致密砂岩储层自生矿物特征及其对储集性能的影响——以鄂尔多斯盆地陇东地区长3油组为例

张 航，廖明光，姚泾利，廖纪佳

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川 成都 610500；3.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710018）

引言

鄂尔多斯盆地是中国大型含油气盆地之一［1］。随着油田勘探开发程度的不断深入，低孔低渗透油藏已经成为鄂尔多斯盆地油田稳产高产的主要资源［2］。陇东地区位于鄂尔多斯盆地中部伊陕斜坡一级构造单元西南部［3］，受控于西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡和渭北隆起，面积约5×104km2。本次研究区主要位于陇东油区中部，包括环县、庆阳、合水、镇原及华池等区县（图1），是长庆油田石油勘探开发的主战场。研究区基底构造稳定，具有北东和南西两个方向湖盆推进的三角洲沉积体系。长3油组砂体属于湖相三角洲前缘相带，主要发育水下分流河道、河口坝等沉积微相［4］。受沉积环境、砂岩成分及成岩作用等因素的影响，盆地内延长组储层普遍致密化，以低孔低渗为主［5］。一般认为储层物性的好坏取决于沉积作用和成岩作用两个因素之间的组合关系［6］。对于致密砂岩储层而言，成岩作用对储集物性有着至关重要的控制作用［7-9］。砂岩储层较低渗透率的主要成因机理是成岩期各种自生矿物的充填和胶结作用［10］。通过研究低渗砂岩储层中自生矿物特征和成岩模式，有学者认为自生矿物的类型、数量和分布特征是控制储层储集性能的重要因素［11］。

延长组是近年来该区油藏评价的重要层系，潜力巨大，目前已初步落实多个含油有利目标［12］，但对于该地区大面积低渗透背景下，相对高渗储层的展布特征和形成机理研究相对缺乏。本文在前人研究的基础上［13-16］，从长3油组自生矿物特征角度出发，充分利用研究区43口井1302块砂岩样品资料，通过铸体薄片、扫描电镜、阴极发光、电子探针、X射线衍射等技术和手段，对长3油组自生矿物类型、含量、分布及成岩共生序列等特征进行了详细的分析，并探讨各自生矿物对储集性能的影响，为低渗透储层致密化机理的研究提供地质理论依据。

图1 研究区位置及构造单元划分Fig.1 Location and tectonic division in the Ordos Basin

1 岩石学及储层物性

通过对研究区43口井的521块砂岩铸体薄片镜下鉴定和统计分析，陇东地区延长组长3储层岩石类型以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，其次为长石砂岩（图2）。长3储层碎屑成分包括石英、长石和岩屑，成分成熟度Q／（F＋R）偏低。碎屑成分中石英含量主要分布在30% ～46%，平均值为37.55%；长石含量主要分布在0～27%，平均值为26.16%；岩屑含量主要分布在0～26%，平均值为17.88%，其中刚性岩屑占53%，以碳酸盐和石英岩屑为主；塑性岩屑和云母含量占47%，以千枚岩和板岩为主。通过X射线衍射和扫描电镜等资料分析表明，砂岩中杂基含量较低，约占1.64%；胶结矿物含量约为12.25%，成分包括石英、绿泥石、伊利石、高岭石、铁方解石、铁白云石及少量方解石和白云石等。陇东地区延长组长3储层粒度以细砂为主，其次为中砂，粉砂和粗砂相对较少；分选以好和中等为主；磨圆主要为次棱角状，结构成熟度较好。

图2 陇东地区长3油组砂岩分类三角图Fig.2 Triangular diagram of the sandstone types from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

长3油组孔隙类型以残余粒间孔为主，其次为粒内溶孔（以长石粒内溶孔和岩屑粒内溶孔为主），其他类型的孔隙含量低，平均面孔率约5.22%。通过对陇东地区长3油组220块样品的物性数据统计分析，结果显示砂岩孔隙度一般介于10% ～18%，主要分布范围为12% ～16%，平均孔隙度为13.35%；渗透率一般介于（0.1 ～10）×10-3μm2，主要分布范围为（0.3～1）×10-3μm2以及大于10×10-3μm2，平均渗透率为 4.90 ×10-3μm2，为典型的低孔低渗透致密砂岩储层。

