三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組儲層成巖作用類型及特征

馬 羚，李 杰，徐勝林，陳 旋，楊 帥，李富祥

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2.中國石油 吐哈油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009)

馬朗凹陷地處三塘湖盆地中央坳陷帶的中南部[1](圖1)，西北緊鄰條湖凹陷，北靠岔哈泉凸起，東與方方梁凸起接壤。自1992年對三塘湖盆地大規(guī)?？碧揭詠?，已在馬朗凹陷探明多個規(guī)模較大的砂巖油藏，其主力油層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，目前處于產(chǎn)能建設(shè)階段。西山窯組由一套濱淺湖相—河流沼澤相的含煤碎屑巖建造組成，屬于典型的低孔、特低滲砂巖油藏[2]。前人針對西山窯組的地層層序、沉積特征、儲層特征、儲層預(yù)測等進行了深入研究[1, 3-6]，但尚未系統(tǒng)研究儲層成巖作用對物性的影響。成巖作用與儲集層性質(zhì)密切相關(guān)，1968年VON GUMBEL首次提出“成巖作用”以來，一直是沉積學(xué)和儲層地質(zhì)學(xué)研究者的重要研究方向之一[7]。近年來，成巖作用的研究熱點集中在非常規(guī)儲集層[8-11]，以從定性向定量化轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕薣11-14]，以單學(xué)科向多學(xué)科交叉為方向[15-17]，但成巖作用對儲層性質(zhì)的影響始終是研究的主要方向[18]。

圖1 三塘湖盆地馬朗凹陷構(gòu)造位置據(jù)文獻[1]，有修改。Fig.1 Structural location of Malang Sag in Santanghu Basin

本文以馬朗凹陷西山窯組為研究對象，采用薄片觀察、電鏡掃描、X射線衍射、鏡質(zhì)體反射率等方法，探究了西山窯組儲層的成巖作用特征及其對儲層物性的影響，以期為該區(qū)油氣勘探提供參考。

1 儲層基本特征

1.1 儲層巖石學(xué)特征

本區(qū)57口取心鉆井1 385件薄片的鑒定結(jié)果顯示，馬朗凹陷西山窯組儲層的巖性主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖(圖2)。從粒級角度看，儲層巖性為粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖和砂礫巖，以中粒—細粒砂巖為主。全區(qū)巖屑含量較高，多數(shù)高于50%，少數(shù)在40%～50%之間，最高者達60%以上；石英含量普遍分布在20%～30%之間；長石相比石英，含量較低，普遍在15%～25%之間。該區(qū)儲層砂巖中雜基以泥質(zhì)為主，含量1%～3%；碎屑巖膠結(jié)物類型有方解石、高嶺石、菱鐵礦及黃鐵礦等，其中以高嶺石和方解石膠結(jié)物為主，高嶺石含量為2%～5%，方解石含量一般為1%～3%。

1.2 儲層物性特征

研究區(qū)西山窯組砂巖的儲集空間類型以剩余原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和溶破裂縫為主(圖3a-d)。其中，剩余原生粒間孔主要介于2%～4%，和原生粒間孔共同構(gòu)成研究區(qū)最優(yōu)的孔隙組合類型。本區(qū)西山窯組儲層的孔隙度主要分布在9%～18%之間，滲透率主要分布在(0.05～0.3)×10-3μm2和(1～5)×10-3μm2之間(圖4)，屬于低孔—特低滲型儲層。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組砂巖分類Fig.2 Classification of sandstones in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

2 儲層成巖作用研究

通過鏡下觀察、X-衍射、掃描電鏡等分析測試手段，發(fā)現(xiàn)三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組砂巖儲層中發(fā)育8類成巖作用(表1)。其中蝕變、溶蝕和破裂作用為建設(shè)性成巖作用；壓實—壓溶、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)為破壞性成巖作用；綠泥石膠結(jié)和交代作用會隨著成巖階段的向后推移由建設(shè)性作用轉(zhuǎn)為破壞性作用。

