儲層性能層間差異的成巖因素：以塔里木盆地群苦恰克構造帶泥盆系東河塘組砂巖為例

韓登林 ，李維鋒 ，許曉宏 ，洪國良，李凌高

(1. 長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 荊州，434023；2. 長江大學 地球科學學院，湖北 荊州，434023；3. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

一直以來，對儲層性能的預測及其非均質性主控因素的探求都是一個困擾儲層地質研究者的難題。儲層儲集性能的優劣以及非均質性的強弱受控于砂體初始沉積環境，其后期埋藏熱演化過程中所經歷的種類繁多且周而復始的成巖改造也對其起著至關重要的作用[1-3]。但在針對儲層儲集性能的研究過程中，有關后期成巖改造的研究往往滯后于初始沉積模式的研究，以至在很多情況下對于儲層所表現出的非均質性特征往往缺乏可行和可信的解釋。塔里木盆地泥盆系東河塘組是近年來重要的勘探目的層，特別是針對塔西南新區群苦恰克構造帶而言，東河塘組是勘探目標的重點，也受到了諸多沉積學家和儲層地質學家的關注，并在層序、沉積等方面取得了較為一致的認識。但上述研究并未深究儲層性能所表現出的強烈的層間差異性特征。為此，本文作者在前人研究的基礎上，探究成巖改造的差異對于儲層性能層間差異的控制效應，并進一步討論由此所引發的連帶效應。

1 地質概況及儲層性能層間差異

群苦恰克構造帶位于塔里木盆地西南坳陷麥蓋提斜坡處，北靠西克爾構造帶，西鄰喀什凹陷，南接葉城凹陷和和田凹陷，東北鄰巴楚前緣隆起，向東與塘古孜巴斯凹陷過渡(見圖1[4])。在其構造帶內發現了巴什托普油田，而泥盆系東河塘組即為該油田的重點勘探層段之一。

東河砂巖發育于晚泥盆世晚期，該套地層在群苦恰克構造帶內厚約100余m，下段地層以灰色粉砂巖、細砂巖為主，上段地層以深灰色、灰色飽含油、熒光細砂巖為主，中部為一套厚層的綠灰色泥巖夾薄層灰色粗砂巖。目前，總體上認為研究區東河塘組地層上下兩段均是以濱岸相沉積為主，主要發育臨濱和前濱亞相，砂體的沉積相帶分布穩定，兩套砂體的初始沉積(水動力)模式大致相近[5-10]。

在儲層儲集物性方面，東河塘組儲層上下兩段砂巖卻大不相同，其中上段砂巖孔隙度均值僅為3.73%，而下段砂巖儲層孔隙度均值高達10.96%，下段砂巖物性明顯優于上段砂巖的物性(見圖2)。產出于相近沉積水動力條件下的兩套碎屑巖儲層，其儲集物性呈現出較大的差異，顯然，前人對于該套儲層初始沉積模式的認識無法對研究層段強烈的層間物性差異特征進行合理的解釋。因此，為了提高儲層評價和預測精度，必須對儲層后期成巖改造模式進行研究。

圖1 研究區構造綱要示意圖[4](有修改)Fig.1 A simplified map showing tectonic location of study area

圖2 研究區東河塘組儲層儲集物性垂向分布特征Fig.2 Vertical characteristic of reservoir quality in Donghetang Formation in study area

2 取樣及分析方法

樣品取自群苦恰克構造帶內的5口探井中，隸屬于泥盆系東河塘組取心段。用于鏡下觀察的樣品按照行業標準(SY/T 5913—2004)制成鑄體薄片，并采用茜素紅和鐵氰化鉀的復合液(質量比為 1:5)對薄片進行染色，以便于在鏡下區分不同類型的碳酸鹽膠結物。為了便于后期分析，進行鏡下統計的樣品均為細砂巖，且分選為中等-較好，以此屏蔽粒度、分選等因素對儲層成巖特征的制約。選擇29個有代表性的分選較好的細砂巖樣，采用 X線熒光光譜儀測試方式(行業標準為SY/T 5163—1995)，對黏土礦物成分及含量進行測定；選擇20個有代表性的樣品經新鮮破裂面鍍金之后，進行掃描電鏡(LEO1450VP)測試。在測試過程中，具體礦物成分則通過多晶X線衍射儀(INCA ENERGY 300)確定。

3 成巖因素

3.1 碎屑礦物組分

群苦恰克構造帶泥盆系東河塘組碎屑巖儲層巖石類型主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖(圖3)，礦物成分以石英顆粒和巖屑為主(平均含量分別為 70%和26%)，長石顆粒含量次之。其中：石英顆粒主要以單晶石英為主，鮮見多晶石英；巖屑則以火山巖巖屑為主，沉積巖巖屑和變質巖巖屑含量相近。顆粒之間主要呈點-線接觸，東河塘組砂巖成分成熟度較高，分選、磨圓均較好；泥質含量較低，一般為3%～5%，均值為3.4%。

