玛湖凹陷夏子街地区三叠系百口泉组砂砾岩储层特征及控制因素

2019-10-25操应长燕苗苗葸克来吴松涛朱宁朱如凯

沉积学报 2019年5期

关键词：砾岩岩相成岩

操应长，燕苗苗，葸克来，吴松涛，朱宁，朱如凯

1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580

2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266071

3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083

0 引言

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，是该盆地的一个次级构造单元，其北部与乌夏断裂相毗邻，西部与克百断裂连接，南面与中拐凸起、达巴松凸起相邻，毗邻夏盐凸起、三个泉凸起和英西凹陷。凹陷内发育多个扇三角洲沉积体系，为形成较好的大规模的扇三角洲成藏体系提供有利条件[1-3]，该区块三叠系百口泉组现已发展为重要的勘探层位（图1，2）。北部夏子街地区储集层的矿物成分多样，主要以石英、长石以及凝灰岩、霏细岩等岩屑矿物为主，岩性主要发育砂岩、砾岩及砂砾岩。随着勘探的不断深入，国内外学者对砂砾岩储集层的研究取得了一系列重大成果[4-8]。研究区百口泉组储集层较发育较广，并且有多层段发育特征，是典型的低孔隙度低渗透性储集层，前人针对该区百口泉组扇三角洲砂砾岩体的研究主要集中于物源、层序、沉积特征及成岩作用等方面进行研究[9-13]，而对于不同相带位置扇三角洲成岩作用、储层特征差异以及岩相同成岩相结合对储层物性的研究相对较少。本文对研究区不同相带岩相组合中成岩作用的差异性进行了详细表征，并定量划分了岩相—成岩相类型，探讨了储层物性的控制因素，为更好地识别或预测储层质量提供地质依据。

1 储层基本特征

1.1 岩石学特征

研究区夏子街扇体百口泉组储层岩性以砾岩为主，占73.33%，其次为砂岩，占26.67%。砂岩类型以岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主（图3），颗粒组分以岩屑为主，平均含量为63.31%，石英平均含量为20.4%，长石含量平均为16.29%。胶结物主要为碳酸盐，含量范围变化大。砾石的成分以凝灰岩、安山岩、流纹岩、霏细岩火山岩岩屑为主，也含少量花岗岩等侵入岩、沉积岩和变质岩岩屑，风化较严重，砾间充填粒级较细的石英、长石、云母等陆源碎屑颗粒及泥质杂基等填隙物（图3a，b），部分发育碳酸盐胶结物（图4c）。岩石结构、成分成熟度均低，分选中等—较差，多以压嵌胶结、孔隙—压嵌胶结为主，磨圆以次棱角状—次圆状、次圆状为主。

1.2 岩相划分

岩相作为沉积相序基本单元，对其沉积物形成的过程分析有重要意义[14]，通过对岩芯特征及镜下观察总结，综合岩性、粒度、支撑方式及沉积构造等特征，对研究区扇三角洲共识划分出11 种岩相类型：杂基支撑中砾岩相（Gmm）、杂基支撑细砾岩相（Gfm）、颗粒支撑中砾岩相（Gmp）、颗粒支撑细砾岩相（Gfp）、砾质砂岩相（G-S）、含砾砂岩相（S-G）、粗砂岩相（Sc）、中砂岩相（Sm）、细砂岩相（Sf）、粉砂岩相（Ss）和泥岩相（Md）。

针对不同亚相中取芯井的岩性，总结出扇三角洲平原共发育9 种岩相类型，扇三角洲前缘亚相发育11 种岩相类型（图5）。对于扇三角洲平原亚相，杂基含量较高，分选较差，主要发育杂基支撑中砾岩相、杂基支撑细砾岩相、中砂岩相和细砂岩相，而对于扇三角洲前缘杂基含量较少，分选相对于平原亚相较好，主要发育有颗粒支撑中砾岩相、颗粒支撑细砾岩相、含砾砂岩相和粉砂岩相。

