尼日尔Termit盆地上白垩统储层岩石学特征及控制因素分析*

毛凤军 刘邦 刘计国 姜虹 袁圣强 郑凤云 李早红 王玉华

中国石油勘探开发研究院, 北京 100083

Termit盆地位于西非裂谷系北部，是发育于前寒武系基底之上的中-新生代叠合型裂谷盆地，发育上白垩统与古近系两套成藏组合，其中古近系是主力成藏组合。中石油进入之前，Termit盆地经多家外国石油公司40多年勘探未获商业发现。中石油进入后，针对古近系的勘探取得了巨大成功，而在上白垩统Yogou组虽有油气发现，因认识程度低未开展大规模的勘探，是潜在的勘探新领域。前人从烃源岩地球化学、岩相古地理、沉积体系等方面对Termit盆地上白垩统进行了一系列研究(Wanetal., 2014， 2017; Liuetal., 2015; 毛凤军等，2016)，但是尚未开展过基于分析测试资料对沉积储层岩石学的研究，制约了后续针对该领域的勘探潜力评价和油田开发。本文在大量井壁取心样品分析测试的基础上，对上白垩统储层开展了矿物组成、填隙物、岩石结构、重矿物、储层物性等方面的系统研究，在此基础上进一步探讨储层的控制因素，以期深化对上白垩统储层的认识，为储层预测提供岩石学方面的依据，同时希望能对西非裂谷系其他盆地白垩系储层研究及油气勘探和开发奠定基础。

图1 中-西非裂谷盆地及Termit盆地位置(据Genik, 1993)Fig.1 Location of the West and Central Africa rift system and the Termit Basin (modified after Genik, 1993)

1 地质背景

Termit盆地主体位于尼日尔共和国东南部，向南延伸至乍得共和国西北部，北端与Tenere盆地及Tefedet盆地相接，南与Bornu盆地相邻，NW-SE向延伸，南北长约300km，东西向宽约60～110km，盆地北部略窄，面积约为30000km2(图1)。平面上可将Termit盆地划分为9个次级构造单元，包括Termit西台地、Dinga断阶带、Araga地堑、Yogou斜坡、Dinga凹陷、Moul凹陷、Soudana隆起、Fana凸起和Trakes东斜坡(图2)。

图2 Termit盆地构造单元划分及古近系主要断层展布Fig.2 Structural units and main fault distribution on the of the Paleogene Sokor1 Formation in the Termit Basin

根据钻井、地震、测井和古生物资料，Termit盆地沉积地层自下而上依次为下白垩统、上白垩统、古近系、新近系与第四系，最大沉积厚度超过12000m。沉积地层岩性主要为砂岩、泥岩和页岩，局部地区可见到侵入的辉绿岩脉。下白垩统以陆相碎屑沉积为主。晚白垩世，受显生宙全球海平面上升的影响(Guiraudetal., 2005)，非洲发生来自北部新特提斯洋和南部南大西洋两个方向的大规模海侵，整个东尼日尔盆地群(Termit、Tenere、Tefidet、Kafra等盆地)沉积了巨厚的海相砂泥岩(刘邦等，2011)。上白垩统自下而上可划分为Donga组、Yogou组和Madama组。Donga组下部主要发育砂岩，向上渐变为以泥岩为主，中上部为灰-黑色泥页岩与粉砂岩、细砂岩互层。Yogou组中下部以灰-黑色厚层泥页岩为主，上部发育中-细粒砂岩储层，该组地层厚度介于310～1700m之间。Madama组为盆地广泛分布的厚层河流相砂岩，顶部和底部夹少量泥质砂岩薄层(含煤线)，该组地层厚度介于300～1500m之间。其中，Yogou组既赋存优质烃源岩，也发育河流-三角洲相砂岩储层，是Termit盆地白垩系的主要勘探目的层(图3)，因此对上白垩统储层的研究具有重要的地质意义。

图3 Termit盆地综合地层柱状图(据Genik, 1993)Fig.3 Generalized stratigraphic column of the Termit Basin (modified after Genik, 1993)

