準噶爾盆地腹部陸南凸起侏羅系儲層成巖作用及其對儲層物性的影響

仲維蘋

( 中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257000 )

0 引言

隨著油氣勘探和開發(fā)程度的不斷提高，以儲層為對象的地質研究逐步深入。油氣儲層的外觀形體及內(nèi)部屬性成為油氣勘探與開發(fā)研究的重點。不同地質條件下，油氣儲層的性質除受構造演化、沉積環(huán)境的影響外，成巖作用也對儲層的內(nèi)部屬性起決定性作用。20世紀70年代末，隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入及新技術、新方法的引入，碎屑巖的成巖作用取得突破性進展，在砂巖中發(fā)現(xiàn)大量由成巖作用形成的次生孔隙，標志成巖作用的研究與理論日趨成熟[1-5]。張文凱等[6]以遼東凸起東營組砂巖為例，利用薄片鑒定及掃描電鏡觀察分析成巖作用與儲層的關系，認為成巖作用對儲層孔滲性具有雙重影響。陳振巖等[7]對鴛鴦溝洼陷西斜坡成巖作用進行表征，預測有利區(qū)帶。孟元林等[8]以渤海灣盆地南堡凹陷老爺廟地區(qū)深層為例，綜合考慮溫度、壓力、流體和時間等因素，模擬成巖參數(shù)，分析成巖作用過程，確定有利勘探區(qū)域。成巖作用研究主要是為儲層評價及預測，隨著油氣勘探程度的不斷提高，在石油、天然氣勘探開發(fā)中發(fā)揮的作用愈加重要。

準噶爾盆地侏羅系為潮濕或半潮濕氣候條件下沉積的陸相碎屑巖，遍布于全盆地，一般以明顯的不整合覆蓋于下伏地層，侏羅系中下統(tǒng)為含煤巖系，上統(tǒng)為紅色或灰色建造，是重要的含油氣層系。準噶爾盆地腹部陸南凸起周圍受多個凹陷包圍，是一個長期繼承性隆起，是油氣運移的有利指向區(qū)[9]。1998年，陸南1井區(qū)三工河組探明石油儲量256×104t，并投入開發(fā)；2011年，陸南6井再獲高產(chǎn)工業(yè)油流，在侏羅系三工河組(3 098.5～3 195.5 m)試油，產(chǎn)油量為1.46 t/d，揭示陸南凸起侏羅系存在大規(guī)模的有效儲層，之后再未獲得突破。人們的研究多集中于油氣成因及油源對比方面，對沉積儲層、成巖作用的研究甚少。

筆者利用鉆井取心鑄體薄片、掃描電鏡、X線衍射、物性等資料，研究陸南凸起侏羅系儲層特征及儲層成巖作用，根據(jù)侏羅系不同層段巖石組分、黏土礦物種類及含量的差異，分析各層段經(jīng)過成巖作用后儲集空間類型及特征，并結合巖心及測井解釋資料，分析儲層物性的影響因素，為下一步石油勘探提供依據(jù)。

1 地質概況

準噶爾盆地腹部陸南凸起周圍被盆1井西、瑪湖、石南、東道海子等凹陷包圍，是一個長期繼承性隆起(見圖1)，是海西期構造運動的產(chǎn)物。早泥盆世—石炭紀形成鈣堿性火山巖基底，石炭紀—二疊紀早期，活躍的火山活動使該凸起處于抬升狀態(tài)，缺失二疊紀—早三疊世的沉積。晚三疊世，全盆地整體下降，進入泛盆沉積時期。經(jīng)三疊紀末期強烈的構造運動后，該凸起早中侏羅世構造相對穩(wěn)定，沉積近800 m厚的河湖—沼澤相含煤碎屑巖。燕山運動晚期，陸南凸起再次抬升，形成侏羅系內(nèi)部不整合及張性斷裂，在凸起局部高部位，白堊系不整合于侏羅系之上。自白堊紀開始，陸南凸起構造活動微弱。

