准噶尔盆组致密油储层成岩作用与储集空间特征

操应长，朱 宁，张少敏，葸克来，薛秀杰

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071)

0 引 言

在油气需求增加和勘探技术进步的推动下，致密油、致密气、页岩油等非常规油气资源成为能源结构组成的重要角色[1]。通过早期勘探评定发现，中国非常规油气资源十分丰富，在鄂尔多斯盆地三叠系延长组、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、松辽盆地白垩系青山口组—泉头组等地层均发现丰富的致密油资源[2-6]，但勘探开发仍处于起步和探索阶段[7-9]。与常规油气藏相比，致密油具有生-储-盖三位一体、大面积连续或准连续分布、纳米级孔喉发育等特点[3,5]，给后期的勘探开发工作带来了一系列难题。

准噶尔盆组作为致密油储层的重点区域，近年来勘探开发工作取得了重要的突破[10-11]。国内学者对该区地质特征[5-6,10]、沉积特征与古气候特征[11-16]、烃源岩特征[17-19]、成藏过程[20-21]、油气赋存状态及分子结构[22]、储层特征及勘探开发潜力评价[23-25]等宏观和微观方面开展了大量研究[5-6,10-21]，为该区的勘探开发提供重要指导。吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组作为一套多物源、多成分混杂而成的细粒沉积岩，其岩相类型复杂。前人根据不同成分的含量，结合结构与构造差异，提出精细的分类方案，总结出8种岩相类型[26]，同时对该区的沉积相类型及沉积演化进行了深入研究，其主要为湖泊相和三角洲相，远砂坝、席状砂与滨浅湖分别为上、下“甜点体”最主要的微相类型[12-14]。但目前关于该区的储集空间特征，特别是不同岩石类型中发育的储集空间类型以及各岩类成岩作用对储集空间的控制方面等研究较为薄弱[27-33]。葸克来等对芦草沟组致密油储层的岩石类型及特征进行系统命名和表征[27]；王晓琦等采用电子束荷电效应对储集空间及其连通性进行定量表征评价[28]；刘冬冬等通过芦草沟组裂缝发育特征研究对致密油储层开展评价[29-30]；马世忠等通过压汞实验精细表征了储层孔喉结构并进行储层分类[31]。因此，本文在前人研究基础上，利用岩芯观察、铸体薄片及荧光薄片鉴定，结合X射线衍射(XRD)、激光共聚焦显微镜(CLSM)、扫描电镜(SEM)及能谱、恒速压汞等分析测试手段，结合储层岩石学特征，对准噶尔盆组致密油储层不同岩石类型的成岩作用、储集空间进行分析，并探讨了成岩作用与储集空间的关系，以期为致密油储层评价及勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

2 岩石类型及矿物成分特征

吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层矿物成分复杂。 X射线衍射及薄片鉴定显示，该区主要发育石英、钾长石、斜长石、方解石、(铁)白云石、黄铁矿、沸石以及黏土矿物等多种矿物类型(图2)。前人根据“四组分三端元”的分类方案，将碳酸盐含量、火山碎屑含量以及陆源碎屑含量作为3个端元组分，并遵循三级命名原则将研究区分为4种岩石类型，即陆源碎屑岩类、碳酸盐岩类、火山碎屑岩类和混积岩类，并详细划分为18个小类[27]。本文在此分类基础上，通过X射线衍射，结合镜下薄片分析，明确了不同岩石类型的矿物成分和含量差异(表1)。

图件引自文献[32]图2 芦草沟组综合柱状图Fig.2 Comprehensive Geological Histogram of Lucaogou Formation

