鄂尔多斯盆地黄陵地区深水砂岩中碳酸盐胶结物特征、成因及分布规律

刘桂珍 时晓章 赵永刚

摘 要：碳酸鹽胶结物是影响致密砂岩储层质量的一个重要因素。为预测储层“甜点区”的分布，提高油气勘探开发效率，利用岩心、常规测井、微观岩石薄片等资料，分析黄陵地区长6段致密砂岩中碳酸盐胶结物特征、成因和分布规律。结果表明碳酸盐胶结主要有早期方解石和白云石胶结，中期铁方解石胶结，晚期铁白云石胶结，其中早期方解石占主要含量，分析成因主要为内源成因，中、晚期碳酸盐胶结为内源和外源综合作用的结果。碳酸盐胶结物的分布样式主要有：砂体顶部、底部和中部3种形式，其中砂体底部和顶部延伸较远，中部延伸距离短，规模小。顶部钙质层主要分布在浊流成因砂体中，中部和底部钙质层主要为砂质碎屑流成因砂岩中。碳酸盐胶结物分布明显受沉积和成岩作用的控制因素，钙质层在基准面下降半旋回中较上升半旋回发育，与深湖相泥岩相接触的砂岩更易于钙质层分布;差异成岩演化影响着钙质层分布。

关键词：碳酸盐胶结物;深水砂岩;长6段;延长组;鄂尔多斯盆地

中图分类号：P 579

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2021）01-0075-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0111

Characteristics，origin and distribution of carbonate cements

in deep-water sandstones in Huangling area，Ordos Basin

LIU Guizhen1，2，SHI Xiaozhang3，ZHAO Yonggang1，2

（1.School of Earth Sciences and Engineering，Xian Shiyou University，Xian，710065，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology，Xian Shiyou University，710065，China;

3.College of Resource and Environmental Engineering，Yibin University，Yibin 644000，China）

Abstract：Carbonate cement is an important factor affecting the quality of tight sandstone reservoirs.In order to predict the distribution of reservoir “sweat area” and to improve oil and gas exploration and development efficiency，the characteristics，origin and distribution of carbonate cements in Chang 6 member were analyzed by using the data of core，logging，thin section.The results show that the carbonate cementation  consisted mainly of early calcite and dolomite，mid-diagenetic ferroan calcite and late-diagenetic ferroan dolomite in the study area，in which the early calcite was the main content.The main cause of the early calcite was internal sources，while the middle and late carbonate cementation was the result of internal and external sources.Three distribution forms of carbonate cements were identified：the top，bottom and middle of the sand body，among which the bottom and top of sand body extended far，while the middle extended short on a small scale.The top calcareous layers were distributed in the sandstone of turbidity current，and the middle and bottom calcareous layers were mainly in the sandy clastic flow.The types and distribution of carbonate cementation were obviously controlled by sedimentation and diagenesis.Calcareous layers were developed more  in the base-level descending cycle than upward cycle.Sandstones in contact with deep-water mudstones were more prone to the concentration and distribution of carbonate cementation.Differential diagenetic evolution affects the calcareous layer distribution.

Key words：carbonate cements;deep-water sandstone;Chang 6 member;Yanchang Formation;Ordos Basin

0 引 言

碳酸盐胶结是碎屑岩储层中最普遍的一种胶结，具有分布广泛、多期形成和成因复杂等特点[1-3]。碳酸盐胶结主要由方解石、白云石、铁方解石、铁白云石和菱铁矿等矿物组成，其成因受到原始沉积条件和后期成岩流体的共同控制[4]，碳酸盐胶结尤其在湖盆致密砂岩中广泛分布，严重制约和影响着储层质量，成为控制致密砂岩储层质量的一个重要因素[5-8]。

