吳海光，康遜，秦明陽，連麗霞，李際，曹劍

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶，163318；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3.中國(guó)石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依，834000；4.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依，834000；5.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，210046)

礫巖是指主要由粒徑大于2 mm的粗碎屑顆粒(礫石)組成的碎屑巖，其礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%[1]。在傳統(tǒng)的油氣勘探實(shí)踐和儲(chǔ)層地質(zhì)研究中，礫巖層因沉積相特殊、空間分布局限、巖石分選差、孔隙度和滲透率較低等原因不受重視。礫巖僅在局部地區(qū)有所發(fā)現(xiàn)，如我國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣克拉瑪依油田的二疊系—三疊系沖積扇礫巖[1]、渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷陡坡帶近岸水下扇砂礫巖[2-3]、美國(guó)堪薩斯州Garfield 油田的沖積扇礫巖[4]、加拿大西部深盆地的白堊系海灘相礫巖[5-6]、北海挪威海域Edvard Grieg 油田的三疊系辮狀河道礫巖[7]以及羅馬尼亞Transylvanian盆地中新世海底扇水下河道內(nèi)的重力流礫巖[8]。研究表明，這類儲(chǔ)層相較常見的砂巖儲(chǔ)層，以沉積類型多樣、巖性變化快、巖石分選差、非均質(zhì)性強(qiáng)、油氣差異性聚集顯著等為特征[5,9-14]，造成對(duì)儲(chǔ)層研究較困難且不系統(tǒng)，這是碎屑巖儲(chǔ)層地質(zhì)研究中的薄弱環(huán)節(jié)。

準(zhǔn)噶爾盆地的瑪湖凹陷是我國(guó)少有的富烴凹陷，其油氣勘探一直備受關(guān)注[15-16]，早在20世紀(jì)90年代就發(fā)現(xiàn)了瑪北油田。近年來，在瑪湖凹陷斜坡區(qū)下三疊統(tǒng)百口泉組發(fā)現(xiàn)了我國(guó)首個(gè)源上大面積準(zhǔn)連續(xù)的油藏群，逐步成為準(zhǔn)噶爾盆地油氣儲(chǔ)量與產(chǎn)量新基地[15-16]，這為礫巖儲(chǔ)層研究提供了重要的素材。百口泉組沉積于湖泊淺水扇三角洲體系，具有沉積體系大面積展布、近源快速堆積、整體粒徑較大、沉積體系重力流發(fā)育、巖性縱向連續(xù)性差橫向變化快等特點(diǎn)[15-19]。從儲(chǔ)層特征來看，該組砂礫巖儲(chǔ)層具有巖性復(fù)雜多變、孔隙類型多樣、次生孔隙發(fā)育、孔隙度低和滲透率低、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育受巖相控制顯著、油氣差異聚集等特點(diǎn)[11-12,14,16-17]。不同巖相孔隙類型、物性特征和產(chǎn)能差異顯著，具有顯著的非均質(zhì)性[17,19]?？紫督Y(jié)構(gòu)是這類儲(chǔ)層地質(zhì)研究中不可或缺的內(nèi)容。在類似碎屑巖儲(chǔ)層中，孔隙結(jié)構(gòu)形成受巖石粒度組成、顆粒分選、泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、成巖作用改造等多重因素影響，成因復(fù)雜[20-26]。首先，沉積作用決定了粒度組成、顆粒分選和泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，顯著影響了砂礫巖的初始孔隙結(jié)構(gòu)[20-24,27]。壓實(shí)作用會(huì)顯著破壞顆粒間連通喉道，但巖石顆粒甚至膠結(jié)物的溶蝕會(huì)形成新的粒內(nèi)或粒間連通喉道[25]，黏土礦物的類型、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布也會(huì)影響砂礫巖的孔隙結(jié)構(gòu)[26]。然而，對(duì)這類砂礫巖儲(chǔ)層的研究尚處于起步階段[27-28]。

為此，本文選擇典型的瑪湖凹陷西斜坡百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，明確其巖相劃分和沉積相，通過鏡下鑒定和X射線衍射(XRD)等巖礦分析，查明儲(chǔ)層的巖礦組成、成巖過程和儲(chǔ)集空間類型；通過系統(tǒng)的物性和壓汞測(cè)試，表征不同巖相的物性和喉道特征，并結(jié)合巖礦數(shù)據(jù)，分析沉積作用和關(guān)鍵成巖作用對(duì)砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1 地質(zhì)背景