碳酸盐岩类主要发育泥晶云岩、粉砂质砂屑云岩和凝灰质云岩3种岩石类型。泥晶云岩中白云石含量(质量分数，下同)最高，平均为86.1%，斜长石和石英平均含量分别为2.6%和7.3%，黏土矿物平均含量为1.8%，镜下显示成分较为均一[图3(a)]；粉砂质砂屑云岩中白云石含量减少，平均为53.3%，陆源碎屑含量明显增加，石英平均含量为15.8%，斜长石和钾长石平均含量分别为17.7%和2.8%，黏土矿物平均含量为8.6%，可见少量黄铁矿，镜下粉砂级长英质矿物与云质砂屑混合，长英质矿物呈次棱角状，云质砂屑磨圆相对较好[图3(b)]；凝灰质云岩中白云石平均含量为55.4%，石英平均含量为13.9%，斜长石和钾长石平均含量分别为22.6%和6.9%，黏土矿物平均含量为2.5%，镜下火山碎屑组分呈条带状或团块状分布[图3(c)、(d)]。

表1 全岩X射线衍射分析结果Tab.1 XRD Analysis Results of Whole-rocks

注：“—”表示矿物含量低于检测限；样品采自J174井。

图3 岩石类型及特征Fig.3 Types and Characteristics of Rocks

陆源碎屑岩类主要发育凝灰质粉砂岩、凝灰质泥岩和云质泥岩。凝灰质粉砂岩中长英质矿物含量明显增加，石英平均含量为27.6%，斜长石和钾长石平均含量分别为46.7%、13.2%，黏土矿物含量增加，平均为8.0%，可见少量黄铁矿，镜下显示为火山碎屑和陆源碎屑分散混积[图3(e)]；凝灰质泥岩和云质泥岩呈纹层状，沉积韵律明显，黏土层可见黑色有机质条带[图3(f)]。

在火山碎屑岩类中，火山碎屑含量增加。粉砂质凝灰岩所含钾长石含量增加，平均含量为15.6%，沸石平均含量为1.5%，镜下可见火山凝灰质层与粉砂质碎屑层叠置[图3(g)]；云质/灰质凝灰岩中，石英平均含量为30.2%，长石平均含量为44.9%，碳酸盐矿物平均含量为18.7%，黏土矿物含量减少，沸石平均含量为1.9%，镜下显示碳酸盐矿物与火山碎屑混积，具有一定的互层性[图3(h)]。

3 储层成岩作用

3.1 压实作用

在碳酸盐岩类中，组分较为单一的泥晶云岩呈均一块状，压实作用较强，其缝合线最为发育[图4(a)]；随着陆源碎屑和凝灰质含量的增多，岩性过渡为粉砂质砂屑云岩和凝灰质云岩，压实作用中等，粉砂级长英质颗粒呈分散状充填于砂屑间，凝灰质云岩中团块状及条带状火山碎屑通过压实调整后具有一定定向性[图4(b)]。

在陆源碎屑岩类中，粉—细砂级的矿物含量增加。凝灰质粉砂岩压实作用中等，矿物颗粒之间呈现明显的线接触，凝灰质分散混积或与黏土层互层[图4(c)、(d)]；云质泥岩压实作用较强，浅色白云质纹层与暗色黏土层互层，在暗色黏土层中有机质含量增多，荧光下可见明显的压实变形且顺层分布[图4(e)]。

在火山碎屑岩类中，棱角—次棱角状的长英质矿物含量增多，磨圆差但分选较好，粉砂质凝灰岩压实强度中等，其压实特征与凝灰质粉砂岩相似。

3.2 溶蚀作用

前人研究认为，研究区储层经历了酸碱流体交替溶蚀改造[23]，陆源碎屑岩类、火山碎屑岩类、碳酸盐岩类均发生不同程度的溶蚀，极大地改善了储层的储集物性[34]。溶蚀强度受各岩类不稳定组分和含量影响，表现出较大差异。

(-)表示单偏光；(+)表示正交光图5 胶结作用特征Fig.5 Characteristics of Cementation

块状混积的凝灰质粉砂岩溶蚀作用也较为强烈，陆源碎屑组分的长石、中基性火山岩岩屑及分散状的凝灰质物质在有机酸、CO2等酸性流体的影响下发生溶蚀[图4(m)、(n)]，长石颗粒内部溶蚀形成蜂窝状[37]，颗粒边缘溶蚀呈港湾状，分散状的凝灰质溶蚀较不规则。纹层状的凝灰质泥岩和云质泥岩压实作用都较强，致密程度高，基本不发生溶蚀[图3(f)、图4(d)]。

