準噶爾盆地烏夏地區二疊系碎屑巖儲層成巖作用與孔隙演化

牛海青，陳世悅，張鵬，鄢繼華

(1. 中國石油大學 地球資源與信息學院，山東 東營，257061；2. 中國石化股份勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營，257022)

在準噶爾盆地以往的沉積儲層研究中，目的層多集中在侏羅系。而對于二疊系的研究，研究者大多對不整合與油氣成藏、斷裂活動及其沉積響應進行研究，對其儲層特征、評價及分布沒有進行系統研究。近年來，隨著準噶爾盆地石油勘探開發與綜合地質研究的深入，勘探層位主要有淺層的侏羅系、三疊系逐漸拓展到二疊系，目前，二疊系已累計探明石油 2.759×107t，天然氣達8.28×108m3，成為烏夏地區勘探主力層系之一，但探明率僅為21.90%，勘探潛力巨大。在此，本文作者在沈英等[1-4]研究的基礎上，系統研究烏夏地區二疊系儲層成巖作用及其對儲層孔隙演化的影響，以期為進一步勘探和開發提供依據。

1 地質背景

烏夏地區是準噶爾盆地西北緣十分重要的勘探領域之一，西起百口泉油田，東至紅旗壩區，北以哈拉阿拉特山為界，南與艾里克湖毗連(圖1)，內部包括烏爾禾區、風城區、夏子街區3個探區，東西長70 km，南北寬約30 km，面積約2×103km2。構造上烏夏地區位于準噶爾盆地西部隆起東北部，斷裂發育，褶皺形態復雜，主要發育烏蘭林格斷裂、夏紅北斷裂及百烏斷裂等一系列北東向、北東東向大斷裂。

在石炭紀晚期，受哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊與準噶爾地塊強烈碰撞拼合運動影響，準噶爾盆地邊界斷裂大規模活動，同時伴隨較廣泛的火山活動。而哈拉阿拉特山以南穩定區持續下沉進入前陸盆地發育期，處于盆地西北緣前陸坳陷區的烏夏地區，接受了巨厚的上、下二疊統沉積，早二疊世發育了一套由火山-火山碎屑巖和正常碎屑巖沉積，中晚二疊世主要發育沖積扇相、扇三角洲相和湖泊相(圖2)。沖積扇相、扇三角洲相砂礫巖體及濱淺湖灘壩砂體構成二疊系主要的碎屑巖儲集體。烏夏地區二疊系自下而上發育佳木河組、風城組、夏子街組和下烏爾禾組，各層位碎屑巖儲層發育，烏爾禾組和風城組儲層物性明顯比佳木河組和夏子街組的物性好。烏夏地區二疊系儲層為低孔、中低滲儲層，其物性受沉積相和成巖作用的共同控制[5]，沉積相通過控制儲集巖的碎屑成分、顆粒粒度等控制儲集物性，而成巖作用對儲層物性的控制則表現為隨儲層埋藏深度不同，儲層所受的成巖作用類型和強度存在明顯差異。

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石學特征

烏夏地區二疊系碎屑巖儲層主要分布在夏子街組和下烏爾河組，巖性不等粒巖屑砂巖、砂礫巖和礫巖總體表現為成分成熟度低、結構成熟度低-中等、火山巖巖屑含量高的巖石學特征。石英和長石碎屑在二疊系儲層中含量(質量分數)普遍很低，其平均含量分別為2%～8%和5%～8%；而巖屑含量普遍很高，平均為85%～91%。巖屑組分以凝灰巖、安山巖、流紋巖、霏細巖等火山巖巖屑為主，其中：凝灰巖巖屑含量較高，各層系凝灰巖巖屑平均含量為30%～50%，其次為硅質巖及淺變質巖巖屑。砂巖的結構成熟度為低～中等，碎屑顆粒呈次圓～次棱角狀，分選較差～中等，碎屑顆粒間以點-線、線-凹凸接觸為主，膠結類型主要為孔隙-壓嵌式，泥質含量較低，平均為1.7%～3.3%。膠結物主要為碳酸鹽、硅質、沸石類、石膏及鈉長石。

