尼日爾Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層巖石學(xué)特征及控制因素分析*

毛鳳軍 劉邦 劉計國 姜虹 袁圣強 鄭鳳云 李早紅 王玉華

中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083

Termit盆地位于西非裂谷系北部，是發(fā)育于前寒武系基底之上的中-新生代疊合型裂谷盆地，發(fā)育上白堊統(tǒng)與古近系兩套成藏組合，其中古近系是主力成藏組合。中石油進入之前，Termit盆地經(jīng)多家外國石油公司40多年勘探未獲商業(yè)發(fā)現(xiàn)。中石油進入后，針對古近系的勘探取得了巨大成功，而在上白堊統(tǒng)Yogou組雖有油氣發(fā)現(xiàn)，因認識程度低未開展大規(guī)模的勘探，是潛在的勘探新領(lǐng)域。前人從烴源巖地球化學(xué)、巖相古地理、沉積體系等方面對Termit盆地上白堊統(tǒng)進行了一系列研究(Wanetal., 2014， 2017; Liuetal., 2015; 毛鳳軍等，2016)，但是尚未開展過基于分析測試資料對沉積儲層巖石學(xué)的研究，制約了后續(xù)針對該領(lǐng)域的勘探潛力評價和油田開發(fā)。本文在大量井壁取心樣品分析測試的基礎(chǔ)上，對上白堊統(tǒng)儲層開展了礦物組成、填隙物、巖石結(jié)構(gòu)、重礦物、儲層物性等方面的系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上進一步探討儲層的控制因素，以期深化對上白堊統(tǒng)儲層的認識，為儲層預(yù)測提供巖石學(xué)方面的依據(jù)，同時希望能對西非裂谷系其他盆地白堊系儲層研究及油氣勘探和開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

圖1 中-西非裂谷盆地及Termit盆地位置(據(jù)Genik, 1993)Fig.1 Location of the West and Central Africa rift system and the Termit Basin (modified after Genik, 1993)

1 地質(zhì)背景

Termit盆地主體位于尼日爾共和國東南部，向南延伸至乍得共和國西北部，北端與Tenere盆地及Tefedet盆地相接，南與Bornu盆地相鄰，NW-SE向延伸，南北長約300km，東西向?qū)捈s60～110km，盆地北部略窄，面積約為30000km2(圖1)。平面上可將Termit盆地劃分為9個次級構(gòu)造單元，包括Termit西臺地、Dinga斷階帶、Araga地塹、Yogou斜坡、Dinga凹陷、Moul凹陷、Soudana隆起、Fana凸起和Trakes東斜坡(圖2)。

圖2 Termit盆地構(gòu)造單元劃分及古近系主要斷層展布Fig.2 Structural units and main fault distribution on the of the Paleogene Sokor1 Formation in the Termit Basin

根據(jù)鉆井、地震、測井和古生物資料，Termit盆地沉積地層自下而上依次為下白堊統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、古近系、新近系與第四系，最大沉積厚度超過12000m。沉積地層巖性主要為砂巖、泥巖和頁巖，局部地區(qū)可見到侵入的輝綠巖脈。下白堊統(tǒng)以陸相碎屑沉積為主。晚白堊世，受顯生宙全球海平面上升的影響(Guiraudetal., 2005)，非洲發(fā)生來自北部新特提斯洋和南部南大西洋兩個方向的大規(guī)模海侵，整個東尼日爾盆地群(Termit、Tenere、Tefidet、Kafra等盆地)沉積了巨厚的海相砂泥巖(劉邦等，2011)。上白堊統(tǒng)自下而上可劃分為Donga組、Yogou組和Madama組。Donga組下部主要發(fā)育砂巖，向上漸變?yōu)橐阅鄮r為主，中上部為灰-黑色泥頁巖與粉砂巖、細砂巖互層。Yogou組中下部以灰-黑色厚層泥頁巖為主，上部發(fā)育中-細粒砂巖儲層，該組地層厚度介于310～1700m之間。Madama組為盆地廣泛分布的厚層河流相砂巖，頂部和底部夾少量泥質(zhì)砂巖薄層(含煤線)，該組地層厚度介于300～1500m之間。其中，Yogou組既賦存優(yōu)質(zhì)烴源巖，也發(fā)育河流-三角洲相砂巖儲層，是Termit盆地白堊系的主要勘探目的層(圖3)，因此對上白堊統(tǒng)儲層的研究具有重要的地質(zhì)意義。

