济阳坳陷义和庄—大王庄地区二叠系储集层成岩作用及孔隙演化

王晔磊，邱隆伟，杨勇强，吴宛秋，杨保良，乔雨鹏

（中国石油大学（华东）a.地球科学与技术学院；b.深层油气重点实验室，山东青岛 266580）

近年来，随着油气需求增加和油气勘探工作深入，上古生界砂岩储集层成为众多学者关注的热点。中国已在多个盆地陆续发现上古生界砂岩油气藏，其中，以鄂尔多斯盆地上古生界致密气藏为典型代表[1-2]。在渤海湾盆地济阳坳陷内部上古生界砂岩储集层中，先后在孤北地区、高青地区和义和庄—大王庄地区发现油气资源[3-6]。

前人针对济阳坳陷二叠系碎屑岩储集层与成藏的研究多集中于烃源岩及其演化、储集层岩石学特征、成岩作用定性描述等[7-11]，但针对义和庄—大王庄地区储集层成岩作用定量研究较少。本文在前人研究基础上，利用岩心观察和铸体薄片鉴定，结合X射线衍射、扫描电镜、能谱、岩石学特征等，对济阳坳陷义和庄—大王庄二叠系砂岩储集层成岩作用进行定量分析，并探讨研究区储集层成岩作用与孔隙成因，以期为砂岩储集层勘探开发提供科学依据。

1 区域地质概况

义和庄凸起位于渤海湾盆地济阳坳陷西北部，是沾化凹陷和车镇凹陷之间的大型正向构造单元，包括主体和斜坡2 部分[12]，西北部为相对宽缓的斜坡[13-14]。大王庄地区位于车镇凹陷东南部、义和庄凸起的北部[15]。本文研究区涉及义和庄凸起主体和车镇凹陷大王庄地区，总面积约100 km2，是济阳坳陷内部富油气区（图1）。

图1 济阳坳陷构造分区Fig.1.Tectonic zones of Jiyang depression

钻井揭示，研究区二叠系自下而上主要发育山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。前人研究表明：研究区经历了印支运动期挤压逆断、燕山运动期拉张断陷、燕山运动—喜马拉雅运动早期挤压转拉张的复杂构造演化[16]。印支运动期，扬子板块向北俯冲，与华北板块相碰撞，受北北西—南南东向左旋剪切应力作用，形成了义和庄—大王庄地区中—古生代构造格局[17]。在印支运动挤压作用下，义和庄—大王庄地区抬升剥蚀，导致二叠系石千峰组和上石盒子组上部大面积缺失。燕山运动期，扬子板块与华北板块的碰撞结束，在印支运动期形成的挤压逆冲断层发生负反转而成为正断层。喜马拉雅运动期，研究区在区域张扭应力的作用下，最终形成义和庄—大王庄地区现今构造格局[18-19]。

义和庄—大王庄地区二叠系上石盒子组发育一套曲流河沉积体系[20]，其中，上石盒子组中部奎山段曲流河边滩微相和河道底部滞留微相发育大套储集砂体，砂岩厚度累计可达50 m，是研究区主要的油气勘探目的层。该储集层埋深多大于2 500 m，整体物性较差。

2 储集层基本特征

研究区上石盒子组自下向上分为万山段、奎山段和孝妇河段，其中，储集层主要发育在奎山段砂岩中，该段砂岩占储集层厚度的76%，其次为孝妇河段和万山段。储集层岩性以含砾砂岩和粗砂岩为主，厚度占储集层总厚度的82%；其次为中砂岩和细砂岩，约占总厚度的11%；粉砂岩和泥质粉砂岩所占比例较小。砂岩主要为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩（图2a），通过铸体薄片观察统计，石英、长石和岩屑的镜下含量分别为78%、10%和12%；变质石英岩屑在岩屑中占主导地位。砂体总体上具有粒度粗、石英含量高、长石含量低和纯净的特点。储集层孔隙类型主要为凝灰质杂基溶孔及裂缝；除此之外，也有长石溶孔、微孔隙、石英溶孔等，但总体数量较少。储集层质量直接受凝灰质杂基的溶蚀和裂缝发育程度影响（图2b）。研究区钻遇二叠系砂岩取心井共计8 口，统计252 块岩心样品孔渗数据，储集层孔隙度为1.4%～21.3%（图2c），渗透率为0.01～35.00 mD（图2d）；平均孔隙度约13.2%，平均渗透率约20.69 mD；总体属于低孔低渗砂岩储集层。

图2 研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层特征Fig.2.Features of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3 储集层成岩作用

