王 劍,高崇龍,白 雷,向?qū)毩?劉 金,鮮本忠,連麗霞,劉 可

1.中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2. 中國石油 礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點實驗室, 新疆 克拉瑪依 834000;3. 新疆礫巖油藏實驗室,新疆 克拉瑪依 834000;4.中國石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū) 石油學(xué)院,新疆 克拉瑪依 834000;5.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249;6.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318

準(zhǔn)噶爾盆地南緣(簡稱準(zhǔn)南)油氣勘探歷史悠久,是中國最早開展勘探的地區(qū)之一,上世紀(jì)30年代獨山子油田的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著準(zhǔn)噶爾盆地現(xiàn)代石油工業(yè)正式起步。長期以來,準(zhǔn)南勘探以中、上組合為主要對象,發(fā)現(xiàn)了獨山子、齊古、卡因迪克等油田以及呼圖壁、瑪河等氣田,并同時發(fā)現(xiàn)了吐谷魯、霍爾果斯、安集海等一系列含油氣構(gòu)造[1-2]。2008年以來,準(zhǔn)南下組合白堊系與侏羅系的深層—超深層油氣勘探逐步深入,先后鉆探的XH1井、DS1井和DF1井在下組合儲層內(nèi)部均見良好油氣顯示。2019年GT1井在下白堊統(tǒng)清水河組(5 768～5 775 m)獲得重大勘探突破,開創(chuàng)了準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探里程碑,創(chuàng)造了當(dāng)年中國陸上碎屑巖單井直井產(chǎn)量之最。盡管處于深埋條件,但測井解釋結(jié)果顯示GT1井清水河組儲層孔隙度仍可達(dá)18.4%,而埋深更大的頭屯河組儲層平均孔隙度也可達(dá)10%,表明準(zhǔn)噶爾盆地南緣深層—超深層(±6 km)仍可發(fā)育優(yōu)質(zhì)的高效儲層[3-6]。然而,準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于北天山山前前陸沖斷帶內(nèi)部,具有較為復(fù)雜的構(gòu)造和地層埋藏演化過程,使得儲層成巖演化及物性控制因素極為復(fù)雜[7]。目前,清水河組深層儲層勘探程度較低,而有關(guān)清水河組深層—超深層儲層埋藏成巖演化規(guī)律尚不明確,成巖作用對優(yōu)質(zhì)儲層形成的影響[8-9]、優(yōu)質(zhì)儲層成因仍不清,制約了后續(xù)油氣勘探的深入。盡管前期部分學(xué)者針對其成巖作用及控制因素進(jìn)行了一定研究,但有關(guān)成巖作用如何控制深層—超深層儲層孔隙演化及不同成巖相類型與儲層質(zhì)量間的相關(guān)性尚無系統(tǒng)研究[10-12]。

據(jù)此,基于多種實驗技術(shù)手段并結(jié)合前期相關(guān)研究認(rèn)識,本次對準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)深層—超深層清水河組碎屑巖儲層開展巖石學(xué)特征、儲集特征、成巖作用等方面的精細(xì)研究,在此基礎(chǔ)上建立其成巖演化序列,劃分儲層成巖相類型,并綜合探討不同成巖相的孔隙演化過程,以期為揭示準(zhǔn)南沖斷帶深層—超深層優(yōu)質(zhì)儲層成因、明確有利儲層發(fā)育區(qū)及油氣勘探精細(xì)評價預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段四棵樹凹陷勘探面積約6 300 km2(圖1a),其北部緊鄰車排子凸起,東部為霍瑪吐背斜帶、呼安背斜帶和齊古褶皺帶,南部與依林黑比爾根山相接[4],而本次研究重點聚焦于四棵樹凹陷南部高泉地區(qū)的GT1井區(qū)(圖1b)。準(zhǔn)南白堊系自下而上發(fā)育下統(tǒng)清水河組(K1q)、呼圖壁河組(K1h)、勝金口組(K1s)、連木沁組(K1l)和上統(tǒng)東溝組(K2d)。其中目的層清水河組埋藏深度在5～6km,其底部發(fā)育區(qū)域連片的砂礫巖段(圖1c-d),受到自南西向北東方向的物源控制,主要為扇三角洲砂礫巖、砂巖成因,而砂礫巖段向上過渡為區(qū)域湖侵作用所形成的穩(wěn)定泥巖段沉積,儲蓋空間匹配十分有利。由于埋藏深度大,準(zhǔn)噶爾盆地南緣下組合異常地層超壓普遍發(fā)育,而高泉地區(qū)下組合(包括清水河組)地層壓力系數(shù)為1.69～2.28,平均值為2.07,屬于明顯的強(qiáng)超壓地區(qū)。

