2. 油气资源与工程全国重点实验室;
3. 中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院
, Gao Gang1,2
, Ma Qiang3
, Jiao Lixin3
, Liang Hao3
, Kang Jilun1,2,3
, Fan Keting1,2
, Zhang Wei3
, Liang Hui3
, Xu Xiongfei1,2,3
, Fan Liang3
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering;
3. Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Tuha Oilfield Company
细粒岩是页岩油、致密油的重要物质基础和载体，并记录了湖盆演化、物源供给及气候变化等重要信息，是目前地学领域的研究前沿与热点[1-5]。针对海相及海陆过渡相细粒岩，国内外学者已经开展过大量的研究，并发现了丰富的油气资源[6-9]。然而，陆相细粒岩常发育微米级别和厘米级别纹层，这些矿物组成存在差异的纹层在纵向上变化非常快且横向连续性差，导致其非均质性极强[10-14]。此外，陆相细粒岩物质来源十分复杂，包括陆源碎屑物质、盆内化学沉积物、生物沉积物以及火山碎屑物质等，甚至包括沉积物质的再搬运[15-17]，因此造成了这些富有机质细粒沉积物具有显著的沉积环境和矿物组成多样性、成岩作用多阶段性以及成岩流体和成岩环境复杂性的特点。近年来，针对陆相细粒岩，我国在松辽盆地白垩系[18]、渤海湾盆地古近系[19-23]、三塘湖盆地二叠系[17, 24-26]、鄂尔多斯盆地三叠系[27]和准噶尔盆地二叠系[28-29]等探明了大量的油气资源，其已经成为油气资源的重要接替领域。甜点是优质储层中具备最佳含油气性、流动性及压裂改造潜力的区域[30-31]。然而，目前关于陆相细粒岩优质储层成因及甜点段选取等研究仍需进一步深化。此外，优势成岩相决定了储层的孔隙结构和储集能力，是形成优质储层的基础。因此，针对陆相细粒岩开展沉积及成岩特征等相关研究，对于明确非常规储层发育条件，进一步预测有利区具有重要意义。
三塘湖盆地芦草沟组二段（芦二段）沉积期物源主要来自盆地周缘空落火山灰和内源碳酸盐，陆源供给十分有限[25, 32]，形成了一套特殊的细粒岩。针对盆地条湖、马朗凹陷芦二段的页岩油勘探起始于1996年，目前已经部署了80余口探井，且均有油气显示[17, 26, 33]。但是，试油结果显示，不同层段、不同构造位置产量差异较大。例如，部署在斜坡区的马1井日产油约为15t，累计产油超过2500t，但同为斜坡区的马7井周缘部署的评价井产量则较差[34]。此外，位于凹陷区的ML1井日产油仅为1.48t，且衰减较快，而同为凹陷区的ML2井初期日产油约为10.27t[26]。这暗示了芦草沟组页岩油的有利区不仅受到沉积环境控制，而后期是否经历过有利的成岩改造是页岩油富集的关键[30, 35-36]。然而，目前关于芦草沟组细粒岩成岩作用等相关研究较少，普遍认为沉积作用控制岩性，而优势岩相控制着页岩油的有利区分布[17, 37]。基于此，本研究主要依据芦二段地球化学及储层等相关岩心分析数据，目的是对其成岩过程进行系统研究，进而明确页岩油富集有利区，为下一步勘探提供依据。
1 地质背景三塘湖盆地位于新疆维吾尔自治区东北部，西临准噶尔盆地，南临吐哈盆地，东北部与蒙古国接壤，呈NW—SE向夹持于阿尔泰山系和天山山系之间，面积约为2.3×104km2[17, 34, 38-39]。盆地经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造作用，目前可划分为北部隆起带、中央坳陷带和南缘冲断带3个一级构造单元（图 1a）[25-26]。其中位于中央坳陷带的条湖和马朗凹陷是芦草沟组页岩油勘探的主要领域，总面积约为3200km2 [12, 24, 33, 40]。
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图 1 三塘湖盆地构造单元划分（a）与地层综合柱状图（b） Fig. 1 Division of structural units (a) and comprehensive stratigraphic column (b) in Santanghu Basin |
