玛湖凹陷与沙湾凹陷上乌尔禾组储集层差异及成因

况昊，周润驰，王钧民，刘豪，谭先锋，蔡鑫勇，肖振兴

(1.重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.中国石化 自贡石油化工有限公司，四川 自贡 643000；3.中国石油 西部钻探工程有限公司，乌鲁木齐 830000)

准噶尔盆地玛湖凹陷及沙湾凹陷斜坡区紧邻生烃凹陷，构造位置优越[1-4]。近年来，环玛湖地区已成为盆地油气重点勘探开发区域。玛湖凹陷上二叠统上乌尔禾组储集层厚度大、展布广、岩性多样且非均质性强，受到火山活动的影响[5]，形成大量火山碎屑，使得储集层更加复杂，沙湾凹陷与玛湖凹陷储集层特征相似[4，6-8]。前人针对不同区域、不同层位以及不同类型的致密储集层孔隙结构及物性特征，开展了诸多研究，但多是对单一区域储集层的分析讨论，缺乏针对上述2个地区储集层的对比研究。

储集层是控制玛湖凹陷砂砾岩油气聚集和成藏的主导因素，孔隙水结晶、沸石形成、多期溶蚀、有利沉积相带和火山碎屑发育是深层砂砾岩储集层形成的关键。位于准噶尔盆地中拐凸起北侧的玛湖凹陷和南侧的沙湾凹陷，具有相似的物质来源和区域构造作用[7-8]。本文在前人研究基础上，开展了上述地区上乌尔禾组储集层对比研究，旨在对研究区油气勘探开发有所裨益。

1 区域概况

玛湖凹陷和沙湾凹陷为准噶尔盆地2 个相对独立的二级构造单元[9](图1)。自二叠纪以来，研究区为残余海相向陆相演化的前陆盆地，地层发育较为齐全，从二叠系到第四系皆有发育，两大凹陷内上二叠统上乌尔禾组均向西北方向超覆尖灭，其中，玛湖凹陷地层平均倾角为4°～5°，沙湾凹陷地层倾角较大，平均为7°～8°[8-10]。研究区上乌尔禾组自上而下分为3段，主要岩性为砂砾岩和砂质砾岩，整体成分成熟度和结构成熟度均较低。

2 储集层特征

玛湖凹陷和沙湾凹陷上乌尔禾组储集层砂体物质基础和埋藏史相似，经历了同样的构造运动。分析研究区上乌尔禾组储集层近40 块样品薄片，结果表明，玛湖凹陷上乌尔禾组储集层以粗粒沉积为主，岩性主要包括砂砾岩、小砾岩及不等粒砂岩，分选较差，砾石结构成熟度和成分成熟度均较低，次棱角状—次圆状，颗粒支撑，孔隙胶结和接触胶结，岩屑含量高，以岩屑砂岩为主，沙湾凹陷与玛湖凹陷具有相似特征。此外，研究区在中—晚二叠世均受到不断增大的挤压应力，沉积范围逐渐增大，二叠纪晚期均形成逆冲推覆构造[11-15]。准噶尔盆地西部岩石组分分布具有区域性特点，母岩成分和成岩流体差异都可能是导致后期差异成岩作用的原因。

