四棵树凹陷清水河组测井成岩相识别与储层评价

李嘉奇，鲜本忠,2，王 剑，连丽霞，陈思芮，贺 静

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249； 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 3.中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000； 4.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018)

0 引言

成岩相是岩石组合的成岩环境及其在成岩环境中形成的成岩特征的综合，是影响岩石组合储集性能的关键因素[1]。一般通过岩石薄片观察、扫描电镜、流体包裹体与X线衍射等岩矿分析，以及镜质体反射率、色谱—质谱等有机质检测技术开展沉积岩成岩作用和成岩相研究，以明确成岩演化序列、矿物共生组合关系及其对储层质量的影响[2-3]。对于含油气盆地，因为缺乏系统取心而难以开展成岩相研究和储层评价。

基于测井数据的储层成岩相划分可以有效解决传统储层评价的不连续性，自然伽马、体积密度、声波时差等测井参数与成岩作用有明显的关系[4]，可以分析不同成岩作用在多种测井曲线上的响应规律，利用测井曲线的连续性实现成岩相的纵向连续识别。有多种基于测井数据的测井成岩相识别方法，如交会图法、蛛网图法和数学方法等。对于交会图法，选取两类测井参数建立坐标系，根据数据点的位置，框选不同成岩相的边界[5]，方法简单易行，但受参数种类限制，精度相对较低；对于蛛网图法，根据数据在多个参数轴上的分布形状区分成岩相[6]，较交会图法精度稍有提高，但图形的识别较为困难；对于数学方法，如神经网络、聚类分析、判别分析等[7-9]，可以利用多种测井参数进行成岩相划分，提高识别精度，但模式建立比较困难，需要一定的数学基础。

人们开展准噶尔盆地南缘西段的构造特征、沉积特征、层序特征等研究[10-13]，高探1井于四棵树凹陷白垩系清水河组试油获日产千吨产量[14-15]。由于研究区储层非均质性强、构造特征复杂和埋藏过程多样，后续的周围钻井显示油气产能差异较大[16-17]。笔者利用岩心、普通薄片、铸体薄片、扫描电镜和压汞曲线等资料，研究取心段的储层特征和成岩特征，建立样本点的成岩相类型与测井数据联系；采用判别分析法和交会图法对非取心段进行成岩相预测，实现成岩相的垂向连续划分，为研究区碎屑岩储层的甜点预测提供指导。

1 区域地质概况

四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘西段(准南西段)，北部紧邻车排子凸起缓坡区，东部为霍玛吐背斜带，南部与北天山体系的依林黑比尔根山相接，勘探面积约为6.3×103km2[18](见图1)。受盆地西北缘右旋压扭体系影响，研究区中生界主要发育NW—SE向的艾卡、高泉和南缘3条走滑断裂，形成艾卡和高泉两条雁列式背斜构造带。相比于南缘其他地区，西段变形历史较为复杂，构造样式和组合特征也更为多样[10,19-20]。准南西段侏罗系—白垩系结构完整，除不发育上侏罗统喀拉扎组外，其余地层较为齐全；同时还发育石炭系、二叠系和三叠系。

图1 研究区综合地质概况

清水河组底部砂砾岩段受到自南西向北东向的物源控制，发育辫状河三角洲砂砾岩、砂岩和滨浅湖—半深湖暗色泥岩沉积[12,21]。研究区主体位于辫状河三角洲前缘，清水河组底部为砂砾岩沉积，主要为分流河道沉积；中部为粉砂岩、粉砂质泥岩沉积，主要为水下分流河道沉积；顶部为泥岩、粉砂质泥岩沉积，主要为水下分流间湾、河口坝沉积。清水河组具有较大的油气勘探潜力，受湖侵作用的影响[22]，以湖相泥岩沉积为主，可以作为油气有效盖层段，清水河组底部粉砂岩及砂砾岩段为有利储集层段。

