碎屑岩成岩作用及其对储层的影响——以鄂尔多斯盆地镇泾地区为例

刘长利，刘 欣，张莉娜，陈贞龙，李吉君，王伟明，马 锋

(1. 中国石化 华东油气分公司 勘探开发研究院，南京 210000； 2.中国石化 华东油气分公司 石油工程技术研究院，南京 210000； 3.中国石油大学( 华东) 非常规油气与新能源研究院，青岛 266580； 4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)



碎屑岩成岩作用及其对储层的影响
——以鄂尔多斯盆地镇泾地区为例

刘长利1，刘 欣2，张莉娜1，陈贞龙1，李吉君3，王伟明3，马 锋4

(1. 中国石化 华东油气分公司 勘探开发研究院，南京 210000； 2.中国石化 华东油气分公司 石油工程技术研究院，南京 210000； 3.中国石油大学( 华东) 非常规油气与新能源研究院，青岛 266580； 4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

基于岩心观察、铸体薄片、扫描电镜、阴极发光等测试，对鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组储层开展了成岩作用类型、成岩序列等研究。结果表明：(1)溶蚀孔的形成不仅有长石溶蚀的贡献，而且还有长石蚀变形成沸石的二次溶蚀贡献；微裂缝的形成是石英在强烈压实作用下导致的硅质微碎裂；晶间孔和粒间孔的形成与成岩早期形成的白云石抑制压实作用的进行密切相关；(2)早期形成的绿泥石膜，因成岩环境的改变，脱出大量的铁和镁离子，并在水解溶蚀作用下与絮凝胶体形成叶片状绿泥石，封堵孔隙；(3)镇泾地区成岩序列演化特征揭示，早期碳酸盐胶结物自形程度比较高；绿泥石膜是成岩初期的产物，第二期绿泥石多呈叶片状产出；早期浊沸石交代斜长石，在后期的溶蚀改造为储层提供了较好的储集空间；长石溶蚀形成书页状高岭石。

成岩作用；成岩序列；延长组；镇泾地区；鄂尔多斯盆地

成岩作用不仅影响储层原生孔隙的保存，而且还控制着储层次生孔隙的发育，是储层评价中的一项重要研究工作[1-4]。鄂尔多斯盆地镇泾地区位于盆地的西南部，是近年来盆地增储扩边的主力产能阵地，近年来镇探4、泾探2等多口井的大规模压裂获得较好的工业油流，更是展示了靶区延长组油层的巨大勘探潜力[4]。作为盆地边缘区块的重要靶区，前人已开展大量的储层评价工作，但大多是从地质背景出发，研究了储层砂体的沉积环境、分布范围和变化规律，弄清了靶区宏观上储层的展布是受到沉积相的控制，认为水下分流河道砂体的原始物性最好。但仅通过有利岩相寻找有利储层，已经不能满足现今精细勘探的需要[5-7]。通过大量的岩石薄片观察发现，延长组碎屑岩的成分以及微观结构都不同程度地发生了改变，有的被矿物溶蚀交代，有的会生成新的矿物，有的原生孔隙发生了堵塞。而有关这些复杂的成岩作用类型、成岩特征还缺少系统的研究，还没有准确厘定哪些是建设性作用，哪些是破坏性作用。另外，有关各种成岩作用所发生的顺序、储层所处的成岩作用阶段也还没有明确。鉴于此，本文利用铸体薄片、阴极发光、扫描电镜等测试手段，对镇泾地区延长组砂岩岩石学特征、成岩作用、成岩阶段进行了系统分析，并探讨了成岩作用对储层物性的影响。

1 储层基本概况

鄂尔多斯盆地是在古生代地台基础上产生和发展的多旋回克拉通盆地，是我国主要的低渗透致密砂岩油气产区之一[8-9]。上三叠统延长组沉积期环境主体为河流—湖泊相，沉积了一套陆源碎屑岩，纵向上可划分为10个油层组，是整个鄂尔多斯盆地重要的油气储层[10-11]。镇泾地区位于鄂尔多斯盆地西南部(图1)，构造位置处于天环坳陷南部及伊陕斜坡西南边缘，延长组在本区分布面积广、埋藏浅，是重要的含油层系。

表1为镇泾地区延长组储层砂岩碎屑成分统计表，从中可以看出，陆源碎屑成分主要为石英和长石，其次为岩屑，可见少量的云母；储层岩石类型主要为岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩，胶结物主要为硅质和碳酸盐，自生黏土矿物主要为绿泥石和高岭石，二者主要来自西南物源的沉积体系，但前者杂基较为发育，后者碳酸盐胶结物含量较高。