三塘湖盆地是在古生代造山褶皱基底之上叠合发育的晚古生代—新生代陆内沉积盆地，钻井揭示了上石炭统、中二叠统、中—上三叠统、侏罗系、白垩系和新生界等多套地层[34]。中二叠统芦草沟组最大沉积厚度约为700m，且具有南厚北薄的特征[41]。依据岩性和电性特征，芦草沟组纵向上可划分为芦一段、芦二段和芦三段（图 1b）[17, 42]，发育上、中、下3套甜点，其中下甜点位于芦一段，中甜点和上甜点位于芦二段[26, 33]。芦二段沉积期，盆地周缘火山频繁喷发，凹陷内形成了一套以火山碎屑岩和碳酸盐岩为主的湖相细粒沉积，厚度最大可达300m[32, 38]。此外，芦二段细粒岩普遍富含有机质，同时也是良好的储集体[25, 43-44]，是目前芦草沟组页岩油的主要勘探层段。
2 沉积与储层特征 2.1 矿物组成与有机地球化学特征芦二段沉积期，盆地内的陆源有机质输入十分有限，以盆地周缘火山灰空落为主要物源，形成了其特有的沉积体系[44-45]。这一特征在矿物组成中表现为黏土矿物含量极低（平均约为3.42%），而长英质矿物（长石+石英）和碳酸盐矿物含量均较高，分别介于5%~95%（平均约为49.68%）和2%~92%（平均约为40.76%）（图 2），其中长英质是构成火山灰的主要矿物（凝灰质）。此外，方沸石和黄铁矿占比较低，平均占比分别为0.18%和2.48%。一般而言，火山活动、热液作用以及成岩过程中火山玻屑的进一步水解均会释放出大量Mg2+等微量元素，因此，芦二段碳酸盐经历了多期白云化作用，以白云石和铁白云石为主，方解石含量较少（平均约为5.17%）。按照长英质矿物和碳酸盐矿物的相对含量，芦草沟组主要岩性可以大致分为4类，即白云岩（碳酸盐矿物含量大于75%）、凝灰质白云岩（碳酸盐矿物含量介于50%~75%）、白云质凝灰岩（长英质矿物含量介于50%~75%）和凝灰岩（长英质矿物含量大于75%）[42]。
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图 2 三塘湖盆地芦二段矿物组成三角图 Fig. 2 Mineral composition triangular diagram in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
不同岩性细粒岩普遍含有有机质，凝灰岩TOC介于0.11%~14.10%（平均约为4.18%）（图 3），岩石热解S1+S2介于0.15~241.14mg/g（平均约为42.55mg/g）；白云质凝灰岩TOC介于0.09%~ 16.70%（平均约为5.32%），岩石热解S1+S2介于0.05~180.09mg/g（平均约为34.04mg/g）；凝灰质白云岩TOC介于0.29%~10.40%（平均约为4.11%），岩石热解S1+S2介于1.08~130.46mg/g（平均约为27.70mg/g）；而白云岩TOC介于0.64%~12.40%（平均约为4.72%），岩石热解S1+S2介于1.47~84.70mg/g（平均约为26.00mg/g），四种岩性细粒岩有机质丰度均较高（图 3）。Pan等[32]对芦二段火山喷发旋回研究认为，火山集中喷发期主要岩性为凝灰岩，火山间歇期主要岩性为白云岩，而火山活动较为微弱时期或者火山喷发—间歇过渡期岩性主要为白云质凝灰岩和凝灰质白云岩（图 4）。Yu等[42]对芦二段有机质富集机理研究认为，芦二段主要发育蓝细菌和绿藻两类生油有机质（图 4），如果将这两种菌藻类有机质与岩性建立联系可以发现，蓝细菌在凝灰岩和白云质凝灰岩中较为发育，而绿藻具有广盐性，除白云岩中相对不发育之外，其余岩性中均较发育，而两类有机质混合的样品岩性主要为过渡类岩性，贫有机质样品岩性主要为在高盐度条件下形成的白云岩和凝灰质白云岩（图 5）。此外，4种岩性细粒岩有机质类型均以Ⅰ型和Ⅱ型为主，极少数为Ⅲ型（图 6），有机质成熟度介于0.72%~ 1.06%。总体而言，4种岩性细粒岩均具备良好的生烃能力。
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图 3 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩有机质丰度特征图 Fig. 3 Characteristics of organic matter abundance of fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
