堿性環(huán)境成巖作用及對(duì)儲(chǔ)集層孔隙的影響
——以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖為例

祝海華，鐘大康，姚涇利，孫海濤，牛小兵，梁曉偉，尤源，李鑫

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院；4.振華石油成都北方石油勘探開發(fā)技術(shù)有限公司）

堿性環(huán)境成巖作用及對(duì)儲(chǔ)集層孔隙的影響
——以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖為例

祝海華1,2，鐘大康2，姚涇利3，孫海濤2，牛小兵3，梁曉偉3，尤源3，李鑫4

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院；4.振華石油成都北方石油勘探開發(fā)技術(shù)有限公司）

根據(jù)大量巖石薄片觀察、掃描電鏡和X衍射分析，詳細(xì)研究鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段致密砂巖的巖石學(xué)特征、成巖作用及孔隙成因等，探討長(zhǎng)7致密砂巖堿性環(huán)境成巖作用及發(fā)育的各種伴生孔隙，并分析孔隙的演化過程及與其油氣成藏的關(guān)系。長(zhǎng)7段致密砂巖廣泛發(fā)育堿性環(huán)境成巖作用，包括硅質(zhì)的溶解及被交代、碳酸鹽礦物膠結(jié)交代、鈉長(zhǎng)石化作用及大量伊利石、綠泥石沉淀。堿性環(huán)境下發(fā)育了多種伴生孔隙，如石英溶孔、黏土礦物晶間微孔、云母層間孔和鈉長(zhǎng)石化伴生孔隙。埋藏過程中，堿性環(huán)境成巖作用出現(xiàn)于早成巖B階段和中成巖A2階段，其中早成巖B期是主要堿性環(huán)境伴生孔隙發(fā)育階段，大量黏土晶間微孔的出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害了儲(chǔ)集層的滲透能力，同時(shí)也導(dǎo)致后期酸性溶蝕強(qiáng)度降低，因此推測(cè)在大量烴類充注之前，長(zhǎng)7段砂巖已經(jīng)嚴(yán)重致密化，為典型的先致密后成藏。圖7表2參34

鄂爾多斯盆地；致密油儲(chǔ)集層；堿性環(huán)境；成巖作用；孔隙類型

0 引言

孔隙是油氣賦存的主要場(chǎng)所和運(yùn)移的重要通道，因此其形成及分布是儲(chǔ)集層研究的核心之一。自20世紀(jì)80年代Surdam、Stoessell等學(xué)者建立長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽和碳酸鹽礦物的有機(jī)酸溶蝕機(jī)理以來[1-4]，中國(guó)學(xué)者研究砂巖成巖作用時(shí)基本沿用此模式，側(cè)重于對(duì)酸性水溶蝕孔隙形成與分布的研究[5]，重要原因便是中國(guó)陸相碎屑巖儲(chǔ)集層多以長(zhǎng)石砂巖、巖屑砂巖為主，長(zhǎng)石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕孔隙組成了主要次生孔隙類型[6-10]。而對(duì)堿性環(huán)境下砂巖成巖作用及其對(duì)儲(chǔ)集層孔隙的影響研究較少，20世紀(jì)90年代末才有少數(shù)學(xué)者開始討論堿性環(huán)境下硅質(zhì)、火山物質(zhì)的溶蝕作用[5,11-15]，邱隆偉等[12]通過對(duì)泌陽凹陷的研究認(rèn)為，受堿湖沉積環(huán)境影響，核桃園組在埋藏過程中硅質(zhì)普遍發(fā)生溶蝕，形成了大量的硅質(zhì)溶蝕孔隙；鐘大康等[5]認(rèn)為塔里木盆地在堿性環(huán)境中石英普遍發(fā)生了溶蝕作用；田建鋒等[15]認(rèn)為鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組早期火山物質(zhì)的堿性溶蝕是孔隙發(fā)育的主要原因。本文通過大量巖石薄片、掃描電鏡觀察和X衍射分析等對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段致密砂巖的巖石學(xué)特征、成巖作用及孔隙成因等進(jìn)行詳細(xì)研究，探討長(zhǎng)7致密砂巖堿性環(huán)境成巖作用及發(fā)育的各種伴生孔隙，并分析孔隙的演化過程及與油氣成藏的關(guān)系。

