下扬子黄桥地区二叠系龙潭组储层特征及成岩演化模式

张 妮，林春明，俞 昊，张 霞

(1.金陵科技学院材料工程学院，江苏 南京 211169;2.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，江苏 南京 210023;3.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023;4.中国石油化工股份有限公司华东分公司，江苏 南京 210036)

0 引言

目前，随着油气勘探开发的深入，大型构造油气藏的发现率逐渐降低，岩性油气藏已逐渐成为油气勘探开发的重要对象和焦点问题(张永鸿，1991;郭念发，1996;俞凯等，2001;花彩霞，2014)。近年来，随着岩性油气藏勘探开发配套技术的重大突破，下扬子黄桥地区多口井在二叠系龙潭组获得突破，证实该区具备岩性油气藏勘探开发的良好资源条件。现有储层物性及测井解释成果显示，黄桥地区龙潭组储层的平均孔隙度为5.74%，平均渗透率为0.32×10－3μm2，属特低孔－超低渗储层，同时具有极大的非均质性。虽然受后期改造作用，黄桥地区储层物性包括孔隙度和渗透率均较低，但也具有裂缝、溶蚀孔洞发育的优势(李建青等，2012，2013;陈顺勇等，2013)。由于该区储层研究程度较低，其储层非均质性的根源问题一直以来困扰着该区油气勘探开发(李伶俐等，2013;蔡佳等，2014)。本次研究以黄桥地区龙潭组储层作为研究对象，通过大量岩石薄片和铸体薄片鉴定，并借助扫描电镜观察等手段对研究区龙潭组砂岩储层的岩石学特征、成岩作用和储层物性进行了详细、深入的研究，探讨黄桥地区龙潭组的成岩作用对储层物性的具体影响方式，以供对该区进一步的油气勘探开发及优质油层预测参考。

1 地质概况

黄桥地区位于下扬子区苏北盆地与苏南隆起的交接部位，海相中、古生界保存较好，上覆陆相中、新生界厚度大，为油气前景有利区之一。前人研究表明，黄桥地区构造演化经历了印支运动前平稳的隆降阶段、印支—燕山早中期的挤压推覆阶段和燕山晚期—喜山期的拉张裂陷阶段(张永鸿，1991;张建球，1996;任涛，2010;董强强，2011;李建青等，2013)。黄桥地区储集层主要包括碳酸盐岩储集层和碎屑岩储集层。相对而言，二叠系的砂岩储层物性较好，且主要为砂岩孔隙。龙潭组(P2l)属于碎屑岩储层，物性特征多为特低孔－超低渗，为一套滨岸沼泽相的含煤沉积，厚约74 m。根据岩性特征，龙潭组碎屑岩储层由下至上可分为下段、中段和上段，其中下段与孤峰组(P1g)整合接触，上段与上覆大隆组(P1d)整合接触(表1)。

表1 下扬子黄桥地区二叠系龙潭组地层划分方案Table 1 Stratigraphic division of the Permian Longtan Formation in the Huangqiao area of the lower Yangtze region

2 储层岩石学特征

本次研究共采集岩石样品68个，主要集中于黄桥地区的溪1、溪2、N9、N5和苏174井中储集物性较好的龙潭组中、上段，下段采集少量样品做对比分析。岩石薄片鉴定显示，龙潭组储层碎屑成分以石英、长石和岩屑为主，其岩性按“三端元”分类法可划为岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩(冯增昭，1994)，以中、细粒砂岩为主，砂岩粒度范围在0.10～0.30 mm之间。砂岩分选差—中等，次圆、次棱角为主，支撑方式为颗粒支撑，接触方式主要为线－凹凸接触，岩石胶结类型以接触式胶结为主，孔隙式胶结次之。胶结物主要为碳酸盐，岩石结构普遍表现为成分成熟度偏低、结构成熟度中等的特点。

