致密砂巖儲層自生礦物特征及其對儲集性能的影響
——以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長3油組為例

張 航，廖明光，姚涇利，廖紀(jì)佳

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018）

引言

鄂爾多斯盆地是中國大型含油氣盆地之一［1］。隨著油田勘探開發(fā)程度的不斷深入，低孔低滲透油藏已經(jīng)成為鄂爾多斯盆地油田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要資源［2］。隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部伊陜斜坡一級構(gòu)造單元西南部［3］，受控于西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡和渭北隆起，面積約5×104km2。本次研究區(qū)主要位于隴東油區(qū)中部，包括環(huán)縣、慶陽、合水、鎮(zhèn)原及華池等區(qū)縣（圖1），是長慶油田石油勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。研究區(qū)基底構(gòu)造穩(wěn)定，具有北東和南西兩個方向湖盆推進(jìn)的三角洲沉積體系。長3油組砂體屬于湖相三角洲前緣相帶，主要發(fā)育水下分流河道、河口壩等沉積微相［4］。受沉積環(huán)境、砂巖成分及成巖作用等因素的影響，盆地內(nèi)延長組儲層普遍致密化，以低孔低滲為主［5］。一般認(rèn)為儲層物性的好壞取決于沉積作用和成巖作用兩個因素之間的組合關(guān)系［6］。對于致密砂巖儲層而言，成巖作用對儲集物性有著至關(guān)重要的控制作用［7-9］。砂巖儲層較低滲透率的主要成因機理是成巖期各種自生礦物的充填和膠結(jié)作用［10］。通過研究低滲砂巖儲層中自生礦物特征和成巖模式，有學(xué)者認(rèn)為自生礦物的類型、數(shù)量和分布特征是控制儲層儲集性能的重要因素［11］。

延長組是近年來該區(qū)油藏評價的重要層系，潛力巨大，目前已初步落實多個含油有利目標(biāo)［12］，但對于該地區(qū)大面積低滲透背景下，相對高滲儲層的展布特征和形成機理研究相對缺乏。本文在前人研究的基礎(chǔ)上［13-16］，從長3油組自生礦物特征角度出發(fā)，充分利用研究區(qū)43口井1302塊砂巖樣品資料，通過鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光、電子探針、X射線衍射等技術(shù)和手段，對長3油組自生礦物類型、含量、分布及成巖共生序列等特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并探討各自生礦物對儲集性能的影響，為低滲透儲層致密化機理的研究提供地質(zhì)理論依據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造單元劃分Fig.1 Location and tectonic division in the Ordos Basin

1 巖石學(xué)及儲層物性

通過對研究區(qū)43口井的521塊砂巖鑄體薄片鏡下鑒定和統(tǒng)計分析，隴東地區(qū)延長組長3儲層巖石類型以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，其次為長石砂巖（圖2）。長3儲層碎屑成分包括石英、長石和巖屑，成分成熟度Q／（F＋R）偏低。碎屑成分中石英含量主要分布在30% ～46%，平均值為37.55%；長石含量主要分布在0～27%，平均值為26.16%；巖屑含量主要分布在0～26%，平均值為17.88%，其中剛性巖屑占53%，以碳酸鹽和石英巖屑為主；塑性巖屑和云母含量占47%，以千枚巖和板巖為主。通過X射線衍射和掃描電鏡等資料分析表明，砂巖中雜基含量較低，約占1.64%；膠結(jié)礦物含量約為12.25%，成分包括石英、綠泥石、伊利石、高嶺石、鐵方解石、鐵白云石及少量方解石和白云石等。隴東地區(qū)延長組長3儲層粒度以細(xì)砂為主，其次為中砂，粉砂和粗砂相對較少；分選以好和中等為主；磨圓主要為次棱角狀，結(jié)構(gòu)成熟度較好。

圖2 隴東地區(qū)長3油組砂巖分類三角圖Fig.2 Triangular diagram of the sandstone types from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

長3油組孔隙類型以殘余粒間孔為主，其次為粒內(nèi)溶孔（以長石粒內(nèi)溶孔和巖屑粒內(nèi)溶孔為主），其他類型的孔隙含量低，平均面孔率約5.22%。通過對隴東地區(qū)長3油組220塊樣品的物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示砂巖孔隙度一般介于10% ～18%，主要分布范圍為12% ～16%，平均孔隙度為13.35%；滲透率一般介于（0.1 ～10）×10-3μm2，主要分布范圍為（0.3～1）×10-3μm2以及大于10×10-3μm2，平均滲透率為 4.90 ×10-3μm2，為典型的低孔低滲透致密砂巖儲層。