巖石類型在層間(上段砂巖與下段砂巖)存在較明顯的差別。以群4井、群5-1井和群601井為例，同一單井在上段砂巖中的石英含量明顯高于下段砂巖中的石英含量，從而表現為群5-1井和群601井下段砂巖儲層以巖屑砂巖為主；而上段砂巖儲層則以巖屑石英砂巖為主。而在巖屑組分在不同層段之間也存在差異，主要體現在東河塘組下段砂巖內的火山巖巖屑含量明顯比上段砂巖的含量高，這種物質組分上的差別反映了層間物源的差異，并在埋藏后期造成了成巖改造的層間差異化。

3.2 成巖改造特征

3.2.1 壓實作用

東河塘組上、下2段砂巖內顆粒的接觸類型差異明顯(圖4(a)和(b))，其中上段砂巖憑借硅質加大邊使得碎屑顆粒之間主要呈線甚至凹凸接觸，而若以硅質膠結前顆粒接觸狀態作為壓實效應的強弱來進行判斷，則顆粒之間主要呈點-線接觸，很少有凹凸接觸，而這與下段砂巖的顆粒接觸類型基本一致，整體上壓實效應較弱，而這種較弱的壓實效應也表明研究層段內原始沉積組分通過壓溶作用所能提供的硅源較為有限。

3.2.2 溶蝕作用

溶蝕改造在東河塘組上下兩段砂巖內雖然較為常見，但溶蝕的對象不同：上段砂巖溶蝕改造主要針對硅質成分(石英)，并以石英次生加大邊的溶蝕較為常見(圖4(a))，表明上段砂巖中關鍵的溶蝕改造在成巖序列上晚于石英次生加大，而主要集中于儲層深埋藏階段(地層溫度＞70 ℃)，而另一方面也說明在該階段儲層孔隙流體曾呈現堿性特征[11]。至下段砂巖溶蝕改造則主要針對長石(主要是鉀長石)和巖屑(主要是火山巖巖屑)等不穩定礦物組分進行(圖4(c))。雖然溶蝕改造在上下兩套砂巖內針對的對象不同，但兩者溶蝕增孔量均較小(上下段砂巖中溶蝕增孔量分別為 0.25%和

2.1%)，因此，溶蝕改造的層間差異并不是上述儲層性能層間差異的主控因素。

圖3 研究區東河塘組儲層碎屑組分特征Fig.3 Characteristic of clastic composition in Donghetang formation in study area

圖4 研究區東河塘組儲層成巖改造微觀特征Fig.4 Microscopic characteristic of diagenetic alteration in Donghetang Formation in study area

3.2.3 膠結作用

(1) 碳酸鹽膠結物。碳酸鹽膠結物(主要為白云石和鐵白云石)在研究區東河塘組上下兩段砂巖中均較為常見，但整體含量也均較少(不足2%)，而且兩者在膠結產狀上也基本一致，即菱形的白云石與半自形至自形的細晶鐵白云石主要呈充填孔隙的形式產出(圖4(c))。鐵方解石僅在個別樣品中零星可見。

(2) 黏土礦物膠結物。X線衍射分析結果表明：東河塘組儲層內黏土礦物組合中，伊利石占據著主導地位。至于高嶺石和綠泥石，則含量較少(圖5)。對于伊利石來說，其在下段砂巖內主要以石英顆粒包膜的形式產出，礦物形態呈蜂窩狀，且在顆粒接觸部位伊利石包膜明顯缺失(圖4(d)，(e)，(f)和(g))，表明伊利石包膜并非發育于儲層的同沉積期，也不是早期成巖階段的產物，而是在地層進入埋藏階段且受到一定程度壓實之后，才開始在顆粒周圍形成包膜；而在上段砂巖內，伊利石的產狀特征發生改變，主要以充填孔隙型產出。

圖5 研究區東河塘組儲層部分樣品黏土礦物X線衍射特征譜圖Fig.5 X-ray diffraction characteristic of clay minerals in Donghetang Formation in study area

(3) 硅質(主要為石英)加大。研究層段內石英次生加大程度在層間的差異十分顯著，表現在東河塘組上段砂巖內，硅質加大非常發育甚至異常強烈，硅質膠結含量在0～6%之間(均值為3.93%)，膠結程度強烈使得原生孔隙幾乎消失(見圖4(a)和(h))。本次研究雖然沒有直接的顯微測溫數據(研究層段現今地層溫度在130 ℃以上)，但憑借著次生石英完好的晶型及其在碎屑顆粒接觸部位次生石英基本缺失的現象，可以認定石英次生加大主要發育于埋藏成巖階段。而在下段砂巖儲層中，硅質膠結量在0～2%之間(均值僅為0.05%)，硅質加大零星可見。這種石英膠結效應的強烈反差對于儲層儲集物性層間差異性的影響是至關重要的。

