致密砂岩中碳酸盐胶结物形成机制——以川西坳陷中段龙门山前沙溪庙组砂岩为例

杨永剑，张世华，杨映涛，朱 丽，阎丽妮，张 玲

（中国石化 西南油气分公司 勘探开发研究院，成都 610041）

碳酸盐胶结作用是砂岩成岩过程中重要的成岩作用之一，通常也是砂岩致密化的重要因素之一[1]。致密砂岩广泛分布于中国的多个含油气盆地中[2]，因此对致密砂岩中碳酸盐胶结物的研究至关重要。文献［3］以川西丰谷地区须家河组须四段钙屑砂岩为例，依据激光碳氧同位素分析等手段，探讨了不同时期碳酸盐胶结物发育特征及其成岩流体演化特征，并明确了“自产自销”模式为其白云石胶结物呈较重碳氧同位素特征的主要原因。文献［4］以鄂尔多斯盆地延长组长6段为例，依据其流体的来源与成岩期次的不同，将碳酸盐胶结作用划分为内源碳酸盐胶结和外源碳酸盐胶结2种类型。文献［5］以查干凹陷下白垩统巴音戈壁组为例，依据碳酸盐胶结物碳氧同位素特征，将其形成期次划分为3期，并探讨了其多期碳酸盐胶结物的特征及成因机理，明确了Ⅱ期和Ⅲ期碳酸盐胶结对储集层发育的破坏性。文献［6］依据碳酸盐胶结物碳氧同位素等分析手段，明确了柴北缘鄂博梁构造带古近系及新近系储集层碳酸盐胶结物至少存在有4种形成机制，与有机质脱羧作用有关的碳酸盐胶结物稍晚于油气充注，可作为油气充注或运移的特征自生矿物。除此之外，文献［7］—文献［10］依据碳氧同位素特征，对不同地区储集层碳酸盐胶结物形成期次及其流体性质进行了研究，由此可见，碳氧同位素分析在碳酸盐胶结作用的研究中显得越来越重要，也是常见的手段之一。

川西坳陷中侏罗统沙溪庙组是川西地区天然气主力产层之一，也是典型的致密砂岩储集层。沙溪庙组储集层广泛发育碳酸盐胶结物，是影响其储集层发育的重要因素之一，其中龙门山前地区是川西坳陷沙溪庙组碳酸盐胶结物最为发育的地区。针对该地区沙溪庙组碳酸盐胶结作用的研究，是探讨其储集层致密化过程不可或缺的研究内容。依据薄片镜下观察、扫描电镜分析、碳酸盐碳氧同位素分析、电子探针分析等手段，本文对研究区碳酸盐胶结物的发育特征及形成机制进行分析和探讨，旨在明确其碳酸盐胶结物形成时期及其流体特征，为其储集层致密化过程分析提供理论支持。

1 地质背景

川西坳陷是龙门山推覆构造带所形成的前陆盆地，位于四川盆地西部，中三叠世末期，印支运动引发了四川盆地西部龙门山造山带的隆升，四川盆地逐渐由海相沉积转为陆相沉积，进入侏罗纪后，盆地发育典型陆相沉积。研究区位于川西坳陷龙门山前构造带中段，西临龙门山断裂带，东接新场构造带及成都凹陷，整个研究区位于关口断层及彭县断层之间（图1）。

研究区内侏罗系广泛发育，自下而上依次为下侏罗统自流井组、中侏罗统千佛崖组和沙溪庙组、上侏罗统遂宁组及蓬莱镇组。根据钻井揭示，研究区内沙溪庙组厚度为700～800 m，为一套砂岩与泥岩的互层，且砂泥岩互层率高，非均质性强，局部区域发育有砾岩。研究区沙溪庙组为一套典型的近物源三角洲沉积，由于沉积区域靠近物源出山口，碎屑物质搬运距离较短，砂岩以成分成熟度较低的岩屑砂岩为主。根据薄片鉴定与统计，研究区沙溪庙组砂岩石英含量65.4%，长石3.5%，岩屑31.1%；其中74%的样品为岩屑砂岩，次为岩屑石英砂岩。填隙物以方解石胶结物为主，其次是泥质杂基。

