鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長81成巖作用特征研究

孔祥超 趙俊興,2 申趙軍

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué))

0 引言

鄂爾多斯盆地是一個(gè)中新生代盆地疊加在古生代盆地之上的復(fù)合盆地，其現(xiàn)今構(gòu)造上總體呈現(xiàn)為東翼寬緩、西翼陡窄的不對稱矩形盆地[1]。按其現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)，盆地可劃分為6個(gè)二級構(gòu)造單元，依次為：伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)向斜及西緣逆沖斷裂構(gòu)造帶[2]。華慶地區(qū)位于鄂爾多斯盆地的西南部，范圍西起白馬，東至山莊，南至悅樂，北到白豹，構(gòu)造位置上橫跨天環(huán)凹陷和伊陜斜坡2個(gè)次級構(gòu)造單元，但區(qū)內(nèi)構(gòu)造相對簡單，斷層不發(fā)育，僅局部發(fā)育一些小型鼻狀構(gòu)造[3]。上三疊統(tǒng)延長組經(jīng)歷了長10—長7期湖盆形成至發(fā)展鼎盛時(shí)期，長7—長4+5期湖盆持續(xù)下沉階段，長3—長1期湖盆收縮至消亡階段[4]。根據(jù)巖性組合及沉積旋回等特征將長8油層組劃分為長81和長82兩個(gè)小層[3]，研究區(qū)長81儲層砂體為三角洲前緣亞相沉積體系，砂體分布廣，長81儲層砂體發(fā)育，含油性較高，但儲層物性較差。砂巖在埋藏成巖作用過程中受到各種成巖作用的改造，對原生孔隙的保存和次生孔隙的發(fā)育產(chǎn)生很大影響。沉積作用和成巖作用共同控制著儲層的發(fā)育及物性特征，而成巖作用則是導(dǎo)致儲層砂體低孔、低滲的最主要因素[5]。因此，對研究區(qū)儲層砂體成巖作用的研究有助于儲層的綜合評價(jià)，并為油田的勘探和開發(fā)提供一定的理論支持。

1 巖石學(xué)特征

華慶地區(qū)長81儲層砂巖主要發(fā)育為辮狀河三角洲前緣亞相[5]。根據(jù)掃描電鏡、鑄體薄片以及物性資料分析，研究區(qū)長81儲層巖石類型主要為巖屑長石砂巖，其次為長石巖屑砂巖(圖1)。碎屑顆粒組分特征為：石英平均含量30.05%，長石平均含量為27.38%，巖屑平均含量為24.75%，具有低石英，中長石含量和高巖屑的特點(diǎn)。填隙物主要由粘土礦物(綠泥石、鐵方解石)、碳酸鹽(方解石、白云石)、含量較低的自生礦物和雜基組成。研究區(qū)內(nèi)顆粒分選中等，磨圓度較差，接觸類型以線接觸為主，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，成分成熟度較差，結(jié)構(gòu)成熟度較高。

圖1 華慶地區(qū)長81砂巖分類三角圖

2 物性特征

物性特征是決定儲層儲集性能的關(guān)鍵，其直觀表現(xiàn)為孔隙度和滲透率的大小[6]。根據(jù)研究區(qū)長8120余口井、150塊左右薄片鑒定物性統(tǒng)計(jì)得出，本區(qū)的平均孔隙度為10.20%，介于3.90%～15.19%；平均滲透率為0.89mD，介于0.1～1.5mD，屬于低孔、低滲儲層，儲集物性較差。

根據(jù)研究區(qū)長81儲層孔隙度、滲透率關(guān)系圖表明(圖2)，研究區(qū)長81儲層孔隙度和滲透率具有較好的正相關(guān)性，即隨著孔隙度增加，滲透率也呈增加趨勢，為典型的孔隙型儲層。

圖2 華慶地區(qū)長81儲層孔-滲關(guān)系圖

3 成巖作用類型及特征

儲層成巖作用研究的宗旨，主要是查明儲層從沉積到成藏之前所經(jīng)歷的一系列成巖作用事件和成巖事件的發(fā)生過程、先后次序、發(fā)生的階段及其對儲層形成所起的作用[7]。砂巖儲層成巖作用復(fù)雜，華慶地區(qū)長81成巖作用類型眾多，其中與儲層發(fā)育密切相關(guān)的典型的成巖作用類型包括：破壞性成巖作用中的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用；建設(shè)性成巖作用中的綠泥石粘土膜、溶蝕作用和破裂作用。

