鄂尔多斯盆地东南部上古生界储集砂岩的成岩作用

陈灼华, 向 芳, 王誉婉, 刘一鸣

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

鄂尔多斯盆地东南部上古生界储集砂岩的成岩作用

陈灼华, 向 芳, 王誉婉, 刘一鸣

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

研究鄂尔多斯盆地东南部上古生界砂岩储层特征，以及不同的成岩作用类型与储集性能的关系。通过分析取芯井的岩石薄片、铸体薄片、扫描电镜、能谱分析数据，发现储集砂岩中发育有粒内溶孔、粒间孔、粒间溶孔、晶间孔、溶缝等多种孔缝类型，其中最主要的是粒内溶孔和粒间溶孔；主要成岩作用类型有压实作用、溶蚀作用、碳酸盐矿物、硅质矿物和黏土矿物的形成作用。结合不同砂岩组分与孔隙面孔率的相关性，得到如下结论：①压实作用是导致砂岩孔隙度较差的重要原因；②增加砂岩整体孔隙度最重要的是溶蚀作用；③碳酸盐矿物的形成会导致砂岩孔隙度减小；④硅质矿物会一定程度减少砂岩粒间孔；⑤高岭石的形成对增加岩石整体孔隙作用有限，水云母和绿泥石对溶孔和晶间孔的形成不利。

上古生界；成岩作用；储集砂岩；孔隙度；鄂尔多斯盆地

前人对鄂尔多斯盆地上古生界北-中部的砂岩储层的沉积相、物源和气藏特征等方面的研究程度相对较高，而对盆地东南部的研究程度相对较低[1-4]。在已有的研究中，前人对研究区及邻区的本溪组、山西组、下石盒子组第8段(简称“盒8段”)的沉积特征、岩石学特征、储层特征等方面进行过一定程度的讨论[5-6]。总的来看，前人主要分析了东南部上古生界某一层位的储层特征，但对不同成岩作用类型与储集性的关系研究相对较少。为此，本文基于岩石薄片、扫描电镜和能谱分析数据研究鄂尔多斯盆地东南部上古生界砂岩储层特征及主要成岩作用类型和特征[7-8]，并通过砂岩组分和成岩产物与储层面孔率的线性关系分析，探讨不同成岩作用类型对砂岩储集性的影响，为该区的勘探开发提供更多的资料。

1 区域地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地东南部宜川—黄龙一带，构造单元上位于伊陕斜坡中南部(图1)。鄂尔多斯盆地的晚古生代地层从下往上依次为石炭系本溪组、下二叠统太原组和山西组、中二叠统下石盒子组和上石盒子组、上二叠统石千峰组，不同岩石地层的主要岩性见表1。石炭系本溪组-下二叠统太原组的沉积环境主要是陆表海，盆地内沉积着大量砂岩储集层[9-10]，岩性主要为中—细粒岩屑石英砂岩、岩屑砂岩，其次是中—粗粒长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩。自早二叠世山西组开始，沉积环境为海陆过渡环境，主要沉积了一套三角洲和湖泊环境的砂体[11]。

表1 鄂尔多斯盆地上古生界岩性特征Table 1 Lithological characteristics of Upper Paleozoic in the Ordos Basin

图1 研究区位置图 [12]Fig.1 Tectonic division and location of the study area

2 砂岩储层特征

2.1 储层岩石学特征

基于薄片鉴定资料的统计，研究区砂岩储层的岩性主要为中—细粒岩屑石英砂岩、岩屑砂岩，其次是中—粗粒长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩(图2)。岩石中碎屑的体积分数达到65%～93%[15]，平均为85%；碎屑组分中石英(体积分数)占59%，长石占8%， 岩屑占18%， 可见少量云母及绿泥石碎屑。颗粒分选中等，次棱角状为主，少量棱角状、次圆状。岩屑成分主要为变质岩(图3-A、B，图4-A)，其次为火成岩(图3-C)，可见少量沉积岩(图3-D，主要为粉砂岩和少量泥质岩)。其中变质岩碎屑主要为千枚岩、变质砂岩和石英岩，其次为高变岩、片岩和板岩[16](图4-B)。胶结物有高岭石、绿泥石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿、水云母、重晶石、硅质、长石，其中以水云母、菱铁矿和硅质为主(图5)。

图2 研究区砂岩三角投影图Fig.2 Triangular diagram showing classification of sandstones from different strata in study area(作图方法据曾允孚等[17])

