混积岩储层特征①——以酒泉盆地青西凹陷下白垩统混积岩为例

李婷婷 朱如凯，2 白 斌，2 王崇孝 李铁峰

(1.中国石油勘探开发研究院 北京 100083;2.提高石油采收率国家重点实验室 北京 100083;3.玉门油田分公司勘探开发研究院 甘肃酒泉 735200)

混积岩是指由陆源碎屑与碳酸盐组分经混合沉积作用而形成的岩石，广义上还包括由陆源碎屑与碳酸盐组分在空间(垂向/平面)上构成交替互层或夹层的混合［1］。在20世纪中期，发现了石灰岩中混积有不等量的石英粉砂和砂，以及一些板状钙质石英粉砂岩夹层的混合沉积现象［2-4］。1984年，首次明确提出混合沉积物概念［5］，此后，混积岩的研究受到广泛关注，前人工作多集中于混积岩分类、沉积环境及成因等基础理论问题。

混积岩为处于陆源碎屑岩和海相碳酸盐岩之间过渡的一类岩石，岩性较为复杂［6-7］;近年来，混积岩储层油气勘探取得重要进展，在美国威利斯顿盆地Bakken组、Maverick盆地Eagleford及中国准噶尔、柴达木、四川等盆地均发现有混积岩储层，分布广泛，并取得了致密油的重大突破。本文首先分析了混积岩储层的研究现状，结合对酒泉盆地青西凹陷下白垩统半深湖—深湖相混积岩储层的研究，对混积岩定义和分类进行了重新厘定，混积岩储层非均质性强、致密，可以应用场发射扫描电子显微镜、Qemscan分析系统、压汞、微—纳米CT等方法研究混积岩储层孔隙结构特征。

1 混积岩储层分类

混积岩的早期研究始于20世纪中期，目前在混积岩定义上，仍存在分歧。国内学者更多强调陆源碎屑与碳酸盐组分混合的混积岩［1，7-11］，国外学者多研究硅质碎屑与碳酸盐混合的混积岩［5，12-15］;但是碳酸盐颗粒也可以是陆源的［16］，此外，一些地区的混积岩由陆源碎屑、碳酸盐及水下喷发火山岩碎屑混合组成［17］，说明混积岩并不局限于陆源碎屑矿物与碳酸盐矿物混合，或者仅仅是硅质碎屑与碳酸盐矿物的混合。混积岩强调的应是不同类型矿物成分间的混合结果，作者认为混积岩应为不同类型矿物的混合或互层，具体包括硅质矿物组分、碳酸盐矿物组分、磷酸盐矿物组分、硫酸盐矿物组分及卤化物中的两种或两种以上矿物成分的混合或互层，无需强调成因(机械成因、化学成因、火山成因等)或来源(内源或外源)。

混积岩分类主要有三种划分方案:一种是采用四端元(砂、异化粒、灰泥和泥质物)的立体图法进行分类(图1)，这种结构—组分划分方案由 Mount(1985)［18］提出，但该分类方案不直观，没有得到广泛应用。第二种是以陆源碎屑组分、碳酸盐组分及黏土为三端元进行分类，这种分类方案应用较多，如张雄华［19］提出的混积岩分类命名方案(图2)，划分出了含陆源碎屑—碳酸盐混积岩、陆源碎屑质—碳酸盐混积岩、含碳酸盐—陆源碎屑混积岩及碳酸盐质—陆源碎屑混积岩四种类型，但这种方案将“混积岩”参与到命名中去，使得岩石名称过于冗长复杂。第三种是以陆源碎屑和碳酸盐两个端元进行分类，如董桂玉［7］建议将黏土矿物归为陆源碎屑内，并以陆源碎屑、碳酸盐两个分类端元将混积岩分为含陆源碎屑—碳酸盐岩、陆源碎屑质—碳酸盐岩、含碳酸盐—陆源碎屑岩及碳酸盐质—陆源碎屑岩(表1)，这种分类方案较为简单，并相对于第二类方案省去了矿物含量下限值，但从储层研究角度，5%以下矿物组分对储集性能贡献非常小，加在命名中会显得复杂，此外，命名中只考虑了碳酸盐组分和陆源碎屑组分，其它矿物组分并未涉及。作者认为，在分类过程中，应首先确定矿物组成所属类别(硅质组分、碳酸盐组分、硫酸盐组分、磷酸盐组分或卤化物)，然后根据所属类别为端元，进行三级命名分类“含××(5%～25%)××质(25%～50%)××岩(＞50%)”。

