成岩作用对泥页岩储集性能的影响：以东营凹陷古近系沙四上亚段为例*

余志云 陈世悦 张 顺 刘鑫金 唐 东 鄢继华

1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580 2 中国石化胜利油田勘探开发研究院，山东东营 257022

1 概述

近年来，全球非常规油气产量迅速增长，逐渐成为接替常规油气资源的重要替代品(邹才能等，2012；Sunetal.， 2015)。古近系沙河街组沙四上亚段作为东营凹陷重要的页岩油资源勘探新领域和主力产油层，近年来先后部署了多口重点井位，相继获得工业油流，具备良好的页岩油勘探前景(金之钧等，2019；张顺等，2021)。前人针对东营凹陷沙四上亚段泥页岩沉积及成岩作用等方面开展了大量工作。在沉积特征及沉积环境演化等方面，前人认为研究区主要形成于盐度较高的半深湖—深湖环境，深洼区物源主要来自北部的陈家庄凸起，复杂的沉积演化特征是造成研究区岩性多样、垂向变化频繁、储集层非均质性极强的主要原因(张顺等，2016b；逄淑伊等，2019；刘姝君等，2019；刘惠民等，2020)。在成岩作用特征及控储能力等方面，前人认为研究区泥页岩储集层中的成岩作用类型丰富，机械压实、硅质与碳酸盐胶结是造成泥页岩储集层低孔超低渗的主要原因，而酸性溶蚀、黏土矿物转化、方解石重结晶和有机质生烃是泥页岩储集层在深埋藏条件下产生次生孔隙的重要机制(张顺等，2016a，2018；张顺，2018；侯中帅和陈世悦，2019)。但前人的研究成果多集中在对成岩现象的整体表征上，而针对特定的某一小层具体的成岩作用特征、纵向上成岩演化的差异性及控储能力等问题的研究仍不够深入，特别是在有机质的影响下，各小层、各类型成岩作用在不同的成岩环境或演化阶段下所呈现出的在储集层的架构矿物演化、孔隙结构特征、储集层物性以及力学性质等方面存在较大的差异，体现出复杂的有机—无机协同成岩改造特征(孔令明等，2015；耳闯等，2016；赵迪斐等，2016；李向军等，2017)。因此，为了明确东营凹陷沙四上亚段泥页岩储集层成岩演化差异性特征等问题，本研究重点选取了樊页1井为研究对象，部分选取了樊120井、樊143井以及牛页1井等3口取心井的分析测试资料，通过大量的岩心观察、薄片分析、扫描电镜等定性观察手段，结合全岩与黏土X射线衍射矿物定量分析、物性分析、氧同位素及能谱分析等定量数据分析，对研究区沙四上亚段内各小层的成岩作用及其差异性特征开展精细研究，明确不同小层的主导成岩作用类型、演化特征及控储能力，以期为陆相盆地中页岩油的有利甜点区预测提供理论依据。

图 1 渤海湾盆地东营凹陷区域构造与地层综合柱状图Fig.1 Regional structure and comprehensive stratigraphic column of Dongying sag，Bohai Bay Basin

2 研究区概况

东营凹陷位于渤海湾盆地东南部，是典型的箕状断陷盆地。凹陷由民丰洼陷、利津洼陷、牛庄洼陷、博兴洼陷、北部陡坡带、南部缓坡带和中央隆起带等多个次级构造单元组成，总面积约5700 km2。受陈南断层和鲁西隆起的影响，呈现出“北断南超、北深南浅”的复式半地堑特征(图 1)。凹陷内古近系分布广泛，自下而上依次为孔店组、沙河街组和东营组，沙河街组自下而上又可分为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段。沙四段以半封闭的盐湖—半深湖沉积环境为主，进一步可分为沙四上亚段和沙四下亚段，其中，沙四下亚段以泥页、膏岩、粗砂岩及薄层碳酸盐岩为主，沙四上亚段以泥页和白云岩为主，局部可见粉砂岩夹层。