强烈的成岩作用对于砂岩储集层影响较大，使得岩石孔隙类型、矿物含量与分布变得更加复杂，其对储集层孔隙的形成、破坏、改造等起到非常关键的作用。在成岩过程中，压实作用、胶结作用和溶蚀作用是影响储集层形成的关键因素，共同控制着储集层孔隙的发育。本文挑选了现象明显且具有代表性的16块样品对研究区成岩作用进行分析。

3.1 压实作用

研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层现今埋深为2 500～3 000 m，压实作用较强；通过显微镜下统计总石英含量（颗粒+变质石英岩屑）可达89%，平均总石英含量约88%，高刚性颗粒可增强储集层抗压实能力，但储集层埋深大，机械压实作用强烈；其主要表现为塑性颗粒压实变形以及塑性颗粒挤压变形发生假杂基化（图3a），石英等刚性颗粒呈现线—凹凸接触（图3b）[21]。通过对研究区上石盒子组砂岩储集层的16 块样品进行粒度统计，计算样品分选系数、原始孔隙度和与视压实率。研究区目的层储集层平均视压实率达59.65%，平均压实减孔28.65%，根据强压实（视压实率大于70%）、中等压实（视压实率30%～70%）和弱压实（视压实率小于30%）划分标准，主要为中等压实强度（表1）。

表1 研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层压实情况统计Table 1.Compaction statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.2 胶结作用

通过铸体薄片、阴极发光薄片和扫描电镜观察，结合黏土矿物X 射线衍射分析，明确义和庄—大王庄地区二叠系上石盒子组砂岩储集层主要胶结作用类型包括方解石胶结、铁方解石胶结、黏土矿物胶结、黄铁矿胶结、自生石英次生加大等；各类胶结物含量差异较大。

碳酸盐胶结物在研究区内具有总体含量较高，局部非常富集的特征。碳酸盐胶结物富集段多为奎山段粗粒石英砂岩，推测其与砂体原始孔隙度较高、富Ca2+流体易沉淀有关[22]。研究区碳酸盐胶结物类型主要包括颗粒状白云石（图3c）和颗粒状含铁白云石2类（图3d）。

研究区储集层内黄铁矿胶结同样很富集，推测可能与成岩环境为还原环境有关或受热液活动影响。薄片观察上石盒子组连片状黄铁矿，呈基底式或孔隙式充填，且可见颗粒多呈漂浮状（图3e）。

研究区储集层内黏土矿物胶结物包括高岭石、绿泥石、伊利石和伊蒙混层。通过铸体薄片、阴极发光和扫描电镜观察，自生高岭石多充填于粒间溶蚀和长石溶蚀孔隙中，推测其形成可能与长石溶蚀有关；高岭石胶结非常普遍（图3f），扫描电镜下多呈板状或书页状集合体（图3g），晶形较好，阴极发光图像呈深蓝色。绿泥石胶结物分布也比较广泛，但晶型较差，多表现为孔隙充填，扫描电镜下可见少量鳞片状绿泥石环绕石英颗粒生长（图3h）；伊利石和伊蒙混层在研究区分布较高岭石与绿泥石少，X 射线衍射测试数据显示伊蒙混层含量为0～40%，反映研究区较强的成岩作用。研究区二叠系上石盒子组自生石英含量整体较低，主要以石英次生加大边的形式产出，最大厚度可达50 μm（图3i），但总体发育较差。

通过对研究区样品视胶结率的计算，将样品受到胶结作用强度按照强胶结（视胶结率大于20%）、中等胶结（视胶结率10%～20%）和弱胶结（视胶结率小于10%）划分（表2）。结果表明，大671 井区和大677 井区主要为中等胶结，其主要胶结物类型为高岭石和黄铁矿；大古81 井区为强胶结，其主要胶结物类型为含铁白云石。

表2 研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层胶结情况统计Table 2.Cementation statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.3 溶蚀作用

义和庄—大王庄地区二叠系上石盒子组碎屑岩储集层溶蚀作用极为发育，溶蚀矿物多样，以凝灰质杂基溶蚀（图3j）、长石溶蚀（图3k）等酸性溶蚀为主，也可见少量的石英及其加大边的碱性溶蚀（图3g）。通过对重点井溶蚀率和溶蚀增加孔隙度的分析，研究区二叠系储集层平均视溶蚀率为28.44%，平均溶蚀增加孔隙度9.80%，按照强溶蚀（视溶蚀率大于65%）、中等溶蚀（视溶蚀率20%～65%）和弱溶蚀（视溶蚀率小于20%）进行划分，主要为中等溶蚀（表3）。

表3 研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层溶蚀情况统计Table 3.Dissolution statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

图3 研究区二叠系上石盒子组主要成岩特征Fig.3.Primary diagenetic features of the Permian Shangshihezi formation in the study area

