羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组致密储层成岩作用与孔隙演化

2020-03-19程乐利印森林万友利冯兴雷李学仁曾胜强

石油实验地质 2020年1期

程乐利，印森林，万友利，王剑,4，冯兴雷，李学仁，曾胜强

(1.长江大学录井技术与工程研究院，湖北荆州 434023；2.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081；3.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，成都 610081；4.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500)

羌塘盆地位于特提斯构造域东段，经众多学者在基础地质、石油地质等方面的研究，初步证实羌塘盆地具有较好的油气潜力[1-6]，是青藏地区油气资源潜力最大、最有希望取得勘探突破的地区[3]。

近年来，对于羌塘盆地石油地质条件的认识不断深入，取得了大量新进展，这些新进展和认识聚焦于岩相古地理[4-5]、盆地性质及构造演化[2, 5-6]、烃源岩[7-9]和保存条件等方面[5, 8-10]，油气储层成果较少。上三叠统巴贡组砂岩储层是羌塘盆地的2大重点储集层系之一，主要以低孔低渗为主[1,5]。孙冬胜等[11]在南羌塘坳陷查郎拉地区的储层研究中发现，该地区肖茶卡组三段碎屑岩物性非常致密，储集空间主要为次生溶蚀孔，粒间及粒内溶孔多见，少量铸模孔及微裂缝；胡俊杰等[12]对沃若山地区的上三叠统土门格拉组砂岩储层进行了详细研究，发现该区砂岩储层以岩屑石英砂岩为主，压实作用导致原生孔隙所剩无几，而次生孔隙以粒间孔、铸模孔为主。上述学者就该套储层及其沉积特征等方面开展了工作，但致密过程中的成岩作用影响尚未开展系统研究。

近年来，我国石油工作者在致密砂岩类型储层中获得了大量油气新发现，同时在致密砂岩成岩特点[13-17]和绿泥石保孔机制[18-20]等方面取得了大量新认识。在孔隙演化方面，利用回归拟合进行面孔率和孔隙度的换算[21]、以压实分段来实现机械压实与热压实校正[22-24]等方法均取得了较好效果。将这些新认识和新思路应用到羌塘盆地的致密砂岩储层研究中，将有助于在该地区早日实现油气发现。本文以北羌塘坳陷中南部的4条上三叠统典型露头剖面为研究对象，借助铸体薄片、扫描电镜、X衍射及流体包裹体测温等测试分析手段，探讨其成岩作用特征和孔隙演化规律，为下步的勘探部署工作提供参考。

1 地质背景

羌塘盆地北界为可可西里—金沙江缝合带，南界为班公湖—怒江缝合带，整体呈近东西向长条状展布[5]，构造格局具有“两坳一隆”[2]的特点，可划分为南羌塘坳陷、中央隆起带和北羌塘坳陷3个一级构造单元[1](图1)。在考虑细分精度、使用方便的前提下，将北羌塘坳陷上三叠统地层划分为藏夏河组、肖茶卡组、甲丕拉组、波里拉组、巴贡组以及那底岗日组。其中那底岗日组代表上三叠统顶部的火山岩—火山碎屑岩组合，藏夏河组代表坳陷北部的砂泥质深水复理石组合，肖茶卡组代表坳陷西南部菊花山、甜水河一带的灰岩组合。在坳陷的中南部沿用结扎群的三分方案，用甲丕拉组、波里拉组和巴贡组来分别代表紫红色碎屑岩组、碳酸盐岩组和含煤碎屑岩组。

2 储层岩石学特征

对采自北羌塘坳陷沃若山、才多茶卡、麦多以及扎那陇巴4个实测剖面(图1)的砂岩样品进行镜下分析。研究区巴贡组发育6种类型砂岩：岩屑石英砂岩(37.7%)、岩屑砂岩(25.5%)、长石岩屑砂岩(18.2%)、岩屑长石砂岩(13.6%)，长石石英砂岩和石英砂岩占比较小。砂岩总体粒度较细，分选较好，磨圆均为次棱角状，胶结类型以压嵌型、孔隙—次生加大型、次生加大型和次生加大—压嵌型为主，极少基底型和凝块型，孔隙型胶结未见发育。孔隙度均值为4.31%，渗透率主要在(0.001～0.01)×10-3μm2之间(图2)，属于超低孔超低渗储层。