圖1所示為研究區(qū)位置和百口泉組巖性柱狀圖。研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部瑪湖凹陷的西斜坡，研究層位為下三疊統(tǒng)百口泉組?，敽枷菸挥跍?zhǔn)噶爾盆地的西北部，毗鄰西北緣逆沖斷裂帶，呈北東—南西走向，南北長(zhǎng)約120 km，面積近5 000 km2。凹陷的構(gòu)造和沉積演化主要受西北緣逆沖斷裂帶控制[29-30]。其整體向東南傾，局部發(fā)育低幅度背斜或鼻狀構(gòu)造，斷裂發(fā)育。由圖1(b)可見，下三疊統(tǒng)百口泉組與下伏的中二疊統(tǒng)下烏爾禾組(P2w)呈不整合接觸(缺失了上烏爾禾組P3w)，與上覆的中上三疊統(tǒng)克拉瑪依組(T2k)和白堿灘組(T3b)呈整合接觸。該組沉積厚度為70～180 m，自下向上分為百一段(T1b1)、百二段(T1b2)和百三段(T1b3)。百一段以礫巖為主，包含含泥礫巖、砂質(zhì)細(xì)礫巖和砂巖，夾若干層泥巖；百二段由若干含泥礫巖或含砂礫巖、砂巖至泥巖的正韻律沉積組成；百三段則以泥巖為主，夾少量含泥礫巖和砂巖(圖1(b))。百口泉組沉積于淺水扇三角洲沉積體系，扇三角洲前緣砂礫巖分布面積廣，有利于儲(chǔ)集層廣泛發(fā)育[31-32]。

圖1 研究區(qū)位置和百口泉組巖性柱狀圖(以瑪18井為例)Fig.1 Location of study area and lithological column of Baikouquan Formation(Ma 18 well)

2 樣品和方法

對(duì)研究區(qū)13 口代表性取心井進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)巖性，在垂向間距1 m 以內(nèi)進(jìn)行采樣，累計(jì)采樣136 件，其中，瑪18 井39 件，艾湖1 井25 件，其他井72件。

1) 將所有樣品均磨制成薄片，在顯微鏡下對(duì)巖礦進(jìn)行鑒定，確定礦物組成和結(jié)構(gòu)特征。綜合巖心描述，結(jié)合沉積背景，系統(tǒng)劃分巖相類型，以查明不同巖相的孔隙結(jié)構(gòu)差異，并分析沉積作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

2) 利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)和電子探針(EPMA)的背散射成像，對(duì)有代表性的25件樣品進(jìn)行礦物微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)。FE-SEM 測(cè)試儀器為Carl Zeiss Supra 55，成像條件如下：加速電壓為5 kV，以SE 模式運(yùn)行，捕獲時(shí)間為40 s。EPMA 測(cè)試儀器為JXA-8100M(JEOL)。背散射成像(BSE)和礦物元素分析條件如下：加速電壓為15 kV，束流為20 nA，束斑直徑為1 μm。研究區(qū)堿性長(zhǎng)石等礦物次生孔隙發(fā)育，可能顯著影響儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)。為評(píng)估礦物溶蝕對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響，通過XRD 分析了43件全巖樣品和30件黏土提取物的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，儀器為南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心的日本理學(xué)D/Max-Ra 型X 射線衍射儀。全巖粉末測(cè)試條件如下：Cu靶，電壓為40 kV，電流為40 mA，步寬2θ為0.02°，掃描范圍為3°～60°。黏土風(fēng)干片測(cè)試條件如下：步寬2θ為0.01°，掃描范圍為3°～36°。利用Jade 6.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以識(shí)別并計(jì)算各礦物衍射峰高度。

3) 對(duì)104塊不同巖相樣品系統(tǒng)進(jìn)行物性和壓汞測(cè)試。物性使用氦氣法測(cè)試，壓汞測(cè)試儀器為AutoPore IV 9505 常規(guī)壓汞儀，按照GB/T 29171—2012“巖石毛管壓力曲線的測(cè)定”操作。

3 儲(chǔ)層巖相劃分

瑪西斜坡百口泉組緊鄰西北緣逆沖斷裂帶，靠近扎伊爾山、哈拉阿拉特山麓，持續(xù)接受二者的物源供給，在活動(dòng)的扇體與淺湖水體交界地帶形成扇三角洲沉積體系[17]。通過對(duì)研究區(qū)13 口取心井253.3 m 巖心進(jìn)行描述，進(jìn)一步基于粒度組成、巖石結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造，考慮可能的搬運(yùn)機(jī)制，研究區(qū)百口泉組沉積于重力流發(fā)育的淺水扇三角洲體系，發(fā)現(xiàn)發(fā)育4 種沉積亞相和10 種巖相[19](圖2)。瑪西斜坡自西側(cè)的凹陷邊緣向東至凹陷深部，4 種亞相為扇三角洲平原亞相、扇三角洲前緣內(nèi)帶、扇三角洲前緣外帶和前扇三角洲亞相，各亞相巖相組合如表1所示(巖相術(shù)語引自文獻(xiàn)[33])。

