鄂爾多斯盆地東南緣長8油層組碳酸鹽膠結(jié)物成因分析

鐘金銀，何 苗，周 韜，3，黃 浩

（1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2．中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司；3．西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室）

鄂爾多斯盆地東南緣長8油層組碳酸鹽膠結(jié)物成因分析

鐘金銀1，何 苗2，周 韜1，3，黃 浩1

（1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2．中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司；3．西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室）

碳酸鹽膠結(jié)物是鄂爾多斯盆地東南緣長8油層組最重要的自生礦物，主要類型為鐵方解石，另有少量的白云石和鐵白云石。鏡下觀察、包裹體測溫、碳氧同位素分析及鐵氰化鉀染色實驗分析證實，方解石膠結(jié)作用從早成巖階段持續(xù)到晚成巖B期。早成巖階段形成少量的無鐵方解石，到晚成巖期，因有機質(zhì)在熱催化作用下脫羧而形成大量鐵方解石。這種后期形成的鐵方解石以半基底式—基底式膠結(jié)充填剩余粒間孔隙，大大降低了儲層的儲集性能。

碳酸鹽膠結(jié)物；成因；長8油層組；鄂爾多斯盆地

碳酸鹽膠結(jié)物是碎屑巖儲層中常見的膠結(jié)物類型之一，在我國不同類型的沉積盆地中分布廣泛。碳酸鹽膠結(jié)物的存在對儲層儲集性能具有重要影響，長期以來受到石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的高度重視［1-2］。長8油層組為研究區(qū)砂體最發(fā)育的含油氣層，儲層具有分布廣泛、成因多樣及多期形成的特點，研究其碳酸鹽膠結(jié)物的成因，可為了解成巖作用過程及優(yōu)質(zhì)儲層分布提供重要依據(jù)［3］。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地東南緣位于渭北隆起帶與伊陜斜坡的過渡帶，受秦嶺及祁連海槽影響，構(gòu)造活動頻繁［4］。上三疊統(tǒng)延長組是鄂爾多斯盆地內(nèi)陸湖盆形成后的第一套生儲油巖系和盆地南部最主要的勘探開發(fā)層系，厚度為400～1400 m，在盆地南部總體表現(xiàn)為西薄東厚、北薄南厚的特點［5］。研究區(qū)延長組可分為5段共10個油層組，其中長8油層組是主要儲油層。該油層組厚70～140 m，上部為灰色、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾灰綠色、灰色厚層狀中—細砂巖，下部主要為灰綠色、灰黃色厚層-塊狀細砂巖夾灰色、灰綠色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。

2 碳酸鹽膠結(jié)物類型

長8油層組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物極為發(fā)育，是該區(qū)的主要填隙物類型，含量在0～50%，以鐵方解石為主，偶見白云石顆粒［6］。鐵方解石膠結(jié)物主要是粉—細晶結(jié)構(gòu)，多呈斑狀或連片狀充填于孔隙中，形成孔隙式膠結(jié)或基底式膠結(jié)，堵塞孔隙（圖版Ⅰ-1、圖版Ⅰ-2）。早成巖期形成的方解石含量很低，晚成巖期生成的碳酸鹽礦物常含有較多的鐵，主要為鐵方解石，另有少量的鐵白云石（圖版Ⅰ-3），從接觸關(guān)系可見鐵白云石形成于含鐵方解石之后。晚期碳酸鹽礦物的一般特點是結(jié)晶較好，含量高，一般為10%～40%，往往為連晶膠結(jié)。常見方解石交代碎屑顆粒或其它填隙物（圖版Ⅰ-4），其中的Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e2+等主要來自于碎屑巖儲層上下的泥巖及儲層中碎屑顆粒的溶解。

3 碳酸鹽膠結(jié)物成因分析

3.1 流體包裹體測溫分析

近年來，運用次生礦物包裹體測溫資料進行膠結(jié)物形成期次的劃分已形成了一套完整的理論方法體系，取得了很好的應(yīng)用效果［7-10］。區(qū)內(nèi)方解石膠結(jié)物中的流體包裹體極為發(fā)育，成群分布于方解石膠結(jié)物中（圖版Ⅰ-5、圖版Ⅰ-6），其類型包括含烴鹽水包裹體、液烴包裹體、氣液烴包裹體3類。由含烴鹽水包裹體測得的包裹體均一化溫度為58～121℃，主要分布在100～110℃（表1）。結(jié)合成巖階段劃分期次進行劃分，則最大峰值在90～110℃，其次在70～90℃和大于110℃，分別對應(yīng)于晚成巖階段A1期、早成巖階段B期和晚成巖階段A2期。

表1 長8油層組方解石膠結(jié)物及裂縫充填方解石中包裹體均一化溫度Table 1 The homogenization temperature of inclusion enclave in calcite cements and calcite filled in fracture

方解石膠結(jié)作用發(fā)生時間較早，開始于早成巖階段，但大規(guī)模的膠結(jié)作用發(fā)生在晚成巖階段A1期，持續(xù)到晚成巖階段A2期。因此，不排除長8油層組砂巖中存在少量的早期方解石膠結(jié)物。