图1 羌塘盆地构造分区及实测剖面位置

图2 羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组砂岩物性分布

3 成岩作用类型及特征

3.1 压实作用

研究区总体上压实强烈，表现为颗粒间紧密接触(图3a)、长形颗粒定向排列、塑性颗粒变形及脆性颗粒被压裂等。在镜下常见云母等片状矿物顺层排列，以及云母被压弯，甚至折断(图3b)。不同粒度的砂岩之间，中砂岩的压实强度明显小于极细砂岩。

3.2 胶结作用

胶结作用普遍发育，在各地区均有分布，也是使储层物性变差的重要原因之一[24]。胶结物的类型主要为硅质胶结和自生黏土矿物胶结，其次为碳酸盐胶结等。

3.2.1 硅质胶结

硅质胶结物常以集合体或次生加大充填于孔隙及喉道中，在石英砂岩中，石英次生加大级别可达Ⅲ级，严重堵塞了粒间孔隙，并降低了储层渗透率，颗粒间呈线—凹凸接触。硅质主要有2种来源：首先为压溶作用，在加大边与石英颗粒之间见黏土“脏线”(图3c)，表明早期硅质胶结晚于黏土膜的形成；其次为钾长石溶解，在扫描电镜下可见这一反应产生的高岭石与自生石英共生(图3d)。

图3 羌塘盆地北羌塘坳陷巴贡组砂岩显微特征

a.颗粒紧密排列，呈线—凹凸接触，×100，(+)，沃若山；b.云母颗粒被压断，×200，(+)，扎那陇巴；c.石英次生加大发育，颗粒边缘见“脏线”，×200，(+)，才多茶卡；d.自生石英晶形完好，与高岭石共生，见剩余粒间孔，才多茶卡；e.自生片状伊利石充填粒间，沃若山；f.颗粒被高岭石完全交代，扎那陇巴；g.颗粒紧密接触，粒间发育伊利石膜，沃若山；h.粒间充填绿泥石衬里，压实作用强烈，粒间孔隙消失，沃若山；i.早期碳酸盐基底式胶结，云母颗粒未变形，压实较弱，×100，(+)，沃若山

Mi. 云母；Oq. 石英次生加大；Q. 石英；Ka. 高岭石；Il. 伊利石；Chl. 绿泥石边

Fig.3 Microphotographs showing microscopic characteristics of sandstones in Bagong Formation, North Qiangtang Depression,Qiangtang Basin

3.2.2 黏土矿物胶结

研究区的自生黏土矿物主要为伊利石、高岭石和伊蒙混层，绿泥石和蒙脱石占比较小。

(1)伊利石大多晶形较好，主要以片状、不规则弯曲片状充填于孔隙(图3e)，部分以包膜形式生长于颗粒表面(图3g)，或以丝缕状与片状伊利石伴生。在早成岩阶段伊利石生成较少，在中成岩阶段通过黏土矿物(高岭石、蒙皂石)、长石及岩屑经过蚀变形成[25-26]。研究区砂岩中大部分只含钾长石或高岭石，其余样品的钾长石含量均低于6%，二者仅能微量共存，而巴贡组地层经历的最高地温可达178 ℃[27]，因此呈片状充填和丝缕状伴生的伊利石主要为高岭石转化形成[13, 28]，以颗粒包膜形式产出的伊利石则多为蒙皂石转化而来[29]。

(2)高岭石分布差异较大，在沃若山剖面仅底部含有高岭石，其余3个剖面均有分布。砂岩中高岭石的成因可分为沉积成因和自生成因2种[30]，沉积成因的高岭石形态不完整且多呈碎片状[14]；而自生成因的高岭石晶体完整。研究区高岭石多充填于剩余粒间孔(图3d)或长石溶孔(图3f)中，单晶呈完整的六方片状，集合体呈蠕虫状、书页状，因此巴贡组中的高岭石应为自生成因。

