准噶尔盆地腹部陆南凸起侏罗系储层成岩作用及其对储层物性的影响

仲维苹

( 中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257000 )

0 引言

随着油气勘探和开发程度的不断提高，以储层为对象的地质研究逐步深入。油气储层的外观形体及内部属性成为油气勘探与开发研究的重点。不同地质条件下，油气储层的性质除受构造演化、沉积环境的影响外，成岩作用也对储层的内部属性起决定性作用。20世纪70年代末，随着油气勘探开发的不断深入及新技术、新方法的引入，碎屑岩的成岩作用取得突破性进展，在砂岩中发现大量由成岩作用形成的次生孔隙，标志成岩作用的研究与理论日趋成熟[1-5]。张文凯等[6]以辽东凸起东营组砂岩为例，利用薄片鉴定及扫描电镜观察分析成岩作用与储层的关系，认为成岩作用对储层孔渗性具有双重影响。陈振岩等[7]对鸳鸯沟洼陷西斜坡成岩作用进行表征，预测有利区带。孟元林等[8]以渤海湾盆地南堡凹陷老爷庙地区深层为例，综合考虑温度、压力、流体和时间等因素，模拟成岩参数，分析成岩作用过程，确定有利勘探区域。成岩作用研究主要是为储层评价及预测，随着油气勘探程度的不断提高，在石油、天然气勘探开发中发挥的作用愈加重要。

准噶尔盆地侏罗系为潮湿或半潮湿气候条件下沉积的陆相碎屑岩，遍布于全盆地，一般以明显的不整合覆盖于下伏地层，侏罗系中下统为含煤岩系，上统为红色或灰色建造，是重要的含油气层系。准噶尔盆地腹部陆南凸起周围受多个凹陷包围，是一个长期继承性隆起，是油气运移的有利指向区[9]。1998年，陆南1井区三工河组探明石油储量256×104t，并投入开发；2011年，陆南6井再获高产工业油流，在侏罗系三工河组(3 098.5～3 195.5 m)试油，产油量为1.46 t/d，揭示陆南凸起侏罗系存在大规模的有效储层，之后再未获得突破。人们的研究多集中于油气成因及油源对比方面，对沉积储层、成岩作用的研究甚少。

笔者利用钻井取心铸体薄片、扫描电镜、X线衍射、物性等资料，研究陆南凸起侏罗系储层特征及储层成岩作用，根据侏罗系不同层段岩石组分、黏土矿物种类及含量的差异，分析各层段经过成岩作用后储集空间类型及特征，并结合岩心及测井解释资料，分析储层物性的影响因素，为下一步石油勘探提供依据。

1 地质概况

准噶尔盆地腹部陆南凸起周围被盆1井西、玛湖、石南、东道海子等凹陷包围，是一个长期继承性隆起(见图1)，是海西期构造运动的产物。早泥盆世—石炭纪形成钙碱性火山岩基底，石炭纪—二叠纪早期，活跃的火山活动使该凸起处于抬升状态，缺失二叠纪—早三叠世的沉积。晚三叠世，全盆地整体下降，进入泛盆沉积时期。经三叠纪末期强烈的构造运动后，该凸起早中侏罗世构造相对稳定，沉积近800 m厚的河湖—沼泽相含煤碎屑岩。燕山运动晚期，陆南凸起再次抬升，形成侏罗系内部不整合及张性断裂，在凸起局部高部位，白垩系不整合于侏罗系之上。自白垩纪开始，陆南凸起构造活动微弱。

图1 陆南凸起区域位置Fig.1 Area location of Lunan uplift

侏罗系由下至上发育八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)及西山窑组(J2x)地层，头屯河组(J2t)基本被剥蚀殆尽。八道湾组为厚层砂岩、含砾砂岩、泥岩及煤层组成多个向上变细岩性组合，垂向上相互叠加，总体反映多期河道切割叠加特征；三工河组总体为“两泥夹一砂”的岩性组合特征；西山窑组为灰色细砂岩、泥质砂岩、泥岩不等厚互层，发育多套稳定分布的煤层。整体上，中、下侏罗统为一套含煤河流—湖沼相碎屑岩。

