三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组储层成岩作用类型及特征

马 羚，李 杰，徐胜林，陈 旋，杨 帅，李富祥

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059；2.中国石油 吐哈油田公司 勘探开发研究院，新疆 哈密 839009)

马朗凹陷地处三塘湖盆地中央坳陷带的中南部[1](图1)，西北紧邻条湖凹陷，北靠岔哈泉凸起，东与方方梁凸起接壤。自1992年对三塘湖盆地大规模勘探以来，已在马朗凹陷探明多个规模较大的砂岩油藏，其主力油层为中侏罗统西山窑组，目前处于产能建设阶段。西山窑组由一套滨浅湖相—河流沼泽相的含煤碎屑岩建造组成，属于典型的低孔、特低渗砂岩油藏[2]。前人针对西山窑组的地层层序、沉积特征、储层特征、储层预测等进行了深入研究[1, 3-6]，但尚未系统研究储层成岩作用对物性的影响。成岩作用与储集层性质密切相关，1968年VON GUMBEL首次提出“成岩作用”以来，一直是沉积学和储层地质学研究者的重要研究方向之一[7]。近年来，成岩作用的研究热点集中在非常规储集层[8-11]，以从定性向定量化转变为目标[11-14]，以单学科向多学科交叉为方向[15-17]，但成岩作用对储层性质的影响始终是研究的主要方向[18]。

图1 三塘湖盆地马朗凹陷构造位置据文献[1]，有修改。Fig.1 Structural location of Malang Sag in Santanghu Basin

本文以马朗凹陷西山窑组为研究对象，采用薄片观察、电镜扫描、X射线衍射、镜质体反射率等方法，探究了西山窑组储层的成岩作用特征及其对储层物性的影响，以期为该区油气勘探提供参考。

1 储层基本特征

1.1 储层岩石学特征

本区57口取心钻井1 385件薄片的鉴定结果显示，马朗凹陷西山窑组储层的岩性主要为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩(图2)。从粒级角度看，储层岩性为粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砂砾岩，以中粒—细粒砂岩为主。全区岩屑含量较高，多数高于50%，少数在40%～50%之间，最高者达60%以上；石英含量普遍分布在20%～30%之间；长石相比石英，含量较低，普遍在15%～25%之间。该区储层砂岩中杂基以泥质为主，含量1%～3%；碎屑岩胶结物类型有方解石、高岭石、菱铁矿及黄铁矿等，其中以高岭石和方解石胶结物为主，高岭石含量为2%～5%，方解石含量一般为1%～3%。

1.2 储层物性特征

研究区西山窑组砂岩的储集空间类型以剩余原生粒间孔、粒内溶孔、晶间孔和溶破裂缝为主(图3a-d)。其中，剩余原生粒间孔主要介于2%～4%，和原生粒间孔共同构成研究区最优的孔隙组合类型。本区西山窑组储层的孔隙度主要分布在9%～18%之间，渗透率主要分布在(0.05～0.3)×10-3μm2和(1～5)×10-3μm2之间(图4)，属于低孔—特低渗型储层。

图2 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组砂岩分类Fig.2 Classification of sandstones in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

2 储层成岩作用研究

通过镜下观察、X-衍射、扫描电镜等分析测试手段，发现三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组砂岩储层中发育8类成岩作用(表1)。其中蚀变、溶蚀和破裂作用为建设性成岩作用；压实—压溶、硅质胶结和碳酸盐胶结为破坏性成岩作用；绿泥石胶结和交代作用会随着成岩阶段的向后推移由建设性作用转为破坏性作用。

图3 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组储层成岩作用镜下特征

a.剩余原生粒间孔，粒间红色铸体染色部位，芦103H井，2 045.71～2 045.90 m，单偏光；b.粒内溶孔，马北109井，1 371.81～1 371.94 m，单偏光；c.次生石英晶间孔，马北109井，1 367.87～1 367.98 m；d.溶破裂缝，马北112井，1 616.69～1 616.83 m，单偏光；e.绿泥石黏土膜，湖212井，1 531.88 m，单偏光；f.针叶状绿泥石集合体呈薄膜结构附着于碎屑颗粒表面，芦103H井，2 043.00～2 043.23 m，扫描电镜；g.岩屑砂岩中的高岭石充填孔隙，马46井，768.03 m，单偏光；h.长石溶蚀微孔，芦1井，2 022.46～2 022.57 m，扫描电镜；i.构造破裂缝，马中36-49井，2 037.97～2 038.11 m，单偏光；j.页岩岩屑被压实发生塑性变形，牛117井，1 571.70 m，单偏光；k.压碎的黑云母，牛117井，1 565.71 m，正交光；l.长石岩屑砂岩中压碎的斜长石，马214井，1 115.57 m，正交光；m.颗粒间凹凸接触，马47井，1 069.46 m，单偏光；n.石英颗粒次生加大充填于粒间孔隙中，马北109井，1 365.93～1 366.10 m，扫描电镜；o.方解石胶结物，分布于粒间染红部位，马53井，1 375.47 m，单偏光； p.方解石充填孔隙并交代碎屑，湖44-7井，1 690.17～1 690.35 m，正交光