表1 瑪西斜坡百口泉組4種沉積亞相巖相組合Table 1 Lithofacies associations in four sedimentary subfacies in Baikouquan Formation

圖2 百口泉組儲(chǔ)層發(fā)育的礫巖相和砂巖相[19]Fig.2 Conglomerate and sandstone lithofacies of Baikouquan Formation[19]

百口泉組儲(chǔ)層基本分布在含泥礫巖(Gm)、塊狀和疊瓦狀礫巖(Gcm-Gci)、顆粒支撐的砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs)和水下分支河道交錯(cuò)層理砂巖(St)4 大類巖相。下面分別對(duì)比分析這4類巖相的孔隙結(jié)構(gòu)特征與成因。

4 不同巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征

4.1 孔隙特征

百口泉組儲(chǔ)層發(fā)育原生粒間孔隙、次生孔隙和微裂縫三大類儲(chǔ)集空間。

1) 原生粒間孔隙主要在顆粒支撐且泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的巖性發(fā)育，即顆粒支撐的砂質(zhì)細(xì)礫巖、砂巖(圖3(a)～(c))，其孔徑一般大于100 μm，連通性好，相比而言，其他巖性基本不發(fā)育。

2) 次生溶蝕孔隙廣泛發(fā)育于各巖性中特別是砂質(zhì)細(xì)礫巖和砂巖中，包含粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔(圖3)。其中，粒間溶孔為長(zhǎng)石碎屑顆粒、方解石膠結(jié)物溶蝕所形成。長(zhǎng)石的溶蝕往往在顆粒邊緣沿著鉀長(zhǎng)石晶格進(jìn)行，因而形成“格子狀”孔隙，孔徑較小，一般小于100 μm(圖3(c)和圖3(d))。方解石膠結(jié)物可全部被溶蝕，形成與原生孔隙形態(tài)一致，孔徑為幾十微米乃至幾百微米(圖3(b)和圖3(c))。相比而言，粒內(nèi)溶孔為堿性長(zhǎng)石中鉀長(zhǎng)石組分選擇性溶蝕所形成，常沿長(zhǎng)石解理縫方向溶蝕，呈原晶格外形的長(zhǎng)條狀或格子狀孔(圖3和圖4(a)～(b))，具有一定方向性，孔徑一般小于100 μm。溶蝕作用較強(qiáng)時(shí)成群連片產(chǎn)出，呈蜂窩狀連通(圖3(a)～(c))。

圖4 百口泉組儲(chǔ)集巖成巖現(xiàn)象Fig.4 Diagenetic phenomena in reservoir rocks of Baikouquan Formation

3) 微裂縫通常呈黏土雜基包裹顆粒的粒緣縫和伊利石/蒙脫石混層有序化所產(chǎn)生的收縮縫2 種產(chǎn)狀，縫寬一般為1～5 μm，因圍繞顆粒邊緣分布，延伸一般小于500 μm(圖3(a)，(c)和(d))。微裂縫在砂質(zhì)細(xì)礫巖和砂巖中廣泛發(fā)育，其對(duì)孔隙之間的連通貢獻(xiàn)顯著。

圖3 百口泉組礫巖儲(chǔ)集空間類型與成巖現(xiàn)象Fig.3 Pore types and diagenetic phenomena in Baikouquan Formation

總體而言，研究區(qū)百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集空間以鉀長(zhǎng)石溶蝕形成的次生孔隙為主，微裂縫為輔，它們?cè)诟鲙r相均有分布；而原生粒間孔隙僅在顆粒支撐且泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs)和砂巖(St)發(fā)育。

4.2 喉道特征

從鑄體薄片看，百口泉組儲(chǔ)層孔隙間喉道主要由黏土礦物收縮縫、礫緣縫和起連通作用的長(zhǎng)石溶孔組成(圖5)，其連通性取決于喉道半徑和喉道長(zhǎng)度。

圖5 百口泉組礫巖儲(chǔ)層典型的喉道分布Fig.5 Typical throats distributed in conglomerate reservoirs of Baikouquan Formation

