准噶尔盆地石南地区中侏罗—下白垩统 储层成岩作用研究

付爽，纪宝强，李俊飞，魏璞，牛斌

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；2.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，甘肃 兰州 730000；3.中国科学院大学，北京 100049；4.新疆油田公司石西油田作 业区，新疆 克拉玛依 834000；5.中国科学院青藏高原研究所，高寒生态学与生物多样性实验室，北京 100101)

近年来随着准噶尔盆地勘探程度不断提高，岩性油气藏已成为该区勘探的重点领域。目前石南地区基东鼻凸中侏罗统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)与石南31井区的下白垩统清水河组(K1q)剩余出油气井点多，构造上紧邻盆1井西凹陷生烃区，勘探潜力巨大。

前人对该区的研究主要集中在沉积相、沉积体系以及空间展布规律特征等方面(冯动军，2006；徐亚楠等，2012)，如凌云(2006)确认石南21井区头屯河组砂体为曲流河-三角洲前缘沉积体系，水下分流河道微相是其优势相；饶政等(2008)确认石南31井区下白垩统清水河组一段砂体为辫状河三角洲沉积，并进一步识别出10种沉积微相。石南地区侏罗系西山窑组、头屯河组、白垩系清水河组储层沉积相主要为辫状河三角洲前缘水下分流河道和辫状河三角洲平原分流河道，储层岩性按粒度划分主要为细砂岩、中砂岩、中细砂岩，储层物性虽然主要受到沉积环境的控制，但通过研究其成岩作用与孔隙演化特征，可进一步了解储层物性的纵向分布和非均质性，而相关方面前人研究较少。因此，笔者通过岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观察等手段，对研究区各层段的储集岩进行分析，详细研究储层的岩石与物性特征、成岩作用与成岩序列以及储层孔渗影响，为油田勘探部署提供一些地质依据。

1 地质背景

石南地区位于准噶尔盆地腹部古尔班通古特沙漠腹地，构造属于陆梁隆起西段。东邻石西凸起，南靠盆1井西凹陷，西依基南凹陷和夏盐凸起，北为三个泉凸起(黄兴文，2006)。石南地区地层自下而上发育：石炭系(C)，三叠系克拉玛依组(T2k)、白碱滩组(T3b)，侏罗系八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)，白垩系清水河组(K1q)、呼图壁河组(K1h)、胜金口组(K1s)、连木沁组(K1l)和艾里克湖组(K2a)。研究区缺失二叠系和上侏罗统，石炭系(C)与三叠系(T)、侏罗系头屯河组(J2t)与侏罗系西山窑组(J2x)、侏罗系(J)与白垩系(K)为区域性不整合接触(图1)(谢寅符等，2006)。

2 储层特征

2.1 储层岩石学特征

石南地区侏罗系西山窑组和头屯河组储层均以细砂岩、中细砂岩、中砂岩为主；西山窑组砂岩分选中等，磨圆中等；头屯河组砂岩分选中等，磨圆中等。而白垩系清水河组储层以细砂岩、砂砾岩、粗砂岩、中砂岩为主，与侏罗系西山窑组和头屯河组相比，粒度明显增加，特别是砂砾岩含量的增加，反应了该沉积期水动力条件增强(图2a)。

在砂岩分类三角图上，侏罗系西山窑组和头屯河组、白垩系清水河的砂岩主要是长石岩屑砂岩、岩屑砂岩，岩石类型差别不大，结构成熟度中等。西山窑组长石岩屑砂岩、岩屑砂岩二者含量基本相同；头屯河组砂岩以长石岩屑砂岩为主，岩屑砂岩为辅，同时还有部分砂岩中长石含量非常低甚至为零，与西山窑组相比，该组砂岩的成分成熟度有所增加；白垩系清水河组砂岩主要是长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，成分成熟度与侏罗系西山窑组相似(图2b)。储层成分成熟度均较低，岩屑主要包括流纹岩、霏细岩、安山岩、凝灰岩、花岗岩、石英岩、硅质岩以及泥质岩等，含少量内碎屑及变质岩岩屑。其中凝灰岩、流纹岩、霏细岩、安山岩等中酸性火山岩所占含量最多(表1)。

