0 引言
压实作用和胶结作用是造成深层储层整体上低孔低渗的主要成岩作用［5］。溶蚀作用尽管能有效地改善储层质量，对储层的孔隙发育具有建设作用，但关于溶蚀发育的规模仍存在很大争议［6］。储层经历成岩作用的类型和强度，往往受到原始砂岩碎屑组构的影响［7］。砂岩组分和结构及其决定的原始物性控制了储层近地表或早期成岩作用的程度和类型，进而影响了埋藏成岩演化［7］。即使在同一砂体内，碎屑颗粒矿物成分和结构变化也能导致成岩作用类型和程度及成岩演化过程具有明显的差异［3-4］。岩石相是指形成在特定沉积条件下，具有相似的流体流动特征，孔喉结构相似的岩石［8］。不同的岩石相反映了储层孔隙演化所经历的途径不同［9］。与沉积岩相相比，岩石相更注重对储层微观特征的描述。因此，分析储层不同岩石相的差异成岩演化，有助于更好地理解深层有效储集空间的形成机制及主控因素。
准噶尔盆地中部征沙村地区下侏罗统三工河组埋深大，一般在4 800~5 000 m之间；储层物性较差，整体上属于低—特低孔渗性储层，但物性分布具有强非均质性。由于对有效储层的形成机制认识不清楚，制约了油气分布规律的预测。本文研究以征沙村地区三工河组砂岩储层为例，在岩心观察的基础上，利用铸体薄片、扫描电镜、碳氧同位素、X-射线衍射及常规物性测试手段，分析了储层的岩石学特征，划分了不同的岩石相类型，讨论了不同岩石相经历的差异成岩演化及其对储层质量的影响，并建立了岩石相—沉积微相的联系。
1 地质背景
征沙村地区侏罗系主要发育下侏罗统八道湾组（J1 b）和三工河组（J1 s），缺失中侏罗统西山窑组（J2 x）、头屯河组（J2 t）及上侏罗统齐古组（J3 q）和喀拉扎组（J3 k）［12］（图1）。受车莫古隆起抬升剥蚀的影响，征沙村地区中、上侏罗统被剥蚀饴尽，下侏罗统三工河组三段呈环状残留，向北和向南呈楔状增厚，白垩系与中侏罗统或三工河组二段呈不整合接触。三工河组自下而上发育三工河组一段（J1 s 1）、三工河组二段（J1 s 2）、三工河组三段（J1 s 3）。其中三工河组二段（J1 s 2）可进一步划分为上亚段（J1 s 2 2）和下亚段（J1 s 2 1）。三工河组一段以湖相和少量滨浅湖相滩坝砂体为主，也发育少量三角洲前缘相水下分流河道和河口坝［13］；三工河组二段下亚段主要发育辫状河三角洲前缘相沉积，分流河道砂体十分发育，纵向上表现为多期河道砂体相互叠置；三工河组二段上亚段主要发育曲流河三角洲前缘相，分支河道砂体孤立；三工河组三段主要发育半深湖—深湖相沉积［14］。
2 样品和实验方法
研究样品主要来自征1-2井、征1井及征3井（图2）。对3口井岩心的岩性、粒度、含油性及沉积结构等进行了细致的描述。
依据岩心描述，挑选83块样品磨制铸体薄片，分析砂岩岩石学特征。利用茜素红和铁氰化钾混合溶液进行染色，每个薄片染色1/2，以区分不同的碳酸盐矿物。使用ZEISS Scope.A1偏光显微镜对铸体薄片进行显微观测，重点统计碎屑颗粒的组分、自生矿物、孔隙类型及含量等。利用AxioVision Rel.4.8软件对微观图像进行测量，以确定砂岩的粒径和分选系数。使用Gazzi-Dickinson点计法，统计了50张薄片，每张薄片统计300个点。
在薄片观察的基础上，选择5块代表性样品制作了BSE薄片，并镀碳处理。利用搭载Oxford Aztec能谱仪（EDS）的Nova NanoSEM 450高分辨率场发射扫描电子显微镜（SEM），进一步鉴定成岩矿物，分析成岩矿物间微观结构关系。
选取7块镜下见到方解石和白云石矿物的岩心样品，进行了碳酸盐胶结物碳氧同位素测定，以区分碳酸盐胶结物形成的期次和成因。碳氧同位素在中国科学院地质与地球物理研究所稳定同位素地球化学实验室测试，使用质谱型号为MAT-253，所报数据均为相对国际标准VPDB值，内部标准监测显示δ13C和δ18O的标准偏差分别优于0.15‰和0.20‰。另外，从中国石化胜利油田勘探开发研究院收集了6口井约200个常规物性数据和60个X-射线衍射（XRD）数据。