沙四上亚段沉积时期，受郯庐断裂带的影响，湖盆处于持续扩张阶段，湖盆扩张幅度大，沉降速率快(王居峰，2005；邱贻博等，2020)，并形成1套厚层半深湖—深湖相暗色富灰质、富有机质泥页岩，有机质丰度高、类型好，展现出良好的页岩油勘探潜力。前人为了进一步开展地层精细划分与对比、储集层精细预测以及投产方案制定等研究工作，在地层学原理的基础上，综合运用岩性、电性与古生物等标志，将研究区沙四上亚段泥页岩层段自下而上划分为纯上3小层、纯上2小层和纯上1小层(逄淑伊等，2019)。不同小层岩石矿物组成复杂(表 1)、纹层单元垂向变化频繁，具有极强的非均质性。

3 成岩作用类型及成岩阶段

3.1 成岩作用类型

3.1.1 压实作用

压实作用是研究区最为常见的成岩作用类型，贯穿于埋藏成岩过程中的各个时期(孔令明等，2015；刘文平等，2017)。

沙四上亚段整体遭受了较为强烈的压实作用，主要表现为强压实作用下矿物之间的紧密接触、具有显著的定向排列特征。泥晶碳酸盐团块在上覆重荷的影响下挤压变形，呈分散的透镜体或长条状定向分布(图 2-A)，扫描电镜下可见片状黏土矿物经压实后呈现出顺层发育的定向排列特征，其方向与碳酸盐矿物长轴方向近乎一致(图 2-B)。

3.1.2 胶结作用

研究区胶结物类型丰富，包括微晶石英、碳酸盐、黄铁矿和石盐晶体。微晶石英多呈半自形板片状，粒径约为2～10 μm，发育于碳酸盐矿物晶间孔、溶蚀孔以及黏土矿物晶间孔内(图 2-C)；碳酸盐胶结物的成因与湖泊中微生物生命活动、湖泊水的化学性质以及陆源输入密切相关(隋风贵等，2007；Jiang，etal.， 2007；Patrick and Kevin， 2019)，常发育于基质矿物粒间孔内，以自形程度较高的单晶形式析出(图 2-D)；黄铁矿以草莓状、自形单晶的形式析出，扫描电镜下较为常见(图 2-E)；石盐呈层状析出，主要发育于纯上3小层(图 2-F)。

3.1.3 白云石化作用

研究区沙四上亚段泥页岩储集层中主要发育2种类型的白云石，分别为微晶铁白云石和泥晶白云石。其中，微晶铁白云石有着较高的晶体自形程度，具备完整的菱面体结构，晶面平直并未发生弯曲，晶体边缘雾心亮边发育程度较差(图 2-G)，能谱分析显示其含铁量较低，通常小于10%(表 2)，常与黏土矿物伴生发育，因此，可能为中晚期埋藏成岩过程中形成(裴森奇等，2021)。泥晶白云石由于早期快速结晶而导致较低的晶体自形程度(图 2-H)，常见膏岩、石盐等碱性矿物伴生，可能为准同生期近地表高盐度、强蒸发湖泊环境下形成(李得立等，2010；黄成刚等，2016)。

3.1.4 溶蚀作用

3.1.5 重结晶作用

研究区方解石的重结晶作用广泛发育，主要以亮晶方解石纹层的形式产出，在不同的深度段呈现出不同的发育特征(平直连续纹层、断续纹层或透镜体叠置)，纵向上多与暗色富有机质层叠置。在显微镜下，可观察到粗大的马牙状方解石重结晶，富有机质层在其中遭错断而呈现断续条带状分布(图 2-K)；扫描电镜下，可观察到重结晶方解石成层分布，内部晶间孔隙发育(图 2-L)。

