瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層差異及成因

況昊，周潤馳，王鈞民，劉豪，譚先鋒，蔡鑫勇，肖振興

(1.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.中國石化 自貢石油化工有限公司，四川 自貢 643000；3.中國石油 西部鉆探工程有限公司，烏魯木齊 830000)

準噶爾盆地瑪湖凹陷及沙灣凹陷斜坡區緊鄰生烴凹陷，構造位置優越[1-4]。近年來，環瑪湖地區已成為盆地油氣重點勘探開發區域?，敽枷萆隙B統上烏爾禾組儲集層厚度大、展布廣、巖性多樣且非均質性強，受到火山活動的影響[5]，形成大量火山碎屑，使得儲集層更加復雜，沙灣凹陷與瑪湖凹陷儲集層特征相似[4，6-8]。前人針對不同區域、不同層位以及不同類型的致密儲集層孔隙結構及物性特征，開展了諸多研究，但多是對單一區域儲集層的分析討論，缺乏針對上述2個地區儲集層的對比研究。

儲集層是控制瑪湖凹陷砂礫巖油氣聚集和成藏的主導因素，孔隙水結晶、沸石形成、多期溶蝕、有利沉積相帶和火山碎屑發育是深層砂礫巖儲集層形成的關鍵。位于準噶爾盆地中拐凸起北側的瑪湖凹陷和南側的沙灣凹陷，具有相似的物質來源和區域構造作用[7-8]。本文在前人研究基礎上，開展了上述地區上烏爾禾組儲集層對比研究，旨在對研究區油氣勘探開發有所裨益。

1 區域概況

瑪湖凹陷和沙灣凹陷為準噶爾盆地2 個相對獨立的二級構造單元[9](圖1)。自二疊紀以來，研究區為殘余海相向陸相演化的前陸盆地，地層發育較為齊全，從二疊系到第四系皆有發育，兩大凹陷內上二疊統上烏爾禾組均向西北方向超覆尖滅，其中，瑪湖凹陷地層平均傾角為4°～5°，沙灣凹陷地層傾角較大，平均為7°～8°[8-10]。研究區上烏爾禾組自上而下分為3段，主要巖性為砂礫巖和砂質礫巖，整體成分成熟度和結構成熟度均較低。

2 儲集層特征

瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層砂體物質基礎和埋藏史相似，經歷了同樣的構造運動。分析研究區上烏爾禾組儲集層近40 塊樣品薄片，結果表明，瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層以粗粒沉積為主，巖性主要包括砂礫巖、小礫巖及不等粒砂巖，分選較差，礫石結構成熟度和成分成熟度均較低，次棱角狀—次圓狀，顆粒支撐，孔隙膠結和接觸膠結，巖屑含量高，以巖屑砂巖為主，沙灣凹陷與瑪湖凹陷具有相似特征。此外，研究區在中—晚二疊世均受到不斷增大的擠壓應力，沉積范圍逐漸增大，二疊紀晚期均形成逆沖推覆構造[11-15]。準噶爾盆地西部巖石組分分布具有區域性特點，母巖成分和成巖流體差異都可能是導致后期差異成巖作用的原因。

