程樂利，印森林，萬友利，王 劍,4，馮興雷，李學仁，曾勝強

(1.長江大學 錄井技術與工程研究院，湖北 荊州 434023；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081；3.自然資源部 沉積盆地與油氣資源重點實驗室，成都 610081；4.西南石油大學 地球科學與技術學院，成都 610500)

羌塘盆地位于特提斯構造域東段，經(jīng)眾多學者在基礎地質(zhì)、石油地質(zhì)等方面的研究，初步證實羌塘盆地具有較好的油氣潛力[1-6]，是青藏地區(qū)油氣資源潛力最大、最有希望取得勘探突破的地區(qū)[3]。

近年來，對于羌塘盆地石油地質(zhì)條件的認識不斷深入，取得了大量新進展，這些新進展和認識聚焦于巖相古地理[4-5]、盆地性質(zhì)及構造演化[2, 5-6]、烴源巖[7-9]和保存條件等方面[5, 8-10]，油氣儲層成果較少。上三疊統(tǒng)巴貢組砂巖儲層是羌塘盆地的2大重點儲集層系之一，主要以低孔低滲為主[1,5]。孫冬勝等[11]在南羌塘坳陷查郎拉地區(qū)的儲層研究中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)肖茶卡組三段碎屑巖物性非常致密，儲集空間主要為次生溶蝕孔，粒間及粒內(nèi)溶孔多見，少量鑄?？准拔⒘芽p；胡俊杰等[12]對沃若山地區(qū)的上三疊統(tǒng)土門格拉組砂巖儲層進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)砂巖儲層以巖屑石英砂巖為主，壓實作用導致原生孔隙所剩無幾，而次生孔隙以粒間孔、鑄?？诪橹?。上述學者就該套儲層及其沉積特征等方面開展了工作，但致密過程中的成巖作用影響尚未開展系統(tǒng)研究。

近年來，我國石油工作者在致密砂巖類型儲層中獲得了大量油氣新發(fā)現(xiàn)，同時在致密砂巖成巖特點[13-17]和綠泥石保孔機制[18-20]等方面取得了大量新認識。在孔隙演化方面，利用回歸擬合進行面孔率和孔隙度的換算[21]、以壓實分段來實現(xiàn)機械壓實與熱壓實校正[22-24]等方法均取得了較好效果。將這些新認識和新思路應用到羌塘盆地的致密砂巖儲層研究中，將有助于在該地區(qū)早日實現(xiàn)油氣發(fā)現(xiàn)。本文以北羌塘坳陷中南部的4條上三疊統(tǒng)典型露頭剖面為研究對象，借助鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射及流體包裹體測溫等測試分析手段，探討其成巖作用特征和孔隙演化規(guī)律，為下步的勘探部署工作提供參考。

1 地質(zhì)背景

羌塘盆地北界為可可西里—金沙江縫合帶，南界為班公湖—怒江縫合帶，整體呈近東西向長條狀展布[5]，構造格局具有“兩坳一隆”[2]的特點，可劃分為南羌塘坳陷、中央隆起帶和北羌塘坳陷3個一級構造單元[1](圖1)。在考慮細分精度、使用方便的前提下，將北羌塘坳陷上三疊統(tǒng)地層劃分為藏夏河組、肖茶卡組、甲丕拉組、波里拉組、巴貢組以及那底崗日組。其中那底崗日組代表上三疊統(tǒng)頂部的火山巖—火山碎屑巖組合，藏夏河組代表坳陷北部的砂泥質(zhì)深水復理石組合，肖茶卡組代表坳陷西南部菊花山、甜水河一帶的灰?guī)r組合。在坳陷的中南部沿用結扎群的三分方案，用甲丕拉組、波里拉組和巴貢組來分別代表紫紅色碎屑巖組、碳酸鹽巖組和含煤碎屑巖組。