圖3 Termit盆地綜合地層柱狀圖(據(jù)Genik, 1993)Fig.3 Generalized stratigraphic column of the Termit Basin (modified after Genik, 1993)

2 儲層巖石學(xué)特征

目前，Termit盆地各構(gòu)造單元均有鉆井鉆遇上白堊統(tǒng)Yogou組地層。本次上白堊統(tǒng)儲層巖石學(xué)研究，主要針對17口井的218個井壁取芯樣品，開展普通薄片、鑄體薄片、電子探針、陰極發(fā)光、X衍射、掃描電鏡及重礦物分析，系統(tǒng)地研究儲層的沉積巖石學(xué)特征，分析形成高效儲層的成分特征及控制因素。樣品測試在中國石油大學(xué)(北京)實驗室完成。

2.1 礦物組分特征

砂巖是巖石風(fēng)化-沉積旋回的產(chǎn)物，它的碎屑組分能夠直接反映物源區(qū)母巖類型和沉積盆地的沉積環(huán)境(Dickinson and Suczek, 1979; Dickinsonetal., 1983)。對研究區(qū)樣品巖石薄片進行鑒定的結(jié)果顯示，Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層的巖石類型主要為石英砂巖，成分成熟度高，以石英為主，石英含量可達80%以上，偶見少量長石和巖屑(圖4)。

圖4 Termit盆地上白堊統(tǒng)Yogou組砂巖類型圖Fig.4 Compositional classification of sandstones of the Upper Cretaceous Yogou Formation in the Termit Basin

利用全巖X衍射分析對碎屑組分進一步統(tǒng)計分析表明，上白堊統(tǒng)樣品中石英平均含量為86%，粘土礦物為7%，其次為鉀長石、方解石與菱鐵礦，均為2%，斜長石為1%(圖5)。從巖石成分角度分析，成分成熟度高，較高的石英含量可以較好地保護原生孔隙不受壓實作用破壞。

圖5 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖全巖組分X衍射含量圖Fig.5 Compositional plot of the Upper Cretaceous sandstones using X-ray diffraction in the Termit Basin

2.2 填隙物特征

2.2.1 雜基

根據(jù)X衍射分析的結(jié)果，Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖儲層中的填隙物主要為粘土礦物，包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙混層。高嶺石含量為54.9%，綠泥石含量為21.6%，伊蒙混層含量為19.5%(圖6)。伊蒙混層的混層比平均約為33.4%。

圖6 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖粘土礦物X衍射百分含量I/S-伊蒙混層；It-伊利石；Kao-高嶺石；C-綠泥石Fig.6 Clay mineral percentage of the Upper Cretaceous sandstones using X-ray diffraction in the Termit BasinI/S-mixolimnion of illite-smectite; It- illite; Kao-kaolinite; C-chlorite

2.2.2 膠結(jié)物

Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖儲層主要發(fā)育四種膠結(jié)物類型，包括硅質(zhì)膠結(jié)、方解石膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)與粘土礦物膠結(jié)。膠結(jié)物的含量在巖石中所占比例較小，對儲層的破壞作用不大，僅在少量樣品中觀察到膠結(jié)物大量破壞原生孔隙的現(xiàn)象。