喉道半徑受巖石泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒間孔隙發(fā)育程度和孔徑、次生溶孔發(fā)育程度的影響顯著，在不同巖相有明顯差異。從壓汞測(cè)試結(jié)果看，砂質(zhì)細(xì)礫巖和砂巖的喉道半徑遠(yuǎn)大于含泥礫巖和塊狀、疊瓦狀礫巖的半徑(表2)。因喉道半徑較大，砂質(zhì)細(xì)礫巖壓汞曲線呈下凹狀(圖6(c))。砂質(zhì)細(xì)礫巖排驅(qū)壓力整體小于0.15 MPa，對(duì)應(yīng)最大孔喉半徑為2.30～19.60 μm(均值9.79 μm)，中值半徑和平均毛管半徑均值分別為0.25 μm 和2.66 μm。喉道半徑的差異也較小，分選系數(shù)均值為2.91。

表2 研究區(qū)百口泉組不同巖相壓汞測(cè)試參數(shù)和物性參數(shù)Table 2 Mercury injection test parameters of different lithofacies in Baikouquan Formation

砂巖的壓汞曲線呈寬緩的下凹狀(圖6(d))，排驅(qū)壓力為0.03～1.21 MPa(均值為0.45 MPa)；不同樣品的最大孔喉半徑差異很大(0.61～27.02 μm，均值為4.58 μm)，中值半徑和平均毛管半徑均值分別為0.36 μm和1.20 μm，喉道分選系數(shù)均值為2.18。

對(duì)于含泥礫巖和塊狀、疊瓦狀礫巖，喉道半徑明顯變小，其壓汞曲線近似呈直線或呈上凸?fàn)?圖6(a)和(b))，最大孔喉半徑平均值小于2.00 μm，中值半徑小于0.34 μm，平均毛管半徑小于2.40 μm，喉道分選系數(shù)均值低于1.90。

圖6 百口泉組不同巖相壓汞曲線典型特征Fig.6 Mercury injection curves of different lithofacies of Baikouquan Formation

可見，百口泉組不同巖相在孔隙結(jié)構(gòu)特征上的差異顯著：砂質(zhì)細(xì)礫巖、砂巖或含細(xì)礫砂巖的喉道半徑和分選系數(shù)明顯較高，表明其孔隙連通程度好，這也與這2類巖相較高的滲透率特征相對(duì)應(yīng)；含泥礫巖、塊狀和疊瓦狀礫巖的喉道半徑較小、選系數(shù)較低，表明其孔隙連通程度較差，這也與其滲透率特征基本對(duì)應(yīng)。

5 成巖作用類型

溶蝕作用和次生礦物的膠結(jié)可能顯著改善或破壞儲(chǔ)層喉道的連通性。為此，對(duì)百口泉組發(fā)生的成巖作用類型和過程進(jìn)行研究。與常見的深埋碎屑巖儲(chǔ)集層類似，百口泉組經(jīng)歷了機(jī)械壓實(shí)、溶蝕、交代和膠結(jié)等成巖作用。

1) 機(jī)械壓實(shí)作用。在上覆巖層壓力作用下，百口泉組經(jīng)歷了較強(qiáng)的機(jī)械壓實(shí)作用，導(dǎo)致顆粒呈現(xiàn)線接觸至凹凸接觸(圖3(a)～(d))。壓實(shí)作用在所有巖相均發(fā)育。

2) 溶蝕作用。百口泉組砂礫巖發(fā)生了堿性長(zhǎng)石中鉀長(zhǎng)石的溶蝕(圖3(a)～(f)，4(a)和(b))。鉀長(zhǎng)石晶體因發(fā)生溶蝕而呈鏤空狀或蜂窩狀(圖4(a)和(b))。對(duì)比而言，鈉長(zhǎng)石晶面完整，無溶蝕痕跡(圖4(a)和(b))。部分巖相發(fā)生了方解石膠結(jié)物的再次溶蝕(圖4(c)。在各巖相中，長(zhǎng)石和方解石的溶蝕在扇三角洲前緣的水下河道砂巖(St)和顆粒流砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs)較顯著，而在前緣的水下泥石流含泥礫巖(Gm)以及扇三角洲平原、前扇三角洲沉積物溶蝕有限。