研究区储层中的石英质量分数在59.0%～76.0% 之间，平均为67.5%，以单晶石英为主，含少量多晶石英;石英表面干净，具有波状消光，次生加大现象较为普遍;粒度范围在0.05～0.65 mm之间，石英颗粒分选中等—好，次棱角状，颗粒之间线接触为主，当石英次生加大边发育时，颗粒呈镶嵌接触。长石占岩石总量的5.2% ～12.0%，平均为8.6%，包括钾长石和斜长石，以斜长石为主。长石的溶蚀现象非常普遍，粒度范围在0.10～0.80 mm之间，一般在0.20～0.45 mm之间，普遍发育较为轻微的高岭石化，并可见到绿泥石化和绢云母化现象。岩屑质量分数介于9.3% ～21.0%之间，平均15.5%，其中变质岩岩屑质量分数最高，平均10.1%;沉积岩岩屑质量分数次之，平均3.3%;岩浆岩岩屑质量分数最低，平均2.7%。

3 储层物性的影响因素

一般而言，碎屑岩储集物性主要受沉积、成岩、构造等诸多因素的控制。特别是成岩作用，它直接控制着黄桥地区龙潭组储层的储集性能。

3.1 沉积作用对储层物性的影响

3.1.1 矿物成分 一般而言，石英砂岩比长石砂岩和岩屑砂岩的储集物性好。这主要是因为：(1)长石的亲水性和亲油性比石英强，当被油或水润湿时，长石表面所形成的液体薄膜比石英表面厚，一般情况下这些液体薄膜不会移动，这在一定程度上减少了孔隙的流动截面积，导致渗透率变小。(2)长石和石英的抗风化能力不同。石英抗风化能力强，颗粒表面光滑，油气容易通过;长石不耐风化，颗粒表面常有次生高岭土和绢云母，它们一方面对油气有吸附作用，另一方面吸水膨胀堵塞原来的孔隙和喉道(范小军等，2012)。

研究区储层岩性以岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩为主，储层的成分成熟度低。龙潭组储层砂岩的孔隙度和渗透率随着长石和岩屑含量的增加而增加，但与石英的含量相关性差(图1)。石英含量对孔隙度的影响也具有双重性：一方面，石英作为刚性颗粒，有增强岩石抗压实能力的作用，从而有利于原生孔隙的保留;另一方面，如果压实作用很强，高的石英含量则形成强烈的石英溶解和次生加大充填孔隙，从而降低了储层孔隙度。研究区储层的孔渗值与石英含量的相关性较差，说明由于压实和压溶作用的参与，石英含量对储层性能的正面影响与次面影响相互抵消。

图1 下扬子黄桥地区龙潭组碎屑颗粒质量分数与孔隙度和渗透率的关系Fig.1 Relationship of clastic grain content with porosity and permeability for the Longtan Formation

由于研究区储层中的长石和岩屑含量较高，为后期溶蚀孔隙的发育提供了良好的物质基础。虽然溶蚀孔洞为研究区储集空间的主要类型，但长石溶蚀作用对孔渗性也有负面影响，表现在随着偏基性斜长石在热力学不稳定且低温条件下的大量溶蚀，将伴随高岭石和伊利石的沉淀，从而降低孔隙度和渗透率。对薄片鉴定结果进行的统计分析显示，研究区龙潭组砂岩的孔隙度和渗透率均随着长石和岩屑含量的增加而得到提高，说明长石的溶蚀作用对该区储层性能的正面影响相对其负面影响更占优势，长石和岩屑的高含量均对储层性能起到了积极作用。

3.1.2 岩石结构 (1)粒度和磨圆度。细粒碎屑磨圆度差，呈棱角状，颗粒支撑时比较松散，它比圆度好的较粗的砂质沉积可能有更大的孔隙度。然而，细粒沉积物中孔喉小、毛细管压力大，流体渗滤的阻力大，因此细粒沉积物的渗透率比粗粒的小。龙潭组碎屑岩以中、细粒砂岩为主，砂岩粒度范围在0.1～0.3 mm之间，次圆、次棱角为主，支撑方式为颗粒支撑，对储层的渗透率具有负面作用，对原生孔隙度具有正面作用。但这种粒度对原生孔隙度的积极因素会被胶结作用和压实作用所抵消，从而使原生孔隙度降低。导致储层颗粒间的接触方式主要为线－凹凸接触，岩石胶结类型以接触式胶结为主，孔隙式胶结次之。

