松遼盆地南部德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層成巖作用及成巖相

楊悅舒, 劉洛夫, 徐正建, 邵明禮, 賈可心, 竇文超, 萬青青, 劉曉翔, 宋興沛, 郭楚媛

( 1. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249; 2. 中國石油大學(北京) 盆地與油藏研究中心,北京 102249; 3. 中國石油吉林油田分公司 勘探開發研究院,吉林 松原 138000 )

松遼盆地南部德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層成巖作用及成巖相

楊悅舒1,2, 劉洛夫1,2, 徐正建1,2, 邵明禮3, 賈可心3, 竇文超1,2, 萬青青1,2, 劉曉翔1,2, 宋興沛1,2, 郭楚媛1

( 1. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249; 2. 中國石油大學(北京) 盆地與油藏研究中心,北京 102249; 3. 中國石油吉林油田分公司 勘探開發研究院,吉林 松原 138000 )

松遼盆地德惠斷陷下白堊統營城組地層埋藏深度較大、成巖作用與非均質性強，致密化程度高，勘探風險大。采用普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、X線衍射等測試分析方法，分析碎屑巖儲層的巖石學特征、物性和成巖作用，根據影響儲層物性的主控成巖作用類型和物性特征，結合沉積相(微相)劃分成巖相。結果表明：德惠斷陷營城組碎屑巖儲層主要經歷機械壓實作用，硅質、碳酸鹽(方解石)、黏土礦物和濁沸石膠結作用，以及長石和巖屑溶蝕作用。營城組碎屑巖儲層成巖相劃分為3種類型：壓實致密相、碳酸鹽膠結相、不穩定礦物溶蝕相。其中不穩定礦物溶蝕相含氣性最好，廣泛分布在水下分支河道和水上分支河道微相砂體中，屬于建設性成巖相。壓實致密相和碳酸鹽膠結相導致儲層致密，屬于不利于儲層發育的成巖相。研究結果可為研究區儲層分類和評價提供依據。

成巖作用； 成巖相； 儲層物性； 德惠斷陷； 下白堊統； 營城組； 松遼盆地

0 引言

松遼盆地南部整體勘探前景良好，德惠斷陷是松遼盆地南部東南斷陷帶資源最豐富的斷陷[1]。截至2016年底，德惠斷陷完鉆深層探井50口，布海地區提交探明天然氣地質儲量18.98×108m3，農安提交探明天然氣地質儲量6.69×108m3，小合隆、后崗子、布海、農安提交預測天然氣地質儲量482.75×108m3，勘探實踐證實該區具有較好勘探前景。資源評價結果認為，該區天然氣資源量為3 600×108m3，勘探潛力較大，是吉林油田第四個天然氣千億方規劃區。德惠斷陷已經勘探近50年，由于地層埋藏深度較大、巖性巖相變化大、成巖作用與非均質性強，致密化程度高、勘探程度不均一，以及目的層多等問題，需對碎屑巖儲層和成巖進行研究。

李會光等[1]認為德惠斷陷具有較高的勘探潛力。趙志魁等[2]認為，松遼盆地南部重要的儲層為砂巖和砂礫巖，儲層物性縱向上具有隨埋藏深度增加而減小趨勢，龍王地區營城組火山活動頻繁，火山巖儲集條件差。楊銘輝等[3]研究東南隆起區儲層，德惠斷陷儲層成巖階段劃分最大埋藏深度，中成巖B期為720 m， 晚成巖A期為2 420 m， 晚成巖B期為3 560 m，晚成巖C期大于3 560 m，營城組2 800 m左右存在次生孔隙發育帶，德惠斷陷泉頭組一段儲層物性相對較好。王孝轅[4]研究德惠斷陷營城組火山巖儲層孔隙特征，提出火山巖孔隙類型多樣，構造運動、風化淋濾作用及流體活動是影響儲集空間發育的主要控制因素。單祥等[5]分析德惠斷陷下白堊統登婁庫組、營城組、沙河子組儲層特征和控制因素，認為儲層整體上表現為“低孔特低孔—特低滲”儲層特征，孔隙類型主要有殘余原生孔、次生孔和混合孔，壓實作用導致儲層物性變差，溶蝕作用改善儲層物性，在2 200～2 400 m 和2 700～2 950 m埋深發育2個次生孔隙發育帶。Jia Haibo等[6]劃分德惠斷陷營城組沉積相和微相，認為在德西、德東斷層邊緣廣泛發育扇三角洲沉積相，開安—合隆鼻狀構造帶局部發育辮狀河三角洲沉積相，其余地區主要發育深湖相沉積相。趙靜等[7]分析松遼盆地南部火山巖優質儲集體，認為火山碎屑巖與沉積巖互層為最佳巖性組合方式，溶蝕作用、 揮發組分逸出、 風化淋濾作用使儲層物性變好。

