鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)8段成巖主控因素及其對(duì)儲(chǔ)層的影響

惠學(xué)智，許有為，呂娜娜，宋喆，魏小東，劉超

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽(yáng)745100；2.國(guó)土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610081；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都610081

0 引言

鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)8段位于湖盆生油中心，且砂體連片發(fā)育，具備良好成藏條件，是華慶油田近年來(lái)重要的油氣勘探接替層系[1-4]。長(zhǎng)8段為典型致密砂巖儲(chǔ)層，具有滲透率低(一般<1×10-3μm2)、孔喉復(fù)雜和非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而制約了該段儲(chǔ)層的深入認(rèn)識(shí)[5-6]。近年來(lái)，眾多研究探討了華慶地區(qū)長(zhǎng)8段致密儲(chǔ)層的沉積、成巖、儲(chǔ)層以及成藏特征，對(duì)該層位的巖石學(xué)特征、沉積微相分布、油氣充注與成藏期次等方面形成了比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[1-5,7-10]。相較而言，對(duì)于儲(chǔ)層成巖主控因素還有待進(jìn)一步明確，并且不同研究認(rèn)識(shí)存在差異(如自生碳酸鹽膠結(jié)物的來(lái)源和形成時(shí)期、黏土礦物的發(fā)育對(duì)原生孔隙的影響、孔隙形成/破壞的關(guān)鍵因素等問(wèn)題存在不同認(rèn)識(shí)[6-9])。深入分析長(zhǎng)8段儲(chǔ)層的成巖主控因素(特別是致密化成因)，進(jìn)而揭示優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布規(guī)律，對(duì)華慶油田致密砂巖儲(chǔ)層的勘探具有重要意義。為此，筆者在前人研究基礎(chǔ)上，開展微區(qū)原位同位素分析、流體包裹體分析和X-射線衍射礦物分析等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而探討華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層的成巖控制因素，為華慶地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層成因認(rèn)識(shí)提供新的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

華慶地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，處于構(gòu)造平緩的伊陜斜坡帶次級(jí)構(gòu)造單元，面積約2.5×103km2(圖1)。延長(zhǎng)組自上而下分為10個(gè)油層組(長(zhǎng)1～長(zhǎng)10)，其中長(zhǎng)7組為最主要烴源巖層，與其緊密接觸的長(zhǎng)6、長(zhǎng)8組則是主要儲(chǔ)集層。根據(jù)旋回特征與沉積組合，一般將長(zhǎng)8段分為長(zhǎng)81、長(zhǎng)82兩個(gè)亞段。研究區(qū)長(zhǎng)8時(shí)期主要發(fā)育辮狀河-三角洲沉積體系，早期形成的進(jìn)積型和晚期形成的三角洲前緣，是主要油氣聚集帶。沉積物源主要來(lái)自于西南、北東兩個(gè)方向，在華慶地區(qū)中部形成混元區(qū)，其中連片發(fā)育的水下分流河道砂體是最主要的儲(chǔ)層(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及長(zhǎng)8段沉積相平面分布(根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]修改)Fig.1 Structural location and sedimentary facies distribution map of Chang-8 section in study area

2 實(shí)驗(yàn)手段

研究所涉及樣品主要來(lái)自華慶地區(qū)白豹和華池區(qū)塊，共11口井，包括：白254、白280、白306、白264、白275、白269、白215、白304、白32、羅28、羅30。所涉及常規(guī)實(shí)驗(yàn)包括X-射線全巖及黏土含量分析、SEM掃描電鏡觀察、普通、染色及鑄體薄片觀察及流體包裹體均一化測(cè)溫，上述實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣品制備和標(biāo)準(zhǔn)流程操作完成。激光剝蝕等離子質(zhì)譜分析(LA-ICP-MS)要求精度高，本次樣品制備方法為[11]：巖樣切開后，兩邊巖面分別記為A、B面，其中A面制成普通薄片進(jìn)行詳細(xì)礦物學(xué)觀察并找出擬開展質(zhì)譜分析礦物位置；將B面制作成厚度為0.6 mm、無(wú)蓋玻片薄片，并參考A面薄片分析在B面薄片中標(biāo)記出礦物所在位置(由于B片太厚無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確礦物學(xué)觀察)，留以待用。上述實(shí)驗(yàn)均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 巖石學(xué)與儲(chǔ)層特征