3.1 壓實(shí)作用

華慶地區(qū)長81儲層砂巖的碎屑顆粒以點(diǎn)—線接觸、線接觸為主，通過薄片面孔率等資料分析統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)壓實(shí)作用強(qiáng)烈，在研究區(qū)的主要變現(xiàn)形式為：塑性的泥巖屑、云母片壓實(shí)變形(圖3a)；剛性的顆粒之間緊密線接觸、凹凸接觸；含塑性火山巖屑的砂巖較多的巖屑細(xì)砂巖中剛性和塑性顆粒相間分布易被緊密壓實(shí)；泥質(zhì)巖屑被壓實(shí)變形呈假雜基化(圖3b)。

3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)主要發(fā)育硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和自生綠泥石膠結(jié)和高嶺石膠結(jié)。

(1)硅質(zhì)膠結(jié)作用

硅質(zhì)膠結(jié)作用在研究區(qū)長81儲層砂巖中發(fā)育普遍，但含量較少。據(jù)鑄體薄片觀察硅質(zhì)膠結(jié)作用的表現(xiàn)形式有：①石英次生加大邊膠結(jié)(圖3c，圖4a，圖4b)；②孔隙充填式膠結(jié)，當(dāng)石英顆粒周邊有綠泥石時(shí)不能形成次生加大，呈孔隙充填。

(2)碳酸鹽膠結(jié)作用

華慶地區(qū)長81儲層砂巖包括鐵方解石、鐵白云石、方解石3種碳酸鹽膠結(jié)類型，其中以亮晶方解石和鐵方解石為主，方解石膠結(jié)物成巖作用可以分為早、中、晚3期。

早期碳酸鹽膠結(jié)物以泥晶團(tuán)塊或灰泥基質(zhì)形式充填在顆粒之間，碎屑顆粒受壓實(shí)作用改造較小，形成于淺埋成巖環(huán)境。中期碳酸鹽膠結(jié)物呈分散狀孔隙式的形式充填于長石溶孔以及剩余粒間孔中(圖3d)。晚期方解石的成分、礦物共生組合與前期有明顯的變化，在高溫、高壓、缺氧還原條件下，由黏土礦物和黑云母轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的Fe2+、Mg2+結(jié)合到方解石或白云石的晶格中，形成鐵方解石和少量的鐵白云石(圖3e)。

(3)粘土礦物的膠結(jié)作用

研究區(qū)粘土礦物膠結(jié)類型多樣，主要有自生綠泥石、自生高嶺石、伊利石、伊/蒙混層。

綠泥石的形成受沉積環(huán)境的影響較大，華慶地區(qū)長81三角洲前緣的強(qiáng)水動力條件為綠泥石的形成提供了環(huán)境基礎(chǔ)，同時(shí)研究區(qū)內(nèi)富含的長石、巖屑、云母礦物等為綠泥石的形成提供了物質(zhì)條件，因此自生綠泥石是鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長81油層組含量最高的自生黏土礦物。

在成巖作用過程中，隨著上覆地層壓力的不斷增大，壓實(shí)作用使得黏土膜始終處于流動狀態(tài)，在早成巖A期階段，黑云母、長石等碎屑發(fā)生強(qiáng)烈的水化水解作用，為綠泥石膜在堿性條件下的形成提供了充足的Mg2+和Fe2+[8]，后期形成的自生綠泥石在環(huán)邊表面發(fā)生吸附，形成針葉狀綠泥石晶體[9]，并且呈孔隙襯里方式產(chǎn)出，部分綠泥石薄膜包圍整個(gè)碎屑顆粒(圖3f，圖3g，圖3h，圖4c)。針對研究區(qū)延長組自生綠泥石對儲層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響，前人做過大量的研究，其中大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為早期自生綠泥石的形成能夠增強(qiáng)巖石的抗壓實(shí)能力，對儲層砂巖原生孔隙的保存起到積極的作用[10，11]。

