准噶尔盆地车排子地区下侏罗统八道湾组砂岩储层成岩作用与孔隙演化

万青青, 刘洛夫, 肖 飞, 常 敏, 胡 青, 郑珊珊

( 1. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 2. 中国石油大学(北京) 盆地与油藏研究中心,北京 102249 )

准噶尔盆地车排子地区下侏罗统八道湾组砂岩储层成岩作用与孔隙演化

万青青1,2, 刘洛夫1,2, 肖 飞1,2, 常 敏1,2, 胡 青1,2, 郑珊珊1,2

( 1. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 2. 中国石油大学(北京) 盆地与油藏研究中心,北京 102249 )

准噶尔盆地车排子地区八道湾组油气勘探取得重大突破，但该地区成岩作用方面的研究还比较薄弱。根据岩石薄片及扫描电镜观察,确定车排子地区成岩作用类型及成岩事件发生顺序;根据阴极发光测试，确定方解石胶结物期次、石英次生加大发育程度及高岭石分布特征；根据X线衍射,确定黏土矿物组成及各矿物成分体积分数;根据氧同位素测试,确定自生方解石形成温度；采用反演回剥法研究储层孔隙演化过程。结果表明：储层主要经历压实作用,方解石、石英、黄铁矿等的胶结作用及长石和石英的溶蚀作用。方解石胶结物形成温度主要介于40～85 ℃，大致对应早成岩阶段A期的晚期至早成岩阶段B期；黏土矿物以高岭石为主，主要来源于长石的溶蚀；储层孔隙演化过程可以划分为3个阶段，即快速压实阶段、压实胶结阶段及压实溶蚀阶段。该研究成果为车排子地区八道湾组地层油气勘探提供地质依据。

孔隙演化； 成岩序列； 成岩阶段； 八道湾组； 车排子地区； 准噶尔盆地

0 引言

成岩作用对储层物性具有重要影响[1-2]，储层孔隙演化[3]是成岩作用研究的热点。孔隙演化研究主要有反演回剥法[4]和正演物理模拟法[5]。反演回剥法相对应用的更多，其基本原理是在确定成岩演化序列的前提下，从现今孔隙度算起，依次计算前一个成岩事件发生前的孔隙度[6]。该方法的难点在于压实减孔的定量化，解决方法有2种:一是计算原始孔隙度[7]，然后间接推算压实减孔总量，再结合埋藏史对整个埋藏过程中的压实减孔量进行估算[8]；二是建立研究区压实减孔数学模型[9-10]，再结合埋藏史定量研究压实减孔量。

成岩演化序列的建立是孔隙演化研究的基础，主要通过岩石薄片和扫描电镜观察确定成岩事件的相对先后顺序[11-13]。为了与地质历史过程结合，还需要确定各成岩事件发生的绝对时间。利用成岩包裹体和氧同位素温度，确定自生矿物的形成温度，代入埋藏史，得出成岩事件发生的绝对时间。

车排子地区八道湾组油气勘探近年来已取得进展[14]，人们对该套地层的研究主要集中于物源及古水流方向分析[15]、古地貌恢复[14]、油气成藏特征[16]，对储层成岩作用方面的研究比较薄弱。笔者根据铸体薄片、扫描电镜、阴极发光、碳氧同位素分析、X线衍射分析等方法，对车排子地区八道湾组砂岩储层进行研究，为该区油气勘探提供地质依据。

1 研究区概况

车排子地区位于准噶尔盆地西缘，西北靠近扎伊尔山，向东与中拐凸起和沙湾凹陷相邻，向南与四棵树凹陷相连(见图1)。红车断裂带是车排子凸起的次级构造单元，是研究区的主体。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

车排子凸起是在石炭系火成岩基底之上发育的继承性凸起[17]，发育演化经历3个阶段：(1)石炭纪末—侏罗纪凸起强烈隆升阶段，红车断裂带形成，在侏罗纪末期，隆升达到鼎盛阶段[18]；(2)白垩—古近纪凸起缓慢沉降阶段；(3)新近—第四纪凸起快速沉降阶段，车排子地区厚度巨大的沙湾组、塔西河组及独子山组地层形成[19]。

车排子地区八道湾组地层(J1b)的物源区主要是扎伊尔山[15]，从下至上可以分为八一段、八二段和八三段。八一段沉积时期，以辫状河沉积为主，岩性以灰色、灰褐色砾岩及泥岩为主；八二段沉积时期，沉积基准面上升，以湖泊、辫状河三角洲前缘沉积为主，岩性以大套灰色泥岩为主；八三段沉积时期，沉积基准面下降，以辫状河三角洲平原沉积为主，局部发育大套煤系地层。

