岩岩相组合体（图 5）、颗粒碳酸盐岩+泥晶碳酸盐岩夹页岩岩相组合体（图 6）、颗粒混积岩+细粒混积岩夹页岩岩相组合体（图 7）和盐岩夹页岩岩相组合体（图 8），页岩的成分主要为纹层状云质泥岩。气候相对湿润，物源供给充足，湖平面上升，形成砂泥岩岩相组合体；气候相对干旱时期，湖平面迅速下降，盐度升高，形成颗粒碳酸盐岩+泥晶碳酸盐岩岩相组合；气候半干旱时期，外来物源供给增加，盐度相对减小，形成颗粒混积岩+细粒混积岩岩相组合；气候干旱时期，外来物源供给不足，盐度相对大，形成盐岩+页岩岩相组合体。图中长英质成分是指长石+石英的总含量，古气候用Rb/Sr来揭示，Rb/Sr越高，表明古气候越湿润，反之越干旱。古盐度用Sr/Ba来揭示，Sr/Ba越高，表明古水体越咸，反之越淡。其中，Rb、Sr、Ba等元素含量采用手持式矿石元素分析仪测定，仪器型号为美国尼通XL3t950。

图 5

图 5 富长英质碎屑岩与泥岩岩相组合体 Fig. 5 Felsic-rich clastic rock and mudstone lithofacies combination

图 6

图 6 颗粒碳酸盐岩和泥晶碳酸盐岩夹泥页岩岩相组合体图 Fig. 6 Granular carbonate rock and micritic carbonate rock intercalated with shale lithofacies combination

图 7

图 7 颗粒混积岩和细粒混积岩夹泥页岩岩相组合体图 Fig. 7 Granular mixed rock and fine-grained mixed rock intercalated with shale lithofacies combination

图 8

图 8 盐岩夹泥页岩岩相组合体 Fig. 8 Salt rock intercalated with shale lithofacies combination

在充分利用老区大量的老井资料基础上，通过岩屑录井和已有的矿物测试分析数据，对岩性岩相的再认识，开展重点层岩性岩相平面展布规律研究。以潜三段4油组为例，北部单向物源，自北向南依次发育砂泥岩岩相组合—混积岩岩相组合—碳酸盐岩岩相组合—盐岩岩相组合—碳酸盐岩岩相组合，总体上表现为北部单向物源，富长英质碎屑岩主要发育在凹陷北部，碳酸盐岩围绕中心洼陷呈环带状分布（图 9），分布面积超500km²。从横穿潜江凹陷的南北向对比剖面图可以看出（图 10），北部靠近物源入口T29X主要为页岩、混积岩和碳酸盐岩岩相组合，往南H61X井主要为碳酸盐岩岩相组合体，洼陷带QC1井主要为盐岩夹泥页岩岩相组合体，南部斜坡带T34井开始相变，不仅发育盐岩夹泥页岩岩相组合体，同时开始发育碳酸盐岩夹页岩岩相组合体。碳酸盐岩具有北厚南薄，北部以颗粒碳酸盐岩为主，南部以泥晶碳酸盐岩为主的特点。

图 9

图 9 潜江凹陷潜三段4油组岩性岩相平面展布图 Fig. 9 Lithology and lithofacies plane distribution of No.4 oil group in the third member of Qianjiang Formation, Qianjiang Sag

图 10

图 10 潜江凹陷潜三段4油组岩相对比图（剖面位置见图 9） Fig. 10 Lithofacies correlation section of No.4 oil group in the third member of Qianjiang Formation, Qianjiang Sag (section location is in Fig. 9)

潜江凹陷潜三段6种典型岩相岩石类型的氦气孔隙度分布特征如图 11。研究区盐间碳酸盐岩储层孔隙度分布范围较广，从1.3%至12.6%皆有分布，平均约为6%。虽然潜江组湖相碳酸盐岩孔隙度变化范围较大，但不同岩相间孔隙度平均值的差异较小，整体位于均值线（6%）附近（图 11）。

图 11

图 11 潜江凹陷潜江组典型岩相岩石孔隙度分布图 Fig. 11 Porosity distribution of rocks with typical lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag

值得注意的是，虽然不同类型储层孔隙度差异较小，但前人研究显示，不同粒径、不同类型的矿物通过不同程度的混合后，储层孔隙大小将受到不同程度的影响^{[5, 21]}。一般来说，粗粒的岩石颗粒易形成较大的原始粒间孔隙，如果无其他细粒的岩石矿物充填，则这些孔径较大的粒间孔隙则可以较好地残留和保存，为后期油气充注提供重要的储集空间。因此，对于粗粒的岩石储层（即富长英质碎屑岩、颗粒碳酸盐岩和颗粒混积岩）而言，岩石铸体薄片观测结果揭示这些粗粒的矿物颗粒之间可见大量粒间孔隙，孔隙直径较大（图 12a—c）。与此同时，高压压汞测试结果显示这些岩石类型的微米级孔隙含量较高，平均孔喉尺寸也相对更大（图 13、图 14）。其中，富长英质碎屑岩和颗粒碳酸盐岩微米级孔隙体积占比分别可达13%和17%。然而，对于细粒的岩石储层（即泥晶碳酸盐岩和细粒混积岩）而言，细粒的岩石颗粒导致刚性颗粒间形成的原始粒间孔隙尺寸相对较小，不同粒径矿物的混合将会进一步降低页岩孔喉尺寸。因此，泥晶碳酸盐岩和细粒混积岩的铸体薄片在相同或相似条件下，未见明显的粒间孔隙发育（图 12d—f）。高压压汞测试结果也表明细粒的岩石储层微米级孔隙含量和平均孔喉尺寸较粗粒的岩石储层明显降低（图 13、图 14）。此外，进一步分析显示，对于矿物组分相似的颗粒碳酸盐岩和泥晶碳酸盐岩而言，储层平均孔喉尺寸降低了92.7%。类似地，从颗粒混积岩过渡到细粒混积岩时，平均孔喉尺寸也降低了76.2%（图 14）。另一方面，对于矿物粒径相似的陆源碎屑岩和颗粒碳酸盐岩而言，孔喉尺寸基本未发生改变；泥晶碳酸盐岩过渡到细粒混积岩，平均孔喉尺寸下降程度仅为41.7%（图 14）。总的来说，研究区潜江组湖相碳酸盐岩储层特征受多种因素影响，其中矿物粒径是一级控制因素，决定了储层原始粒间孔隙发育程度及其孔径大小；矿物类型、组成及其混合程度是次一级的控制因素，决定了岩石支撑能力及原始粒间孔隙保存程度，进而影响孔隙结构；两者协同控制了潜江组湖相碳酸盐岩岩石物性特征。

图 12

图 12 潜江凹陷H61X井潜江组不同类型岩石铸体薄片揭示孔隙差异 Fig. 12 Pore difference in thin sections with various rock types in Qianjiang Formation in Well H61X, Qianjiang Sag （a)颗粒碳酸盐岩，潜三段，3342.2m；(b)富长英质碎屑岩，潜三段，3357.4m；(c)粗粒混积岩，潜三段，2262.3m；(d)泥晶碳酸盐岩，潜三段，2253.1m；(e)细粒混积岩，潜三段，2210.9m；(f)细粒混积岩，潜三段，2213.7m

图 13

图 13 高压压汞表征的潜江组典型岩相岩石孔径分布图 Fig. 13 Pore size distribution of rocks with typical lithofacies in Qianjiang Formation characterized by high-pressure mercury injection data

图 14

图 14 基于高压压汞评价的不同类型岩石孔喉尺寸差异 Fig. 14 Difference of pore throat sizes of various rock types indicated by high-pressure mercury injection data

