斷陷湖盆致密砂礫巖儲層成巖作用及其對孔隙演化的影響

郝 杰，周立發,2，袁義東,3，楊 燕，劉艷妮，程兆兆，劉 挺

(1.西北大學 地質學系，西安 710069； 2.陜西省能源化工研究院，西安 710050；3.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000； 4.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發研究院，西安 710018；5.長城鉆探工程有限公司 壓裂公司， 遼寧 盤錦 124107)

松遼盆地北部徐家圍子地區深層天然氣資源非常豐富[1]，繼下白堊統營城組和登婁庫組常規天然氣勘探取得巨大成功之后，為尋找新的天然氣儲量增長點，開始探索深層非常規天然氣的勘探潛力[2-3]。近年來針對下白堊統沙河子組致密砂礫巖儲層部署的水平井和直井均有工業氣流發現[4-5]，展現出良好的致密砂礫巖氣勘探前景。

經過近幾年的攻關，該區構造演化[6]、沉積相類型[7]、烴源巖分布[8]的研究已經取得進展，但是砂礫巖儲層成巖作用及其對孔隙演化影響的研究還十分薄弱。儲層成巖作用與孔隙演化是致密砂(礫)巖氣勘探研究的熱點[9]，總結和梳理國內外相關研究報道得到致密砂(礫)巖儲層的如下特征：(1)巖石成分復雜，成熟度低，成巖強度高，成巖作用普遍達到中—晚成巖階段[10]；(2)孔隙類型多樣，孔隙結構復雜，次生孔隙對儲集空間的貢獻大[11-12]；(3)孔隙演化與成巖作用的類型、時期和強度相關，壓實作用破壞原生孔隙，是儲層致密最重要的原因之一[13]；膠結作用與儲層孔隙的關系具有雙重性，一般認為早期適量的硅質膠結、碳酸鹽膠結或綠泥石包殼有利于原生孔隙的保存，而晚期膠結或膠結物大量發育則不利于儲層孔隙的保留[14]；溶蝕作用通過侵蝕巖石中的巖屑、長石、火山灰，甚至石英礦物來增加孔隙空間[15]；交代和重結晶作用也影響儲層孔隙，但程度不如壓實作用、溶蝕作用和膠結作用顯著[16]。

與前陸盆地或克拉通盆地背景下的海相、海陸過渡相致密砂巖儲層不同，沙河子組沉積于斷陷湖盆，儲集層主要為粒度粗、分選差、成分復雜、成巖程度高且致密程度高的砂礫巖。低成熟砂礫巖儲層的成巖作用與孔隙演化相對復雜，一方面較高的塑性組分和填隙物含量不利于原生孔隙的保存，另一方面相對富集的長石、巖屑組分容易形成次生溶孔，同時，成巖過程中還伴隨著多種礦物的沉淀、交代和重結晶。從勘探實踐看，該區相對高孔隙度(大于4.0%)砂礫巖儲層的含氣性較好，產能較高，目前發現的工產氣層都屬于此類范疇[5]。開展砂礫巖儲層成巖作用與孔隙演化研究不僅具有理論意義，對該區有利儲層預測和提高探井部署的成功率也具有現實意義。

為明確沙河子組砂礫巖儲層成巖作用對孔隙演化的影響，通過普通薄片鑒定、鑄體薄片鑒定、掃描電鏡和X-衍射測試手段，對致密砂巖儲層的巖石學與成巖作用特征進行了系統分析，定量計算了成巖作用減少或增加的孔隙量。在此基礎上，分析了沙河子組致密砂礫巖儲層成巖-孔隙演化特征，得到“早期壓實、中期溶蝕、晚期膠結”的成巖-孔隙演化關系模式。