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图 4 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩岩心照片及岩石学特征图 Fig. 4 Photos and petrological characteristics of fine-grained rock cores with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin (a—e）芦页1井，3361.52m，凝灰岩，蓝细菌与长英质矿物共生；（f—j）马78井，3039.02m，白云质凝灰岩，蓝细菌与长英质矿物共生，含少量白云石；（k—o）芦页1井，3340.22m，凝灰质白云岩，发育白云石和长英质矿物互层，蓝细菌和绿藻同时发育；（p—t) ML1井，3484.95m，白云岩，以碳酸盐矿物为主，绿藻发育；（u—y）马6103H井，3026.09m，碳酸盐矿物含量高，有机质不发育 |
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图 5 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩有机质占比图 Fig. 5 Proportion of organic matter in fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
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图 6 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩有机质类型特征图 Fig. 6 Characteristics of organic matter types in fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
芦二段细粒岩孔隙度介于0.45%~8.22%（平均约为2.39%），渗透率介于0.0001~5.24mD（平均约为0.60mD），为低孔特低渗储层[46]（图 7），且孔隙度和渗透率的正相关性不明显。凝灰岩孔隙度和渗透率分别介于0.49%~8.22%（平均约为3.64%）和0.089~2.81mD（平均约为0.63mD）；白云质凝灰岩孔隙度和渗透率分别介于0.76%~4.78%（平均约为1.84%）和0.009~1.31mD（平均约为0.34mD）；凝灰质白云岩孔隙度和渗透率分别介于0.45%~5.78%（平均约为1.98%）和0.0001~ 5.24mD（平均约为0.61mD）；白云岩孔隙度和渗透率分别介于1.08%~3.06%（平均约为1.97%）和0.25~3.86mD（平均约为1.00mD）。总体而言，细粒岩岩性对物性没有明显的控制作用，不同岩性储层物性均有好有坏（图 7），这与前人研究认为白云岩类储层好于凝灰岩类储层的观点存在一定差异[17, 37]，相对于沉积过程而言，细粒岩成岩过程可能对优质储层形成的控制作用更加明显[31]。
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图 7 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩物性特征图 Fig. 7 Physical properties of fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
芦二段细粒岩原生粒间孔隙发育较少，仅保留少量原生晶间孔隙，次生孔隙较为发育，且不同岩性细粒岩孔隙类型存在一定差异（图 8）。凝灰岩主要发育脱玻化孔、长石溶孔以及有机质溶孔（图 8a—d），其中脱玻化孔是火山物质中的玻屑及长石受温度和压力影响转化后形成的微孔，而长石溶孔是在温度和压力作用基础上，受到酸性流体侵蚀后形成[47-48]。这些细小的孔隙虽然可以明显提高储层孔隙度，但连通性普遍较差，因此，凝灰岩多为高孔低渗储层[38]。白云质凝灰岩和凝灰质白云岩主要发育脱玻化孔、长石溶孔、有机质孔、有机质生烃溶蚀孔、白云石晶间孔以及白云石重结晶孔（图 8e—j），不同类型孔隙发育程度与长英质和碳酸盐矿物的相对含量有关[17]。白云岩主要发育晶间微孔和重结晶孔，溶蚀孔隙发育较少（图 8k、l）。不同岩性细粒岩均不同程度发育微裂缝，极大改善了储集性能[14]（图 8m—q），而相同岩性细粒岩储集空间类型也存在一定差异，并间接影响了储层物性，这也体现了成岩改造对优质储层形成起着重要的作用[30, 49]。
