大庆—三肇凹陷扶余油层致密储层成岩作用类型及序列

杨嘉明，王璐奕，杜欣蓉，王鑫(西安石油大学，陕西 西安 710300)

0 引言

大庆长垣和三肇凹陷是松辽盆地北部重要的石油产区，扶余油层作为其主要产油目的层目前已找到榆树林油田和升平油田等，这充分地展示了该区良好的资源潜力。但是该区扶余油层致密砂岩由于储层物性差及非均质性强，造成该区油水分布情况复杂，极大制约了三肇地区扶余油层下一步的勘探与开发。成岩作用是形成致密储层的重要因素之一，文章利用物性资料、岩石薄片、扫描电镜及能谱、阴极发光等资料对松辽盆地大庆长垣和三肇凹陷扶余油层致密储层成岩作用类型和成岩序列进行系统地分析，对于认识扶余致密砂岩储层成岩演化序列和致密化过程奠定了坚实基础。

1 区域地质概况

松辽盆地长750 km，宽330～370 km，总面积26×104km2，位于中国东北部的黑龙江及其支流勾勒出的“鸡首”的中部。盆地分为六个构造单元：北部坳陷、中部坳陷、东北隆起、东南隆起、西南隆起和西部斜坡[1]。中部坳陷地区位于松辽盆地中部，是松辽盆地最大的负向构造单元，也是松辽盆地的长期沉陷中心和沉积中心。中部坳陷地区划分为大庆背斜、齐家—古龙、三肇、长岭凹陷和朝阳沟阶地，是油气主产区。盆地中心含有厚度约10 km 的侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪碎屑沉积[2]。有四个构造阶段：地幔上升流(裂谷期)、同裂谷期、裂谷后热沉降和构造反转，热沉降和热挤压始于晚白垩世末。松辽盆地处于东南向的挤压应力场中(即太平洋板块运动重组、西太平洋海底火山活动增加、太平洋板块俯冲)，形成了大庆背斜等大部分正构造[2-3]。而白垩纪作为该盆地的主要发育阶段，在这一阶段沉积了大量的火山碎屑岩，地层剖面非常完整，化石异常丰富，是研究白垩纪时期地层的理想地区。并且这里埋藏着中国乃至世界的巨大的宝藏——大庆油田，大庆油田是由松辽盆地中间的背斜和河流三角洲交汇而成。三肇凹陷扶余油层则发育于泉头组四段，泉头组以红棕色、紫色、斑驳的泥岩和钙质砾岩为主，代表河流和漫滩环境。河道和分流河道是泉头组四段的主要砂体类型[4]。

2 岩石学特征

大庆长垣—三肇地区扶余油层砂岩以粉砂～细粒砂岩为主，少量中、粗粒砂岩，砂粒主要呈次棱角状至次圆形。砂岩主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，大庆长垣的平均碎屑颗粒组成为Q28.13F33.5L38.37，三肇凹陷的平均碎屑颗粒组成为Q28.87F34.94L36.19，成分成熟度低。岩屑以岩浆岩岩屑为主，变质岩岩屑次之，沉积岩岩屑较少。基质类型以黏土矿物为主，含量1%～45%，平均9.35%。

3 成岩作用类型

成岩作用大多发生在地下几千米深的地质环境中，松辽盆地三肇地区的成岩作用主要方式有压实作用、胶结作用及溶蚀作用。

3.1 压实作用

如图1 所示，扶余油层成岩过程中经历了中等强度压实，镜下常见线、点-线接触，如图1(a)～图1(c)所示，可见少量凹凸接触，如图1(d)所示，塑性矿物如岩屑、云母等常见挤压变形，如图1(e)所示，脆性矿物如长石、石英等可见挤压破碎，如图1(f)所示。

图1 扶余油层压实作用

3.2 胶结作用

薄片镜下观察、扫描电镜和阴极发光观察结果表明，研究区胶结作用主要有方解石胶结、石英次生加大和自生粘土矿物。

3.2.1 方解石胶结

方解石胶结是扶余油层主要的碳酸盐胶结物，且主要为不含铁的方解石，如图2 所示。使用茜素红和氰化钾配置的染色剂染色后，方解石主要呈红色，如图2(c)和图2(f)所示；正交偏光下方解石为灰白色，如图2(b)、图2(d)和图2(e)所示，个别方解石颗粒中可见双晶纹，如图2(d)所示；阴极发光下方解石为橘黄色，如图2(a)所示；经能谱检测，方解石的元素组成为C、O 和Ca，含少量Mn，基本不含Fe。

图2 扶余油层方解石胶结物特征

3.2.2 粘土矿物胶结

扶余油层中发育的自生粘土矿物主要为伊利石，可见少量绿泥石和高岭石。绿泥石既可附着于颗粒表面形成绿泥石膜，也可以针叶状或玫瑰花状充填于粒间孔内。绿泥石膜可连续覆盖在颗粒表面，也可在颗粒表面不连续分布(特别是颗粒与颗粒接触部位)，前者形成时间应早于压实作用，后者形成时间晚于压实作用。充填在孔隙中的玫瑰花状绿泥石间还发育微晶石英。伊利石可呈絮状充填于粒间孔或粒间溶孔内，也可呈丝发状发育在颗粒表面形成伊利石膜，且多与长石溶蚀残余颗粒伴生，伊利石的元素组成包括Al、Si、O、K，并含有少量的Mg 和Fe。

