鄂爾多斯盆地東北部下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖巖石學(xué)特征研究

張志軍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

鄂爾多斯盆是我國重要的化石能源富集沉積盆地，具有豐富的石油、天然氣、煤炭、鋁土礦、巖鹽等多種能源礦產(chǎn)。鄂爾多斯盆地三疊系是重要的石油儲層及產(chǎn)層之一[1-2]，是鄂爾多斯盆地內(nèi)陸湖盆形成后發(fā)育的第一套生儲油系[3-4]。下伏二疊系是主要天然氣與致密天然氣儲層及產(chǎn)層，有巨大的勘探潛力。對于介于上部富油層與下部產(chǎn)氣層之間的下三疊統(tǒng)(劉家溝組、和尚溝組)以往研究普遍認(rèn)為其為一套紅層建造，巖性以砂巖細(xì)砂巖為主，伊陜斜坡內(nèi)部厚度展布較為穩(wěn)定。但由于三疊系下統(tǒng)缺乏烴源巖，且距上下油氣源巖較遠(yuǎn)，基本不具有化石能源蘊藏潛力，故未能引起油氣勘探界的重視[5]，只有少數(shù)學(xué)者做過相關(guān)研究，且主要集中在野外露頭樣品的測試分析，對盆地內(nèi)下三疊統(tǒng)研究較少。然而，近年來鄂爾多斯盆地下三疊統(tǒng)作為鉆探防漏工藝重點關(guān)注層位與氣田回注水優(yōu)選層位，其地層研究價值得到重新審視，而巖石學(xué)與物性特征是地層研究中首先需要解決的基礎(chǔ)地質(zhì)問題。

1 研究區(qū)地質(zhì)情況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯烏審旗呼吉爾特礦區(qū)，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的北部偏東(圖1)。伊陜斜坡是鄂爾多斯盆地中部的一級構(gòu)造單元，是盆地的構(gòu)造主體，整體表現(xiàn)為北東高、南西低的傾斜構(gòu)造，局部斷裂構(gòu)造發(fā)育少，平均坡降為3～5m/km。在伊陜斜坡內(nèi)部低幅度構(gòu)造分布十分廣泛，具有區(qū)域性、規(guī)?；屠^承性等特點[6]。區(qū)域地層以太古界和古元古界為基底[7]，自下而上發(fā)育古生界(奧陶系上馬家溝組、本溪組，石炭系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組，二疊系石千峰組)，中生界(三疊系劉家溝組、和尚溝組、二馬營組、三疊系延長組、延安組、直羅組，侏羅系安定組，白堊系志丹群)，第四系，整體地層經(jīng)過穩(wěn)定的克拉通沉降，發(fā)育多套有利生儲地層，是盆地內(nèi)能源礦產(chǎn)最富集，儲存條件最優(yōu)的構(gòu)造單元。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

研究區(qū)下三疊統(tǒng)形成于印支期中晚期，物源區(qū)位于陰山-燕山造山帶?，F(xiàn)今鄂爾多斯盆地內(nèi)廣泛分布的下三疊統(tǒng)劉家溝組沉積于大華北陸相沉積盆地中部，基底和沉降都比較平緩，地層厚度展布較為均勻。后經(jīng)歷燕山期、喜馬拉雅期等多期地質(zhì)構(gòu)造運動，在陜西省府谷縣、山西省保德縣境內(nèi)有出露[8]。在伊陜斜坡內(nèi)，劉家溝組地層厚度介于200～500m，埋藏深度在900～3 500m，整體上，在盆地邊緣埋深較淺，中部埋深較深。

根據(jù)鉆孔資料，研究區(qū)劉家溝組深度在1 840～2 256.40 m，厚416.4 m。地層實際砂巖段總厚235.72 m，占全段地層比例為55%。

2 巖石學(xué)特征

2.1 粒度特征分析

通過巖心觀察、測井曲線識別及掃描電鏡下觀察，研究區(qū)劉家溝組砂巖整體上粒度較細(xì)，以細(xì)砂巖、粉砂巖為主。由巖心肉眼觀察，劉家溝巖性粒度以灰白色、淺肉紅色中細(xì)砂巖為主，可見雜色砂泥巖互層及少量泥巖(圖2)；通過測井曲線統(tǒng)計分析，劉家溝組主要以細(xì)砂巖(24%)、中砂巖(24%)、泥巖(32%)為主，粗砂巖(7%)、粉砂巖(13%)含量較低(圖3)，粗砂巖和粉砂巖主要集中在劉家溝組上段上部及下端中下部，其他巖性包括細(xì)砂巖、中砂巖及砂泥巖互層在劉家溝組各段均勻分布。通過對13組劉家溝組樣品，200余張掃描電鏡鏡下照片觀察，劉家溝組砂巖顆粒直徑多為0.1～0.3mm，巖性粒度多為中細(xì)砂巖(圖4)。劉家溝組巖石顆粒分選較好，絕大部分顆粒磨圓程度為次棱角狀。