这样，传统理论的、传授的及教师主导的学习经历便变为实践的、发现的及自我主导的新方法，更为有效。在观察这一转变时，我们会看到一个重要的转变，即把学和教的程序倒转来：不先教本来想教的知识，而是提出问题并提供环境，让学生自己先发现知识，然后巩固它作为学习。

(2)分选性。在粒度相近的情况下，分选差的碎屑岩因细小的碎屑充填了颗粒间孔隙和喉道，不仅降低了孔隙度，而且降低了渗透率。研究区龙潭组砂岩的分选差—中等，在很大程度上影响了储层物性。

由此可见，沉积作用对龙潭组碎屑岩的矿物成分、结构、粒度、分选、磨圆度等方面都起着明显的控制作用，而这些因素对研究区储层物性都有不同程度的影响。总体而言，矿物粒度、分选性和磨圆度等因素对储层物性的影响以负面为主，直接导致研究区储层的低孔渗值。矿物成分对储层物性的影响则主要借助成岩作用，具体表现在长石和岩屑对储层物性具有积极作用，而石英对储层性能的正面影响与次面影响相互抵消。

3.2 成岩作用对储层物性的影响

3.2.1 压实作用对储层物性的影响 沉积物的组分、分选性、粒度、磨圆度等对机械压实作用有相当的影响，例如岩石中塑性组分含量越高，岩石越容易被机械压实。随着压实作用的增强，岩石的孔隙度逐渐减小(汪文洋等，2013)。前人研究认为，若初始孔隙度为70%，在埋深2 000 m时，岩石的孔隙度只相当于初始孔隙度的一半;当埋深到达2 300 m时，岩石孔隙度仅为原来的1/5，近80%的孔隙度都因压实作用而损失了(冯增昭，1994)。但是，压实作用还可以在埋深较大时在岩石中形成欠压实带，使得压实作用对孔隙度的影响程度减小，从而使埋藏较深的岩石中仍能保存一定量的原生孔隙。

黄桥地区龙潭组的压实作用主要发生在早成岩期和中成岩A期。镜下观察可见，研究区龙潭组储层的压实作用为中等—强烈，颗粒紧密堆积，是导致研究区砂岩原生孔隙丧失以及储层孔隙度、渗透率降低的的主要因素之一。在早期成岩阶段发生的机械压实作用下，研究区储层中的岩石颗粒间多为线接触和凹凸接触，偶尔出现缝合接触。云母碎片在压实作用下发生明显的塑性变形，质软的泥岩岩屑在压实作用下被挤入孔隙中形成假杂基，从而阻塞孔隙空间，导致原生粒间孔大量丧失，渗透率急剧降低。1 500～1 800 m埋深区间，孔渗值与埋深的相关性较差，说明压实作用对储层物性的影响很小;1 800～2 000 m埋深区间，孔渗条件较好，说明溶蚀作用造成的次生孔隙多于压实作用丧失的原生孔隙，溶蚀作用对物性的影响强于压实作用;2 200～2 600 m埋深区间，孔渗值明显降低，说明压实作用对物性的影响较为强烈(图2)。

图2 龙潭组的孔隙度和渗透率随埋深变化Fig.2 Variations of porosity and permeability with the burial depth for the Longtan Formation

3.2.2 胶结作用对储层物性的影响 (1)碳酸盐胶结作用。研究区碳酸盐胶结物主要为亮晶或泥晶方解石，胶结方式包括基底式和孔隙式，自形—半自形。含少量铁方解石胶结物，形成相对较晚，主要为孔隙式胶结，呈不规则晶粒状充填粒间。由于区内碳酸盐胶结物在颗粒接触部位不甚发育，表明该胶结物主要形成于压实作用后期，在溶蚀作用中不仅未对储集层性能的改善发挥作用，甚至起到了堵塞孔隙的负作用(图3a)。

(2)硅质胶结作用。主要表现为石英的次生加大，出现在中成岩晚期至晚成岩早期。由于受其他类型胶结物分布状态的影响，石英次生加大边很不规则，加大边厚0.02～0.08 mm，常以很薄的黏土膜与碎屑石英分开且不连续。相对碳酸盐的胶结作用而言，研究区的硅质胶结作用对储集性能的影响较弱，但部分发育较好的石英次生加大边在某种程度上会充填孔隙并堵塞喉道，从而降低了储层的孔、渗性能(图3b)。

