储层岩石学特征对成岩作用及孔隙发育的影响——以鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组为例

钟大康，周立建，孙海涛，姚泾利，马石玉，祝海华

(1.中国石油大学，北京102249;2.中国石油 长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安710018;3.中国石油 勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065000)

鄂尔多斯盆地陇东地区构造上位于伊陕斜坡的西南角、天环坳陷和西缘冲断带的南端，南部为渭北隆起，面积约50 000 km2(图1)。该地区自20世纪70年代以来在三叠系延长组相继发现了华池、南梁油田、西峰、华庆等油田。目前该地区石油探明储量达5×108t，三级储量达15×108t。前人对该地区延长组储层成岩作用与物性特征作过许多有益的研究，得出了诸多深刻的认识，多数学者认为延长组属于低孔、低渗储层，成岩作用是造成低孔、低渗的主要原因。如朱国华等人认为石英的压溶和次生加大以及铁方解石和铁白云石胶结是造成该地区延长组储层低孔、低渗的重要原因［1－2］;谢庆邦等人也认为成岩作用是形成低渗砂体和次生孔隙的主要原因［3－4］，但对各种成岩作用是如何引起低孔、低渗讨论较少。对延长组低孔、低渗储层成岩作用的大规模系统研究是在2000 年以后，在近十来年发表了许多文章［5－15］，如罗静兰等人2001年认为压实作用是造成陇东地区延长组砂岩低孔、低渗的主要因素，大约损失孔隙度17%，其次是胶结作用，损失7%［5］。牟泽辉(2001)通过对该区各种成岩作用研究后提出了持续埋藏型成岩系统和中间开启型成岩系统［6］。史基安等人(2003)认为粒度细、成分成熟度和结构成熟度低是造成该地区砂岩低孔、低渗的主要因素［7］;黄思静等(2003，2004)认为延长组砂岩次生孔隙与大气淡水溶蚀有关［8－9］;罗静兰等人(2006)提出压实作用和胶结作用是破坏孔隙的主要原因［10］;郑荣才等人(2007)对白豹地区延长组六段(长6段)研究后认为压实与压溶及胶结作用是造成孔隙破坏的主要因素，早期绿泥石和白云石环边胶结以及溶蚀和破裂作用是形成优质储层的重要因素［11］，类似的文献还有很多［12－23］，在此不一一赘述。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Sketch map showing location of the study area

上述众多文献基本上都集中在对成岩作用本身的研究，讨论各种成岩作用的基本特征(如压实作用强弱、胶结作用类型及各种类型的胶结程度、溶蚀类型与溶蚀程度)、各种成岩作用对孔隙演化和储层物性的影响。然而，各种成岩作用受什么因素控制，如压实作用为什么强、为什么弱?不同地区不同层段其胶结与溶蚀作用为何存在差异等?即各种成岩作用控制因素讨论较少，仅见为数不多的几篇文献［20］。文中主要从延长组储层岩石学特征出发讨论岩石学特征对砂岩成岩作用的影响，重点讨论成分(如岩屑性质与类型、云母类矿物)和粒度对砂岩的压实、胶结、溶蚀和交代等作用的影响，通过这一研究以达到对该地区储层物性控制因素及低孔、低渗成因有更深入、更进一步的了解。

1 岩石学特征

通过对陇东地区延长组崆峒山、策底坡、汭水河等7条野外露头剖面及634口取心井800多块岩石薄片观察，结合前人7 700余块岩石薄片鉴定报告数据认为，延长组砂岩主要为中－细粒岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩及长石砂岩，颗粒分选中等—好，磨圆度为次棱角状，杂基含量为3%～9%。根据对岩石成岩作用及物性特征研究发现，在这些岩石学特征参数中岩石的颗粒成分及粒度对储层孔隙发育程度与物性影响最大，而分选和磨圆影响较小。以下重点介绍该地区的岩屑成分及粒度特征。

