塔里木盆地于奇東地區東河塘組砂巖成巖作用及其對儲層的影響

王元君 田 蒙 王 峻

（油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

泥盆系東河砂巖又稱東河砂巖段、東河塘組，最先是發現于塔里木盆地北部東河1井，是中國首次發現的連續厚度達275m的巨厚濱海相石英砂巖油氣藏（含油段厚度101m）［1］；其后相繼在東河塘油田、塔中4油田和哈德遜油田中發現了東河砂巖，并取得了重大的勘探成果。在2006年以前，東河砂巖一直被認為是分選好、成分成熟度高、儲集物性好的一套優質儲層［2］；但隨著認識的深入，發現東河砂巖是形成于海西早期由西向東大規模海侵時的一套由西向東不斷超覆、減薄、尖滅的砂體。它不是一個等時沉積體，而是一個巖性相似的跨時代的沉積體［3］。東河砂巖并不都是好的儲層，西部地區物性差，不能作為有效儲層；最好的儲層位于塔北隆起周邊（即阿克庫勒凸起周邊），其次是塔中地區［4，5］。

近年來，隨著測試分析技術的發展，成巖作用由定性研究逐漸轉化為定量研究，并與沉積學、層序地層學等學科緊密結合，出現了諸如成巖相、成巖演化數值模擬等概念及研究思路［6－10］。隨著油氣勘探的深入，人們認識到成巖過程是儲層優劣的最終決定因素，尤其是針對深部儲層［11，12］。鑒于成巖作用對儲層發育、改造的重要性，本文對于奇東及鄰區東河塘組砂巖的成巖作用、成巖演化及儲層發育的影響因素開展深入研究，對明確研究區儲層的形成機制及儲層發育的主控因素有重要意義，也可以為該區以后的勘探提供參考。

1 地質概況

于奇東地區處于阿克庫勒凸起東北部、庫爾勒鼻凸西部（圖1）。該區的構造演化與阿克庫勒凸起的形成發展息息相關。阿克庫勒凸起是以下古生界為主體組成的一個整體往北東抬升、向南西傾伏的大型鼻狀凸起構造；志留—泥盆系呈剝蝕尖滅楔形體，環繞凸起東、南、西部邊緣分布；下石炭統剝蝕尖滅楔形體超覆于奧陶系—泥盆系之上［13，14］。

東河塘組分布在于奇東地區東南部，由西北向東南逐漸增厚，鉆遇厚度16～134m。該組與上覆地層下石炭統巴楚組角礫巖段呈平行不整合接觸，與下伏奧陶系的不同層位呈角度不整合接觸。沉積環境為三角洲—濱岸砂壩相，上部為淺灰、灰白色細—中粒石英砂巖、鈣質細粒石英砂巖，局部夾紫紅色、灰綠色泥巖和灰色石英粉砂巖，含黃鐵礦晶體；下部為紫紅色、深灰色泥巖，與淺灰、綠灰色細粒石英砂巖、石英粉砂巖及泥質粉砂巖不等厚互層，夾灰紫色中礫巖，底部見一層細礫巖。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

2 巖石學特征

東河塘組儲集體主要有兩類：濱岸的沿岸砂壩砂體和潮控三角洲砂體。濱岸體系沿岸砂壩儲集砂體主要為灰白色細粒石英砂巖和巖屑石英砂巖，以中－細粒砂為主，碎屑物分選好，磨圓較好，膠結類型為孔隙－基底式，總體上結構成熟度較高（圖2）。碎屑組分中石英的質量分數在90%以上，以單晶石英為主；長石和巖屑含量低（圖3）。潮控三角洲前緣儲集砂體為淺灰色細粒巖屑石英砂巖和雜色細礫巖，以中－細粒砂和細礫狀砂為主，碎屑物分選一般，磨圓一般，膠結類型為孔隙－基底式，總體上該成因類型的砂巖結構成熟度中等。碎屑組分中石英的質量分數一般為75%～79%，以單晶石英為主；長石的質量分數為1%～7%，巖屑的質量分數為17%～24%：成分成熟度中等。

3 不同成巖作用對儲層的影響

通過對研究區及附近區域7口鉆井的巖石薄片、掃描電鏡資料的綜合分析，認為研究區東河塘組砂巖儲層在埋藏過程中主要經歷了壓實作用、膠結作用、溶蝕作用、交代作用和自生礦物的形成等作用。其中對儲層發育影響比較大的有壓實、膠結和溶蝕3種成巖作用。

