差異性成巖過程對百口泉組砂礫巖巖石物理特征的影響

鄧?yán)^新， 柴康偉， 宋連騰， 劉忠華， 潘建國， 譚開俊， 王斌

1 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué)), 成都 610059 2 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院地球物理系, 成都 610059 3 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083 4 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院, 蘭州 720030

0 引言

國內(nèi)以砂礫(中粒沉積)為主的傳統(tǒng)領(lǐng)域原油產(chǎn)量逐年遞減，同時新興的頁巖油(細(xì)粒沉積)增速尚不足以滿足需求.因此國內(nèi)中生代、新生代陸相湖盆沉積體系內(nèi)的砂礫巖(粗粒沉積)油藏已經(jīng)成為現(xiàn)階段石油勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域之一(鄒才能等，2011；于興河等，2018).尤其是近年在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷斜坡區(qū)三疊系百口泉組礫巖中發(fā)現(xiàn)了10億噸級特大型油田，而該地區(qū)還具備再發(fā)現(xiàn)10億噸級大型砂礫巖油田的可能，其資源前景十分可觀(匡立春等，2014).

瑪湖砂礫巖儲層為典型的低孔、低滲成巖圈閉型油藏，表現(xiàn)為在差異性成巖作用下砂礫巖中的致密層演變?yōu)檎趽鯇?，而物性相對較好的砂礫巖層作為圈閉內(nèi)的有效儲集體，砂礫巖體內(nèi)由于近源和陸相沉積環(huán)境而具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，增大了勘探開發(fā)的風(fēng)險.對百口泉砂礫巖的巖石學(xué)特征、沉積環(huán)境及砂體分布規(guī)律已有較為明確的認(rèn)識，提出了古溝槽中前積型扇三角洲沉積模式，明確了扇三角洲前緣亞相與平原亞相為主要的沉積相類型，指出大型緩坡扇三角洲前緣相砂礫巖是砂礫巖成巖圈閉形成的關(guān)鍵(瞿建華等，2013；朱寧等，2019).百口泉砂礫巖儲層特征也有較為深入的研究，指出砂礫巖中不同的礦物組分、古地溫、地層流體不同導(dǎo)致的成巖作用過程差異是造成物性變化的根本原因，明確了前緣相優(yōu)質(zhì)儲層中發(fā)育“溶蝕改造型”和“深埋原生保存型”兩種主要的孔隙類型(曲永強(qiáng)等，2015；靳軍等，2016；朱寧等，2019).已有研究結(jié)果表明，百口泉組砂礫巖不同沉積環(huán)境下的沉積物自身的內(nèi)在特征(碎屑組分和結(jié)構(gòu))在一定程度上制約著成巖作用的發(fā)生和發(fā)展，從而造成不同的成巖作用過程進(jìn)而影響儲層物性的演化進(jìn)程，直接導(dǎo)致儲層物性的差異，并由此影響儲層的儲集性能.同樣，儲層巖石作為不同沉積、成巖過程的產(chǎn)物，其巖石物理性質(zhì)必然攜帶著反應(yīng)不同地質(zhì)過程的信息.而現(xiàn)有針對儲層巖石的地震巖石性質(zhì)研究主要關(guān)注于彈性性質(zhì)變化規(guī)律的分析(史謌等，2003；李維新等，2009；印興耀等，2015；鄧?yán)^新等，2015，龐孟強(qiáng)等，2020)，并未置于特定地質(zhì)過程中分析其“動態(tài)”變化規(guī)律，致使巖石物理研究缺乏明確的地質(zhì)意義，也在很大程度上影響了儲層地震預(yù)測和評價的精度.本文在對瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖系統(tǒng)巖石學(xué)特征與巖石物理特征測試基礎(chǔ)上，結(jié)合沉積、成巖過程的厘定，分析成巖過程差異對不同沉積環(huán)境砂礫巖樣品巖石物理特征的影響與控制作用，建立沉積環(huán)境、成巖過程、巖石結(jié)構(gòu)以及巖石物理特征之間的響應(yīng)關(guān)系，為砂礫巖儲層測井解釋和“甜點”地震預(yù)測提供巖石物理依據(jù)，并以期通過對特定儲層的研究作為示例，形成在地質(zhì)過程中研究巖石物理特征演化的新方法.