1 區域地質概況

徐家圍子斷陷位于松遼盆地北部古中央隆起區東側，斷陷形成時受到西太平洋板塊俯沖和地幔上涌作用的擠壓，但變形程度不高，規模也不大，僅興城地區可見鏟式逆斷層和坡平式逆沖斷層[17-18]。徐家圍子斷陷油氣勘探的主要層系為下白堊統的火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組。其中，沙河子組是致密砂礫巖氣的勘探目標層，該套地層沉積于斷陷的強烈拉張期，暗色泥巖全盆發育，辮狀河三角洲和扇三角洲砂礫巖體在斜坡區相對發育，煤層厚度局部可達到120 m以上，暗色泥巖、煤層和砂礫巖密切接觸，形成了有利的富氣條件。目前該區多口直井和水平井相繼獲得工業氣流，展示出較好的勘探潛力。

2 巖石學特征

沙河子組砂礫巖儲層的沉積分選程度低，儲層成分復雜、成熟度低[2]。根據巖石薄片鑒定，砂礫巖儲層中火山巖巖屑含量最高，平均為42.29%；長石類礦物(鉀長石和斜長石)的含量也較高，平均為25.64%；石英相對欠發育，含量平均為15.26%，沉積巖和變質巖巖屑偶爾可見，合計占2.34%(圖1a)。沙河子組砂礫巖儲層的填隙物成分復雜，其中泥質雜基和碳酸鹽的體積分數分別為9.07%和4.56%，兩者合計占填隙物總量的94.06%(圖1b)。

根據大量的巖心測試(表1)，沙河子組砂礫巖的孔隙空間很少，孔隙度數值分布在0.8%～11.7%之間，平均值僅為5.1%，主頻為2.0%～8.0%；砂礫巖的滲透性很差，68.1%樣品的滲透率小于0.1×10-3μm2，滲透率超過1×10-3μm2的樣品比例不超過4.3%。沙河子組低孔、超低滲砂礫巖儲層的形成，與沉積時期砂礫巖中較高的泥質填隙物和塑性組分含量不無關系，同時也是成巖作用對砂礫巖進行強烈改造的結果[4-5]。因此，研究砂礫巖儲層孔隙的演化，則有必要對成巖作用類型和特征進行分析。

3 成巖作用類型與特征

沙河子組砂礫巖儲層發育壓實作用、膠結作用、溶蝕作用、交代作用和重結晶作用等多種成巖作用，綜合分析認為壓實作用、膠結作用和溶蝕作用對砂礫巖孔隙度的影響更大。

表1 松遼盆地北部徐家圍子地區沙河子組砂礫巖儲層孔隙度和滲透率分布Table 1 Porosity and permeability distribution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

3.1 壓實作用

壓實作用是沉積物在重荷壓力作用下所發生的作用，貫穿于成巖作用的始終[15]。沙河子組砂礫巖儲層的埋深普遍超過3 000 m，壓實作用非常強烈，鏡下可見云母壓彎變形(圖2a)和塑性巖屑壓彎(圖2b)。在壓實作用下，砂礫巖中原生孔隙大量減少，礫巖顆粒主要表現為線—凹凸接觸(圖2c)，少數為點—線接觸。顯然，壓實作用與砂礫巖孔隙度的演化密切相關。

