松辽盆地南部德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层成岩作用及成岩相

杨悦舒, 刘洛夫, 徐正建, 邵明礼, 贾可心, 窦文超, 万青青, 刘晓翔, 宋兴沛, 郭楚媛

( 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; 3. 中国石油吉林油田分公司 勘探开发研究院,吉林 松原 138000 )

松辽盆地南部德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层成岩作用及成岩相

杨悦舒1,2, 刘洛夫1,2, 徐正建1,2, 邵明礼3, 贾可心3, 窦文超1,2, 万青青1,2, 刘晓翔1,2, 宋兴沛1,2, 郭楚媛1

( 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; 3. 中国石油吉林油田分公司 勘探开发研究院,吉林 松原 138000 )

松辽盆地德惠断陷下白垩统营城组地层埋藏深度较大、成岩作用与非均质性强，致密化程度高，勘探风险大。采用普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、X线衍射等测试分析方法，分析碎屑岩储层的岩石学特征、物性和成岩作用，根据影响储层物性的主控成岩作用类型和物性特征，结合沉积相(微相)划分成岩相。结果表明：德惠断陷营城组碎屑岩储层主要经历机械压实作用，硅质、碳酸盐(方解石)、黏土矿物和浊沸石胶结作用，以及长石和岩屑溶蚀作用。营城组碎屑岩储层成岩相划分为3种类型：压实致密相、碳酸盐胶结相、不稳定矿物溶蚀相。其中不稳定矿物溶蚀相含气性最好，广泛分布在水下分支河道和水上分支河道微相砂体中，属于建设性成岩相。压实致密相和碳酸盐胶结相导致储层致密，属于不利于储层发育的成岩相。研究结果可为研究区储层分类和评价提供依据。

成岩作用； 成岩相； 储层物性； 德惠断陷； 下白垩统； 营城组； 松辽盆地

0 引言

松辽盆地南部整体勘探前景良好，德惠断陷是松辽盆地南部东南断陷带资源最丰富的断陷[1]。截至2016年底，德惠断陷完钻深层探井50口，布海地区提交探明天然气地质储量18.98×108m3，农安提交探明天然气地质储量6.69×108m3，小合隆、后岗子、布海、农安提交预测天然气地质储量482.75×108m3，勘探实践证实该区具有较好勘探前景。资源评价结果认为，该区天然气资源量为3 600×108m3，勘探潜力较大，是吉林油田第四个天然气千亿方规划区。德惠断陷已经勘探近50年，由于地层埋藏深度较大、岩性岩相变化大、成岩作用与非均质性强，致密化程度高、勘探程度不均一，以及目的层多等问题，需对碎屑岩储层和成岩进行研究。

李会光等[1]认为德惠断陷具有较高的勘探潜力。赵志魁等[2]认为，松辽盆地南部重要的储层为砂岩和砂砾岩，储层物性纵向上具有随埋藏深度增加而减小趋势，龙王地区营城组火山活动频繁，火山岩储集条件差。杨铭辉等[3]研究东南隆起区储层，德惠断陷储层成岩阶段划分最大埋藏深度，中成岩B期为720 m， 晚成岩A期为2 420 m， 晚成岩B期为3 560 m，晚成岩C期大于3 560 m，营城组2 800 m左右存在次生孔隙发育带，德惠断陷泉头组一段储层物性相对较好。王孝辕[4]研究德惠断陷营城组火山岩储层孔隙特征，提出火山岩孔隙类型多样，构造运动、风化淋滤作用及流体活动是影响储集空间发育的主要控制因素。单祥等[5]分析德惠断陷下白垩统登娄库组、营城组、沙河子组储层特征和控制因素，认为储层整体上表现为“低孔特低孔—特低渗”储层特征，孔隙类型主要有残余原生孔、次生孔和混合孔，压实作用导致储层物性变差，溶蚀作用改善储层物性，在2 200～2 400 m 和2 700～2 950 m埋深发育2个次生孔隙发育带。Jia Haibo等[6]划分德惠断陷营城组沉积相和微相，认为在德西、德东断层边缘广泛发育扇三角洲沉积相，开安—合隆鼻状构造带局部发育辫状河三角洲沉积相，其余地区主要发育深湖相沉积相。赵静等[7]分析松辽盆地南部火山岩优质储集体，认为火山碎屑岩与沉积岩互层为最佳岩性组合方式，溶蚀作用、 挥发组分逸出、 风化淋滤作用使储层物性变好。