3 结果
3.1 岩石学特征
三工河组砂岩粒度从细砂到粗砂变化，但以细砂岩和中砂岩为主。磨圆程度整体表现为次棱角状—次圆状，分选较好，但含砾砂岩分选极差。
砂岩类型主要为长石岩屑砂岩及少量的岩屑长石砂岩［图3（a）］，砂岩的成分成熟度较低。碎屑石英主要为单晶石英和少数变质成因的多晶石英，后者多出现波状消光。单晶石英颗粒含量为6%~16% （相对岩石碎屑颗粒的体积），平均为12%；多晶石英颗粒含量为1%~7%，平均为4%。长石以斜长石为主，钾长石含量少。钾长石颗粒含量为2%~10%，平均为8%，而斜长石颗粒含量为18%~30%，平均为25%。火山岩岩屑是砂岩最主要的碎屑颗粒组分［图3（b）］，火山岩岩屑含量为18%~32%，平均为28%。薄片下可见不同的火成岩结构，如粗面、霏细、球粒及隐—微晶结构等。变质岩岩屑主要为变质石英岩等高级变质岩（多晶石英）岩屑和片岩、板岩、千枚岩岩屑及变质粉砂岩等低级变质岩岩屑。低级变质岩岩屑含量为2%~18%，平均为10%。沉积岩岩屑主要为泥岩、燧石。沉积岩岩屑含量小于2%，平均为0.7%。此外也见极少量的白云母碎屑，平均值为0.8%，局部达到5%。
3.2 成岩作用
3.2.1 压实作用
在早期机械压实阶段，随着储层埋深不断增加，岩石所受上覆地层负载也不断增加，碎屑颗粒会发生变形、错动、破碎等，使得颗粒间紧密接触，从而降低砂岩的孔隙度。薄片下可见大部分低级变质岩岩屑、蚀变火山岩岩屑、泥岩岩屑及云母碎屑沿着石英、长石等刚性颗粒发生弯曲变形，部分被挤入粒间孔隙，形成假杂基［图4（a）］。本文将这些发生明显弯曲变形的碎屑颗粒称为塑性颗粒。
图4 三工河组砂岩典型显微照片（a）颗粒强烈压实，几乎不见孔隙发育，岩屑颗粒遭受压实弯曲，挤入粒间孔隙，形成假杂基，征3井，5 061.9 m，单片光；（b）颗粒中等压实，见原生粒间孔和溶蚀孔发育，征3井，5 106.2 m，单偏光；（c）方解石致密胶结孔隙，颗粒呈漂浮状，压实较弱，征1井，4 805.3 m，单偏光；（d）颗粒间缝合接触，为周边的石英加大提供来源，征3井，5 107.29 m，单偏光；（e）自形细晶铁白云石形成在石英加大边之前，石英胶结呈他形次生加大，征1-2井，4 798.62 m，单偏光；（f）细晶铁白云石及其晶间孔，征1井，4 791.7 m，单偏光；（g）铁方解石发育在石英加大边之后，征1-2井，4 795.91 m；（h）铁方解石交代溶蚀残余的长石骨架，征3井，5 114.11 m，单偏光；（i）铁白云石充填长石的粒内溶孔，征3井，5 063.75 m，单偏光；（j）硬石膏形成在石英加大边之后，征3井，5 065.1 m，单偏光；（k）石膏形成在石英加大边之后，征3井，5 065.1 m，单偏光；（l）铁白云石被硬石膏包裹，征1井，4 782.25 m，单偏光 Fig.4 Typical thin section images of sandstone in the Sangonghe Formation |
此外，局部见石英颗粒间压溶，缝合接触，且在颗粒周边有石英加大边发育。石英加大边的形成进一步占据孔隙体积［图4（d）］。
3.2.2 胶结作用
（1）碳酸盐胶结。碳酸盐胶结物广泛发育且类型丰富，有方解石、铁方解石、铁白云石和菱铁矿。局部方解石含量最高可达30%，铁白云石的含量最高可达20%。菱铁矿极少发育，含量小于1%［图5（g）］。