充填長石溶孔的方解石膠結(jié)物中的流體包裹體溫度測試表明，其均一化溫度在82～95℃，平均為89℃，表明長石溶孔形成于早成巖階段，形成時間較早。而所測試的充填于裂縫的方解石中的流體包裹體溫度則較高，在109～127℃，平均為115.6℃，表明砂巖中的裂縫充填物形成時期較晚。

3.2 碳酸鹽膠結(jié)物的同位素特征

通過區(qū)內(nèi)長8油層組方解石膠結(jié)物的碳氧同位素分析（表 2），得到 δ13C值為 -5.44‰～1.07‰，為低正值或低負值；δ18O值為-23.52‰～-10.58‰，屬高負值。碳氧同位素分析測試結(jié)果表明：長8油層組方解石膠結(jié)物的同位素變化范圍較小，說明基本是一次性事件；氧同位素較輕的特征說明方解石在成巖過程中已發(fā)生了重結(jié)晶作用，鏡下可見部分方解石呈連晶狀分布于孔隙之中（圖版Ⅰ-7）。方解石樣品Z值在110.9～118.7，均低于120。因此，沉積環(huán)境屬非鹵水環(huán)境，與微咸水向半咸水過渡的環(huán)境相吻合［11］，成巖環(huán)境適合碳酸鹽礦物膠結(jié)。

表2 長8油層組碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素分析Table 2 Carbon and oxygen isotope analysis of carbonate cements of Chang 8 reservoir

根據(jù)對現(xiàn)代沉積剖面的研究，在較淺部位由細菌代謝作用產(chǎn)生的CO2富集輕碳同位素，并由此而產(chǎn)生具輕碳同位素的“成巖方解石”，同時由于溫度低，所產(chǎn)生的“成巖方解石”的氧同位素負值增大（圖 1）。

圖1 碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素組成分布圖Fig.1 Carbon and oxygen isotope compositions of carbonate cements

圖1中Ⅰ區(qū)為埋藏較淺時與硫酸鹽還原作用有關(guān)的碳酸鹽，即“成巖方解石”，也就是在油氣進入儲集層之前成巖作用所形成的碳酸鹽膠結(jié)物；Ⅱ區(qū)為與甲烷細菌活動所生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽；Ⅲ區(qū)的碳酸鹽與有機酸脫羧作用有關(guān)，當發(fā)酵細菌失去活動性時，有機酸在熱催化作用下脫羧并產(chǎn)生烴類和CO2，這種CO2往往具有高負值特征。由于這些部位的溫度較高，所以氧同位素組成因δ18O的消耗而呈高負值，故可與Ⅰ區(qū)的“成巖碳酸鹽”相區(qū)別，而且，這類CO2可以先于或同時于油氣運移期進入儲集層內(nèi)，并以碳酸鹽的形式沉淀下來［12］。

區(qū)內(nèi)長8油層組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的同位素組成大多分布在圖1中的Ⅲ區(qū)，屬于與有機質(zhì)有關(guān)的碳酸鹽。此外，生成于泥巖和黑色頁巖內(nèi)的碳酸鹽δ13C值的變化范圍較寬，如果僅在較小的區(qū)域波動（如δ13C值低負值至δ13C低正值），則意味著此類纖維狀甚至厚層狀的方解石的碳主要來源于原先大量保存于頁巖內(nèi)的海相（或湖相）骨骼碳酸鹽巖的溶解，而不是（或極少）來源于其它生物化學(xué)及化學(xué)作用的產(chǎn)物，同時也表明這些碳酸鹽的成巖作用發(fā)生在一個封閉和半封閉的體系內(nèi)［13-14］。

綜合分析認為，這種碳酸鹽膠結(jié)是有機酸在熱催化作用下脫羧開始成為主要反應(yīng)并產(chǎn)生烴類和CO2時形成的。伴隨著不同程度碳酸鹽巖巖屑的溶解，前述礦物轉(zhuǎn)化生成的CO2可與烴類一道運移進入儲集層中，隨著黏土礦物的熱演化，不同的礦物離子進行分異，并以碳酸鹽膠結(jié)物的形式沉淀下來。值得注意的是，該區(qū)有一個點落在Ⅱ區(qū)，為與甲烷細菌活動生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽。流體包裹體測溫也發(fā)現(xiàn)有極少量包裹體形成溫度較低，在50～70℃，表明區(qū)內(nèi)砂巖中存在少量的早期方解石膠結(jié)物。

3.3 碳酸鹽膠結(jié)物的鐵氰化鉀染色實驗

區(qū)內(nèi)長8油層組砂巖中的方解石膠結(jié)物在陰極射線下發(fā)光較暗，多呈較暗的橙紅色，說明其含鐵較重［15］。經(jīng)鐵氰化鉀試劑染色證實，無論是壓實后充填殘余粒間孔的方解石膠結(jié)物，還是呈半基底式—基底式的方解石膠結(jié)物均為鐵方解石（圖版Ⅰ-8、圖版Ⅰ-9）。

