断陷湖盆致密砂砾岩储层成岩作用及其对孔隙演化的影响

郝 杰，周立发,2，袁义东,3，杨 燕，刘艳妮，程兆兆，刘 挺

(1.西北大学 地质学系，西安 710069； 2.陕西省能源化工研究院，西安 710050；3.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000； 4.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710018；5.长城钻探工程有限公司 压裂公司， 辽宁 盘锦 124107)

松辽盆地北部徐家围子地区深层天然气资源非常丰富[1]，继下白垩统营城组和登娄库组常规天然气勘探取得巨大成功之后，为寻找新的天然气储量增长点，开始探索深层非常规天然气的勘探潜力[2-3]。近年来针对下白垩统沙河子组致密砂砾岩储层部署的水平井和直井均有工业气流发现[4-5]，展现出良好的致密砂砾岩气勘探前景。

经过近几年的攻关，该区构造演化[6]、沉积相类型[7]、烃源岩分布[8]的研究已经取得进展，但是砂砾岩储层成岩作用及其对孔隙演化影响的研究还十分薄弱。储层成岩作用与孔隙演化是致密砂(砾)岩气勘探研究的热点[9]，总结和梳理国内外相关研究报道得到致密砂(砾)岩储层的如下特征：(1)岩石成分复杂，成熟度低，成岩强度高，成岩作用普遍达到中—晚成岩阶段[10]；(2)孔隙类型多样，孔隙结构复杂，次生孔隙对储集空间的贡献大[11-12]；(3)孔隙演化与成岩作用的类型、时期和强度相关，压实作用破坏原生孔隙，是储层致密最重要的原因之一[13]；胶结作用与储层孔隙的关系具有双重性，一般认为早期适量的硅质胶结、碳酸盐胶结或绿泥石包壳有利于原生孔隙的保存，而晚期胶结或胶结物大量发育则不利于储层孔隙的保留[14]；溶蚀作用通过侵蚀岩石中的岩屑、长石、火山灰，甚至石英矿物来增加孔隙空间[15]；交代和重结晶作用也影响储层孔隙，但程度不如压实作用、溶蚀作用和胶结作用显著[16]。

与前陆盆地或克拉通盆地背景下的海相、海陆过渡相致密砂岩储层不同，沙河子组沉积于断陷湖盆，储集层主要为粒度粗、分选差、成分复杂、成岩程度高且致密程度高的砂砾岩。低成熟砂砾岩储层的成岩作用与孔隙演化相对复杂，一方面较高的塑性组分和填隙物含量不利于原生孔隙的保存，另一方面相对富集的长石、岩屑组分容易形成次生溶孔，同时，成岩过程中还伴随着多种矿物的沉淀、交代和重结晶。从勘探实践看，该区相对高孔隙度(大于4.0%)砂砾岩储层的含气性较好，产能较高，目前发现的工产气层都属于此类范畴[5]。开展砂砾岩储层成岩作用与孔隙演化研究不仅具有理论意义，对该区有利储层预测和提高探井部署的成功率也具有现实意义。

为明确沙河子组砂砾岩储层成岩作用对孔隙演化的影响，通过普通薄片鉴定、铸体薄片鉴定、扫描电镜和X-衍射测试手段，对致密砂岩储层的岩石学与成岩作用特征进行了系统分析，定量计算了成岩作用减少或增加的孔隙量。在此基础上，分析了沙河子组致密砂砾岩储层成岩-孔隙演化特征，得到“早期压实、中期溶蚀、晚期胶结”的成岩-孔隙演化关系模式。

1 区域地质概况

徐家围子断陷位于松辽盆地北部古中央隆起区东侧，断陷形成时受到西太平洋板块俯冲和地幔上涌作用的挤压，但变形程度不高，规模也不大，仅兴城地区可见铲式逆断层和坡平式逆冲断层[17-18]。徐家围子断陷油气勘探的主要层系为下白垩统的火石岭组、沙河子组、营城组和登娄库组。其中，沙河子组是致密砂砾岩气的勘探目标层，该套地层沉积于断陷的强烈拉张期，暗色泥岩全盆发育，辫状河三角洲和扇三角洲砂砾岩体在斜坡区相对发育，煤层厚度局部可达到120 m以上，暗色泥岩、煤层和砂砾岩密切接触，形成了有利的富气条件。目前该区多口直井和水平井相继获得工业气流，展示出较好的勘探潜力。