1 研究區(qū)位置及地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于中國(guó)東部構(gòu)造單元與西部構(gòu)造單元結(jié)合部位，面積約25×104km2。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部（見圖1），西起環(huán)縣、東至太白，南至正寧，北至定邊，該區(qū)也是盆地致密油勘探的核心區(qū)。三疊系延長(zhǎng)組自上而下可劃分為10個(gè)油層組（長(zhǎng)1—長(zhǎng)10），其沉積特征反映了湖盆形成、發(fā)展和消亡的演化全過程。長(zhǎng)7段沉積期為盆地最大湖侵期，深湖相大面積分布，沉積了一套暗色泥巖和油頁巖，是盆地主要的生油巖[16-17]，該期砂體多為三角洲前緣及半深湖—深湖重力流沉積，縱向上與湖相泥巖互層共生[18-20]，為致密油的形成提供了有利條件。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)位置圖

2 巖石學(xué)特征

2.1 結(jié)構(gòu)特征

長(zhǎng)7段致密砂巖結(jié)構(gòu)特征整體表現(xiàn)為粒度細(xì)、分選較好、磨圓差。砂巖粒徑主要為0.04～0.30 mm，平均為0.16 mm，主要為細(xì)砂巖（59.1%），其次為粉細(xì)砂巖（22.7%）、細(xì)中砂巖（12.0%）和少量不等粒砂巖（4.6%）。砂巖分選整體較好，以中等分選為主。絕大部分碎屑磨圓差，以次棱角狀為主。

2.2 組分特征

長(zhǎng)7段致密砂巖以巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖（44.3%）和長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖（41.9%）為主，其次為長(zhǎng)石砂巖（8.2%）和巖屑砂巖（5.6%）（見圖2）。

圖2 長(zhǎng)7段致密砂巖巖石類型三角圖

長(zhǎng)7段致密砂巖中石英含量為11.0%～70.0%，平均35.9%；長(zhǎng)石含量7.0%～60.0%，平均24.8%；巖屑含量7%～44%，平均16.8%，巖屑類型以石英巖、白云巖、千枚巖、噴發(fā)巖為主，次為板巖、隱晶巖、變質(zhì)巖、片巖、灰?guī)r及少量泥巖、粉砂巖巖屑。云母含量較高，最多可達(dá)30%，平均6.6%。填隙物包括雜基和膠結(jié)物，其中雜基平均含量9.96%，以水云母為主，其次為凝灰質(zhì)和網(wǎng)狀黏土。在延長(zhǎng)組各個(gè)層段中，長(zhǎng)7段砂巖現(xiàn)今殘余的凝灰質(zhì)含量最高（見圖3）。膠結(jié)物總含量5.53%，包括碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)、伊利石、綠泥石等自生礦物?？傮w上長(zhǎng)7段砂巖組分表現(xiàn)為巖屑含量相對(duì)低，石英、長(zhǎng)石、云母、雜基含量高。

受周圍物源區(qū)母巖性質(zhì)影響，長(zhǎng)7段致密砂巖碎屑成分在平面上具有較強(qiáng)的分區(qū)性，表現(xiàn)為研究區(qū)東北定邊—靖邊—吳起地區(qū)黑云母、長(zhǎng)石碎屑含量高，巖石類型以長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，而西南地區(qū)的環(huán)縣—慶陽—正寧地區(qū)白云巖巖屑、石英含量高，以巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖為主（見圖2）。

