準噶爾盆地車拐地區三疊系成巖作用與孔隙演化①

魯新川 張順存 蔡冬梅 史基安

(1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000;2.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院 黑龍江大慶 163712)

0 前言

準噶爾盆地西北緣是準噶爾盆地重要的產油區。受紅車斷裂帶及中拐凸起的影響，西北緣車拐地區形成多種類型的圈閉，是具有較大潛力的有利含油氣區，在二疊系—侏羅系中均已發現油氣藏［1～3］。西北緣三疊系車拐斜坡區已探明油氣主要集中在紅車斷裂帶下盤，以巖性油氣藏為主，規模都很小。嚴世幫認為［4］三疊系斜坡區沉積時表現為隆凹相間格局，具備發育大規模古構造條件和儲層條件，斜坡區三疊系、侏羅系具備發現規模較大油氣藏的條件。由于侏羅系埋藏較淺，對儲層的影響因素相對較少，在以往的研究中對侏羅系的儲層、沉積作用研究較多［1，5］，由于車拐斜坡區三疊系埋藏深度大都在3 000 m以下，部分地區埋深已經超過了4 500 m，對于車拐地區三疊系儲層的物性特征、孔隙類型、成巖作用及儲層物性的主控因素等方面的研究非常薄弱。因此，本文對車拐地區三疊系儲層的成巖作用和孔隙演化特征進行研究，為對該區的三疊系儲層的理論研究提供一定的科學依據，對油氣田的勘探開發提供一定的現實指導意義。

1 區域地質背景

準噶爾盆地西北緣車拐斜坡區處于新疆克拉瑪依市和沙灣縣，位于準噶爾盆地西部隆起和中央坳陷區域，包括紅車斷裂帶、車排子凸起、中拐凸起和中央坳陷部分［4］。三疊紀時研究區構造運動從早期到晚期逐漸減弱，二疊紀時已經發育的中拐凸起和車排子凸起的隆起速度減弱，三疊紀的沉積物覆蓋于車拐凸起和車排子凸起之上，在車排子凸起東斜坡，沉積厚度較大［6］。僅在早三疊世百口泉組沉積期，研究區西北部還有微弱的隆起作用發育，山體高度不高，物源供給量中等，主要發育沖積扇沉積，物源主要來自研究區西北部。中三疊世，發育了沖積扇—扇三角洲沉積，由于晚期紅—車斷裂的發育，以沖積扇為主的盆地邊緣相帶絕大部分已被剝蝕，目前主要殘留扇三角洲相沉積，尤其是扇三角洲前緣相帶沉積。晚三疊世白堿灘組沉積期，研究區構造運動很弱，物源區構造抬升不明顯，沉積物供給量減少，研究區發生大范圍的水進，湖泊面積進一步擴大，研究區主要發育扇三角洲前緣至前扇三角洲甚至淺湖相的粉砂巖和泥巖為主的細粒碎屑沉積［7］。三疊系從下到上，依次劃分為百口泉組(T1b)、克拉瑪依組(T2k)、白堿灘組(T3b)，其中克拉瑪依組又劃分為克拉瑪依組下亞組(克下組，T2k1，下同)和克拉瑪依組上亞組(克上組，T2k2)［7，8］。

2 儲層特征

2.1 儲層的巖石類型

車拐地區三疊系儲層的巖石類型主要為礫巖和砂巖，其中礫巖占46%，砂巖占54%(圖1)。礫巖主要包括細礫巖、砂礫巖，以砂礫巖為主，砂礫巖占巖石總含量的36%;灰色和灰綠色礫巖具有較好的分選性和磨圓度，而紫紅色、棕紅色礫巖結構成熟度較低，雜基含量高(圖2a);礫巖巖屑中火山巖類巖屑含量非常高。砂巖顏色通常為灰色或灰綠色，碳酸鹽類、沸石類膠結物膠物發育，粒間孔中充填大量的方解石膠結物，導致砂巖的粒間孔被堵塞、喪失(圖2b)。砂巖的沉積構造也比較發育，常見有平行層理、波狀層理、板狀交錯層理等。

