储层性能层间差异的成岩因素——以塔里木盆地群苦恰克构造带泥盆系东河塘组砂岩为例
韩登林1, 2，李维锋1, 2，许晓宏1, 2，洪国良3，李凌高3
(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 荆州，434023；
2. 长江大学 地球科学学院，湖北 荆州，434023；
3. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083)
摘要：基于塔里木盆地群苦恰克构造带内泥盆系东河塘组的上、下两段砂岩储层物性表现出强烈的层间差异性特征(下段砂岩储集物性明显优于上段砂岩的储集物的物性)，而这种差异性并非由前期沉积水动力因素所导致，而是由后期储层内成岩改造的差异所引发，对样品进行详细的显微观测和矿物成分研究。研究结果表明：发育于埋藏成岩期石英胶结效应的层间差异造就了上述储集物性的层间差异性；下段砂岩内由于伊利石矿物以包膜的形式包裹于石英颗粒表面，抑制了石英胶结，使得原生孔隙较好地保存；而上段砂岩内强烈的石英胶结使得原生孔隙消失；其岩石物理性质呈现出刚性特征，作为东河塘组上下两段砂岩成岩改造差异的连带效应，在同等外部构造应变环境下，上段砂岩内的裂隙产出现象更加频繁。
关键词：群苦恰克构造带；东河塘组；储层物性；石英胶结；伊利石包膜；原生孔隙
中图分类号：TE121.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)02-0656-07
Impact of diagenetic alterations on reservoir differentiation:
Taking Devonian Donghetang formation in Qunkuqiake structure zone, Tarim Basin, for example
HAN Deng-lin1, 2, LI Wei-feng1, 2, XU Xiao-hong1, 2, HONG Guo-liang3, LI Ling-gao3
(1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of the Ministry of Education,Yangtze University, Jingzhou 434023, China;
2. College of Geosciences, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;
3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development of PetroChina, Beijing 100083, China)
Abstract: Based on the fact that there is serious quality differentiation between upper sandstone and lower sandstone, which is part of Donghetang Formation in Qunkuqiake structure zone, Tarim basin, the differentiation is not the result of the sedimentary diversity, but rather the difference of diagenetic alterations, the detailed microscopical study and mineral composition analysis were made. The results show that significant interval diversity of quartz cementation is the leading factor for the heterogeneity. In the lower sandstone, quartz cementation is restrained by the illite-coating, which results in good preservation of primary pore. Ubiquitous quartz is filled in most primary pore in the upper sandstone, which becomes kind of brittle. Hence, as the accompanying effect of the diagenetic diversity between the upper sandstone and the lower sandstone, crack (fracture) is preferred to develop in the upper sandstone in the same strain (pressure) condition.
