松辽盆地青山口组砂岩的成岩作用与影响

于生云

(东北石油大学 地球科学学院， 黑龙江 大庆 163318)

0 引 言

成岩作用一直是储层地质研究中的重点和热点。传统成岩作用研究主要根据各种成岩指标划分成岩阶段，探讨各种成岩作用对储层物性的综合影响[1-4]；成岩流体也是成岩作用研究的一个重要方面，成岩流体包括重力和压实作用驱动下的大气水、沉积物压实-相变释放流体、有机成因流体和深部热液流体，有关学者在水岩相互作用方面做了大量工作[5-8]；成岩相划分在成岩作用研究中具有重要意义，有助于储层评价和预测[9-12]；成岩数值模拟是计算机技术在成岩作用研究中的应用，该技术可反演成岩史，重现储层成岩演化过程，确定成岩相的时空分布[13-16]。

随着世界油气需求不断加大，传统的常规油气产量已不能满足要求[17]，人们把目光转向低渗透致密性的非常规油气资源[18-19]，因而非常规油气储层成岩作用成为近几年研究的热点[20-23]，通过成岩作用及其它相关研究对于预测和寻找优质储层即甜点具有重要意义[24-27]。

靶区位于松辽盆地南部长岭凹陷，属于青山口组低渗透砂岩储层，由于该区整体勘探程度低，储层研究力度不够，地质认识不够深入，影响了油气高效开发。针对上述情况，文中利用铸体薄片、扫描电镜、物性资料、X 射线衍射和地球化学等资料对其成岩作用进行系统研究，以期对低渗透致密性砂岩储层的勘探开发有所帮助。

1 区域地质概况

研究区位于松辽盆地长岭凹陷。长岭凹陷位于松辽盆地中央坳陷区南部，为二级构造单元，按其构造特征，进一步划分为西部阶地、乾安次凹、黑帝庙次凹、大情字井低凸起、东部陡坡带、华字井阶地等6个二级构造单元(图1)，各构造单元走向呈近南北向带状展布。研究区地层自下而上分别为：石炭—二叠系变质岩基底、白垩系下统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、白垩系上统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、第三系依安组、大安组、泰康组和第四系。目的层为青山口组，沉积相属于河流三角洲相，气测孔渗结果表明，研究区青山口组孔隙度为4.10%～16.14%，平均 9.30%；渗透率则分布在(0.01～1.55)×10-3μm2，平均 0.98×10-3μm2，为低渗透致密砂岩储层。

图1 长岭凹陷构造

2 岩石学特征

按照Folk的砂岩分类标准，研究区青山口组储层岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，含少量长石岩屑砂岩和岩屑砂岩(图2)。分析青山口组砂岩各组分，石英质量分数为11%～41%，平均19.1%；长石质量分数较高为17%～81%，平均59.0%，以钾长石和斜长石为主，且多数样品斜长石质量分数明显高于钾长石；岩屑质量分数为19%～45%，平均20.5%，其中以岩浆岩岩屑为主，次为少量变质岩岩屑和沉积岩岩屑，岩浆岩岩屑类型以英安岩最为常见，次为安山岩，变质岩岩屑主要为千枚岩和石英岩岩屑，沉积岩岩屑主要为泥岩岩屑。填隙物质量分数为2%～19%，杂基主要为泥质，胶结物以碳酸盐矿物和自生黏土矿物为主。碎屑粒径多为0.1～0.2 mm，岩性主要为细砂岩；碎屑颗粒分选性为中等；碎屑以呈次棱角状为主，少数呈次圆状，可见棱角状颗粒，磨圆程度低；接触关系以点-线状为主,偶见凹凸接触及缝合状接触。总体上，研究区岩石成分成熟度较低，结构成熟度中等。

图2 研究区青山口组砂岩储层岩性组分三角图

3 成岩作用类型与阶段划分

3.1 成岩作用类型

研究区成岩作用主要包括压(溶)作用、胶结作用、交代作用、溶解作用和破裂作用。

3.1.1 压实(溶)作用

在上覆载荷或侧向构造应力作用下，研究区镜下可见到碎屑颗粒的定向排列，碎屑颗粒接触关系由点状接触发展到线状、凹凸状接触(图3a)；对于石英、长石等刚性颗粒，常见到破裂现象，而对于云母、泥岩岩屑等塑性物质，常发生塑性变形(图3b)；随着埋藏深度增大，温度和压力逐渐增高，成岩环境发生改变，产生压溶作用，碎屑颗粒呈凹凸状接触或缝合状接触(图3c)。

3.1.2 胶结与交代作用

(1)碳酸盐矿物胶结与交代作用。研究区发育多种自生碳酸盐矿物，包括方解石、铁方解石、铁白云石等；可见粉晶含铁白云石呈斑点状充填于孔隙中(图3d)，含铁方解石呈嵌晶式胶结，晶体较粗大，常将1个或几个碎屑颗粒包含在1个晶体中(图3e)；碳酸盐矿物的交代作用主要为碳酸盐矿物之间的交代作用，包括铁方解石交代方解石以及铁白云石交代铁方解石，还有方解石对岩屑以及石英和长石的交代作用(图3f)。