圖1 車拐地區三疊系碎屑巖的巖石類型Fig.1 Types of Triassic clastic rock in Cheguai area

2.2 儲層的孔隙類型

碎屑巖的儲集物性隨著埋藏深度和成巖作用而變化，儲集空間類型也不斷發生著變化。孔隙類型隨著埋深由淺到深一般表現為原生孔隙發育→混合孔隙發育→次生孔隙發育→次生孔隙減少和裂隙發育，巖石由疏松變得致密。通過對巖芯薄片觀察發現，在礫巖中常見孔隙類型主要有原生粒間孔和次生粒間溶孔、次生構造縫。其中粒間孔和粒間溶孔是砂礫巖的主要儲集空間。當礫巖的磨圓度、分選性較好時，雜基含量少，粒間孔比較發育，而礫巖分選、磨圓差時，雜基含量較高，在壓實作用等成巖作用影響下，粒間孔隨著埋藏深度的增加而減少直至消失。當礫巖被硅質膠結時，硬度較大，易形成次生構造縫(圖2c)。砂巖的原生孔隙主要是粒間孔，次生孔隙為粒間和粒內溶孔。

2.3 儲層的物性特征

儲層物性包括孔隙度和滲透率等因素。孔隙性的好壞直接決定巖層儲存油氣的數量，滲透性的好壞則控制了儲層內所含油氣的產能，因此，巖石的孔隙性和滲透性是反映巖石儲存流體和運輸流體能力的重要參數［9，10］。車拐地區三疊系砂礫巖孔隙度分布在6%～18%之間，滲透率差別較大，主要分布在0.08×10-3～40.0×10-3μm2。儲層的埋藏深度為2 000～4 000 m，從儲層孔隙度及滲透率與埋藏深度關系圖中可以看出，儲層物性具有隨著埋藏深度的增加而減少(圖3)，表明壓實作用為儲層物性的影響非常大。

3 成巖作用及對儲層的影響

成巖作用是沉積物沉積之后從沉積巖直至變質作用之前，或因構造運動重新抬升至地表遭受風化作用以前所發生的物理、化學、物理化學和生物的作用［11］。車拐地區三疊系儲層成巖作用類型主要有壓實作用、壓溶作用、膠結作用和溶解作用等。

3.1 壓實作用

研究區三疊系埋藏較深，壓實作用對儲層物性具有較強的破壞作用。鏡下可觀察到的壓實現象有:塑性的云母碎片發生撓曲、泥巖巖屑被擠壓變形、剛性顆粒斷裂等。在黏土雜基含量較高的砂巖和礫巖中，由于粒間黏土礦物的潤滑作用，碎屑沉積物被迅速壓實，粒間孔隙度損失較快，甚至消失(圖2e)。研究區有較多的火山巖巖屑作為礫石成分，部分半塑性的火山巖巖屑在強壓實作用下發生塑性變形，與周圍碎屑顆粒呈凹凸接觸(或呈假雜基狀)，使砂礫巖中的粒間孔隙遭到進一步破壞，導致砂礫巖儲層物性急劇變差(圖2e)，這時砂礫巖的孔隙度一般小于10%，滲透率一般小于1×10-3μm2。

壓實作用除與埋藏深度有一定的正相關外，還與巖石的成分成熟度和結構成熟度有關。研究區碎屑巖的成分成熟度和結構成熟度普遍較低，火山巖巖屑及雜基含量較高，這抑制了碳酸鹽類等早期膠結作用的發育，加之泥質雜基的潤滑作用，造成機械壓實作用對儲層物性的影響增大。車拐地區三疊紀湖泊環境為微咸水環境，偏堿性的水介質利于早期方解石膠結物和沸石類膠結物的形成，雖然這些膠結物占據了砂礫巖的粒間孔隙，并對孔隙度和滲透率產生一定負面影響，但是由于早期膠結物的支撐作用，大大減緩了后續的壓實作用對砂礫巖儲層粒間孔隙的破壞，這些膠結物的易溶特征，為后期溶蝕作用的發育創造了有利條件(圖2d)。