圖3 延長(zhǎng)組各層段現(xiàn)今凝灰質(zhì)殘余含量分布

圖4 研究區(qū)長(zhǎng)7段致密砂巖堿性環(huán)境成巖作用類型及特征

3 堿性環(huán)境成巖作用類型及特征

3.1 石英的溶蝕及交代

一般情況下，石英比較穩(wěn)定，溶解度非常低，pH值小于9環(huán)境下基本不發(fā)生溶蝕[21]，隨著pH值和溫度的升高，石英的溶解度隨之增加，當(dāng)pH值大于9.8、溫度大于25 ℃時(shí)將出現(xiàn)石英的溶解和方解石沉淀。因此在堿性環(huán)境中硅質(zhì)變得不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生溶蝕或被交代。通過對(duì)研究區(qū)44口井150個(gè)鑄體薄片觀察發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)7段硅質(zhì)普遍存在溶蝕或被交代現(xiàn)象：①石英顆粒部分或整體被方解石、鐵方解石交代（見圖4a），硅質(zhì)溶蝕的同時(shí)發(fā)生碳酸鹽沉淀，此時(shí)未能形成溶蝕孔隙；②云母礦物對(duì)石英的溶蝕及交代，云母礦物水化蝕變過程中，對(duì)石英顆粒邊緣進(jìn)行交代，石英與云母交生[22]，云母屬于含鉀的鋁硅酸鹽類礦物，在孔隙水作用下，云母水化析出鉀離子進(jìn)入孔隙溶液中，在云母與石英顆粒接觸處形成局部偏堿性環(huán)境，導(dǎo)致石英不穩(wěn)定而發(fā)生溶解（見圖4b），同時(shí)還伴生綠泥石、鈦鐵礦、褐鐵礦等含鐵礦物的沉淀（主要來自于黑云母蝕變釋放的鐵離子）[22]。長(zhǎng)7段大量云母礦物的水解是造成硅質(zhì)堿性溶蝕的重要原因。③黏土礦物對(duì)石英的交代，在高倍顯微鏡下，常發(fā)現(xiàn)粒間黏土礦物如伊利石、綠泥石對(duì)石英碎屑的交代，顆粒邊緣不規(guī)則，凹凸不平（見圖4c）。一般認(rèn)為伊利石在富二氧化碳水的環(huán)境中，可以游離出碳酸鉀（強(qiáng)堿），能溶解與黏土直接接觸的石英和長(zhǎng)石顆粒。

3.2 黏土礦物轉(zhuǎn)化和沉淀

一般在酸性條件下，高嶺石相對(duì)穩(wěn)定，即使溫度、壓力增加也不會(huì)向伊利石轉(zhuǎn)化，但隨著pH值增大，若存在鉀離子，高嶺石會(huì)變成伊利石，若存在鐵鎂離子，則會(huì)轉(zhuǎn)化成綠泥石（見圖4d、4e）。同樣蒙脫石的伊利石化和綠泥石化也需要堿性介質(zhì)環(huán)境，如果孔隙水為酸性，則將向高嶺石轉(zhuǎn)化。此外伊利石和綠泥石也會(huì)在酸性條件下轉(zhuǎn)化成高嶺石，即發(fā)生退變作用。

巖石薄片、掃描電鏡和X衍射分析顯示研究區(qū)長(zhǎng)7段黏土膠結(jié)發(fā)育，薄片統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)71—長(zhǎng)733個(gè)小層黏土礦物含量分別為10.0%，9.4%和12.5%[23]。X衍射數(shù)據(jù)顯示黏土類型以伊利石最為發(fā)育，其次為綠泥石（見圖4d、4e），而高嶺石及混層黏土礦物含量少（見表1）。富伊利石、綠泥石而貧高嶺石、蒙脫石的黏土礦物組成說明埋藏期孔隙環(huán)境偏堿性。

表1 長(zhǎng)7段黏土礦物相對(duì)含量

3.3 碳酸鹽礦物的沉淀及交代

碳酸鹽礦物隨溫度、壓力及pH值增高溶解度降低，是堿性環(huán)境成巖作用的重要產(chǎn)物。長(zhǎng)7段碳酸鹽礦物以膠結(jié)物和白云巖巖屑兩種形式出現(xiàn)。在堿性環(huán)境中，白云巖巖屑發(fā)生重結(jié)晶作用，晶體增大，巖屑邊緣白云石趨于自形。碳酸鹽膠結(jié)在長(zhǎng)7段也普遍發(fā)育，含量變化大，為0～40%，平均4.1%，膠結(jié)物類型以鐵方解石、鐵白云石為主，平均含量分別為1.9%和1.8%，次為方解石，平均含量0.2%，少量白云石、菱鐵礦膠結(jié)。碳酸鹽膠結(jié)可發(fā)生多期，早期方解石常以交代顆?；蚧资侥z結(jié)形式出現(xiàn)，含量可達(dá)40%；而鐵方解石常附著方解石生長(zhǎng)或直接交代顆粒充填粒間孔隙（見圖4a），鐵白云石則常沿著白云巖巖屑或白云石晶體邊緣生長(zhǎng)（見圖4f），也可呈自形晶充填于粒間孔和顆粒溶孔中（見圖4g、4h），說明鐵方解石、鐵白云石沉淀的同時(shí)存在對(duì)早期方解石、白云石的交代，出現(xiàn)時(shí)間較晚，甚至晚于顆粒溶蝕。由于碳酸鹽膠結(jié)不僅充填粒間孔和溶蝕孔，且出現(xiàn)時(shí)間較晚，沉淀之后難以再次被溶蝕形成次生孔隙，導(dǎo)致孔隙度和滲透率降低[24]。