表1 陇东地区岩屑分类Table 1 Rock debris classification in Longdong area

薄片鉴定结果统计表明，该地区岩屑含量为10% ～50%，平均为24.37%，岩屑成分复杂，既有岩浆岩岩屑如花岗岩、玄武岩和安山岩，也有变质岩岩屑如板岩、千枚岩、片岩及石英岩，还有沉积岩如泥岩、白云岩、灰岩及燧石，但总体上以白云岩及火山岩岩屑为主。其中长8段—长10段以火山岩岩屑占主导，占总岩屑含量的30% ～50%，长7段—长1段以白云岩岩屑为主，占总岩屑含量的30% ～65%。

根据对成岩作用及孔隙演化的影响不同，将这些岩屑分为刚性和塑性两大类，前者具有很强的抗压性，后者的抗压性较差。前者根据其可溶性又细分为易溶及难溶两类。后者根据其在压实过程中是发生形态上的物理变化还是发生成分上的化学变化，又可细分为易变形及易蚀变两类(表1)，这些岩屑对成岩作用有不同的影响。

2 塑性岩屑对压实作用的影响

根据对大量岩石孔隙铸体薄片的观察发现，凡是在存在泥岩、板岩及千枚岩等塑性岩屑的地方孔隙均不发育，这些塑性岩屑由于压实作用均被挤入粒间孔隙中形成假杂基，堵塞孔隙(图2)。如华33井1 493.5 m的长1段，千枚岩岩屑压实变形后挤入了邻近石英颗粒的粒间孔中形成了假杂基，几乎把所有的粒间孔损失掉了，类似的情况在白102井1 874.2 m的长3段也常见(图2a—d)。而在缺乏上述塑性岩屑即石英和长石相对集中的地方，原生孔隙保存都较好，如镇74井2 265.13 m，石英颗粒相对丰富，在石英颗粒之间原生孔隙保存很好，即使是受到上覆地层的负荷压实，粒间孔仍能很好保存，在同一块薄片下甚至同一块薄片的同一个视域都可以看到这种情况(图2e—f)。另外，从这些岩屑与砂岩物性的定量相关分析中也可以看到，随着上述塑性岩屑含量增高，砂岩孔隙度逐渐降低(图3)。

研究区塑性岩屑在不同层段和同一层段的不同地区发育不同。纵向上，以长6段—长9段塑性岩屑较丰富，其中长28小层的塑性岩屑含量高达23.8%(表2);平面上，塑性岩屑主要分布于研究区中部的庆城－庆阳、北部耿湾－环县以及南部的宁县－正宁地区，其含量约为16%，西南部镇原地区塑性岩屑含量略低，南部泾川地区资料较少，其统计结果可靠性较低(表3)。

3 碳酸盐岩及火山岩岩屑对溶蚀作用的影响

研究区除了发育上述抗压性较差的泥岩、板岩和千枚岩岩屑之外，还发育较多的刚性碳酸盐岩屑及火山岩岩屑。在碳酸盐岩屑中主要以白云岩岩屑为主。本次研究统计了8 420个薄片资料，有4 800个薄片中见白云岩岩屑，其含量为3%～25%，大多为7%左右，最高可达50%;灰岩岩屑含量稍低，含量大多为3% ～8%，分布也不如白云岩岩屑普遍，8 420个薄片中仅1 510个薄片中见灰岩岩屑，从层段上碳酸盐岩屑集中出现在长1段—长7段。而火山岩岩屑比碳酸盐岩屑更普遍发育，8 420个样品中有7 620个薄片中见火山岩岩屑，几乎每个薄片中均在一定程度上可见火山岩岩屑，但其含量比碳酸盐岩屑少很多，大多为3% ～5%，平均为3.9%，最高层段仅为20%，主要为安山岩、玄武岩岩屑，火山岩岩屑，集中出现的层段主要是长8段—长10段。