人們對松遼盆地德惠斷陷儲層方面的研究多集中于東南隆起區，對德惠斷陷下白堊統營城組多為火山巖儲層方面的研究，碎屑巖儲層方面的研究少且不夠細致，對營城組特低孔、低孔—特低滲儲層的研究不夠重視。深層儲層埋藏深度較大、物性差、致密化程度高等導致勘探開發難度加大。根據薄片鑒定、掃描電鏡、X線衍射結果和物性分析等資料，筆者研究松遼盆地南部德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層的特征及成巖作用，揭示儲層變化規律，結合沉積微相劃分成巖相帶，表征儲層性質，為進一步油氣勘探和開發提供地質依據。

1 地質背景

德惠斷陷位于松遼盆地南部，屬于東南隆起區的次一級構造單元，面積約為4 053 km2，屬于晚古生代淺變質巖基底逐漸發展起來的中生代沉積盆地[5-6]。根據構造特征，可將研究區劃分為7個次級構造單元：德惠地塹、農安地塹、鮑家箕狀洼陷、華家斜坡帶、龍王箕狀洼陷、開安—合隆鼻狀構造帶及蘭家箕狀洼陷[5,8-9](見圖1)。

圖1 松遼盆地南部德惠斷陷構造單元劃分

營城組沉積期屬于盆地發育的持續斷陷階段，是由侏羅紀晚期火石嶺組初始斷陷與白堊紀早期沙河子組強烈斷陷演化而來的。營城組沉積期斷裂活動較為強烈，火山活動頻繁，火山巖在研究區內廣泛分布[10-11]，同時，研究區沉降作用十分強烈，為粉—細砂巖、中—粗砂巖、砂礫巖等碎屑巖儲層的發育提供必要條件，火山活動與沉積作用或交替出現，或同時出現。營城組(K1yc)沉積早期廣泛分布，但頂部剝蝕十分嚴重，地層剝蝕量達到100～1 100 m，同時下部地層缺失明顯。營城組一段(簡稱營一段，K1yc1)在龍王箕狀洼陷和蘭家箕狀洼陷幾乎未沉積，營城組三段(簡稱營三段，K1yc3)在鮑家箕狀洼陷幾乎剝蝕殆盡，多數井中僅保留營城組二段(簡稱營二段，K1yc2)，厚度為130～380 m。巖性主要以黑色和深灰色泥巖、粉砂巖、灰白色砂巖為主，含少量碳質泥巖和煤層[12]。巖性組合形成于距今133.9～124.5 Ma(見圖2)[6]。

圖2 松遼盆地南部德惠斷陷綜合柱狀圖

受斷裂邊界和物源影響，湖盆發育期內廣泛沉積上侏羅統和白堊系的深、淺湖泊相—辮狀河三角洲及扇三角洲相地層[6]。扇三角洲沉積相大面積分布于農安、華家、鮑家箕狀洼陷西側和東側，辮狀河三角洲主要發育于開安—合隆鼻狀構造帶和蘭家箕狀洼陷，只在龍王洼陷西側局部發育近岸水下扇沉積相(見圖3)。

