鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6砂巖成巖作用及其對儲(chǔ)層物性的影響

郭 偉，史丹妮，何順利

(1.中國石油大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，北京 100249；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

對鄂爾多斯盆地30多年的石油勘探[1-2]，已經(jīng)確立了上三疊統(tǒng)延長組第6油層組(以下簡稱長6)是鄂爾多斯盆地中生界重要的含油層位之一，探明的原油儲(chǔ)量和產(chǎn)量均占該盆地70%以上[3]。白豹地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中西部(圖1)， 該地區(qū)自20世紀(jì)末于長6鉆獲工業(yè)油流以來，隨著油田勘探開發(fā)速度的加快，已成為鄂爾多斯盆地增產(chǎn)的重要地區(qū)之一。前人研究表明[4-5]，白豹地區(qū)上三疊統(tǒng)長6油層組三角洲前緣湖底滑塌濁積扇發(fā)育。因此，對該地區(qū)長6砂巖儲(chǔ)層的成巖作用及其與儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究，已成為深入認(rèn)識(shí)長6巖性油藏的成藏特征和進(jìn)行合理開發(fā)的核心地質(zhì)問題之一[6]。

1 長6儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

儲(chǔ)層巖石類型主要為灰色和灰褐色的粉細(xì)粒長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖。長6段砂巖中的石英含量約為19%～25%；長石碎屑含量約29%～38%；巖屑含量約為22%～30%，主要為云母碎片，其次為變質(zhì)巖巖屑、沉積巖巖屑和綠泥石，以少量的火山巖巖屑。砂巖粒度以極細(xì)—細(xì)粒及粉—細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，極少見中—粗砂巖。碎屑顆粒以棱角—次棱角狀為主，分選中等到較差，以線性接觸為主，部分可見點(diǎn)接觸及凹凸接觸，顆粒支撐，以孔隙式和孔隙—薄膜式膠結(jié)為主，成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

圖1 鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)構(gòu)造位置

經(jīng)巖石學(xué)分析，白豹地區(qū)長6段砂巖的填隙物含量一般為7%～20%。掃描電鏡和X-射線衍射分析結(jié)果揭示填隙物中自生礦物以綠泥石、水云母、鐵方解石和伊利石等為主；此外還含少量的硅質(zhì)膠結(jié)物。

2 長6儲(chǔ)層成巖作用類型及特征

砂巖儲(chǔ)層成巖作用復(fù)雜[6-9]。成巖作用類型主要包括;壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、破裂作用和溶蝕作用。這些成巖作用,對儲(chǔ)層物性發(fā)育具有顯著影響。

2.1 壓實(shí)作用

由于壓實(shí)作用，隨埋深增加，碎屑顆粒接觸關(guān)系漸趨緊密(圖版1)，由點(diǎn)線接觸到線接觸再到凹凸接觸(圖版2)。區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層砂巖機(jī)械壓實(shí)作用和壓溶作用發(fā)育。機(jī)械壓實(shí)作用使儲(chǔ)層中的原生孔隙大量減少，巖石體積縮小，不利于孔隙的保存。

微細(xì)葉狀或纖維狀綠泥石常發(fā)育成孔隙內(nèi)襯，部分綠泥石薄膜包圍整個(gè)碎屑顆粒，說明綠泥石薄膜形成于壓實(shí)作用的同時(shí)或稍后，是成巖作用早期階段的產(chǎn)物。但早期的綠泥石或孔隙襯邊的發(fā)育，可以在某種程度上抑制機(jī)械壓實(shí)作用，有利于砂巖殘余粒間孔的保存(圖版3)， 并為后期次生孔隙的形成提供空間。

2.2 膠結(jié)作用類型及特征

研究區(qū)的膠結(jié)作用較為復(fù)雜，可以分為早、晚兩期。早期體現(xiàn)為石英的次生加大和粘土膜的形成等；晚期膠結(jié)作用則體現(xiàn)為碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)等。

