柴北緣九龍山地區侏羅系成巖作用特征

王 猛， 耿榕悅， 馬富強， 孫國強， 蔣 赟， 潘世樂

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院， 蘭州 730000； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國石油青海油田公司勘探開發研究院， 敦煌 736202)

柴達木盆地是中國西部一個大型的中、新生代陸相含油氣盆地，盆地面積約12萬km2，盆地內中、新生代沉積厚度6 000～7 000 m，部分地區可達上萬米，具有巨大的勘探開發潛力[1-2]。柴北緣九龍山地區作為近些年來的重點勘探區塊，具有良好的生烴指標。其侏羅系中、上統作為主力儲層，油頁巖和碳質泥巖發育，是勘探開發的有利目標[3]。近年來勘探生產表明，九龍山地區侏羅系地層油源豐富，發現了大量油氣顯示，并獲得高產工業油氣流[4-5]。眾所周知，儲層成巖作用的類型及發育情況在很大程度上影響著儲層物性的質量，特征復雜的成巖改造過程一定程度上控制了油氣資源的運移和存儲條件等。因此成巖作用的研究是一項基礎且意義重大的工作，直接影響到后期儲層評價和油氣資源的勘探開發。

中外學者對柴北緣的沉積物源體系[5-7]、沉積相及沉積模式[8-9]和沉積成巖作用[10-11]等有過較為詳細的研究。如陳思遠等[12]認為九龍山地區為一新生代早期開始發育的古隆起，斷裂多為陡傾的基底斷層，具正花狀構造；劉一珉[13]認為九龍山地區以辮狀河沉積為主，物源來自東北方向；王牧[3]綜合巖芯鑄體薄片分析認為，九龍山地區成巖作用較強，泥質和鈣質膠結物控制了膠結物的含量和膠結作用的強弱。但限于九龍山地區勘探開發程度較低、分析實驗資料較少，前人并不將該區成巖作用特征作為主要研究對象，導致研究較為籠統，分析描述以定性為主、同時缺乏資料支持。尤其是對作為油氣主力層位的侏羅系地層成巖作用特征研究不足，嚴重制約了該地區進一步地勘探開發。

因此，在總結前人研究成果的基礎上，結合大量的巖芯樣品觀測、巖石薄片的鑒定和掃描電鏡照片的觀察辨別，并通過定量分析相關地球化學資料，首次以九龍山地區侏羅系成巖作用特征為核心研究對象，系統分析研究區成巖作用特征、成巖階段劃分及演化過程等。彌補該區成巖作用方面研究的不足，并提供相關的研究資料。以為進一步完善柴北緣九龍山地區侏羅系儲層的相關研究打下堅實基礎，同時也為該區有利儲層分布區的預測和勘探開發提供一定的地質依據。

1 區域地質概況

柴達木盆地是青藏高原內沉積巨厚的內陸型盆地，油氣資源豐富，勘探潛力巨大。西南至昆侖山脈、北接祁連山脈、西北界為阿爾金山山脈，具有多級構造發育、沉積物源多和構造活動頻繁等特點[14]。九龍山地區是柴達木盆地北緣斷塊帶內的一個二級構造單元，地形狹長呈NW向展布，為一大型鼻狀斜坡。其西北為賽什騰山，南界為馬海凹陷，東南毗鄰綠梁山，東北為祁連山脈[3](圖1)。研究表明[15-16]，柴北緣含油氣系統主要以中、下侏羅統地層烴源巖為主。

圖1 九龍山地區區域位置構造圖Fig.1 Location and construction map of Jiulongshan Area

柴達木盆地構造應力環境主要經歷了從早-中侏羅世的伸展構造環境，轉變為晚侏羅世-早白堊世的擠壓構造環境[17]。從柴達木盆地北緣侏羅紀各時期的沉積相可以看出[18-19]，柴達木盆地北緣主要經歷了早侏羅世斷陷湖盆沉積-中侏羅世坳陷湖盆沉積-晚侏羅世辮狀河流沉積。早侏羅系氣候溫暖濕潤，辮狀河三角洲-湖泊體系發育；中侏羅系湖侵范圍增大，主要為湖泊相沉積；晚侏羅系氣候由溫暖潮濕轉變為炎熱干旱，湖泊、辮狀河三角洲消失，主要為河流沉積體系[18]。

