劉 可，高崇龍，王 劍，劉 明，羅正江，王 柯，鄧 毅，任 影,3

1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣研究院，黑龍江 大慶 163318；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油 新疆油田公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000

準(zhǔn)噶爾盆地南緣(簡(jiǎn)稱準(zhǔn)南)位于北天山山前，是具有多套含油氣組合的疊加型再生前陸盆地，其內(nèi)部發(fā)育多排沖斷褶皺帶，并具有南北分帶、東西分段的構(gòu)造格局[1-3]。以紅山鎮(zhèn)斷裂[4]和烏魯木齊為界，準(zhǔn)噶爾盆地南緣可劃分為西、中、東三段。同時(shí)準(zhǔn)南地區(qū)按照其發(fā)育的3套區(qū)域性泥巖蓋層，即新近系塔西河組、古近系安集海河組、白堊系吐谷魯群，可劃分為上、中、下3個(gè)成藏組合，其中下組合儲(chǔ)層主要包括侏羅系和白堊系清水河組[5-6]。準(zhǔn)南地區(qū)早期油氣勘探主要以上、中組合為主，隨著勘探技術(shù)的不斷提高和地質(zhì)認(rèn)識(shí)的不斷深入，探索深層下組合成為準(zhǔn)南地區(qū)目前重要的油氣勘探方向[7]。2019年在準(zhǔn)南西段四棵樹凹陷部署的高探1井在下組合清水河組試油，取得了日產(chǎn)千立方米油氣流的重大突破，揭示了準(zhǔn)南下組合巨大的油氣勘探潛力[8]，但目前準(zhǔn)南下組合整體勘探程度仍然很低。相較于西段而言，準(zhǔn)南東段構(gòu)造更為復(fù)雜，整體以博格達(dá)山前構(gòu)造帶為主體，受控于博格達(dá)山強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及變形，導(dǎo)致該區(qū)形成豐富的圈閉類型[9]。中侏羅統(tǒng)頭屯河組作為準(zhǔn)南下組合重要的油氣勘探層位，在準(zhǔn)南東段主體埋深為1 500～3 000 m，局部地區(qū)可達(dá)4 000 m以上。前期油氣勘探及研究表明，準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層物性相對(duì)較好[10]，但是目前對(duì)頭屯河組的勘探程度仍較低，且資料相對(duì)匱乏，有關(guān)儲(chǔ)層成巖演化及物性控制因素等方面缺乏系統(tǒng)性和針對(duì)性的研究，嚴(yán)重限制了后續(xù)的油氣勘探進(jìn)程。據(jù)此，筆者綜合利用16口取心井的鉆測(cè)井、鏡下薄片、掃描電鏡、物性數(shù)據(jù)、壓汞數(shù)據(jù)、鏡質(zhì)體反射率(Ro)等資料，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)演化背景，對(duì)準(zhǔn)南東段頭屯河組的儲(chǔ)層特征、成巖演化及物性控制因素進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

準(zhǔn)南地區(qū)主體構(gòu)造位于北天山山前沖斷帶內(nèi)部，其形成與演化主要受控于北天山及博格達(dá)山造山帶的構(gòu)造活動(dòng)[11-12]。準(zhǔn)南地區(qū)自侏羅紀(jì)以來，受燕山、喜馬拉雅等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響[13-14]，發(fā)生了多期構(gòu)造抬升，最終形成現(xiàn)今成排成帶的構(gòu)造格局[15-16]。準(zhǔn)南東段是指烏魯木齊以東至博格達(dá)山的山前地區(qū)，北鄰阜康凹陷，南鄰博格達(dá)山(圖1a)，以阜康斷裂帶為主要構(gòu)造單元，同時(shí)阜康斷裂帶也是分隔山前斷褶帶和山前凹陷帶的斷裂，是重點(diǎn)油氣勘探區(qū)[17]。整體上，該區(qū)構(gòu)造樣式為受南北向擠壓的多層次逆沖推覆構(gòu)造，橫向上呈3排背斜和向斜相間排列的形式，縱向上可分為阜康斷裂上盤和下盤2個(gè)構(gòu)造層[12]。