1.界山；2.工区；3.凹陷；4.二级构造单元边界；5.三级构造单元边界；6.构造高部位的凸起与鼻凸；7.油藏；8.构造边 界线；9.断裂图1 研究区构造分区地理位置图(据新疆油田公司修改，2015)Fig.1 Schematic map showing tectonic unit division in the study area

图2 石南地区中侏罗—下白垩统储层岩石类型Fig.2 Sandstone petrography of the middle Jurassic & lower Cretaceous reservoirs, Shinan area

层位凝灰岩安山岩流纹岩霏细岩花岗岩石英岩硅质岩片岩千枚岩云母泥岩清水河组63.006.544.398.624.732.862.240.522.860.283.93头屯河组64.412.871.647.692.452.162.547.622.790.235.59西山窑组67.951.800.496.92.822.212.847.833.490.220.66

2.2 储层孔渗特征

石南地区中侏罗—下白垩统储集砂岩物性条件中等，平均孔隙度为12%～15%，中等—较差，平均渗透率为3～8mD。整体上来说，研究区储层多数属中孔中低渗储层。孔隙度变化较大，其中头屯河组相对略高；渗透率变化相对明显，随着埋藏深度的变浅，渗透率增大，相比较而言清水河组优于侏罗系的西山窑组和头屯河组(表2)。

表2 石南地区储层物性统计表Tab.2 The reservoirs physical properties, Shinan area

西山窑组、头屯河组的孔渗相关性很好，储层的孔喉匹配性好，储集空间主要是原生孔隙，次生孔隙则较少发育；清水河组孔渗相关性略差于上述2个层段，孔喉匹配也较好，储集空间也主要是原生孔隙，在部分地方发育次生溶蚀孔隙(图3)。

2.3 储层孔喉特征

通过铸体薄片鉴定、扫描电镜分析，发现研究区中侏罗—下白垩统储层的孔隙类型差别不明显。石南地区侏罗系西山窑组、头屯河组储集空间主要是粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔，其中粒间孔占60%以上；白垩系清水河组缺少粒内溶孔，主要以粒间孔、粒内溶孔为主，粒间孔占90%以上。从西山窑组到清水河组，粒间孔所占比重逐渐变大，而粒间溶孔所占比重则逐渐降低(图4a)。

总体而言，研究区岩性以细粒沉积物为主，喉道主要是中喉道，部分为细喉，石南地区不同层位储层的平均孔喉半径分布区间不同，其中西山窑组主要分布于0.32～5.12 μm，同时小于0.32的较多；头屯河组主要分布于0.32～5.12 μm，且较集中；清水河组主要分布于0.16～5.12 μm，以0.32～1.28 μm的占多数(图4b)。

图3 石南地区储层孔隙度和渗透率的关系Fig.3 The relationship between porosity and permeability of the reservoirs, Shinan area

3 成岩作用特征

碎屑岩储层成岩作用受多种因素的影响，并最终决定了砂体能否成为有效储集体，决定了储层物性纵向上的分布(张顺存等，2010；梁则亮等，2012；葛家旺等，2014)。石南地区中侏罗—下白垩统储层物性和孔渗影响的主要成岩作用是压实、胶结以及溶蚀作用。

3.1 压实作用

压实作用分为机械压实和化学压实作用，它们是造成储集岩孔渗下降的主要成岩作用之一(潘荣等，2014)。研究区压实作用特征主要包括：长石或石英等骨架颗粒挤压、错动、破裂，凝灰岩等半塑性岩屑变形以及片岩或云母等塑性岩屑假杂基化(图5a)，颗粒间接触类型随着埋藏深度增加由点接触类型逐渐转变为点-线接触关系(图5b、图5c)(WORDEN R H et al.，2003；SCHUTJENS P et al.，2004)。