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图 8 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩储集空间类型图 Fig. 8 Reservoir space types in fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin (a) 马7井，2167.39m，凝灰岩，脱玻化孔；（b) ML1井，3484.95m，凝灰岩，脱玻化孔和长石溶孔；（c）ML1井，3593.95m，凝灰岩，脱玻化孔和有机质溶孔；（d）马6103H井，3019.59m，凝灰岩，脱玻化孔；（e）ML1井，3498.81m，白云质凝灰岩，脱玻化孔；（f）ML1井，3629.56m，白云质凝灰岩，脱玻化孔和长石溶孔；（g) ML1井，3467.39m，凝灰质白云岩，脱玻化孔和长石溶孔；（h) 条3403H井，3348.64m，凝灰质白云岩，长石溶孔、白云石晶间孔和白云石重结晶孔；（i）条3402H井，3325.39m，凝灰质白云岩，白云石晶间孔；（j）条3403H井，3346.56m，凝灰质白云岩，有机质孔和有机质生烃溶蚀孔；（k）ML1井，3642.31m，白云岩，白云石晶间微孔；（l）马68井，1735.87m，白云岩，白云石晶间孔和白云石重结晶孔；（m）条34井，3288.25m，白云质凝灰岩，微裂缝；（n）芦页1井，3290.38m，凝灰质白云岩，微裂缝；（o) 马6井，裂缝；（p）马7井，裂缝；（q）跃进1井，裂缝 |
芦二段细粒岩样品孔隙结构复杂，排驱压力介于0.07~7.39MPa（平均为1.82MPa），中值半径介于0.01~0.78μm（平均为0.11μm）（图 9a），分选系数介于1.31~5.11（平均为2.66），汞饱和度介于52.29%~95.01%（平均为82.96%）（图 9b），而核磁共振T2截止值介于2.68~372.76ms（平均为74.22ms）（图 9c）。一般而言，岩石岩性很大程度决定了其孔隙结构特征[37, 50]，然而，芦二段细粒岩孔隙结构参数分布范围较大，相同岩性细粒岩孔隙结构仍存在较大差异，这暗示了岩性差异对其孔隙类型以及孔—喉配置关系没有明显的控制作用。此外，储层流体可动性很大程度受到孔隙大小、形状及其连通性的控制[51]，因此，岩性差异对流体可动性的影响也十分微弱（图 9d）。
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图 9 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩孔隙结构与流体流动性特征图 Fig. 9 Pore structure and fluid flow characteristics in fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
前已述及，芦二段细粒岩储层物性总体较差，原生孔隙发育较少，以次生溶蚀孔和微裂缝为主。此外，有机质丰度较高，干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ型为主，镜质组反射率介于0.58%~1.10%，表明有机质处于低成熟—成熟阶段，黏土矿物组成以伊利石和伊/蒙混层为主（图 10a）。大部分样品伊/蒙混层比超过40%，表明混层黏土在成岩过程中占主导地位。绿泥石和高岭石的含量在成岩过程中先增大后减小（图 10b、c），这与地层高温和富镁流体促使其向伊利石转化有关（图 10d），同时也反映化学环境由弱碱性过渡为酸性，之后又逐渐转变为碱性的特点。综合分析认为，条湖、马朗凹陷芦二段细粒岩处于中成岩A期。
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图 10 三塘湖盆地芦二段细粒岩黏土矿物转化特征图 Fig. 10 Characteristics of clay mineral transformation in fine-grained rocks in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
芦二段细粒岩目前主要处于中成岩A期，因此，大气淡水和有机酸是其成岩过程中矿物颗粒溶蚀的主要介质[52]。早成岩A期是成岩作用的初期阶段，主要发生在近地表环境中，温度为10~50℃。在这一阶段，沉积物的化学和物理特性开始发生变化，主要受大气水下渗、微生物活动和氧化还原条件的影响。在近地表阶段，大气降水渗入地表并进入沉积物层。这些渗透水通常是富含二氧化碳（CO2）的弱酸性溶液，当雨水通过土壤和植物层时，会溶解更多的CO2，形成碳酸（H2CO3）。在这一过程中，H2CO3可以促进芦二段细粒岩中长石、玻屑、方解石胶结物，以及同生白云石等矿物发生较强溶解[1, 53]。