2 儲層巖石學特征

對采自北羌塘坳陷沃若山、才多茶卡、麥多以及扎那隴巴4個實測剖面(圖1)的砂巖樣品進行鏡下分析。研究區(qū)巴貢組發(fā)育6種類型砂巖：巖屑石英砂巖(37.7%)、巖屑砂巖(25.5%)、長石巖屑砂巖(18.2%)、巖屑長石砂巖(13.6%)，長石石英砂巖和石英砂巖占比較小。砂巖總體粒度較細，分選較好，磨圓均為次棱角狀，膠結類型以壓嵌型、孔隙—次生加大型、次生加大型和次生加大—壓嵌型為主，極少基底型和凝塊型，孔隙型膠結未見發(fā)育?？紫抖染禐?.31%，滲透率主要在(0.001～0.01)×10-3μm2之間(圖2)，屬于超低孔超低滲儲層。

圖1 羌塘盆地構造分區(qū)及實測剖面位置

圖2 羌塘盆地北羌塘坳陷上三疊統(tǒng)巴貢組砂巖物性分布

3 成巖作用類型及特征

3.1 壓實作用

研究區(qū)總體上壓實強烈，表現(xiàn)為顆粒間緊密接觸(圖3a)、長形顆粒定向排列、塑性顆粒變形及脆性顆粒被壓裂等。在鏡下常見云母等片狀礦物順層排列，以及云母被壓彎，甚至折斷(圖3b)。不同粒度的砂巖之間，中砂巖的壓實強度明顯小于極細砂巖。

3.2 膠結作用

膠結作用普遍發(fā)育，在各地區(qū)均有分布，也是使儲層物性變差的重要原因之一[24]。膠結物的類型主要為硅質(zhì)膠結和自生黏土礦物膠結，其次為碳酸鹽膠結等。

3.2.1 硅質(zhì)膠結

硅質(zhì)膠結物常以集合體或次生加大充填于孔隙及喉道中，在石英砂巖中，石英次生加大級別可達Ⅲ級，嚴重堵塞了粒間孔隙，并降低了儲層滲透率，顆粒間呈線—凹凸接觸。硅質(zhì)主要有2種來源：首先為壓溶作用，在加大邊與石英顆粒之間見黏土“臟線”(圖3c)，表明早期硅質(zhì)膠結晚于黏土膜的形成；其次為鉀長石溶解，在掃描電鏡下可見這一反應產(chǎn)生的高嶺石與自生石英共生(圖3d)。

圖3 羌塘盆地北羌塘坳陷巴貢組砂巖顯微特征

a.顆粒緊密排列，呈線—凹凸接觸，×100，(+)，沃若山；b.云母顆粒被壓斷，×200，(+)，扎那隴巴；c.石英次生加大發(fā)育，顆粒邊緣見“臟線”，×200，(+)，才多茶卡；d.自生石英晶形完好，與高嶺石共生，見剩余粒間孔，才多茶卡；e.自生片狀伊利石充填粒間，沃若山；f.顆粒被高嶺石完全交代，扎那隴巴；g.顆粒緊密接觸，粒間發(fā)育伊利石膜，沃若山；h.粒間充填綠泥石襯里，壓實作用強烈，粒間孔隙消失，沃若山；i.早期碳酸鹽基底式膠結，云母顆粒未變形，壓實較弱，×100，(+)，沃若山

Mi. 云母；Oq. 石英次生加大；Q. 石英；Ka. 高嶺石；Il. 伊利石；Chl. 綠泥石邊

Fig.3 Microphotographs showing microscopic characteristics of sandstones in Bagong Formation, North Qiangtang Depression,Qiangtang Basin

3.2.2 黏土礦物膠結

研究區(qū)的自生黏土礦物主要為伊利石、高嶺石和伊蒙混層，綠泥石和蒙脫石占比較小。

(1)伊利石大多晶形較好，主要以片狀、不規(guī)則彎曲片狀充填于孔隙(圖3e)，部分以包膜形式生長于顆粒表面(圖3g)，或以絲縷狀與片狀伊利石伴生。在早成巖階段伊利石生成較少，在中成巖階段通過黏土礦物(高嶺石、蒙皂石)、長石及巖屑經(jīng)過蝕變形成[25-26]。研究區(qū)砂巖中大部分只含鉀長石或高嶺石，其余樣品的鉀長石含量均低于6%，二者僅能微量共存，而巴貢組地層經(jīng)歷的最高地溫可達178 ℃[27]，因此呈片狀充填和絲縷狀伴生的伊利石主要為高嶺石轉(zhuǎn)化形成[13, 28]，以顆粒包膜形式產(chǎn)出的伊利石則多為蒙皂石轉(zhuǎn)化而來[29]。