图4 (a)石南地区中侏罗—下白垩统储层孔隙类型与(b)平均孔喉半径Fig.4 The pore types and average pore throat radius of the middle Jurassic & lower Cretaceous reservoirs, Shinan area

a.SN4井，2 572.81 m，J2x，石英颗粒相互错动、破裂，塑性岩屑颗粒变形及假杂基化粒间孔，蓝色铸体，单偏光；b.SN4井，2 586.00 m，J2x，一些碎屑颗粒边缘被溶蚀成港湾状，孔隙类型以粒间孔、粒间溶孔为主，蓝色铸体，单偏光；c.SN4井，2 603.26 m，J2x，压实作用中等，颗粒间接触关系以点-线接触为主，蓝色铸体，单偏光；d.S204井，2 531.26 m，J2x，含铁方解石充填于粒间孔隙内；e.SN38井，2 730.35 m，K1q，碎屑颗粒表面被绿泥石膜包裹，粒间孔隙内充填了方解石晶体；f.S204井，2 489.71 m，J2t，碎屑颗粒表面被绿泥石膜包裹，自生石英与散片状高岭石分布于绿泥石之上；g.S204井，2 535.76 m，J2x，石英次生加大边上发育散片状高岭石，充填于粒间孔隙内；h.SN23井，2 326.10 m，J2x，长石碎屑的溶蚀，晶形较小的高岭石分布于溶 蚀长石表面和溶蚀孔隙中；i.S204井，2 496.83 m，J2t，碎屑颗粒表包裹生长的叶片状绿泥石，高岭石残体发育于绿泥石之上图5 石南地区储层成岩作用特征Fig.5 The characteristics of reservoir diagenesis, Shinan area

3.2 胶结作用

一般胶结物占据储层原生粒间孔，并显著降低储层渗滤率，对储层物性起破坏性作用，但一些早期形成的胶结物如早期碳酸盐，也可以对储层骨架起支撑作用，抑制压实作用对储层物性破坏(陈波等，2015)。石南地区3个层段的储层岩石类型主要是砂岩，胶结作用主要有碳酸盐矿物胶结(包括方解石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿等)、硫酸盐胶结物(重晶石、硬石膏等)及铁质矿物胶结(褐铁矿、黄铁矿、氧化铁等)。此外，还可见到其他类型的胶结物，如硅质、次生石英等，但含量相对较少，分布范围比较局限。

白垩系清水河组砂岩的胶结物主要是方解石、硬石膏、黄铁矿，而硅质、褐铁矿、铁方解石的含量及次生石英的含量相对较少；侏罗系头屯河组砂岩的胶结物主要是铁方解石、方解石 、铁质。另外，有少量褐铁矿、黄铁矿、氧化铁等，硅质、铁白云石、次生石英的含量较少；侏罗系西山窑组砂岩的胶结物主要是方解石、铁方解石、重晶石、铁白云石，而硅质、黄铁矿、硬石膏、次生石英的含量都很少(表3)。

3.2.1 碳酸盐胶结

整个埋藏成岩过程中碳酸盐类都有发育，研究区碳酸盐类型主要有方解石、铁方解石、铁白云石和菱铁矿(MORAD S，1998)。其中最多的碳酸盐胶结物是方解石，在镜下观察其多分布颗粒间孔隙中，颗粒接触关系为点接触，所以应该形成于早成岩阶段(图5d、图5e)。菱铁矿含量较少，仅在西山窑组有零星分布。早期碳酸盐胶结物充填于砂岩原生孔隙中，可能造成储层孔渗率降低，但在晚期成岩作用中，则可以起到支撑砂岩骨架的作用，减少压实对储层造成的影响，同时也能成为后期溶蚀作用的对象，利于次生孔隙的发育。

3.2.2 硅质胶结物

研究区硅质胶结作用较弱，3个层段期含量都小于2%(表3)。本区硅质胶结物一部分结晶程度较低，晶粒微小，其主要发育在颗粒边缘或粒间孔隙中(图5f)；另一部分则作为次生石英加大呈自形和细粒状充填于孔间孔隙中(图5g)(WORDEN R H，2000)。石英胶结一般是造成储层孔渗减少的最主要原因之一，但在有些环境中形成的微晶石英包膜则可以抑制石英的次生加大，有助于储层原生孔隙的保存。