3.1 壓實作用

經過鏡下薄片觀察和掃描電鏡觀測顯示，研究區內砂體埋深較大，可見較明顯的壓實作用，顆粒多呈線接觸，顯微鏡下偶見壓裂現象（圖4）。砂巖儲集體的壓實作用受巖性和碳酸鹽膠結的影響較大，在雜基、塑性礦物顆粒及巖屑含量低的部位，由于碳酸鹽膠結物大量形成的緣故，支撐起上覆地層的壓力，壓實作用相對較弱；相反，塑性巖屑和礦物顆粒及雜基含量較高的部位，壓實作用較強，巖性較為致密。因此，對于成熟度較高的濱岸砂體，其雜基、塑性礦物顆粒及巖屑含量低，壓實作用有利于儲層的形成。

圖2 東河塘組砂巖顯微特征Fig.2 Micrographs of sandstones in Donghetang Formation

圖3 YQ1井東河塘組砂巖分類投點圖Fig.3 Sandstones classification map of Donghetang Formation in Well YQ1

3.2 膠結作用

3.2.1 碳酸鹽膠結

碳酸鹽膠結物是研究區最主要的膠結物，以方解石為主。方解石一般晶形不好，多充填粒間，反映為早期沉淀的膠結物。由于早期形成的方解石易發生溶解，可形成貼粒縫和溶孔。鐵方解石在偏光顯微鏡下以被染成紫紅色與方解石相區別；鐵方解石的沉淀晚于方解石，充填于方解石被溶蝕后形成的溶孔中，并呈交代方解石產出（圖5）。鐵白云石是另一種常見的碳酸鹽膠結物，它的形成一般要晚于方解石和鐵方解石。由于白云石的結晶能力強，故在多數情況下以很好的菱面體形態充填在孔隙中。

一般來說，碳酸鹽膠結作用是使儲層孔滲性降低的主要因素。統計結果表明，儲層的孔隙度與碳酸鹽膠結物含量呈負相關關系。早期碳酸鹽膠結物雖然使原生孔隙遭受充填；但另一方面，碳酸鹽的早期膠結作用可使壓實作用和壓溶作用受到抑制，保護了原生孔隙，同時也為溶解作用準備了易溶的物質基礎。在本區的成巖演化過程中，碳酸鹽膠結使得儲層較好地保存了一定的原生孔隙，并在隨后的溶蝕作用下釋放出來，對儲層的發育有積極作用。

圖4 東河塘組壓實作用鏡下特征（顆粒間呈現點－線接觸）Fig.4 Micrographs of compaction in Donghetang Formation

圖5 東河塘組碳酸鹽膠結物特征Fig.5 Carbonate cements characteristics of Donghetang Formation

3.2.2 石英次生加大膠結

研究區儲層可見較多的石英次生加大膠結，但加大級別不同，大多數為寬窄不一、分布不均勻、不連續的Ⅰ—Ⅱ級加大（圖6）。石英次生加大通常與碳酸鹽膠結物和長石的溶解作用，以及高嶺石的沉淀現象共存。石英次生加大現象表明成巖作用由早期碳酸鹽膠結的堿性環境向酸性環境的轉化，在儲層演化中，它充填粒間孔隙，是造成孔隙度降低的重要因素。

3.2.3 鐵質膠結

東河塘組砂巖中可見少量鐵質膠結物，呈斑點狀分布（圖7－A），局部見鐵質結核（圖7－B），主要以黃鐵礦的形式產出，形成于中成巖B期，對儲層起破壞性作用。

3.2.4 黏土礦物膠結

研究區內東河砂巖主要見伊利石、伊蒙混層、高嶺石膠結。伊利石膠結主要呈針狀和絲絮狀，或以膜狀分布在粒表，并且主要以伊蒙混層的形式附著在顆粒表面或充填于孔隙中。高嶺石膠結物相對較多，常呈書頁狀、蠕蟲狀、手風琴狀，主要充填在粒間孔中。黏土礦物特別是高嶺石和伊蒙混層占據了一定的粒間孔隙，在一定程度上降低了砂體的儲集性能；但它們又往往是長石、雜基等物質溶蝕作用的結果，是溶蝕孔形成的產物。