1.3 岩相组合类型

图2 玛湖凹陷夏子街地区沉积相综合柱状图Fig.2 Composite histogram of the deposition, Xiazijie area, Mahu Depression

同种岩相及不同岩相类型在扇三角洲不同位置成因不同[15]，通过对取芯井岩芯的观察和主要发育岩相类型的识别，结合水动力特征等，总结出玛湖凹陷夏子街地区百口泉组基于沉积微相划分的6 种岩相垂向组合类型（图6）。扇三角洲平原主要发育泥石流沉积，划分出3 种岩相垂向组合模式，I型岩相组合发育有泥石流沉积—片流沉积，底部整体粒度粗，以块状杂基支撑砾岩为主，向上粒度突变发育泥岩为主。II型岩相组合为泥石流沉积，底部为块状杂基支撑砾岩为主，向上为粒级较细的砂岩，自下而上为多期叠加，发育有明显的正韵律层理。III型岩相组合底部发育块状杂基支撑砾岩，向上粒度逐渐变细发育砂岩，该岩相组合类型发育位置靠近扇三角洲前缘，上部发育有颗粒支撑砾岩相—砂岩相河道沉积特征。扇三角洲前缘主要发育划分出3种岩相组合类型。IV型岩相组合底部以颗粒支撑中砾岩为主，分选性差，砾间充填粒度较细的砾石以及砂质，向上粒度变细，表现为重力流沉积特征，上部发育有存在明显递变层理的砂岩相，水动力减弱，顶部为泥岩相。V 型岩相组合底部发育有大套块状颗粒支撑砾岩相，向上粒度逐渐变细，中上部过渡到砂岩沉积，整体为较完整的水下分流河道沉积特征。VI 型岩相组合为水下泥石流沉积，以杂基支撑砾岩为主，向上过渡为砂岩相。

图3 夏子街地区百口泉组砂岩分类三角图Fig.3 Classification ternary diagram of sandstone, Baikouquan Formation, Xiazijie area

2 储集性能

2.1 储集物性特征

研究区百口泉组砂砾岩孔隙度主要分布在2.5%～21.2%，平均7.94%，渗透率主要分布在（0.01～982）×10-3µm2，平均为5.6×10-3µm2，总体呈现低孔、低渗型储层特征。砾岩中有效孔隙度主要分布于5%～15%，平均7.78%，多数为特低孔，部分为低孔类型，而渗透率主要分布于（0.01～100）×10-3µm2之间，平均7.38×10-3µm2，总体为低孔低渗型储层；砂岩中有效孔隙度多分布在5%～15%之间，平均8.16%，以特低孔为主，部分发育低孔类型，渗透率多集中在在（0.01～10）×10-3µm2，平均1.58×10-3µm2，总体为低孔特低渗型储层（图7）。

图4 夏子街地区百口泉组砾岩特征Fig.4 Conglomerate characteristics, Baikouquan Formation, Xiazijie area

图5 玛湖凹陷夏子街扇亚相发育岩相类型Fig.5 Lithofacies types, Xiazijie fan delta, Mahu Depression

图6 研究区百口泉组发育岩相组合分布特征Fig.6 Distributions of lithofacies assemblages in Baikouquan Formation in study area

图7 夏子街地区百口泉组储集物性分布特征Fig.7 Porosity and permeability distribution, Baikouquan Formation

2.2 储集空间类型

研究区储层岩性主要为砂岩、砾岩，其储集空间发育类型多样，成因复杂，主要发育原生孔、次生溶孔和微裂缝。其中，砂岩主要发育少量次生孔隙及部分原生孔隙，砾岩内储集空间以次生孔隙为主。