3.2.3 黏土矿物胶结

3个组的砂岩中，黏土矿物都是以高岭石为主，还有部分伊蒙混层、伊利石、绿泥石；研究区高岭石可以分为早期高岭石和晚期高岭石，早期高岭石结晶程度低，晶粒微小，分布于骨架颗粒的表面，而且经常与其他黏土矿物共生(图5h、图5i)；晚期高岭石，结晶程度高，晶粒较大，常充填于长石或岩屑形成的粒间溶孔中，或者分布于溶蚀颗粒的表面，其形态常表现为书页状或蠕虫状，属于长石溶蚀或者早期高岭石再结晶的产物(WORDEN R H，2003)。黏土矿物充填于砂岩储层孔隙中，一般对储层的孔渗率会造成消极影响，但早期成岩作用形成的绿泥石包膜则可抑制石英的次生加大，加强砂岩储层的抗压实作用，有助于原生孔隙的保存。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用通常有利于形成次生孔隙发育带，改善储层物性(吉鸿杰等，2016)。研究区溶蚀作用表现为骨架颗粒的溶蚀，颗粒边缘常常被溶成港湾状，有些颗粒被完全溶蚀成铸模孔(STOESSELL R K等，1990)。薄片及扫描电镜观察往往见到长石或岩屑颗粒被溶蚀，边缘则经常被溶蚀成港湾状，很少见到石英溶蚀，有时可见沿裂缝溶蚀形成溶缝。因此，本区溶蚀主要表现形式如下：长石、岩屑等碎屑颗粒的不同程度溶蚀，形成一些以粒间溶孔和粒内溶孔为主的储集空间。

表3 石南地区储层胶结物类型统计表(%)Tab.3 The reservoirs cement properties, Shinan area(%)

不同层段溶蚀作用发育的程度不同，早期形成的溶蚀孔隙易于受到晚期胶结作用或者假杂基挤入充填而难以保存下来。总体上来说，侏罗系西山窑组砂岩中溶蚀作用较发育，白垩系清水河组砂岩中溶蚀作用发育较少。其中，侏罗系西山窑组砂岩储层中可见到粒间溶孔、粒内溶孔的发育，头屯河组砂岩中溶蚀作用不及西山窑组发育，在薄片中可以见到粒间溶孔、粒内溶孔、基质中(泥质)溶孔，而白垩系清水河组的砂岩和砂砾岩储层中，很少见到溶蚀孔隙的发育，仅有极个别的粒内溶孔出现。说明在研究区，溶蚀作用随着埋藏深度的增加，发育程度增强。

4 储层的成岩演化

4.1 成岩阶段划分

根据储层全岩X射线衍射分析研究区147个样品自生黏土矿物。根据伊蒙混层比(S/I)中蒙脱石(S)的含量可知，研究区S的分布范围为51.28%～90.91%，其中S大于70%的约占84.4%，S处于50%～70%的约占15.6%，研究区伊蒙混层比(S/I)中蒙脱石(S)的含量主要居于70%～90%(图6)。

图6 伊蒙混层中蒙脱石含量Fig.6 The content of smectite of mixed-layer minerals of illite and smectite

通过对研究区中侏罗—下白垩统西山窑组、头屯河组和清水河组254个样品有机质最高热解温度(Tmax)统计分析可知，研究区Tmax的分布范围为332～456℃，其中Tmax小于430℃的约占88.2%，Tmax居于430～435℃的约占5.1%，Tmax大于345℃的约占6.7%，从图7中可以看出研究区Tmax主要分布于395～345℃。