2 碳酸盐胶结物赋存状态

根据研究区沙溪庙组761个样品薄片鉴定结果统计，方解石胶结物普遍发育，含量变化也较大，平均含量为12.1%，约65%的样品方解石胶结物含量为5.0%～15.0%，近30%样品方解石胶结物含量高于15.0%，最高可达44.0%，大量的胶结物充填是研究区储集层致密化的重要因素之一。

图1 研究区构造位置

根据薄片鉴定和扫描电镜分析，研究区方解石胶结物主要为粒间胶结物，少量为交代物或次生孔隙内填充物，常以晶粒镶嵌型及连晶状出现（图2a），成分主要为方解石，含少量铁方解石。通过镜下观察，在部分样品中连晶方解石多呈亮晶状产出（图2b），在扫描电镜下可以观察到方解石晶形发育较好（图2c，图2d），发育部分细晶—微晶方解石胶结，少量样品中碎屑颗粒呈漂浮状的基底式胶结，这类方解石胶结物往往形成于成岩早期，在压实作用进行初期就已经发生了方解石胶结作用。通过阴极发光分析（图2e，图2f），研究区沙溪庙组以两期方解石胶结为主，一期方解石胶结发黄色—橙色光，另一期方解石发暗橙色光。

3 碳酸盐胶结物碳氧同位素特征

本次研究共计采集龙门山前6口钻井沙溪庙组碳酸盐胶结物碳氧同位素样品32个，在纵向上和平面上均覆盖较完整，能较完整地代表研究区方解石胶结物的发育特征。通过测试分析，研究区沙溪庙组方解石胶结物δ13CPDB为-7.69‰～-2.13‰，平均为-4.34‰，δ18OPDB为-15.34‰～-9.60‰.通过分析（表1）研究区沙溪庙组中—上部（J2s2—J2s1）样品δ13CPDB为-5.47‰～-2.13‰，普遍大于-4.00‰，平均为-3.67‰.根据自然界碳同位素分馏机理[11]，正常的海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物的δ13CPDB为-4.00‰～4.00‰，属于无机碳源，表明其成岩流体受到有机质的脱羧基作用的影响较小，其流体性质更趋近于沉积水体。而沙溪庙组下部（J2s3）样品δ13CPDB为-7.69‰～-3.60‰，普遍小于-4.00‰，平均为-5.58‰，表明其成岩流体受到有机质的脱羧基作用的影响，这可能与沙溪庙组下部更接近生烃层（自流井组、须家河组五段）更容易受到其有机质生烃演化的影响有关。

方解石形成时的温度可以影响其氧同位素值，形成时的温度越高，其水体氧同位素值越低，胶结物的氧同位素值也越小，两者之间存在函数关系[12]：

式中α方解石-水=（1+δ18O方解石/1 000）/（1+δ18O水/1 000）；

δ18O方解石——实测方解石氧同位素值；

δ18O水——现代海水氧同位素值；

T——方解石沉淀温度，℃.

根据上述公式，在碳酸盐胶结物成岩演化序列研究的基础上，对研究区方解石胶结物沉淀温度进行了统计分析（表1）。研究区方解石胶结物形成温度为56.1～101.3℃，其中90%的样品计算温度小于85.0℃，根据SY/T 5477—2003碎屑岩成岩阶段的划分，其对应成岩阶段主要为早成岩阶段，少量样品为中成岩阶段。表明研究区内碳酸盐胶结作用主要发生在早成岩阶段，对应的时期约为晚侏罗世—早白垩世。

图2 研究区沙溪庙组砂岩碳酸盐胶结物发育特征

表1 研究区沙溪庙组砂岩方解石胶结物碳氧同位素分析

4 碳酸盐胶结物FeO和MnO特征

本次研究共计采集研究区沙溪庙组砂岩碳酸盐胶结物电子探针样品34件，共计测试分析点212个。通过镜下观察，结合该区方解石胶结物产状，将方解石胶结物分为交代碎屑颗粒方解石、基底式方解石、连晶亮晶方解石及微晶方解石胶结物4种类型。