2 碎屑巖儲層基本特征

2.1 巖石學

德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層巖性主要為粉—細砂巖、中—粗砂巖和砂礫巖。巖石具有成分成熟度低的特點，其中砂巖巖石類型以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，含少量長石砂巖(見圖4)。顆粒組分主要為石英、長石、巖屑。其中石英體積分數普遍偏低，為14.0%～39.0%，平均為29.1%；長石以鉀長石、斜長石為主，偶見微斜長石，長石體積分數為19.0%～55.0%，平均為35.8%，高于石英顆粒的，風化程度為中等—強。巖屑體積分數分布較廣，為15.0%～51.0%，平均為31.1%。巖屑組分的巖石類型包括巖漿巖、變質巖、沉積巖、火山碎屑巖、內碎屑等，其中巖漿巖、變質巖體積分數高，是巖屑主要組分。在結構成熟度方面，德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖碎屑顆粒圓度以次棱為主，分選性為中等—好。雜基類型主要為泥質，體積分數變化范圍較大，在1.0%～22.0%之間，平均為7.2%。顆粒間接觸關系以線接觸、凹凸接觸為主。

圖3 松遼盆地南部德惠斷陷營城組沉積相平面展布

2.2 儲層物性

分析55口井358塊巖心樣品的孔隙度、滲透率數據，營城組孔隙度φ分布在1.00%～19.00%之間，平均為7.84%(見圖5)，水平滲透率最大為0.971×10-3μm2，最小為0.060×10-3μm2，平均為0.298×10-3μm2。根據《石油天然氣儲量計算規范》碎屑巖儲層分類標準[13]，營城組屬于典型的特低孔、低孔—特低滲儲層。儲層物性變化范圍很大，營城組碎屑巖儲層非均質性極強。孔隙幾何形態復雜多樣，以次生孔隙為主，其中溶蝕孔隙(面孔率為0%～5%，平均為3%)是研究區最主要的孔隙類型。

德惠斷陷營城組儲層孔隙度與深度關系(見圖6)表明，隨著深度的增加，孔隙度呈緩慢減小—迅速增加—迅速減小的趨勢。深度為1 670～2 200 m，儲層孔隙度緩慢減小，介于4.00%～8.00%。隨著深度增加，當深度大于2 200 m時，儲層孔隙度迅速增大至13.00%，孔隙度達到最大。當深度大于2 350 m時，孔隙度迅速降至1.00%～2.00%，物性極差。

圖4 德惠斷陷下白堊統營城組砂巖成分三角圖Fig.4 Ternary diagram showing the framework-grain composition of the lower Cretaceous Yingcheng formation in the Dehui fault depression

圖5 德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層孔隙度分布Fig.5 The porosity histogram of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in Dehui fault depression

圖6 德惠斷陷下白堊統營城組儲層孔隙度與深度關系

Fig.6 Porosity-depth chart of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in the Dehui fault depression

3 主要成巖作用類型

3.1 機械壓實作用

普通薄片和鑄體薄片鏡下觀察表明，德惠斷陷營城組碎屑巖儲層在埋藏過程中以機械壓實作用為主。粒間機械壓實作用普遍較強，在研究區廣泛發育，砂巖塑性碎屑成分如火山巖巖屑、泥巖巖屑體積分數較高，常見泥巖巖屑受壓而呈彎曲狀，成分成熟度低，分選差，儲層巖石顆粒多呈線狀接觸，少數呈點—線接觸、凹凸接觸，顆粒比較致密(見圖7(a))。受機械壓實作用影響，原生粒間孔保存很少，僅在局部地區保留。這主要與沉積物的成分和結構成熟度較低及古地溫梯度較高有關[14-15]。抗壓實能力還與地層的巖性、剛性、塑性顆粒的相對體積分數及膠結物的發育程度有關[16]。