2 实验方法和技术

四棵树凹陷的测井数据和钻井取心资料见表1。在25 ℃温度、66%湿度条件下，采用SY/T 5336—2006《岩心分析方法》，利用气体渗透率测试仪(B110)和气体孔隙度测试仪(B111)，测定233块样品的孔隙度和渗透率。选取样品在105 ℃温度下烘干至恒重，采用GB/T 29171—2012《岩石毛管压力曲线的测定》，测定毛管压力曲线及相关参数，压汞实验包括加压进汞和减压退汞过程。

表1 四棵树凹陷清水河组铸体薄片及物性取样

利用34块样品的粒度分析数据确定分选因数。利用激光粒度分析仪，采用SY/T 5434—2018《碎屑岩粒度分析方法》进行粒度分析。使用扫描电镜(SEM)观察25块样品的微观结构和特征。铸体薄片镜下观察分析成岩作用，对研究区5口井、108个深度点的样品进行成岩相划分。

3 储层基本特征

3.1 岩石学特征

研究区下白垩统清水河组以低石英—低长石—高岩屑为特征(见图2(a))，储层分选较差(见图2(c))，磨圆中等，以次圆状为主(见图2(d))，主要发育长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，其中石英平均体积分数为19.5%，长石平均体积分数为16.2%，岩屑平均体积分数为63.0%。根据薄片资料，清水河组岩屑主要以火成岩岩屑为主(见图2(b))，其次为变质岩岩屑，沉积岩屑体积分数相对最低。

图2 四棵树凹陷清水河组岩石学特征

火山碎屑岩岩屑主要以凝灰岩岩屑为主，分为玻屑凝灰岩岩屑与晶屑凝灰岩岩屑；火成岩岩屑包括酸性喷出岩岩屑、安山岩。研究区下白垩统清水河组底部砂砾岩分选性整体较差，颗粒以“双粒度”结构堆积，砂级碎屑颗粒充填于砾石间，导致储层整体分选较差；砾石颗粒主要以次圆状为主，砂级碎屑以次圆—次棱角状分布为主；储层胶结方式主要以孔隙式、压嵌式胶结为主(见图2(e))，其中“丝缕状”水云母多以压嵌式充填为主，碳酸盐矿物多以孔隙式胶结为主。下白垩统清水河组底部砂砾岩填隙物主要分为杂基和胶结物两部分。填隙物体积分数介于2.0%～17.0%，平均为6.6%，杂基以火山凝灰质为主，平均体积分数为2.1%。胶结物主要以碳酸盐矿物为主，平均体积分数为3.1%；其次为方沸石、黄铁矿及黏土矿物，硅质体积分数相对最低。

3.2 储集物性及孔隙结构特征

清水河组底部砂砾岩储层孔隙度分布在1.8%～10.1%之间(见图3(a))，主要分布在5.0%～10.0%之间，平均为6.5%；渗透率分布在(0.011～257.000)×10-3μm2之间(见图3(b))，主要分布在(1.000～10.000)×10-3μm2之间，平均为6.290×10-3μm2。储层整体属于特低孔—特低渗、超低孔—超低渗储层；孔隙度与渗透率呈正相关关系(见图3(c))，部分相对高渗透点对应孔隙度较低。

图3 四棵树凹陷清水河组储层物性特征

四棵树凹陷清水河组储层主要储集空间类型以剩余粒间孔为主(见图4(a))，约占总孔隙度的52.2%。其次为粒内溶孔、粒间溶孔等次生孔，其中粒内溶孔约占总孔隙度的15.3%，粒间溶孔约占总孔隙度的4.6%，粒内溶孔以长石岩屑溶孔为主(见图4(b、g))，粒间溶孔以凝灰质溶蚀为主(见图4(c-e))。由于埋藏深度较深，砾石裂缝普遍发育，可见成岩缝、粒缘缝、构造缝等微裂缝，约占总孔隙度的15.6%，其中由压实作用形成的成岩缝最为多见，沿砾石内分布，形态不规则；其次为粒缘缝，发育于砾石级颗粒边缘，有利于储层渗透性能改善(见图4(h-i))，为流体运移提供疏导通道。裂缝宽度主要分布为3.7～93.0 μm，平均为27.0 μm。有少量原生粒间孔，约占总孔隙度的11.3%，且主要分布于分选较差的双粒度区域，并且部分区域发育绿泥石膜，抑制自生石英方解石等胶结物生成，保护原生粒间孔[23]。还有晶间孔，约占总孔隙度的1.0%。