研究区所在储层埋深约为2 350～3 100 m，自沉积以来平均地温梯度约为2.7℃/100 m(邱楠生等，2002)，其经历的最大古地温约为63.5～83.7℃；再者根据3个层组岩石颗粒接触关系、孔隙组合特征分析，研究区所在层组碎屑颗粒接触由点接触关系逐渐变为点-线接触关系，镜下可观察到塑性岩屑颗粒变形甚至假杂基化，储集空间以粒间孔、粒间溶孔为主，原生孔隙所占比重较大，次生孔隙和微裂缝所占比重较小。综合以上分析可知，石南地区中侏罗—下白垩统西山窑组、头屯河组和清水河组整体上主要处于早成岩阶段A期—早成岩阶段B期(SY/T 5477-2003，2003)。

4.2 成岩序列

根据镜下成岩产物间的空间位置关系，发现绿泥石常沿石英颗粒边缘形成薄膜，颗粒紧密接触处则较少发育，说明绿泥石薄膜常形成于一定的压实作用之后。硅质胶结物发育在石英颗粒边缘或分布在绿泥石薄膜之上(田建锋等，2008；DOWEY P J等，2012； HAILE B G et al.，2015 ；AAGAARD P et al.，2000)，另一部分作为自形晶粒分布在孔隙中，粒径微小，所以硅质胶结物的形成应晚于绿泥石薄膜。一些结晶程度较低的高岭石分布于蚀变颗粒和硅质胶结物的表面，其和硅质胶结物作为长石和岩屑开始溶蚀后形成的副产物，应晚于长石和岩屑的溶蚀。石英加大边常发育于绿泥石薄膜和硅质胶结物之上，应该是硅质胶结物进一步结晶发育的产物，所以应晚于硅质胶结物。晚期结晶成因的高岭石集合体呈书页状或蠕虫状，充填于粒间孔和长石等颗粒形成的溶蚀孔隙内，结晶程度高，晶间孔隙比较发育。而碳酸盐胶结物(方解石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿)既充填于粒间孔隙中，又占据长石等颗粒溶蚀形成的溶蚀孔隙，其胶结作用应贯穿整个埋藏成岩过程。所以石南地区中侏罗—下白垩统储层成岩演化顺序大概为为：绿泥石薄膜和早期的方解石胶结→岩屑和长石的溶解→早期高岭石和硅质胶结→次生石英加大和晚期高岭石→晚期铁方解石和铁白云石；而压实作用则贯穿整个埋藏成岩过程(图8)。

图8 石南地区中侏罗—下白垩统储层成岩序列Fig.8 Diagenetic sequence of the middle Jurassic & lower Cretaceous reservoirs, Shinan area

4.3 成岩作用对储层孔渗影响

石南地区西山窑组、头屯河组、清水河组储层主要受到沉积环境的控制，但其孔隙的演化也与成岩作用有很大的关系。对石南地区中侏罗—下白垩统储层物性和孔渗影响的主要成岩作用是压实、胶结以及溶蚀作用。同时成岩作用在不同的层段影响存在差异。

HOUSEKNECHT D W(1987)分析了压实作用与胶结作用在造成砂岩储层孔隙损失过程中的相对重要性，其假定砂岩储层的初始孔隙度为40%，给出砂岩储层的胶结物含量和粒间孔隙，就能大致判定砂岩储层由压实作用而减少的孔隙度；同时，还能清楚地比较出压实作用与胶结作用造成孔隙损失所做的贡献率。如果砂岩储层多数样品落点居于图中左下角，则压实作用占主导；相反，胶结作用起主导作用(HOUSEKNECHT D W，1987；PATE C R，1989；HOUSEKNECHT D W，1989)。

从上述3个层段压实作用和胶结作用对储层物性的影响评价图来看，样品落点都主要位于左下角，说明3个层位对储层孔隙影响占主导作用的都是压实作用；当然不同层位成岩作用对储层物性的影响存在一些差别：西山窑组胶结作用造成了约10%～30%的孔隙损失，压实作用造成了35%～70%的孔隙度损失；头屯河组胶结作用造成了10%～25%的孔隙损失，压实作用造成了40%～60%的孔隙损失；清水河组胶结作用造成了5%～20%的孔隙损失，压实作用造成了40%～70%的孔隙损失。相比较而言，压实作用对清水河组储层物性的影响要大于头屯河组和西山窑组(图9)。