3 儲集層成巖作用特征

3.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層成巖作用特征

瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層主要經歷壓實、膠結、溶蝕和交代作用[16-18]。①壓實作用：上烏爾禾組屬于深部儲集層，展示出較強壓實作用特征，瑪湖凹陷礫石占比大，且砂質充填其間，部分組合形式形成了簡單三角應力保護結構，在一定程度上保護了孔隙結構，碳酸鹽礦物和沸石膠結物充填孔隙，在早成巖階段為巖石提供了部分支撐作用，提高了其抗壓實能力；鏡下觀察可見，礦物之間、礦物和有機物間主要為點—線接觸和線接觸，部分原生孔隙被破壞，部分塑性顆粒發生微觀形變，如泥巖、云母等，高脆性礦物常出現微裂紋且部分被固體瀝青充填。②膠結作用：研究區膠結物類型復雜，包括碳酸鹽膠結、濁沸石膠結、硅質膠結以及黏土礦物膠結，多見大片連晶狀方解石，瑪湖凹陷發育暗紅色及亮黃色2 期方解石膠結；沸石膠結主要為凝灰巖巖屑水化作用形成，研究區分布大量火山沉積物，為其提供了物質基礎，沸石礦物主要有濁沸石、片沸石、斜發沸石等[19]，以濁沸石為主，產出方式為孔隙充填，呈板條狀，常與方解石共生堵塞孔隙，少見溶蝕現象。③溶蝕作用：瑪湖凹陷常見多種溶蝕物，長石顆粒中以鉀長石溶蝕為主；由于研究區中—基性火山巖富集，巖屑溶蝕較普遍，主要形成點狀粒內溶孔；填隙物的溶解主要為黏土礦物(含水云母化雜基等)及方解石膠結物的溶解，沸石類膠結物溶蝕現象不顯著。④交代作用：黏土礦物間的交代，伊蒙混層是瑪湖凹陷上烏爾禾組最常見的黏土礦物，分布于顆粒表面和孔隙中；此外，碳酸鹽礦物交代石英和長石(圖2)。

圖2 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層特征Fig.2.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Mahu sag

3.2 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層成巖作用特征

沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層主要經歷了壓實、膠結、溶蝕、交代作用等[20]。①壓實作用：沙灣凹陷上烏爾禾組平均深度約為4 500 m，礫石多為線接觸及凹凸接觸，壓實作用強烈，埋藏初期，沉積物水分被迅速排出。②膠結作用：火山碎屑物質蝕變是研究區砂礫巖儲集層沸石膠結物的重要物質來源，膠結物有方解石、沸石、硅質等，綠泥石、濁沸石、片沸石等膠結物的形成使得儲集層物性降低；研究區弱膠結普遍發育，且膠結物含量與孔隙度呈正相關性，所以膠結物后期還可起到一定的抗壓實作用。③溶蝕作用：研究區經歷多次堿性與酸性成巖環境的轉變，儲集層多期次形成各類溶孔，包括長石溶孔、巖屑溶孔以及沸石溶孔。④交代作用：研究區交代作用主要為綠泥石水云母化，礦物形態及結構都發生較大改變，但儲集層物性受交代作用影響不大(圖3)。

圖3 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層特征Fig.3.Reservoir characteristics of the upper Wuerhe formation in Shawan sag

4 儲集層成巖差異定量表征

4.1 成巖作用類型及量化指標

（1)壓實作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層砂體礦物顆粒以線接觸為主，局部為點接觸；沙灣凹陷以線接觸為主，局部為凹凸接觸，壓實強度比瑪湖凹陷大?，敽枷萆蠟鯛柡探M平均深度為4 400 m，而沙灣凹陷該組平均深度達到了5 200 m，壓實作用更強。此外，瑪湖凹陷砂體早期發育大量的碳酸鹽膠結物，也抑制了壓實作用，這是導致2 個地區壓實差異的主要因素。

（2)膠結作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層膠結物以含鐵方解石、濁沸石和片沸石為主。其中，含鐵方解石含量為4.00%～10.00%，平均為7.51%；濁沸石含量為8.00%～19.00%，平均為14.63%；片沸石含量為7.00%～12.00%，平均為9.67%。沙灣凹陷膠結物以濁沸石為主，含量為7.00%～28.00%，平均為17.56%；方解石次之，含量為3.00%～11.00%，平均為7.21%。2 個凹陷沸石類膠結物含量有較明顯區別，主要是由于沸石類礦物成因類型不同。