準(zhǔn)南東段頭屯河組發(fā)育較為完整，未出現(xiàn)地層剝蝕現(xiàn)象，地層橫向上厚度變化較大，厚度在100～2 000 m之間，其與上覆的齊古組呈整合接觸，而與下伏的西山窯組呈不整合接觸[18-19]。準(zhǔn)南東段頭屯河組沉積受到南向物源和東北向物源的共同影響，儲(chǔ)層沉積相類型主體為辮狀河三角洲相[7](圖1b)；儲(chǔ)層巖石類型以細(xì)砂巖為主，同時(shí)還發(fā)育有粗砂巖和粉砂巖(圖1c)；下伏的中、下侏羅統(tǒng)為山前凹陷的主要烴源巖[20]，可以提供良好的油氣來源，具有良好的生烴和儲(chǔ)集條件。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段構(gòu)造位置(a)、研究區(qū)侏羅系頭屯河組沉積相(b)及頭屯河組巖性(c)圖1b據(jù)文獻(xiàn)[7]修改。

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層以長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖為主，次為長(zhǎng)石巖屑砂巖及巖屑砂巖(圖2a)，砂巖成分成熟度較低。砂巖碎屑顆粒主要為巖屑，含量為43%～90%，平均含量高達(dá)57%；石英含量為6%～30%，平均為21%；而長(zhǎng)石含量為4%～30%，平均為22%。巖屑組分中，以塑性凝灰?guī)r巖屑為主，其平均占比高達(dá)71%，同時(shí)還含有少量的千枚巖、霏細(xì)巖、石英巖以及安山巖等巖屑(圖2b)。砂巖顆粒間填隙物整體含量較低，其中雜基含量為1%～6%，平均含量?jī)H為2.1%。而膠結(jié)物含量為0.2%～9%，平均含量為1.3%，并以方解石膠結(jié)為主，其占樣品總組分的平均含量為0.85%；同時(shí)還含少量的黃鐵礦、片沸石和硅質(zhì)等膠結(jié)物(圖2c)。準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層巖性以不等粒砂巖為主，碎屑顆粒分選好—中等，磨圓中等(圖2d-e)。整體而言，儲(chǔ)層具有低成分成熟度、中等結(jié)構(gòu)成熟度的特征。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層砂巖類型(a)、組分(b-c)及分選性 (d)、磨圓級(jí)別分布 (e)

2.2 儲(chǔ)層物性及儲(chǔ)集空間特征

通過對(duì)16口井577件實(shí)測(cè)巖心物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明(圖3a-c)，準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層孔隙度為1.2%～26%，平均11.6%，滲透率為(0.01～651)×10-3μm2，平均5.7×10-3μm2，屬低孔低滲儲(chǔ)層。而7口井的樣品壓汞數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示(圖3c-d)，儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)相對(duì)優(yōu)越，中孔、大孔所占比例較大，且以粗喉道為主；中孔—大孔(孔隙直徑大于50 μm)總體占比達(dá)43%，而粗喉道(喉道直徑大于5 μm)占比甚至可達(dá)52%。儲(chǔ)層樣品壓汞數(shù)據(jù)顯示，壓汞曲線具有一定的平臺(tái)段，顯示孔喉分選性較好且表現(xiàn)為偏粗歪度(圖3e)。通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察和分析發(fā)現(xiàn)，頭屯河組儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間發(fā)育有粒間孔(包括原生粒間孔和剩余粒間孔)(圖4a-b)、溶蝕孔(粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔)(圖4c-e)和微裂縫(圖4f)，但以粒間孔為主，平均含量達(dá)73%，其次為溶蝕孔，平均含量為27%；儲(chǔ)層孔—滲數(shù)據(jù)整體呈較好的正相關(guān)性(圖3f)，反映其孔隙系統(tǒng)有著較好的連通性，且以粒間孔為主。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層物性分布(a-b)、孔喉直徑(c-d)、壓汞曲線(e)及孔滲相關(guān)性(f)

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型

3 儲(chǔ)層成巖演化及孔隙定量計(jì)算

準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層成巖作用類型主要有壓實(shí)(破裂)作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用，而壓溶、重結(jié)晶及交代作用基本不發(fā)育。整體而言，頭屯河組儲(chǔ)層成巖強(qiáng)度中等，儲(chǔ)層內(nèi)部保留有比重較大的粒間孔隙。

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用存在于頭屯河組儲(chǔ)層演化的整個(gè)階段，對(duì)儲(chǔ)層物性起到了嚴(yán)重的破壞作用。壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為塑性巖屑的壓實(shí)變形和假雜基化(圖5a-b)，壓實(shí)引起的剛性裂縫發(fā)育較少。儲(chǔ)層主體埋深在1 500～3 000 m之間，但整體上壓實(shí)強(qiáng)度并不大，碎屑顆粒間典型的凹凸接觸現(xiàn)象較少，而較多表現(xiàn)為線接觸(圖5a)，且儲(chǔ)層埋深在3 000 m時(shí)仍可保留大量的粒間孔隙(圖4a-b)，可見頭屯河組儲(chǔ)層受控于中等強(qiáng)度的壓實(shí)作用。