圖3 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組儲層成巖作用鏡下特征

a.剩余原生粒間孔，粒間紅色鑄體染色部位，蘆103H井，2 045.71～2 045.90 m，單偏光；b.粒內(nèi)溶孔，馬北109井，1 371.81～1 371.94 m，單偏光；c.次生石英晶間孔，馬北109井，1 367.87～1 367.98 m；d.溶破裂縫，馬北112井，1 616.69～1 616.83 m，單偏光；e.綠泥石黏土膜，湖212井，1 531.88 m，單偏光；f.針葉狀綠泥石集合體呈薄膜結(jié)構(gòu)附著于碎屑顆粒表面，蘆103H井，2 043.00～2 043.23 m，掃描電鏡；g.巖屑砂巖中的高嶺石充填孔隙，馬46井，768.03 m，單偏光；h.長石溶蝕微孔，蘆1井，2 022.46～2 022.57 m，掃描電鏡；i.構(gòu)造破裂縫，馬中36-49井，2 037.97～2 038.11 m，單偏光；j.頁巖巖屑被壓實發(fā)生塑性變形，牛117井，1 571.70 m，單偏光；k.壓碎的黑云母，牛117井，1 565.71 m，正交光；l.長石巖屑砂巖中壓碎的斜長石，馬214井，1 115.57 m，正交光；m.顆粒間凹凸接觸，馬47井，1 069.46 m，單偏光；n.石英顆粒次生加大充填于粒間孔隙中，馬北109井，1 365.93～1 366.10 m，掃描電鏡；o.方解石膠結(jié)物，分布于粒間染紅部位，馬53井，1 375.47 m，單偏光； p.方解石充填孔隙并交代碎屑，湖44-7井，1 690.17～1 690.35 m，正交光

Fig.3 Microscopic features of diagenesis of Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

圖4 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組儲層孔隙度(a)與滲透率(b)頻率分布Fig.4 Frequency distribution for reservoir porosity (a) and permeability (b) in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

2.1 綠泥石膠結(jié)作用

根據(jù)巖心掃描電鏡資料分析，馬朗凹陷西山窯組砂巖儲層中的綠泥石膠結(jié)物普遍發(fā)育，觀察到綠泥石的賦存狀態(tài)呈2種類型：一類是以孔隙襯邊形式產(chǎn)出的黏土膜(圖3e)，此類綠泥石膠結(jié)物在掃描電鏡下呈葉片狀、花瓣狀。它的出現(xiàn)顯示早成巖階段A期砂質(zhì)沉積物中具有弱堿性的孔隙水，見于弱還原環(huán)境，孔隙水中富含F(xiàn)e、Mg、Al2O3、SiO2，形成于埋深不大、溫壓較低的物化環(huán)境條件下[19]。另一類以孔隙中的填隙物形式存在(圖3f)，掃描電鏡下表現(xiàn)為針葉狀或絨球狀。

表1 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組砂巖的成巖作用類型及其對孔隙度的影響Table 1 Diagenesis types and their effects on porosity of sandstone in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

由于具一定厚度的環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物能夠?qū)⒖紫端褪⑺樾嫉谋砻娓綦x開來，可抑制相對晚期成巖階段硅質(zhì)膠結(jié)的發(fā)生，所以呈孔隙襯邊形式的綠泥石對本區(qū)砂巖儲層的影響是有利的。但本區(qū)砂巖儲集體在發(fā)育環(huán)邊綠泥石以后，粒間孔隙又容易被后期的石英或方解石不同程度地充填，因此，只有這類起破壞作用的物質(zhì)數(shù)量減少時，環(huán)邊綠泥石對儲集砂巖起到的有利影響才能起作用[20]。

2.2 蝕變作用

馬朗凹陷西山窯組砂巖中普遍發(fā)育高嶺石礦物，主要由泥質(zhì)雜基、泥板巖巖屑蝕變而成，小部分由云母蝕變轉(zhuǎn)化而成。高嶺石在顯微鏡下呈充填孔隙的形態(tài)展布(圖3g)，但電鏡下能夠觀察到高嶺石的書頁狀、蠕蟲狀分布形態(tài)。高嶺石化對儲層孔隙度的發(fā)育起建設(shè)性作用，因高嶺石的晶間微孔隙發(fā)育程度高，同時它能夠?qū)㈤L石、云母碎屑這些孔隙不發(fā)育的礦物蝕變成高嶺石集合體，從而使儲集巖的孔隙度增加。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用形成的次生溶蝕孔隙常是油氣的主要儲集空間。馬朗凹陷不同地區(qū)溶蝕作用普遍發(fā)育，與高嶺石的普遍發(fā)育具有相同的規(guī)律，且溶蝕作用主要表現(xiàn)為長石顆粒以及巖屑的溶解。

