鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)長8儲層成巖作用與有利成巖相研究

馬海勇，周立發(fā)，張小剛，韓天佑，李繼宏，劉廣林

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069;2.長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018;3.長慶油田公司勘探部，西安 710018)

姬塬地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中西部，北起鹽池，南抵耿灣，西自古峰莊，東至吳起，區(qū)域構(gòu)造橫跨伊陜斜坡和天環(huán)坳陷2個構(gòu)造單元[1－5］(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，為一傾角僅半度左右的大型西傾單斜，構(gòu)造較平緩。三疊系延長組長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖進入大量生、排烴階段之前，延長組儲層經(jīng)歷了強烈的機械壓實及膠結(jié)作用，使砂巖儲層原生孔隙大量喪失，形成了低孔、低滲的致密儲層[6－9］。近年來，姬塬地區(qū)延長組下組合油層組勘探取得了新的突破，已從中淺層構(gòu)造油氣藏進入到深層巖性油氣藏勘探的新階段，發(fā)現(xiàn)了延長組長8油層大型巖性油藏[10］。但研究區(qū)延長組長8儲集層成巖作用和成巖相的研究還相對較薄弱。本文以鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡等實驗測試結(jié)果為基礎(chǔ)，對該區(qū)延長組長8儲層的成巖作用、物性變化特征等進行研究，揭示了成巖作用與儲層物性之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上劃分出有利的成巖相帶，為評價和篩選有利儲層提供合理的地質(zhì)依據(jù)。

圖1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)位置Fig.1 Location of Jiyuan area of Ordos Basin

1 沉積相特征

姬塬地區(qū)延長組長8油層組沉積總厚度為75～85 m，包括兩個油層[11］，按不同級次的基準(zhǔn)面旋回特征，長8油層組處于二級層序的水進體系域，即首次洪泛面和最大洪泛面之間。沉積期構(gòu)造背景穩(wěn)定，沉積砂體展布受東北陰山古陸和西北阿拉善古陸的物源控制，各物源方向?qū)^(qū)內(nèi)長8油層組砂體的發(fā)育規(guī)模、展布形態(tài)影響程度有所差異[12－14］。該區(qū)長8油層組為典型的淺水三角洲沉積體系[15－16］，主要發(fā)育淺水三角洲前緣亞相沉積，沉積微相為三角洲前緣水下分流河道、河口壩，砂體單層厚度較大，一般在10～20 m，砂體在垂向上疊加期次不明顯，垂向和橫向上連續(xù)性好，屬于近物源、且物源供給充足的高能量沉積環(huán)境。分流河道砂體主要為灰綠色厚層塊狀細(xì)砂巖，基底具沖刷面，內(nèi)部具向上變細(xì)的沉積序列，發(fā)育槽狀交錯層理、平行層理、沙紋交錯層理。

2 儲層巖石學(xué)特征

圖2 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長組長8砂巖巖石分類Fig.2 Classification of Chang8 sandstones in Jiyuan area，Ordos Basin

姬塬地區(qū)長8油層組主要為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖(圖2)，而長石砂巖和巖屑砂巖含量相對較少。碎屑石英(Q)、長石(F)及巖屑(R)的平均含量分別為29.56%，27.93%，22.20%。石英以單晶石英為主，有部分多晶石英;長石以斜長石為主，有少量鉀長石。巖屑以變質(zhì)巖巖屑(平均13.7%)和火成巖巖屑(平均8.1%)為主，沉積巖巖屑含量較少(平均0.36%)。

砂巖中填隙物主要由膠結(jié)物和雜基組成，填隙物總體平均含量為13.05%，膠結(jié)物主要為粘土礦物和碳酸鹽礦物，粘土礦物中綠泥石膜(平均4.2%)、高嶺石(平均1.35%)含量較高;碳酸鹽礦物中鐵方解石 (平均2.65%)、水云母(平均1.6%)含量較高。