在早成岩B期至中成岩A期（温度范围为50~ 150℃）期间，细粒岩中的有机质经历了显著的化学和物理变化，其中干酪根的热演化生酸作用是一个关键过程。与表生溶蚀作用相比，这一过程主要处于相对封闭的成岩流体环境中。一般而言，油源岩在成熟过程中会产生大量水溶性有机酸，且在生油高峰时有机酸浓度最高[54-57]。Yu等[58]针对芦二段细粒岩中蓝细菌和绿藻两种有机质进行了生烃模拟，并建立其各自的生油模式。根据这一模式，可以确定不同有机质有机酸生成阶段及其与成岩阶段的匹配关系。早成岩阶段—中成岩A期早期，早期形成的H2CO3对储层展开第一轮溶蚀，形成高孔带（图 11a—c），之后随着压实作用增强，储层孔隙度逐渐减小，这一阶段成岩环境主要为碱性[59-60]（图 11d）。前已述及，芦二段不同岩性细粒岩普遍富含有机质，因此，伴随着中成岩A期有机质开始大量生烃（Ro约为0.72%，埋深约为2900m）[57]，有机酸对储层展开规模溶蚀，形成第二个高孔带（图 11a—c），成岩环境也逐渐转变为酸性（图 11d）。之后，随着有机质热演化程度增加，排出的有机酸量逐渐降低，成岩环境逐渐过渡为碱性（图 11d），储层改造作用减弱，孔隙度逐渐减小[61-62]。
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图 11 三塘湖盆地芦二段细粒岩孔隙度—成岩流体—成岩环境演化特征图 Fig. 11 Porosity-diagenetic fluid-diagenetic environment evolution characteristics of fine-grained rocks in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
压实作用是沉积物在埋藏过程中，受上覆沉积物的重量作用，颗粒之间的孔隙度逐渐减小的过程。芦二段细粒岩经历了较强的压实作用，矿物颗粒之间接触紧密，以线接触为主，在富有机质背景下，有机质同样受到压力作用而发生形变，导致其被压弯、扭曲或者破裂（图 12a、b）。此外，细粒沉积物中，压实作用会显著减小纹层厚度，芦二段细粒岩普遍发育微米或厘米级别纹层[17, 45]，同样指示其经历了较强且持续的压实作用。残余粒间孔隙度是经过压实作用后，沉积物中仍然存在的孔隙空间[31]，芦二段不同岩性细粒岩残余粒间孔在埋藏过程中持续减小（图 13a），可见压实作用对其储层质量的影响是较强且持续的，而凝灰岩和白云质凝灰岩在不同演化阶段残余粒间孔占比均略高于白云岩和凝灰质白云岩，这与其骨架颗粒刚性较强且能够有效分担上覆压力有关[47]。
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图 12 三塘湖盆地芦二段细粒岩成岩作用类型图 Fig. 12 Diagenetic types of fine-grained rocks in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin (a) 芦页1井，3318.31m，压实作用强烈，矿物颗粒紧密接触；(b) 芦页1井，3292.34m，有机质被压弯；(c) ML1井，3467.39m，硅质胶结；(d)马602井，3144.12m，硅质胶结；(e) 马6103H井，3024.16m，硅质胶结；(f) 马68井，1736.88m，钙质胶结；(g) ML1井，3629.56m，有机质生烃溶蚀；(h) 芦页1井，3374.09m，长石定向溶蚀；(i) 马78井，3034.32m，长石溶蚀；(j) T3403H井，3345.55m，白云化作用；(k) ML1井，3629.56m，脱玻化作用；(l) 芦页1井，3289.62m，脱玻化作用 |
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图 13 三塘湖盆地芦二段不同岩性细粒岩孔隙及胶结物类型演化特征图 Fig. 13 Pore and cement type evolution characteristics of fine-grained rocks with various lithologies in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