图4 四棵树凹陷清水河组碎屑岩铸体薄片与扫描电镜镜下储集空间发育特征

压汞数据统计结果表明，清水河组储层非均质性较强，最大孔喉半径介于0.16～27.89 μm，平均为3.69 μm，孔喉分选差，中值半径分布于0.04～0.72 μm，分选因数为0.76～4.18，偏态为-2.24～0.70。储集岩排驱压力为0.03～4.46 MPa，平均为1.06 MPa；饱和度中值压力为1.02～19.04 MPa，平均为7.98 MPa。总体上，研究区既存在粗孔喉、连通性较好的粒间孔隙，也存在细微孔喉、低渗透率的粒内溶孔和粒间溶孔[24]。

4 成岩相类型与特征

4.1 成岩作用类型

4.1.1 压实作用

研究区清水河组砂岩普遍经历中等强度的压实作用，主要表现为刚性颗粒(石英、长石)的破碎、塑性颗粒(泥岩碎屑、云母)的弯曲(见图5(a))。在埋藏过程中，随上覆有效应力增大，骨架颗粒进行重新排列，碎屑颗粒间的接触方式逐渐由点接触调整为线接触，原生孔隙大量减少，储层的孔隙度及渗透率迅速下降[25]。对于清水河组底部的砂砾岩储层，在大的砾石颗粒间普遍充填粒度较小的骨架颗粒，颗粒间接触面积大幅增加，虽然初始孔隙度较低，但是机械压实造成的孔隙度损失较小，在较大的埋藏深度下存在剩余粒间孔，有效保护储集空间。根据文献[26]计算清水河组储层的原始孔隙度为28.4%～35.5%，平均为33.1%。利用文献[27]计算压实作用损失的孔隙度为1.4%～33.4%，平均为25.3%，压实减孔率为4.5%～99.9%，平均为73.2%。

4.1.2 胶结作用

碳酸盐胶结物在清水河组砂砾岩储层中最为常见。方解石在碳酸盐胶结物中体积分数最高(见图5(b))，产状包括粗晶脉状充填、孔隙式充填和充填次生胶结物溶孔，可见方解石交代骨架颗粒，如长石、岩屑颗粒(见图5(l))，以及少量方解石交代早期胶结物(见图5(k))，铁方解石局部可见。

图5 四棵树凹陷清水河组铸体薄片与扫描电镜微观特征

与其他类型的胶结物相比，硅质胶结物在储层中广泛分布，体积分数在1.0%～2.0%之间。石英次生加大(见图5(d))和自生微晶石英(见图5(e))是硅质胶结的两种主要赋存形式，主要存在于石英颗粒周围的粒间孔隙。硅质胶结中SiO2主要来自石英颗粒的压溶及钾长石、斜长石的酸性溶蚀。硅质胶结物占据的粒间孔隙较小，对储集空间的影响可忽略不计。

清水河组砂砾岩储层的黏土矿物种类多样，包括绿泥石、伊利石、伊/蒙混层和高岭石。绿泥石自形程度较高，呈叶片状覆盖于颗粒表面(见图5(h))，有助于增强储层的抗压实性，并且抑制自生石英的生长而保持粒间孔隙，但绿泥石厚度较大时，也堵塞喉道而减小有效储集空间。高岭石通常呈书页状充填在原生粒间孔及次生溶蚀孔中(见图5(i))，高岭石之间的晶间孔可以作为有效储集空间，有效保持孔隙。伊利石及伊/蒙混层常以桥状、纤维状或席状形成颗粒表面(见图5(g、j))。