A—碳酸盐透镜体呈定向排列，单偏光，樊页1井，3277.43 m；B—伊/蒙混层(I/S)黏土矿物与方解石(Cc)呈定向排列，樊页1井，3258.67 m；C—碳酸盐晶间孔发育微晶石英，樊143井，3131.8 m；D—碳酸盐胶结物，发育于晶间孔内，樊页1井，3411.7 m；E—草莓状黄铁矿与自形单晶黄铁矿，牛页1井，3416.45 m；F—石盐顺层发育，樊页1井，3411.04 m；G—铁白云石，晶体直径约62.5 μm，樊页1井，3343.81 m；H—泥晶白云石(Dol)，晶间孔发育，樊页1井，3420.48 m；I—港湾状、阶梯状方解石颗粒溶蚀边界，樊页1井，3264.42 m；J—白云石粒内溶孔，樊页1井，3380.82 m；K—马牙状方解石，内部有机质纹层错断，阴极发光，牛页1井，3442.0 m；L—重结晶方解石层，内部微孔发育，樊页1井，3376.9 m；M—针状伊利石，樊143井，3110 m；N—丝片状伊利石，樊143井， 3115.43 m；O—有机质生烃收缩，樊页1井，3335.68 m图 2 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段主要成岩作用类型及镜下特征Fig.2 Main diagenesis types and microscopic characteristics of the Es4U in Dongying sag，Bohai Bay Basin

表 2 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段 碳酸盐胶结物元素组成特征Table2 Element composition characteristics of carbonate cements in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag，Bohai Bay Basin

3.1.6 黏土矿物转化

在相对封闭的泥页岩成岩体系中，黏土矿物转化是重要的成矿物质来源(张鹏辉等，2020)。研究区伊利石主要以针尖状、丝片状为主(图 2-M，2-N)，其转化来源主要为蒙脱石以及少量的高岭石。蒙脱石在转化过程中伴随着层间脱水、伊利石的生成以及Ca2+、Mg2+、Fe2+等成矿离子的析出，孔隙流体呈现出富碱性阳离子的高矿化度特征。随着铁白云石的析出，Ca2+、Mg2+、Fe2+由流体向矿物内部迁移。同时，随着有机酸的排出，钾长石溶蚀产生高岭石沉淀、二氧化硅和K+，二氧化硅以微晶石英的形式析出，K+则向孔隙流体内富集。一方面K+的富集促进了蒙脱石向伊利石的转化进程，另一方面，富含K+的碱性环境下有利于高岭石向伊利石转变(栾国强等，2016)。研究区黏土矿物转化程度较高，表现出富伊利石、低绿泥石和高岭石的组成特征(图 3)，同时，XRD全岩矿物定量分析显示研究区几乎不发育钾长石的组分特征，从侧面反映了上述各类成岩转化的进行(表 1)。

3.1.7 有机质热演化

咸水湖盆具有生排烃早、生烃周期长、持续生烃能力强的特点(刘庆等，2004；蔡希源，2012)。有机质作为泥页岩自身组分的一部分，其在热演化过程中会产生大量烃类产物，从而自身在形态上发生体积收缩，密度增大的变化，形成有机质孔(图 2-O)。有机质孔的演化取决于有机质类型及热演化程度，研究区沙四上亚段干酪根类型大多属于Ⅰ型到Ⅱ1型，RO值介于0.51%～0.93%，Tmax介于430～459 ℃之间，平均为439 ℃。较好的有机质类型是有机质孔发育的必要条件，但较低的热演化程度在一定程度上制约了有机质孔的演化。

有机质在生烃过程中排出的有机酸和CO2会间接影响其他成岩作用的进行，例如有机酸溶蚀碳酸盐矿物是研究区最主要的溶蚀作用类型。同时，有机质在热演化过程中还可为黏土矿物的转化提供能量(魏祥峰等，2013)。此外，亮晶方解石与富有机质层在空间上的叠置也说明了二者存在着成因上的关联(图 2-K，2-L)。

表 3 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段成岩阶段划分标志Table3 Diagenetic stage division marks of the Es4U in Dongying sag，Bohai Bay Basin

3.2 成岩阶段划分

图 3 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段 黏土矿物成分及含量特征Fig.3 Composition and vertical distribution of clay minerals in the Es4U in Dongying sag，Bohai Bay Basin