含鐵碳酸鹽膠結(jié)豐富的成因與鐵鎂離子來源豐富有關(guān)，主要包括兩個(gè)來源：云母類鐵鎂礦物蝕變；凝灰質(zhì)蒙脫石化蝕變。長(zhǎng)7段云母和凝灰質(zhì)含量在延長(zhǎng)組各層中最為發(fā)育[25]，可以提供大量的鉀、鈉、鐵、鎂離子，改變孔隙流體環(huán)境，使之偏堿性，并抑制石英次生加大，促進(jìn)含鐵碳酸鹽的沉淀，這也是長(zhǎng)7段致密油砂巖在粒度偏細(xì)、膠結(jié)物總量明顯偏低的情況下，其含鐵碳酸鹽膠結(jié)物含量仍與延長(zhǎng)組其他層位相當(dāng)甚至更高的原因之一[23]。

3.4 長(zhǎng)石加大及鈉長(zhǎng)石晶體沉淀

碎屑巖中，與石英相比，長(zhǎng)石屬于相對(duì)不穩(wěn)定組分，在酸性條件中易溶蝕，而長(zhǎng)石族中斜長(zhǎng)石比鉀長(zhǎng)石穩(wěn)定性差。但在堿性條件下，長(zhǎng)石則比較穩(wěn)定，甚至條件合適時(shí)可發(fā)生沉淀[12]。研究區(qū)長(zhǎng)7段普遍見細(xì)小的自生鈉長(zhǎng)石晶體，正交光下呈較為干凈的一級(jí)灰白色干涉色，電鏡下呈板狀自形晶，主要以細(xì)小晶體充填顆粒溶蝕孔隙。與碎屑長(zhǎng)石相比，自生鈉長(zhǎng)石沒有溶蝕痕跡，也沒有被高嶺石等黏土交代或被綠泥石膜包裹（見圖4f），說明鈉長(zhǎng)石沉淀于碎屑溶蝕之后或伴隨著溶蝕形成，出現(xiàn)時(shí)間較晚。

關(guān)于鈉長(zhǎng)石的來源，朱國(guó)華認(rèn)為延長(zhǎng)組鈉長(zhǎng)石是長(zhǎng)石蝕變成濁沸石的伴生礦物[26]，李榮西等通過鏡下觀察認(rèn)為由于延長(zhǎng)組存在鈉長(zhǎng)石、濁沸石和高嶺石的共生組合，因此也存在斜長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化成鈉長(zhǎng)石和高嶺石的反應(yīng)[27]。薄片及X衍射資料顯示長(zhǎng)7段濁沸石不發(fā)育，高嶺石含量少，同時(shí)很少觀察到高嶺石與自生鈉長(zhǎng)石共生，更常見的是鈉長(zhǎng)石與鐵白云石（見圖4g、4h）、鈉長(zhǎng)石和伊利石的礦物組合（見圖4i），一般認(rèn)為這兩種組合是斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石蝕變之后的產(chǎn)物。以最典型的斜長(zhǎng)石——鈣長(zhǎng)石為例，其鈉長(zhǎng)石化之后可形成鈉長(zhǎng)石和鐵白云石[28-29]，反應(yīng)過程為：CaAl2Si2O8（鈣長(zhǎng)石）+2Na++4SiO2（石英）=2NaAlSi3O8（鈉長(zhǎng)石）+Ca2+，其中Ca2+進(jìn)一步與Fe2+和CO32－結(jié)合形成鐵白云石；而鉀長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石化之后則以鈉長(zhǎng)石和伊利石礦物組合為特征，其反應(yīng)為：2KAlSi3O8（鉀長(zhǎng)石）+ 2.5Al4Si4O10(OH)8（高嶺石）+2Na++4SiO2（石英）= 2NaAlSi3O8（鈉長(zhǎng)石）+2KAl5Si7O20(OH)4（伊利石）+ 5H2O+2H+。上述兩個(gè)反應(yīng)都需要消耗硅質(zhì)，因此堿性環(huán)境是反應(yīng)進(jìn)行的基礎(chǔ)，當(dāng)流體為酸性時(shí)，長(zhǎng)石則溶蝕形成高嶺石礦物并沉淀石英。

4 堿性環(huán)境成巖作用對(duì)儲(chǔ)集層孔隙影響

4.1 與堿性環(huán)境成巖作用有關(guān)的孔隙

一般認(rèn)為有機(jī)酸對(duì)碎屑的溶蝕是儲(chǔ)集層次生孔隙形成的主要機(jī)理，從而忽略了堿性條件下孔隙的形成，主要原因?yàn)椋簤A性環(huán)境成巖作用中碳酸鹽膠結(jié)對(duì)孔隙保存不利；堿性環(huán)境形成的孔隙規(guī)模偏小，孔隙半徑小，易被忽略。但隨著致密油等非常規(guī)油氣越來越受到重視，研究這些微納米級(jí)的小孔隙類型及成因顯得至關(guān)重要。