3.2 膠結作用

膠結作用是沉積物轉變為沉積巖的重要作用，也是使沉積層中孔隙度和滲透率降低的主要原因之一，膠結作用可發生在成巖作用的各個階段，并且呈現世代性的特點［11，12］。根據研究區碎屑巖中的成分特征，車拐地區三疊系膠結物類型多樣，常見的有方解石、沸石類、石英的次生加大和黏土礦物。

1)碳酸鹽膠結物

碳酸鹽膠結物可以形成于成巖作用的各個階段，早成巖階段形成的碳酸鹽膠結物一般為結晶程度較差，主要為含鐵方解充填與顆粒間或環繞在顆粒的周圍;早成巖晚期和晚成巖期碳酸鹽膠結物晶形較大，沉積物遭受強烈壓實，膠結物充填于較緊密接觸及緊密接觸的粒間孔中，并常對碎屑顆粒有不同程度的交代作用。而研究區內方解石膠結物分布范圍較廣，呈粒狀、鑲嵌狀、襯邊狀或櫛狀產出，也可呈次生加大環邊出現(圖2d，g)。

2)硅質膠結物

石英是碎屑巖中最常見的硅質膠結物，多以自形和次生加大出現在顆粒間。研究區比較常見的硅質膠結是自形石英小晶體產出于碎屑顆粒邊緣的粒間孔隙表面、粒間孔壁或粒內溶孔中(圖2d，g)。硅質膠結物主要通過在碎屑石英顆粒表面上同軸生長的石英次生加大邊和碎屑顆粒表面的自形晶體形式來破壞粒間孔和粒內溶孔。總的來說是起到減小孔隙度的作用，但一定量的硅質膠結物的形成，也可以增強砂巖的抗壓實強度，阻止壓實作用對原生粒間孔的破壞［13］。

圖2 車拐地區三疊系巖芯、薄片和掃描電鏡特征Fig.2 The features of Traissic core，thin sections and scanning electron microscopic in Cheguai area

圖3 車拐地區三疊系儲層孔隙度、滲透率與埋藏深度關系Fig.3 The correlation of depth and porosity，permeability of Triassic reservoir in Cheguai area

3)黏土礦物膠結物

黏土礦物膠結物在研究區三疊系碎屑巖中分布較廣泛，由于研究區砂巖和礫巖中黏土雜基含量通常較高，常有大量陸源黏土礦物混入其中，因此只能靠黏土礦物的自形程度來辨別是否為成巖自生黏土礦物，車拐地區三疊系常見的黏土礦物有高嶺石。

a)高嶺石

由于研究區礫巖和砂巖碎屑顆粒有大量的火山巖巖屑，這些顆粒中含有較多的長石成分，長石易發生溶蝕，形成自生高嶺石。自生高嶺石多呈書頁狀、蠕蟲狀集合體形式存在于原生粒間孔或次生溶蝕孔中。研究區自生高嶺石多與石英共生生長在顆粒表面或孔隙中造成孔隙堵塞(圖2h)。

b)綠泥石

砂礫巖中綠泥石的主要賦存狀態是沿孔隙邊緣產出的半自形片狀、針狀綠泥石(圖2h)，掃描電鏡和電子探針分析表明，靠近碎屑顆粒的綠泥石較為富鐵，自形程度較低;靠近孔隙邊緣的綠泥石含鐵量相對較低，自形程度較高，呈針葉狀、片狀，研究區綠泥石與石英共生。表明是在成巖早期階段陸源綠泥石沿孔隙環邊沉淀后，在埋藏成巖階段繼續生長而形成的。此外還見有少量成巖晚期孔隙邊緣自生的綠泥石，目前見到的綠泥石礦物常為不同世代混合的產物。

c)沸石類膠結物

碎屑巖中常見的沸石類膠結物由方沸石、片沸石、濁沸石及斜鈣沸石等，呈晶粒狀、板狀、纖維狀、針狀及束狀產出(圖2i)。可形成于成巖作用的各個階段，它常是火山碎屑和長石與流體相互作用的產物。有利于形成沸石的介質是高的pH值，富含SiO2以及Ca2+、Na+、K+，高礦化度的孔隙水和適當的二氧化碳。

