青藏高原北部东昆仑地区三叠系页岩成岩作用及其对储层的影响

晁海德，陈建洲，王 瑾，李吉庆，王国仓，赵洪岳，蔡廷俊，刘立波，李生福,任文恺,邱 亮

(1.青海省第四地质勘查院，青海 西宁 810029;2.青海省页岩气资源重点实验室，青海 西宁 810029；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；4. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

我国作为北美之外最大的页岩气生产国，四川盆地及其邻区的海相页岩气是目前主要产气区域，近年来鄂尔多斯盆地页岩气勘探评价也有一定进展[1]，但作为我国重要产油、气盆地的柴达木盆地及其周边未有突破。自2016年开展的东昆仑地区八宝山盆地海陆过渡相页岩气勘探评价，因其处于青藏高原腹地的独特地质环境，是我国高原页岩气成藏特征探索的典型区域之一，但对该区页岩储层的研究较弱，仅见有对页岩气成藏条件的概述[2]。而对于页岩气的勘探、利用，成岩作用及其对储层的影响具意义重大[3-5]。于炳松等研究认为[6-8]，页岩的诸多物理、化学性质除受矿物组成及沉积颗粒粒度的影响外，还广泛受到成岩作用的影响。以往，在研究储层物性影响因素的时候更多地关注砂岩的成岩作用而忽略了泥岩成岩作用[9]。因此，开展东昆仑地区八宝山盆地三叠系八宝山组页岩储层成岩作用及其对储层的影响研究是十分重要的，既能加深对研究区富有机质页岩储层认识，也可以在分析目的层富有机质页岩段成岩作用类型的基础上划分出成岩作用阶段，并就各成岩作用对储层的影响进行深入研究，进而为页岩生气、储气能力的研究提供支持。

本次研究重点以八宝山盆地的八页2井229件薄片样品、174件铸体薄片、54件X射线衍射样品、40件扫描电镜等样品测试数据为依据，并结合了八页1井、八页3井样品及岩心数据开展页岩成岩作用研究，以探究研究区三叠系页岩成岩作用及其对储层的影响。

1 地质背景

东昆仑地区八宝山盆地位于青藏高原北部昆仑山脉东段，位于昆中、昆南两大断裂带之间。断裂主要形成于加里东中期和华力西期，呈近东西向、北西西向展布(图1)。这些断裂将该区由南至北划分为东昆北构造带、东昆仑造山带、布青山阿尼玛卿造山带、巴颜喀拉造山带。东昆仑地区八宝山盆地发育了石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、新近系、第四系等地层，地层保存完好。三叠系主要为海相沉积的中下三叠统闹仓坚沟组及海陆过渡相沉积的上三叠统八宝山组，侏罗系主要为陆相沉积的羊曲组。本次研究的目标地层为八宝山组，按其岩性组合特征分上段(T3bb3)、中段(T3bb2)、下段(T3bb1)。其中上段(T3bb3)岩性以泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，夹薄层细砂岩、中砂岩、粗砂岩。中段(T3bb2)岩性为安山岩。下段(T3bb1)岩性以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与细砂岩、中砂岩、粗砂岩的互层为主。整体看，下段泥岩赋存减少，且泥岩中云母含量呈增多趋势(图2)。

2 岩石学特征

对八页1井、八页2井、八页3井岩性及227件薄片鉴定和分析，八宝山组页岩粒度较细，岩石学类型以含炭泥岩、含云含粉砂泥岩、含泥粉砂岩、含粉砂泥岩、含细砂粉砂岩为主。总体分粉砂岩、泥岩两大类。

粉砂岩结构成熟度较高，碎屑成分以石英为主，分选性好，风化程度中等，磨圆度为次圆—次棱角状，碎屑颗粒接触关系为点式、游离式接触，胶结类型以孔隙型为主，其次为基底型，支撑类型以颗粒为主，次为杂基型。填隙物组分平均占24.1%，其中胶结物(主要为碳酸盐胶结物，少量铁质胶结)占3%，杂基(主要为泥质杂基)占21.1%，胶结物和杂基主体分布于粒间孔、孔隙喉道中(图3)。

泥岩主要由泥质组成，其次为少量的铁质、云母、炭质等，偶见石英颗粒。其中泥质主要包括黏土矿物和细碎屑。黏土矿物呈泥状集合体产出，矿物粒径极小，多小于0.004 mm，为伊利石、高岭石、蒙脱石等黏土矿物微晶-隐晶质集合体，较均匀分布；<0.004 mm的长英质细碎屑不均匀分布，整体具定向性。微裂缝较发育，缝宽为0.01～0.50 mm，炭质或铁质充填(图4)。