图2 混积岩分类(据张雄华，2000)Fig.2 Classification of mixsedimentite(after Zhang，2000)

2 混积岩储层岩性与沉积环境

混积岩分布广泛，形成环境多样。大部分混积岩形成于特殊的过渡环境中［4，20-21］。混合沉积环境一般具有不同沉积相带在平面上交错、或在垂向依次重叠出现的特点［1］，包括陆相环境、海陆过渡环境和滨海岸环境、陆棚环境及斜坡到盆地环境［8］。有利于混合沉积发生的沉积相主要是滨海相和滨浅湖相，其次是浅海陆棚、陆表海、三角洲相等［1］。混积岩的形成受控于多种因素，包括水动力强度、构造运动、海平面升降、气候变化、物源远近、火山活动及事件性沉积作用等。随着认识深入，一些学者针对一些地区发育的混积岩，归纳出了沉积模式［1，17，22-24］，主要是形成于湖相和浅海陆棚环境中，一些典型沉积环境下形成的混积岩沉积模式仍要深入研究。

岩性受控于沉积环境及沉积作用，二者共同决定了沉积体中矿物种类、比例及组合方式。碎屑矿物与碳酸盐矿物的种类较多，使得混积岩储层的岩性组成较为多样和复杂。混积岩中常见的组分包括砂质、白云质、灰质及泥质等，组合类型多样，有泥质+粉砂质+灰质组合、泥质+粉砂质+云质组合、泥质+云质组合等(表2)。

表1 混积岩分类(据董桂玉，2007)Table 1 Classification of mixsedimentite Rock(after Dong，2007)

表2 不同地区混积岩储层岩性组成情况Table 2 Lithologic compositional conditions of mixed sedimentary reservoir from different areas

酒泉盆地青西凹陷位于酒西次级盆地东南部，为酒西次级盆地的沉降—沉积中心，面积约650～800 km2［25］。自早白垩世以来，受燕山运动影响，青西凹陷构造格局主要受控于NE—NNE向基底断裂同沉积期张扭性活动，在机械作用、化学沉积作用、火山作用及间歇性热液作用等共同影响下，形成了半深湖—深湖相主要由白云质泥岩、泥质白云岩等岩性组成的混积岩储层，平面上分布广泛，剖面上变化频繁。

根据全岩矿物分析结果，青西凹陷下白垩统地层由黏土矿物、硅质矿物(石英、长石为主)及碳酸盐矿物(白云石为主)三类矿物组分构成，以黏土矿物、硅质矿物及碳酸盐矿物为三个端元(图3)，将下白垩统下沟组(实心圆表示)岩性划分为泥质白云岩、含泥白云岩、粉砂质白云岩、白云质粉砂岩，将赤金堡组岩性(空心圆表示)划分为含云粉砂质泥岩、白云质泥岩、含泥粉砂质白云岩。从录井资料上看，下白垩统由白云质泥岩、泥质白云岩、灰质泥岩、灰质白云岩、白云质灰岩、泥质灰岩等多种岩性组成，在剖面上常呈现大段厚层式、厚夹薄层式、频繁互层式分布(图4)。

图3 青西凹陷下白垩统混积岩岩性分类(分类编号同图2)Fig.3 Lithologic classification of the Lower Cretaceous mixed sedimentary rock of Qingxi depression

3 混积岩储层微观结构

对于混积岩储层微观结构研究，传统方法主要通过薄片观察分析。青西凹陷下白垩统岩石样品，在显微镜下可看到微波状有机质纹层与黏土矿物纹层或碳酸盐矿物纹层互层，多数纹层厚度在0.03～0.3 mm之间，并呈现如下几种形态:近等厚纹层互层式(图5a，b);窄纹层向宽纹层过渡式(图5c);窄纹层夹宽纹层(图5d);无纹层结构的块状分布式(图5e);纹层状向块状渐变式(图5f)。

由于显微镜分辨率较低，一些微细纹层结构往往难以区分。近年发展起来的基于扫描电镜和能谱分析的Qemscan分析系统能对混积岩储层中矿物组分、纹层结构进行精细定量分析，白云石纹层与钠长石纹层互层分布;每个白云石纹层由白云石、钠长石、黏土矿物、菱铁矿等矿物组分定向排列构成，而钠长石纹层内除钠长石外，还混有白云石、黏土矿物、菱铁矿、黄铁矿等矿物。说明混积岩储层在微观上，会呈现纹层状互层，且每个纹层并不是由单一的矿物成分组成，而是由多种矿物成分定向排列或混杂堆积而成(图6)。