人们对松辽盆地德惠断陷储层方面的研究多集中于东南隆起区，对德惠断陷下白垩统营城组多为火山岩储层方面的研究，碎屑岩储层方面的研究少且不够细致，对营城组特低孔、低孔—特低渗储层的研究不够重视。深层储层埋藏深度较大、物性差、致密化程度高等导致勘探开发难度加大。根据薄片鉴定、扫描电镜、X线衍射结果和物性分析等资料，笔者研究松辽盆地南部德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层的特征及成岩作用，揭示储层变化规律，结合沉积微相划分成岩相带，表征储层性质，为进一步油气勘探和开发提供地质依据。

1 地质背景

德惠断陷位于松辽盆地南部，属于东南隆起区的次一级构造单元，面积约为4 053 km2，属于晚古生代浅变质岩基底逐渐发展起来的中生代沉积盆地[5-6]。根据构造特征，可将研究区划分为7个次级构造单元：德惠地堑、农安地堑、鲍家箕状洼陷、华家斜坡带、龙王箕状洼陷、开安—合隆鼻状构造带及兰家箕状洼陷[5,8-9](见图1)。

图1 松辽盆地南部德惠断陷构造单元划分

营城组沉积期属于盆地发育的持续断陷阶段，是由侏罗纪晚期火石岭组初始断陷与白垩纪早期沙河子组强烈断陷演化而来的。营城组沉积期断裂活动较为强烈，火山活动频繁，火山岩在研究区内广泛分布[10-11]，同时，研究区沉降作用十分强烈，为粉—细砂岩、中—粗砂岩、砂砾岩等碎屑岩储层的发育提供必要条件，火山活动与沉积作用或交替出现，或同时出现。营城组(K1yc)沉积早期广泛分布，但顶部剥蚀十分严重，地层剥蚀量达到100～1 100 m，同时下部地层缺失明显。营城组一段(简称营一段，K1yc1)在龙王箕状洼陷和兰家箕状洼陷几乎未沉积，营城组三段(简称营三段，K1yc3)在鲍家箕状洼陷几乎剥蚀殆尽，多数井中仅保留营城组二段(简称营二段，K1yc2)，厚度为130～380 m。岩性主要以黑色和深灰色泥岩、粉砂岩、灰白色砂岩为主，含少量碳质泥岩和煤层[12]。岩性组合形成于距今133.9～124.5 Ma(见图2)[6]。

图2 松辽盆地南部德惠断陷综合柱状图

受断裂边界和物源影响，湖盆发育期内广泛沉积上侏罗统和白垩系的深、浅湖泊相—辫状河三角洲及扇三角洲相地层[6]。扇三角洲沉积相大面积分布于农安、华家、鲍家箕状洼陷西侧和东侧，辫状河三角洲主要发育于开安—合隆鼻状构造带和兰家箕状洼陷，只在龙王洼陷西侧局部发育近岸水下扇沉积相(见图3)。

2 碎屑岩储层基本特征

2.1 岩石学

德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层岩性主要为粉—细砂岩、中—粗砂岩和砂砾岩。岩石具有成分成熟度低的特点，其中砂岩岩石类型以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，含少量长石砂岩(见图4)。颗粒组分主要为石英、长石、岩屑。其中石英体积分数普遍偏低，为14.0%～39.0%，平均为29.1%；长石以钾长石、斜长石为主，偶见微斜长石，长石体积分数为19.0%～55.0%，平均为35.8%，高于石英颗粒的，风化程度为中等—强。岩屑体积分数分布较广，为15.0%～51.0%，平均为31.1%。岩屑组分的岩石类型包括岩浆岩、变质岩、沉积岩、火山碎屑岩、内碎屑等，其中岩浆岩、变质岩体积分数高，是岩屑主要组分。在结构成熟度方面，德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩碎屑颗粒圆度以次棱为主，分选性为中等—好。杂基类型主要为泥质，体积分数变化范围较大，在1.0%～22.0%之间，平均为7.2%。颗粒间接触关系以线接触、凹凸接触为主。

图3 松辽盆地南部德惠断陷营城组沉积相平面展布

2.2 储层物性

分析55口井358块岩心样品的孔隙度、渗透率数据，营城组孔隙度φ分布在1.00%～19.00%之间，平均为7.84%(见图5)，水平渗透率最大为0.971×10-3μm2，最小为0.060×10-3μm2，平均为0.298×10-3μm2。根据《石油天然气储量计算规范》碎屑岩储层分类标准[13]，营城组属于典型的特低孔、低孔—特低渗储层。储层物性变化范围很大，营城组碎屑岩储层非均质性极强。孔隙几何形态复杂多样，以次生孔隙为主，其中溶蚀孔隙(面孔率为0%～5%，平均为3%)是研究区最主要的孔隙类型。