3.2 膠結作用

根據掃描電鏡和鑄體薄片觀察，沙河子組砂礫巖主要發育碳酸鹽膠結，硅質膠結和黏土礦物膠結也有一定程度的發育。(1)碳酸鹽膠結物的主要成分為鐵方解石(圖2d)和鐵白云石(圖2e)，體積分數在0.5%～12.3%之間，平均為4.3%。(2)硅質膠結主要以石英次生加大和自生硅質沉淀形式發育，發育頻率較碳酸鹽膠結低，在部分樣品中可觀察到石英次生加大(圖2f)和自生硅質沉淀(圖2g)，硅質膠結物的體積分數在0.3%～2.4%之間，平均為0.6%。(3)黏土礦物膠結物的主要成分為綠泥石和伊利石，綠泥石以薄膜方式包裹巖石顆粒(圖2h)，綠泥石膜上有硅質膠結物生長，表明綠泥石膜的形成時間早于硅質膠結；伊利石呈發絲狀(圖2i)產于顆粒表面，將大孔隙分割為多個小孔隙。盡管少量的硅質和綠泥石包殼膠結在成巖過程中有利于儲層孔隙的保存，但高含量的碳酸鹽膠結物對殘余原生粒間孔和溶蝕孔隙起充填和破壞作用更顯著。顯然，膠結作用與砂礫巖孔隙度的演化密切相關。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用是巖石中孔隙流體對巖石內易溶礦物或組分的溶解作用[15]。溶蝕作用增大了砂礫巖儲層的孔隙空間，研究區被溶蝕的成分主要是長石(圖2j)、火山巖屑(圖2k)和少量碳酸鹽膠結物(圖2l)。溶蝕孔隙形態十分不規則，不同成分被溶蝕的程度也存在差別，長石礦物和火山巖屑被溶蝕程度較高，增孔作用比較明顯；碳酸鹽膠結物的溶蝕程度較低，增孔作用十分有限。溶蝕孔隙是該區砂礫巖儲層的主要儲集空間，因此，溶蝕作用也與砂礫巖孔隙度的演化密切相關。

3.4 破裂作用

破裂作用指地層壓力對剛性巖石顆粒的破碎作用。破裂作用在沙河子組砂礫巖儲層中表現為礫石顆粒破裂形成的微裂縫(圖2m)。破裂作用對砂礫巖孔隙度的貢獻不大，但有利于改善儲層的滲透性。

3.5 其他成巖作用

除了上述成巖作用以外，沙河子組還發育交代作用和重結晶作用。交代作用不是很常見，偶爾可見長石被方解石交代(圖2n)和火山巖屑被方解石交代。重結晶作用也比較少見，主要表現為泥質重結晶(圖2o)。由于發育頻率較低，交代作用和重結晶作用對砂礫巖孔隙度的影響不大。

4 成巖作用與孔隙演化關系

由砂礫巖儲層巖石學特征和成巖作用分析可知，壓實作用、膠結作用和溶蝕作用與孔隙度的關系最密切，以下重點分析這3種成巖作用增加或減少孔隙的量。

4.1 原始孔隙度的恢復

利用SCHERER[12]建立的原始孔隙度與分選系數的定量關系(公式1)，恢復研究區砂礫巖原始孔隙度：

Φ原=20.91+22.9/S0

(1)

式中，Φ原為儲層原始孔隙度；S0為分選系數，數值上等于粒度累計曲線上25%處的粒徑和75%處的粒徑之比的平方根。根據大量的薄片統計確定分選系數S0為2.3，得到砂礫巖儲層原始孔隙度為30.9%。

4.2 壓實作用的減孔量

徐家圍子斷陷錯綜復雜的斷裂系統發揮了較好的泄壓作用[6,18]，導致其沙河子組地層難以形成大規模的超壓系統，沙河子組3口探井的實測地層壓力為34～47 MPa(埋深3 466～4 377 m)，計算地層壓力系數為0.98～1.07，揭示地層為正常壓力系統，即超壓不是控制儲層演化的重要因素。沙河子組砂礫巖儲層中較高的塑性組分含量降低了其抗壓實能力，在強烈的機械壓實作用下，巖石顆粒以線—凹凸接觸為主，原生孔隙大量減少。壓實作用減少孔隙度的量通過如下公式計算：

(1)原油/CO2的MMP與構成原油組分的碳數和分子結構有關。原油中低碳數烴類越多，MMP越小，高碳數的不飽和芳香烴含量越高，MMP越大，混合烴組分的MMP小于單一烴組分的MMP。

Φ壓=Φ原-Φ粒

(2)