(3)绿泥石以孔隙衬里(图3h)和针叶状充填粒间的形态产出。根据铁质的来源，绿泥石衬里的成因分2种：同生期黏土膜转化和富铁镁物质的再结晶[18]。由于颗粒接触处没有绿泥石发育，绿泥石衬里主要为再结晶成因。泥岩微量元素分析结果[6]表明，物源以长英质为主，铁镁质极少。由于缺乏铁镁质来源，绿泥石衬里发育情况不佳，主要见于才多茶卡剖面，其他3个剖面极少发育，其中扎那陇巴剖面的砂岩中基本不含绿泥石。绿泥石衬里一般形成于成岩作用较早阶段，通常认为这种绿泥石能够抑制石英的次生加大，并显著提高岩石的机械强度和抗压实能力，对于储层物性的发育有着良好的建设性作用[19-20]。粒间充填的针叶状绿泥石形成较晚，主要由伊利石、蒙脱石等其他黏土矿物转化形成，部分源自孔隙流体的直接结晶[28]，含量较少，一般分布于较大孔隙中，对储层物性有破坏作用。

(4)蒙脱石。巴贡组露头中的蒙脱石可能是地层出露后在表生成岩阶段的产物，含量较低，占黏土矿物总量的1%～5%，仅在沃若山剖面较多，说明表生成岩阶段对于沃若山地区有一定影响，其他剖面则基本不受影响。

3.2.3 碳酸盐胶结

碳酸盐胶结物可分为2个期次：第一期为呈基底式胶结的碳酸盐灰泥，可见碎屑颗粒呈漂浮状，压实改造影响较小(图3I)，说明胶结于机械压实之前，常形成于常温常压条件下，为同生期、准同生期产物；第二期为镶嵌结构的白云石、(铁)方解石胶结，多呈晶粒结构充填于粒间溶蚀孔[12]，此类白云石可部分交代碎屑颗粒，多形成于晚成岩期。

3.2.4 自生矿物

自生矿物主要为黄铁矿和菱铁矿，仅部分样品有少量分布，为成岩早期产物。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用属于建设性成岩作用。由于早期溶蚀产生的次生孔隙在后期压实中难以保存，因此现有次生溶孔主要来自晚期，发生于强烈压实之后。研究区中的被溶蚀组分有长石、岩屑和碳酸盐胶结物，表现形式有：①长石(图3f，3h)、岩屑及石英等碎屑颗粒被不同程度溶蚀，其中长石溶蚀形成的铸模孔及粒内孔最常见；②方解石胶结物大多被溶蚀形成晶间及晶内溶孔，局部强烈溶蚀形成溶孔。

3.4 交代作用

最常见的交代作用是白云石交代石英、长石，在局部地区十分强烈，使碎屑颗粒边缘呈锯齿或残骸状，甚至彻底消失；其次为黏土矿物交代砂岩中的各种组分，被交代的主要为石英、长石、方解石等，可见长石颗粒完全蚀变成为高岭石(图3f)。

3.5 破裂作用

羌塘盆地经历了漫长而剧烈的构造活动，形成了大量以近东西向为主的裂缝[1, 10]。在镜下，根据产状可分为沿颗粒边缘延伸的微裂缝和贯穿颗粒的微裂缝；在地表有大量垂直于层面裂缝成组出现，并相互切割。裂缝可极大地提高砂岩储渗性能[31]，但对油气保存不利。

4 成岩演化和成岩相

4.1 成岩阶段

4.1.1 成岩阶段划分

通过有机质成熟度、埋藏史曲线、成岩作用特征及包裹体温度进行成岩阶段划分：

(1)有机质热成熟度。上三叠统烃源岩的热演化程度较高，中西部地区(沃若山、扎那陇巴)泥岩均处于高成熟阶段[7]；北部地区(明镜湖、藏夏河)泥岩处于过成熟阶段[5]。