2 成岩作用类型及特征

根据成岩作用对储层储集空间贡献的大小，可以把成岩作用分为建设性成岩作用和破坏性成岩作用[12-13]。

图1 研究区位置

2.1 建设性成岩作用

2.1.1 溶蚀作用

长石是延长组储层主要碎屑成分，又是一种易溶矿物，为溶蚀作用提供了充分的物质基础[14]。从薄片及岩心观察来看(图2)，镇泾地区的溶蚀作用既有有机酸溶蚀的痕迹，又有大气淡水风化淋滤的现象，均对储层有较大的改善作用。大气水淋滤溶蚀主要发生在不整合面附近，形成的溶蚀孔隙多被后期的石英次生加大和胶结作用所充填，对储集空间贡献不大；有机酸溶蚀主要是由于埋藏较深的储层，发育在源储互层的层系中，紧邻的烃源岩在深埋的地质条件下，产生大量的有机酸，进而溶蚀长石，形成有效孔隙(图2b)。

表1 鄂尔多斯盆地镇泾区块储层砂岩陆源碎屑成分

图2 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组储层溶蚀作用特征

2.1.2 沸石化作用

沸石是长石颗粒的主要蚀变产物，极其不稳定，后期在水岩反应的作用下，易形成大量的次生孔隙[15-16]，如ZT1井长6油层组由蚀变的沸石后期溶蚀形成的孔隙可达18%。研究区中部长8油层组浊沸石溶蚀较为普遍，产生大量次生溶蚀孔隙，改善了储层物性(图3a)。此外，与本区处于同一含油层系的P40井也发现大量浊沸石溶蚀孔隙(图3b)，是优质储层发育的较好部位。分析认为早期长石被浊沸石交代后，由于后期地下水成分发生变化，导致浊沸石被部分溶蚀形成次生孔隙，而断裂、微裂缝发育的部位，这种现象更为普遍。

2.1.3 破裂作用

通过大量的镜下观察，发现构造形成的具有一定方向性的微裂缝，表明镇泾地区延长组的构造应力相对较弱。强烈的机械压实作用可导致少量的石英碎裂，这些碎裂的石英在阴极发光照射下，可明显地看到已经全部愈合。结合电子探针分析，这些愈合的微裂缝中的充填物成分主要为石英(图4a)。

2.1.4 白云石化作用

白云石化作用也是镇泾地区常见的一种建设性成岩作用[17]。该成岩作用时间较早，发生时间介于石英次生加大之后和晚期方解石胶结之前，是典型的浅埋环境产物。由于其形成时间较早，起到了支撑作用，可以抑制压实作用的进行，可形成大量的晶间孔隙(图4b)。

图3 鄂尔多斯盆地延长组储层浊沸石化作用镜下微观特征

图4 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组储层白云石化及破裂作用微观特征

2.2 破坏性成岩作用

2.2.1 压实作用

机械压实作用在延长组砂岩沉积初期就已经开始进行[18-19]，早期压实作用强烈，颗粒发生变形、紧密堆积，造成原生孔隙大量减少。这种成岩作用是所有碎屑岩成岩都要经历的作用，只是压实的程度有所不同，而且随着压实作用的进行，会逐渐过渡到胶结作用。

2.2.2 胶结作用

胶结作用是镇泾地区延长组储层常见的一种成岩作用，从胶结物的成分来看，主要有泥质胶结、碳酸盐胶结和硅质胶结3种类型[20]。

(1)泥质胶结。泥质胶结作用主要为自生黏土矿物胶结物。镇泾地区延长组细砂岩和粉砂岩大多是以泥晶胶结和鳞片结构胶结为主，在远砂坝、河口坝和席状砂环境较为发育，绿泥石薄膜结构主要发育于水下分流河道砂体。在成岩作用早期，若能形成绿泥石薄膜(膜厚3 μm)(图5)就能有效抑制石英、长石等的再生长，部分地段可形成二期绿泥石，多呈叶片状充填粒间孔。

(2)碳酸盐胶结。以方解石为主，可见少量的白云石。早期方解石通常自形程度较高，占据一部分空间，后期经历了选择性溶蚀改造，可增加储层的孔隙度。碳酸盐胶结物一般会出现在成岩作用的中晚期，多数是以胶结、交代的形式交代碎屑岩颗粒，有些还会充填孔隙，少量基底式，含量一般1%～30%，普遍1%～7%。(图6a)，使孔、渗进一步降低，其分布范围有限，一般分布于砂夹层附近。