長石溶解在研究區(qū)的發(fā)育最為強烈且普遍，該種溶蝕作用大多見于長石的解理縫、雙晶縫和因壓實作用形成的裂紋附近，且不同深度皆有顯示，掃描電鏡下可見長石溶解形成的粒間溶孔與粒內(nèi)溶孔(圖3h)，這些次生溶孔都是良好的油氣儲集空間。

泥質(zhì)巖屑、燧石巖屑和硅質(zhì)巖屑是本區(qū)砂巖中主要被溶解的巖屑類型。其中，泥質(zhì)巖屑溶解的程度最高，能夠形成粒內(nèi)微溶孔和粒內(nèi)溶孔，在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育(圖3b)。而燧石巖屑與硅質(zhì)巖屑多數(shù)溶解得不完全，鏡下所見的蜂窩狀粒內(nèi)溶孔就由燧石巖屑和硅質(zhì)巖屑溶解而成，同時亦有泄水構(gòu)造發(fā)育。這種現(xiàn)象的形成因溶解作用順著巖屑中的微縫隙發(fā)育，顯著有別于從顆粒表面開始溶解的去膠結(jié)作用。溶解作用對砂巖儲集體孔滲性能的提高發(fā)揮了重要作用，促進了次生孔隙的發(fā)育。這種溶解作用在馬朗凹陷西山窯組儲層中起重要的建設(shè)性作用。

2.4 破裂作用

馬朗凹陷西山窯組儲層屬于低孔—特低滲型儲層，破裂作用形成的裂縫和微裂縫顯著改善了這類致密砂巖儲層的質(zhì)量。這些裂縫的形成不僅能提高巖石的孔隙度，還溝通了粒間和粒內(nèi)孔隙，起到滲濾通道的作用[21]。顯微鏡下顯示研究區(qū)砂巖儲層中裂縫的發(fā)育情況不一，寬度主要在0.01～0.04 mm，少數(shù)大于0.04 mm(圖3d,i)。裂縫形態(tài)呈互相穿插切割狀，并且在其延長方向可以觀察到分叉現(xiàn)象。除此之外，鏡下見到破裂縫兩側(cè)有組分被溶蝕，也表明裂縫的存在有利于次生溶孔的發(fā)育。

2.5 壓實—壓溶作用

壓實—壓溶作用是一種破壞原生孔隙的早期成巖作用，也是馬朗凹陷重要的破壞性成巖作用。本區(qū)西山窯組砂巖儲層歷經(jīng)強壓實作用，鏡下該類成巖作用的主要表現(xiàn)形式有：①塑性顆粒變形構(gòu)成假雜基，如千枚巖、頁巖巖屑等的塑性變形(圖3j)；②片狀礦物的揉皺變形、破裂和波狀消光，如云母類礦物被壓碎破壞孔隙(圖3k)；③剛性顆粒發(fā)生脆性破裂，主要表現(xiàn)為較大壓力條件下長石、石英和巖屑的碎裂(圖3l)；④碎屑顆粒之間的各種接觸強度隨著壓實作用的增強而增加，逐漸由點接觸變?yōu)榫€接觸，甚至可變?yōu)榘纪硅偳督佑|(圖3m)。壓實作用從早成巖階段A期就已開始，而壓溶作用在早成巖B期才開始出現(xiàn)，2種作用都基本在中成巖B期階段結(jié)束。

2.6 硅質(zhì)膠結(jié)作用

研究區(qū)西山窯組砂巖中普遍發(fā)育硅質(zhì)膠結(jié)作用，以石英次生加大和自生石英2種形式為主(圖3n)。次生加大邊的核晶由碎屑石英組成，次生加大邊和加大邊之間以塵環(huán)線(臟線)或黏土薄膜作為界線。石英的次生加大對儲層的孔隙結(jié)構(gòu)起改造作用[22]，促使巖石孔隙中形成片狀或彎片狀喉道，阻礙流體滲流，明顯降低儲層的滲透性。同時電鏡下顯示，與沿石英顆粒邊緣生長的加大邊相比，自生石英的結(jié)晶程度更好，粒間孔隙會被六方錐形的自生石英晶體充填。自生石英的膠結(jié)使孔隙空間減少，面孔率降低，孔隙度隨之下降。除通過膠結(jié)充填減少儲層的孔隙空間以外，硅質(zhì)膠結(jié)作用還能改造儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為將粒間管狀喉道改造為片狀、縫合狀等阻礙流體滲流的形態(tài)，導(dǎo)致儲層滲透率大幅下降。