2.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)作用

硅質(zhì)膠結(jié)物在研究區(qū)分布頻率較高(75%)，但含量較少(小于2%)。主要膠結(jié)類型有次生加大膠結(jié)(圖版4)；孔隙充填式膠結(jié)(圖版5)。石英加大膠結(jié)和孔隙式充填膠結(jié)，改變了儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，使得很多顆粒間成嵌合接觸，將原來具連通性、分選良好的孔喉網(wǎng)絡(luò)切割成一系列大小不等的孔喉系統(tǒng)，使得吼道變成片狀、彎片狀或者收縮狀，使得儲(chǔ)層物性變差。同時(shí)，也改變了流體在孔道中的滲流方式，流體往往沿少數(shù)大孔道滲流。

雖然硅質(zhì)膠結(jié)物含量不高，但由于分布頻率高，硅質(zhì)的膠結(jié)作用對產(chǎn)生次生孔隙不利，它既充填孔隙，也不為以后的溶蝕提供易溶物質(zhì)，這也是造成本區(qū)砂巖物性較差的一個(gè)重要原因。

2.2.2 粘土礦物膠結(jié)作用

綠泥石多呈微細(xì)葉狀或纖維狀晶體垂直碎屑顆粒表面或孔喉壁生長，常發(fā)育成孔隙內(nèi)襯(圖版6)，在碎屑顆粒接觸處缺失，部分綠泥石薄膜包圍整個(gè)碎屑顆粒(圖版3)，說明綠泥石薄膜形成于壓實(shí)作用的同時(shí)或稍后，是成巖作用早期階段的產(chǎn)物。除此之外，綠泥石還呈葉片狀充填于粒間孔中，多數(shù)充填殘余粒間孔，部分充填溶蝕孔隙，表明這部分綠泥石形成時(shí)間較晚；綠泥石薄膜一方面充填原生孔隙，使孔隙度降低，另一方面綠泥石薄膜(5～10 μm)的形成阻礙了孔隙水與顆粒的進(jìn)一步反應(yīng)，并限制了石英次生加大的發(fā)育，從這一方面來說，又有利于原生孔隙的保存。

伊利石和伊蒙混層多存在于孔隙壁和吼道壁，呈孔隙襯墊或孔隙充填式產(chǎn)出。掃描電鏡下，伊/蒙混層呈蜂窩狀(圖版7)，伊利石呈片狀或絲縷狀(圖版8)。這種伊利石在吼道橋接處堵塞吼道，對孔隙性和滲透性的降低影響極大，是儲(chǔ)層低滲的一個(gè)重要原因。

2.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)長6碎屑巖中分布頻率占81%。碳酸鹽膠結(jié)物主要有方解石(0.04%)、鐵方解石(2.95%)和鐵白云石(1.33%)。鏡下薄片觀察，鐵方解石、鐵白云石呈孔隙式充填(圖版9)，有些地方呈連晶式膠結(jié)(圖版10)。碳酸鹽膠結(jié)物在晶體大小和成分上有較大差異，在不同成巖階段均有產(chǎn)出。

方解石沉淀堵塞了大部分原生孔隙，降低了巖石的孔隙度和滲透率。方解石的膠結(jié)雖然起著破壞孔隙的作用，但是它起著抵制壓實(shí)、壓溶的作用，并為以后的溶解作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 溶蝕作用

本區(qū)砂巖的溶蝕作用比較發(fā)育，次生溶孔占27%。本區(qū)長6砂巖中易溶組分主要為長石碎屑、泥質(zhì)雜基及綠泥石環(huán)邊；弱溶組分是云母和石英；產(chǎn)生的次生孔隙以粒間溶孔為主，其次為粒內(nèi)溶孔。

溶蝕作用對改善本區(qū)儲(chǔ)層物性起著非常重要的作用，區(qū)內(nèi)溶蝕作用可表現(xiàn)為對碎屑顆粒的溶蝕(圖版11)以及對膠結(jié)物(圖版12)、雜基(圖版13)、的溶蝕作用等，對形成儲(chǔ)層十分有利，所以又稱為建設(shè)性成巖作用。

從其形成機(jī)制看, 隨著埋藏深度的增加，地溫梯度升高，有機(jī)質(zhì)成熟度增加，烴源巖中有機(jī)質(zhì)生成的油氣及烴類有機(jī)酸向儲(chǔ)層充注。油氣充注使地層水從孔隙中被驅(qū)出，膠結(jié)作用受到抑制；一定程度上，使孔隙得以保存。同時(shí)，有機(jī)酸對儲(chǔ)層具有溶蝕作用，有利于次生孔隙發(fā)育。