2.2 储集空间类型

2.2.1 孔隙特征

通过铸体薄片和扫描电镜观察，研究区上古生界砂岩的储集空间类型主要有原生孔和次生孔[18]。

原生孔为粒间孔，呈不规则的多边形、三角形等，孔壁较为平直，局部见少量绿泥石环边改造后的残余原生粒间孔(图3-E、F)，面孔率为0.75%～4.03%(表2)。次生孔包含：长石溶孔、岩屑溶孔、粒间溶孔和晶间孔。粒内溶孔主要发育在长石、岩屑颗粒中(图3-G、H、I)。发生溶蚀的岩屑主要为千枚岩、酸性岩和泥岩。部分粒内溶蚀强烈，形成形成铸模孔。粒内溶孔在薄片中的面孔率为0.87%～5%。粒间溶孔主要溶蚀粒间杂基(图3-G)，发育层位集中在石千峰组和上石盒子组，面孔率为0.1%～7%。晶间孔主要出现在高岭石和水云母集合体间(图3-J、K)，面孔率为0.4%～0.62%，只在局部层位中出现。

总的来看，研究区最主要的孔隙为粒内溶孔(主要为岩屑溶孔)，其次为粒间孔和粒间溶孔，晶间孔对储集空间的贡献很小；但在石千峰组中，最重要的孔隙是粒间溶孔，其次是粒内溶孔和粒间孔。总的面孔率以石千峰组最高，其次为上石盒子组，太原组面孔率最低。

2.2.2 溶缝特征

溶缝一般是在早期裂缝的基础上溶蚀而成的，既是一种重要的储集空间，也是一种主要的渗流通道。在本研究区中，在下石盒子组和山西组中溶缝较为发育(图3-L，平均面孔率分别为13.33%、4.5%)，溶缝最大面孔率可达25%，因此在研究区的下石盒子组和山西组中，虽然孔隙不发育，但溶缝的出现弥补了储集空间的不足。

3 主要的成岩作用类型和特征

通过对岩石薄片、铸体薄片、扫描电镜、能谱和黏土矿物等数据的分析,获得研究区不同层位中的主要成岩作用，包括压实作用、胶结作用和自生矿物的形成作用、交代作用、重结晶作用以及溶蚀作用[19]，其中最主要的是压实作用、溶蚀作用及碳酸盐矿物、硅质矿物和黏土矿物的形成作用。自生长石和重晶石含量较少，只在局部可见，因此本文不予讨论。

3.1 压实作用

在地层的静负荷压力增加的条件下发生的沉积物颗粒重新排列、排出粒间水，导致密度加大、孔隙度变小的成岩作用[20]。由于研究层段中塑性岩屑含量较高， 压实作用强烈， 这是导致原始孔隙度减少最主要的作用。薄片和扫描电镜中可以观察到云母、泥岩碎屑，千枚岩、板岩和片岩碎屑变形形成假杂基(图6-A)，偶见刚性颗粒的破裂。

表2 研究区不同层位主要孔隙类型和面孔率统计Table 2 Statistics of main pore type and surface porosity for different strata in the study area

图3 研究区砂岩显微特征图Fig.3 Microphotographs showing microscopic characteristics of sandstones in research area(A)千枚岩碎屑,×20,(+)，本溪组，薛峰川剖面; (B)石英岩碎屑,×20,(+)，下石盒子组上部，薛峰川剖面; (C)酸性喷出岩碎屑,×20,(+)，山西组，薛峰川剖面; (D)泥岩碎屑,×20,(+)，本溪组，薛峰川剖面; (E)粒间孔,×10,(-)，本溪组，薛峰川剖面; (F)残余原生粒间孔，山西组，薛峰川剖面; (G)粒内溶孔和粒间溶孔,×10,(-)，石千峰组，薛峰川剖面; (H)长石溶蚀形成粒内溶孔，下石盒子组，薛峰川剖面; (I)片岩碎屑沿片理溶蚀，下石盒子组，薛峰川剖面; (J)水云母化杂基中的晶间微孔,10×20,(-)，山西组，薛峰川剖面; (K)粒间高岭石发育，见晶间微孔，山西组，薛峰川剖面; (L)溶缝,×4,(-)，下石盒子组， 三眼桥剖面。Ph.枚岩; Qu.石英岩; Ac.酸性喷出岩; Cl.泥岩; Ip.粒间孔; Rip.残余原生粒间孔; Gdp.粒内溶孔; Idp.粒间溶孔; Im.晶间微孔

图4 研究区岩屑成分及含量特征Fig.4 Debris compositions and content characteristics of sandstones in research area(A)岩屑成分及含量，(B)变质岩碎屑成分及含量

图5 研究区胶结物成分及含量Fig.5 Cement composition and content of sandstones in research area

