0 引言
随着世界油气勘探重点由常规油气转向非常规油气，以致密砂岩气为代表的非常规油气资源正成为我国油气勘探新的储量增长点[1]。自1989年鄂尔多斯盆地发现首个致密砂岩气田——靖边气田以来，松辽、渤海湾、四川和塔里木等盆地相继发现多个1012m3级致密砂岩气田，估算天然气资源量(66~70)×1012m3，初步展现出我国致密气巨大的勘探潜力[2]。致密气田多以储层致密、非均质性强、开发难度大著称[3]。我国致密储层多形成于陆相湖盆沉积体系，与半深湖—深湖相优质烃源岩互层发育的薄层粉细砂岩，以及凹陷中心的重力流砂体是致密气主要的赋存空间[4]，整体低渗透背景下甜点储层识别是致密气勘探的核心问题[5]。沙河子组是松辽盆地北部深层主要的烃源岩层位。前人研究主要集中在烃源岩评价、生烃演化及资源潜力评价方面[6-7]，对沙河子组赋存的致密气资源，以及致密砂砾岩储层特征、成因和有利储层分布方面缺乏系统认识。近年来随着SS9H井、XT1井在沙河子组致密砂砾岩中相继获得工业气流，证实了沙河子组致密气广阔的勘探潜力。沙河子组致密气储层物性差、非均质性强，是制约气藏分布的重要因素。沙河子组沉积后经历了强烈的成岩改造，复杂的成岩作用是造成储层致密化的关键。传统的成岩作用以对成岩类型和特征的定性描述为主[8]，难以定量表征各类储层的分布，而成岩相通过建立成岩作用与物性演化之间的成因联系，为致密储层中相对优质储集体分布预测提供依据[9-10]。因此，本次综合运用沙河子组的普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、阴极发光、电子探针、X衍射及物性测试等多种资料，在明确沙河子组致密储层成岩作用特征的基础上，明确压实、胶结和溶蚀作用等不同类型成岩作用对储层物性演化的影响，结合多种参数将研究区划分为5种成岩相类型，并初步分析了不同成岩相的平面分布，从而为进一步的储层“甜点”预测和致密气勘探提供依据。
1 区域地质概况徐家围子断陷面积5 350 km2，是松辽盆地北部深层断陷群中面积最大的一个次级断陷，南北长约135 km，东西宽为15~45 km，整体呈NNW向展布(图 1a)，是一个由徐西断裂、徐中断裂及徐东花状断裂带控制的复式箕状断陷(图 1b)，也是盆地内勘探程度最高、发现天然气储量最大的深部断陷[11]。沙河子组是盆地初始断陷期发育的一套含砾砂岩、粗砂岩与煤岩、暗色泥岩混杂的碎屑岩沉积，在盆地北部深层多个断陷均有钻遇。长期以来，徐家围子断陷天然气勘探主要集中在营城组火山岩，近年来在沙河子组致密砂砾岩中连续获得高产工业气流，不仅扩展了该地区天然气勘探领域，也揭示了盆地北部致密气广阔的勘探潜力。整体上，沙河子组沉积时期在古地貌和断裂活动联合控制下，断陷东西两侧存在强烈的沉积分异：断陷西侧陡坡带以近物源的扇三角洲沉积为主，砂体厚度大、平面延伸距离短，向湖盆中心迅速演化成滨浅湖、半深湖；断陷东侧缓坡带则以远源的辫状河三角洲沉积为主，砂体厚度小、延伸距离远。
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| a.松辽盆地主要断陷烃源岩厚度图；b.徐家围子断陷断裂分布图。 图 1 徐家围子断陷构造位置图 Fig. 1 Tectonic location of Xujiaweizi fault depression |
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岩心观察表明，沙河子组储层以细砾岩(41.03%)、粗砂岩(35.76%)为主，含少量细砂岩、粉砂岩和煤，体积分数分别为11.18%、6.14%和5.89%。储层分选、磨圆中等—较差，以棱角—次棱角状为主。砾岩中泥质成分较多，成分成熟度和结构成熟度较低。砂岩碎屑颗粒以岩屑、长石为主，体积分数平均分别为38.47%和23.21%，石英体积分数较低，平均仅为18.84%，岩屑中火山岩岩屑体积分数最高，变质岩岩屑和沉积岩岩屑不发育。砂岩以长石岩屑砂岩为主，次为岩屑长石砂岩、岩屑砂岩和长石砂岩(图 2a)。通过217个砂岩薄片统计表明，砂岩填隙物以泥质杂基和方解石最为常见，含少量高岭石、浊沸石、火山灰及黄铁矿，体积分数平均为10.38%。通过对581个样品分析表明，沙河子组储层孔隙度分布在0.30%~12.90%之间，65%的样品孔隙度小于6.00%，平均为4.84%(图 2b)，渗透率分布在0.002×10-3~35.700×10-3μm2之间，64%的样品渗透率小于0.100×10-3μm2，平均为0.420×10-3μm2(图 2c)。沙河子组砂砾岩储层物性较差，整体为致密储层。