3.2 膠結(jié)作用

根據(jù)8口井75塊樣品薄片的觀察及分析測(cè)試顯示，頭屯河組儲(chǔ)層膠結(jié)作用強(qiáng)度整體較弱，但存在較大的非均質(zhì)性。主要表現(xiàn)為膠結(jié)物含量的差異：儲(chǔ)層內(nèi)部膠結(jié)物總體積分?jǐn)?shù)較低，一般不超過10%，平均僅為1.3%，這使得儲(chǔ)層得以保存一定含量的粒間孔；膠結(jié)物類型較為多樣，但以碳酸鹽膠結(jié)為主(圖5b-c)，此外還可見硅質(zhì)膠結(jié)、沸石膠結(jié)、自生黏土礦物膠結(jié)、黃鐵礦膠結(jié)(圖5d-j)。

3.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)物以方解石為主，而反映晚成巖階段的鐵白云石及鐵方解石膠結(jié)物基本不發(fā)育。鏡下薄片觀察可見方解石膠結(jié)物茜素紅染色呈紅色，可見基底式(嵌晶式)和孔隙式兩種膠結(jié)類型(圖4c、圖5b-c)，明顯對(duì)儲(chǔ)層物性造成了一定程度上的損失。此外，出現(xiàn)碳酸鹽膠結(jié)物受到溶蝕形成次生孔隙以及粒內(nèi)膠結(jié)的情況(圖5b)，反映了方解石膠結(jié)發(fā)生時(shí)間較早。

3.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度較差，含量低，具有少量的石英次生加大和石英微晶(圖5d)，石英次生加大基本不發(fā)育，僅見個(gè)別Ⅰ級(jí)加大于少量石英碎屑顆粒上。少量的石英微晶發(fā)育在顆粒表面，呈典型的六棱柱狀，直徑在10 μm左右，且石英微晶和伊蒙混層礦物混合發(fā)育，對(duì)粒間孔隙起到了阻塞作用，導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙連通性變差(圖5d)。

3.2.3 黏土礦物膠結(jié)

頭屯河組儲(chǔ)層的沉積水動(dòng)力較強(qiáng)，以辮狀河三角洲分流河道砂巖沉積為主，儲(chǔ)層內(nèi)部的細(xì)粒雜基含量較低，均小于1.3%，因此儲(chǔ)層內(nèi)部黏土礦物成因以成巖自生為主。X衍射分析顯示，黏土礦物成分包括蒙皂石、綠泥石、高嶺石、伊利石、綠蒙混層以及伊蒙混層黏土礦物(圖5d-i，l)，但以綠泥石和伊蒙混層黏土礦物為主，平均占比分別為28.24%和34.56%；其次為伊利石和綠蒙混層黏土礦物，平均占比分別為15.44%和12.35%；高嶺石和蒙皂石相對(duì)含量較少，平均占比分別僅為4.33%和5.07%(表1)。

其中，自生綠泥石、伊蒙混層及綠蒙混層黏土礦物主要以碎屑顆粒包殼形式產(chǎn)出(圖5e-g)，綠泥石單晶體多呈葉片狀(圖5e)，聚集體也成孔隙充填狀，而伊蒙混層晶體則呈蜂窩狀產(chǎn)出(圖5f)，但兩者包殼厚度均較薄，僅在掃描電鏡下可見。綠蒙混層礦物多呈不規(guī)則的絲狀附著在顆粒表面(圖5g)，而伊利石和高嶺石則呈孔隙充填狀態(tài)產(chǎn)出(圖5f,h)。伊利石彎曲片狀充填孔隙(圖5f)，而高嶺石單晶呈假六方片狀，同時(shí)呈書頁狀或蠕蟲狀充填孔隙(圖5h)，二者均對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率造成一定程度損失。值得注意的是，自生高嶺石既可由后期長(zhǎng)石溶蝕轉(zhuǎn)化形成，也可由黏土雜基蝕變而成，但由于儲(chǔ)層雜基含量很低且高嶺石晶形完整典型，因此以長(zhǎng)石溶蝕轉(zhuǎn)化為主要成因[21-22]。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層成巖作用特征