3.2 溶蚀作用

研究区的储集砂岩中，被溶蚀的岩屑颗粒主要为不稳定的变质岩和中—酸性岩浆岩(图3-J)，其次为长石。长石颗粒一般是沿着破裂面、解理面发生溶蚀作用，从而产生明显的粒内溶孔(图3-H)，甚至形成铸模孔；岩屑的溶蚀则形成不规则孔隙或具有模糊岩屑残余的铸模孔。此外，还可见对粒间杂基的溶蚀， 形成粒间溶孔(图3-G)。溶蚀作用形成的粒内溶孔可增加0.87%～5.0%的面孔率，形成的粒间溶孔可以增加0.1%～7%的面孔率，因此对提高储层孔隙度有重要的贡献。

图6 研究区砂岩显微特征图Fig.6 Microphotographs showing microscopic characteristics of sandstones in research area(A)岩屑弯曲变形呈假杂基，下石盒子组，薛峰川剖面; (B)菱铁矿的菱形晶，交代绢云母化的产物,20×,(+)，下石盒子组，三眼桥剖面; (C)铁方解石中析出铁质,10×,(+)，下石盒子组，三眼桥剖面; (D)长石的次生加大，铁白云石胶结物的环带状结构，并交代颗粒,10×,(+)，下石盒子组，三眼桥剖面; (E)石英边部不完整的绿泥石边，之后形成加大边,20×,(+)，下石盒子组，三眼桥剖面; (F)粒间自生石英，山西组，薛峰川剖面; (G)杂基高岭石化，下石盒子组，薛峰川剖面; (H)云母胶结物,40×,(+)，山西组，薛峰川剖面; (I)粒间充填绿泥石胶结物，呈针叶片状和玫瑰花状集合体，上石盒子组，薛峰川剖面; (J)颗粒向水云母发生转化,20×,(+)，山西组，薛峰川剖面; (K)长石颗粒的高岭石化,20×,(+)，山西组， 薛峰川剖面; (L)岩屑绿泥石化,20×,(+)。Si.菱铁矿; Fc.铁方解石; Fe.铁质; Of.长石次生加大; Fd.铁白云石; Chl.绿泥石边; Oq.次生石英加大; Hy.水云母; Fel.长石; Ka.高岭石; Rd.岩屑

3.3 碳酸盐矿物形成作用

碳酸盐矿物主要包括粒间的胶结物、交代物和次生孔隙内的填充物，常见呈微晶状、晶粒状产出[21]。研究区下石盒子组中的碳酸盐矿物为铁方解石、铁白云石和菱铁矿。菱铁矿主要以交代填隙物和颗粒为主(图6-B)，形成时间应主要在早成岩期以后。铁方解石主要出现在粒间，后期可析出铁质(图6-C)，部分可见交代颗粒状，推测形成在早成岩期—晚成岩期。铁白云石出现在长石次生加大以后，主要交代颗粒(图6-D)，应形成在成岩晚期。从3种碳酸盐矿物的产状可以判断，菱铁矿和铁白云石与砂岩粒间孔之间的关系不大，而铁方解石的出现会降低粒间孔的体积。

3.4 硅质矿物形成作用

硅质胶结物主要形成石英颗粒的次生加大边(图6-E)，或充填粒间及溶孔(图6-F)，在研究区砂岩中分布较为广泛，但含量较低，体积分数为2%～10%，平均为4%，但无论是哪种产状，由于其占据孔隙，表现出对原生孔和次生孔的破坏，因此是降低储集砂岩孔隙度和渗透率的一种成岩作用。

3.5 黏土矿物的形成作用

研究区储集砂岩中黏土矿物主要为高岭石、绿泥石和水云母，可以由以下3种作用形成：①黏土杂基的重结晶(图3-J，图6-G)；②颗粒间孔隙水沉淀(图3-L，图6-H、I)；③颗粒发生交代(图6-J、K、L)。所形成的黏土矿物可以出现在颗粒间、颗粒中。由于黏土矿物以集合体的形式出现，晶体之间都会存在有一定数量的晶间孔(图3-J、K)，但是这种晶间孔对于储集空间的贡献与黏土矿物的类型、黏土矿物产状有关。

4 成岩作用对储集性的影响

前人对鄂尔多斯盆地不同层位的砂岩储层进行研究发现，利用颗粒组分和自生矿物的含量与不同类型孔隙面孔率之间的相关性，可以较好地反映出成岩作用类型及产物对砂岩储层孔隙度的影响[22-23]。因此本文在对薄片进行系统成分和含量、孔隙类型及面孔率统计基础上，通过定量的相关性分析，来详细讨论不同成岩作用对储集性的影响。