2 自生礦物類型

自生礦物是指在沉積過程中或之后的沉積物中原地生長而形成的礦物，其賦存形式、含量以及分布對致密砂巖儲層物性有著重要的影響［17］。本文通過研究區(qū)大量鑄體薄片、掃描電鏡和X射線衍射資料分析表明，長3油組自生礦物類型主要為黏土礦物（5.57%）、碳酸鹽礦物（3.81%）和硅質(zhì)礦物（2.25%）。

2.1 黏土礦物

研究區(qū)長3儲層黏土礦物分布廣泛、種類多，總含量約占5.57%。通過對研究區(qū)105個樣品X射線衍射分析表明，長3儲層中自生黏土礦物包括綠泥石、伊利石、高嶺石和伊／蒙混層等，其中綠泥石（3.31%）含量最高，其次是伊利石（1.12%）和高嶺石（0.91%），伊／蒙混層含量較少（表1）。

表1 隴東地區(qū)長3油組自生黏土礦物類型及含量統(tǒng)計表（XRD分析）Table 1 Statistics of types and contents of the authigenic minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region based on the X-ray diffraction analysis

綠泥石廣泛分布于我國各含油氣盆地，尤其是中、新生代陸相含油氣盆地砂巖儲層中，大多數(shù)的綠泥石以孔隙環(huán)邊襯里（顆粒包膜）形式產(chǎn)出［18］。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)物源主要來自盆地北部和西南部，北部物源區(qū)富含火山物質(zhì)、鐵鎂礦物，有利于綠泥石的形成［19］。研究區(qū)長3油組砂巖中綠泥石分布廣泛，相對其它自生礦物含量較高，是該區(qū)最重要的自生黏土礦物。綠泥石膠結(jié)物在砂巖中主要以顆粒包膜或孔隙充填物形式出現(xiàn)（圖3a）。顯微鏡下觀察可見，綠泥石呈一種近似等厚的環(huán)邊（圖3b、c），厚度約8 ～10μm，包繞在碎屑顆粒外面，阻礙碎屑顆粒與孔隙接觸。綠泥石發(fā)育的區(qū)域，石英次生加大現(xiàn)象少見（圖3d），綠泥石膜包裹于石英顆粒表面抑制了石英的生長，說明綠泥石的生長至少持續(xù)到石英沉淀以后。筆者通過電子探針手段分析了綠泥石的化學(xué)組成，結(jié)果表明不同世代的綠泥石具有不同的元素構(gòu)成：早期的綠泥石富含鐵，而相對晚期的綠泥石鐵含量則相對較低，F(xiàn)e／Mn比值逐漸降低（表2），因此研究區(qū)綠泥石的生長經(jīng)歷了多期沉淀膠結(jié)。

自生伊利石形成于流動的富鉀水介質(zhì)環(huán)境中［20］，是砂巖儲層中常見的黏土礦物之一。黏土礦物中伊利石含量僅次于綠泥石，約為1.12%，一般呈絲縷狀或毛發(fā)狀生長于顆粒表面或充填孔隙，形成于中成巖A期。長石等硅酸鹽礦物經(jīng)風(fēng)化脫鉀后可形成伊利石碎屑，黑云母水化也可形成伊利石黏土（圖3e）。掃描電鏡觀察顯示，長3油組砂巖中伊利石主要以毛發(fā)狀、彎片狀形態(tài)出現(xiàn)（圖3f、g），以孔隙襯邊形式分布在孔壁。

表2 研究區(qū)長3油組不同世代自生綠泥石化學(xué)組成電子探針分析結(jié)果Table 2 Chemical compositions of the authigenic chlorite of different generations from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region based on the electron probe analysis

高嶺石含量相對較低，約占0.91%，鏡下呈書頁狀或蠕蟲狀集合體（圖3h），分布于砂巖粒間孔或次生溶孔中。自生高嶺石的沉淀在很大程度上與長石的溶解有關(guān)。在早成巖期，由于大氣水中的二氧化碳水進(jìn)入孔隙，在酸性環(huán)境中鉀長石轉(zhuǎn)化為高嶺石，隨著孔隙水由酸性變?yōu)閴A性，高嶺石逐步轉(zhuǎn)化為伊利石。在鏡下?？捎^察到高嶺石與長石溶蝕共生（圖3i），局部溶蝕作用強烈。研究區(qū)伊／蒙混層礦物含量極少（低于15%），其形態(tài)介于伊利石和蒙脫石之間，呈不規(guī)則片狀或皺紋狀，常以塔橋式充填孔隙。

