莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩碳酸盐胶结物特征及地质意义

王 彤，朱筱敏*，刘 宇，3，郭 诚

1. 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；

2. 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；

3. 中国石油 新疆油田分公司勘探开发研究院，克拉玛依 834000；

4. 中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300459

碳酸盐胶结物是碎屑岩储层中最常见的自生矿物之一（张敏强等，2007），具有分布广、形成期次多、成因多样性等特征（Carlos et al., 2007）。前人研究表明，自生碳酸盐矿物的沉淀多属于破坏性成岩作用，其胶结类型、赋存状态、含量大小等对碎屑岩的储层物性具有重要影响（王琪等，2010；魏巍等，2015；陈波等，2016）。碳酸盐胶结物化学性质活泼，对孔隙流体的酸碱性变化异常敏感，极易发生溶解—沉淀—再溶解—再沉淀作用，可作为成岩环境酸碱度变化的良好矿物指示剂，是成岩过程中孔隙流体演化历史的重要记录者（姚泾利等，2011；郭佳等，2014）。形成于不同成岩环境中的碳酸盐胶结物，其碳、氧同位素组成和性质明显不同且存在一定的规律性，胶结物中的碳同位素组成可以指示成岩流体中碳的来源，如：细菌硫酸盐还原、有机质脱羧基、碳酸盐矿物溶解等，而氧同位素组成则主要反映碳酸盐胶结物结晶时的沉淀温度和流体成分（Longstaffe, 1987; Chowdhury and Noble, 1996; 姚泾利等，2011；刘四兵等，2014）。碳酸盐胶结物中的碳、氧同位素研究，能够为其形成时的物质来源、沉淀温度和流体成分研究提供依据，对于阐明成岩过程中流体—岩石相互作用机理、孔隙流体演化史、储集空间的破坏和扩容机制等地质过程具有重要意义。

渤海湾盆地莱州湾凹陷北洼古近系沙河街组沙三段发育典型的碎屑岩储层，是重要的油气勘探目的层。前人对该区域研究主要集中于沉积体系展布及砂体连通性预测，碳酸盐胶结物特征及其对储层物性影响方面的研究相对匮乏，而储层物性影响了油气资源储量和产量。本文以莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩为主要研究对象，综合运用矿物学、岩石学和地球化学等多项研究方法，对研究区内碳酸盐胶结物特征及其对储层物性的影响进行了分析探讨，揭示了碳酸盐胶结物成因机理及其对储层质量的影响，为莱州湾凹陷古近系油气勘探与开发提供了理论支持和资料参考。

1 区域地质概况

莱州湾凹陷位于渤海海域南部，面积约1780 km2，在构造单元划分上隶属于济阳坳陷，是一个中生界基底之上发育的新生代次级凹陷。凹陷南北两侧分别为潍北低凸起和莱北低凸起，西北、东北和西南三面被黄河口凹陷、庙西凹陷和青东凹陷围限，东部通过控凹断裂与鲁东隆起相连，西侧和垦东凸起相接，其内部可以划分为南部缓坡带、南洼、中央凹陷带（KL11-1构造带）、北部陡坡带、北洼以及东、西两个走滑构造带等7个二级构造单元（牛成民，2012；黄雷等，2012a；王根照等，2012）（图1）。莱州湾凹陷在新生代构造演化过程中经历了多旋回断陷作用，依次经历了孔店运动、济阳运动、东营运动、新构造运动等多期构造运动（漆家福等，1995；黄雷等，2012b；朱伟林等，2015）。

图1 莱州湾凹陷北洼的区域构造位置Fig. 1 Regional map showing the tectonic setting and the location of the northern subsag of Laizhouwan sag

凹陷内新生界发育齐全，自下而上依次为孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组和平原组，其沉积厚度分别为700 m、1000 m、300 m、200 m、600 m和650 m。