2 储层岩石学特征

目前，Termit盆地各构造单元均有钻井钻遇上白垩统Yogou组地层。本次上白垩统储层岩石学研究，主要针对17口井的218个井壁取芯样品，开展普通薄片、铸体薄片、电子探针、阴极发光、X衍射、扫描电镜及重矿物分析，系统地研究储层的沉积岩石学特征，分析形成高效储层的成分特征及控制因素。样品测试在中国石油大学(北京)实验室完成。

2.1 矿物组分特征

砂岩是岩石风化-沉积旋回的产物，它的碎屑组分能够直接反映物源区母岩类型和沉积盆地的沉积环境(Dickinson and Suczek, 1979; Dickinsonetal., 1983)。对研究区样品岩石薄片进行鉴定的结果显示，Termit盆地上白垩统储层的岩石类型主要为石英砂岩，成分成熟度高，以石英为主，石英含量可达80%以上，偶见少量长石和岩屑(图4)。

图4 Termit盆地上白垩统Yogou组砂岩类型图Fig.4 Compositional classification of sandstones of the Upper Cretaceous Yogou Formation in the Termit Basin

利用全岩X衍射分析对碎屑组分进一步统计分析表明，上白垩统样品中石英平均含量为86%，粘土矿物为7%，其次为钾长石、方解石与菱铁矿，均为2%，斜长石为1%(图5)。从岩石成分角度分析，成分成熟度高，较高的石英含量可以较好地保护原生孔隙不受压实作用破坏。

图5 Termit盆地上白垩统砂岩全岩组分X衍射含量图Fig.5 Compositional plot of the Upper Cretaceous sandstones using X-ray diffraction in the Termit Basin

2.2 填隙物特征

2.2.1 杂基

根据X衍射分析的结果，Termit盆地上白垩统砂岩储层中的填隙物主要为粘土矿物，包括高岭石、绿泥石、伊利石和伊蒙混层。高岭石含量为54.9%，绿泥石含量为21.6%，伊蒙混层含量为19.5%(图6)。伊蒙混层的混层比平均约为33.4%。

图6 Termit盆地上白垩统砂岩粘土矿物X衍射百分含量I/S-伊蒙混层；It-伊利石；Kao-高岭石；C-绿泥石Fig.6 Clay mineral percentage of the Upper Cretaceous sandstones using X-ray diffraction in the Termit BasinI/S-mixolimnion of illite-smectite; It- illite; Kao-kaolinite; C-chlorite

2.2.2 胶结物

Termit盆地上白垩统砂岩储层主要发育四种胶结物类型，包括硅质胶结、方解石胶结、铁质胶结与粘土矿物胶结。胶结物的含量在岩石中所占比例较小，对储层的破坏作用不大，仅在少量样品中观察到胶结物大量破坏原生孔隙的现象。

(1)硅质胶结物

硅质胶结物是研究区储层较为常见的胶结物类型，主要以石英次生加大边和粒间自生石英晶粒的形式出现，在偏光显微镜及扫描电镜中均看到石英次生加大现象(图7)。

图7 Termit盆地上白垩统砂岩石英次生加大镜下特征(a)细粒石英砂岩，YS-1井，2572.5m，Yogou组，石英加大，普通薄片(+); (b) YW-1井，2208m，Yogou组，石英加大，扫描电镜Fig.7 Thin section showing quartz outgrowth of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2572.5m, Yogou Formation, quartz enlargement, ordinary flakes (+); (b) YW-1 well, 2208m, Yogou Formation, quartz enlargement, scanning electron microscope

(2)方解石胶结物

碳酸盐胶结物是研究区储层另一较为常见的胶结物类型，以方解石胶结物为主。方解石胶结物一般零星分布(图8)，镜下少见连片的嵌晶胶结现象。

图8 Termit盆地上白垩统砂岩方解石胶结偏光镜下特征 (a)YS-1井，2543.0m，方解石嵌晶胶结(-)；(b)YS-1井，2543.0m，方解石嵌晶胶结(+)Fig.8 Thin section showing calcite cementation of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) YS-1 well, 2543.0m, calcite intercalated cement (-); (b) YS-1 well, 2543.0m, calcite intercalated cement (+)