碳酸盐胶结物数量和形成时间对储层质量起决定性因素。当碳酸盐胶结小于一定数量，且在成岩早期阶段沉淀，其碳酸盐胶结对储层起建设性的作用，压实作用前早期碳酸盐胶结物能够抵抗一部分压实作用，起到保护储层原始孔隙的作用，而且后期碳酸盐胶结物溶蚀可提供一定的次生孔隙空间。但是当碳酸盐含量大于一定数量时，对储层主要起破坏性作用，尤其对致密砂岩储层，效果更加明显。主要表现在：当砂岩中碳酸盐胶结物其含量大于20%时，砂岩致密胶结，基本不发育孔隙，为无效储层，此时称为钙质胶结砂岩，钙质胶结层阻碍油气分布及流体流动，成为油气运移的隔挡层[9-10];钙质胶结层的存在对储层在后期构造应力作用下所形成天然裂缝的形成分布具有控制作用，钙质胶结致密砂岩具有较高的脆性指数，相同的构造应力下，钙质层中构造裂缝发育[11]。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组属于典型的低孔、低渗储集层，碳酸盐胶结不仅在湖盆三角洲沉积储层中广泛分布[12-13]，在湖盆重力流成因的砂体中也普遍发育，尤其在鄂尔多斯盆地华池[14]、黄陵地区，成为影响储层质量的主要因素。已有研究多关注河流-三角洲成因砂体中碳酸盐胶结物的成因机理、形成演化及对储层质量影响[12-13，15]，然而对湖盆深水重力流成因砂体内碳酸盐胶结的成因、分布规律及控制因素不清楚。黄陵地区在长6期重力流成因砂体发育，且经历了复杂的成岩演化，碳酸盐胶结物含量高，且分布规律不明确，严重制约着油气有效勘探开发，因此急需明确重力流储层中碳酸盐胶结物特征、成因和分布规律，预测优质储层分布。文中利用岩心资料，分析化验资料、薄片资料和测井资料分析碳酸盐胶结物特征、成因及分布规律，揭示致密砂岩储层内部非均质性，为湖盆深水砂岩中储层的预测提供一定的借鉴作用，为储层“甜点区”预测及致密油勘探开发提供地质依据。

1 地质概况

黄陵地区位于鄂尔多斯盆地东南部，区域构造位于伊陕斜坡中部。晚三叠世鄂尔多斯盆地处于内陆坳陷阶段，沉积了一套河流-三角洲-湖泊沉积（图1（a））[16]。延长组从上到下划分为10个油层组（长1～长10）。延长组沉积时期经历了湖盆的整个发展阶段，从湖盆形成（长10～长9）、扩张（长8～长7）、萎缩（长6～长4+5）、到消亡（长3～长1）的全部过程（图1（b））[17]。在此期间湖盆经历了多期次湖水进退变化，长6期是湖盆达到鼎盛时期后的湖水下降期，在黄陵地区延长组长6段为湖盆重力流沉积（图1（a））。研究区长6地层厚度110～135 m，埋藏深度400～620 m。

黄陵地区长6期重力流沉积发育[18]，在相标志和区域沉积背景分析的基础上，主要识别出砂质碎屑流与浊流沉积。砂质碎屑流沉积砂体具有砂层厚，连续性好，泥质含量低。而浊流沉积砂体具有砂层薄，连续性差等特征。根据矿物组合特征和前人研究成果，研究区长6物源来自盆地东北部皱褶隆起造山带[19]。

长6段砂岩主要为灰色长石砂岩（图2（a）），岩屑以变质岩岩屑及中酸性岩浆岩岩屑为主。主要胶结物为碳酸盐胶结（方解石和白云石）、黏土矿物（绿泥石和伊利石）、硅质胶结（图2（b）），其中碳酸盐占胶结物含量的70%以上。砂岩以细砂岩和极细砂岩为主，分选中等-好，磨圆以次棱角-次圆为主。

长6储层孔隙度为4.8%～16.0%，平均孔隙度10.5%，渗透率（0.042～1.5）×10-3 μm2，平均渗透率为0.158×10-3 μm2，为典型致密砂岩储层。其经历了多样的成岩作用和复杂成岩演化。颗粒间以线和凹凸接触为主。孔隙类型主要为残余粒间孔和粒内溶孔。