碎屑岩中的任何碎屑颗粒、杂基、胶结物和交代矿物，甚至石英硅质胶结物，也可能在某些埋藏环境中发生溶解作用(邱隆伟等，2002；赵国泉等，2005；郭春清等，2003)。不同的地区、不同的层位，这种溶蚀作用对砂岩储层的各种组分的溶解程度是不同的。本区砂岩储层3个层段都以原生孔隙为主，次生孔隙占据很少的一部分，说明本区的溶蚀作用不是很发育，对储层孔隙增生量的贡献不是很大，早期形成的溶蚀孔隙易于受到晚期胶结作用或者假杂基挤入充填而难以保存下来。但从清水河组到西山窑组，溶蚀孔隙所占孔隙的比重逐渐上升，说明溶蚀作用随着埋藏深度的增加对储层物性的影响不断提高。

图9 石南地区储层的压实作用与胶结作用 对储层物性的影响Fig.9 The impact on reservoirs qualities from compaction and cementation, Shinan area

从研究区孔隙度和渗透率与深度的关系来看，头屯河组的孔隙度要高于西山窑组和清水河组，这是因为清水河组虽然埋藏较浅，但储层岩性相对于其他层位，砂砾岩和含砾砂岩所占比重要高，分选和磨圆度较差，受沉积环境控制的影响更大；而从头屯河组到西山窑组，储层岩性都以细砂岩、中细砂岩为主，分选和磨圆中等，储层原始孔隙度要高于清水河组，随着埋藏加深，成岩作用加强，孔隙度逐渐减小，因此头屯河组孔隙度好于西山窑组；同时由于受初始沉积环境的影响，尽管头屯河组埋藏相较清水河组更深，成岩作用更强，而孔隙度则高于清水河组。对于渗透率来说，与孔隙度类似，虽然3个层段都没有明显的随着深度的增加而减少的趋势，但总体上随着埋藏加深，成岩作用的加强，清水河组的渗透率最好，西山窑组的渗透率最差(图10)。

5 结论

(1)石南地区侏罗系西山窑组和头屯河组储层均以细砂岩、中细砂岩、中砂岩为主，白垩系清水河组储层以细砂岩、砂砾岩、粗砂岩、中砂岩为主，成分成熟度较低，结构成熟度中等。储层孔隙度中等—较差，平均渗透率为3～8 mD，整体上属中孔中低渗储层。孔渗相关性较好，喉道以中喉道为主，部分为细喉。储集空间以原生孔隙为主，次生溶蚀孔隙所占比重较小；但从清水河组到西山窑组，溶蚀孔隙随埋藏深度的增加，其所占孔隙比重逐渐上升。

图10 研究区储层孔渗与深度关系Fig.10 The relationship of depth with porosity and permeability of the reservoirs, Shinan area

(2)研究区储层主要处于早成岩阶段A期—早成岩阶段B期，储集岩的成岩作用序列大致为：绿泥石薄膜和早期的方解石胶结→岩屑和长石的溶解→早期高岭石和硅质胶结→次生石英加大和晚期高岭石→晚期铁方解石和铁白云石；而压实作用则贯穿整个埋藏成岩过程。

(3)研究区对储层物性影响较大的成岩作用为压实、胶结和溶蚀作用。其中塑性岩屑、半塑性岩屑所占比重高，机械压实过程中容易发生颗粒变形及假杂基化，因此压实作用是造成研究区储层孔隙损失的最主要原因；其次为胶结作用，研究区储层主要的胶结物为碳酸盐类和铁质类矿物，硅质胶结在本区不甚发育，黏土矿物都是以高岭石为主，还有部分伊蒙混层、伊利石、绿泥石；不同层段溶蚀作用强度不同，但都发育较弱，溶蚀作用所形成的孔隙量所占比重很小。同时由于受沉积环境的控制，研究区储层的孔隙度和渗透率与埋藏深度的相关性不是很明显。