（3)溶蝕作用 瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層發生溶蝕作用的礦物主要有長石、巖屑顆粒以及凝灰質填隙物，溶蝕作用改善了儲集層物性；沙灣凹陷砂礫巖儲集層多發育濁沸石膠結物溶孔、碳酸鹽膠結物溶孔及長石溶孔。這主要是由于沙灣凹陷上烏爾禾組濁沸石多形成于早成巖階段，多與黏土礦物共生，并呈粒狀聚集分布，且黏土礦物仍保留火山塵埃特征，所以，此類沸石膠結物多疏松易散且晶間孔發育，為后期地層水的進入創造了基礎條件；而瑪湖凹陷濁沸石主要以斜長石鈉長石化的方式析出[20]，主要形成于晚成巖階段，多為板狀集合體且無雜質，含此類濁沸石的巖石膠結程度高，較致密。

4.2 孔隙演化模式差異

瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層物性整體好于沙灣凹陷(圖4)，這是因為2 個凹陷儲集層成巖演化過程有所不同?；谇叭藢? 個凹陷成巖作用階段的劃分，定量分析2 個凹陷上烏爾禾組在成巖演化過程中的孔隙特征及差異。

圖4 瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層物性對比Fig.4.Physical properties of the upper Wuerhe formation reservoirs in Mahu sag and Shawan sag

采用Beard 和Scherer 提出的碎屑巖原始孔隙度與分選系數的相關關聯公式，計算瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度[21-22]：

壓實后孔隙度：

壓實作用損失孔隙度：

壓實作用減孔率：

膠結后孔隙度：

膠結作用損失孔隙度：

膠結作用減孔率：

結合微觀實驗及物性資料中的相關參數，計算次生孔隙度：

計算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度為34.1%～35.5%，沙灣凹陷原始孔隙度為34.4%～35.6%，為便于對比分析，2 個凹陷上烏爾禾組儲集層原始孔隙度均取35.0%。

計算得出瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層壓實損失孔隙度為12.2%～23.3%，平均為18.2%，壓實作用主要發生于早成巖階段，形成低孔低滲儲集層。隨著膠結作用的進行，膠結損失孔隙度為1.2%～18.7%，平均為10.9%。經過強烈壓實作用和膠結作用，剩余孔隙度銳減至0.7%～7.1%，平均為3.6%，其中，壓實作用的影響更大。

沙灣凹陷上烏爾禾組同樣由于壓實作用和膠結作用造成了孔隙損失，壓實損失孔隙度為14.3%～24.2%，平均為19.1%；膠結損失孔隙度為1.9%～18.9%，平均為11.8%。由于沙灣凹陷上烏爾禾組埋藏深度相對瑪湖凹陷更大，壓實作用也更強。經過強烈壓實作用和膠結作用，沙灣凹陷該組儲集層剩余孔隙度銳減至0.5%～6.4%，平均為3.3%。

成巖中—后期，由溶蝕作用形成的次生溶孔在不同地區砂巖中的發育程度不同。觀察鏡下薄片計算面孔率，瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層次生溶孔主要以長石溶孔和凝灰巖巖屑溶孔為主，濁沸石和片沸石基本未溶蝕。次生溶孔發育，溶孔面孔率平均為2.6%，占總面孔率的82.0%；沙灣凹陷主要有長石溶孔、凝灰巖巖屑溶孔以及形成于成巖中—后期的濁沸石溶孔，次生溶孔發育，溶孔面孔率平均為2.8%，占總面孔率的76.0%，溶蝕作用形成的次生溶孔在一定程度上提高了儲集性能(圖5)。

圖5 沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層孔隙演化模式Fig.5.Pore evolution model of the upper Wuerhe formation reservoirs in Shawan sag

瑪湖凹陷與沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層成巖中—后期溶孔發育類型的差異，是由于成巖環境不同，瑪湖凹陷地層封閉性較沙灣凹陷好，地層水礦化度更高，以CaCl2型為主[17]，CaCl2型地層水占比達到70.3%；沙灣凹陷地層水以NaHCO3型和CaCl2型為主，分別占46.4%和43.5%。碳酸氫根離子使鈣質鋁硅酸鹽礦物發生溶蝕，如濁沸石和片沸石，沙灣凹陷NaHCO3型酸性地層水的增多為沸石族礦物溶蝕提供了有利條件。因此，2 個凹陷成巖流體性質和巖石組分控制了成巖演化。