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| 图 2 沙河子组储层岩石类型及孔渗关系 Fig. 2 Type of sandstone and relationship between property and permeability in Shahezi Formation |
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徐家围子断陷沙河子组分析测试数据统计表明，沙河子组有机质演化处于高—过成熟阶段，镜质体反射率(Ro)分布在1.30%~3.00%之间，平均为2.32%，伊蒙混层比分布在5%~20%之间，按照石油行业碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T 5477—2003)[12]，研究区处于中成岩B期—晚成岩阶段。结合自生矿物与各类孔隙间接触关系，建立沙河子组碎屑岩成岩作用序列为：压实压溶作用→I型方解石胶结→绿泥石环边→石英次生加大→油气侵位→长石、岩屑溶蚀→高岭石胶结、自生石英→Ⅱ型方解石胶结、交代(图 3)。
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| 图 3 徐家围子断陷沙河子组成岩演化序列 Fig. 3 Diagenetic sequences of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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研究区成岩作用类型有压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。成岩作用特征见图 4。
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| a.芳深8井，4 155.69 m，碎屑颗粒间线接触，局部见缝合接触，(+)；b.达深21井，3 617.00 m，塑性岩屑挤压变形，长石表面挤压成裂缝，碎屑石英颗粒定向排列，(-)；c.达深3井，3 850.14 m，片丝状伊利石覆盖颗粒表面，见粒间孔隙，(SEM)；d.达深15井，3 721.24 m，绿泥石包裹碎屑颗粒，粒间充填微晶石英(Q)，(+)；e.升深6井，3210.43 m，颗粒表面绿泥石包膜，见粒间溶孔，(-)；f.达深32井，3 580.00 m，长石粒内溶孔内充填微晶石英和高岭石，(SEM)；g.达深2井，3 858.32 m，Ⅰ型方解石呈镶嵌连晶状胶结，交代长石，(+)；h.达深4井，3 321.96 m，Ⅰ型方解石发橘黄色光，Ⅱ型方解石发红光，长石发蓝光；i.徐深35井，4 355.55 m，Ⅱ型方解石交代长石，(+)；j.芳深10井，3 493.09 m，不稳定岩屑溶蚀成蜂窝状孔隙，(-)；k.达深14井，3 677.31 m，长石溶蚀成铸模孔，溶孔内充填微晶石英，(-)；l.达深3井，3 619.04 m，长石被Ⅱ型方解石交代，(+)。Q.石英；Fsp.长石；I.伊利石；chl.绿泥石；kao.高岭石。 图 4 徐家围子断陷沙河子组成岩作用特征 Fig. 4 Digenesis characteristic of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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沙河子组埋深较大，普遍超过3 000 m，经历了较强的压实作用，镜下常见碎屑颗粒间以线接触为主，局部见缝合接触(图 4a)；石英、长石表面挤压破裂呈不规则状裂纹，火山岩岩屑等塑性颗粒挤压变形，颗粒沿长轴方向呈准定向排列(图 4b)。
4.2 胶结作用镜下观察表明沙河子组发育多期胶结作用，胶结物类型多，样品测试数据分析表明，胶结物体积分数高，以黏土矿物体积分数最高，次为硅质胶结和碳酸盐胶结。
4.2.1 黏土矿物胶结黏土矿物体积分数为15.00%~35.00%，其中伊利石、绿泥石体积分数较高，次为伊蒙混层和高岭石。黏土矿物中伊利石相对体积分数分布在12.00%~89.00%之间，平均为65.02%，呈絮状、片丝状覆盖石英、高岭石和绿泥石颗粒表面(图 4c)。沙河子组沉积物中含大量火山凝灰质、火山碎屑矿物，这些火山灰初始组成物质主要为蒙皂石，在深埋阶段蒙皂石消耗殆尽、伊蒙混层体积分数迅速降低，同时分解释放大量K+、Na+、Ca2+、Al3+、Mn2+、Fe2+、Fe3+等离子，与混层黏土结合转化为伊利石和绿泥石。研究区伊蒙混层相对体积分数分布在10.00%~40.00%之间，平均为12.63%，是蒙皂石向伊利石转换的中间产物，呈片状、絮状充填粒间体积，局部见混层黏土呈片状伊利石形态的残留，表明伊蒙混层的演化程度较高，以晚期阶段的富伊利石层为主。