根据测试结果（图3），基底式方解石胶结物及连晶亮晶方解石胶结物的FeO和MnO含量普遍偏低，基本小于1.0%，这类方解石通常形成于成岩作用早期，此时压实作用刚刚开始，颗粒间孔隙较大，易于在孔隙中形成基底式方解石胶结与连晶亮晶方解石胶结，其成岩流体为原始沉积水体，受外部流体影响较小，表明沙溪庙组沉积期的沉积水体中Fe和Mn含量较低。

研究区交代方解石主要以交代长石颗粒为主，少量交代石英及岩屑颗粒，绝大多数交代长石颗粒的方解石FeO和MnO含量均小于1.0%，表明交代作用主要发生在早成岩阶段，受后期深部富Fe和Mn流体的影响较小。

除此之外，有部分样品FeO和MnO含量较高，这类方解石胶结物主要为少量交代碎屑颗粒方解石胶结物及微晶方解石胶结物，方解石胶结物中的FeO和MnO含量多数大于1.0%，高者MnO含量达3.5%，这类方解石的形成可能受到下部富Fe和Mn流体影响。

图3 研究区沙溪庙组砂岩方解石胶结物FeO—MnO含量分布

根据以上分析结果，研究区早期形成的方解石胶结物中FeO和MnO含量普遍较低，表明其早期流体性质是低Fe和Mn的，而部分样品中存在FeO和MnO含量较高的现象应该是受下部富Fe和Mn流体的影响，由此可知，研究区至少存在有两期的方解石胶结。通过样品统计来看，FeO和MnO含量大于1.0%的方解石胶结物约占测试点的14%，结合前文碳酸盐碳氧同位素分析结果来看，研究区绝大多数方解石胶结物形成于早成岩阶段。

方解石胶结物一般由颗粒边缘向粒间孔隙内部生长，颗粒边缘的方解石往往形成时期较早。但通过同一区域方解石胶结物电子探针分析来看，不同测试点的FeO和MnO含量存在有一定差异，无论是碎屑颗粒边缘还是胶结物中央部分（图4），都存在富FeO和MnO的现象。表明下部流体在储集层中的运移通道可能主要是通过裂缝，而非残留的孔隙喉道。晚期富Fe和Mn流体主要沿着晚期构造形成的裂缝流动，起始时期流体可能对早期方解石有一定的溶蚀作用，在部分样品中也有观察到方解石溶蚀的现象，随着溶蚀作用的进行，流体中的Ca2+含量逐渐增高，当达到一定比例时，溶蚀作用逐渐减弱至停止，晚期方解石开始沉淀，形成了晚期富FeO和MnO的方解石胶结物。由于流体主要通过裂缝运移，可能在晚期富Fe和Mn流体影响下，在晚期方解石胶结物形成的同时，早期形成的方解石胶结物也在发生重结晶作用，造成了颗粒边缘及胶结物中央部分均有富FeO和MnO的现象，以及少量连晶亮晶方解石及基底式方解石富FeO和MnO的现象。

图4 研究区沙溪庙组砂岩方解石胶结物电子探针分析

5 碳酸盐胶结物形成机制

通过对龙门山前沙溪庙组方解石胶结物微观镜下观察、阴极发光分析、碳氧同位素分析、电子探针分析等综合研究结果，研究区内方解石胶结物多为晶粒镶嵌型及连晶状，特别是在部分样品中以颗粒漂浮于方解石胶结物的基底式胶结，这类胶结物通常在压实作用初期时便已形成，方解石胶结作用先于压实作用进行，表明此时的沉积水体中有着相对较丰富的Ca2+来源，在成岩作用早期的水体性质是偏碱性的。这可能与研究区处于龙门山前地区，河流流经龙门山，二叠系、三叠系碳酸盐岩物源区能够为水体提供大量的Ca2+，而且研究区属于物源出山口的位置，以河流—三角洲沉积为主，水体相对较浅，此时富Ca2+水体尚未被大量稀释，Ca2+含量相对较高，在富Ca2+的水体的影响下，研究区形成了大量的基底式及连晶状方解石胶结。这可能也是川西坳陷沙溪庙组方解石胶结物在平面上自山前带向东含量逐渐降低的主要原因。