1 地質(zhì)背景與巖石學(xué)特征

1.1 沉積環(huán)境與沉積相

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的瑪湖凹陷為克拉瑪依逆掩斷裂帶的山前凹陷，以下二疊統(tǒng)佳木河組和風(fēng)城組為主要烴源巖層，其上的二疊系烏爾禾組、三疊系百口泉是斜坡區(qū)重要的含油層系(陳發(fā)景等，2005；唐勇等，2014).凹陷斜坡帶百口泉組發(fā)育大型扇三角洲沉積序列，巖性以灰色、褐紅色砂礫巖為主，少量灰色細(xì)砂巖、含礫砂巖，厚度130～230 m(蔚遠(yuǎn)江等，2007；瞿建華等，2013).依據(jù)巖石粒度、顏色、礫石支撐方式、沉積構(gòu)造等因素，可劃分為7種沉積微相類型，即扇三角洲平原的辮狀河道、泥石流和河道間，扇三角洲前緣的水下分流河道、水下分流河道間灣、河口砂壩，以及前扇三角洲(圖1).其中可作為儲層的扇三角洲骨架砂體主要由五類成因相類型構(gòu)成，包括辮狀河道、水下分流河道、河口砂壩、泥石流與碎屑流.辮狀河道與泥石流微相以褐色砂礫巖為主，分選性差，雜基含量高，反映氧化環(huán)境中穩(wěn)定水動力條件下的牽引流沉積特征.水下分流河道主要為灰色砂質(zhì)礫巖或砂礫巖，具有同級砂質(zhì)顆粒支撐，雜基含量較低，分選較好，反應(yīng)還原環(huán)境中穩(wěn)定水動力條件下的牽引流沉積特征.前緣砂壩主要為灰色含礫粗砂巖，雜基含量低，分選較好，亦反應(yīng)還原環(huán)境中穩(wěn)定水動力條件下的牽引流沉積特征.前緣碎屑流微相砂礫巖呈灰色或灰綠色，具有砂質(zhì)顆粒支撐特征，反應(yīng)還原環(huán)境中重力流沉積特征.按物源差異，可將瑪湖凹陷百口泉組劃分為瑪西黃羊泉扇、瑪北夏子街扇、瑪東夏鹽扇與瑪南克拉瑪依扇(唐勇等，2014；朱寧等，2019).本研究實驗樣品主要選自瑪西黃羊泉扇和瑪北夏子街扇.

圖1 瑪湖凹陷三疊系百口泉組扇三角洲微相單元構(gòu)成模式圖Fig.1 Schematic diagram showing the microfacies classification of the fan delta of Triassic Baikouquan formation in Mahu Sag

1.2 巖石學(xué)特征

依據(jù)樣品巖屑和礦物組分實驗數(shù)據(jù)分析可知，百口泉砂礫巖不同微相樣品在巖石學(xué)特征上存在明顯差異(圖2).扇三角洲前緣砂壩含礫粗砂巖以巖屑石英砂巖與長石巖屑砂巖為主，樣品中石英、長石和黏土平均含量分別為27.3%、18.2%與3.4%，凝灰?guī)r巖屑和花崗巖巖屑平均含量分別為38.8%與11.7%.水下分流河道微相主要發(fā)育細(xì)粒長石巖屑砂礫巖，所含礫石成分主要為凝灰?guī)r、流紋巖，其次為花崗巖、安山巖與硅質(zhì)巖；砂質(zhì)成分中石英、長石和黏土平均含量分別為18.4%、13.9%與4.6%，凝灰?guī)r巖屑和花崗巖巖屑平均含量分別為51.8%與8.6%.扇三角洲平原辮狀河微相主要發(fā)育細(xì)—中粒巖屑砂礫巖，在礫石與砂質(zhì)組成類型上與前緣砂壩和水下分流河道微相相似；砂質(zhì)組分中塑性凝灰?guī)r與流紋巖巖屑含量增大，平均可達(dá)68.2%，而花崗巖等剛性碎屑含量較少，僅為5.2%；砂質(zhì)組分中石英與長石含量亦表現(xiàn)出減小的趨勢，而黏土含量則明顯增大，樣品中石英、長石和黏土平均含量分別為10.2%、6.6%與9.9%.前緣碎屑流與平原泥石流微相砂礫巖樣品則均為巖屑砂巖，礫石成分除火山巖外亦出現(xiàn)少量泥礫；砂質(zhì)中巖屑含量平均可達(dá)70%以上，泥質(zhì)雜基含量超過15%，石英與長石含量較小，前緣碎屑流微相石英和長石含量平均僅為4.2%與3.0%，平原泥石流微相石英和長石含量平均為1.7%與1.2%.扇三角洲前緣砂壩、水下分流河道、辮狀河道、碎屑流與泥石流五類骨架砂體樣品表現(xiàn)出塑性巖屑與泥質(zhì)含量依次增大，剛性花崗巖巖屑、石英以及長石含量逐漸減小的整體趨勢.由不同微相樣品組成成分分析可知，前緣砂壩和水下分流河道微相樣品中花崗巖巖屑、石英等剛性顆粒含量較高，儲層抗壓實能力較強(qiáng)，對原生粒間孔保存更為有利；而扇三角洲平原辮狀河與泥石流微相樣品中較高的泥質(zhì)雜基及塑性碎屑的含量則不利于壓實過程中原生孔隙的保存.同時，前緣砂壩和水下分流河道微相樣品中長石含量也相對較高，為后期溶蝕作用的發(fā)生奠定了基礎(chǔ).