2 儲層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

高泉地區(qū)各鉆井取心儲層薄片鑒定顯示,儲層成分成熟度低,砂巖儲層以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主(圖2a),儲層內(nèi)部石英含量為3%～40%,平均為17.94%;長石含量為1%～33%,平均為15.17%;巖屑含量為30%～96%,平均為65.97%。其中長石碎屑以斜長石為主,鉀長石次之;巖屑以火山巖巖屑為主,其中凝灰?guī)r巖屑占主體,其含量占比在25%～92%,平均值為60.85%(圖2b),而沉積巖與變質(zhì)巖巖屑占比較低,平均值不足10%。此外,清水河組碎屑巖儲層以砂礫巖為主,儲層厚度占比達(dá)到60.95%,其次為砂巖和粉砂巖,二者占比分別為25.75%和15.25%(圖2c)。儲層碎屑顆粒磨圓度以次圓狀為主,其次為次棱角狀—次圓狀。整體而言,儲層表現(xiàn)為“高巖屑—低長石—低石英”的低成分成熟度和中等結(jié)構(gòu)成熟度特征。

高泉地區(qū)清水河組儲層內(nèi)部填隙物總含量介于2%～17%之間,平均值為6.57%,其中膠結(jié)物類型包括方解石、鐵方解石、自生石英、赤鐵礦等,雜基以粒間凝灰質(zhì)雜基為主。就不同類型填隙物比例特征來看,凝灰質(zhì)雜基相對含量占比35.68%,而膠結(jié)物中方解石相對含量占比23.31%、黃鐵礦相對含量占比19.27%、鐵方解石相對含量為9.78%、赤鐵礦相對含量為8.92%、自生石英相對含量為2.16%(圖2d)。此外,儲層內(nèi)自生黏土礦物以伊利石為主(相對含量為49.07%),其次為伊/蒙混層(相對含量為27.69%)和綠泥石(相對含量為16.07%),高嶺石的相對含量最低,為7.15%。

2.2 儲集空間類型

準(zhǔn)南高泉地區(qū)清水河組碎屑巖儲層儲集空間類型包括原生孔隙、次生孔隙和微裂縫三大類。根據(jù)62塊巖石鑄體薄片統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)清水河組儲層儲集空間中原生粒間孔隙占比53%,次生溶蝕孔隙占比36%,微裂縫占比11%,而在次生溶孔中,粒內(nèi)溶孔占比為60%,粒間溶孔占比為40%。整體而言,原生孔隙是研究區(qū)清水河組的主要儲集空間類型。

2.3 物性特征

高泉地區(qū)5口鉆井的清水河組儲層巖心樣品物性測試分析數(shù)據(jù)顯示,儲層孔隙度為0.78%～17.4%,平均值為6.2%;滲透率為(0.011～257)×10-3μm2,平均值為7.45×10-3μm2(圖3a-b),儲層整體表現(xiàn)為低孔—低滲型的致密儲層。雖然清水河組碎屑巖儲層整體表現(xiàn)為低孔—低滲特征,但從孔隙度與滲透率的散點交會圖可以看出,仍有部分儲層樣品的孔隙度介于10%～15%之間,滲透率介于(10～50)×10-3μm2之間(圖3c),即在深埋超6 km的背景下,準(zhǔn)噶爾盆地南緣清水河組仍可發(fā)育典型的超深層優(yōu)質(zhì)儲層,使其仍可保存相對較高的孔隙度與滲透率。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)白堊系清水河組儲層物性特征

3 成巖作用類型及特征

成巖作用對埋藏后儲層儲集空間及物性的演化均會產(chǎn)生重要的影響作用[13-14]。具體而言,碎屑沉積物堆積后,隨埋藏深度加大,進(jìn)入與原始沉積時期不同的成巖環(huán)境。因此,在溫度、壓力、流體性質(zhì)等因素不斷發(fā)生變化的條件下,沉積物組分之間、沉積物組分與孔隙水之間會發(fā)生一系列的成巖變化[15-16]。本次研究通過鏡下薄片鑒定、掃描電鏡觀察并結(jié)合能譜分析,對準(zhǔn)噶爾盆地南緣高泉地區(qū)清水河組砂礫巖儲層主要發(fā)育的成巖作用類型,即機(jī)械壓實作用、膠結(jié)作用和溶解作用進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.1 壓實作用