图5 三工河组砂岩电镜照片（a）颗粒表面被绿泥石膜覆盖，高岭石和绿泥石共生，征3井，5 061.15 m；（b）绿泥石膜包裹的钠长石被溶蚀而绿泥石膜未被破坏，征3井，5 061.15 m；（c）石英胶结沿着颗粒表面未被绿泥石膜覆盖的区域次生加大，征3井，5 061.15 m；（d）铁白云石充填高岭石晶间孔，征3井，5 061.15 m；（e）伊利石和绿泥石的混合，征1井，4 790.15 m；（f）颗粒表面的微晶石英颗粒，征1-2井，4 812.86 m；（g）菱铁矿，征3井，5 061.15 m；（h）铁白云石形成在石英加大边之后，征3井，5 061.15 m Fig.5 SEM images of sandstones in the Sangonghe Formation |
（3）黏土矿物。XRD分析表明三工河组黏土矿物主要有伊/蒙混层（平均为35%），次为高岭石（平均为27%）以及绿泥石（平均为23%）和伊利石（平均为15%）（图7）。其中，伊/蒙混层中伊利石的含量高达80%，伊利石呈发丝状充填孔隙［图5（e）］，高岭石以蠕虫状或书页状产出，主要分布在粒间孔隙或长石的粒内溶孔［图5（a）］。常见高岭石的晶间孔被铁白云石充填［图5（d）］，表明高岭石沉淀早于铁白云石沉淀。绿泥石多呈颗粒薄膜状附着于颗粒表面，镜下可见石英颗粒表面未被绿泥石薄膜包裹的区域形成次生加大［图5（c）］。一方面说明绿泥石薄膜形成早于石英加大；另一方面反映了绿泥石薄膜对石英胶结作用的抑制［18］。绿泥石薄膜外常见高岭石沉淀［图5（a）］，表明绿泥石薄膜形成早于高岭石沉淀。镜下亦可见绿泥石薄膜包裹的长石被溶蚀而绿泥石薄膜完好无损［图5（b）］，表明绿泥石薄膜形成早于一期强溶蚀作用。
3.2.3 溶蚀作用
3.3 储层性质
实测储层物性数据反映（图8），三工河组砂岩储层孔隙度介于1.9%~18%之间，平均值为8.3%；渗透率为（0.01~78）×10-3 μm2，平均值为0.92×10-3 μm2。超低渗—超低孔储层占比为13.3%，特低孔—特低渗储层占比为63.5%，低渗—低孔储层占比为23.2%，三工河组砂岩储层总体属于低孔—特低渗储层，其中含油层砂岩物性整体比不含油层物性好。但无论含油层还是不含油层，物性变化范围都很大，反映出较强的非均质性特征。
微观孔隙结构观察表明，砂岩中发育原生粒间孔［图4（b）］、粒内溶孔［图4（b），图4（d），图4（g），图5（b）］及高岭石和铁白云石晶间孔［图4（f），图5（a），图5（d）］。薄片统计反映，面孔率为0~14.63%，平均值为6.27%。其中原生粒间孔面孔率为0~10.24%，平均值为4.09%；溶蚀孔面孔率为0~5.47%，平均值为3.17%。原生粒间孔、溶蚀孔多发育在颗粒相对粗和（假）杂基含量少的砂岩中，而颗粒相对细，富含（假）杂基的砂岩仅见少量溶蚀孔和极少量原生孔隙，方解石胶结砂岩中几乎无孔隙发育。高岭石和铁白云石的晶间孔由于孔径很小（多为几微米—十几微米），很难作为油气的有效储集空间。
4 讨论
4.1 岩石相类型、特征及影响因素
储层在埋藏过程中，不同的成岩作用对储层的孔隙演化产生不同的影响。一般认为压实作用和胶结作用是储层减孔的主因，而溶蚀作用能够改善储层的质量。但是在深层，成岩作用似乎更易受到原始的碎屑颗粒组构影响，从而对不同类型的储层产生不同程度的影响。
为此，通过对三工河组砂岩岩心和微观特征分析，依据岩石学组构、成岩类型和程度及孔隙特征的差异，将三工河组砂岩分为富塑性颗粒砂岩、方解石胶结砂岩及贫塑性颗粒砂岩（表1）。
表1 三工河组不同岩石相特征总结Table 1 Petrographic characteristics of different lithofacies in the Sangonghe Formation |