2 储层岩石学及物性特征

2.1 岩石学

分析研究区27口井钻井取心、铸体薄片、扫描电镜的观察描述及物性资料，认为侏罗系砂岩在岩石学上表现为结构成熟度高、成分成熟度低、胶结物及泥质杂基质量分数低的特征，同时又有煤系地层(J1b、J2x)与非煤系地层(J1s)之分。储层岩石类型为中粗砂岩、细砂岩、不等粒砂岩、粉砂岩等，成分以长石砂岩(J1s)及长石岩屑砂岩(J1b、J2x)为主(见图2)。砂岩颗粒分选中等—较好，磨圆次棱角—次圆状，杂基以泥质杂基为主，质量分数小于5%，胶结物为方解石、方沸石、硅质(石英次生加大边、自生石英晶体)、自生黏土矿物等，胶结类型以镶嵌式胶结为主，颗粒支撑。孔隙类型主要包括原生孔隙、次生溶蚀孔及少量的裂缝、黏土矿物晶间微孔等。

2.2 物性

根据523个样品储层物性分析数据，侏罗系储层的孔隙度为0.9%～17.8%，平均为11.2%，渗透率为(0.01～1 003.20)×10-3μm2，平均为5.73×10-3μm2，整体属于低孔—低渗储层(见图2)。

3 储层成岩作用特征

碎屑岩进入埋藏成岩阶段后，不仅固结成岩，还发生结构、构造上的改变及新矿物的形成，它们之间相互联系、相互影响。这些成岩变化对砂岩物性及孔隙结构的演化起决定性作用。陆南凸起侏罗系砂岩储层主要发育的成岩作用类型有压实作用、胶结作用及溶蚀作用等。

图2 研究区侏罗系储层岩石成分及孔隙度与渗透率关系Fig.2 Detrital composition and the relationship between porosity and permeability of Jurassic in study area

3.1 压实作用

砂岩的压实作用是砂岩成岩和孔隙演化的主要因素。陆南凸起侏罗系储层埋深多在3 000 m以下，在埋藏过程中，砂岩经过较强的压实作用，原生孔隙度降低，颗粒间致密，因此砂岩的物质成分至关重要。八道湾组及西山窑组为煤系地层，岩屑质量分数高，砂岩的抗压实能力减弱；加上早期煤层演化释放出有机酸，长石、岩屑等抗压实颗粒被溶蚀瘫陷，抗压能力大幅减弱，进一步增强压实效果。三工河组岩石组分中石英质量分数高，颗粒抗压能力强，可见颗粒破裂成缝。铸体薄片观察到的压实作用主要包括：(1)碎屑颗粒间呈线—凹凸接触(见图3(a))；(2)火山岩屑、长石等刚性颗粒压碎断裂(见图3(b))；(3)云母、千枚岩屑等塑性颗粒弯曲变形(见图3(c))。

3.2 胶结作用

(1)碳酸盐胶结物。研究区碳酸盐胶结物主要为铁方解石及方解石(见图3(d))，由于煤系地层早期处于酸性成岩环境，因此缺乏早期的嵌晶式方解石胶结物。方解石胶结物主要呈粒状产出。

(2)硅质胶结物。该区侏罗系硅质胶结物是砂岩中主要的胶结类型，多以碎屑石英次生加大边形式出现。扫描电镜可见菱形柱状体的自生石英晶体(见图3(e))。SiO2胶结物的形成与pH有关，在酸性或弱碱性条件下(pH<9)，SiO2的溶解度基本不受pH的影响；当pH>9时，其溶解度随pH的增大而急剧上升，因此SiO2的保存需要酸性环境。

(3)自生黏土矿物。该区侏罗系储层黏土矿物主要有高岭石、伊利石、绿泥石和伊蒙混层等，并且随着埋深的增加，黏土矿物逐渐不稳定并向其他黏土矿物转化(见图4)，其相对质量分数见表1。煤系地层在埋藏成岩初期排出有机酸，水介质呈酸性，有利于长石及火山岩屑发生溶蚀并析出高岭石[10-11]，高岭石在酸性介质中稳定，扫描电镜下高岭石呈蠕虫状或书页状填充于岩石颗粒之间(见图3(f))，高岭石的存在大幅降低储层的渗透能力。伊利石多呈丝状、薄片状(见图3(g))充填在孔隙之间，随着埋深的增大，伊利石质量分数呈上升趋势。扫描电镜下伊/蒙混层多呈蜂窝状，绿泥石附着于颗粒表面或呈叶片状集合体充填于孔隙之间[12](见图3(e))。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用是矿物或碎屑颗粒在流体作用下的一种再平衡过程。溶蚀作用在研究区的各个层段有不同程度的发育，主要是硅酸盐矿物(岩屑、长石及沸石)，对碎屑岩储集性能具有改善作用。铸体薄片可见长石颗粒沿解理缝呈梳齿状溶蚀，留下溶蚀残骸(见图3(h))，形成粒内溶蚀孔。方沸石等胶结物溶蚀形成粒间溶蚀孔，留下溶蚀残晶，凝灰岩岩屑颗粒溶蚀并伴随钠长石化形成次生孔隙(见图3(i))。书页状或蠕

