松辽盆地德惠凹陷下白垩统储层成岩作用研究

孟培伟，李志臻，张 雨，李瑞雪

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 塘沽 300452)

松辽盆地是目前世界上已发现特大油田、油气资源最为丰富的非海相沉积盆地，面积为26.0×104km2，德惠凹陷位于松辽盆地东南隆起区中部，是晚古生代浅变质岩的基底上发展起来的中生代沉积盆地。作为吉林油田新的勘探区，德惠凹陷目前已发现了农安油气藏、布海油气藏和小合隆气藏三个油气藏，但是，德惠地区地层划分较混乱。本文根据薄片鉴定、扫描电镜、X衍射以及包裹体等资料，研究目的层的成岩作用类型，并分析各种成岩作用类型对储集性能的影响；判别各种成岩作用类型在地质历史上出现的顺序；最终确定最有利的成岩作用类型及其对改善储层的贡献。

1 区域地质概况

1.1 研究区地理位置

德惠凹陷位于吉林省中北部，隶属松辽盆地东南隆起区内次一级构造单元，位于东南隆起区中部，北部与王府断陷接壤，西南部隔怀德凸起与梨树断陷相邻，面积约4 100 km2(见图1)。

1.2 研究区地质背景

1.2.1 地层特征

德惠凹陷深层发育的地层自下而上为火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组，其中沙河子组分布面积最广，厚度最大。该研究区发育的地层从老到新简述如下：

1)火石岭组 火石岭组是在长期上升剥蚀的基础上、伸展裂陷初期产物，以各种火山岩极为发育为特征。据前人资料，火石岭组一般为200～1 500 m厚。火石岭组以火山碎屑岩和火山喷出岩为主，具有碎屑堆积快、粒度粗的特点，火山岩可见如凝灰质角砾岩、玄武岩、安山岩，部分部位含煤建造，未见化石[1]。

2)沙河子组 据前人资料，沙河子组一般厚600～1 400 m，最厚可达2 500 m。沙河子组自下而上是一个“粗-细-粗”完整沉积旋回，但局部可能是正旋回或反旋回。沙河子组厚度在研究区目的地层中为最大，以碎屑岩沉积为主，火山岩含量明显减少。与火石岭组对比显著。沙河子组是碎屑岩为主的地层，是全区最重要的烃源岩发育地层[2]。

3)营城组 据前人资料，营城组地层厚200～800 m，最厚可达2 000 m，德惠凹陷西部和西北部沉积厚度大。营城组滨浅湖沉积发育，其中深湖-半深湖亚相沉积范围相对减小，开始出现辫状河三角洲沉积，岩性以砂岩为主，故也为研究区的烃源岩发育层。

4)登娄库组 登娄库组沉积时期是一个稳定的断坳过渡阶段，总体厚度变化不大，为100～300 m，具凹陷地层特征，广泛发育辫状河三角洲沉积和滨浅湖沉积，从德惠西北部到王府断陷，主要发育砂砾岩和紫红色泥岩互层的辫状河沉积[3]。

1.2.2 构造及演化特征

德惠凹陷构造断裂复杂，深层凹陷是东南隆起区内面积最大的凹陷，其主要受控于张性断裂构造。德惠凹陷生成演化过程中经历了早期断陷和晚期凹陷两大阶段(见图2)。德惠凹陷演化历史中，火石岭期热拱运动奠定了该区伸展断陷形成的基础，促成沙河子组-营城组断陷形成，使得水域体系扩大，沉积物源丰富，为烃源岩的沉积创造了条件。营城组沉积末期的剥蚀作用，使区内营城组及其之前沉积层遭受强烈改造，形成全区角度不整合，并对上覆地层的沉积有较大影响[4]。

1.2.3 沉积特征

德惠凹陷下白垩统地层主要发育以下几种沉积相类型：辫状河三角洲、近岸水下扇、扇三角洲、湖相沉积。其中，火石岭组发育近岸水下扇、扇三角洲、湖相；沙河子组发育近岸水下扇、扇三角洲和湖相；营城组发育近岸水下扇、辫状河三角洲、扇三角洲和湖相；登娄库组发育辫状河三角洲、扇三角洲和湖相(见表1)。

