北羌塘坳陷沃若山剖面上三叠统土门格拉组碎屑岩储集特征与主控因素

胡俊杰， 李 琦， 张 慧， 葛东升， 黄 静

(中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083)

羌塘盆地位于我国青藏高原腹地，夹持于班公湖-怒江缝合带和可可西里-金沙江缝合带之间。盆地具有两坳夹一隆构造格局，三叠纪-侏罗纪盆地广泛接受连续海相沉积，发育多套烃源岩、储层组合，是我国油气资源重要远景区。区内上三叠统储集岩是盆地储层研究的重点层段之一(冯兴雷等，2010;王剑等，2009)。沃若山位于北羌塘盆地南缘、中央隆起带北侧，剖面沉积上三叠统土门格拉组地层。本文试图通过对北羌塘坳陷沃若山土门格拉组岩屑砂岩进行系统的岩石学特征和储层聚集空间研究，揭示上三叠统土门格拉组碎屑岩储层发育情况，归纳储层主控因素，进而阐述区域储集层特征，以期为今后研究区油气勘探的研究提供依据。

1 区域地质背景及样品采集

晚二叠纪末-三叠纪早期，受古特提斯洋关闭影响，盆地进入造山作用阶段，羌北地区受强烈挤压形成前路挠曲盆地。北羌塘坳陷纳日帕查、土门、沃若山一线发育滨岸-三角洲相沉积，局部发育沼泽相沉积。晚三叠世晚期，受怒江洋盆扩张影响，羌北地区在经历早期隆升剥蚀后发生强烈裂陷作用，再次开始接受沉积。朱同兴等(2012)将晚三叠世北羌塘古地理格局分为5个单元，沃若山地区位于以含煤碎屑岩系沉积为特征的土门格拉-双湖滨岸-三角洲古地理分区。该区呈近东西向展布，以潮控型三角洲含煤沉积岩系为特征，产丰富植物碎片、双壳类和孢粉化石。汤朝阳等(2008)通过岩石地球化学分析认为土门格拉组形成于古盐度较低、氧化、干热、弱碱性的近岸浅水环境。冯兴雷等(2010)研究了沃若山地区钙质泥岩稀土元素特征，其分布模式表明沉积物来源于陆源物质。

综合以上观点，晚三叠世沃若山地区处于滨岸-三角洲沉积相带，主要发育近源剥蚀三角洲沉积。笔者通过对沃若山地区的实地踏勘，观察到剖面为一套含煤碎屑岩系沉积地层。剖面出露岩性主要为灰至深灰色钙质泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩以及顶部发育的岩屑石英砂岩夹煤线，普遍发育平行层理或水平层理，砂岩中局部见小型交错层理，主要发育三角洲平原和三角洲前缘相组合。笔者选取主要储集岩层位进行样品采集，共采集13件碎屑岩样品，取样位置如图1 所示。

图1 北羌塘盆地沃若山实测剖面及取样位置(据冯兴雷等修改)Fig.1 Section of Woruo Mountain and sampling location

2 岩石学特征

根据薄片镜下观察统计，沃若山剖面主要碎屑岩类型为岩屑砂岩，其次为次长石砂岩、长石砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩(图2)。

碎屑组分中，石英含量为45% ～85%，大部分样品石英含量在50%以上。长石含量普遍较高，一般在12% ～33%。岩屑含量变化较大，一般在5%～40%。粒径在0.1 ～0.55 mm，以泥质岩屑、火山岩屑为主，反映其物源主要为沉积岩、火山岩。这一特征与双湖构造混杂岩带的物质组成基本一致，显示出北羌塘盆地的物源之一就是龙木错-双湖造山剥蚀区。碎屑颗粒呈次棱角状到次圆状，磨圆普遍较差，成分成熟度和结构成熟度均较低，反映近源、多源沉积特点。