研究區(qū)清水河組砂礫巖儲層埋藏深度較大,普遍經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的壓實作用[17-20],主要表現(xiàn)為顆粒(如石英、長石)發(fā)生破碎(圖4a)及塑性顆粒(如泥巖碎屑、云母)的彎曲變形(圖4b)。通常在埋藏過程中,隨著上覆地層有效應(yīng)力的增大,骨架顆粒將重新排列,碎屑顆粒間的接觸方式逐漸由點接觸調(diào)整為線接觸,使得原生孔隙大量減少,儲層的孔隙度及滲透率在短時間內(nèi)迅速下降。但值得注意的是,清水河組底部砂礫巖儲層大礫石顆粒間普遍充填粒度較小的碎屑顆粒,進(jìn)而使得顆粒間接觸面積大大增加,清水河組砂礫巖儲層的這種粒度結(jié)構(gòu)特征雖然一定程度上造成初始孔隙度較低,但卻使得機(jī)械壓實所造成的孔隙度損失相對較小,使得砂礫巖儲層在較大的埋藏深度下仍存在相當(dāng)數(shù)量的剩余粒間孔。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)清水河組砂礫巖儲層成巖作用

3.2 膠結(jié)作用

高泉地區(qū)清水河組砂礫巖儲層膠結(jié)作用類型多樣,膠結(jié)作用對儲層的物性同樣起重要的控制作用。按膠結(jié)物的類型,清水河組儲層內(nèi)部主要發(fā)育硅質(zhì)膠結(jié)(自生石英微晶和石英次生加大)、碳酸鹽膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)是碎屑巖儲層中普遍存在的自生膠結(jié)礦物類型之一。研究區(qū)清水河組碎屑巖儲層中的硅質(zhì)膠結(jié)作用較為常見,但整體含量較低。硅質(zhì)膠結(jié)物的類型包括自生微晶石英與石英次生加大邊。石英加大邊主要沿石英碎屑顆粒的邊緣呈“半包圍”狀態(tài)生長,由于存在“塵線”邊緣,因此,可以與顆粒邊緣相區(qū)分(圖4c)。另一種硅質(zhì)膠結(jié)物自形微晶石英常與火山凝灰質(zhì)雜基相伴生,自形程度較好(圖4d)。

3.2.2 碳酸鹽膠結(jié)

研究區(qū)清水河組碎屑巖儲層碳酸鹽膠結(jié)以方解石、鐵方解石膠結(jié)為主。其中方解石平均含量為23.31%,鐵方解石平均含量為9.78%。自生方解石膠結(jié)物存在兩種產(chǎn)出狀態(tài),一種以斑狀形態(tài)充填于粒間孔隙,結(jié)晶程度差,較為常見(圖4e);另一種以脈狀形態(tài)充填于粒間孔隙內(nèi)部,礦物晶形好,但不常見(圖4f)。鐵方解石主要沿方解石外側(cè)分布,部分可見鐵方解石交代方解石現(xiàn)象(圖4g)。

3.2.3 鐵質(zhì)膠結(jié)

鐵質(zhì)自生膠結(jié)物在清水河組儲層中常見,主要發(fā)育黃鐵礦與赤鐵礦兩種類型。黃鐵礦膠結(jié)物可區(qū)分為早、晚兩期,早期黃鐵礦由于顆粒間孔隙大且連通性好,使其分布面積大,呈斑狀充填于粒間孔隙內(nèi)部(圖4h)。而晚期自生黃鐵礦由于受壓實作用影響,呈較小的球粒狀充填孔隙或交代顆粒邊緣(圖4i)。赤鐵礦鏡下單偏光呈褐色,反射光下呈磚紅色,反映清水河組埋藏演化過程中存在過暴露的氧化環(huán)境(圖4j)。

3.2.4 黏土礦物膠結(jié)

研究區(qū)清水河組儲層自生黏土礦物膠結(jié)物種類多樣,包括綠泥石、伊利石、伊/蒙混層和高嶺石。其中綠泥石自形程度較高,呈葉片狀覆蓋于顆粒表面(圖4k),有助于增強(qiáng)儲層的抗壓實性,并且可抑制自生石英的生長,進(jìn)而使得粒間孔隙得以一定程度保存(圖4n),但綠泥石包殼厚度較大時,也會堵塞喉道,減小有效儲集空間。高嶺石通常呈書頁狀充填在原生粒間孔及次生溶蝕孔之中,高嶺石之間的晶間孔也可以作為有效的儲集空間(圖4l)。伊利石及伊/蒙混層黏土礦物常以搭橋狀、蜂窩狀附著于顆粒表面(圖4m)。