2.2 碳酸鹽礦物

由于碳酸鹽的各類膠結(jié)物物理性質(zhì)相似，普通薄片下很難區(qū)分，我們采用染色法和陰極發(fā)光法鑒定。在鐵氰化鉀和茜素紅混合液染色下，方解石呈鮮紅色，鐵方解石呈紫紅色，白云石不染色，鐵白云石呈藍(lán)色。通過薄片分析數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)長3油組自生碳酸鹽礦物含量約為3.81%，僅低于黏土礦物，其中鐵白云石（1.72%）、鐵方解石（1.67%）含量較高，方解石（0.31%）和白云石（0.11%）含量相對較低（表3）。

碳酸鹽膠結(jié)物形成于成巖期的各個階段，早期生成的碳酸鹽膠結(jié)物結(jié)晶程度較差，晶粒一般較??；晚期生成的碳酸鹽膠結(jié)物晶粒一般較大，常充填在粒間孔內(nèi)，或交代骨架顆粒［21］。通過鏡下觀察統(tǒng)計，長3油組碳酸鹽礦物以亮晶為主，多為晚期生成的含F(xiàn)e2＋白云石和含F(xiàn)e2＋方解石。鐵方解石陰極發(fā)光呈橙色（圖4a），鐵白云石染色后呈藍(lán)色、鐵方解石染色呈紫紅色（圖4b），充填在粒間孔隙。方解石和白云石礦物含量均較低，在各層中少見，一般呈嵌晶狀產(chǎn)出，充填次生孔隙，面孔率低，膠結(jié)作用強烈。自生碳酸鹽礦物除了充填孔隙外，也可膠結(jié)充填骨架碎屑顆粒。研究區(qū)碳酸鹽礦物往往有多期膠結(jié)，如鐵白云石交代石英碎屑顆粒（圖4c）；鐵白云石交代石英次生加大邊（圖4d）；在長石或石英等顆粒發(fā)生溶蝕后，早期的白云石膠結(jié)形成環(huán)邊，后期又被鐵方解石膠結(jié)充填周邊次生孔隙（圖4e）；以及鐵白云石交代白云石顆粒等（圖4f）。

圖4 隴東地區(qū)長3油組砂巖碳酸鹽礦物類型及特征Fig.4 Types and characteristics of the carbonate minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

2.3 硅質(zhì)礦物

隴東地區(qū)延長組長3油組自生硅質(zhì)礦物發(fā)育普遍，含量約為2.25%，低于黏土和碳酸鹽礦物，其沉淀作用有限。硅質(zhì)礦物一般以環(huán)繞石英顆粒周圍的次生加大邊和充填孔隙的自生石英晶粒為主要的產(chǎn)出形式。

硅質(zhì)沿石英顆粒邊緣再生長是最常見的石英膠結(jié)方式。研究區(qū)內(nèi)石英次生加大明顯（圖5a、b），大多數(shù)發(fā)育2～3期，以Ⅱ級和Ⅲ級為主（圖5c）。石英加大邊使得顆粒呈鑲嵌狀接觸（圖5d），加大邊的寬窄通常不均一，這是因為石英生長受到了空間限制或者壓溶作用造成的。自生石英晶粒在電鏡下呈六方雙錐形，結(jié)晶程度好于石英次生加大邊，晶體完整、表面潔凈、晶棱明顯。據(jù)鏡下觀察，研究區(qū)內(nèi)常見生長在綠泥石膜或伊利石表面的自生石英晶粒（圖5e），以及分布在殘余粒間孔和鑄?？字械淖陨ⅲ▓D5f、g）。從產(chǎn)出形態(tài)上看，自生石英晶粒形成時間晚于綠泥石膠結(jié)物。

在個別樣品殘余粒間孔中，發(fā)現(xiàn)有少量黃鐵礦出現(xiàn)（圖5h），大小在10μm左右，含量約為0.09%，占據(jù)了少量孔隙空間。自生長石膠結(jié)在研究區(qū)較為常見，各層都有分布，但是含量較低，約占0.53%，以碎屑長石次生加大邊的形式出現(xiàn)于孔隙中（圖5i）。

3 砂巖儲層中自生礦物對儲集物性的影響

自生礦物的成巖過程是控制致密砂巖儲層物性變化的重要因素之一［22］。比如早成巖階段形成的綠泥石薄膜對原生孔隙有一定的保護(hù)作用［23-24］；碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀、分布，以及后期成巖演化（交代、溶解等）對于儲層品質(zhì)影響較大［25］。在儲層演化中，石英次生加大充填粒間孔隙，是造成孔隙度降低的重要因素［26］。也有研究表明一些自生礦物的膠結(jié)作用在儲集空間演化過程中具有雙重作用，一方面其沉淀占據(jù)了孔隙空間，另一方面其伴生的成巖作用又會使儲集空間得到保護(hù)。本文通過成巖產(chǎn)物（主要的自生礦物）與孔滲相關(guān)性表征，建立自生礦物成巖共生序列，來探討長3油組自生礦物對儲層儲集性能的控制作用。

