准噶尔盆地玛北地区三叠系百口泉组储层成岩相特征

张顺存，黄立良，冯右伦，邹阳，鲁新川， 郭晖

1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州　730000 2.新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依　834000

0　引言

准噶尔盆地环玛湖凹陷北斜坡地区(简称玛北地区)三叠系百口泉组近年来的油气勘探取得了重大的进展，近年来针对该区也发表了一些研究成果。笔者所在的课题组对该区三叠系百口泉组砂砾岩的沉积特征、储层特征也进行了较为深入的研究[1-3]，认为该区发育扇三角洲沉积，将扇三角洲各亚相根据不同的岩性相进行了微相的划分[4]，并讨论了其微相特征；邹妞妞等[5]对该区的砂砾岩储层进行了评价，张顺存等[4]对岩性相对储层的控制作用进行了较深入的探讨，认为不同的岩性相对储层物性的控制作用差异明显；陈波等[6]对储层成岩作用及孔隙演化进行了研究。此外，针对该区沉积方面的研究主要包括扇三角洲及沉积相特征、砂砾岩沉积特征及成因、沉积背景及古环境、层序地层等[7-12]方面；对该区储层方面的研究主要有储层特征、储层成因、控制因素、成岩作用、成岩圈闭、孔隙演化、孔隙分布、测井评价、储层分类评价等方面[13-22]。从前人对该区储层方面的研究可以看到，这些成果主要集中于储层特征、控制因素等方面，而对成岩相的研究较少。因此，本文拟对该区成岩相进行探讨，以期为储层控制因素的研究、有利储层发育区带的预测及油气勘探提供借鉴。

1　岩石学特征

玛北地区三叠系百口泉组1 154块实测样品(其中百一段21口井259个样品，百二段33口井682个样品，百三段18口井213个样品)统计结果显示：百口泉组岩石类型主要有灰色和褐色砂砾岩(占69.5%)、砂质不等粒砾岩(占4.9%)、不等粒砾岩(占4.2%)、含砾砂岩(占3.7%)、含砾不等粒砂岩(占3.0%)及细砂岩等(图版I-a，b，c)，粗粒的碎屑岩含量约占84%，细粒的碎屑岩含量很少，约占16%。同时，该区砂岩类型为主要为岩屑砂岩，岩屑含量常达50%以上，发育少量长石岩屑砂岩，成分成熟度较低[1-3]。岩石薄片鉴定显示，砂砾岩中砾石成分以凝灰岩(占25.0%)、霏细岩(占17.1%)、流纹岩(占12.5%)等火山岩岩屑为主，此外见少量砂岩(占15.9%)、花岗岩、变泥岩和石英岩；砂砾岩的砂质成分以凝灰岩为主(占23.24%)，次为石英(占7.63%)和长石(占7.42%)，发育少量霏细岩、安山岩、花岗岩和千枚岩等不稳定火山岩屑[23]；杂基以高岭石、泥质为主，平均百分含量约2.88%(图版I-d，e)；胶结物含量较低，主要为碳酸盐胶结物(以方解石为主)和方沸石，以泥质、钙质胶结为主(图版I-f，g)；黏土矿物以伊蒙混层较多(混层比较高)，其次为高岭石和绿泥石(图版I-i)，伊利石含量相对较低。

图1　准噶尔盆地玛北地区范围图(百二段二砂组沉积相平面图)Fig.1　The location of Mabei area in Junggar Basin(the plane distribution of Triassic Baikouquan Formation sedimentary facies,