圖1 陸南凸起區(qū)域位置Fig.1 Area location of Lunan uplift

侏羅系由下至上發(fā)育八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)及西山窯組(J2x)地層，頭屯河組(J2t)基本被剝蝕殆盡。八道灣組為厚層砂巖、含礫砂巖、泥巖及煤層組成多個向上變細巖性組合，垂向上相互疊加，總體反映多期河道切割疊加特征；三工河組總體為“兩泥夾一砂”的巖性組合特征；西山窯組為灰色細砂巖、泥質砂巖、泥巖不等厚互層，發(fā)育多套穩(wěn)定分布的煤層。整體上，中、下侏羅統(tǒng)為一套含煤河流—湖沼相碎屑巖。

2 儲層巖石學及物性特征

2.1 巖石學

分析研究區(qū)27口井鉆井取心、鑄體薄片、掃描電鏡的觀察描述及物性資料，認為侏羅系砂巖在巖石學上表現(xiàn)為結構成熟度高、成分成熟度低、膠結物及泥質雜基質量分數(shù)低的特征，同時又有煤系地層(J1b、J2x)與非煤系地層(J1s)之分。儲層巖石類型為中粗砂巖、細砂巖、不等粒砂巖、粉砂巖等，成分以長石砂巖(J1s)及長石巖屑砂巖(J1b、J2x)為主(見圖2)。砂巖顆粒分選中等—較好，磨圓次棱角—次圓狀，雜基以泥質雜基為主，質量分數(shù)小于5%，膠結物為方解石、方沸石、硅質(石英次生加大邊、自生石英晶體)、自生黏土礦物等，膠結類型以鑲嵌式膠結為主，顆粒支撐。孔隙類型主要包括原生孔隙、次生溶蝕孔及少量的裂縫、黏土礦物晶間微孔等。

2.2 物性

根據(jù)523個樣品儲層物性分析數(shù)據(jù)，侏羅系儲層的孔隙度為0.9%～17.8%，平均為11.2%，滲透率為(0.01～1 003.20)×10-3μm2，平均為5.73×10-3μm2，整體屬于低孔—低滲儲層(見圖2)。

3 儲層成巖作用特征

碎屑巖進入埋藏成巖階段后，不僅固結成巖，還發(fā)生結構、構造上的改變及新礦物的形成，它們之間相互聯(lián)系、相互影響。這些成巖變化對砂巖物性及孔隙結構的演化起決定性作用。陸南凸起侏羅系砂巖儲層主要發(fā)育的成巖作用類型有壓實作用、膠結作用及溶蝕作用等。

圖2 研究區(qū)侏羅系儲層巖石成分及孔隙度與滲透率關系Fig.2 Detrital composition and the relationship between porosity and permeability of Jurassic in study area

3.1 壓實作用

砂巖的壓實作用是砂巖成巖和孔隙演化的主要因素。陸南凸起侏羅系儲層埋深多在3 000 m以下，在埋藏過程中，砂巖經(jīng)過較強的壓實作用，原生孔隙度降低，顆粒間致密，因此砂巖的物質成分至關重要。八道灣組及西山窯組為煤系地層，巖屑質量分數(shù)高，砂巖的抗壓實能力減弱；加上早期煤層演化釋放出有機酸，長石、巖屑等抗壓實顆粒被溶蝕癱陷，抗壓能力大幅減弱，進一步增強壓實效果。三工河組巖石組分中石英質量分數(shù)高，顆粒抗壓能力強，可見顆粒破裂成縫。鑄體薄片觀察到的壓實作用主要包括：(1)碎屑顆粒間呈線—凹凸接觸(見圖3(a))；(2)火山巖屑、長石等剛性顆粒壓碎斷裂(見圖3(b))；(3)云母、千枚巖屑等塑性顆粒彎曲變形(見圖3(c))。

3.2 膠結作用

(1)碳酸鹽膠結物。研究區(qū)碳酸鹽膠結物主要為鐵方解石及方解石(見圖3(d))，由于煤系地層早期處于酸性成巖環(huán)境，因此缺乏早期的嵌晶式方解石膠結物。方解石膠結物主要呈粒狀產(chǎn)出。