圖5 隴東地區(qū)長3油組硅質(zhì)礦物類型及特征Fig.5 Types and characteristics of the siliceous minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

3.1 自生礦物對儲集物性的影響

研究區(qū)長3油組主要黏土礦物包括綠泥石、伊利石和高嶺石。綠泥石一般以包膜形態(tài)或孔隙充填式產(chǎn)出。統(tǒng)計表明，當(dāng)綠泥石含量相對較低時，孔隙度隨著綠泥石含量的增加而增大（圖6a），但是當(dāng)含量升高到一定數(shù)值（約5.3%）時，孔隙度開始降低；滲透率則與綠泥石含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其大小隨著綠泥石含量的增加而減?。▓D6b）。自生綠泥石的生長條件除了充足的鐵、鎂物質(zhì)，還需要充足的生長空間。研究區(qū)長3油組砂體屬于湖相三角洲前緣相帶，主要發(fā)育水下分流河道、河口壩等沉積微相，這些部位水動力條件較強，成巖早期大量的原生孔隙得以保存，為綠泥石膠結(jié)物的生長提供了所需生長空間。由于早成巖階段形成的綠泥石膜附著在顆粒表面，堵塞喉道，滲透率顯著降低；而孔隙度前期增加是因為綠泥石膜隔斷了礦物表面孔隙水，抑制了石英等礦物的次生加大，增加了砂巖的機械強度和抗壓實能力，有利于一定原生孔隙的保存；綠泥石的生長會一直持續(xù)到晚成巖階段，當(dāng)綠泥石含量過高時，則孔隙空間減少，滲透率下降，導(dǎo)致儲層物性變差。

圖6 隴東地區(qū)長3油組砂巖黏土礦物含量與物性交會圖Fig.6 Cross plots of clay mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

伊利石含量約占1.12%，孔隙度與滲透率兩者與伊利石含量都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6c、d），孔隙度和滲透率都隨著伊利石含量的增加而降低。伊利石集合體呈毛發(fā)狀、纖維狀充填粒間孔隙內(nèi)，極易堵塞孔隙喉道，使有效孔變?yōu)闊o效微孔，從而大大降低了儲層的滲流能力。伊利石對儲層物性起破壞性作用。

高嶺石含量約占0.91%，相對于前兩者含量更低。隨著高嶺石含量的增加，孔隙度與滲透率兩者都隨之增大（圖6e、f），但是曲線斜率較低。長3儲層長石含量較高（平均值約26.16%），高嶺石沉淀往往與長石溶蝕相伴生（圖3i），一方面自生高嶺石會充填孔隙，另一方面長石的高嶺石化產(chǎn)生了部分次生孔隙，結(jié)合兩方面考慮，研究區(qū)高嶺石膠結(jié)對儲層孔隙度和滲透率影響不大。總體上來說，長3油組自生黏土礦物對儲層物性起負(fù)面效應(yīng)。

研究區(qū)長3油組碳酸鹽礦物以鐵白云石、鐵方解石為主?？紫抖群蜐B透率都隨著碳酸鹽含量的增加而降低（圖7a、b）。盡管碳酸鹽膠結(jié)物易于溶蝕，但研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽礦物鏡下溶蝕現(xiàn)象較為少見，晚期含鐵碳酸鹽主要是對儲集層孔隙的膠結(jié)和充填，使原生及次生孔隙大為降低，滲透率減小，不利于儲層物性的良好發(fā)育。

隴東地區(qū)延長組長3油組硅質(zhì)礦物主要為石英?？紫抖入S著硅質(zhì)含量的增加，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是曲線斜率絕對值不大（圖8a）；滲透率隨著硅質(zhì)含量的增加而下降（圖8b）。硅質(zhì)膠結(jié)主要以石英次生加大和自生石英晶粒兩種方式產(chǎn)出，占據(jù)了孔隙空間，同時加強了砂巖儲層的抗壓實性，因此孔隙度下降幅度較小。顆粒的次生加大邊會填塞孔隙喉道而使儲層滲透率變差。同時研究區(qū)綠泥石發(fā)育，對石英次生加大抑制突出，因此，硅質(zhì)膠結(jié)礦物對長3儲層砂巖致密化程度影響不大。

