鄂爾多斯盆地東部綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖成巖相類型與控因

姚涇利,李咪,王懷廠,郭英海,侯云東,白萬備

(1.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710021;2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116;4.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

鄂爾多斯盆地上古生界碎屑巖蘊藏著豐富的天然氣資源[1-2]，沉積之后受控于多種成巖作用，形成了不同的成巖礦物組合、組構、孔隙體系，最終決定了儲層質量的優(yōu)劣[3-5]。成巖相是指影響碎屑巖儲集性能的某種或某幾種成巖作用的綜合效應及其分布的儲集空間組合，是成巖環(huán)境和成巖礦物的綜合演化結果，反映了沉積巖目前的面貌，這一面貌是其在成巖過程中所經歷的一系列成巖變化的結果[6]。因此，通過碎屑巖的成巖相研究，可以指導尋找有效儲集體，是油氣勘探工作的重點和核心。

國內外學者主要依據(jù)成巖礦物、成巖作用強度或組合特征、儲集空間特征進行碎屑巖成巖相類型劃分[6-15]，部分學者結合測井對成巖相進行識別[8，10，13]。本文基于大量鑄體薄片的觀察和鑒定，結合砂巖儲層的孔隙度、滲透率數(shù)據(jù)，揭示研究區(qū)山23氣層砂巖在成巖演化過程中經歷的主要成巖作用類型、相對強度以及成巖產物(膠結物、孔隙等)的分布特征，結合儲層物性特征，劃分成巖相類型，并明確不同成巖相儲集層的分布規(guī)律與控制因素，為尋找有利勘探區(qū)奠定基礎。

1 研究區(qū)地質概況

綏德-吳堡地區(qū)分布于鄂爾多斯盆地東部，處于伊陜斜坡構造單元(圖1)。伊陜斜坡位于盆地中部，已探明的蘇里格、榆林等致密砂巖大氣田均分布于該構造單元[16]。

研究區(qū)石炭-二疊系為盆地的重要含氣層系，包括本溪組-石千峰組，發(fā)育多個產氣層段。其中，山西組山23氣層是研究區(qū)上古生界氣藏的主力產氣層段[17，7]，為淺水三角洲沉積體系，研究區(qū)砂體以三角洲前緣亞相沉積為主[18]。

圖1 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖厚度等值線圖和采樣井位置分布

Fig.1 Isolines of the Shan 23gas layer sandstones and sampling well location distribution in Suide-Wubu area

2 儲集層基本特征

對研究區(qū)493個山23氣層砂巖樣品的鑄體薄片進行鑒定，結果表明，砂巖的巖石類型以石英砂巖(68.56%)為主，巖屑石英砂巖(26.37%)次之，見少量的巖屑砂巖(5.05%)(圖2)。砂巖以中—粗粒結構為主，陸源碎屑分選中等—好，多呈次棱角—次圓狀，以加大-孔隙式膠結為主。

圖2 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖巖石分類

石英碎屑平均質量分數(shù)高達78.69%。巖屑類型多樣(圖3)，以火山巖屑(圖4(a))為主，千枚巖、變質砂巖等變質巖屑次之(圖4(b)-(d))，蝕變巖屑(圖4(e))和沉積巖屑(圖4(f))較少。砂巖較為純凈，與砂巖碎屑同時沉積的黏土雜基含量低，膠結物類型多樣，硅質膠結物質量分數(shù)最高(6.95%)，黏土膠結物次之(6.07%)，碳酸鹽膠結物質量分數(shù)較低(2.57%)(圖5)。

圖3 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖巖屑類型及質量分數(shù)

對273個山23氣層砂巖樣品進行常規(guī)物性測試，結果表明，孔隙度為0.68%～11.6%，平均5.57%，滲透率為0.005 6～9.907 mD，平均0.697 8 mD，并且，砂巖的孔隙度和滲透率呈正相關關系(圖6)。其中，滲透率小于1 mD的砂巖占比高達88%，表明研究區(qū)山23氣層砂巖整體屬于致密砂巖[19]。

(a)火山巖屑，Y39，山23，2 371.75 m；(b)云母、千枚巖和板巖巖屑，Y39，山23，2 361.72 m；(c)變質砂巖巖屑，Y117，山23，2 302.31 m；(d)片巖巖屑，Y106，山23，2 059.49 m；(e)蝕變巖屑，Q8，山23，2 863.31m；(f)泥巖巖屑，S218，山23，2 941.86 m

圖4 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖巖屑的鏡下特征

Fig.4 Microscopic characteristics of the rock fragments of
the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