2 自生矿物类型

自生矿物是指在沉积过程中或之后的沉积物中原地生长而形成的矿物，其赋存形式、含量以及分布对致密砂岩储层物性有着重要的影响［17］。本文通过研究区大量铸体薄片、扫描电镜和X射线衍射资料分析表明，长3油组自生矿物类型主要为黏土矿物（5.57%）、碳酸盐矿物（3.81%）和硅质矿物（2.25%）。

2.1 黏土矿物

研究区长3储层黏土矿物分布广泛、种类多，总含量约占5.57%。通过对研究区105个样品X射线衍射分析表明，长3储层中自生黏土矿物包括绿泥石、伊利石、高岭石和伊／蒙混层等，其中绿泥石（3.31%）含量最高，其次是伊利石（1.12%）和高岭石（0.91%），伊／蒙混层含量较少（表1）。

表1 陇东地区长3油组自生黏土矿物类型及含量统计表（XRD分析）Table 1 Statistics of types and contents of the authigenic minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region based on the X-ray diffraction analysis

绿泥石广泛分布于我国各含油气盆地，尤其是中、新生代陆相含油气盆地砂岩储层中，大多数的绿泥石以孔隙环边衬里（颗粒包膜）形式产出［18］。鄂尔多斯盆地上三叠统物源主要来自盆地北部和西南部，北部物源区富含火山物质、铁镁矿物，有利于绿泥石的形成［19］。研究区长3油组砂岩中绿泥石分布广泛，相对其它自生矿物含量较高，是该区最重要的自生黏土矿物。绿泥石胶结物在砂岩中主要以颗粒包膜或孔隙充填物形式出现（图3a）。显微镜下观察可见，绿泥石呈一种近似等厚的环边（图3b、c），厚度约8 ～10μm，包绕在碎屑颗粒外面，阻碍碎屑颗粒与孔隙接触。绿泥石发育的区域，石英次生加大现象少见（图3d），绿泥石膜包裹于石英颗粒表面抑制了石英的生长，说明绿泥石的生长至少持续到石英沉淀以后。笔者通过电子探针手段分析了绿泥石的化学组成，结果表明不同世代的绿泥石具有不同的元素构成：早期的绿泥石富含铁，而相对晚期的绿泥石铁含量则相对较低，Fe／Mn比值逐渐降低（表2），因此研究区绿泥石的生长经历了多期沉淀胶结。

自生伊利石形成于流动的富钾水介质环境中［20］，是砂岩储层中常见的黏土矿物之一。黏土矿物中伊利石含量仅次于绿泥石，约为1.12%，一般呈丝缕状或毛发状生长于颗粒表面或充填孔隙，形成于中成岩A期。长石等硅酸盐矿物经风化脱钾后可形成伊利石碎屑，黑云母水化也可形成伊利石黏土（图3e）。扫描电镜观察显示，长3油组砂岩中伊利石主要以毛发状、弯片状形态出现（图3f、g），以孔隙衬边形式分布在孔壁。

表2 研究区长3油组不同世代自生绿泥石化学组成电子探针分析结果Table 2 Chemical compositions of the authigenic chlorite of different generations from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region based on the electron probe analysis

高岭石含量相对较低，约占0.91%，镜下呈书页状或蠕虫状集合体（图3h），分布于砂岩粒间孔或次生溶孔中。自生高岭石的沉淀在很大程度上与长石的溶解有关。在早成岩期，由于大气水中的二氧化碳水进入孔隙，在酸性环境中钾长石转化为高岭石，随着孔隙水由酸性变为碱性，高岭石逐步转化为伊利石。在镜下常可观察到高岭石与长石溶蚀共生（图3i），局部溶蚀作用强烈。研究区伊／蒙混层矿物含量极少（低于15%），其形态介于伊利石和蒙脱石之间，呈不规则片状或皱纹状，常以塔桥式充填孔隙。