在砂岩中发育有少量正常粒间孔隙和残余原生孔隙，保留有少量原生孔隙（图8a），次生孔隙主要为部分石英、长石、岩屑颗粒内部及边缘溶蚀形成的粒内及粒间溶孔，岩屑多为颗粒内部溶蚀（图8b），长石的溶蚀主要表现为多沿长石颗粒的解理缝发生溶蚀（图8c），部分发育有少量微裂缝（图8d）。砾岩中储集空间相对较发育，保留部分原生孔隙（图7e），次生孔隙发育类型多样。包括有长石、石英及岩屑内部及边缘溶蚀孔，此外岩屑中的斑晶也发生较强的溶蚀（图8f）。由于粒间沸石及杂基溶蚀孔（图8g，h）也提供了部分次生孔隙，此外，还发育微裂缝增加储集空间。

3 成岩作用特征及差异性

不同成岩作用类型及发育程度控制了储层的储集空间类型、孔隙结构、含量及质量，总的来说成岩作用在很大程度上对储层质量产生极其重要的影响[16-17]。玛湖凹陷夏子街地区百口泉组其砂砾岩结构成熟度以及成分成熟度都相对较低，压实作用普遍发育，胶结作用局部发育且类型多样，溶蚀作用相对特征明显。通过铸体薄片观察、阴极发光、岩芯观察、单井相的识别，总结发现扇三角洲不同亚相类型的成岩作用存在差异性，不同单井相岩相组合中成岩作用也存在差异性。

图8 夏子街地区百口泉组储集空间类型Fig.8 Types of reservoir space in Baikouquan Formation, Xiazijie area

（1）扇三角洲平原亚相

扇三角洲平原亚相Ⅰ型自下而上组合为杂基支撑中砾岩—杂基支撑细砾岩—泥岩（Gmm→Gfm→Md）岩相类型。成岩作用在不同岩相位置发育类型和程度不同，下部杂基支撑中砾岩中杂基含量高，压实作用强，发育少量杂基和岩屑颗粒溶孔，胶结作用相对较弱；向上杂基支撑细砾岩杂基含量较高，溶蚀较发育，发育部分的次生溶孔。该类组合整体杂基含量高，多以压实作用为主，发育部分的粒间溶孔，溶蚀作用主要发生在底部杂基支撑砾岩中（图9A）。

Ⅱ型自下而上发育杂基支撑中砾岩—杂基支撑细砾岩—中砂岩—细砂岩—杂基支撑细砾岩—中砂岩（Gmm→Gfm→Sm→Sf→Gfm→Sm）岩相组合类型，下部杂基支撑砾岩压实强，发育部分粒间溶孔和岩屑颗粒溶孔，并保留极少量原生孔隙；中部砂岩压实作用强，溶蚀作用弱，可见极少量的岩屑颗粒溶孔；上部杂基支撑细砾岩压实作用强，杂基含量高，仅保留极少量原生粒间孔。总体来说，该类岩相组合类型整体杂基含量高，以压实作用为主，砾岩中保留有极少量原生粒间孔，发育少量次生溶孔，中部砂岩溶蚀作用较弱（图9B）。

Ⅲ型岩相组合发育有杂基支撑中砾岩—砾质砂岩—中砂岩—细砂岩—颗粒支撑中砾岩—中砂岩（Gmm→G-S→Sm→Sf→Gmp→Sm）岩相组合，该类岩相组合距离扇三角洲前缘较近，底部杂基支撑中砾岩压实作用强，杂基含量高，孔隙几乎不发育，发育局部方解石胶结；向上中砂岩方解石呈基底胶结，保留极少量的原生孔隙；上部颗粒支撑细砾岩中压实作用强，发育局部方解石胶结，少量次生孔隙。该类岩相组合发育在远离扇根位置，杂基含量有所减少，整体压实作用为主，底部杂基支撑砾岩溶蚀作用弱，中部胶结作用强，向上杂基含量较少的保留少量原生孔隙（图9C）。