式中：Φ壓為壓實作用孔隙減小的量，%；Φ粒為壓實作用后剩余粒間孔隙度，%；壓實后剩余粒間孔隙度=膠結物總量+膠結后的粒間孔隙度；膠結后的粒間孔隙度=巖石現今孔隙度—溶蝕孔隙度；溶蝕孔隙度=面孔率×溶孔百分含量。根據巖石薄片分析數據，研究區壓實作用使砂礫巖孔隙度平均降低24.7%。

需要說明的是，沙河子組較高的古地溫環境，導致機械壓實作用增強，造成儲層孔隙度衰減速度大大提高。機械壓實作用所導致的砂礫巖孔隙損失在地層埋深1 800 m(成巖早期)左右基本結束[19-20]。在此之后，隨著成巖環境由酸性到堿性的演化，造成砂礫巖孔隙變化的主要成巖作用是長石、巖屑溶蝕和碳酸鹽膠結(詳見后文分析)。簡而言之，砂礫巖現今孔隙度依次是壓實作用大量減孔、溶蝕作用明顯增孔、膠結作用大量減孔的綜合結果，這也是上述各式計算壓實作用減孔量的基礎。

4.3 溶蝕作用的增孔量

溶蝕作用是一種建設性成巖作用[16]，溶蝕孔隙是致密砂(礫)巖重要的儲集空間類型。依據“溶蝕孔隙度=面孔率×溶孔百分含量”，通過大量的薄片統計，得到研究區溶蝕作用使砂礫巖孔隙度增加2.1%～9.8%，平均增加4.2%。

4.4 膠結作用的減孔量

結合鏡下觀察和X-衍射分析，沙河子組砂礫巖儲層中膠結物的體積分數為0.48%～11.22%，平均為5.3%，即膠結作用使砂礫巖孔隙度降低5.3%。從膠結物成分上看，碳酸鹽占膠結物總體積的86.1%，也就說，碳酸鹽膠結對砂礫巖孔隙度破壞最大，這也與砂礫巖孔隙度與砂礫巖中碳酸鹽膠結物含量呈明顯負相關特征相符(圖3)。

圖3 松遼盆地北部徐家圍子地區沙河子組砂礫巖儲層中碳酸鹽體積分數與孔隙度的關系Fig.3 Relationship between carbonate content and porosity of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation, Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

5 成巖作用與孔隙演化的定量關系

參考業內常用的評價標準，以孔隙度10%作為致密砂礫巖儲層的上限[21]。根據黏土礦物含量隨深度的變化以及碳酸鹽膠結物類型[20]，結合徐家圍子斷陷鏡煤反射率、古地溫梯度[8]等資料對沙河子組埋藏史-熱史進行分析(圖4)。在此基礎上，依據不同成巖作用的先后順序和成巖作用增加或減少孔隙度的量，建立了“早期壓實、中期溶蝕、晚期膠結”的成巖-孔隙演化模式。

5.1 早期壓實作用大量減少原始孔隙

早成巖階段(134～122 Ma)典型的成巖作用特征表現為地層迅速埋深，機械壓實作用下導致儲層原始孔隙大量減少。對沉積埋藏史的研究可知(圖4)，沙河子組地層在沉積初期的12 Ma內快速埋深至1 500 m以下，地層的快速埋深造成上覆地層壓力急劇增大，強烈的壓實作用促使地層水不斷排出，砂礫巖的原生孔隙快速減少。雖然該期間高嶺石、綠泥石和伊利石等黏土礦物也有發育，石英加大和微晶石英也開始形成[20]，但是由于沉積速度快、沉積時期短，這些填隙物的發育程度低，對砂礫巖孔隙空間影響較小。