4 成岩演化差异性特征

由上述研究区成岩作用特征可知，沙四上亚段内各小层普遍经历了较强的压实作用，总体表现为矿物间的紧密接触以及定向排列特征，无明显的差异性； 受限于微—纳米尺度下的观测手段，胶结物类型、胶结强度难以被精确识别和表征； 各小层的不稳定矿物组分也普遍遭受溶蚀而表现出不规则的溶蚀边界和圆点状粒内溶孔，无明显的差异性。因此，重点选取差异性演化特征显著的方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用开展差异性演化研究与表征工作。

4.1 方解石重结晶差异性演化特征

A—亮晶方解石纹层及透镜体，分布密度较低，延伸性较差，樊页1井，3253.6 m；B—亮晶方解石纹层平直连续，界线清晰，分布密度较高，樊页1井，3339.34 m；C—亮晶方解石透镜体，晶体明净，分布密度较高，樊页1井，3429.53 m；D—裂缝充填亮晶方解石脉，脉体垂直切穿纹层，樊页1井，3344.41 m；E—裂缝充填亮晶方解石脉，可见沥青伴生，樊页1井，3380 m；F—裂缝充填亮晶方解石脉， 脉体斜切纹层，晶体明净，樊页1井，3426.57 m图 4 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段亮晶方解石纵向分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of calcite in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag，Bohai Bay Basin

A—伊利石顺层分布，矿物接触紧密，内部微孔较少，樊页1井，3265.51 m；B—伊利石顺层分布，黏土矿物晶间孔发育，樊页1井，3351.98 m；C—伊利石顺层分布，黏土矿物晶间孔较为发育，可见黄铁矿伴生充填，樊页1井，3399.91 m；D—伊蒙混层充填于矿物格 架内，樊页1井，3439.84 m图 5 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段黏土矿物晶间孔纵向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of intergranular pores of clay minerals in the Es4U of Well Fanye-1 in Dongying sag，Bohai Bay Basin

研究区沙四上亚段重结晶成因的亮晶方解石十分发育，纵向上具有较大的层段差异性，主要体现在各小层的发育程度和产状上(图 4)。通过岩心观察发现，亮晶方解石纹层在垂向上主要发育于2个深度段内，分别为3380～3420 m和3320～3340 m，对应纯上3小层上部、纯上2小层中下部和纯上1、2小层交界处。富集层段内的亮晶方解石纹层界线清晰、平直连续、横向延伸稳定，晶粒粗大明净，具备明显重结晶的性质(图 4-B，4-C)。而在其他层段中，亮晶方解石纹层的发育程度较低，以单一的亮晶方解石纹层，或断续亮晶方解石纹层为主，厚度较小，横向延伸性差(图 4-A)。裂缝充填亮晶方解石脉多为垂向充填，在层理缝发育的层段可见脉体横向弯折(图 4-E)，并被暗色烃类物质伴生充填，主要发育于纯上2、3小层(图 4-D至4-F)。这种裂缝原先可为构造缝、成岩收缩缝或异常压力缝，其充填物质来源于底部碳酸盐矿物溶解形成的高矿化度流体，一定程度上可指示超压的发育(龙鹏宇等，2012；陈世悦等，2016)。

4.2 黏土矿物差异性演化特征

图 6 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段白云石含量纵向分布特征Fig.6 Vertical distribution characteristics of dolomite content of the Es4U in Well Fanye-1 in Dongying sag，Bohai Bay Basin

4.3 白云石差异性演化特征

研究区沙四上亚段各小层中，白云石的分布也具有明显的差异性，主要体现在以下方面： (1)矿物丰度上，纯上3小层白云石含量较高； 纯上1、2小层白云石含量随着埋深的增大而略微增多，局部层位偶有较高程度的白云石化，但整体含量偏低(图 6)；(2)发育类型上，纯上3小层主要为泥晶白云石(图 2-H)，常见硬石膏、石盐等碱性伴生矿物，为准同生期白云石化的产物，纯上1、2小层多为微晶铁白云石，晶粒粗大，自形程度好，具微弱雾心亮边(图 2-G)，具备埋藏成岩成因特征。纵向上，3400 m之下，对应纯上3小层，白云石以高丰度的早期泥晶白云石为主，3400 m之上，对应纯上1、2小层，白云石以低丰度的中晚期微晶铁白云石为主。