绿泥石体积分数分布在5.00%~62.00%之间，平均为14.43%，自生绿泥石覆盖碎屑颗粒表面，或呈孔隙衬边形式产出，颗粒包膜绿泥石占据粒间体积，减缓压实强度并阻止石英次生加大(图 4d)，使部分原生粒间孔隙得以保存[13]。随埋深增加，绿泥石体积分数增加，在3 200~3 600 m和3 800~4 100 m达到最大，颗粒表面绿泥石包壳增强颗粒抗压实能力，有利原生孔隙保存，是地层流体的重要通道，促进次生溶蚀的形成，发育粒间溶孔(图 4e)，相应的储层物性也较高(图 5)。高岭石体积分数分布在2.00%~18.00%之间，平均仅有8.72%，呈书页状、蠕虫状集合体充填粒间孔隙，随埋深增加高岭石体积分数先增大而后迅速减少，表明大部分高岭石已完成向伊利石的转化。垂向上高岭石发育层段也是次生孔隙相对发育区间，表明高岭石主要来自长石溶蚀，镜下常见高岭石附着在长石表面或充填长石粒间溶孔。
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| 图 5 徐家围子断陷沙河子组黏土矿物体积分数及储层物性随深度变化 Fig. 5 Relationship between clay content and depth of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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研究区硅质胶结体积分数平均为6.82%，以石英次生加大为主，含少量微晶石英。碎屑石英表面的次生加大边宽度为10~50 μm，最宽可达0.4 mm。石英次生加大边中盐水包裹体呈群状分布，均一温度分布在90~120 ℃之间(图 6)，证实为早成岩B期的产物。微晶石英体积分数较低，呈细晶、微晶状充填于次生溶蚀形成的粒内溶孔中(图 4f)，形成于中成岩A期。长石溶蚀和黏土矿物转化释放的SiO2是微晶石英主要的SiO2来源：
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| 图 6 徐家围子断陷沙河子组包裹体赋存矿物类型与均一温度关系 Fig. 6 Homogenization temperature of different host minerals in Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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2KAlSi3O8(钾长石)+2CO2+3H2O → Al2(Si2O5)(OH)4(高岭石)+4SiO2(微晶石英)+2K2HCO3;
2NaAlSi3O8(钠长石)+2CO2+3H2O → Al2(Si2O5)(OH)4(高岭石)+4SiO2(微晶石英)+2Na2NCO3。
4.2.3 碳酸盐胶结研究区碳酸盐胶结物体积分数较高，以方解石为主，含少量白云石和铁白云石。方解石可分为Ⅰ型方解石和Ⅱ型方解石。Ⅰ型方解石晶型细小，呈镶嵌连晶状充填骨架颗粒之间的不规则大孔隙中，并交代长石、岩屑及黏土杂基(图 4g)，形成时间较早。Ⅰ型方解石中FeO体积分数较低、MnO体积分数较高，分别为10%~21%和70%~90%(图 7)，阴极发光强度较高，以橘黄色、亮黄色为主(图 4h)，镜下见Ⅰ型方解石发育样品中石英次生加大不发育，碎屑颗粒间以点接触为主，表明Ⅰ型方解石形成于强烈压实作用和石英加大前，能有效提高砂砾岩的抗压实能力。Ⅱ型方解石晶型粗大，以铁方解石为主，与Ⅰ型方解石相比，FeO体积分数增高、MnO体积分数降低，分别为30%~41%和41%~58%，MgO体积分数中等，分布在15%~20%(图 7)，呈斑块状交代碎屑颗粒(图 4i)，或充填骨架颗粒间不规则晶间孔隙，阴极发光强度中等，以暗橘红色、红色为主。镜下可见Ⅱ型方解石包裹Ⅰ型方解石，Ⅱ型方解石中含烃流体包裹体呈群状分布，均一温度普遍超过160 ℃，主要分布在170~190 ℃之间(图 6)，表明其形成于晚成岩A期，随着埋深和地温增加，地层水中CO2分压降低，溶解于地层水中的碳酸盐重结晶形成Ⅱ型方解石[14]。随埋深增加，地层温度和压力升高，在高温、缺氧条件下，由黏土矿物或黑云母转化产生的Ca2+、Fe3+、Mg2+等离子随地层水迁移，与有机质成熟时产生的CO2反应形成晶粒粗大、洁净的白云石、铁白云石，并交代碎屑颗粒。