(2)硅質膠結物。該區(qū)侏羅系硅質膠結物是砂巖中主要的膠結類型，多以碎屑石英次生加大邊形式出現(xiàn)。掃描電鏡可見菱形柱狀體的自生石英晶體(見圖3(e))。SiO2膠結物的形成與pH有關，在酸性或弱堿性條件下(pH<9)，SiO2的溶解度基本不受pH的影響；當pH>9時，其溶解度隨pH的增大而急劇上升，因此SiO2的保存需要酸性環(huán)境。

(3)自生黏土礦物。該區(qū)侏羅系儲層黏土礦物主要有高嶺石、伊利石、綠泥石和伊蒙混層等，并且隨著埋深的增加，黏土礦物逐漸不穩(wěn)定并向其他黏土礦物轉化(見圖4)，其相對質量分數(shù)見表1。煤系地層在埋藏成巖初期排出有機酸，水介質呈酸性，有利于長石及火山巖屑發(fā)生溶蝕并析出高嶺石[10-11]，高嶺石在酸性介質中穩(wěn)定，掃描電鏡下高嶺石呈蠕蟲狀或書頁狀填充于巖石顆粒之間(見圖3(f))，高嶺石的存在大幅降低儲層的滲透能力。伊利石多呈絲狀、薄片狀(見圖3(g))充填在孔隙之間，隨著埋深的增大，伊利石質量分數(shù)呈上升趨勢。掃描電鏡下伊/蒙混層多呈蜂窩狀，綠泥石附著于顆粒表面或呈葉片狀集合體充填于孔隙之間[12](見圖3(e))。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是礦物或碎屑顆粒在流體作用下的一種再平衡過程。溶蝕作用在研究區(qū)的各個層段有不同程度的發(fā)育，主要是硅酸鹽礦物(巖屑、長石及沸石)，對碎屑巖儲集性能具有改善作用。鑄體薄片可見長石顆粒沿解理縫呈梳齒狀溶蝕，留下溶蝕殘骸(見圖3(h))，形成粒內(nèi)溶蝕孔。方沸石等膠結物溶蝕形成粒間溶蝕孔，留下溶蝕殘晶，凝灰?guī)r巖屑顆粒溶蝕并伴隨鈉長石化形成次生孔隙(見圖3(i))。書頁狀或蠕

圖3 研究區(qū)侏羅系儲層成巖作用類型及特征Fig.3 Diagenetic types and characteristics of Jurassic reservoir in study area

圖4 研究區(qū)侏羅系儲層黏土礦物質量分數(shù)—深度分布Fig.4 Vertical distribution of clay mineral content of reservoir in study area

層位w(伊/蒙混層)w(伊利石)w(高嶺石)w(綠泥石)J2x19.116.741.117.9J1s16.817.838.726.3J1b16.226.341.417.0

蟲狀高嶺石的存在與長石溶蝕有關。另外，陸南凸起儲層埋深在3 100～3 300 m之間的次生孔隙發(fā)育帶，也是溶蝕作用最好的證明。

3.4 成巖階段劃分及孔隙演化

根據(jù)儲層微觀特征及成巖作用類型、伊/蒙混層、自生黏土礦物種類、形態(tài)及產(chǎn)出順序,以及孔隙特征、巖石顆粒接觸關系等[13-16]，參照《碎屑巖成巖階段劃分標準》(SY/T 5477—2003)及文獻[4]，對中國油氣盆地碎屑巖儲層埋藏成巖階段進行劃分及標志，認為陸南凸起侏羅系地層埋深通常在2 600～3 800 m之間，砂巖普遍經(jīng)受壓實作用的改造，碎屑顆粒以線接觸為主，可見凹凸接觸，砂巖的孔滲性較差，原生孔隙大量保留，次生孔隙也比較發(fā)育，并且發(fā)育一定量的裂縫及晶間微孔。掃描電鏡下，儲層砂巖的粒間孔隙中高嶺石、綠泥石和伊利石等自生礦物比較常見，石英次生加大邊現(xiàn)象普遍，可以觀察到自生石英晶體；泥巖中干酪根鏡質體反射率Ro為0.70%，侏羅系砂巖儲層處于中成巖A期(見表2)。八道灣組處于中成巖A2期，三工河組及西山窯組處于中成巖A1期。

