沾化凹陷沙河街组浊积砂岩透镜体成岩作用特征及其意义

孙海涛，钟大康，王兴明

1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院，天津 300280

0 前言

济阳坳陷是我国东部研究和勘探程度都比较高的坳陷盆地，目前的勘探重点是岩性油气藏，古近系沙河街组的砂岩透镜体圈闭是重要的岩性圈闭之一［1］。沙河街组，特别是沙三段发育大量半深湖－深湖相沉积背景下的浊积扇砂岩透镜体，这些透镜体周围被泥岩（其中许多是烃源岩）包围。其中：有的含油，形成了一定规模的油气藏；有的含油性差，油气充满度低；有的根本不含油，为空圈闭。前人［2－4］对砂岩透镜体油气藏的成藏机理研究表明：透镜状砂岩体的孔隙度大小，尤其是砂体表面的孔隙度和渗透率是透镜状砂岩油气藏成藏的关键，砂体表层物性越好，周围烃源岩中的油气进入砂岩的突破压力就越低，油气越容易进入砂体内成藏，砂体内油气的充满度越高，油气藏规模越大；而且砂岩透镜体（储集岩）－泥岩（烃源岩）－流体（油、气、水）相互作用过程中，在泥岩接触带附近会形成钙质结壳［5－7］。这种现象直接影响了砂岩透镜体的物性特征及其成藏的可能性［8］。但是，目前透镜体的成藏机理和砂体含油性的差异性都还未得到合理的解释。

笔者从微观角度对沾化凹陷沙河街组的砂岩透镜体进行了研究，解剖砂体成岩作用对砂岩透镜体物性和成藏的影响，研究砂岩透镜体的成岩作用类型、发育程度、演化过程与时间，探讨其成因机理。其目的是提高透镜状油气藏的勘探成功率，为东部深层隐蔽油气勘探指出新的目标和方向。

1 透镜体形成的地质背景和研究方法

本次研究的沾化凹陷，具有北断南超、东西双断、断层发育、分割强烈、凹凸相间的特点［9］。在研究区的渤南洼陷内沙三段时期形成了以扇三角洲和滑塌浊积扇为主的沉积体系，洼陷中心地带主要为深水浊积扇，洼陷边部主要为扇三角洲沉积（图1），物源来自洼陷周围凸起。

通过高密度（100m×150m井距）单砂体精细对比发现，在渤南洼陷内的义3－7－7井附近钻遇沙三段9个砂岩透镜体（图2，编号1－9），这些砂体都是滑塌浊积扇中扇辫状水道砂体［10］，呈透镜状包裹在深湖－半深湖暗色泥岩或油页岩中［11］，其厚度为1.5～10m，分布面积也各不相同（图2、图3）。笔者解剖的1号砂岩透镜体厚2.2m，周围被上下分别厚约30m、20m的深湖－半深湖泥岩包围，是一个比较清楚的砂岩透镜体，笔者称之为“典型砂岩透镜体”，其他砂岩透镜体内或多或少夹厚约10cm的泥质夹层（图2）。该砂岩透镜体埋深3 199～3 201 m，上部泥岩厚约30m，下部泥岩厚约20m，为典型的浊积扇中扇孤立式单一砂体［8］。重点解剖的1号砂岩透镜体的资料井位于该透镜体的中央，根据该井资料所取得的成果能代表透镜体表面与内部的成岩作用特征，分别在该透镜体的表面、透镜体的内部及相邻泥岩分别进行密集采样，获得11个砂岩样品和9个泥岩样品（图4），然后利用铸体薄片、扫描电镜、X衍射、荧光、阴极发光和胶结物包裹体等手段分析这些样品点的各种成岩现象的变化，详细解剖表面与内部的成岩作用差异。