2 岩石学特征

沙河子组砂砾岩储层的沉积分选程度低，储层成分复杂、成熟度低[2]。根据岩石薄片鉴定，砂砾岩储层中火山岩岩屑含量最高，平均为42.29%；长石类矿物(钾长石和斜长石)的含量也较高，平均为25.64%；石英相对欠发育，含量平均为15.26%，沉积岩和变质岩岩屑偶尔可见，合计占2.34%(图1a)。沙河子组砂砾岩储层的填隙物成分复杂，其中泥质杂基和碳酸盐的体积分数分别为9.07%和4.56%，两者合计占填隙物总量的94.06%(图1b)。

根据大量的岩心测试(表1)，沙河子组砂砾岩的孔隙空间很少，孔隙度数值分布在0.8%～11.7%之间，平均值仅为5.1%，主频为2.0%～8.0%；砂砾岩的渗透性很差，68.1%样品的渗透率小于0.1×10-3μm2，渗透率超过1×10-3μm2的样品比例不超过4.3%。沙河子组低孔、超低渗砂砾岩储层的形成，与沉积时期砂砾岩中较高的泥质填隙物和塑性组分含量不无关系，同时也是成岩作用对砂砾岩进行强烈改造的结果[4-5]。因此，研究砂砾岩储层孔隙的演化，则有必要对成岩作用类型和特征进行分析。

3 成岩作用类型与特征

沙河子组砂砾岩储层发育压实作用、胶结作用、溶蚀作用、交代作用和重结晶作用等多种成岩作用，综合分析认为压实作用、胶结作用和溶蚀作用对砂砾岩孔隙度的影响更大。

表1 松辽盆地北部徐家围子地区沙河子组砂砾岩储层孔隙度和渗透率分布Table 1 Porosity and permeability distribution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

3.1 压实作用

压实作用是沉积物在重荷压力作用下所发生的作用，贯穿于成岩作用的始终[15]。沙河子组砂砾岩储层的埋深普遍超过3 000 m，压实作用非常强烈，镜下可见云母压弯变形(图2a)和塑性岩屑压弯(图2b)。在压实作用下，砂砾岩中原生孔隙大量减少，砾岩颗粒主要表现为线—凹凸接触(图2c)，少数为点—线接触。显然，压实作用与砂砾岩孔隙度的演化密切相关。

3.2 胶结作用

根据扫描电镜和铸体薄片观察，沙河子组砂砾岩主要发育碳酸盐胶结，硅质胶结和黏土矿物胶结也有一定程度的发育。(1)碳酸盐胶结物的主要成分为铁方解石(图2d)和铁白云石(图2e)，体积分数在0.5%～12.3%之间，平均为4.3%。(2)硅质胶结主要以石英次生加大和自生硅质沉淀形式发育，发育频率较碳酸盐胶结低，在部分样品中可观察到石英次生加大(图2f)和自生硅质沉淀(图2g)，硅质胶结物的体积分数在0.3%～2.4%之间，平均为0.6%。(3)黏土矿物胶结物的主要成分为绿泥石和伊利石，绿泥石以薄膜方式包裹岩石颗粒(图2h)，绿泥石膜上有硅质胶结物生长，表明绿泥石膜的形成时间早于硅质胶结；伊利石呈发丝状(图2i)产于颗粒表面，将大孔隙分割为多个小孔隙。尽管少量的硅质和绿泥石包壳胶结在成岩过程中有利于储层孔隙的保存，但高含量的碳酸盐胶结物对残余原生粒间孔和溶蚀孔隙起充填和破坏作用更显著。显然，胶结作用与砂砾岩孔隙度的演化密切相关。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用是岩石中孔隙流体对岩石内易溶矿物或组分的溶解作用[15]。溶蚀作用增大了砂砾岩储层的孔隙空间，研究区被溶蚀的成分主要是长石(图2j)、火山岩屑(图2k)和少量碳酸盐胶结物(图2l)。溶蚀孔隙形态十分不规则，不同成分被溶蚀的程度也存在差别，长石矿物和火山岩屑被溶蚀程度较高，增孔作用比较明显；碳酸盐胶结物的溶蚀程度较低，增孔作用十分有限。溶蚀孔隙是该区砂砾岩储层的主要储集空间，因此，溶蚀作用也与砂砾岩孔隙度的演化密切相关。

3.4 破裂作用

破裂作用指地层压力对刚性岩石颗粒的破碎作用。破裂作用在沙河子组砂砾岩储层中表现为砾石颗粒破裂形成的微裂缝(图2m)。破裂作用对砂砾岩孔隙度的贡献不大，但有利于改善储层的渗透性。

3.5 其他成岩作用

除了上述成岩作用以外，沙河子组还发育交代作用和重结晶作用。交代作用不是很常见，偶尔可见长石被方解石交代(图2n)和火山岩屑被方解石交代。重结晶作用也比较少见，主要表现为泥质重结晶(图2o)。由于发育频率较低，交代作用和重结晶作用对砂砾岩孔隙度的影响不大。