百口泉組砂礫巖樣品主要發(fā)育原生孔隙與次生孔隙兩種主要類型，原生孔隙以殘余粒間孔隙為主(圖3a、d)，次生主要包括溶蝕孔、顆粒壓碎縫與黏土收縮縫(圖3b—d).溶蝕孔隙對百口泉組砂礫巖物性的改善具有重要作用，溶蝕孔隙多為火山巖或長石碎屑顆粒發(fā)生選擇性溶蝕產(chǎn)生，長石顆粒內(nèi)溶蝕表現(xiàn)出席狀溶孔特征，部分長石顆粒邊緣被溶蝕，使得原生粒間孔隙有所擴(kuò)大，造成溶蝕的長石顆粒與周圍顆粒呈不接觸狀態(tài)(圖3a、d)；火山碎屑溶蝕多沿顆粒邊緣，并向原生粒間孔隙擴(kuò)展而形成擴(kuò)大的粒間溶孔(圖3c).顆粒壓碎縫為巖石組成顆粒受側(cè)向或縱向擠壓時，顆粒接觸點處承受的壓力較大而產(chǎn)生的顆粒內(nèi)部裂隙，且常伴隨溶蝕作用沿縫擴(kuò)溶(圖3d).受剛性顆粒及長石含量差異的影響，作為儲層的前緣水下分流河道與砂壩微相樣品中孔隙類型以次生溶孔為主(圖3a、b)，原生粒間孔次之.非儲層的前緣碎屑流、平原辮狀河與泥石流微相砂礫巖樣品中溶蝕孔隙不發(fā)育，孔隙以原生粒間孔與黏土收縮縫為主，巖性致密(圖3c、d).

1.3 成巖作用類型與巖石結(jié)構(gòu)

研究區(qū)百口泉組砂礫巖經(jīng)歷的成巖作用類型較多，其中對砂礫巖儲集空間的發(fā)育起控制作用的主要包括壓實、溶蝕、膠結(jié)和交代作用等(曲永強(qiáng)等，2015；靳軍等，2017；朱寧等，2019).受初始沉積物礦物組成差異的影響，不同微相巖石成巖過程存在差異，不但形成由致密帶和有利儲層帶構(gòu)成的成巖圈閉，也表現(xiàn)在不同微相巖石在巖石結(jié)構(gòu)與巖石物理性質(zhì)上具有明顯差異.

圖2 百口泉組不同微相砂巖類型三角圖(a)及組成成分直方圖(b)Fig.2 Rock classification(a) and composition histogram (b) of samples from Baikouquan formation, sorted by microfacies

圖3 百口泉組砂礫巖樣品孔隙特征(a) 前緣水下分流河道微相樣品原生粒間孔與原生粒間孔溶蝕擴(kuò)徑; (b) 前緣砂壩微相樣品粒內(nèi)長石溶孔與原生粒間孔溶蝕擴(kuò)徑; (c) 平原微相樣品火山巖屑粒內(nèi)溶孔與顆粒壓碎縫; (d) 平原泥石流樣品顆粒壓碎縫.Fig.3 Microphotos showing pore characteristics of samples from Baikouquan formation in thin section(a) Primary intergranular pore and the pore enlargement due to dissolution in samples from distributary channel of deltaic front; (b) Intragrain dissolution of feldspar in samples from deltaic front bar; (c) Intragrain dissolution of volcanic debris and grain crushing crack in samples from fan delta plain; (d) Grain crushing crack in samples from debris flow of fan delta plain.

圖4 百口泉組不同微相砂礫巖成巖特征(a) 平原辮狀河砂礫巖碎屑顆粒連續(xù)包殼黏土; (b) 包裹黏土平行顆粒邊界; (c) 孔隙充填伊利石; (d) 前緣砂壩含礫粗砂巖石英次生加大; (e) 自生石英晶體; (f)顆粒邊界自生石英膠結(jié); (g) 前緣水下分流河道砂礫巖顆粒邊界自生石英與黏土膠結(jié); (h) 自生石英與 高嶺石伴生; (i) 顆粒邊界黏土膠結(jié); (j) 前緣碎屑流砂礫巖鈣質(zhì)膠結(jié); (k) 孔隙充填鈣質(zhì); (l) 顆粒邊界鈣質(zhì)膠結(jié).Fig.4 Diagenetic characteristics of the Triassic Baikouquan formation reservoirs(a) Sandy conglomerate in braided channel of fan delta plain, showing continuous illitic coats in thin section; (b) Tangential illitic coats in SEM photomicrographs; (c) Pore-lining illite clays; (d) Gravelly sandstone in deltaic front bar, showing quartz overgrowths in thin section; (e) Euhedral overgrowths crystal; (f) Quartz cement on the grains boundary in SEM photomicrographs; (g) Sandy conglomerate in distributary channel of deltaic front, showing quartz and clay cement on the grains boundary in thin section; (h) Euhedral quartz cement and kaolinite showing accompanying relationship; (i) Clay cement on the grains boundary; (j) Sandy conglomerate in debris flow of deltaic front, showing carbonate cement in thin section; (k) Pore filling carbonate cement; (h) carbonate cement on the grains boundary.

圖5 百口泉組砂礫巖成巖石序列示意圖 R:巖屑, Q:碎屑石英, F: 長石, D-R:塑性巖屑, F-D:長石溶蝕, R-D:巖屑溶蝕, C-C:巖屑顆粒包裹黏土, Kao:高嶺石, Ill:自生伊利石, QA:自生石英.Fig.5 Schematic diagram showing the diagenetic sequence of the sandy conglomerate of Baikouquan formation R: debris, R: detrital quartz, F: feldspar, D-R: ductile debris, F-D: feldspar dissolution, R-D: debris dissolution, C-C: clay coats, Kao: kaolinite, Ill: illite, QA: quartz overgrowths.

