瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層差異及成因

況昊，周潤馳，王鈞民，劉豪，譚先鋒，蔡鑫勇，肖振興

(1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.中國石化 自貢石油化工有限公司，四川 自貢 643000；3.中國石油 西部鉆探工程有限公司，烏魯木齊 830000)

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷及沙灣凹陷斜坡區(qū)緊鄰生烴凹陷，構(gòu)造位置優(yōu)越[1-4]。近年來，環(huán)瑪湖地區(qū)已成為盆地油氣重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)域?，敽枷萆隙B統(tǒng)上烏爾禾組儲(chǔ)集層厚度大、展布廣、巖性多樣且非均質(zhì)性強(qiáng)，受到火山活動(dòng)的影響[5]，形成大量火山碎屑，使得儲(chǔ)集層更加復(fù)雜，沙灣凹陷與瑪湖凹陷儲(chǔ)集層特征相似[4，6-8]。前人針對(duì)不同區(qū)域、不同層位以及不同類型的致密儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)及物性特征，開展了諸多研究，但多是對(duì)單一區(qū)域儲(chǔ)集層的分析討論，缺乏針對(duì)上述2個(gè)地區(qū)儲(chǔ)集層的對(duì)比研究。

儲(chǔ)集層是控制瑪湖凹陷砂礫巖油氣聚集和成藏的主導(dǎo)因素，孔隙水結(jié)晶、沸石形成、多期溶蝕、有利沉積相帶和火山碎屑發(fā)育是深層砂礫巖儲(chǔ)集層形成的關(guān)鍵。位于準(zhǔn)噶爾盆地中拐凸起北側(cè)的瑪湖凹陷和南側(cè)的沙灣凹陷，具有相似的物質(zhì)來源和區(qū)域構(gòu)造作用[7-8]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，開展了上述地區(qū)上烏爾禾組儲(chǔ)集層對(duì)比研究，旨在對(duì)研究區(qū)油氣勘探開發(fā)有所裨益。

1 區(qū)域概況

瑪湖凹陷和沙灣凹陷為準(zhǔn)噶爾盆地2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的二級(jí)構(gòu)造單元[9](圖1)。自二疊紀(jì)以來，研究區(qū)為殘余海相向陸相演化的前陸盆地，地層發(fā)育較為齊全，從二疊系到第四系皆有發(fā)育，兩大凹陷內(nèi)上二疊統(tǒng)上烏爾禾組均向西北方向超覆尖滅，其中，瑪湖凹陷地層平均傾角為4°～5°，沙灣凹陷地層傾角較大，平均為7°～8°[8-10]。研究區(qū)上烏爾禾組自上而下分為3段，主要巖性為砂礫巖和砂質(zhì)礫巖，整體成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低。

2 儲(chǔ)集層特征

瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層砂體物質(zhì)基礎(chǔ)和埋藏史相似，經(jīng)歷了同樣的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。分析研究區(qū)上烏爾禾組儲(chǔ)集層近40 塊樣品薄片，結(jié)果表明，瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層以粗粒沉積為主，巖性主要包括砂礫巖、小礫巖及不等粒砂巖，分選較差，礫石結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低，次棱角狀—次圓狀，顆粒支撐，孔隙膠結(jié)和接觸膠結(jié)，巖屑含量高，以巖屑砂巖為主，沙灣凹陷與瑪湖凹陷具有相似特征。此外，研究區(qū)在中—晚二疊世均受到不斷增大的擠壓應(yīng)力，沉積范圍逐漸增大，二疊紀(jì)晚期均形成逆沖推覆構(gòu)造[11-15]。準(zhǔn)噶爾盆地西部巖石組分分布具有區(qū)域性特點(diǎn)，母巖成分和成巖流體差異都可能是導(dǎo)致后期差異成巖作用的原因。