图5 青西凹陷下白垩统混积岩储层显微结构特征Fig.5 The thin-section microstructure images of the Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

4 储集空间类型

图6 Qemscan系统矿物定量分析结果(下沟组，5 127.60 m)Fig.6 Quantitative analysis result of minerals by Qemscan system(K1g，5 127.60 m)

图7 青西凹陷下白垩统混积岩储层储集空间类型场发射扫描电镜照片Fig.7 Field-emission electron microscope images of reservoir space of the Lower Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

通过场发射扫描电镜(加能谱)观察，青西凹陷下白垩统混积岩储层主要储集空间包括微—纳米级粒间孔及微裂缝。在白云石含量高(平均含量约66.7%)的样品中，发育白云石粒间孔、粒缘缝及微裂缝(图7a，b，c);在黏土含量高(平均含量约48.4%)的样品中，多见黏土矿物层间孔、收缩缝及黄铁矿晶间孔、有机质收缩缝(图7d～i)。

准噶尔盆地二叠系风城组云质粉砂岩和泥质云岩混积岩储层，其储集空间主要为裂缝，其次为晶间孔和各种溶蚀孔［26］。裂缝类型包括微裂缝、泄水缝及层间缝等。研究认为，储层中云质含量的不同导致裂缝发育程度的差异，通常情况下，随着云质含量增加，岩石脆性增大，裂缝发育程度增加;泥质含量增加，塑性增大，裂缝发育程度降低［29］。

柴达木盆地南翼山地区中深层混积岩储层中，裂缝普遍发育。在南9井上干柴沟组(N1，3 024 m)的泥质粉砂岩和钙质粉砂岩内，见到裂缝及溶蚀现象。经观察发现，岩石中灰质组分在酸性流体活动时，可能发生胶结及其晶体内的局部溶解，形成粒内/粒间溶孔，认为混积岩中灰质组分是溶蚀作用的基础［30］。

总体上，混积岩储层在泥质含量较高时，储集空间一般主要为黏土矿物层间孔;在灰质或云质组分含量高时，储层内多出现微裂缝或溶蚀孔。

5 混积岩储层储集性

酒泉盆地下白垩统33块混积岩储层样品压汞测试分析结果表明(图8)，赤金堡组样品(17块)黏土矿物含量较高(平均48%)，主要发育微米级孔隙，孔喉直径多介于10～200 μm之间;下沟组样品(16块)白云石含量较高(平均67%)，除含有微米级孔隙外，还有大量纳米级孔隙，孔喉直径介于20～200 nm之间。根据X射线断层成像扫描定量微观孔隙空间三维重构，样品总孔隙度为5.3%，其中连通孔隙度为4.4%;以粒内孔隙为主的纳米级孔隙连通性较差(图9a)，以微裂缝或粒间孔隙为主的，连通性较好(图9b)。赤金堡组平均水平渗透率约为0.786×10-3μm2，下沟组平均水平渗透率为1.343 ×10-3μm2，具有孔、渗低，孔径小特点，储层较为致密，矿物组成差异影响储集物性特征。

图8 青西凹陷下白垩统混积岩储层孔喉直径分布特征图Fig.8 Pore-throat diameter distribution graph of the Lower Cretaceous mixed sedimentary reservoir，Qingxi depression

图9 青西凹陷下沟组混积岩储层微观孔喉结构特征(5 127.60 m)Fig.9 Microscopic pore-throat structure features of mixed sedimentary reservoir of Xiagou Formation，Qingxi depression

据对国内其他地区混积岩储层的调研分析，混积岩储层非均质性均较强，孔隙度和渗透率较低，属于致密储层类型(表3)。部分属于常规储层范围(如柴达木盆地南八仙地区)，主要由石英和碳酸盐矿物组成，原生孔隙及次生孔隙发育，孔、渗相对较好。

表3 混积岩储集物性特征对比Table 3 Characteristics comparison of mixed sedimentary reservoir quality

6 结论

(1)混积岩储层岩性组成复杂多样，在剖面上常呈现大段厚层式、厚夹薄层式、频繁互层式分布;

(2)混积岩储层不仅在宏观上呈现互层或夹层方式，在微观上呈现纹层状互层，每个纹层并不是由单一的矿物成分组成，而是由多种矿物成分定向排列或块状堆积而成;

(3)混积岩储层储集空间类型取决于矿物组成，当泥质含量较高时，储集空间一般主要为黏土矿物层间孔;当灰质或云质组分含量高时，储层内多出现微裂缝或溶蚀孔;

(4)混积岩储层非均质性强，孔隙度和渗透率均较低，属于致密储层类型。

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