图9 Termit盆地上白垩统砂岩铁质胶结物 (a)细粒石英砂岩，DNW-1井，1935.5m， Yogou组，黄铁矿胶结物(反射光)；(b)细粒石英砂岩，FN-1井，3012.5m，Yogou组，铁质交代石英(-)Fig.9 Thin section showing ferruginous cements of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, DNW-1 well, 1935.5m, Yogou Formation, pyrite cement (reflected light); (b) fine-grained quartz sandstone, FN-1 well, 3012.5m, Yogou Formation, iron Quoting quartz (-)

图10 Termit盆地上白垩统粘土矿物胶结物电镜特征 (a、b)高岭石，YW-1井，2243.5m，Yogou组；(c、d)绿泥石，YN-1井，2546.5m，Yogou组；(e、f)YS-1井，2306m，高岭石，Yogou组Fig.10 Scanning electron microscope showing clay cements of the Upper Cretaceous sandstone in the Termit Basin(a, b) kaolinite, YW-1 well, 2243.5m, Yogou Formation; (c, d) chlorite, YN-1 well, 2546.5m, Yogou Formation; (e, f) YS-1 well, 2306m, kaolinite, Yogou Formation

图11 Termit盆地上白垩统储层岩石颗粒大小及分选性 (a)粉砂岩，YN-1井，2450.5m，粉粒结构；(b)细粒石英砂岩，YS-1井，2453.8m，细粒结构；(c)不等粒石英砂岩，Tm-1井，2156.5m，不等粒结构(+)；(d)中粒石英砂岩，YN-1井，2259.5m，中粒结构(+)Fig.11 Thin section showing grain size and sorting of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) siltstone, YN-1 well, 2450.5m, powder structure; (b) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2453.8m, fine-grained structure; (c) unequal-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 2156.5m, unequal grain structure (+); (d) medium grain quartz sandstone, YN-1 well, 2259.5m, medium grain structure (+)

图12 Termit盆地上白垩统储层岩石接触关系及胶结类型图 (a)细粒石英砂岩，YN-1井，2268.5m，线接触、接触胶结；(b)细粒石英砂岩，YS-1井，2329m，点接触，孔隙胶结Fig.12 Thin section showing grain contact and cementation of the Upper Cretaceous sandstone in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YN-1 well, 2268.5m, line contact, contact cementation; (b) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2329m, point contact, pore cementation

图13 Termit盆地上白垩统储层岩石磨圆度特征 (a)细粒石英砂岩，YS-1井，2329m，次棱角状；(b)不等粒石英砂岩，Tm-1井，1936.5m，次圆状Fig.13 Thin section showing grain roundness of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2329m, sub-angular; (b) unequal-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 1936.5m, sub-circular

图14 Termit盆地上白垩统储层常见重矿物(a)锆石，Al-1井，2236m ；(b)赤铁矿，FN-1井，2907m；(c)磷灰石，YS-1井，2440m；(d)锡石，Al-1井，2236mFig.14 Thin section showing common heavy minerals of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) zircon, Al-1 well, 2236m; (b) hematite, FN-1 well, 2907m; (c) apatite, YS-1 well, 2440m; (d) cassiterite, Al-1 Well, 2236m

(3)铁质胶结物

铁质胶结物在单偏光下呈黑色，不透光，反射光下具金属光泽(图9)，主要表现为黄铁矿的特征，在研究区较为多见。

(4)粘土矿物胶结物

粘土矿物胶结物主要为高岭石、伊蒙混层、绿泥石和伊利石，以高岭石为主。高岭石一般由长石的溶蚀形成，其晶粒粗大，保留了较多的晶间孔(图10)。

2.3 结构特征

Termit盆地上白垩统砂岩储层主要为细粒结构，其次为不等粒结构、粉粒结构以及中粒结构(图11)；砂岩分选程度主要为中等-差，颗粒以点接触、点-线接触为主，局部可见线接触-缝合接触，胶结类型以孔隙胶结为主，少量接触胶结(图12)；通过普通薄片鉴定结果统计，石英颗粒的磨圆程度以次棱角-次圆状为主，磨圆度较差(图13)。