統(tǒng)計結(jié)果表明，長8儲層以細(xì)砂巖(占砂巖總量的46.5%)、中細(xì)砂巖(41.2%)為主，含少量中砂巖(3.8%)。砂巖分選性普遍為好—中等，磨圓度以次棱角狀為主。膠結(jié)類型以薄膜—孔隙型為主，其次為孔隙、薄膜、加大—孔隙型膠結(jié)，壓嵌、基底型膠結(jié)較少見。顆粒間以線接觸為主，其次為點—線接觸，少數(shù)為點接觸和凹凸接觸。

根據(jù)大量巖心物性的分析資料，姬塬地區(qū)長8砂巖的實測平均孔隙度為9.5%，平均滲透率為0.66 mD，屬于低滲、特低滲型儲集層。根據(jù)鑄體薄片觀察與統(tǒng)計，結(jié)合掃描電鏡研究，研究區(qū)長8砂巖儲層的面孔率平均為2.38% ，主要由剩余原生粒間孔(占面孔率的 42.4%)、長石溶孔(46.6%)、巖屑內(nèi)溶孔(4.2%)、沸石內(nèi)溶孔(2.1%)和晶間孔(4.2%)構(gòu)成，局部地區(qū)發(fā)育微裂縫。

3 成巖作用特征

3.1 壓實作用

壓實作用是造成姬塬地區(qū)延長組砂巖原生孔隙喪失的主要原因，長8砂巖經(jīng)歷了較強的壓實作用，由壓實作用造成的平均孔隙度喪失為26.8%。通過砂巖原始孔隙體積與壓實后的粒間體積進行對比，得出研究區(qū)巖石的視壓實率為68%，區(qū)內(nèi)長8砂巖屬于中強壓實為主(圖3a)。砂巖中抗壓作用較強的石英含量較低，而抗壓較弱的塑性碎屑如長石、泥巖巖屑、特別是云母類的含量較高，這些塑性碎屑在埋藏壓實作用過程中發(fā)生塑性變形、水化膨脹和蝕變，并形成假雜基擠入粒間孔隙中，造成鄰近孔隙喉道的堵塞，從而使較多原生粒間孔隙喪失[17－19］。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是孔隙溶液中某種物質(zhì)達(dá)到過飽和而在孔隙中發(fā)生沉淀，使沉積物固結(jié)起來的作用。研究區(qū)長8砂巖中的主要的膠結(jié)物包括碳酸鹽、粘土礦物和硅質(zhì)等，它們對儲層砂巖的儲集性能的影響各有不同。

3.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)是造成低孔、低滲的主要原因。在研究區(qū)長8砂巖中碳酸鹽膠結(jié)作用普遍存在，膠結(jié)物主要是鐵方解石(平均2.65%)、方解石(平均0.65%)，還有少量的白云石、鐵白云石。碳酸鹽膠結(jié)主要呈粒間膠結(jié)物、交代物或溶蝕孔隙內(nèi)填充物形式出現(xiàn)，常見微晶狀、晶粒狀或連晶狀產(chǎn)出，并有明顯的多期次形成特征，可分為早、中、晚三期。

早期碳酸鹽主要以孔隙充填的形式出現(xiàn)，以泥晶團塊或灰泥基質(zhì)形式充填在顆粒之間，常溫常壓條件下孔隙水中CaCO3在堿性條件下達(dá)到過飽和直接沉淀出來。早期碳酸鹽膠結(jié)主要發(fā)生在早成巖階段主要壓實期以前，一般不交代碎屑顆粒，可提高砂巖抗壓實能力，為后期溶蝕作用的發(fā)生提供溶蝕物質(zhì)。

隨著埋深加大，溫度升高、pH值增大、CO2分壓降低，溶解的碳酸鹽發(fā)生重結(jié)晶作用，形成自形的細(xì)晶方解石膠結(jié)物。這類中期碳酸鹽膠結(jié)物多呈斑狀、分散晶粒狀充填在顆粒之間，呈線接觸，成分多為(含鐵)方解石，可見交代或包裹早期泥微晶碳酸鹽膠結(jié)物的現(xiàn)象，形成時間在主壓實期之后和油氣侵入之前，成巖階段主要在早成巖階段B期。