4 成岩序列及孔隙演化

4.1 成岩作用阶段

4.1.1 绿泥石膜形成时间早于石英次生加大边

在个别样品中，可见绿泥石膜或绿泥石环边现象，在石英颗粒表面形成连续的绿泥石膜的情况下，无明显石英次生加大现象，说明绿泥石膜的形成时间早于石英次生加大。

4.1.2 石英次生加大发生时间早于晚期方解石胶结发生时间

石英次生加大含量明显比碳酸盐胶结物含量低，石英次生加大可见两期加大边，在石英加大边外侧发育方解石，方解石充填粒间孔并可交代石英颗粒及其加大边。因此，石英次生加大发生时间总体早于晚期方解石的发生时间。

4.1.3 石英次生加大边形成时间与溶蚀作用同步发生

硅质是长石溶蚀的主要产物之一，长石溶蚀主要经过淡水淋滤作用和酸性流体溶蚀作用产生[5-6]。淡水淋滤作用主要发生在早成岩阶段，扶余油层主要为分流河道和水下分流河道砂体。具有接受淡水淋滤作用的条件。酸性流体主要来自于青山口组一段烃源岩热演化过程中生成的CO2和有机酸，长石等易溶矿物在酸性流体作用下发生溶蚀形成次生孔隙。

4.1.4 早期方解石使储层过早进入致密阶段

早期方解石在储层演化的早期阶段就已进入孔隙中，形成了连晶方解石胶结，阻止了压实作用继续进行，碎屑颗粒多呈漂浮状，如图2(c)和图2(f)所示。经镜下观察和数据统计，方解石胶结物含量最大可达50%左右。早期方解石大量发育段一般位于厚层砂岩段的底部或薄层砂岩中，其成因宏观上可能受高频基准面变化的影响，微观上可能与毗邻的泥岩段压实脱水和有机质细菌还原作用有关[7]。

4.1.5 晚期方解石形成时间晚于溶蚀作用或与溶蚀作用同期发生

除早期方解石外，大部分砂岩层段为晚期方解石充填粒间孔，并出现交代长石及石英的现象。亮晶方解石与溶蚀孔隙伴生的现象很普遍，而且溶蚀孔隙旁的方解石并无明显溶蚀现象，如图2(d)所示，形成此种现象的原因可能包括：酸性流体对长石和方解石的溶解具有选择性；体系的pH 值由有机酸控制，CO2不参与溶蚀作用，而是促进方解石的形成及沉淀[8]；在硅铝酸盐-碳酸盐-有机酸体系内，硅铝酸盐更易被溶蚀。

4.1.6 溶蚀孔隙形成时间早于石油充注或与石油充注同时进行

扶余油层中次生孔隙内有烃类残余的现象很普遍。有机质演化过程中，有机质排酸高峰在生烃高峰之前，因此溶蚀孔隙的形成时间一般早于石油大量充注的时间；其次石油在进入储层之后，石油中携带的有机酸同样也会对储层进行溶蚀，从而形成次生孔隙。

4.1.7 晚期方解石胶结物早于伊利石

伊利石的形成与蒙脱石演化、高岭石伊利石化或长石伊利石化有关。扶余油层中伊利石是含量最高的粘土矿物类型，伊利石与方解石的接触关系表现为伊利石多发育在方解石外侧，推测伊利石的形成时间晚于方解石。

4.1.8 伊利石形成时间早于石油主充注期

石油充注会改变流体环境从而抑制伊利石的生长。长石被溶蚀形成的溶蚀孔隙内一般都发育伊利石，伊利石成因可能与长石伊利石化有关。伊利石表面吸附着大量残余烃类，推测伊利石形成时间早于石油充注。

4.2 扶余油层成岩序列

大庆长垣和三肇地区扶余油层的主要成岩顺序为：(1)压实作用、早期方解石和绿泥石膜；(2)溶蚀作用、石英次生加大、高岭石充填孔隙；(3)晚期方解石、方解石交代长石和石英；(4)晚期伊利石(长石伊利石化)；(5)石油充注。早成岩阶段，在石英、长石等碎屑颗粒表面形成了有限的绿泥石膜，对形成石英次生加大的抑制作用有限。中成岩阶段，随着有机质热演化程度升高，有机质进入低熟阶段，生成大量有机酸，溶蚀长石等易溶矿物并形成次生孔隙、高岭石和石英，并为晚期方解石胶结提供了空间和物质来源(Ca2+)，同时长石溶蚀消耗了有机酸，为方解石和伊利石沉淀创造了适宜的酸碱环境。

5 结语

在适宜的温度、压力、流体成分和矿物组合等条件下，各种成岩矿物的形成都有一定的时间跨度，根据各种矿物之间的接触关系和结构特点建立的成岩序列是一种相对的顺序。扶余油层主要的成岩作用产物有早期方解石、晚期方解石、伊利石、石英次生加大、溶蚀作用及溶蚀孔隙、绿泥石和高岭石。早期方解石主要发育在砂体下部，在含油层段含量较低；绿泥石和高岭石含量远低于伊利石，绿泥石膜在早成岩期形成，而且可能与机械沉积作用有关，充填在孔隙内的绿泥石可能主要在中成岩期形成；高岭石主要是长石被溶蚀的产物，与溶蚀孔隙同期形成。