3.3 溶蝕作用

頭屯河組儲(chǔ)層溶蝕作用相對(duì)較為發(fā)育，次生溶蝕孔隙占總孔隙體積的比例達(dá)27%，雖對(duì)儲(chǔ)層物性起到了一定的改善作用，但大部分粒內(nèi)溶孔的連通性較差。溶蝕作用主要發(fā)育于早期碳酸鹽膠結(jié)物邊緣及內(nèi)部、長(zhǎng)石及易溶巖屑顆粒(圖5b,k-l)，主要為酸性流體的溶蝕作用；而溶蝕顆粒邊緣呈港灣狀或不規(guī)則狀(圖4c-d)，其中早期碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕可恢復(fù)部分充填的原生孔隙。一般而言，儲(chǔ)層演化過程中出現(xiàn)的酸性成巖流體，主要來源于中成巖A期地層內(nèi)有機(jī)質(zhì)成熟大量排烴之前所釋放的酚類和羧酸等有機(jī)溶劑[23-24]，因此儲(chǔ)層成巖流體的pH值不斷降低，而下伏的侏羅系烴源巖在成熟過程中可為頭屯河組儲(chǔ)層提供酸性流體來源[20]。

3.4 成巖序列

頭屯河組儲(chǔ)層伊蒙混層黏土礦物中蒙皂石含量為40%～100%，平均61.57%(表1)，且鏡質(zhì)體反射率Ro值為0.48%～1.42%，平均0.77%(圖6a-b)。此外，鏡下薄片鑒定石英次生加大級(jí)別較弱，多為Ⅰ級(jí)加大，且不發(fā)育成巖晚期鐵白云石或鐵方解石膠結(jié)物。由此，依據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[27]，準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層主要處于早成巖A期和早成巖B期，同時(shí)部分可達(dá)到中成巖A期(圖6a-b)，整體成巖進(jìn)程相對(duì)較緩。就儲(chǔ)層成巖序列而言，由于儲(chǔ)層內(nèi)部含有大量的火山巖巖屑，特別是凝灰?guī)r，因其可發(fā)生水解蝕變作用，成巖流體內(nèi)部的堿性金屬陽離子含量逐漸增加[28-29]，使得早成巖期儲(chǔ)層成巖流體主要呈堿性(圖6c)。而在堿性成巖流體條件下，加之大量火山巖巖屑特別是凝灰?guī)r巖屑水解游離出的大量Mg2+、Ca2+、Fe2+，促使早成巖期自生葉片狀綠泥石包殼及碳酸鹽膠結(jié)物的產(chǎn)生(圖6c)。此外，由于硅質(zhì)膠結(jié)物的發(fā)育受到堿性成巖流體的抑制[30-31]，因此抑制了石英次生加大邊及自生石英微晶的形成，造成石英次生加大邊較窄且石英微晶較小。但是隨著埋藏作用的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)層進(jìn)入中成巖A期階段，因地層內(nèi)有機(jī)質(zhì)逐漸成熟釋放有機(jī)酸，造成儲(chǔ)層內(nèi)成巖流體逐漸由堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?圖6c)，并促使易溶巖屑、長(zhǎng)石和早期碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，增孔量為27%。同時(shí)由于長(zhǎng)石顆粒的逐漸溶蝕，酸性條件下穩(wěn)定的自生高嶺石也隨之逐漸發(fā)育并充填孔隙。從儲(chǔ)層鏡質(zhì)體反射率來看(圖6b)，有機(jī)質(zhì)仍處于低成熟—半成熟的狀態(tài)，即仍可排出有機(jī)酸，因此目前頭屯河組儲(chǔ)層應(yīng)仍處于酸性流體條件。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層自生黏土礦物類型及其相對(duì)含量

3.5 古孔隙度定量計(jì)算

首先通過儲(chǔ)層粒度分析實(shí)驗(yàn)獲取各儲(chǔ)層樣品的粒度分選系數(shù)S0值(粒度概率累計(jì)曲線上碎屑顆粒含量分別為25%和75%處所對(duì)應(yīng)的粒徑比值的平方根)；并通過物性分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲取樣品現(xiàn)今孔隙度值(Φ)；此外，通過儲(chǔ)層巖石鑄體薄片厘定各樣品剩余粒間孔相對(duì)百分含量(Sg)、膠結(jié)物含量(C)和溶蝕孔的相對(duì)百分含量(Sd)這3個(gè)參數(shù)值。

在獲取上述各參數(shù)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)BEARD等[32-34]建立的原始孔隙度Φ0和Trask分選系數(shù)S0的關(guān)系，計(jì)算儲(chǔ)層樣品的原始孔隙度：

Ф0=20.91+22.9/S0

(1)