2 储层基本特征

2.1 岩性

研究区八道湾组储层以长石质岩屑砂岩和岩屑砂岩为主(见图2，按Folk R L[20]砂岩分类)。石英碎屑体积分数为9.0%～79.1%，平均为14.9%；长石碎屑体积分数为2.0%～28.0%，平均为14.9%。长石包括钾长石和斜长石，X线衍射全岩分析表明，钾长石体积分数为2.6%～41.4%，平均为3.8%，斜长石体积分数为2.6%～41.4%，平均为10.3%；岩屑体积分数为20.0%～91.0%，平均为47.9%，岩屑主要由凝灰岩、霏细岩、流纹岩、花岗岩和变质岩等组成。

2.2 物性

分析400多块岩心样品表明，研究区八道湾组砂岩孔隙度为0.8%～33.1%，平均为15.0%(见图3)。渗透率为(0.01～3 230)×10-3μm2，平均为66.15×10-3μm2(见图3)。统计研究区1 000多块铸体薄片表明，砂岩储层的孔隙类型以粒间孔(占54.0%)、粒内溶孔(占31.4%)及微裂缝(占10.7%)为主，其中粒内溶孔主要为长石和石英碎屑颗粒溶孔。

图2 车排子地区八道湾组砂岩分类Fig.2 Detrital composition of the J1b sandstone reservoir in the Chepaizi area

3 成岩作用类型及特征

车排子地区八道湾组成岩作用类型包括压实作用，方解石、石英、黄铁矿及菱铁矿的胶结作用，以及石英和长石的溶蚀作用。

3.1 压实作用

车排子地区八道湾组砂岩碎屑颗粒以点—线接触为主，局部为线接触。压实作用强度主要受地层埋深控制，随着地层埋深的增加，储层孔隙度和渗透率呈下降的趋势(见图3)，表明压实作用是储层物性的主控因素。压实作用强度还与砂岩的碎屑组分有关。塑性颗粒(如黏土岩岩屑)经压实作用易变形并堵塞粒间孔(见图4(a))，而刚性颗粒(如石英)经压实作用不易变形，因此使原生孔隙得到较好的保存。

图3 车排子地区八道湾组储层孔隙度、渗透率及方解石胶结物体积分数随深度变化关系Fig.3 Distribution of reservoir porosity, permeability and contents of calcite cement of the J1b sandstone reservoir with respect to burial depth in the Chepaizi area

3.2 胶结作用

3.2.1 方解石胶结物

方解石是研究区八道湾组砂岩中最主要的胶结物，主要呈基底式胶结(见图4(d))。35块岩心样品全岩分析数据表明，方解石体积分数为0～23.3%，平均为5.7%(见图3)。在阴极发光下，方解石胶结物呈橘红色(见图4(c))，且显示只存在一期胶结。

根据砂岩中碳酸盐胶结物氧同位素值可以推断其形成温度[2]。研究区8块岩心样品碳氧同位素分析结果见表1，根据文献[21]公式，分别假定方解石沉淀时地层水氧同位素值(δ18Owater)为-7‰[22]、-4.8‰[23]及-2‰[3]，得到的方解石胶结物的形成温度见表1。由表1可以看出，方解石胶结物的形成温度主要介于40～85 ℃，大致对应早成岩阶段A期的晚期至早成岩阶段B期。

砂岩中方解石胶结物的来源主要包括2种[22]：一是来源于内部，即碳酸盐岩岩屑的溶解；二是来源于外部。研究区八道湾组砂岩中不存在碳酸盐岩岩屑，表明方解石胶结物来源于外部。统计35块岩心样品方解石胶结物体积分数及该样品与其最近的砂泥岩界面的距离(见图5(a))，方解石胶结物体积分数大于10%的样品离砂泥岩界面的距离都小于5 m，表明方解石胶结物来源主要为泥岩。泥岩中有机质可以通过多种方式[24]产生重碳酸根离子，重碳酸根离子运移到相邻的砂岩地层中，沉淀为方解石胶结物。

图4 车排子地区八道湾组储层薄片照片

图5 车排子地区方解石胶结物体积分数与距砂泥岩界面的距离及面孔率的关系

Fig.5 Relationship between content of calcite cement, distance to sandstone/mudstone surface and thin section porosity in the Chepaizi area

