全球经过多年油气勘探开发，在中浅层（≤4500m）发现油气的难度越来越大，已呈下降趋势，随着理论与技术的发展，越来越多的油气在深层（4500~6000m）和超深层（> 6000m）中被发现^[1]。随着钻井技术不断进步，钻井深度也不断增加，最大深度已经超过10000m。逾万米深层的钻探始于20世纪70年代，苏联的科拉3井，1970年开钻，1993年钻至井深12262m完钻，为目前世界最深垂直钻井^[2]，2022年10月，阿联酋完钻的UZ-688井侧深达15240m，为世界最长钻井^[3]。截至2023年3月，垂深大于8000m的油气钻井（不含单纯的科学探索井）共有453口，主要位于美国和中国，其中美国279口、中国174口^[4-6]。同时，共发现55个埋深超过8000m的油气田，但尚未有埋深过万米的油气田，其中美国墨西哥湾深水盆地有45个，均为碎屑岩储层；库克湾盆地1个（Kenai气田），为碎屑岩储层；阿纳达科盆地1个（米尔斯兰奇气田），为白云岩储层；苏联捷列克—里海盆地1个（Tambeyskoye Yuzhnove油田），为砂岩储层；大洋洲巴布亚盆地（Agogo油田）1个，为砂岩储层；塔里木盆地4个，其中碎屑岩储层2个，为克深气田和大北气田，碳酸盐岩储层2个，为富满油田和顺北油田；准噶尔盆地和四川盆地各1个，分别为天湾气藏的碎屑岩储层和安岳气田的白云岩储层^[7-8]。

据C&C和HIS数据库，目前国外已发现8000m以深的碎屑岩油气主要分布在北美洲墨西哥湾盆地、库克湾盆地，苏联捷列克—里海盆地，以及大洋洲巴布亚盆地^[7-8]。最深的油田为墨西哥湾深水盆地的Tiber油田（发现于2009年9月，完钻深度达10685m），海水深度为1259m，其新生界砂岩油层地下埋深为8740m，可采储量为8900×10⁴t油当量，这些油藏温度小于250℃、压力系数为1.4、储层孔隙度为15%~30%，以油为主^[9]。整体而言，预测国外万米深层油气藏大多应分布在被动大陆边缘和前陆盆地，其原因主要为流体以轻质油为主，少量为天然气；烃源岩主要为海相泥页岩，受海水、超压及盐层等的影响，热演化程度相对偏低，在万米深处仍可生成液态石油；储层主要为中—新生界原生孔隙型砂岩，碳酸盐岩较少，受中—新生代地层快速沉降作用的影响，储层中流体不能逸出，形成超压降低了压实效果，储层物性较好；盖层也以海相泥页岩为主，同时塑性盐岩也起到很好的封盖和封堵作用。如墨西哥湾盆地中—新生代快速沉积了万米地层，烃源岩为下白垩统—上侏罗统海相页岩，在海底以下7620~10668m（25000~35000ft）以生油为主，9144~12192m（30000~40000ft）主要生气^[9]；储层为新近系松散的海底扇混合浊积席状原生粒间孔型细—中粒长石砂岩，如K2油田，孔隙度可达17%~28%（平均为22%），空气渗透率可达100~10000mD（平均为1500mD）^[9]；盖层是中新统半深海页岩及底劈岩层，整体生储盖组合较好。