4.1 压实作用对储集性的影响

研究区砂岩中岩屑和长石含量相对较高，岩屑的主要成分为千枚岩、板岩和片岩等软性岩屑，而软性岩屑的含量反映了岩石抗压强度的大小：含量高时，抗压强度就小[24]。因此，压实作用的强度可以用软性岩屑的含量来体现。利用软性岩屑含量与粒间孔相关性的分析，可以指示压实作用强度大小对砂岩原始孔隙度的影响[25]。从图7可知，粒间孔与软性岩屑含量成负相关关系，说明当软性岩屑含量超过15%时，压实作用会造成砂岩原始孔隙度明显减少。

图7 软性岩屑含量与粒间孔的相关性Fig.7 The relationship between soft fragment content and intergranular pores

4.2 溶蚀作用对储集性的影响

图8 石英质颗粒含量与溶孔的相关性Fig.8 The relationship between quartzose grain content and dissolution pores

研究区砂岩中的溶蚀作用主要发生在岩屑、长石和杂基中。从图8可以看出，当石英质颗粒体积分数lt;50%时，不利于溶蚀作用的发生；但石英质颗粒体积分数gt;80%时，溶蚀作用也相对较弱，说明当石英质颗粒含量低时，反映了近源快速沉积的特点，原生粒间孔相对不发育，不利于后期溶蚀作用的发生。当石英质颗粒含量过高时，长石、岩屑和杂基减少，溶蚀作用也会相对不发育。

从图9和图10可以发现，当长石体积分数lt;10%，岩屑体积分数为5%～30%时，有利于溶孔的产生。当长石和岩屑的含量继续增加时，对溶蚀作用不利。

图9 长石含量与溶孔的相关性Fig.9 Correlation of feldspar content and dissolution pores

图10 岩屑含量与溶孔的相关性Fig.10 Correlation of debris content and dissolution pores

4.3 碳酸盐矿物形成作用对储集性的影响

图11、图12显示，铁方解石含量与粒间孔、溶孔面孔率之间成负相关关系，说明铁方解石主要充填在粒间孔、溶孔中，其含量的增加会明显影响砂岩的孔隙度；铁白云石含量与粒间孔面孔率无关，但与溶孔面孔率成负相关关系，说明铁白云石主要影响溶孔。图13显示，菱铁矿与溶孔面孔率之间成负相关关系，表明菱铁矿主要影响溶孔。

图11 碳酸盐矿物含量与粒间孔的相关性Fig.11 Correlation between carbonate mineral content and intergranular pore

图12 碳酸盐矿物含量与溶孔的相关性Fig.12 Correlation between carbonate mineral content and dissolution pores

图13 菱铁矿含量与溶孔的相关性Fig.13 Correlation of siderite content and dissolution pores

3种自生碳酸盐矿物总体表现出与孔隙之间为负相关关系，说明自生碳酸盐矿物的出现会降低砂岩的孔隙度。

4.4 黏土矿物形成作用对储集性的影响

由图14可知，高岭石含量与粒间孔成明显负相关，水云母和绿泥石的含量与粒间孔没有明显关系，表明砂岩中的水云母和绿泥石主要为岩屑蚀变交代的产物；而高岭石除了长石蚀变成因外，部分为形成于粒间的胶结物，因此其含量的增加导致粒间孔的减少。

图14 黏土矿物含量与粒间孔的相关性Fig.14 Correlation between clay mineral content and intergranular pores

图15表明，高岭石、水云母和绿泥石与溶孔之间均表现为一定的负相关关系。由于长石蚀变可形成高岭石，而水云母和绿泥石主要为岩屑蚀变交代的产物，因此3种黏土矿物含量增加时，残余的长石和岩屑减少，不利于溶蚀作用的发生，故三者与溶孔表现出负相关关系。

图15 黏土矿物含量与溶孔的相关性Fig.15 Correlation between clay mineral content and dissolution pores

从图16可知，高岭石含量与晶间孔成明显的正相关关系，而水云母和绿泥石含量与晶间孔成负相关关系，反映出砂岩中的晶间孔主要出现在高岭石晶体之间。

图16 黏土矿物含量与晶间孔的相关性Fig.16 Correlation between clay mineral content and intercrystal pores