儲(chǔ)層原始孔隙損失的一個(gè)重要因素就是壓實(shí)作用，并且壓實(shí)作用貫穿儲(chǔ)層的整個(gè)埋藏過程，壓實(shí)后剩余粒間孔隙度除包含現(xiàn)今剩余粒間孔隙度外，還應(yīng)包含膠結(jié)物所占據(jù)的孔隙空間，因此壓實(shí)后剩余粒間孔的孔隙度為：

Ф1=Sg/100×Ф+C

(2)

據(jù)此，壓實(shí)作用損失孔隙度為：

(3)

除壓實(shí)和膠結(jié)作用外，儲(chǔ)層主要經(jīng)歷的成巖作用為溶蝕作用，因此樣品現(xiàn)今的實(shí)測(cè)孔隙度減去溶蝕增加的孔隙度，即為壓實(shí)—膠結(jié)后剩余粒間孔的孔隙度：

Ф2=(1-Sd/100)Ф

(4)

據(jù)此，膠結(jié)作用損失的總孔隙度為：

(5)

溶蝕增孔孔隙度為：

Ф3=Sd/100×Ф

(6)

準(zhǔn)南東段頭屯河組古孔隙度恢復(fù)相關(guān)參數(shù)來源于3口井共9個(gè)樣品點(diǎn)，通過對(duì)儲(chǔ)層各樣品分別計(jì)算古孔隙度的各相關(guān)參數(shù)，最終通過對(duì)所有樣品的計(jì)算結(jié)果取平均值的方法，表征頭屯河組古孔隙度各參數(shù)的演化過程和相關(guān)的孔隙增加—損失量。通過實(shí)驗(yàn)及薄片分析可得，頭屯河組砂巖儲(chǔ)層現(xiàn)今實(shí)測(cè)孔隙度平均為8.00%；而通過上述公式計(jì)算所得的頭屯河組砂巖儲(chǔ)層的初始孔隙度平均為32.59%，壓實(shí)后剩余粒間孔的孔隙度平均為11.09%，壓實(shí)損失孔隙度平均為21.50%，壓實(shí)—膠結(jié)后剩余粒間孔隙度平均為7.14%，膠結(jié)損失的孔隙度為3.95%，溶蝕增孔孔隙度平均為0.86%。綜上可見，壓實(shí)作用為儲(chǔ)層孔隙減少的主要因素；膠結(jié)作用為次要因素，其對(duì)孔隙減少的影響較??；溶蝕作用較弱，但對(duì)儲(chǔ)層物性起到一定程度上的改善。

4 儲(chǔ)層物性保存控制因素

準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層的形成主要受控于初始沉積條件和后期成巖改造。初始沉積條件包括儲(chǔ)層巖礦組分和巖性組構(gòu)，不僅影響儲(chǔ)層初始物性條件，而且對(duì)后期成巖過程產(chǎn)生重要影響；后期成巖改造對(duì)儲(chǔ)層物性的保存起到了關(guān)鍵作用。此外，地層埋藏、溫壓條件及構(gòu)造作用等外部因素也對(duì)儲(chǔ)層物性造成一定程度的影響。

4.1 沉積因素

頭屯河組儲(chǔ)層物性與石英碎屑顆粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，而與長(zhǎng)石以及巖屑含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7a-c)。這一特征說明石英等剛性碎屑含量越高，對(duì)儲(chǔ)層抗壓實(shí)性的提高就越顯著，有利于孔隙的保存。由于頭屯河組儲(chǔ)層巖屑成分主要為塑性的凝灰?guī)r，因此雖然部分可受到后期溶蝕，但其降低了儲(chǔ)層抗壓實(shí)性，對(duì)物性造成更大損失。長(zhǎng)石顆粒雖然可以受到一定的溶蝕作用而增大孔隙，但長(zhǎng)石溶蝕后生成的高嶺石阻塞了孔隙(圖5h)，且溶蝕作用多發(fā)生在顆粒內(nèi)部(圖4d)，導(dǎo)致其與孔隙系統(tǒng)連通性差，溶蝕產(chǎn)物無法及時(shí)排出，加之溶蝕作用并不顯著，因此隨著長(zhǎng)石含量的增加，對(duì)孔隙發(fā)育逐漸起到抑制作用。