方解石是研究区最主要的胶结物，对储层物性有较大的影响(见图5(b))。方解石体积分数在1 800～2 400 m的深度内较高，导致孔隙度和渗透率异常减小(见图3)。

表1 车排子地区八道湾组砂岩中自生碳酸盐矿物碳氧同位素值及形成温度

Table 1 Isotopic composition of carbonate cements and calculated formation temperatures of carbonate cements in the sandstones of the Badaowan formation in the Chepaizi area

井号埋深/m碳酸盐矿物组成φ(碳酸盐)/%δ13CPDB/‰δ18OPDB/‰形成温度/℃δ18OSMOW=-7‰δ18OSMOW=-4．8‰δ18OSMOW=-2‰车911656．80100%Cal5．1-4．522-10．45631．15742．96060．178车9131855．80100%Cal15．65．054-10．78332．88044．89262．446车9131947．2042%Cal+58%Sid48．417．614-9．481车941954．73100%Cal23．3-11．538-11．62437．44950．03168．500车582712．45100%Cal6．715．972-12．15840．45953．42572．518车峰93437．21100%Cal5．42．257-16．1766．27482．892108．059沙门0114541．90100%Cal3．411．717-13．74949．97464．21285．387沙门0114584．50100%Cal1．812．741-14．67355．91470．98993．554

注:Cal为方解石,Sid为菱铁矿；只有方解石体积分数大于80%的样品进行温度计算

3.2.2 其他胶结物

研究区除了发育方解石还发育石英、黄铁矿、菱铁矿等胶结物，但体积分数相对较低。石英胶结主要表现为石英次生加大(见图4(e))，是研究区一种相对次要的胶结物。石英次生加大边的厚度为20～100 μm，且只存在一期。在扫描电镜下,也可以观察到研究区八道湾组储层中石英次生加大的存在(见图6(a))。

黄铁矿是研究区八道湾组储层中相对次要的胶结物，体积分数为0～26.5%，平均为1.2%。黄铁矿是不透明矿物(见图4(f))，一般通过在反射光显微镜下的颜色进行鉴定(见图4(g))。在扫描电镜下,可以看到黄铁矿主要为五角十二面体晶形(见图6(b))。菱铁矿也是研究区一种相对次要的胶结物，体积分数为0～28.3%，平均为0.7%。黄铁矿和菱铁矿一般形成于还原环境，而富铁缺钙镁的还原环境更利于菱铁矿的形成[25]。

3.3 溶蚀作用

车排子地区八道湾组储层长石、石英及岩屑的溶蚀作用较常见，而方解石胶结物的溶蚀很少见。长石溶蚀是研究区最常见的一种溶蚀作用，主要沿着解理缝进行(见图4(h)、图6(c))。长石和方解石溶蚀一般发生在酸性或弱酸性的成岩环境中。通常方解石比长石更易被溶蚀[22-24]。Yuan Guanghui等[26]提出长石选择性溶蚀理论:在比较封闭的成岩环境下，长石比方解石更易发生溶蚀，长石的溶蚀抑制方解石的溶蚀。八道湾组地层脱硫酸因数平均为2.73，且地层存在超压，说明地层封闭性良好，符合该理论要求的地质条件。

研究区石英溶蚀也较常见。石英一般比较稳定，不易发生溶蚀，研究区石英溶蚀较为强烈(见图4(i)、图6(d))，主要原因：(1)研究区八道湾组现今的地层水为弱碱性(pH平均为7.84)，适于石英溶蚀的发生[27]；(2)研究区八道湾组现今地层水的矿化度很高(平均为15.9 g/L)，高浓度的电解质大幅提高石英溶蚀的速率[28]。

研究区岩屑溶蚀较常见，主要分为2种类型：一是铝硅酸盐岩岩屑的溶蚀，其溶蚀机理与长石溶蚀类似；二是硅质岩屑的溶蚀，其溶蚀机理与石英溶蚀类似。文中长石溶蚀泛指铝硅酸盐岩岩屑和长石的溶蚀，石英溶蚀泛指硅质岩屑和石英的溶蚀。