圖2 研究區(qū)劉家溝組砂巖巖心

圖3 研究區(qū)劉家溝組巖石粒度分布

2.2 儲層礦物成分特征

在X衍射全巖分析的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)下三疊統(tǒng)劉家溝組巖石的碎屑成分進(jìn)行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，劉家溝組砂巖及粉砂巖碎屑成分中，長石含量相對較高為13.1%～53.7%，平均值31.1%， 其中斜長石為3.6%～26.9%，平均值13.55%，鉀長石含量普遍較高，為3.3%～31.4%， 平均值17.52%； 石英含量中等，為19.8%～55.9%，平均值40.07%(圖5)。碎屑總含量較低，為32.9%～82%，平均值69.15%(圖6)。在掃描電鏡鏡下照片可觀察到大量長石及石英碎屑顆粒，巖屑顆粒少見，偶見云母(圖7)。

劉家溝組上段砂巖(1 832.5～1 835m) 劉家溝組下段砂巖(2 170.74～2 172.7m)圖4 劉家溝組砂巖掃描電鏡下照片

圖5 研究區(qū)劉家溝組全巖成分含量

圖6 研究區(qū)劉家溝組巖石學(xué)組成

在巖性三角圖中，根據(jù)劉家溝組巖石石英、長石和巖屑的相對含量，進(jìn)行投影，結(jié)合填隙物含量，可知劉家溝組砂巖巖性以長石雜砂巖為主，長石砂巖次之，其他巖性巖石少見(圖8)。劉家溝組上中下段巖石類型差別不大。本區(qū)劉家溝組砂巖成熟度Q/(F+R)中等，隨深度增加呈現(xiàn)增長趨勢(圖9)。

2.3 巖石結(jié)構(gòu)特征

從全巖成分測試分析實驗及掃描電鏡結(jié)果得知，下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖結(jié)構(gòu)特征具有粒度細(xì)，分選相對較好，而磨圓相對較差的特征。

從巖石分選特征上看，劉家溝組砂巖分選整體較好。一般分選程度和粒度具有負(fù)相關(guān)性，劉家溝組砂巖整體粒度較細(xì)，以中細(xì)砂巖為主，因此絕大多數(shù)樣品碎屑顆粒大小分布較均勻，分選相對較好(圖10)。

a.石英礦物，MC-1，1 864.34～1 865.34m； b.斜長石，MC-1，1 872.8～1 873.56mc.鉀長石，MC-1，2 170.74～2 172.7m； d.鏡下云母，MC-1，1 949.95～1 952.4m圖7 研究區(qū)劉家溝組巖石掃描電鏡下礦物形態(tài)

圖8 研究區(qū)劉家溝組巖石類型三角圖

圖9 研究區(qū)劉家溝組巖石成分成熟度分布

圖10 研究區(qū)劉家溝組巖石結(jié)構(gòu)特征

從巖石磨圓特征上看，劉家溝組上中下段特征相似，大多數(shù)樣品磨圓程度為次棱角狀，磨圓相對較差(圖10)。

值得注意的是本次測試采樣的選擇上具有偏向性，雖然研究層段粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖皆有大量發(fā)育，但一般選擇粒度相對較粗的中細(xì)砂巖段為主，而粒度更細(xì)的粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖樣品則采集相對較少。故以上數(shù)據(jù)大致反映了研究層段巖石結(jié)構(gòu)特征。

2.4 儲層填隙物特征

鄂爾多斯盆地下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖，整體上填隙物含量較高，均值為29%，其中黏土礦物含量較高，均值為18%，膠結(jié)物主要包括碳酸鹽巖礦物、濁沸石膠結(jié)物，總含量均值為11%(圖6)。圖11中樣品7～18埋深逐漸增加，填隙物含量有微弱上升趨勢，黏土礦物含量分布較穩(wěn)定為10%～20%；測試樣品中膠結(jié)物含量差別較大，僅劉家溝組中部粉細(xì)砂巖互層巖樣檢測出方解石含量大于10%，其余己檢測出的均低于10%，部分巖樣未檢出方解石；劉家溝組下段樣品普遍檢測出濁沸石，含量在0～20%。