碎屑岩中杂基含量底，胶结物含量高，一般为5% ～25%，部分达30%以上，主要的胶结物有方解石、铁白云石、白云石、伊利石、高岭石等。其中方解石分布最为普遍，含量为0. 1% ～12%，平均3%，多呈晶粒结构，镶嵌状充填于紧密接触粒间孔中。此类方解石多形成于成岩期，并对碎屑颗粒有一定交代作用(姜在兴，2010;张立强等，2000;龙玉梅等，2008)，见图3a。扫描电镜下伊利石多呈片丝结构的定向性排列或鳞片结构叠瓦状生长(图3b，c)，晶体颗粒间充填片状高岭石集合体及硅质胶结物;石英颗粒可见Ⅲ级次生加大现象，次生石英晶体之间呈多面体镶嵌状(图3d)，指示岩石内部中-晚期成岩阶段的胶结作用。岩石胶结类型整体以镶嵌胶结为主，伴有基底胶结和接触胶结方式。

图2 沃若山剖面土门格拉组砂岩三端元组分图Fig.2 FQR diagram of the sandstone of Tumengela formation in Woruo Mountain section

3 储层特征

3.1 储集空间特征

岩石孔隙成因主要与沉积环境、成岩作用改造及构造应力三种因素有关。研究区内碎屑岩原生孔隙在成岩过程中经强烈机械压实和压溶作用减少殆尽，储集空间以次生孔隙为主，储层物性普遍较差。按孔隙分布位置及其与颗粒填隙物关系分类，通过铸体薄片和扫描电镜技术可在研究区碎屑岩中识别出粒间孔隙、铸模孔、粒内溶孔及裂缝。

图3 土门格拉组碎屑岩储层显微照片Fig.3 Microscopic cithofacies characteristics of clastic rocks of the Tumugela formation

其中粒间孔隙发育最为广泛，包括次生溶解粒间孔和少量原生缩小粒间孔。经过后期溶解作用，碎屑颗粒及胶结物部分被溶解，使得其边缘呈现港湾状形态或不规则残块(图3e)。铸模孔是岩石内部颗粒或自生矿物整体被溶蚀去后保留下其晶体形态的一种孔隙，在研究区内部分岩石长石颗粒被溶蚀，形成铸模孔隙(图3f，g)。此外，粒内溶孔也有一定的发育，该类孔隙指石英、长石、岩屑等颗粒内部被溶蚀形成的孔隙。该类孔隙多呈网格状、蜂窝状连通性较差，一般沿解理缝或破裂纹发生(图3h)。

在构造应力作用下，岩石中多形成切穿晶体颗粒的构造裂缝以及压实产生的微裂缝。其中构造裂缝规模大，宽度可达0.5 ～1.0 mm，边界平直，多被方解石充填(图3i)。石英、长石等脆性颗粒易被压裂形成颗粒内微裂缝。其规模较小，一般难以切穿晶体颗粒，缝宽在0.05 ～0.1 mm 左右，边界较为曲折。裂缝的存在提升了溶蚀作用的强度，提高了岩石的孔隙度和渗透率，一定范围内改善了岩石的储集性能。

3.2 储集物性特征

储层物性是决定储层储集性能的关键，研究中一般以储集岩的孔隙度及渗透率进行储层物性描述。研究区内碎屑岩样品分析表明，孔隙度最大为7.91%，最小为0.82%，平均为2.81%;样品渗透率分析表明，渗透率最大为4.68 mD(米/日)，最小为0.000 07 mD，平均为0.86 mD。根据羌塘地区碎屑岩储层分类评价标准(王剑等，2009;赵政璋等，2001)，研究区碎屑岩储集性能近于致密砂岩储层。孔隙度和渗透率数据统计分析表明，孔隙度与渗透率基本为正相关，渗透率随孔隙度增加而增加(图4)。部分低孔隙度样品在裂缝影响下表现出高渗透率值，这与薄片观察结论一致——孔隙决定储层渗透率偏低，但裂缝是改善研究区储层性质的重要因素，整体上研究区碎屑岩属于孔隙-裂缝型储层。

图4 土门格拉碎屑岩孔、渗关系图Fig.4 The relationship between porosity and permeability of clastic rock of Tumengela formation