(2)埋藏史。据埋藏史曲线[5]，研究区的中生界地层均经历反复的沉降—上升过程，本次采样所处的坳陷南部埋深稍浅，而内部深埋区的最大埋深可达7 km。

(3)成岩作用。①压实强烈，以线—凹凸接触为主，塑性颗粒强烈变形，石英颗粒破碎；②固结程度高，早期碳酸盐胶结物不发育，后期发育亮晶白云石、方解石胶结，石英次生加大级别可达Ⅲ级；③黏土矿物中蒙脱石不发育，仅存的少量I/S混层中蒙皂石含量均为10%，达有序混层阶段；④次生孔隙较发育，可见大量长石和岩屑等易溶组分的溶蚀孔。

(4)包裹体温度。对东部地区巴贡组石英颗粒裂缝中的包裹体进行了测温，获得的最晚一期主峰为165～175 ℃，相邻地区砂岩方解石脉的包裹体测温最大达159 ℃[9]；而在沃若山地区方解石脉中得到的包裹体均一温度为109 ℃和178 ℃[27]。

综合上述特点，参考酸性水介质碎屑岩成岩阶段划分方案[32]，认为巴贡组已进入中成岩B期—晚成岩阶段。本次采样地点位于北羌塘坳陷边缘地区，埋藏较浅，在燕山运动中被抬升，经历的最晚成岩阶段为中成岩B期。而由于抬升幅度小、后续接受了白垩纪—第四纪的巨厚沉积物覆盖，推测坳陷内部的巴贡组地层已经完全进入晚成岩阶段。

4.1.2 成岩演化序列

沉积物埋藏后，压实作用最早发生，随着孔隙水的排出、塑性颗粒变形，碎屑颗粒重新排列成相对稳定的岩石骨架。呈碳酸盐基底式胶结的砂岩中，颗粒呈悬浮状，说明存在早期的碳酸盐胶结。绿泥石胶结物呈孔隙衬里形态产出，说明绿泥石主要形成于颗粒固结后。在长石、岩屑等被溶颗粒中有高岭石、伊利石等充填，说明主要黏土矿物的胶结晚或同步于溶蚀作用。而亮晶白云石交代石英颗粒、或以次生加大充填于溶蚀孔隙，表明其形成于中晚阶段的碱性环境。因此主要成岩序列依次为早期压实→早期黏土矿物形成→早期方解石胶结→早期硅质胶结→溶蚀作用→晚期黏土矿物形成→晚期碳酸盐胶结→晚期硅质胶结。

4.2 成岩相划分

划分成岩相的目的在于为后续的孔隙演化分析提供基础。本文兼顾分类的实用性和指向性[15]，采用“成岩特征对物性影响”的方案，选取压实强度、碳酸盐胶结物含量、面孔率、实测物性等参数，划分为强溶蚀、绿泥石胶结、碳酸盐胶结和强压实压溶成岩相(表1)。

(1)强溶蚀成岩相：主要为长石石英砂岩及岩屑长石砂岩，压实作用弱，碳酸盐和绿泥石胶结物少，见少量剩余粒间孔，溶蚀孔隙极为发育，是物性最好的类型。

(2)绿泥石胶结成岩相：以长石岩屑砂岩及岩屑石英砂岩为主，碳酸盐胶结物少，绿泥石胶结物发育，溶蚀孔隙发育，物性相对较好。

(3)碳酸盐胶结成岩相：以长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，碳酸盐胶结物普遍发育，绿泥石胶结物不发育，镜下见大量碳酸盐胶结物溶蚀孔，物性仅次于前两类。

(4)强压实压溶成岩相：主要为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，少量石英砂岩，压实作用强，颗粒间呈缝合线—凹凸接触，碳酸盐胶结物和绿泥石胶结物含量低，是物性最差的类型。

5 孔隙演化特征

根据文献[22,24]“压实分段”的计算思路，由于缺乏钻井资料制作压实曲线，本文以各深度段对应的地层厚度比例来分配压实减孔率，在计算中成岩B期的最大埋深时，取剖面样品的Ro均值(1.55%)作为埋深最大时的热演化程度。

表1 羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组储层成岩相类型及特征

5.1 孔隙度变化的定量计算

5.1.1 初始孔隙度的恢复

通过薄片与Beard图版[33]对比[22]，得到不同成岩相的分选系数，从强溶蚀相、绿泥石胶结相、碳酸盐胶结相到强压实相的均值分别为1.35，1.40，1.41，1.55。据此可得出其初始孔隙度分别为37.8%，37.3%，37.1%，35.7%。

