自生“加大”含鐵白云石膠結(jié)物特征及對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的影響
——以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組4+5段為例

高 陽(yáng),劉 春,白曉佳,王志章,楊 振,陳嘉豪,崔 航

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249； 2.中國(guó)石油 石油勘探開發(fā)研究院,河北 廊坊 065007; 3.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院,浙江 杭州 310023； 4.中國(guó)石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫(kù)爾勒 841000]

在近年來(lái)的油氣勘探中，非常規(guī)的致密砂巖儲(chǔ)層日益受關(guān)注[1-2]。致密砂巖儲(chǔ)層通常是指孔隙度較低(3%～12%)、滲透率小于0.1×10-3μm2的砂巖儲(chǔ)層[3-4]。前人將致密砂巖的成因主要?dú)w結(jié)為沉積控制和成巖控制兩種機(jī)制[1,5-7]，前者強(qiáng)調(diào)沉積物中含有過(guò)多的泥質(zhì)雜基或塑性顆粒；后者強(qiáng)調(diào)多種自生礦物對(duì)原生孔隙的破壞，特別是發(fā)生在成分成熟度較高的砂巖中。

自生加大膠結(jié)是一種常見的膠結(jié)物結(jié)構(gòu)類型，通常發(fā)育在碎屑石英[8-9]、長(zhǎng)石、鋯石顆粒的邊部[10]，嚴(yán)重降低巖石的孔滲性。Morad等[11]通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在泥晶石灰?guī)r中的方解石微晶周圍普遍發(fā)育次生加大膠結(jié)，后期這些方解石連生在一起；同時(shí)發(fā)現(xiàn)自生方解石可以共軸生長(zhǎng)在具有壓溶邊的棘皮類生物碎片上。自生“加大”膠結(jié)發(fā)育在白云巖碎屑周邊較為少見[12]，形成過(guò)程類似于Morad等[11]描述的方解石微晶次生加大后連晶生長(zhǎng)；白云巖碎屑為“基座”，也有人將這種現(xiàn)象解釋為內(nèi)源碳酸鹽膠結(jié)[13]。在鄂爾多斯盆地，隴東油區(qū)是中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)的最主要戰(zhàn)場(chǎng)[14-15]。在三疊系延長(zhǎng)組，普遍發(fā)育含油的低孔低滲和致密砂巖儲(chǔ)層[15-16]。在延長(zhǎng)組4+5段(長(zhǎng)4+5段)，自生“加大”含鐵白云石膠結(jié)作用是控制儲(chǔ)層質(zhì)量的因素之一。在研究區(qū)，成巖作用現(xiàn)象豐富，儲(chǔ)層控制因素較多，如塑性云母被壓實(shí)形成假雜基、綠泥石包膜以及石英次生加大等[13]。本文通過(guò)183個(gè)鑄體薄片、35個(gè)掃描電鏡樣品、200余組物性數(shù)據(jù)以及14組電子探針?lè)治鰯?shù)據(jù)，分析這類次生“加大”膠結(jié)物的產(chǎn)出特征、分布規(guī)律和成因機(jī)制等，初步探討自生含鐵白云石對(duì)儲(chǔ)集空間的影響，旨在明確該區(qū)致密儲(chǔ)層成因和“甜點(diǎn)”分布規(guī)律，為該區(qū)致密油勘探提供科學(xué)的地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部(圖1)，包括盆地一級(jí)構(gòu)造帶天環(huán)坳陷的南部和伊陜斜坡的西南部，面積約為5×104km2，占盆地總面積的25%，是目前中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田勘探與開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域[17-18]。近年來(lái)，在隴東地區(qū)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)億噸級(jí)整裝油田——西峰油田和環(huán)縣油田，進(jìn)一步推動(dòng)了鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組的精細(xì)勘探與評(píng)價(jià)。本文研究區(qū)位于隴東地區(qū)中部，包括鎮(zhèn)原、環(huán)縣、華池和白豹等4個(gè)地區(qū)，勘探面積約為2×104km2，是隴東地區(qū)增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力區(qū)塊[19-20]。