4 储层物性主控因素分析

影响碎屑岩储层物性的因素非常复杂，各种作用在碎屑岩的沉积、成岩、后生等过程中，不同程度的破坏和改善储层物性。根据镜下观察、野外踏勘结合各种测试分析结果，认为研究区碎屑岩物源的性质和原始沉积相带是控制储层物性的初始条件，表现为对储层物性的破坏;碎屑岩的成岩作用整体上趋于封堵岩石孔隙，降低渗透率，是研究区储层物性的决定性因素;成岩后期的构造活动，对改善储层有积极意义，在一定程度上影响研究区储层物性。

4.1 物源性质控制储层物性初始条件

物源区沉积物特征主要通过决定碎屑成分性质而影响岩石初始沉积条件，从而控制储集层物性。碎屑岩中颗粒硬度对原始孔隙度有重要影响，当碎屑岩中石英等刚性颗粒含量较多时，颗粒之间的接触支撑作用将会减弱压实作用的影响(熊歆睿等，2011);反之，岩石中塑形颗粒组分(火山岩、浅变质岩及陆源碳酸盐岩等)在埋藏岩石过程中，容易发生塑性变形封堵孔隙，造成孔隙度和渗透率下降(马达德等，2005)。土门格拉组碎屑岩岩屑以泥岩岩屑、火山岩岩屑为主，碎屑颗粒以凹凸接触和缝合线接触为主，少量呈点接触。岩石中颗粒多表现为塑性，在上覆地层压力下发生形变，封堵原始孔隙，岩石结构中石英颗粒的支撑作用不大。

4.2 沉积微相对储层物性的影响因素

碎屑岩沉积物的原始孔隙度主要与分选性有关，而渗透率则受粒度和分选性共同制约。区域大地构造背景、物源、古地理、古气候控制了沉积体系的发育，从而决定了碎屑岩的原始组成和结构。因此，沉积微相是决定储层好坏的基础，其分布影响了储层的空间展布、碎屑岩岩石类型、结构构造、矿物组分、成分和结构成熟度不同(刘焕等，2012)。研究区主要发育三角洲平原和三角洲前缘相组合，通过剖面踏勘可见正粒序砂质沉积，底部中-粗砂岩，向上变为粉砂、泥质粉砂等，发育小型交错层理及植物碎片化石。

分析认为采样区属分流河道沉积微相，水动力条件一般，近岸物源成分成熟度及结构成熟度均较低，沉积物粗细混杂、富含杂基组分和岩屑，经压实改造储集性迅速丧失，造成岩石原始孔隙度偏低。

4.3 成岩作用对储层物性的决定性改造

成岩作用对储层改造具有两面性，一般来说，压实作用和胶结作用通常使储层孔隙度降低，储集层物性变差;而溶蚀作用则通常增大储层孔隙度，起到改善储层作用。

(1)压实作用导致原生孔隙减少。压实作用系指沉积物沉沉积后，上覆重荷使得沉积物中水分排出、孔隙度降低、体积缩小，是储层孔隙度、渗透率衰减的主要因素。据镜下观察，研究区内地层压实作用强烈，其主要标志如下:颗粒紧密接触，碎屑组分多以线接触为主，普遍发育凹凸接触、缝合线接触;部分岩石中颗粒呈定向排列，反映长石、石英等颗粒由埋藏前的游离状态变为紧密堆积状态;出现云母扭折，部分矿物发生塑性变形(图3j);石英晶体内可见微裂缝，脆性矿物被压碎或压裂。强烈压实作用导致原生孔隙急剧减少，储层物性变差。

(2)胶结作用封堵次生孔隙。研究区内碎屑岩胶结物类型主要为碳酸盐矿物、粘土矿物及部分硅质胶结物。碳酸盐胶结物主要有方解石、铁白云石、白云石、硬石膏、菱铁矿。方解石多呈晶粒结构，紧密充填于碎屑颗粒间;白云石为细粒自形晶，镶嵌状接触，呈阶梯状发育于粒间;菱铁矿多环绕碎屑以结核方式产出。从岩石中碳酸盐胶结物自形晶程度可以看出，研究区碳酸盐胶结物形成于早—晚成岩期，缺乏同生期胶结物发育，对于成岩早期增强岩石抗压程度以保存原始孔隙作用甚微。