芦二段细粒岩胶结作用类型主要包括硅质胶结和碳酸盐胶结两种类型。硅质胶结可以增强岩石强度及化学稳定性[63]，主要为微晶石英和石英次生加大边两类。微晶石英主要呈纤维状或者颗粒状充填于孔隙和裂缝中，且常与长石、玻屑等火山灰主要物质相伴生，表明长石溶蚀或火山物质脱玻化作用是其主要的物质来源，而石英次生加大为溶解的SiO2重新沉淀在石英颗粒表面形成，呈现出透明至半透明的特性，颗粒边缘清晰可见[43, 64]（图 12c—e）。方解石胶结物主要在颗粒之间的孔隙边缘或者裂缝中沉淀，但发育较少（图 12f），可能与成岩过程中酸性流体的溶蚀作用有关。在碱性环境中，成岩过程中硅质胶结物和碳酸盐胶结物含量变化不大，而酸性环境中硅质胶结物含量相对增加（图 13b），这与长石等硅酸盐矿物分解速率加快有关，而碳酸盐胶结物含量迅速减少则与有机酸等流体对其快速溶解有关[62, 65]（图 13c）。但总体而言，成岩过程中胶结物总含量变化不大（图 13d）。
3.5 溶蚀和破裂作用芦二段细粒岩在埋藏、成岩过程中经历了广泛且较强的溶蚀（图 12g—i）。主要表现为长石沿颗粒边缘或者两组解理面（001和010）发生定向溶蚀，这些区域的原子键能相对较弱，更容易受到溶蚀作用的影响[36, 60]。此外，火山玻屑以及早期胶结碳酸盐溶蚀较为彻底，形成较多次生孔隙，因此，溶蚀作用在凝灰岩及白云质凝灰岩储层中表现得更为明显，而白云石类储层溶蚀强度普遍较弱，仅在矿物表面形成细小的溶孔或裂隙（图 13e、f），这与白云岩类储层相对稳定，不易发生规模溶解有关，这也与实验条件下白云石易于被酸性流体溶蚀的结论存在差异[66-67]。此外，芦二段细粒岩储层岩石骨架颗粒脆性较高[24]，构造运动形成的大量微裂缝为酸性流体渗流提供了条件，对增强溶蚀改造具有重要作用。
3.6 白云化作用白云化作用是方解石在特定的地质和化学条件下被白云石取代的过程，主要依赖于Mg2+的浓度、流体条件、较高的温度和适宜的压力条件[68]。芦二段细粒岩沉积期，火山活动释放出大量的Mg2+，经历了较为普遍的同生白云化作用[44]。沉积过程中，火山物质脱玻化作用同样释放出大量白云化作用所需离子，在流体条件较好的情况下，细粒岩经历了埋藏白云化作用，形成较为明显的雾心亮边结构（图 12j）。此外，局部热液活动也可以促进白云化作用进程[69]，但这一过程中晶体快速生长反而填充了原始孔隙空间，导致晶间孔隙减少，孔隙结构更加复杂，对储层改造作用较弱[70]。总体而言，成岩过程中的白云化作用有效增加了白云岩类储层的储集空间（图 13g），是对白云岩类储层进行改造的主要成岩作用。
3.7 脱玻化作用芦二段细粒岩矿物组成中长石和石英占比普遍较高，在埋藏和成岩过程中经历了显著的脱玻化作用（图 12k、l），产生了较多的次生孔隙，这一过程受温度和压力的驱动，导致火山玻屑和长石转变为石英等晶质矿物[26, 64]。具体来说，脱玻化作用是通过晶核形成和晶体生长，使得原本无定形的玻璃质物质逐渐转变为规则的晶体结构，进而对凝灰岩类储层产生有效改造（图 13h），在这个过程中，地层水和溶解态的SiO2起到了关键作用[24]。
4 成岩相划分及特征对芦二段细粒岩的原始孔隙度进行恢复是对其储层开展定量评价的基础，一般采用Beard和Weyl[71]提出的公式，通过计算得到芦二段原始孔隙度均值为31.76%。压实减孔量和胶结减孔量分别介于15.96%~27.66%（平均为21.94%）和0.27%~2%（平均为1.05%），可见压实作用是影响芦二段储层质量的重要因素，而胶结作用对其储层质量影响相对较小。溶蚀增孔量介于0.46%~1.59%（平均为0.88%），相较于现今样品孔隙度而言（平均为2.39%），多期的溶蚀作用有效改善了芦二段储层质量。此外，由于白云岩类储层溶蚀作用强度普遍较弱，因此白云化作用强度是其储层质量改善的关键。基于不同岩性样品的主要成岩作用类型及孔隙演化特征，可以将上述成岩过程总结为五类成岩相。
4.1 弱溶蚀弱白云化相芦二段四种岩性细粒岩均可形成弱溶蚀弱白云化相储层（图 14至图 16）。这些岩石主要经历了早期大气淡水溶蚀，有机酸溶蚀较弱。此外，由于其碳酸盐矿物占比相对较低，因此主要经历了同沉积白云化作用，虽然沉积期火山物质脱玻化作用可以提供大量的Ca2+和Mg2+，但由于缺乏进一步白云化作用的物质基础，因此白云化作用相对较弱。
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图 14 凝灰岩储层成岩演化路径图 Fig. 14 Diagenetic evolution path of tuff reservoir |
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图 15 白云岩储层成岩演化路径图 Fig. 15 Diagenetic evolution path of dolomite reservoir |