圖5 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖膠結物類型及含量

3 主要成巖作用類型及特征

通過對研究區(qū)山23氣層砂巖的鑄體薄片進行系統(tǒng)觀察與鑒定，發(fā)現(xiàn)其主要經歷了壓實、膠結、溶蝕等成巖作用的改造，其特征如下。

圖6 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖孔隙度和滲透率的相關性

3.1 壓實作用

壓實作用是碎屑巖固結成巖的主要方式之一，導致孔隙空間大幅縮減[20-21]。砂巖經歷了較強的壓實作用，主要表現(xiàn)為碎屑顆粒以線、線-凹凸接觸為主(圖7(a))，局部發(fā)生壓溶作用，可見縫合線式接觸(圖7(b))。鏡下可以觀察到柔性碎屑在壓實作用下彎曲變形、定向排列(圖4(b)，(d)，圖7(a))，以及少量的剛性碎屑破裂，部分被后期膠結物充填(圖7(c))。大部分的巖屑砂巖因為壓實作用強烈失去儲集性能，石英砂巖則由于抗壓實能力強而保存了一部分粒間孔隙。巖屑石英砂巖的剛性碎屑富集處可見少量粒間孔，塑性碎屑富集處則壓實致密。

3.2 膠結作用

膠結作用主要表現(xiàn)為膠結物的形成，砂巖的主要膠結物類型包括硅質、以高嶺石和伊利石為主的黏土礦物、以鐵白云石和菱鐵礦為主的碳酸鹽礦物。由各類膠結物的產狀及占位關系可知，主要膠結物的形成次序依次為：自生石英加大→自生高嶺石/伊利石充填→自生鐵白云石充填(圖7(d))。

(a)碎屑呈線-凹凸式接觸，M53，山23，1 800.39 m；(b)壓溶作用，碎屑呈縫合線接觸，M87，山23，2 253.87 m；(c)碎屑在壓實作用下形成裂縫，M87，山23，2 253.23 m；(d)膠結物形成順序為石英次生加大→高嶺石→鐵白云石，M56，山23，1 992.73 m；(e)石英次生加大邊可見自形晶面，Q28，山23，2 659.37 m；(f)粒間溶孔中充填自生石英，SA218，山23，2 941.04 m；(g)高嶺石和伊利石，M68，山23，2 536.78 m；(h)菱鐵礦在壓實作用下發(fā)生變形，Y117，山23，2 294.31 m；(i)燧石粒內溶孔，Q8，山23，2 860.33 m

圖7 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖成巖作用的鏡下特征

Fig.7 Microscopic characteristics of the diagenesis of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

3.2.1 硅質膠結

研究區(qū)硅質膠結物主要有兩種產出形式，包括石英次生加大邊、自形程度較好的自生石英。石英次生加大邊在砂巖中普遍發(fā)育，常呈環(huán)邊狀包裹或半包裹石英顆粒，分布不均勻，在局部石英碎屑顆粒富集處，次生加大邊發(fā)育的厚度大，未完全充填孔隙時可見自形的晶面(圖7(e))；在軟巖屑含量較高、壓實作用較強、粒度較細的砂巖中發(fā)育較少。SiO2也常沉淀為自形的自生石英晶體，充填在粒間孔、溶孔中(圖7(f))。

3.2.2 黏土礦物膠結

研究區(qū)砂巖富含高嶺石膠結物，這一特征與砂巖沉積于煤系地層，造成早期成巖環(huán)境偏酸性密切相關[22-24]。據(jù)高嶺石膠結物產狀特征，將其分為兩類：一類晶粒自形程度低，堆積緊密，粒度細小，晶間常殘存伊利石或綠泥石(圖7(d))，多分布于巖屑石英砂巖中；另一類晶粒自形程度高，晶粒粗大，疏松分布，主要發(fā)育于石英砂巖、巖屑石英砂巖中(圖7(g))。伊利石膠結物的含量較低，主要分布于巖屑石英砂巖和巖屑砂巖中，呈蜂窩狀、絲縷狀充填孔隙中(圖7(g))。