4 成岩作用与孔隙演化关系

由砂砾岩储层岩石学特征和成岩作用分析可知，压实作用、胶结作用和溶蚀作用与孔隙度的关系最密切，以下重点分析这3种成岩作用增加或减少孔隙的量。

4.1 原始孔隙度的恢复

利用SCHERER[12]建立的原始孔隙度与分选系数的定量关系(公式1)，恢复研究区砂砾岩原始孔隙度：

Φ原=20.91+22.9/S0

(1)

式中，Φ原为储层原始孔隙度；S0为分选系数，数值上等于粒度累计曲线上25%处的粒径和75%处的粒径之比的平方根。根据大量的薄片统计确定分选系数S0为2.3，得到砂砾岩储层原始孔隙度为30.9%。

4.2 压实作用的减孔量

徐家围子断陷错综复杂的断裂系统发挥了较好的泄压作用[6,18]，导致其沙河子组地层难以形成大规模的超压系统，沙河子组3口探井的实测地层压力为34～47 MPa(埋深3 466～4 377 m)，计算地层压力系数为0.98～1.07，揭示地层为正常压力系统，即超压不是控制储层演化的重要因素。沙河子组砂砾岩储层中较高的塑性组分含量降低了其抗压实能力，在强烈的机械压实作用下，岩石颗粒以线—凹凸接触为主，原生孔隙大量减少。压实作用减少孔隙度的量通过如下公式计算：

(1)原油/CO2的MMP与构成原油组分的碳数和分子结构有关。原油中低碳数烃类越多，MMP越小，高碳数的不饱和芳香烃含量越高，MMP越大，混合烃组分的MMP小于单一烃组分的MMP。

Φ压=Φ原-Φ粒

(2)

式中：Φ压为压实作用孔隙减小的量，%；Φ粒为压实作用后剩余粒间孔隙度，%；压实后剩余粒间孔隙度=胶结物总量+胶结后的粒间孔隙度；胶结后的粒间孔隙度=岩石现今孔隙度—溶蚀孔隙度；溶蚀孔隙度=面孔率×溶孔百分含量。根据岩石薄片分析数据，研究区压实作用使砂砾岩孔隙度平均降低24.7%。

需要说明的是，沙河子组较高的古地温环境，导致机械压实作用增强，造成储层孔隙度衰减速度大大提高。机械压实作用所导致的砂砾岩孔隙损失在地层埋深1 800 m(成岩早期)左右基本结束[19-20]。在此之后，随着成岩环境由酸性到碱性的演化，造成砂砾岩孔隙变化的主要成岩作用是长石、岩屑溶蚀和碳酸盐胶结(详见后文分析)。简而言之，砂砾岩现今孔隙度依次是压实作用大量减孔、溶蚀作用明显增孔、胶结作用大量减孔的综合结果，这也是上述各式计算压实作用减孔量的基础。

4.3 溶蚀作用的增孔量

溶蚀作用是一种建设性成岩作用[16]，溶蚀孔隙是致密砂(砾)岩重要的储集空间类型。依据“溶蚀孔隙度=面孔率×溶孔百分含量”，通过大量的薄片统计，得到研究区溶蚀作用使砂砾岩孔隙度增加2.1%～9.8%，平均增加4.2%。

4.4 胶结作用的减孔量

结合镜下观察和X-衍射分析，沙河子组砂砾岩储层中胶结物的体积分数为0.48%～11.22%，平均为5.3%，即胶结作用使砂砾岩孔隙度降低5.3%。从胶结物成分上看，碳酸盐占胶结物总体积的86.1%，也就说，碳酸盐胶结对砂砾岩孔隙度破坏最大，这也与砂砾岩孔隙度与砂砾岩中碳酸盐胶结物含量呈明显负相关特征相符(图3)。

图3 松辽盆地北部徐家围子地区沙河子组砂砾岩储层中碳酸盐体积分数与孔隙度的关系Fig.3 Relationship between carbonate content and porosity of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation, Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

5 成岩作用与孔隙演化的定量关系

参考业内常用的评价标准，以孔隙度10%作为致密砂砾岩储层的上限[21]。根据黏土矿物含量随深度的变化以及碳酸盐胶结物类型[20]，结合徐家围子断陷镜煤反射率、古地温梯度[8]等资料对沙河子组埋藏史-热史进行分析(图4)。在此基础上，依据不同成岩作用的先后顺序和成岩作用增加或减少孔隙度的量，建立了“早期压实、中期溶蚀、晚期胶结”的成岩-孔隙演化模式。