2　成岩作用特征

玛北地区三叠系百口泉组储层物性一方面受到沉积环境和岩性相的控制[4]，另一方面，也受到成岩作用的影响，因此成岩作用的研究对于该区储层物性的研究具有重要的作用，该区对储层物性影响最大的成岩作用是压实作用、胶结作用和溶蚀作用。其中压实作用是造成研究区储层物性下降的最重要的成岩作用之一，特别是当埋藏深度大于3 500 m时，压实作用明显增强，储层质量下降明显[23-24]；压实作用在镜下主要表现为凝灰岩等塑性、半塑性的火山岩屑发生挤压变形，碎屑颗粒呈现线接触—凸凹接触(图版I-d，e)。胶结作用也是储层孔隙度和渗透率降低的主要成岩作用之一，常见碳酸盐类(胶结物中57%为方解石，13%为铁方解石，还有少量菱铁矿、含铁白云石等)(图版I-f，g)、硅质(图版I-h)、沸石类(以方沸石为主，占整个胶结物的15%，与碳酸盐类胶结物相似，沸石类胶结物对储层储集性能的影响具有两面性[25])、自生黏土矿物等胶结物。其中黏土矿物以无序伊蒙混层为主，混层比较高，高岭石和绿泥石为辅(图版I-i)，不同的层段含量存在差异，随着埋藏深度的增加，伊蒙混层含量增加，绿泥石含量减少(表1)；同时玛北地区百口泉组黏土矿物类型及含量与储层物性存在较密切关系，伊蒙混层黏土矿物含量较高的砂砾岩储层物性较差(表1中，平均孔隙度数值来自有黏土矿物分析数据的样品，括号中为样品个数)，而自生高岭石发育的储层物性往往较好。溶蚀作用在玛北地区三叠系百口泉组储集岩中比较发育(特别是物性条件较好，具有油气显示的储层中发育较强)，既有碎屑颗粒(如火山岩岩屑、长石颗粒、石英颗粒)的溶蚀，又有沸石类、碳酸盐类等胶结物及部分杂基的溶蚀(图版I-j，k,l)，这些溶蚀作用产生的大量溶蚀孔隙，对于改善和提高砂砾岩储层的储集性能具有积极意义。

表1　玛北地区黏土矿物平均百分含量表(%)Table 1　The mean percentage content of clay mineralin the research area(%)

注：括号内为样品数量。

研究区主要发育扇三角洲沉积，包括扇三角洲平原亚相(主要发育扇三角洲平原分流河道和分流河道间微相)、扇三角洲前缘亚相(主要发育扇三角洲前缘水下分流河道、水下分流河道间、河口坝微相)及前扇三角洲亚相(与滨浅湖亚相难以区别，故与滨浅湖亚相合并研究)，沉积环境控制了研究区砂砾岩储层的原始物性条件，不同的沉积环境下形成砂砾岩的磨圆度、分选性和杂基含量的不同，使砂砾岩原生孔隙度具有差异，尤其是杂基含量对压实、胶结和溶蚀等成岩作用影响较大，进而影响了储层物性。如扇三角洲平原沉积的砂砾岩，由于为水上沉积，距离物源较近，未经湖水淘洗，通常杂基含量偏高，储层比较致密(图版I-a)；而扇三角洲前缘相的砂砾岩，与物源距离适中，为水下沉积，储层得到湖水的多次冲刷和改造，造成杂基含量减少，储层物性明显变好(图版I-b，c、图2)。当砂砾岩埋藏较浅时，压实作用通常较弱，平原分流河道和前缘水下分流河道微相砂砾岩储层物性相差不大；埋藏较深时，随着压实作用的增强，前缘水下分流河道砂体由于泥质含量少，抗压能力强，物性明显好于平原分流河道砂体。因此，砂砾岩的杂基含量对该区砂砾岩储层的成岩作用类型、特征、储层物性均产生了较大影响。

图2　玛北斜坡孔隙度与杂基含量关系图Fig.2　The relationship between porostiy and matrix in the study area