(1)硅質(zhì)膠結(jié)物

硅質(zhì)膠結(jié)物是研究區(qū)儲層較為常見的膠結(jié)物類型，主要以石英次生加大邊和粒間自生石英晶粒的形式出現(xiàn)，在偏光顯微鏡及掃描電鏡中均看到石英次生加大現(xiàn)象(圖7)。

圖7 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖石英次生加大鏡下特征(a)細粒石英砂巖，YS-1井，2572.5m，Yogou組，石英加大，普通薄片(+); (b) YW-1井，2208m，Yogou組，石英加大，掃描電鏡Fig.7 Thin section showing quartz outgrowth of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2572.5m, Yogou Formation, quartz enlargement, ordinary flakes (+); (b) YW-1 well, 2208m, Yogou Formation, quartz enlargement, scanning electron microscope

(2)方解石膠結(jié)物

碳酸鹽膠結(jié)物是研究區(qū)儲層另一較為常見的膠結(jié)物類型，以方解石膠結(jié)物為主。方解石膠結(jié)物一般零星分布(圖8)，鏡下少見連片的嵌晶膠結(jié)現(xiàn)象。

圖8 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖方解石膠結(jié)偏光鏡下特征 (a)YS-1井，2543.0m，方解石嵌晶膠結(jié)(-)；(b)YS-1井，2543.0m，方解石嵌晶膠結(jié)(+)Fig.8 Thin section showing calcite cementation of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) YS-1 well, 2543.0m, calcite intercalated cement (-); (b) YS-1 well, 2543.0m, calcite intercalated cement (+)

圖9 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖鐵質(zhì)膠結(jié)物 (a)細粒石英砂巖，DNW-1井，1935.5m， Yogou組，黃鐵礦膠結(jié)物(反射光)；(b)細粒石英砂巖，F(xiàn)N-1井，3012.5m，Yogou組，鐵質(zhì)交代石英(-)Fig.9 Thin section showing ferruginous cements of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, DNW-1 well, 1935.5m, Yogou Formation, pyrite cement (reflected light); (b) fine-grained quartz sandstone, FN-1 well, 3012.5m, Yogou Formation, iron Quoting quartz (-)

圖10 Termit盆地上白堊統(tǒng)粘土礦物膠結(jié)物電鏡特征 (a、b)高嶺石，YW-1井，2243.5m，Yogou組；(c、d)綠泥石，YN-1井，2546.5m，Yogou組；(e、f)YS-1井，2306m，高嶺石，Yogou組Fig.10 Scanning electron microscope showing clay cements of the Upper Cretaceous sandstone in the Termit Basin(a, b) kaolinite, YW-1 well, 2243.5m, Yogou Formation; (c, d) chlorite, YN-1 well, 2546.5m, Yogou Formation; (e, f) YS-1 well, 2306m, kaolinite, Yogou Formation

圖11 Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層巖石顆粒大小及分選性 (a)粉砂巖，YN-1井，2450.5m，粉粒結(jié)構(gòu)；(b)細粒石英砂巖，YS-1井，2453.8m，細粒結(jié)構(gòu)；(c)不等粒石英砂巖，Tm-1井，2156.5m，不等粒結(jié)構(gòu)(+)；(d)中粒石英砂巖，YN-1井，2259.5m，中粒結(jié)構(gòu)(+)Fig.11 Thin section showing grain size and sorting of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) siltstone, YN-1 well, 2450.5m, powder structure; (b) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2453.8m, fine-grained structure; (c) unequal-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 2156.5m, unequal grain structure (+); (d) medium grain quartz sandstone, YN-1 well, 2259.5m, medium grain structure (+)

圖12 Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層巖石接觸關(guān)系及膠結(jié)類型圖 (a)細粒石英砂巖，YN-1井，2268.5m，線接觸、接觸膠結(jié)；(b)細粒石英砂巖，YS-1井，2329m，點接觸，孔隙膠結(jié)Fig.12 Thin section showing grain contact and cementation of the Upper Cretaceous sandstone in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YN-1 well, 2268.5m, line contact, contact cementation; (b) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2329m, point contact, pore cementation