图3 研究区侏罗系储层成岩作用类型及特征Fig.3 Diagenetic types and characteristics of Jurassic reservoir in study area

图4 研究区侏罗系储层黏土矿物质量分数—深度分布Fig.4 Vertical distribution of clay mineral content of reservoir in study area

层位w(伊/蒙混层)w(伊利石)w(高岭石)w(绿泥石)J2x19.116.741.117.9J1s16.817.838.726.3J1b16.226.341.417.0

虫状高岭石的存在与长石溶蚀有关。另外，陆南凸起储层埋深在3 100～3 300 m之间的次生孔隙发育带，也是溶蚀作用最好的证明。

3.4 成岩阶段划分及孔隙演化

根据储层微观特征及成岩作用类型、伊/蒙混层、自生黏土矿物种类、形态及产出顺序,以及孔隙特征、岩石颗粒接触关系等[13-16]，参照《碎屑岩成岩阶段划分标准》(SY/T 5477—2003)及文献[4]，对中国油气盆地碎屑岩储层埋藏成岩阶段进行划分及标志，认为陆南凸起侏罗系地层埋深通常在2 600～3 800 m之间，砂岩普遍经受压实作用的改造，碎屑颗粒以线接触为主，可见凹凸接触，砂岩的孔渗性较差，原生孔隙大量保留，次生孔隙也比较发育，并且发育一定量的裂缝及晶间微孔。扫描电镜下，储层砂岩的粒间孔隙中高岭石、绿泥石和伊利石等自生矿物比较常见，石英次生加大边现象普遍，可以观察到自生石英晶体；泥岩中干酪根镜质体反射率Ro为0.70%，侏罗系砂岩储层处于中成岩A期(见表2)。八道湾组处于中成岩A2期，三工河组及西山窑组处于中成岩A1期。

表2研究区侏罗系成岩阶段划分

Table2DivisionofdiageneticstagesofJurassicreservoirinstudyarea

统计研究区侏罗系砂岩储层的孔隙类型，不同层段孔隙类型存在差异。八道湾组埋藏深，压实与溶蚀压实作用较强，砂岩成分中塑性岩屑相对质量分数高，对成岩压实和储集性质的影响大，孔隙类型主要为次生溶蚀孔，包括粒间溶蚀孔和粒内溶蚀孔，原生孔隙甚少。三工河组二段(J1s2)砂岩发育，以中砂岩、粉细砂岩为主，中砂岩多为三角洲前缘水下分流河道微相，粉细砂岩多为分流河道间湾或侧缘微相，水下分流河道粗粒度砂岩形成于强水动力条件，砂岩经受流水淘洗作用较强，杂基质量分数低，原始沉积时孔隙度高[17]；并且粗砂岩刚性颗粒支撑力强，搭建的格架牢固，抗压实能力强。因此，三工河组以剩余原生孔隙为主，发育一定量的次生溶蚀孔、裂缝、晶间微孔。西山窑组以岩屑砂岩为主，且砂岩粒级更细，但埋深浅，压实强度弱，加上煤系地层演化形成的有机酸的溶蚀作用，孔隙类型以溶蚀型原生孔隙为主，并发育一定量的粒内溶蚀孔及矿物晶间微孔。

综合砂岩物性分析，侏罗系砂岩储层经历早成岩A期的压实作用后，原生孔隙迅速降低，孔隙度降低至20.0%左右，尤其是八道湾组，受塑性岩屑及埋深的影响，压实作用使孔隙度降低至15.0%；受压实及胶结作用的影响，早成岩B期孔隙度进一步降低5.0%～10.0%，到现在的中成岩A期，酸性介质的溶蚀作用强，形成部分溶蚀孔，但黏土矿物的转化释放SiO2及Mg2+、Ca2+等离子，形成硅质及碳酸盐等胶结物，最终形成现今的10.3%左右的孔隙度。

4 储层物性影响因素

4.1 粒级

统计研究区不同粒级砂岩物性，粗砂岩孔渗性最好，粉砂岩最差(见图5)。粗粒级砂岩的表面积小，颗粒之间的支撑力较大，抗压性增强，尤其当颗粒形成早期自生加大时，其抗压性进一步增强;细粒级砂岩在上覆载荷作用下，颗粒之间的支撑力减小，加快砂岩的压实进程。