3　成岩相特征

3.1　成岩相划分方案

国外关于成岩相的划分依据和侧重点各有不同，既有根据岩石和矿物划分的[26-27]，也有根据成岩环境和成岩事件划分的[28-33]，还有结合测井和地震进行划分的[34-35]；国内学者对其定义、划分依据及意义也有各自的认识和标准[36-40]。总体来说，成岩相是在成岩作用与构造作用等的影响下，沉积物经历一定成岩作用和演化阶段的产物，它反映的是不同成岩环境和成岩矿物的组合特征，一般可以根据成岩环境和成岩类型来划分[36-40]。如前所述，泥质杂基含量反应了砂砾岩沉积时的环境和水动力条件，对研究区砂砾岩储层的物性影响非常大，因此本文在划分成岩相时，充分考虑了泥质杂基含量的影响：以杂基含量作为研究区成岩相划分的特殊相；再根据成岩作用对砂砾岩储层物性的影响大小，将压实作用、胶结作用和溶蚀作用作为成岩相划分的基本因素。结合前人的研究，提出了研究区砂砾岩的成岩相划分原则：1)以砂砾岩中杂基含量的5%为界，将砂砾岩划分为高成熟和低成熟两类；2)根据碎屑颗粒接触关系和火山岩岩屑变形程度将压实作用分为强压实和弱压实两类(一般经受强压实的砂砾岩，通常胶结作用较弱，因此对强压实砂砾岩再不区分其胶结作用的强弱)；3)根据胶结作用发育程度可分为强胶结和中胶结；4)根据溶蚀作用强弱，可以划分强、中等和弱溶蚀。因为溶蚀作用是研究区主要的建设性成岩作用，即使微弱的溶蚀作用，对储层物性都具有积极的作用；而低成熟砂砾岩的粒间大多被泥质杂基充填，微孔细喉，即使压实程度不强烈，在成岩阶段砂砾岩粒间孔中流体运动受限，也一般很少发育溶蚀成岩相；因此溶蚀作用的强弱，仅在高成熟砂砾岩中进行划分。这样，根据这4条原则，以玛北地区砂砾岩的成岩作用研究为基础，将该区砂砾岩储层划分为6个成岩相：高成熟强溶蚀相、高成熟中胶结中溶蚀相、高成熟强压实弱溶蚀相、高成熟强胶结相、低成熟强压实相、低成熟强胶结相。

3.2　成岩相基本特征

玛北地区三叠系百口泉组砂砾岩储层6种成岩相的划分方案中，主要考虑了沉积作用对成岩环境和成岩作用继承性的影响，虽然研究区百口泉砂砾岩储层物性的主控因素是以沉积相为主，成岩作用为辅，然而在相同的沉积环境下，不同的成岩作用对储层物性的影响较大，造成了储层物性明显的差异，说明成岩相对储层物性具有明显的控制作用。研究区的6种成岩相不仅反映了沉积环境和成岩作用的特点，而且与其储层的孔隙类型及物性条件存在着密切关系。其中：1)高成熟强溶蚀相，具有泥质杂基含量低、粒间孔隙以原生粒间孔和粒间溶孔为主的特点，大都为高效优质储层；2)高成熟中胶结中溶蚀相，具有泥质杂基含量较低，原生粒间孔常见，粒间溶孔和粒内溶孔发育的特点，大都为中效有利储层；3)高成熟强压实弱溶蚀相，具有泥质杂基含量中等，粒间孔罕见，溶蚀作用发育较弱的特点，大都为低效差储层；4)高成熟强胶结相，其中泥质杂基含量虽不高，但是粒间碳酸盐类胶结物非常发育，大量充填粒间孔，因此多为差储层；5)低成熟强压实相，由于杂基含量较高，压实作用强烈，粒间孔隙大都丧失殆尽，一般为非储层；6)低成熟强胶结相，主要杂基含量高，泥质胶结作用强烈，通常储集物性很差，为非储层。其中高成熟强溶蚀相的砂砾岩储集性能最优，分布范围较广，对该区油气勘探具有最重要的意义，因此下文仅对其成岩演化序列与孔隙特征进行讨论(图3，4)。

高成熟强溶蚀相是指砂砾岩储层杂基含量小于5%，储层的成分成熟度和结构成熟度较高，储层溶蚀作用较强的这一类成岩相。该成岩相主要发育于扇三角洲前缘水下分流河道牵引流沉积的砂砾岩或粗砂岩等粗粒碎屑岩中；碎屑颗粒经过较充分的淘洗，杂基含量较低，分选和磨圆较好，粒间孔较发育；早期碳酸盐、沸石类胶结物比较发育，晚期胶结作用较弱，溶蚀作用强烈，可见火山碎屑及长石等不稳定矿物发生溶蚀，常见颗粒边缘存在残余沥青，说明早期烃类充注，发生较强的溶蚀作用。该类成岩相储层的原生孔隙和次生孔隙(粒内溶孔和粒间溶孔)都较发育、孔隙喉道较粗，连通性较好，溶蚀物质和自生黏土矿物沉淀较少，典型的代表井为玛13井(图版I-j)、达9井及艾湖1井等。