圖7 隴東地區(qū)長3油組砂巖碳酸鹽礦物含量與物性交會圖Fig.7 Cross plots of carbonate mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

圖8 研究區(qū)長3油組砂巖硅質(zhì)礦物含量與物性交會圖Fig.8 Cross plots of siliceous mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

3.2 自生礦物成巖共生序列

為了更好地說明以上自生礦物對長3儲層物性的影響，因此有必要建立研究區(qū)自生礦物成巖共生序列。通過鑄體薄片分析，孔隙類型以殘余粒間孔為主，主要呈點-線狀接觸。綠泥石、伊利石等黏土礦物發(fā)育，伊蒙混層比小于15%；鐵方解石、鐵白云石含量較高；石英具Ⅱ-Ⅲ級次生加大；長石顆粒溶蝕可見；通過22個包裹體測溫數(shù)據(jù)顯示，其均一溫度主要分布于85～120℃之間；鏡質(zhì)體反射率Ro值介于0.7～0.9。根據(jù)2003年修訂并頒發(fā)的中國碎屑巖成巖作用階段劃分新標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷長3砂巖儲層目前主要處于中成巖階段A期。

成巖序列是基于成巖現(xiàn)象和成巖礦物之間的交生關(guān)系而建立的。筆者根據(jù)薄片和掃描電鏡觀察，按照顆粒之間的接觸關(guān)系，溶解充填順序來分析研究區(qū)砂巖自生礦物共生序列（圖9）。

（1）早期綠泥石薄膜的形成伴隨著壓實作用的產(chǎn)生（圖3a），導(dǎo)致儲層原生孔隙度大量降低；（2）鏡下可見石英加大表面被綠泥石黏土包裹，說明晚期綠泥石膠結(jié)在石英加大邊之后（圖3d）；（3）書頁狀高嶺石一般形成于早成巖晚期和中成巖早期（圖3h），長石等顆粒往往發(fā)生溶蝕作用，與高嶺石伴生（圖3i）；（4）伊利石常由高嶺石和長石的轉(zhuǎn)化而來，長石溶蝕后，絲狀、毛發(fā)狀伊利石充填孔隙；（5）自生石英晶粒一般出現(xiàn)在綠泥石膜形成后的殘余粒間孔或長石溶蝕鑄?？字校▓D5f、g），說明自生石英晶粒形成時間晚于綠泥石膜和溶蝕作用發(fā)生的時間；（6）鏡下可見鐵方解石和鐵白云石交代充填石英、長石等顆粒（圖4d、e），碳酸鹽礦物溶解作用程度較低，含鐵碳酸鹽形成時間晚于溶蝕作用。根據(jù)自生礦物或成巖事件首次出現(xiàn)的相對順序，長3油組自生礦物共生序列如下：機械壓實作用→早期綠泥石膜沉淀→長石溶蝕→自生伊利石、高嶺石等沉淀→石英次生加大Ⅱ-Ⅲ級、石英晶粒充填→鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)充填及少量溶蝕。

圖9 隴東地區(qū)長3油組砂巖自生礦物成巖序列Fig.9 Diagenetic sequences of the authigenic minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

4 結(jié)論

（1）隴東地區(qū)長3油組屬典型的低孔低滲透致密砂巖儲層。自生綠泥石多以包膜形式產(chǎn)出，早期的綠泥石膜對儲層原生孔隙有一定保護(hù)作用，同時抑制了石英等自生礦物加大，晚期孔隙式充填使孔滲降低；伊利石一般以毛發(fā)狀、絲縷狀存在于次生孔隙，堵塞吼道，破壞儲層物性；高嶺石沉淀往往與長石溶蝕伴生，局部溶蝕作用強烈，對孔隙的充填和增加作用相當(dāng)；晚期含鐵碳酸鹽膠結(jié)作用發(fā)育，鏡下溶蝕現(xiàn)象少見，對儲層的發(fā)育具有負(fù)面效應(yīng)；石英一般以次生加大邊和自生石英晶粒產(chǎn)出，增加巖石抗壓性，同時降低了孔滲值，對儲層物性發(fā)育影響不大。自生礦物膠結(jié)是控制隴東地區(qū)長3油組儲層致密化重要因素之一。

（2）長3儲層砂巖目前處于中成巖A期，自生礦物成巖共生序列為機械壓實作用→早期綠泥石膜沉淀→長石溶蝕→自生伊利石、高嶺石等沉淀→石英次生加大Ⅱ-Ⅲ級、石英晶粒充填→鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)充填及少量溶蝕。

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