3 儲(chǔ)集層成巖作用特征

3.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層成巖作用特征

瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層主要經(jīng)歷壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕和交代作用[16-18]。①壓實(shí)作用：上烏爾禾組屬于深部儲(chǔ)集層，展示出較強(qiáng)壓實(shí)作用特征，瑪湖凹陷礫石占比大，且砂質(zhì)充填其間，部分組合形式形成了簡(jiǎn)單三角應(yīng)力保護(hù)結(jié)構(gòu)，在一定程度上保護(hù)了孔隙結(jié)構(gòu)，碳酸鹽礦物和沸石膠結(jié)物充填孔隙，在早成巖階段為巖石提供了部分支撐作用，提高了其抗壓實(shí)能力；鏡下觀察可見，礦物之間、礦物和有機(jī)物間主要為點(diǎn)—線接觸和線接觸，部分原生孔隙被破壞，部分塑性顆粒發(fā)生微觀形變，如泥巖、云母等，高脆性礦物常出現(xiàn)微裂紋且部分被固體瀝青充填。②膠結(jié)作用：研究區(qū)膠結(jié)物類型復(fù)雜，包括碳酸鹽膠結(jié)、濁沸石膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)以及黏土礦物膠結(jié)，多見大片連晶狀方解石，瑪湖凹陷發(fā)育暗紅色及亮黃色2 期方解石膠結(jié)；沸石膠結(jié)主要為凝灰?guī)r巖屑水化作用形成，研究區(qū)分布大量火山沉積物，為其提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，沸石礦物主要有濁沸石、片沸石、斜發(fā)沸石等[19]，以濁沸石為主，產(chǎn)出方式為孔隙充填，呈板條狀，常與方解石共生堵塞孔隙，少見溶蝕現(xiàn)象。③溶蝕作用：瑪湖凹陷常見多種溶蝕物，長石顆粒中以鉀長石溶蝕為主；由于研究區(qū)中—基性火山巖富集，巖屑溶蝕較普遍，主要形成點(diǎn)狀粒內(nèi)溶孔；填隙物的溶解主要為黏土礦物(含水云母化雜基等)及方解石膠結(jié)物的溶解，沸石類膠結(jié)物溶蝕現(xiàn)象不顯著。④交代作用：黏土礦物間的交代，伊蒙混層是瑪湖凹陷上烏爾禾組最常見的黏土礦物，分布于顆粒表面和孔隙中；此外，碳酸鹽礦物交代石英和長石(圖2)。

圖2 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層特征Fig.2.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Mahu sag

3.2 沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層成巖作用特征

沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層主要經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕、交代作用等[20]。①壓實(shí)作用：沙灣凹陷上烏爾禾組平均深度約為4 500 m，礫石多為線接觸及凹凸接觸，壓實(shí)作用強(qiáng)烈，埋藏初期，沉積物水分被迅速排出。②膠結(jié)作用：火山碎屑物質(zhì)蝕變是研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)集層沸石膠結(jié)物的重要物質(zhì)來源，膠結(jié)物有方解石、沸石、硅質(zhì)等，綠泥石、濁沸石、片沸石等膠結(jié)物的形成使得儲(chǔ)集層物性降低；研究區(qū)弱膠結(jié)普遍發(fā)育，且膠結(jié)物含量與孔隙度呈正相關(guān)性，所以膠結(jié)物后期還可起到一定的抗壓實(shí)作用。③溶蝕作用：研究區(qū)經(jīng)歷多次堿性與酸性成巖環(huán)境的轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)集層多期次形成各類溶孔，包括長石溶孔、巖屑溶孔以及沸石溶孔。④交代作用：研究區(qū)交代作用主要為綠泥石水云母化，礦物形態(tài)及結(jié)構(gòu)都發(fā)生較大改變，但儲(chǔ)集層物性受交代作用影響不大(圖3)。

圖3 沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層特征Fig.3.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Shawan sag

4 儲(chǔ)集層成巖差異定量表征

4.1 成巖作用類型及量化指標(biāo)

（1)壓實(shí)作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層砂體礦物顆粒以線接觸為主，局部為點(diǎn)接觸；沙灣凹陷以線接觸為主，局部為凹凸接觸，壓實(shí)強(qiáng)度比瑪湖凹陷大?，敽枷萆蠟鯛柡探M平均深度為4 400 m，而沙灣凹陷該組平均深度達(dá)到了5 200 m，壓實(shí)作用更強(qiáng)。此外，瑪湖凹陷砂體早期發(fā)育大量的碳酸鹽膠結(jié)物，也抑制了壓實(shí)作用，這是導(dǎo)致2 個(gè)地區(qū)壓實(shí)差異的主要因素。

（2)膠結(jié)作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層膠結(jié)物以含鐵方解石、濁沸石和片沸石為主。其中，含鐵方解石含量為4.00%～10.00%，平均為7.51%；濁沸石含量為8.00%～19.00%，平均為14.63%；片沸石含量為7.00%～12.00%，平均為9.67%。沙灣凹陷膠結(jié)物以濁沸石為主，含量為7.00%～28.00%，平均為17.56%；方解石次之，含量為3.00%～11.00%，平均為7.21%。2 個(gè)凹陷沸石類膠結(jié)物含量有較明顯區(qū)別，主要是由于沸石類礦物成因類型不同。