2 透镜体内外成岩作用变化特征

通过对砂岩样品薄片的鉴定和统计得知，砂体岩石类型较为单一，按照砂岩四组分体系的成因划分方案［12］，岩性主要为细－中粒岩屑质长石砂岩，岩屑主要是石英岩，少量为板岩、千枚岩和片岩等。填隙物包括碳酸盐、硅质和泥质3种，以方解石、白云石胶结为主。石英普遍具次生加大现象，常见长石次生加大。黏土矿物高岭石、伊利石、伊蒙混层不均匀分布粒间。孔隙主要是次生孔隙，砂体表面面孔率7%（图4），胶结物较多，多数为方解石充填粒间；内部面孔率超过20%（图4），孔隙发育，主要为粒间溶孔，少量为粒内溶孔、铸模孔和高岭石晶间微孔，连通性好。根据镜下鉴定，石英次生加大为II级，长石的溶蚀作用和晚期碳酸盐胶结作用强烈，伊蒙混层比约为20%，石英包裹体均一温度平均为120℃。因此，该砂岩透镜体目前的成岩演化阶段已达到中成岩A期A2亚期［13］。

2.1 碳酸盐胶结物外多内少

根据透镜体砂岩样品的铸体薄片镜下观察（图5），透镜体表面发育强烈的碳酸盐胶结（图5A，茜素红染色后方解石变红），碳酸盐胶结物（方解石和白云石）的目测体积分数高达18%（图5A、B），而透镜体内部碳酸盐胶结较弱，碳酸盐胶结物少见（图5E）。

铸体薄片镜下照片和扫描电镜图像显示，胶结物包括（含铁）方解石和铁白云石。其中，方解石的体积分数变化表现为透镜体表面多，内部少。砂体表面的方解石体积分数为13%（图4），砂岩碎屑颗粒之间的孔隙（蓝色）很少，方解石胶结物面向孔隙一侧边缘完好，面向颗粒一侧为不规则状，明显是在早期溶蚀的空间内后形成的，而且这种现象越向内部越少见（图5A、B、C、D）。产状为他形粒状中细晶－粗晶，呈现晚期胶结物特征［14］，附近6号砂体样品的阴极发光照片也显示出这是典型的晚期胶结物［13］。随样品点从透镜体表面向内不断深入，碳酸盐矿物向内部逐渐减少（图5B、C），到3 199.80m的样品就几乎看不到方解石（图5D、E），体积分数＜1%，砂岩碎屑颗粒之间显露出大量孔隙。直到靠近透镜体下方边界时（3 201.20m），方解石又重新出现，体积分数较内部增多（图5F）。

铁白云石总量和方解石相比，显得要少很多。根据扫描电镜分析，铁白云石也表现为透镜体表面多，内部少，而且透镜体表面的铁白云石以粒间的集合体形式产出（图5G），内部的仅发育为少量自生晶体（图5H）。

总的来看，碳酸盐表现出极强的边界性，即在表面的体积分数比内部高出1个数量级，在砂岩表面形成了致密的碳酸盐胶结带。这种表面碳酸盐胶结的现象也存在于与该透镜体相邻的其他砂岩透镜体中，在2号（图2、图6A）和6号（图2、图6B）这2个砂岩透镜体的表面也发育较强的碳酸盐胶结作用。

2.2 溶蚀作用内强外弱

研究区的砂岩透镜体经历了次生孔隙发育的成岩阶段［15］，铸体薄片也表明砂岩溶蚀作用比较发育。根据溶蚀后的孔隙特征和矿物的残余特征，认为溶蚀作用向内部逐渐增强。

根据铸体薄片分析，透镜体内部的溶蚀孔隙多，其中长石碎屑铸模孔（图5E）、超大孔隙数量多（图5D），发育好，而且碎屑颗粒大部分相互不接触。相反，透镜体表面以小孔隙为主，碎屑颗粒相互接触，呈颗粒支撑分布（图5A、B），即使排除碳酸盐胶结物，碎屑颗粒的铸模孔和超大孔隙也很少，而且粒间孔隙较小。这种差异也表现在长石淋滤和溶蚀的残骸特征上，透镜体表面的长石颗粒大多是表面受到较弱淋滤（图5B、I），长石颗粒残余较多，形成微孔，而透镜体内部的长石颗粒溶蚀后残骸较小，形成较大的孔洞（5E、J），有的还能形成铸模孔（图5D）。