3.3 溶蝕作用

儲層中的碎屑礦物可以通過溶蝕作用形成次生孔隙進(jìn)而改善儲層物性質(zhì)量。清水河組儲層內(nèi)部碎屑顆粒溶蝕以凝灰?guī)r巖屑溶蝕為主,鏡下常見凝灰?guī)r巖屑內(nèi)部的長石質(zhì)晶屑或玻屑被“選擇性”溶蝕,其次為長石顆粒的溶蝕(圖4o)。而雜基溶蝕作用指的是顆粒間的火山凝灰質(zhì)雜基發(fā)生溶蝕(圖4c-d),雜基溶蝕后形態(tài)呈不規(guī)則狀,可見不規(guī)則“絲縷狀”與“蜂窩狀”(圖4p)。

3.4 破裂作用

清水河組碎屑巖儲層破裂作用屬壓實及構(gòu)造擠壓成因,表現(xiàn)為碎屑顆粒內(nèi)部的壓碎縫、粒內(nèi)縫及粒緣縫,部分裂縫延伸距離較遠(yuǎn)并且出現(xiàn)分叉,呈相互切割狀。此外,儲層內(nèi)部裂縫寬度一般不大,多在0.1～0.5 mm之間,個別微裂縫寬度小于1 μm(圖4a,i,l)。裂縫的發(fā)育對于改善儲層物性,特別是滲透率具有重要意義。同時還可見沿裂縫發(fā)育的碎屑顆粒溶蝕現(xiàn)象(圖4l),說明裂縫除可擴(kuò)大儲層孔隙空間外,對于促進(jìn)次生孔隙的發(fā)育具有一定積極意義,其可以起到溝通并促進(jìn)酸性成巖流體循環(huán)滲流的作用,導(dǎo)致儲層物性具有一定程度的改善。

4 儲層成巖演化序列

4.1 自生成巖礦物期次

4.1.1 硅質(zhì)膠結(jié)

自生微晶石英形成于早成巖期,儲層內(nèi)部凝灰質(zhì)成分中富含SiO2、Al2O3、CaO、K2O、FeO、Na2O等化合物,在相對低溫的酸性條件下(<50 ℃)發(fā)生水化蝕變,并釋放出SiO2形成無定形硅,后無定形硅發(fā)生重結(jié)晶,形成自生的微晶石英。

石英次生加大邊存在兩期膠結(jié)特征(圖5a),具體而言, Ⅰ期石英加大邊相對富含TiO2、FeO,而Al2O3含量低,其中TiO2含量能反映地表風(fēng)化強(qiáng)度,較高的TiO2含量表明該期石英加大與沉積初期或構(gòu)造抬升期的地表大氣淡水成因有關(guān),孔隙間凝灰質(zhì)火山灰發(fā)生地表溶蝕而析出Fe元素,進(jìn)而使早期硅質(zhì)加大邊中富含F(xiàn)e元素(圖5b)。相比而言,Ⅱ期石英加大邊TiO2、FeO含量相對低,而Al2O3含量高,說明該期石英加大邊可能與埋藏過程中深部酸性流體(有機(jī)酸)溶蝕長石礦物有關(guān)(圖5b)。上述兩期石英次生加大也說明研究區(qū)清水河組存在兩期酸性成巖流體環(huán)境。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)GHW001井清水河組砂礫巖不同期次石英加大邊特征

4.1.2 方解石膠結(jié)

研究區(qū)方解石膠結(jié)存在兩期,Ⅰ期方解石主要呈孤立的“點狀”充填于粒間孔隙內(nèi)部,具有較低的Mn/Fe比,為早期的大氣淡水淋濾成因的自生方解石,形成時間早,并形成于較為開放的成巖環(huán)境(圖6a)。Ⅱ期方解石以連晶狀方解石為主,晶體大自形程度高,具有較高M(jìn)n/Fe比,表明該期方解石的形成與深部流體有關(guān)(圖6b)。上述兩期方解石膠結(jié)過程同樣揭示了研究區(qū)清水河組存在早、晚兩期堿性成巖流體環(huán)境。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)GHW001井清水河組砂礫巖不同期次方解石膠結(jié)物特征