(2)高嶺石分布差異較大，在沃若山剖面僅底部含有高嶺石，其余3個剖面均有分布。砂巖中高嶺石的成因可分為沉積成因和自生成因2種[30]，沉積成因的高嶺石形態(tài)不完整且多呈碎片狀[14]；而自生成因的高嶺石晶體完整。研究區(qū)高嶺石多充填于剩余粒間孔(圖3d)或長石溶孔(圖3f)中，單晶呈完整的六方片狀，集合體呈蠕蟲狀、書頁狀，因此巴貢組中的高嶺石應為自生成因。

(3)綠泥石以孔隙襯里(圖3h)和針葉狀充填粒間的形態(tài)產(chǎn)出。根據(jù)鐵質(zhì)的來源，綠泥石襯里的成因分2種：同生期黏土膜轉(zhuǎn)化和富鐵鎂物質(zhì)的再結晶[18]。由于顆粒接觸處沒有綠泥石發(fā)育，綠泥石襯里主要為再結晶成因。泥巖微量元素分析結果[6]表明，物源以長英質(zhì)為主，鐵鎂質(zhì)極少。由于缺乏鐵鎂質(zhì)來源，綠泥石襯里發(fā)育情況不佳，主要見于才多茶卡剖面，其他3個剖面極少發(fā)育，其中扎那隴巴剖面的砂巖中基本不含綠泥石。綠泥石襯里一般形成于成巖作用較早階段，通常認為這種綠泥石能夠抑制石英的次生加大，并顯著提高巖石的機械強度和抗壓實能力，對于儲層物性的發(fā)育有著良好的建設性作用[19-20]。粒間充填的針葉狀綠泥石形成較晚，主要由伊利石、蒙脫石等其他黏土礦物轉(zhuǎn)化形成，部分源自孔隙流體的直接結晶[28]，含量較少，一般分布于較大孔隙中，對儲層物性有破壞作用。

(4)蒙脫石。巴貢組露頭中的蒙脫石可能是地層出露后在表生成巖階段的產(chǎn)物，含量較低，占黏土礦物總量的1%～5%，僅在沃若山剖面較多，說明表生成巖階段對于沃若山地區(qū)有一定影響，其他剖面則基本不受影響。

3.2.3 碳酸鹽膠結

碳酸鹽膠結物可分為2個期次：第一期為呈基底式膠結的碳酸鹽灰泥，可見碎屑顆粒呈漂浮狀，壓實改造影響較小(圖3I)，說明膠結于機械壓實之前，常形成于常溫常壓條件下，為同生期、準同生期產(chǎn)物；第二期為鑲嵌結構的白云石、(鐵)方解石膠結，多呈晶粒結構充填于粒間溶蝕孔[12]，此類白云石可部分交代碎屑顆粒，多形成于晚成巖期。

3.2.4 自生礦物

自生礦物主要為黃鐵礦和菱鐵礦，僅部分樣品有少量分布，為成巖早期產(chǎn)物。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用屬于建設性成巖作用。由于早期溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙在后期壓實中難以保存，因此現(xiàn)有次生溶孔主要來自晚期，發(fā)生于強烈壓實之后。研究區(qū)中的被溶蝕組分有長石、巖屑和碳酸鹽膠結物，表現(xiàn)形式有：①長石(圖3f，3h)、巖屑及石英等碎屑顆粒被不同程度溶蝕，其中長石溶蝕形成的鑄?？准傲?nèi)孔最常見；②方解石膠結物大多被溶蝕形成晶間及晶內(nèi)溶孔，局部強烈溶蝕形成溶孔。