研究区位于莱州湾凹陷北洼，北侧通过莱北1号断层与莱北低凸起相接。研究区沙三段沉积期三角洲—湖泊沉积体系广泛发育，形成了一套含少量砂岩的厚层暗色泥岩、油页岩。根据砂泥岩组合关系，自下而上可以划分为3个亚段（汤良杰等，2008；陈国龙，2016；赵汉卿，2019）。北部莱北低凸起、西部垦东凸起和南部潍北凸起是研究区最主要的物源区，发育了北部扇三角洲、西部和南部辫状河三角洲沉积体系（王彤等，2020）。

2 样品采集与研究方法

本次研究主要针对莱州湾凹陷北洼9口钻井的钻井取心（共计34.33 m）和井壁取心（共计208颗）结果开展岩心观察并进行取样及分析测试工作。首先，选取合适的样品制成薄片，利用偏光显微镜进行岩石学与矿物学研究，对岩石中矿物的组成、结构及成岩序列进行初步判断；其次，利用铁氰化钾和茜素红混合染液对薄片进行染色，识别砂岩中的碳酸盐矿物成分，一般情况下，较纯的方解石与溶液反应后呈桔红色，含铁方解石呈紫红色或深红色，铁白云石呈亮蓝色（魏巍等，2015）；最后，在阴极发光条件下，对碳酸盐胶结物的类型、组分和形成期次进行鉴定。岩石薄片鉴定及阴极发光实验，能够从岩石学和矿物学的直观角度，对不同期次碳酸盐胶结物的矿物组分、晶体形态、赋存状态及其与其他成岩矿物的先后关系进行识别，进而明确其对砂岩孔隙的影响。

在岩石学和矿物学研究的基础上，优选出5口井22块含单一碳酸盐胶结物的岩心样品进行地球化学分析，对其碳、氧同位素组成进行测定。取适量粉碎后的样品粉末放入试管，加入过量的饱和磷酸溶液，在真空玻璃系统中抽去试管内的空气，将磷酸与样品混合，放入95℃的水浴锅中充分反应，反应完成后（时间约24 h），提取试管内的纯化气体（CO2）。利用德国Finnigan公司MAT253型稳定同位素比值质谱仪进行同位素分析，所测同位素比值以PDB标准的千分率偏差给出，碳、氧同位素分析精度为0.03%。测试在中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室进行，执行《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》（SY/T 5238-2008）的实验标准。

3 研究结果

3.1 碳酸盐胶结物特征

莱州湾北洼沙三段储层现今埋深主要分布在2200～3100 m的范围内，碳酸盐胶结现象普遍发育，其含量变化范围较大（0～45%），平均值约为4.54%。胶结物类型以方解石和白云石为主，还见菱铁矿、铁方解石和铁白云石等其他碳酸盐胶结物。其中，菱铁矿形成时期较早，在胶结作用早期还原条件下形成（张衎和朱祥坤，2013），以隐晶结构产出，多呈小斑块状充填孔隙（图2a）；其表面常见锈黄色膜壳（图2b），表明在后期成岩作用过程中，岩石遭受氧化，菱铁矿中的Fe2+被氧化成Fe3+，形成褐铁矿色的膜壳，如果氧化程度继续加强，菱铁矿可能进一步被氧化为褐铁矿；云母颗粒经过挤压变形也可发生菱铁矿化（图2c）。形成于埋藏早期的菱铁矿胶结物在一定程度上增强了岩石的抗压实作用强度，对储层原生孔隙起到了良好的保护作用。

图2 莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩碳酸盐胶结作用镜下特征Fig. 2 The microscopic characteristics of carbonate cementation of Es3 member in the northern sub-sag of Laizhouwan sag