3) 礦物交代作用。研究區(qū)發(fā)生了2 種交代作用：一是碎屑長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化，在SEM 下碎屑?jí)A性長(zhǎng)石的邊緣常發(fā)育板狀或柱狀的鈉長(zhǎng)石次生加大(圖4(a))；二是蒙脫石的伊利石化。伊/蒙混層是百口泉組礫巖中最常見的黏土礦物，呈粒間雜基或圍繞顆粒邊緣形成包膜(圖4(b)～(d))。同時(shí)，也觀察到呈絲縷狀的自生伊利石在長(zhǎng)石次生溶孔少量分布。鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化和伊利石的蒙皂石化在研究區(qū)各巖相中普遍發(fā)育。

4) 膠結(jié)作用。百口泉組礫巖顆粒間發(fā)育黏土、方解石和極少量石英膠結(jié)物。研究區(qū)黏土膠結(jié)物主要為自生高嶺石和綠泥石。前者呈似鱗片狀零散附著在溶蝕的長(zhǎng)石表面或解理縫內(nèi)，也呈晶形良好的書頁狀集合體(圖4(c)和(d))。相比而言，綠泥石主要以鱗片狀生長(zhǎng)于粒間孔內(nèi)(圖4(a))。硅質(zhì)膠結(jié)物為自生石英，呈六方短柱狀，晶形完好(圖4(a))。自生方解石主要呈顆粒間粗晶膠結(jié)物產(chǎn)出，少量充填長(zhǎng)石溶孔(圖3(f)和4(c))。

從扇三角洲平原至扇三角洲前緣礫巖中，方解石、高嶺石和綠泥石廣泛分布，并在局部富集，而次生石英的分布有限。

6 砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)形成的主控因素

從不同巖相的孔隙和喉道特征差異可知，在沉積相制約下，沉積作用決定了不同巖相的粒徑分布、分選、磨圓、泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等巖石學(xué)基本特征，從而奠定了砂礫巖層孔隙結(jié)構(gòu)演化的基礎(chǔ)。而在埋藏過程中，隨著埋深增大，壓實(shí)作用在降低原生孔隙度的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致顆粒間連通喉道閉合；伴隨著酸性含油氣流體充注，研究區(qū)鉀長(zhǎng)石等堿性礦物發(fā)生差異溶蝕[19]，強(qiáng)烈溶蝕段重新形成了連通喉道，增強(qiáng)了砂礫巖的流體滲流能力。

6.1 沉積作用奠定了砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的演化基礎(chǔ)

百口泉組不同巖相喉道半徑和分布差異顯著，而這些巖相基本與特定的沉積相對(duì)應(yīng)。含泥礫巖(Gm)為扇三角洲平原水上至扇三角洲前緣水下黏結(jié)性碎屑流沉積；塊狀礫巖(Gcm)為水上至水下非黏結(jié)性碎屑流沉積，疊瓦狀礫巖(Gci)為水下主干河道滯留沉積；砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs)和砂巖(St)則主要沉積于扇三角洲前緣水下河道[19]?？梢姡哂辛己每紫督Y(jié)構(gòu)的巖相集中發(fā)育在水下的扇三角洲前緣。在扇三角洲沉積體系，河道以及碎屑流搬運(yùn)的沉積物進(jìn)入湖泊后，在湖浪的淘洗作用下，沉積物中的泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，而剛性石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)增高(圖7(a)和(b))。較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏土礦物避免了部分喉道的堵塞，而較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石英顆粒則通過支撐作用有利于保存部分連通喉道。扇三角洲前緣的淘洗作用不僅形成了砂巖、砂質(zhì)細(xì)礫巖良好的初始孔隙度，而且在成巖壓實(shí)中維持了孔隙間較好的連通性，為后期酸性含烴流體等對(duì)巖石的改造提供了初始條件，從而有利于優(yōu)良孔隙結(jié)構(gòu)的形成。

圖7 百口泉組不同巖相典型礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與喉道半徑交匯圖Fig.7 Cross plots between typical mineral mass fraction and maximum throat radius of different lithofacies

6.2 壓實(shí)作用破壞原生連通喉道

研究區(qū)百口泉組埋深主要為2 800～4 000 m，在上覆巖層壓實(shí)作用下，碎屑顆粒以線接觸和凹凸接觸為主，壓實(shí)作用較強(qiáng)烈。然而，物性與深度的變化關(guān)系表明，儲(chǔ)層孔隙度與深度之間沒有負(fù)相關(guān)性，且不同深度儲(chǔ)層孔隙度差異不大；滲透率與深度之間不僅沒有負(fù)相關(guān)性，且不同巖相中滲透性更好的儲(chǔ)層(特別是砂質(zhì)細(xì)礫巖)主要發(fā)育在更深部的位置(3 800～4 000 m，圖1(b))。相應(yīng)地，多個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與深度的變化關(guān)系也表明，孔隙連通性沒有隨深度增大呈逐漸變差的趨勢(shì)。可見，壓實(shí)作用在埋藏較淺的階段導(dǎo)致喉道半徑整體降低，埋藏至2 800 m 以下已不再有顯著影響，壓實(shí)作用差異不是百口泉組孔隙結(jié)構(gòu)差異的主控因素。