2.2 儲集空間類型

通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察發現：研究區碎屑巖原生孔隙含量(即其孔隙面積與總孔隙面積之比)很少，原生粒間孔幾乎不發育，儲集空間類型以次生孔隙為主，其中粒內溶孔最發育，含量占整體儲集空間類型的41.77%；其次為微裂縫、填隙物內溶孔和界面縫，含量分別為14.43%，12.84%和11.51%，晶間孔、粒間溶孔及剩余粒間孔含量較小，均小于10% (表1)。

圖1 烏夏地區探區劃分Fig.1 Division of exploration area in Wu-Xia Area

圖2 烏夏地區二疊系沉積充填序列Fig.2 Permian sedimentary sequences in Wu-Xia Area

表1 烏夏地區二疊系碎屑巖儲集空間類型Table 1 Types of reservoir space in Permian clastic rock in Wu-Xia Area

3 成巖作用類型及特征

利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等對巖石鑄體薄片中各種成巖組構、孔隙類型和自生礦物組合等特征進行觀察發現：研究區砂巖儲層主要經歷了壓實作用、綠泥石黏土膜形成、石英次生加大、長石及火成巖屑溶蝕和晚期含鐵碳酸鹽膠結、交代作用的疊加改造[6-8]。

3.1 壓實作用

研究區壓實作用分為機械壓實作用和化學壓溶作用。機械壓實作用表現為顆粒緊密接觸，多為線接觸，塑性顆粒(云母片、泥巖巖屑等)彎曲變形，有的進入孔隙中形成假雜基，剛性顆粒發育裂紋、邊緣破裂(圖3(a))。壓溶作用主要表現在石英、長石和酸性火山巖巖屑縱向上的壓溶，石英顆粒橫向增生，使儲集物性降低。該區壓實作用受巖性和碳酸鹽膠結的影響較大，在雜基、塑性顆粒以及塑性巖屑含量低的部位，由于碳酸鹽膠結物大量形成，增加了巖石的抗壓強度，壓實作用不強烈，相反，在雜基、塑性顆粒以及塑性巖屑含量較高部位，由于軟巖屑、塑性礦物顆粒以及雜基很容易被擠壓變形，壓實作用比較強烈[9-10]。

圖3 烏夏地區二疊系儲層成巖作用類型Fig.3 Main diagenetic types of Permian sandstones in Wu-Xia Area

3.2 膠結作用

3.2.1 碳酸鹽膠結物

研究區碳酸鹽膠結物分布廣泛，在二疊系各層位均有分布，膠結物類型主要包括方解石、鐵方解石、白云石、含鐵白云石及菱鐵礦。(鐵)方解石膠結物多為中-細晶，不均勻地充填于顆粒孔隙間(圖3(b))，或以交代其他組分產出。白云石、(含)鐵白云石膠結物常沿碎屑顆粒周圍呈斷續的薄膜式膠結，或分散充填于孔隙中，晶體自形程度較高，個別晶體為菱形(圖3(c))。菱鐵礦膠結物主要發育在侏羅系和三疊系，在二疊系中較少，經薄片觀察，發現僅在風503井的夏子街組存在，呈微晶粒狀不均勻分布于顆粒之間。

3.2.2 硅質膠結物

本區硅質膠結物常見石英次生加大及自生石英(圖3(d))。石英顆粒常具不規則窄邊狀或鋸齒狀次生加大，在掃描電鏡下發現自生石英多呈集合體狀。

3.2.3 沸石膠結物

沸石類膠結物常見于富含火山碎屑和長石的砂巖中，是火山碎屑和長石與地下水相互作用的產物，研究區常見的類型有方沸石、片沸石和濁沸石。方沸石常沿著顆粒向粒間孔隙中呈馬牙狀生長，常與方解石共生形成粒間膠結物堵塞孔隙，但后期遭受溶蝕形成次生孔隙，從而提高儲集性能[11]。片沸石多包含鐵離子而呈橘紅色，呈板條狀晶體分散在孔隙中，或沿顆粒周圍向粒間孔隙中呈馬牙式生長(圖4(e))。濁沸石一般呈柱狀、纖維狀充填于孔隙中，二疊系巖屑類型多為火山碎屑和凝灰質，富含硅和鈣，可蝕變形成濁沸石。