江汉盆地历经60余年勘探，资源探明率超过70%，探井密度高达0.4口/km²，剩余油气愈加隐蔽，规模也越来越小(单个圈闭面积多小于1km²)，急需寻找油气接替新领域。江汉盆地潜江组盐间碳酸盐岩岩相除了泥页岩、碳酸盐岩外，还包括大量的钙芒硝岩及多种过渡岩类，整体表现为机械沉积和化学沉积的复合产物（图 2）。此外，连续性较好的盐类矿物的存在进一步增加了储层非均质性，造成勘探效果差异显著，迫切需要明确不同区带有利岩相或岩相分布特征。岩性岩相平面展布显示，潜江组湖相碳酸盐岩分布特征具有明显的规律性，其中北部靠近物源，以发育砂泥岩相组合为典型特征（图 9、图 10）。对于这一岩相组合而言，富长英质碎屑岩由于矿物颗粒粗大，易形成较大的原始粒间孔隙（图 12），且长英质矿物抗压实能力强，即使在成岩压实过程中依然可以通过矿物庇护作用使得大部分孔隙残留保存^[5]。因此，砂泥岩相组合促使富长英质碎屑岩和泥页岩在垂向上可形成良好的源储耦合关系，富长英质碎屑岩成为油气聚集的重要岩相类型，且大量发育的长英质矿物增加了岩石脆性，有利于后期压裂改造^{[5, 22]}。因此，对于北部地区的油气勘探选区、选层而言，建议压裂层段部署主要围绕富长英质碎屑岩开展。随着向中心洼陷的变化，岩相组合类型逐渐演变为碳酸盐岩岩相组合和盐岩夹泥页岩岩相组合（图 9、图 10）。前已述及，颗粒碳酸盐岩与富长英质碎屑岩类似，其内部也发育大量孔径较大的原始粒间孔隙，是有利的储层（图 12）。此外，较大的孔喉尺寸也减缓了孔喉对油气流动的束缚作用，利于生产开发^[5]。因此，对于过渡区域而言，优选粗粒的碳酸盐岩岩相类型是首要选择，例如H20X-4井试油数据显示，颗粒碳酸盐岩日产油可达26.2m³。值得说明的是，尽管泥晶碳酸盐岩孔隙尺寸相对粗粒的富长英质碎屑岩和颗粒碳酸盐岩较小（图 12），但其分布范围更广，促使泥晶碳酸盐岩和泥岩在垂向上可以形成更多的微观源储配置关系（图 10）。页岩油在满足泥岩自身吸附后，大量中轻质组分可以进入泥晶碳酸盐岩储层中残留的孔隙空间，形成可动性较好的页岩油气聚集^{[5, 12]}。实测数据显示，Z99X井潜四段下亚段泥晶碳酸盐岩试油后日产油高达137.6m³。研究成果实现了潜江组过渡带新类型储层的勘探突破，打破了过渡带储层不发育的传统认识。

（1）根据矿物组成和颗粒结构差异，江汉盆地潜江凹陷潜江组岩石类型主要划分为颗粒碳酸盐岩、泥晶碳酸盐岩、颗粒混积岩、细粒混积岩、富长英质碎屑岩、黏土质页岩、硫酸盐岩和盐岩。

（2）不同岩石类型储层孔隙度相近，但孔隙大小存在明显差异。富长英质碎屑岩和颗粒碳酸盐岩孔隙尺寸较大，微米级孔隙体积占比超过10%，平均孔喉半径大于140nm。泥晶碳酸盐岩和细粒混积岩原始粒间孔隙发育程度相对较低、孔隙尺寸较小，微米级孔隙比例小于5%，平均孔喉半径小于10nm。

（3）矿物粒径是影响不同岩石类型储集物性的一级控制因素，矿物组成则是二级控制因素。粗粒、简单的岩石易形成较大的原始粒间孔隙，储层物性相对较好，而细粒、混积的岩石形成的粒间孔隙易被细粒的矿物充填，孔喉尺寸变小、物性变差。

（4）不同类型岩石相互叠置，自北向南依次形成富长英质碎屑岩和页岩岩相组合体、颗粒混积岩和细粒混积岩夹泥页岩岩相组合体、颗粒碳酸盐岩和泥晶碳酸盐岩夹泥页岩岩相组合体、盐岩夹泥页岩岩相组合体。油气勘探开发在不同区带应针对不同的岩相类型有序开展，其中北部靠近物源，以发育砂泥岩岩相组合为典型特征，建议压裂层段部署主要围绕富长英质碎屑岩开展；对于过渡带和靠近南部区域而言，优选粗粒的碳酸盐岩岩相类型，泥晶碳酸盐岩中因广泛发育微运移烃也是不容忽视的优质岩相类型。