2 巖石學特征

九龍山地區中侏羅統下段主要發育辮狀河河流相，河床亞相較為發育[20][圖2(a)、圖2(b)]，可見少量河漫亞相[圖2(c)]；中、上段主要為辮狀河-辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系，濱淺湖較為發育[圖2(d)～圖2(f)]。上侏羅統主要發育濱淺湖-辮狀河三角洲-辮狀河沉積體系[圖2(g)～圖2(i)]，相比中侏羅統上段為一水退過程。

圖2 九龍山地區侏羅系巖芯照片Fig.2 Photos of Jurassic core in Jiulongshan Area

統計資料表明，九龍山侏羅系儲集巖巖石類型主要為灰色粗粒巖屑砂巖和灰色中粒長石巖屑砂巖[圖3(a)]。泥質雜基含量分布范圍5%～15%，平均含量13.4%。石英含量變化較大，分布范圍為17.81%～91.40%，平均含量50.80%；長石含量分布范圍為2.50%～54.55%，平均含量16.91%；巖屑含量分布范圍4.11%～60.81%，平均含量32.29%。

研究區侏羅系儲集砂巖粒度較粗，中砂巖約占31.74%，粗砂巖約占27.83%[圖3(b)]。砂礫巖中膠結物含量較高，以碳酸鹽膠結物最為發育[圖4(a)]，泥質膠結物次之。顆粒間接觸方式主要為點-線接觸[圖4(b)]，碎屑巖成分成熟度較低，結構成熟度中等-差；分選性中等-較差，磨圓以次棱角狀為主[圖4(c)]；膠結類型主要為孔隙式膠結。

圖3 九龍山地區侏羅系砂巖成分三角圖和粒度分布圖Fig.3 Triangular diagram and histogram of the Jurassic sandstone compositions in Jiulongshan Area

對巖芯鑄體薄片的觀察和統計表明，九龍山侏羅系砂礫巖孔隙類型主要有殘余粒間孔、粒間溶孔和粒內溶孔，次生孔隙較為發育。此外可見少量裂隙，連通性一般，非均質性較為明顯。

(1)殘余粒間孔：其成因主要是由于顆粒之間的相互支撐，所形成的孔隙既沒有被雜基充填也未受到后期酸性流體的溶蝕。由于研究區壓實作用較強，因此殘余粒間孔保存相對較少，碎屑顆粒之間主要為點-線接觸[圖4(d)]。

(2)粒間溶孔：可溶組分主要為長石顆粒和粒間方解石膠結物等。粒間溶孔形狀不規則、大小不均、分布不均勻，在顆粒邊緣常見鋸齒狀或港灣狀的溶蝕殘余結構[圖4(e)]。

(3)粒內溶孔：主要包括巖屑溶孔和長石溶孔。巖屑中的易溶組分交代了顆粒后被溶解而形成粒內溶孔，長石顆粒可被溶蝕而形成粒內溶孔[圖4(f)]。粒內溶孔較為常見，各個層位均有發育，但其連通性較差，不利于油氣運移。

(4)裂隙：儲層中發育由于構造應力和收縮作用而形成的裂隙[圖4(g)]，此外裂隙的形成還受到沉積作用和成巖作用等的改造。裂隙的存在有效改善了儲集空間的連通性。

3 成巖作用類型及特征

成巖作用對儲集巖的滲透率和孔隙度有著重要意義，很大程度上控制了儲層物性質量，對碎屑巖油氣藏的形成有著重要的意義[21]。根據鑄體薄片的鑒定、掃描電鏡和X-射線衍射分析等資料，分析表明九龍山地區成巖作用以壓實作用、膠結作用和溶蝕作用為主。壓實作用和膠結作用破壞了孔隙的發育，降低了儲層物性質量；溶蝕作用形成了次生孔隙，增加了儲集巖的孔隙度，提高了連通性，對孔隙發育起建設性作用。

3.1 壓實作用

在早期沉積物埋藏階段，壓實作用占有著顯著地位，主要表現為塑性形變、脆性形變、顆粒重排及壓裂縫[22]。由于上覆沉積物的逐漸增厚和靜水壓力的作用，孔隙流體被排出。顆粒之間由點接觸變為點-線、線接觸，孔隙體積減小，孔隙度降低。對九龍山地區鑄體薄片的鑒定結果表明，該地區經歷了較強的機械壓實作用。云母和一些塑性顆粒由于強烈的壓實作用而發生明顯彎曲變形[圖4(h)]，部分抗壓性較強的剛性顆粒表面出現裂縫[圖4(i)]，顆粒間也大多呈點-線接觸。此外，由于黏土雜基的潤滑作用，碎屑顆粒被迅速壓實，使得粒間孔隙損失較快[23]。壓實作用對儲層物性破壞較為嚴重，是導致研究區孔隙度降低的主要原因。