（2）扇三角洲前缘亚相

IV型发育有颗粒支撑中砾岩—颗粒支撑细砾岩—含砾砂岩—粗砂岩—中砂岩—细砂岩—粉砂岩—泥岩组合（Gmp→Gfp→S-G→Sc→Sm→Sf→Ss→Md），该类在扇三角洲前缘成岩作用特征表现为：中部颗粒支撑细砾岩压实作用强，溶蚀作用中等；向上中砂岩方解石局部强胶结，发育有粒间溶孔及岩屑颗粒内部溶孔；上部颗粒支撑中砾岩靠近泥岩段，压实作用较强，发育碳酸盐胶结，溶蚀作用弱。总体表现为杂基含量少，以颗粒支撑为主，发育方解石胶结及少量铁方解石，靠近泥岩层段方解石胶结作用强（图9D）。

V 型岩性组合为颗粒支撑中砾岩—颗粒支撑细砾岩—砾质砂岩—含砾砂岩—细砂岩—粉砂岩（Gmp→Gfp→G-S→S-G→Sf）组合，总体为多期水道叠置的沉积特点，下部颗粒支撑中砾岩溶蚀作用中等，发育粒间溶孔及岩屑颗粒内部溶孔；向上中部颗粒支撑细砾岩，溶蚀作用相对较强，发育岩屑及长石颗粒溶孔及砾间缝，胶结作用发育，包括方解石、方沸石及浊沸石等多类胶结物，且沸石在后期发生部分的溶蚀。总体表现为压实较强，溶蚀作用发育强，胶结类型多样的特点（图9E）。

图9 百口泉组典型单井岩相组合及其控制下的成岩作用差异性Fig.9 Variation in rock diagenesis controlled by lithofacies assemblages in a typical single well, Baikouquan Formation

VI型岩性组合发育有杂基支撑中砾岩—中砂岩（Gmm→Sm）组合，该类岩相组合发育位置距离扇三角洲平原较近，底部杂基支撑中砾岩杂基含量高，压实作用强，溶蚀作用弱，仅见少量岩屑内部溶孔及斑晶溶蚀孔，上部粒级较细的砂质部分局部可见岩屑颗粒内部溶孔。总体表现为杂基含量高，压实作用较强，溶蚀作用相对较弱的特征（图9F）。

4 储层控制因素

4.1 岩相

碎屑岩储层中，岩相作为后期成岩作用的物质基础，与储层物性具有密切关系，不同岩相成分、结构、构造特征对储层的物性造成影响[18-19]。通过对岩芯观察对岩相的划分，由于研究区砂岩发育相对较少，因此将粗砂岩、细砂岩及粉砂岩统划分为砂岩相，总结出杂基支撑中砾岩、杂基支撑细砾岩、颗粒支撑中砾岩、颗粒支撑细砾岩、砾质砂岩、含砾砂岩和砂岩七种主要类型，根据实测物性资料结合薄片观察总结分析，绘制不同岩相下孔渗物性分布图，不同岩相的物性分布有差异（图10），表明岩相对储层的物性存在控制作用。

颗粒支撑砾岩相控制的储层物性相对较好，压实作用强，由于其杂基含量低，储集空间连通性好，其中颗粒支撑细砾岩相物性最好，孔隙度分布范围为9.5%～20%，平均为9.51%，渗透率分布范围为（0.03～592）×10-3µm2，平均为21.52×10-3µm2；颗粒支撑中砾岩相其次，孔隙度分布范围为2.9%～18.5%，平均7.62%，渗透率分布范围（0.02～694）×10-3µm2，平均为17.35×10-3µm2。杂基支撑砾岩相物性次之，粒间充填泥质、凝灰质等杂基，保留少量原生孔隙，部分易溶凝灰质杂基发生溶蚀，杂基支撑中砾岩相孔隙度分布范围为2.6%～15.7%，平均为9.15%；渗透率范围为（0.04～26.3）×10-3µm2，平均为4.72×10-3µm2；杂基支撑细砾岩相孔隙度分布范围为4.3%～13.7%，平均为9.04%；渗透率范围为（0.03～11.9）×10-3µm2，平均为2.59×10-3µm2。而对于砾质砂岩相孔隙度分布在4.2%～13.9%之间，平均8.24%，渗透率分布于（0.01～10.7）×10-3µm2之间，平均为1.64×10-3µm2；含砾砂岩相孔隙度分布范围介于2.65%～18.6%之间，平均为9.11%，而渗透率介于（0.01～11.8）×10-3µm2之间，平均为1.52×10-3µm2；而砂岩孔隙度介于3.2%～19.3%之间，平均为7.77%，而渗透率介于（0.01～32.6）×10-3µm2之间，平均为1.51×10-3µm2。