Key words: Qunkuqiake structure zone; Donghetang Formation; reservoir quality; quartz cementation; illite-coating; primary pore
一直以来，对储层性能的预测及其非均质性主控因素的探求都是一个困扰储层地质研究者的难题。储层储集性能的优劣以及非均质性的强弱受控于砂体初始沉积环境，其后期埋藏热演化过程中所经历的种类繁多且周而复始的成岩改造也对其起着至关重要的作用[1-3]。但在针对储层储集性能的研究过程中，有关后期成岩改造的研究往往滞后于初始沉积模式的研究，以至在很多情况下对于储层所表现出的非均质性特征往往缺乏可行和可信的解释。塔里木盆地泥盆系东河塘组是近年来重要的勘探目的层，特别是针对塔西南新区群苦恰克构造带而言，东河塘组是勘探目标的重点，也受到了诸多沉积学家和储层地质学家的关注，并在层序、沉积等方面取得了较为一致的认识。但上述研究并未深究储层性能所表现出的强烈的层间差异性特征。为此，本文作者在前人研究的基础上，探究成岩改造的差异对于储层性能层间差异的控制效应，并进一步讨论由此所引发的连带效应。
1 地质概况及储层性能层间差异
群苦恰克构造带位于塔里木盆地西南坳陷麦盖提斜坡处，北靠西克尔构造带，西邻喀什凹陷，南接叶城凹陷和和田凹陷，东北邻巴楚前缘隆起，向东与塘古孜巴斯凹陷过渡(见图1[4])。在其构造带内发现了巴什托普油田，而泥盆系东河塘组即为该油田的重点勘探层段之一。
东河砂岩发育于晚泥盆世晚期，该套地层在群苦恰克构造带内厚约100余m，下段地层以灰色粉砂岩、细砂岩为主，上段地层以深灰色、灰色饱含油、荧光细砂岩为主，中部为一套厚层的绿灰色泥岩夹薄层灰色粗砂岩。目前，总体上认为研究区东河塘组地层上下两段均是以滨岸相沉积为主，主要发育临滨和前滨亚相，砂体的沉积相带分布稳定，两套砂体的初始沉积(水动力)模式大致相近[5-10]。
在储层储集物性方面，东河塘组储层上下两段砂岩却大不相同，其中上段砂岩孔隙度均值仅为3.73%，而下段砂岩储层孔隙度均值高达10.96%，下段砂岩物性明显优于上段砂岩的物性(见图2)。产出于相近沉积水动力条件下的两套碎屑岩储层，其储集物性呈现出较大的差异，显然，前人对于该套储层初始沉积模式的认识无法对研究层段强烈的层间物性差异特征进行合理的解释。因此，为了提高储层评价和预测精度，必须对储层后期成岩改造模式进行研究。
图1 研究区构造纲要示意图[4](有修改)
Fig.1 A simplified map showing tectonic location of study area
图2 研究区东河塘组储层储集物性垂向分布特征
Fig.2 Vertical characteristic of reservoir quality in Donghetang Formation in study area
2 取样及分析方法
样品取自群苦恰克构造带内的5口探井中，隶属于泥盆系东河塘组取心段。用于镜下观察的样品按照行业标准(SY/T 5913—2004)制成铸体薄片，并采用茜素红和铁氰化钾的复合液(质量比为1:5)对薄片进行染色，以便于在镜下区分不同类型的碳酸盐胶结物。为了便于后期分析，进行镜下统计的样品均为细砂岩，且分选为中等-较好，以此屏蔽粒度、分选等因素对储层成岩特征的制约。选择29个有代表性的分选较好的细砂岩样，采用X线荧光光谱仪测试方式(行业标准为SY/T 5163—1995)，对黏土矿物成分及含量进行测定；选择20个有代表性的样品经新鲜破裂面镀金之后，进行扫描电镜(LEO1450VP)测试。在测试过程中，具体矿物成分则通过多晶X线衍射仪(INCA ENERGY 300)确定。
3 成岩因素
3.1 碎屑矿物组分