近5年来，中国在塔里木盆地的库车、河套盆地、准噶尔盆地南缘等地区的超深层碎屑岩油气勘探获得重要发现^[10-17]。塔里木盆地实施“深地工程”，已经完钻200余口垂深超过8000m的超深井，在库车前陆冲断带的白垩系碎屑岩中发现克深、大北和博孜等大气田，8000m以深的井有12口，分别为克深7井、克深21井、克深902井、克深1901井、克深31井、克深3101井、克深3102井、克深3103井、大北4井、大北303JS井、博孜8井、亚格2井，其中8口井测试获工业油气流，工业气流井大北4井完钻垂深为8271m、克深902井完钻垂深为8038m，亚格2井垂深达到了8603m，完钻层位为白垩系舒善河组砂岩，未获工业油气流。准噶尔盆地超过8000m的垂深井有4口，其中天安1井完钻井深为8140m，层位为侏罗系三工河组；天湾1井完钻井深为8166m，层位为侏罗系齐古组（J3q），在8066~8092m白垩系清水河组（K1q）测试获油气产量885.4m³/d，地层压力为171.80MPa，压力系数为2.15，井底温度为170.13℃；征深101井完钻垂深为8962.85m，二叠系风城组压力系数为1.84~2.13，油气显示良好，正在准备试油；清北1井完钻深度达9056m，是亚洲陆上第二深直井，也是新疆油田成功钻探的首口深度超8848m的“地下珠峰”。

现有的8000m以深的油气勘探开发成果指示在万米深层领域仍具有很好的石油和天然气勘探前景，同时也为万米深层油气成藏的研究提供了大量重要的基础资料^[18-20]，由于万米深层油气藏埋深大，其油气地质条件一定有其特殊性^[21-22]，因此深入认识其油气成藏的关键条件，尤其是大型逆冲滑脱构造、超高温压强应力下的成烃成储规模、天然气成藏模式不清楚，对实现万米深层领域天然气勘探发现的大突破具有重要意义。本文通过对塔里木盆地库车坳陷万米深层构造结构、烃源岩潜力、储层成因及分布、成藏模式等进行深入分析，明确了万米深层碎屑岩天然气成藏关键条件，以期为天然气规模高效勘探指出战略方向。

库车坳陷位于塔里木盆地北部，北与南天山断裂褶皱带以逆冲断层相接，南为塔北隆起，东起阳霞凹陷，西至乌什凹陷，是一个以中—新生界沉积为主的再生型前陆盆地，整体呈NEE向展布，勘探面积为2.8×10⁴km^2[23-24]（图 1）。库车坳陷自北向南划分为北部构造带、克拉苏构造带、拜城凹陷、秋里塔格冲断带、乌什凹陷、阳霞凹陷、温宿凸起和南部斜坡带。克拉苏构造带自西向东可划分为4段，分别为阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段，由北向南发育5条一级大断裂，分别为克北断裂、博孜—克拉断裂、克拉苏断裂、克深断裂和拜城断裂，并以此划分为4个断裂构造带，分别为博孜—克拉断裂带、克深断裂带、拜城断裂带和拜城南断裂带^[25-27]。受海西期—印支期古构造影响，库车坳陷中生界整体发育湖陆过渡相，为多套细砾岩、砂砾岩、中砂岩夹煤层及泥岩的三角洲—湖泊沉积体系，其中上三叠统黄山街组、下侏罗统阳霞组碳质泥岩段、中侏罗统恰克马克组及下白垩统舒善河组沉积期，发生大规模区域性湖泛事件，形成了该区优质烃源岩和优质盖层^[28-30]。受4期区域性湖泛和湖退控制，库车坳陷发育五大沉积旋回，形成了三叠系塔里奇克组，侏罗系阿合组、阳霞组、克孜勒努尔组，白垩系亚格列木组、巴西改组、巴什基奇克组7套优质砂岩储层，其中塔里奇克组、阿合组、亚格列木组、巴什基奇克组4套砂岩储层及储盖组合区域上均有分布，白垩系巴什基奇克组已经发现博孜—大北气田、克拉—克深气田、中秋1气藏，基本探明2×10¹²m³天然气储量规模，侏罗系阿合组已发现迪北和吐孜气藏。截至2023年12月，库车坳陷第四次资源评价资源量天然气为8.91×10¹²m³、石油为5.77×10⁸m³，其中探明天然气地质储量1.92×10¹²m³、石油地质储量1.44×10⁸m³，探明率分别为21.6%、25%；克拉苏构造带探明天然气地质储量1.477×10¹²m³、石油地质储量2521×10⁴m³，秋里塔格冲断带东部中秋1及迪那2气藏探明天然气地质储量2425×10⁸m³、石油地质储量1731×10⁴m³，南部斜坡带探明天然气地质储量1321×10⁸m³、石油地质储量9201×10⁴m³，北部构造带探明天然气地质储量723×10⁸m³、石油地质储量975×10⁴m^3[31-33]。