3.4 交代作用

最常見的交代作用是白云石交代石英、長石，在局部地區(qū)十分強烈，使碎屑顆粒邊緣呈鋸齒或殘骸狀，甚至徹底消失；其次為黏土礦物交代砂巖中的各種組分，被交代的主要為石英、長石、方解石等，可見長石顆粒完全蝕變成為高嶺石(圖3f)。

3.5 破裂作用

羌塘盆地經(jīng)歷了漫長而劇烈的構造活動，形成了大量以近東西向為主的裂縫[1, 10]。在鏡下，根據(jù)產(chǎn)狀可分為沿顆粒邊緣延伸的微裂縫和貫穿顆粒的微裂縫；在地表有大量垂直于層面裂縫成組出現(xiàn)，并相互切割。裂縫可極大地提高砂巖儲滲性能[31]，但對油氣保存不利。

4 成巖演化和成巖相

4.1 成巖階段

4.1.1 成巖階段劃分

通過有機質(zhì)成熟度、埋藏史曲線、成巖作用特征及包裹體溫度進行成巖階段劃分：

(1)有機質(zhì)熱成熟度。上三疊統(tǒng)烴源巖的熱演化程度較高，中西部地區(qū)(沃若山、扎那隴巴)泥巖均處于高成熟階段[7]；北部地區(qū)(明鏡湖、藏夏河)泥巖處于過成熟階段[5]。

(2)埋藏史。據(jù)埋藏史曲線[5]，研究區(qū)的中生界地層均經(jīng)歷反復的沉降—上升過程，本次采樣所處的坳陷南部埋深稍淺，而內(nèi)部深埋區(qū)的最大埋深可達7 km。

(3)成巖作用。①壓實強烈，以線—凹凸接觸為主，塑性顆粒強烈變形，石英顆粒破碎；②固結程度高，早期碳酸鹽膠結物不發(fā)育，后期發(fā)育亮晶白云石、方解石膠結，石英次生加大級別可達Ⅲ級；③黏土礦物中蒙脫石不發(fā)育，僅存的少量I/S混層中蒙皂石含量均為10%，達有序混層階段；④次生孔隙較發(fā)育，可見大量長石和巖屑等易溶組分的溶蝕孔。

(4)包裹體溫度。對東部地區(qū)巴貢組石英顆粒裂縫中的包裹體進行了測溫，獲得的最晚一期主峰為165～175 ℃，相鄰地區(qū)砂巖方解石脈的包裹體測溫最大達159 ℃[9]；而在沃若山地區(qū)方解石脈中得到的包裹體均一溫度為109 ℃和178 ℃[27]。

綜合上述特點，參考酸性水介質(zhì)碎屑巖成巖階段劃分方案[32]，認為巴貢組已進入中成巖B期—晚成巖階段。本次采樣地點位于北羌塘坳陷邊緣地區(qū)，埋藏較淺，在燕山運動中被抬升，經(jīng)歷的最晚成巖階段為中成巖B期。而由于抬升幅度小、后續(xù)接受了白堊紀—第四紀的巨厚沉積物覆蓋，推測坳陷內(nèi)部的巴貢組地層已經(jīng)完全進入晚成巖階段。

4.1.2 成巖演化序列

沉積物埋藏后，壓實作用最早發(fā)生，隨著孔隙水的排出、塑性顆粒變形，碎屑顆粒重新排列成相對穩(wěn)定的巖石骨架。呈碳酸鹽基底式膠結的砂巖中，顆粒呈懸浮狀，說明存在早期的碳酸鹽膠結。綠泥石膠結物呈孔隙襯里形態(tài)產(chǎn)出，說明綠泥石主要形成于顆粒固結后。在長石、巖屑等被溶顆粒中有高嶺石、伊利石等充填，說明主要黏土礦物的膠結晚或同步于溶蝕作用。而亮晶白云石交代石英顆粒、或以次生加大充填于溶蝕孔隙，表明其形成于中晚階段的堿性環(huán)境。因此主要成巖序列依次為早期壓實→早期黏土礦物形成→早期方解石膠結→早期硅質(zhì)膠結→溶蝕作用→晚期黏土礦物形成→晚期碳酸鹽膠結→晚期硅質(zhì)膠結。

