鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩致密时间再认识

周晓峰，李 景，张建欣，李书恒，于均民

1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 昌平 102249；2.油气资源与工程国家重点实验室，北京 昌平 102249；3.中国石油玉门油田勘探开发研究院，甘肃 酒泉 735019；4.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；5.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018

引 言

研究区鄂尔多斯盆地西南部的行政区划隶属于甘肃省庆阳市，构造位置横跨伊陕斜坡带和天环拗陷带（图1）。三叠系延长组是一套厚逾1 000 m的河流—湖泊相碎屑岩沉积体，自下而上由长10～长1油层组组成，记录了一次完整的湖进-湖退旋回（图2）。环湖发育的多类型砂体，形成了大规模分布的储集岩[1]。长7期为湖泊扩张的鼎盛时期，形成的优质烃源岩是盆地重要的油源岩[2]。储集砂岩和油源岩广覆式接触，成藏条件优越，形成了勘探开发潜力巨大的鄂尔多斯盆地低渗透砂岩油藏[3]。

鄂尔多斯盆地延长组低渗透砂岩油藏是中国陆相低渗透油藏的典型代表，其储层致密化与成藏的配置关系长期以来一直受到广泛关注，虽然取得了颇丰的研究成果，但认识并不一致，主要有3种观点：先致密后成藏[4-5]、边致密边成藏[6-8]和先成藏后致密[9-13]。文献调研发现，学者们对成藏时间的认识基本一致，认为其主要发生在中晚侏罗世-早白垩世，因此，砂岩致密与成藏配置多样化的根源在于对砂岩致密时间的认识不一致。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

图2 延长组发育特征Fig.2 Stratum of Yanchang Formation

鄂尔多斯盆地延长组砂岩致密化的影响因素众多，概括起来主要有压实作用和胶结作用两个方面。压实作用是砂岩低渗透的主控因素，其导致砂岩原始孔隙度的损失率超过50%；胶结作用造成砂岩孔隙度的损失率超过10%，其是砂岩致密化的关键因素[14]。

根据最新的成岩阶段划分标准[15]，鄂尔多斯盆地延长组砂岩目前处在中成岩A期，经历了压实、胶结、溶蚀等成岩作用，（铁）方解石是其体积最大的胶结物，方解石的胶结时间大致对应着砂岩的致密时间[6-14]。鉴于此，弄清楚方解石的胶结时间对于研究鄂尔多斯盆地延长组低渗透砂岩的成因至关重要。

以往的研究成果显示，鄂尔多斯盆地西南部[4-7，9-11，13]及与其毗邻的吴起地区[8]和镇泾地区[12]长8油层组（长8）是研究延长组砂岩致密化与成藏配置的主要地区及层位。本文在调研和反复比对以往研究成果的基础上，选择鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩作为研究对象，通过铸体薄片和带有能谱仪的扫描电镜融合技术寻找方解石胶结时间的新证据，进而为重新认识鄂尔多斯盆地延长组砂岩的致密时间提供思路和技术方法借鉴。

1 目前观点

1.1 先致密后成藏

王学军、杨伟伟等依据含氮化合物和原油物性分析认为，研究区长8砂岩致密的时间在油气成藏之前，因此，石油进入砂岩后无法进行二次运移，致使油藏缺乏统一的油水界面，油水关系复杂[4-5]。由此推测，方解石胶结物主要形成于油气成藏之前的早成岩阶段。

1.2 边致密边成藏

罗晓容等认为，鄂尔多斯盆地西南部长8油藏属于边致密边成藏油藏，晚侏罗世第一次油气成藏时期，砂岩储层渗透率为37.0 mD，早白垩世第二次油气成藏时期，渗透率减小到1.5 mD左右，说明长8油藏在第一次成藏时期为相对高渗油藏，晚侏罗世末油气充注间歇期的方解石胶结致使储层致密化，继而第二次成藏时期为相对致密油藏[6]。笔者早期对研究区长8油藏的研究也得出了相似的结论[7]。

陕北吴起地区与研究区毗邻，对其延长组下组合（长7-长10）含油砂岩成岩演化过程的研究[8]认为，在3期原油充注的间歇期都发生了（铁）方解石胶结作用，至第三期石油成藏时砂岩储层已变为超低渗透储层，方解石胶结是造成储层致密的主要原因。