方解石胶结物在胶结作用早期和中晚期均可形成，是原生沉积物孔隙水中碳酸盐物质过饱和析出沉淀的产物，也可由成岩阶段早期的溶蚀作用形成，斜长石或岩屑的溶解产物可作为碳酸盐胶结物的物质来源。早期方解石胶结物晶形较小，多为微晶—粉晶结构，主要以基底式胶结的形式产出，碎屑颗粒间接触关系表现为漂浮—点接触（图2d, e），局部可见方解石对周缘矿物颗粒的交代现象（图2eg），表明这种赋存状态的碳酸盐胶结物形成于有效压实作用发生前的成岩阶段（张敏强等，2007），能够对骨架颗粒起到一定的支撑作用，增强岩石的机械强度和抗压实能力（Ketzer et al., 2002; MΦrk and Moen, 2007），同时可以为后期可能的溶蚀作用提供物质基础，形成次生孔隙。晚期方解石胶结物多占据长石溶解空间，晶形发育较好，以亮晶的形式产出并呈晶粒状、嵌晶状充填孔隙。该类方解石多形成于溶蚀作用之后，对储层孔隙起到破坏作用。

铁方解石和铁白云石胶结物形成于胶结作用的晚期。往往在溶蚀作用后期，由于有机酸不断消耗使得地层水中CO2分压增高，在埋深和温度不断升高的条件下，Ca2+、Fe2+和Mg2+与CO32-结合生成铁方解石和铁白云石，导致储层渗透率变差（Surdam et al., 1989; 纪友亮等，1995；陈朝兵等，2013）。莱州湾凹陷北洼沙三段粘土矿物与深度变化关系显示（图3a-d），当埋深增大到2600 m时，高岭石向伊利石大量转化，形成酸性流体，早期碳酸盐胶结物被溶蚀产生的Ca2+是晚期自生矿物形成的重要物质来源。铁方解石与铁白云石晶形较好，胶结方式主要为孔隙式胶结（图2h, i, l），并对碎屑颗粒和泥质杂基进行交代（图2j, m, n）。阴极发光作用下，铁方解石发中等桔黄色光（图2l），铁白云石发中等桔红色光（图2d, o）。

3.2 碳、氧同位素特征

莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩碳酸盐胶结物主要在2550～2650 m埋深范围内的地层中发育，当埋深增加至2700 m后，碳酸盐胶结物含量随深度增加略有增大趋势（图3e）。碳、氧同位素分析测试结果显示（表1），δ13C(PDB)主要在-7.5‰～7.9‰的范围内变化，其平均值约为0.8‰（图3f）；δ18O(PDB)相对较轻，变化范围在-16.2‰～-10.4‰，平均值约为-13.6‰（图3g）；古盐度Z值的分布范围为105.41～137.29，平均值为122.09；碳酸盐沉淀温度的变化范围在106.91～109.56℃，平均值为107.29℃。综合前文分析和沉淀温度恢复结果，认为所取样品主要处于中成岩A1阶段。

图3 莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩黏土矿物、碳酸盐胶结物含量及碳氧同位素随深度变化关系Fig. 3 Relationships between depth and clay minerals,carbonate cement contents, δ13C(PDB), and δ18 O(PDB) of Es3 member in the northern sub-sag of Laizhouwan sag

4 讨论

4.1 碳酸盐胶结物形成机理

碳酸盐胶结物通常有两种形成机理。一种是与碎屑同时沉积形成的、早期化学成因碳酸盐，另一种更为普遍的是在成岩过程中从孔隙流体中沉淀形成的（尤丽等，2012）。形成于不同物质来源、沉淀温度和流体成分下的碳酸盐胶结物其碳、氧同位素组成有所差异：较重的碳、氧同位素指示较早的胶结物沉淀时间和较低的胶结物沉淀温度，反映直接从过饱和湖水介质中析出的产物；较轻的碳、氧同位素指示较晚的胶结物沉淀时间和较高的胶结物沉淀温度，主要反映埋藏阶段长石等易溶碎屑颗粒被有机质酸溶蚀后形成的再沉淀产物（姚泾利等，2011；刘四兵等，2014）。铸体薄片鉴定（图2）与碳、氧同位素分析结果（表1）表明，莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩中的碳酸盐胶结物多形成于后期成岩环境，是孔隙流体中碳酸盐矿物沉淀的产物。