4 討論

4.1 儲層物性層間差異的成巖因素

研究層段層間物性差異異常強烈，而2套砂體之間石英膠結效應的強弱是造就上述層間差異性的首要因素。由于上下兩段砂巖相隔不足50 m，地層溫度的層間差異幾乎可以忽略，由此可以認為儲層內硅源的供給與獲取差別是造成上述差異最重要的因素。

4.1.1 硅源的供給

儲層內硅源的供給涉及2個方面，即內部供給和外部供給。內部供給主要依靠碎屑顆粒的壓溶或者溶蝕而提供硅源，而外部供給則主要通過層間或斷層的疏導體系由外向內進行硅質運移。從研究層段內碎屑顆粒點-線的接觸狀態(以硅質膠結前顆粒接觸狀態作為判斷，見圖4(a)，(b)和(d))以及不穩定碎屑顆粒較為有限的溶蝕效應，表明研究層段內部所能供給的硅源并不足以形成如此大規模的硅質膠結物，因此，儲層內硅質膠結主要依賴于外部供給硅源。

4.1.2 硅源的獲取

如果石英顆粒與外來的硅源相互隔離，那么即使硅源充足，也很難在石英顆粒表面找到結核點從而形成石英膠結物。顆粒包膜則正是具有這種隔絕效應，從而對于石英次生有著明顯抑制作用的因素[12-15]，常見的包膜類型包括微晶石英、綠泥石和瀝青[12,15-16]。本文的研究表明：伊利石包膜對于石英次生加大的抑制效應同樣明顯，而同時這一抑制效應成為了東河塘組上下兩段砂巖儲集物性的分水嶺，上段砂巖石英次生加大強烈發育，原生孔隙幾乎被次生石英占據殆盡，而下段砂巖石英次生加大少有發育，使得粒間孔隙除了部分被碳酸鹽膠結物所占據外，多數被保留下來，從而在現今儲集物性上，上下兩段砂巖表現出強烈的層間差異性特征。

4.2 伊利石的產出

伊利石次生產出的常見因素有兩類，即分別由蒙脫石和高嶺石轉化而來。但在低于120 ℃的溫度下，高嶺石向伊利石轉換的速率極低[17]，在成巖序列上比儲層內的大規模石英次生加大還要晚，使得其對于石英次生加大的抑制沒有太大的貢獻[18]。而對于蒙脫石向伊利石的轉化來說，其主要發生在 60～110 ℃環境下[19]，甚至在20～30 ℃的低溫環境(埋藏深度在500 m左右)也能發生[20]；另一方面，從微觀尺度上來看，由蒙脫石轉換而成的伊利石在礦物形態上多呈蜂窩狀，而由高嶺石轉換而成的伊利石則多呈片狀[21]，研究層段內伊利石普遍蜂窩狀的產狀表明其來源自蒙脫石的轉化(見圖4(e)，(f)和(g))。但由于研究層段內的蒙脫石幾乎完全轉換成伊利石或者其他礦物，目前尚無法得知確切的蒙脫石礦物成分。從顆粒接觸部位黏土包膜的缺失現象可以肯定蒙脫石亦形成于地層埋藏之后，其成因可能與儲層內火山巖巖屑的溶蝕改造有關。

4.3 上述成巖因素的連帶效應

除了東河塘組上下兩段儲層內原生孔隙保存方面存在明顯差異外，上段砂巖儲層內的裂縫(構造縫和收縮縫)較之下段砂巖更為發育(見圖4(h))。東河塘組上段砂巖在一定程度的埋深壓實下，由于強烈的硅質膠結，使得該段儲層的原生孔隙消失，而其巖石應變物理屬性則趨近于剛性，呈現出類似灰巖的剛性特征，對于外部的構造抬升(或埋深)或深層次構造應變更為敏感，因此，更易于在縫隙產出[22]。

5 結論

(1) 群苦恰克構造帶內泥盆系東河塘組碎屑巖儲層性能表現出較強烈的層間差異性特征，即下段砂巖的儲集物性明顯優于上段砂巖的物性，而這種差異性并非由兩者初始沉積環境之間的差異所引發。研究層段沉積埋藏之后的石英次生加大效應在層間的強烈反差被認定為是上述差異性的主控因素。

(2) 下段砂巖內附著在石英顆粒表面的伊利石包膜是造成下段砂巖石英次生加大不發育的主要因素，繼而也成為掌控上述層間儲集物性層間差異性的決定因素。這種伊利石包膜則是在埋藏成巖過程中由先期形成的蒙脫石包膜經轉化而來。

(3) 上述成巖差異不僅使下段砂巖原生孔隙多數被保存，而且也使得上段砂巖原生孔隙消失，從而使得上段砂巖這種趨近于灰巖巖石物理特征的地層，對于外部的構造抬升(或埋深)或深層次構造應變顯得更為敏感。因此，相對于下段砂巖來說，上段砂巖儲層內的縫隙產出也更加頻繁。

致謝：本文在實驗測試過程中得到了中國科學院地質與地球物理所楊賽紅博士和長江大學地球科學學院趙峰碩士的協助，在此一并表示感謝！

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