薄片觀察與統(tǒng)計(jì)表明，華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)集砂巖成分成熟度低(圖2)，主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖(圖3a)，次為長(zhǎng)石巖屑砂巖(圖3b)；碎屑組分以變質(zhì)巖屑為主(圖3c、圖4)，次為火成巖屑及云母碎片(圖3d、圖4)，沉積巖屑含量極少(圖3e、圖4)，其中變質(zhì)巖巖屑以千枚巖及石英巖為主(圖3f)，板巖、變質(zhì)砂巖及片巖等次之，火成巖巖屑主要為噴發(fā)巖，隱晶巖次之，沉積巖巖屑主要以白云巖和泥巖為主，次為粉砂巖及灰?guī)r。

巖芯物性分析及薄片統(tǒng)計(jì)表明，華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層物性總體較差，平均孔隙度7.57%～8.1%，平均滲透率(0.45～0.66)×10-3μm2，為典型低滲-特低滲儲(chǔ)層，局部相對(duì)高孔、高滲砂巖的發(fā)育是本區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能改善的重要因素。華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層主要發(fā)育粒間(溶蝕)孔、粒內(nèi)溶孔、巖屑溶孔，以及少量晶間溶孔和微裂隙等(圖5、6)。孔隙組合主要為粒內(nèi)溶孔+粒間孔、粒間溶孔+原生粒間孔及微孔+微裂縫。

Ⅰ：石英砂巖；Ⅱ：長(zhǎng)石石英砂巖；Ⅲ：巖屑石英砂巖；Ⅳ：長(zhǎng)石砂巖；Ⅴ：巖屑長(zhǎng)石砂巖；Ⅵ：長(zhǎng)石巖屑砂巖；Ⅶ：巖屑砂巖。 Q.石英;F.長(zhǎng)石;R.巖屑+云母。圖2 華慶地區(qū)長(zhǎng)81(a)與長(zhǎng)82(b)亞段巖性統(tǒng)計(jì)三角圖Fig.2 Triangular chart of lithologic statistics from Chang-81(a) and 82(b) sub-sections in Huaqing area

a.長(zhǎng)石巖屑砂巖(呈藍(lán)色陰極發(fā)光特征為長(zhǎng)石顆粒)，白254井，2 915.02 m，陰極發(fā)光薄片；b.巖屑長(zhǎng)石砂巖(暗色發(fā)光特征為巖屑)，白269井，2 274.55 m，陰極發(fā)光薄片；c.千枚化板巖巖屑，白269井，2 274.8 6 m，單偏光薄片；d.巖屑中發(fā)育輝石顆粒，白254井，2 922.56 m，正交偏光薄片；e.灰質(zhì)巖屑(方解石)，白215井，2 251.10 m，染色薄片；f.絹云母化千枚巖變質(zhì)巖屑，白304井，2 455.65 m，正交偏光薄片。圖3 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層巖石學(xué)特征Fig.3 Petrological characteristics of Chang-8 section reservoir in Huaqing area

圖4 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段巖屑組成柱狀圖Fig.4 Matrix-composition histogram of Chang-8 section reservoir in Huaqing area

圖5 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層孔隙類型柱狀圖Fig.5 Porosity type histogram of Chang-8 section reservoir in Huaqing area

a.粒間孔，白254井，2 194.88 m，單偏光鑄體薄片；b.長(zhǎng)石顆粒溶蝕孔，白254井，2 194.75 m，單偏光鑄體薄片；c.巖屑組分溶蝕形成微孔，白269井，2 272.49 m，單偏光鑄體薄片；d.晶間微孔，白269井，2 274.50 m，SEM；e.雜基溶蝕孔，白304井，2 156.70 m，SEM；f.微裂縫，白269井，2 272.49 m，單偏光鑄體薄片。圖6 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層孔隙Fig.6 Photomicrographs showing porosities of Chang-8 section reservoir in Huaqing area

4 成巖控制因素

壓實(shí)作用華慶地區(qū)長(zhǎng)8段壓實(shí)作用的結(jié)果導(dǎo)致碎屑顆粒呈定向或半定向排列、塑性巖屑發(fā)生變形、顆粒被壓裂產(chǎn)生微裂縫及線接觸等。壓實(shí)作用發(fā)生在成巖早期，對(duì)原生孔隙降低具有重要控制作用，其對(duì)原生粒間孔的降低程度，在很大程度上取決于沉積物的成分及結(jié)構(gòu)特征[12]。研究區(qū)長(zhǎng)8段砂巖成分和結(jié)構(gòu)成熟度較低(圖2、圖5)，抗壓實(shí)能力弱，而其儲(chǔ)集砂巖成分與結(jié)構(gòu)受沉積環(huán)境決定。因此，研究區(qū)長(zhǎng)8段的沉積環(huán)境和砂巖特征決定了壓實(shí)作用是研究區(qū)原生孔隙減少的主要原因之一。