图 1

图 1 库车坳陷构造分布图（左）及生储盖组合图（右） Fig. 1 Division of structural units (left) and source rock-reservoir-cap rock combination in Kuqa Depression (right)

塔里木盆地库车坳陷构造特征从北往南表现为基底卷入、中生界逆冲叠瓦、新生界滑脱冲断构造变形，其中北部构造带为基底卷入冲断构造带，表现为印支期、喜马拉雅期两期构造叠加，其中以喜马拉雅期构造逆冲基底卷入冲断变形最为典型；克拉苏构造带为古近系—新近系盐上滑脱冲断、盐岩剪切变换、盐下叠瓦冲断，分层分期构造变形为主；南部斜坡带为古生界与中生界构造叠合复合带，古近系—新近系盐上滑脱冲断、盐下斜坡构造背景。克拉苏构造带万米深层的侏罗系—三叠系构造发育特征比古近系盐下白垩系简单，以多套煤系地层—巨厚泥岩地层滑脱和基底古生界碳酸盐岩不整合面滑脱为主；不同于古近系—新近系膏盐岩塑性地层的强烈滑脱，白垩系之下的侏罗系—三叠系逆冲叠瓦变形相对较弱，由大型逆冲断裂形成的宽缓断背斜、背斜和断块构造发育，自北向南向呈叠瓦状分布，构造幅度逐渐降低，至南部斜坡带，三叠系与古生界呈低角度不整合接触，形成大型地层不整合超覆背景（图 2、图 3）；克拉苏构造带东西向深层构造变形相对简单、形态完整，背斜、断背斜构造起伏十分明显（图 4）。

图 2

图 2 库车坳陷中部万米深层南北向构造结构剖面图（剖面位置见图 1） Fig. 2 N—S structural section of 10000-meter deep formation in central Kuqa Depression (section location is in Fig. 1)

图 3

图 3 库车坳陷西部万米深层南北向构造结构剖面图（剖面位置见图 1） Fig. 3 N—S structural section of 10000-meter deep formation in western Kuqa Depression (section location is in Fig. 1)

图 4

图 4 库车坳陷万米深层东西向构造结构剖面图（剖面位置见图 1） Fig. 4 E—W structural section of 10000-meter deep formation in Kuqa Depression (section location is in Fig. 1)

库车坳陷海西晚期—印支期古冲断带和区域断裂控制三叠系沉积与烃源岩分布，三叠系湖相暗色泥岩和煤系地层烃源岩平面上受古断裂控制，东西向呈多个条带状分布^[34-36]，累计面积为1.75×10⁴km²，发育7个厚值区，厚度为100~500m，其中北部构造带厚度为60~260m，克拉苏构造带厚度最大，在300~500m之间，秋里塔格冲断带东部的厚度为100~200m；上三叠统烃源岩生烃强度最大可达1200×10⁸m³/km²，生烃中心集中在克拉苏构造带、秋里塔格冲断带东部和北部构造带，其中库车北部构造带为（100~600)×10⁸m³/km²，克拉苏构造带为（300~1000)×10⁸m³/km²，秋里塔格冲断带东部为（100~300)×10⁸m³/km²（图 5）。三叠系黄山街组泥岩平均有机碳含量均大于1.0%，最大达5.6%；塔里奇克组泥岩平均有机碳含量均大于2.0%，碳质泥岩平均有机碳含量均大于10.0%，煤岩平均有机碳含量均大于50.0%。黄山街组有机质类型主要为Ⅰ—Ⅱ2型^[37-38]，成熟度主要为0.8%~4.0%，其中克拉苏构造带主体区成熟度达2.0%~4.0%；塔里奇克组有机质类型以Ⅲ型为主，成熟度主要为0.7%~3.0%，其中克拉苏构造带主体区成熟度达1.5%~3.5%。