4.1.3 溶蚀作用

溶蚀作用是储层发育过程中形成次生溶孔、改善储层物性的重要途径。清水河组底部砂砾岩储层颗粒间凝灰质填隙物可见不同程度溶蚀，为粒间溶蚀的主要溶蚀对象；长石及凝灰岩岩屑为粒内溶蚀的主要溶蚀对象，常呈“选择性”溶蚀，包括对长石质斑晶、玻屑或基质的溶蚀；长石受溶蚀程度较强(见图5(c))，与下部成藏组合中侏罗系烃源岩形成的有机酸、富CO2流体的注入密切相关。结合研究区埋藏史分析，酸性地层水和有机酸主要在两个阶段生成注入，初期成岩阶段，地层首先被抬升至地表，形成微裂缝，大气淡水沿早期剩余粒间孔隙、微裂缝溶蚀含凝灰质杂基，接着进入长时间的浅埋藏阶段，古地温较低，有机质热演化程度低，储层处于碱性环境，主要以方解石胶结为主；之后进入晚期的快速埋藏阶段，大气淡水不断被消耗，金属离子含量增加，出现高岭石、绿泥石，地层温度升高，有机质进入成熟生酸阶段，成岩环境再次进入酸性环境[28-29]，溶蚀作用造成颗粒和杂基溶蚀。研究区溶蚀作用损失的孔隙度最小为0.2%，最大为5.3%，平均为1.7%，溶蚀增孔率为4.5%～91.3%，平均为42.3%[26-27]。

结合不同成岩作用对储层物性的影响，确定研究区成岩作用对储层质量影响的划分方案(见表2)。

表2 研究区成岩作用对储层质量影响的划分方案

4.2 成岩相类型

4.2.1 强压实致密相(Ⅰ类)

强压实致密相以压实作用为主，可见岩屑和云母的塑性形变，薄片中少见胶结作用和溶蚀作用(见图5(a))。由于基质含量较高，粒间孔被大量杂基充填，保存较差，石英体积分数相对较低，储层抗压能力较差，孔隙度和渗透率普遍较低[30]。储层岩性一般为细砂岩、细粉砂岩，粒度较细，砂砾岩次之。颗粒接触以线接触为主，少量呈凹凸接触，颗粒无序排列，为研究区最差的成岩相类型。

4.2.2 钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)

钙质(铁泥质)胶结致密相经历强烈的碳酸盐胶结作用，胶结物没有溶解(见图5(b))。成岩相以胶结作用为主，压实作用不强，部分样品含少量基质。镜下观察粒间孔保存较差，胶结物及铁泥质杂基充填粒间孔，部分方解石胶结物与颗粒接触，有些直接交代在碎屑颗粒上，为研究区较差的成岩相类型。

4.2.3 凝灰质致密充填相(Ⅲ类)

凝灰质致密充填相中含有较多的刚性颗粒，储层粒度较粗，以中粗砂岩为主(见图5(k))。储层受压实作用的影响相对较强，受胶结作用的影响相对较弱，镜下观察少量晚期碳酸盐胶结物, 成岩相在弱动力环境中较为常见，杂基含量较高。孔隙式充填的凝灰质杂基占据粒间孔，局部呈现微弱溶蚀，溶蚀作用于可溶岩屑和长石。酸性地层水或有机酸进入储层后，部分可溶性物质溶解，产生一定数量的次生孔隙，可有效改善储层物性。

4.2.4 欠压实溶蚀相(Ⅳ类)

欠压实溶蚀相受较弱的压实作用影响(见图5(f))，胶结物含量低，保存大量粒间孔。此外，少量矿物颗粒被溶蚀溶解，形成二次溶蚀孔隙。由于储层埋藏深度较深，一些刚性颗粒在压实作用下发生断裂。微裂缝也为溶蚀提供条件。溶解发育的主要区域在微裂缝周围[31]。同时，研究区深部存在异常高压[32]，储层在沉积过程中压实导致的孔隙度降低较其他成岩相的弱。成岩相储层岩屑含量普遍较高。镜下观察少量碳酸盐胶结物和自生石英。溶蚀作用于粒间杂基，其次为长石及岩屑颗粒，为研究区最优的成岩相类型。