Fig.3 Microscopic features of diagenesis of Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

图4 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组储层孔隙度(a)与渗透率(b)频率分布Fig.4 Frequency distribution for reservoir porosity (a) and permeability (b) in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

2.1 绿泥石胶结作用

根据岩心扫描电镜资料分析，马朗凹陷西山窑组砂岩储层中的绿泥石胶结物普遍发育，观察到绿泥石的赋存状态呈2种类型：一类是以孔隙衬边形式产出的黏土膜(图3e)，此类绿泥石胶结物在扫描电镜下呈叶片状、花瓣状。它的出现显示早成岩阶段A期砂质沉积物中具有弱碱性的孔隙水，见于弱还原环境，孔隙水中富含Fe、Mg、Al2O3、SiO2，形成于埋深不大、温压较低的物化环境条件下[19]。另一类以孔隙中的填隙物形式存在(图3f)，扫描电镜下表现为针叶状或绒球状。

表1 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组砂岩的成岩作用类型及其对孔隙度的影响Table 1 Diagenesis types and their effects on porosity of sandstone in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

由于具一定厚度的环边绿泥石胶结物能够将孔隙水和石英碎屑的表面隔离开来，可抑制相对晚期成岩阶段硅质胶结的发生，所以呈孔隙衬边形式的绿泥石对本区砂岩储层的影响是有利的。但本区砂岩储集体在发育环边绿泥石以后，粒间孔隙又容易被后期的石英或方解石不同程度地充填，因此，只有这类起破坏作用的物质数量减少时，环边绿泥石对储集砂岩起到的有利影响才能起作用[20]。

2.2 蚀变作用

马朗凹陷西山窑组砂岩中普遍发育高岭石矿物，主要由泥质杂基、泥板岩岩屑蚀变而成，小部分由云母蚀变转化而成。高岭石在显微镜下呈充填孔隙的形态展布(图3g)，但电镜下能够观察到高岭石的书页状、蠕虫状分布形态。高岭石化对储层孔隙度的发育起建设性作用，因高岭石的晶间微孔隙发育程度高，同时它能够将长石、云母碎屑这些孔隙不发育的矿物蚀变成高岭石集合体，从而使储集岩的孔隙度增加。

2.3 溶蚀作用

溶蚀作用形成的次生溶蚀孔隙常是油气的主要储集空间。马朗凹陷不同地区溶蚀作用普遍发育，与高岭石的普遍发育具有相同的规律，且溶蚀作用主要表现为长石颗粒以及岩屑的溶解。

长石溶解在研究区的发育最为强烈且普遍，该种溶蚀作用大多见于长石的解理缝、双晶缝和因压实作用形成的裂纹附近，且不同深度皆有显示，扫描电镜下可见长石溶解形成的粒间溶孔与粒内溶孔(图3h)，这些次生溶孔都是良好的油气储集空间。

泥质岩屑、燧石岩屑和硅质岩屑是本区砂岩中主要被溶解的岩屑类型。其中，泥质岩屑溶解的程度最高，能够形成粒内微溶孔和粒内溶孔，在研究区内广泛发育(图3b)。而燧石岩屑与硅质岩屑多数溶解得不完全，镜下所见的蜂窝状粒内溶孔就由燧石岩屑和硅质岩屑溶解而成，同时亦有泄水构造发育。这种现象的形成因溶解作用顺着岩屑中的微缝隙发育，显著有别于从颗粒表面开始溶解的去胶结作用。溶解作用对砂岩储集体孔渗性能的提高发挥了重要作用，促进了次生孔隙的发育。这种溶解作用在马朗凹陷西山窑组储层中起重要的建设性作用。

2.4 破裂作用

马朗凹陷西山窑组储层属于低孔—特低渗型储层，破裂作用形成的裂缝和微裂缝显著改善了这类致密砂岩储层的质量。这些裂缝的形成不仅能提高岩石的孔隙度，还沟通了粒间和粒内孔隙，起到渗滤通道的作用[21]。显微镜下显示研究区砂岩储层中裂缝的发育情况不一，宽度主要在0.01～0.04 mm，少数大于0.04 mm(图3d,i)。裂缝形态呈互相穿插切割状，并且在其延长方向可以观察到分叉现象。除此之外，镜下见到破裂缝两侧有组分被溶蚀，也表明裂缝的存在有利于次生溶孔的发育。