3.2 膠結作用

在成巖作用的各個階段膠結作用均有發育，具有明顯的世代性[14]。膠結物充填于儲層孔隙之中，減少了孔隙空間、縮小了孔喉半徑，是降低儲層孔隙度和滲透率的主要原因之一[21]。九龍山地區侏羅系儲層膠結作用種類多樣且分布廣泛，其中以碳酸鹽膠結、黏土膠結和硅質膠結為主。

3.2.1 碳酸鹽膠結

九龍山地區碳酸鹽膠結物類型較多，主要包括方解石、白云石、鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦和菱鎂礦等，其中方解石最為普遍。早期成巖階段沉積物中鈣離子豐度較高，方解石膠結物則是由孔隙水中的鈣離子析出沉淀而形成的[4, 24]。早期碳酸鹽膠結物自形程度較差，以泥晶-微晶方解石、白云石為主，常散布于松散接觸的顆粒之間，或呈環邊狀圍繞著碎屑顆粒分布[圖4(j)]。有效地抵御了機械壓實作用對于儲層孔隙的破壞。成巖階段中晚期形成的膠結物一般晶粒較大、含鐵量較高，主要呈粉晶-粗晶狀，常見鐵白云石、鐵方解石[圖4(k)]。伴隨著酸性流體的進入，易發生溶蝕和蝕變作用，從而形成大量次生孔隙，改善了儲層物性。而白云石和鐵白云石埋藏較深，多以半自形微晶或粉晶為主，其對儲層物性有明顯的抑制作用。

3.2.2 黏土膠結

九龍山地區黏土礦物種類多樣、含量變化范圍大、分布范圍廣，常見高嶺石、伊利石、綠泥石和伊-蒙混層等黏土礦物[23]。

(1)高嶺石。九龍山地區黏土礦物中50%以上為高嶺石，且成熟度較高，是黏土膠結物的主要成分[4, 20]。其形成環境要求為酸性環境，地層中的孔隙水和其他黏土礦物轉變過程中所產生豐富的SiO2和Al3+,為高嶺石的形成提供了物質基礎[14]。九龍山地區高嶺石晶間結構較松，多呈書頁狀和蠕蟲狀，以孔隙填充的形式存在于殘余粒間孔和次生溶蝕孔中[圖5(a)]，造成孔隙堵塞。

(2)伊利石。研究區伊利石分布范圍較廣，在各種不同成分的砂礫巖中均有發現，其可在富含K+的弱堿性流體環境下，由高嶺石轉變而來。在碎屑巖膠結物中，伊利石主要呈現鱗片狀、羽毛狀或絲縷狀[圖5(b)]。伊利石常在孔隙中構成絲縷狀網絡，其易被水沖移而堵塞喉道。隨著埋藏深度的不斷加深，伊利石結晶程度越來越好，最后轉化成絹云母[21]。

(3)綠泥石。自生綠泥石在砂巖中多呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式產出，研究區綠泥石集合體常見呈鱗片狀和絨球狀產出[25][圖5(c)]。綠泥石為富鐵、富鎂的硅酸鹽礦物，形成環境主要為富鐵的堿性水介質環境中，因此鐵含量的高低影響著綠泥石的自形程度。根據電鏡資料，靠近碎屑顆粒的綠泥石自形程度較低，越接近孔隙，綠泥石自形程度越高。一方面，以孔隙襯邊形式產出的綠泥石抑制了其他膠結物的早期沉淀，增強了碎屑顆粒的抗壓實能力，對儲層物性起建設性作用;另一方面，分布于較大孔隙之中的綠泥石集合體堵塞了油氣運移通道，降低了孔隙連通性，從而降低了儲層的物性質量。研究區綠泥石主要呈現出降低儲層物性質量的一面。