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图 16 凝灰质白云岩和白云质凝灰岩储层成岩演化路径图 Fig. 16 Diagenetic evolution path of tuffaceous dolomite and dolomitic tuff reservoirs |
岩性以有机质丰度较低的白云岩、凝灰质白云岩和白云质凝灰岩为主（图 15、图 16）。这些岩石中易溶组分较少，主要为早期填隙物经历了大气淡水溶蚀，对储层质量改良十分微弱。然而，这类成岩相经历了较强的白云化作用，不仅在同沉积期形成大量微晶白云岩，且在同沉积期还经历了更为强烈的白云化作用，因此白云石晶体普遍较大。
4.3 中等溶蚀中等白云化相岩性以有机质丰度相对较高的白云质凝灰岩和凝灰质白云岩为主（图 16）。这类岩石不仅经历了早期大气淡水溶蚀，在成岩阶段还经历了较强的有机酸溶蚀，有效增强了储层的储集能力。此外，长石、火山等易溶物质在溶蚀过程中提供了大量的Ca2+和Mg2+，因此碳酸盐矿物白云化程度也相对较高。
4.4 强溶蚀弱白云化相岩性以有机质丰度较高的凝灰岩和白云质凝灰岩为主（图 14、图 16）。这类岩石在成岩早期及中成岩阶段均经历了强烈溶蚀，形成了大量的次生孔隙，且溶蚀作用产生的黏土矿物等副产物及时被流体带出了反应体系。此外，这类储层由于碳酸盐矿物占比较低，因此白云化作用也相对微弱。
4.5 溶蚀胶结相岩性以有机质丰度较高的凝灰岩和白云质凝灰岩为主（图 14、图 16）。此类岩石虽然同样经历了较为强烈的溶蚀作用，但是由于压实等成岩作用影响，孔隙流体流速普遍较低，导致溶蚀作用产生的次生孔隙多被反应副产物填充，因此对储层质量改善较为微弱。
4.6 优势储层成岩相细粒岩沉积、构造及成岩过程复杂，因此，成岩相分析是刻画其优质储层成因的有效手段。通过对不同成岩相物性及孔隙结构特征分析，查明了强溶蚀弱白云化相和中等溶蚀中等白云化相是其优质储集岩相（图 17），弱溶蚀中等白云化相储集性能相对较好，而弱溶蚀弱白云化相和溶蚀胶结相物性和孔隙结构普遍较差。
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图 17 不同成岩相储层孔隙结构与物性特征图 Fig. 17 Pore structure and physical properties of reservoirs with various diagenetic facies |
本次研究利用Matlab软件搭建随机森林对样品对应测井数据进行机器学习，通过训练多个决策树并结合它们的预测结果来进行分类或回归任务，每个决策树从数据集中随机选取特征和样本进行训练，模型的最终预测结果是这些树的集成输出。随机森林模型的具体设置：训练500棵决策树，通常，树的数量越多，模型的稳定性和准确性越好，但也增加了计算成本。采用袋外数据预测，每棵树分割数（树的深度）为15，每个子节点包含的最少样本数为8。本次选择芦草沟组细粒岩储层较为敏感的测井曲线GR、RT、AC、DEN和CNL，将不同成岩相样品的对应测井值作为输入数据，在训练时，选择强溶蚀弱白云化相样品42个、中等溶蚀中等白云化相样品40个、弱溶蚀弱白云化相样品38个、溶蚀胶结相样品38个和弱溶蚀中等白云化相样品46个，共计204个样品作为训练数据，此外，每种成岩相分别选择20个，共计100个样本作为测试数据。输出数据为各类岩石的编号，即强溶蚀弱白云化相为0，中等溶蚀中等白云化相为1，弱溶蚀弱白云化相为2，溶蚀胶结相为3，而弱溶蚀中等白云化相为4。测试结果显示，不同成岩相预测效果总体较好，成功率约为86%（图 18）。
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图 18 成岩相预测结果与测试集对应关系图 Fig. 18 Corresponding relationship between predicted diagenetic facies and test set |
基于成岩相预测模型，对研究区多口典型井成岩相进行了预测，结果显示预测结果总体较好，优质成岩相一般与油层具有较好的匹配关系，结合上述优质成岩相类型对比结果，划分了储层类型，进而结合含油饱和度和OSI特征，明确了3类甜点段的纵向分布规律（图 19）。通过连井剖面对比，明确了研究区成岩相纵向分布规律，可见不同井段成岩相分布整体具有连续性，但受构造作用和埋深的影响，不同井段成岩过程也具有其特殊性，部分成岩相在横向上尖灭或呈透镜体状存在（图 20）。
