盆1 井西凹陷三工河组储层特征与形成机理

马 聪，周军军，胡 亮，齐 婧，吴海光

1.中国石油砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000；2.新疆维吾尔自治区砾岩油藏重点实验室，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油新疆油田公司实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；4.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318

引言

随着浅层油气勘探开发程度的提高及油气需求的日益增长，油气勘探不断向深层拓展。目前，中国已在渤海湾盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等多个盆地的深层发现了丰富的油气资源，表明深层油气勘探潜力巨大[1-6]。由于不同地区地温梯度、地层岩性组合、区域构造背景等的差异性，深层和中浅层之间很难有一个统一的界线，因此，深层的界定应该结合区域的实际情况[7-8]。而国内外报道的深层储层埋深主要分布在3 500∼7 000 m[9-10]。

近年来，准噶尔盆地中央拗陷盆1 井西凹陷多口井均在三工河组二段深埋储层（3 500∼4 500 m）中获得工业性油流，展现出了良好的勘探前景，有望成为区域油气增产的重要接替领域[11]。早期的研究认为，三工河组二段为一套辫状河三角洲（扇三角洲）— 曲流河三角洲—湖相沉积，储层主要为三角洲前缘河口坝砂体和水下分支水道砂体[12-13]。储集空间主要是原生孔隙，成岩作用对岩石改造不强烈[14]，相对优质储层可能形成于水动力较强的高能环境，通常具有成分成熟度较高、塑性岩屑含量低及填隙物含量低等特点，而早成岩阶段石英的次生加大也可能有利于减缓压实作用，从而促进优质储层的形成[15]。但最新的古地貌和地震分析研究表明，盆1 井西凹陷在湖盆深水区存在两级坡折带，且三工河组二段在坡折带上发育特殊的深层高颗粒含量密度流沉积，该类型的砂体整体物性和含油气性较好，具有较大的油气勘探潜力[16-19]。但是目前对该深层高颗粒含量密度流沉积砂体还缺少详细刻画，其储层岩石学和矿物学研究也相对薄弱，优质储层的形成机理和控制因素尚不清楚。这些问题进而影响了优质储层的分布和预测，制约了研究区深层油气的勘探开发。

本文以盆1 井西凹陷多口典型钻井岩芯为研究对象，通过开展系统的沉积学、岩石学、矿物学和地球化学分析，查明三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积特征和优质储层形成的主控因素，以期为研究区的深层油气勘探提供理论依据。

1 地质背景

盆1 井西凹陷位于准噶尔盆地中央拗陷北部，东南部与莫索湾凸起和莫北凸起相临，西南部与沙湾凹陷相接，东北部和西北部分别紧邻石西凸起和达巴松凸起（图1）。凹陷面积约3 500 km2，周缘构造位置有利，油气资源丰富，目前已发现莫索湾油气田、莫北油田和莫西庄油田等多个油气田[18，20]。

图1 盆1 井西凹陷区域构造图和三工河组综合地层柱状图[18]Fig.1 Regional structural of the Sag west of Well Pen-1 and comprehensive stratigraphic column of Sangonghe Formation

在下侏罗统三工河期，准噶尔盆地的气候由亚热带半干旱转变为湿热，构造环境较为稳定，发育了一套夹煤线的碎屑岩层系[15]。总体上，根据沉积旋回特征，三工河组可以划分为3 个层段（图1），自下而上分别为：三工河组一段（J1s1）、三工河组二段（J1s2）和三工河组三段（J1s3）。其中，三工河组一段和三工河组三段均以泥岩和泥质粉砂岩沉积为主，三工河组二段发育厚层的砂岩，不仅发育三角洲前缘砂体，还发育特殊的深层高颗粒含量密度流沉积[21]，是盆1 井西凹陷最主要的油气产层之一。

2 样品和方法

对盆1 井西凹陷坡折带上莫12、莫104 及前哨4等10 余口典型钻井三工河组二段岩芯进行了系统观察，并采集了102 块砂岩样品。

根据本次研究的目的，进一步开展了镜下鉴定、铸体薄片观察、XRD 测试、全岩稳定碳氧同位素测试、扫描电镜分析和电子探针分析。其中，XRD 测试和扫描电镜分析均在湖南纳微新材料科技有限公司实验室完成。电子探针分析在中国冶金地质总局山东局测试中心完成，测试仪器为JXA–8230（JEOL）型电子探针显微分析仪，工作电压15 kV，工作电流20 nA。

