羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组致密储层成岩作用与孔隙演化

程乐利，印森林，万友利，王 剑,4，冯兴雷，李学仁，曾胜强

(1.长江大学 录井技术与工程研究院，湖北 荆州 434023；2.中国地质调查局 成都地质调查中心，成都 610081；3.自然资源部 沉积盆地与油气资源重点实验室，成都 610081；4.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610500)

羌塘盆地位于特提斯构造域东段，经众多学者在基础地质、石油地质等方面的研究，初步证实羌塘盆地具有较好的油气潜力[1-6]，是青藏地区油气资源潜力最大、最有希望取得勘探突破的地区[3]。

近年来，对于羌塘盆地石油地质条件的认识不断深入，取得了大量新进展，这些新进展和认识聚焦于岩相古地理[4-5]、盆地性质及构造演化[2, 5-6]、烃源岩[7-9]和保存条件等方面[5, 8-10]，油气储层成果较少。上三叠统巴贡组砂岩储层是羌塘盆地的2大重点储集层系之一，主要以低孔低渗为主[1,5]。孙冬胜等[11]在南羌塘坳陷查郎拉地区的储层研究中发现，该地区肖茶卡组三段碎屑岩物性非常致密，储集空间主要为次生溶蚀孔，粒间及粒内溶孔多见，少量铸模孔及微裂缝；胡俊杰等[12]对沃若山地区的上三叠统土门格拉组砂岩储层进行了详细研究，发现该区砂岩储层以岩屑石英砂岩为主，压实作用导致原生孔隙所剩无几，而次生孔隙以粒间孔、铸模孔为主。上述学者就该套储层及其沉积特征等方面开展了工作，但致密过程中的成岩作用影响尚未开展系统研究。

近年来，我国石油工作者在致密砂岩类型储层中获得了大量油气新发现，同时在致密砂岩成岩特点[13-17]和绿泥石保孔机制[18-20]等方面取得了大量新认识。在孔隙演化方面，利用回归拟合进行面孔率和孔隙度的换算[21]、以压实分段来实现机械压实与热压实校正[22-24]等方法均取得了较好效果。将这些新认识和新思路应用到羌塘盆地的致密砂岩储层研究中，将有助于在该地区早日实现油气发现。本文以北羌塘坳陷中南部的4条上三叠统典型露头剖面为研究对象，借助铸体薄片、扫描电镜、X衍射及流体包裹体测温等测试分析手段，探讨其成岩作用特征和孔隙演化规律，为下步的勘探部署工作提供参考。

1 地质背景

羌塘盆地北界为可可西里—金沙江缝合带，南界为班公湖—怒江缝合带，整体呈近东西向长条状展布[5]，构造格局具有“两坳一隆”[2]的特点，可划分为南羌塘坳陷、中央隆起带和北羌塘坳陷3个一级构造单元[1](图1)。在考虑细分精度、使用方便的前提下，将北羌塘坳陷上三叠统地层划分为藏夏河组、肖茶卡组、甲丕拉组、波里拉组、巴贡组以及那底岗日组。其中那底岗日组代表上三叠统顶部的火山岩—火山碎屑岩组合，藏夏河组代表坳陷北部的砂泥质深水复理石组合，肖茶卡组代表坳陷西南部菊花山、甜水河一带的灰岩组合。在坳陷的中南部沿用结扎群的三分方案，用甲丕拉组、波里拉组和巴贡组来分别代表紫红色碎屑岩组、碳酸盐岩组和含煤碎屑岩组。

2 储层岩石学特征

对采自北羌塘坳陷沃若山、才多茶卡、麦多以及扎那陇巴4个实测剖面(图1)的砂岩样品进行镜下分析。研究区巴贡组发育6种类型砂岩：岩屑石英砂岩(37.7%)、岩屑砂岩(25.5%)、长石岩屑砂岩(18.2%)、岩屑长石砂岩(13.6%)，长石石英砂岩和石英砂岩占比较小。砂岩总体粒度较细，分选较好，磨圆均为次棱角状，胶结类型以压嵌型、孔隙—次生加大型、次生加大型和次生加大—压嵌型为主，极少基底型和凝块型，孔隙型胶结未见发育。孔隙度均值为4.31%，渗透率主要在(0.001～0.01)×10-3μm2之间(图2)，属于超低孔超低渗储层。