德惠断陷营城组储层孔隙度与深度关系(见图6)表明，随着深度的增加，孔隙度呈缓慢减小—迅速增加—迅速减小的趋势。深度为1 670～2 200 m，储层孔隙度缓慢减小，介于4.00%～8.00%。随着深度增加，当深度大于2 200 m时，储层孔隙度迅速增大至13.00%，孔隙度达到最大。当深度大于2 350 m时，孔隙度迅速降至1.00%～2.00%，物性极差。

图4 德惠断陷下白垩统营城组砂岩成分三角图Fig.4 Ternary diagram showing the framework-grain composition of the lower Cretaceous Yingcheng formation in the Dehui fault depression

图5 德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层孔隙度分布Fig.5 The porosity histogram of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in Dehui fault depression

图6 德惠断陷下白垩统营城组储层孔隙度与深度关系

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

3 主要成岩作用类型

3.1 机械压实作用

普通薄片和铸体薄片镜下观察表明，德惠断陷营城组碎屑岩储层在埋藏过程中以机械压实作用为主。粒间机械压实作用普遍较强，在研究区广泛发育，砂岩塑性碎屑成分如火山岩岩屑、泥岩岩屑体积分数较高，常见泥岩岩屑受压而呈弯曲状，成分成熟度低，分选差，储层岩石颗粒多呈线状接触，少数呈点—线接触、凹凸接触，颗粒比较致密(见图7(a))。受机械压实作用影响，原生粒间孔保存很少，仅在局部地区保留。这主要与沉积物的成分和结构成熟度较低及古地温梯度较高有关[14-15]。抗压实能力还与地层的岩性、刚性、塑性颗粒的相对体积分数及胶结物的发育程度有关[16]。

由机械压实作用导致的孔隙度损失的过程不可逆，是一种破坏性成岩作用。压实作用的宏观影响表现为随埋深增加，砂岩物性变差，是研究区储层孔渗性降低的主要因素[14]。

3.2 胶结作用

3.2.1 碳酸盐胶结

研究区营城组碎屑岩中碳酸盐胶结作用较常见，镜下主要见方解石，根据全岩X线衍射结果，方解石体积分数介于10.0%～20.0%，远大于白云石的。方解石胶结程度为中等—强，常见嵌晶胶结(见图7(b))，少有零星出现，甚至出现方解石交代长石的现象。

一方面，方解石胶结物堵塞孔隙与吼道，使储层的孔隙度和渗透率大幅度降低；另一方面, 方解石胶结物在一定程度上有效地减缓砂岩的压实程度[17]。此外，在抑制自生黏土矿物的充填上起一定作用，也为后期的酸性水介质作用下溶蚀作用的发生及次生孔隙的形成创造有利条件[17]。由于薄片中未出现碳酸盐胶结物的溶蚀现象，因此强烈的碳酸盐胶结作用对储层物性产生影响，前者破坏作用远强于后者建设性作用。

图7 德惠断陷下白垩统营城组储层镜下微观成岩作用特征

3.2.2 硅质胶结

研究区营城组砂岩储层钾长石的选择性溶蚀[18]，使硅质胶结物后期发生沉淀，成为本区硅质组分最主要的来源[15]。硅质胶结作用表现为石英次生加大。根据薄片鉴定结果统计，研究区硅质胶结物体积分数大部分较低，平均为1.2%。扫描电镜下，粒间或颗粒表面生长次生石英，显示较好的六方柱形的晶形，呈现较完整的晶面，有的晶面可见生长纹和缺陷凹洞(见图7(c))。

3.2.3 黏土矿物胶结

研究区下白垩统营城组碎屑岩储层广泛发育伊利石、伊/蒙混层、绿泥石及高岭石。由于埋藏深度较大，蒙脱石体积分数极少。高岭石充填孔隙，扫描电镜下呈假六方书页状、手风琴状集合体(见图7(d))。伊利石体积分数较高，扫描电镜下呈针状及丝发状，以搭桥的方式生长在颗粒之间(见图7(h))或以伊/蒙混层的方式出现(见图7(e-f)。扫面电镜下，见绿泥石呈针叶状或叶片状，晶体大小均匀(见图7(g))。