在成巖作用過程中，硅質膠結物、自生高嶺石和綠泥石與沸石類膠結物和碳酸鹽類膠結物相似，對于儲層的孔隙起到了破壞性的作用，阻塞了孔隙流體的流動。但在成巖早期粒間孔內膠結物可有效地增強巖石的抗壓實能力，使粒間體積得以保存，也為溶蝕的發生提供的物質基礎。

3.3 溶解作用

碎屑巖中的任何碎屑顆粒、雜基、膠結物和交代礦物，包括最穩定的石英和硅質膠結物，在一定的成巖環境中都可以不同程度的發生溶解作用［14，15］。各種易溶的砂礫巖組份發生部分溶解、甚至全部溶解，并形成多種類型的次生孔隙，而對砂礫巖的儲集性能有較大的改善作用。通過巖芯薄片、掃描電鏡等微觀研究表明，主要的溶蝕作用:

1)碎屑顆粒的溶蝕作用。由于研究區礫石成分中火山巖組分較高，在適宜的條件下礫石很容易發生溶蝕形成各種黏土礦物。

2)膠結物的溶蝕作用。研究區的膠結作用非常發育，膠結物成分也非常多易發生溶蝕作用而形成新的礦物，同時這種膠結物的溶蝕作用還會對儲層的物性產生重要影響，研究區比較重要的膠結物的溶蝕有:a)碳酸鹽類膠結物的溶蝕作用。在埋藏成巖早期，碳酸鹽類膠結物的發育程度與泥質雜基的含量有關，同時，在埋藏成巖作用的晚期，碳酸鹽膠結物發生溶蝕產生大量的次生孔隙對儲層物性的改善起到積極作用。b)沸石類礦物的溶蝕作用。沸石膠結物在研究區比較常見，沸石在適宜的條件見極易發生溶蝕為儲層的物性改善起到積極的作用。進入晚成巖階段A期，烴源巖中有機質生成有機酸和CO2酸性流體對易溶于酸的膠結物發生溶蝕可形成次生孔隙為油氣聚集提供儲集空間。

3)雜基的溶蝕作用。研究區三疊系儲層的砂礫巖中雜基含量較高、粒度也比常見的砂巖等細碎屑巖要大許多，這種粗的雜基在合適的條件下，容易發生溶蝕作用，為儲層物性的提高貢獻力量。

4 成巖作用階段與孔隙演化

4.1 成巖階段劃分

在碎屑巖的成巖過程中，在不同的成巖階段出現不同組合、不同類型自生礦物和礦物組合，根據自生礦物次序綜合埋深、古地溫梯度、鏡質體反射率等相關標志依據碎屑巖成巖階段劃分標準［16］對車拐地區三疊系碎屑巖成巖階段進行劃分(圖4)。

研究區三疊系砂巖和礫巖中能反映其形成溫度或形成順序的常見自生礦物主要有:碳酸鹽類膠結物、石英次生加大或硅質膠結、長石增生或自生長石、自生沸石類礦物以及黏土礦物等。研究區砂巖和礫巖中，由于石英顆粒含量較低，次生加大并不非常普遍，但是在砂礫巖的粒間孔隙中常可見到自生硅質(石英質)膠結物，自生石英晶形較好，次生加大現象較明顯(圖2g，h)，說明已進入晚成巖階段。同時，長石的加大、鈉長石化以及各種沸石的分布，也可為成巖環境的解釋和成巖階段的劃分提供依據。研究區三疊系砂礫巖中含有較多的火山巖巖屑，其中方沸石、片沸石、輝沸石、鈣沸石和濁沸石等都非常常見，方沸石自形程度較高并發生一定的融蝕，表明已進入晚成巖的中晚期。此外，砂巖和礫巖儲層中自生黏土礦物的自形程度、結晶程度和I/S混層比等也是劃分其成巖階段和成巖序列的重要依據。