3 储集层成岩作用特征

3.1 玛湖凹陷上乌尔禾组储集层成岩作用特征

玛湖凹陷上乌尔禾组储集层主要经历压实、胶结、溶蚀和交代作用[16-18]。①压实作用：上乌尔禾组属于深部储集层，展示出较强压实作用特征，玛湖凹陷砾石占比大，且砂质充填其间，部分组合形式形成了简单三角应力保护结构，在一定程度上保护了孔隙结构，碳酸盐矿物和沸石胶结物充填孔隙，在早成岩阶段为岩石提供了部分支撑作用，提高了其抗压实能力；镜下观察可见，矿物之间、矿物和有机物间主要为点—线接触和线接触，部分原生孔隙被破坏，部分塑性颗粒发生微观形变，如泥岩、云母等，高脆性矿物常出现微裂纹且部分被固体沥青充填。②胶结作用：研究区胶结物类型复杂，包括碳酸盐胶结、浊沸石胶结、硅质胶结以及黏土矿物胶结，多见大片连晶状方解石，玛湖凹陷发育暗红色及亮黄色2 期方解石胶结；沸石胶结主要为凝灰岩岩屑水化作用形成，研究区分布大量火山沉积物，为其提供了物质基础，沸石矿物主要有浊沸石、片沸石、斜发沸石等[19]，以浊沸石为主，产出方式为孔隙充填，呈板条状，常与方解石共生堵塞孔隙，少见溶蚀现象。③溶蚀作用：玛湖凹陷常见多种溶蚀物，长石颗粒中以钾长石溶蚀为主；由于研究区中—基性火山岩富集，岩屑溶蚀较普遍，主要形成点状粒内溶孔；填隙物的溶解主要为黏土矿物(含水云母化杂基等)及方解石胶结物的溶解，沸石类胶结物溶蚀现象不显著。④交代作用：黏土矿物间的交代，伊蒙混层是玛湖凹陷上乌尔禾组最常见的黏土矿物，分布于颗粒表面和孔隙中；此外，碳酸盐矿物交代石英和长石(图2)。

图2 玛湖凹陷上乌尔禾组储集层特征Fig.2.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Mahu sag

3.2 沙湾凹陷上乌尔禾组储集层成岩作用特征

沙湾凹陷上乌尔禾组储集层主要经历了压实、胶结、溶蚀、交代作用等[20]。①压实作用：沙湾凹陷上乌尔禾组平均深度约为4 500 m，砾石多为线接触及凹凸接触，压实作用强烈，埋藏初期，沉积物水分被迅速排出。②胶结作用：火山碎屑物质蚀变是研究区砂砾岩储集层沸石胶结物的重要物质来源，胶结物有方解石、沸石、硅质等，绿泥石、浊沸石、片沸石等胶结物的形成使得储集层物性降低；研究区弱胶结普遍发育，且胶结物含量与孔隙度呈正相关性，所以胶结物后期还可起到一定的抗压实作用。③溶蚀作用：研究区经历多次碱性与酸性成岩环境的转变，储集层多期次形成各类溶孔，包括长石溶孔、岩屑溶孔以及沸石溶孔。④交代作用：研究区交代作用主要为绿泥石水云母化，矿物形态及结构都发生较大改变，但储集层物性受交代作用影响不大(图3)。

图3 沙湾凹陷上乌尔禾组储集层特征Fig.3.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Shawan sag

4 储集层成岩差异定量表征

4.1 成岩作用类型及量化指标

（1)压实作用 玛湖凹陷上乌尔禾组储集层砂体矿物颗粒以线接触为主，局部为点接触；沙湾凹陷以线接触为主，局部为凹凸接触，压实强度比玛湖凹陷大。玛湖凹陷上乌尔禾组平均深度为4 400 m，而沙湾凹陷该组平均深度达到了5 200 m，压实作用更强。此外，玛湖凹陷砂体早期发育大量的碳酸盐胶结物，也抑制了压实作用，这是导致2 个地区压实差异的主要因素。

（2)胶结作用 玛湖凹陷上乌尔禾组储集层胶结物以含铁方解石、浊沸石和片沸石为主。其中，含铁方解石含量为4.00%～10.00%，平均为7.51%；浊沸石含量为8.00%～19.00%，平均为14.63%；片沸石含量为7.00%～12.00%，平均为9.67%。沙湾凹陷胶结物以浊沸石为主，含量为7.00%～28.00%，平均为17.56%；方解石次之，含量为3.00%～11.00%，平均为7.21%。2 个凹陷沸石类胶结物含量有较明显区别，主要是由于沸石类矿物成因类型不同。