圖11 劉家溝組砂巖樣品填隙物含量分布直方圖

2.4.1 黏土礦物特征

鄂爾多斯盆地下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖整體上雜基含量較高，略高于三疊系其他層位[8-9]。其雜基成分主要以伊蒙混層、綠蒙混層、伊利石為主，另外包含少許綠泥石，蒙皂石、高嶺石未檢出(圖12)。

圖12 劉家溝組砂巖樣品黏土礦物成分含量條形圖

圖13 劉家溝組巖石掃描電鏡下伊蒙混層、綠蒙混層形態(tài)及能譜

劉家溝組中伊利石在掃描電鏡顯微鏡下呈現(xiàn)不規(guī)則的葉片狀、絲帶狀等，大小在微米級，為含鉀黏土礦物，在能譜中氧化鉀值略高。鏡下觀察到伊利石多貼附于顆粒表面或者充填與粒間孔隙間，片狀等微晶把有效孔隙分割為許多微孔隙，使孔隙網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，降低流體在孔隙中的滲流能力。

伊蒙混層為蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)變的過渡期黏土礦物，鏡下觀察到其主要形態(tài)特征表現(xiàn)蜂窩狀、半蜂窩狀、棉絮狀等，分布于顆粒表面、粒間孔隙或微裂縫間，能譜元素含量測試結(jié)果顯示氧、硅、鋁元素含量最高，鋁元素次之，鉀、鈣元素為伊利石、蒙脫石礦物所含元素，檢測結(jié)果有少許含量，此次測試出鐵、鎂元素，含量微弱(圖13)。

綠蒙混層為蒙脫石向綠泥石過渡期的黏土礦物，同時具備蒙脫石和綠泥石的形態(tài)特征，鏡下觀察其主要表現(xiàn)為蜂窩狀、片狀等，通常鐵、 鎂含量略高。鏡下綠蒙混層多分布在顆粒的表面，并占據(jù)有限的孔隙空間，有研究表明，綠蒙混層包括礦物可阻止石英次生加大邊及長石膠結(jié)物的形成，有利于粒間孔隙的保存，并在一定程度上，能夠增加砂巖的抗壓強度[10]。

2.4.2 膠結(jié)物特征

1)碳酸鹽膠結(jié)物。研究區(qū)內(nèi)劉家溝砂巖賦存的膠結(jié)物成分主要包括各類碳酸鹽礦物、硅質(zhì)膠結(jié)和濁沸石等，其中碳酸鹽巖膠接最為常見，尤其是方解石膠結(jié)。在研究地層中部，粉細(xì)砂巖互層巖樣中檢測出方解石含量較高，多大于10%，其余樣品檢測出的方解石含量均低于10%，部分巖樣未檢出方解石。在鏡下觀察到方解石多成基底式膠結(jié)(圖14)，且后期溶蝕改造少，對劉家溝組的物性產(chǎn)生了較大影響。

圖14 劉家溝組砂巖鏡下方解石膠結(jié)充填

2)濁沸石膠結(jié)物。濁沸石是鄂爾多斯盆地陜北地區(qū)獨有的膠結(jié)物，其通常形成于SiO2和Ca2+富集程度相對較高、水環(huán)境呈堿性(pH值9～10)的水體環(huán)境，形成溫度范圍廣，在50～150℃均可析出，因此在適宜條件下，濁沸石膠結(jié)在碎屑巖早成巖期到晚成巖A1期均可發(fā)育[11-16]。

研究區(qū)劉家溝組下部濁沸石膠結(jié)物發(fā)育，早期沉積由于物源影響提供大量的Ca2+, Mg2+等離子，在水動力條件下析出，伴隨碎屑顆粒埋藏沉淀；成巖過程伊蒙混層、綠蒙混層的形成同樣提供了大量Ca2+，為濁沸石的形成提供了適宜的離子環(huán)境，在適宜的溫度及堿性條件下，可膠結(jié)形成了大量濁沸石膠結(jié)物。由于劉家溝組砂巖碎屑中長石含量豐富，在溫度小于100℃，埋藏深度小于1 000m的早成巖期及中成巖早期，斜長石的鈉長石化普遍發(fā)育[16]。在鏡下可觀察到長石與濁沸石晶體共生現(xiàn)象，這間接證明了斜長石的鈉長石化對濁沸石的形成起到了重要作用(圖15)。研究區(qū)濁沸石膠結(jié)主要為孔隙式膠結(jié)，其存在對巖層物性起到了負(fù)面的影響，使巖石的孔喉空間減小，滲透性能變差。