由機械壓實作用導致的孔隙度損失的過程不可逆，是一種破壞性成巖作用。壓實作用的宏觀影響表現為隨埋深增加，砂巖物性變差，是研究區儲層孔滲性降低的主要因素[14]。

3.2 膠結作用

3.2.1 碳酸鹽膠結

研究區營城組碎屑巖中碳酸鹽膠結作用較常見，鏡下主要見方解石，根據全巖X線衍射結果，方解石體積分數介于10.0%～20.0%，遠大于白云石的。方解石膠結程度為中等—強，常見嵌晶膠結(見圖7(b))，少有零星出現，甚至出現方解石交代長石的現象。

一方面，方解石膠結物堵塞孔隙與吼道，使儲層的孔隙度和滲透率大幅度降低；另一方面, 方解石膠結物在一定程度上有效地減緩砂巖的壓實程度[17]。此外，在抑制自生黏土礦物的充填上起一定作用，也為后期的酸性水介質作用下溶蝕作用的發生及次生孔隙的形成創造有利條件[17]。由于薄片中未出現碳酸鹽膠結物的溶蝕現象，因此強烈的碳酸鹽膠結作用對儲層物性產生影響，前者破壞作用遠強于后者建設性作用。

圖7 德惠斷陷下白堊統營城組儲層鏡下微觀成巖作用特征

3.2.2 硅質膠結

研究區營城組砂巖儲層鉀長石的選擇性溶蝕[18]，使硅質膠結物后期發生沉淀，成為本區硅質組分最主要的來源[15]。硅質膠結作用表現為石英次生加大。根據薄片鑒定結果統計，研究區硅質膠結物體積分數大部分較低，平均為1.2%。掃描電鏡下，粒間或顆粒表面生長次生石英，顯示較好的六方柱形的晶形，呈現較完整的晶面，有的晶面可見生長紋和缺陷凹洞(見圖7(c))。

3.2.3 黏土礦物膠結

研究區下白堊統營城組碎屑巖儲層廣泛發育伊利石、伊/蒙混層、綠泥石及高嶺石。由于埋藏深度較大，蒙脫石體積分數極少。高嶺石充填孔隙，掃描電鏡下呈假六方書頁狀、手風琴狀集合體(見圖7(d))。伊利石體積分數較高，掃描電鏡下呈針狀及絲發狀，以搭橋的方式生長在顆粒之間(見圖7(h))或以伊/蒙混層的方式出現(見圖7(e-f)。掃面電鏡下，見綠泥石呈針葉狀或葉片狀，晶體大小均勻(見圖7(g))。

根據X線衍射黏土礦物的相對體積分數與儲層埋藏深度之間的關系(見圖8)，隨著埋藏深度增加，研究區伊利石相對體積分數逐漸增多，高嶺石和綠泥石相對體積分數減少，伊/蒙混層相對體積分數先增加

圖8 德惠斷陷下白堊統營城組黏土礦物相對體積分數與儲層埋藏深度的關系Fig.8 Relationship between the relative content of clay minerals and depth of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in the Dehui fault depression

后減少。在儲集層演化的過程中，高嶺石通常能夠指示長石顆粒的溶蝕及次生孔隙的發育[19]。研究區營城組隨著埋藏深度增加，高嶺石和綠泥石向伊利石轉化，而伊利石通常呈纖維狀或孔隙搭橋狀堵塞孔隙吼道，使滲透率大幅降低[20]。因此，黏土礦物膠結對儲集性能產生不利影響。

3.2.4 濁沸石膠結

研究區營城組砂巖儲層可見濁沸石膠結物，一般呈較大的斑塊狀連晶，以充填孔隙的形式出現(見圖7(i))，不發育濁沸石溶孔。濁沸石大致形成于壓實的晚期階段，是深層成巖作用的標志[21]。葉博等[22]認為，濁沸石成因與火山物質的水解作用及斜長石發生的鈉長石化關系密切。這些火山物質的水解作用可為濁沸石形成提供大量SiO2[22]；另外，在孔隙水介質pH較高和富含 SiO2及Ca2+、K+、Na+離子條件下[21]，斜長石發生鈉長石化，反應方程式為2CaAl2Si2O8(鈣長石)+2Na++6SiO2+12H2O →2NaAlSi3O8(鈉長石)+CaAl2Si4O12·12H2O(濁沸石)+Ca2+[22]. 由于研究區營城組地層中存在凝灰巖等火山物質的沉積，同時砂巖巖屑中含有大量火山巖巖屑[10]，為火山物質發生水解作用提供可能；另外，營城組儲層中長石體積分數高，以鉀長石和斜長石為主，也為斜長石鈉長石化提供物質基礎，因此推測研究區濁沸石成因與此有關。濁沸石膠結堵塞孔隙空間，對儲集性能產生不利影響[23]。