表1 莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩碳酸盐胶结物碳氧同位素测试结果Table 1Results of C-O isotopes of carbonate cement of Es3 member in the northern sub-sag of Laizhouwan Sag

4.1.1 物质来源

碳酸盐胶结物物质来源广泛，对胶结作用而言，Ca2+和碳的来源是最重要的影响因素（姚泾利等，2011）。Ca2+主要来自于粘土矿物转化、硅铝酸盐水化作用、长石溶蚀以及碳酸盐岩屑的溶解再沉淀等（田亚铭等，2011）。成岩作用早期，莱州湾凹陷沉积底水中溶解的Ca2+是碳酸盐胶结物中Ca2+的主要来源；随着成岩作用的不断进行，沙四段和沙三段有机质在热催化作用下发生脱羟基作用产生大量CO2，造成长石和早期碳酸盐胶结物等矿物的溶蚀（地层埋深约为1500 m），为成岩作用中晚期提供了大量Ca2+，粘土矿物的转化过程产生了部分Fe2+和Mg2+，当介质中CO32-与Ca2+、Mg2+反应生成方解石和白云石时，Fe2+易进入矿物的晶格中，进而形成含铁碳酸盐矿物，在镜下常呈紫红色（刘春燕等，2012）。

对于碳元素而言，自然界中一共存在两个碳库（有机还原碳和碳酸盐中的氧化碳），碳稳定同位素在各个碳库中含量稳定, 同时具有深循环性，其同位素组成主要受碳来源的控制（Talma and Netterberg, 1983）。有机来源的CO2碳同位素较轻，一般分布在-18‰～-33‰（Mack et al., 1991）；大气来源的CO2相对较重，其碳同位素多分布在-7‰左右。考虑到胶结物沉淀过程中碳同位素分馏作用的影响，胶结物的碳同位素相较母源而言一般偏重9‰～10‰，但地层中原有含碳矿物的溶解和重结晶作用对其影响不大，即碳分馏系数不大（刘四兵等，2014）。当胶结物中的碳均来源于有机质时，其碳同位素可低至-8‰～-23‰，而当胶结物的碳均为无机来源时，胶结物中碳同位素可高达3‰（Friedman and O’ Neil, 1977）。研究区砂岩碳酸盐胶结物的碳同位素在-7.5‰～7.9‰，平均值为0.8‰，相对较轻，是多种碳源综合作用的结果，以有机碳源为主。

埋藏成岩过程中，水体盐度决定了不同孔隙水体介质的类型，如大气降水或（海）湖水等，进而直接控制了δ13C数值的高低（孙国强等，2012）。通常情况下，δ13C随水体盐度的升高而上升（刘春燕等，2012）。根据碳氧同位素组成与水体盐度之间的关系，Keith和Weber（1964）提出了区分侏罗纪以来海相灰岩和淡水灰岩的经验公式：

式中δ13C和δ18O值均为PDB标准，当Z＞120时为海相灰岩，Z＜120时为淡水灰岩。由于此前形成的碳酸盐难以发生碳同位素交换，比较稳定，因此该公式对孔隙水体介质的判别仍具有一定的指示意义。莱州湾凹陷北洼碳酸盐胶结物碳氧同位素计算结果表明，Z值分布在105.41～137.29，平均值为122.09，表明沙三段储层的碳酸盐胶结物形成于矿化度较高的咸水，即高盐度深埋藏流体环境。

根 据 王 大 锐（2000）提 出 的δ13C(PDB)-δ18O(PDB)图解分析（图4），研究区样品的碳氧同位素主要分布在II区（与甲烷细菌活动生成生物气有关的碳酸盐）和III区（与有机酸脱羧作用有关的碳酸盐），认为有机酸参与了溶蚀作用过程并为碳酸盐胶结物的形成提供了有机碳源；同时，碳氧同位素之间具有较为明显的正相关关系，表明二者在成因上具有一定的联系。