群苦恰克构造带泥盆系东河塘组碎屑岩储层岩石类型主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩(图3)，矿物成分以石英颗粒和岩屑为主(平均含量分别为70%和26%)，长石颗粒含量次之。其中：石英颗粒主要以单晶石英为主，鲜见多晶石英；岩屑则以火山岩岩屑为主，沉积岩岩屑和变质岩岩屑含量相近。颗粒之间主要呈点-线接触，东河塘组砂岩成分成熟度较高，分选、磨圆均较好；泥质含量较低，一般为3%~5%，均值为3.4%。
岩石类型在层间(上段砂岩与下段砂岩)存在较明显的差别。以群4井、群5-1井和群601井为例，同一单井在上段砂岩中的石英含量明显高于下段砂岩中的石英含量，从而表现为群5-1井和群601井下段砂岩储层以岩屑砂岩为主；而上段砂岩储层则以岩屑石英砂岩为主。而在岩屑组分在不同层段之间也存在差异，主要体现在东河塘组下段砂岩内的火山岩岩屑含量明显比上段砂岩的含量高，这种物质组分上的差别反映了层间物源的差异，并在埋藏后期造成了成岩改造的层间差异化。
3.2 成岩改造特征
3.2.1 压实作用
东河塘组上、下2段砂岩内颗粒的接触类型差异明显(图4(a)和(b))，其中上段砂岩凭借硅质加大边使得碎屑颗粒之间主要呈线甚至凹凸接触，而若以硅质胶结前颗粒接触状态作为压实效应的强弱来进行判断，则颗粒之间主要呈点-线接触，很少有凹凸接触，而这与下段砂岩的颗粒接触类型基本一致，整体上压实效应较弱，而这种较弱的压实效应也表明研究层段内原始沉积组分通过压溶作用所能提供的硅源较为 有限。
3.2.2 溶蚀作用
溶蚀改造在东河塘组上下两段砂岩内虽然较为常见，但溶蚀的对象不同：上段砂岩溶蚀改造主要针对硅质成分(石英)，并以石英次生加大边的溶蚀较为常见(图4(a))，表明上段砂岩中关键的溶蚀改造在成岩序列上晚于石英次生加大，而主要集中于储层深埋藏阶段(地层温度＞70 ℃)，而另一方面也说明在该阶段储层孔隙流体曾呈现碱性特征[11]。至下段砂岩溶蚀改造则主要针对长石(主要是钾长石)和岩屑(主要是火山岩岩屑)等不稳定矿物组分进行(图4(c))。虽然溶蚀改造在上下两套砂岩内针对的对象不同，但两者溶蚀增孔量均较小(上下段砂岩中溶蚀增孔量分别为0.25%和2.1%)，因此，溶蚀改造的层间差异并不是上述储层性能层间差异的主控因素。
图3 研究区东河塘组储层碎屑组分特征
Fig.3 Characteristic of clastic composition in Donghetang formation in study area
图4 研究区东河塘组储层成岩改造微观特征
Fig.4 Microscopic characteristic of diagenetic alteration in Donghetang Formation in study area
3.2.3 胶结作用
(1) 碳酸盐胶结物。碳酸盐胶结物(主要为白云石和铁白云石)在研究区东河塘组上下两段砂岩中均较为常见，但整体含量也均较少(不足2%)，而且两者在胶结产状上也基本一致，即菱形的白云石与半自形至自形的细晶铁白云石主要呈充填孔隙的形式产出(图4(c))。铁方解石仅在个别样品中零星可见。
(2) 黏土矿物胶结物。X线衍射分析结果表明：东河塘组储层内黏土矿物组合中，伊利石占据着主导地位。至于高岭石和绿泥石，则含量较少(图5)。对于伊利石来说，其在下段砂岩内主要以石英颗粒包膜的形式产出，矿物形态呈蜂窝状，且在颗粒接触部位伊利石包膜明显缺失(图4(d)，(e)，(f)和(g))，表明伊利石包膜并非发育于储层的同沉积期，也不是早期成岩阶段的产物，而是在地层进入埋藏阶段且受到一定程度压实之后，才开始在颗粒周围形成包膜；而在上段砂岩内，伊利石的产状特征发生改变，主要以充填孔隙型产出。
图5 研究区东河塘组储层部分样品黏土矿物X线衍射特征谱图
Fig.5 X-ray diffraction characteristic of clay minerals in Donghetang Formation in study area
(3) 硅质(主要为石英)加大。研究层段内石英次生加大程度在层间的差异十分显著，表现在东河塘组上段砂岩内，硅质加大非常发育甚至异常强烈，硅质胶结含量在0~6%之间(均值为3.93%)，胶结程度强烈使得原生孔隙几乎消失(见图4(a)和(h))。本次研究虽然没有直接的显微测温数据(研究层段现今地层温度在130 ℃以上)，但凭借着次生石英完好的晶型及其在碎屑颗粒接触部位次生石英基本缺失的现象，可以认定石英次生加大主要发育于埋藏成岩阶段。而在下段砂岩储层中，硅质胶结量在0~2%之间(均值仅为0.05%)，硅质加大零星可见。这种石英胶结效应的强烈反差对于储层储集物性层间差异性的影响是至关重要的。