研究區(qū)長(zhǎng)7段可識(shí)別出至少4種與堿性環(huán)境伴生的孔隙（見圖5）：石英溶蝕孔隙、黏土礦物晶間孔隙、云母層間孔隙以及鈉長(zhǎng)石化孔。

圖5 堿性成巖環(huán)境伴生孔隙類型

①石英溶蝕孔，其是堿性成巖環(huán)境的重要產(chǎn)物，包括兩類：石英顆粒邊緣溶蝕孔隙，與粒間孔隙連通形成溶蝕擴(kuò)大孔，或被綠泥石環(huán)邊隔擋，形成單獨(dú)的粒緣溶孔（見圖5b），其形成時(shí)間較早，后期可被烴類充填（見圖5a、5b）；石英被黏土礦物交代之后形成石英邊緣的黏土晶間微孔，形成時(shí)間也早于烴類充注（見圖5c）。

②黏土礦物晶間孔隙，主要為雜基重結(jié)晶或自生沉淀的綠泥石、伊利石晶間孔隙（見圖5c—5g），多為微納米級(jí)（見圖5e）。由于偏光顯微鏡主要觀察較大的粒間孔和溶孔，對(duì)微孔面孔率的估計(jì)困難，因此，本文利用如下公式來估算這些微孔的面孔率：

式中 p——綠泥石/伊利石晶間面孔率，%；C——黏土礦物絕對(duì)含量，%；R——綠泥石/伊利石相對(duì)含量，%；φ——綠泥石/伊利石晶間孔隙度，%。

Hurst和Nadeau利用背散射電子顯微鏡觀測(cè)到綠泥石、伊利石礦物中存在大量晶間孔隙，平均孔隙度分別為51%和63%[30]，據(jù)此求出長(zhǎng)71段不同地區(qū)綠泥石和伊利石晶間孔面孔率為3.02%～6.84%（見表2），高于粒間孔和溶孔的面孔率，這反映出對(duì)于致密油儲(chǔ)集層而言，黏土晶間孔是非常重要的孔隙類型。

表2 不同地區(qū)長(zhǎng)71致密砂巖巖石組分及面孔率統(tǒng)計(jì)

③云母層間孔隙，云母為典型的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，在埋藏水化過程中，層間K+被半徑較大的水合陽離子如H3O+及Mg2+、Ca2+替換，導(dǎo)致云母發(fā)生膨脹變形，解理縫開裂，形成扁平狀、片狀層間孔（見圖5h），當(dāng)云母完全蝕變成黏土礦物時(shí)則會(huì)形成黏土晶間微孔。

④鈉長(zhǎng)石化伴生孔隙，鈉長(zhǎng)石化過程中，斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、硅質(zhì)及高嶺石被消耗，同時(shí)伴隨伊利石或晚期碳酸鹽礦物的沉淀。這個(gè)過程中，由于斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石的溶蝕速率快于鈉長(zhǎng)石的沉淀速率，因此常常形成鈉長(zhǎng)石、晚期碳酸鹽及伊利石膠結(jié)殘余孔隙（見圖4d、4e及5i）。

4.2 儲(chǔ)集層孔隙演化過程

4.2.1 經(jīng)典酸性成巖理論及堿湖環(huán)境孔隙演化過程

儲(chǔ)集層次生孔隙形成經(jīng)典理論強(qiáng)調(diào)碳酸、有機(jī)酸及酚類對(duì)長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物的溶蝕作用[11]。Surdam等[1]認(rèn)為，油田水中有機(jī)酸和酚類化合物是在干酪根生油高峰之前大量生成的，羧酸大量形成主要發(fā)生于Ro≈0.5%階段，次生孔隙的大量出現(xiàn)也主要發(fā)生在這個(gè)階段。因此孔隙演化的基本過程為：早期埋藏壓實(shí)孔隙快速損失；至中成巖A1期，烴源巖開始大量排酸，儲(chǔ)集層中出現(xiàn)有機(jī)酸溶蝕孔隙，孔隙度在該階段有所升高；后期隨著酸性水的消耗、晚期膠結(jié)及埋藏壓實(shí)作用的進(jìn)行，孔隙度會(huì)繼續(xù)減少?？傮w孔隙度變化為先快速減少，然后溶蝕增孔，后期繼續(xù)減孔的過程。