膠結(jié)作用研究區(qū)膠結(jié)類型主要包括自生碳酸鹽、自生黏土礦物及自生硅質(zhì)膠結(jié)。

①自生碳酸鹽膠結(jié)。自生碳酸鹽礦物是研究區(qū)長(zhǎng)8段最主要的膠結(jié)物(含量通常為5%～45%，統(tǒng)計(jì)平均含量為18%)，并且其含量與儲(chǔ)層孔隙度發(fā)育呈明顯反向關(guān)系(圖7)，說(shuō)明碳酸鹽膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層孔隙減少具有重要控制作用。樣品全巖分析和薄片染色結(jié)果表明碳酸鹽礦物膠結(jié)包括鐵方解石、方解石、鐵白云石和菱鐵礦，其中以鐵方解石和方解石為主，主要呈孔隙充填和圍繞顆粒發(fā)育，少量呈局部或全部交代長(zhǎng)石顆粒產(chǎn)出(圖8a-8d)。方解石通常呈泥晶、微-粉晶，局部重結(jié)晶呈細(xì)晶，該類方解石LA-ICP-MS微區(qū)原位測(cè)試見表1：方解石膠結(jié)物碳同位素測(cè)試值δ13C范圍為-11.6×10-3～-4.6×10-3(平均值-7.4×10-3)，氧同位素測(cè)試值δ18O范圍為-25.5×10-3～-14.4×10-3(平均值-17.5×10-3)。碳同位素值范圍符合巖漿巖碳酸鹽來(lái)源特征，而氧同位素值范圍與大氣淡水來(lái)源特征相吻合[13-15]?？赏茢喾浇馐z結(jié)形成于成巖早期：首先，研究區(qū)長(zhǎng)8段在埋藏成巖過(guò)程中沒有發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成巖漿通道[8]，故而成巖過(guò)程中沒有巖漿熱液流體的混入。因此具有巖漿巖碳酸鹽特征的δ13C來(lái)源于原始沉積物中巖漿巖巖屑組分的溶蝕，這與研究區(qū)長(zhǎng)8段巖石學(xué)特征相吻合。其次，測(cè)定氧同位素值(-25.5×10-3～-14.4×10-3)明顯比巖漿巖碳酸鹽氧同位素值(范圍5×10-3～8×10-3)偏負(fù)，說(shuō)明曾經(jīng)有大量大氣淡水的成巖流體(當(dāng)然在成巖過(guò)程中氧同位素分餾作用也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致氧同位素值偏負(fù)[16])，而根據(jù)研究區(qū)長(zhǎng)8段在埋藏過(guò)程中未抬升至地表附近[8,17]，因此參與巖漿巖巖屑組分溶蝕的大氣淡水來(lái)自于沉積埋藏初期。此外，由于巖漿巖巖屑組分極不穩(wěn)定，在有早期大氣淡水的參與下，很快發(fā)生溶蝕，為早期自生碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀提供物質(zhì)來(lái)源。最后，方解石膠結(jié)物通常呈微晶、細(xì)晶顆粒，并且圍繞顆粒邊緣發(fā)育(圖8b-8e)，這些礦物學(xué)特征與早期碳酸鹽膠結(jié)物特征相吻合。

圖7 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層自生碳酸鹽膠結(jié)物含量與孔隙度散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter-plot of authigenic carbonate cement versus porosity of Chang-8 section reservoir, Huaqing area

研究區(qū)另一種重要的碳酸鹽膠結(jié)物類型為鐵方解石，鐵方解石晶體通常潔凈、粗大，多呈半基底-基地式膠結(jié)(圖8d)。鐵方解石通常被認(rèn)為是成巖后期產(chǎn)物，鐵通常來(lái)自于黏土礦物(多數(shù)為指示成巖晚期的伊利石和綠泥石)。此外，其晶體內(nèi)所包含的流體包裹體均一化溫度顯示，鐵方解石形成溫度為120℃～140℃(圖9)，與成巖后期相符。