这些碳酸盐及火山岩岩屑的存在对岩石的溶蚀性有很大影响，增大了岩石的可溶性，薄片下可见到凡是存在碳酸盐岩屑和火山岩岩屑的地方均存在一定程度的溶蚀。碳酸盐岩屑的溶蚀主要是沿岩屑周围发生形成粒缘溶孔(图4a—b)，而火山岩岩屑的溶蚀多半是发生在岩屑内部，有火山岩岩屑内的长石晶体溶蚀，形成粒内溶孔，镜下可

见到安山岩和玄武岩岩屑的粒内溶孔(图4c—d)。另外，碳酸盐岩屑的存在对石英颗粒有明显的溶蚀交代现象，在薄片下可以见到碳酸盐岩屑对石英进行溶蚀交代，出现碳酸盐岩岩屑蚕食石英颗粒(图4a)，从而减小了岩石的抗压强度。

图2 陇东地区延长组塑性岩屑对压实作用及原生孔隙保存的影响Fig.2 Influence of plastic debris on compaction and preservation of primary pore in the Yanchang Formation of Longdong area

图3 陇东地区长18段塑性岩屑含量与渗透率关系Fig.3 Relations of plastic debris content and permeability of Chang-8 member in Longdong area

表2 陇东地区延长组塑性岩屑及云母含量统计Table 2 Statistics of plastic debris and mica content of Yanchang Formation in Longdong area

表3 陇东地区不同地区储层塑性岩屑平均含量统计Table 3 Statistics of plastic debris content of reservoirs of different regions in Longdong area

图4 陇东地区延长组碳酸盐及火山岩岩屑的溶蚀交代现象Fig.4 Dissolution and replacement of carbonate debris and volcanic debris in the Yanchang Formation of Longdong area

4 云母类矿物对石英稳定性及自生粘土胶结的影响

除了岩屑对岩石压实与溶蚀交代影响外，云母类矿物对岩石压实和压溶及溶蚀交代与自生粘土胶结也有重要影响。

从大量薄片观察发现，凡是存在云母的地方都可以看到石英与云母的交生现象及石英颗粒之间的压溶镶嵌现象，这说明由于云母的存在造成了石英颗粒的不稳定。一方面发生了云母对石英的溶蚀交代，另一方面在石英与石英接触的地方，石英的抗压性大大降低。这可能是由于云母属于含钾类铝硅酸盐矿物，白云母化学成分为 KAl2［AlSi3O10］(HO)2，黑云母为K(Mg，Fe)3［AlSi3O10］(HO，F)2，在地下水作用下云母水化析出钾离子进入水溶液中，在云母与石英颗粒接触的局部环境出现偏碱性，导致石英的不稳定而发生溶解，加之上覆地层负荷作用使之出现石英的压溶(图5a—d)。

图5 陇东地区延长组云母类矿物蚀变与石英压溶及绿泥石、高岭石与含铁矿物胶结的关系Fig.5 Relations of mica alteration to quartz pressure solution and cementation of chlorite，kaolinite and iron-bearing minerals in the Yanchang Formation of Longdong area

在薄片下面还可以看到另外一种有趣的现象就是在云母发生蚀变和云母对石英进行交代的地方，其附近常常绿泥石膜胶结和高岭石胶结及含铁类矿物也很发育(图 5b—f)，如元 191井2 239.05 m的长8段，云母蚀变后在旁边石英颗粒周围形成了明显的绿泥石膜胶结，同时阻止了石英的进一步次生加大。在演17井2 815.5 m的长8段，云母蚀变后在附近石英颗粒之间的粒间孔中形成了许多自生高岭石胶结，这种情况在镇71井的长3段也存在。在云母发生蚀变的地方含铁类暗色矿物也较发育，如庄 23井长7段的1 896.55 m深度处，元191井长8段的2 239.05 m的深度处。根据有关矿物学理论，绿泥石和暗色含铁类矿物如褐铁矿与钛铁矿主要来自黑云母的蚀变，因为黑云母含铁和镁，为绿泥石和含铁矿物的形成提供了其所需要的化学成分。而高岭石的形成主要来自白云母蚀变，白云母加水情况下首先析出钾蚀变为水云母，水云母再脱钾蚀变为高岭石。云母类矿物蚀变形成的绿泥石胶结主要降低岩石的渗透率(图6)，对孔隙度影响不大，而高岭石和含铁类矿物主要降低岩石的孔隙度。