扇三角洲平原辮狀河道微相砂礫巖由于剛性礦物占比較少，在早成巖階段壓實作用對儲層物性的影響較大.隨著埋藏過程中上覆壓力的增加，大量塑性、半塑性巖屑(凝灰?guī)r巖屑、變質(zhì)板巖巖屑)擠入剛性火山巖碎屑顆粒間形成假雜基質(zhì)，顆粒間呈線接觸，直至凹凸接觸最終出現(xiàn)壓溶現(xiàn)象而呈縫合接觸，原生粒間孔隙壓實減孔明顯(圖4a).成巖早期初始沉積物受河流淡水沖刷的影響，懸浮于水中的碎屑黏土滲入顆粒中，并隨水位下降吸附于顆粒表面形成環(huán)繞巖屑顆粒的黏土薄膜，表現(xiàn)為平行巖屑顆粒的連續(xù)包裹黏土，周期性水位升降使得黏土薄膜增厚；在成巖作用早期的堿性環(huán)境下，火山碎屑與火山玻璃易于在壓實的作用下發(fā)生蝕變，也易于形成位于巖屑顆粒接觸邊界以及環(huán)繞巖屑顆粒的黏土類膠結(jié)(圖4a、b).由于平原辮狀河道砂礫巖中含有超過15%的剛性顆粒(石英與花崗巖巖屑)，對壓實減孔有一定的抑制作用，保有少量原生粒間孔隙.當(dāng)早侏羅世的第一期油氣開始充注后(齊雯等，2015；孟祥超等，2016)，有機(jī)酸尚能夠進(jìn)入沉積物的孔隙中，致使長石、凝灰?guī)r碎屑等不穩(wěn)定礦物開始溶蝕.但由于平原辮狀河道微相沉積物中主要可溶礦物長石的含量較少，而長石等礦物被溶蝕后會伴隨自生高嶺石在孔隙中沉淀，因此這期油氣充注對巖石儲集性能的改善較小.在地層埋深大于3000 m后，古地溫大于80 ℃，黏土礦物中的高嶺石開始向伊利石轉(zhuǎn)化，形成孔隙橋聯(lián)伊利石(圖4a、b)，巖石的儲集空間會進(jìn)一步減少而致密化，也造成早白堊世第二期油氣充注時，有機(jī)酸不能進(jìn)入，溶蝕作用不再繼續(xù).平原辮狀河道微相砂礫巖主要成巖作用表現(xiàn)為：填積→壓實→早期淡水滲濾黏土與火山碎屑蝕變黏土的巖屑顆粒包裹式膠結(jié)→凝灰?guī)r巖屑、長石的弱溶蝕→伊利石化，膠結(jié)物以連續(xù)顆粒包膜黏土為主(圖5).扇三角洲平原泥石流微相的成巖環(huán)境與辮狀河道微相的成巖環(huán)境類似，但由于沉積物主要礦物組成的差異，造成兩者成巖過程略有差異.表現(xiàn)在泥石流微相沉積物中剛性顆粒含量更低，而塑性碎屑和泥質(zhì)雜基含量更高，沉積物的抗壓實能力要弱于辮狀河道，壓實作用導(dǎo)致的減孔更為明顯，在壓實階段原生粒間孔隙消失殆盡而致密化，后期油氣充注過程中有機(jī)酸難以進(jìn)入孔隙中，幾乎不發(fā)生溶蝕作用發(fā)生.同時，泥石流微相沉積物中以長石為主的可溶性礦物的含量也明顯更低，有機(jī)酸對長石及膠結(jié)物的溶蝕作用也要弱于辮狀河道微相.平原泥石流微相砂礫巖主要成巖作用表現(xiàn)為：填積→壓實→早期淡水滲濾黏土與火山碎屑蝕變黏土的巖屑顆粒包裹式膠結(jié)→伊利石化，膠結(jié)物以黏土為主(圖5).