八宝山组上段页岩矿物组分以石英、黏土矿物为主，斜长石次之，方解石、白云石较少，另见有少量菱铁矿、菱镁矿、普通辉石、黄铁矿、赤铁矿、石盐。其中脆性矿物总量介于40.2%～72.90%，平均53.82%，石英占比最高，含量介于28.50%～53.60%(表1、图5(a))。下段页岩矿物组分以石英、黏土矿物为主，菱铁矿、斜长石、白云石次之，方解石较少，另见有少量锐钛矿、普通辉石、碳钠铝石、硬石膏。其中脆性矿物总量介于43.00%～76.1%之间，平均61.71%，石英占比最高，含量介于24.70%～51.20%之间(表1、图5(b))。总体上，八宝山组上段页岩中矿物组分相对于下段：脆性矿物更少、黏土矿物更多，菱铁矿含量明显少于下段。

表1 八宝山组页岩矿物组成含量表(%)

3 成岩作用类型

碎屑岩的成岩作用是指碎屑物沉积、成岩、直至变质等以前发生的一切变化及结果,随着压力、温度、化学成分的变化，成岩作用是动态进行的[10]。页岩气作为自生自储的非常规气藏，其成岩作用复杂[11-12]。在薄片、铸体薄片、扫描电镜等试验基础上，结合样品宏观观察，识别出三叠系八宝山组页岩6种成岩作用：压实作用、胶结作用、黏土矿物的转化作用、溶蚀作用、交代作用以及有机质热成熟作用等。

3.1 压实作用

如图3和图4所示，八宝山盆地页岩主要以黏土岩及粉砂岩为主，整体富含黏土矿物(上段平均含量46.06%，下段平均含量38.29%)，且碎屑粒度较小，多小于0.004 mm，以细粉砂为主，少量粗粉砂，抗压实能力弱。在原岩沉积后，随着压实作用的进行，原始碎屑物颗粒伴随着发生滑动、转动、位移、变形、破裂，进而导致颗粒的重新排列和某些结构构造的改变。八宝山组页岩常见的压实作用识别标志有：片状矿物的顺层定向分布以及刚性颗粒的弯曲、破裂(图6)，上段、下段均有体现。

3.2 胶结作用

胶结作用也是八宝山组页岩重要的成岩作用之一，是造就八宝山组页岩低孔、低渗的原因之一。八宝山组页岩常见的胶结物为泥质胶结、碳酸盐胶结，偶见有铁质胶结。泥质胶结物见有伊蒙混层、伊利石和高岭石，其在起胶结作用的同时，进一步缩小泥页岩孔隙空间，同时降低渗透率。碳酸盐胶结以白云石胶结为主、方解石胶结少量，白云石胶结物自形-半自形产出，交代早期黏土矿物、早期方解石胶结物，或以裂缝充填物的形式出现。方解石胶结物填充孔隙、裂缝，或交代长石颗粒，先期形成。铁质胶结以黄铁矿胶结为主，多以粒状、纹层状产出，随深度增加其自形程度变差(图7)。

3.3 黏土矿物的转化作用

黏土矿物的转化作用是页岩中重要的成岩作用类型之一，是本身性质及成岩环境共同作用的结果[13]。本区八宝山组上段、下段页岩黏土矿物均以伊蒙混层为主，伊利石、绿泥石次之，高岭石最少，不含蒙脱石。伊蒙混层上段含量介于52.00%～77.00%之间，下段含量介于35.00%～80.00%之间(表2)。以2井为例，不同深度、不同黏土矿物呈现出不同的转化规律：(a)伊蒙混层在1 000 m以下，逐渐减小，但趋势不明显(图8(d))，表明1 000 m之后伊蒙混层不是向单一的黏土矿物转化；(b)伊利石在1 000 m以下呈明显增大趋势(图8(c))，表明在埋藏成岩过程中伊利石是由其它黏土矿物转化而来；(c)绿泥石在1 000 m以下呈现出明显的减小趋势(图8(b))，表明绿泥石转化为其它黏土矿物；(d)高岭石沿深度的加深呈现明显的两个阶段，1 370 m以上呈减小趋势，1 370 m以下则快速增加(图8(a))。表明1 370 m以上高岭石不稳定，转化为其它黏土矿物，1 370 m以下地球化学环境发生变化，其它黏土矿物转而生成高岭石；(e)在此深度内，绿蒙混层呈明显减小趋势(图8(e))，表明在1 370 m之后绿蒙混层向高岭石转化明显。