(2)硅质胶结作用。研究区硅质胶结物主要为石英，一种产状为次生加大式，自生部分呈环带状紧贴陆源碎屑石英颗粒生长，界线清晰可辨，因为自生石英与陆源碎屑石英光性方位相同，在偏光显微镜下观测，可出现同时消光的现象(图3g)；另一种产状则为孔隙充填式，石英雏晶晶粒细小,晶粒粒度泥晶至细粉晶级，自形程度较高，分布于由陆源碎屑颗粒围限的孔隙空间内(图3h)。

(3)自生长石胶结作用。如石英次生加大一样，该研究区也可见到长石呈次生加大式胶结。因长石矿物稳定性较差，在埋藏过程中，陆源碎屑长石颗粒往往遭到蚀变，变得很脏，而再生部分显得十分干净，很容易识别(图3i)。

(4)黏土矿物胶结与交代作用。研究区发育的自生黏土矿物主要有高岭石、绿泥石、伊利石和伊/蒙混层。高岭石晶体呈六方板片状,集合体为书页状和蠕虫状，主要为孔隙充填式胶结。绿泥石晶体形态呈叶片状，集合体形态为绒球状、卷心菜状，主要以薄边式或孔隙衬里式胶结，少部分为孔隙充填式胶结(图3j)。伊利石单体形态呈针状，集合体形态为丝发状、絮状、网状，主要以薄式或孔隙衬里式胶结，少部分为孔隙充填式胶结(图3k)。伊/蒙混层单体形态呈弯曲片状，集合体形态为蜂窝状，主要以薄边式或孔隙衬里式胶结。黏土矿物的交代作用主要为高岭石交代长石和黏土矿物间的交代作用。

3.1.3 溶蚀作用

溶蚀作用是研究区一种重要的成岩作用，主要包括长石碎屑、岩屑和碳酸盐胶结物的溶蚀。研究区岩矿组成特征决定了长石碎屑和岩屑含量的丰富性。长石的稳定性较差，易发生溶蚀作用，而研究区岩屑中长石含量较高，所以岩屑的溶蚀作用实质是其所含长石矿物遭到了溶蚀。长石碎屑和岩屑溶蚀形成粒内溶孔和铸模孔(图3l)，在扫描电镜下观测，长石碎屑沿解理发生溶蚀的现象更加明显(图3m)。研究区碳酸盐胶结物的溶蚀主要为方解石胶结物的溶蚀，形成胶结物内溶孔(图3n)。

3.2 成岩阶段

3.2.1 黏土矿物发育特征

为搞清整个区块黏土矿物发育情况，所选7口取样井均匀分布于研究区，共取得样品数106个(表1)。高岭石质量分数为2%～15%，伊利石质量分数为11%～61%，绿泥石质量分数为26%～77%，伊/蒙混层质量分数为2%～15%。总体上看，绿泥石和伊利石较发育，伊/蒙混层和高岭石次之。伊/蒙混层w1为14%～23%，其中TM2井w1为14%，发育超点阵有序混层黏土矿物，其余井w1大于15%，发育有序混层黏土矿物。根据石油天然气行业标准(SY/T 5477—2003)，研究区储层大部分处于中成岩A期，少部分处于中成岩B期。

表1 研究区典型井黏土矿物组成

3.2.2Ro和TAI演化特征

镜质体反射率Ro来自于研究区10口井，Ro分布范围为0.5%～1.5%(图4)，生油母质多数处于低成熟—成熟阶段，少数处于高成熟阶段，根据石油天然气行业标准(SY/T 5477—2003)，研究区多数储层处于中成岩A期，少数已经进入中成岩B期。

图4 研究区镜质体反射率

热变指数TAI数据取自于HD1井(表2)，取样深度h为2 190～2 700 m，岩性涵盖了研究区发育的细砂岩、粉砂岩和泥岩，具有代表性。 TAI 分布范围为3.55～3.74， 孢粉颜色主要以橘黄和棕色为主，还可见到棕黑色，根据行业标准，研究区储层主要处于中成岩A期，个别为中成岩B期。

表2 HD1井热变指数

3.2.3 自生石英包裹体均一温度分布特征

石英次生加大现象在该研究区十分常见，其内部包裹体均一温度代表成岩时古地温t。对样品内的50个包裹体进行均一温度测定，其主要分布在4个温度区间，110～120 ℃之间有6个，120～130 ℃之间有15个，130～140 ℃之间有27个，140～150 ℃之间有2个。分布在130～140 ℃温度区间最多，占比k为54%；分布于120～130 ℃温度区间次之，占30%；分布于110～120 ℃温度区间的位居第3位，占12%；分布于140～150 ℃温度区间的最少，占4%(图5)。对照行业标准，研究区储层多数处于中成岩A期，少数为中成岩B期。

