王 猛， 耿榕悦， 马富强， 孙国强， 蒋 赟， 潘世乐

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院， 兰州 730000； 2.中国科学院大学， 北京 100049； 3.中国石油青海油田公司勘探开发研究院， 敦煌 736202)

柴达木盆地是中国西部一个大型的中、新生代陆相含油气盆地，盆地面积约12万km2，盆地内中、新生代沉积厚度6 000～7 000 m，部分地区可达上万米，具有巨大的勘探开发潜力[1-2]。柴北缘九龙山地区作为近些年来的重点勘探区块，具有良好的生烃指标。其侏罗系中、上统作为主力储层，油页岩和碳质泥岩发育，是勘探开发的有利目标[3]。近年来勘探生产表明，九龙山地区侏罗系地层油源丰富，发现了大量油气显示，并获得高产工业油气流[4-5]。众所周知，储层成岩作用的类型及发育情况在很大程度上影响着储层物性的质量，特征复杂的成岩改造过程一定程度上控制了油气资源的运移和存储条件等。因此成岩作用的研究是一项基础且意义重大的工作，直接影响到后期储层评价和油气资源的勘探开发。

中外学者对柴北缘的沉积物源体系[5-7]、沉积相及沉积模式[8-9]和沉积成岩作用[10-11]等有过较为详细的研究。如陈思远等[12]认为九龙山地区为一新生代早期开始发育的古隆起，断裂多为陡倾的基底断层，具正花状构造；刘一珉[13]认为九龙山地区以辫状河沉积为主，物源来自东北方向；王牧[3]综合岩芯铸体薄片分析认为，九龙山地区成岩作用较强，泥质和钙质胶结物控制了胶结物的含量和胶结作用的强弱。但限于九龙山地区勘探开发程度较低、分析实验资料较少，前人并不将该区成岩作用特征作为主要研究对象，导致研究较为笼统，分析描述以定性为主、同时缺乏资料支持。尤其是对作为油气主力层位的侏罗系地层成岩作用特征研究不足，严重制约了该地区进一步地勘探开发。

因此，在总结前人研究成果的基础上，结合大量的岩芯样品观测、岩石薄片的鉴定和扫描电镜照片的观察辨别，并通过定量分析相关地球化学资料，首次以九龙山地区侏罗系成岩作用特征为核心研究对象，系统分析研究区成岩作用特征、成岩阶段划分及演化过程等。弥补该区成岩作用方面研究的不足，并提供相关的研究资料。以为进一步完善柴北缘九龙山地区侏罗系储层的相关研究打下坚实基础，同时也为该区有利储层分布区的预测和勘探开发提供一定的地质依据。

1 区域地质概况

柴达木盆地是青藏高原内沉积巨厚的内陆型盆地，油气资源丰富，勘探潜力巨大。西南至昆仑山脉、北接祁连山脉、西北界为阿尔金山山脉，具有多级构造发育、沉积物源多和构造活动频繁等特点[14]。九龙山地区是柴达木盆地北缘断块带内的一个二级构造单元，地形狭长呈NW向展布，为一大型鼻状斜坡。其西北为赛什腾山，南界为马海凹陷，东南毗邻绿梁山，东北为祁连山脉[3](图1)。研究表明[15-16]，柴北缘含油气系统主要以中、下侏罗统地层烃源岩为主。

图1 九龙山地区区域位置构造图Fig.1 Location and construction map of Jiulongshan Area

柴达木盆地构造应力环境主要经历了从早-中侏罗世的伸展构造环境，转变为晚侏罗世-早白垩世的挤压构造环境[17]。从柴达木盆地北缘侏罗纪各时期的沉积相可以看出[18-19]，柴达木盆地北缘主要经历了早侏罗世断陷湖盆沉积-中侏罗世坳陷湖盆沉积-晚侏罗世辫状河流沉积。早侏罗系气候温暖湿润，辫状河三角洲-湖泊体系发育；中侏罗系湖侵范围增大，主要为湖泊相沉积；晚侏罗系气候由温暖潮湿转变为炎热干旱，湖泊、辫状河三角洲消失，主要为河流沉积体系[18]。