3.2.5 膠結作用的期次

通過膠結作用的研究，認為膠結作用的期次為碳酸鹽膠結－石英次生加大－碳酸鹽膠結－黏土礦物形成轉化及自生石英晶體形成。早期淺埋藏過程中，沉積物中的富鈣質流體沉淀，形成方解石膠結物（圖8－A）；隨著埋藏加深，腐殖質在相對淺的埋藏地點發生氧化反應，在埋藏壓實過程中釋放出有機酸，形成酸性環境，碳酸鹽膠結物溶解釋放原生孔隙，溶蝕長石等硅酸鹽礦物釋放出硅質（或者在同生－早成巖階段火山作用提供的硅質），沉淀形成石英次生加大（圖8－B，C），同時有蒙皂石或伊蒙混層的生成；在繼續埋藏加深的過程中，石英次生加大逐漸停滯，碳酸鹽開始沉淀，同時黏土礦物大量充填于粒間空隙，有少量含鐵方解石形成（圖8－D）。

圖6 東河塘組Ⅰ—Ⅱ級石英次生加大現象Fig.6 TheⅠ－Ⅱgrade quartz overgrowth phenomenon of Donghetang Formation

圖7 東河塘組砂巖的鐵質膠結及黃鐵礦結核Fig.7 Ferruginous cements and coal blendes in the sandstones of Donghetang Formation

圖8 東河塘組膠結作用特征Fig.8 Cementation characteristics in Donghetang Formation

3.3 溶蝕作用

研究區砂巖的溶蝕作用主要表現為碳酸鹽膠結物、黏土雜基、長石顆粒、部分巖屑的溶蝕，甚至石英顆粒表面亦有弱溶蝕作用。對儲層影響最大的是碳酸鹽膠結物的溶蝕，而黏土雜基、長石顆粒、石英顆粒和部分巖屑的溶蝕形成的次生孔隙是次要的（圖8－B，C）。

碳酸鹽膠結物被溶蝕主要形成大量的粒間溶孔，長石的溶蝕形成粒內溶蝕孔和粒緣溶蝕孔。總體上看，長石和部分巖屑溶蝕作用相對碳酸鹽膠結物溶解作用對次生孔隙發育的貢獻要小一些，由黏土雜基被強烈溶蝕也可形成豐富的粒間溶孔。產生溶蝕作用的主要原因是有機質在埋藏過程中所形成的富含有機酸和碳酸的熱液對不穩定組分進行溶解作用所致，黏土礦物脫水對溶蝕作用的進行有重要促進作用。

4 成巖演化與孔隙演化的關系

通過對該地區東河砂巖的成巖作用、自生礦物（數量、類型）、孔隙類型的研究，并參考古地溫、有機質成熟度等研究成果，認為于奇東地區的東河砂巖成巖作用可達中成巖B期（表1）。即東河塘組的成巖作用經歷了同生期、早成巖階段（分為A期、B期）、中成巖階段（分為A期、B期）。

其成巖演化與孔隙演化的關系如下：同生期－早成巖A期，沉積物中的富鈣離子流體發生沉淀，形成方解石膠結物，其中顆粒膠結的白云石先于方解石膠結物充填于孔縫中。至早成巖B期，腐殖質在相對淺的埋藏地點因氧化反應，在埋藏壓實過程中釋放出有機酸，形成酸性環境，長石等硅酸鹽礦物溶蝕釋放出硅質，或者在同生－早成巖階段火山作用提供的硅質，沉淀形成石英次生加大；少量方解石膠結物溶解，釋放原生孔隙；同時有蒙皂石或伊蒙混層生成充填于原生孔隙中。至中成巖階段，由于有機質的成熟，釋放出有機酸，或者下伏地層有機酸的輸入，長石和碳酸鹽膠結物等進一步溶蝕形成次生孔隙，大量黏土礦物生成并充填于原生孔隙和次生孔隙中，形成次生微孔；同時有Ⅱ－Ⅲ級石英加大、自生石英晶體和鉀長石次生加大及少量含鐵方解石形成。該階段形成的次生孔隙是東河塘組儲層的主要儲集空間。

表1 于奇東地區東河塘組成巖階段劃分Table 1 The classification of the diagenetic stages of Donghetang Formation in Yuqidong area

5 結論與認識

a.研究區東河塘組砂巖主要經歷了壓實作用、膠結作用、溶蝕作用、交代作用和自生礦物的形成等作用，其中對儲層發育影響比較大的有壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。

b.東河塘組在碳酸鹽膠結物的影響下，孔隙骨架支撐起上覆地層的壓力，使得本區成熟度較高的濱岸砂體都保留有較好的原生孔隙。這也是東河塘組在塔北地區埋深達到5km時殘余的孔隙度還較高的主要原因之一。

c.東河塘組砂巖成巖演化階段已達中成巖B期，壓實作用和部分膠結作用是使儲層物性變差的主要原因。早成巖B期碳酸熱液和腐殖質釋放出的有機酸對不穩定組分的溶解是改善儲層物性的重要因素。

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