图1 羌塘盆地构造分区及实测剖面位置

图2 羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组砂岩物性分布

3 成岩作用类型及特征

3.1 压实作用

研究区总体上压实强烈，表现为颗粒间紧密接触(图3a)、长形颗粒定向排列、塑性颗粒变形及脆性颗粒被压裂等。在镜下常见云母等片状矿物顺层排列，以及云母被压弯，甚至折断(图3b)。不同粒度的砂岩之间，中砂岩的压实强度明显小于极细砂岩。

3.2 胶结作用

胶结作用普遍发育，在各地区均有分布，也是使储层物性变差的重要原因之一[24]。胶结物的类型主要为硅质胶结和自生黏土矿物胶结，其次为碳酸盐胶结等。

3.2.1 硅质胶结

硅质胶结物常以集合体或次生加大充填于孔隙及喉道中，在石英砂岩中，石英次生加大级别可达Ⅲ级，严重堵塞了粒间孔隙，并降低了储层渗透率，颗粒间呈线—凹凸接触。硅质主要有2种来源：首先为压溶作用，在加大边与石英颗粒之间见黏土“脏线”(图3c)，表明早期硅质胶结晚于黏土膜的形成；其次为钾长石溶解，在扫描电镜下可见这一反应产生的高岭石与自生石英共生(图3d)。

图3 羌塘盆地北羌塘坳陷巴贡组砂岩显微特征

a.颗粒紧密排列，呈线—凹凸接触，×100，(+)，沃若山；b.云母颗粒被压断，×200，(+)，扎那陇巴；c.石英次生加大发育，颗粒边缘见“脏线”，×200，(+)，才多茶卡；d.自生石英晶形完好，与高岭石共生，见剩余粒间孔，才多茶卡；e.自生片状伊利石充填粒间，沃若山；f.颗粒被高岭石完全交代，扎那陇巴；g.颗粒紧密接触，粒间发育伊利石膜，沃若山；h.粒间充填绿泥石衬里，压实作用强烈，粒间孔隙消失，沃若山；i.早期碳酸盐基底式胶结，云母颗粒未变形，压实较弱，×100，(+)，沃若山

Mi. 云母；Oq. 石英次生加大；Q. 石英；Ka. 高岭石；Il. 伊利石；Chl. 绿泥石边

Fig.3 Microphotographs showing microscopic characteristics of sandstones in Bagong Formation, North Qiangtang Depression,Qiangtang Basin

3.2.2 黏土矿物胶结

研究区的自生黏土矿物主要为伊利石、高岭石和伊蒙混层，绿泥石和蒙脱石占比较小。

(1)伊利石大多晶形较好，主要以片状、不规则弯曲片状充填于孔隙(图3e)，部分以包膜形式生长于颗粒表面(图3g)，或以丝缕状与片状伊利石伴生。在早成岩阶段伊利石生成较少，在中成岩阶段通过黏土矿物(高岭石、蒙皂石)、长石及岩屑经过蚀变形成[25-26]。研究区砂岩中大部分只含钾长石或高岭石，其余样品的钾长石含量均低于6%，二者仅能微量共存，而巴贡组地层经历的最高地温可达178 ℃[27]，因此呈片状充填和丝缕状伴生的伊利石主要为高岭石转化形成[13, 28]，以颗粒包膜形式产出的伊利石则多为蒙皂石转化而来[29]。

(2)高岭石分布差异较大，在沃若山剖面仅底部含有高岭石，其余3个剖面均有分布。砂岩中高岭石的成因可分为沉积成因和自生成因2种[30]，沉积成因的高岭石形态不完整且多呈碎片状[14]；而自生成因的高岭石晶体完整。研究区高岭石多充填于剩余粒间孔(图3d)或长石溶孔(图3f)中，单晶呈完整的六方片状，集合体呈蠕虫状、书页状，因此巴贡组中的高岭石应为自生成因。

(3)绿泥石以孔隙衬里(图3h)和针叶状充填粒间的形态产出。根据铁质的来源，绿泥石衬里的成因分2种：同生期黏土膜转化和富铁镁物质的再结晶[18]。由于颗粒接触处没有绿泥石发育，绿泥石衬里主要为再结晶成因。泥岩微量元素分析结果[6]表明，物源以长英质为主，铁镁质极少。由于缺乏铁镁质来源，绿泥石衬里发育情况不佳，主要见于才多茶卡剖面，其他3个剖面极少发育，其中扎那陇巴剖面的砂岩中基本不含绿泥石。绿泥石衬里一般形成于成岩作用较早阶段，通常认为这种绿泥石能够抑制石英的次生加大，并显著提高岩石的机械强度和抗压实能力，对于储层物性的发育有着良好的建设性作用[19-20]。粒间充填的针叶状绿泥石形成较晚，主要由伊利石、蒙脱石等其他黏土矿物转化形成，部分源自孔隙流体的直接结晶[28]，含量较少，一般分布于较大孔隙中，对储层物性有破坏作用。