5.1.2 成岩作用导致的孔隙度变化

由于面孔率与孔隙度并不完全相等，借助面孔率和常规物性孔隙度之间的关系，可将面孔率数据转化为真孔隙度进行使用[23]。

(1)压实作用减孔率计算。由于压实的不断进行，压实后岩石体积小于原始体积。本文通过计算岩石体积减少量VR来表征压实作用减少的孔隙体积(即压实作用减孔量)[21]，简要表述为：

VR=V0-VC

(1)

VC=VCS+VCM+VCP

(2)

在假设压实过程中骨架颗粒只发生移动重排而无磨损减小的情况下，剩余的骨架颗粒体积VCGS与粒内溶孔体积VCRS之和与原始骨架颗粒体积VCG相等：

VCG=VCGS+VCRS

(3)

VCGS=VC-VCM-VC·ΦC

(4)

VCG=V0-VC·Φ0

(5)

则可得到压实减小的孔隙度ΦCS：

(6)

式中：VR为岩石体积减少量；V0为岩石原始体积；VC为压实后的岩石体积；VCS为溶蚀后骨架颗粒体积；VCM为剩余胶结物体积；VCP为剩余孔隙体积；VCG为原始骨架颗粒体积；VCGS为剩余骨架颗粒体积；VCRS为粒内溶孔体积；Φ0为初始孔隙度；ΦC为实测孔隙度；ΦCM为剩余胶结物面孔率；VCPS为初始孔隙体积；ΦCRS为粒内溶孔面孔率；ΦCS为压实减少的孔隙度。

(2)根据主要的增减孔效应进行孔隙演化过程分段。在上文基础上，将主要成岩作用分为4期：①早成岩A期，由压实和绿泥石、伊蒙混层、蒙脱石、早期碳酸盐胶结组成，整体为减孔；②早成岩B期，由压实和硅质胶结组成，整体为减孔；③中成岩A1期，由压实和溶蚀组成，整体为减孔—增孔的复合效应；④中成岩A2期至中成岩B期，由压实和硅质、高岭石、伊利石、晚期碳酸盐胶结组成，整体为减孔。参考北羌塘坳陷中部的埋藏史曲线[5]，巴贡组地层Ro达到0.35%，0.5%，0.7%，1.55%时的最大埋深分别约为2 000，2 600，4 200，5 300 m，按照第①期到第④期的顺序，压实减孔率分配在各期的比重依次为37.7%，11.3%，31.1%，19.8%。利用胶结物统计结果和式(5)、(6)，可得强溶蚀相、绿泥石胶结相、碳酸盐胶结相和强压实相因压实减少的孔隙度分别为27.1%，27.6%，22.8%，30.6%。

5.2 孔隙演化过程

根据孔隙度变化定量计算结果(表2)，可得巴贡组储层孔隙演化曲线(图4)：在早成岩A期，4类成岩相的孔隙演化趋势基本相同，随着埋深增加，孔隙水排出，原生孔隙迅速下降，而绝大部分的减孔由压实导致，只有绿泥石胶结相中有较强的胶结作用，但此时绿泥石环边对岩石抗压实帮助不大；进入早成岩B期，强溶蚀相中发生了较强的胶结作用，其他3类中压实与胶结作用的减孔量相当，由于地层迅速深埋，因而压实的减孔效应尚未充分体现；在中成岩A1期，有机酸大量生成，地层水介质呈酸性，长石、岩屑等颗粒大量溶蚀，在强溶蚀相中增孔效应最大，绿泥石相次之；在中成岩A2至中成岩B期，地层水介质开始由酸性向碱性转化，碳酸盐胶结物大量发育，碳酸盐胶结相的胶结减孔量急剧上升，其他3类则差异不大。综合比较4类成岩相的孔隙演化过程，压实作用是造成孔隙减小的最主要因素；其次为胶结作用；溶蚀作用增孔效应明显，绿泥石衬里的形成对孔隙保存有利。