因此，高岭石的形成有利于晶间孔的形成，但对粒间孔的保存和溶孔的形成不利。水云母和绿泥石的形成与粒间孔之间关系不大，而对溶孔和晶间孔的形成不利。

4.5 硅质矿物形成作用对储集性的影响

图17 硅质含量与粒间孔的相关性Fig.17 Correlation of silica content and intergranular pores

图18 硅质含量与溶孔的相关性Fig.18 Correlation of silica content and dissolution pores

图17、18表明，硅质含量与溶孔面孔率相关性不明显，而与粒间孔之间略有负相关的趋势。表明硅质矿物主要形成在颗粒之间，因此其含量的增加对溶孔面孔率影响较小，而主要造成粒间孔的减少。

通过对上述不同成岩作用类型与砂岩主要孔隙类型之间的相关关系分析，可归纳出研究区砂岩中成岩作用影响储集性的规律。

a.建设性的成岩作用。溶蚀作用产生的粒内溶孔和粒间溶孔在部分层段(石千峰组、上石盒子组、下石盒子组)中是最主要的储集空间，因此溶蚀作用是增加砂岩整体孔隙度最重要的作用。溶蚀作用主要发生的对象是岩屑，其次为长石。高岭石的形成可产生少量晶间孔，但对增加岩石整体孔隙的作用有限。

b.破坏性的成岩作用。压实作用是造成原生粒间孔丧失、砂岩总体孔隙性较差的重要因素。3种不同类型的碳酸盐矿物影响的孔隙类型不同，但总体造成砂岩孔隙度减小。由于研究区砂岩中碳酸盐矿物含量较高，碳酸盐矿物的形成作用是造成砂岩孔隙度减小的另一个重要原因。此外，以石英次生加大边形式存在的硅质胶结物会对砂岩粒间孔的减少造成一定的影响，水云母和绿泥石的出现对溶孔和晶间孔的形成不利。

5 结 论

通过上述分析和讨论，本文获得如下认识：

a.研究区砂岩储层的岩性主要为岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，其次为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩[26]。砂岩中发育有粒间孔、粒内溶孔、粒间溶孔、晶间孔、溶缝等多种孔缝类型。

b.在石千峰组，主要的孔隙为粒间溶孔，其次为粒内溶孔、粒间孔；在山西组和太原组，主要孔隙为粒间孔，其次为粒内溶孔；其他层位的孔隙主要为粒内溶孔，其次为粒间溶孔。

c. 溶蚀作用是增加砂岩整体孔隙度最重要的作用；高岭石形成产生少量晶间孔，但对增加岩石整体孔隙的作用有限。压实作用是造成原生粒间孔丧失、砂岩总体孔隙性较差的重要因素；碳酸盐矿物的形成作用是造成砂岩孔隙度减小的另一个重要原因。以石英次生加大边形式存在的硅质胶结物会一定程度减少砂岩粒间孔，水云母和绿泥石的出现对溶孔和晶间孔的形成不利。

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ThediagenesisofUpperPaleozoicreservoirsandstonesinthesoutheasternOrdosBasin

CHEN Zhuohua, XIANG Fang, WANG Yuwan, LIU Yiming

StateKeyLaboratoryofOilamp;GasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu，Sichuan610059,China

Samples from the drilling cores are analyzed through the observation of conventional thin sections, casting thin sections and as well as by SEM and energy spectrum analysis so as to study the characteristics of Upper Paleozoic sandstone reservoir and the correlation of diagenesis and reservoirs in the southeast of Ordos Basin. It shows that intragranular dissolved pores, intergranular pores, intergranular dissolved pores, intercrystal pores and dissolved fissures develop in the reservoir sandstones, with the intragranular dissolved pores and intergranular dissolved pores as the major pore types. The study reveals that the diagenesis of sandstones includes compaction, dissolution, and formation of carbonate minerals, siliceous minerals and clay minerals. The correlation of sandstone composition and porosity indicates that compaction is an important factor leading to the worseness of porosity, while dissolution increases the porosity in the sandstone. The occurrence of carbonate minerals results in the decrease of porosity and siliceous minerals decrease the intergranular pores to some extent. The appearance of kaolin plays a limited role in the increment of porosity, while the occurrence of chlorite and hydrous mica is a disadvantage to the intercrystal pores.

Upper Paleozoic; diagenesis; reservoir; pore characteristics; Ordos Basin

P588.2

A

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.06.09

1671-9727(2017)06-0717-10

2017-04-20。

国家自然科学基金项目(41572093，41072083)；成都理工大学优秀创新团队培育计划项目(KYTD201703)。

陈灼华(1994-)，女，硕士研究生，研究方向:沉积地质学, E-mail:2623082135@qq.com。

向芳(1974-)，女，博士，教授，研究方向：沉积地质学，E-mail:cdxiangfang@126.com。