图5 研究区自生石英包裹体均一温度分布

依照行业标准，结合镜下观察到的成岩特征、黏土矿物发育情况、镜质体反射率Ro和热变指数TAI变化，以及自生石英包裹体均一温度分布，确定研究区青山口组储层大部分处于中成岩A期，少部分已进入中成岩阶段B期，其成岩演化模式(图6)为：沉积初期，在上覆水体及地层的重荷下发生压实作用，孔隙中水分被排出，沉积物体积缩小，孔隙度由最初的40%左右降到30%左右。早成岩B期末，压实作用较前一阶段要弱，伊蒙混层、方解石和石英等矿物沉淀析出，长石呈现次生加大，孔隙度降至最低，为20%左右。中成岩A期，伴随着埋深增加，温度升高，进入生油窗，青一段烃源岩生成的烃类中含有大量有机酸，在酸性物质作用下,长石、岩屑和方解石发生溶蚀，长石溶蚀被高岭石和石英交代。溶蚀作用导致大量溶蚀孔隙形成，储层物性得到改善，孔隙度升至25%。中成岩B期，有机质进入高成熟阶段，有机酸生成量大为减少，溶蚀作用也大为减弱，胶结作用增强；混层黏土矿物转化为伊利石和绿泥石，方解石转化为铁方解石，铁方解石转化为铁白云石，胶结物充填大部分残余粒间孔隙和溶蚀孔隙，致使储层孔隙度降至10%左右，储层物性变差，形成现今低渗透致密性储层。

图6 研究区成岩演化模式

4 成岩作用对储层物性的影响

4.1 压实(溶)作用

浅埋藏的压实作用主要为物理性的机械压实作用，机械压实作用可使碎屑颗粒发生滑动、转动和位移，导致颗粒重新排列而使储层变得紧实致密，特别是对于云母、泥岩岩屑等柔性物质，发生塑性变形甚至假杂基化，使原生孔隙和喉道严重堵塞，导致储层物性严重变差，其孔隙度损失量远超过刚性颗粒同深度下机械压实作用所造成的孔隙度损失量[28]。深埋藏的压溶作用是一种物理-化学成岩作用，压溶作用对储层的破坏性要强于单纯的机械压实作用，它不仅使碎屑颗粒接触更加紧密，而且使溶解物质重新沉淀充填孔隙中，严重影响储层物性，使渗流能力降低。随着埋藏深度增加，研究区由机械压实作用过渡到化学压溶作用，碎屑颗粒接触关系由点-线接触逐渐变为凹凸接触，直至缝合接触，总的来说，储层物性逐渐变差。

4.2 胶结与交代作用

碳酸盐胶结物在研究区非常普遍，在各种碳酸盐胶结物充填孔隙中占据储集空间，导致储层物性变差。根据镜下观测所做的面孔率数据分析，碳酸盐胶结造成的孔隙度损失率达到20%～40%。由图7可以看出，随着w(M2CO3)的增加，储层孔隙度φk变小，呈负相关。黏土矿物胶结物对储层的影响一般是负面的，呈网状或搭桥式分布的伊利石导致孔喉减小，迂曲度增加，物性变差。伊/蒙混层黏土矿物易发生水敏反应，堵塞喉道，渗透率降低。研究区硅质胶结物产状主要为孔隙充填式和次生加大式，相对于充填孔隙中的自生石英雏晶来说，次生加大式胶结对储层的影响更大，不仅造成孔隙损失，而且会使喉道变窄，导致毛细管阻力变大，渗流能力变弱[29]。交代作用可为优质储层形成提供前提条件，如碳酸盐矿物交代长石、石英，使储层具备溶蚀作用发生的物质基础。

图7 碳酸盐质量分数与孔隙度关系

4.3 溶蚀作用

溶蚀作用是研究区重要的建设性成岩作用，尤其对于该研究区低渗透储层具有非常重要的意义[30]。在中成岩A期，Ro介于0.5%～1.3%，有机质处于生油窗，以生成液态烃为主，同时伴生大量有机酸，成岩流体呈酸性，研究区内长石类矿物、富含长石的岩屑以及碳酸盐胶结物在酸性介质作用下发生溶蚀，产生大量次生孔隙，提高了储层渗流能力[31-32]。长石和碳酸盐胶结物溶解反应的方程式如下：

长石在pH为5时开始溶解，此乃长石类矿物固有性质。

5 结 论

(1)研究区青山口组储层主要发育长石砂岩和岩屑长石砂岩，含少量长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，岩石成分成熟度较低，结构成熟度中等。

(2)研究区储层大部分处于中成岩A期,少部分进入中成岩B期，主要成岩作用包括压实(溶)作用、胶结和交代作用、溶蚀作用；前两种主要为破坏性成岩作用，使储层致密，物性变差，后一种为建设性成岩作用，改善储层物性。