6.3 鉀長(zhǎng)石強(qiáng)烈溶蝕會(huì)顯著改善孔隙的連通性

孔隙結(jié)構(gòu)表征參數(shù)與儲(chǔ)層鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系表明，鉀長(zhǎng)石溶蝕深刻影響著百口泉組儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)。從圖8可見，整體上，儲(chǔ)層鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大孔喉半徑和平均毛管半徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，最大孔喉半徑和平均毛管半徑急劇增大，表明鉀長(zhǎng)石溶蝕作用對(duì)孔喉的增大有貢獻(xiàn)，特別是隨著鉀長(zhǎng)石溶蝕程度增大，導(dǎo)致其質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，對(duì)孔喉的增大貢獻(xiàn)更加顯著。與此同時(shí)，儲(chǔ)層鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分選系數(shù)和變異系數(shù)也呈明顯的負(fù)相關(guān)；分選系數(shù)是反映孔喉半徑分選性好壞及其分布的參數(shù)，分選系數(shù)越小，則孔喉半徑之間的差距越小，孔喉分布越均勻；反之，孔喉半徑之間的差距越大，孔喉分布越不均勻。變異系數(shù)是分選系數(shù)與喉道半徑均值的比值，也是反映孔喉分布情況的參數(shù)，變異系數(shù)越大，表明整體孔喉尺寸的離散程度越高。由此可以推斷，隨著鉀長(zhǎng)石溶蝕，百口泉組儲(chǔ)層孔喉分布越來越不均勻，大孔喉數(shù)量越來越多?？傮w而言，鉀長(zhǎng)石的溶蝕對(duì)百口泉組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成至關(guān)重要，隨著鉀長(zhǎng)石溶蝕程度逐漸增大，儲(chǔ)層孔隙的連通性逐漸得到改善。

不同巖相喉道半徑隨鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小而增大進(jìn)一步驗(yàn)證了鉀長(zhǎng)石的強(qiáng)烈溶蝕(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%)會(huì)顯著改善儲(chǔ)層孔隙的連通性。如圖8所示，當(dāng)鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～12%(對(duì)應(yīng)鉀長(zhǎng)石溶蝕量較小)時(shí)，溶蝕主要產(chǎn)生半徑很小(＜2 μm)的孔喉(圖9(a)～(c))，儲(chǔ)層孔隙度和滲透率提升的程度較緩慢，孔隙度和滲透率仍主要取決于殘余的原生孔隙發(fā)育情況；而當(dāng)鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%(對(duì)應(yīng)溶蝕量較大至全部溶蝕)時(shí)，鉀長(zhǎng)石溶蝕孔隙連通，產(chǎn)生較多的大孔喉(半徑＞2 μm)，單位溶蝕量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改善幅度越來越大，儲(chǔ)層滲透性顯著改善，鉀長(zhǎng)石的溶蝕對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的改善起到了決定性作用(圖9(a)～(c))?？梢?，鉀長(zhǎng)石的微弱溶蝕只能產(chǎn)生微小的孔喉，對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響較??；只有鉀長(zhǎng)石顯著溶蝕時(shí)才會(huì)形成大量的大孔喉，明顯改善儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和物性。

圖8 鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between K-feldspar mass fraction and reservoir pore structure parameters

圖9 百口泉組不同巖相鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與喉道半徑分布圖Fig.9 Throat radius distribution of different K-feldspar mass fraction in main lithofacies

6.4 高嶺石沉淀堵塞部分連通喉道

高嶺石是碎屑巖儲(chǔ)層中常見的黏土礦物之一，也是鉀長(zhǎng)石溶蝕可能伴生的主要自生礦物。高嶺石在百口泉組各巖相中也較為發(fā)育，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～6%之間，平均值約為2%。統(tǒng)計(jì)分析顯示，高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大孔喉半徑、平均毛管半徑之間存在較強(qiáng)的指數(shù)型負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10)，當(dāng)高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至1%～2%時(shí)，最大孔喉半徑和平均毛管半徑急劇下降。這有2種可能原因：

圖10 高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.10 Relationships between kaolinite mass fraction and reservoir pore structure parameters