粘土矿物胶结物类型主要有伊利石、高岭石。伊利石多呈片丝状附着于颗粒表面，或以鳞片结构定向生长，且多伴随微裂缝发育，对于改善储层有着一定积极意义。研究认为，碎屑岩中高岭石组合为主的砂岩物性最好(刘焕等，2012;伏万军，2000)，在研究区岩石中发育长石蚀变的高岭石。扫描电镜下可见长石被溶蚀后形成的高岭石集合体充填于粒间孔中(图3j)，该类自生高岭石的形成抑制了石英、长石颗粒的次生加大作用，同时为酸性物质进入储层保存通道，多伴生溶蚀微孔缝。

使储层孔渗性变差部分粘土矿物的生成与生长在一定范围内保存了次生孔隙，在一定范围内改善储层孔渗性;但整体上，碳酸盐胶结作用趋向封堵孔隙。

(3)溶蚀作用对储层改善意义有限。成岩过程中的多期溶蚀作用是砂岩储层次生孔隙产生的重要原因。研究区岩石碎屑颗粒中长石及岩屑易发生溶蚀，常见长石沿解理面形成蜂窝状溶孔，充填高岭石等蚀变产物，部分长石则完全溶蚀形成铸模孔(图3k);岩屑颗粒多被强烈淋滤形成粒间孔及粒内溶孔(图3c)。但长石及岩屑颗粒溶蚀作用所增加的孔隙度十分有限，平均为1%，对于改善储层性能意义不大。

4.4 构造运动对储层物性的改善

羌塘盆地经历了印支、燕山及喜山等三期构造活动。在特提斯洋闭合，板块拼合等作用强烈影响下，沃若山区构造演化复杂，环境变化频繁。研究区在多次同性质、同方位作用力的改造下，发生多次叠加的强烈褶皱挤压(Guo et al.，2008)，形成了由土门格拉组构成核部的沃若山背斜。多次的强烈改造活动，对储层性能的改善有着积极的意义。镜下观察可见研究区碎屑岩中发育多期构造裂缝，裂缝切割碎屑颗粒，其周边在溶蚀作用下可诱导形成微裂缝。在表生作用阶段，露头样品经历长期的风化淋滤作用，加之研究区内钙质胶结作用十分发育，导致构造缝多被方解石充填。因此，地表样品并不能完全反映储层真实性，结合以往羌塘盆地露头调查结果认为地下储层储集性优于地表测试结果(孙冬胜等，2001)。

5 结论

(1)沃若山地区上三叠统土门格拉组储层岩石类型以岩屑石英砂岩为主，胶结物主要为方解石，粘土矿物以伊利石为主，颗粒磨圆普遍较差，以凹凸接触和缝合线接触为主，碎屑岩成分成熟度和结构成熟度均较低，反映近源，多源沉积特点。

(2)沉积物特征和沉积微相决定了储层的初始条件，研究区碎屑岩中塑性颗粒含量较多，在上覆地层压力下变形导致原始孔隙度降低;研究区主要发育分流河道沉积微相，近岸物源成分成熟度及结构成熟度均较低，沉积物粗细混杂、富含杂基组分和岩屑，经压实改造储集性迅速丧失，造成岩石原始孔隙度偏低。

(3)研究区整体上为孔隙-裂缝型储层，孔隙度与渗透率较低，为近致密砂岩储层。成岩作用整体上趋于封堵岩石孔隙，降低渗透率，是研究区储层物性的决定性因素。羌塘盆地后期经历多期强烈构造运动，岩石中发育多组构造裂缝，对于改善储层条件有着积极意义。表生作用中淋滤作用导致裂缝多被方解石充填，根据盆地以往研究结果推测地下储层储集性能优于地表。

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