3 结果与讨论

3.1 深层高颗粒含量密度流沉积特征

10 口典型钻井的岩芯观察表明，盆1 井西凹陷主要发育块状含泥砾细砾岩、块状含砾粗砂岩、块状粗—中砂岩、层状细砂岩、灰色泥岩、暗色泥岩以及互层状的暗色泥岩或粉砂岩等多种不同岩石类型。其中，暗色泥岩和互层状的暗色泥岩或粉砂岩具有典型的浅湖—半深湖沉积特征。深层高颗粒含量密度流不发育交错层理等典型的牵引流沉积构造，通常在砂体底部含有一定的泥砾，不同于正常的牵引流沉积砂体，可以作为砂质碎屑流沉积的基本标志[18]。但通过对莫104 井、莫12 井和前哨4 井等钻井深层高颗粒含量密度流纵向上沉积特征的精细解剖发现，盆1 井西凹陷坡折带三工河组二段深层高颗粒含量密度流基本都具块状、整体正粒序及含泥量低等特征，这与前人报道的砂质碎屑流通常具有反粒序的特征有很大不同[22]。

通过对比不同井深层高颗粒含量密度流的沉积特征可以发现，深层高颗粒含量密度流之下基本都是含泥砾细砾岩，厚度在20∼100 cm，这些含泥砾细砾岩下覆通常为深灰色泥岩或粉砂岩（少数为粗砂岩），二者呈突变接触（图2a，图2b，图2c）。在部分含泥砾细砾岩之上沉积厚度不等（20∼80 cm）的含砾粗砂岩后，再过渡为块状粗砂岩（部分含泥砾，厚度可达3∼5 m）（图2b，图2c），也有部分含泥砾的细砾岩向上直接变为块状粗砂岩（图2a）。块状粗砂岩向上有时会逐渐过渡为中细粒砂岩。由此可见，这些深层高颗粒含量密度流之下的含泥砾岩为典型的黏性碎屑流，砾石主要靠基质强度支撑搬运。许多钻井岩芯在块状的中细粒砂岩或者块状粗砂岩之上可以观察到层状的细砂岩或深灰色的泥岩。

图2 盆1 井西凹陷典型井三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积结构和沉积模式Fig.2 Sedimentary structure and model of deep high particle content density flow of the typical well in J1s2,the Sag west of Well Pen-1

深层高颗粒含量密度流整体上几乎都表现正粒序特征，且包含了6 种特征不同的岩性，按粒度从大到小依次为：1）块状含泥砾细砾岩；2）块状含砾粗砂岩；3）块状粗砂岩；4）块状中—细砂岩；5）层状细砂岩；6）泥岩或粉砂岩。因此，本次研究建立盆1 井西凹陷坡折带三工河组二段高颗粒含量密度流沉积模式，一个完整的深层高颗粒含量密度流沉积应具有包含这6 种岩性组成的正粒序结构（图2d）。但这6 层结构在一次沉积中通常发育得并不完整，例如，莫104 井4 241.39∼4 246.64 m 段仅发育块状含泥砾细砾岩、块状粗砂岩和泥岩这3 层结构以及前哨4 井4 009.20∼4 019.30 m 段发育块状含泥砾细砾岩、灰白色块状粗砂岩和灰色块状中砂岩3 层结构；莫14 井4 208.70∼4 212.10 m 段发育灰绿色块状细砾岩、块状粗砂岩、含黑色纹层中砂岩和黑色泥岩4 层结构；前哨1 井3 985.50∼3 979.80 m段正粒序沉积具有块状砾岩、块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩、块状中细砂岩和层状细砂岩5 层结构。

3.2 岩性特征

镜下观察进一步证实，盆1 井西凹陷三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积岩性差异显著。

1）砾岩岩芯样品主要为灰白色或深灰色，含有椭圆状或长条状的黑色泥砾，块状构造，石英约25%、岩屑约40%（图3a，图4a，图4b），分选较好，磨圆度中等，以次棱角状—次圆状为主，颗粒支撑。

图3 三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积不同岩性岩芯照片Fig.3 Different lithology core photos of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