2.5 压实—压溶作用

压实—压溶作用是一种破坏原生孔隙的早期成岩作用，也是马朗凹陷重要的破坏性成岩作用。本区西山窑组砂岩储层历经强压实作用，镜下该类成岩作用的主要表现形式有：①塑性颗粒变形构成假杂基，如千枚岩、页岩岩屑等的塑性变形(图3j)；②片状矿物的揉皱变形、破裂和波状消光，如云母类矿物被压碎破坏孔隙(图3k)；③刚性颗粒发生脆性破裂，主要表现为较大压力条件下长石、石英和岩屑的碎裂(图3l)；④碎屑颗粒之间的各种接触强度随着压实作用的增强而增加，逐渐由点接触变为线接触，甚至可变为凹凸镶嵌接触(图3m)。压实作用从早成岩阶段A期就已开始，而压溶作用在早成岩B期才开始出现，2种作用都基本在中成岩B期阶段结束。

2.6 硅质胶结作用

研究区西山窑组砂岩中普遍发育硅质胶结作用，以石英次生加大和自生石英2种形式为主(图3n)。次生加大边的核晶由碎屑石英组成，次生加大边和加大边之间以尘环线(脏线)或黏土薄膜作为界线。石英的次生加大对储层的孔隙结构起改造作用[22]，促使岩石孔隙中形成片状或弯片状喉道，阻碍流体渗流，明显降低储层的渗透性。同时电镜下显示，与沿石英颗粒边缘生长的加大边相比，自生石英的结晶程度更好，粒间孔隙会被六方锥形的自生石英晶体充填。自生石英的胶结使孔隙空间减少，面孔率降低，孔隙度随之下降。除通过胶结充填减少储层的孔隙空间以外，硅质胶结作用还能改造储层的孔隙结构，主要表现为将粒间管状喉道改造为片状、缝合状等阻碍流体渗流的形态，导致储层渗透率大幅下降。

2.7 碳酸盐胶结作用

在早期和晚期成岩阶段还发育碳酸盐胶结作用。成岩阶段早期，胶结物以泥晶和亮晶的无铁方解石为主，由孔隙水沉淀而成，岩石的粒间孔被巨晶、粗晶或连晶形态的方解石胶结物充填。因研究区的成岩阶段基本处在酸性水介质的环境中，因此在早成岩阶段，局部层段有碳酸盐胶结作用发育。到中成岩A期阶段后期，含铁方解石的胶结作用开始出现，从此阶段直到晚期的埋深阶段，胶结产物以发育嵌晶或连晶状的含铁方解石为特征，呈菱面体晶形充填次生粒间孔隙。碳酸盐胶结作用对储层孔渗的破坏性较大(图3o)。

2.8 交代作用

碳酸盐化作用为马朗凹陷西山窑组储层中主要发育的交代作用，常见选择性交代长石或石英碎屑的现象(图3p)，镜下可观察到这种交代以长石的交代幻影和交代残留结构形式展现，同时交代作用导致过半石英颗粒的边缘不规则。矿屑、岩屑及黏土杂基发生碳酸盐化，破坏储层的孔隙结构。而碳酸盐矿物又常在酸性水介质的作用下被溶解成孔隙。通过观察储集砂岩薄片发现，在早成岩阶段B期交代作用开始发育，通常于溶蚀作用发生之前就已开始，早期阶段的碳酸盐化交代作用基本上对形成次生孔隙起促进作用。但到成岩阶段的后期，孔隙水向碱性过渡，在这个时期形成了大量含铁碳酸盐矿物，主要起充填岩石孔隙或者交代之前已沉积的成岩组分的作用，破坏已形成的岩石孔隙空间。

3 成岩阶段划分

根据2003版《石油天然气行业标准碎屑岩成岩阶段划分标准》，结合前述成岩作用特征与包裹体测温、热解实验分析、镜质体反射率统计及X-衍射试验等方法测得的成岩阶段划分参数(表2)，马朗凹陷西山窑组砂岩基本处于早成岩B期—中成岩B期，但以中成岩A期的晚期阶段为主(图5)。由此可见，本区西山窑组砂岩储层的成岩序列为：压实—早期黏土膜形成—早期腐植酸溶蚀—凝灰质杂基蚀变形成高岭石—早期石英、长石次生加大—伊蒙间层—伊利石的形成—晚期有机酸较强溶蚀—晚期铁方解石、石英胶结。

表2 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组储层成岩阶段划分参数Table 2 Diagenetic stage division parameters of Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

注：表中数值为最小值～最大值(平均值)。

图5 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组砂岩成岩序列与成岩阶段划分Fig.5 Diagenetic sequence and stages of sandstones in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