总体看来，颗粒支撑细砾岩岩相控制下储层物性最好，颗粒支撑中砾岩岩相次之，其次为杂基支撑中砾岩相与杂基支撑细砾岩相，砾质砂岩相和含砾砂岩相渗透率低物性相对差，砂岩相储层物性最差。

4.2 成岩相

成岩相是对储层特征的综合反映，随着勘探程度的不断深入和研究精细程度的提高，通过成岩作用的强度定量研究，对精细分析成岩作用对储层的控制具有重要意义。对研究区成岩作用特征的研究基础上，利用Beard等根据实验利用分选系数So建立的求取原始孔隙公式φ0=20.91+22.9/So[20-21]，计算出夏子街地区百口泉组砂砾岩储层原始孔隙度，利用面孔率和孔隙度函数的关系，对镜下铸体薄片分析，对压实、溶解及胶结作用对储层孔隙度的贡献定量统计，并结合成岩作用强度划分了成岩相类型，对岩相—成岩相进行匹配。

4.2.1 成岩作用影响

通过对各类成岩作用定量分析表明，压实作用为该区主要减孔作用，减孔范围为5.42%～25.73%，平均为16.08%。在另一方面，由于强压实，可能会使颗粒内部产生压裂缝，后期可能为油气运移和储集提供通道和储集的空间，从而改善储层。胶结物充填原生孔隙会导致储集层的孔隙度的降低，研究区百口泉组储层胶结作用种类丰富，包括有局部发育碳酸盐、沸石、黄铁矿、少量菱铁矿及高岭石、伊利石等黏土矿物。胶结物面孔率范围为0.33%～8.9%，胶结作用减少孔隙度为5.3%～17.78%，平均减孔率为12.7%。溶解作用是主要的增孔作用，孔隙度会因溶蚀作用不断随之变大，储层的物性由此变好。研究区百口泉组砂砾岩中溶蚀作用相对发育，主要溶蚀的物质包括有长石、岩屑等陆源物质、杂基和部分沸石等胶结物，溶蚀作用面孔率为0.1%～3.83%，溶解孔隙度范围为3.42%～13.02%，平均为8.07%。

图10 夏子街地区百口泉组不同岩相物性分布Fig.10 Reservoir properties of different lithofacies, Baikouquan Formation, Xiazijie area

4.2.2 成岩相划分

根据研究区的实际地质情况，结合成岩作用类型并对成岩作用强度进行划分（表1），共划分出了：强压实—强胶结—弱溶蚀、强压实—弱胶结—弱溶蚀、强压实—弱胶结—中溶蚀、强压实—中胶结—弱溶蚀、中压实—强胶结—弱溶蚀、中压实—弱胶结—强溶蚀、中压实—弱胶结—中等溶蚀和中压实—中胶结—中溶蚀8种成岩相类型。

表1 夏子街地区百口泉组成岩作用强度划分Table 1 Classification of diagenesis intensities,Baikouquan Formation, Xiazijie area

4.2.3 成岩相控制

不同岩相、相同岩相在各类岩相组合中发育位置不同，成岩作用强度也不同，建立了15种岩相—成岩相类型，在其控制下储层物性也存在明显差异（表2）。研究区杂基支撑细砾岩中主要发育有中等、强压实—弱胶结—弱到中等溶蚀成岩相类型，压实作用强，发育少量次生孔隙，在Ⅰ型岩相组合中压实作用中等，溶蚀作用相对发育，由于杂基含量高，渗透率低，多为低孔特低渗储层，在Ⅱ型及VI型岩相组合中压实作用强，溶解弱，仅发育少量次生溶蚀孔隙，储层物性差。杂基支撑中砾岩中主要发育强压实—弱、中胶结—弱到中等溶蚀成岩相类型，由于该类岩相主要发育于扇三角洲平原岩相组合底部，压实作用强，储集空间较少，发育少量次生孔隙，在Ⅰ型及Ⅱ型岩相组合中溶蚀作用弱—中等，大量杂基存在导致渗透率差，多为低孔特低渗储层，而在Ⅲ型岩相组合中方解石胶结中等，压实强且溶解作用弱，物性差。