2.3 长石次生加大外强内弱，石英次生加大无明显差异

次生加大现象在透镜体砂岩内也比较普遍（图7A、B、C、D）。次生加大部分和原矿物之间有明显的尘埃线（图7A），加大部分主要沿着原石英颗粒的表面增生（图7C、D），加大边的宽度为10～50μm。超过60%的石英都具有加大边，另外部分长石也具有加大边（图7B），还可以见到颗粒自形晶面，属于II级加大。

总体上，透镜体砂岩表面和内部之间的石英次生加大程度没有明显差异，而透镜体表面的长石次生加大的程度略显较强，表面的长石加大晶形完好，长度、宽度都较大（图7E），而越向透镜体内部，长石加大边越短、窄，长石晶面比较清晰（图7F）。

图5 砂岩透镜体表面与内部的碳酸盐胶结物Fig.5 Carbonate cement between the interior and exterior of the lenticular sandbody

图6 2号和6号砂岩透镜体表面的碳酸盐胶结作用Fig.6 Carbonate cement of the exterior of the second and the third lenticular sandbody

2.4 自生黏土矿物分布普遍

透镜体砂岩内的自生黏土矿物包括高岭石、伊利石和伊蒙混层。书页状的高岭石分布在颗粒表面和粒间（图7G、H），发丝状的伊利石一般和蜂窝状伊蒙混层伴生，分布在颗粒表面（图7I），仅少数伊利石呈席状集合体分布（图7J）。总体上，黏土矿物的变化趋势不明显。

3 边缘致密胶结带对透镜体成藏的影响

由于砂岩透镜体外围是暗色泥岩（烃源岩），透镜体成藏实际上是暗色泥岩排出的烃类在自身驱动力作用下，克服砂岩毛细管力充注砂岩储层的过程［16－17］。这种毛细管力主要受砂岩储层的孔隙结构和渗透率影响，因此，储层物性和成岩作用成为影响透镜体成藏的重要因素［18－20］。而前人［21］通过大量取样数据研究表明，砂岩储层碳酸盐胶结物的多少和储层物性有着较强的相关关系。胶结物体积分数大的样品孔隙度和渗透率较小；反之，胶结物体积分数少，样品孔隙度及渗透率较大。所以，砂岩透镜体边缘的致密胶结带对油气成藏有着重要的影响。前人研究指出，较高的胶结物体积分数形成的致密胶结带，导致孔渗条件变差，阻止了油气的进入。

事实上，前人的研究忽略了一个问题，就是油气藏充注时间和透镜体表面致密胶结带形成时间的先后次序。笔者研究的砂岩透镜体不但发育表面致密胶结带，还有油气充注，而且充满度很高（图8，测井解释含油饱和度平均为69.68%）。根据前人［22－23］研究，本区砂岩透镜体成藏的物性门限为12%，现今该透镜体含油饱和度较高，因此说明油气充注时孔隙度较高。而现今透镜体表面样品的孔隙度仅为7%，这既说明透镜体表面胶结作用发生时间较成藏时间晚，也说明这种胶结作用降低了透镜体表面的物性，形成致密带，但是这发生在油气充注之后，所以砂岩的充满度不但比较高，而且得益于晚期的碳酸盐胶结致密带，油气在后期保存的条件也很好。

根据前面对砂岩透镜体表面到内部的各种成岩作用特征变化规律的认识，认为透镜体内部的强烈溶蚀，特别是长石碎屑和大部分填隙物等溶蚀干净，表明这些孔隙是透镜体在成岩阶段早期形成的次生孔隙（埋深达到2 200m以下即可［24］）。次生孔隙有利于改善透镜体砂岩储层的物性，为紧随其后的油气成藏提供了足够的储集空间，并减小了油气充注的毛细管阻力。济阳坳陷沙三段烃源岩埋深达到2 500m后，源岩开始排出油气［22］，2 700m后进入排烃高峰期。在油气充注之后，成岩作用仍在继续，透镜体表面靠近泥岩的部位在泥岩成岩作用影响下强烈胶结［13，25－28］，这为透镜体圈闭的长期保存提供了有利条件，但同时透镜体表面的物性变差导致毛细管阻力增大并超过油气运移的动力，导致油气无法继续充注。

图7 砂岩透镜体表面与内部的石英、长石次生加大Fig.7 Quartz and feldspar overgrowth between the interior and exterior of the lenticular sandbody