而基于堿湖沉積環(huán)境的堿性成巖理論則強(qiáng)調(diào)孔隙水呈堿性（與原始沉積環(huán)境有關(guān)），成巖過程中存在兩個(gè)孔隙演化階段：早成巖B期，堿性水溶蝕石英等堿不穩(wěn)定礦物，形成石英溶蝕孔；中成巖A1期，有機(jī)酸溶解碳酸鹽、長(zhǎng)石礦物，形成粒間溶孔和長(zhǎng)石溶孔[12]。

4.2.2 長(zhǎng)7段孔隙演化過程

長(zhǎng)7段緊鄰優(yōu)質(zhì)烴源巖且富含云母、火山物質(zhì)等組分，其形成環(huán)境特殊，巖石組分獨(dú)特，因此其成巖演化具有一定特殊性。

首先與經(jīng)典次生孔隙形成理論相比，長(zhǎng)7段緊鄰優(yōu)質(zhì)烴源巖，不僅發(fā)育有機(jī)酸溶蝕孔隙（主要為長(zhǎng)石溶孔），同時(shí)堿性環(huán)境成巖作用及其伴生孔隙也常見。

另一方面，長(zhǎng)7段沉積時(shí)，湖盆并非鹽湖環(huán)境，其堿性環(huán)境的形成與沉積時(shí)的水介質(zhì)無關(guān)，是由本身富含的云母、火山物質(zhì)蝕變所致，因此除了形成石英溶蝕孔外，還發(fā)育大量的黏土晶間孔、云母層間孔等伴生的微納米級(jí)孔隙。

根據(jù)長(zhǎng)7段鏡質(zhì)體反射率、伊蒙混層礦物轉(zhuǎn)化率及古地溫等多項(xiàng)指標(biāo)，可確定目前研究區(qū)長(zhǎng)7段經(jīng)歷了早成巖期和中成巖期，目前處于中成巖A2期，總體的成巖序列及孔隙演化過程見圖6。

圖6 長(zhǎng)7段致密砂巖孔隙演化過程

早成巖A期，隨著地層快速埋藏，成巖作用主要以機(jī)械壓實(shí)為主，由于長(zhǎng)7段粒度細(xì)，雜基含量較高，因此在強(qiáng)烈壓實(shí)作用下，孔隙快速減少。同時(shí)云母、凝灰質(zhì)也開始發(fā)生蝕變，主要為水合陽離子H3O+與堿金屬離子交換，釋放出Na+、K+等堿金屬陽離子，導(dǎo)致孔隙流體pH值逐漸升高，酸性減弱。在此過程中，云母解理縫膨脹，形成層間孔隙，凝灰質(zhì)蝕變形成蒙脫石黏土礦物，形成晶間孔。

到早成巖B期，由于堿金屬離子的持續(xù)釋放，孔隙流體已經(jīng)呈堿性，除了云母、火山物質(zhì)的蝕變，還出現(xiàn)了多種堿性環(huán)境的成巖作用：①早期方解石、鐵方解石膠結(jié)交代；②硅質(zhì)溶蝕或被云母、黏土礦物及碳酸鹽礦物交代；③伊利石、綠泥石等自生黏土礦物沉淀或轉(zhuǎn)化。該階段形成的孔隙包括：石英溶蝕孔、黏土礦物晶間孔和云母層間孔。因此在該階段砂巖儲(chǔ)集層孔隙度基本保持不變甚至略微增加，而滲透率則因?yàn)榇罅吭ｉg孔隙轉(zhuǎn)化為微孔隙而快速下降。

早成巖B末期至中成巖A1期，此時(shí)長(zhǎng)7暗色泥巖及油頁巖中有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟階段（Ro=0.5%，晚侏羅世末期[31]），伴隨有機(jī)質(zhì)演化而產(chǎn)生的有機(jī)酸開始進(jìn)入相鄰砂巖，砂巖環(huán)境由堿性變成酸性，早期碳酸鹽膠結(jié)物及長(zhǎng)石發(fā)生溶解，孔隙度增加。但由于在早成巖B期砂巖的滲透能力嚴(yán)重下降，因此溶解物質(zhì)交換緩慢，導(dǎo)致該階段砂巖雖發(fā)生了普遍溶蝕，但溶蝕強(qiáng)度整體較弱，多為碎屑的部分溶蝕，同時(shí)自生石英也主要出現(xiàn)于該階段。