（3)溶蚀作用 玛湖凹陷上乌尔禾组储集层发生溶蚀作用的矿物主要有长石、岩屑颗粒以及凝灰质填隙物，溶蚀作用改善了储集层物性；沙湾凹陷砂砾岩储集层多发育浊沸石胶结物溶孔、碳酸盐胶结物溶孔及长石溶孔。这主要是由于沙湾凹陷上乌尔禾组浊沸石多形成于早成岩阶段，多与黏土矿物共生，并呈粒状聚集分布，且黏土矿物仍保留火山尘埃特征，所以，此类沸石胶结物多疏松易散且晶间孔发育，为后期地层水的进入创造了基础条件；而玛湖凹陷浊沸石主要以斜长石钠长石化的方式析出[20]，主要形成于晚成岩阶段，多为板状集合体且无杂质，含此类浊沸石的岩石胶结程度高，较致密。

4.2 孔隙演化模式差异

玛湖凹陷上乌尔禾组储集层物性整体好于沙湾凹陷(图4)，这是因为2 个凹陷储集层成岩演化过程有所不同。基于前人对2 个凹陷成岩作用阶段的划分，定量分析2 个凹陷上乌尔禾组在成岩演化过程中的孔隙特征及差异。

图4 玛湖凹陷与沙湾凹陷上乌尔禾组储集层物性对比Fig.4.Physical properties of the upper Wuerhe formation reservoirs in Mahu sag and Shawan sag

采用Beard 和Scherer 提出的碎屑岩原始孔隙度与分选系数的相关关联公式，计算玛湖凹陷和沙湾凹陷上乌尔禾组储集层原始孔隙度[21-22]：

压实后孔隙度：

压实作用损失孔隙度：

压实作用减孔率：

胶结后孔隙度：

胶结作用损失孔隙度：

胶结作用减孔率：

结合微观实验及物性资料中的相关参数，计算次生孔隙度：

计算得出玛湖凹陷上乌尔禾组储集层原始孔隙度为34.1%～35.5%，沙湾凹陷原始孔隙度为34.4%～35.6%，为便于对比分析，2 个凹陷上乌尔禾组储集层原始孔隙度均取35.0%。

计算得出玛湖凹陷上乌尔禾组储集层压实损失孔隙度为12.2%～23.3%，平均为18.2%，压实作用主要发生于早成岩阶段，形成低孔低渗储集层。随着胶结作用的进行，胶结损失孔隙度为1.2%～18.7%，平均为10.9%。经过强烈压实作用和胶结作用，剩余孔隙度锐减至0.7%～7.1%，平均为3.6%，其中，压实作用的影响更大。

沙湾凹陷上乌尔禾组同样由于压实作用和胶结作用造成了孔隙损失，压实损失孔隙度为14.3%～24.2%，平均为19.1%；胶结损失孔隙度为1.9%～18.9%，平均为11.8%。由于沙湾凹陷上乌尔禾组埋藏深度相对玛湖凹陷更大，压实作用也更强。经过强烈压实作用和胶结作用，沙湾凹陷该组储集层剩余孔隙度锐减至0.5%～6.4%，平均为3.3%。

成岩中—后期，由溶蚀作用形成的次生溶孔在不同地区砂岩中的发育程度不同。观察镜下薄片计算面孔率，玛湖凹陷上乌尔禾组储集层次生溶孔主要以长石溶孔和凝灰岩岩屑溶孔为主，浊沸石和片沸石基本未溶蚀。次生溶孔发育，溶孔面孔率平均为2.6%，占总面孔率的82.0%；沙湾凹陷主要有长石溶孔、凝灰岩岩屑溶孔以及形成于成岩中—后期的浊沸石溶孔，次生溶孔发育，溶孔面孔率平均为2.8%，占总面孔率的76.0%，溶蚀作用形成的次生溶孔在一定程度上提高了储集性能(图5)。

图5 沙湾凹陷上乌尔禾组储集层孔隙演化模式Fig.5.Pore evolution model of the upper Wuerhe formation reservoirs in Shawan sag