儲(chǔ)層顆粒的分選性以及巖性同樣對(duì)儲(chǔ)層物性有較大影響。頭屯河組儲(chǔ)層以不等厚的辮狀河三角洲前緣細(xì)砂巖為主(圖1c)，河口壩、灘壩儲(chǔ)層相對(duì)不發(fā)育。砂礫巖和粉砂巖物性相對(duì)較差，粗砂巖物性相對(duì)較好(圖7d)，隨著碎屑顆粒分選變差，儲(chǔ)層物性相應(yīng)降低(圖7e-f)。粉砂巖由于粒度細(xì)，其初始物性條件相對(duì)較差；砂礫巖粒度粗，其初始物性條件較好，但因其早期堿性成巖流體含量較高，致使其內(nèi)部碳酸鹽膠結(jié)物較砂巖更多，因此物性損失更大，孔隙度分布范圍較廣，且相對(duì)集中于低孔隙度。從粗砂巖到細(xì)砂巖的物性變差趨勢(shì)(圖7d)可以看出，粗砂巖的物性最好且較為穩(wěn)定。顆粒分選的降低，致使碎屑顆粒排列更加緊密[35]，降低了抗壓實(shí)性，物性也隨之變差。整體而言，準(zhǔn)南東段頭屯河組以分選好的砂巖儲(chǔ)層物性最為優(yōu)越。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層巖石組分(a-c)、巖性(d)及碎屑顆粒分選系數(shù)(e-f)與物性的關(guān)系

4.2 成巖因素

早成巖階段發(fā)育的碳酸鹽膠結(jié)物主要呈孔隙充填式產(chǎn)出(圖4c，圖5b-c)，由碳酸鹽膠結(jié)物含量與儲(chǔ)層物性關(guān)系圖(圖8a-b)可見，隨著碳酸鹽含量增加儲(chǔ)層孔隙度及滲透率也隨之降低。雖然早成巖期碳酸鹽膠結(jié)物的出現(xiàn)將有效增加儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力，可以使原生孔隙得以一定程度保存，但由于頭屯河組儲(chǔ)層主體處于早成巖期，儲(chǔ)層內(nèi)部成巖流體酸性較弱，使得碳酸鹽膠結(jié)物尚未受到有效的溶蝕改造，因此碳酸鹽膠結(jié)物整體上對(duì)儲(chǔ)層物性保存仍起到抑制作用。除碳酸鹽膠結(jié)物外，早成巖期儲(chǔ)層孔隙內(nèi)還發(fā)育有黃鐵礦(圖5j)和沸石等膠結(jié)物充填，造成了儲(chǔ)層物性的進(jìn)一步損失。

黏土礦物膠結(jié)與儲(chǔ)層物性間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜。早成巖期頭屯河組儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育有大量的自生綠泥石，雖然包殼狀產(chǎn)出的自生綠泥石可抑制石英次生加大，提高儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力，促進(jìn)后期溶蝕作用[36-37]，但其含量與孔隙度呈明顯的負(fù)相關(guān)性，與滲透率呈一定程度的負(fù)相關(guān)性(圖8c-d)。由于自生綠泥石主要以葉片狀及絨球狀呈孔隙充填形式產(chǎn)出(圖5e)，造成儲(chǔ)層孔隙的損失及滲流能力的降低。伊蒙混層在儲(chǔ)層早成巖期和中成巖期長(zhǎng)期存在，其含量與儲(chǔ)層物性呈負(fù)相關(guān)性(圖8e-f)。伊蒙混層晶體形態(tài)介于蒙皂石與伊利石之間，多呈不規(guī)則狀產(chǎn)出充填孔隙，并可形成近蜂巢狀或絲狀包殼(圖5d，f，l)，使得儲(chǔ)層滲流能力降低。隨著儲(chǔ)層不斷埋藏及成巖演化，其內(nèi)部伊蒙混層將逐步轉(zhuǎn)化為伊利石；而自生伊利石膠結(jié)物主要呈顆粒表面彎曲片狀產(chǎn)出，不僅阻塞部分孔隙(圖5f)，同時(shí)還可大大削弱孔隙空間內(nèi)流體的滲流能力。因此，其對(duì)儲(chǔ)層的物性保存有一定的抑制作用，使儲(chǔ)層物性隨其含量增大而呈降低趨勢(shì)(圖8g-h)。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層物性與碳酸鹽(a-b)、黏土礦物(c-h)膠結(jié)物含量的關(guān)系