块状混积的粉砂质凝灰岩溶蚀作用特征与凝灰质粉砂岩相似，纹层状的凝灰岩多表现为与泥质层互层，颗粒较粗的凝灰质层和尖棱角状的长英质矿物颗粒发生强溶蚀，而黏土层基本无溶蚀[图4(o)]。

3.3 胶结作用

通过薄片及扫描电镜观察，结合X射线衍射分析结果，认为研究区发育白云石、铁白云石、方解石、铁方解石、自生石英、自生钠长石、沸石和黏土矿物，黏土矿物多由长石和凝灰质蚀变而充填于粒间[图5(a)]，在各岩类中胶结物的类型差异较大。

在碳酸盐岩类中，粉砂质砂屑云岩胶结作用较为明显，当粉砂质含量较少时，其胶结作用较强，表现为鲕粒间或砂屑间发育晶型较好的亮晶白云石或方解石胶结物和少量黄铁矿[图5(b)、(c)]。利用Image-pro Plus 6.0软件进行定量圈定，该岩类中碳酸盐胶结物含量为1.2%～5.3%，平均为2.1%。凝灰质云岩中混积的火山玻璃发生脱玻化作用，在白云石粒间形成放射状或马牙状的自生硅质胶结物[图5(d)、(e)]。

在陆源碎屑岩类中，凝灰质粉砂岩以白云石和含铁方解石胶结为主，部分层段发育石英加大边。白云石和含铁方解石以半自形—自形充填于溶蚀孔隙，可见少量结晶程度较好的铁方解石成连晶式胶结[图5(f)]，碳酸盐胶结物含量为2.4%～20.0%，平均为5.7%，石英次生加大含量小于1%。纹层状云质泥岩胶结作用基本不发育。

火山碎屑岩类发育的胶结物类型较多，包括白云石、铁方解石、自生石英、自生钠长石及沸石(以方沸石为主)[图5(g)～(i)]。在粉砂质凝灰岩中，沸石多与方解石、自生石英伴生出现，在扫描电镜下沸石多呈板状[图5(g)、(h)]；通过X射线衍射分析，沸石含量约为3.8%。在凝灰质溶蚀孔中可见表面洁净的长石晶体；通过能谱分析，其成分为钠长石，充填于凝灰质溶蚀孔内。

4 储集空间特征

通过对196个样品进行常规气测孔隙度和渗透率测试，并结合X射线衍射分析及镜下薄片鉴定，确定不同岩石类型的储集空间、储集物性及含油性特征(表2)。结果显示，粉砂质砂屑云岩、凝灰质粉砂岩和粉砂质凝灰岩储集物性最好，含油性为油迹，其次为凝灰质云岩和云质凝灰岩，含油性为油斑-荧光，泥晶云岩、云质泥岩及凝灰质泥岩物性最差。

表2 各类岩石储层特征参数Tab.2 Reservoir Parameters of Each Rock

注：样品采自J174井。

吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层成岩作用复杂，孔渗相关性差，纳米级孔隙发育[33]，因此，仅仅利用宏观物性不能很好地表征储层的储集物性，需要将铸体薄片、激光共聚焦显微镜、扫描电镜、恒速压汞等分析测试方法相结合，对储层的储集性能及差异进行精细刻画。