砂巖儲(chǔ)層經(jīng)過不同程度的溶蝕改造形成多種類型的次生孔隙，對改善砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)積性能起到了積極作用。目前多數(shù)學(xué)者[10-11]認(rèn)為，溶蝕型次生孔隙是由有機(jī)酸、碳酸、大氣淡水淋濾等引起礦物溶解所形成的。

雖然溶蝕作用能改善儲(chǔ)層砂巖的儲(chǔ)滲性，使強(qiáng)烈壓實(shí)和膠結(jié)作用的致密儲(chǔ)層形成較好次生孔隙，但不能根本改變儲(chǔ)層低孔特低滲的面貌。由于巖性致密，流體流動(dòng)困難，長石、碳酸鹽等溶蝕產(chǎn)生的金屬離子在鄰近地帶以粘土礦物、方解石的形式重新沉淀，形成致密膠結(jié)層，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性的強(qiáng)烈非均質(zhì)性。

2.4 破裂作用

巖心觀察和薄片鑒定時(shí)，可以見到各種裂縫，有肉眼可見的構(gòu)造裂縫，也有只有顯微鏡下才能看到的微裂縫(圖版14)。裂縫的發(fā)育對改善儲(chǔ)層砂巖物性起重要作用，也是造成本區(qū)長6儲(chǔ)層砂巖非均質(zhì)性強(qiáng)的重要原因。

破裂作用雖然能使巖石孔隙度有所增加，但更重要的是連通原已存在的孔隙，從而提高巖石的孔隙度和滲透率；破裂作用有效的改變了儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。

3 成巖作用序列及成巖階段的確定

根據(jù)以上對成巖作用類型及其特征的分析，綜合鏡下觀察的成巖現(xiàn)象，進(jìn)行了成巖序列分析。具體表現(xiàn)為:1)綠泥石常發(fā)育成孔隙內(nèi)襯，或以綠泥石薄膜形式包圍整個(gè)碎屑顆粒。在粘土膜包圍的石英加大現(xiàn)象比較少，說明粘土膜的形成早于自生石英，是成巖作用早期階段的產(chǎn)物。2)方解石交代部分石英次生加大邊，方解石膠結(jié)物充填于長石溶蝕孔隙內(nèi)，碎屑顆粒呈孤島式分布。因此方解石的沉淀晚于石英次生加大和長石顆粒的溶蝕作用。3)方解石膠結(jié)物呈不規(guī)則狀分布在以線狀和凹凸?fàn)罱佑|為主的碎屑顆粒之間，常可見到鐵白云石交代方解石，說明鐵白云石形成晚于方解石。

根據(jù)上述分析，白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層的成巖序列為:機(jī)械壓實(shí)→早期粘土膜形成→石英次生加大→方解石沉淀→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶蝕→方解石沉淀→方解石溶蝕→晚期鐵白云石充填。

據(jù)砂巖鑄體薄片和掃描電鏡的觀察分析，白豹地區(qū)長6段砂巖經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)作用，砂巖中原生孔隙大量喪失，次生孔隙比較發(fā)育；早期方解石膠結(jié)物多為連晶式膠結(jié)，晚期方解石膠結(jié)物以孔隙充填為特征；長石、巖屑粒內(nèi)溶孔與碎屑顆粒常被溶蝕成港灣狀；自生粘土礦物以綠泥石、伊利石等比較常見。根據(jù)裘懌楠等[12-13]、Alaa等[14]成巖階段劃分方案及其標(biāo)志，結(jié)合上述成巖特征綜合判斷，研究區(qū)長6段砂巖目前應(yīng)處于中成巖階段B期。

4 成巖作用對儲(chǔ)層物性的影響

沉積物沉積之后，成巖作用對儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能具有明顯的控制作用。根據(jù)成巖作用對儲(chǔ)層物性的影響，可劃分為建設(shè)性成巖作用和破壞性成巖作用。白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層破壞性的成巖作用主要有壓實(shí)作用、石英次生加大、方解石膠結(jié)物的沉淀、硅質(zhì)膠結(jié)、晚期含鐵碳酸鹽礦物的沉淀和交代等；建設(shè)性成巖作用主要是早期粘土膜、早期膠結(jié)物的支撐、占位和中成巖階段的溶蝕作用。