4.2 成巖流體期次

碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素數(shù)據(jù)顯示,清水河組多數(shù)巖心樣品與野外露頭樣品中的方解石“碳”來源包括大氣淡水淋濾成因和有機(jī)質(zhì)熱脫羧成因[21-23](圖7)。上述分析進(jìn)一步驗證了研究區(qū)清水河組演化過程中存在大氣淡水與有機(jī)酸2種成巖流體成因。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū) 清水河組碳酸鹽膠結(jié)物的成因圖版 據(jù)文獻(xiàn)[23]修改。A.有機(jī)質(zhì)熱成熟脫羧成因;

流體包裹體特征與均一溫度顯示,清水河組碎屑巖儲層中流體包裹體主要發(fā)育于石英微裂縫、石英次生加大邊和方解石膠結(jié)物中,可區(qū)分出氣態(tài)烴包裹體及伴生的含烴鹽水包裹體[24-25](圖8a-d)。與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度測定表明,清水河組超深層碎屑巖儲層存在兩期烴類充注,第一期烴類充注的均一溫度峰值介于90～100 ℃,時間為距今9～8 Ma,為主要生烴時期(圖8e);第二期烴類充注的均一溫度峰值介于140～150℃,時間為距今2～1Ma(圖8f),均處于晚期快速深埋階段。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)GHW001井清水河組流體包裹體特征與均一溫度

4.3 成巖演化階段及成巖序列

準(zhǔn)南高泉地區(qū)清水河組儲層優(yōu)勢相帶為分流河道砂礫巖,并且由于水動力較強(qiáng),分流河道遷移頻繁,使得砂礫巖在垂向及橫向呈厚層疊置狀[4],河口壩砂巖及席狀砂/遠(yuǎn)砂壩粉砂巖由于分流河道的頻繁切割致使發(fā)育程度較差,整體占比較低(圖2c)。從物性數(shù)據(jù)看(表1),分流河道砂礫巖孔隙度平均值為8.2%,滲透率平均值為8.7×10-3μm2;河口壩砂巖孔隙度平均值為5.5%,滲透率平均值為2.4×10-3μm2;而粉砂巖孔隙度平均值為4.3%,滲透率平均值僅為0.8×10-3μm2。整體而言,優(yōu)質(zhì)儲層巖性類型以砂礫巖為特征(圖9),同時勘探實踐表明,油氣主要在砂礫巖儲層內(nèi)產(chǎn)出,而部分砂巖及粉砂巖由于物性極差,難以作為儲層。因此,本次研究以砂礫巖為代表,進(jìn)行儲層成巖演化分析。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)清水河組不同相帶物性特征

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)清水河組不同巖性儲層平均孔隙度和平均滲透率特征

具體而言,清水河組儲層鏡質(zhì)體反射率Ro值由淺部到深部保持在 0.5%～1.0%之間,平均為 0.7%。伊/蒙混層比為10%～65%,平均值為 29.2%[19-20]。因此,依據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn),盡管高泉地區(qū)清水河組的砂礫巖儲層埋深較大,但成巖階段主要處于中成巖A期,部分儲層的成巖演化階段仍處于早成巖B期。本次研究在薄片觀察的基礎(chǔ)上,以區(qū)域地層埋藏史為約束條件[26],系統(tǒng)恢復(fù)了高泉地區(qū)清水河組砂礫巖儲層成巖演化序列(圖10)。

整體上研究區(qū)清水河組埋藏過程可劃分為4個階段:(1)長期淺埋階段,距今140～70 Ma,地層緩慢沉降至約500 m,地層溫度小于30 ℃,屬早成巖階段;(2)構(gòu)造抬升至近地表階段,距今70～40Ma,地層被抬升至近地表,仍處于早成巖階段;(3)正常持續(xù)深埋階段,距今40～14 Ma,地層溫度介于30～50 ℃之間,儲層仍處于早成巖階段;(4)晚期快速深埋階段,距今14 Ma至今,地層溫度介于50～150 ℃之間,儲層快速達(dá)到中成巖階段(圖10)。

就不同埋藏階段各成巖作用演化來看,埋藏初始階段,由于地表處于溫暖—濕潤的氣候環(huán)境,降雨量充沛,湖盆水體呈現(xiàn)弱酸性。大氣淡水對長石、巖屑等不穩(wěn)定組分進(jìn)行溶蝕,形成次生孔隙(圖4o)。伴隨著埋藏深度的增加,清水河組砂礫巖儲層進(jìn)入長期淺埋階段,凝灰?guī)r巖屑、顆粒間的凝灰質(zhì)雜基可發(fā)生水解蝕變作用,使得成巖流體內(nèi)部堿性金屬陽離子含量不斷增加,因此,該階段儲層整體表現(xiàn)為堿性成巖流體環(huán)境。在堿性流體條件下,大量凝灰?guī)r巖屑及雜基水解游離出的 Ca2+、Fe2+、Mg2+可促使早成巖期顆粒表面形成“綠泥石包殼”(圖4n),同時在早期粒間凝灰質(zhì)雜基溶孔內(nèi)部形成孤立的“點狀”方解石(圖4e),并隨著埋藏深度增大脫離地表氧化環(huán)境,可見“斑狀”黃鐵礦充填粒間孔隙(圖4h)。