图3 龙潭组储层碎屑岩的镜下胶结作用Fig.3 Cementation of clastic rocks under microscopes in the Longtan Formation

(3)自生黏土矿物胶结作用。国内外研究表明，黏土矿物与次生孔隙的形成密不可分，都是大气水或压实地层水与岩石颗粒或基质长期化学反应的结果(Surdam et al，1989)。在沉积、成岩条件大致相同的情况下，黏土矿物含量越高，砂岩的孔隙度和渗透率就越低，储集性能就越差(刘林玉等，1998;漆滨汶等，2007;张妮等，2011)。研究区储层的自生黏土矿物成分主要是以蜂窝状集合体充填粒间的伊－蒙混层(I/S混层比多为15% ～20%)(图4a)，其次是分布在颗粒间隙和颗粒表面并呈颗粒包膜式产出的伊利石(图4b)和呈散点式孔隙充填粒间的高岭石(图4c)。

图4 龙潭组储层砂岩孔隙内的扫描电镜图Fig.4 SEM images of sandstone porosity in the Longtan Formation

3.2.3 溶蚀作用对储层物性的影响 黄桥地区龙潭组储层的溶蚀作用形成了各种类型的次生孔隙，成为研究区储层中主要的孔隙类型，极大地改善了储层的物性，说明研究区储层中流体的总体活动较强。据光学显微镜及扫描电镜观察，溶蚀作用对研究区储层改善最明显的阶段集中在早成岩B期，这主要是由于早成岩B期为有机质成熟期，在有机质成熟过程中会排出大量的有机酸和无机酸(游国庆等，2006)。随着埋藏深度的增加，有机质热脱羧作用和其他过程使成岩孔隙水变为酸性，产生了大规模的地质流体作用。在酸性环境下，长石、岩屑和碳酸盐容易发生溶蚀，普遍的骨架颗粒和填隙物的溶蚀形成了占主导地位的次生孔隙(张金亮等，2003)。

研究区颗粒的溶蚀作用包括2类：(1)石英、长石、岩屑等颗粒边缘遭受溶蚀或直接溶蚀成溶蚀粒内孔(图5a);(2)长石及岩屑等颗粒先为碳酸盐矿物交代，碳酸盐矿物再被溶蚀形成溶蚀粒内孔及溶蚀粒间孔(图5b)。研究区储层的孔隙类型以溶蚀粒间孔为主，少量粒内溶孔及原生粒间孔，其中溶蚀粒间孔形态不规则，边缘多呈溶蚀港湾状，孔隙边缘见明显的溶蚀现象。

3.2.4 交代作用对储层物性的影响 研究区储层的交代作用主要有碳酸盐交代石英和岩屑、长石以及长石颗粒的黏土化等。黄桥地区龙潭组储层中交代作用普遍不显著，且主要表现为方解石交代石英颗粒，其中溪2井的交代作用相对较为发育，主要表现为长石、云母的黏土化或碳酸盐对石英、长石颗粒的交代，说明溪2井中流体的总体活动相对较强。总体而言，交代作用对研究区储层物性的影响较小。

综上所述，研究区龙潭组储层的压实作用和胶结作用使储层原生孔隙迅速减少、渗透率降低、储集物性变差;而溶解作用则是导致次生孔隙发育及改善砂岩储集性能的主要因素;交代作用主要为碳酸盐胶结物交代石英、长石及岩屑颗粒等，对研究区储层物性的影响较小。由于压实作用和胶结作用共存并相互制约，早期形成的赋存于粒间的胶结物可阻碍压实作用的进程，而在压实期后形成的赋存于粒间的胶结物对压实作用几乎不产生影响。研究区砂岩中的胶结物大部分充填粒间，说明胶结作用形成于机械压实之后或后期。

4 成岩演化模式

4.1 成岩阶段划分

图5 龙潭组储层碎屑岩的镜下溶蚀作用Fig.5 Dissolution under microscope of reservoir clastic rocks in the Longtan Formation