3.2.4 長石膠結物

研究區長石膠結物類型主要為鈉長石，多呈小的自形晶體產出，呈細的板條狀或粒狀充填于孔隙中(圖3(f))，常具雙晶。

3.2.5 黏土礦物膠結物

據薄片鑒定、電鏡掃描和X線衍射分析結果，該區黏土礦物類型包括伊利石(I)、綠泥石(C)、伊蒙混層(I/S)及少量的高嶺石。在顯微鏡下，高嶺石常呈分散質點狀孔隙充填，伊利石、綠泥石常呈薄膜狀孔隙襯墊狀產出(圖 3(g))；在掃描電鏡下，高嶺石呈蠕蟲狀充填于孔隙或分布于顆粒表面，伊利石呈彎曲片狀充填于孔隙或分布于顆粒表面(圖 3(d))，綠泥石呈不規則片狀、絨球狀充填于孔隙中。自生黏土礦物來源于孔隙水的沉淀作用，碎屑巖中不穩定組分的蝕變作用以及上覆黏土巖中黏土轉化為自生黏土礦物的形成提供了物質來源，伊利石、伊蒙混層黏土則是在富K+的堿性條件下形成的[12-13]。

3.2.6 黃鐵礦膠結物

黃鐵礦也是本區較常見的膠結物類型，分布比較廣泛，是強還原介質條件下的產物。在單偏光下不透明，在反射光下具金屬光澤，常呈分散狀或集合體呈凝塊狀分布。

由于壓實作用高峰期發生在膠結作用之后，膠結作用也減小了壓實作用對孔隙的影響，同時為次生孔隙的形成提供了物質基礎。

3.3 交代作用

研究區交代作用分布廣泛，二疊系各層位均有發育，常見的交代作用有碳酸鹽礦物交代碎屑顆粒、沸石交代碎屑顆粒(圖 3(e))、黏土礦物交代碎屑顆粒以及自生礦物之間的相互交代。

3.3.1 碳酸鹽礦物交代顆粒

常見有方解石、菱鐵礦、鐵方解石或鐵白云石交代石英、長石、巖屑顆粒邊緣或完全交代碎屑，使這些顆粒的邊緣形狀不規則或交代物中殘留有被交代礦物包體或交代物呈被交代礦物的外形，偶見菱鐵礦交代云母顆粒的現象。

3.3.2 沸石交代顆粒

多見片沸石交代碎屑顆粒，主要表現為：延斜長石的雙晶紋或解理縫進行交代，或者交代碎屑顆粒的邊緣呈港灣狀、鋸齒狀(圖3(e))。

3.3.3 黏土礦物交代顆粒

主要表現為綠泥石交代石英、長石邊緣、顆粒表面的綠泥石化，高嶺石、伊利石、伊利石/蒙皂石的混層黏土礦物、綠泥石/蒙皂石混層黏土礦物附著于顆粒表面生長。

3.3.4 自生礦物之間的交代作用

在顯微鏡下可觀察到晚期生成的方解石對早期形成的濁沸石的交代，方解石、濁沸石對綠泥石環邊的交代，以及碳酸鹽礦物之間的相互交代，表現為菱鐵礦與方解石相互交代、鐵方解石交代方解石、鐵白云石交代鐵方解石。