3.3 溶蝕作用

溶蝕現象在研究區營城組儲層中很普遍。長石和富鋁硅酸鹽組分的巖屑被孔隙中的酸性水淋濾[24]，溶解過程中表現相似的受溶特征，根據鑄體薄片觀察顯示，長石顆粒和巖屑是研究區最為常見的受溶組分，是形成次生孔隙的主要原因之一[23-25]。研究區碎屑顆粒的溶蝕程度并不相同，被溶蝕的長石顆粒通常具有港灣狀邊緣；沿解理溶蝕的長石顆粒呈鋸齒狀邊緣。長石溶蝕主要形成粒內溶孔，還有少數鑄模孔(見圖7(k-l))。巖屑溶蝕主要形成溶蝕粒內溶孔，甚至鑄模孔，被溶蝕的巖屑多呈蜂窩狀(見圖7(j))[15]。溶蝕作用形成次生孔隙，擴大孔隙吼道，使孔隙連通性變好[22]。

4 成巖相分布及有利孔滲成巖相

成巖相是指巖石礦物及其組合在成巖作用下經歷一定成巖階段的產物[19]，直接反映現今儲層的特征，能夠表征儲層性質和優劣[26]，預測有利孔滲成巖相，進而明確與儲集性能有密切關系的有利成巖儲集體，從而達到確定油氣的富集規律[27-29]、指導油氣勘探的目的。目前，對于成巖相研究尚未形成統一的劃分標準和命名原則[30]。文中成巖相分析主要是通過分析儲層物性、影響儲層物性的主控成巖作用類型,以及特征[31-32]、單井優勢相(以合3井為例)，并結合沉積相(微相)平面展布，將德惠斷陷營城組碎屑巖儲層成巖相劃分為3種類型：壓實致密相、碳酸鹽膠結相和不穩定礦物溶蝕相(見表1)。

4.1 壓實致密相

壓實致密相主要發育在泥質粉砂巖、粉砂巖中，泥質雜基體積分數高，普遍大于15.0%。主要分布在湖相砂體、扇三角洲前緣水下分流間灣薄層砂體中，或是分布在水動力條件相對較弱的水下分流河道末端砂體中[33](見圖9)。壓實致密相儲層典型特征：泥質雜基體積分數普遍大于15.0%，抵抗壓實作用能力較弱、顆粒分選差、水動力條件相對較弱的沉積環境導致砂泥混雜[19]，顆粒之間呈線接觸。在后期的深埋過程中被壓實致密，是導致致密化程度高的關鍵因素[32]。該成巖相的儲層孔隙度、滲透率極低，平均孔隙度為6.3%，平均滲透率為0.210×10-3μm2。儲層物性較差，不具備儲集性能，屬于對儲層發育不利的成巖相。

表1 德惠斷陷下白堊統營城組儲層成巖相類型、分布及特征

Table 1 Diagenesis facie types and features of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in the Dehui fault depression

成巖相類型孔滲性主要成巖特征主要沉積微相壓實致密相特低孔特低滲泥質體積分數高,顆粒呈線接觸,僅發育少量泥質雜基微溶孔水下分流間灣碳酸鹽膠結相特低孔特低滲方解石以嵌晶膠結的方式充填,體積分數介于10.0%～20.0%水下分支河道分流間灣遠砂壩席狀砂不穩定礦物溶蝕相低孔特低滲次生溶蝕孔隙十分發育,孔隙度普遍大于10.0%水下分支河道水上分支河道