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| 图 7 徐家围子断陷沙河子组方解石中元素组成 Fig. 7 The content of different elements in calcite of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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溶蚀作用主要包括长石、火山岩岩屑及方解石胶结物溶蚀。镜下常见长石颗粒边缘溶蚀呈港湾状，长石沿解理面溶蚀，火山岩岩屑溶蚀呈锯齿状、蜂窝状粒内溶孔等(图 4j)，溶蚀作用较强时长石完全溶蚀呈铸模孔，溶蚀孔内充填微晶石英(图 4k)。
4.4 交代作用研究区交代作用主要包括方解石交代石英、长石(图 4l)。沿颗粒边缘呈锯齿状、不规则状，部分完全交代碎屑颗粒形成交代假象；方解石交代伊利石、绿泥石、石英次生加大等胶结物。
5 致密砂砾岩成岩相类型及特征随着成岩相在低渗透砂岩储层成因和预测研究中的应用，许多学者从定性角度对成岩相进行分类命名，如以成岩矿物、成岩事件或成岩环境对成岩相进行命名[15-17]。这些研究在非常规油气勘探中取得了较好的应用效果；但成岩相分类由于缺乏定量指标，不同地区储层成岩相之间难以有效对比[18]。近年来，成岩作用定量化研究不断深入，利用压实率、胶结率、微孔率和成岩综合指数等多种反映成岩作用强度和组合的成岩参数进行成岩相定量划分已成为成岩相研究的必然趋势[19-20]。沙河子组储层视压实率分布在14%~100%之间，平均为72%，视胶结率分布在0~82%之间，平均为23%，视溶蚀率分布在2%~34%之间，平均仅为17%。结合成岩作用特征分析表明，强烈的压实作用是造成物性损失的重要原因，不同类型胶结物充填残余粒间体积，是造成储层致密化的主要因素。结合视压实率和视胶结率将沙河子组储层划分为5种成岩相类型(图 8)，不同成岩相特征存在明显差异。
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| 图 8 徐家围子断陷沙河子组成岩相划分 Fig. 8 Diagenetic facies division of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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该成岩相主要发育在断陷西侧陡坡带(图 9)，以细砾岩、粗砂岩为主。在近物源条件下，碎屑颗粒分选差，泥质杂基体积分数高。由于碎屑颗粒分选差，根据Scherer[21]提出的不同分选状况下未固结砂岩的实测孔隙度关系式，计算强压实泥质杂基充填成岩相储层沉积时原始孔隙度为24.83%，是5类成岩相中原始孔隙度最低的。后期强烈的断陷活动使储层沉积后快速埋藏，泥质杂基塑性变形充填粒间孔隙，造成原生孔隙大量丧失，储层物性整体较差(图 10)，孔隙度平均仅为2.55%，渗透率平均为0.12×10-3 μm2(图 11a)。压汞和核磁测试表明，该类成岩相储层孔隙结构较差，孔径细小，最大孔喉半径分布在0.03~0.86 μm之间，普遍小于0.10 μm，排驱压力为5.20 MPa。镜下观察表明，该成岩相储集空间以黏土矿物晶间孔为主，含少量砾缘缝，黏土矿物晶间孔既是主要的孔隙类型，也是主要的喉道类型(图 11a)。
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| 图 9 徐家围子断陷沙河子组成岩相分布特征 Fig. 9 Distribution of diagenesis facies of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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| 图 10 徐家围子断陷沙河子组不同成岩相储层渗透率与孔隙度关系 Fig. 10 Relationship between permeability and porosity in different digenesis facies of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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| 图 11 徐家围子断陷沙河子组成岩相特征 Fig. 11 Digenesis facies characteristic of Shahezi Formation in Xujiaweizi fault depression |