图4 莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩碳酸盐胶结物碳氧同位素成岩模板投点（图版据王大锐，2000）Fig. 4 The cast-point template of the carbon and oxygen isotopes of the carbonate cement of the Es3 member sandstone in the northern sub-sag of Laizhouwan Sag

4.1.2 古温度

氧同位素对胶结物沉淀时的温度较为敏感，δ18O是水体温度的良好指示剂，在盐度不变的情况下，δ18O随温度的升高而降低（陈波等，2016；孙国强等，2012）。许多学者提出了应用δ18O计算形成期温度的关系式，为进一步减少不同公式计算误差的干扰，本文主要通过求取平均值的方法，利用以下三个公式，对碳酸盐胶结物形成时的古温度进行计算：

式中，T(K)为碳酸盐形成时的水体古温度，T(K)=t(℃)+273.16，δ18O(‰)数值为PDB标准。

O’ Neil等（1969）提出方解石—水系统18O/16O分馏系数的表达方程：

式中，1000lnα=δ18O样品-δ18O海水，δ18O样品(‰)数 值 为PDB标 准，δ18O海水(‰)取0值（SMOW标准），T(K)为碳酸盐形成时的水体古温度，T(K)=t(℃)+273.16。

Shackleton等（1974）在前人的基础上提出古温度计算公式：

式中，t(℃)为碳酸盐形成时的水体古温度，δc为测得碳酸盐胶结物的18O(‰)值（PDB标准），δw为海水的平均18O(‰)（SMOW标准），这里为现今海水，取0值。

δ18O(PDB)恢复古水体温度计算结果（三个氧同位素计算结果平均值）表明，成岩温度分布在106.91～109.56℃，平均值为107.29℃，表明晚期方解石胶结物沉淀时地层温度较高，由于地层温度随埋藏深度的增加而增大，认为此类碳酸盐胶结物形成于埋藏深度较大的成岩作用中后期。

莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩储层流体包裹体分析结果显示，170个与油包裹体伴生的盐水包裹体均一温度分布在80～200℃，主峰介于100～120℃（图5）。本次研究观测到的流体包裹体均发育于石英颗粒裂缝内，认为研究区在沙三段沉积期发生一次包裹体捕获事件。压实作用期间，石英颗粒相互挤压破裂，生成裂隙，颗粒重结晶时，成岩流体顺裂隙进入颗粒内部被捕获生成包裹体。由于均一温度在在80～200℃范围内均有分布，表明油气成藏和成岩流体充注是一个连续的过程。考虑到100～120℃区间内包裹体数量最多，认为该时期是油气最主要的充注时期。碳酸盐胶结物形成温度（106.91～109.56℃）介于主峰温度区间（100～120℃），认为此类成岩作用中晚期沉淀的碳酸盐胶结物与油气充注同时或在其之后形成。

图5 莱州湾凹陷北洼沙三段包裹体均一温度及碳酸盐胶结物同位素平衡温度分布直方图Fig. 5 Histogram of homogenization temperatures of fluid inclusions and isotope equilibrium temperatures in carbonate cements of Es3 member sandstone in the northern sub-sag of Laizhouwan sag

4.2 地质意义

莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩储层碳酸盐胶结物主要以孔隙式胶结方式产出，占胶结方式总量的50%，其次为孔隙—接触式和接触—孔隙式胶结方式。沙三段砂岩储层孔隙度、渗透率与碳酸盐胶结物含量呈明显的负相关关系，随着胶结物含量的增加，孔隙度呈下降趋势，当碳酸盐胶结物含量超过10%以后，孔隙度迅速降低至15%以下（图6）。然而对于不同期次的碳酸盐胶结物而言，其对储层物性的改造呈现出两重性：形成于成岩作用早期的碳酸盐胶结物晶形较小，以泥晶和粉晶为主，常呈基底式胶结充填粒间孔隙，增强岩石的抗压强度，能够抵抗早期压实作用对储层质量的破坏，在后期成岩过程中，随着孔隙流体性质的改变，这些碳酸盐胶结物可在酸性水介质的作用下发生溶蚀，形成次生孔隙，进一步提升储层物性，前期体现保孔效应同时晚期实现增孔效应，有利于储层质量的提高；对于溶蚀作用后期形成的碳酸盐胶结物，往往结晶较好自形程度较高，以亮晶或嵌晶的产状充填次生孔隙空间或裂缝，并堵塞喉道，造成次生溶蚀孔隙度的降低，破坏储层物性。