中成巖期，隨著有機(jī)質(zhì)的逐漸成熟，將釋放有機(jī)酸[23]，使得成巖流體由堿性逐漸變?yōu)樗嵝?。在酸性成巖流體條件下，儲(chǔ)層內(nèi)部長(zhǎng)石、易溶巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物等將發(fā)生溶蝕作用，進(jìn)而形成次生孔隙[21,23]，使得儲(chǔ)層物性得以一定程度的恢復(fù)(圖4c-e，圖5k-l)；同時(shí)長(zhǎng)石的溶蝕將促使孔隙內(nèi)自生高嶺石的生成(圖5h)。由頭屯河組儲(chǔ)層物性垂向變化特征看(圖9a-b)，在4 500 m處，由于地層埋深較大，使得該深度部分儲(chǔ)層已經(jīng)達(dá)到中成巖階段，其成巖流體應(yīng)為酸性條件，因此溶蝕作用的發(fā)育將促使更多次生溶蝕孔隙的產(chǎn)生(圖4c-e，圖5k)，導(dǎo)致該深度處形成深層異常高孔滲帶。雖然中成巖期酸性流體條件會(huì)促進(jìn)儲(chǔ)層內(nèi)石英次生加大以及自生石英微晶等硅質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育并充填孔隙，使得儲(chǔ)層物性在一定程度上進(jìn)一步損失，但頭屯河組儲(chǔ)層內(nèi)石英次生加大和自生石英微晶相對(duì)不發(fā)育，因此在中成巖期，次生溶蝕改造作用對(duì)頭屯河組儲(chǔ)層物性的影響更為明顯。

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段頭屯河組儲(chǔ)層物性垂向變化(a-b)及地層壓力(c)

4.3 地層埋藏及溫壓條件

前已述及，準(zhǔn)南東段頭屯河組儲(chǔ)層物性保存的關(guān)鍵是其相對(duì)較弱的成巖強(qiáng)度，而延緩儲(chǔ)層成巖進(jìn)程的內(nèi)在原因是頭屯河組儲(chǔ)層特殊的埋藏方式及其與之匹配的地層超壓的形成和持續(xù)減小的古地溫梯度。

由長(zhǎng)山1井埋藏史曲線(圖6d)可見，頭屯河組儲(chǔ)層經(jīng)歷了侏羅—白堊紀(jì)的長(zhǎng)期持續(xù)埋藏、古近紀(jì)的緩慢微幅抬升、新近紀(jì)早期快速深埋及晚期快速抬升4個(gè)階段。因此整體而言，頭屯河組儲(chǔ)層處于深埋藏的時(shí)限相對(duì)較短，且晚期的快速深埋將促使儲(chǔ)層內(nèi)的孔隙水難以排泄并發(fā)育欠壓實(shí)現(xiàn)象，使得地層壓力逐漸增大并最終進(jìn)入現(xiàn)今的超壓狀態(tài)[38-39]。此外，前期研究表明，侏羅系烴源巖在新近紀(jì)中晚期進(jìn)入大量生排烴階段[40-42]，因此其也會(huì)導(dǎo)致深埋過程中頭屯河組地層超壓的形成。由頭屯河組實(shí)測(cè)地層壓力垂向變化特征(圖9c)可見，在深度2 500 m和4 000～4 500 m處，地層的壓力系數(shù)分別為1.81和2，處于強(qiáng)超壓帶上[43-44]。超壓的出現(xiàn)，能夠極大減緩儲(chǔ)層的壓實(shí)強(qiáng)度，抑制自生石英生成，有利于長(zhǎng)石溶蝕作用的發(fā)生[45-46]，進(jìn)而使得儲(chǔ)層在埋藏過程中物性得以有效保存；而較短的深埋時(shí)間和晚期快速抬升過程，也使得儲(chǔ)層遭受的深層復(fù)雜成巖環(huán)境的成巖改造強(qiáng)度大幅降低。因此，頭屯河組的埋藏方式及地層超壓的出現(xiàn)，使得儲(chǔ)層在2 500 m深度處出現(xiàn)淺層異常高孔滲帶，同時(shí)也對(duì)深層高孔滲帶的發(fā)育起到積極作用(圖9a-b)。

此外，在頭屯河組儲(chǔ)層的整個(gè)埋藏過程中，準(zhǔn)南地區(qū)的古地溫梯度一直處于持續(xù)降低狀態(tài)(圖6e)[26]，而較低的古地溫將有效延緩儲(chǔ)層成巖作用進(jìn)程，這也是頭屯河組儲(chǔ)層在局部深埋條件下仍主體處于早成巖期的重要原因之一。在低地溫梯度下，各類成巖作用尤其是壓實(shí)作用和膠結(jié)作用的強(qiáng)度將大大衰減[47-50]。同時(shí)，地溫梯度的降低也可減緩有機(jī)質(zhì)成熟的過程，增大了烴源巖生排烴埋藏深度和持續(xù)時(shí)限，進(jìn)而間接拓展了儲(chǔ)層受溶蝕的深度和時(shí)間，使得儲(chǔ)層深埋條件下仍可被有效溶蝕改造[22,48]，這也是促進(jìn)儲(chǔ)層垂向上出現(xiàn)深層高孔滲帶的重要原因之一。