2 岩石学特征

九龙山地区中侏罗统下段主要发育辫状河河流相，河床亚相较为发育[20][图2(a)、图2(b)]，可见少量河漫亚相[图2(c)]；中、上段主要为辫状河-辫状河三角洲-滨浅湖沉积体系，滨浅湖较为发育[图2(d)～图2(f)]。上侏罗统主要发育滨浅湖-辫状河三角洲-辫状河沉积体系[图2(g)～图2(i)]，相比中侏罗统上段为一水退过程。

图2 九龙山地区侏罗系岩芯照片Fig.2 Photos of Jurassic core in Jiulongshan Area

统计资料表明，九龙山侏罗系储集岩岩石类型主要为灰色粗粒岩屑砂岩和灰色中粒长石岩屑砂岩[图3(a)]。泥质杂基含量分布范围5%～15%，平均含量13.4%。石英含量变化较大，分布范围为17.81%～91.40%，平均含量50.80%；长石含量分布范围为2.50%～54.55%，平均含量16.91%；岩屑含量分布范围4.11%～60.81%，平均含量32.29%。

研究区侏罗系储集砂岩粒度较粗，中砂岩约占31.74%，粗砂岩约占27.83%[图3(b)]。砂砾岩中胶结物含量较高，以碳酸盐胶结物最为发育[图4(a)]，泥质胶结物次之。颗粒间接触方式主要为点-线接触[图4(b)]，碎屑岩成分成熟度较低，结构成熟度中等-差；分选性中等-较差，磨圆以次棱角状为主[图4(c)]；胶结类型主要为孔隙式胶结。

图3 九龙山地区侏罗系砂岩成分三角图和粒度分布图Fig.3 Triangular diagram and histogram of the Jurassic sandstone compositions in Jiulongshan Area

对岩芯铸体薄片的观察和统计表明，九龙山侏罗系砂砾岩孔隙类型主要有残余粒间孔、粒间溶孔和粒内溶孔，次生孔隙较为发育。此外可见少量裂隙，连通性一般，非均质性较为明显。

(1)残余粒间孔：其成因主要是由于颗粒之间的相互支撑，所形成的孔隙既没有被杂基充填也未受到后期酸性流体的溶蚀。由于研究区压实作用较强，因此残余粒间孔保存相对较少，碎屑颗粒之间主要为点-线接触[图4(d)]。

(2)粒间溶孔：可溶组分主要为长石颗粒和粒间方解石胶结物等。粒间溶孔形状不规则、大小不均、分布不均匀，在颗粒边缘常见锯齿状或港湾状的溶蚀残余结构[图4(e)]。

(3)粒内溶孔：主要包括岩屑溶孔和长石溶孔。岩屑中的易溶组分交代了颗粒后被溶解而形成粒内溶孔，长石颗粒可被溶蚀而形成粒内溶孔[图4(f)]。粒内溶孔较为常见，各个层位均有发育，但其连通性较差，不利于油气运移。

(4)裂隙：储层中发育由于构造应力和收缩作用而形成的裂隙[图4(g)]，此外裂隙的形成还受到沉积作用和成岩作用等的改造。裂隙的存在有效改善了储集空间的连通性。

3 成岩作用类型及特征

成岩作用对储集岩的渗透率和孔隙度有着重要意义，很大程度上控制了储层物性质量，对碎屑岩油气藏的形成有着重要的意义[21]。根据铸体薄片的鉴定、扫描电镜和X-射线衍射分析等资料，分析表明九龙山地区成岩作用以压实作用、胶结作用和溶蚀作用为主。压实作用和胶结作用破坏了孔隙的发育，降低了储层物性质量；溶蚀作用形成了次生孔隙，增加了储集岩的孔隙度，提高了连通性，对孔隙发育起建设性作用。

3.1 压实作用

在早期沉积物埋藏阶段，压实作用占有着显著地位，主要表现为塑性形变、脆性形变、颗粒重排及压裂缝[22]。由于上覆沉积物的逐渐增厚和静水压力的作用，孔隙流体被排出。颗粒之间由点接触变为点-线、线接触，孔隙体积减小，孔隙度降低。对九龙山地区铸体薄片的鉴定结果表明，该地区经历了较强的机械压实作用。云母和一些塑性颗粒由于强烈的压实作用而发生明显弯曲变形[图4(h)]，部分抗压性较强的刚性颗粒表面出现裂缝[图4(i)]，颗粒间也大多呈点-线接触。此外，由于黏土杂基的润滑作用，碎屑颗粒被迅速压实，使得粒间孔隙损失较快[23]。压实作用对储层物性破坏较为严重，是导致研究区孔隙度降低的主要原因。