3.4 溶解作用

通過普通顯微鏡、掃描電鏡、陰極發光、鑄體薄片觀察發現：本區被溶蝕的物質主要是巖屑、長石等不穩定的顆粒及少量方解石、濁沸石、鈉長石和硅質填隙物。巖屑顆粒的溶解通常有3種特征：粒內僅部分礦物或局部發生溶解，形成斑點狀、蜂窩狀、條紋狀粒內溶孔(圖 3(h))；顆粒發生強烈溶解僅剩部分殘余或整體溶解形成鑄?？?；顆粒邊緣溶解呈不規則狀，或向粒間擴展形成粒間擴大溶孔。長石常沿解理面或邊緣溶解，也會擴大粒間孔。除此之外，粒間填隙物及方解石、濁沸石、鈉長石等膠結物也存在少量的溶蝕，形成填隙物溶孔及晶間孔(圖 3(b)，(g)和(f))。研究區次生孔隙發育的砂巖主要是巖屑和長石發生溶蝕所致，巖屑顆粒中大量存在的火山巖屑物質是次生溶蝕孔隙發育的物質基礎；在方解石膠結強烈的砂巖中，溶蝕作用較弱。在強烈溶蝕帶中，碳酸鹽巖膠結物和部分不穩定礦物長石或巖屑同時溶解，并有少量殘余斑點殘存。這表明溶蝕事件發生在大規模膠結作用之后[14]。

4 成巖階段劃分

烏夏地區二疊系深度變化范圍大，大多為 0.70～4.89 km。由于處于前陸盆地演化背景，構造活動強烈且伴隨有多期間歇式火山活動爆發，致使二疊系儲層所處的成巖階段晚，變化范圍大。根據新成巖階段劃分標準，綜合鏡質體反射率、伊蒙混層中混層蒙脫石含量、自生礦物等資料認為：研究區二疊系儲層處于中成巖A亞期—晚成巖期(見圖 4)。各成巖階段的特征主要表現如下。

4.1 中成巖期A亞期

進入中成巖A 階段，蒙脫石向伊利石轉變，伊利石/蒙皂石中蒙皂石的含量為 35%～50%，鏡質體反射率為0.5%～1.3%，形成晚期亮晶方解石和鐵白云石膠結，石英次生加大屬Ⅱ級，還可見其他自生礦物如鈉長石、濁沸石、片沸石、方沸石等。

在有機酸的作用下，長石、巖屑等碎屑顆粒及粒間填隙物發生溶解，部分碳酸鹽也開始發生溶解，孔隙類型除少部分保留的原生孔隙外，以次生孔隙為主。碎屑顆粒溶解釋放出的Al，Fe，Mg，SiO2和Ca等元素加入到孔隙水中導致自生石英、石英次生加大，方沸石及高嶺石、伊利石等新的自生礦物形成[15]。隨著這些自生礦物的沉淀，孔隙水由酸性變為弱堿性，有利于CaCO3沉淀。由于在該階段有機質所提供的CO2較充分，孔隙水中又富含Ca2+及Fe2+，與CO2結合形成大量(含)鐵方解石充填在原生孔隙或次生溶孔中，又使孔隙度降低。

圖4 烏夏地區二疊系成巖階段劃分Fig.4 Diagenesis evolution stages of Permian sandstones in Wu-Xia Area

4.2 中成巖期B亞期

中成巖階段 B亞期 I/S中蒙皂石的含量為15%～35%，I/S為有序層，鏡質體反射率為1.3%～2.0%，石英次生加大為Ⅲ級；巖石致密，有裂縫發育，晚期含鐵碳酸鹽類膠結物發育，其他自生礦物如鈉長石、濁沸石、片沸石、方沸石發育；溶解作用發育，次生孔隙及裂縫發育。

由于脫羧基酸性水的進入，長石溶解作用繼續發生，黏土礦物之間相互轉化，主要是蒙脫石在有機酸的作用下向伊利石轉變。在溫壓不斷增加時，黏土中的分散有機質和分散碳酸鹽質分解出來的CO2使砂層再次呈現酸性至弱酸性的成巖環境[9]，造成砂巖的晚期溶蝕，使次生孔隙發育，同時，砂巖本身由于膠結作用影響，被自生石英和次生伊利石進一步充填，孔隙度在整體上略降低。隨著深度的再次增加，強烈的壓實作用造成云母和塑性巖屑變形，堵塞粒間孔，從而導致儲層儲集性變差，非均質性變強，但由于構造運動、壓實作用和礦物轉化的成巖收縮作用產生了一系列微裂縫，在一定程度上增強了儲層的儲集物性。