2.2 碳酸盐矿物

由于碳酸盐的各类胶结物物理性质相似，普通薄片下很难区分，我们采用染色法和阴极发光法鉴定。在铁氰化钾和茜素红混合液染色下，方解石呈鲜红色，铁方解石呈紫红色，白云石不染色，铁白云石呈蓝色。通过薄片分析数据显示，研究区长3油组自生碳酸盐矿物含量约为3.81%，仅低于黏土矿物，其中铁白云石（1.72%）、铁方解石（1.67%）含量较高，方解石（0.31%）和白云石（0.11%）含量相对较低（表3）。

碳酸盐胶结物形成于成岩期的各个阶段，早期生成的碳酸盐胶结物结晶程度较差，晶粒一般较小；晚期生成的碳酸盐胶结物晶粒一般较大，常充填在粒间孔内，或交代骨架颗粒［21］。通过镜下观察统计，长3油组碳酸盐矿物以亮晶为主，多为晚期生成的含Fe2＋白云石和含Fe2＋方解石。铁方解石阴极发光呈橙色（图4a），铁白云石染色后呈蓝色、铁方解石染色呈紫红色（图4b），充填在粒间孔隙。方解石和白云石矿物含量均较低，在各层中少见，一般呈嵌晶状产出，充填次生孔隙，面孔率低，胶结作用强烈。自生碳酸盐矿物除了充填孔隙外，也可胶结充填骨架碎屑颗粒。研究区碳酸盐矿物往往有多期胶结，如铁白云石交代石英碎屑颗粒（图4c）；铁白云石交代石英次生加大边（图4d）；在长石或石英等颗粒发生溶蚀后，早期的白云石胶结形成环边，后期又被铁方解石胶结充填周边次生孔隙（图4e）；以及铁白云石交代白云石颗粒等（图4f）。

图4 陇东地区长3油组砂岩碳酸盐矿物类型及特征Fig.4 Types and characteristics of the carbonate minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

2.3 硅质矿物

陇东地区延长组长3油组自生硅质矿物发育普遍，含量约为2.25%，低于黏土和碳酸盐矿物，其沉淀作用有限。硅质矿物一般以环绕石英颗粒周围的次生加大边和充填孔隙的自生石英晶粒为主要的产出形式。

硅质沿石英颗粒边缘再生长是最常见的石英胶结方式。研究区内石英次生加大明显（图5a、b），大多数发育2～3期，以Ⅱ级和Ⅲ级为主（图5c）。石英加大边使得颗粒呈镶嵌状接触（图5d），加大边的宽窄通常不均一，这是因为石英生长受到了空间限制或者压溶作用造成的。自生石英晶粒在电镜下呈六方双锥形，结晶程度好于石英次生加大边，晶体完整、表面洁净、晶棱明显。据镜下观察，研究区内常见生长在绿泥石膜或伊利石表面的自生石英晶粒（图5e），以及分布在残余粒间孔和铸模孔中的自生石英（图5f、g）。从产出形态上看，自生石英晶粒形成时间晚于绿泥石胶结物。

在个别样品残余粒间孔中，发现有少量黄铁矿出现（图5h），大小在10μm左右，含量约为0.09%，占据了少量孔隙空间。自生长石胶结在研究区较为常见，各层都有分布，但是含量较低，约占0.53%，以碎屑长石次生加大边的形式出现于孔隙中（图5i）。

3 砂岩储层中自生矿物对储集物性的影响

自生矿物的成岩过程是控制致密砂岩储层物性变化的重要因素之一［22］。比如早成岩阶段形成的绿泥石薄膜对原生孔隙有一定的保护作用［23-24］；碳酸盐胶结物的沉淀、分布，以及后期成岩演化（交代、溶解等）对于储层品质影响较大［25］。在储层演化中，石英次生加大充填粒间孔隙，是造成孔隙度降低的重要因素［26］。也有研究表明一些自生矿物的胶结作用在储集空间演化过程中具有双重作用，一方面其沉淀占据了孔隙空间，另一方面其伴生的成岩作用又会使储集空间得到保护。本文通过成岩产物（主要的自生矿物）与孔渗相关性表征，建立自生矿物成岩共生序列，来探讨长3油组自生矿物对储层储集性能的控制作用。