(4)伊-蒙混層。伊-蒙混層是蒙脫石向伊利石過渡的中間產物，呈蜂窩狀或棉絮狀[圖5(d)]。混層晶格中的礦物含量比例決定了混層形態。若晶格中富含伊利石層，則形態近似于伊利石，呈不規則的片狀，否則呈類似于蒙脫石的波狀[21]。研究區伊-蒙混層隨著深度的增加整體呈現出由少變多繼而再變少的演化特點，多以孔隙墊襯和填充的形式產出。

3.2.3 硅質膠結

九龍山地區硅質膠結物普遍發育，石英是最常見的硅質膠結物，在侏羅系儲集巖中平均含量可達50.80%。由于侏羅系儲層砂巖成分成熟度較低，結構成熟度較差，不利于石英次生加大的廣泛形成，因此硅質膠結物常見自形的小石英晶體[圖5(e)]。常充填于粒內溶孔、粒間孔壁和一些緊密接觸的碎屑顆粒之間[圖5(f)]。九龍山地區長石風化嚴重，其向高嶺石轉變時可釋放出二氧化硅，這為硅質膠結物的形成提供了充足的物質基礎。硅質膠結物雖然在一定程度上提高了儲層砂巖的抗壓實能力，但由于其主要充填于各種孔隙之中，還是降低了儲層的孔隙度。

3.3 溶蝕作用

碎屑巖儲層內的任何組分，在一定的流體介質環境和溫壓條件下，都會發生不同程度的溶蝕[14]。溶蝕作用的結果形成了多種次生孔隙和裂隙[26]，是提高儲層孔隙度，改善儲層物性條件的重要成巖作用。有機質在成巖作用中后期會產生大量的有機酸，使得流體環境呈弱酸-酸性，從而對可溶組分進行大量溶蝕。對九龍山侏羅系儲層砂巖的鑄體薄片觀察研究表明，研究區碎屑巖中可供溶蝕的組分豐富，主要包括碎屑顆粒和碳酸鹽膠結物。其中碳酸鹽膠結物的溶蝕是孔隙度提升、儲集條件改善的重要因素。研究區由于溶蝕作用的改造形成了多種次生孔隙，主要包括粒間溶蝕孔隙[圖4(e)]、粒內溶蝕孔隙[圖4(f)]和粒緣溶蝕孔隙[圖4(l)]等，它們是重要的油氣儲集空間。

4 成巖階段劃分及演化序列

劃分成巖階段需要綜合考慮顆粒間的接觸關系特征、自生黏土礦物的成分、黏土礦物之間的組合關系特征、不同孔隙類型的組合特征等參數[14]。前人對九龍山地區侏羅系儲層成巖階段劃分主要依據鑄體薄片觀察和掃描電鏡照片觀察，具有一定的偶然性。劃分手段以定性為主，缺乏定量分析，并且劃分依據較為單一，論述不足、缺乏說服力。本文成巖階段劃分從實驗數據定量分析出發，綜合了成巖溫度、顆粒接觸關系、自生黏土礦物成分、孔隙類型特征等多項指標，科學地分析并劃分了成巖階段，同時建立了成巖演化序列，具有較強的說服力。

4.1 成巖階段劃分

成巖溫度作為獨立的定量指標，不受其他因素影響，可以輔助進行成巖階段的劃分。Shackleton等[27]在前人研究基礎上，總結出據氧同位素來估算古溫度公式為

T=16.9-4.38(δc-δw)+0.1(δc-δw)2

(1)

式(1)中：δc為測得樣品中δ18O值，PDB標準，‰；δw為當時的海水δ18O值，SMOW標準，‰，δw的值取0。將九龍山地區侏羅系砂巖中碳酸鹽膠結物的氧同位素值代入式(1)，計算結果如表1所示。根據式(1)計算出的九龍山地區侏羅系砂巖中碳酸鹽膠結物形成時的古溫度最大值為126.55 ℃，最小值為78.50 ℃，平均值為105.86 ℃。

九龍山地區侏羅系砂巖黏土礦物主要包括高嶺石、伊利石和綠泥石。根據X-射線衍射分析(表2)，黏土礦物含量4.80%～29.40%，平均含量14.60%；伊-蒙混層中蒙脫石層含量較低，平均為9.57%。

表2 柴達木盆地九龍山地區侏羅系砂巖X-射線衍射分析數據Table 2 X-ray diffraction analysis data of Jurassic sandstones in Jiulongshan Area