（3)溶蝕作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層發(fā)生溶蝕作用的礦物主要有長石、巖屑顆粒以及凝灰質(zhì)填隙物，溶蝕作用改善了儲(chǔ)集層物性；沙灣凹陷砂礫巖儲(chǔ)集層多發(fā)育濁沸石膠結(jié)物溶孔、碳酸鹽膠結(jié)物溶孔及長石溶孔。這主要是由于沙灣凹陷上烏爾禾組濁沸石多形成于早成巖階段，多與黏土礦物共生，并呈粒狀聚集分布，且黏土礦物仍保留火山塵埃特征，所以，此類沸石膠結(jié)物多疏松易散且晶間孔發(fā)育，為后期地層水的進(jìn)入創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件；而瑪湖凹陷濁沸石主要以斜長石鈉長石化的方式析出[20]，主要形成于晚成巖階段，多為板狀集合體且無雜質(zhì)，含此類濁沸石的巖石膠結(jié)程度高，較致密。

4.2 孔隙演化模式差異

瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層物性整體好于沙灣凹陷(圖4)，這是因?yàn)? 個(gè)凹陷儲(chǔ)集層成巖演化過程有所不同?；谇叭藢?duì)2 個(gè)凹陷成巖作用階段的劃分，定量分析2 個(gè)凹陷上烏爾禾組在成巖演化過程中的孔隙特征及差異。

圖4 瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層物性對(duì)比Fig.4.Physical properties of the upper Wuerhe formation reservoirs in Mahu sag and Shawan sag

采用Beard 和Scherer 提出的碎屑巖原始孔隙度與分選系數(shù)的相關(guān)關(guān)聯(lián)公式，計(jì)算瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層原始孔隙度[21-22]：

壓實(shí)后孔隙度：

壓實(shí)作用損失孔隙度：

壓實(shí)作用減孔率：

膠結(jié)后孔隙度：

膠結(jié)作用損失孔隙度：

膠結(jié)作用減孔率：

結(jié)合微觀實(shí)驗(yàn)及物性資料中的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算次生孔隙度：

計(jì)算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層原始孔隙度為34.1%～35.5%，沙灣凹陷原始孔隙度為34.4%～35.6%，為便于對(duì)比分析，2 個(gè)凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層原始孔隙度均取35.0%。

計(jì)算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層壓實(shí)損失孔隙度為12.2%～23.3%，平均為18.2%，壓實(shí)作用主要發(fā)生于早成巖階段，形成低孔低滲儲(chǔ)集層。隨著膠結(jié)作用的進(jìn)行，膠結(jié)損失孔隙度為1.2%～18.7%，平均為10.9%。經(jīng)過強(qiáng)烈壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，剩余孔隙度銳減至0.7%～7.1%，平均為3.6%，其中，壓實(shí)作用的影響更大。

沙灣凹陷上烏爾禾組同樣由于壓實(shí)作用和膠結(jié)作用造成了孔隙損失，壓實(shí)損失孔隙度為14.3%～24.2%，平均為19.1%；膠結(jié)損失孔隙度為1.9%～18.9%，平均為11.8%。由于沙灣凹陷上烏爾禾組埋藏深度相對(duì)瑪湖凹陷更大，壓實(shí)作用也更強(qiáng)。經(jīng)過強(qiáng)烈壓實(shí)作用和膠結(jié)作用，沙灣凹陷該組儲(chǔ)集層剩余孔隙度銳減至0.5%～6.4%，平均為3.3%。

成巖中—后期，由溶蝕作用形成的次生溶孔在不同地區(qū)砂巖中的發(fā)育程度不同。觀察鏡下薄片計(jì)算面孔率，瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層次生溶孔主要以長石溶孔和凝灰?guī)r巖屑溶孔為主，濁沸石和片沸石基本未溶蝕。次生溶孔發(fā)育，溶孔面孔率平均為2.6%，占總面孔率的82.0%；沙灣凹陷主要有長石溶孔、凝灰?guī)r巖屑溶孔以及形成于成巖中—后期的濁沸石溶孔，次生溶孔發(fā)育，溶孔面孔率平均為2.8%，占總面孔率的76.0%，溶蝕作用形成的次生溶孔在一定程度上提高了儲(chǔ)集性能(圖5)。

圖5 沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層孔隙演化模式Fig.5.Pore evolution model of the upper Wuerhe formation reservoirs in Shawan sag

瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層成巖中—后期溶孔發(fā)育類型的差異，是由于成巖環(huán)境不同，瑪湖凹陷地層封閉性較沙灣凹陷好，地層水礦化度更高，以CaCl2型為主[17]，CaCl2型地層水占比達(dá)到70.3%；沙灣凹陷地層水以NaHCO3型和CaCl2型為主，分別占46.4%和43.5%。碳酸氫根離子使鈣質(zhì)鋁硅酸鹽礦物發(fā)生溶蝕，如濁沸石和片沸石，沙灣凹陷NaHCO3型酸性地層水的增多為沸石族礦物溶蝕提供了有利條件。因此，2 個(gè)凹陷成巖流體性質(zhì)和巖石組分控制了成巖演化。