研究区龙潭组储层砂岩中碳酸盐以泥晶方解石和亮晶方解石为主;石英一部分呈次生加大胶结，其中有的石英颗粒边缘呈Ⅲ级次生加大，另一部分呈自形晶体充填孔隙;自生黏土矿物以伊利石－蒙脱石混层和伊利石为主，其次为高岭石，少量绿泥石，绿泥石主要为孔隙充填，几乎未见蒙脱石，反映了中成岩中晚期特征。砂岩所涉及的溶蚀成分主要为长石、岩屑和石英颗粒及杂基，溶蚀的顺序表现为长石和岩屑的早期溶蚀，石英的后期溶蚀，该现象说明了早期的酸性水介质向后期的碱性水介质转变的特征。且石英的溶蚀与后期的方解石和菱铁矿胶结作用共同反映了中成岩作用阶段的中、晚期特征。碎屑颗粒之间以线接触－凹凸接触为主，点接触少见;以上颗粒接触关系表现为成岩中期的致密压实特征。因此，该区龙潭组储集层主要处于中成岩B期阶段，这一时期储集层非常容易形成较发育的溶蚀型次生孔隙。

4.2 成岩演化模式

根据下扬子黄桥地区溪1井埋藏史显示，二叠纪以来，黄桥地区发育3次显著的沉降－抬升剥蚀演化过程，即三叠纪末的沉降剥蚀史、侏罗纪—白垩纪的沉降剥蚀史和古近纪的沉降剥蚀史。古近纪的剥蚀量可能对油气储层的形成有重要影响，而前2次的剥蚀量影响相对较小(郭念法，1996;李建青等，2013)。黄桥地区构造演化史和埋藏史的研究表明，龙潭组储层主要受渐进埋藏作用的影响，该成岩体系表现为储层随上覆沉积物的不断沉积，埋深持续增大，地温逐渐升高。

黄桥地区龙潭组储层沉积后到侏罗纪早期经历了同生成岩和早成岩阶段A期，以机械压实、铁镁物质水解、颗粒包膜和泥晶方解石的胶结作用为主，原生孔隙已大量消失。随后龙潭组储层继续埋藏，进入早成岩阶段B期，主要成岩事件包括石英次生加大、早期亮晶方解石及伊利石－蒙脱石混层黏土矿物的形成等。机械压实作用较早成岩阶段A期要弱，原生粒间孔含量继续减小，到早成岩阶段末期达到最小。侏罗纪中期—白垩纪末期，龙潭组储层进入中成岩阶段A期，此时烃源岩开始生烃，排出大量有机酸，造成长石等铝硅酸岩和早期碳酸盐胶结物显著溶蚀，形成大量溶蚀孔隙，同时因铝硅酸盐的溶蚀造成高岭石、自生石英雏晶和石英次生加大边的形成。古近纪早期进入中成岩阶段B期，达到最大埋深，此时砂岩中石英次生加大作用即将结束，石英和长石具有加大边，多呈镶嵌状，高岭石明显减少或缺失(图6)。因此，黄桥地区龙潭组储层的中成岩阶段A期是油气注入阶段，结合成岩作用特征，该成岩期晚期即白垩纪晚期的油气注入达到顶峰，也是该区油气藏形成的最佳时期。这一观点与前人通过流体包裹体研究该区成藏期次的结果一致(李建青等，2013)。

5 结论

(1)黄桥地区龙潭组碎屑岩的矿物粒度、分选性和磨圆度等因素对储层物性的影响以负面为主，直接导致了研究区储层的低孔渗值。

(2)在成岩过程中，压实作用和胶结作用使研究区龙潭组的储集物性变差，胶结作用主要形成于机械压实作用之后或后期;溶解作用是导致该区次生孔隙发育及改善砂岩储集性能的主要因素;交代作用对研究区储层物性的影响较小。

图6 龙潭组储层成岩演化和孔隙演化模式图Fig.6 Model showing reservoir diagenetic evolution and pore evolution of the Longtan Formation

(3)研究区龙潭组储层主要处于中成岩B期阶段，这一时期储集层非常容易形成较发育的溶蚀型次生孔隙。

(4)结合成岩作用特征和研究区成岩演化模式，该区龙潭组的成岩过程中，中成岩阶段A期晚期(白垩纪晚期)是该区油气藏形成的最佳时期。

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