圖15 研究區(qū)劉家溝組砂巖鏡下長石與濁沸石晶體共生

3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 孔隙類型

根據(jù)掃描電鏡下孔隙的幾何形狀，結(jié)合研究區(qū)砂巖的孔隙成因及碎屑、填隙物特點，將儲集空間分為粒間孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂隙四種類型。

1)粒間孔。粒間孔大小范圍在納米-微米級之間，以微米級孔隙居多，研究區(qū)樣品鏡下識別粒間孔最大可達(dá)20μm，孔隙大小不一，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則，如圖16a所示，從掃描電鏡上其形態(tài)與碎屑顆粒大小、排列方式、壓實程度、填隙物的分布有關(guān)。

2)粒內(nèi)溶孔。溶孔孔徑范圍在納米-微米級之間，以納米級孔隙居多，多為長石溶孔、石英溶孔少見，呈現(xiàn)橢圓形、不規(guī)則多邊形等形狀。如圖16b所示，部分溶孔與粒間孔、微裂隙相溝通，成為有效孔隙。溶蝕孔的分布范圍差異性性較大，與孔隙流體、孔隙結(jié)構(gòu)和碎屑成分有關(guān)。

3)晶間孔。晶間孔以納米級孔隙居多，多為黏土礦物晶間孔隙(圖16c)，其中伊利石、伊蒙混層晶間孔較為發(fā)育，呈現(xiàn)蜂窩狀、橢球狀及不規(guī)則形狀。晶間孔由于孔徑小，有效連通性差，故提供的儲集空間有限。

4)微裂縫。研究區(qū)下三疊統(tǒng)劉家溝組微裂隙范圍在納米-微米級之間，以微米級裂隙居多，形態(tài)不規(guī)則，既有與礦物節(jié)理平行的粒內(nèi)裂隙(圖16d)，也有穿顆粒、 呈凹凸?fàn)罨蚧畹攘ｉg微裂隙。微裂隙受到地層地應(yīng)力作用發(fā)育而形成，因長石脆性大，鏡下觀察到粒內(nèi)微裂隙多出現(xiàn)在長石顆粒中，反應(yīng)地層受應(yīng)力作用明顯，微裂縫可為流體運移提供有利空間和通道。

圖16 劉家溝組鏡下孔隙發(fā)育情況

3.2 孔喉特征

對研究區(qū)下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖進(jìn)行壓汞測試，選取中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖組成13組實驗樣品。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，研究區(qū)劉家溝組比孔容范圍為0.006 4～0.041 4cm3/g，均值為0.02cm3/g；比表面積值為0.05～2.02m2/g，均值為2.474 6m2/g；孔隙平均孔徑為32.07～587nm，均值為152.28nm；總孔隙度為1.61%～9.75%，平均為4.83%；孔徑<10μm的孔隙度為0.29%～7.71%，平均值為3.14%。

通過進(jìn)汞曲線形態(tài)及限值，探討不同孔徑孔隙對于孔隙率的貢獻(xiàn)量。以埋深1 941.05～1 941.27m粉砂巖樣品為例，進(jìn)汞初期進(jìn)汞體積穩(wěn)步增加，大于10μm大孔隙優(yōu)先被充填，占據(jù)孔隙度約1%；隨后進(jìn)汞體積加速上升，孔徑介于1～10μm的孔隙被充填，占據(jù)約1.6%的孔隙度；繼續(xù)加壓，進(jìn)汞體積增速變緩，小于1μm孔隙進(jìn)一步被充填，直至進(jìn)汞體積達(dá)到飽和(4.14%)停止加壓，小于1μm孔隙貢獻(xiàn)1.54%的孔隙度，隨后進(jìn)行退汞實驗。

由圖17可知，中部孔徑在1～10μm的孔隙數(shù)量最集中，對孔隙率貢獻(xiàn)最大；大于10μm的大孔隙和小于1μm 分布相對較少，對孔隙率貢獻(xiàn)有限。