4 讨论
4.1 储层物性层间差异的成岩因素
研究层段层间物性差异异常强烈，而2套砂体之间石英胶结效应的强弱是造就上述层间差异性的首要因素。由于上下两段砂岩相隔不足50 m，地层温度的层间差异几乎可以忽略，由此可以认为储层内硅源的供给与获取差别是造成上述差异最重要的因素。
4.1.1 硅源的供给
储层内硅源的供给涉及2个方面，即内部供给和外部供给。内部供给主要依靠碎屑颗粒的压溶或者溶蚀而提供硅源，而外部供给则主要通过层间或断层的疏导体系由外向内进行硅质运移。从研究层段内碎屑颗粒点-线的接触状态(以硅质胶结前颗粒接触状态作为判断，见图4(a)，(b)和(d))以及不稳定碎屑颗粒较为有限的溶蚀效应，表明研究层段内部所能供给的硅源并不足以形成如此大规模的硅质胶结物，因此，储层内硅质胶结主要依赖于外部供给硅源。
4.1.2 硅源的获取
如果石英颗粒与外来的硅源相互隔离，那么即使硅源充足，也很难在石英颗粒表面找到结核点从而形成石英胶结物。颗粒包膜则正是具有这种隔绝效应，从而对于石英次生有着明显抑制作用的因素[12-15]，常见的包膜类型包括微晶石英、绿泥石和沥青[12, 15-16]。本文的研究表明：伊利石包膜对于石英次生加大的抑制效应同样明显，而同时这一抑制效应成为了东河塘组上下两段砂岩储集物性的分水岭，上段砂岩石英次生加大强烈发育，原生孔隙几乎被次生石英占据殆尽，而下段砂岩石英次生加大少有发育，使得粒间孔隙除了部分被碳酸盐胶结物所占据外，多数被保留下来，从而在现今储集物性上，上下两段砂岩表现出强烈的层间差异性特征。
4.2 伊利石的产出
伊利石次生产出的常见因素有两类，即分别由蒙脱石和高岭石转化而来。但在低于120 ℃的温度下，高岭石向伊利石转换的速率极低[17]，在成岩序列上比储层内的大规模石英次生加大还要晚，使得其对于石英次生加大的抑制没有太大的贡献[18]。而对于蒙脱石向伊利石的转化来说，其主要发生在60~110 ℃环境 下[19]，甚至在20~30 ℃的低温环境(埋藏深度在500 m左右)也能发生[20]；另一方面，从微观尺度上来看，由蒙脱石转换而成的伊利石在矿物形态上多呈蜂窝状，而由高岭石转换而成的伊利石则多呈片状[21]，研究层段内伊利石普遍蜂窝状的产状表明其来源自蒙脱石的转化(见图4(e)，(f)和(g))。但由于研究层段内的蒙脱石几乎完全转换成伊利石或者其他矿物，目前尚无法得知确切的蒙脱石矿物成分。从颗粒接触部位黏土包膜的缺失现象可以肯定蒙脱石亦形成于地层埋藏之后，其成因可能与储层内火山岩岩屑的溶蚀改造有关。
4.3 上述成岩因素的连带效应
除了东河塘组上下两段储层内原生孔隙保存方面存在明显差异外，上段砂岩储层内的裂缝(构造缝和收缩缝)较之下段砂岩更为发育(见图4(h))。东河塘组上段砂岩在一定程度的埋深压实下，由于强烈的硅质胶结，使得该段储层的原生孔隙消失，而其岩石应变物理属性则趋近于刚性，呈现出类似灰岩的刚性特征，对于外部的构造抬升(或埋深)或深层次构造应变更为敏感，因此，更易于在缝隙产出[22]。
5 结论
(1) 群苦恰克构造带内泥盆系东河塘组碎屑岩储层性能表现出较强烈的层间差异性特征，即下段砂岩的储集物性明显优于上段砂岩的物性，而这种差异性并非由两者初始沉积环境之间的差异所引发。研究层段沉积埋藏之后的石英次生加大效应在层间的强烈反差被认定为是上述差异性的主控因素。
(2) 下段砂岩内附着在石英颗粒表面的伊利石包膜是造成下段砂岩石英次生加大不发育的主要因素，继而也成为掌控上述层间储集物性层间差异性的决定因素。这种伊利石包膜则是在埋藏成岩过程中由先期形成的蒙脱石包膜经转化而来。
(3) 上述成岩差异不仅使下段砂岩原生孔隙多数被保存，而且也使得上段砂岩原生孔隙消失，从而使得上段砂岩这种趋近于灰岩岩石物理特征的地层，对于外部的构造抬升(或埋深)或深层次构造应变显得更为敏感。因此，相对于下段砂岩来说，上段砂岩储层内的缝隙产出也更加频繁。
致谢：本文在实验测试过程中得到了中国科学院地质与地球物理所杨赛红博士和长江大学地球科学学院赵峰硕士的协助，在此一并表示感谢！
参考文献：
[1] Worden R H, Burley S D. Sandstone diagenesis: the evolution of sand to stone[C]//Burley S D, Worden R H. Sandstone diagenesis: Recent and ancient. Blackwell Press, 2003: 1-44.