2 碳酸盐胶结物特征及成因

2.1 碳酸盐胶结物微观特征

黄陵地区长6储层中含有大量碳酸盐胶结物，含量从0～25%均有分布。根据矿物学特征，研究区碳酸盐胶结物具有多期性和多样性特征，其碳酸盐胶结物主要以方解石、含铁方解石、白云石和铁白云石组成，分别划分为早期方解石、白云石胶结和中期铁方解石胶结和晚期铁白云石胶结。

1）早期碳酸盐胶结物：研究区长6碳酸盐胶结物早期主要有方解石、白云石。方解石的含量占岩石总含量的0.3%～23.8%，平均为15.4%（表1）。产出状态分为2类，第1类方解石呈微晶，孔隙充填式胶结;第2类方解石呈鑲嵌、连晶基底式胶结（图3（a），图3（b），图3（c），图3（d）），碎屑颗粒呈“漂浮”状。从产出的状态和分布样式，早期碳酸盐形成早于机械压实作用之前。

2）中期碳酸盐胶结物：中期碳酸盐胶结物主要是铁方解石，占岩石总含量为1%～6%，平均为4%。颗粒干净粗大，晶型较好，充填于孔隙中，并常见交代长石、岩屑（图3（e），图3（f），图3（g）），根据产状形成于长石溶蚀之后。

3）晚期碳酸盐胶结物主要为铁白云石，占岩石总含量为1.2%～9.2%，平均为5.6%。白云石晶体晶型好，干净，充填于孔隙中（图3（h），图3（i））。

2.2 成因分析

近年来，碳酸盐胶结物来源引起了学者们的关注[20]。根据碳酸盐胶结作用中流体来源于砂体之内和之外，划分为内源和外源成因[13，21]。然而，根据矿物岩石学特征，碳酸盐胶结物的形成具有多期性和阶段性，其形成贯穿于整个沉积成岩中，在成岩演化阶段，其碳源和钙源都有可能存在外源补充。

根据碳源和钙源来源不同，碳源分为内源和外源，内源为成岩过程中充填于砂岩各类孔隙中的碳酸盐溶液，其在溫度、压力及其他物化条件发生变化时，趋于饱和状态，并在原地沉淀、结晶而成;主要包括湖相原生碳酸盐胶结物溶解和大气溶解的CO2。碳外源主要来自泥岩中的流体包括2部分：一部分为在压实作用的过程中，泥岩中分散状的碳酸盐矿物在遭受压实过程中易溶解释放Ca2+，Mg2+，CO2-3等离子[24];在成岩早期在压力作用下，从盆地深部向浅部，由盆地中心向边缘流动，因此流体从泥岩中流向砂岩中，形成早期碳酸盐沉淀。另外一部分是随着砂岩埋藏的加深，泥岩中有机质热演化过程中释放出的CO2，在适当条件下可转化为CO2-3，HCO-3。为中晚期碳酸盐沉淀奠定了物质基础。

钙源来源也可以划分为2部分，一部分为压实过程中泥岩释放的Ca2+，Mg2+和黏土矿物转化过程中释放的Ca2+，Mg2+，Fe2+等离子，属于外源成因。另外一部分为内源成因，砂岩中长石颗粒溶蚀，碳酸盐岩屑后溶解再沉淀和铝硅酸盐水化作用等。成岩过程中碳酸盐沉淀是内源和外源综合作用的过程和结果。研究区，根据外观特征，碳酸盐胶结物划分为3期，主要为方解石、白云石、铁方解石和铁白云石等。方解石和白云石胶结属于成岩作用早期或同生作用时期，碎屑颗粒常“漂浮”在胶结物中，呈现基底式胶结，为早期大气淡水作用保存在孔隙中的水过饱和沉淀，为内源成因，前人认为鄂尔多斯盆地深水砂岩中存在大气淡水的溶蚀作用也证实了这点[22]。而铁方解石和铁白云石胶结主要为外源和内源综合成因，在成岩的过程中，钙离子主要来自于长石的溶解、黏土矿物的转化提供。而其碳源主要为有机酸，来源于砂体以外富含有机质的暗色泥岩热演化成熟的有机酸，属于外源流体。