3.2 胶结作用

在成岩作用的各个阶段胶结作用均有发育，具有明显的世代性[14]。胶结物充填于储层孔隙之中，减少了孔隙空间、缩小了孔喉半径，是降低储层孔隙度和渗透率的主要原因之一[21]。九龙山地区侏罗系储层胶结作用种类多样且分布广泛，其中以碳酸盐胶结、黏土胶结和硅质胶结为主。

3.2.1 碳酸盐胶结

九龙山地区碳酸盐胶结物类型较多，主要包括方解石、白云石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿和菱镁矿等，其中方解石最为普遍。早期成岩阶段沉积物中钙离子丰度较高，方解石胶结物则是由孔隙水中的钙离子析出沉淀而形成的[4, 24]。早期碳酸盐胶结物自形程度较差，以泥晶-微晶方解石、白云石为主，常散布于松散接触的颗粒之间，或呈环边状围绕着碎屑颗粒分布[图4(j)]。有效地抵御了机械压实作用对于储层孔隙的破坏。成岩阶段中晚期形成的胶结物一般晶粒较大、含铁量较高，主要呈粉晶-粗晶状，常见铁白云石、铁方解石[图4(k)]。伴随着酸性流体的进入，易发生溶蚀和蚀变作用，从而形成大量次生孔隙，改善了储层物性。而白云石和铁白云石埋藏较深，多以半自形微晶或粉晶为主，其对储层物性有明显的抑制作用。

3.2.2 黏土胶结

九龙山地区黏土矿物种类多样、含量变化范围大、分布范围广，常见高岭石、伊利石、绿泥石和伊-蒙混层等黏土矿物[23]。

(1)高岭石。九龙山地区黏土矿物中50%以上为高岭石，且成熟度较高，是黏土胶结物的主要成分[4, 20]。其形成环境要求为酸性环境，地层中的孔隙水和其他黏土矿物转变过程中所产生丰富的SiO2和Al3+,为高岭石的形成提供了物质基础[14]。九龙山地区高岭石晶间结构较松，多呈书页状和蠕虫状，以孔隙填充的形式存在于残余粒间孔和次生溶蚀孔中[图5(a)]，造成孔隙堵塞。

(2)伊利石。研究区伊利石分布范围较广，在各种不同成分的砂砾岩中均有发现，其可在富含K+的弱碱性流体环境下，由高岭石转变而来。在碎屑岩胶结物中，伊利石主要呈现鳞片状、羽毛状或丝缕状[图5(b)]。伊利石常在孔隙中构成丝缕状网络，其易被水冲移而堵塞喉道。随着埋藏深度的不断加深，伊利石结晶程度越来越好，最后转化成绢云母[21]。

(3)绿泥石。自生绿泥石在砂岩中多呈颗粒包膜或孔隙衬边形式产出，研究区绿泥石集合体常见呈鳞片状和绒球状产出[25][图5(c)]。绿泥石为富铁、富镁的硅酸盐矿物，形成环境主要为富铁的碱性水介质环境中，因此铁含量的高低影响着绿泥石的自形程度。根据电镜资料，靠近碎屑颗粒的绿泥石自形程度较低，越接近孔隙，绿泥石自形程度越高。一方面，以孔隙衬边形式产出的绿泥石抑制了其他胶结物的早期沉淀，增强了碎屑颗粒的抗压实能力，对储层物性起建设性作用;另一方面，分布于较大孔隙之中的绿泥石集合体堵塞了油气运移通道，降低了孔隙连通性，从而降低了储层的物性质量。研究区绿泥石主要呈现出降低储层物性质量的一面。