3.2.3 碳酸鹽膠結

研究區(qū)砂巖中的碳酸鹽膠結物以鐵白云石、菱鐵礦為主。鐵白云石分布普遍，呈菱形自形或半自形粉晶、細晶分散于碎屑顆粒間充填孔隙(圖7(d))。菱鐵礦主要為隱晶團塊狀，多呈層狀富集，或發(fā)育于層理面上，經壓實而發(fā)生形變(圖7(h))，主要分布于巖屑砂巖中。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用形成多種次生溶孔，包括粒間溶孔、粒內溶孔，成為砂巖的主要儲集空間類型。粒間溶孔主要指充填在粒間孔隙中的凝灰質[2]被部分或完全溶解而形成的次生孔隙，具有較強的非均質性。粒內溶孔包括兩類：一類是由碎屑內部易溶組分選擇性溶蝕形成，如燧石粒內溶孔(圖6(i))；一類為鑄?？祝戳任镔|完全溶蝕但保留碎屑的原始形態(tài)，呈碎屑假象(圖7(f))，在成巖中后期常被膠結物部分充填。

4 成巖階段與成巖演化

基于研究區(qū)山23氣層砂巖的主要成巖作用研究及自生礦物充填序列觀察，結合前人關于鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲層的成巖作用研究[7，12，14，25-27]，依據(jù)碎屑巖成巖階段的劃分標準(SY/T 5477—2003)，認為砂巖處于中成巖B期，其成巖演化序列如圖8所示。

三疊紀—中侏羅世，研究區(qū)處于快速沉降階段，此時山23氣層砂巖已進入晚成巖期，壓實、膠結作用強烈，形成致密儲層；晚侏羅世—白堊紀，研究區(qū)構造活動強烈，烴源巖進入生排烴高峰期，天然氣大量生成，運聚至砂巖儲層，形成致密氣藏[27]。研究區(qū)山23氣層砂巖具有“先致密、后成藏”的特征，天然氣運聚階段，經歷強烈壓實作用后保存的殘余粒間孔及后期形成的次生溶孔成為氣體重要儲集空間，決定了有效儲集層的分布。

圖8 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖的成巖演化序列

Fig.8 Diagenetic evolutionary series of Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

5 成巖相類型劃分及特征

成巖相的劃分和命名目前尚無慣例可循，但成巖相是多種成巖作用的產物，所以命名時應首先考慮成巖作用類型及其強度，其次結合成巖作用對巖石儲集性的影響，突出儲層的物性特征，以指導有效儲集體的尋找。在研究區(qū)山23氣層砂巖鑄體薄片的觀察和分析的基礎上，根據(jù)主要成巖作用的微觀發(fā)育特征，結合物性特征，將研究區(qū)砂巖的成巖相劃分為三大類，七個亞類(表1)。

5.1 斑狀致密組合孔隙相

該類成巖相主要發(fā)育于粗粒石英砂巖、粗粒巖屑石英砂巖中，砂巖的面孔率一般大于3%，其基本特征是壓實致密或膠結致密區(qū)與次生溶孔區(qū)不規(guī)則地相間分布，微觀非均質性很強，物性較好。斑狀致密是由于砂巖中局部的膠結或壓實造成的，在石英碎屑集中處往往為硅質膠結或碳酸鹽膠結，而石英與塑性巖屑接觸處、塑性巖屑集中處則由于壓實而假雜基化致密?？紫额愋桶ㄈ芪g區(qū)的較大孔隙(多種孔隙類型組成的復合孔隙發(fā)育區(qū))和致密區(qū)的微孔。

該類砂巖儲集性的好壞與殘余原生粒間孔保存的比例、溶蝕強度密切相關。按孔隙類型、溶蝕強度分為壓實-硅質膠結斑狀致密-殘余粒間孔亞相(ⅠA)和壓實-高嶺石-硅質膠結斑狀致密-組合孔隙亞相(ⅠB)。ⅠA類砂巖主要為較純凈的石英砂巖，發(fā)育較多原生粒間孔，占總孔隙的60%，膠結物以硅質為主(約60%)，滲透率大于1 mD，儲層物性較好(圖9(a))。ⅠB類砂巖溶蝕程度較強，溶孔占比較ⅠA類增高(約30%)，原生粒間孔的比例一般不超過50%，膠結物以硅質為主，高嶺石次之(約30%)(圖9(b))。由于溶蝕作用具有較強的非均質性，ⅠB類儲層物性的非均質性也較強，整體滲透率小于1 mD，以0.5～1 mD為主。