薄片观察统计表明，陇东地区三叠系延长组砂岩中白云母和黑云母的总含量为3% ～12%，最高可达17%，平均为6.3%，不同的层段含量存在一些差异，各层段云母总平均含量分别为4.6%(长2段)、5.8%(长3段)、6%(长4+5段)、7.5%(长6段)、6.6%%(长7段)、6%(长8段)和 5.1%(长9段)，在层段上可以看出长6段、长7段、长8段3个层段云母含量较高。在平面上各层段基本上都是在研究区的东北部的华池白豹地区较多。由于上述的云母对石英稳定性及粘土胶结的影响可知，云母含量越高，物性越差，对于油气充注越不利，因此储层含油性差。平面上，华池东部、合水－塔儿湾，以及东南部的宁县－正宁、泾川一带云母含量较高，含油性较差。

图6 陇东地区延长组储层云母含量与渗透率关系Fig.6 Relations of mica content to permeability in the Yanchang Formation of Longdong area

5 粒度对砂岩压实作用的影响

除了岩石成分对成岩作用有重要影响外，研究区岩石学特征对成岩作用影响的另一个方面是粒度对压实作用的影响。

从大量铸体薄片的观察可以发现粒度粗的砂岩，在埋藏过程中由于压实作用其粒间孔隙损失相对较少，而粒度细的砂岩如粉砂岩，其在埋藏过程中由于压实作用，颗粒间保存的孔隙较少。研究区长8段与长9段的粒度较粗，主要为中细砂岩，部分达粗砂岩，其抗压性较好，压实作用较弱，粒间孔隙较发育。而长6段与长7段较细，主要为粉砂岩和泥质粉砂岩，抗压性较差，压实作用较强，粒间孔隙保存较少(图7)。从不同粒径砂岩孔隙度和渗透率数据统计结果也证实了这一结论(图8)。中－细砂岩平均孔隙度可达11% ～12%，而粉砂岩和泥质粉砂岩的孔隙度往往都低于10%，渗透率具有类似的特征，前者渗透率大多大于1 ×10－3μm2，而后者多小于1 ×10－3μm2。

6 结论

大量岩石薄片研究初步表明，鄂尔多斯盆地陇东地区延长组砂岩岩石学特征对其成岩作用有重要控制，尤其是岩石颗粒的成分与粒度。具体表现为:

1)泥岩、板岩与千枚岩等塑性岩屑大大的影响岩石压实作用，这些岩屑的存在降低岩石的抗压强度，其埋藏过程中挤入孔隙形成假杂基降低岩石的孔隙度;白云岩、灰岩及玄武岩安山岩等岩屑增强了岩石的可溶性，形成大量粒缘溶孔和粒内溶孔。

2)云母在孔隙水的参与下水化析出钾离子造成碱性环境，降低了石英的稳定性，对石英进行溶蚀交代，造成石英的压溶与缝合镶嵌，同时析出的硅铝铁在石英与长石颗粒周围形成绿泥石膜胶结，在粒间孔隙中形成高岭石与含铁类矿物胶结，降低孔隙度和渗透率。

图7 陇东地区延长组粒度对压实作用及原生孔隙保存的影响Fig.7 Influence of granularity on compaction and primary pore preservation in the Yanchang Formation of Longdong area

图8 陇东地区延长组不同粒度砂岩物性对比Fig.8 Physical property comparison of sandstones with different grain sizes in the Yanchang Formation of Longdong area

3)粒度对成岩作用的控制作用主要表现为中－细粒砂岩具有较强的抗压性，保存了较多的原生孔隙，其物性较好;而粉砂岩由于早期快速压实原生孔隙很快损失，成岩流体流通不畅，也影响了次生孔隙的产生，因此原生与次生孔隙均不发育，物性普遍较差。

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