图4 三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积不同岩性镜下照片Fig.4 Microscopic photos of different lithologies of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

2）含砾粗砂岩岩芯样品为灰色，夹有少量椭圆状或长条状大小不等的砾石，块状构造，石英约30%、长石约10%和岩屑约55%（图3b，图4c，图4d），分选一般，磨圆较差，以次棱角状为主，颗粒支撑。

3）粗砂岩岩芯样品为灰白色，块状构造，石英含量高达35%，且碎屑颗粒大多被“矿物膜”包裹（图3c，图4e，图4f），分选较好、磨圆度中等，以次棱角状—次圆状为主，颗粒支撑。

4）中—细砂岩岩芯样品主要为灰白色，块状构造，石英约30%、岩屑50%左右，“矿物膜”也较为发育（图3d，图4g，图4h，图4i，图4j），分选较好，磨圆度中等，以次棱角—次圆状为主，颗粒支撑。

5）细砂岩岩芯样品主要为灰色—灰白色，平行层理或斜层理发育，石英含量较低，大多低于20%（图3e，图4k，图4l），分选、磨圆度较好，也为颗粒支撑。

6）泥岩或粉砂岩岩芯样品主要为深灰色或黑色，层理十分发育（图3f）。

3.3 物性特征和储集空间发育特征

10 口井68 件岩芯样品孔渗测试结果表明，盆1 井西凹陷三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层孔隙度小于10%的样品占比约40%，孔隙度在[10%,15%）的样品占比约50%，孔隙度在[15%,25%）的样品占比约10%（图5a）。而渗透率小于1 mD 的样品占比约为34%，渗透率在[1,5）mD 的样品占比约为7%，渗透率在[5,50）mD 的样品占比约为4%，渗透率在[50,500）mD 的样品占比约为55%（图5b），说明研究区深层存在优质储层。

图5 三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层物性统计直方图Fig.5 Statistical histogram of physical properties of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

典型取芯井岩样铸体薄片和扫描电镜观察表明，三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层储集空间主要是剩余粒间孔，其次为溶蚀孔。

剩余粒间孔是碎屑颗粒间之间残留的原生孔隙，这些碎屑颗粒边缘平直（图6a，图6b），无明显溶蚀特征。剩余粒间孔多呈三角状或长条状，孔径几十到几百微米（图6a，图6c）。在大部分储层中，剩余粒间孔隙体积可占到总孔隙体积的80%以上。

图6 三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层储集空间图Fig.6 Reservoir space diagram of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

溶蚀孔在三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层中也较为常见，主要包括粒间溶孔和粒内溶孔（图6a，图6c，图6e）。粒间溶孔孔隙边缘多呈港湾状、锯齿状，具有明显的溶蚀特征，其孔径一般在几到几十微米，整体小于剩余粒间孔（图6a，图6c）。粒间溶孔一部分分布在被溶蚀的长石等碎屑颗粒之间（图6c），另一部分发育在碎屑颗粒和被溶蚀的方解石胶结物之间。粒内溶孔主要发育在不稳定组分（长石和岩屑）内部，多呈不规则状（图6e，图6f），孔径较小（一般小于20µm）。

3.4 储集空间形成机理

3.4.1 沉积作用对储层质量的影响

盆1 井西凹陷三工河组二段深层高颗粒含量密度流发育6 种岩性。通过对不同岩性物性的测试和统计可以看出，块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩这3 种岩性物性最好，其孔隙度和渗透率分别在15%和50 mD 以上；块状含泥砾细砾岩物性次之，孔隙度主要分布在6%∼11%，渗透率主要分布在1∼10 mD；层状细砂岩和泥岩或粉砂岩物性较差，孔隙度基本在10%以下，渗透率低于1 mD（图7，表1）。铸体薄片观察也表明，块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩发育大量剩余粒间孔和粒间溶孔（图6a，图6b，图8a，图8b），而其他储层剩余粒间孔和溶孔均相对较少（图8c，图8d）。说明沉积作用对储层物性的控制作用显著，优质储层主要发育在块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩中。

表1 三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层物性统计表Tab.1 Statistical table of physical properties of of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

图7 三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积不同岩性物性统计图Fig.7 Statistical of different lithology and physical properties of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