图8 砂岩透镜体的碳酸盐体积分数、孔隙度和含油饱和度随深度变化特征Fig.8 Changes of the carbonate content，porosity and oil saturation versus burial depth of the lenticular sandbody

4 结论

1）沾化凹陷埋深3 199～3 201m的沙河街组砂岩透镜体进入中成岩阶段A期A2亚期，早期成岩阶段砂体的溶蚀很强烈，而后期成岩阶段砂体表面的碳酸盐胶结和长石次生加大都比砂体内部强烈，形成了现今的砂体表面致密胶结带。

2）该砂岩透镜体内已经形成了油气藏，表面致密胶结带的存在并不完全阻碍透镜体成藏，综合考虑胶结带形成的时间和孔隙物性的破坏程度，说明晚期的胶结作用反而有利于透镜体油气藏的保存。因此，进一步加强分析晚期胶结作用进行到什么程度时，油气将不能进入砂岩透镜体成藏，砂岩透镜体厚度薄到什么程度时将形成致密透镜体等关键问题，有利于解决砂岩透镜体能否成藏、成藏的规模大小、其内油气储量大小等岩性油气藏勘探难点。

（References）：

［1］李丕龙，庞雄奇，陈冬霞，等.济阳坳陷砂岩透镜体油藏成因机理与模式［J］.中国科学：D辑，2004，34（增刊1）：143－151.Li Pilong，Pang Xiongqi，Chen Dongxia，et al.Reservoir－Forming Mechanism and Models for Sandstones Lenticular Body in Jiyang Depression［J］.Science in China：Series D，2004，34（Sup.1）：134－151.

［2］邱楠生，万晓龙，金之钧，等.渗透率级差对透镜状砂体成藏的控制模式［J］.石油勘探与开发，2003，30（3）：48－52.Qiu Nansheng，Wan Xiaolong，Jin Zhijun，et al.Controlling Model of Permeability Difference on the Hydrocarbon Accumulation of Sand Lens Reservoirs［J］.Petroleum Exploration and Development，2003，30（3）：48－52.

［3］林景晔.砂岩储集层孔隙结构与油气运聚的关系［J］.石油学报，2004，25（1）：44－47.Lin Jingye.Relationship of Pore Structure of Sand Reservoir with Hydrocarbon Migration and Accumulation［J］.Acta Petrolei Sinica，2004，25（1）：44－47.

［4］隋风贵.浊积砂体油气成藏主控因素的定量研究［J］.石油学报，2005，26（1）：55－59.Sui Fenggui.Quantitative Study on Key Control Factors for Reservoir Formation in Turbidity Sand［J］.Acta Petrolei Sinica，2005，26（1）：55－59.

［5］孙永传，李忠，李惠生，等.中国东部含油气断陷盆地的成岩作用［M］.北京：科学出版社，1996：78－80.Sun Yongchuan，Li Zhong，Li Huisheng，et al.Diagenesis in the Eastern China Petroliferous Rift Basin［M］.Beijing：Science Press，1996：78－80.

［6］郑浚茂，吴仁龙.黄骅坳陷砂岩储层的成岩作用与孔隙分带性［J］.石油与天然气地质，1996，17（4）：268－275.Zheng Junmao，Wu Renlong.Diagenesis and Pore Zonation of Sandstone Reservoirs in Huanghua Depression［J］.Oil ＆ Gas Geology，1996，17（4）：268－275.

［7］漆滨汶，林春明，邱桂强.山东省牛庄洼陷古近系沙河街组沙三中亚段储集层成岩作用研究［J］.沉积学报，2007，25（1）：99－109.Qi Binwen，Lin Chunming，Qiu Guiqiang.Reservoir Diagenesis of the Intermediate Section in Member 3of Shahejie Formation（Paleogene）in Niuzhuang Sub－Sag，Shandong Province［J］.Acta Sedimentologica Sinica 2007，25（1）：99－109.