4.2 成巖相劃分

劃分成巖相的目的在于為后續(xù)的孔隙演化分析提供基礎。本文兼顧分類的實用性和指向性[15]，采用“成巖特征對物性影響”的方案，選取壓實強度、碳酸鹽膠結物含量、面孔率、實測物性等參數(shù)，劃分為強溶蝕、綠泥石膠結、碳酸鹽膠結和強壓實壓溶成巖相(表1)。

(1)強溶蝕成巖相：主要為長石石英砂巖及巖屑長石砂巖，壓實作用弱，碳酸鹽和綠泥石膠結物少，見少量剩余粒間孔，溶蝕孔隙極為發(fā)育，是物性最好的類型。

(2)綠泥石膠結成巖相：以長石巖屑砂巖及巖屑石英砂巖為主，碳酸鹽膠結物少，綠泥石膠結物發(fā)育，溶蝕孔隙發(fā)育，物性相對較好。

(3)碳酸鹽膠結成巖相：以長石巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主，碳酸鹽膠結物普遍發(fā)育，綠泥石膠結物不發(fā)育，鏡下見大量碳酸鹽膠結物溶蝕孔，物性僅次于前兩類。

(4)強壓實壓溶成巖相：主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，少量石英砂巖，壓實作用強，顆粒間呈縫合線—凹凸接觸，碳酸鹽膠結物和綠泥石膠結物含量低，是物性最差的類型。

5 孔隙演化特征

根據(jù)文獻[22,24]“壓實分段”的計算思路，由于缺乏鉆井資料制作壓實曲線，本文以各深度段對應的地層厚度比例來分配壓實減孔率，在計算中成巖B期的最大埋深時，取剖面樣品的Ro均值(1.55%)作為埋深最大時的熱演化程度。

表1 羌塘盆地北羌塘坳陷上三疊統(tǒng)巴貢組儲層成巖相類型及特征

5.1 孔隙度變化的定量計算

5.1.1 初始孔隙度的恢復

通過薄片與Beard圖版[33]對比[22]，得到不同成巖相的分選系數(shù)，從強溶蝕相、綠泥石膠結相、碳酸鹽膠結相到強壓實相的均值分別為1.35，1.40，1.41，1.55。據(jù)此可得出其初始孔隙度分別為37.8%，37.3%，37.1%，35.7%。

5.1.2 成巖作用導致的孔隙度變化

由于面孔率與孔隙度并不完全相等，借助面孔率和常規(guī)物性孔隙度之間的關系，可將面孔率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真孔隙度進行使用[23]。

(1)壓實作用減孔率計算。由于壓實的不斷進行，壓實后巖石體積小于原始體積。本文通過計算巖石體積減少量VR來表征壓實作用減少的孔隙體積(即壓實作用減孔量)[21]，簡要表述為：

VR=V0-VC

(1)

VC=VCS+VCM+VCP

(2)

在假設壓實過程中骨架顆粒只發(fā)生移動重排而無磨損減小的情況下，剩余的骨架顆粒體積VCGS與粒內(nèi)溶孔體積VCRS之和與原始骨架顆粒體積VCG相等：

VCG=VCGS+VCRS

(3)

VCGS=VC-VCM-VC·ΦC

(4)

VCG=V0-VC·Φ0

(5)

則可得到壓實減小的孔隙度ΦCS：

(6)

式中：VR為巖石體積減少量；V0為巖石原始體積；VC為壓實后的巖石體積；VCS為溶蝕后骨架顆粒體積；VCM為剩余膠結物體積；VCP為剩余孔隙體積；VCG為原始骨架顆粒體積；VCGS為剩余骨架顆粒體積；VCRS為粒內(nèi)溶孔體積；Φ0為初始孔隙度；ΦC為實測孔隙度；ΦCM為剩余膠結物面孔率；VCPS為初始孔隙體積；ΦCRS為粒內(nèi)溶孔面孔率；ΦCS為壓實減少的孔隙度。