通过铸体薄片和扫描电镜观察发现，泥晶云岩储层的储集空间不发育，仅可见白云石晶间孔[图6(a)、(b)]，整体物性较差。气测孔隙度实验数据表明，其孔隙度为1.2%～5.8%，平均值为4.9%，渗透率为0.004～0.018 mD，平均值为0.007 mD；恒速压汞测试表明其排驱压力高，可达10.30 MPa；激光共聚焦显微镜观察发现该类储层的储集空间少，孔隙多呈孤立状，孔喉连通性差[图7(a)～(c)]。粉砂质砂屑云岩储集空间十分发育，多为长石溶蚀形成的粒内孔、铸模孔以及少量凝灰质溶蚀孔[图6(c)、(d)]。这类储层孔隙度较高，气测孔隙度为14.5%～19.9%，平均值为16.4%，渗透率为0.245～1.100 mD，平均值可达0.552 mD；恒速压汞测试表明其排驱压力低，仅为0.85 MPa左右；结合激光共聚焦显微镜观察，发现该类储层的储集空间孔喉连通性好[图7(d)～(f)]。凝灰质云岩储集空间以分散状凝灰质、团块状或条带状凝灰质岩屑及尖棱角状的长英质火山碎屑溶蚀孔为主[图4(g)]，鲕粒白云岩中凝灰质核心也发生溶蚀[图4(h)]，其孔隙度和渗透率中等，恒速压汞测试表明其排驱压力约为6 MPa，孔喉连通性中等。

凝灰质粉砂岩储集空间以粉—细砂级长石颗粒内部及边缘、中基性火山岩岩屑及分散状混积的凝灰质次生溶蚀孔为主，溶蚀孔内有沸石和自生石英充填[图6(e)、(f)]。这类储层储集物性较好，孔隙度平均值为14.2%，渗透率平均值为0.148 mD，恒速压汞测试表明其排驱压力值较小，孔喉连通性较好。云质泥岩孔隙不发育，在扫描电镜下可见少量的晶间孔及少量微裂缝[图6(g)、(h)]，其储集物性较差。

粉砂质凝灰岩的储集空间与凝灰质粉砂岩类似，溶蚀孔内常有沸石及大量伊蒙混层矿物充填[图6(i)]，其储集物性较好，孔隙度平均值为13.7%，渗透率平均值为0.181 mD，排驱压力较小。云质凝灰岩以凝灰质溶蚀孔为主，发育一定量的晶间孔，孔隙度中等，渗透率较低，排驱压力较高，溶蚀孔隙多呈孤立状，连通性差[图7(g)～(i)]。

5 储层成岩作用与储集空间的关系

2.5D图像中，绿色表示孔隙位置，高度表示识别出来的孔隙发育程度；3D图像中，绿色范围表示孔隙及吼喉连通性图7 孔隙激光共聚焦显微镜和扫描电镜图像Fig.7 CLSM and SEM Images of Pores

图8 各类岩石孔隙度与渗透率关系Fig.8 Relationship Between Porosity and Permeability of Each Rock

不同岩类储层发育不同的储集空间，不仅受岩石组分和结构的影响，也与储层遭受的关键成岩作用密切相关[38-39]。碳酸盐岩类储层以白云石和云质砂屑为主。泥晶云岩的成分组成较单一，遭受了较强的压实作用改造，可形成大量的缝合线作为后期烃类运移通道，胶结和溶蚀作用弱，其储集空间主要是泥晶云岩在后期埋藏过程中发生重结晶作用形成的，储集物性差(图8)。对于粉砂质砂屑云岩，由于云质砂屑具有一定的抗压性，该类储层遭受的压实作用中等。本区储层镜质体反射率(Ro)为0.58%～1.20%，自晚三叠世开始进入生油阶段，在中侏罗世进入大量生烃阶段，为芦草沟组第一个成藏期[40]。葸克来等研究发现，早侏罗世包裹体的均一温度为50 ℃～70 ℃，此阶段有机质产生的大量有机酸得以保存，结合芦草沟组致密油储层的沉积特征，储层具有源储一体与源储互层的特征，有机酸能快速进入储层[27,40]，导致溶蚀作用强，形成大量的铸模孔，且连通性好，从晚白垩世至今，埋藏温度为120 ℃，烃源岩仍处于低熟—成熟阶段，在此过程中也伴随有机酸的产生，部分有机酸在高温下发生分解，对储层物性在一定程度上有所改善。粉砂质砂屑云岩储层也经历了胶结作用改造，具有一定的破坏性，但胶结物含量为1.2%～5.3%，因此，储层仍以溶蚀作用的影响为主，储集物性好(图8)。凝灰质云岩物性较粉砂质砂屑云岩差(图8)。