(3)硅质胶结。硅质胶结在研究区仅局部地区可见。不同程度的石英次生加大现象在镜下偶尔出现(图6b)，硅质的含量大多分布于0.5%～1%之间。

3 成岩作用序列特征

(1)绿泥石膜是成岩初期的产物，第二期绿泥石多呈叶片状产出。研究区延长组沉积后，在早成岩A期，部分碎屑颗粒表面开始生长绿泥石薄膜，为第一期绿泥石(图7a)，后期随着地层温度的不断升高，成岩环境有所变化，泥岩脱水会产生大量的铁和镁离子，这些离子与絮凝的胶体在水解溶蚀作用下，导致砂岩孔隙流体内的铁、镁离子含量大量增加，就会导致局部地区有二期叶片状绿泥石的析出(图7b)。

(2)早期碳酸盐胶结物自形程度比较高。在成岩作用阶段早期，地下水的物理和化学条件都有所改变，当碳酸盐溶液的浓度增加到一定程度，就会发生结晶作用，因此，一般在原始孔隙中形成，其自形程度一般比较好，碳酸盐胶结物的形成，占据了一定空间(图8a)，增加了岩石的抗压实能力，也为后期溶蚀孔隙的产生奠定了物质基础(图8b)。

图5 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组黏土类矿物微观特征

图6 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组碳酸盐胶结及石英次生加大微观特征

图7 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组绿泥石显微特征照片

(3)早期浊沸石交代斜长石，在后期的溶蚀改造为储层提供了较好的储集空间。在成岩作用早期，地层水中的碱性成分不断增加，水下分流河道的砂体发育规模又较厚，由于岩石的粒度较粗，导致斜长石被大量沸石逐渐交代，占据了一部分原始孔、粒间孔，起到了一定的抗压实作用，后期由于物化条件的改变，地下水逐渐朝酸性演化，浊沸石开始沿着解理面溶蚀，在溶蚀较弱的地方，可以看到浊沸石晶体轮廓，溶蚀强的地方，只剩下粒间孔、铸模孔等各种孔隙，大大提高了储层的渗透率。

(4)长石溶蚀，形成书页状高岭石。砂层薄、泥质含量高是镇泾地区延长组储层的显著特点，部分长石会在成岩作用过程中转变为书页状的高岭石，造成晶间孔和粒间孔的比例大幅度增加。

随着成岩演化阶段的加深(成岩早期B阶段—成岩晚期A阶段)，地下水普遍会由碱性转变为酸性，地下流体溶液中的硅质成分就会增加，导致石英开始形成，因此在镜下可观察到大量石英次生加大的现象，使孔隙度降低。结合自生矿物及成岩事件首次出现的地质时间相对顺序，镇泾地区延长组砂岩的主要成岩序列为：早期黏土膜形成→早期白云石或方解石胶结作用→机械压实作用→浊沸石形成→高岭石形成→不稳定成分长石、岩屑、方解石溶解→大气淡水淋滤作用→断裂带附近微裂隙、长石、浊沸石溶蚀孔隙产生/石英次生加大→晚期铁方解石、铁白云石胶结作用。镇泾地区的断裂、微裂缝较为发育，后期构造抬升产生的热液和淡水淋滤都可以形成较多的次生溶蚀孔隙。

4 成岩作用对储层影响

碎屑岩成岩过程中，由于浊沸石、硅质、碳酸盐、泥质等胶结，使原生孔隙发育储层变为低孔、低渗储层[21-22]。但浊沸石作为一种架状的含水铝硅酸盐矿物，极大地改善了储层物性。在干酪根大量生烃之前形成的有机酸，对铝硅酸盐矿物的溶解能力远远大于对碳酸盐矿物的溶解，这些有机酸进入储层，强烈溶蚀浊沸石胶结物，并产生大量浊沸石次生溶蚀孔隙，构成了延长组砂体中的主要储集空间。本次研究表明，镇泾地区长6、长8砂岩中，浊沸石溶蚀孔隙占0.1%～4.2%左右。

图8 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组早期碳酸盐胶结物显微特征照片

图9 鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组主要目的层段孔隙类型分布

对镇泾地区HH26、HH105等井的砂岩进行的薄片视面孔率测试统计表明，延长组不同油层组、不同沉积相带其储层溶蚀作用强度是不同的，相应地，次生溶蚀孔隙的发育程度也不同。延长组长6、长8油层组的溶蚀作用较为发育，尤其是研究区中东部的长6、长8砂体中溶蚀孔隙占总孔隙的比例大大增加，达到60%～80%(图9)，储层物性明显得以改善。

