鄂尔多斯盆地延长组物源与成岩耦合关系研究

2013-08-20丁晓琪韩玫梅万友利

地质与勘探 2013年2期

丁晓琪，韩玫梅，刘岩，万友利

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都 610059;2.西南石油大学资源与环境学院，四川成都 610500)

0 引言

寻找具有商业价值的油气富集带很大程度上依赖于对储层的预测，特别是深层致密碎屑岩储层，储层预测存在很大的风险和难度(Taylor et al.，2010)。一般来说，储集物性好的储层均与弱压实、弱胶结、强溶蚀及油气的早期充注有关。砂岩的压实作用除了与作用在骨架颗粒上的有效应力有关，还与砂岩颗粒组分有密切的关系。同样的有效应力情况下，刚性颗粒和塑性颗粒具有不同的压实强度(Paxton et al.，2002;Bloch et al.，2003)，而刚性颗粒的含量直接受物源区母岩及沉积环境的控制。胶结物主要起破坏孔隙的作用，而某些早期的胶结物，反过来不仅可以抑制上覆地层的机械压实作用，还可以阻止石英的次生加大，如绿泥石环边和微晶石英(Anjos et al.，2003;Berger et al.，2009;French et al.，2012)，但是这些胶结物的形成除了受成岩环境的控制，还受物源区母岩性质的控制。溶蚀作用对储层颗粒组分的依赖就更加明显了，长石、火山岩屑、碳酸盐岩屑和沸石类胶结物具有化学性质不稳定性的特点，相对容易发生溶蚀(黄思静等，2009)，而石英、变质岩屑和部分沉积岩屑则较难发生溶蚀。

由此可见，受物源控制的颗粒组分与成岩作用有着非常密切的关系，本文以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长8－长6段为例，研究由不同母岩形成砂岩成岩作用的差别，分析物源对成岩作用的控制作用，为高效储层的预测提供新思路。

1 区域地质特征

上三叠统延长组是一套内陆湖泊－三角洲碎屑岩沉积，湖盆经历了发展、兴盛、衰亡三个阶段。延长组沉积期，湖盆周缘存在多个古陆。湖盆西南为陇西古陆，母岩为中上奥陶统－志留系的碳酸盐岩、浅变质岩、中－酸性火山岩。湖盆西北为阿拉善古陆，母岩为一套黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、变粒岩及各种混合岩，夹少量的火山岩。湖盆东北为阴山古陆，母岩为一套孔兹岩系，富含长石和黑云母(杨华等，2007)。盆地南部为秦岭古陆，母岩由黑云母斜长片麻岩、斜长角闪岩、石英岩、中酸性火山岩和大理岩组成，局部还有海西－印支期的花岗岩体。

延长组自下而上划分为10段，依次为长10段－长1段。长7段为湖盆发育的鼎盛阶段，沉积了一套半深湖－深湖暗色泥岩、油页岩，是盆地中生界的主力烃源岩，湖盆中心烃源岩厚约100m。长8段、长6段的三角洲前缘水下分流河道砂体是良好的储集层，但储层储集物性差，为超低渗－特低渗储层(李春玉等，2002;邓秀芹等，2009;张哨楠等，2010)。

上三叠统长8段和长6段为盆地中生界主要的勘探与开发层系，由于构造平缓，为我国典型的致密岩性油气藏。在致密低渗背景中寻找高效储层是勘探、开发的关键，本次选取了盆地具有代表性的三个区块作为研究对象(图1)。

姬塬区块位于盆地西部，物源来自北西方向的阿拉善古陆(王昌勇等，2008)，镇泾区块位于盆地西南缘，物源来自南西方向的陇西古陆，富县区块位于盆地东部，物源来自北部的阴山古陆(罗静兰等，2008)。

2 储层岩石学特征

姬塬区块离阿拉善古陆较近，长8段和长6段为一套三角洲平原－前缘沉积，骨架砂体为三角洲平原分流河道砂岩和三角洲前缘水下分流河道砂岩。砂岩分选中等，岩性为中－细粒岩屑长石砂岩或长石岩屑砂岩，局部可见粗粒砂岩。石英含量平均35%，主要为单晶石英，长石含量平均30%，斜长石含量高于钾长石。岩屑含量平均35%，主要为千枚岩、石英岩，其次为喷出岩，含少量的沉积岩和黑云母。碳酸盐胶结物主要为方解石和铁方解石，较为普遍，平均7%。高岭石普遍可见，呈手风琴或蠕虫状集合体，平均2%，绿泥石含量在三角洲前缘较高，呈孔隙衬里出现，平均3%，伊利石普遍可见，平均2%，石英次生加大普通，平均2%，浊沸石不见。