三角洲前緣水下分流河道與前緣砂壩的成巖序列基本相同，與平原辮狀河道砂礫巖的差異主要表現(xiàn)以下幾點：(1)前緣砂壩被水流搬運的更遠(yuǎn)，經(jīng)過長期的淘洗和搬運作用，初始沉積物分選性相對較好，而水下分流河道次之，表現(xiàn)為前緣砂壩→水下分流河道→辮狀河道沉積物的原始孔隙度依次降低；(2)沉積物中剛性組分石英與花崗巖巖屑含量也呈現(xiàn)前緣砂壩→水下分流河道→辮狀河道逐漸降低的趨勢，而泥質(zhì)雜基與半塑性凝灰?guī)r巖屑含量則相反，致使河口砂壩→水下分流河道→辮狀河道沉積物抵抗機(jī)械壓實的作用逐漸增大，也使得前緣砂壩微相與水下分流河道微相巖石中保留了更多的原生孔隙；(3)前緣砂壩→水下分流河道→辮狀河道沉積物中以長石為主的可溶礦物的含量表現(xiàn)出依次降低的趨勢，因此長石溶蝕增孔作用在前緣砂壩微相與水下分流河道微相巖石中更強(qiáng).在早成巖A期，水下分流河道與砂壩微相的成巖作用與平原亞相的成巖作用類似，主要以壓實作用為主，但由于剛性組分及塑性組分的差異，前緣砂壩砂礫巖壓實作用相對較弱，顆粒間以點、線接觸為主，水下分流河道微相砂礫巖顆粒間則以線接觸為主，原生粒間孔隙保存較好(圖4d、g).早成巖A期至中成巖A1期，地層埋藏較淺，受碎屑石英壓溶作用的影響形成圍繞顆粒邊緣的石英自生加大，即早期硅質(zhì)膠結(jié)(圖4f)；同時火山巖巖屑在壓實的作用下發(fā)生蝕變，形成位于巖屑顆粒接觸邊界的早期黏土類膠結(jié)(圖4g).前緣砂壩砂礫巖中石英含量相對較高，以石英次生加大為主要形式的硅質(zhì)膠結(jié)作用較為普遍，而在水下分流河道微相砂礫巖中石英次生加大作用相對較弱.中成巖A2期，地層溫度高于80℃，白堊紀(jì)早期的第二期油氣充注開始(曲永強(qiáng)等，2015；靳軍等，2017；朱寧等，2019).由于前緣水下分流河道與砂壩沉積物中原生粒間孔隙保存較好，有機(jī)酸易于注入，同時較高的長石含量提供了溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，長石溶蝕作用明顯，對儲層物性特征有明顯的改善，形成次生孔隙發(fā)育帶.長石溶蝕釋放出的Al、Fe、Mg、SiO2、Ca等元素加入到孔隙水中導(dǎo)致自生石英及高嶺石等新的自生礦物的生成，并呈伴生形式膠結(jié)于孔隙或碎屑顆粒表面，即后期硅質(zhì)+黏土膠結(jié)作用(圖4h).在古地溫高于100 ℃后，高嶺石開始向伊利石轉(zhuǎn)化形成附著于巖屑顆粒表面或顆粒間的黏土膠結(jié)(圖4i).前緣砂壩與水下分流河道砂礫巖主要成巖作用表現(xiàn)為：壓實→早期自生石英膠結(jié)(石英次生加大)+火山碎屑蝕變黏土膠結(jié)→長石、凝灰?guī)r巖屑溶蝕→自生高嶺石、自生石英膠結(jié)→伊利石化(圖5).前緣砂壩與水下分流河道砂礫巖均表現(xiàn)為硅質(zhì)+黏土膠結(jié)，但由于前緣砂壩砂礫巖中碎屑石英與長英質(zhì)花崗巖巖屑含量更高，早期呈石英次生加大形式的硅質(zhì)膠結(jié)作用更為明顯，具有從前緣砂壩砂礫巖的硅質(zhì)膠結(jié)為主轉(zhuǎn)變?yōu)樗路至骱拥郎暗[巖的硅質(zhì)+黏土膠結(jié)的總體規(guī)律.前緣碎屑流砂礫巖主要表現(xiàn)為同沉積期鈣質(zhì)膠結(jié)，僅少量顆粒呈點接觸，碎屑顆粒漂浮狀孤立分布于鈣質(zhì)膠結(jié)物中，具有典型基底式膠結(jié)特征，反應(yīng)快速堆積的密度流沉積特征(圖4j—l).

2 巖石物理特征

2.1 樣品物性特征

百口泉組砂礫巖樣品孔隙度主要分布于3%～13.5%之間，平均7.6%，滲透率變化范圍為(0.016～14.5)×10-15m2，平均3.96×10-15m2，孔隙度與滲透率具有正相關(guān)性(圖6a)，亦反應(yīng)滲透率主要受孔隙度的控制.前緣砂壩→前緣水下分流河道→平原辮狀河道→前緣碎屑流→平原泥石流物性依次變差，不同微相樣品中原生孔隙與可溶蝕礦物含量的差異是造成這種變化的主要原因.前緣碎屑流微相樣品由于快速堆積以及同沉積的鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石致密化形成較早，后期熱液不易進(jìn)入孔隙，溶蝕作用相對較弱，物性也較差.同樣由于沉積環(huán)境對粒度的控制作用，樣品物性特征與粒度及泥質(zhì)含量也表現(xiàn)出較好的相關(guān)性(圖6b).三角洲前緣砂壩樣品以含礫粗砂巖為主，剛性碎屑含量較高，分選性較好，泥質(zhì)含量低，后期溶蝕作用發(fā)育，孔隙度與滲透率值相對最高.前緣水下分流河道以細(xì)礫砂礫巖為主，剛性碎屑含量較高，泥質(zhì)雜基含量相對較低，造成孔隙度與滲透率值也相對較高.平原辮狀河道以細(xì)-中粒砂礫巖為主，受泥質(zhì)雜基含量高，分選性較差，塑性碎屑含量高以及長石等礦物含量較低的影響，溶蝕孔隙度及殘余粒間孔隙均發(fā)育較差，致使樣品孔隙度與滲透率也相對較低.