长石、浊沸石的溶蚀是镇泾地区延长组最常见的溶蚀作用，在弱溶蚀作用的地质条件下，镜下可见长石颗粒边缘模糊呈弯曲状；长6、长8储层中较为普遍存在的碳酸盐溶蚀作用也影响着储层物性。早期胶结作用形成的方解石颗粒，由于后期温压、物化条件的变化发生溶解，导致粒间溶蚀孔隙、粒内溶蚀孔隙的增加。此外，还有岩屑颗粒等的溶蚀现象。统计结果发现延长组储层视溶蚀孔率分布范围大致在25%～60%，反映了溶蚀作用有一定的差距。当视溶蚀孔率大于60%时，储层孔隙以直径较大的粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔和铸模孔为主，表现为孔隙连通性较好；视溶蚀率介于25%～60%时，储层孔隙以直径较小的粒间溶孔、粒内溶孔为主，极少见到铸模孔，孔隙连通性较差；当视溶蚀孔率小于25%时，储层孔隙基本上以直径很小、零星分布的粒间溶孔为主，反映溶蚀作用很弱。

5 结论

(1)鄂尔多斯镇泾地区成岩作用复杂，形成了多种类型的储层储集空间，其中溶蚀孔、微裂缝、晶间孔、粒间孔是主要的3种类型。溶蚀孔的形成不仅是长石在有机酸和地层水的溶蚀贡献，还有由长石蚀变交代形成的沸石所发生的二次溶蚀贡献；微裂缝主要是石英在强烈的压实作用下所形成的硅质微碎裂；晶间孔和粒间孔的形成与成岩早期的压实作用密不可分。

(2)压实作用和胶结作用是镇泾地区主要的破坏性成岩作用。尤其是绿泥石的多期形成对储层孔隙有一定的封堵作用，其形成机理主要是早期形成的绿泥石膜受成岩环境温压的改变，脱出大量的铁和镁离子，并在水解溶蚀作用下与絮凝胶体形成二期叶片状绿泥石。

(3)从成岩演化特征来看，镇泾地区成岩序列明显具有以下特征：绿泥石膜是成岩初期的产物，第二期绿泥石多呈叶片状产出；早期碳酸盐胶结物自形程度比较高；早期浊沸石交代斜长石，在后期的溶蚀改造为储层提供了较好的储集空间；长石溶蚀，形成书页状高岭石。

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(编辑 徐文明)

Clastic rock diagenesis and its influence on reservoirs: A case study of Zhenjing area in the Ordos Basin

Liu Changli1, Liu Xin2, Zhang Lina1, Chen Zhenlong1, Li Jijun3, Wang Weiming3, Ma Feng4

(1.ResearchInstituteofExploration&Development,SINOPECEastChinaCompany,Nanjing,Jiangsu210000,China; 2.EngineeringDesign&ResearchInstitute,SINOPECEastChinaCompany,Nanjing,Jiangsu210000,China; 3.ResearchInstituteofUnconventionalPetroleumandRenewableEnergy,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China; 4.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,PetroChina,Beijing100083,China)

The diagenetic types and diagenetic sequences of the Yanchang Formation in Zhenjing area of the Ordos Basin were studied based on core observation, casting thin section, scanning electron microscopy and catho-doluminescence. (1) Dissolution pores were not only from feldspar dissolution, but also the secondary dissolution of the feldspar alteration to form zeolite. Microfractures are siliceous microcracks caused by the strong compaction of quartz. The formation of intracrystalline pores and intergranular pores was closely related to the inhibition of compaction by dolomite formed early in diagenesis. (2) Due to the change of diagenetic environment, the early formed chlorite membranes released a large number of iron and magnesium ions, forming leaf-like chlorites during hydrolytic dissolution, which blocked pores. (3) The evolution characteristics of the diagenetic sequence in Zhenjing area reveal that the early carbonate cement has a high degree of self-formation. Chlorite membranes are the products of initial diagenesis, and leaf-like chlorites generated during the secondary diagenesis. Zeolites replaced plagioclases during the early phase, and then, the dissolution of zeolites provided better reservoir space. Feldspar dissolution yielded page-like kaolinites.

diagenesis; diagenetic sequence; Yanchang Formation; Zhenjing area; Ordos Basin

1001-6112(2017)03-0348-07

10.11781/sysydz201703348

2017-01-12；

2017-03-23。

刘长利(1962—)，男，高级工程师，从事储层评价与预测方面的科研工作。E-mail:czlneo@163.com。

国家自然科学基金(41672125，41472105)和国家油气重大专项(2011ZX05035，2016ZX05029002)资助。

TE122.21

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