包裹體形成溫度也表明，大規(guī)模的膠結(jié)作用發(fā)生在晚成巖階段A1期，并且持續(xù)到晚成巖階段A2期。前述碳氧同位素分析和流體包體測溫分析中均認為有極少量的早期形成的方解石膠結(jié)物，但染色薄片中卻沒有發(fā)現(xiàn)此類方解石。薄片中未見到無鐵方解石膠結(jié)物，可能是早期方解石膠結(jié)物含量太低。史基安等［16］對西峰油田延長組碳酸鹽膠結(jié)物研究后認為：早期方解石的含量變化于1.2%～1.8%，在成巖早期的溶蝕作用中被溶蝕殆盡，現(xiàn)在基本找不到它們的蹤跡。然而由于其形成較早，通常在常溫常壓條件下從過飽和的堿性湖水介質(zhì)中析出，對碎屑顆粒進行觸點式膠結(jié)，從而增強了砂巖的抗壓能力，使大量的原生孔隙得以保存。后來這期方解石被有機質(zhì)脫羧基作用的酸性水溶解，之后開始的鐵方解石膠結(jié)作用使所有砂巖中的孔隙被充填，成為半基底式—基底式膠結(jié)，極大地降低了儲層物性。另外，雖然還有殘余的早期方解石，但含量極低，且分布不穩(wěn)定，因此在鐵氰化鉀染色薄片中未發(fā)現(xiàn)，就像鐵白云石一樣，在大多數(shù)茜素紅染色薄片中都不曾出現(xiàn)，僅在個別薄片和掃描電鏡下偶見。

鄂爾多斯盆地埋藏?zé)嵫莼贰⑸鸁N及排烴與油氣運移聚集模擬研究表明［17］，在盆地第三紀（100～140℃），地層埋深在2500～3200 m，此時中下侏羅統(tǒng)延安組及上三疊統(tǒng)延長組烴源巖已演化至中成熟階段，延長組烴源巖中的生烴速率、生烴轉(zhuǎn)化率、生烴量及石油的聚集均在100 Ma時達到高峰期，并獲得了全區(qū)85%的排烴量，這一時期延長組地層正處于晚成巖階段［18］。在3000 m深度處盆地鹵水與大氣降水混合形成的地層水氧同位素組成δ18OSMOW為-6‰～-4‰，利用氧同位素分餾公式計算出方解石的沉淀溫度［19］為54～152℃。研究區(qū)大部分樣品的計算溫度在100℃以上，此溫度范圍與砂巖在晚期成巖階段達到的最高溫度范圍十分吻合，表明亮晶鐵方解石主要形成于晚期深埋成巖階段，應(yīng)屬于晚成巖A1亞期—晚成巖B期。

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯東南緣儲層砂巖中碳酸鹽膠結(jié)作用極為發(fā)育，其中以鐵方解石膠結(jié)為主，偶見白云石和鐵白云石膠結(jié)。通過包裹體測溫分析及碳氧同位素分析認為存在少量早期形成的方解石膠結(jié)物，但在薄片及染色實驗條件下沒有觀察到此類方解石。

（2）方解石膠結(jié)作用從早成巖階段一直持續(xù)到晚成巖B期，早成巖階段形成少量的無鐵方解石膠結(jié)物，晚成巖A期因有機質(zhì)在熱催化作用下脫羧而開始形成大量鐵方解石，這一膠結(jié)作用過程一直持續(xù)到晚成巖B期。

（3）晚期深埋成巖階段形成的碳酸鹽膠結(jié)物具有結(jié)晶好、含量高的特點，一般為連晶膠結(jié)。其成因與黏土礦物的成巖轉(zhuǎn)化及有機質(zhì)熱演化形成的酸性流體對長石等碎屑顆粒的溶解有關(guān)。

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Origin analysis of carbonate cements in Chang 8 reservoir in southeastern margin of Ordos Basin

ZHONG Jin-yin1， HE Miao2， ZHOU Tao1，3， HUANG Hao1
（1.School of Resources and Environment， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；2.Downhole Service Company， CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited， Chengdu 610051， China；3.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Carbonate cements are the most important authigenic minerals in Chang8 reservoir in southeastern margin of Ordos Basin,and they are mainly ferrocalcite,with some dolomite and ferrodolomite.Based on thin slice and SEM inspection,inclusion enclave temperature measurement,carbon and oxygen isotope analysis and potassium ferricyanide coloring analysis,it is proved that calcite cementation started from the early diagenetic stage and lasted to the late diagenetic stage of B stage.In the early diagenetic stage,there generated light calcites,while to the late diagenetic stage,there generated a great quantity of ferrocalcites because of the organic material decarboxylation under thermocatalysis.Ferrocalcite generated in late diagenetic stage filled the remained intergranular pores with a semi-basal or basal cementation,which enormouslylowers the accumulation capacityofthe reservoir.

carbonate cements； origin； Chang8 reservoir； Ordos Basin

TE122.2

A

2010-12-01；

2011-02-14

鐘金銀，1984年生，男，西南石油大學(xué)在讀博士研究生，主要從事石油地質(zhì)方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)博士 2010級。E-mail：zhongjinyin@yahoo.com.cn

1673-8926（2011）04-0065-05

圖版Ⅰ

于惠宇）