图1 延长组长8段沉积相略图及研究区位置图Fig.1 Map showing sedimentary facies of the Yanchang Fm.8th member and location of study area

镇泾区块长8段和长6段为一套三角洲前缘沉积，主要的砂体类型为三角洲前缘水下分流河道和河口坝砂岩。岩性为细－中粒岩屑长石砂岩或长石岩屑砂岩。单晶石英占主要优势，平均25%，多晶石英平均10%。长石含量平均33%，斜长石和钾长石近似相等。岩屑含量平均32%，主要为千枚岩、板岩和中－酸性火山岩屑，碳酸盐岩屑。碳酸盐胶结物仍主要为方解石、铁方解石和铁白云石，平均9%。绿泥石含量较低，高岭石常见，平均1.6%，伊利石含量最高7%，平均3.5%，为主要的粘土矿物，石英加大不明显，未见浊沸石。

富县区块远离阴山古陆物源，长8段和长6段为三角洲前缘、浅湖沉积，砂体类型主要为三角洲前缘水下分流河道、河口坝、席状砂和浅湖砂坝，分选好。岩性为细－极细粒长石砂岩。石英含量较低，最大52%，平均36%;长石含量较高，斜长石平均34%，钾长石平均15%;岩屑中火山岩屑和沉积岩屑少见，主要为石英岩、千枚岩和板岩，少量麻粒岩，黑云母含量较高，最高可达18%，平均6%。方解石和铁方解石含量平均6%，铁白云石偶见;粘土矿物中绿泥石和伊利石含量较高，平均5.5%和6%，高岭石含量较低，仅1%;石英次生加大不明显，浊沸石易见，主要分布在长7－长6段。

3 储层主要成岩作用

3.1 压实作用

延长组砂岩储层的压实作用较强，压实强是储层致密的一个最主要原因，但不同地区由于砂岩中塑性颗粒含量不同而导致的压实差别明显。延长组塑性颗粒主要是黑云母、浅变质岩岩屑和火山岩岩屑，薄片中易见由于塑性颗粒形变导致的储层致密无孔。对于同一个样品，在塑性岩屑少的区域，颗粒呈点－线接触，孔隙发育，而在塑性岩屑富集的区域，颗粒呈线－凹凸接触，形成致密无孔段(图2－a)。早成岩阶段形成的胶结物对压实作用具有明显的抑制作用，特别是成岩早期形成的绿泥石环边、浊沸石(图2－b)，可有效抑制上覆地层的压实作用。

3.2 胶结作用

3.2.1 碳酸盐胶结

碳酸盐胶结物包括方解石、铁方解石和铁白云石。长8－长6段致密砂岩最主要的胶结作用为(铁)方解石胶结，呈大面积胶结。无铁方解石往往使颗粒呈嵌晶胶结，形成致密无孔层段;而铁方解石和(铁)白云石充填在环边绿泥石或石英加大边形成后(图2－c)，方解石胶结物在研究区未见任何溶蚀现象。碳酸盐胶结物在三个地区均非常普遍，但镇泾区块碳酸盐胶结物最为常见，其它两个地方略低。

3.2.2 环边绿泥石胶结

绿泥石胶结物在研究区常见，绿泥石在颗粒接触处消失(图2－d)，且绿泥石常常呈等厚环边，说明形成时，水循环畅通，为成岩早期的产物，但略晚于初始压始阶段。绿泥石的形成可以分为两个阶段:首先颗粒表面黏土矿物在富铁、富镁的孔隙水中转化形成颗粒包膜;其次被孔隙水中沉淀出来的绿泥石所包裹，形成孔隙衬里。从颗粒边缘向孔隙中心，绿泥石的自形程度变好，具有明显的世代性，先期形成的贴近颗粒边缘的绿泥石晶形差，而后期形成的靠近孔隙中心的绿泥石具有好的晶形(丁晓琪等，2010;2011)。