4.3 成岩相与储层质量

强压实致密相(Ⅰ类)储层一般为细砂岩、细粉砂岩，粒度较细，砂砾质较少，抗压实能力较差，储层致密少孔。钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)经历强烈的碳酸盐胶结作用，胶结物没有溶解，虽然受压实作用的影响较小，但储层储集性能较差；凝灰质致密充填相(Ⅲ类)物性较为一般，部分颗粒间排列紧密，存在少量粒间溶孔；欠压实溶蚀相(Ⅳ类)储层物性较好，保存大量粒间孔，储层物性大幅改善(见图6(a))。

压汞及孔渗数据统计表明，强压实致密相(Ⅰ类)、钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)储层孔喉结构较差，进汞量低；凝灰质致密充填相(Ⅲ类)较为一般，进汞量中等；欠压实溶蚀相(Ⅳ类)进汞量较大，排替压力较低，孔隙结构最好(见图6(b))。

图6 研究区不同成岩相物性及孔隙结构特征

5 成岩相测井响应与储层评价

5.1 岩心成岩相

根据岩心观察和薄片分析，将研究区5口井、108个深度点的样品划分4类成岩相，其中22块样品为强压实致密相，38块样品为钙质(铁泥质)胶结致密相，26块样品为凝灰质致密充填相，22块样品为欠压实溶蚀相。样品在自然伽马(GR)、声波时差(AC)、密度(DEN)、中子测井(CNL)及电阻率(RT)曲线上有不同的响应特征。

压实作用主要受沉积物的成分、构造及有效应力控制，在一定的埋藏深度及压力条件下，受压实程度的大小可以反映岩石组分(刚性颗粒含量)和构造(粒度大小及分选)。强压实致密相主要发育于压实作用较强且无明显粒间孔隙的层段。清水河组强压实致密相主要发育泥质粉砂岩、粉砂岩(见图7(a))及少量分选较差的砂砾岩。中高自然伽马主要与高体积分数的黏土矿物、塑性岩屑及云母有关。由于压实作用强烈，颗粒堆积紧密，几乎不发育粒间孔隙，储层致密化，具有较高的密度及中高声波时差,并且黏土杂基高，电阻率相对较低，中子测井略高于杂基较低砂岩段的[33-34]。

钙质(铁泥质)胶结致密相发育于泥岩层，泥岩中黏土矿物转化，溶液中Ca2+升高，大量形成方解石等碳酸盐胶结物，钙质(铁泥质)胶结致密相在测井曲线上表现为中低自然伽马、声波时差，以及低中子测井、高密度、高电阻率。碳酸盐胶结通常处于较高水动力环境的低杂基含量的砂岩[30]，但是清水河组强胶结致密相中颗粒边缘铁泥质填隙物普遍存在，自然伽马降低不明显；方解石胶结物的密度较高，且在强烈的胶结作用下占据粒间孔隙，孔隙度明显降低，测井曲线呈高密度、低中子特征(见图7(b))。

对于凝灰质致密充填相，石英和碳酸盐胶结物相对少见，压实强度中等，凝灰质填隙物占据主要的粒间孔隙(见图7(b))，同时自生高岭石、伊利石、伊/蒙混层体积分数较其他成岩相的明显提高，对孔隙连通性产生影响，降低储层质量。由于黏土体积分数较高，呈高自然伽马、中高中子、低电阻率、低密度特征，中子测井与声波时差呈与强压实致密相相似的特征。

欠压实溶蚀相主要存在于粒度较粗的砂岩或砂砾岩，受压实作用的影响较弱，颗粒间填隙物含量较低，保存大量粒间孔，发育少量岩屑长石溶孔，在粒间孔隙中仅能观察少量溶蚀残余方解石胶结物，在测井曲线上呈低自然伽马、高声波时差和中等中子测井，储层质量良好(见图7(a))，欠压实溶蚀相常处于含油层，电阻率变化较大。总体上，可以通过低自然伽马、低密度、中等中子测井和高电阻率确定欠压实溶蚀相。