颗粒支撑细砾岩中主要发育中压实—弱、中胶结—中、强溶蚀成岩相类型，以溶蚀作用发育为特征，压实作用导致孔隙减少，发育方解石胶结，粒间少量沸石胶结，IV型岩相组合中，方解石胶结弱—中等，溶蚀作用较发育，V型岩相组合压实作用中等，可见少量砾间缝，胶结作用弱—中等，发育岩屑颗粒、杂基、沸石等溶蚀形成的次生溶孔，溶蚀作用中等—强，为低孔中低渗储层。颗粒支撑中砾岩中主要发育中、强压实—中胶结—弱到中溶蚀成岩相，该类岩相主要发育于扇三角洲前缘IV型及V型岩相组合底部，压实作用较强，次生孔隙较发育，扇三角洲前缘中主要发育中压实—中胶结—中溶蚀成岩相，粒间溶孔及颗粒内部溶孔发育，形成良好的储集空间，多为低孔低渗型储层；在平原亚相Ⅲ型岩相组合中发育强压实—中胶结—弱溶蚀类型，仅保留极少量原生孔隙，储集物性差。

含砾砂岩主要发育在前缘亚相中，有两种类型成岩相，在IV 型岩相组合中发育强压实—中胶结—弱溶蚀成岩相，方解石局部胶结；在V型中也发育有上述成岩相类型，此外还发育有中压实—弱胶结—中溶蚀成岩相，粒间可见少量沸石胶结、溶蚀，此外岩屑、长石等颗粒边缘及内部溶蚀次生孔隙，多为低孔低渗型储层储集物性差。砾质砂岩在前缘亚相V型岩相组合中发育中压实—中胶结—中溶蚀成岩相，溶蚀作用中等，储集物性相对较好，呈现低孔低渗特征；在平原亚相Ⅲ型中发育中压实—强胶结—弱溶蚀成岩相，方解石强胶结，孔隙相对不发育，储集物性差。砂岩中发育强压实—弱胶结—弱溶蚀成岩相，此外还发育中、强压实—强胶结—弱溶蚀成岩相，压实作用强，碳酸盐胶结作用较强，部分呈充填原生孔隙基底式胶结特征，储集物性差。

表2 夏子街地区三叠系百口泉组岩相—成岩相特征Table 2 Characteristics of lithofacies-diagenetic facies, Triassic Baikouquan Formation, Xiazijie area

在颗粒支撑砾岩、杂基支撑砾岩中，中压实、中强溶蚀成岩相控制下储层的物性好，在含砾砂岩与砾质砂岩中，中压实、中溶蚀成岩相控制下物性相对较好，砂岩物性总体较差。有利储层主要分布在扇三角洲前缘水下分流河道沉积的岩相组合中，扇三角洲平原泥石流沉积岩相垂向组合底部中砾岩压实作用较强，杂基含量高，不利于溶蚀作用进行，而中部细砾岩中易溶的长石、岩屑碎屑颗粒含量较高，易于发育溶蚀作用，总体表现为储层压实作用强，胶结与溶蚀作用较弱，物性相对较差；扇三角洲前缘水下分流河道成岩作用复杂，垂向组合底部砾岩杂基含量少，以颗粒支撑为主，向上杂基含量有所增加，但易溶的凝灰岩等岩屑颗粒含量相对于平原亚相高，因此溶蚀作用发育，储层物性好。此外，形成的次生溶孔有利于成岩过程中溶液中饱和物质的沉淀，有利于沸石、方解石等自生矿物的形成。