X衍射定量分析显示（表1），碳酸盐胶结含量大于20%的砂岩中，斜长石的含量为25.4%～31.7%，小于斜长石的平均含量33.2%，钾长石的含量基本持平。这说明碳酸盐胶结物沉淀同时与斜长石的溶解有一定的关系。

3 碳酸盐胶结物分布及控制因素根据碳酸盐的含量，将碳酸盐胶结物含量大于20%为碳酸盐胶结层或钙质砂岩，此类砂岩，孔隙度小于5%，面孔率小于0.8%。把碳酸盐胶结物含量10%～20%为含碳酸盐胶结的砂岩，此类砂岩孔隙度小于5%～8%，面孔率小于1.2%。

3.1 分布规律

3.1.1 岩心分布

钙质胶结砂岩在岩心上极易识别，颜色有差异，比较浅，比重比较大，滴稀盐酸强烈起泡。通过对5口井的岩心观察，钙质胶结层一般厚度约20 cm～1 m（图4），主要分布在砂岩与深湖泥岩相接触段。从显微镜下观察，钙质胶结层多为方解石胶结和交代，这与四川盆地须家河组须二段和须四段砂岩中钙质胶结层特征相似[9]。

根据薄片标定岩心，岩性标定测井，在测井显示上，钙质胶结层自然伽玛值低于渗透性砂岩，一般介于30～55 API，声波时差低于渗透性砂岩，一般小于220 us/m，呈尖峰状，微梯度、微电位显示高电阻尖子（图4）和高密度等特征。

3.1.2 单井上分布

钙质胶结层在单井上的分布可归纳为砂体底部、砂体顶部和厚层砂体中部3种形式，其中根据砂体成因，钙质砂岩一般发育在浊流沉积砂体的顶部，而在砂质碎屑流的成因砂体底部和中部（图5）。

3.1.3 联井剖面

联井剖面显示，钙质层分布在薄层砂岩中延伸较短，在厚层砂岩中延伸较长，尤其厚层砂岩底部钙质层延伸较远，一般300～500 m以上，但厚层砂体内部钙质胶结层具有随机性，延伸较短（图6）。

3.2 分布控制因素

碳酸盐胶结是碎屑岩中分布最广泛的胶结物，钙质砂岩分布受沉积相的控制，主要分布在河流、三角洲、浊积扇相带中砂体厚度较大、原生孔隙发育的部位[23]。砂岩附近的湖相泥岩对砂岩中的碳酸盐胶结物具有控制作用，碳酸盐胶结物在砂泥岩界面处发育[21，24]。此外，湖盆中碳酸盐胶结物的形成与基准面旋回、埋深、构造位置等因素也有一定的相关性[25-26]。

根据对研究区碳酸盐胶结物分布规律分析，主要受沉积作用及成岩作用控制。

3.2.1 沉积作用

1）基准面旋回。鄂尔多斯盆地上三叠统延长组湖盆经历了3次比较大的基准面升降，形成以长9李家畔油页岩、长7张家滩油页岩和长4+5泥岩为标志的三期大规模湖侵。长61底为三级层序界面，长7上部一长62为三级基准面下降半旋回[26]。通过统计分析长6段钙质层分布密度，在长61油层中，平均0.13条/m，长62～长64油层中，平均0.27条/m，钙质层在下降半旋回中较上升半旋回发育（图7）。主要原因为基准面下降阶段，其蒸发作用主要发生在湖（海）平面持续下降期，气候干旱，蒸发作用较强，易形成含钙化合物沉淀[20]。长6时期鄂尔多斯盆地属于半咸水的沉积环境[27]，有利于钙质胶结沉淀。