(4)伊-蒙混层。伊-蒙混层是蒙脱石向伊利石过渡的中间产物，呈蜂窝状或棉絮状[图5(d)]。混层晶格中的矿物含量比例决定了混层形态。若晶格中富含伊利石层，则形态近似于伊利石，呈不规则的片状，否则呈类似于蒙脱石的波状[21]。研究区伊-蒙混层随着深度的增加整体呈现出由少变多继而再变少的演化特点，多以孔隙垫衬和填充的形式产出。

3.2.3 硅质胶结

九龙山地区硅质胶结物普遍发育，石英是最常见的硅质胶结物，在侏罗系储集岩中平均含量可达50.80%。由于侏罗系储层砂岩成分成熟度较低，结构成熟度较差，不利于石英次生加大的广泛形成，因此硅质胶结物常见自形的小石英晶体[图5(e)]。常充填于粒内溶孔、粒间孔壁和一些紧密接触的碎屑颗粒之间[图5(f)]。九龙山地区长石风化严重，其向高岭石转变时可释放出二氧化硅，这为硅质胶结物的形成提供了充足的物质基础。硅质胶结物虽然在一定程度上提高了储层砂岩的抗压实能力，但由于其主要充填于各种孔隙之中，还是降低了储层的孔隙度。

3.3 溶蚀作用

碎屑岩储层内的任何组分，在一定的流体介质环境和温压条件下，都会发生不同程度的溶蚀[14]。溶蚀作用的结果形成了多种次生孔隙和裂隙[26]，是提高储层孔隙度，改善储层物性条件的重要成岩作用。有机质在成岩作用中后期会产生大量的有机酸，使得流体环境呈弱酸-酸性，从而对可溶组分进行大量溶蚀。对九龙山侏罗系储层砂岩的铸体薄片观察研究表明，研究区碎屑岩中可供溶蚀的组分丰富，主要包括碎屑颗粒和碳酸盐胶结物。其中碳酸盐胶结物的溶蚀是孔隙度提升、储集条件改善的重要因素。研究区由于溶蚀作用的改造形成了多种次生孔隙，主要包括粒间溶蚀孔隙[图4(e)]、粒内溶蚀孔隙[图4(f)]和粒缘溶蚀孔隙[图4(l)]等，它们是重要的油气储集空间。

4 成岩阶段划分及演化序列

划分成岩阶段需要综合考虑颗粒间的接触关系特征、自生黏土矿物的成分、黏土矿物之间的组合关系特征、不同孔隙类型的组合特征等参数[14]。前人对九龙山地区侏罗系储层成岩阶段划分主要依据铸体薄片观察和扫描电镜照片观察，具有一定的偶然性。划分手段以定性为主，缺乏定量分析，并且划分依据较为单一，论述不足、缺乏说服力。本文成岩阶段划分从实验数据定量分析出发，综合了成岩温度、颗粒接触关系、自生黏土矿物成分、孔隙类型特征等多项指标，科学地分析并划分了成岩阶段，同时建立了成岩演化序列，具有较强的说服力。

4.1 成岩阶段划分

成岩温度作为独立的定量指标，不受其他因素影响，可以辅助进行成岩阶段的划分。Shackleton等[27]在前人研究基础上，总结出据氧同位素来估算古温度公式为

T=16.9-4.38(δc-δw)+0.1(δc-δw)2

(1)

式(1)中：δc为测得样品中δ18O值，PDB标准，‰；δw为当时的海水δ18O值，SMOW标准，‰，δw的值取0。将九龙山地区侏罗系砂岩中碳酸盐胶结物的氧同位素值代入式(1)，计算结果如表1所示。根据式(1)计算出的九龙山地区侏罗系砂岩中碳酸盐胶结物形成时的古温度最大值为126.55 ℃，最小值为78.50 ℃，平均值为105.86 ℃。

九龙山地区侏罗系砂岩黏土矿物主要包括高岭石、伊利石和绿泥石。根据X-射线衍射分析(表2)，黏土矿物含量4.80%～29.40%，平均含量14.60%；伊-蒙混层中蒙脱石层含量较低，平均为9.57%。

表2 柴达木盆地九龙山地区侏罗系砂岩X-射线衍射分析数据Table 2 X-ray diffraction analysis data of Jurassic sandstones in Jiulongshan Area