1) 高嶺石的沉淀可顯著降低砂礫巖孔喉半徑，且優(yōu)先在大孔喉中堆積，并堵塞喉道；

2) 孔隙結(jié)構(gòu)越差的儲(chǔ)層，高嶺石更容易堆積。

相對(duì)大孔喉，小孔喉應(yīng)該更利于高嶺石的堆積。因此，可以推斷，孔隙結(jié)構(gòu)越差的儲(chǔ)層越容易沉淀高嶺石，而高嶺石的沉淀進(jìn)一步使得儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)變差。

7 砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的成因模式

7.1 成巖序列

根據(jù)上文所述成巖現(xiàn)象，結(jié)合埋藏史和油氣充注史(如圖11所示)，可以建立百口泉組儲(chǔ)層的成巖演化序列。在埋藏深度較小的早成巖階段，大致在早三疊世—早侏羅世，成巖溫度小于80 ℃，在尚未發(fā)生油氣充注前，泥巖因受壓實(shí)作用影響會(huì)釋放孔隙流體。流體在水下河道砂巖、砂質(zhì)細(xì)礫巖等局部高滲透層流動(dòng)，并在顆粒邊緣形成伊/蒙混層等黏土礦物包膜[12]。

圖11 百口泉組儲(chǔ)集巖成巖演化序列[19]Fig.11 Diagenetic evolution diagram of reservoir rocks in Baikouquan Formation[19]

在早侏羅世，儲(chǔ)層經(jīng)歷了第1次油氣充注，此次油氣充注強(qiáng)度較低，導(dǎo)致儲(chǔ)層流體環(huán)境呈弱酸性。弱酸性的含油氣流體造成不穩(wěn)定的偏基性斜長(zhǎng)石(如鈣長(zhǎng)石)溶解，所產(chǎn)生的Ca2+為早期方解石沉淀提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

進(jìn)入白堊紀(jì)時(shí)期，隨埋藏深度增大，古地溫增大至80～130 ℃，百口泉組進(jìn)入中成巖階段[19]，此時(shí)，地層中保留的主要是由鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石分子組成的堿性長(zhǎng)石，而廣泛分布的伊/蒙混層在蒙皂石至伊利石轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中消耗了大量K+[12,19]，導(dǎo)致地層水的Na+與K+濃度比不斷增大，促使鉀長(zhǎng)石選擇性溶解，并發(fā)生鈉長(zhǎng)石化，而碎屑鈉長(zhǎng)石不溶解甚至次生溶孔加大。與此同時(shí)或稍后，深部烴源灶中的含油氣流體沿?cái)嗔堰M(jìn)入百口泉組，帶來大量酸性物質(zhì)，地層水pH明顯降低，大幅度加速鉀長(zhǎng)石溶解，促進(jìn)蒙脫石的伊利石化，并伴生自生高嶺石和富Fe綠泥石(圖4)。伴隨含油氣流體的充注，早期沉淀的方解石也會(huì)發(fā)生溶解，導(dǎo)致其僅在早期長(zhǎng)石溶孔和不連通孔隙內(nèi)少量殘留，而隨著油氣充注和溶蝕作用范圍向上部和外圍擴(kuò)展，壓力逐漸降低，地層流體pH增大，晚期方解石沉淀[19]。

7.2 孔隙結(jié)構(gòu)成因模式

沉積與成巖過程等共同控制了研究區(qū)百口泉組砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育，據(jù)此，可建立砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育模式(圖12)，發(fā)現(xiàn)不同段的不同巖相孔隙結(jié)構(gòu)有明顯差異。具體而言，在百口泉組接受沉積的早三疊世扇三角洲沉積體系中，主要在扇三角洲前緣亞相，水下河道持續(xù)淘洗沖刷形成了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏土沉積物，如砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs 巖相)、交錯(cuò)層理砂巖(St 巖相)。較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏土使顆粒間喉道不被完全堵塞。加之這些巖相的顆粒分選性較好，因此，相比于泥石流沉積的含泥礫巖(Gm 巖相)，這些巖相具有較高的初始孔隙度和較好的連通喉道(圖12(a))，有利于成巖過程中孔隙流體的滲流運(yùn)移(表2)，奠定了良好的孔隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