注：a.泥質(zhì)巖屑被壓實(shí)變形，顆粒之間線接觸，白270井，長81,2150.63m；b.泥質(zhì)巖屑壓實(shí)變形呈假雜基化，溶蝕孔發(fā)育，山139井，長81,2211.91m；c.石英加大嵌合，粒間孔發(fā)育，具少量長石溶孔，白117井，長81,1951.48m；d.具薄的綠泥石膜，鐵方解石充填部分粒間孔，剩余粒間孔發(fā)育，具長石溶孔，白456井，長81,2139.66m；e.鐵方解石膠結(jié)，白241井，長81,2227.57；f.自生綠泥石以孔隙襯里方式產(chǎn)出，原生孔隙及次生溶蝕孔隙發(fā)育，白280井，長81,2212.40m；g.綠泥石呈花邊狀充填于孔隙中，白205井，長81,2197.58m； h.綠泥石薄膜發(fā)育，富含有機(jī)質(zhì)，午65井，長81,2108.93m；i.石英碎屑顆粒破碎形成孔隙，山155井，長81,2326.26m.

圖4 掃描電鏡

注：a.致密膠結(jié)，少量次生加大、高嶺石黏土充填，里140井，長81,2200.03～2200.13m；b.石英具次生加大，巖性致密，碎屑具溶蝕孔隙，連通性較差，里152，長81,2228.47m；c.粒間孔分布葉片狀綠泥石片，午65井，長81,2108.42m；d.片狀高嶺石集合體及晶間孔隙，部分高嶺石晶體被溶蝕，邊部卷曲絲縷化，白269井，長81，2085.33m； e.蝕變狀伊利石黏土充填孔隙，白182井，長81,2169.30m；f.長石粒內(nèi)溶孔，山139井，長81，,2211.91m。

研究區(qū)綠泥石相對含量隨埋藏深度的增加而增加，長1—長7油層平均含量為50.4%，長8油層則增至54.5%[3],因此隨著上覆壓力的不斷增大，儲層砂巖中綠泥石含量的不斷增高，砂巖中粒間孔及面孔率都呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性(圖5)，綠泥石起到了平衡作用，從而有利于原生孔隙保存。另一方面，由于早期綠泥石膜的形成，占據(jù)了碎屑顆粒的表面空間，在一定程度上抑制了石英次生加大的產(chǎn)生。

圖5華慶地區(qū)長81砂巖綠泥石膜百分含量與粒間孔面孔率相關(guān)性分析散點(diǎn)圖

高嶺石在本區(qū)儲層中含量較少，主要以填隙物的方式產(chǎn)出，在掃描電鏡下觀察集合體呈片狀、書頁狀(圖4d)，分散賦存在粒間孔隙中，高嶺石晶體間常存有大量的殘余孔隙、溶蝕孔隙。

華慶地區(qū)長81油層廣泛存在伊/蒙混層礦物，形態(tài)上介于蒙脫石和伊利石之間，多以孔隙襯墊和充填的形式出現(xiàn)(圖4e)。伊利石粘土礦物的形成需要特定的物質(zhì)來源和介質(zhì)條件[9]。在埋藏成巖過程中，隨著埋藏深度的增加，粘土基質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變成伊/蒙混層。

3.3 溶解、溶蝕作用

根據(jù)巖石薄片、鑄體薄片和掃描電鏡的觀察，研究區(qū)內(nèi)溶蝕、溶解作用非常普遍，對改善研究區(qū)儲層物性起著非常重要的作用，主要表現(xiàn)為長石、含長石火山巖屑及早期碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)生選擇性溶蝕(圖4f)，形成各種次生溶孔，改善儲層物性，保護(hù)了原生孔隙，擴(kuò)大孔喉半徑，提高了滲流能力。

眾多學(xué)者[12，13]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。砂巖儲層經(jīng)過不同程度的溶蝕改造形成多種類型的次生孔隙，對改善儲層物性起到積極的作用。

3.4 破裂作用

根據(jù)巖心觀察和掃描電鏡，可以見到各種裂縫，包括肉眼可見的構(gòu)造裂縫和鏡下觀察到的微裂縫(圖3i)。破裂作用可以有效的改善儲集層的物性，屬于建設(shè)性成巖作用類型。