2.7 碳酸鹽膠結(jié)作用

在早期和晚期成巖階段還發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)作用。成巖階段早期，膠結(jié)物以泥晶和亮晶的無鐵方解石為主，由孔隙水沉淀而成，巖石的粒間孔被巨晶、粗晶或連晶形態(tài)的方解石膠結(jié)物充填。因研究區(qū)的成巖階段基本處在酸性水介質(zhì)的環(huán)境中，因此在早成巖階段，局部層段有碳酸鹽膠結(jié)作用發(fā)育。到中成巖A期階段后期，含鐵方解石的膠結(jié)作用開始出現(xiàn)，從此階段直到晚期的埋深階段，膠結(jié)產(chǎn)物以發(fā)育嵌晶或連晶狀的含鐵方解石為特征，呈菱面體晶形充填次生粒間孔隙。碳酸鹽膠結(jié)作用對儲層孔滲的破壞性較大(圖3o)。

2.8 交代作用

碳酸鹽化作用為馬朗凹陷西山窯組儲層中主要發(fā)育的交代作用，常見選擇性交代長石或石英碎屑的現(xiàn)象(圖3p)，鏡下可觀察到這種交代以長石的交代幻影和交代殘留結(jié)構(gòu)形式展現(xiàn)，同時交代作用導(dǎo)致過半石英顆粒的邊緣不規(guī)則。礦屑、巖屑及黏土雜基發(fā)生碳酸鹽化，破壞儲層的孔隙結(jié)構(gòu)。而碳酸鹽礦物又常在酸性水介質(zhì)的作用下被溶解成孔隙。通過觀察儲集砂巖薄片發(fā)現(xiàn)，在早成巖階段B期交代作用開始發(fā)育，通常于溶蝕作用發(fā)生之前就已開始，早期階段的碳酸鹽化交代作用基本上對形成次生孔隙起促進作用。但到成巖階段的后期，孔隙水向堿性過渡，在這個時期形成了大量含鐵碳酸鹽礦物，主要起充填巖石孔隙或者交代之前已沉積的成巖組分的作用，破壞已形成的巖石孔隙空間。

3 成巖階段劃分

根據(jù)2003版《石油天然氣行業(yè)標準碎屑巖成巖階段劃分標準》，結(jié)合前述成巖作用特征與包裹體測溫、熱解實驗分析、鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計及X-衍射試驗等方法測得的成巖階段劃分參數(shù)(表2)，馬朗凹陷西山窯組砂巖基本處于早成巖B期—中成巖B期，但以中成巖A期的晚期階段為主(圖5)。由此可見，本區(qū)西山窯組砂巖儲層的成巖序列為：壓實—早期黏土膜形成—早期腐植酸溶蝕—凝灰質(zhì)雜基蝕變形成高嶺石—早期石英、長石次生加大—伊蒙間層—伊利石的形成—晚期有機酸較強溶蝕—晚期鐵方解石、石英膠結(jié)。

表2 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組儲層成巖階段劃分參數(shù)Table 2 Diagenetic stage division parameters of Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

注：表中數(shù)值為最小值～最大值(平均值)。

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組砂巖成巖序列與成巖階段劃分Fig.5 Diagenetic sequence and stages of sandstones in Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

4 成巖作用對儲層物性的影響

建設(shè)性成巖作用與破壞性成巖作用的強弱配置狀況是評估儲層質(zhì)量的主要因素，如果破壞性成巖作用較強或強，則可能將已形成的儲層改造為非儲層[23]。

壓實作用是研究區(qū)主要的減孔因素。壓實作用從早成巖A期持續(xù)到中成巖B期，在成巖過程中作用時間最長。顯微鏡下可觀察到剩余原生粒間孔隨埋藏深度的增加其發(fā)育程度逐漸變差。圖6a表明，馬朗凹陷的各個區(qū)塊都表現(xiàn)出隨著埋深的增加，孔隙度均在一定程度上表現(xiàn)出降低的趨勢，1 000 m埋深以內(nèi)的儲層，孔隙度隨深度的增加呈變差趨勢，儲集空間以粒間孔為主；大于1 000 m的儲層，深度對儲層質(zhì)量的影響不明顯。同一深度的儲層物性差別大，孔滲相關(guān)性差，即非均質(zhì)性強，成巖作用對儲層的影響增強，儲集空間以溶蝕孔、微裂縫與粒間孔組合為主。