4.3 晚成巖期

主要發育在風城組，鏡質體反射率為2.0%～4.0%，砂巖中可見晚期碳酸鹽類礦物以及鈉長石、榍石等自生礦物，砂巖和泥巖中代表性黏土礦物為伊利石和綠泥石，并有絹云母、黑云母，混層已基本消失，石英加大屬Ⅳ級。巖石極致密，顆粒呈縫合接觸及有縫合線出現，孔隙極少，而裂縫發育。

5 成巖作用與孔隙演化

研究表明：除沉積條件外，成巖作用也是影響儲層物性的重要因素之一，其中壓實、溶蝕和膠結是最重要的3個因素[16]；孔隙演化與成巖作用密切相關。烏夏地區二疊系經過一系列成巖階段，受各種成巖作用的影響，填隙物不斷改變，孔隙也隨之演化[7]。

5.1 原始孔隙度

恢復砂巖初始孔隙度是定量評價不同成巖作用類型對原生孔隙喪失和次生孔隙產生影響的基本前提[17]。砂質沉積物的原始孔隙度與顆粒粒徑和分選程度密切相關，Scherer等[18-19]根據Beard和Weyl提供的孔隙度與分選系數資料，建立了原始孔隙度與分選系數之間的函數關系式：

其中：φ為原始孔隙度；η為分選系數。

通過對普通薄片和鑄體薄片的詳細觀察和統計，研究區分選系數多在 2.0～3.4之間, 研究區砂巖分選較差～差。這主要是因為烏夏地區二疊系沉積時期為沖積扇、扇三角洲沉積, 經河流搬運的沉積物運移距離較近, 砂質載荷未得到充分分選改造。根據研究區22口井73塊砂巖樣品的粒度分析資料統計，二疊系砂巖的平均分選系數為 2.612，按式(1)計算的平均原始孔隙度為31.9%。

5.2 孔隙損失量的計算

5.2.1 壓實作用損失的孔隙度

在沉積物進入埋藏期后, 壓實作用往往是原生孔隙損失的最主要原因, 這時，上覆沉積物靜壓力、孔隙水壓力以及沉積物顆粒的物理性質如剛性、塑性和半塑性、填屑物成分和含量等因素綜合制約原生孔隙的消亡方式。因此，恢復剩余粒間孔隙也是定量評價后期化學膠結作用、交代作用對孔隙破壞以及次生孔隙增長對整體孔隙度增加程度的前提[9]。

其中：V1為壓實后粒間剩余孔隙體積；V2為粒間孔隙體積；V3為膠結物體積；1φ為壓實作用損失的孔隙度；2φ為原始孔隙度；3φ為壓實后粒間剩余孔隙度。

據式(2)和(3)，研究區二疊系儲層壓實后粒間剩余孔隙為 7.35%，由壓實作用損失的孔隙度平均為23.65%，平均視壓實率為74.10%，為較強～強壓實，且視壓實率與巖石孔隙度呈明顯的線性負相關關系(圖 5(a))。

5.2.2 膠結作用損失的孔隙度

研究區發育的碳酸鹽礦物、硅質、沸石、長石及黏土礦物的膠結使原生孔隙進一步減少。膠結作用損失的孔隙度指在各個成巖期內膠結作用消除的原始孔隙，可以通過巖石薄片中膠結物的含量來估計由膠結作用損失的孔隙度。二疊系儲層膠結物平均含量為4.30%，平均視膠結率高達36.83%，膠結程度強。通過薄片鑒定與統計發現：由膠結作用損失的孔隙度為4.30%，研究區視膠結率與孔隙度呈較明顯的負相關關系，隨著膠結作用的增強，巖石孔隙度呈對數關系降低(圖 5(b))。