至中成巖A2期，隨著長(zhǎng)7烴源巖進(jìn)入大量生烴階段，產(chǎn)生的有機(jī)酸減少，加之長(zhǎng)石、火山巖屑溶蝕釋放鉀、鈉、鎂等離子的緩沖，孔隙水酸性減弱，pH值升高，出現(xiàn)斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化，形成少量孔隙。該階段的孔隙形成較晚，常未被烴類充注（見圖4g）。而大量晚期鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)的出現(xiàn)使得孔隙度整體下降。

4.2.3 堿性環(huán)境對(duì)有機(jī)酸溶蝕的影響

由上述可知，長(zhǎng)7段成巖環(huán)境的變化主要受控于自身巖石組分的蝕變以及緊鄰的烴源巖演化，即云母、火山物質(zhì)蝕變并釋放的堿金屬離子是導(dǎo)致早成巖B期和中成巖A2期孔隙環(huán)境偏堿性的主要原因，而中成巖A1期由于緊鄰的烴源巖釋放大量酸性水，使得孔隙水偏酸性，因此長(zhǎng)7致密砂巖的巖石組分特別是云母、凝灰質(zhì)等火山物質(zhì)的含量及分布會(huì)影響儲(chǔ)集層有機(jī)酸溶蝕的強(qiáng)度。以長(zhǎng)71為例（見表2），研究區(qū)東北部定邊—志丹、中部華池—吳起地區(qū)的長(zhǎng)石含量高于南部正寧、西南慶城—慶陽地區(qū)以及西部環(huán)縣—演武地區(qū)，且更靠近烴源巖[32]，但由于東北和中部地區(qū)云母含量高，凝灰?guī)r發(fā)育，受其影響這兩個(gè)地區(qū)的有機(jī)酸溶蝕強(qiáng)度并不高，溶孔率均低于研究區(qū)西部、西南和南部地區(qū)（見表2）。

4.3 堿性環(huán)境成巖作用的意義

孔隙演化顯示：在埋藏過程中，長(zhǎng)7段經(jīng)歷了兩次孔隙度增加階段，即早成巖B期和中成巖A1期。早成巖B期以堿性環(huán)境下形成石英溶孔和大量黏土微孔為特征。事實(shí)上，該階段砂巖物性的變化比較復(fù)雜：一方面由于石英溶蝕作用，加之綠泥石環(huán)邊的存在使得壓實(shí)作用及粒間碳酸鹽膠結(jié)受到一定程度的抑制，有利于孔隙的保存。但另一方面，大量云母層間片狀孔隙及黏土晶間微孔是在云母水化膨脹或自生黏土礦物占據(jù)粒間原生孔隙的基礎(chǔ)上形成的。根據(jù)黏土礦物的晶間孔隙度可以認(rèn)為，該階段超過2/3的原生粒間孔隙被水化云母或自生黏土礦物占據(jù)，被占據(jù)的粒間孔至少一半轉(zhuǎn)化成這些礦物內(nèi)部的晶間微孔或?qū)娱g孔。這對(duì)致密砂巖物性的意義在于：一方面占據(jù)了碳酸鹽、硅質(zhì)膠結(jié)的空間，一定程度減緩了壓實(shí)和膠結(jié)減孔的速率，但另一方面大量微孔的出現(xiàn)卻嚴(yán)重犧牲了砂巖的滲透能力。

圖7 長(zhǎng)7溶孔面孔率與滲透率散點(diǎn)圖

第2個(gè)增孔階段為中成巖A1期，主要為有機(jī)酸溶蝕孔隙。雖然該階段的溶蝕作用可以提高孔隙度，但其對(duì)滲透率的影響卻很小（見圖7），原因包括兩個(gè)方面：①溶蝕孔隙形狀一般不規(guī)則，連通性差[33]，加之長(zhǎng)7段并未發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕，因此溶孔對(duì)滲透率貢獻(xiàn)有限；②溶蝕物質(zhì)易再沉淀，由于早成巖B期受壓實(shí)及堿性環(huán)境成巖作用的影響，砂巖滲透率下降嚴(yán)重，因此溶蝕析出的離子難以快速帶出，容易再沉淀。含鐵碳酸鹽膠結(jié)物流體包裹體均一溫度一般都超過100 ℃[34]，而長(zhǎng)7段主要的油氣充注時(shí)間為中成巖A1—A2期（見圖6），對(duì)應(yīng)的古地溫為105～120 ℃[31]，說明晚期碳酸鹽膠結(jié)物開始沉淀時(shí)間略早于油氣的大量充注或與之同時(shí)。