4 成巖階段劃分和成巖序列

4.1 成巖階段的劃分

通過上述分析，結(jié)合研究區(qū)長81儲層砂體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙類型以及自生黏土礦物的類型、發(fā)育特征等資料，按照新的石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5477—2002)碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范，研究區(qū)長81油層組儲層砂巖已達(dá)晚成巖A期(圖6b)。

(1)早成巖階段

A期：此階段以中等強(qiáng)度壓實(shí)作用，綠泥石呈現(xiàn)顆粒薄膜、孔隙襯邊形式膠結(jié)和碳酸鹽礦物的環(huán)邊膠結(jié)作用為主。本階段壓實(shí)作用是孔隙迅速減少的主要因素，但早期的膠結(jié)作用形成的綠泥石和碳酸鹽薄膜不但增加了儲層砂巖的抗壓實(shí)能力，而且降低了孔隙損失，有利于研究區(qū)砂巖在成巖過程中部分原生粒間孔隙的保存。

B期：隨著埋藏深度的不斷增加，溫度增高，壓力增大，石英、長石碎屑顆粒發(fā)生溶蝕水解，形成次生加大邊(圖3c)。此階段伴隨儲層流體內(nèi)Fe2+和Mg2+含量的不斷增加，為鐵方解石的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)；亮晶方解石充填剩余粒間孔，降低儲層的孔隙度，影響儲層的孔、滲性。

(2) 晚成巖階段

A期：此時(shí)埋深大于2000m，此階段有機(jī)質(zhì)開始進(jìn)入生油門限，慢慢向烴類轉(zhuǎn)化，在成熟過程中產(chǎn)生低碳有機(jī)酸，泥質(zhì)烴源巖排出層間水、結(jié)構(gòu)水。酸性介質(zhì)進(jìn)入儲層砂巖可導(dǎo)致孔隙流體pH值大幅降低，使成巖早期形成的大量不穩(wěn)定自生礦物發(fā)生較大規(guī)模的溶解，從而形成各類次生孔隙。酸性熱液介質(zhì)中的硅質(zhì)成分以自生石英晶體或者次生加大邊的形式沉淀并充填孔隙。此時(shí)碳酸鹽礦物大量形成并交代碎屑顆粒，由黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的Mg2+和Fe2+等離子形成晚期方解石、鐵方解石、鐵白云石等含鐵碳酸鹽膠結(jié)物。

4.2 成巖序列

通過上述分析，研究區(qū)長81油層組沉積期構(gòu)造簡單，主要受漸進(jìn)埋藏作用的影響，沉積物持續(xù)埋藏，無明顯間斷[3]。同時(shí)可以確定研究區(qū)81油層組處于晚成巖階段A期，研究區(qū)內(nèi)成巖演化序列：機(jī)械壓實(shí)作用→早期綠泥石薄膜形成→石英次生加大→早期方解石沉淀→有機(jī)質(zhì)低成熟→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶蝕→晚期鐵方解石充填→晚期白云石充填。

圖6 華慶地區(qū)長81砂巖成巖序列演化圖

5 結(jié)論

通過對鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長81成巖作用的研究,可以得出以下結(jié)論:

(1)長81儲層砂巖巖石類型主要為巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖。巖石具有成分成熟度差，結(jié)構(gòu)成熟度高的特點(diǎn)。

(2)長81儲層砂巖主要的成巖作用類型有：壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕、溶解作用。其中壓實(shí)作用和膠結(jié)作用強(qiáng)烈的破壞了砂巖的原生孔隙結(jié)構(gòu)，溶蝕作用和破裂作用則有效的改善了孔隙結(jié)構(gòu)。

(3)研究區(qū)內(nèi)綠泥石薄膜的大量膠結(jié)，對儲層原生孔隙的保存具有積極的作用，并且在一定程度上抑制了石英次生加大的出現(xiàn)。

(4)研究區(qū)內(nèi)成巖演化序列為：機(jī)械壓實(shí)作用→早期綠泥石薄膜形成→石英次生加大→早期方解石沉淀→有機(jī)質(zhì)低成熟→長石顆粒、方解石膠結(jié)物溶蝕→晚期鐵方解石充填→晚期白云石充填。

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