在成巖晚期，特別是在晚成巖階段A期，由于地層埋藏深度增大，溫度和壓力增高，在高溫缺氧的還原環(huán)境下，孔隙水中由粘土礦物或黑云母轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的Ca2+、Fe2+、Mg2+等離子與烴源巖中有機質(zhì)成熟時產(chǎn)生的CO2發(fā)生反應(yīng)，形成了鐵方解石和少量的鐵白云石，多呈潔凈、大晶粒狀[17］。

3.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)也是長8油層組砂巖中主要的膠結(jié)方式，硅質(zhì)膠結(jié)物平均含量為1.85%，主要以石英次生加大和充填孔隙膠結(jié)為主(圖3b)。硅質(zhì)膠結(jié)中的SiO2主要來自粘土礦物演化釋放硅離子以及長石溶解使孔隙流體中游離硅離子增加并造成硅質(zhì)膠結(jié)物沉淀。通過對鑄體薄片的大量觀察，發(fā)現(xiàn)本區(qū)長8砂巖儲層自生硅質(zhì)膠結(jié)物出現(xiàn)在相對深埋地層中，大多數(shù)砂巖中自生石英沉淀作用都發(fā)生在壓實作用使得顆粒間關(guān)系基本固定之后，提高了巖石的機械強度和抗壓實能力;其沉淀作用造成的巖石機械強度增加對巖石孔隙的保持沒有實際意義，其占據(jù)的孔隙空間使巖石孔隙度進一步降低，因而被認(rèn)為是破壞性的成巖作用[20－21］。

圖3 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長組長8砂巖中的典型成巖現(xiàn)象Fig.3 Microphotographs showing typical diagenesis of Chang8 sandstones in Jiyuan area，Ordos Basin

3.2.3 粘土礦物膠結(jié)

粘土礦物膠結(jié)在本區(qū)普遍發(fā)育，尤其是綠泥石和高嶺石，其平均含量分別為4.2%和1.35%，伊利石、伊、蒙混層含量較低。綠泥石的膠結(jié)形式主要為綠泥石薄膜和充填于孔隙中的自生綠泥石。綠泥石薄膜在本區(qū)很常見(圖3c)，綠泥石多呈針狀和針頁狀集合體沿碎屑顆粒呈環(huán)狀分布(圖3d)，形成薄膜式膠結(jié)。環(huán)邊綠泥石的沉淀開始于壓實作用已進行到顆粒目前接觸關(guān)系的早成巖階段早期。這種綠泥石環(huán)邊均勻地包繞在碎屑顆粒外面，阻礙碎屑顆粒與孔隙接觸，抑制石英次生加大邊的形成，減少了其他膠結(jié)物的沉淀[22－24］。但在埋藏成巖過程中，這些綠泥石仍然繼續(xù)定向生長，并持續(xù)到自生石英沉淀以后，不斷增加巖石的機械強度，并平衡埋藏成巖過程中不斷增加的上覆載荷，從而使砂巖的原生粒間孔隙和次生溶蝕孔隙得以保存[25］。另外，還有一些綠泥石呈葉片狀充填于粒間孔、殘余粒間孔，部分充填溶蝕孔隙，這部分綠泥石形成時間較晚，為晚成巖A期的產(chǎn)物。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用可以將致密砂巖改造成儲層，是形成儲層最重要的建設(shè)性成巖作用之一[26］。研究區(qū)長8砂巖被溶蝕的物質(zhì)主要是長石顆粒，還有少量巖屑顆粒以及方解石膠結(jié)物。長石溶蝕產(chǎn)生次生孔隙占面孔率的46.6%，可形成粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？?。晚期成巖作用階段，烴源巖由于溫度的熱催化和Fe3+的無機氧化脫羧形成大量有機酸和CO2[27］，有機質(zhì)分解產(chǎn)生的有機酸進入砂巖，導(dǎo)致孔隙流體pH值的大幅降低，使成巖早期形成的不穩(wěn)定自生礦物及長石等鋁硅酸鹽礦物發(fā)生較大規(guī)模的溶解，釋放出大量的Si4+、Al3+等離子。由于有機酸對Al3+有較強的絡(luò)合能力，因此這些離子以絡(luò)合物的形式隨孔隙流體遷移，保證了長石的繼續(xù)溶解，并形成了大量的次生孔隙(圖3e)。由于這些絡(luò)合離子的不穩(wěn)定性，Al3+經(jīng)過短距離搬運便沉淀下來，形成了自生高嶺石[28］。長8砂巖中高嶺石平均含量1.35%，多呈分散質(zhì)點式充填粒間孔隙，部分充填于長石粒內(nèi)溶孔中，從儲層演化角度來說，高嶺石通常是長石溶解和次生孔隙發(fā)育的指示礦物。