图8 三工河组二段深层高颗粒含量密度流沉积不同岩性铸体薄片图Fig.8 Thin section diagram of cast bodies with different lithology of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

3.4.2 “矿物膜”对储层的影响

为了查明优质储层在块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩中发育的原因，开展了针对性的扫描电镜观察和电子探针分析。结果表明，块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩中普遍发育两类“矿物膜”，一类为单一绿泥石组成的“黏土矿物膜”（图9a），另一类为绿泥石和菱铁矿共同组成的“复合矿物膜”（图9b）。大量研究证实，由绿泥石形成的“黏土矿物膜”可以抑制石英的次生加大，对原生孔隙的保存具有重要意义[23-26]，这也是研究区深层优质储层剩余粒间孔能够大量发育的主要原因。但值得注意的是，在许多仅发育单一绿泥石“黏土矿物膜”的样品中仍然可以观察到石英次生加大的现象（图9c），而在发育绿泥石和菱铁矿“复合矿物膜”的样品中，几乎观察不到石英次生加大现象，这说明“复合矿物膜”更有利于对原生孔隙的保存，因而厘清菱铁矿的形成机制对完善研究区深层优质储层形成机理有重要意义。

图9 两种“矿物膜”SEM 图Fig.9 SEM images of two kinds of“mineral coating”

图10 为菱铁矿背散射图，观察可以发现，菱铁矿在三工河组二段深层中有两种存在形式，即集合体和“复合矿物膜”。电子探针矿物元素组成分析表明，两种形式存在的菱铁矿并没有明显的区别，均含有一定的Mg、Ca 和Mn 元素，且均非常细小（表2）。因此，它们很可能是同时期形成的。

表2 菱铁矿部分元素组成分析Tab.2 Partial element composition analysis of siderite

图10 菱铁矿背散射图Fig.10 Backscattering diagram of siderite

前人研究表明，菱铁矿通常情况下在粒间孔中呈集合体状生长[27]，由此可见，“复合矿物膜”形成存在的菱铁矿应该形成于特殊的沉积条件下。而深层高颗粒含量密度流沉积恰好可以提供这样的条件，即在深水坡折带上，前缘的砂体缓慢滑动，使得菱铁矿附着在碎屑颗粒表面生长，与绿泥石一起形成了“复合矿物膜”，并在埋藏过程中有效阻止了石英的次生加大。

3.4.3 溶蚀作用对储层的影响

由图6a、图6c 及图6e 可以看出，盆1 井西凹陷三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层也有一定的粒间溶孔和粒内溶孔发育，这说明次生溶蚀作用对储层物性也有一定的改善意义。因此，为了查明溶蚀流体来源，揭示溶蚀孔形成机理，选取部分典型样品开展全岩稳定碳氧同位素分析，结果见表3。

表3 三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层全岩稳定碳氧同位素分析表Tab.3 Stable carbon and oxygen isotope analysis of J1s2 deep high particle content density flow reservoir

从分析结果可以看出，三工河组二段深层高颗粒含量密度流储层δ13CPDB值分布在-6.75‰∼-4.95‰，δ18OPDB值分布在-21.87‰∼-17.66‰。这说明储层可能后期经历了较弱的有机酸流体溶蚀作用[28-30]，形成了少量的溶蚀孔，从而一定程度改善了储层物性。

4 结论

1）盆1 井西凹陷三工河组二段发育特殊的坡折带深层高颗粒含量密度流沉积具有块状构造、整体正粒序和含泥量低等特征，包含6 种不同的岩性，按粒度从大到小依次为：块状含泥砾细砾岩、块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩、块状中—细砂岩、层状细砂岩和泥岩或粉砂岩。该深层高颗粒含量密度流沉积整体物性较好，表明研究区深层存在优质储层，储集空间以剩余粒间孔为主，其次为溶蚀孔。

2）优质储层主要发育在块状含砾粗砂岩、块状粗砂岩和块状中—细砂岩中，说明沉积作用显著控制储层物性。进一步研究发现，由单一绿泥石组成的“黏土矿物膜”和由绿泥石和菱铁矿共同组成的“复合矿物膜”在这几层中非常发育，有效抑制了石英的次生加大，是原生孔隙保存的主要原因。后期有机酸等流体的溶蚀作用对储层质量的改善也有一定的积极意义。