玛湖凹陷与沙湾凹陷上乌尔禾组储集层成岩中—后期溶孔发育类型的差异，是由于成岩环境不同，玛湖凹陷地层封闭性较沙湾凹陷好，地层水矿化度更高，以CaCl2型为主[17]，CaCl2型地层水占比达到70.3%；沙湾凹陷地层水以NaHCO3型和CaCl2型为主，分别占46.4%和43.5%。碳酸氢根离子使钙质铝硅酸盐矿物发生溶蚀，如浊沸石和片沸石，沙湾凹陷NaHCO3型酸性地层水的增多为沸石族矿物溶蚀提供了有利条件。因此，2 个凹陷成岩流体性质和岩石组分控制了成岩演化。

5 储集层成岩差异成因

5.1 玛湖凹陷上乌尔禾组成岩演化

玛湖凹陷上乌尔禾组主要处于中成岩阶段B期[23-25]，在晚二叠世，上乌尔禾组沉积后快速埋藏，持续的压实作用破坏了储集层大量的原生粒间孔，降低了储集层的渗流能力，成岩环境流体具弱碱性，孔隙类型仍以原生孔隙为主。压实作用随埋藏深度增大而增强，原生孔隙进一步遭到破坏，并出现较低强度的第一次油气充注。受有机酸影响，流体环境逐渐由弱碱性转换为弱酸性，部分富钙斜长石和岩屑开始溶蚀，次生孔隙发育。Ca2+、K+等大量碱性金属离子析出，为早期方解石胶结提供了一定的物质基础。颗粒接触方式由点接触过渡为点—线接触，随着第二次油气充注的到来，地层流体pH值明显降低，该阶段长石和岩屑溶蚀程度增高，早期形成的碳酸盐矿物溶解，蒙脱石向伊利石转化，伴生石英及高岭石，碳酸盐矿物二次胶结。

5.2 沙湾凹陷上乌尔禾组成岩演化

沙湾凹陷上乌尔禾组处于中成岩阶段B 期[26]，在早成岩阶段A 期，沉积物胶结相对松散，大量原生粒间孔发育，颗粒塑性变形。随着埋藏深度增大，压实作用增强，早期绿泥石附着于颗粒表面形成包膜，在一定程度上抑制了压实作用，部分原生孔隙得以保存。受到富火山作用影响，成岩水体为碱性—弱碱性，大量火山玻璃发生沸石化反应[27]，在机械压实作用不断增强的阶段，硅质、绿泥石、碳酸盐矿物和沸石不断生成。中成岩阶段，发生了一次大规模油气充注，有机酸和大量CO2进入储集层后，地层水pH 值降低，地层水类型变得复杂多样。该成岩阶段长石及岩屑溶蚀作用变强，片沸石交代形成含钙铝硅酸盐矿物——浊沸石，并在NaHCO3型地层水的影响下发生溶蚀。

6 结论

(1)玛湖凹陷和沙湾凹陷中成岩阶段早期以碳酸盐胶结物为主，压实作用、碳酸盐矿物胶结与沸石胶结是导致储集层物性变差的主要成岩作用，玛湖凹陷压实作用相对较弱。

(2)玛湖凹陷上乌尔禾组储集层以长石溶孔和凝灰岩岩屑溶孔为主，沙湾凹陷则以长石溶孔、凝灰岩岩屑溶孔及浊沸石溶孔为主，原生孔隙均少量发育。

(3)玛湖凹陷和沙湾凹陷上乌尔禾组储集层的差异，主要是由成岩流体性质和岩石组分的不同引起，并影响整个成岩作用阶段。

符号注释

C——胶结作用减孔率，%；

Ct——胶结物含量，%；

D1——粒度累计百分含量为25%时的颗粒直径，mm；

D2——粒度累计百分含量为75%时的颗粒直径，mm；

L——压实作用减孔率，%；

S0——特拉斯克分选系数；

θca——碳酸盐胶结物面孔率，%；

θd——溶孔面孔率，%；

θpm——原生粒间孔面孔率，%；

θt——总面孔率，%；

φ0——原始孔隙度，%；

φ1——压实后孔隙度，%；

φ2——胶结后孔隙度，%；

φ3——次生孔隙度，%；

φc——胶结作用损失孔隙度，%；

φL——压实作用损失孔隙度，%；

φp——物性分析孔隙度，%。