(4)蒙脱石。巴贡组露头中的蒙脱石可能是地层出露后在表生成岩阶段的产物，含量较低，占黏土矿物总量的1%～5%，仅在沃若山剖面较多，说明表生成岩阶段对于沃若山地区有一定影响，其他剖面则基本不受影响。

3.2.3 碳酸盐胶结

碳酸盐胶结物可分为2个期次：第一期为呈基底式胶结的碳酸盐灰泥，可见碎屑颗粒呈漂浮状，压实改造影响较小(图3I)，说明胶结于机械压实之前，常形成于常温常压条件下，为同生期、准同生期产物；第二期为镶嵌结构的白云石、(铁)方解石胶结，多呈晶粒结构充填于粒间溶蚀孔[12]，此类白云石可部分交代碎屑颗粒，多形成于晚成岩期。

3.2.4 自生矿物

自生矿物主要为黄铁矿和菱铁矿，仅部分样品有少量分布，为成岩早期产物。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用属于建设性成岩作用。由于早期溶蚀产生的次生孔隙在后期压实中难以保存，因此现有次生溶孔主要来自晚期，发生于强烈压实之后。研究区中的被溶蚀组分有长石、岩屑和碳酸盐胶结物，表现形式有：①长石(图3f，3h)、岩屑及石英等碎屑颗粒被不同程度溶蚀，其中长石溶蚀形成的铸模孔及粒内孔最常见；②方解石胶结物大多被溶蚀形成晶间及晶内溶孔，局部强烈溶蚀形成溶孔。

3.4 交代作用

最常见的交代作用是白云石交代石英、长石，在局部地区十分强烈，使碎屑颗粒边缘呈锯齿或残骸状，甚至彻底消失；其次为黏土矿物交代砂岩中的各种组分，被交代的主要为石英、长石、方解石等，可见长石颗粒完全蚀变成为高岭石(图3f)。

3.5 破裂作用

羌塘盆地经历了漫长而剧烈的构造活动，形成了大量以近东西向为主的裂缝[1, 10]。在镜下，根据产状可分为沿颗粒边缘延伸的微裂缝和贯穿颗粒的微裂缝；在地表有大量垂直于层面裂缝成组出现，并相互切割。裂缝可极大地提高砂岩储渗性能[31]，但对油气保存不利。

4 成岩演化和成岩相

4.1 成岩阶段

4.1.1 成岩阶段划分

通过有机质成熟度、埋藏史曲线、成岩作用特征及包裹体温度进行成岩阶段划分：

(1)有机质热成熟度。上三叠统烃源岩的热演化程度较高，中西部地区(沃若山、扎那陇巴)泥岩均处于高成熟阶段[7]；北部地区(明镜湖、藏夏河)泥岩处于过成熟阶段[5]。

(2)埋藏史。据埋藏史曲线[5]，研究区的中生界地层均经历反复的沉降—上升过程，本次采样所处的坳陷南部埋深稍浅，而内部深埋区的最大埋深可达7 km。

(3)成岩作用。①压实强烈，以线—凹凸接触为主，塑性颗粒强烈变形，石英颗粒破碎；②固结程度高，早期碳酸盐胶结物不发育，后期发育亮晶白云石、方解石胶结，石英次生加大级别可达Ⅲ级；③黏土矿物中蒙脱石不发育，仅存的少量I/S混层中蒙皂石含量均为10%，达有序混层阶段；④次生孔隙较发育，可见大量长石和岩屑等易溶组分的溶蚀孔。

(4)包裹体温度。对东部地区巴贡组石英颗粒裂缝中的包裹体进行了测温，获得的最晚一期主峰为165～175 ℃，相邻地区砂岩方解石脉的包裹体测温最大达159 ℃[9]；而在沃若山地区方解石脉中得到的包裹体均一温度为109 ℃和178 ℃[27]。