2）砂岩与深湖泥岩组合。从岩心观察，与深湖相泥岩相接触的砂岩钙质层更发育（图7），分析其原因，在压实作用过程中，泥岩更易于压实，随着泥岩压实作用的增强，富含碳酸氢钙孔隙水释放并潜入与泥岩相接触的砂岩中，并在一定物理化学条件下，使含钙化合物沉淀并大量富集[20]，因此在砂体顶、底钙质层发育。根据研究区深水重力流成因砂体中钙质层分布，浊流成因的砂体中，钙质层一般分布在砂体顶面，砂质碎屑流沉积砂体中，钙质层发育在砂体中部和底部。分析可能原因是研究区浊流沉积多数为薄层浊积扇砂体，顶部砂岩渗透性较好，易于流体流动且与深湖泥岩接触，容易形成顶部钙质层。砂质碎屑流成因的砂体厚，多为块状砂岩，紧邻深水泥页岩，厚层泥页岩成岩热演化中释放大量高浓度碳酸盐流体，随着地层压力的下降也加速了其扩散，当其扩散至相邻砂体时，易沿着构型界面进入砂体发生沉淀[28]。同时，砂体中部长石溶孔较为发育，长石溶蚀越剧烈，释放矿物离子越多，扩散能力越强，其在砂体界面较粗位置易形成钙质层且厚度大[29]，因此一般在砂体中部和底部形成钙质层。

3.2.2 成岩作用

成岩作用是影响储层非均质性的一个重要原因[30-31]，砂岩埋藏后发生的一系列成岩作用对储层非均质性的影响极为显著，包括成岩作用类型和强度及时间加大了原始沉积作用造成的非均质性[32]，由于成岩作用造成的厚层砂岩内胶结物分布不均对储层物性也有明显的影响[33-34]。成岩演化顺序差异形成储层质量差异[35-36]，造成含油气性差异。研究区长6段发育碳酸盐胶结的致密砂岩，是影响储层非均质性的主要原因。

根据岩石薄片显微镜下自生矿物的类型、产状及其相互关系与形成序列，孔隙类型及其分布特征等微观特征的分析，结合前人的盆地热演化史和埋藏史，建立研究区成岩演化顺序为绿泥石膜-早期方解石胶结-机械压实-溶蚀作用-次生石英+石英次生加大-溶蚀作用-绿泥石-中期铁方解石胶结-晚期铁白云石胶结-溶蚀作用。根据矿物的组合特征、镜质体反射率及伊蒙混层比，表明研究区储层处于中成岩A期（图8）。

研究区致密砂岩是被碳酸盐胶结致密且很少遭受溶蚀的砂岩，从成岩演化顺序看，早期的方解石胶结占据有大量的原生孔隙，呈孔隙到基底式胶结，使砂岩快速致密;在第1期烃类充注前已经致密，没有足够的空间使得烃类充注和流动，因而即使有较少的长石矿物溶解，同样在原地形成铁方解石和铁白云石沉淀。因此碳酸盐砂岩经历的成岩作用相对简单，其成岩演化序列为：绿泥石膜-早期方解石胶结-机械压实-烃类充注-溶蚀作用-铁方解石-烃类充注-溶蚀作用-铁白云石。因此成岩早期方解石胶结是钙质层形成的主要原因，后期中成岩阶段铁方解石和铁白云石胶结进一步叠加使储层致密。

4 结 论

1）长6层中碳酸盐胶结主要类型有方解石、白云石、铁方解石和铁白云石，有三期成因，早期主要为方解石和白云石胶结。主要成因为内源成因，中期和晚期主要为外源和内源共同作用的结果。

2）砂岩中钙质层的分布主要有3种形式：砂体的顶部、底部和中部，其砂体顶部和底部钙质层延伸较远，中部钙质层延伸距离短，且规模小。顶部钙质层主要分布在浊流成因砂体中，而底部和中部钙质层主要分布在砂质碎屑流成因砂体中。

3）砂岩中钙质层分布明显受沉积和成岩作用控制。鈣质层在基准面下降半旋回发育密度高于基准面上升半旋回，与深湖相泥岩相匹配的砂岩易于形成钙质层，差异成岩演化影响着钙质层分布。

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收稿日期：2020-07-03   责任编辑：李克永

基金项目：

国家自然科学基金项目（41602156）;陕西省自然科学基础研究计划项目（2019JM-381）;陕西省教育厅科研计划项目（20JS126）

通信作者：

刘桂珍，女，甘肃天水人，博士，副教授， E-mail：liuguizhen509@xsyu.edu.cn