[2] 寿建峰, 张惠良, 斯春松, 等. 砂岩动力成岩作用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2005: 1-27.
SHOU Jian-feng, ZHANG Hui-liang, SI Chun-song, et al. Dynamic diagenesis of sandstones[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2005: 1-27.
[3] 李忠, 陈景山, 关平. 含油气盆地成岩作用的科学问题及研究前沿[J]. 岩石学报, 2006, 22(8): 2113-2122.
LI Zhong, CHEN Jing-shan, GUAN Ping. Scientific problems and frontiers of sedimentary diagenesis research in oil-gas-bearing basins[J]. Acta Petrologica Sinica, 2006, 22(8): 2113-2122.
[4] 李曰俊. 麦盖提斜坡及周缘断裂系统评价[R]. 库尔勒: 塔里木油田分公司勘探开发研究院, 2006: 1-10.
LI Yue-jun. The evaluation of fault systems in the Maigaiti slope and its periphery[R]. Korla: Research Institute of Exploration and Development, Tarim Oilfield Company, 2006: 1-10.
[5] 吴因业, 顾家裕, Cedric G, 等. 塔里木盆地满西区块强制海退体系域沉积模式[J]. 石油学报, 2003, 24(4): 21-25.
WU Yin-ye, GU Jia-yu, Cedric G, et al. Deposit model for forced regressive systems tract of Manxi block in Tarim Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2003, 24(4): 21-25.
[6] 张哨楠, 刘家铎, 田景春, 等. 塔里木盆地东河塘组砂岩储层发育的影响因素[J]. 成都理工大学学报: 自然科学版, 2004, 31(6): 658-692.
ZHANG Shao-nan, LIU Jia-duo, TIAN Jing-chun, et al. Factors influencing sandstone reservoir quality in Denghetang Formation, Tarim Basin, China[J]. Journal of Chengdu University of Technology: Science & Technology Edition, 2004, 31(6): 658-692.
[7] 朱筱敏, 张强, 吕雪雁, 等. 塔里木盆地塔北与塔中东河砂岩段沉积特征对比[J]. 中国地质, 2005, 32(4): 648-654.
ZHU Xiao-min, ZHANG Qiang, L? Xue-yan, et al. Comparison of the sedimentary characteristics of Denghe sandstone section between the Tabei and Tazhong areas, Tarim Basin[J]. Geology in China, 2005, 32(4): 648-654.
[8] 顾家裕, 张兴阳, 郭彬程, 等. 塔里木盆地东河砂岩沉积和储层特征及综合分析[J]. 古地理学报, 2006, 8(3): 285-294.
GU Jia-yu, ZHANG Xing-yang, GUO Bin-cheng, et al. Characteristics of sedimentation and reservoir of the Denghe Sandstone in Tarim Basin and their synthetic analysis[J]. Journal of Palageography, 2006, 8(3): 285-294.
[9] 张惠良, 张荣虎, 李勇, 等. 塔里木盆地群苦恰克地区泥盆系东河塘组下段储层特征及控制因素[J]. 新疆地质, 2006, 24(4): 412-417.
ZHANG Hui-liang, ZHANG Rong-hu, LI Yong, et al. Characteristic and control factor of the lower Denghetang group reservoir of the Devonian in Qunkuqiake area, the Tarim Basin[J]. Xinjiang Geology, 2006, 24(4): 412-417.
[10] 张惠良, 杨海军, 寿建峰, 等. 塔里木盆地东河砂岩沉积期次及油气勘探[J]. 石油学报, 2009, 30(6): 835-842.