综合上述特点，参考酸性水介质碎屑岩成岩阶段划分方案[32]，认为巴贡组已进入中成岩B期—晚成岩阶段。本次采样地点位于北羌塘坳陷边缘地区，埋藏较浅，在燕山运动中被抬升，经历的最晚成岩阶段为中成岩B期。而由于抬升幅度小、后续接受了白垩纪—第四纪的巨厚沉积物覆盖，推测坳陷内部的巴贡组地层已经完全进入晚成岩阶段。

4.1.2 成岩演化序列

沉积物埋藏后，压实作用最早发生，随着孔隙水的排出、塑性颗粒变形，碎屑颗粒重新排列成相对稳定的岩石骨架。呈碳酸盐基底式胶结的砂岩中，颗粒呈悬浮状，说明存在早期的碳酸盐胶结。绿泥石胶结物呈孔隙衬里形态产出，说明绿泥石主要形成于颗粒固结后。在长石、岩屑等被溶颗粒中有高岭石、伊利石等充填，说明主要黏土矿物的胶结晚或同步于溶蚀作用。而亮晶白云石交代石英颗粒、或以次生加大充填于溶蚀孔隙，表明其形成于中晚阶段的碱性环境。因此主要成岩序列依次为早期压实→早期黏土矿物形成→早期方解石胶结→早期硅质胶结→溶蚀作用→晚期黏土矿物形成→晚期碳酸盐胶结→晚期硅质胶结。

4.2 成岩相划分

划分成岩相的目的在于为后续的孔隙演化分析提供基础。本文兼顾分类的实用性和指向性[15]，采用“成岩特征对物性影响”的方案，选取压实强度、碳酸盐胶结物含量、面孔率、实测物性等参数，划分为强溶蚀、绿泥石胶结、碳酸盐胶结和强压实压溶成岩相(表1)。

(1)强溶蚀成岩相：主要为长石石英砂岩及岩屑长石砂岩，压实作用弱，碳酸盐和绿泥石胶结物少，见少量剩余粒间孔，溶蚀孔隙极为发育，是物性最好的类型。

(2)绿泥石胶结成岩相：以长石岩屑砂岩及岩屑石英砂岩为主，碳酸盐胶结物少，绿泥石胶结物发育，溶蚀孔隙发育，物性相对较好。

(3)碳酸盐胶结成岩相：以长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，碳酸盐胶结物普遍发育，绿泥石胶结物不发育，镜下见大量碳酸盐胶结物溶蚀孔，物性仅次于前两类。

(4)强压实压溶成岩相：主要为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，少量石英砂岩，压实作用强，颗粒间呈缝合线—凹凸接触，碳酸盐胶结物和绿泥石胶结物含量低，是物性最差的类型。

5 孔隙演化特征

根据文献[22,24]“压实分段”的计算思路，由于缺乏钻井资料制作压实曲线，本文以各深度段对应的地层厚度比例来分配压实减孔率，在计算中成岩B期的最大埋深时，取剖面样品的Ro均值(1.55%)作为埋深最大时的热演化程度。

表1 羌塘盆地北羌塘坳陷上三叠统巴贡组储层成岩相类型及特征

5.1 孔隙度变化的定量计算

5.1.1 初始孔隙度的恢复

通过薄片与Beard图版[33]对比[22]，得到不同成岩相的分选系数，从强溶蚀相、绿泥石胶结相、碳酸盐胶结相到强压实相的均值分别为1.35，1.40，1.41，1.55。据此可得出其初始孔隙度分别为37.8%，37.3%，37.1%，35.7%。

5.1.2 成岩作用导致的孔隙度变化

由于面孔率与孔隙度并不完全相等，借助面孔率和常规物性孔隙度之间的关系，可将面孔率数据转化为真孔隙度进行使用[23]。

(1)压实作用减孔率计算。由于压实的不断进行，压实后岩石体积小于原始体积。本文通过计算岩石体积减少量VR来表征压实作用减少的孔隙体积(即压实作用减孔量)[21]，简要表述为：

VR=V0-VC

(1)

VC=VCS+VCM+VCP

(2)

在假设压实过程中骨架颗粒只发生移动重排而无磨损减小的情况下，剩余的骨架颗粒体积VCGS与粒内溶孔体积VCRS之和与原始骨架颗粒体积VCG相等：

VCG=VCGS+VCRS

(3)

VCGS=VC-VCM-VC·ΦC

(4)

VCG=V0-VC·Φ0

(5)