绿泥石胶结物在富县地区最为发育，姬塬地区也可见大量的绿泥石包壳，但南部较北部发育，镇泾地区相对欠发育。

3.2.3 高岭石胶结

高岭石也是研究区非常常见的一种胶结物。高岭石一般认为是酸性介质条件下的产物，常与大气淡水有关(Anjos et al.，2000;Franca et al.，2003;Higgs et al.，2007)。根据高岭石的产出状态，可将高岭石分为两种，蚀变高岭石和淀高岭石(图2－e)。蚀变高岭石指长石发生蚀变后原地堆积，长石颗粒的轮廓保存完整;另一种为淀高岭石，高岭石呈分散状分布于喉道和孔隙中，这种高岭石可能是流体由于过饱和而沉淀形成。在薄片中还可见高岭石向伊利石的转化，高岭石晶体间充填伊利石或高岭石晶体边缘发生不规则的卷曲(图2－f)。

高岭石胶结物在姬塬地区和镇泾地区由于大气淡水淋滤长石而常见，富县地区由于沉积环境限制了大气淡水的淋滤，使长石得以很好的保存，蚀变形成的高岭石偶见。

图2 延长组致密砂岩储层典型薄片照片及扫描电镜照片Fig.2 Thin-section photomicrographs and scanning electron microscope microphotographs of tight sandstones from Yanchang Formation

3.2.4 伊利石胶结

伊利石胶结物在延长组非常普遍，特别是富县地区和镇泾地区。常呈片状或纤维状附着在碎屑颗粒之上(图2－g)，有时也在粒间呈搭桥状。根据其产出状态，可以划分为两种:一种为鳞片状或卷曲状，往往是由蒙脱石的伊利石化形成;另一种呈纤维状，充填在粒间孔中，在扫描电镜下，纤维状伊利石往往位于鳞片状伊利石之上。

3.2.5 浊沸石胶结

浊沸石胶结物在富县地区及其以北的长3段、长4+5段、长6段、长7段均有分布，含量一般在6% ～12%，最大达到20%(白清华等，2009)，镇泾地区及姬塬地区未见。安塞油田和志靖油田长6段砂岩中的浊沸石溶蚀率最高可达60%，形成低渗背景下的高孔渗储层。浊沸石常见于粒度较粗、分选较好、杂基含量低的细砂岩中。

浊沸石的产出状态主要由两种:一种呈嵌晶胶结，解理发育，沿解理可见溶蚀形成的填隙物内的溶孔(图2－b);另一种沿斜长石解理缝分布，呈交代假象。含浊沸石的长石砂岩往往以钠长石为主，少量钾长石，不含钙长石。

3.3 溶蚀作用

长8－长6段次生孔隙发育，可见大量的长石(包括斜长石和钾长石)、火山岩屑、碳酸盐岩屑和浊沸石胶结物发生溶蚀(图2－b，h)，但在不同的地区其溶蚀对象和溶蚀程度存在很大的差别。姬塬地区主要是长石的溶蚀，产生的次生孔隙为2.5%，其次是火山岩屑的溶蚀和杂基的溶蚀，产生的次生孔隙为0.5%。镇泾地区主要是长石的溶蚀，产生的次生孔隙为2%，其次是中－酸性火山岩屑和碳酸盐岩屑的溶蚀，可达1%。富县地区次生孔隙主要是长石的溶蚀和浊沸石的溶蚀，分别占3%和1.5%。

4 讨论

4.1 物源对压实作用的控制

压实作用的强弱与三个因素有关。第一，压实强度与作用于骨架颗粒上的有效应力有关;第二，压实强度与塑性颗粒的含量有关;第三，压实强度与早期的胶结物有关，其中前两个因素是主要因素。

研究认为:压实作用主要发生在2000m以上地层，当埋深超过这个深度之后，如果杂基含量不是很高，压实作用表现微弱(Bloch et al.，2002;Ajdukiewicz et al.，2010)。埋藏史研究结果表明(李荣西等，2006)，三个研究区长8－长6段的最大埋深均超过2000m，所以由于埋深差别引起的压实作用是可以忽略的。