5.2 中期溶蝕作用延緩儲層致密化進程

中成巖階段(122～82 Ma)的典型成巖特征是壓實作用相對緩解，有機酸的溶蝕作用產生次生孔隙，避免了砂礫巖儲層在壓實作用下快速致密。

“壓實作用的相對緩解”主要表現在中成巖A期(122～100 Ma)，受西太平洋板塊的俯沖作用，沙河子組在經歷短暫抬升之后沉降速率明顯比沉積初期變緩，地層壓力的增速隨之變慢，進而壓實作用對孔隙的破壞作用得以緩解。然而，由于構造抬升幅度較小，沙河子組地層并未出露地表，鉆井和地震剖面上也未識別出明顯的風化殼，推斷砂礫巖體未經歷大規模的風化淋濾改造。

圖4 松遼盆地北部徐家圍子地區沙河子組砂礫巖儲層成巖作用與孔隙定量演化關系模式Fig.4 Relationship between diagenesis and pore evolution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

“中期有機酸的溶蝕作用”主要對應中成巖A期—中成巖B期的早期(123～98 Ma)。推斷方法是，假定有機酸開始形成和開始脫酸的溫度區間為60～120 ℃[22]，投影到圖4中得到沙河子組有機酸形成時間為123～98 Ma，對應中成巖A期—晚成巖B期的早期。這一認識與前人[20]通過薄片觀察、包裹體測試、孔隙演化等分析得到的徐家圍子地區溶蝕作用主要發生在1 400～3 000 m(120～93 Ma)吻合。有機酸使地層流體呈酸性，一方面抑制碳酸鹽膠結物的沉淀使得殘余孔隙空間得以保存[19]，另一方面大量溶蝕砂礫巖中不穩定的長石礦物和火山巖屑增加孔隙空間。但是，隨著烴源巖生烴強度的下降和有機酸脫酸反應的進行，地層中有機酸濃度逐漸下降，到中成巖B期(100～82 Ma)末期時，地層水有機酸濃度已經很低[22](地層溫度接近200 ℃)，有機酸的溶蝕作用已經非常微弱。

在中成巖階段壓實作用相對緩解的背景下，倘若此期間未發生溶蝕作用，則砂礫巖儲層將在壓實作用和膠結作用下繼續致密，恰是由于中成巖階段酸性環境對碳酸鹽膠結作用的抑制和對不穩定組分的溶蝕，使得砂礫巖孔隙的減少速率變緩。因此，可以說中成巖階段的溶蝕作用延緩了儲層的致密化進程。

5.3 晚期膠結作用是儲層致密的關鍵

隨著烴源巖生烴作用的減弱和有機酸的不斷消耗，成巖環境在中成巖B期開始由酸性向弱堿性過渡，晚期碳酸鹽膠結作用逐漸活躍[23-24]。如前文所述，沙河子組砂礫巖的主要膠結物為鐵方解石和鐵白云石，兩者主要形成于生烴高峰期之后的偏堿性成巖環境，大致對應中成巖B期—晚成巖A期(88～70 Ma)，為了與早成巖階段的膠結作區分，稱其為晚期膠結。晚期碳酸鹽膠結物充填于緊密壓實的骨架之間的不規則孔隙中(圖2d)，沉淀很少被溶蝕，導致砂礫巖孔隙度平均降低4.56%，致使砂礫巖孔隙度大范圍降低至10%以下，進入致密階段。因此，晚期膠結作用是砂礫巖儲層致密的關鍵。

6 結論

(1)松遼盆地北部徐家圍子地區沙河子組砂礫巖儲層成巖作用類型豐富，不同成巖作用對儲層孔隙影響程度不一。成巖作用類型以壓實作用、膠結作用和溶蝕作用為主，壓實作用平均降孔24.7%，膠結作用平均降孔5.3%，溶蝕作用平均增孔4.2%。

(2)松遼盆地北部徐家圍子地區沙河子組砂礫巖儲層在早成巖階段經歷的強烈壓實作用是原生孔隙大量減少的主要原因；中成巖階段有機酸溶蝕產生次生孔隙，延緩了儲層致密化進程；中—晚成巖階段鐵方解石和鐵白云石充填剩余粒間孔隙，是砂礫巖儲層致密的關鍵因素。