根据X线衍射黏土矿物的相对体积分数与储层埋藏深度之间的关系(见图8)，随着埋藏深度增加，研究区伊利石相对体积分数逐渐增多，高岭石和绿泥石相对体积分数减少，伊/蒙混层相对体积分数先增加

图8 德惠断陷下白垩统营城组黏土矿物相对体积分数与储层埋藏深度的关系Fig.8 Relationship between the relative content of clay minerals and depth of the lower Cretaceous Yingcheng formation sandstones in the Dehui fault depression

后减少。在储集层演化的过程中，高岭石通常能够指示长石颗粒的溶蚀及次生孔隙的发育[19]。研究区营城组随着埋藏深度增加，高岭石和绿泥石向伊利石转化，而伊利石通常呈纤维状或孔隙搭桥状堵塞孔隙吼道，使渗透率大幅降低[20]。因此，黏土矿物胶结对储集性能产生不利影响。

3.2.4 浊沸石胶结

研究区营城组砂岩储层可见浊沸石胶结物，一般呈较大的斑块状连晶，以充填孔隙的形式出现(见图7(i))，不发育浊沸石溶孔。浊沸石大致形成于压实的晚期阶段，是深层成岩作用的标志[21]。叶博等[22]认为，浊沸石成因与火山物质的水解作用及斜长石发生的钠长石化关系密切。这些火山物质的水解作用可为浊沸石形成提供大量SiO2[22]；另外，在孔隙水介质pH较高和富含 SiO2及Ca2+、K+、Na+离子条件下[21]，斜长石发生钠长石化，反应方程式为2CaAl2Si2O8(钙长石)+2Na++6SiO2+12H2O →2NaAlSi3O8(钠长石)+CaAl2Si4O12·12H2O(浊沸石)+Ca2+[22]. 由于研究区营城组地层中存在凝灰岩等火山物质的沉积，同时砂岩岩屑中含有大量火山岩岩屑[10]，为火山物质发生水解作用提供可能；另外，营城组储层中长石体积分数高，以钾长石和斜长石为主，也为斜长石钠长石化提供物质基础，因此推测研究区浊沸石成因与此有关。浊沸石胶结堵塞孔隙空间，对储集性能产生不利影响[23]。

3.3 溶蚀作用

溶蚀现象在研究区营城组储层中很普遍。长石和富铝硅酸盐组分的岩屑被孔隙中的酸性水淋滤[24]，溶解过程中表现相似的受溶特征，根据铸体薄片观察显示，长石颗粒和岩屑是研究区最为常见的受溶组分，是形成次生孔隙的主要原因之一[23-25]。研究区碎屑颗粒的溶蚀程度并不相同，被溶蚀的长石颗粒通常具有港湾状边缘；沿解理溶蚀的长石颗粒呈锯齿状边缘。长石溶蚀主要形成粒内溶孔，还有少数铸模孔(见图7(k-l))。岩屑溶蚀主要形成溶蚀粒内溶孔，甚至铸模孔，被溶蚀的岩屑多呈蜂窝状(见图7(j))[15]。溶蚀作用形成次生孔隙，扩大孔隙吼道，使孔隙连通性变好[22]。

4 成岩相分布及有利孔渗成岩相

成岩相是指岩石矿物及其组合在成岩作用下经历一定成岩阶段的产物[19]，直接反映现今储层的特征，能够表征储层性质和优劣[26]，预测有利孔渗成岩相，进而明确与储集性能有密切关系的有利成岩储集体，从而达到确定油气的富集规律[27-29]、指导油气勘探的目的。目前，对于成岩相研究尚未形成统一的划分标准和命名原则[30]。文中成岩相分析主要是通过分析储层物性、影响储层物性的主控成岩作用类型,以及特征[31-32]、单井优势相(以合3井为例)，并结合沉积相(微相)平面展布，将德惠断陷营城组碎屑岩储层成岩相划分为3种类型：压实致密相、碳酸盐胶结相和不稳定矿物溶蚀相(见表1)。

4.1 压实致密相

压实致密相主要发育在泥质粉砂岩、粉砂岩中，泥质杂基体积分数高，普遍大于15.0%。主要分布在湖相砂体、扇三角洲前缘水下分流间湾薄层砂体中，或是分布在水动力条件相对较弱的水下分流河道末端砂体中[33](见图9)。压实致密相储层典型特征：泥质杂基体积分数普遍大于15.0%，抵抗压实作用能力较弱、颗粒分选差、水动力条件相对较弱的沉积环境导致砂泥混杂[19]，颗粒之间呈线接触。在后期的深埋过程中被压实致密，是导致致密化程度高的关键因素[32]。该成岩相的储层孔隙度、渗透率极低，平均孔隙度为6.3%，平均渗透率为0.210×10-3μm2。储层物性较差，不具备储集性能，属于对储层发育不利的成岩相。