表2研究區(qū)侏羅系成巖階段劃分

Table2DivisionofdiageneticstagesofJurassicreservoirinstudyarea

統(tǒng)計研究區(qū)侏羅系砂巖儲層的孔隙類型，不同層段孔隙類型存在差異。八道灣組埋藏深，壓實與溶蝕壓實作用較強，砂巖成分中塑性巖屑相對質量分數(shù)高，對成巖壓實和儲集性質的影響大，孔隙類型主要為次生溶蝕孔，包括粒間溶蝕孔和粒內(nèi)溶蝕孔，原生孔隙甚少。三工河組二段(J1s2)砂巖發(fā)育，以中砂巖、粉細砂巖為主，中砂巖多為三角洲前緣水下分流河道微相，粉細砂巖多為分流河道間灣或側緣微相，水下分流河道粗粒度砂巖形成于強水動力條件，砂巖經(jīng)受流水淘洗作用較強，雜基質量分數(shù)低，原始沉積時孔隙度高[17]；并且粗砂巖剛性顆粒支撐力強，搭建的格架牢固，抗壓實能力強。因此，三工河組以剩余原生孔隙為主，發(fā)育一定量的次生溶蝕孔、裂縫、晶間微孔。西山窯組以巖屑砂巖為主，且砂巖粒級更細，但埋深淺，壓實強度弱，加上煤系地層演化形成的有機酸的溶蝕作用，孔隙類型以溶蝕型原生孔隙為主，并發(fā)育一定量的粒內(nèi)溶蝕孔及礦物晶間微孔。

綜合砂巖物性分析，侏羅系砂巖儲層經(jīng)歷早成巖A期的壓實作用后，原生孔隙迅速降低，孔隙度降低至20.0%左右，尤其是八道灣組，受塑性巖屑及埋深的影響，壓實作用使孔隙度降低至15.0%；受壓實及膠結作用的影響，早成巖B期孔隙度進一步降低5.0%～10.0%，到現(xiàn)在的中成巖A期，酸性介質的溶蝕作用強，形成部分溶蝕孔，但黏土礦物的轉化釋放SiO2及Mg2+、Ca2+等離子，形成硅質及碳酸鹽等膠結物，最終形成現(xiàn)今的10.3%左右的孔隙度。

4 儲層物性影響因素

4.1 粒級

統(tǒng)計研究區(qū)不同粒級砂巖物性，粗砂巖孔滲性最好，粉砂巖最差(見圖5)。粗粒級砂巖的表面積小，顆粒之間的支撐力較大，抗壓性增強，尤其當顆粒形成早期自生加大時，其抗壓性進一步增強;細粒級砂巖在上覆載荷作用下，顆粒之間的支撐力減小，加快砂巖的壓實進程。

圖5 不同粒級砂巖儲層孔滲性特征Fig.5 characteristics of porosity versus permeability of Jurassic reservoir of each size sandstone

4.2 成巖作用

4.2.1 壓實作用

圖6 壓實與膠結作用對孔隙演化影響評價Fig.6 Impact of compaction and cementation on pore evolution

壓實作用是影響八道灣組及西山窯組儲層原生孔隙減孔的主要因素，膠結作用對儲層有一定的破壞性。陸南凸起西山窯組儲層膠結作用減孔量為0.34%～10.68%，平均為3.97%，壓實作用減孔量12.18%～23.16%，平均為17.68%；八道灣組膠結作用減孔量為0.73%～15.01%，平均為5.08%，壓實作用減孔量為17.1%～34.2%，平均為27.14%(見圖6)。