3.4 储集层孔隙成因分析

通过计算研究区内重点井样品原始孔隙度、压实后孔隙度、压实率、压实损失孔隙度、胶结物总量、胶结后孔隙度、胶结率、溶蚀增加孔隙度、溶蚀后孔隙度和溶蚀率，分析压实作用和胶结作用对储集层物性的影响，结果表明，压实作用是研究区储集层孔隙破坏的主要因素，其压实减孔量占45%～90%。胶结作用减孔所占比例较少，一般小于25%，胶结作用是研究区储集层孔隙破坏的次要因素，但个别井（如大古81井）储集层受胶结作用影响较大，属于局部现象（图4）。

图4 研究区压实作用和胶结作用评价Fig.4.Evaluation of compaction and cementation in the study area

4 储集层孔隙演化差异性与控制因素

4.1 储集层演化差异性

通过对研究区压实作用减孔、胶结作用减孔和溶蚀作用增孔的综合影响研究（表4），建立研究区储集层孔隙综合演化图（图5）。分析认为，研究区储集层孔隙演化总体上可分为“先破坏，再溶蚀”和“破坏后，未溶蚀”2 种类型。结合铸体薄片与储集层孔隙演化，以大671 井和大677 井样品为代表，表现为“先破坏，再溶蚀”，其以原始凝灰质杂基含量高，快速压实减孔明显，后期凝灰质杂基蚀变后溶蚀，增孔较明显为特征，形成义和庄—大王庄地区二叠系砂岩储集层甜点段。以大古81 井为代表，表现为“破坏后，未溶蚀”，其原始凝灰质杂基含量低，刚性颗粒抗压实能力强，压实后孔隙度较高，但大规模铁白云石胶结使孔隙度骤降，后发生溶蚀作用较弱，现今孔隙度低。

图5 研究区储集层孔隙综合演化图Fig.5.Evolution of pores in the Permian Shangshihezi formation in the study area

表4 研究区二叠系上石盒子组砂岩储集层成岩作用统计Table 4.Diagenesis statistics of the sandstone reservoir in the Permian Shangshihezi formation in the study area

4.2 储集层演化差异性控制因素

“先破坏，再溶蚀”和“破坏后，未溶蚀”2 种类型储集层中孔隙发育类型的差异主要体现在凝灰质杂基溶蚀和裂缝发育程度。通过文献调研，统计华北地台二叠纪火山事件，其主要发育凝灰熔岩类、火山角砾岩类、凝灰岩类、沉凝灰岩类和凝灰质沉积岩类[23]；其中，徐兴等[24]研究山东地区二叠纪火山事件沉积特征，指出山东地区的火山事件沉积是以降落型和水携型为主。这也是研究区砂岩中凝灰质杂基较为发育的原因，其为研究区储集层溶蚀作用提供母质。

大王庄鼻状构造断裂系统具有继承性多期活动的特点，在古近纪活动最为强烈，在沙四段—沙二段沉积期，活动速率达到峰值，新近纪以后断层活动逐渐减弱，但始终维持在较高水平[25-27]，因此研究区断裂系统发育，构造破碎，断块发育。构造裂隙发育为酸性流体运移提供了有效通道，因此也促进了溶蚀作用的进行。在“先破坏，再溶蚀”储集层中可以观察到薄片中微裂缝周围凝灰质溶蚀极其发育，溶蚀孔隙面孔率与裂缝面孔率正相关，表明孔隙度增大以及孔隙连通性的改善非常明显。这类储集层样品在单位视域（放大25倍视域）内裂缝条数多大于2条，凝灰质杂基溶蚀明显。相反，“破坏后，未溶蚀”储集层由于缺少裂缝的沟通，其仅见少量凝灰质杂基和长石轻微的溶蚀，对储集层物性改善程度较低。

5 结论

（1）济阳坳陷义和庄—大王庄地区二叠系上石盒子组储集层以河流相粗砂岩和含砾粗砂岩为主；主要为石英含量较高的岩屑石英砂岩，总体属于低孔低渗砂岩储集层。

（2）研究区二叠系上石盒子组储集层砂岩经历了多种类型的成岩作用，包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用。压实作用为研究区储集层孔隙破坏的主要因素，胶结作用为次要因素。

（3）研究区储集层孔隙演化总体上可分为“先破坏，再溶蚀”和“破坏后，未溶蚀”2 种类型，前者以原始凝灰质杂基含量高，快速压实减孔明显，裂缝发育，后期凝灰质杂基蚀变后溶蚀，增孔较明显为特征，形成济阳坳陷义和庄—大王庄地区二叠系砂岩储集层甜点段。后者原始凝灰质杂基含量低，刚性颗粒抗压实能力强，压实后孔隙度较高，但大规模铁白云石胶结使孔隙度骤降，裂缝发育程度弱，后期发生溶蚀作用也较弱，现今孔隙度低。