延長(zhǎng)組沉積時(shí)期，隴東地區(qū)古地貌特征表現(xiàn)為西高東低，沉積物成因和性質(zhì)隨著構(gòu)造沉降和湖平面的變化而改變，形成了一套水體較淺的河湖三角洲沉積[21]。延長(zhǎng)組自下而上被劃分為長(zhǎng)10—長(zhǎng)1共10個(gè)段，主要巖性為厚層、塊狀細(xì)-粗粒長(zhǎng)石砂巖，其中長(zhǎng)10—長(zhǎng)7段沉積期是湖盆的形成時(shí)期，長(zhǎng)7段為盆地主力烴源巖；長(zhǎng)6—長(zhǎng)3段沉積期是以三角洲建設(shè)為主的發(fā)展時(shí)期；長(zhǎng)2段沉積期湖盆逐漸萎縮，至長(zhǎng)1段沉積期湖盆衰亡[22-23]。東西兩大物源體系在隴東地區(qū)匯聚[21]。西部的六盤山在延長(zhǎng)組沉積時(shí)期出露震旦系石英巖、中基性火山巖及寒武系-奧陶系的淺變質(zhì)巖、碳酸鹽巖，供源形成辮狀河三角洲；東部物源區(qū)呂梁山北段在長(zhǎng)4+5段時(shí)期出露前震旦系花崗巖、片麻巖、黑云母-角閃石片巖，供源形成曲流河三角洲[20]。

研究區(qū)目的層段為長(zhǎng)4+5段，該油層組是鄂爾多斯盆地的主要烴源巖層之一，其沉積物粒度偏細(xì)[21,24]，其中鎮(zhèn)原+環(huán)縣地區(qū)發(fā)育來(lái)自西部物源體系的辮狀河三角洲前緣沉積，華池+白豹+慶陽(yáng)地區(qū)主要發(fā)育來(lái)自東北部物源體系的曲流河三角洲前緣沉積[21]。整體上，長(zhǎng)4+5段沉積厚度約為100 m，自上而下可劃分為長(zhǎng)4+51和長(zhǎng)4+52共2個(gè)小層；地層平均埋深約為1 950 m。目前研究區(qū)已有164口井鉆遇長(zhǎng)4+5油層，平均油層厚度6.2 m，平均孔隙度10.9%、平均滲透率0.83×10-3μm2；獲得工業(yè)油流井82口，單井平均試油產(chǎn)量9.78 t/d，最高72.0 t/d。由于物源和沉積體系的差異，鎮(zhèn)原-環(huán)縣地區(qū)和華池-白豹地區(qū)在巖石類型、巖礦組成、成巖作用特征以及儲(chǔ)層質(zhì)量等方面均存在明顯差異[13]。

2 含鐵白云石特征及成因

2.1 含鐵白云石特征

在研究區(qū)，據(jù)薄片分析巖石組分中含有一定量的白云巖巖屑(圖2)，在鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)含量平均約為6.8%，在華池和白豹地區(qū)平均約為2.3%。白云巖巖屑具有剛性和易溶解的特性。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，通常在其顆粒表面生長(zhǎng)著后期形成的含鐵白云石晶體，這是一種特殊的再生生長(zhǎng)膠結(jié)作用。

含鐵白云石膠結(jié)物通常出現(xiàn)在白云巖碎屑周邊或者附近(圖2，圖3)。統(tǒng)計(jì)180余張鑄體薄片發(fā)現(xiàn)，這種含鐵白云石平均占巖石組分的3%～4%(另外，石英加大膠結(jié)物平均占3%～4%，伊利石和綠泥石膠結(jié)物占4%～6%)。掃描電鏡下可見自生含鐵白云石菱面體生長(zhǎng)在白云巖顆?；?圖2a)；通過(guò)茜素紅染色，偏光顯微鏡下常見白云巖巖屑的“次生加大”現(xiàn)象，“加大邊”是被染成藍(lán)色的含鐵白云石膠結(jié)物(圖2b，c)；在陰極發(fā)光顯微鏡下，白云巖碎屑呈暗紅色，其“加大邊”為紅色(圖2d—f)。背散射照片顯示，碎屑白云巖為灰色，自生含鐵白云石膠結(jié)物為灰白色，白云石和含鐵白云石解理面平行，共軸生長(zhǎng)(圖2g，h)。這種類型自生含鐵白云石，平均化學(xué)成分包括10.72%的MgO，29.14%的CaO，13.80%的FeO以及其他物質(zhì)(表1；圖4a)。在黑云母含量較高和沉積物粒度較細(xì)的部位，如在水動(dòng)力較弱的水下分流河道中上部和河口壩中部，抗壓實(shí)能力降低，后期壓溶作用明顯，“加大邊”較寬(圖2g,h)。整體上，碎屑白云巖含量與含鐵白云石膠結(jié)物含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖4b)。少部分含鐵白云石以交代物的形成出現(xiàn)，交代溶蝕后的長(zhǎng)石顆粒；或者直接沉淀于顆粒之間的孔隙中，這里不做研究。