準噶爾盆地西北緣車拐地區三疊系埋深2 000～4 000 m，碎屑巖普遍經受了較強的機械壓實作用改造，碎屑顆粒大都以點—線接觸為主，原生孔隙已大量喪失，次生孔隙成為其中最主要的孔隙類型。方沸石和片沸石等自生礦物普遍發育(圖2i)，方解石膠結物常見，研究區可見晚期方解石交代碎屑顆粒和充填粒間孔(圖2f)，碎屑巖中碳酸鹽類、沸石類和長石類等易溶礦物的溶蝕作用多有發生，此外在砂礫巖的粒間孔隙中，高嶺石、伊利石和綠泥石等自生黏土也比較常見。綜合上述成巖特征和自生礦物發育特點，可以確定研究區三疊系碎屑巖所處的成巖階段主要為晚成巖階段的B期。

圖4 車拐地區三疊系成巖階段劃分與孔隙演化Fig.4 Diagenesis stages and porosity evolution of Triassic rocks in Cheguai area

4.2 孔隙演化

孔隙演化與成巖作用關系密切，孔隙特征受成巖作用的制約。車拐地區儲層的孔隙類型有原生孔、粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔及構造裂縫等組成，這些孔隙類型是原生孔隙經歷了早—晚成巖階段復雜的成巖作用基礎上逐漸演化而成的。

壓實作用與原生孔隙的演化呈正相關關系(圖3)。恢復砂巖初始孔隙度是研究成巖作用對孔隙演化的前提。Beard 和 Weyl等［17，18］提出了計算砂巖原始孔隙度的公式:原始孔隙度=20.9+22.9/分選系數，認為原始孔隙度應該在26%～42%(分選系數為4.2～1.1)。通過薄片觀察和統計，分選系數多在1.8～3.5之間，原始孔隙范圍為33.6%～27.5%。研究區的沉積環境為沖積扇—扇三角洲—三角洲前緣—湖泊的沉積體系，以沖積扇—扇三角洲為主，造成碎屑巖分選中等—差分選系數分布范圍較寬。

早成巖A期埋深一般小于1 800 m，面巖溫度低于70℃，主要的成巖作用為壓實作用，其原生孔隙損失量可達20%。進入早成巖階段B期，沸石出現，石英和長石增生充填了粒間孔，高齡石發育這些都造成原生孔隙的進一步減少，減少量可達5%～10%。晚成巖階段A期，溶蝕作用對孔隙的增加起到建設性的作用，碳酸鹽類、長石及巖屑和沸石類膠結物的溶蝕使次生孔隙發育主要為粒內溶孔和粒間溶孔，溶蝕作用使孔隙度增加可達3%。進入晚成巖B期的膠結作用又使孔隙度減少3%～15%。最終形成孔隙度在6%～18%之間(圖4)。

5 結論

(1)準噶爾盆地西北緣車拐地區三疊系沉積巖主要以扇三角洲前緣亞相沉積的礫巖和砂巖為主，其中礫巖占46%，砂巖占54%。膠結物類型豐富常見有硅質膠結、鈣質膠結、沸石類膠結、黏土礦物膠結。

(2)車拐地區三疊系儲集空間類型以原生的粒間孔及次生的粒間溶孔和粒內溶孔次生孔隙為主，物性以中低孔、中低滲為主，孔隙度分布在6%～18%之間，而滲透率分布范圍為0.08×10-3～40.0×10-3μm2。

(3)車拐地區三疊系砂礫巖成巖作用經歷了壓實、膠結、交代和溶蝕作用的改造，壓實作用為影響儲層物性特征的主要因素，隨著深度的增加壓實作用增強物性隨之變差，壓實作用可使孔隙度減少20%以上;沸石類膠結物和碳酸鹽膠結物的溶蝕為儲層物性的改善起到良好的促進作用，溶蝕作用可以孔隙度增加到3%。經過成巖作用和自生礦物特點可知車拐地區三疊系主要為晚成巖階段的B期。

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