表1 德惠断陷下白垩统营城组储层成岩相类型、分布及特征

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

成岩相类型孔渗性主要成岩特征主要沉积微相压实致密相特低孔特低渗泥质体积分数高,颗粒呈线接触,仅发育少量泥质杂基微溶孔水下分流间湾碳酸盐胶结相特低孔特低渗方解石以嵌晶胶结的方式充填,体积分数介于10.0%～20.0%水下分支河道分流间湾远砂坝席状砂不稳定矿物溶蚀相低孔特低渗次生溶蚀孔隙十分发育,孔隙度普遍大于10.0%水下分支河道水上分支河道

图9 德惠断陷下白垩统营城组储层成岩相平面展布

4.2 碳酸盐胶结相

碳酸盐胶结相在整个研究区分布范围较大(见图9)，由于临近泥岩层段的砂岩容易出现钙质胶结，因此碳酸盐胶结相与压实致密相毗邻[19]。主要分布在湖相砂体中，以及扇三角洲水下分支河道、分流间湾、远砂坝和席状砂的微相砂体中，碎屑分选较好，黏土矿物体积分数较低，主要是因为物源距离的不断增大，刚性颗粒如石英、长石等体积分数增多，储层抗压实能力增强，保护储层原生孔隙，为碳酸盐胶结提供足够的空间[34]。以连晶方解石胶结为主，方解石体积分数为10.0%～20.0%。碳酸盐胶结相平均孔隙度为5.5%，平均渗透率K为0.190×10-3μm2。强烈的碳酸盐胶结作用使有效孔隙消失，对储层物性具有强烈的破坏作用，是导致储层致密而形成致密层的主要原因，这类储层的含气性很差(见图10)。储层物性极差，孔隙度最低，储集性能被破坏，不具备储集性能，是对储层发育不利的成岩相。

图10 合3井营城组储层单井成岩相划分及与物性、沉积微相的关系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 不稳定矿物溶蚀相

在压实背景下，该成岩相以不稳定矿物(长石和岩屑)被孔隙中的酸性水淋滤发生溶蚀作用，属于主控成岩作用，岩性多为中粗粒岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，广泛分布于辫状河三角洲前缘水下分支河道和扇三角洲前缘水下分支河道砂体发育区[33](见图9)。不稳定矿物溶蚀相平均孔隙度为10.4%，平均渗透率为0.630×10-3μm2。储层中不稳定矿物含量很高，为溶蚀作用的发生奠定基础，并且未见溶蚀孔隙被方解石充填的现象，形成的溶蚀孔隙对吼道有扩张作用，有效地改善孔隙连通性能[31]，发育形成孔隙度相对较高的孔隙型储层，因此该成岩相对储层物性是最主要的建设性成岩相。在单井中，以该成岩相为主导的储层含气性最好(见图10)。

5 结论

(1)德惠断陷下白垩统营城组储层岩性以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，含少量长石砂岩。成分成熟度低，分选性为中等—好，颗粒间主要呈线接触，储层致密，非均质性强。营城组碎屑岩储层属于典型特低孔、低孔—特低渗储层，孔隙类型以次生溶蚀孔隙为主。

(2)德惠断陷下白垩统营城组储层经历机械压实作用和胶结作用等破坏性成岩作用，以及溶解作用等建设性成岩作用。机械压实作用降低孔渗，硅质、碳酸盐、黏土矿物及少量浊沸石胶结等胶结作用堵塞孔隙空间；溶蚀作用形成次生孔隙，孔隙吼道扩大，连通性变好，有效地改善储层物性。

(3)根据沉积相展布、成岩主控因素及其对储层孔渗性的影响，将德惠断陷下白垩统营城组储层划分为压实致密相、碳酸盐胶结相和不稳定矿物溶蚀相3种成岩相类型。其中不稳定矿物溶蚀相广泛分布于水下分支河道和水上分支河道砂体发育区，含气性最好，是建设性成岩相。压实致密相和碳酸盐胶结相导致储层致密化而形成致密层，物性被破坏，是属于对储层发育不利的成岩相。

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2016-12-21；编辑：陆雅玲

中国石油吉林油田分公司项目(JS2016-W-13-JZ-9-18)

杨悦舒(1993-)，女，硕士研究生，主要从事储层沉积地质方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2017)03-0052-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.03.006