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研究区中压实长石岩屑溶蚀成岩相主要发育在断陷东侧缓坡带(图 9)，以细砂岩、粉砂岩为主。碎屑物经长距离搬运后分选、磨圆较好，储层沉积时初始孔隙度为28.63%，明显高于其他成岩相。中压实长石岩屑溶蚀成岩相储层与断陷中心泥岩互层式接触，有机酸最先进入该成岩相，溶蚀作用发育，该成岩相储层物性相对较好(图 10)，明显高于其他成岩相，孔隙度平均为7.43%，渗透率平均为0.95×10-3 μm2(图 11b)。该类成岩相储层孔隙半径主要分布在0.05~15.00 μm之间，平均为9.30 μm，排驱压力为0.12 MPa，发育长石粒内溶孔、铸模孔，含少量残余粒间孔(图 11b)。
5.3 中压实石英次生加大成岩相中压实石英加大成岩相主要发育在断陷东侧缓坡带(图 9)，以中砂岩、粗砂岩为主。碎屑颗粒中石英体积分数高，具有一定的抗压实能力，同时辫状河三角洲前缘沉积物中长石溶蚀形成的SiO2，随压实水流向外排出，在邻近的辫状河三角洲平原沉积物中沉淀形成次生加大边和自生石英。虽然该成岩相沉积时分选较好，保留了26.62%的原始孔隙，但强烈的石英加大和压实作用破坏了大部分原生孔隙，储层物性总体相对较差(图 10)，孔隙度平均为4.68%，渗透率为0.36×10-3 μm2(图 11c)。该类成岩相储层孔隙结构较差，孔喉半径分布在0.01~5.43 μm之间，平均为2.02 μm，排驱压力为1.58 MPa，以粒间溶孔、残余粒间孔为主(图 11c)。
5.4 中压实绿泥石环边胶结成岩相中压实绿泥石环边胶结成岩相主要发育在断陷西侧陡坡带(图 9)，以粗砂岩、细砂岩为主。碎屑颗粒分选中等，储层沉积时初始孔隙度为27.86%，虽然压实作用破坏了大量原生孔隙，但成岩相中火山岩岩屑体积分数高，前缘沉积环境中黑云母等暗色矿物水解释放大量Mg2+、Fe2+离子，在河口环境中发生絮凝形成含铁沉积物[22]，形成自生绿泥石呈等厚环边状包裹碎屑颗粒，提高碎屑岩抗压实能力，使储层在较大埋深条件下仍保留部分原生孔隙，储层物性相对较好(图 10)，孔隙度平均为5.74%，渗透率平均0.56×10-3 μm2(图 11d)。储层孔隙结构较好，孔喉半径分布在0.01~10.61 μm之间，平均为2.52 μm，排驱压力为1.12 MPa，以残余粒间孔、晶间孔为主，局部见微裂缝(图 11d)。
5.5 弱压实碳酸盐胶结成岩相研究区弱压实碳酸盐胶结成岩相主要发育在断陷西侧陡坡带、断陷中部洼槽带(图 9)，以中砂岩、细砂岩为主。碎屑颗粒分选中等—较差，储层沉积时初始孔隙度为25.97%。沙河子组沉积时以干热气候为主，地层水中CO2与火山物质水解释放的Ca2+结合形成方解石沉淀并占据粒间体积，使原生孔隙损失殆尽，阻止了压实作用的进行。当有机质达到成熟，有机酸溶蚀部分方解石胶结物形成次生溶孔，储层物性较差(图 10)，孔隙度平均为3.13%，渗透率平均0.09×10-3 μm2(图 11e)。储层孔隙结构较差，孔喉半径小于0.10 μm，排驱压力为8.90 MPa，以晶间孔为主，局部见少量粒间溶孔(图 11e)。
6 结论1) 沙河子组砂砾岩储层发育压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用等成岩作用，经历了压实压溶作用→Ⅰ型方解石胶结→绿泥石环边→石英次生加大→油气侵位→长石、岩屑溶蚀→高岭石胶结、自生石英→Ⅱ型方解石胶结、交代的成岩过程，处于中成岩B期—晚成岩阶段。
2) 沙河子组发育强压实泥质杂基充填成岩相、中压实长石岩屑溶蚀成岩相、中压实石英次生加大成岩相、中压实绿泥石环边胶结成岩相和弱压实碳酸盐胶结成岩相等5种成岩相类型，不同类型成岩相特征存在差异，其中长石岩屑溶蚀成岩相和绿泥石环边胶结成岩相物性较好，是研究区有利储层类型，石英次生加大成岩相物性次之，泥质杂基充填成岩相和碳酸盐胶结成岩相物性最差。
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