1.3 先成藏后致密

鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩先成藏后致密的直接证据有成岩作用序列[9]、方解石胶结物碳氧同位素[10]、油气流体包裹体[11]及其组合[14]。

成岩作用序列研究发现，方解石胶结物充填油气充注痕迹的剩余粒间孔，说明其形成在油气成藏之后。碳氧同位素测试数据统计结果显示，δ13C主要分布在-2‰～-12‰，其与有机质的脱羟基作用有关。石英、长石和方解石中的油气流体包裹体的均一温度测试结果对比表明，方解石胶结物内的包裹体均一温度最高，由此推断其是石油成藏末期的产物。可以看出，无论是单因素还是多因素分析均指示了先成藏后致密。

综上所述，先致密后成藏的观点认为方解石胶结物形成于早成岩阶段，但这种观点不能解释方解石胶结物充填具有油气充注痕迹的剩余粒间孔隙的现象；边致密边成藏或先成藏后致密的观点则认为方解石胶结时间为中成岩A期，此观点虽然很好地解释了方解石胶结物与油气充注的关系，但与砂岩的显微结构特征矛盾，且此时的钙质来源也是一个谜。

2 新发现及认识

2.1 新发现：方解石表面的绿泥石膜

岩芯观察发现，根据颜色长8砂岩可以分为灰白色和灰褐色细砂岩。滴10%的稀盐酸时，灰白色砂岩剧烈起泡，而灰褐色砂岩起泡微弱。茜素红-S和铁氰化钾混合液染色的铸体薄片镜下观察显示（图3a），灰白色砂岩的方解石胶结物呈单一的绿松石色，具有泥微晶结构，占岩石的体积分数大于15%，浸染状均匀分布在碎屑颗粒之中，碎屑颗粒之间线状-点状接触，胶结类型多为孔隙式胶结，但半基底式或基底式胶结也较为常见。

灰褐色砂岩的方解石胶结物显紫色、浅蓝色和淡蓝色等多种颜色（图3b）。一个方解石单体可以是一种色，也可以显多色，不同颜色之间界限模糊，过渡自然。方解石占岩石的体积分数一般小于8%，具有细-中晶结构和半自形或自形形貌，以斑块状或星点状散布在碎屑颗粒之中。在方解石胶结物发育的区域，碎屑颗粒之间的接触关系和胶结类型与灰白色砂岩相似；在方解石胶结的区域以外，骨架颗粒间点状-线状接触，胶结类型主要为孔隙式胶结。方解石胶结物和碎屑颗粒之间或粒间孔隙和碎屑颗粒之间，通常发育有近似等厚的暗色环带，厚度一般在3～8µm。

扫描电镜下进一步观察发现，包裹着方解石胶结物的暗色环带是生长在其表面的绿泥石黏土矿物薄膜（图3c）。由图3c可以看出，绿泥石晶体小，一般在3～5µm，晶形差，集晶相互黏连成膜。图3d为图3c的局部放大，可以清晰地看到，绿泥石晶体与寄主方解石之间呈“无根”的自然过渡（红色箭头所指处）、“有根”（蓝色箭头所指处）和“悬浮”（黑色箭头所指处）等现象。向着方解石胶结物，膜中绿泥石晶体变大，晶形变好，集晶变稀疏，晶间孔增多。方解石胶结物的表面严重齿化，标示其溶蚀现象具有普遍性。

图3e和图3f为粒间孔隙和碎屑颗粒之间的暗色环带，可见，暗色环带是生长在碎屑颗粒表面的绿泥石膜，膜中晶体大，晶形好，垂直颗粒表面近平行排列；向着颗粒表面，晶体变差，集晶密度增加，晶间孔减少。

由上述分析可知，碎屑颗粒与方解石胶结物表面的绿泥石膜的赋存状态明显不同。

图3 长8砂岩的典型微观图像Fig.3 Typical microphotos in Chang 8 sandstones

表1为能谱仪测定的绿泥石膜的化学组成数据（测点位置见图3e，图3f），可知，方解石胶结物表面绿泥石膜的化学组分中有丰富的钙质（以氧化钙表述），而骨架颗粒表面的绿泥石膜中未检测出钙元素，说明这两种绿泥石膜可能形成于不同的成岩环境。