图 5

图 5 库车坳陷上三叠统烃源岩厚度及生气强度等值线图 Fig. 5 Thickness and gas generation intensity contours of the Upper Triassic source rock in Kuqa Depression

库车坳陷侏罗系发育3套烃源岩，自下而上分别为阳霞组4段、阳霞组1段—克孜勒努尔组4段、恰克马克组，分布面积达1.23×10⁴km^2[34-35]，其中克拉苏构造带厚度为200~700m，秋里塔格冲断带东部厚度为200~500m，北部构造带厚度为200~500m。泥质烃源岩的TOC为0.58%~6.52%，Ro为0.6%~1.8%，以Ⅲ型干酪根为主，最大生烃强度达2500×10⁸m³/km²，生烃中心主要集中在克拉苏构造带—阳霞凹陷，其中克拉苏构造带为（500~2000)×10⁸m³/km²，秋里塔格冲断带东部为（500~1000)×10⁸m³/km²，北部构造带为（300~1000)× 10⁸m³/km²（图 6）。侏罗系烃源岩累计生油量为233.98×10⁸m³，生气量为102.57×10¹²m³，总生烃量为1051.28×10⁸m³。侏罗系烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主，成熟度主要为0.7%~3.0%，其中克拉苏构造带主体区成熟度达1.5%~3.0%。

图 6

图 6 库车坳陷侏罗系烃源岩厚度及生气强度等值线图 Fig. 6 Thickness and gas generation intensity contours of the Jurassic source rock in Kuqa Depression

库车坳陷万米深层领域的主要目的层为三叠系和侏罗系，其主要储层侏罗系阿合组为来自南天山物源的8个大型远源辫状河三角洲沉积体系。根据露头、钻井、岩性、沉积构造、重矿物ZTR指数、砂地比资料，以及测井和地震资料信息综合分析，北部构造带侏罗系阿合组以辫状河三角洲平原亚相为主（图 7），岩性以灰白色中砂岩、粗砂岩夹薄层砾岩为主，累计厚度为300~400m，单期河道砂体一般厚度为1~2m，多期河道复合加积砂体累计厚度为20~35m，阿合组砂体厚度为260~400m，在库车坳陷呈横向巨厚连片分布特征（图 8）。克拉苏构造带、秋里塔格冲断带侏罗系阿合组以辫状河三角洲前缘为主，砂体类型以水下分流河道为主，岩性主要为中砂岩和细砂岩，累计厚度预计可达100~200m。

图 7

图 7 库车坳陷侏罗系阿合组沉积相平面展布图 Fig. 7 Sedimentary facies plane distribution of the Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression

图 8

图 8 库车坳陷侏罗系阿合组砂体横向对比图 Fig. 8 Correlation of the Jurassic Ahe Formation sand body in Kuqa Depression