圖9 德惠斷陷下白堊統營城組儲層成巖相平面展布

4.2 碳酸鹽膠結相

碳酸鹽膠結相在整個研究區分布范圍較大(見圖9)，由于臨近泥巖層段的砂巖容易出現鈣質膠結，因此碳酸鹽膠結相與壓實致密相毗鄰[19]。主要分布在湖相砂體中，以及扇三角洲水下分支河道、分流間灣、遠砂壩和席狀砂的微相砂體中，碎屑分選較好，黏土礦物體積分數較低，主要是因為物源距離的不斷增大，剛性顆粒如石英、長石等體積分數增多，儲層抗壓實能力增強，保護儲層原生孔隙，為碳酸鹽膠結提供足夠的空間[34]。以連晶方解石膠結為主，方解石體積分數為10.0%～20.0%。碳酸鹽膠結相平均孔隙度為5.5%，平均滲透率K為0.190×10-3μm2。強烈的碳酸鹽膠結作用使有效孔隙消失，對儲層物性具有強烈的破壞作用，是導致儲層致密而形成致密層的主要原因，這類儲層的含氣性很差(見圖10)。儲層物性極差，孔隙度最低，儲集性能被破壞，不具備儲集性能，是對儲層發育不利的成巖相。

圖10 合3井營城組儲層單井成巖相劃分及與物性、沉積微相的關系Fig.10 The division of diagenetic facies of Yingcheng formation sandstones in well He3 and the relationship with the physical properties and microfacies

4.3 不穩定礦物溶蝕相

在壓實背景下，該成巖相以不穩定礦物(長石和巖屑)被孔隙中的酸性水淋濾發生溶蝕作用，屬于主控成巖作用，巖性多為中粗粒巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖，廣泛分布于辮狀河三角洲前緣水下分支河道和扇三角洲前緣水下分支河道砂體發育區[33](見圖9)。不穩定礦物溶蝕相平均孔隙度為10.4%，平均滲透率為0.630×10-3μm2。儲層中不穩定礦物含量很高，為溶蝕作用的發生奠定基礎，并且未見溶蝕孔隙被方解石充填的現象，形成的溶蝕孔隙對吼道有擴張作用，有效地改善孔隙連通性能[31]，發育形成孔隙度相對較高的孔隙型儲層，因此該成巖相對儲層物性是最主要的建設性成巖相。在單井中，以該成巖相為主導的儲層含氣性最好(見圖10)。

5 結論

(1)德惠斷陷下白堊統營城組儲層巖性以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，含少量長石砂巖。成分成熟度低，分選性為中等—好，顆粒間主要呈線接觸，儲層致密，非均質性強。營城組碎屑巖儲層屬于典型特低孔、低孔—特低滲儲層，孔隙類型以次生溶蝕孔隙為主。

(2)德惠斷陷下白堊統營城組儲層經歷機械壓實作用和膠結作用等破壞性成巖作用，以及溶解作用等建設性成巖作用。機械壓實作用降低孔滲，硅質、碳酸鹽、黏土礦物及少量濁沸石膠結等膠結作用堵塞孔隙空間；溶蝕作用形成次生孔隙，孔隙吼道擴大，連通性變好，有效地改善儲層物性。

(3)根據沉積相展布、成巖主控因素及其對儲層孔滲性的影響，將德惠斷陷下白堊統營城組儲層劃分為壓實致密相、碳酸鹽膠結相和不穩定礦物溶蝕相3種成巖相類型。其中不穩定礦物溶蝕相廣泛分布于水下分支河道和水上分支河道砂體發育區，含氣性最好，是建設性成巖相。壓實致密相和碳酸鹽膠結相導致儲層致密化而形成致密層，物性被破壞，是屬于對儲層發育不利的成巖相。

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2016-12-21；編輯：陸雅玲

中國石油吉林油田分公司項目(JS2016-W-13-JZ-9-18)

楊悅舒(1993-)，女，碩士研究生，主要從事儲層沉積地質方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2017)03-0052-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.03.006