表1 德惠凹陷沉积相类型及分布表

1.2.4 岩石学特征

研究区德惠凹陷储层的碎屑颗粒组分包括石英、长石、岩屑，这是该区主要的碎屑组分。其中，火石岭组样品较少，不具普遍意义；沙河子组以长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩为主，含少量的岩屑砂岩，石英平均含量20.79%，长石平均含量26.11%，火山岩岩屑平均含量42.58%；营城组以长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩为主，含少量长石砂岩和岩屑砂岩，石英平均含量28.23%，长石平均含量36.34%，火山岩岩屑平均含量27.57%；登娄库组以长石砂岩和岩屑质长石砂岩为主，含少量的长石质岩屑砂岩，石英平均含量32.33%，长石平均含量41.72%，岩屑平均含量23.16%。从各层位碎屑组分含量特征来看，沙河子组到登娄库组，稳定组分石英含量逐渐增高，不稳定组分岩屑含量逐渐降低。

2 成岩作用

沉积物沉积以后至固结成岩前，由于温度、压力等条件变化发育一系列成岩作用，使储层储集空间受到改造[3]，因此成岩作用的研究对了解储层特征有重要意义。通过普通薄片、铸体薄片的镜下观察及扫描电镜、阴极发光、X衍射等资料的研究，确定了德惠凹陷目的层储层内对碎屑岩储层有重要影响的成岩作用主要有三种，分别是压实、胶结和溶蚀作用[5]。

2.1 压实、压溶作用

压实作用表现为沉积物的孔隙空间及总体积减少而变致密，常由上覆沉积物和水体静压力以及构造应力造成，压溶作用使砂岩颗粒接触部位发生溶解及嵌合接触[6](见图3)。

研究区压实作用占主体，少见压溶作用。通过对研究区大量样品点的岩石组分进行统计分析，研究区深部砂岩储层普遍受到强压实作用，颗粒之间多呈线接触-凹凸接触关系(见图3a)。大量镜下薄片观察发现，储层半塑性-塑性碎屑成分受压变形现象较常见，镜下可观察到凝灰岩岩屑、片岩等变质岩岩屑、泥岩岩屑等(见图3b、图3c)，部分甚至挤入孔隙中形成假杂基[7]。刚性颗粒，如长石在强压实作用下发生颗粒破碎以及双晶纹错位现象(见图3d)。

2.2 胶结作用

德惠凹陷胶结作用也较发育。胶结作用是储层中分散的碎屑颗粒在孔隙流体里矿物质的作用下固结起来，也导致储层孔渗物性降低，致使储层性质变差[8]。胶结作用主要类型有碳酸盐胶结作用、硅质胶结作用以及黏土矿物胶结作用等[9]。

1)碳酸盐胶结作用 德惠凹陷薄片资料中可广泛观察到碳酸盐胶结现象，可分为早期和晚期碳酸盐胶结形式。研究区碳酸盐矿物胶结作用常见，可观察到的类型主要为方解石胶结，胶结程度较浅，常常胶结并交代颗粒(见图4)。薄片下方解石胶结物零星出现，少见连片的嵌晶胶结，各层位碳酸盐胶结物平均含量在1%～6.8%，个别层段最高可达15%。

2)硅质胶结作用 碎屑颗粒石英次生加大是研究区碎屑岩硅质胶结作用的主要表现形式[8]。地下流体中的硅质来源于地下水、生物骨骼的溶解、石英颗粒的溶蚀以及长石颗粒的溶蚀等[9]，可通过显微镜下原碎屑颗粒与加大部分之间的黏土薄膜来识别加大边(见图5a)。扫描电镜下常可以观察到具有完整晶面的石英加大边(见图5b)，有时也可观察到生长纹和表面孔洞出现在晶面上。研究区石英次生加大充填颗粒间孔隙，其生长方向是向孔隙方向(见图5c、图5 d)，通过粒间孔演变，可产生晶间孔，次生加大强烈时有标准的几何形态。镜下也可观察到结晶程度好的自形石英颗粒，在电镜下呈六方柱状，是流体中的硅质物质，与孔隙壁贴合形成。通过薄片观察镜下石英各层位硅质胶结物平均含量在0.5%～1%，个别层位最高可达4%[10]。

3)黏土胶结作用 研究区砂岩中黏土矿物非常发育，储层中广泛分布伊利石、伊蒙混层、少量高岭石以及绿泥石矿物等。黏土矿物类型受埋藏深度、流体性质的影响，埋藏浅时以高岭石和蒙脱石为主，地层压力、地层温度、流体性质随埋藏的加深而增加、变高，造成层间水中阳离子释放，黏土矿物发生转换甚至重结晶[11]。黏土矿物胶结主要为丝缕状和搭桥状的伊利石和伊蒙混层矿物(见图6a)；薄片下和扫描电镜下均可见自生高岭石(见图6b、图6c)，电镜下呈现典型的书页状或蠕虫状。另外薄片中可见少量绿泥石包膜[12](见图6d)。