一方面，八道灣組及西山窯組儲層巖石成分中塑性巖屑質量分數(shù)高，儲層巖石的抗壓實能力下降，增強壓實效果。每增加10%的塑性巖屑質量分數(shù)，壓實作用導致的減孔量增加3%～4%，并且滲透率相應下降1～2個數(shù)量級[10]。另一方面，八道灣組及西山窯組的煤在成熟演化過程中釋放腐殖質酸，儲層中的巖屑、長石等顆粒發(fā)生溶蝕斷裂癱陷，也增強壓實效果。三工河組巖石成分中長石質量分數(shù)高，相比八道灣組及西山窯組，抗壓實能力強，利于原生孔隙保存。

4.2.2 溶蝕作用

研究區(qū)溶蝕作用普遍發(fā)育，由侏羅系儲層孔滲縱向演化(見圖7)可知，儲層埋深在3 000～3 500 m之間出現(xiàn)次生溶孔發(fā)育帶，孔隙度接近25.0%，滲透率大于1 000×10-3μm2。溶蝕作用對改善儲集物性具有建設性作用，八道灣組的主要儲集空間為次生溶蝕孔，原生孔隙甚少；西山窯組以溶蝕型原生孔隙為主(原生孔隙的邊緣見溶蝕現(xiàn)象)；三工河組以原生孔隙為主，次生孔隙少量發(fā)育，并發(fā)育一定量的裂縫。通過該區(qū)巖性、成巖作用、源巖分析，次生溶蝕孔主要是在中成巖階段有機質演化產(chǎn)生的酸性地層流體，溶蝕長石、巖屑等顆粒及硅酸鹽膠結物等易溶礦物而產(chǎn)生的。

圖7 侏羅系儲層孔滲縱向演化Fig.7 The relationship between depth and porosity(depth and permeability) of Jurassic reservoir

5 有利儲集層

八道灣組主要儲集空間為次生溶蝕孔。朱國華等[4]認為，形成1單位的溶孔體積至少需要400倍甚至上萬倍于溶孔體積的流體；否則，礦物達到飽和或過飽和而發(fā)生沉淀。因此，深埋于地下、處于封閉狀態(tài)或半封閉成巖環(huán)境的砂巖要形成一定規(guī)模的溶孔需要大量的溶蝕流體。在中國含油氣盆地中，雖然砂巖的溶蝕現(xiàn)象普遍存在，但除少數(shù)地區(qū)發(fā)育一定規(guī)模的溶孔外，多數(shù)地區(qū)砂巖的溶蝕孔不構成主要的儲集空間。因此，在不考慮源巖、斷層輸導等因素外，只根據(jù)儲層物性，陸南地區(qū)以溶蝕孔為主要儲集空間的八道灣組不易發(fā)育有利儲層。西山窯組與八道灣組相似，但西山窯組埋深相對淺，儲層物性更有利；三工河組二段砂巖發(fā)育，埋深相對淺，砂巖中剛性顆粒含量高，抗壓實能力強，原生孔隙發(fā)育，因此厚層砂體發(fā)育的地方更容易形成儲層(見圖8)。

圖8 研究區(qū)三工河組二段砂巖厚度等值線Fig.8 Thick contour map of sandstone of J1s2 in study area

6 結論

(1)準噶爾盆地腹部陸南凸起侏羅系儲層巖石類型主要為長石砂巖及長石巖屑砂巖，總體表現(xiàn)為結構成熟度高、成分成熟度低、膠結物質量分數(shù)及泥質質量分數(shù)低的特征，同時又有煤系地層與非煤系地層之分。

(2)侏羅系儲層經(jīng)歷壓實、膠結、溶蝕等成巖作用特征，目前處于中成巖A期。壓實作用是八道灣組及西山窯組儲層減孔量的重要原因，膠結作用對儲層的影響較小，溶蝕作用對儲層孔隙度的增加具有積極作用，但難以形成規(guī)模儲層。

(3)研究區(qū)三工河組二段(J1s2)砂巖發(fā)育，埋深相對淺，砂巖中剛性顆粒含量高，抗壓實能力強，原生孔隙發(fā)育，厚層砂體發(fā)育的地方更有利于形成儲層。

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