随着成岩作用的继续进行，压实作用逐渐加强，晶粒镶嵌型的方解石胶结物开始沉淀，与此同时长石颗粒开始溶蚀，形成了方解石交代长石颗粒的现象。此时的流体性质仍然以孔隙残留水体为主，总体是一个封闭的成岩环境，缺乏外界流体的干预，至早成岩阶段晚期，方解石胶结物在孔隙内大量沉淀，使储集空间损失殆尽，这也是造成研究区沙溪庙组储集层致密化（平均孔隙度为4.85%，平均渗透率为0.188 mD）的主要因素之一。其中沙溪庙组下部由于受到下伏地层（自流井组、须家河组五段）烃源岩演化过程中有机质的脱羧基作用的影响，δ13CPDB相对偏负（-7.69‰～-3.60‰，平均为-5.58‰）。

在成岩作用中—后期，构造断裂开启，沿着构造断裂及破裂缝沟，下部流体对早期方解石有一定的溶解性，导致了部分早期方解石的溶蚀，但是随着溶蚀作用的进行，流体中的Ca2+含量逐渐增大，晚期方解石开始沉淀。从电子探针分析来看，下部流体富含Fe和Mn，这也导致了晚期沉淀的方解石FeO和MnO含量较高。而且在晚期方解石沉淀的同时，受下部流体的影响，同时早期形成的方解石胶结物也在发生重结晶作用，造成了颗粒边缘及胶结物中央部分均有富FeO和MnO的现象。即使是早期的碳酸盐发生重结晶作用，如果缺乏有效的沟通通道，下部富Fe和Mn流体对早期方解石重结晶的影响仍然较弱，因此在绝大多数连晶亮晶方解石中FeO和MnO含量均较低。

研究区方解石的溶蚀强度并不大，这可能由于前期方解石大量充填了孔隙，导致后期流体缺乏沟通通道，仅靠后期构造坡裂缝，对早期的方解石溶蚀有限；另一方面，可能是下部流体总体上呈弱酸性，且流体中原有Ca2+含量也相对较高，随着方解石溶蚀作用的进行，Ca2+含量很快便达到了过饱和状态，开始沉淀晚期方解石。

6 结论

（1）研究区侏罗系沙溪庙组砂岩中碳酸盐胶结物主要以方解石胶结物为主，少量含铁，多以晶粒镶嵌型及连晶状出现，平均含量12.1%，主要形成于早成岩阶段，对应的成岩温度为55～85℃，地质时期为晚侏罗世—早白垩世，此外有少量方解石形成于中成岩阶段。

（2）早成岩阶段流体主要为沉积水体，缺乏外来流体参与，总体上δ13CPDB相对偏正（-7.69‰～-2.13‰，平均为-4.34‰），其中沙溪庙组中上部δ13CPDB相对偏正（-5.47‰～-2.13‰，平均为-3.67‰），沙溪庙组下部由于受到下伏地层（自流井组、须家河组五段）烃源岩演化过程中有机质的脱羧基作用的影响，δ13CPDB相对偏负（-7.69‰～-3.60‰，平均为-5.58‰）。

（3）在埋藏中晚期，随着断裂的发育，下部富Fe和Mn流体通过断层沟通进入到沙溪庙组砂岩孔隙中，不仅造成了晚期富FeO和MnO方解石的沉淀，同时也通过重结晶作用影响到早期形成的方解石胶结物，这也是部分早期特征方解石富FeO和MnO的主要原因。但是由于早期方解石胶结非常发育，使孔隙基本损失殆尽，提供给富Fe和Mn流体的沟通通道相对不足，晚期流体对研究区早期方解石的影响较弱。