2.2 初步探討含鐵白云石成因

由圖4b可以看出，研究區(qū)自生“加大”含鐵白云石膠結(jié)物的含量隨著白云巖巖屑含量的增加而增大，這說(shuō)明含鐵白云石與白云巖巖屑具有成因聯(lián)系。研究區(qū)西部的六盤山在延長(zhǎng)組沉積時(shí)期出露有寒武系-奧陶系的淺變質(zhì)巖、碳酸鹽巖，風(fēng)化破碎后能夠提供白云巖碎屑[20]。在埋藏壓實(shí)作用下，陸源白云巖碎屑表面開始溶解，同時(shí)被鐵質(zhì)交代，在碎屑周邊沉淀含鐵白云石膠結(jié)物。這一壓溶—交代—沉淀過(guò)程，有外源的Fe2+和少量的Ca2+、Mg2+參與(圖3)。鐵離子的交代是按埋藏深度逐步進(jìn)行的(圖4a)。它通常出現(xiàn)在早成巖的末期，機(jī)械壓實(shí)作用的中后期，此時(shí)研究區(qū)的綠泥石環(huán)邊可能正在形成[13]。在剛性且易溶解的白云巖巖屑表面，逐漸發(fā)生壓溶作用。正是因?yàn)檫@種壓溶作用，早期綠泥石包膜難以包裹白云巖巖屑。

沉積期河流帶來(lái)豐富的溶解鐵在研究區(qū)三角洲-濱淺湖環(huán)境中絮凝卸載，為成巖早期形成的自生含鐵白云石和綠泥石提供了物質(zhì)來(lái)源[25-26]。部分Fe和Mg離子也可能來(lái)源于砂巖附近的泥巖，但大部分來(lái)源于黑云母碎屑和白云巖巖屑的溶解、蝕變。薄片觀察表明(圖2c)，黑云母表面見到明顯的鐵質(zhì)析出，反應(yīng)式可以表達(dá)為[25-26]：

圖2 隴東地區(qū)含鐵白云石膠結(jié)物鏡下特征Fig.2 The microscopic characteristics of ferron dolomite cements in Longdong areaa.含鐵白云石晶體在白云巖巖屑表面再生長(zhǎng)，里195井，埋深1 864.3 m；b. 白云巖巖屑周圍生長(zhǎng)含鐵白云石膠結(jié)物，白286井，埋深1 988.2 m，單偏光，紅色鑄體，染色片；c. 白云巖巖屑周圍沉淀的含鐵白云石膠結(jié)物，木25井，埋深2 332.12 m，單偏光，紅色鑄體，染色片(來(lái)自文獻(xiàn)[12])；d.白云巖碎屑(暗紅色，含有粘土故發(fā)光弱)具含鐵白云石加大邊(紅色，鐵含量低，見電子探針?lè)治?，木42井，埋深2 391.3 m，陰極發(fā)光片照片；e.是d同視域下偏光顯微鏡照片；f. 陰極發(fā)光顯微鏡下白云巖碎屑的次生加大現(xiàn)象，鎮(zhèn)106井，埋深2 482.68 m；g，h.碎屑白云石具有含鐵白云石膠結(jié)物環(huán) 邊，鎮(zhèn)289井，埋深1 954.3 mDo.白云巖碎屑；FeDo.含鐵白云石；Bi.黑云母

2K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2+4H+→

Al(Mg,Fe)5AlSi3O10(OH)8+(Mg,Fe)2++2K++3SiO2

(1)

2.3 成巖演化

含鐵白云石膠結(jié)物主要發(fā)育在鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)，現(xiàn)以這兩個(gè)地區(qū)為例，分析含鐵白云石形成的成巖演化過(guò)程(圖5，圖6)。

在鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)長(zhǎng)4+5段儲(chǔ)層中，早期的成巖作用以千枚巖和黑云母等塑性顆粒的壓實(shí)變形為主要特征(圖5a)。水下分流河道的下部和河口壩的上部由于沉積水動(dòng)力較強(qiáng)，片狀的黑云母和泥質(zhì)雜基含量低，抗壓實(shí)能力較高；水下分流河道的上部和河口壩的中下部由于沉積水動(dòng)力較弱，黑云母和雜基含量高，抗壓實(shí)能力較低，因此在不同的沉積相帶黑云母含量不同，F(xiàn)e的來(lái)源和數(shù)量差異明顯。至早成巖中后期，粘土雜基中的蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊蒙混層和伊利石，釋放出豐富的SiO2。富含SiO2的孔隙流體在壓實(shí)作用排驅(qū)下，向高孔、成熟度較高的砂巖運(yùn)移。至早成巖晚期，碳酸鹽巖碎屑在化學(xué)壓實(shí)作用下發(fā)生溶解，同時(shí)黑云母蝕變析出的Fe離子參與碳酸鹽巖碎屑的再生長(zhǎng)膠結(jié)作用，沉淀含鐵白云石膠結(jié)物。這種再生長(zhǎng)膠結(jié)作用在粒度相對(duì)較小的水下分流河道上部和河口壩中下部?jī)羯皫r中較為常見。由于鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)黑云母碎屑含量較低，且Fe離子被含鐵白云石占據(jù)，未達(dá)到綠泥石礦物的飽和條件，因此，在巖石孔隙中少見綠泥石膠結(jié)物。從早成巖末期至中成巖早期，泥巖中的有機(jī)質(zhì)開始進(jìn)入成熟階段，排出大量的有機(jī)酸進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層中，長(zhǎng)石等顆粒被溶蝕(圖5b)。孔隙水性質(zhì)由早期的堿性迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，粘土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放的SiO2以及長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的SiO2沉淀，開始形成石英的次生加大邊(圖5c)。與此同時(shí)，油氣充注、進(jìn)入正在致密化的砂巖儲(chǔ)層。這種致密化儲(chǔ)層是由于細(xì)粒的沉積物受壓實(shí)作用和含鐵白云石膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)作用改造形成。由于油氣的兩期注入[27]，伴隨孔隙水pH值的兩次降低，SiO2兩次較大規(guī)模沉淀，形成兩期石英的次生加大膠結(jié)(圖5b)。自生的伊利石后期干擾了第二期硅質(zhì)加大的形成。由于長(zhǎng)石含量較低，長(zhǎng)石的溶蝕整體相對(duì)較弱。根據(jù)伊蒙混層粘土礦物中蒙脫石含量為15%可知，現(xiàn)今該套致密砂巖儲(chǔ)層處于中成巖A期末(圖6)。

表1 隴東地區(qū)含鐵白云石膠結(jié)物電子探針?lè)治鼋Y(jié)果Table 1 The characteristics of ferron dolomite cements under electron microprobe in Longdong area %

圖3 隴東地區(qū)自生“加大”含鐵白云石膠結(jié)物成因模型Fig.3 A genetic model showing the formation of overgrown authigenic ferron dolomite cements in Longdong areaa. 初始?jí)簩?shí)狀態(tài)，隨后白云巖碎屑發(fā)生壓實(shí)-溶解(壓溶)；b. 白云巖碎屑溶解和黑云母碎屑蝕變產(chǎn)生的Fe，Mg，Ca等物質(zhì)在白云巖碎屑邊部再生生長(zhǎng)膠結(jié)，可見平整的晶面Q. 石英碎屑；Qo. 石英加大；F. 長(zhǎng)石碎屑；B. 黑云母碎屑；Dol. 白云巖碎屑；FD. 含鐵白云石膠結(jié)物

圖4 鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)長(zhǎng)4+5段含鐵白云石膠結(jié)物成分及含量Fig.4 The composition and content of ferron dolomite cements in the Chang 4 & 5 members of the Triassic Yanchang Formation in Zhenyuan and Huanxian areasa. 含鐵白云石膠結(jié)物成分分析；b. 白云巖巖屑與自生“加大”含鐵白云石膠結(jié)物含量交匯圖