構(gòu)造抬升階段,由于地層埋藏深度淺,儲層再次接受大氣淡水淋濾作用,對儲層內(nèi)部不穩(wěn)定碎屑組分、凝灰質(zhì)雜基和早期方解石進(jìn)行溶蝕,進(jìn)而形成次生孔隙。同時構(gòu)造抬升使儲層埋藏深度接近地表,早期“斑狀”黃鐵礦受到一定的氧化作用而轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦(圖4j)。

正常深埋階段,伴隨著埋藏深度的增加,大氣淡水不斷被消耗,金屬離子含量增高,促使連晶式方解石膠結(jié)的出現(xiàn)(圖4f),部分方解石的外側(cè)會形成一定含量的鐵方解石(圖4g),并對早期方解石進(jìn)行交代。

快速深埋階段,隨著地層內(nèi)有機(jī)質(zhì)逐漸成熟釋放有機(jī)酸,儲層進(jìn)入中成巖A階段。有機(jī)酸的釋放再次促進(jìn)碎屑顆粒、凝灰質(zhì)雜基及碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕(圖4o,p),其中長石及巖屑的溶蝕可導(dǎo)致 “蠕蟲狀”高嶺石的形成(圖4l)。同時,溫度的升高促進(jìn)蒙脫石向伊/蒙混層和伊利石轉(zhuǎn)化,并形成 “搭橋狀”伊利石(圖4m)。從清水河組鏡質(zhì)體反射率和伊/蒙混層比來看(圖10),目前有機(jī)質(zhì)仍處于低成熟—半成熟狀態(tài),仍可排出有機(jī)酸,因此,該階段仍處于酸性的成巖環(huán)境。

5 成巖相及孔隙演化

5.1 儲層成巖相類型劃分

成巖相是成巖環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn),是沉積物在特定沉積和物理化學(xué)環(huán)境中,在成巖與構(gòu)造等作用下,經(jīng)歷一定成巖作用和演化階段的產(chǎn)物,包括巖石顆粒、膠結(jié)物、組構(gòu)和孔洞縫等特征的綜合。通常成巖相包括2個方面的內(nèi)容,即成巖環(huán)境及在該環(huán)境下的成巖產(chǎn)物。根據(jù)研究區(qū)清水河組砂礫巖儲層的主要成巖礦物共生組合類型及孔隙發(fā)育特征,共劃分出4種典型的成巖相類型。

5.1.1 強(qiáng)壓實相(Ⅰ類)

強(qiáng)壓實相以壓實作用為主,顆粒呈線—凹凸接觸(圖11a,b),膠結(jié)作用與溶蝕作用相對較弱,以顆粒間的水云母化凝灰質(zhì)雜基充填為主(圖11c)。儲層致密化完全受控于壓實作用,溶蝕作用對儲層質(zhì)量改善無影響,因此,物性普遍較差。

5.1.2 鈣質(zhì)/鐵泥質(zhì)強(qiáng)膠結(jié)相(Ⅱ類)

鈣質(zhì)/鐵泥質(zhì)強(qiáng)膠結(jié)相以較強(qiáng)的方解石膠結(jié)(圖11d)及方解石與鐵泥質(zhì)(黃鐵礦及其赤鐵礦化)混合膠結(jié)為主(圖11e),常見在鐵泥質(zhì)填隙物中心部位的方解石轉(zhuǎn)化為鐵方解石(圖11f),使得原生粒間孔隙保存程度較低。整體上,具有該成巖相的儲層物性較差,但稍好于Ⅰ類成巖相。

5.1.3 凝灰質(zhì)充填—弱溶蝕相(Ⅲ類)

儲層內(nèi)部充填大量凝灰質(zhì)雜基,以孔隙充填的方式占據(jù)粒間孔隙,部分凝灰質(zhì)雜基發(fā)生溶蝕,進(jìn)而在雜基的內(nèi)部形成次生溶蝕孔隙(圖11g-h),部分溶蝕孔隙后期被Ⅰ期孤立“斑狀”方解石充填(圖11i)。儲層整體壓實作用與膠結(jié)作用中等,溶蝕作用集中發(fā)生在凝灰質(zhì)雜基中,顆粒溶蝕較弱,儲層物性中等。