则可得到压实减小的孔隙度ΦCS：

(6)

式中：VR为岩石体积减少量；V0为岩石原始体积；VC为压实后的岩石体积；VCS为溶蚀后骨架颗粒体积；VCM为剩余胶结物体积；VCP为剩余孔隙体积；VCG为原始骨架颗粒体积；VCGS为剩余骨架颗粒体积；VCRS为粒内溶孔体积；Φ0为初始孔隙度；ΦC为实测孔隙度；ΦCM为剩余胶结物面孔率；VCPS为初始孔隙体积；ΦCRS为粒内溶孔面孔率；ΦCS为压实减少的孔隙度。

(2)根据主要的增减孔效应进行孔隙演化过程分段。在上文基础上，将主要成岩作用分为4期：①早成岩A期，由压实和绿泥石、伊蒙混层、蒙脱石、早期碳酸盐胶结组成，整体为减孔；②早成岩B期，由压实和硅质胶结组成，整体为减孔；③中成岩A1期，由压实和溶蚀组成，整体为减孔—增孔的复合效应；④中成岩A2期至中成岩B期，由压实和硅质、高岭石、伊利石、晚期碳酸盐胶结组成，整体为减孔。参考北羌塘坳陷中部的埋藏史曲线[5]，巴贡组地层Ro达到0.35%，0.5%，0.7%，1.55%时的最大埋深分别约为2 000，2 600，4 200，5 300 m，按照第①期到第④期的顺序，压实减孔率分配在各期的比重依次为37.7%，11.3%，31.1%，19.8%。利用胶结物统计结果和式(5)、(6)，可得强溶蚀相、绿泥石胶结相、碳酸盐胶结相和强压实相因压实减少的孔隙度分别为27.1%，27.6%，22.8%，30.6%。

5.2 孔隙演化过程

根据孔隙度变化定量计算结果(表2)，可得巴贡组储层孔隙演化曲线(图4)： 在早成岩A期，4类成岩相的孔隙演化趋势基本相同，随着埋深增加，孔隙水排出，原生孔隙迅速下降，而绝大部分的减孔由压实导致，只有绿泥石胶结相中有较强的胶结作用，但此时绿泥石环边对岩石抗压实帮助不大；进入早成岩B期，强溶蚀相中发生了较强的胶结作用，其他3类中压实与胶结作用的减孔量相当，由于地层迅速深埋，因而压实的减孔效应尚未充分体现；在中成岩A1期，有机酸大量生成，地层水介质呈酸性，长石、岩屑等颗粒大量溶蚀，在强溶蚀相中增孔效应最大，绿泥石相次之；在中成岩A2至中成岩B期，地层水介质开始由酸性向碱性转化，碳酸盐胶结物大量发育，碳酸盐胶结相的胶结减孔量急剧上升，其他3类则差异不大。综合比较4类成岩相的孔隙演化过程，压实作用是造成孔隙减小的最主要因素；其次为胶结作用；溶蚀作用增孔效应明显，绿泥石衬里的形成对孔隙保存有利。

表2 根据不同成岩相计算的北羌塘坳陷上三叠统巴贡组储层砂岩孔隙度变量

图4 羌塘盆地北羌塘坳陷巴贡组成岩—孔隙演化史

6 结论与认识

(1)北羌塘坳陷巴贡组主要为岩屑石英砂岩、岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩，少量长石石英砂岩和石英砂岩，总体粒度较细，成分成熟度和结构成熟度中等偏低。

(2)巴贡组主要的成岩序列为早期压实→早期黏土矿物形成→早期方解石胶结→早期硅质胶结→溶蚀作用→晚期黏土矿物形成→晚期碳酸盐胶结→晚期硅质胶结。在靠近隆起带的浅埋区巴贡组地层处于中成岩B期，坳陷内部的深埋区处于晚成岩阶段。4类成岩相中以强溶蚀成岩相物性最好，强压实压溶成岩相物性最差。

(3)在考虑岩石表观体积变化和压实分段的前提下，进行了不同成岩相的孔隙演化定量计算。计算结果显示，压实作用是巴贡组储层致密的主因，其次为胶结作用；溶蚀作用增孔效应明显，绿泥石衬里的形成对孔隙保存有利。

(4)经过对巴贡组储层孔隙与成岩特点研究，建立起该区致密砂岩的成岩序列和孔隙演化模式，为优势储层预测及成藏规律研究提供了重要依据。