3.4 交代作用

研究區(qū)長8儲層主要的交代作用是膠結(jié)物交代碎屑，后期形成的膠結(jié)物交代早期形成的膠結(jié)物，主要的交代現(xiàn)象有高嶺石粘土充填交代巖屑、方解石交代巖屑和碳酸鹽對長石、巖屑等碎屑顆粒的交代及早期方解石膠結(jié)物被晚期鐵方解石交代(圖3f)。純粹的礦物交代對儲層物性影響不大，但對儲層的潛在敏感性有重要影響。

3.5 成巖階段劃分

根據(jù)裘懌楠等[29－30］成巖階段劃分方案對研究區(qū)長8砂巖成巖階段進行了劃分。成巖階段以自生礦物的形成及其生成順序、粘土礦物組合、巖石結(jié)構(gòu)特征、有機質(zhì)成熟度指標(biāo)、結(jié)合包裹體測溫等依據(jù)進行劃分，將成巖作用分為2個階段:早期成巖作用階段、晚期成巖作用階段(圖4)。

該區(qū)長8段成巖強度較為強烈，早期成巖期主要有微弱的機械壓實作用，形成石英次生加大邊;之后為綠泥石薄膜包圍碎屑顆粒，且塑性云母、巖屑發(fā)生變形，剛性顆粒發(fā)生斷裂，顆粒發(fā)生調(diào)整;早成巖B期晚期至晚成巖A期，排出大量有機酸，長石溶蝕孔隙非常發(fā)育，其形成時間基本一致;充填孔隙的自生綠泥石、伊利石、伊蒙混層等生成;隨著埋深的加大、成巖作用的增強，鐵離子逐漸剩余，鐵方解石、鐵白云石等碳酸鹽礦物生成。

圖4 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長組長8儲層成巖序列Fig.4 Diagenetic array of Chang8 reservoir in Jiyuan area，Ordos Basin

4 成巖相劃分及特征

成巖相是一定成巖環(huán)境形成的巖石礦物及其組合特征的綜合反映，決定了儲集層性能和油氣富集規(guī)律[31－33］。碎屑巖儲層中油氣的富集程度主要受沉積相、成巖相控制，沉積環(huán)境通過沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、礦物組分等要素對成巖特征有不同程度的控制和影響，而不同的成巖相在沉積微相中的分布也存在一定的規(guī)律性[34］。

本文成巖相分析采用單因素分析、多因素綜合的方法[35］，分析影響儲層物性的主要成巖作用類型和特征，并結(jié)合沉積背景將研究區(qū)成巖相劃分為壓實成巖相、綠泥石膜—粒間孔成巖相、長石溶蝕成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相等4種類型(圖5)，其中壓實成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相為破壞性成巖相，對儲層發(fā)育不利;長石溶蝕成巖相、綠泥石膜—粒間孔成巖相為建設(shè)性成巖相，有利于儲集空間的形成[36］。