圖17 研究區(qū)劉家溝組砂巖進(jìn)退汞曲線與孔隙貢獻(xiàn)分布曲線(埋深1 941.05～1 941.27m粉砂巖)

4 巖石學(xué)特征對成巖作用的影響

巖石學(xué)特征對其沉積埋藏過程中的孔隙演化及成巖作用有著重要的影響。原始沉積中，若砂巖、粉砂巖成分含有大量雜基或其他塑性巖屑，會大大降低巖石整體的抗壓強度，在壓實過程中易發(fā)生顆粒擠壓變形，形成假雜基堵塞孔隙，本次研究中可觀察到云母壓實變形，充填孔隙，堵塞顆粒間原始孔隙的現(xiàn)象。 此外， 巖石碎屑顆粒成分也直接影響了孔隙流體的化學(xué)性質(zhì)，如火成巖碎屑、云母碎屑等可提供大量陰陽離子，為后期膠結(jié)、溶蝕作用提供離子條件及水化學(xué)條件。

顆粒成分、孔隙流體及地層溫壓等多重條件共同影響巖層的溶蝕、膠結(jié)作用。在成巖過程中，溶蝕、膠結(jié)作用同時抑或交替發(fā)生，溶蝕作用為膠結(jié)作用提供了物質(zhì)條件及可用空間，膠結(jié)作用改變地層水環(huán)境及孔隙結(jié)構(gòu)，對溶蝕作用產(chǎn)生多重影響。如pH值降低利于長石溶蝕，大量離子析出后導(dǎo)致pH值逐漸升高，石英發(fā)生溶蝕交代，同時濁沸石等其他礦物沉淀膠結(jié)，同時水化學(xué)環(huán)境在不斷發(fā)生變化，離子與礦物之間的轉(zhuǎn)化持續(xù)進(jìn)行，顆粒、填隙物及流體間持續(xù)尋求相對平衡的狀態(tài)。

此外，巖石碎屑粒度不同，成巖作用也呈現(xiàn)不同趨勢及特征。中細(xì)粒砂巖相對于粉砂巖具有較強的抗壓性，因此與粉砂巖相比可保存更多的原生孔隙，但同時膠結(jié)作用也較強；但其中的碳酸鹽膠結(jié)物可為后期的溶蝕形成次生孔隙提供了條件；碎屑粒度較細(xì)的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖在早期快速壓實中，原生孔隙很快損失，流體滲流不暢膠結(jié)及溶蝕也較弱，原生與次生孔隙均不發(fā)育，物性普遍較差。因此，基于上述分析認(rèn)為，研究區(qū)巖石粒度較細(xì)，以細(xì)砂巖為主，填隙物含量較高，其中雜基黏土礦物含量占比大，故研究層位整體物性較差，成巖作用中，壓實作用、長石溶蝕、方解石、濁沸石膠結(jié)現(xiàn)象多見，降低了整體物性和抗壓強度。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖整體上粒度較細(xì)，以中細(xì)砂巖、粉砂巖為主。砂巖巖性以長石雜砂巖為主，長石砂巖次之，其他巖性巖石少見。具粒度細(xì)，分選相對較好，磨圓相對較差的特征。

2)下三疊統(tǒng)劉家溝組砂巖，整體上填隙物含量較高，均值為29%，其中黏土礦物含量較高，均值為18%，成分主要以伊蒙混層、綠蒙混層、伊利石為主；膠結(jié)物主要包括碳酸鹽巖礦物、濁沸石膠結(jié)物，總含量均值為11%。

3)結(jié)合研究區(qū)砂巖的孔隙成因及碎屑、填隙物特點，將儲集空間分為粒間孔、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂隙四種類型。其中粒間孔、微裂縫為流體運移提供有利空間和通道，粒內(nèi)溶孔、晶間孔為流體滲流貢獻(xiàn)微弱?？讖皆?～10μm的孔隙數(shù)量最集中，對孔隙率貢獻(xiàn)最大。

4)研究區(qū)巖石學(xué)特征對沉積埋藏過程中的孔隙演化及成巖作用影響較大?？傮w來說粒度細(xì)、填隙物含量較高且填隙物中雜基黏土礦物含量高，多重因素決定了研究層位整體物性條件差。在成巖作用中，壓實作用、長石溶蝕及方解石、濁沸石膠結(jié)現(xiàn)象多見，雖在某些成巖歷史時期物性有局部改善，但總體上劉家溝組砂巖屬于低孔低滲致密砂巖。