4.4 構(gòu)造因素

準(zhǔn)南東段的構(gòu)造條件復(fù)雜，而構(gòu)造作用可通過控制儲(chǔ)層的沉積作用過程進(jìn)而間接對(duì)儲(chǔ)層孔隙演化造成影響。頭屯河組沉積作用主要受燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要影響頭屯河組砂體成因類型、砂體發(fā)育的規(guī)模、初始分布特征以及巖石的成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度等特征；而喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定了頭屯河組沉積體系的最終分布特征[51-54]。上述構(gòu)造作用對(duì)儲(chǔ)層物性的間接控制作用具體表現(xiàn)為兩方面：一方面博格達(dá)山在中侏羅世開始構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈[11]，使得頭屯河組儲(chǔ)層主要發(fā)育近源辮狀河三角洲沉積相帶，儲(chǔ)層粒度相對(duì)較粗，初始物性較好；另一方面強(qiáng)烈的構(gòu)造環(huán)境使得儲(chǔ)層具有較低的成分成熟度，特別是凝灰?guī)r等塑性巖屑含量較高，使得儲(chǔ)層在埋藏壓實(shí)過程中壓實(shí)減孔較明顯。強(qiáng)烈的構(gòu)造作用不僅會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生明顯的構(gòu)造壓實(shí)現(xiàn)象，也會(huì)使儲(chǔ)層內(nèi)部產(chǎn)生裂縫進(jìn)而使得物性得以一定程度改善(圖4f)。

此外，由頭屯河組壓實(shí)減孔率與碎屑成分的關(guān)系可見，頭屯河組儲(chǔ)層的壓實(shí)減孔率與石英含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10a)，而與長(zhǎng)石及巖屑含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖10b-c)，說明石英等剛性顆粒含量越高，其抗壓實(shí)能力越強(qiáng)、越有利于物性保存；而長(zhǎng)石和巖屑抗壓實(shí)能力較差，不利于物性保存。因此，不同礦物成分的儲(chǔ)層，在包括構(gòu)造壓實(shí)作用和埋藏壓實(shí)作用的共同疊加下，具有相對(duì)較大的物性差異。

圖10 準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層壓實(shí)減孔率與碎屑成分的關(guān)系

5 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段頭屯河組儲(chǔ)層內(nèi)部巖屑含量高，并以凝灰?guī)r巖屑為主，成分成熟度低；碎屑顆粒間填隙物以膠結(jié)物特別是碳酸鹽膠結(jié)物為主，而雜基含量低；砂巖碎屑顆粒分選好—中等，中等結(jié)構(gòu)成熟度。

(2)頭屯河組儲(chǔ)層孔隙度平均為11.6%，滲透率平均為5.7×10-3μm2；儲(chǔ)集空間以粒間孔為主，次為溶蝕孔；孔喉結(jié)構(gòu)顯示中孔—大孔及粗喉道占比大，儲(chǔ)層整體屬低孔低滲儲(chǔ)層。

(3)頭屯河組儲(chǔ)層成巖作用主要以壓實(shí)、膠結(jié)和溶蝕作用為主。其中壓實(shí)作用不強(qiáng)烈；膠結(jié)作用較弱，膠結(jié)物含量少，其中以方解石膠結(jié)為主；溶蝕作用強(qiáng)烈，且以粒內(nèi)溶孔為主。儲(chǔ)層整體成巖強(qiáng)度較弱，成巖演化主要處于早成巖A期—中成巖A期。

(4)粒度分選較好、相對(duì)富石英、貧長(zhǎng)石和巖屑是頭屯河組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的基礎(chǔ)。儲(chǔ)層物性損失以壓實(shí)減孔最為顯著，而深部溶蝕作用使儲(chǔ)層物性得以改善。此外，早期緩慢埋藏—晚期快速深埋和快速抬升的埋藏方式、地層超壓以及持續(xù)降低的古地溫梯度，延緩了儲(chǔ)層成巖進(jìn)程，降低了成巖強(qiáng)度，是物性得以保存的關(guān)鍵。而構(gòu)造作用則通過控制沉積作用以及構(gòu)造壓實(shí)，間接影響儲(chǔ)層物性。