3.4 黏土矿物特征

车排子地区八道湾组储层中黏土矿物以高岭石、伊/蒙混层、绿泥石和伊利石为主。173块岩心样品的X线衍射分析表明，高岭石是研究区占主导的黏土矿物，在黏土矿物中平均体积分数高达61.6%(见图7)。高岭石集合体主要呈书页状或蠕虫状(见图6(a、 e))。伊/蒙混层平均体积分数为20.0%(见图7)，且主要呈蜂窝状(见图6(f))。绿泥石平均体积分数为9.4%(见图7)，形态主要为针叶状(见图6(g))。伊利石平均体积分数为9.0%(见图7)，形态主要为弯片状(见图6(h))。各黏土矿物的体积分数随深度的变化关系见图7。由图7可以看出，高岭石的平均体积分数在整个深度范围内是占主导的，且随深度增加有增大的趋势；伊/蒙混层和绿泥石的平均体积分数随深度变化有微弱变小的趋势；伊利石的平均体积分数随深度变化有微弱增大的趋势。

图6 车排子地区八道湾组砂岩扫描电镜照片Fig.6 SEM images of the J1b sandstones in the Chepaizi area

图7 车排子地区八道湾组储层中各黏土矿物平均体积分数随深度变化关系Fig.7 Relative amount of clay minerals with respect to burial depth of the Badaowan formation in the Chepaizi area

高岭石是研究区八道湾组最主要的黏土矿物，在长石溶蚀的位置高岭石很富集(见图8)，说明高岭石的形成与长石溶蚀具有成因上的联系。Osborne M等[29]研究也表明，长石溶蚀能够释放Al和Si离子到地层水中，当离子达到过饱和后以高岭石的形式沉淀。

图8 高岭石的形成与长石溶蚀有关的证据Fig.8 Evidence proving that kaolinite precipitation and feldspar alteration are genetically related

钾长石溶蚀导致高岭石的沉淀，同时释放的K+与蒙皂石(伊利石层体积分数较低的伊/蒙混层)反应，生成伊利石[30]，故伊利石体积分数与高岭石体积分数呈正相关关系，而伊/蒙混层体积分数与高岭石体积分数呈负相关关系。随着深度增加，地层温度增加，钾长石溶蚀速率增大，高岭石体积分数增加。因此，随着深度增加，伊利石体积分数增加而伊/蒙混层体积分数减小。

方解石胶结物的大量发育通常被视为碱性成岩作用的标志[30]。在一个以碱性成岩作用为主的地区，黏土矿物通常以伊利石为主，高岭石不发育[16]，但研究区与此相反，主要原因有3个方面：

(1)研究区八道湾组储层中长石溶蚀作用强烈，表明储层经历过显著的酸性成岩作用阶段，随着长石溶蚀，大量产生高岭石。

(2)车排子地区的地温梯度很低，约为20 ℃/km[31]，因此储层在成岩演化过程中还没有达到高岭石向伊利石转化的临界温度。以沙门011井为例，由其埋藏史(见图9，埋藏史图见文献[32])可知，八道湾组地层在成岩演化过程中最高地层温度约为110 ℃，低于高岭石向伊利石转化的临界温度，即120～140 ℃[33]。沙门011井是研究区埋深相对较大的井，可以推断研究区绝大部分井的八道湾组地层所达到的最高地层温度不超过110 ℃。因此，研究区八道湾组地层中高岭石没有向伊利石大量转化。

(3)车排子地区八道湾组地层现今地层水为弱碱性，尽管弱碱性环境不利于自生高岭石的形成，但高岭石在弱碱性条件下的溶解速率相对于其他酸碱度条件下更低[34]，高岭石在弱碱性条件下可以大量存在。

4 成岩演化序列

成岩演化序列是根据胶结物之间的占位关系及溶蚀分布确定的。(1)黄铁矿胶结早于石英次生加大及方解石胶结。黄铁矿限制石英次生加大的进行(见图10(a-b))，表明黄铁矿胶结早于石英次生加大。(2)石英次生加大早于方解石胶结。方解石胶结物覆盖在石英次生加大边之上(见图10(c))，说明石英次生加大发生在方解石胶结之前。(3)黄铁矿胶结物被方解石胶结物完全包裹(见图10(d-e))，说明黄铁矿胶结早于方解石胶结。(4)长石溶蚀主要发生在方解石胶结之后，方解石几乎充填所有的粒间孔，而没有在长石溶蚀孔中沉淀，说明长石溶蚀主要发生在方解石胶结之后，但不排除在方解石胶结之前长石也有少量溶蚀(见图10(f-g))；(5)石英溶蚀主要发生在方解石胶结之后，方解石胶结物沿着溶蚀孔边缘生长，说明石英溶蚀主要发生在方解石胶结之后(见图10(h-i))；(6)高岭石胶结和长石溶蚀在成因上是相关的(见图8)，因此高岭石胶结和长石溶蚀大致同时发生。根据薄片观察成岩作用顺序，结合方解石胶结物的形成温度，得出研究区八道湾组成岩演化序列(见图9)。