塑性颗粒的形变是影响压实强度的另一个主要原因。假设研究区砂岩的初始孔隙度为40%，研究区常见的塑性岩屑包括黑云母、浅变质岩屑和火山岩屑，对于其它类型的岩屑，往往在压实过程中形变不明显，不统计在内。样品主要选择胶结物含量较低的砂岩，那么就可以用压实损失率进行压实强度的评估。从图3可以看出，当塑性岩屑含量超过20%时，压实作用非常明显，压实损失率超过75%，导致其孔隙度普遍低于8%。当塑性岩屑含量在10% ～20%时，压实作用仍比较明显，压实损失率在60% ～80%，其孔隙度一般在10%左右。而当塑性岩屑含量低于10%时，如果碳酸盐胶结不重，压实损失率一般低于60%，砂岩孔隙度普遍超过10%。由此可见，塑性岩屑含量直接影响着因压实作用而损失的孔隙。

图3 压实作用与胶结作用对储层孔隙的影响Fig.3 Plot of cementation versus compaction for sandstone samples

姬塬地区延长组的物源为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、变粒岩及各种混合岩，夹少量的火山岩。沉积物粒度粗，再加上离物源近，塑性岩屑含量并不高，虽然埋藏最大，但压实作用是三个地区中最弱的。镇泾地区延长组的物源主要为浅变质岩和中－酸性火山岩屑，由于离物源近，板岩和火山岩屑被大量保存下来，导致成岩早期的压实作用较强，储层致密。富县地区延长组的物源为阴山古陆的孔兹岩系，为一套深变质的二长麻粒岩，其中含有大量的黑云母，而且富县地区离物源较远，砂岩粒度较细，利于云母的沉积，导致砂岩中黑云母含量普遍偏高，其压实强度最大。

4.2 物源对绿泥石胶结物的控制

绿泥石是砂岩储集层中重要的成岩矿物之一，绿泥石的含量、产状及分布对储层原生孔隙的保存有十分重要的意义，特别是对深层致密碎屑岩储层(Ehrenberg，1993;田建锋等，2008)。绿泥石胶结物对储层的建设性作用主要表现为:一方面具有减缓上覆地层的机械压实作用，另一方面可以阻止石英的次生加大(Aagaard et al.，2000;罗静兰等，2008;Berger et al.，2009)。绿泥石属于富铁、镁的层状硅酸盐矿物，形成于富铁的碱性环境。要形成绿泥石，首先要解决铁的来源。一般认为，火山岩屑、黑云母及角闪石等富铁物质的水解可以提供丰富的铁(De Ros et al.，1994;Remy，1994;Anjos et al.，2003;黄思静等，2004;田建锋等，2008)，还营造了一个开放的碱性还原环境，由于物质来源丰富，孔隙流体通畅，常能形成大量的自生绿泥石，这是常见的孔隙衬里绿泥石的主要成因。盆地周缘的陇西古陆、阿拉善古陆和阴山古陆均能提供火山岩物源，所以盆地延长组中普遍发育绿泥石胶结物，但由于火山岩类型和数量的不同，导致其绿泥石的发育程度存在差别。

姬塬地区的物源为阿拉善群，存在少量的中基性喷出岩，能够提供形成绿泥石所需的铁和镁，绿泥石胶结物较发育。由于姬塬地区离物源近，北部处于三角洲平原，南部处于三角洲前缘，河水中的铁在河口附近因沉积盆地电解质的加入，发生絮凝形成含铁沉积物，所以南部的绿泥石含量要高于北部。富县地区的物源为阴山古陆的孔兹岩系，可以提供大量的黑云母，而且该地区延长组砂岩含有大量的凝灰岩夹层，凝灰岩和黑云母的水解可以提供大量的铁和镁，再加上富县地区位于三角洲前缘－前三角洲环境中，所以在储层中形成了大量的绿泥石胶结物。镇泾地区物源为浅变质岩和中－酸性火山岩，黑云母、角闪石和富铁的火山岩屑相对较低，所以提供的铁和镁有限，导致其绿泥石含量普遍偏低。