高成熟强溶蚀相的成岩序列为：少量黏土杂基胶结→机械压实→少量硅质、钙质或沸石类胶结→酸性流体侵入→长石颗粒、沸石等强烈溶蚀→大量油气侵入→少量方解石胶结。该成岩相泥质杂基含量较低，储层原生孔隙较为发育，早成岩阶段压实作用比较强烈，碳酸盐胶结较弱；由于研究区碎屑岩中含有丰富的火山岩岩屑，这类岩屑在碱性水介质条件下极易生成沸石类胶结物，硅质和钙质胶结也较为发育；成岩早期由于压实和胶结作用，原生孔隙虽有一定损失，但仍保留大量的剩余粒间孔，早成岩B期储层孔隙度大约为15%左右。到中成岩A期，由于玛湖凹陷二叠系烃源岩的热演化，大量有机酸、二氧化碳及氮等组分进入储层，导致孔隙水由弱碱性变为弱酸性，使沸石类、长石等易溶组分在酸性环境下发育溶蚀，形成次生孔隙，此时孔隙度大约为20%。在中成岩B期，少量含铁方解石和白云石等胶结物充填，但其孔隙度仍可保持在15%左右(图3)。

高成熟强溶蚀成岩相储层的储集空间主要由残余粒间孔和次生溶蚀孔及微孔隙组成，次生孔隙占30%左右；压实作用是影响储层物性最主要的成岩作用，压实作用造成的原始孔隙损失率达到60%以上。由于后期溶蚀作用的发育，该类成岩相在中成岩作用A期和中成岩B期早期最高孔隙度可达20%；在成岩晚期由于碳酸盐及黏土矿物的胶结，孔隙度有所降低，但其孔隙度仍可达15%左右。该类成岩相砂砾岩储层物性中等至较好，平均孔隙度10%～16%，平均渗透率0.5×10-3μm2～5.0×10-3μm2(图4)。高成熟强溶蚀成岩相主要形成于扇三角洲前缘水动力较强的砂砾岩及粗砂岩中，属于研究区储集性能最好，最优质的储层(图版I-j，k)。

图3　玛北地区三叠系百口泉组高成熟强溶蚀相成岩序列特征Fig.3　The sequence of diagenesis of high maturity and strong dissolution facies in Mabei area

图4　玛北地区三叠系百口泉组高成熟强溶蚀相孔隙演化特征Fig.4　The evaluation of porosity of high maturity and strong dissolution facies in Mabei area

3.3　成岩相剖面展布特征

研究表明，构造背景和沉积环境既控制着砂体的宏观分布特征，也影响着砂体成岩作用的类型和强度，而成岩相在宏观背景下控制着优质储层的分布。因此，对成岩相空间展布规律的研究具有重要的实际意义。在对研究区不同成岩相演化序列与孔隙演化的分析的基础上，结合研究区扇三角洲砂砾岩储层沉积背景及沉积相分布规律的研究，绘制了平行及垂直于物源方向的6条连井成岩相剖面。在剖面图的绘制过程中，主要考虑了不同沉积微相(包括岩性相)在不同井中垂向上的分布特征及剖面上的分布特征、不同岩性相的成岩作用强度和成岩作用特征。篇幅所限，在此仅选择其中一条平行于物源方向的剖面进行讨论。

玛003井—玛13井—夏72井—夏9井—夏74井成岩相连井剖面平行于物源方向，近北东—南西向展布(剖面位置见图1中红色折线所示)，从该剖面可以看出(图5)，从盆地边缘物源区→斜坡区→凹陷区，成岩相从低成熟度强压实相→高成熟强溶蚀相→高成熟中胶结中溶蚀相→高成熟强压实弱溶蚀相转变。其中靠近物源区的夏74井主要发育扇三角洲平原辫状河道和水上泥石流砂砾岩相，成岩相主要为低成熟强压实相和少量低成熟强胶结相，储层物性差；夏9井发育高成熟中胶结中溶蚀相，仅在百二段顶部和百三段底部发育高成熟强溶蚀相；夏72井处于断裂坡折带附近，百一段时期发育高成熟中胶结中溶蚀相，百二段依次发育低成熟强压实相→高成熟强压实弱溶蚀相→高成熟强溶蚀相，百三段主要发育高成熟中胶结中溶蚀相；玛13井和玛003井主要位于斜坡区，其成岩相展布特征和夏72较为相近。从该平行物源方向剖面成岩相展布特征可知，研究区高成熟强溶蚀相主要分布在玛北斜坡区百二段，这与沉积相分布规律较为一致(图1)。