库车坳陷北部构造带侏罗系阿合组不同岩性的岩石物性测试结果表明，储层孔隙度与岩石粒度关系明显，（含砾）粗砂岩、中砂岩孔隙度为6%~10%，砾岩、细砾岩和粉砂岩孔隙度一般低于6%，基质渗透率一般低于0.1mD，裂缝性储层渗透率可达100~1000mD^[35]。有效储层储集空间在露头区以粒内溶孔、裂缝和原生粒间孔为主，在井下以微孔隙、粒内溶孔和微裂缝为主^[32]，孔隙度介于2.6%~18.4%，渗透率为0.02~120.75mD，受构造挤压造缝^[39-41]、岩相和溶蚀强度的共同控制^[42-43]，阿合组储层性质平面差异性显著，非均质性强^[44-46]，其中北部构造带孔隙度主要为5%~8%，迪北迪西1井区平均孔隙度为6.5%、平均基质渗透率为0.93mD，吐格尔明吐东2井区孔隙度为5%~19%，阳霞凹陷地区孔隙度为7%~12%。本次研究明确了克拉苏构造带侏罗系阿合组的三大建设性成岩主控因素：长期浅埋—晚期快速深埋（图 9）、超高温度超高流体压力（温度为180~230℃、剩余流体压力为40~60MPa）（图 10、图 11）、喜马拉雅晚期构造逆冲挤压，其中前两者有利于储层溶蚀作用及基质孔隙的持续保持，后者有助于造缝增渗。通过对阳探1井7707m和7709m侏罗系阿合组（孔隙度分别为10.57%和7.95%）样品在拟三轴应力状态下持续加轴压、加围压、加温度、加流体压力，压实物理模拟万米埋深的储层物性变化，结果表明储层孔隙度总体具有增加的趋势，增孔率为7%~37%（图 12）；通过构造—沉积—成岩一体化预测方法^[47]，预测克拉苏构造带—秋里塔格冲断带东部万米深层区侏罗系阿合组储层孔隙度仍为5%~10%，多尺度裂缝缝网发育，有效储层分布自西向东呈带状展布，厚度可达100~200m。

图 9

图 9 库车坳陷侏罗系阿合组温度压力、成岩作用及孔隙演化模式图 Fig. 9 Formation temperature, pressure, diagenesis and pore evolution modes of the Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression

图 10

图 10 库车坳陷侏罗系阿合组底面现今温度分布图 Fig. 10 Present temperature contour of the base Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression

图 11

图 11 库车坳陷侏罗系阿合组底面现今剩余压力分布图 Fig. 11 Present residual pressure contour of the base Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression

图 12

图 12 库车坳陷侏罗系阿合组埋深与孔隙度关系预测图 Fig. 12 Relationship between burial depth and porosity of the Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression

侏罗系阿合组上覆阳霞组发育大套稳定分布的暗色泥岩、煤系地层，厚度为200~500m，既是直接盖层又是一套区域性烃源岩；下伏三叠系塔里奇克组—黄山街组的暗色泥岩和煤系地层发育，厚度为200~700m，既是阿合组致密气藏的有效烃源岩，又可作为气藏的底板；阿合组含砾砂岩、粗—中砂岩储层与上覆和下伏泥岩、煤系地层构成典型的“三明治”生储盖组合结构（图 1）。这套优质生储盖组合在库车坳陷克拉苏构造带、秋里塔格冲断带东部区域稳定分布，可形成大面积分布的源内构造—岩性致密砂岩气藏，其中克拉苏构造带盐下白垩系巴什基奇克组和亚格列木组已发现的气藏流体分别为干气藏和凝析气藏^[31]，预测其下伏地层下侏罗统—三叠系源内气藏类型也主要为干气藏，其次为凝析气藏。万米深层区高—过成熟天然气沿断裂下盘自下而上、沿砂体侧向立体运聚充注，在下侏罗统阿合组大面积连续成藏，形成源内及近源构造—岩性致密气藏。万米深层区下侏罗统天然气藏也是库车坳陷侏罗系—三叠系全油气系统立体多层系多相态充注成藏，是油气空间上形成自克拉苏构造带向北向南以干气—凝析气—石油环带状差异化富集分布的重要组成部分（图 13）。

图 13

图 13 库车坳陷万米深层油气成藏模式及全油气系统成藏类型预测剖面（剖面位置见图 1） Fig. 13 Hydrocarbon accumulation pattern in 10000-meter deep formation and prediction of oil and gas reservoir section in the whole petroleum system in Kuqa Depression (section location is in Fig. 1)