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图 19 三塘湖盆地芦二段成岩相—甜点综合评价图 Fig. 19 Comprehensive evaluation of diagenetic facies and sweet spots in the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
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图 20 三塘湖盆地芦二段成岩相剖面特征图 Fig. 20 Diagenetic facies section of the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
依据芦二段火山喷发旋回，其纵向上可划分为4个小层[17, 42]。选择垂向厚度最大的成岩相类型作为目的层的代表成岩相，分别绘制了芦二段各小层成岩相平面展布图。由图 21可知，4个小层不同区域成岩相既有继承性，也有差异性，这体现了芦二段成岩过程的复杂性，也体现了成岩相对储层分布的控制作用。本次划分的5类成岩相在4个小层中均有分布（图 21），但比例存在差异，弱溶蚀弱白云化相在4个小层内均广泛分布，主要发育在条湖凹陷西北、马朗凹陷东南以及条湖、马朗凹陷过渡区，其余4类成岩相在4个小层内分布差异则较为明显。4个小层纵向上与甜点段具有一定的匹配关系，其中4小层主要对应上甜点，而1~3小层主要对应中甜点（图 19）。结合优势储层岩相类型分析结果可知，条湖凹陷上甜点优势成岩相主要分布于南缘，主要为强溶蚀弱白云化相；马朗凹陷上甜点优势成岩相主要分布在洼陷区及西南缘（图 21）；条湖凹陷中甜点优势成岩相主要分布在南缘、条中洼陷区及跃进沟地区，以强溶蚀弱白云化相和中等溶蚀中等白云化相为主；马朗凹陷中甜点自3—1小层随着埋深增加，优势成岩相分布范围逐渐南移，南缘则由溶蚀胶结相逐渐过渡为强溶蚀弱白云化相和中等溶蚀中等白云化相（图 21）。
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图 21 三塘湖盆地芦二段成岩相展布特征图 Fig. 21 Distribution of diagenetic facies of the second member of Luocaogou Formation in Santanghu Basin |
（1）芦二段细粒岩黏土矿物占比非常低，依据长英质和碳酸盐矿物的相对含量，将芦二段细粒岩划分为白云岩、凝灰质白云岩、白云质凝灰岩和凝灰岩。芦二段主要发育低孔、特低渗储层，不同于常规页岩及碎屑岩储层，岩性对芦二段细粒岩物性、孔隙结构及流体可动性的控制作用十分微弱，不同岩性细粒岩在成岩过程中经历不同的成岩改造均可形成优质储层，成岩改造类型及成岩改造期次是芦二段优质储层形成的关键。
（2）除白云岩外，芦二段其余岩性细粒岩普遍富含有机质，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ型为主，有机显微组成主要为蓝细菌和绿藻，其中凝灰岩和白云质凝灰岩主要发育蓝细菌，而绿藻在凝灰岩、白云质凝灰岩和凝灰质白云岩中均有发育，普遍发育的有机质生烃不仅改变了成岩环境，也对储层质量有着重要影响。芦二段细粒岩目前处于中成岩A期，成岩环境在早成岩阶段主要为弱碱性，而中成岩A期随着有机质大量生烃，成岩环境逐渐转变为酸性。
（3）压实作用在成岩过程中持续减孔，早成岩阶段的碳酸盐胶结和中成岩阶段的硅质胶结对储层质量影响较小，而中成岩阶段的溶蚀作用强度是芦二段细粒岩优质储层形成的关键。此外，溶蚀作用主要针对凝灰岩类储层，对白云岩类储层影响较小，白云化作用强度是白云岩类优质储层形成的关键。
（4）依据不同岩性细粒岩溶蚀及白云化作用强度，将芦二段细粒岩成岩相划分为强溶蚀弱白云化相、中等溶蚀中等白云化相、弱溶蚀中等白云化相、弱溶蚀弱白云化相和溶蚀胶结相5类，其中强溶蚀弱白云化相、中等溶蚀中等白云化相为优势成岩相。通过Matlab随机森林法对成岩相进行了单井预测，进而结合井间对比，明确其平面分布范围，查明了条湖凹陷上甜点优势成岩相主要分布于南缘，马朗凹陷上甜点优势成岩相主要分布在洼陷区及西南缘，条湖凹陷中甜点优势成岩相主要分布在南缘、条中洼陷区及跃进沟地区，而马朗凹陷中甜点优势成岩相主要分布在南缘及西南缘。
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