5 儲(chǔ)集層成巖差異成因

5.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組成巖演化

瑪湖凹陷上烏爾禾組主要處于中成巖階段B期[23-25]，在晚二疊世，上烏爾禾組沉積后快速埋藏，持續(xù)的壓實(shí)作用破壞了儲(chǔ)集層大量的原生粒間孔，降低了儲(chǔ)集層的滲流能力，成巖環(huán)境流體具弱堿性，孔隙類型仍以原生孔隙為主。壓實(shí)作用隨埋藏深度增大而增強(qiáng)，原生孔隙進(jìn)一步遭到破壞，并出現(xiàn)較低強(qiáng)度的第一次油氣充注。受有機(jī)酸影響，流體環(huán)境逐漸由弱堿性轉(zhuǎn)換為弱酸性，部分富鈣斜長石和巖屑開始溶蝕，次生孔隙發(fā)育。Ca2+、K+等大量堿性金屬離子析出，為早期方解石膠結(jié)提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。顆粒接觸方式由點(diǎn)接觸過渡為點(diǎn)—線接觸，隨著第二次油氣充注的到來，地層流體pH值明顯降低，該階段長石和巖屑溶蝕程度增高，早期形成的碳酸鹽礦物溶解，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，伴生石英及高嶺石，碳酸鹽礦物二次膠結(jié)。

5.2 沙灣凹陷上烏爾禾組成巖演化

沙灣凹陷上烏爾禾組處于中成巖階段B 期[26]，在早成巖階段A 期，沉積物膠結(jié)相對(duì)松散，大量原生粒間孔發(fā)育，顆粒塑性變形。隨著埋藏深度增大，壓實(shí)作用增強(qiáng)，早期綠泥石附著于顆粒表面形成包膜，在一定程度上抑制了壓實(shí)作用，部分原生孔隙得以保存。受到富火山作用影響，成巖水體為堿性—弱堿性，大量火山玻璃發(fā)生沸石化反應(yīng)[27]，在機(jī)械壓實(shí)作用不斷增強(qiáng)的階段，硅質(zhì)、綠泥石、碳酸鹽礦物和沸石不斷生成。中成巖階段，發(fā)生了一次大規(guī)模油氣充注，有機(jī)酸和大量CO2進(jìn)入儲(chǔ)集層后，地層水pH 值降低，地層水類型變得復(fù)雜多樣。該成巖階段長石及巖屑溶蝕作用變強(qiáng)，片沸石交代形成含鈣鋁硅酸鹽礦物——濁沸石，并在NaHCO3型地層水的影響下發(fā)生溶蝕。

6 結(jié)論

(1)瑪湖凹陷和沙灣凹陷中成巖階段早期以碳酸鹽膠結(jié)物為主，壓實(shí)作用、碳酸鹽礦物膠結(jié)與沸石膠結(jié)是導(dǎo)致儲(chǔ)集層物性變差的主要成巖作用，瑪湖凹陷壓實(shí)作用相對(duì)較弱。

(2)瑪湖凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層以長石溶孔和凝灰?guī)r巖屑溶孔為主，沙灣凹陷則以長石溶孔、凝灰?guī)r巖屑溶孔及濁沸石溶孔為主，原生孔隙均少量發(fā)育。

(3)瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲(chǔ)集層的差異，主要是由成巖流體性質(zhì)和巖石組分的不同引起，并影響整個(gè)成巖作用階段。

符號(hào)注釋

C——膠結(jié)作用減孔率，%；

Ct——膠結(jié)物含量，%；

D1——粒度累計(jì)百分含量為25%時(shí)的顆粒直徑，mm；

D2——粒度累計(jì)百分含量為75%時(shí)的顆粒直徑，mm；

L——壓實(shí)作用減孔率，%；

S0——特拉斯克分選系數(shù)；

θca——碳酸鹽膠結(jié)物面孔率，%；

θd——溶孔面孔率，%；

θpm——原生粒間孔面孔率，%；

θt——總面孔率，%；

φ0——原始孔隙度，%；

φ1——壓實(shí)后孔隙度，%；

φ2——膠結(jié)后孔隙度，%；

φ3——次生孔隙度，%；

φc——膠結(jié)作用損失孔隙度，%；

φL——壓實(shí)作用損失孔隙度，%；

φp——物性分析孔隙度，%。