从黏土矿物的转化不难发现，八宝山组上段(1 000 m以上)地球化学环境相对稳定，黏土矿物的转化作用不明显。八宝山下段(1 000 m以下)，随埋藏深度、压力增大，地温升高，层间水的释放及层间阳离子的交换，从而使得黏土矿物转化作用明显增强。高岭石含量变化趋势说明，1 370 m以上性质相对活泼，沉积环境偏碱性，1 370 m以下性质相对稳定、更易生成，沉积环境偏中酸性。这与八宝山组上段含更多方解石、白云石，下段含更多菱铁矿特征相一致(表1、图8(f))。在富含K+的介质中高岭石易伊利石化，而在富含Ca2+、Na2+或Mg2+的介质中高岭石更易绿泥石化[14-15]，酸性介质中绿泥石、绿蒙混层更易转化为高岭石，这是本区八宝山组上段、下段页岩中黏土矿物含量差异性的主要原因之一。

表2 八宝山组页岩黏土矿物组成含量表(%)

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用也是页岩中重要的成岩作用类型之一。泥页岩的溶蚀作用与有机质生烃排出的酸关系密切，酸性流体与易溶的黏土矿物、长石、碳酸盐等发生溶解现象，有的矿物部分溶蚀，形成粒内溶蚀孔或颗粒边缘的粒间孔，部分矿物被完全溶蚀形成铸模孔[16-18]。本区八宝山组页岩溶蚀作用主要表现在黏土矿物及长石等碎屑颗粒的粒内溶蚀及粒间溶蚀，次为白云石、方解石颗粒的粒内溶蚀，石英颗粒粒内溶蚀以及有机质铸模孔发育最少(图9)。

3.5 交代作用

交代作用是旧矿物的消失伴随新矿物的生成的一种体现，是在固体状态下发生的成岩作用。八宝山组中页岩的交代作用整体较弱，主要表现为白云石交代斜长石、高岭土及黏土交代钾长石(图10)。

3.6 有机质热成熟作用

烃源岩有机质成熟度是评价烃源岩生烃能力的关键指标[19]，有机质热演化程度对页岩气存、储有着关键性的作用[20]，镜质体反射率(Ro)、热解最高峰温(Tmax)是反映有机质成熟度的关键指标。八宝山组上段Ro平均含量为2.82%，Tmax平均为556 ℃。下段Ro平均含量为2.98%，Tmax平均为553 ℃(表3)。表明八宝山组上段、下段页岩均已进入高成熟-过成熟阶段，处于热裂解干气生成时期。有机质在成熟过程中，逐步进入排烃门限，页岩在排出含烃流体的同时也伴有大量有机酸的排出[21-23]，从而促进溶蚀作用的进行，同时有机质成熟过程伴随着大量有机质孔的生成(图11)，为页岩气储存提供空间[24]。

表3 八宝山盆地八宝山组页岩部分有机地化特征

4 成岩阶段划分

八宝山组Ro含量介于2.37%～3.34%之间，处于晚成岩阶段；Tmax虽介于382～559 ℃之间，但平均Tmax大于553 ℃，总体处于晚成熟阶段；伊蒙混层比中蒙皂石占比在5%～13%之间，处于中成岩B期；黏土矿物以伊蒙混层为主，伊利石、绿泥石次之，高岭石最少，不含蒙脱石，通常对应中成岩B期-晚成岩阶段；八宝山组页岩孔隙类型以矿物溶蚀孔隙为主，矿物粒间孔隙次之，少量有机质孔隙，另外岩层中微裂缝发育，通常处于中成岩A期-晚成岩阶段。

依据镜质体反射率、黏土矿物的伊蒙混层比、黏土矿物组合、自生矿物特征、岩层孔隙类型等指标，结合八宝山盆地烃源岩埋藏史[25-27]，综合认为八宝山盆地页岩储层成岩作用处于中成岩B期-晚成岩阶段(图12)。

5 成岩作用对储层的影响

成岩作用伴随储层发育的每一个阶段，是影响储层储集性能的关键因素，其对储层的控制主要表现在对孔隙发育、演化的控制[28]。

5.1 压实作用

Sombra C L等[29]研究指出，沉积物埋深越大，压实作用越强,因此研究区以深度与孔隙度的关系来说明压实作用对储层的影响。八页2井57件孔隙度测试结果显示，八宝山盆地页岩孔隙度随深度的加深呈现降低趋势(图13)，表明东昆仑地区页岩的压实作用对储层的作用机理与大多数区域沉积物压实作用一致，即随深度的加深，压实作用随之增强，储层孔隙度也随之降低。在压实作用下，黏土矿物开始发生脱水，孔隙水、过量的层间水大量排出，使得孔隙度可有原始的70%～80%迅速降低到40%，伴随深度的继续加深孔隙度最终降低至仅百分之几[30-31]，这是造成页岩储层低孔隙度、低渗透率的主要原因之一。