圖13 Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層巖石磨圓度特征 (a)細粒石英砂巖，YS-1井，2329m，次棱角狀；(b)不等粒石英砂巖，Tm-1井，1936.5m，次圓狀Fig.13 Thin section showing grain roundness of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2329m, sub-angular; (b) unequal-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 1936.5m, sub-circular

圖14 Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層常見重礦物(a)鋯石，Al-1井，2236m ；(b)赤鐵礦，F(xiàn)N-1井，2907m；(c)磷灰石，YS-1井，2440m；(d)錫石，Al-1井，2236mFig.14 Thin section showing common heavy minerals of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) zircon, Al-1 well, 2236m; (b) hematite, FN-1 well, 2907m; (c) apatite, YS-1 well, 2440m; (d) cassiterite, Al-1 Well, 2236m

(3)鐵質(zhì)膠結(jié)物

鐵質(zhì)膠結(jié)物在單偏光下呈黑色，不透光，反射光下具金屬光澤(圖9)，主要表現(xiàn)為黃鐵礦的特征，在研究區(qū)較為多見。

(4)粘土礦物膠結(jié)物

粘土礦物膠結(jié)物主要為高嶺石、伊蒙混層、綠泥石和伊利石，以高嶺石為主。高嶺石一般由長石的溶蝕形成，其晶粒粗大，保留了較多的晶間孔(圖10)。

2.3 結(jié)構(gòu)特征

Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖儲層主要為細粒結(jié)構(gòu)，其次為不等粒結(jié)構(gòu)、粉粒結(jié)構(gòu)以及中粒結(jié)構(gòu)(圖11)；砂巖分選程度主要為中等-差，顆粒以點接觸、點-線接觸為主，局部可見線接觸-縫合接觸，膠結(jié)類型以孔隙膠結(jié)為主，少量接觸膠結(jié)(圖12)；通過普通薄片鑒定結(jié)果統(tǒng)計，石英顆粒的磨圓程度以次棱角-次圓狀為主，磨圓度較差(圖13)。

通過以上儲層巖石學(xué)特征分析，認為Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層的巖石類型為石英砂巖，砂巖成分成熟度高，石英含量占巖石組分的86%以上，長石含量很少，填隙物主要為粘土雜基，含量5%左右；砂巖以細粒結(jié)構(gòu)和少量的不等粒結(jié)構(gòu)為主，分選以中等為主，石英顆粒一般為次棱角-次圓狀，磨圓度差。

2.4 重礦物特征

碎屑巖中重礦物的物性特征(如顏色、形態(tài)、粒度、硬度和穩(wěn)定性等)及其組合關(guān)系在物源分析、構(gòu)造演化、地層分析對比、巖相古地理重建及古氣候恢復(fù)等方面具有很好的應(yīng)用前景(和鐘鏵等，2001；Liuetal., 2001)。盡管砂巖中重礦物的分布受多種地質(zhì)因素影響，但重礦物的組合仍可反映物源的母巖類型(Morton, 1987; Dill, 1994)。

圖15 Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖壓實作用鏡下特征 (a)細粒石英砂巖，YS-1井，2390m，Yogou組， 顆粒定向排列(+)；(b)粉砂巖，YN-1井，2450.5m，Yogou組，顆粒定向排列(-)；(c)細粒石英砂巖，Tm-1井，2725m，Madama組，云母壓彎變形(-)；(d)不等粒石英砂巖，Imr-1井，1368m，Yogou組，云母壓彎變形(+)； (e)細粒石英砂巖，YS-1井，2572.5m，Yogou組，顆粒凹凸接觸(+)；(f)不等粒石英砂巖，YS-1井，2420m，Yogou組， 剛性顆粒破碎(+)Fig.15 Thin section showing compaction of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin(a) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2390m, Yogou Formation, grain oriented (+); (b) siltstone, YN-1 well, 2450.5m, Yogou Formation, particle oriented (-); (c) Fine-grained quartz sandstone, Tm-1 well, 2725m, Madada Formation, mica bending deformation (-); (d) unequal grain quartz sandstone, Imr-1 well, 1368m, Yogou Formation, mica bending deformation (+); (e) fine-grained quartz sandstone, YS-1 well, 2572.5m, Yogou Formation, particle bump contact (+); (f) unequal grain quartz sandstone, YS-1 well, 2420m, Yogou Formation, rigid particle crushing (+)

Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖主要重礦物類型為磁鐵礦、赤鐵礦、鋯石、磷灰石，含有少量白鈦礦和榍石等(圖14)。磁鐵礦為粒狀，反射光下鐵黑色；赤鐵礦為粒狀，反射光下褐紅色；鋯石在反射光下成柱狀、雙錐柱狀、粒狀，無色、淺褐色，部分含自身或鐵礦包裹體，少部分見同心環(huán)帶構(gòu)造；磷灰石為柱狀，一級灰白干涉色，平行消光；白鈦礦為粒狀，反射光下灰白色。其中缺少變質(zhì)類型的重礦物，以上重礦物組合特征表明研究區(qū)上白堊統(tǒng)的母巖類型可能主要為巖漿巖，由于上白堊統(tǒng)砂巖儲層的巖石類型為石英砂巖，推測當(dāng)時物源區(qū)的母巖富含石英。

3 儲層物性

Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖組分的分析結(jié)果表明，該區(qū)砂巖中以石英為主的剛性碎屑成分含量較高，相對于長石砂巖或長石石英砂巖來說，對于保護原生孔隙比較有利。碎屑顆粒粒度中等偏細，分選較差，機械壓實作用對原生孔隙產(chǎn)生一定的破壞作用，在壓實作用下，顆粒發(fā)生壓實定向，常見于雜基支撐的粉砂巖、粉細砂巖中，由于埋深增加，地層壓力增大，使碎屑顆粒近定向排列(圖15a, b)。塑性顆粒因壓實還會變形，主要是云母受壓彎曲、伸長或被硬碎屑嵌入(圖15c, d)，經(jīng)壓實可以被壓斷、擠碎，甚至可以變成假雜基。此外，砂巖中顆粒的接觸關(guān)系也會發(fā)生變化，隨埋藏深度增加，顆粒接觸關(guān)系漸趨緊密，顆粒由彼此分離到相互靠近，出現(xiàn)由點接觸到線接觸再到凹凸接觸(圖15e, f)。

圖16 Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層縱向演化圖Fig.16 Diagram showing vertical reservoir evolution of the Upper Cretaceous sandstones in the Termit Basin

根據(jù)對普通薄片鑒定結(jié)果的統(tǒng)計，Termit盆地上白堊統(tǒng)砂巖的顆粒接觸關(guān)系以點接觸為主，部分樣品為線接觸。埋深較淺的砂巖壓實作用弱，顆粒接觸關(guān)系為點接觸；達到一定深度后壓實作用增強，對孔隙破壞作用增大。分析線接觸的樣品發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋深超過2000m時，開始出現(xiàn)線接觸現(xiàn)象(圖16)。由于砂巖以石英砂巖為主，相對于長石砂巖、長石石英砂巖等其它巖石類型來說，研究區(qū)上白堊統(tǒng)砂巖的壓實作用對儲層的破壞作用要小，這對儲層原生孔隙的保存比較有利。統(tǒng)計表明，砂巖埋深小于2500m，以原生孔為主，面孔率大于15%。

4 討論與結(jié)論

石英砂巖儲層國內(nèi)見于滇東北地區(qū)中泥盆統(tǒng)、塔里木盆地志留系柯坪塔格組、鄂爾多斯盆地上古生界山西組、特提斯喜馬拉雅侏羅系門卡墩組和唯美組等。前人研究表明，一般石英砂巖純度較高，分選磨圓較好，成分和結(jié)構(gòu)成熟度較高，通常沉積于濱淺海的高能沉積環(huán)境，有利于石英砂的充分分選和富集(王若谷等，2015；劉永福等，2016；周邦國等，2018；潘婉瑩，2018)。