图5 陇东地区长3油组硅质矿物类型及特征Fig.5 Types and characteristics of the siliceous minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

3.1 自生矿物对储集物性的影响

研究区长3油组主要黏土矿物包括绿泥石、伊利石和高岭石。绿泥石一般以包膜形态或孔隙充填式产出。统计表明，当绿泥石含量相对较低时，孔隙度随着绿泥石含量的增加而增大（图6a），但是当含量升高到一定数值（约5.3%）时，孔隙度开始降低；渗透率则与绿泥石含量呈负相关关系，其大小随着绿泥石含量的增加而减小（图6b）。自生绿泥石的生长条件除了充足的铁、镁物质，还需要充足的生长空间。研究区长3油组砂体属于湖相三角洲前缘相带，主要发育水下分流河道、河口坝等沉积微相，这些部位水动力条件较强，成岩早期大量的原生孔隙得以保存，为绿泥石胶结物的生长提供了所需生长空间。由于早成岩阶段形成的绿泥石膜附着在颗粒表面，堵塞喉道，渗透率显著降低；而孔隙度前期增加是因为绿泥石膜隔断了矿物表面孔隙水，抑制了石英等矿物的次生加大，增加了砂岩的机械强度和抗压实能力，有利于一定原生孔隙的保存；绿泥石的生长会一直持续到晚成岩阶段，当绿泥石含量过高时，则孔隙空间减少，渗透率下降，导致储层物性变差。

图6 陇东地区长3油组砂岩黏土矿物含量与物性交会图Fig.6 Cross plots of clay mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

伊利石含量约占1.12%，孔隙度与渗透率两者与伊利石含量都呈负相关关系（图6c、d），孔隙度和渗透率都随着伊利石含量的增加而降低。伊利石集合体呈毛发状、纤维状充填粒间孔隙内，极易堵塞孔隙喉道，使有效孔变为无效微孔，从而大大降低了储层的渗流能力。伊利石对储层物性起破坏性作用。

高岭石含量约占0.91%，相对于前两者含量更低。随着高岭石含量的增加，孔隙度与渗透率两者都随之增大（图6e、f），但是曲线斜率较低。长3储层长石含量较高（平均值约26.16%），高岭石沉淀往往与长石溶蚀相伴生（图3i），一方面自生高岭石会充填孔隙，另一方面长石的高岭石化产生了部分次生孔隙，结合两方面考虑，研究区高岭石胶结对储层孔隙度和渗透率影响不大。总体上来说，长3油组自生黏土矿物对储层物性起负面效应。

研究区长3油组碳酸盐矿物以铁白云石、铁方解石为主。孔隙度和渗透率都随着碳酸盐含量的增加而降低（图7a、b）。尽管碳酸盐胶结物易于溶蚀，但研究区内碳酸盐矿物镜下溶蚀现象较为少见，晚期含铁碳酸盐主要是对储集层孔隙的胶结和充填，使原生及次生孔隙大为降低，渗透率减小，不利于储层物性的良好发育。

陇东地区延长组长3油组硅质矿物主要为石英。孔隙度随着硅质含量的增加，两者呈负相关关系，但是曲线斜率绝对值不大（图8a）；渗透率随着硅质含量的增加而下降（图8b）。硅质胶结主要以石英次生加大和自生石英晶粒两种方式产出，占据了孔隙空间，同时加强了砂岩储层的抗压实性，因此孔隙度下降幅度较小。颗粒的次生加大边会填塞孔隙喉道而使储层渗透率变差。同时研究区绿泥石发育，对石英次生加大抑制突出，因此，硅质胶结矿物对长3储层砂岩致密化程度影响不大。