5.1 早期压实作用大量减少原始孔隙

早成岩阶段(134～122 Ma)典型的成岩作用特征表现为地层迅速埋深，机械压实作用下导致储层原始孔隙大量减少。对沉积埋藏史的研究可知(图4)，沙河子组地层在沉积初期的12 Ma内快速埋深至1 500 m以下，地层的快速埋深造成上覆地层压力急剧增大，强烈的压实作用促使地层水不断排出，砂砾岩的原生孔隙快速减少。虽然该期间高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物也有发育，石英加大和微晶石英也开始形成[20]，但是由于沉积速度快、沉积时期短，这些填隙物的发育程度低，对砂砾岩孔隙空间影响较小。

5.2 中期溶蚀作用延缓储层致密化进程

中成岩阶段(122～82 Ma)的典型成岩特征是压实作用相对缓解，有机酸的溶蚀作用产生次生孔隙，避免了砂砾岩储层在压实作用下快速致密。

“压实作用的相对缓解”主要表现在中成岩A期(122～100 Ma)，受西太平洋板块的俯冲作用，沙河子组在经历短暂抬升之后沉降速率明显比沉积初期变缓，地层压力的增速随之变慢，进而压实作用对孔隙的破坏作用得以缓解。然而，由于构造抬升幅度较小，沙河子组地层并未出露地表，钻井和地震剖面上也未识别出明显的风化壳，推断砂砾岩体未经历大规模的风化淋滤改造。

图4 松辽盆地北部徐家围子地区沙河子组砂砾岩储层成岩作用与孔隙定量演化关系模式Fig.4 Relationship between diagenesis and pore evolution of sandy conglomerate reservoirs in Shahezi Formation,Xujiaweizi area,northern Songliao Basin

“中期有机酸的溶蚀作用”主要对应中成岩A期—中成岩B期的早期(123～98 Ma)。推断方法是，假定有机酸开始形成和开始脱酸的温度区间为60～120 ℃[22]，投影到图4中得到沙河子组有机酸形成时间为123～98 Ma，对应中成岩A期—晚成岩B期的早期。这一认识与前人[20]通过薄片观察、包裹体测试、孔隙演化等分析得到的徐家围子地区溶蚀作用主要发生在1 400～3 000 m(120～93 Ma)吻合。有机酸使地层流体呈酸性，一方面抑制碳酸盐胶结物的沉淀使得残余孔隙空间得以保存[19]，另一方面大量溶蚀砂砾岩中不稳定的长石矿物和火山岩屑增加孔隙空间。但是，随着烃源岩生烃强度的下降和有机酸脱酸反应的进行，地层中有机酸浓度逐渐下降，到中成岩B期(100～82 Ma)末期时，地层水有机酸浓度已经很低[22](地层温度接近200 ℃)，有机酸的溶蚀作用已经非常微弱。

在中成岩阶段压实作用相对缓解的背景下，倘若此期间未发生溶蚀作用，则砂砾岩储层将在压实作用和胶结作用下继续致密，恰是由于中成岩阶段酸性环境对碳酸盐胶结作用的抑制和对不稳定组分的溶蚀，使得砂砾岩孔隙的减少速率变缓。因此，可以说中成岩阶段的溶蚀作用延缓了储层的致密化进程。

5.3 晚期胶结作用是储层致密的关键

随着烃源岩生烃作用的减弱和有机酸的不断消耗，成岩环境在中成岩B期开始由酸性向弱碱性过渡，晚期碳酸盐胶结作用逐渐活跃[23-24]。如前文所述，沙河子组砂砾岩的主要胶结物为铁方解石和铁白云石，两者主要形成于生烃高峰期之后的偏碱性成岩环境，大致对应中成岩B期—晚成岩A期(88～70 Ma)，为了与早成岩阶段的胶结作区分，称其为晚期胶结。晚期碳酸盐胶结物充填于紧密压实的骨架之间的不规则孔隙中(图2d)，沉淀很少被溶蚀，导致砂砾岩孔隙度平均降低4.56%，致使砂砾岩孔隙度大范围降低至10%以下，进入致密阶段。因此，晚期胶结作用是砂砾岩储层致密的关键。

6 结论

(1)松辽盆地北部徐家围子地区沙河子组砂砾岩储层成岩作用类型丰富，不同成岩作用对储层孔隙影响程度不一。成岩作用类型以压实作用、胶结作用和溶蚀作用为主，压实作用平均降孔24.7%，胶结作用平均降孔5.3%，溶蚀作用平均增孔4.2%。

(2)松辽盆地北部徐家围子地区沙河子组砂砾岩储层在早成岩阶段经历的强烈压实作用是原生孔隙大量减少的主要原因；中成岩阶段有机酸溶蚀产生次生孔隙，延缓了储层致密化进程；中—晚成岩阶段铁方解石和铁白云石充填剩余粒间孔隙，是砂砾岩储层致密的关键因素。