通过以上储层岩石学特征分析，认为Termit盆地上白垩统储层的岩石类型为石英砂岩，砂岩成分成熟度高，石英含量占岩石组分的86%以上，长石含量很少，填隙物主要为粘土杂基，含量5%左右；砂岩以细粒结构和少量的不等粒结构为主，分选以中等为主，石英颗粒一般为次棱角-次圆状，磨圆度差。

2.4 重矿物特征

碎屑岩中重矿物的物性特征(如颜色、形态、粒度、硬度和稳定性等)及其组合关系在物源分析、构造演化、地层分析对比、岩相古地理重建及古气候恢复等方面具有很好的应用前景(和钟铧等，2001；Liuetal., 2001)。尽管砂岩中重矿物的分布受多种地质因素影响，但重矿物的组合仍可反映物源的母岩类型(Morton, 1987; Dill, 1994)。

图15 Termit盆地上白垩统砂岩压实作用镜下特征 (a)细粒石英砂岩，YS-1井，2390m，Yogou组， 颗粒定向排列(+)；(b)粉砂岩，YN-1井，2450.5m，Yogou组，颗粒定向排列(-)；(c)细粒石英砂岩，Tm-1井，2725m，Madama组，云母压弯变形(-)；(d)不等粒石英砂岩，Imr-1井，1368m，Yogou组，云母压弯变形(+)； (e)细粒石英砂岩，YS-1井，2572.5m，Yogou组，颗粒凹凸接触(+)；(f)不等粒石英砂岩，YS-1井，2420m，Yogou组， 刚性颗粒破碎(+)Fig.15 Thin section showing compaction of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2390m, Yogou Formation, grain oriented (+); (b) siltstone, YN-1 well, 2450.5m, Yogou Formation, particle oriented (-); (c) Fine-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 2725m, Madada Formation, mica bending deformation (-); (d) unequal grain quartz sandstone, Imr-1 well, 1368m, Yogou Formation, mica bending deformation (+); (e) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2572.5m, Yogou Formation, particle bump contact (+); (f) unequal grain quartz sandstone, YS-1 well, 2420m, Yogou Formation, rigid particle crushing (+)

Termit盆地上白垩统砂岩主要重矿物类型为磁铁矿、赤铁矿、锆石、磷灰石，含有少量白钛矿和榍石等(图14)。磁铁矿为粒状，反射光下铁黑色；赤铁矿为粒状，反射光下褐红色；锆石在反射光下成柱状、双锥柱状、粒状，无色、浅褐色，部分含自身或铁矿包裹体，少部分见同心环带构造；磷灰石为柱状，一级灰白干涉色，平行消光；白钛矿为粒状，反射光下灰白色。其中缺少变质类型的重矿物，以上重矿物组合特征表明研究区上白垩统的母岩类型可能主要为岩浆岩，由于上白垩统砂岩储层的岩石类型为石英砂岩，推测当时物源区的母岩富含石英。

3 储层物性

Termit盆地上白垩统砂岩组分的分析结果表明，该区砂岩中以石英为主的刚性碎屑成分含量较高，相对于长石砂岩或长石石英砂岩来说，对于保护原生孔隙比较有利。碎屑颗粒粒度中等偏细，分选较差，机械压实作用对原生孔隙产生一定的破坏作用，在压实作用下，颗粒发生压实定向，常见于杂基支撑的粉砂岩、粉细砂岩中，由于埋深增加，地层压力增大，使碎屑颗粒近定向排列(图15a, b)。塑性颗粒因压实还会变形，主要是云母受压弯曲、伸长或被硬碎屑嵌入(图15c, d)，经压实可以被压断、挤碎，甚至可以变成假杂基。此外，砂岩中颗粒的接触关系也会发生变化，随埋藏深度增加，颗粒接触关系渐趋紧密，颗粒由彼此分离到相互靠近，出现由点接触到线接触再到凹凸接触(图15e, f)。

图16 Termit盆地上白垩统储层纵向演化图Fig.16 Diagram showing vertical reservoir evolution of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin

根据对普通薄片鉴定结果的统计，Termit盆地上白垩统砂岩的颗粒接触关系以点接触为主，部分样品为线接触。埋深较浅的砂岩压实作用弱，颗粒接触关系为点接触；达到一定深度后压实作用增强，对孔隙破坏作用增大。分析线接触的样品发现，当埋深超过2000m时，开始出现线接触现象(图16)。由于砂岩以石英砂岩为主，相对于长石砂岩、长石石英砂岩等其它岩石类型来说，研究区上白垩统砂岩的压实作用对储层的破坏作用要小，这对储层原生孔隙的保存比较有利。统计表明，砂岩埋深小于2500m，以原生孔为主，面孔率大于15%。

4 讨论与结论

石英砂岩储层国内见于滇东北地区中泥盆统、塔里木盆地志留系柯坪塔格组、鄂尔多斯盆地上古生界山西组、特提斯喜马拉雅侏罗系门卡墩组和唯美组等。前人研究表明，一般石英砂岩纯度较高，分选磨圆较好，成分和结构成熟度较高，通常沉积于滨浅海的高能沉积环境，有利于石英砂的充分分选和富集(王若谷等，2015；刘永福等，2016；周邦国等，2018；潘婉莹，2018)。

砂岩成分成熟度高，表明砂岩可能与物源区的母岩成分有关，也可能碎屑颗粒经过长距离搬运有关；若砂岩成分成熟度高且结构成熟度偏低，说明砂岩只能与物源区的母岩成分有关。Termit盆地上白垩统储层的岩石类型主要为石英砂岩，但砂岩主要为细粒、不等粒结构，石英颗粒为次棱角-次圆状为主，磨圆度较差，说明上白垩统砂岩具有短距离搬运的特点。结合成分成熟度和重矿物特征，推测研究区砂岩的物源区可能为富石英质岩浆岩，这与国内石英砂岩沉积于高能的滨浅海环境不同，Termit盆地上白垩统石英砂岩磨圆差，推测可能沉积于近源、低能的河流-三角洲环境。重矿物组合中缺少变质类型，推测研究区上白垩统的母岩类型可能主要为岩浆岩且富含石英。

储层物性受多种因素的控制，根据本次岩石样品的实验分析结果，认为影响研究区上白垩统储层性质的因素主要是储层的岩石学特征及后期埋藏的成岩作用。

压实作用会使储层早期的原生孔隙度逐渐降低，由于研究区砂岩储层主要以石英砂岩为主，受到石英刚性颗粒的支撑，砂岩颗粒的接触关系主要以点接触为主，见到少量线接触，压实作用对储层的破坏作用偏小，对原生孔隙的保存比较有利。

局部的碳酸盐胶结物对孔隙起封堵作用，但研究区碳酸盐胶结物不发育，方解石一般以杂基和交代形式出现，多见交代石英颗粒，少见方解石连片、嵌晶胶结，仅在Yogou斜坡地区见方解石亮晶连片胶结。

对孔隙影响较大的粘土矿物主要有绿泥石、伊利石以及伊蒙混层，其常堵塞孔隙和吼道。粘土矿物X衍射和扫描电镜的分析结果表明，研究区砂岩储层中的粘土矿物类型主要为高岭石，其次为绿泥石，伊利石和伊蒙混层含量很低。高岭石对储层的影响一般认为是积极的，因为砂岩中自生高岭石一般由长石的溶蚀形成的，高岭石本身晶粒粗大，存在一定的晶间孔，自生高岭石的发育与优质储层呈正相关。

溶蚀作用对储层的改善会产生积极的影响，研究区砂岩储层最常见的为长石的溶蚀，其次为石英、云母及粒间泥质物的溶蚀，溶蚀作用会形成粒内溶孔，粒间溶孔，还会扩大原生孔隙形成混合孔，改善了储集性能。

由于上白垩统石英砂岩可能沉积于近源、低能的河流-三角洲环境，认为砂岩储层主要发育于近物源区，推测靠近东部物源的Araga地堑、Trakes斜坡、Fana凸起及靠近西部物源的Yogou斜坡是砂岩发育区，其中Fana凸起和Yogou斜坡砂岩受压实作用影响小，是有利储层发育区。