2.3 溶蚀作用

德惠凹陷砂岩储层中长石颗粒和火山岩岩屑含量高，为溶蚀作用提供了大量的可溶物质，故溶蚀作用较为普遍。镜下可观察到长石颗粒和岩屑的溶蚀，尤其可见条纹长石以及微斜长石。溶蚀作用贯穿整个成岩阶段，无论是成岩早期还是成岩晚期均有不同程度的溶蚀现象发生[13]。镜下薄片中可观察到锯齿形边缘，这是受到强烈溶蚀的斜长石，斜长石常沿解理被溶蚀，溶蚀末期可观察到斜长石残骸[14](见图7a)，还可观察到发育港湾状边缘的斜长石(见图7b)，形成粒内溶孔，甚至铸模孔，溶蚀作用在纵、横向分布不均匀。电镜下常可见到长石溶蚀成蜂窝状(见图7c)、窗格状和残骸状，形成铸模孔、包壳孔和肋骨状孔。研究区还多见火山岩碎屑和岩屑的溶蚀现象，岩屑常被溶蚀成蜂巢状，形成粒内孔及铸模孔(见图7d)，火山碎屑溶蚀为后期绿泥石和含铁碳酸盐的沉淀提供了物质基础[15]。

总之，压实、压溶、胶结作用使储层物性变差，其中压实、压溶作用是储层物性降低的关键，胶结作用可在一定程度上降低储层物性。溶蚀作用是改善储层物性的关键。

3 成岩阶段

不同成岩阶段的储层具有不同的储集空间组合，划分成岩阶段可预测其储集体类型及储集性能，沉积物在成岩之后发生变质作用之前的阶段即为成岩阶段。根据中国石油天然气集团公司(2003)颁布的我国陆相湖盆碎屑岩成岩作用阶段划分标准[16]，成岩阶段可分为为同生成岩、早成岩、中成岩、晚成岩和表生成岩五个阶段。

依据研究区有机质成熟度指标，主要是I/S混层黏土矿物的演化及自生矿物的组合变化对研究区储层进行了成岩阶段划分[17]，认为其正处于中成岩A到中成岩B期。其中火石岭处于中成岩B期，沙河子组处于中成岩A-B期，营城组、登娄库组处于中成岩A期(见图8)。

中成岩A期：由于压实和胶结作用，岩石固结较致密，溶蚀作用发育，导致次生孔隙发育，孔隙类型主要为粒内溶孔和铸模孔。本期是以酸性为主的成岩环境。此时有机质处于成熟阶段，镜质体反射率Ro在0.5～1.3，岩石最高热解峰温(Tmax)在435～460 ℃。砂岩中黏土矿物以伊蒙混层和伊利石为主，混层中蒙皂石的含量为15%～50%。伊利石呈丝缕状或丝片状。有机质开始大量生烃，并释放出大量的低碳脂肪酸和CO2，使水介质变为酸性，造成了铝硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解，形成次生孔隙，改善了储层物性。

中成岩B期：胶结作用非常强烈，颗粒之间为线-缝合状接触，砂岩致密，孔隙类型主要为少量的溶蚀孔和裂缝。此时有机质处于高成熟阶段，Ro在1.3～2.0，岩石最高热解峰温(Tmax)在460～490 ℃。由于有机质产酸能力降低，使孔隙水介质中的酸性程度减弱而向碱性发展，从而使胶结作用大于溶蚀作用。尤其是方解石含量增加使次生溶孔被充填，孔隙度降低。砂岩中黏土矿物以伊蒙混层和伊利石为主，混层中蒙皂石的含量小于15%，伊利石呈丝缕状或丝片状。随着深度的增加，胶结物主要为铁方解石、铁白云石组合，成岩环境为碱性。

4 结论

1)研究区德惠凹陷储层的岩石类型主要为长石砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，储层整体低成分成熟度、低结构成熟度，从沙河子组向上至登娄库组成分成熟度逐渐升高。

2)研究区的成岩作用分有压实作用、胶结作用、溶蚀作用三种，分为破坏性成岩作用以及建设性成岩作用。其中破坏性成岩作用包括，压实作用降低孔渗，黏土矿物胶结、碳酸盐胶结以及硅质胶结等三种胶结作用使孔隙变窄；溶蚀作用是建设性成岩作用，改善储层物性。

3)对研究区储层进行成岩阶段划分，认为其正处于中成岩A到中成岩B期。其中火石岭处于中成岩B期，沙河子组处于中成岩A-B期，营城组、登娄库组处于中成岩A期。