綜上可知，成巖早期形成的泥微晶方解石和晚期形成的粗晶鐵方解石膠結(jié)于顆粒邊緣或沉淀于孔隙中，造成砂巖原生孔隙顯著降低。

②自生黏土礦物膠結(jié)。研究區(qū)長(zhǎng)8段黏土礦物含量為10%～27%，平均約為18%，礦物類型主要為綠泥石、伊利石及高嶺石，幾乎不發(fā)育伊/蒙混層和蒙皂石(表2)。

除少量呈聚集狀充填于孔隙之外，自生綠泥石多呈薄膜狀，形成等厚的孔隙襯里，常因吸附原油

a.云母變形與顆?？p合接觸，白254井，2 194.50 m，單偏光染色薄片；b.微晶方解石，白269井，2 177.75 m，單偏光染色薄片；c.方解石交代長(zhǎng)石顆粒，白269井，2 272.88 m，單偏光染色薄片；d.鐵方解石填充孔隙，白254井，2 266.51 m，單偏光染色薄片；e.綠泥石環(huán)邊吸附有機(jī)質(zhì)呈黑色，白32井，2 156.70 m，單偏光染色薄片；f.呈發(fā)絲狀自生伊利石，白269井，2 177.75 m，SEM；g.長(zhǎng)石溶蝕形成自生高嶺石原地堆積, 白32井，2 156.7 0 m，SEM；h.發(fā)育在顆粒表面的自生石英，白269井，2 272.88 m，SEM；i.石英微晶填充于粒內(nèi)溶孔，白280，2 245.55 m，SEM。圖8 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層成巖特征Fig.8 Photomicrographs showing diagenetic features of Chang-8 section reservoir in Huaqing area

表1 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層方解石LA--ICP--MS微區(qū)、原位碳氧同位素

Table 1 Micro-area and in-situ isotopes ofδ13C andδ18O of calcites from Chang-8 section reservoir in Huaqing area(using LA--ICP--MS method)

井名層位深度/m礦物類型晶形大小測(cè)試點(diǎn)數(shù) δ13C/10-3δ18O/10-3白215長(zhǎng)812 193.05方解石粉晶5-9.7～-6.6/-8.1-25.5～-11.6/-16.3白215長(zhǎng)812 195.55方解石粉晶4-11.6～-8.8/-9.2-9.8 ～ -4.6/-6.3白304長(zhǎng)812 766.30含鐵方解石細(xì)晶4-6.7～-4.6/-5.9-18.9～-10.3/-14.5白304長(zhǎng)812 766.56方解石粉晶3-8.5～-4.8/-6.6-15.6～-11.3/-13.4白304長(zhǎng)812 768.00含鐵方解石微晶5-9.1～-5.0/-7.3-13.3～-8.6/-10.5白32長(zhǎng)812 555.43方解石細(xì)晶5-10.2～-6.5/-7.8-21.4～-11.9/-14.6白32長(zhǎng)822 618.50方解石細(xì)晶4-9.4～-5.6/-7.4-22.6～-18.1/-20.1白32長(zhǎng)822 618.68方解石細(xì)晶2-8.6～-6.6/-7.6-17.6～-12.4/-15.0白280長(zhǎng)812 245.55含鐵方解石細(xì)晶4-7.8～-5.5/-6.3-11.6～-9.4/-102.0白280長(zhǎng)812 245.68方解石微晶3-9.8～-5.7/-7.2-18.8～-12.8/-16.2

注：δ13C、δ18O(V-PDB)列分別表示碳、氧同位素比值范圍/平均值，單位為10-3。

表2 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層X--射線衍射黏土礦物含量分析表

圖9 華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層亮晶鐵方解石中流體包裹體均一化溫度分布Fig.9 Homogenization-temperature distribution of fluid inclusions hosted by sparry Fe-calcites from Chang-8 section reservoir, Huaqing area

顆粒呈暗黑色，薄膜厚度2～30 μm(圖8e)。前人研究觀點(diǎn)認(rèn)為研究區(qū)長(zhǎng)8段綠泥石膜對(duì)顆粒起到保護(hù)作用，提高顆粒強(qiáng)度和抗壓實(shí)能力，同時(shí)阻止顆粒發(fā)生溶蝕而形成新的自生礦物(如高嶺石、自生石英等)破壞孔隙[4,8]。但在本次實(shí)例中，盡管所觀察綠泥石薄膜保存較完整，但也有不少綠泥石膜發(fā)育部位顆粒呈點(diǎn)-線接觸(圖8e)，此外，研究區(qū)可見被綠泥石環(huán)邊所包裹的長(zhǎng)石顆粒發(fā)生粒內(nèi)溶蝕，以及綠泥石與自生微晶石英相伴生。因此，筆者認(rèn)為自生綠泥石在地下高溫高壓條件下塑性較強(qiáng)、硬度和密度較低，對(duì)提高顆粒的機(jī)械抗壓實(shí)能力作用有限，同時(shí)也并不能有效地分隔成巖流體與顆粒，從而阻止膠結(jié)物的形成。