表1 长8砂岩中绿泥石膜的化学组成Tab.1 Chemistry compositions of chlorite films in Chang 8 sandstones

传统观点认为，方解石胶结物和碎屑颗粒之间或粒间孔隙和碎屑颗粒之间的暗色环带均为骨架颗粒表面的绿泥石膜遭受油气浸染所致[4-13，15]。本文通过扫描电镜的进一步观察证实，这两种暗色环带是不同赋存方式的绿泥石膜，碎屑颗粒表面的绿泥石膜即就是文献中所指的绿泥石膜[16-17]，而方解石胶结物表面的绿泥石膜是一种新类型的绿泥石膜，目前国内外尚无相关报道。

2.2 新认识

2.2.1 砂岩致密的时间为早成岩A期

浸染状均匀分布方解石胶结物的砂岩的碎屑颗粒间接触关系和胶结类型（图3a），指示了这些方解石胶结物形成于早成岩A期的压实作用过程中。

富含钙质组分的绿泥石膜生长在方解石胶结物表面的成岩现象充分说明，方解石胶结在先，绿泥石膜出现在后。进一步推断，富含钙质组分的绿泥石膜出现之前，孔隙中是被方解石全填充的。将砂岩恢复到富含钙质组分的绿泥石膜出现之前时，在方解石胶结物斑块状或星点状分布的区域，碎屑颗粒之间线状-点状接触；但在方解石胶结的区域之外，残余粒间孔隙发育，颗粒间点状 线状接触，压实程度强于方解石胶结的区域。即使是在目前状态下，方解石胶结物充填的粒间孔隙仍普遍大于残余粒间孔隙（图3b）。两个区域的结构差异表明，这种方解石胶结物形成于早成岩A期的压实作用过程中。

由此可见，无论是灰白色砂岩中的浸染状方解石胶结物，还是灰褐色含油砂岩中的斑块状或星点状方解石胶结物，它们都形成于早成岩A期的压实作用过程中，也就是说，砂岩致密的时间为早成岩A期，其与成藏的配置关系为“先致密后成藏”。

2.2.2 方解石胶结物的原地溶解-沉淀反应

通过对方解石胶结物的岩石学特征的解剖和对其表面绿泥石膜的化学组分的分析认为，暗色环带包裹的方解石胶结物为斑块状或星点状方解石胶结物经原地溶解-沉淀反应形成。

为了论述方便，文中将浸染状方解石胶结物称之为I型方解石胶结物，将表面生长绿泥石膜的方解石胶结物称之为II型方解石胶结物，将II型方解石胶结物的前身称之为II0型方解石胶结物。

I型和II0型方解石胶结物发育在早成岩阶段A期，它们具有相似的赋存状态，但唯一的、也是决定后期差异变化的因素是所处环境不一样。I型方解石胶结物浸染状均匀分布在孔隙中，导致砂岩致密，流体难以进入，后期无法对其进行改造。II0型方解石胶结物斑块状或星点状散布在砂岩中，围岩为富含流体的多孔介质，一旦流体性质发生改变，方解石胶结物就可能发生原地溶解-沉淀反应。

溶解-沉淀反应包括原岩固相、溶解物液相和结晶沉淀形成新固相的三相变化[18]。鄂尔多斯盆地延长组砂岩中的方解石胶结物溶解-沉淀反应中，II0型方解石胶结物是原岩固相，为改造对象；溶解物液相是中成岩A期随油气一起进入砂岩的有机酸和无机酸混合流体，因为它是自早成岩A期方解石胶结物形成以来出现大规模酸性环境的唯一机会，已经被成岩作用过程和油气成藏史研究所证实[4-13，15，17]。结晶沉淀形成的新固相即为II型方解石胶结物。

中成岩A期，油气携带酸性流体进入II0型方解石胶结物发育的砂岩，原岩固相“浸泡”在溶解物液相中而发生溶解反应。此时，砂岩的渗流能力差，流体流动缓慢，引起溶蚀流体的消耗速度大于补充速度，同时溶蚀而来的铁、钙等阳离子不能快速运移出溶蚀区，于是，溶解物液相中酸性物质锐减，金属阳离子浓度骤然增加，导致溶解的方解石胶结物周缘迅速转化为碱性微域，溶解作用停止，代之以方解石再次沉淀，形成II型方解石胶结物，钙质参与的绿泥石膜随之生长。由于溶解-沉淀的非均质性，造成II型方解石胶结物的组成多变，这是茜素红-S和铁氰化钾混合液染色的方解石在光学显微镜下呈多种颜色的根本原因。