5 儲集層成巖差異成因

5.1 瑪湖凹陷上烏爾禾組成巖演化

瑪湖凹陷上烏爾禾組主要處于中成巖階段B期[23-25]，在晚二疊世，上烏爾禾組沉積后快速埋藏，持續的壓實作用破壞了儲集層大量的原生粒間孔，降低了儲集層的滲流能力，成巖環境流體具弱堿性，孔隙類型仍以原生孔隙為主。壓實作用隨埋藏深度增大而增強，原生孔隙進一步遭到破壞，并出現較低強度的第一次油氣充注。受有機酸影響，流體環境逐漸由弱堿性轉換為弱酸性，部分富鈣斜長石和巖屑開始溶蝕，次生孔隙發育。Ca2+、K+等大量堿性金屬離子析出，為早期方解石膠結提供了一定的物質基礎。顆粒接觸方式由點接觸過渡為點—線接觸，隨著第二次油氣充注的到來，地層流體pH值明顯降低，該階段長石和巖屑溶蝕程度增高，早期形成的碳酸鹽礦物溶解，蒙脫石向伊利石轉化，伴生石英及高嶺石，碳酸鹽礦物二次膠結。

5.2 沙灣凹陷上烏爾禾組成巖演化

沙灣凹陷上烏爾禾組處于中成巖階段B 期[26]，在早成巖階段A 期，沉積物膠結相對松散，大量原生粒間孔發育，顆粒塑性變形。隨著埋藏深度增大，壓實作用增強，早期綠泥石附著于顆粒表面形成包膜，在一定程度上抑制了壓實作用，部分原生孔隙得以保存。受到富火山作用影響，成巖水體為堿性—弱堿性，大量火山玻璃發生沸石化反應[27]，在機械壓實作用不斷增強的階段，硅質、綠泥石、碳酸鹽礦物和沸石不斷生成。中成巖階段，發生了一次大規模油氣充注，有機酸和大量CO2進入儲集層后，地層水pH 值降低，地層水類型變得復雜多樣。該成巖階段長石及巖屑溶蝕作用變強，片沸石交代形成含鈣鋁硅酸鹽礦物——濁沸石，并在NaHCO3型地層水的影響下發生溶蝕。

6 結論

(1)瑪湖凹陷和沙灣凹陷中成巖階段早期以碳酸鹽膠結物為主，壓實作用、碳酸鹽礦物膠結與沸石膠結是導致儲集層物性變差的主要成巖作用，瑪湖凹陷壓實作用相對較弱。

(2)瑪湖凹陷上烏爾禾組儲集層以長石溶孔和凝灰巖巖屑溶孔為主，沙灣凹陷則以長石溶孔、凝灰巖巖屑溶孔及濁沸石溶孔為主，原生孔隙均少量發育。

(3)瑪湖凹陷和沙灣凹陷上烏爾禾組儲集層的差異，主要是由成巖流體性質和巖石組分的不同引起，并影響整個成巖作用階段。

符號注釋

C——膠結作用減孔率，%；

Ct——膠結物含量，%；

D1——粒度累計百分含量為25%時的顆粒直徑，mm；

D2——粒度累計百分含量為75%時的顆粒直徑，mm；

L——壓實作用減孔率，%；

S0——特拉斯克分選系數；

θca——碳酸鹽膠結物面孔率，%；

θd——溶孔面孔率，%；

θpm——原生粒間孔面孔率，%；

θt——總面孔率，%；

φ0——原始孔隙度，%；

φ1——壓實后孔隙度，%；

φ2——膠結后孔隙度，%；

φ3——次生孔隙度，%；

φc——膠結作用損失孔隙度，%；

φL——壓實作用損失孔隙度，%；

φp——物性分析孔隙度，%。