库车坳陷万米深层领域主要为近源/源内的第一套区域储盖组合，以油气近源—源间短距离聚集成藏为主^[48-49]，在三叠系—侏罗系聚集成藏，以构造—岩性气藏、致密气藏为主。基于生烃中心、构造背景、储层分布和成藏模式综合评价表明，优选克拉苏构造带埋深9000~11000m，有利勘探面积4200km²，构造圈闭显示15个，总面积2130km²，按照库车东部迪北地区侏罗系阿合组的资源丰度计算^{[32, 35]}，天然气资源量为1.5×10¹²m³，有利目标区层位主要位于克深大气田的下伏地层下侏罗统阿合组，其次为上三叠统塔里奇克组（图 14、图 15）。类比库车坳陷东部迪北地区侏罗系成藏年代、成岩演化特征，下侏罗统阿合组表现为早期成油、构造破坏、减孔致密、喜马拉雅晚期聚气，天然气沿断裂—裂缝带充注成气藏，呈现出“先致密后成藏、多期充注”的特征^{[27, 30]}，其中第一期成藏期为距今18Ma，原油充注，储层未致密化，孔隙条件好，孔隙度达10%~15%，高部位聚集形成常规油藏，后期受构造抬升遭到破坏；第二期成藏期为距今5Ma，构造挤压和埋藏压实，储层趋于致密，孔隙度达5%~8%，构造裂缝发育，天然气沿断层裂缝带高效运移充注富集。类比迪北地区侏罗系成藏特征，克拉苏构造带万米深层区，尤其是克深气田之下，处于5Ma以来快速深埋、构造圈闭定型、储层致密化和裂缝化、天然气持续强充注成藏的有利时期，是继克拉大气田之下发现克深大气田之后，再向万米深层领域探索发现大气田的战略有利领域。

图 14

图 14 库车坳陷万米深层克深有利区侏罗系—三叠系致密气藏预测图（剖面位置见图 1） Fig. 14 Prediction of the Jurassic-Triassic tight gas reservoirs in Keshen favorable zone with a depth of 10000 m in Kuqa Depression (section location is in Fig. 1)

图 15

图 15 库车坳陷万米深层碎屑岩领域有利区优选图 Fig. 15 Optimal selection of favorable areas in clastic rock field in 10000-meter deep formations in Kuqa Depression

本次研究针对库车坳陷万米深层领域天然气的关键成藏条件，聚焦超深层区的构造特征、生烃潜力、储层性质和成藏模式，开展了构造解析、烃源岩评价、储层机理、成藏建模和区带优选研究。主要取得4点认识：发育侏罗系—三叠系受煤系地层、泥岩和古生界不整合面等三重滑脱层控制的大型断背斜、背斜、断块构造和地层超覆体，其中克拉苏构造带超深层侏罗系多类型构造圈闭最为发育；克拉苏构造带万米深层领域三叠系暗色泥岩R_o为2.5%~4.0%，生烃量为（1000~3000)×10⁸m³/km²；下侏罗统阿合组大规模发育裂缝—孔隙型有效储层，在万米深层仍具有5%~10%的孔隙度和1mD以上渗透率；万米深层领域主要以源内及近源大面积构造、构造—岩性干气藏、凝析气藏为主，克拉苏构造带有利面积为4200km²，天然气资源量为1.5×10¹²m³，其中克深气田之下构造圈闭是有利目标区，是克深之下找克深的有利靶区。

研究为库车坳陷万米深层天然气勘探奠定了理论认识，初步填补了前人关于超深层构造、构造—岩性圈闭和规模储层条件的认识空白；也为揭开克拉苏构造带立体式多层系运聚成藏规模、近源及源内天然气高效充注富集规律、天然气储量产量的战略接替潜力夯实基础；也是继碳酸盐岩万米深层钻探之后，推动国内万米深层碎屑岩领域的天然气科学勘探新步伐。