［8］钟大康，朱筱敏，张琴.不同埋深条件下砂泥岩互层中砂岩储层物性变化规律［J］.地质学报，2004，78（6）：863－871.Zhong Dakang，Zhu Xiaomin，Zhang Qin.The Variation Characteristics of Sandstone Reservoirs Quality in Sandstone－Shale Interbeded Under Different Buried Depth［J］.Acta Geologica Sinica，2004，78（6）：863－871.

［9］邱以钢，程日辉，林畅松.沾化凹陷下第三系不整合类型及其地质意义［J］.吉林大学学报：地球科学版，2002，32（2）：146－150.Qiu Yigang， Cheng Rihui， Lin Changsong.Unconformity Types of the Lower Tertiary and Their Geological Significance in Zhanhua Trough［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2002，32（2）：146－150.

［10］王志刚.渤南油田三区沙三段4砂组成岩作用与储集层孔隙关系研究［J］.石油勘探与开发，2000，27（6）：37－40.Wang Zhigang.A Study on the Relationship Between the Diagenesis and Porosity of Reservoir in the 4th Sandstone Zone of Member S－3of Block 3in Bonan Oil Field［J］.Petroleum Exploration and Development，2000，27（6）：37－40.

［11］李果营，钟建华，饶孟余，等.东辛地区沙三段滑塌浊积扇沉积特征及控制因素［J］.特种油气藏，2005，12（6）：25－28.Li Guoying，Zhong Jianhua，Rao Mengyu，et al.Sedimentary Characteristics and Control Factors of Slump Turbidite Fans in Es－3of Dongxin Region［J］.Special Oil ＆ Gas Reservoirs，2005，12（6）：25－28.

［12］冯增昭.沉积岩石学［M］.2版.北京：石油工业出版社，1994：145－151.Feng Zengzhao.Sedimentary Petrology［M］.2nd ed.Beijing：Petroleum Industry Press，1994：145－151.

［13］孙海涛，钟大康，刘洛夫，等.沾化凹陷沙河街组砂岩透镜体表面与内部碳酸盐胶结作用的差异及其成因［J］.石油学报，2010，31（2）：68－74.Sun Haitao，Zhong Dakang，Liu Luofu，et al.Carbonate Cementation Difference and Its Origin Between Exterior and Interior Surfaces of Lenticular Sandbody in Shahejie Formation of Zhanhua Depression［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31（2）：68－74.

［14］张永旺，曾溅辉，高霞，等.东营凹陷古近系储层碳酸盐胶结物分布特征及主控因素［J］.吉林大学学报：地球科学版，2009，39（1）：16－22.Zhang Yongwang，Zeng Jianhui，Gao Xia，et al.Distribution Characteristics and Main Controlling Factors of Carbonate Cements in the Paleogene Reservoirs in Dongying Depression［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2009，39（1）：16－22.

［15］张琴，钟大康，朱筱敏，等.东营凹陷下第三系碎屑岩储层孔隙演化与次生孔隙成因［J］.石油与天然气地质，2003，24（3）：281－285.Zhang Qin，Zhong Dakang，Zhu Xiaomin，et al.Pore Evolution and Genesis of Secondary Pores in Paleogene Clastic Reservoirs in Dongying Sag［J］.Oil＆ Gas Geology，2003，24（3）：281－285.

［16］李明诚，单秀琴，马成华，等.砂岩透镜体成藏的动力学机制［J］.石油与天然气地质，2007，28（2）：209－215.Li Mingcheng，Shan Xiuqin，Ma Chenghua，et al.Dynamics of Sand Lens Reservoir［J］.Oil ＆ Gas Geology，2007，28（2）：209－215.

［17］杜春国，邹华耀，邵振军，等.砂岩透镜体油气藏成因机理与模式［J］.吉林大学学报：地球科学版，2006，36（3）：370－376.Du Chunguo，Zou Huayao，Shao Zhenjun，et al.Formation Mechanism and Mode of Sand Lens Reservoirs［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（3）：370－376.

［18］饶孟余，张遂安，赵常艳，等.砂岩透镜体成藏的成岩控制机理：以济阳坳陷牛庄洼陷沙三中亚段为例［J］.特种油气藏，2006，13（2）：12－15.Rao Mengyu，Zhang Suian，Zhao Changyan，et al.Diagenesis Controlling Mechanism on the Hydrocarbon Accumulation of Sand Lens Reservoirs：Taking the Sha 3Intermediate Member in Niuzhuang Sag of Jiyang Depression as an Example［J］.Special Oil ＆ Gas Reservoirs，2006，13（2）：12－15.