5.1.4 弱壓實—孔隙發(fā)育相(Ⅳ類)

該成巖相剩余粒間孔隙發(fā)育,孔隙內(nèi)部相對干凈,顆粒邊緣平整,溶蝕作用弱(圖11j-l)。部分粒間孔隙內(nèi)的含凝灰質(zhì)雜基可見明顯的溶蝕作用,使得凝灰質(zhì)雜基形態(tài)呈絲縷狀或條帶狀,將粒間孔隙“二次釋放”,對儲層物性改善起到積極作用(圖4p)。該類成巖相儲層物性最好,為高泉地區(qū)清水河組典型的優(yōu)質(zhì)儲層。

5.2 不同成巖相孔隙演化特征

以粒度、巖石鑄體薄片和孔隙度為基礎(chǔ),結(jié)合儲層埋藏演化史、成巖演化序列,并考慮各單因素對儲層物性的影響作用,定量求取不同成巖作用在不同時期所造成的儲層孔隙度變化值,并采用“反演回剝法”恢復(fù)儲層在地質(zhì)歷史演化過程中各主要成巖階段的孔隙度變化[27]。

在儲層成巖演化序列的基礎(chǔ)上,對物性演化階段進(jìn)行劃分。首先通過儲層粒度分析實驗獲取各儲層樣品的粒度分選系數(shù)S0值(粒度概率累計曲線上碎屑顆粒含量分別為25%和75%處所對應(yīng)的粒徑比值的平方根)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)BEARD等[28]所建立的原始孔隙度Φ0和Trask分選系數(shù)S0的關(guān)系,計算各儲層樣品原始孔隙度:

Φ0=20.91+22.90/S0

(1)

通過物性分析測試實驗獲取儲層樣品現(xiàn)今孔隙度值,并依據(jù)儲層巖石鑄體薄片鑒定獲取各樣品剩余粒間孔相對百分含量、膠結(jié)物含量和溶蝕孔相對百分含量這3個參數(shù)值。根據(jù)研究區(qū)實測孔隙度與對應(yīng)實測面孔率數(shù)據(jù),建立面孔率—孔隙度轉(zhuǎn)化關(guān)系式(圖12),將從鑄體薄片中得到的面孔率轉(zhuǎn)化為孔隙度,從而得出各個成巖階段孔隙度的變化量,并最終結(jié)合研究區(qū)的埋藏演化史曲線,建立不同成巖相的孔隙度演化曲線。

圖12 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū) 清水河組儲層面孔率—孔隙度關(guān)系

(1)強(qiáng)壓實相(Ⅰ類)。經(jīng)計算,該成巖相儲層初始孔隙度約為33.2%,隨著地層埋深加大,早期壓實作用減孔逐漸增強(qiáng)。在淺埋藏階段,隨著壓實作用持續(xù)增強(qiáng)以及黏土礦物的膠結(jié),孔隙度逐步降低;進(jìn)入晚期快速深埋階段,壓實作用達(dá)到最強(qiáng),此時由機(jī)械壓實逐漸轉(zhuǎn)化為化學(xué)壓實,部分樣品可產(chǎn)生壓溶作用,孔隙度降至最低,雖然晚期有少量酸性流體注入,但是由于孔隙度低,孔喉連通性較差,使得溶蝕作用對儲層物性的改善作用有限,現(xiàn)今孔隙度僅為2.2%,造成該成巖相的儲層為研究區(qū)清水河組最差的儲層類型(圖13a)。

圖13 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段高泉地區(qū)清水河組不同成巖相孔隙演化模式

(2)鈣質(zhì)和鐵泥質(zhì)強(qiáng)膠結(jié)相(Ⅱ類)。該成巖相儲層初始孔隙度約為33.5%,隨著地層埋深增大,早期壓實作用減孔不斷增強(qiáng)。在淺埋藏階段,受到堿性成巖流體影響,儲層中產(chǎn)生大量方解石膠結(jié),雖然早期也有部分酸性流體進(jìn)入儲層,但是溶蝕作用相對較弱,并且方解石膠結(jié)物可充填部分溶蝕孔。進(jìn)入晚期快速深埋階段,由于早期方解石膠結(jié)物的存在,使得儲層抗壓實能力較強(qiáng),孔隙度未發(fā)生大幅降低,顆粒間接觸關(guān)系未發(fā)生明顯變化,雖然晚期有少量酸性流體注入,但是由于孔隙度低,孔隙連通性較差,使得溶蝕作用對儲層物性的改善有限,現(xiàn)今孔隙度僅為5.1%,使得該成巖相的儲層為研究區(qū)清水河組較差的儲層類型(圖13b)。