圖5 成巖作用與巖石孔隙的關系Fig.5 Relationship between diagenesis and porosity

5.3 孔隙增生量計算

砂巖經受不同程度的溶解作用改造形成多種類型的次生孔隙，導致孔隙度增加，主要包括生成的粒間溶孔、粒內溶孔、填隙物溶孔、晶間孔及因溶蝕作用而使原有孔隙加大所形成的孔隙。強烈的機械壓實導致巖屑、石英等剛性顆粒破裂產生的壓裂縫和成巖收縮產生的界面縫，使孔隙度增加，也對提高砂巖的儲集性能起積極作用?？紫对錾靠梢哉J為是鑄體薄片中次生孔隙和裂縫的面孔率(即鑄體薄片中次生孔隙和裂隙的面積與總孔隙面積之比)，經統計，本研究區孔隙增生量平均為4.90%。其中：長石、巖屑顆粒內部的溶解作用對孔隙增量的貢獻最大，達44.50%，壓裂縫和界面縫貢獻分別為 15.40%和 12.30%，粒間填隙物被溶解形成的孔隙對孔隙增生量的貢獻為13.69%。

5.4 孔隙演化模式

根據上述各成巖階段的成巖作用特征及其對孔隙度的影響分析，可總結出烏夏地區二疊系儲層成巖作用與孔隙演化的模式，見圖6。

烏夏地區二疊系儲層處于中成巖A亞期—晚成巖期，進入中成巖A 階段，晚期含鐵碳酸鹽類膠結物、鈉長石及沸石類膠結物發育，在有機酸的作用下，長石、巖屑等碎屑顆粒及粒間填隙物發生溶解，部分碳酸鹽也開始發生溶解，孔隙類型除少部分保留的原生孔隙外，以次生孔隙為主；在中成巖B期，除晚期含鐵碳酸鹽類膠結物外，鈉長石、濁沸石、片沸石、方沸石等自生礦物膠結物溶解作用發育，儲集空間類型主要為次生孔隙及裂縫。在晚成巖期，巖石極致密，顆粒呈縫合接觸及有縫合線出現，孔隙極少而裂縫發育。

以原始孔隙度31.90%計，經強烈的機械壓實作用和化學壓溶作用后，孔隙度為 7.35%，再經方解石、硅質、晚期含鐵碳酸鹽膠結物及鈉長石、濁沸石、片沸石、方沸石等自生礦物充填后為 3.35%。在有機酸的溶解作用下產生次生孔隙，強烈的壓實作用形成的壓裂縫及成巖收縮形成的界面縫使得孔隙回升到7.95%。

圖6 烏夏地區二疊系儲層孔隙演化模式Fig.6 Pore evolution pattern of Permian sandstones in Wu-Xia Area

6 結論

(1)沖積扇相、扇三角洲相砂礫巖體、濱淺湖及灘壩砂體構成二疊系主要的碎屑巖儲集體。儲集巖巖性以不等粒巖屑砂巖、砂礫巖和礫巖為主，巖石具有較低的結構成熟度和成分成熟度。

(2)烏夏地區二疊系儲集空間類型以次生孔隙為主，其中粒內溶孔最發育，含量占整體儲集空間類型的41.77%，其次為微裂縫、填隙物內溶孔和界面縫；原生剩余粒間孔含量很少；原生粒間孔幾乎不發育。

(3)烏夏地區二疊系砂巖經歷了壓實、膠結、交代和溶蝕作用的改造，砂巖儲層中含大量的碳酸鹽膠結物，目前儲層所處的成巖階段變化范圍大，成巖強度強，處于中成巖A亞期—晚成巖期。

(4)儲層的孔隙演化與成巖作用密切相關。早成巖期的壓實作用以及方解石、硅質、沸石、含鐵碳酸鹽、黏土礦物等膠結作用，使二疊系砂巖孔隙度由原來的31.90%變為中成巖初期的3.35%，進入中成巖演化階段，有機質成熟，有機酸溶解產生次生孔隙，裂縫形成，使總孔隙度回升到7.95%。

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