表1 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖成巖相類型

5.2 致密成巖少孔相

該成巖相主要在中—粗粒巖屑石英砂巖、中—細粒石英砂巖中發(fā)育，由于塑性巖屑含量較高，因此其基本特征為：(1)以壓實作用為主，塑性巖屑變形形成假雜基、定向排列而使砂巖整體致密(圖9(d))；(2)膠結作用較弱，僅在局部石英碎屑接觸處發(fā)育硅質膠結物，或以分散狀分布于含鐵碳酸鹽膠結物、黏土礦物膠結物；(3)少量不穩(wěn)定碎屑被溶蝕形成溶孔、鑄模孔且呈稀疏分散狀分布，相互之間被致密部分(晶間孔)隔開，連通性差。該類成巖相的砂巖面孔率一般分布于0.5%～3%，滲透率介于0.5～1 mD。

根據(jù)主要膠結物類型和溶孔類型，將其劃分為兩種亞相：壓實致密-高嶺石-硅質膠結-溶孔-晶間孔相(ⅡA)、壓實致密-伊利石-硅質膠結-粒內溶孔-晶間孔相(ⅡB)。ⅡA類常見于粗粒的巖屑石英砂巖、中粒的石英砂巖中，溶蝕程度較強，粒間溶孔較為發(fā)育，膠結物以硅質為主，高嶺石次之(圖9(c))。ⅡB主要見于偏細粒的石英砂巖和中粒巖屑石英砂巖，塑性巖屑含量較高，溶蝕強度弱于ⅡA類，主要發(fā)育粒內溶孔、鑄?？?，硅質膠結物仍是主要膠結物類型，但黏土礦物以伊利石為主(圖9(e)-(f))。

5.3 致密成巖微孔相

致密成巖微孔成巖相是指巖石通過成巖作用而變得致密，以晶間孔為主要孔隙類型，面孔率小于0.5%，滲透率低(<0.5 mD)。該類成巖相主要見于巖屑砂巖、中—細粒的巖屑石英砂巖、少量的細粒石英砂巖，塑性巖屑含量高，壓實作用強烈，膠結物類型以黏土礦物、碳酸鹽礦物為主。根據(jù)主要膠結物的類型，將其可劃分為3種亞相：壓實-高嶺石膠結致密-晶間孔相(ⅢA)、壓實-鈣質膠結致密-微孔相(ⅢB)、強壓實-伊利石-碳酸鹽膠結致密-微孔相(ⅢC)。

ⅢA類較少見，主要見于細粒石英砂巖，砂巖中的石英碎屑含量相對較高，高嶺石膠結致密，局部石英接觸處可見少量的硅質膠結，高嶺石晶間孔是主要的孔隙類型(圖9(g))。

(a)壓實-硅質膠結斑狀致密-殘余粒間孔相(ⅠA)，Q6，山23，2 873.88 m；(b)壓實-高嶺石-硅質膠結斑狀致密-組合孔隙相(ⅠB)，Q8，山23，2 863.63 m；(c)壓實致密-高嶺石-硅質膠結-溶孔-晶間孔相(ⅡA)，Y44，山23，2 658.45 m；(d)壓實致密-伊利石-硅質膠結-粒內溶孔-晶間孔相(ⅡB)，Y39，山23，2 364.23 m；(e)壓實致密-伊利石-硅質膠結-粒內溶孔-晶間孔相(ⅡB)，M53，山23，1 800.39 m;(f)壓實致密-伊利石-硅質膠結-粒內溶孔-晶間孔相(ⅡB)，M53，山23，1 801.1 m；(g)壓實-高嶺石膠結致密-晶間孔相(ⅢA)，S248，山23，3 214.48 m；(h)壓實-鈣質膠結致密-微孔相(ⅢB)，Q23，山23，2 725.14 m；(i)強壓實-伊利石-碳酸鹽膠結致密-微孔相(ⅢC)，Y106，山23，2 059.49 m

圖9 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖成巖相的微觀特征

Fig.9 Microscopic characteristics of diagenetic facies of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

ⅢC類主要見于巖屑砂巖、中粒巖屑石英砂巖中，塑性巖屑含量高，一般大于8%，在壓實作用下發(fā)生變形，形成假雜基而堵塞原生孔隙，導致原生孔隙急劇減少。砂巖膠結作用強烈，發(fā)育大量的伊利石及菱鐵礦等碳酸鹽膠結物，呈孔隙式充填，使儲層致密(圖9(i))。

6 成巖相分布與控因

研究區(qū)山23氣層砂巖的成巖相在平面的分布如圖10所示。物性較好的Ⅰ、Ⅱ類成巖相沿著研究區(qū)河道砂體呈NW-SE向展布，是有效儲集層分布的有利相帶。其中，ⅠB成巖相沿著河道中心連續(xù)分布，ⅠA成巖相分布于河道中心砂體較厚的地區(qū)，較為局限；在靠近分流間灣處的河道側翼部位，砂體變薄，過渡為Ⅱ類成巖相。ⅢD成巖相分布于靠近分流間灣、厚度較薄的砂體中，以伊利石、菱鐵礦、鐵白云石膠結為主。