图6 莱州湾凹陷北洼沙三段碳酸盐胶结物对储层物性的影响Fig. 6 Relationship between carbonate cements and properties of Es3 member sandstone in the northern sub-sag of Laizhouwan sag

莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩储层物性随深度变化研究证实，目的层段存在两个物性较好的有利孔隙发育带I和II（图7），其孔隙度均大于上下地层正常孔隙度（约4.8%），属于异常高孔带，也是优质储层主要发育深度带。其中，异常高孔带I发育深度约为2450～2650 m，位于沙三中I油组，孔隙类型多为次生溶蚀孔隙，以长石、岩屑等粒内溶孔为主，孔隙流体对中后期碳酸盐胶结物的溶蚀作用是该深度段优质储层形成的主要原因；异常高孔带II主要发育在埋深2700～2800 m的沙三段底部地层，孔隙类型以原生粒间孔隙为主，次生溶蚀孔面孔率较低，属于混合孔隙发育带，早期碳酸盐胶结物充填起到一定的支撑作用，在一定程度上抵抗了压实作用对储层孔隙的破坏，使原生粒间孔隙得以保留。

图7 莱州湾凹陷北洼沙三段孔隙度和渗透率垂向分布图Fig. 7 The vertical distribution of porosities and permeabilities of Es3 member in the northern sub-sag of Laizhouwan Depression

5 结论

（1）莱州湾凹陷北洼沙河街组沙三段砂岩中碳酸盐胶结物可划分为2期，早期碳酸盐胶结物主要为菱铁矿和隐晶质方解石，中晚期碳酸盐胶结物主要为方解石、白云石、铁方解石和铁白云石等；沙三段储层现处中成岩阶段A1期。

（2）莱州湾凹陷北洼沙河街组沙三段碳酸盐胶结物碳同位素δ13C(PDB)的分布范围在-7.5‰～7.9‰，平均值为0.8‰，氧同位素δ18O(PDB)的分布范围在-16.2‰～-10.4‰，平均值为-13.6‰；古盐度Z值的分布范围在105.41～137.29，平均值为122.09；晚期碳酸盐沉淀温度的分布范围在106.91～109.56℃，平均值为107.29℃。

（3）莱州湾凹陷北洼沙三段砂岩中的碳酸盐胶结物以有机碳源为主，形成于埋藏作用中后期高盐度的流体环境，与有机质脱羧作用有关，Ca2+主要来自于长石的溶解和粘土矿物的转化，与油气充注同时或在其之后形成。形成于成岩作用早期的碳酸盐胶结物能够增强岩石的抗压强度，并为后期溶蚀作用提供物质基础，有利于储层孔隙的保存；在溶蚀作用之后沉淀的碳酸盐胶结物占据孔隙空间，导致储层物性变差，对储层孔隙的保存起到破坏性作用。

（4）确定成岩作用序列对于阐明储层物性演化具有重要意义。形成于压实作用早期的碳酸盐胶结物能够在一定程度上保存原生粒间孔隙，对储层物性起到一定的保护作用；形成于溶蚀作用之前的碳酸盐胶结物可在孔隙流体的作用下发生溶蚀，形成次生孔隙，改善储层的孔渗性能。因此，早期胶结—压实、晚期胶结—溶蚀的成岩作用过程，有利于优质储层的形成。