图5 不同粒级砂岩储层孔渗性特征Fig.5 characteristics of porosity versus permeability of Jurassic reservoir of each size sandstone

4.2 成岩作用

4.2.1 压实作用

图6 压实与胶结作用对孔隙演化影响评价Fig.6 Impact of compaction and cementation on pore evolution

压实作用是影响八道湾组及西山窑组储层原生孔隙减孔的主要因素，胶结作用对储层有一定的破坏性。陆南凸起西山窑组储层胶结作用减孔量为0.34%～10.68%，平均为3.97%，压实作用减孔量12.18%～23.16%，平均为17.68%；八道湾组胶结作用减孔量为0.73%～15.01%，平均为5.08%，压实作用减孔量为17.1%～34.2%，平均为27.14%(见图6)。

一方面，八道湾组及西山窑组储层岩石成分中塑性岩屑质量分数高，储层岩石的抗压实能力下降，增强压实效果。每增加10%的塑性岩屑质量分数，压实作用导致的减孔量增加3%～4%，并且渗透率相应下降1～2个数量级[10]。另一方面，八道湾组及西山窑组的煤在成熟演化过程中释放腐殖质酸，储层中的岩屑、长石等颗粒发生溶蚀断裂瘫陷，也增强压实效果。三工河组岩石成分中长石质量分数高，相比八道湾组及西山窑组，抗压实能力强，利于原生孔隙保存。

4.2.2 溶蚀作用

研究区溶蚀作用普遍发育，由侏罗系储层孔渗纵向演化(见图7)可知，储层埋深在3 000～3 500 m之间出现次生溶孔发育带，孔隙度接近25.0%，渗透率大于1 000×10-3μm2。溶蚀作用对改善储集物性具有建设性作用，八道湾组的主要储集空间为次生溶蚀孔，原生孔隙甚少；西山窑组以溶蚀型原生孔隙为主(原生孔隙的边缘见溶蚀现象)；三工河组以原生孔隙为主，次生孔隙少量发育，并发育一定量的裂缝。通过该区岩性、成岩作用、源岩分析，次生溶蚀孔主要是在中成岩阶段有机质演化产生的酸性地层流体，溶蚀长石、岩屑等颗粒及硅酸盐胶结物等易溶矿物而产生的。

图7 侏罗系储层孔渗纵向演化Fig.7 The relationship between depth and porosity(depth and permeability) of Jurassic reservoir

5 有利储集层

八道湾组主要储集空间为次生溶蚀孔。朱国华等[4]认为，形成1单位的溶孔体积至少需要400倍甚至上万倍于溶孔体积的流体；否则，矿物达到饱和或过饱和而发生沉淀。因此，深埋于地下、处于封闭状态或半封闭成岩环境的砂岩要形成一定规模的溶孔需要大量的溶蚀流体。在中国含油气盆地中，虽然砂岩的溶蚀现象普遍存在，但除少数地区发育一定规模的溶孔外，多数地区砂岩的溶蚀孔不构成主要的储集空间。因此，在不考虑源岩、断层输导等因素外，只根据储层物性，陆南地区以溶蚀孔为主要储集空间的八道湾组不易发育有利储层。西山窑组与八道湾组相似，但西山窑组埋深相对浅，储层物性更有利；三工河组二段砂岩发育，埋深相对浅，砂岩中刚性颗粒含量高，抗压实能力强，原生孔隙发育，因此厚层砂体发育的地方更容易形成储层(见图8)。

图8 研究区三工河组二段砂岩厚度等值线Fig.8 Thick contour map of sandstone of J1s2 in study area

6 结论

(1)准噶尔盆地腹部陆南凸起侏罗系储层岩石类型主要为长石砂岩及长石岩屑砂岩，总体表现为结构成熟度高、成分成熟度低、胶结物质量分数及泥质质量分数低的特征，同时又有煤系地层与非煤系地层之分。

(2)侏罗系储层经历压实、胶结、溶蚀等成岩作用特征，目前处于中成岩A期。压实作用是八道湾组及西山窑组储层减孔量的重要原因，胶结作用对储层的影响较小，溶蚀作用对储层孔隙度的增加具有积极作用，但难以形成规模储层。

(3)研究区三工河组二段(J1s2)砂岩发育，埋深相对浅，砂岩中刚性颗粒含量高，抗压实能力强，原生孔隙发育，厚层砂体发育的地方更有利于形成储层。

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