［19］Li Pilong.Oil／Gas Distribution Patterns in Dongying Depression， Bohai Bay Basin［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2004，41（1／2／3）：57－66.

［20］孙龙德.东营凹陷北部斜坡带沙三－四段砂砾岩体与油气聚集［J］.沉积学报，2003，21（2）：278－282.Sun Longde.Sandstone－Conglomerate Bodies in Sha 3－4Members and Hydrocarbon Accumulation in Northern Slope of Dongying Sag［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2003，21（2）：278－282.

［21］朱筱敏，米立军，钟大康.济阳坳陷古近系成岩作用及其对储层质量的影响［J］.古地理学报，2006，8（3）：295－305.Zhu Xiaomin，Mi Lijun，Zhong Dakang.Paleogene Diagenesis and Its Control on Reservoir Quality in Jiyang Depression［J］.Journal of Palaeogeography，2006，8（3）：295－305.

［22］庞雄奇，陈冬霞，李丕龙，等.砂岩透镜体成藏门限及控油气作用机理［J］.石油学报，2003，24（3）：38－41.Pang Xiongqi，Chen Dongxia，Li Pilong，et al.Accumulation Thresholds of Sand Lens and Controlling Mechanism for Oil and Gas Distribution［J］.Acta Petrolei Sinica，2003，24（3）：38－41.

［23］曾溅辉，张善文，邱楠生，等.济阳坳陷砂岩透镜体油气藏充满度大小及其主控因素［J］.地球科学：中国地质大学学报，2002，27（6）：730－732.Zeng Jianhui，Zhang Shanwen，Qiu Nansheng，et al.Degree of Oil－Gas Charged in Lens－Shaped Sand Body in Jiyang Depression and Its Main Controlling Factors［J］.Earth Science：Journal of China University of Geosciences，2002，27（6）：730－732.

［24］漆滨汶，林春明，邱桂强，等.东营凹陷古近系沙河街组砂岩透镜体钙质结壳形成机理及其对油气成藏的影响［J］.古地理学报，2006，8（4）：519－530.Qi Binwen，Lin Chunming，Qiu Guiqiang，et al.Formation Mechanism of Calcareous Incrustation in Lenticular Sandbody of the Shahejie Formation of Paleogene and Its Influence on Hydrocarbon Accumulation in Dongying Sag［J］.Journal of Palaeogeography，2006，8（4）：519－530.

［25］曾溅辉，彭继林，邱楠生，等.砂－泥岩界面碳酸盐溶解－沉淀反应及其石油地质意义［J］.天然气地球科学，2006，17（6）：166－170.Zeng Jianhui，Peng Jilin，Qiu Nansheng，et al.Carbonate Dissolution－Precipitation in Sandstone－Shale Contact and Its Petroleum Geological Meanings［J］.Natural Gas Geoscicence，2006，17（6）：166－170.

［26］隋风贵，刘庆，张林晔，等.济阳断陷盆地烃源岩成岩演化及其排烃意义［J］.石油学报，2007，28（6）：12－16.Sui Fenggui， Liu Qing， Zhang Linye，et al.Diagenetic Evolution of Source Rocks and Its Significance to Hydrocarbon Expulsion in Shahejie Formation of Jiyang Depression［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28（6）：12－16.

［27］王行信，周书欣.泥岩成岩作用对砂岩储层胶结作用的影响［J］.石油学报，1992，13（4）：20－30.Wang Xingxin， Zhou Shuxin.The Effects of Diagenesis of Mudstone on the Cementation of a Sandstone Reservoir［J］.Acta Petrolei Sinica，1992，13（4）：20－30.

［28］帕克A，塞尔伍德B W.沉积物的成岩作用［M］.贾振远，译.武汉：中国地质大学出版社，1987：54－56.Parkar A，Sellwood B W.Sediments Diagenesis［M］.Translated by Jia Zhenyuan.Wuhan： China University of Geosciences Press，1987：54－56.