至早侏羅世，因壓實(shí)作用，碎屑顆粒逐漸由點(diǎn)接觸為主逐漸變?yōu)榫€接觸為主，孔隙間原生連通喉道半徑逐漸變小直至完全被堵塞。該作用在各個(gè)巖相均有發(fā)生，對(duì)各巖相影響的差異并不顯著。此時(shí)，百口泉組發(fā)生了第1期油氣充注[12]。該次油氣充注強(qiáng)度較弱，在該組的充注范圍也比較有限，集中在靠近疏導(dǎo)斷層的百一段、百二段。連通二疊系烴源巖和百口泉組砂礫巖的走滑斷層是酸性含油氣流體運(yùn)移的主要通道[19]。位于斷層上盤上傾方向砂礫巖中的鉀長(zhǎng)石經(jīng)歷了微弱溶蝕，形成了少量次生孔隙。但這些孔隙尚未連通，孔隙間連通喉道仍以沉積時(shí)期形成的原生連通喉道為主，并未顯著提高儲(chǔ)層的滲流能力(圖12(b))。

圖12 百口泉組砂礫巖典型巖相孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育模式示意圖Fig.12 Pore structure development model diagram in typical lithofacies of Baikouquan Formation

進(jìn)入早白堊世，因壓實(shí)作用孔隙間原生連通喉道進(jìn)一步縮小。由于燕山期構(gòu)造活動(dòng)，部分礫石邊緣形成礫緣微裂縫(圖3(c)，4(d))，成為有效的連通喉道。伴隨構(gòu)造活動(dòng)，百口泉組發(fā)生了第2期大規(guī)模的油氣充注，酸性含油氣流體沿?cái)鄬舆\(yùn)移至百口泉組儲(chǔ)集巖，特別是百一段、百二段[12]。此次油氣充注導(dǎo)致斷層上盤上傾方向優(yōu)勢(shì)巖相中的鉀長(zhǎng)石強(qiáng)烈溶蝕，形成的次生孔隙逐漸連通，成為直徑達(dá)40 μm的連通喉道，顯著改善了流體滲流通道(圖12(c))。因此，總體而言，沉積作用奠定了砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的演化基礎(chǔ)，鉀長(zhǎng)石的強(qiáng)烈溶蝕成為成巖過程中孔隙結(jié)構(gòu)改造的關(guān)鍵，也制約了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成。

8 結(jié)論

1) 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組沉積于粗碎屑扇三角洲體系，其儲(chǔ)層主要分布在4 大類巖相中：含泥礫巖(Gm)、塊狀和疊瓦狀礫巖(Gcm-Gci)、顆粒支撐的砂質(zhì)細(xì)礫巖(Gcs)、水下分支河道交錯(cuò)層理砂巖(St)。不同巖相的孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，Gcs 和St 巖相的喉道半徑(最大喉道半徑分別為20 μm和27 μm)整體高于Gm和Gcm-Gci巖相的喉道半徑(最大喉道半徑分別為6 μm和3 μm)。

2) 受沉積作用影響，具有良好孔隙結(jié)構(gòu)的Gcs和St 巖相集中發(fā)育在水下的扇三角洲前緣。在扇三角洲前緣，在湖浪的淘洗作用下，沉積物中的泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，而剛性石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)增高。因此，淘洗作用不僅導(dǎo)致了Gcs和St巖相形成較大的初始孔隙度，而且在成巖壓實(shí)中維持了孔隙間較好的連通性。

3) 成巖過程中的機(jī)械壓實(shí)對(duì)不同巖相孔隙結(jié)構(gòu)的破壞沒有明顯差異，而在酸性含油氣流體促進(jìn)下的鉀長(zhǎng)石溶蝕則對(duì)不同巖相孔隙連通性的改善有顯著差異。在所有巖相中，微弱的鉀長(zhǎng)石溶蝕只能產(chǎn)生喉道半徑小于2 μm 的微小喉道，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改善有限，但在靠近油源斷層的Gcs和St巖相中，特別是在早白堊世大量含油氣流體充注的促進(jìn)下，當(dāng)鉀長(zhǎng)石強(qiáng)烈溶蝕至質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微小孔喉連通起來，形成喉道半徑為2～20 μm的較大喉道，顯著改善了儲(chǔ)層的孔隙連通性和物性。鉀長(zhǎng)石溶蝕伴生的高嶺石沉淀整體破壞儲(chǔ)層喉道。高嶺石優(yōu)先在較大喉道沉淀堆積，并堵塞喉道，導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)變差。

4) 扇三角洲前緣優(yōu)勢(shì)巖相(Gcs 和St)的疊置沉積區(qū)疊加成巖過程中鉀長(zhǎng)石的強(qiáng)烈溶蝕，形成了百口泉組優(yōu)質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育區(qū)，也控制了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布。