图7 陇东地区长3油组砂岩碳酸盐矿物含量与物性交会图Fig.7 Cross plots of carbonate mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

图8 研究区长3油组砂岩硅质矿物含量与物性交会图Fig.8 Cross plots of siliceous mineral contents and porosity and permeability of the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

3.2 自生矿物成岩共生序列

为了更好地说明以上自生矿物对长3储层物性的影响，因此有必要建立研究区自生矿物成岩共生序列。通过铸体薄片分析，孔隙类型以残余粒间孔为主，主要呈点-线状接触。绿泥石、伊利石等黏土矿物发育，伊蒙混层比小于15%；铁方解石、铁白云石含量较高；石英具Ⅱ-Ⅲ级次生加大；长石颗粒溶蚀可见；通过22个包裹体测温数据显示，其均一温度主要分布于85～120℃之间；镜质体反射率Ro值介于0.7～0.9。根据2003年修订并颁发的中国碎屑岩成岩作用阶段划分新标准，可以判断长3砂岩储层目前主要处于中成岩阶段A期。

成岩序列是基于成岩现象和成岩矿物之间的交生关系而建立的。笔者根据薄片和扫描电镜观察，按照颗粒之间的接触关系，溶解充填顺序来分析研究区砂岩自生矿物共生序列（图9）。

（1）早期绿泥石薄膜的形成伴随着压实作用的产生（图3a），导致储层原生孔隙度大量降低；（2）镜下可见石英加大表面被绿泥石黏土包裹，说明晚期绿泥石胶结在石英加大边之后（图3d）；（3）书页状高岭石一般形成于早成岩晚期和中成岩早期（图3h），长石等颗粒往往发生溶蚀作用，与高岭石伴生（图3i）；（4）伊利石常由高岭石和长石的转化而来，长石溶蚀后，丝状、毛发状伊利石充填孔隙；（5）自生石英晶粒一般出现在绿泥石膜形成后的残余粒间孔或长石溶蚀铸模孔中（图5f、g），说明自生石英晶粒形成时间晚于绿泥石膜和溶蚀作用发生的时间；（6）镜下可见铁方解石和铁白云石交代充填石英、长石等颗粒（图4d、e），碳酸盐矿物溶解作用程度较低，含铁碳酸盐形成时间晚于溶蚀作用。根据自生矿物或成岩事件首次出现的相对顺序，长3油组自生矿物共生序列如下：机械压实作用→早期绿泥石膜沉淀→长石溶蚀→自生伊利石、高岭石等沉淀→石英次生加大Ⅱ-Ⅲ级、石英晶粒充填→铁方解石、铁白云石胶结充填及少量溶蚀。

图9 陇东地区长3油组砂岩自生矿物成岩序列Fig.9 Diagenetic sequences of the authigenic minerals from the Chang-3 oil reservoirs in the Longdong region

4 结论

（1）陇东地区长3油组属典型的低孔低渗透致密砂岩储层。自生绿泥石多以包膜形式产出，早期的绿泥石膜对储层原生孔隙有一定保护作用，同时抑制了石英等自生矿物加大，晚期孔隙式充填使孔渗降低；伊利石一般以毛发状、丝缕状存在于次生孔隙，堵塞吼道，破坏储层物性；高岭石沉淀往往与长石溶蚀伴生，局部溶蚀作用强烈，对孔隙的充填和增加作用相当；晚期含铁碳酸盐胶结作用发育，镜下溶蚀现象少见，对储层的发育具有负面效应；石英一般以次生加大边和自生石英晶粒产出，增加岩石抗压性，同时降低了孔渗值，对储层物性发育影响不大。自生矿物胶结是控制陇东地区长3油组储层致密化重要因素之一。

（2）长3储层砂岩目前处于中成岩A期，自生矿物成岩共生序列为机械压实作用→早期绿泥石膜沉淀→长石溶蚀→自生伊利石、高岭石等沉淀→石英次生加大Ⅱ-Ⅲ级、石英晶粒充填→铁方解石、铁白云石胶结充填及少量溶蚀。

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