5 成岩演化差异性对储集层的影响

有利储集层的成因机制及分布规律对陆相页岩油勘探十分重要(Liuetal.， 2019)。在明确不同小层的成岩主导类型、反应强度及成岩矿物组成等方面的差异性的基础上，对比东营凹陷沙四上亚段各小层的成岩作用差异性特征，分析其对富有机质泥页岩储集层质量的影响。

5.1 方解石重结晶差异性演化对储集层物性的影响

通过对亮晶方解石相对发育的岩心样品进行有机碳含量与孔隙度分析，发现在有机质的参与下，方解石的重结晶作用对储集层物性的改造能力在垂向上有着明显的差异性(图 7)。纯上1、2小层，TOC与孔隙度呈现良好的线性正相关(图 7-A)，扫描电镜下发现亮晶方解石层内发育大量次生溶孔(图 7-B)，表明在该层段，生烃溶蚀背景下的方解石重结晶作用对储集层物性具有良好的改善能力，尤其是纯上2小层中，经由此作用，孔隙度可以达到8%～13%(1小层为8%～10%)；纯上3小层，TOC与孔隙度呈现出微弱的线性负相关，但经由此作用，孔隙度仍可以达到6%～9%(图 7-C)，扫描电镜下发现亮晶方解石层相对致密，结晶程度高(图 7-D)。由于泥页岩中的孔隙流体性质基本保留了原始沉积水的性质，尽管方解石的重结晶作用对于孔隙仍有较强的改善能力，但白云石、方解石、石膏等自生矿物的持续沉淀会进一步降低方解石重结晶晶间孔对泥页岩储集层的增孔贡献。

A—纯上1、2小层亮晶方解石样品TOC与孔隙度相关关系图； B—亮晶方解石层，层内次生溶孔发育，樊页1井，3376.9 m； C—纯上3小层亮晶方解石样品TOC与孔隙度相关关系图； D—亮晶方解石层，层内相对致密，樊页1井，3420.64 m图 7 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段亮晶方解石岩心样品TOC与孔隙度相关性及镜下特征Fig.7 Correlation between TOC and porosity of sparry calcite core samples and their microscopic characteristics of the Es4U in Well Fanye-1 of Dongying sag，Bohai Bay Basin

5.2 黏土矿物差异性演化对储集层物性的影响

A—纯上1小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系； B—片状黏土矿物晶间孔发育程度较低，岩石接触紧密，樊页1井，3298.16 m；C—纯上2小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系； D—黏土矿物顺层发育，晶间孔发育程度高，樊页1井，3353.02 m；E—纯上3小层有利深度段黏土矿物含量与孔隙度相关关系； F—黏土矿物充填于基质矿物粒间孔内，孔隙发育程度较低， 樊页1井，3439.34 m图 8 渤海湾盆地东营凹陷樊页1井沙四上亚段黏土矿物含量与孔隙度相关性(有利深度段)及镜下特征Fig.8 Correlation between clay mineral content and porosity(favorable depth section)and microscopic characteristics of samples from the Es4U in Well Fanye-1 of Dongying sag，Bohai Bay Basin