圖5 鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)長(zhǎng)4+5段成巖作用鏡下特征Fig.5 The microscopic characteristics of the diagenesis for the Chang 4 & 5 members of the Triassic Yanchang Formation in Zhenyuan and Huanxian areasa. 黑云母碎片蝕變、被壓實(shí)變形，形成假雜基，鎮(zhèn)289井，埋深1 954.3 m；b. 長(zhǎng)石溶蝕和石英的兩期次生加大，鎮(zhèn)9井，埋深2 096.25 m；c. 石英局部加大且自形晶面平整，加大邊較厚，早期的綠泥石包膜明顯抑制次生加大膠結(jié)，鎮(zhèn)131井，埋深2 132.03 m Bi. 黑云母；FD. 長(zhǎng)石溶蝕；Qo. 石英次生加大；Ch. 綠泥石

圖6 鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)長(zhǎng)4+5致密砂巖儲(chǔ)層成巖演化及孔隙演化Fig.6 The diagenetic and pore evolution of tight sandstone reservoirs in the Chang 4 & 5 members of the Triassic Yanchang Formation in Zhenyuan and Huanxian Area

3 含鐵白云石膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層的影響

鎮(zhèn)原和環(huán)縣地區(qū)的儲(chǔ)層現(xiàn)今孔隙度為6%～17%，平均為11.5%，平均滲透率為0.9×10-3μm2。水下分流河道底部砂體(Ⅰa)中，沉積物粒度較粗，粒徑主要分布在0.2～0.4 mm。含鐵白云石膠結(jié)物的含量一般小于3%，孔隙度通常大于10%，滲透率大于0.1×10-3μm2，儲(chǔ)層質(zhì)量整體較好(圖7)。

在水下分流河道頂部砂體中(Ⅰb)，粒度較細(xì)(<0.2 mm)，富含黑云母碎屑(>3%)，黑云母碎屑在壓實(shí)作用下易于形成假雜基。由于弱的抗壓實(shí)能力，碎屑白云石慢慢溶解，自生的含鐵白云石開始沉淀。含鐵白云石膠結(jié)物的含量通常大于3%，儲(chǔ)層質(zhì)量一般較差?？紫抖韧∮?0%，滲透率一般低于0.1×10-3μm2(圖7)。圖7c和d的數(shù)據(jù)較為離散，可能是因?yàn)榭紫抖群蜐B透率受控于多種因素，而含鐵白云石膠結(jié)物僅是一種因素。

根據(jù)成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的改造可知，較有利儲(chǔ)層分布在粒度較粗、黑云母含量較低、抗壓實(shí)較好、成熟度較高的水下分流河道中下部和河口壩中上部。這些砂巖的硅質(zhì)膠結(jié)相對(duì)較弱、長(zhǎng)石溶蝕相對(duì)較強(qiáng)、綠泥石包膜適量[28-30]。在油氣充注之前，這些砂巖保留了較高的孔隙度；在油氣充注之時(shí)，碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)在白云巖巖屑附近，剛性骨架顆粒(如石英和長(zhǎng)石等)之間仍保留較高的孔隙度。

4 結(jié)論

在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)4+5段組致密砂巖中，白云巖碎屑周邊普遍發(fā)育含鐵白云石膠結(jié)物，其形成與白云巖碎屑的壓溶和Fe質(zhì)交代有關(guān)。成巖演化分析表明，含鐵白云石膠結(jié)物開始形成于早成巖晚期，由于Fe離子的消耗，未形成大規(guī)模的環(huán)邊綠泥石膠結(jié)物，進(jìn)而未能有效抑制石英加大。黑云母等碎屑的蝕變可能是最主要的Fe質(zhì)來(lái)源。

現(xiàn)今該套致密砂巖儲(chǔ)層處于中成巖A期末。儲(chǔ)層現(xiàn)今孔隙度為6%～17%，平均為11.5%，平均滲透率為0.9×10-3μm2。在水下分流河道底部砂體中，含鐵白云石膠結(jié)物的含量一般小于3%，孔滲性整體較好；在水下分流河道頂部砂體中，含鐵白云石膠結(jié)物的含量通常大于3%，儲(chǔ)層質(zhì)量一般較差。需要注意的是，有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)必須充分考慮其他控制因素，如硅質(zhì)膠結(jié)等，這里僅討論了含鐵白云石膠結(jié)物，以引起讀者的關(guān)注。