随着埋藏深度的增大，温度和压力逐渐增大，有机质发生热脱羧基作用释放出二氧化碳。当其溶于层间水、吸附水等之中时，会形成具有较强腐蚀能力的有机酸和碳酸溶液，从而形成酸性-弱酸性的成岩环境[28]。以碳酸盐胶结物和长石为代表的可溶性组分，在这种环境中会被大量溶蚀，从而形成大量次生孔隙。

上述研究表明了，碳酸盐胶结物形成时的古温度平均值为105.86 ℃；伊-蒙混层中蒙脱石含量较低，平均为9.57%；常见粒间溶孔和粒内溶孔，次生孔隙发育；碎屑颗粒间的接触类型主要为点-线接触，大量的塑性颗粒或云母被挤压变形，刚性颗粒趋向紧密堆积，可见部分刚性颗粒被压裂，说明成岩过程中经历了较强的压实作用；黏土矿物以书页状高岭石为主，其中伊-蒙混层、伊利石和绿泥石等成熟度较高的黏土矿物含量居多；可见石英加大Ⅱ～Ⅲ级，呈弱酸性成岩环境。因此，根据碎屑岩成岩阶段划分标准[22]并综合多项指标，认为九龙山地区侏罗系储层主要处于中成岩阶段A期。

4.2 成岩演化序列

通过对九龙山地区侏罗储层成岩作用特征和形成条件的分析，结合重点探井的岩芯薄片、扫描电镜观察和其他分析化验资料，建立了研究区侏罗系的成岩序列：初期少量的黏土杂基沉淀→早期方解石开始胶结→机械压实作用改造→少量硅质胶结物出现→酸性流体侵入、流体环境发生改变→方解石等发生强烈溶蚀→后期大量油气侵入→少量晚期方解石胶结物形成(图6)。

沉积物埋藏初期研究区水动力作用较强且变化大，只有少量黏土杂基沉淀了下来，而咸水湖盆的沉积环境利于早期方解石胶结物的形成。由于成岩阶段早期压实作用影响较大，使得原始孔隙大量减少，原始孔隙减少了约为50%(图7)，同时胶结作用也减少了约22%的原始孔隙(图7)。碳酸盐胶结物虽然降低了储层的孔隙度，但由于其抗压实作用，在早成岩阶段晚期仍保留了20%左右的原生孔隙(图6)。之后酸性流体侵入，方解石等碳酸盐类胶结物发生大量溶蚀，产生了大量的次生孔隙，其溶蚀作用所增加的孔隙度可达40%以上，有效地改善了储层的物性[29]。经过溶蚀作用的改造后，储层孔隙度明显提高，为大量油气的侵入奠定了良好基础。

图7 九龙山地区侏罗系砂岩压实作用和 胶结作用与孔隙度关系Fig.7 Diagram showing the relationship between compaction cementation and porosity of the Jurassic reservoir rocks in Jiulongshan Area

5 结论

(1)柴北缘九龙山地区侏罗系碎屑岩储层以砂岩为主，粒度较粗；储集岩岩石类型主要为灰色粗粒岩屑砂岩和灰色中粒长石岩屑砂岩，成分成熟度低、结构成熟度中等-差；次生孔隙发育，颗粒接触关

系以点-线接触为主。九龙山地区侏罗统主要发育辫状河-辫状河三角洲-滨浅湖沉积体系。

(2)成岩作用类型主要有压实作用、胶结作用和溶蚀作用。研究区经历了较强的压实作用改造；碳酸盐胶结物对胶结作用以及后期次生孔隙的形成有着重要的意义；硅质胶结物普遍发育。

(3)九龙山地区储集岩成岩作用较强，目前主要处于中成岩阶段A期。压实作用和胶结作用在不同程度上破坏了原生孔隙：压实作用减少了约50%的原生孔隙，胶结作用减少了约22%的原生孔隙。由于后期溶蚀作用的改造，产生了大量次生孔隙，改善了储层的物性条件。

(4)首次以九龙山地区侏罗系的成岩作用为核心研究对象，通过大量的岩芯样品观测、岩石薄片鉴定和扫描电镜照片观察辨别、相关地球化学资料分析计算等，采用定性和定量相结合的方法详细研究了该区成岩作用特征、成岩阶段划分及演化过程等。弥补了该区成岩作用方面研究的不足，并提供了相关的研究资料。