5.2 胶结作用

东昆仑地区八宝山组页岩以泥质胶结、碳酸盐胶结为主，而泥质是页岩最普遍的胶结物，其研究意义不足，因此，本次工作以碳酸盐胶结来开展胶结作用对储层影响的研究。如图14(a)、(b)所示，八页2井、八页3井的碳酸盐含量与孔隙度均呈弱负相关。表明胶结作用形成的碳酸盐胶结物等填充、堵塞孔隙、喉道，随着胶结作用的增强，储层孔隙呈降低趋势。而后期随着溶蚀作用的进行，酸性流体对碳酸盐胶结物溶蚀形成次生孔隙，孔隙度增大，是造就相关性不突出的原因之一。

5.3 黏土矿物转化作用及交代作用

黏土矿物的转换对储层孔隙的影响主要取决于转换生成的黏土矿物的形态是发丝状或片层状[32]。本区黏土矿物形态基本呈片状、玫瑰花状(图7和图9)，很难直接界定其利弊。如图15(a)、 (b)、 (e)、 (f))所示，八页2井、八页3井页岩孔隙度与绿泥石、高岭石含量呈负相关，与伊蒙混层呈正相关(图15(d)、 (h))，而与伊利石关系不明显(图15(c)、 (g))。结合本区黏土矿物转化作用，认为伊蒙混层、高岭石的转化更会损害储层性能，绿泥石的转化而会改善储层性能，考虑八宝山组页岩黏土矿物以伊蒙混层为主的特征，作者认为东昆仑地区黏土矿物的转化作用更会减少次生孔隙、降低孔隙度，是破坏性成岩作用之一。

交代作用是一种矿物的生成伴随另一种矿物的消失，对储层性能影响甚微。

5.4 溶蚀作用

溶蚀孔隙是溶蚀作用的直观表现，统计41件扫描电镜样品，结果显示，区内各类孔隙中溶蚀孔隙占比36.6%(表4)。溶蚀孔隙以黏土矿物、长石以及碳酸盐矿物的粒间、粒内溶蚀为主，因此以黏土矿物、长石以及碳酸盐矿物总含量与页岩孔隙度关系来表明溶蚀作用对储层的影响。研究得出，八页2井(图16(a))、八页3井(图16(b)中二者均呈正相关关系，表明溶蚀作用对于储层孔隙的发育有积极作用，是重要的储层孔隙建设作用。

表4 东昆仑地区三叠系页岩孔隙类型特征表

5.5 有机质热成熟作用

有机质热成熟作用主要体现在镜质体反射率(Ro)上，研究八页1井、八页2井、八页3井相关参数不难发现镜质体反射率(Ro)与孔隙度均呈正相关关系(图17(a)、 (b)、 (c))，表明：有机质热成熟作用有助于页岩孔隙的发育，与Jarvie等人[33]的研究结果一致。其原因有二：其一，有机质热成熟演化过程中分解大量的有机酸，有助于溶蚀作用发生，有利于溶蚀孔隙的形成；其二，有机质演化过程中自身形成纳米级有机孔保存较好，有利于有机质演化释放气体的储存。

综上，研究区八宝山组在漫长地质历史时期，经历多种成岩作用的叠加及改造，其中压实作用、胶结作用、黏土矿物转化作用是破坏性成岩作用，造就储层致密化，孔隙度降低。溶蚀作用、有机质热成熟作用是建设性成岩作用，有利于储层孔隙度的增大。而交代作用对储层孔隙度影响小(表5)。

表5 东昆仑地区三叠系页岩储层常见成岩作用类型

6 结论与讨论

(1)八宝山组页岩脆性矿物以石英为主，黏土矿物以伊蒙混层为主，伊利石、绿泥石次之。在八宝山组页岩中共识别出压实、胶结、黏土矿物转化、交代、溶蚀、有机质热成熟等6类成岩作用。

(2)八宝山组页岩层Ro含量介于2.37%～3.34%之间。Tmax平均大于553 ℃。伊蒙混层比中蒙皂石占比在5%～13%之间。黏土矿物以伊蒙混层为主，伊利石、绿泥石次之。孔隙类型以矿物溶蚀孔隙为主，矿物粒间孔隙次之，少量有机质孔隙。综合多因素判断，东昆仑地区三叠系页岩储层成岩作用处于中成岩B期-晚成岩阶段。

(3)八宝山组上段地球化学环境相对稳定，黏土矿物转化作用不明显。八宝山组下段黏土矿物转化作用明显增强，且不同深度呈不同的转换规律：1 000～1 370 m处于偏碱性环境，高岭石性质活泼，结合K+发生伊利石化，伊蒙混层向多种黏土矿物转化；1 370 m以下处于相对活泼的偏中酸性环境，绿泥石、绿蒙混层向高岭石转化。

(4)各成岩作用对东昆仑地区三叠系页岩储层影响程度具有差别，其中压实作用、胶结作用、黏土矿物转化作用是破坏性成岩作用，造就孔隙度降低；溶蚀作用、有机质热成熟作用是建设性成岩作用，有利于储层孔隙度的增大；交代作用对储层储集性能影响小。