ZHANG Hui-liang, YANG Hai-jun, SHOU Jian-feng, et al. Sedimentary periods of Denghe sandstone and hydrocarbon exploration in Tarim Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(6): 835-842.
[11] 邱隆伟, 姜在兴, 操应长, 等. 泌阳凹陷碱性成岩作用及其对储层的影响[J]. 中国科学: D辑, 2001, 31(9): 752-759.
QIU Long-wei, JIANG Zai-xing, CAO Ying-chang, et al. Alkaline diagenesis and its influence on a reservoir in the Biyang depression[J]. Science of China: Series D, 2001, 31(9): 752-759.
[12] Pittman E D, Larese R E, Heald M T. Clay coats: Occurrence and relevance to preservation of porosity in sandstones[C]//Houseknecht D W, Pittman E D. Society of Economic Paleontologists and Mineralogists (Special Publication), 1992, 47: 241-255.
[13] Wilson M D. Inherited grain-rimming clays in sandstones from eolian and shelf environments: Their origin and control on reservoir properties[C]//Houseknecht D W, Pittman E D. Society of Economic Paleontologists and Mineralogists (Special Publication), 1992, 47: 209-226.
[14] Aase N E, Bj?rkum P A, Nadeau P. The effect of grain coating microquartz on preservation of reservoir porosity[J]. AAPG Bulletin, 1996, 80(10): 1654-1673.
[15] Ehrenberg S N. Preservation of anomalously high porosity in deeply buried sandstones by grain-coating clorite: Examples from the Norwegian continental shelf[J]. AAPG Bulletin, 1993, 77(7): 1260-1286.
[16] Ryan P C, Reynolds R C. The origin and diagenesis of grain coating serpentine-chlorites in Tuscaloosa Formation Sandstone, U.S. Gulf Coast[J]. American Mineralogist, 1996, 81(1/2): 213-225.
[17] Bj?rlykke K, Aagaard P, Egeberg P K, et al. Geochemical constraints from formation water analyses from the North Sea and Gulf Coast Basin on quartz, feldspar and illite precipitation in reservoir rocks[C]//Cubitt A C, England W A. Geological Society of London (Special Publication), 1995, 86: 33-50.
[18] Storvoll V, Bj?rlykke K, Karlsen D, et al. Porosity preservation in reservoir sandstones due to grain-coating illite: A study of the Jurassic Garn Formation from the Kristin and Lavrans fields, offshore Mid-Norway[J]. Marine and Petroleum Geology, 2002, 19(6): 767-781.
[19] Hoffman J, Hower J. Clay mineral assemblages as low grade metamorphic geotermometers: Application to the thrust faulted disturbed belt of Montana, USA[C]//Society of Economic Paleontologists and Mineralogists (Special Publication), 1979, 26: 55-79.
[20] Buatier M D, Peacor D R, O’Neil J R. Smectite-illite transition in Barbados accretionary wedge sediments: TEM and AEM evidence for dissolution/crystallization at low temperature[J]. Clays and Clay Minerals, 1992, 40(1): 65-80.
[21] Pollastro R M. Mineralogical and morphological evidence for the formation of illite at the expense of illite/smectite[J]. Clays and Clay Minerals, 1985, 33(4): 265-274.
[22] 李忠, 张丽娟, 寿建峰, 等. 构造应变与砂岩成岩的构造非均质性—以塔里木盆地库车坳陷研究为例[J]. 岩石学报, 2009, 25(10): 2320-2330.
LI Zhong, ZHANG Li-juan, SHOU Jian-feng, et al. Structural strain and structural heterogeneity of sandstones diagenesis: A case study for the Kuqa subbasin in the northern Tarim basin[J]. Acta Petrologica Sinica, 2009, 25 (10): 2320-2330.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-05-17；修回日期：2011-08-05
基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2006CB202304)；长江大学科研发展基金联合资助(2010年)
通信作者：韩登林(1979-)，男，河南南阳人，博士，从事储集层成岩作用的教学与研究工作；电话：0716-8060208. E-mail：handl@yangtzeu.edu.cn