2.2 樣品地震巖石物性特征

速度-密度定量關(guān)系常作為AVO屬性反演與疊前彈性參數(shù)反演中重要的輸入模型，以減少反演未知參數(shù)的數(shù)量而廣泛運用.圖7中給出飽水樣品在模擬儲層條件下的縱波波速與密度交會圖，作為對比將巖石物理中普遍使用的純砂巖、純泥巖以及Gardner公式(碎屑巖平均)所給出的碎屑巖速度-密度關(guān)系線(Mavko et al.，2003)計算結(jié)果繪于圖中.儲層條件下樣品縱、橫波速度通過脈沖穿透法測量獲得，縱波換能器頻率850 kHz，橫波換能器頻率500 kHz.上述模型線依據(jù)常規(guī)碎屑巖實驗或測井結(jié)果統(tǒng)計，所針對的碎屑巖儲層以原生粒間孔隙為主，孔隙對儲層巖石速度的影響表現(xiàn)在體積占比(孔隙度)而非孔隙形狀，致使孔隙度對速度、密度的影響一致，造成該類儲層巖石速度與密度之間符合簡單統(tǒng)計模型.從圖中可以看出，實驗樣品數(shù)據(jù)點較為分散，不同沉積環(huán)境樣品在圖中存在明顯差異，且樣品在整體上速度與密度之間不具有明顯的統(tǒng)計關(guān)系.針對樣品的巖石學(xué)特征分析可知，不同沉積微相樣品均以原生粒間孔隙與次生溶蝕孔隙為主，兩者在聲彈性質(zhì)上差異不大，即孔隙對樣品速度的影響亦表現(xiàn)在含量差異而非孔隙結(jié)構(gòu).前緣亞相砂礫巖樣品縱波速度-密度表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，近似沿純砂巖線分布，表現(xiàn)為孔隙度差異對速度及密度的影響，即砂壩含礫粗砂巖→水下分流河道砂礫巖→碎屑流砂礫巖孔隙度逐漸降低，縱波速度與密度增大；隨著水下分流河道微相樣品泥質(zhì)增大，巖石骨架組成礦物自身密度差異對樣品密度的影響得以體現(xiàn)(黏土顆粒密度2.56 g·cm-3小于石英顆粒密度2.65 g·cm-3)，使得其樣品速度-密度關(guān)系逐漸靠近泥巖線.不同平原微相樣品由于孔隙度整體較低，孔隙度對密度的影響弱于巖石骨架組成礦物自身密度差異對樣品密度的影響；同時平原亞相砂礫巖以黏土膠結(jié)為主，即巖石骨架支撐顆粒具有從砂巖的石英顆粒支撐到泥、頁巖黏土支撐的過渡特征.因此，平原辮狀河道砂礫巖與泥石流砂礫巖微相樣品隨泥質(zhì)含量的增加表現(xiàn)出密度逐漸減小，同時泥質(zhì)含量的增加進(jìn)一步降低巖石骨架的剛性，引起速度降低，造成平原亞相樣品速度-密度關(guān)系表現(xiàn)出由砂巖線向泥巖線逐漸過渡的特征.

圖6 百口泉組不同微相砂巖樣品滲透率隨孔隙度 變化關(guān)系(a)與滲透率隨泥質(zhì)含量變化關(guān)系(b)Fig.6 Crossplot of total porosity versus permeability (a) and clay content versus permeability (b) of samples from Baikouquan formation, sorted by microfacies

圖7 百口泉組砂礫巖樣品密度隨縱波速度變化關(guān)系 泥巖線：ρ=1.75 ； 砂巖線：ρ=1.66 ; Gardner公式：ρ=1.741 .Fig.7 Bulk density as function of VP of samples from Baikouquan formation Gardner formula：ρ=1.741 .

縱、橫波速度關(guān)系在地震勘探及儲層評價中具有重要意義，相對于單獨的縱波或縱波阻抗信息，縱、橫波速度關(guān)系對儲層特征變化更為敏感，可作為巖性與孔隙流體特征的指示參數(shù).由于不同儲層巖石沉積、成巖過程的差異，造成縱、橫波速度關(guān)系具有區(qū)域性，對不同儲層巖石縱、橫波速度關(guān)系的重新厘定就顯得十分必要.圖8a中給出百口泉砂礫巖樣品縱、橫波速度關(guān)系，圖中數(shù)據(jù)點均為模擬儲層條件下該層樣品的超聲實驗測量值，作為對比將巖石物理中普遍使用的碎屑巖(李慶忠線)、泥巖線縱、橫波速度關(guān)系模型計算結(jié)果繪于圖中.可以看出，百口泉樣品縱、橫波速度關(guān)系在整體上不具有統(tǒng)計關(guān)系，亦與李慶忠線及泥巖線存在較大差異，前緣砂壩樣品數(shù)據(jù)點主要分布于泥巖線之下，而其余各微相樣品數(shù)據(jù)點均位于泥巖線之上，前緣碎屑流、平原辮狀河與泥石流微相巖樣品則明顯偏離泥巖線與李慶忠碎屑巖線.對樣品按沉積微相進(jìn)行分類，前緣相樣品縱、橫波線性關(guān)系更為明顯，而平原相樣品的縱、橫波速度也具有較好的線性關(guān)系.由于巖石孔隙不論按其形狀結(jié)構(gòu)還是含量對縱、橫波速度影響一致，造成巖性差異不大的樣品其縱、橫波速度之間均會有較好的變化關(guān)系.不難看出，巖石骨架支撐特征(膠結(jié)特征)對百口泉砂礫巖樣品縱、橫波速度關(guān)系影響更為明顯，因此巖石結(jié)構(gòu)(骨架顆粒支撐特征)相似的砂礫巖樣品其縱、橫波速度關(guān)系也會表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，致使前緣亞相樣品與平原亞相砂礫巖樣品縱、橫波速度關(guān)系具有不同的線性統(tǒng)計關(guān)系，同時平原亞相砂礫巖樣品與研究區(qū)湖相泥巖樣品具有一致的統(tǒng)計關(guān)系，亦反映骨架支撐顆粒的相似性.