溶解-沉淀反应过程中，方解石胶结物“粒缘”溶孔为绿泥石膜的生长提供了空间。溶蚀初期由于空间狭窄，为绿泥石膜提供的生长空间有限，形成的绿泥石晶体小，晶形差，集晶杂乱堆积。随着反应的持续进行，溶孔增大，绿泥石晶体随之增大，晶形变好，晶间孔增多。加之溶解物液相为油水两相，对绿泥石晶体的生长速度有一定的抑制作用[19]，这对绿泥石膜的增大以及集合体变稀疏有一定的贡献[20]。由此可知，绿泥石膜向着方解石胶结物生长，伴生“有根”、“无根”和“悬浮”等现象。伴随着这种绿泥石膜的形成，溶解物液相中的原油吸附在其表面和晶间孔中。

3 讨 论

3.1 中成岩A期形成的方解石胶结物有限

已有研究成果表明，砂岩中方解石胶结物的物质来源可以分为外源和内源两大类，外源包括浓缩的海（湖）水[21]、泥岩压释水[21-24]、碳酸盐岩层的溶解[25]和断裂沟通的富碳酸钙流体[26]等，内源为生物碎屑[27]、火山灰填隙物[28]、碳酸盐岩屑[29]和先期方解石胶结物[30]等。

鄂尔多斯盆地延长期为一个淡水湖[31-32]，湖水中钙质极为有限。砂岩中，碳酸盐岩屑、生物碎屑、泥质内碎屑等内源物质少见[33]。延长组及其上下地层均为砂泥岩地层，因此，没有碳酸盐岩向砂岩提供碳酸钙流体。中生代以来，盆地构造稳定，盆内缺乏断裂，不可能出现大规模垂向流动的富碳酸钙流体。根据鄂尔多斯盆地延长组的具体地质情况推断，I型和II0型方解石胶结物的物质来源于相邻泥岩压释水。在砂泥岩互层的地层中，这种观点已被人们普遍接受[22-24]。

中成岩A期，地层压实作用已经基本结束，相邻泥岩已不可能再向砂岩中提供足够的压释水，要形成方解石胶结物需要其他的钙质和碳源。此阶段碳源可由有机质脱羟基提供，因此，能否形成方解石胶结物取决于钙源的富足程度。早期的方解石胶结物可以提供钙源，但I型方解石胶结物缺少溶解物液相而不可能发生大规模溶解，II0型方解石胶结物经溶解-沉淀反应转化为II型方解石胶结物也不可能提供大量的钙质。钙长石溶解可向孔隙流体中提供丰富的钙源，然而，鄂尔多斯盆地延长组砂岩中钙长石极为有限，且扫描电镜下偶尔观察到的钙长石溶蚀作用并不强烈，那么，其溶蚀向孔隙流体贡献的钙源极为有限。蒙皂石向伊利石转化的过程中可释放出大量的钙质，但砂岩中缺乏蒙皂石杂基[34-35]。因此，由于缺乏钙源，中成岩A期从孔隙水直接沉淀的方解石胶结物有限。

3.2 碳氧同位素数据应慎用

鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩中方解石胶结物的碳氧同位素测试数据显示（表2），I型方解石胶结物中，δ13C在-6.6‰～-1.6‰，平均值为-4.3‰，δ18O 在-22.9‰～-19.5‰，平均值为-20.9‰；II型方解石胶结物中，δ13C、δ18O 分别在-7.2‰～-2.2‰和-22.0‰～-17.4‰，平均值分别为-4.9‰和-19.7‰。结合图4可以看出，I型和II型方解石胶结物碳氧同位素的分布区间和频率相似。这就是说，经历了溶解-沉淀反应，方解石碳氧同位素变化并不大，因此，稳定同位素不能有效地确定方解石胶结物成因。

表2 长8砂岩中方解石胶结物δ13C和δ18O组成[10]Tab.2 δ13C and δ18O compostions of calcite cements in Chang 8 sandstones