砂巖成分成熟度高，表明砂巖可能與物源區(qū)的母巖成分有關(guān)，也可能碎屑顆粒經(jīng)過長距離搬運有關(guān)；若砂巖成分成熟度高且結(jié)構(gòu)成熟度偏低，說明砂巖只能與物源區(qū)的母巖成分有關(guān)。Termit盆地上白堊統(tǒng)儲層的巖石類型主要為石英砂巖，但砂巖主要為細粒、不等粒結(jié)構(gòu)，石英顆粒為次棱角-次圓狀為主，磨圓度較差，說明上白堊統(tǒng)砂巖具有短距離搬運的特點。結(jié)合成分成熟度和重礦物特征，推測研究區(qū)砂巖的物源區(qū)可能為富石英質(zhì)巖漿巖，這與國內(nèi)石英砂巖沉積于高能的濱淺海環(huán)境不同，Termit盆地上白堊統(tǒng)石英砂巖磨圓差，推測可能沉積于近源、低能的河流-三角洲環(huán)境。重礦物組合中缺少變質(zhì)類型，推測研究區(qū)上白堊統(tǒng)的母巖類型可能主要為巖漿巖且富含石英。

儲層物性受多種因素的控制，根據(jù)本次巖石樣品的實驗分析結(jié)果，認為影響研究區(qū)上白堊統(tǒng)儲層性質(zhì)的因素主要是儲層的巖石學(xué)特征及后期埋藏的成巖作用。

壓實作用會使儲層早期的原生孔隙度逐漸降低，由于研究區(qū)砂巖儲層主要以石英砂巖為主，受到石英剛性顆粒的支撐，砂巖顆粒的接觸關(guān)系主要以點接觸為主，見到少量線接觸，壓實作用對儲層的破壞作用偏小，對原生孔隙的保存比較有利。

局部的碳酸鹽膠結(jié)物對孔隙起封堵作用，但研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物不發(fā)育，方解石一般以雜基和交代形式出現(xiàn)，多見交代石英顆粒，少見方解石連片、嵌晶膠結(jié)，僅在Yogou斜坡地區(qū)見方解石亮晶連片膠結(jié)。

對孔隙影響較大的粘土礦物主要有綠泥石、伊利石以及伊蒙混層，其常堵塞孔隙和吼道。粘土礦物X衍射和掃描電鏡的分析結(jié)果表明，研究區(qū)砂巖儲層中的粘土礦物類型主要為高嶺石，其次為綠泥石，伊利石和伊蒙混層含量很低。高嶺石對儲層的影響一般認為是積極的，因為砂巖中自生高嶺石一般由長石的溶蝕形成的，高嶺石本身晶粒粗大，存在一定的晶間孔，自生高嶺石的發(fā)育與優(yōu)質(zhì)儲層呈正相關(guān)。

溶蝕作用對儲層的改善會產(chǎn)生積極的影響，研究區(qū)砂巖儲層最常見的為長石的溶蝕，其次為石英、云母及粒間泥質(zhì)物的溶蝕，溶蝕作用會形成粒內(nèi)溶孔，粒間溶孔，還會擴大原生孔隙形成混合孔，改善了儲集性能。

由于上白堊統(tǒng)石英砂巖可能沉積于近源、低能的河流-三角洲環(huán)境，認為砂巖儲層主要發(fā)育于近物源區(qū)，推測靠近東部物源的Araga地塹、Trakes斜坡、Fana凸起及靠近西部物源的Yogou斜坡是砂巖發(fā)育區(qū)，其中Fana凸起和Yogou斜坡砂巖受壓實作用影響小，是有利儲層發(fā)育區(qū)。