图5　玛003井—玛13井—夏72井—夏9井—夏74井百口泉组成岩相剖面展布图Fig.5　The vertical section of diagenetic facies of Well M003-Well M13-Well X72-Well X9-Well X74

3.4　成岩相平面展布特征

成岩相划分一般具有时空性，而某类成岩相时空分布的范围可称为成岩相区。在成岩相剖面展布特征研究的基础上，结合研究区沉积相的展布特征，绘制了玛北地区百口泉组各段成岩相平面展布图(图6)。

(1) 百一段(T1b1)成岩相

玛北地区百口泉组一段沉积期，主要发育扇三角洲平原和前缘沉积并以前者范围较大，该时期成岩相分布的特点是研究区东北部及北部紧邻物源区零星分布低成熟强胶结相，风南4井—夏81井—夏90井以南，夏72井—玛131井—玛2井以西发育高成熟中胶结中溶蚀相，扇三角洲平原亚相主要发育低成熟强压实相和高成熟强压实弱溶蚀相，风南4井区与玛15井区之间分布小范围的高成熟强胶结相。从物源区到斜坡区，成岩相由低成熟强胶结相→低成熟强压实相→高成熟强压实弱溶蚀相→高成熟中胶结中溶蚀相转变(图6)。

(2) 百二段(T1b2)成岩相

(3) 百三段(T1b3)成岩相

玛北地区在百口泉组百三段(T1b3)沉积期，由于湖侵的迅速扩大，整个研究区发育了大范围的滨浅湖相泥岩，砂体分布范围迅速减小。此时成岩相分布的特点是大面积分布高成熟强压实弱溶蚀相，在靠近物源区发育有低成熟强压实相，在前缘主河道砂体沉积区一带分布有高成熟中胶结中溶蚀相(见于夏30井—夏90井—夏72井区附近及玛19井区)，高成熟强溶蚀相仅分布于夏13井—夏91H井—夏202井一带小范围(图6)。

前文已经述及，不同成岩相的砂砾岩具有不同的孔隙类型及物性条件。总体来看，高成熟强溶蚀相的物性条件最好，往往成为优质高效储层，高成熟中胶结中溶蚀相的物性条件次之、高成熟强压实弱溶蚀相和高成熟强胶结相的物性条件较差，而低成熟强压实相、低成熟强胶结相往往属于非储层，很难作为有效储层。因此，在优质储层预测研究中，应该充分考虑成岩相对储层的影响，依据其分布规律来进行研究和预测。

4　结论

(1) 玛北地区三叠系百口泉组储层类型主要是砂砾岩、(砂质)不等粒砾岩、含砾(不等粒)砂岩、细砂岩等，结构成熟度和成分成熟度均较低。

(2) 研究区碎屑岩储层主要经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用等成岩作用，泥质杂基含量对该区储层的成岩作用类型、特征、储层物性均产生了较大影响，进而成为划分成岩相的重要依据。

(3) 研究区砂砾岩储层可以划分为6个成岩相：高成熟强溶蚀相、高成熟中胶结中溶蚀相、高成熟强压实弱溶蚀相、高成熟强胶结相、低成熟强压实相、低成熟强胶结相。它们反映了沉积环境和成岩作用的关系，与储层的孔隙类型及物性条件存在着密切关系，不同的成岩相具有不同的成岩序列特征、孔隙演化模式、剖面和平面展布特征。

图6　玛北地区百口泉组沉积相(左)和成岩相(右)平面分布图Fig.6　The plane distribution of sedimentary facies (left) and diagenetic facies (right) of Baikouquan Formation in Mabei region

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