图7 四棵树凹陷清水河组成岩相测井响应特征

受岩心数据的限制，只有部分区域及埋藏深度可以通过薄片观察进行鉴定，成岩相的测井响应及孔渗特征见表3。由表3可见，4类成岩相不仅在成岩作用上有较大的区别，而且在测井响应特征上也各有不同。

表3 四棵树凹陷清水河组成岩相测井响应和孔渗特征统计

5.2 测井成岩相识别

首先对研究区样品进行成岩相划分；然后选取样品点自然伽马(GR)、声波时差(AC)、密度(DEN)、中子测井(CNL)、电阻率(RT)数据及成岩相类型作为训练数据，利用SPSS软件建立成岩相的线性Fisher多元统计判别函数[8](见表4)；最后将非取心段的5种测井数据输入作为测试数据，预测测井成岩相类型。Fisher判别结果显示判别函数对Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类成岩相的判识率分别为85.7%、91.3%、78.9%及70.0%，平均为80.6%。

表4 四棵树凹陷清水河组Fisher多元统计判别函数关系

为了提高判识率，采用交会图法对易误判的成岩相进行判别划分(见图8(a))，测井曲线交会数据统计表明，不同成岩相类型具有不同的测井参数范围，选取能够反映不同成岩相类型差异的测井曲线，对不同类型的成岩相进行判识[8]。

图8 四棵树凹陷清水河组成岩相交会和测井识别结果

对于Ⅰ类、Ⅲ类成岩相的判识，可以利用AC-GR交会进行良好判识，二者GR所处区间区分明显。对于类型Ⅳ成岩相，误判为Ⅰ类、Ⅱ类成岩相的概率较高。对于Ⅰ类、Ⅳ类成岩相，利用DEN-GR交会进行良好判识，二者GR所处区间区分明显。对于Ⅱ类、Ⅳ类成岩相的判别，利用CNL-GR交会进行良好判识，两者GR所处区间区分明显，并且CNL也呈明显分区。根据多元统计判别及交会分析结果，对单井成岩相进行判识(见图8(b))。

结合沉积相的分布统计结果[35]，建立研究区成岩相分布模式(见图9)。Ⅰ类成岩相主要发育于薄层砂岩和河道边缘；Ⅱ类成岩相集中发育于厚层砂岩，以砂泥接触地带为界；Ⅲ类成岩相分布相对广泛，主要发育于最外缘水动力较弱的地带，粒间杂基含量较高；Ⅳ类成岩相为研究区最好的成岩相，主要发育于水下分流河道，水下分流河道是下一步油气勘探开发的重点区带。

图9 清水河组成岩相分布模式

6 结论

(1)准噶尔盆地南缘西段下白垩统清水河组可以划分4类成岩相：强压实致密相(Ⅰ类)、钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)、凝灰质致密充填相(Ⅲ类)和欠压实溶蚀相(Ⅳ类)。其中强压实致密相(Ⅰ类)受压实作用影响较大，颗粒挤压变形，孔隙不发育；钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)中方解石胶结物大量充填粒间孔，为较差质量储层；凝灰质致密充填相(Ⅲ类)中凝灰质杂基致密充填，晚期溶蚀作用产生次生孔隙，改善储层质量；欠压实溶蚀相(Ⅳ类)受成岩作用改造较小，粒间孔发育，为最好碎屑岩储层。

(2)研究区4类成岩相在自然伽马(GR)、声波时差(AC)、密度(DEN)、中子测井(CNL)，以及电阻率(RT)上有不同的测井响应特征。高DEN、中高GR、中高AC指示强压实致密相(Ⅰ类)，中低GR、低CNL、高DEN、高RT指示钙质(铁泥质)胶结致密相(Ⅱ类)，高GR、中低DEN、低AC指示凝灰质致密充填相(Ⅲ类)，低GR、低DEN、中等CNL和高RT指示欠压实溶蚀相(Ⅳ类)。

(3)四棵树凹陷整体处于较为优势的沉积相带，成岩相控制油气的富集，研究区水下分流河道中欠压实溶蚀相(Ⅳ类)最为发育，是研究区下一步油气勘探开发的重点区带。