研究區(qū)山23氣層砂巖成巖相的分布規(guī)律是由巖性、沉積環(huán)境(原始沉積物的碎屑粒度、砂體厚度)、沉積期后成巖作用等共同決定的：

(1)Ⅰ型成巖相主要出現(xiàn)在石英砂巖中，Ⅱ型、Ⅲ型成巖相主要分布在巖屑石英砂巖、巖屑砂巖中。由于石英砂巖中石英顆粒含量高，巖屑含量低且以不穩(wěn)定的長石質火山巖屑為主，抗壓實能力強，原生粒間孔得以保存，成巖演化期間具有較高的孔隙度，有利于孔隙水流通，不穩(wěn)定碎屑的溶蝕強烈，因此次生孔隙也較發(fā)育，易于形成Ⅰ型成巖相。

(2)在位于河道中心的厚砂體中，沉積時的水動力條件較強，沉積的碎屑以粗砂為主，剛性碎屑含量高，塑性巖屑和雜基含量低，受壓實作用的影響相對較小，原生孔隙的保存有利于孔隙水的流通，便于膠結作用和溶蝕作用的發(fā)生，Ⅰ、Ⅱ型成巖相主要發(fā)育于此。

而在緊鄰分流間灣的薄砂體中，由于沉積時的水動力條件較弱，沉積物的碎屑粒度相對較小，并且含大量塑性巖屑和雜基，剛性碎屑(特別是不穩(wěn)定的火山碎屑)含量相對較少，沉積后受壓實作用的影響大，原生孔隙迅速減少，孔隙水運移不暢且可溶蝕物質含量低。并且，山23氣層砂巖主要沉積于三角洲前緣相水下分流河道微相，易于沉淀菱鐵礦和鐵白云石膠結物，呈孔隙式大量膠結使砂巖致密，因此多形成Ⅲ型成巖相。

圖10 綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖成巖相的分布

Fig.10 Distribution of diagenetic facies of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area.

(3)在河道側翼，或河道轉向、尖滅處，隨著水動力減弱，沉積的砂體減薄，且沉積物粒度變細、塑性巖屑含量增高，發(fā)生亞相的依次過渡，主要表現(xiàn)為膠結物類型的變化，呈現(xiàn)出主要黏土礦物類型由高嶺石逐漸向伊利石轉變的規(guī)律。高嶺石在酸性環(huán)境中易于產生和保存，而貧高嶺石、富伊利石的黏土礦物組合往往是堿性成巖環(huán)境的標志[29]。水動力條件的強弱交替控制砂巖沉積時粒度的粗細變化[4]，粒度較粗的砂巖在經歷壓實作用后具有相對較大的孔隙度，有利于酸性孔隙水輸入，形成酸性的成巖環(huán)境，易于高嶺石的沉淀，而粒度較細的砂巖，壓實作用強烈使儲層致密，酸性孔隙水難以進入，成巖環(huán)境偏堿性，易于形成伊利石。

7 結 論

(1)綏德-吳堡地區(qū)山23氣層砂巖具有富石英、貧長石、巖屑類型多樣、雜基含量低的特征，以滲透率小于1 mD的砂巖為主，整體屬于致密砂巖儲層。

(2)研究區(qū)山23氣層砂巖處于中成巖B期。壓實作用強烈，導致原生孔隙的大量減少，且不同巖石類型的壓實效應差別顯著。膠結物類型多樣，包括硅質、以高嶺石和伊利石為主的黏土礦物、以鐵白云石和菱鐵礦為主的碳酸鹽礦物。溶蝕作用形成多種次生溶孔，成為砂巖的主要儲集空間。

(3)根據(jù)主要成巖作用的微觀發(fā)育特征，結合儲層的物性特征，將研究區(qū)山23氣層砂巖的成巖相劃分為三大類，七個亞類。斑狀致密組合孔隙相的物性最好，致密成巖少孔相的物性次之，致密成巖微孔相的物性最差。

(4)發(fā)育于河道中心部位、厚砂體的砂巖，具有粒度粗、剛性碎屑含量高、塑性巖屑和雜基含量低的特征，受壓實作用的影響相對較小，以硅質、高嶺石膠結為主，溶蝕作用強烈，易于形成物性較好的Ⅰ、Ⅱ類成巖相，是有效儲集層分布的有利相帶。