4.3 物源对浊沸石胶结物的控制

浊沸石的形成要求有高浓度的SO2和碱金属离子，延长组浊沸石主要由火山物质水解形成(杨晓萍等，2002;丁晓琪等，2011)。

浊沸石的分布主要受盆地北部阴山古陆物源的控制，阴山古陆在二叠纪末期伴随有强烈的岩浆侵入与火山喷发活动(朱国华，1985)，这些岩浆活动一直持续到三叠纪。钙碱性岛弧型火山物质(如火山角砾岩，凝灰岩)为延长组的沉积提供了部分物源。因此，富县以北地区延长组中发育多层凝灰岩、含凝灰质泥岩及火山碎屑岩。早成岩阶段，凝灰岩和火山岩屑的玻屑脱水形成Ca2+，Mg2+，Na+，Fe3+等阳离子，其中Mg2+，Fe3+离子形成绿泥石，Ca2+、Na+离子形成钙十字沸石。之后，随着温度的升高，最终钙十字沸石脱水形成化学性质相对稳定的浊沸石。

从延长组物源可以看出，仅有阴山古陆可以提供大量的钙碱性火山物质，为浊沸石的形成提供物质来源。所以浊沸石的分布明显受阴山古陆的物源控制，三个研究区中仅在富县地区存在。

4.4 物源对碳酸盐胶结物的控制

碳酸盐胶结物在碎屑岩储层中易见，对储层的储集物性起破坏性作用，鄂尔多斯盆地延长组储层致密的主要原因之一就是碳酸盐的胶结(张哨楠等，2010)。

湖相地层中，碳酸盐胶结物的成因有多种，常见的有来自于湖水的直接沉淀;碳酸盐岩屑的溶解－再沉淀;与有机碳有关的碳酸盐沉淀等。

湖水中直接沉淀形成的碳酸盐胶结物往往不含铁，形成时间早，以嵌晶胶结为主，形成局部致密无孔层段。与碳酸盐岩屑溶解－再沉积形成的碳酸盐胶结物往往保留了碳酸盐岩屑的某些特征，特别是同位素和微量元素特征。与有机碳有关的碳酸盐胶结物往往与干酪根生烃有关，形成时间较晚。

镇泾地区延长组由于印支运动被抬升暴露，延长组遭受不同程度的剥蚀，不整合面之下出露长6段、长4+5段。在长6段中见铁白云石胶结物，该铁白云石的典型特点是含Na，Sr和Ba，而富县地区和姬塬地区的铁白云石则明显不含Na，Sr和Ba，说明镇泾地区铁白云石的形成机理与富县地区和姬塬地区存在差别。镇泾地区长6段砂岩中的白云岩岩屑也含Na，Sr和Ba，说明该地区的铁白云石胶结物很有可能来自白云岩岩屑溶解－再沉淀。铁白云石胶结物的同位素特征也表明其与白云岩岩屑具有亲源关系(吴素娟等，2005;孙致学等，2010)。

通过以上分析可以看出:姬塬地区的喷出岩和变质岩物源导致压实弱，绿泥石环边发育，大气淡水淋滤长石形成的高岭石含量高。镇泾地区由于富含浅变质岩、中酸性火山岩和碳酸盐岩岩屑，压实作用强，方解石胶结重，绿泥石环边欠发育。富县地区，孔兹岩系的物源和大量的火山灰导致绿泥石环边和浊沸石胶结物发育，而大量存在的黑云母使压实作用最强。

5 结论

(1)碎屑岩颗粒的组分很大程度上受控于物源，对于具有近似古地温、沉积环境的碎屑岩来说，颗粒组分对后期成岩作用具有明显的控制作用。

(2)阿拉善古陆为一套黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、变粒岩及各种混合岩，夹少量的火山岩。成岩作用的典型特征是压实较弱，长石及火山岩的溶蚀较强，高岭石化强，绿泥石环边发育。

(3)陇古古陆为一套碳酸盐岩、浅变质岩和中－酸性火山岩。成岩作用的典型特征是压实强，高岭石含量高而绿泥岩含量低，溶蚀作用中等，碳酸盐胶结物含量高。

(4)阴山古陆为一套深变质的孔兹岩系夹少量的火山岩。成岩作用的典型特征是压实差别较大，绿泥石含量高而高岭石几乎不见，浊沸石含量高且溶蚀明显，由长石和浊沸石溶蚀形成的次生孔隙发育。

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