4.1 壓實成巖相

主要分布于三角洲前緣水下分流河道、河道側(cè)翼的薄砂層和分流間灣沉積區(qū)，其主要的巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等(圖5)。砂巖中含有較多的黑云母、千枚巖、板巖等塑性碎屑和碎屑石英，顆粒以線狀和凹凸?fàn)罱佑|，地層物性差，不具備儲層性能。結(jié)合區(qū)域特征，壓實成巖相地層在測井曲線上的響應(yīng)特征表現(xiàn)為高自然伽馬(80～120 API)、高中子(大于15%)、高密度(大于2.6 g/cm3)。

圖5 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長組長8儲層成巖相分布Fig.5 Distribution of diagenetic facies of Chang8 reservoir in Jiyuan area，Ordos Basin

4.2 碳酸鹽膠結(jié)成巖相

研究區(qū)長8段主要發(fā)育鐵方解石膠結(jié)成巖相，在三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道中都有發(fā)育，經(jīng)常出現(xiàn)在三角洲分流河道等較厚砂體的頂部和底部(圖5)。鐵方解石膠結(jié)成巖相砂巖很致密，鐵方解石呈基底式、孔隙式致密膠結(jié)，使有效孔隙消失，形成致密型孔隙組合關(guān)系，不利于孔隙的保存，幾乎完全喪失了儲集性能。測井響應(yīng)表現(xiàn)為高自然伽馬(小于80 API)、高中子(小于15%)、聲波時差(小于220 μs/m)、高密度(大于2.6 g/cm3)。

4.3 綠泥石膜—粒間孔成巖相

綠泥石膜—粒間孔成巖相受沉積微相控制，主要分布于劉卯塬—堡子灣、馬坊一帶的三角洲前緣水下分流河道主河道的有利沉積微相發(fā)育區(qū)(圖5)。綠泥石膜膠結(jié)對儲層物性保護起了積極的作用，提高了砂巖的抗壓實能力，使原生粒間孔較完整地保存下來[37］，平均孔隙度一般為 11.3%，平均滲透率為0.68 mD，測井響應(yīng)表現(xiàn)為低自然伽馬(小于80 API)、低密度(小于 2.6 g/cm3)，屬于超低滲儲層相對高滲的有利成巖相帶。這類成巖相主要位于多期水下分流河道相互疊置的厚砂層中，是原油富集的最主要地區(qū)之一。

4.4 長石溶蝕成巖相

主要分布于馮地坑、小澗子、澇池口一帶三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道多條河道交匯處的有利沉積微相發(fā)育區(qū)(圖5)。在后期成巖作用過程中，烴源巖產(chǎn)生的有機酸、CO2等酸性流體進入砂巖中使長石等礦物發(fā)生溶蝕，形成的次生孔隙對喉道有擴大作用，有效地改善了孔隙的連通性和滲透性，該成巖相的平均孔隙度為9.5%，平均滲透率為0.32 mD。長石溶蝕成巖相對有利儲集層的形成和油氣的聚集具有建設(shè)性的作用。

5 結(jié)論

1)姬塬地區(qū)長8砂巖目前處于晚成巖階段A期，主要經(jīng)歷的成巖作用有:壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用。機械壓實作用是造成砂巖原生孔隙消亡的主要原因;受酸性成巖環(huán)境影響，長石類不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生的溶蝕孔隙擴大了儲集空間，使孔隙間的連通性得以改善。長8砂巖成巖強度比較大，但成巖早期形成的綠泥石粘土膜非常發(fā)育，保留大量原生粒間孔，從而保持了較好的儲層物性。

2)根據(jù)成巖作用和沉積背景特征，姬塬地區(qū)長8儲層可劃分出4種主要成巖相類型，壓實成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相為破壞性成巖相，對儲層發(fā)育不利;長石溶蝕成巖相和綠泥石膜—粒間孔成巖相為建設(shè)性成巖相，有利于儲集空間的形成。優(yōu)質(zhì)儲層主要受控于長石溶蝕成巖相和綠泥石膜—粒間孔成巖相，分布于劉卯塬—堡子灣、馬坊一帶的三角洲前緣水下分流河道沉積微相發(fā)育區(qū)，以及馮地坑、小澗子、澇池口一帶三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道多條河道交匯處砂體發(fā)育區(qū)。

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