(2)根據(jù)主要的增減孔效應進行孔隙演化過程分段。在上文基礎上，將主要成巖作用分為4期：①早成巖A期，由壓實和綠泥石、伊蒙混層、蒙脫石、早期碳酸鹽膠結組成，整體為減孔；②早成巖B期，由壓實和硅質(zhì)膠結組成，整體為減孔；③中成巖A1期，由壓實和溶蝕組成，整體為減孔—增孔的復合效應；④中成巖A2期至中成巖B期，由壓實和硅質(zhì)、高嶺石、伊利石、晚期碳酸鹽膠結組成，整體為減孔。參考北羌塘坳陷中部的埋藏史曲線[5]，巴貢組地層Ro達到0.35%，0.5%，0.7%，1.55%時的最大埋深分別約為2 000，2 600，4 200，5 300 m，按照第①期到第④期的順序，壓實減孔率分配在各期的比重依次為37.7%，11.3%，31.1%，19.8%。利用膠結物統(tǒng)計結果和式(5)、(6)，可得強溶蝕相、綠泥石膠結相、碳酸鹽膠結相和強壓實相因壓實減少的孔隙度分別為27.1%，27.6%，22.8%，30.6%。

5.2 孔隙演化過程

根據(jù)孔隙度變化定量計算結果(表2)，可得巴貢組儲層孔隙演化曲線(圖4)： 在早成巖A期，4類成巖相的孔隙演化趨勢基本相同，隨著埋深增加，孔隙水排出，原生孔隙迅速下降，而絕大部分的減孔由壓實導致，只有綠泥石膠結相中有較強的膠結作用，但此時綠泥石環(huán)邊對巖石抗壓實幫助不大；進入早成巖B期，強溶蝕相中發(fā)生了較強的膠結作用，其他3類中壓實與膠結作用的減孔量相當，由于地層迅速深埋，因而壓實的減孔效應尚未充分體現(xiàn)；在中成巖A1期，有機酸大量生成，地層水介質(zhì)呈酸性，長石、巖屑等顆粒大量溶蝕，在強溶蝕相中增孔效應最大，綠泥石相次之；在中成巖A2至中成巖B期，地層水介質(zhì)開始由酸性向堿性轉(zhuǎn)化，碳酸鹽膠結物大量發(fā)育，碳酸鹽膠結相的膠結減孔量急劇上升，其他3類則差異不大。綜合比較4類成巖相的孔隙演化過程，壓實作用是造成孔隙減小的最主要因素；其次為膠結作用；溶蝕作用增孔效應明顯，綠泥石襯里的形成對孔隙保存有利。

表2 根據(jù)不同成巖相計算的北羌塘坳陷上三疊統(tǒng)巴貢組儲層砂巖孔隙度變量

圖4 羌塘盆地北羌塘坳陷巴貢組成巖—孔隙演化史

6 結論與認識

(1)北羌塘坳陷巴貢組主要為巖屑石英砂巖、巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖，少量長石石英砂巖和石英砂巖，總體粒度較細，成分成熟度和結構成熟度中等偏低。

(2)巴貢組主要的成巖序列為早期壓實→早期黏土礦物形成→早期方解石膠結→早期硅質(zhì)膠結→溶蝕作用→晚期黏土礦物形成→晚期碳酸鹽膠結→晚期硅質(zhì)膠結。在靠近隆起帶的淺埋區(qū)巴貢組地層處于中成巖B期，坳陷內(nèi)部的深埋區(qū)處于晚成巖階段。4類成巖相中以強溶蝕成巖相物性最好，強壓實壓溶成巖相物性最差。

(3)在考慮巖石表觀體積變化和壓實分段的前提下，進行了不同成巖相的孔隙演化定量計算。計算結果顯示，壓實作用是巴貢組儲層致密的主因，其次為膠結作用；溶蝕作用增孔效應明顯，綠泥石襯里的形成對孔隙保存有利。

(4)經(jīng)過對巴貢組儲層孔隙與成巖特點研究，建立起該區(qū)致密砂巖的成巖序列和孔隙演化模式，為優(yōu)勢儲層預測及成藏規(guī)律研究提供了重要依據(jù)。