4 成岩作用对储层物性的影响

建设性成岩作用与破坏性成岩作用的强弱配置状况是评估储层质量的主要因素，如果破坏性成岩作用较强或强，则可能将已形成的储层改造为非储层[23]。

压实作用是研究区主要的减孔因素。压实作用从早成岩A期持续到中成岩B期，在成岩过程中作用时间最长。显微镜下可观察到剩余原生粒间孔随埋藏深度的增加其发育程度逐渐变差。图6a表明，马朗凹陷的各个区块都表现出随着埋深的增加，孔隙度均在一定程度上表现出降低的趋势，1 000 m埋深以内的储层，孔隙度随深度的增加呈变差趋势，储集空间以粒间孔为主；大于1 000 m的储层，深度对储层质量的影响不明显。同一深度的储层物性差别大，孔渗相关性差，即非均质性强，成岩作用对储层的影响增强，储集空间以溶蚀孔、微裂缝与粒间孔组合为主。

碳酸盐的胶结作用对本区西山窑组储层物性起重要的破坏性作用。西山窑组胶结物主要有方解石、高岭石及菱铁矿，且以斑块状胶结为主，胶结作用强度总体较弱，但在储层物性的影响上不容忽视。如图6b-f所示，马朗凹陷5个区块西山窑组碳酸盐胶结物与负胶结物孔隙度均表现出负相关关系，尤其当碳酸盐胶结物含量超过15%时，孔隙度随胶结物含量的增加而明显下降，显示胶结作用程度对储层物性起一定的控制作用。

虽然压实作用与胶结作用使原生孔隙发育的砂岩储层改造成低孔特低渗型，但高岭石化和溶蚀作用起到了改善储层物性的作用。研究区改善储层孔隙的作用主要为环边绿泥石胶结、高岭石化、溶蚀和破裂作用。破裂作用形成的裂缝宽度以0.01～0.04 mm为主，在区域上发育规模有限。此外，储集砂岩在发育环边绿泥石后，绿泥石帮助造就的粒间孔隙又易被后期的石英或方解石不同程度地充填，所以环边绿泥石胶结和破裂作用对储层物性的影响相对较小。但据薄片观察，马朗凹陷不同地区的高岭石化与溶蚀作用普遍发育，早成岩A期—中成岩A期形成的高岭石提供了较多的晶间微孔隙，酸溶液的溶蚀作用从早成岩B期持续到晚成岩阶段，使长石和岩屑发生溶解，产生粒间溶孔、粒内溶孔。

综上研究认为，马朗凹陷西山窑组不同埋深区的成岩相差异控制了储层质量。胶结有明显的绿泥石环边、溶蚀作用发育，且有裂缝沟通孔隙的砂岩是研究区内最优质的储集岩。综合本区的成岩作用发育情况，认为以绿泥石环边胶结为特征，储集空间为剩余原生粒间孔与溶蚀孔组合的砂岩是最为有利的储集体。研究区北部储层埋深小于1 000 m，以粒间孔为主，非均质性相对较弱，有利于大面积砂体连片成藏，为有利储层发育区域；南部地区埋深大于1 000 m，储层质量次之，溶蚀孔和剩余粒间孔为主，储层非均质性较强，受岩性遮挡但亦可形成小面积岩性油气藏。

图6 三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组成岩作用对储层的影响Fig.6 Influence of diagenesis on Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

5 结论

(1)三塘湖盆地马朗凹陷西山窑组砂岩储层发育8类成岩作用，分别是绿泥石胶结、蚀变、溶蚀、破裂、压实—压溶、硅质胶结、碳酸盐胶结和交代成岩作用。

(2)研究区西山窑组的储集砂岩除部分进入中成岩B 期外，大多数处于中成岩A期成岩阶段。早成岩阶段主要受到绿泥石及碳酸盐胶结、碳酸盐化交代以及压实作用的影响，绿泥石胶结和交代作用有利于储层孔隙的形成；到了晚期铁碳酸盐矿物会形成充填孔隙或交代早先沉积的成岩组分，此时胶结和交代作用对孔隙结构起破坏性作用。

(3)研究区西山窑组储层的裂缝和微裂隙均不发育，成岩作用是影响储层物性的主要因素。压实作用是主要的减孔因素，而高岭石化和溶蚀作用对改善储层物性的贡献最大。碳酸盐及硅质的胶结会封堵原生孔或早期形成的溶蚀孔，对储层物性起破坏作用，但适量的孔隙衬边式绿泥石胶结，能够造就抗压实区形成以粒间孔为主的孔隙类型，改善储层物性。因此，发育绿泥石环边胶结，储集空间为剩余原生粒间孔与溶蚀孔组合的砂岩是最有利的储集体。