4.1 壓實(shí)作用對儲(chǔ)層物性的影響

白豹地區(qū)長6段砂巖的成巖作用導(dǎo)致儲(chǔ)層的物性特征發(fā)生了很大的變化，復(fù)雜的成巖作用對儲(chǔ)層物性產(chǎn)生了重要影響[15]。在長6段各小層砂體中，長61的物性最好，長62次之，長63的物性最差(表1)，隨埋深的增加，物性變差，表明壓實(shí)作用是儲(chǔ)層物性變差的重要因素。

表1 鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層物性統(tǒng)計(jì)

另外，沉積物的組成、分選性、粒度、磨圓度等對機(jī)械壓實(shí)作用也有相當(dāng)程度的影響。長6儲(chǔ)層中軟顆粒(如云母)含量較高，在較長的埋藏過程中，因強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，造成儲(chǔ)層大量原生孔隙喪失，滲透率變差(圖2)。

壓實(shí)作用不僅是物性降低的主要原因，而且更容易使礦物成熟度差的砂巖產(chǎn)生致密化。隨埋藏深度的增加，在無烴聚集的情況下，砂巖成巖作用持續(xù)進(jìn)行。

4.2 膠結(jié)作用對儲(chǔ)層物性的影響

在膠結(jié)物中, 碳酸鹽膠結(jié)物的含量與砂巖的孔滲呈較明顯的負(fù)相關(guān)性(圖3)。次生石英加大含量與砂巖的孔隙度和滲透率呈較弱的負(fù)相關(guān)。

4.3 粘土礦物對儲(chǔ)層物性的影響

粘土礦物與孔隙度呈較弱的正相關(guān)，而與滲透率呈微弱的負(fù)相關(guān)(圖4)。這是因?yàn)檎惩恋V物中綠泥石襯邊及纖維狀粒間充填物通過堵塞一部分孔隙喉道，造成粒間微孔隙增加而使砂巖的滲透率稍有降低。

圖2 鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層云母含量與孔隙度和滲透率關(guān)系

圖3 鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物含量與孔隙度和滲透率關(guān)系

圖4 鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6儲(chǔ)層粘土含量與物性的關(guān)系

大量石英顆粒周圍綠泥石襯邊的存在，阻止了次生石英加大的形成以及部分粒間碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀，從而使相當(dāng)一部分原生剩余粒間孔隙得以保存，使得砂巖中粘土含量與其孔隙度呈弱的正相關(guān)性(圖4)。這是由于綠泥石襯邊較薄，使孔喉堵塞造成的孔隙度喪失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于綠泥石襯邊的形成，從而抑制了次生石英加大及部分方解石膠結(jié)物的形成而保存的殘余粒間孔隙。

5 結(jié)論

1)長6段儲(chǔ)層巖石類型主要為細(xì)?！奂?xì)粒長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長石砂巖；巖石具有成分成熟度較低、結(jié)構(gòu)成熟度中等的特點(diǎn)。

2)長6段儲(chǔ)層砂巖經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)作用,砂巖中原生孔隙大量喪失；長石碎屑等常發(fā)生明顯的溶蝕作用,次生孔隙比較發(fā)育。此外，砂巖也經(jīng)歷了后期的膠結(jié)作用和破裂作用。

3)砂巖儲(chǔ)集層的成巖序列為:早期粘土膜形成→機(jī)械壓實(shí)→石英次生加大→方解石沉淀→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶蝕→方解石沉淀→方解石溶蝕→晚期鐵白云石充填，砂巖儲(chǔ)層處于中成巖B期。

4)機(jī)械壓實(shí)作用和碳酸鹽膠結(jié)作用是儲(chǔ)層物性變差的重要原因，溶蝕作用和破裂作用對物性的改善起到建設(shè)性作用，而粘土礦物中的膠結(jié)作用，由于綠泥石薄膜的發(fā)育，使得孔隙度有變好的趨勢，但由于粘土礦物堵塞了孔隙吼道，使得滲透率變差。

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