研究区沙四上亚段泥页岩储集层中，黏土矿物对各小层储集层质量的改善能力也存在差异。通过对比各小层孔隙度与黏土矿物含量发现，纯上1小层中黏土矿物含量与孔隙度的相关性较差(图 8-A)，结合扫描电镜观察，发现黏土矿物多为顺层发育，受压实作用影响彼此呈紧密接触，对储集层物性的改善较差(图 8-B)；纯上2小层中黏土矿物含量与孔隙度呈现出良好的正相关，受其影响下的最大孔隙度可达12%(图 8-C)，结合扫描电镜观察发现，虽然此时黏土矿物仍以顺层发育为主，但黏土矿物在转化过程中释放了大量的晶间孔(图 8-D)，对于储集层质量的改善和孔隙连通性的提高有重要意义； 纯上3小层中黏土矿物含量与孔隙度也呈现出较差的相关性，当黏土矿物含量相对较低时，可发育较高的孔隙度，反之则孔隙度相对降低(图 8-E)，结合扫描电镜观察发现，此时黏土矿物主要以赋存于刚性矿物格架内的针尖状、絮状伊利石为主(图 8-F)，黏土矿物的转化已近乎处于停滞状态，该阶段下由黏土矿物脱水转化而来的次生孔隙相对有限，对储集层的贡献大大降低。

5.3 白云石差异性演化对储集层的影响

研究区沙四上亚段存在2种类型的白云石，二者对储集层的贡献各有不同。相较而言，微晶铁白云石丰度低，主要赋存于片状的黏土矿物晶间孔内，以“镶嵌物”或“充填物”的形式与黏土矿物组合。“铁白云石+黏土矿物”的矿物组合形式极大提高了黏土矿物整体的机械强度，避免其在转化过程中进一步被挤压成均质的无孔形态，对于中深层强压实作用下的泥页岩孔隙的保存有着积极意义。

准同生期形成的泥晶白云石丰度较高、晶间孔发育、具备较强的抗压实能力，有利于早期晶间孔隙的保存。同时，准同生期形成的泥晶白云石常与石膏、文石、高镁方解石等易溶矿物伴生，这些易溶组分极易产生溶蚀(如早期表生环境下的大气淡水淋滤、埋藏成岩过程中的酸性溶蚀)(董庆民等，2021)，形成早期的溶蚀孔或铸膜孔，相较而言，不易溶的白云石可形成良好的孔隙格架，进而保存孔隙(赵文智等，2018)；同时，白云石含量较高的泥页岩储集层通常具有良好的脆性特征，对于脆性裂缝的发育具有重要意义(赵迪斐等，2021)。

对比研究区沙四上亚段各小层差异性成岩演化特征认为，广泛发育的方解石重结晶晶间孔、有机质生烃产生的超压裂缝、黏土矿物转化形成的晶间孔大大提高了纯上2小层的储集层质量，同时，适中的铁白云石含量提高了岩石整体的脆性，相对较高的有机质丰度是形成优质烃源岩的物质基础，有利的热演化程度促进了页岩油的可动性，上述原因均可促使纯上2小层成为东营凹陷沙四上亚段页岩油潜在富集的有利层系。

6 结论

1)渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段成岩作用类型丰富，有机—无机协同成岩改造特征显著，共发育压实、胶结等7类成岩作用类型，主体处于中成岩A阶段。

2)研究区方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用在各小层的主导类型、反应强度及成矿类型等方面存在差异。其中，方解石重结晶与黏土矿物转化存在层段耦合性，二者均集中发育于纯上2小层； 白云石具有更为明显的垂向差异性，纯上3小层以高丰度的泥晶白云石为主，纯上1、2小层以低丰度的微晶铁白云石为主。

3)研究区方解石重结晶、黏土矿物转化和白云石化作用在各小层对储集层的贡献存在差异。其中，在碱性流体影响下，纯上3小层中的重结晶方解石层较致密，微孔发育较差，而在生烃溶蚀背景下，纯上1、2小层中的重结晶方解石成层性较好，内部晶间溶蚀孔发育，对储集层的改善能力强； 受物源输入和生烃增压的影响，黏土矿物转化形成的晶间孔在纯上2小层较发育，而纯上1、3小层的黏土矿物晶间孔发育较差，对储集层质量的改善能力较弱； 纯上3小层广泛发育的白云石晶间孔有利于岩石整体储集性能的提升，而纯上1、2小层发育的微晶铁白云石丰度低、类型好，可作为骨架矿物发育于层状黏土矿物晶间孔内，具有良好的孔隙保存能力。