自生伊利石是研究區(qū)另一種主要膠結(jié)物，多呈搭橋狀、發(fā)絲狀發(fā)育(圖8f)。自生伊利石附著于顆粒表面或延伸至孔隙，其發(fā)育對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層的孔喉造成不利影響。此外，研究區(qū)自生高嶺石多充填粒間孔，呈書頁(yè)狀或蠕蟲狀，自生高嶺石晶形完整呈六方形(圖8g)，往往向伊利石或地開石轉(zhuǎn)化。從而使得儲(chǔ)層孔隙減少，物性變差。

③自生硅質(zhì)膠結(jié)。研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)多呈石英微晶或次生加大邊發(fā)育，附著于顆粒表面或填充于粒間(粒內(nèi))孔隙之中(圖8h，8i)。整體上，研究區(qū)硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育較少，原因在于：首先，研究區(qū)砂巖雜基含量高，石英顆粒多呈懸浮-點(diǎn)接觸，由壓溶作用形成的SiO2物質(zhì)來(lái)源少；其次，長(zhǎng)石溶蝕程度較低，在該過(guò)程中所形成的SiO2有限(2KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石) + 2H++ H2O = Al2Si2O5(OH)4(高嶺石) + 4SiO2+ 2K+)。因此，研究區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層中硅質(zhì)膠結(jié)物總體不發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層物性的影響有限。

溶蝕作用研究區(qū)溶蝕作用程度較弱，可見長(zhǎng)石顆粒溶蝕，偶而可見巖屑或方解石膠結(jié)溶蝕(圖8g)。華慶地區(qū)長(zhǎng)8段砂巖與下覆長(zhǎng)7段富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖緊密接觸，在生油過(guò)程中所形成的酸性溶蝕流體易進(jìn)入上覆砂巖，因此具備較好的溶蝕流體條件；此外，研究層段砂巖發(fā)育豐富的火成巖類易溶蝕組分(如輝石、鉀長(zhǎng)石等)，具備良好的可溶組分條件。但是，上述成巖早期發(fā)生的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用使得儲(chǔ)層孔隙吼道迅速降低，造成溶蝕反應(yīng)程度低，或是溶蝕產(chǎn)物無(wú)法被搬運(yùn)而就地沉淀下來(lái)，最典型證據(jù)是長(zhǎng)石顆粒溶蝕形成的高嶺石集合體原地堆積(CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+ CO2+2H2O → Al2(Si2O5)(OH)4(高嶺石)+CaCO3)。此外，研究區(qū)長(zhǎng)8段在成巖過(guò)程中也未曾抬升至地表[8,17]，大氣淡水淋濾溶蝕作用亦不發(fā)育。綜上所述，研究區(qū)長(zhǎng)8段砂巖溶蝕程度較低，孔、滲未能得到有效提高，是造成該區(qū)砂巖儲(chǔ)集物性較差的重要原因。

5 結(jié)論

(1)華慶地區(qū)長(zhǎng)8段儲(chǔ)層砂巖成分和結(jié)構(gòu)成熟度低，壓實(shí)作用造成孔隙降低的效果在研究區(qū)更加明顯，使得原生孔隙迅速減少。

(2)早期碳酸鹽礦物來(lái)源于火成巖屑在大氣淡水條件下的溶蝕，形成于成巖初期，晚期鐵方解石呈粗大亮晶填充于孔隙，兩期碳酸鹽膠結(jié)均未發(fā)生后期有效溶蝕，使得碳酸鹽膠結(jié)成為研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙降低的另一重要原因。

(3)自生綠泥石薄膜并不能有效保護(hù)孔隙，自生伊利石和高嶺石附著于顆粒表面或填充孔隙，因此自生黏土礦物膠結(jié)也對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)降低具有一定影響。

(4)由于缺少硅質(zhì)來(lái)源，研究區(qū)自生硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育較少，對(duì)儲(chǔ)層物性的影響有限。

(5)由于缺少良好流體通道，導(dǎo)致研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層溶解作用受限，儲(chǔ)集物性改善有限，這也是該區(qū)砂巖孔滲條件較差的重要原因。