碳酸鹽的膠結(jié)作用對本區(qū)西山窯組儲層物性起重要的破壞性作用。西山窯組膠結(jié)物主要有方解石、高嶺石及菱鐵礦，且以斑塊狀膠結(jié)為主，膠結(jié)作用強度總體較弱，但在儲層物性的影響上不容忽視。如圖6b-f所示，馬朗凹陷5個區(qū)塊西山窯組碳酸鹽膠結(jié)物與負膠結(jié)物孔隙度均表現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，尤其當碳酸鹽膠結(jié)物含量超過15%時，孔隙度隨膠結(jié)物含量的增加而明顯下降，顯示膠結(jié)作用程度對儲層物性起一定的控制作用。

雖然壓實作用與膠結(jié)作用使原生孔隙發(fā)育的砂巖儲層改造成低孔特低滲型，但高嶺石化和溶蝕作用起到了改善儲層物性的作用。研究區(qū)改善儲層孔隙的作用主要為環(huán)邊綠泥石膠結(jié)、高嶺石化、溶蝕和破裂作用。破裂作用形成的裂縫寬度以0.01～0.04 mm為主，在區(qū)域上發(fā)育規(guī)模有限。此外，儲集砂巖在發(fā)育環(huán)邊綠泥石后，綠泥石幫助造就的粒間孔隙又易被后期的石英或方解石不同程度地充填，所以環(huán)邊綠泥石膠結(jié)和破裂作用對儲層物性的影響相對較小。但據(jù)薄片觀察，馬朗凹陷不同地區(qū)的高嶺石化與溶蝕作用普遍發(fā)育，早成巖A期—中成巖A期形成的高嶺石提供了較多的晶間微孔隙，酸溶液的溶蝕作用從早成巖B期持續(xù)到晚成巖階段，使長石和巖屑發(fā)生溶解，產(chǎn)生粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔。

綜上研究認為，馬朗凹陷西山窯組不同埋深區(qū)的成巖相差異控制了儲層質(zhì)量。膠結(jié)有明顯的綠泥石環(huán)邊、溶蝕作用發(fā)育，且有裂縫溝通孔隙的砂巖是研究區(qū)內(nèi)最優(yōu)質(zhì)的儲集巖。綜合本區(qū)的成巖作用發(fā)育情況，認為以綠泥石環(huán)邊膠結(jié)為特征，儲集空間為剩余原生粒間孔與溶蝕孔組合的砂巖是最為有利的儲集體。研究區(qū)北部儲層埋深小于1 000 m，以粒間孔為主，非均質(zhì)性相對較弱，有利于大面積砂體連片成藏，為有利儲層發(fā)育區(qū)域；南部地區(qū)埋深大于1 000 m，儲層質(zhì)量次之，溶蝕孔和剩余粒間孔為主，儲層非均質(zhì)性較強，受巖性遮擋但亦可形成小面積巖性油氣藏。

圖6 三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組成巖作用對儲層的影響Fig.6 Influence of diagenesis on Xishanyao Formation, Malang Sag, Santanghu Basin

5 結(jié)論

(1)三塘湖盆地馬朗凹陷西山窯組砂巖儲層發(fā)育8類成巖作用，分別是綠泥石膠結(jié)、蝕變、溶蝕、破裂、壓實—壓溶、硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和交代成巖作用。

(2)研究區(qū)西山窯組的儲集砂巖除部分進入中成巖B 期外，大多數(shù)處于中成巖A期成巖階段。早成巖階段主要受到綠泥石及碳酸鹽膠結(jié)、碳酸鹽化交代以及壓實作用的影響，綠泥石膠結(jié)和交代作用有利于儲層孔隙的形成；到了晚期鐵碳酸鹽礦物會形成充填孔隙或交代早先沉積的成巖組分，此時膠結(jié)和交代作用對孔隙結(jié)構(gòu)起破壞性作用。

(3)研究區(qū)西山窯組儲層的裂縫和微裂隙均不發(fā)育，成巖作用是影響儲層物性的主要因素。壓實作用是主要的減孔因素，而高嶺石化和溶蝕作用對改善儲層物性的貢獻最大。碳酸鹽及硅質(zhì)的膠結(jié)會封堵原生孔或早期形成的溶蝕孔，對儲層物性起破壞作用，但適量的孔隙襯邊式綠泥石膠結(jié)，能夠造就抗壓實區(qū)形成以粒間孔為主的孔隙類型，改善儲層物性。因此，發(fā)育綠泥石環(huán)邊膠結(jié)，儲集空間為剩余原生粒間孔與溶蝕孔組合的砂巖是最有利的儲集體。