據(jù)此可以推測(cè)，長(zhǎng)7段致密砂巖經(jīng)歷早成巖A期的快速壓實(shí)，早成巖B期的云母蝕變、黏土沉淀以及早期碳酸鹽沉淀之后很可能就已經(jīng)致密化，中成巖A1期早期的有機(jī)酸溶蝕只提高了孔隙度，對(duì)滲透率影響小。因此研究區(qū)長(zhǎng)7段致密油藏可以排除先成藏后致密的模式，很可能為先致密后成藏。

5 結(jié)論

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖儲(chǔ)集層經(jīng)歷了普遍的堿性環(huán)境成巖作用，包括硅質(zhì)的溶解及被交代、碳酸鹽礦物膠結(jié)交代、鈉長(zhǎng)石化作用及大量伊利石、綠泥石沉淀，堿性成巖環(huán)境的形成與之富含云母、火山物質(zhì)有關(guān)；堿性環(huán)境可以形成多種孔隙，包括石英溶蝕孔、黏土礦物晶間孔隙、云母層間孔隙及鈉長(zhǎng)石化伴生孔隙等，孔隙演化過程中主要存在兩個(gè)孔隙度增加階段：早成巖B期的堿性環(huán)境孔隙形成階段和中成巖A1期的有機(jī)酸溶蝕孔隙形成階段；早成巖B階段大量微孔隙的形成嚴(yán)重?fù)p害了儲(chǔ)集層的滲透能力，導(dǎo)致中成巖A1期有機(jī)酸流體對(duì)碎屑的溶蝕強(qiáng)度較低，也導(dǎo)致中成巖A1—A2期烴類大量充注時(shí)，長(zhǎng)7段砂巖已經(jīng)致密化。

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（編輯 黃昌武 繪圖 劉方方）

Alkaline diagenesis and its effects on reservoir porosity: A case study of Upper Triassic Chang 7 tight sandstones in Ordos Basin,NW China

Zhu Haihua1,2,Zhong Dakang2,Yao Jingli3,Sun Haitao2,Niu Xiaobing3,Liang Xiaowei3,You Yuan3,Li Xin4
(1.School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.School of Earth Science,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;3.Exploration &Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710018,China;4.Chengdu North Petroleum Exploration &Development Technology Company Limited,China ZhenHua Oil Co.,Ltd,Chengdu 610500,China)

Petrologic features,diagenetic processes and origins of different pore types of Upper Triassic Chang 7 tight sandstones in Ordos Basin were analyzed based on cast thin sections,scanning electron microscope (SEM),and X-ray diffraction (XRD).The diagenetic processes caused by alkaline pore fluid and associated pores were studied in detail and the relationship between porosity evolution and hydrocarbon accumulation was analyzed.The Chang 7 tight sandstone commonly experienced alkaline environment and associated diagenesis,including quartz dissolution or replaced by mica,clay and carbonate minerals;carbonate cementation;abundant authigenic illite and chlorite with minor kaolinte and smectite;and albitization.Several types of associated pores were created in the alkaline environment,including quartz dissolution pore,intercrystal pore of clay minerals,interlamination pore of hydrated mica and pores associated with albitization.The alkaline diagenesis mainly occurred in two periods during the burial process: B stage of early diagenesis and A2 stage of mesogenetic diagenesis.The abundant intercrystal micropores of clay minerals,which mainly occurred during the B stage of early diagenesis,seriously reduced the permeability of sandstone.As a result,the acid dissolution in the later stage was not intense enough due to the low permeability,so it is inferred that the sandstone had already been compacted very tight before the major hydrocarbon accumulation period.

Ordos Basin;tight oil reservoir;alkaline diagenetic environment;diagenesis;pore type

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472094；41072104)；西南石油大學(xué)青年教師“過學(xué)術(shù)關(guān)”資助計(jì)劃（201499010046）

TE122.2

A

1000-0747(2015)01-0051-09

10.11698/PED.2015.01.06

祝海華（1987-），男，浙江江山人，博士，西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，主要從事沉積儲(chǔ)集層研究工作。地址：成都市新都區(qū)新都大道8號(hào)，西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，郵政編碼：610500。E-mail：retinaabcd@163.com

聯(lián)系作者：鐘大康（1961-），男，四川資中人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院教授，主要從事沉積儲(chǔ)集層研究工作。地址：北京市昌平區(qū)，中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)系，郵政編碼：102249。E-mail：zhongdakang@263.net

2014-07-06

2014-12-14