樣品速度比(泊松比)特征決定于顆粒邊界彈性狀態(tài)(Digby，1981；Regnet et al.，2015).從百口泉三角洲前緣→三角洲平原樣品，顆粒邊界膠結(jié)特征從硅質(zhì)膠結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟噘|(zhì)膠結(jié)，硅質(zhì)膠結(jié)決定前緣樣品具有典型砂巖的低泊松比(低速度)的特征，而顆粒間黏土膠結(jié)決定樣品反映泥巖的特征而具有較高的泊松比(速度比).前緣碎屑流砂礫巖以鈣質(zhì)膠結(jié)與泥質(zhì)膠結(jié)為主，方解石的泊松比介于泥質(zhì)與硅質(zhì)之間，致使碎屑流砂礫樣品泊松比高于前緣砂壩與水下分流河道微相樣品泊松比，而低于平原辮狀河道與泥石流微相樣品的泊松比.由于前緣砂體，砂壩→水下分流河道→碎屑流孔隙度依次降低，縱波速度呈逐漸增大的趨勢；同時顆粒邊界膠結(jié)特征也從砂壩微相的硅質(zhì)膠結(jié)為主轉(zhuǎn)變?yōu)樗路至骱拥牢⑾嗟墓栀|(zhì)+黏土膠結(jié)，再到碎屑流微相的鈣質(zhì)膠結(jié)為主，造成該系列樣品表現(xiàn)出速度比(泊松比)隨縱波速度的增大而逐漸增大的總體趨勢(圖8b).對于平原相砂礫巖，顆粒間以黏土膠結(jié)為主，同時凝灰?guī)r等塑性碎屑含量也較高，致使樣品表現(xiàn)出泥巖特征.隨平原辮狀河與泥石流微相樣品黏土含量的增大，樣品中以黏土作為巖石受力骨架的部分也相應(yīng)增加，彈性性質(zhì)也更接近于泥、頁巖，使得縱波速度逐漸降低的同時泊松比逐漸增高.可以看出，前緣相砂礫巖樣品與平原相砂礫巖樣品在縱波速度(縱波阻抗)上存在重疊，但速度比(泊松比)差異明顯，可利用速度比(泊松比)對研究區(qū)巖性進(jìn)行區(qū)分(圖8b).

速度-孔隙度變化方式是分析儲層巖石地震彈性性質(zhì)影響因素的重要表現(xiàn)形式，也是建立地震彈性參數(shù)與儲層參數(shù)定量關(guān)系的主要方式.圖9中給出儲層條件下百口泉砂礫巖樣品縱、橫波速度隨孔隙度的變化關(guān)系，作為對比將巖石物理中普遍使用的不同黏土含量砂巖速度-孔隙度統(tǒng)計模型線計算結(jié)果繪于圖中(Mavko et al.，2003).圖9中可以看出，百口泉砂礫巖樣品速度與孔隙度在整體上具有負(fù)相性，但單一的統(tǒng)計關(guān)系不能較好的表征樣品速度-孔隙度變化特征.在相同孔隙度下，縱、橫波速度最大差異為分別為220 m·s-1和190 m·s-1，而在樣品孔隙度變化范圍內(nèi)，縱、橫波速度最大差異為分別為620 m·s-1和320 m·s-1，表明孔隙度而非孔隙結(jié)構(gòu)是控制百口泉砂礫巖速度變化的第一級因素，也與樣品孔隙類型特征一致.將樣品按微相進(jìn)行分類，不同微相樣品速度-孔隙度關(guān)系具有明顯的分層分布的特征，并表現(xiàn)出較好的線性變化特征(圖9a).前緣砂壩微相樣品縱波速度-孔隙度線性關(guān)系接近黏土含量5%的模型線，前緣水下分流河道與碎屑流微相樣品表現(xiàn)為逐漸遠(yuǎn)離黏土含量5%模型線的趨勢，而平原辮狀河與泥石流微相樣品縱波速度-孔隙度線性關(guān)系更在黏土含量15%模型線以下.橫波速度-孔隙度線性關(guān)系亦具有相似趨勢，前緣砂壩→前緣水下分流河道→平原辮狀河道→平原泥石流樣品逐漸偏離黏土含量5%的模型線(圖9b)，表明巖石樣品骨架中黏土或塑性碎屑等地震彈性性質(zhì)偏塑性的礦物逐漸增多，亦或巖石受力骨架由剛性石英類(石英、花崗巖碎屑等)礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄浴胨苄缘酿ね令?黏土、塑性碎屑等)礦物.