隨著埋藏深度的增大，溫度和壓力逐漸增大，有機質發生熱脫羧基作用釋放出二氧化碳。當其溶于層間水、吸附水等之中時，會形成具有較強腐蝕能力的有機酸和碳酸溶液，從而形成酸性-弱酸性的成巖環境[28]。以碳酸鹽膠結物和長石為代表的可溶性組分，在這種環境中會被大量溶蝕，從而形成大量次生孔隙。

上述研究表明了，碳酸鹽膠結物形成時的古溫度平均值為105.86 ℃；伊-蒙混層中蒙脫石含量較低，平均為9.57%；常見粒間溶孔和粒內溶孔，次生孔隙發育；碎屑顆粒間的接觸類型主要為點-線接觸，大量的塑性顆粒或云母被擠壓變形，剛性顆粒趨向緊密堆積，可見部分剛性顆粒被壓裂，說明成巖過程中經歷了較強的壓實作用；黏土礦物以書頁狀高嶺石為主，其中伊-蒙混層、伊利石和綠泥石等成熟度較高的黏土礦物含量居多；可見石英加大Ⅱ～Ⅲ級，呈弱酸性成巖環境。因此，根據碎屑巖成巖階段劃分標準[22]并綜合多項指標，認為九龍山地區侏羅系儲層主要處于中成巖階段A期。

4.2 成巖演化序列

通過對九龍山地區侏羅儲層成巖作用特征和形成條件的分析，結合重點探井的巖芯薄片、掃描電鏡觀察和其他分析化驗資料，建立了研究區侏羅系的成巖序列：初期少量的黏土雜基沉淀→早期方解石開始膠結→機械壓實作用改造→少量硅質膠結物出現→酸性流體侵入、流體環境發生改變→方解石等發生強烈溶蝕→后期大量油氣侵入→少量晚期方解石膠結物形成(圖6)。

沉積物埋藏初期研究區水動力作用較強且變化大，只有少量黏土雜基沉淀了下來，而咸水湖盆的沉積環境利于早期方解石膠結物的形成。由于成巖階段早期壓實作用影響較大，使得原始孔隙大量減少，原始孔隙減少了約為50%(圖7)，同時膠結作用也減少了約22%的原始孔隙(圖7)。碳酸鹽膠結物雖然降低了儲層的孔隙度，但由于其抗壓實作用，在早成巖階段晚期仍保留了20%左右的原生孔隙(圖6)。之后酸性流體侵入，方解石等碳酸鹽類膠結物發生大量溶蝕，產生了大量的次生孔隙，其溶蝕作用所增加的孔隙度可達40%以上，有效地改善了儲層的物性[29]。經過溶蝕作用的改造后，儲層孔隙度明顯提高，為大量油氣的侵入奠定了良好基礎。

圖7 九龍山地區侏羅系砂巖壓實作用和 膠結作用與孔隙度關系Fig.7 Diagram showing the relationship between compaction cementation and porosity of the Jurassic reservoir rocks in Jiulongshan Area

5 結論

(1)柴北緣九龍山地區侏羅系碎屑巖儲層以砂巖為主，粒度較粗；儲集巖巖石類型主要為灰色粗粒巖屑砂巖和灰色中粒長石巖屑砂巖，成分成熟度低、結構成熟度中等-差；次生孔隙發育，顆粒接觸關

系以點-線接觸為主。九龍山地區侏羅統主要發育辮狀河-辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系。

(2)成巖作用類型主要有壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。研究區經歷了較強的壓實作用改造；碳酸鹽膠結物對膠結作用以及后期次生孔隙的形成有著重要的意義；硅質膠結物普遍發育。

(3)九龍山地區儲集巖成巖作用較強，目前主要處于中成巖階段A期。壓實作用和膠結作用在不同程度上破壞了原生孔隙：壓實作用減少了約50%的原生孔隙，膠結作用減少了約22%的原生孔隙。由于后期溶蝕作用的改造，產生了大量次生孔隙，改善了儲層的物性條件。

(4)首次以九龍山地區侏羅系的成巖作用為核心研究對象，通過大量的巖芯樣品觀測、巖石薄片鑒定和掃描電鏡照片觀察辨別、相關地球化學資料分析計算等，采用定性和定量相結合的方法詳細研究了該區成巖作用特征、成巖階段劃分及演化過程等。彌補了該區成巖作用方面研究的不足，并提供了相關的研究資料。