(3)凝灰質(zhì)充填—弱溶蝕相(Ⅲ類)。該成巖相儲層初始孔隙度約為33.1%,隨著地層埋深增大,早期壓實作用減孔不斷增強(qiáng)。在淺埋藏階段,大氣淡水使得充填于孔隙中的凝灰質(zhì)雜基遭受溶蝕,增加了一定的粒間溶孔。隨著壓實作用持續(xù)增強(qiáng),孔隙度進(jìn)一步降低,進(jìn)入晚期快速深埋階段,由于研究區(qū)儲層內(nèi)存在地層超壓,使得儲層抗壓實能力增強(qiáng),加之晚期有酸性流體注入,導(dǎo)致凝灰質(zhì)雜基被溶蝕,進(jìn)而形成粒間溶孔,使得儲層物性得以改善,現(xiàn)今孔隙度為7.3%。因此,該成巖相儲層為研究區(qū)清水河組的較優(yōu)質(zhì)儲層(圖13c)。

(4)弱壓實—孔隙發(fā)育相(Ⅳ類)。該成巖相儲層受到壓實作用與膠結(jié)作用的減孔效果最弱,在鏡下僅能觀察到少量晚期碳酸鹽膠結(jié)物和少量的粒間凝灰質(zhì)雜基,剩余原生粒間孔隙最為發(fā)育。經(jīng)計算,該成巖相儲層初始孔隙度約為33.5%。在淺埋藏階段,大氣淡水注入,使得長石、巖屑等骨架顆粒被溶蝕,進(jìn)而在早成巖期的淺埋階段使儲層內(nèi)部形成大量次生溶孔。晚期快速深埋階段,清水河組地層形成異常超壓,使得儲層具有一定的抗壓實能力,粒間孔隙較為發(fā)育,為晚期有機(jī)酸的注入提供了良好的孔喉通道。而有機(jī)酸注入后將溶蝕長石、巖屑,進(jìn)一步改善儲層物性,儲層現(xiàn)今孔隙度為8.8%。因此,該成巖相儲層為研究區(qū)清水河組的典型優(yōu)質(zhì)儲層(圖13d)。

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段白堊系清水河組儲層以砂礫巖、砂巖為主。巖石中凝灰?guī)r巖屑含量高,平均值65.97%。膠結(jié)物主要為方解石。儲層平均孔隙度為6.2%,平均滲透率7.45×10-3μm2,整體表現(xiàn)為低孔—低滲型的致密儲層,但局部仍有優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育。

(2)儲層的主要成巖作用類型為壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。其中膠結(jié)類型又可分為硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)。溶蝕作用主要表現(xiàn)為凝灰質(zhì)和長石的溶蝕。

(3)高泉地區(qū)清水河組埋藏方式表現(xiàn)為長期淺埋—晚期快速深埋,并可劃分長期淺埋、構(gòu)造抬升至近地表、正常深埋和快速深埋4個階段,前三階段對應(yīng)于早成巖期,而快速深埋階段對應(yīng)中成巖期。

(4)高泉地區(qū)清水河組厘定了4種典型的成巖相,包括強(qiáng)壓實相、鈣質(zhì)/鐵泥質(zhì)強(qiáng)膠結(jié)相、凝灰質(zhì)充填—弱溶蝕相和弱壓實—孔隙發(fā)育相,并以成巖相為約束建立清水河組碎屑巖儲層孔隙演化模式,其中弱壓實—孔隙發(fā)育相為高泉地區(qū)清水河組典型的優(yōu)質(zhì)儲層,其次為凝灰質(zhì)充填—弱溶蝕相。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’ Contributions

王劍、白雷、向?qū)毩⑴c實驗設(shè)計;鮮本忠、連麗霞完成實驗操作;王劍、高崇龍、劉可參與論文寫作和修改;王劍、劉金參與文中圖件的制作、修改和矢量化。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by WANG Jian, BAI Lei and XIANG Baoli. The experimental operation was completed by XIAN Benzhong and LIAN Lixia. The manuscript was drafted and revised by WANG Jian, GAO Chonglong and LIU Ke. The production, modification, and vectorization of the images in the text were completed by WANG Jian and LIU Jin. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.