2.3 樣品電性特征

圖10中給出地層水(氯化鈉礦化度8000 mg·L-1)飽和百口泉砂礫巖樣品電阻率隨密度變化特征，樣品電阻率通過數(shù)字電橋儀器測定.可以看出，不同微相樣品在密度-電阻率交匯圖中亦具有分區(qū)分布的特征，前緣砂壩與水下分流河道微相樣品電阻率主要集中于30～60 Ωm間，電阻率與密度之間具有正相關(guān)關(guān)系，反映樣品孔隙度降低過程中富含離子的地層水含量降低對電阻率的影響.前緣碎屑流鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫巖電阻率相對較高，電阻率值大于60 Ωm，且具有較大的變化范圍，電阻率與密度之間也具有正相關(guān)關(guān)系，同樣反映低孔隙度下地層水含量降低對電阻率的影響，以及樣品中主要組成礦物的高電阻特征.平原相砂礫巖樣品電阻率小于35 Ωm，平原泥石流微相樣品的平均電阻率更低，平均僅有20.7 Ωm，樣品電阻率與密度之間顯示負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映樣品在較低孔隙度下(地層水含量差異不大)黏土含量增加造成的巖石骨架電阻率降低，黏土顆粒具有較大的表面積而易于吸附帶電粒子，致使電阻率降低.根據(jù)樣品電性差異性，可將樣品分為三類分別對應(yīng)前緣砂壩與水下分流河道儲層砂礫巖(低電阻率與低密度)、平原辮狀河與泥石流微相砂礫巖(低電阻率與高密度)與前緣碎屑流砂礫巖(電阻率與密度均相對較高).電阻率能夠有效區(qū)分儲層巖相的變化，密度能夠有效反映前緣相帶內(nèi)儲層的物性變化，兩者相結(jié)合亦可對儲層特征進(jìn)行評價.

圖8 百口泉組砂礫巖樣品縱、橫波速度關(guān)系(a)與縱波速度VP/VS變化關(guān)系(b)Fig.8 VS versus VP(a) and VP versus VP/VS ratio (b) of samples from Baikouquan formation

圖9 百口泉組砂礫巖樣品縱波速度-孔隙度變化關(guān)系(a)與橫波速度-孔隙度變化關(guān)系(b)Fig.9 VP as function of porosity VS(a) and VS as function of porosity (b) of samples from Baikouquan formation

圖10 百口泉組砂礫巖樣品電阻率與密度變化關(guān)系Fig.10 Resistivity as function of density of samples from Baikouquan formation

3 結(jié)論

(1)百口泉組砂礫巖不同微相樣品在主要礦物組成上具有明顯差異，表現(xiàn)為扇三角洲前緣砂壩、水下分流河道、辮狀河道、碎屑流與泥石流五類骨架砂體樣品中塑性火山巖巖屑與泥質(zhì)含量依次增大，剛性花崗巖巖屑、石英以及長石含量逐漸減小的整體趨勢.

(2)受初始沉積物礦物組成差異的影響，不同微相巖石壓實過程與成巖過程存在差異，形成不同的巖石微觀結(jié)構(gòu)，前緣砂壩→前緣水下分流河道→平原辮狀河道→平原泥石流微相儲層巖石機(jī)械壓實作用依次增強(qiáng)，成巖作用表現(xiàn)為從砂壩微相樣品的硅質(zhì)膠結(jié)為主轉(zhuǎn)變?yōu)樗路至骱拥牢⑾鄻悠返墓栀|(zhì)+黏土膠結(jié)再到平原辮狀河與泥石流微相樣品的黏土包裹式膠結(jié)，而前緣碎屑流砂礫巖樣品則主要表現(xiàn)為快速堆積的鈣質(zhì)基底式膠結(jié)，造成前緣砂壩→前緣水下分流河道→平原辮狀河道→前緣碎屑流→平原泥石流樣品物性依次變差.

(3)不同微相砂礫巖樣品顆粒微觀接觸特征(膠結(jié)特征)控制了宏觀巖石物理性質(zhì)變化規(guī)律，表現(xiàn)為具有相同顆粒邊界力學(xué)特征的同一微相樣品具有一致的速度-密度、縱波速度-橫波速度以及孔隙度-速度變化關(guān)系，也造成不同微相樣品在縱、橫波速度比上具有明顯的差異，從而速度比可作為百口泉組砂礫巖儲層預(yù)測的敏感彈性參數(shù).

(4)成巖作用差異同樣使不同微相樣品的電阻率特征表現(xiàn)出規(guī)律性變化，表現(xiàn)為平原辮狀河道(平原泥石流)→前緣砂壩→前緣水下分流河道→前緣碎屑流樣品電阻率值依次增大，電阻率差異亦可用于區(qū)分不同微相砂礫巖樣品.