陆源碎屑岩类储层以粉—细砂级长英质矿物和岩屑颗粒为主，具有一定的抗压实能力。块状凝灰质粉砂岩储层储集空间以长石、岩屑以及分散状凝灰质和团块状凝灰质岩屑等次生溶蚀孔为主，这类物质在溶蚀过程中易形成伊蒙混层、绿泥石等黏土矿物充填在溶蚀孔隙中。根据X射线衍射分析数据，长石含量与黏土矿物含量成明显的负相关关系(图9)。通过统计黏土矿物含量与孔隙度、渗透率的关系发现，孔隙度与黏土矿物含量成负相关关系，表明黏土矿物对孔隙造成一定程度的堵塞[图10(a)]，而渗透率与黏土矿物含量相关性较差，推测其受微裂缝影响较大[图10(b)]。同时，碳酸盐胶结对储集空间也具有一定的破坏性，块状凝灰质粉砂岩储层储集物性中等—好(图8)。纹层状云质泥岩以压实作用为主，对储集空间的破坏强，储集物性差(图8)。

图9 黏土矿物与长石含量关系Fig.9 Relationship Between Contents of Clay Mineral and Feldspar

图10 黏土矿物含量与孔隙度、渗透率关系Fig.10 Relationships Between Porosity, Permeability and Contents of Clay Mineral

火山碎屑岩类中以空落或水流搬运而来的中基性火山岩岩屑及凝灰质为主，具有酸不稳定性。块状粉砂质凝灰岩储层与凝灰质粉砂岩类似，其遭受较强的溶蚀作用改造，由于黏土矿物的充填对孔隙有一定的堵塞，同时也有自生钠长石、沸石及碳酸盐矿物伴生，增强了储集空间的复杂性，储层中胶结物含量较低，对储集空间的影响小于压实作用和溶蚀作用，这类储层储集物性中等—好(图8)。云质凝灰岩的压实作用中等，分散状凝灰质发生溶蚀，但多有黏土矿物、沸石及碳酸盐矿物充填堵塞孔喉，其储集物性较块状粉砂质凝灰岩差(图8)。

6 结 语

(1)准噶尔盆组致密油储层主要成岩作用有压实作用、溶蚀作用、胶结作用，不同岩类中成岩作用的强度及表现形式不同。碳酸盐岩类中，泥晶云岩经历强压实，致密程度高，胶结和溶蚀作用基本不发育，粉砂质砂屑云岩及凝灰质云岩压实作用中等，粉—细砂级长石及凝灰质强溶蚀，发育少量的碳酸盐胶结物；陆源碎屑岩类中，凝灰质粉砂岩压实作用中等，溶蚀作用较强，溶蚀孔隙中有较多的黏土矿物充填，胶结物以碳酸盐矿物为主，云质泥岩以强压实作用为主；火山碎屑岩类中，粉砂质凝灰岩和云质凝灰岩压实作用中等，以凝灰质溶蚀为主，溶孔中发育伊蒙混层等黏土矿物、沸石、钠长石及碳酸盐胶结物。

(2)不同岩类储集空间及储集物性存在差异。泥晶云岩、云质泥岩及泥质凝灰岩基本不发育储集空间，可见纳米级晶间孔、有机质孔等，储集物性差；粉砂质砂屑云岩、粉砂质凝灰岩及凝灰质粉砂岩发育长石粒内和粒间溶蚀孔、铸模孔及凝灰质溶蚀孔，连通性较好，储集物性好；凝灰质云岩和云质凝灰岩发育分散状凝灰质溶蚀孔、团块状或条带状凝灰质岩屑溶蚀孔及尖棱角状的长英质溶蚀孔，连通性较好，储集物性中等。

(3)不同岩类的储集空间是各种成岩作用叠加改造的结果。泥晶云岩、云质泥岩及泥质凝灰岩以强压实作用为主，其余岩类主要以压实减孔和溶蚀增孔改造为主，胶结作用的致密化影响较小。