| 岩石相 | 石英/% | 长石/% | 云母/% | 岩屑/% | （假）杂基/% | 钙质胶结 /% | 胶结物总量 /% | 塑性颗粒 /% | 粒径中值/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 富塑性颗粒砂岩 | 6~18 | 30~35 | 0~5 | 48~60 | 5~14 | 0~6 | 0~9 | 35~60 | 0.15~0.24 |
| 方解石胶结砂岩 | 5~20 | 30~48 | 0~1 | 36~58 | 0~4 | 20~28 | 20~28 | 20~30 | 0.17~0.29 |
| 贫塑性颗粒砂岩 | 6~20 | 35~48 | 0~1 | 36~49 | 0~2 | 0~20 | 2~26 | 20~35 | 0.18~0.34 |
4.1.1 富塑性颗粒砂岩
利用LUNDEGARD等［19］提出的压实减孔率（COPL）和胶结减孔率（CEPL）定量表征压实作用和胶结作用对储层质量的影响。
；
。
COPL—CEPL图［图10（b）］表明，砂岩的COPL值为35%~40%，CEPL值介于0~5%之间，整体表现为强压实、弱胶结、弱溶蚀的特点。因此，强压实作用是导致该类砂岩物性变差的主因。
4.1.2 方解石胶结砂岩
COPL—CEPL图［图10（b）］表明，砂岩的CEPL值为20%~28%，COPL值为10%~20%，整体表现为强胶结、弱压实、弱溶蚀的特点。因此，强胶结作用是导致该类砂岩物性变差的主因。
4.1.3 贫塑性颗粒砂岩
贫塑性颗粒砂岩主要为中—细粒砂岩，粒径中值为0.18~0.34 mm［图9（a）］。塑性颗粒含量较低，为20%~35%。胶结物主要包括铁方解石、铁白云石、石英加大边、（硬）石膏及黏土矿物，类型丰富，但总量较低，为2%~12%，局部含细晶铁白云石，含量主要为9%~13%［图9（b）］。尽管这类含细晶铁白云石的样品镜下孔隙发育程度不如不含铁白云石的贫塑性颗粒砂岩样品，但也远比其他2类要好得多。整体上，无论贫塑性颗粒砂岩含细晶铁白云石与否，其整体成岩致密化过程是相似的。镜下常见长石和岩屑颗粒被溶蚀形成次生溶孔［图4（b），图4（d），图4（g）—图4（i），图5（b）］，次生面孔率介于0.5%~5.8%之间［图9（d）］。
COPL—CEPL图［图10（b）］表明，砂岩整体COPL值为25%~35%，CEPL值为2%~10%，局部富集细晶铁白云石，导致CEPL值为10~22%，COPL值为15%~28%，整体表现为中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀特点。因此，中等程度的压实、弱—中等程度的胶结及强溶蚀作用使得该类砂岩物性较好，形成了深层最有利的储集岩。
4.2 不同岩石相的差异成岩演化
早成岩A期（大致埋深为0~2 200 m）：研究区先后经历了早期快速浅埋，中期抬升遭受剥蚀，晚期快速埋藏。储层普遍遭受机械压实作用和大气淡水的淋滤。相对细粒的、杂基含量多的富塑性颗粒砂岩，由于抗压实能力弱，大量塑性颗粒弯曲变形或被挤入粒间孔隙中形成假杂基，导致砂岩大量减孔（图12）。而相对粗粒的、杂基含量少的贫塑性颗粒砂岩，由于其抗压实能力远远大于富塑性颗粒砂岩，局部富集的大量早期细晶铁白云石进一步增强了其抗压实能力，在早成岩期能够保留大量的原生孔隙（图12），更容易接受后期成岩流体和酸性流体的改造。绿泥石以薄膜状包裹碎屑颗粒（图11）。在近地表的条件下，受大气淡水的淋滤作用，部分不稳定的长石和岩屑发生溶蚀，形成早期高岭石（图11）。这期溶蚀作用由于发生在早期，形成的溶蚀孔在随后的继续压实过程中大部分遭受到破坏，所以其对储层质量的改善意义较小。推测镜下观察到的溶蚀现象大部分与晚期溶蚀有关，其明显改善了储层质量。