王大锐[36]在对大量文献调研的基础上，强调低渗透岩石的方解石胶结物经历溶解-沉淀反应后碳氧同位素未发生明显变化的情况并不少见，但这种现象目前仍未找到令人信服的解释。因此，应用稳定同位素资料研究方解石胶结物的成因需要慎重。

图4 长8砂岩中方解石胶结物δ13C和δ18O的相关性Fig.4 δ13C and δ18O relationship of calcite cements in Chang 8 sandstones

3.3 流体包裹体均一温度数据应慎用

流体包裹体是矿物生长过程中被捕获在矿物晶格内并未与外界发生物质交换的那一部分古流体，其作为一个独立的地球化学系统，能够真实地反映成岩成矿时的流体性质，包括温度、压力、pH值等，在成藏史和成岩作用研究等油气地质领域得到了广泛应用[37]。

鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩经历了多期油气流体活动，每期油气活动将使孔隙流体变为酸性介质环境。方解石胶结物作为一种弱碱性成岩矿物，在每期油气活动过程中，都会发生溶解-沉淀反应。溶解-沉淀反应过程中，溶解反应使早期方解石溶解，同时早期的油气包裹体也将被破坏；沉淀反应使方解石再次淀出，并在矿物晶格中捕获油气形成新的包裹体。多次油气活动，就会发生多期方解石的溶解-沉淀反应，相应地，油气包裹体也处于不断破坏与形成的平衡中。成藏结束时，酸性环境消失，发生了多期溶解-沉淀反应的II型方解石胶结物得以保存，其矿物晶格中的包裹体也随之保存下来。由于早期的包裹体不断遭到破坏，保留下来的包裹体通常是油气成藏中后期的产物，体现在具有高包裹体均一温度上[11]。因此，包裹体均一温度仅仅说明方解石胶结物发生过化学变化，并不代表其是从孔隙水中沉淀，具体情况需要结合岩石学证据。

综上所述，虽然研究区砂岩中方解石胶结物在成岩过程中变化复杂，但仍保留了丰富的早成岩时期的岩石学证据，如碎屑颗粒间的接触关系、胶结类型、方解石胶结物表面的绿泥石膜等，通过这些证据能够很好地恢复方解石胶结的过程。而地球化学参数和包裹体资料可以作为辅助手段，它们的应用必须服从于岩石显微结构特征[20]。

3.4 方解石胶结物的形成过程

通过对鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩方解石胶结物的物质来源、形成时间以及成因的剖析，研究方解石胶结物的形成过程。I型方解石胶结物形成于早成岩A期，至目前的中成岩A期，其再没有发生过明显的成岩变化。II型方解石胶结物的形成过程可以分为3个阶段，依次为II0型方解石胶结物发育阶段、碎屑颗粒表面绿泥石膜形成阶段、II型方解石胶结物发育阶段（图5）。

图5 长8砂岩中II型方解石胶结物的形成过程Fig.5 Development process of II-type calcite cement in Chang 8 sandstones

第一阶段为II0型方解石胶结物发育阶段。早成岩A期，泥岩压释的过饱和碳酸钙流体进入相邻砂岩，在粒间孔隙中形成斑块状或星点状散布的方解石胶结物。

第二阶段为碎屑颗粒表面绿泥石膜形成阶段。早成岩B期，在富铁、镁的碱性流体作用下，粒间孔隙的颗粒表面沉淀绿泥石膜，不同颗粒表面的绿泥石膜相互衔接起来，形成孔隙的绿泥石环边。

第三阶段为II型方解石胶结物发育阶段。中成岩A期伊始，酸性流体随油气一起排入砂岩，在酸性流体作用下，II0型方解石胶结物发生原地溶解-沉淀反应转化为II型方解石胶结物，同时在其表面沉淀富钙质组分的绿泥石膜。

4 结 论

（1）鄂尔多斯盆地西南部长8砂岩的致密时间为早成岩A期，这是由方解石胶结物的形成时间决定的。

（2）方解石胶结物有两种基本类型，I型为与碎屑颗粒直接接触的浸染状均匀分布的方解石胶结物，II型为暗色环带包裹的方解石胶结物，其是由斑块状或星点状散布的II0型方解石胶结物经溶解-沉淀反应转化而来，暗色环带为其表面的绿泥石膜遭受油气浸染所致。

（3）方解石胶结物碳氧同位素和流体包裹体信息的应用要慎重，它们应服从于方解石胶结物的显微结构特征。

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