图9 车排子地区八道湾组砂岩孔隙演化模式Fig.9 Porosity evolution model of the J1b sandstones in the Chepaizi area

5 孔隙演化模式

5.1 成岩作用定量化方法

5.1.1 压实减孔量估算

车排子地区位于准南前陆盆地的斜坡带，地层埋藏史总体上具有“长期浅埋、 短期深埋”的特征，与库车前陆盆地相似。针对库车前陆盆地地层埋藏特征，在不考虑其他成岩作用及构造作用对物性影响的前提下，从压实作用角度提出不同岩性储层孔隙度随深度变化的预测模型[9]。借鉴并改进该模型，对研究区清水河组和八道湾组储层砂体的压实减孔量进行估算。首先统计储层中不同岩性砂体厚度的相对比例，然后根据每种岩性对应的模型计算在某一深度的减孔量，计算公式为

(1)

式中：ΔΦm为深度为H时的压实减孔量；Ksl为粗砂岩和砾岩的体积分数；Ks为中砂岩和细砂岩的体积分数；Kfs为粉砂岩的体积分数。

图10 车排子地区八道湾组砂岩成岩演化序列的证据Fig.10 Micropetrographic evidence of diagenetic sequence of the J1b sandstones in the Chepaizi area

5.1.2 胶结减孔量和溶蚀增孔量估算

胶结减孔量和溶蚀增孔量是通过薄片统计得到的，对每块岩石薄片，在镜下拍摄不少于20个视域的照片。利用CorelDRAW软件的面积统计功能，对薄片的总面孔率、溶蚀面孔率和碳酸盐胶结面孔率进行统计，计算溶蚀增孔量和胶结减孔量公式为

(2)

(3)

式中：φw为实测孔隙度；Δφj为胶结造成的减孔量；Δφr为晚期长石及石英溶蚀造成的增孔量。

5.2 孔隙演化过程

压实作用、胶结作用和溶蚀作用是储层物性的主控因素。压实作用伴随整个成岩演化过程，并且在埋藏初期对物性的影响更大。之后，压实作用对物性的影响变弱。在距今25 Ma时，研究区进入快速沉降阶段(见图9)，压实作用对物性的影响再次变大。胶结作用主要发生在早成岩阶段，溶蚀作用主要发生在中成岩阶段。根据物性主控因素，可以将车排子地区八道湾组储层孔隙演化过程划分为3个阶段(见图9)：

(1)快速压实阶段。地层沉积之后至方解石胶结之前，储层物性主要受控于压实作用，随着埋深加大，储层孔隙度迅速降低。

(2)压实胶结阶段。方解石胶结至长石石英晚期溶蚀之前，储层物性主要受控于压实作用和胶结作用，两者叠加使得储层物性逐渐变差。

(3)压实溶蚀阶段。长石石英晚期溶蚀至今，储层物性主要受控于压实作用和溶蚀作用。随着地层埋深迅速增大，压实作用强度变大，同时长石和石英的溶蚀作用改善储层，两者相互抵消，储层物性总体上轻微变好。

6 结论

(1)车排子地区八道湾组储层主要经历压实作用，方解石、石英、黄铁矿等的胶结作用，以及长石和石英的溶蚀作用。

(2)方解石是车排子地区八道湾组地层的主要胶结物，其形成温度主要介于40～85 ℃，大致对应早成岩阶段A期的晚期至早成岩阶段B期，方解石胶结物主要来源于相邻泥岩中有机质。高岭石是车排子地区八道湾组地层的主要黏土矿物，主要来源于长石溶蚀。

(3)车排子地区八道湾组储层孔隙演化过程可以划分为3个阶段，即快速压实阶段、压实胶结阶段及压实溶蚀阶段。

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2016-11-23；编辑：陆雅玲

国家科技重大专项(2011ZX05003-001)；国家自然科学基金项目(41372143)

万青青(1991-)，男，硕士研究生，主要从事储层沉积与成岩作用方面的研究。

刘洛夫,E-mail: liulf@cup.edu.cn

TE121.2

A

2095-4107(2017)01-0021-12

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.01.003