方解石胶结砂岩中方解石呈连晶式充填孔隙或交代碎屑颗粒，占据相当大的粒间孔隙体积，导致储层致密化（图12）。镜下观察到颗粒多呈“漂浮”状，岩屑相比于其他2类砂岩变形程度弱，IGV值在14%~33%之间，平均值为25%。这些岩石学证据表明，这种方解石形成于强烈的压实作用前。
早成岩B期（埋深为2 200~3 000 m）：三工河组从快速埋藏逐渐过渡到缓慢深埋阶段，埋深加大，压实作用进一步增强。其中，富塑性颗粒砂岩孔隙不断损失，储层近一步致密化（图12），而方解石胶结砂岩在早成岩期就致密化。因此，后期成岩流体和酸性流体难以改造。反观贫塑性颗粒砂岩，由于其内部保存部分空隙，各类流体—岩石反应比较活跃。随着埋深加大，地温升高，蒙脱石开始脱水向伊/蒙混层转化（图11）（蒙脱石向伊/蒙混层转化的深度范围在1 200~3 500 m之间［21］）。蒙脱石的转化伴随有硅质析出，为储层的石英加大边和微晶石英提供来源。随后，储层又经历了一期较强的溶蚀作用，这期溶蚀作用可以通过一些岩石学证据佐证。镜下可见长石或岩屑的溶蚀孔被碳酸盐胶结物充填［图4（i）］、被绿泥石薄膜包裹的长石发生溶蚀而颗粒薄膜未被破坏［图5（b）］。如果这些微观现象形成于浅埋藏阶段，则大部分会因压实作用而遭受破坏。
4.3 岩石相—沉积微相的空间组合模式
富塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的上部、河口坝的下部及席状砂。测井响应特征整体呈现出“中高GR、中高AC”的特征。这类微相代表较弱的沉积水动力环境，砂岩粒度整体相对较细，成分成熟度较低。受成岩阶段早期机械压实作用的影响，塑性颗粒大量变形或形成假杂基，导致储层致密化。因而，这类砂岩是无效储层，岩心中绝大多数未见油气显示。
方解石致密胶结砂岩与沉积水动力的关系不是很明确，在分流河道的上部和下部及分流间湾微相中均有分布，但多数属于极细粒—细粒砂岩。测井响应特征整体表现为“低GR、低AC”，该类砂岩整体厚度较薄且分布局限，局部可能呈连片式发育。
贫塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的中下部及河口坝的中上部。测井响应特征整体表现为“中低GR、中低AC”，这些微相代表强的沉积水动力环境，砂岩整体粒度偏粗，成分成熟度较高。该类砂岩在现今具有最好的物性，大多数见到油气显示的层段均由该类砂岩组成。
5 结论
（1） 准噶尔盆地中部征沙村地区下侏罗统三工河组砂岩粒度主要从极细粒到中粒变化。砂岩为长石岩屑砂岩及极少量的岩屑长石砂岩，火山岩岩屑是最主要的碎屑颗粒组分。依据岩石学组构和成岩作用差异，可将储集砂岩主要划分为富塑性颗粒砂岩、方解石胶结砂岩和贫塑性颗粒砂岩。
（2） 富塑性颗粒砂岩主要为极细粒—细粒砂岩，富含（假）杂基，压实非常强烈，COPL值普遍在35%以上。方解石致密胶结砂岩中方解石几乎占据全部的粒间孔隙体积，CEPL值均大于22%。这2类岩石相物性均较差。贫塑性颗粒砂岩主要为中—细粒砂岩，杂基含量少，该类砂岩经历了中等压实、弱—中等胶结、强溶蚀，其COPL值介于15%~35%之间，CEPL值为2%~22%，次生面孔率为0.8%~5.7%。由于成岩阶段早期压实作用和胶结程度低，不但能保留原生孔隙，亦能遭受后期深埋阶段的酸性流体改造，形成了深层物性较好的有效储集岩。
（3）不同类型岩石相与沉积微相间存在着垂向上的对应关系。富塑性颗粒砂岩沉主要沉积于三角洲前缘相分流河道的上部、河口坝的下部及席状砂；方解石胶结砂岩在分流河道的上部和下部及分流间湾均有分布；贫塑性颗粒砂岩主要沉积于三角洲前缘相分流河道的中下部及河口坝的中上部。这种岩石相—沉积微相空间组合模式为预测深部有效储层的分布提供了方向。
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