鄂尔多斯盆地延长组长73亚段砂-泥协同成岩作用

葸克来，李 克，操应长，牛小兵,，林敉若，尤 源，冯胜斌

(1.中国石油大学(华东)深层油气重点实验室，山东青岛 266580；2.中国石油长庆油田分公司，陕西西安 710018)

非常规油气是未来油气勘探的重要领域[1-2]，源内油藏是现阶段中国陆上石油勘探的主要突破对象[1,3]。鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段，发育以富有机质泥页岩夹薄层砂岩等为主要储集体的源内油藏[3]。对于源内储层，有多种岩相类型及组合形式，在不同的组合类型下砂岩储层的成岩演化过程和储集能力差异十分显著[4-5]。长73亚段主要发育厚层泥页岩夹薄层细砂岩、粉砂岩组合[3-4]。页岩层中发育的薄层砂岩对油气的富集具有重要的控制作用[3,6-7]。砂岩薄夹层与泥页岩直接接触，并且处于相对封闭的成岩环境，其在成岩演化中易与泥页岩发生广泛的流体交换和物质迁移等过程，致使砂岩夹层与泥页岩的成岩作用过程产生相互影响[8-9]，砂岩-泥岩协同成岩作用是控制储层储集性能非均质性的关键。目前针对延长组73段储层成岩作用与储集性能差异的研究相对比较薄弱。因此笔者以鄂尔多斯盆地延长组长73亚段为例，研究不同砂-泥岩组合下砂质薄夹层成岩作用及储集性能特征，旨在对研究区勘探开发提供重要的指导。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是发育于华北地台的多旋回沉积盆地(图1(a))。从构造特征看，盆地是一条平缓的单斜构造，东高西低，东西倾角小于1°[10]，其构造格架主要形成于中生代[11]。盆地内部可划分为伊盟隆起、陕北斜坡、天环坳陷、西缘冲断构造带、晋西挠褶带和渭北隆起6个二级构造单元(图1(a))。中、晚三叠世时期，由于印支运动的影响，鄂尔多斯盆地由海相、过渡相向陆相转变，发展为内陆湖泊盆地[10]。其中晚三叠世延长组沉积期，湖盆面积大、水域广，物源补给充足，形成一套以湖泊—河流相沉积为主的陆源碎屑沉积[3,7,12]。长7段形成于湖盆扩张的鼎盛期，自上而下可以细分为长71，长72和长73共3个亚段，沉积一套厚度超过100 m的湖相泥、页岩层[3]。长73亚段是鄂尔多斯盆地主力烃源岩层，同时也是深水重力流砂体发育的层段[12-13]，油气资源潜力巨大，是鄂尔多斯盆地油气勘探的重点目标层系[3]。

图1 研究区构造单元划分、沉积相平面分布与地层发育特征Fig.1 Structural location,areal distribution of sedimentary facies and stratigraphy development of study area

延长组长73亚段，湖盆边缘主要发育辫状河三角洲和曲流河三角洲沉积，湖盆主体的深湖—半深湖区域发育大面积的洪水型深水重力流和滑塌型深水重力流沉积[3,10,12-14]，形成一套以厚层泥页岩夹薄层块状粉细砂岩岩相组合(图1(b)、(c))。洪水成因的重力流沉积，以异重流沉积为主。异重流沉积多发育在盆地中部偏南地区[14]，从辫状河三角洲前缘延伸至湖盆中心(图1(b))。滑塌成因深水重力流，以砂质碎屑流沉积为主[13]，主要发育在盆地东南部地区，从三角洲前缘到湖盆中心地区都有分布(图1(b))。低密度浊流沉积通常发育在砂质碎屑流分布地区更靠近湖盆中心的位置[13]。

2 页岩层系内岩性组合特征

根据泥页岩特征，长73亚段砂-泥岩的垂向组合可进一步划分为3小类：①Ⅰ型砂-泥岩组合，即块状泥岩与砂岩薄夹层组合；②Ⅱ型砂-泥岩组合，即“富有机质+粉砂级长英质”二元纹层页岩(A类页岩)与砂岩薄夹层组合；③Ⅲ型砂-泥岩组合，即“富有机质+富凝灰质”二元纹层页岩(B类页岩)与砂岩薄夹层组合(图2、3)。

图2 延长组长73亚段砂-泥岩垂向组合特征Fig.2 Vertical combination characteristics of sandstone and mudstone in Yangchang Formation Chang 73 sub-member

Ⅰ型砂-泥岩组合主要发育在低密度浊流沉积中。砂岩薄夹层厚度为6.5～50.2 cm，平均为13.8 cm，岩石粒度较细，主要是粉砂岩和泥质粉砂岩，其中长石和石英含量相近，高岭石和绿泥石含量较多(图4)。块状泥岩主要由伊利石和石英组成，有机质含量极低(图3)。

Ⅱ型砂-泥岩组合主要发育在异重流沉积中。砂岩薄夹层厚度为4.3～143.1 cm，平均为24.8 cm，主要是细砂岩和粉砂岩，石英含量很高，发育少量碳酸盐岩屑，黏土成分以伊蒙混层和伊利石为主(图5)。A类页岩富含有机质，平均有机碳含量为23.12%。页岩中富有机质纹层和粉砂级长英质纹层频繁互层，纹层界面一般不平直(图3)。粉砂级长英质纹层富含钾长石，富有机质纹层富含有机质和伊利石，见透镜状火山凝灰物质和石英条带发育(图3)。

Ⅲ型砂-泥岩组合主要分布在砂质碎屑流沉积中，部分在异重流沉积中。砂岩薄夹层厚度为6.85～249.92 cm，平均为65.78 cm。岩石粒度较大，主要是细砂岩。异重流成因砂岩，黏土矿物以伊利石为主(图6)，而砂质碎屑流成因砂岩，主要是高岭石，部分层段方解石含量较高(图7)。B类页岩发育大量白色的凝灰质条带(图3)，有机质相对富集，平均有机碳含量为8.7%。页岩中富有机质纹层与富凝灰质纹层规律性频繁互层，纹层界面相对平直(图3)。富凝灰质纹层中，黏土级火山物质近水平层状分布，有机质含量相对较低，成分以伊利石为主，富含黄铁矿(图3)。富有机质纹层类似A类页岩，主要由有机质和伊利石组成。

图3 延长组长73亚段泥页岩类型与特征Fig.3 Types and characteristics of shale in Yangchang Formation Chang 73 sub-member

3 砂-泥组合约束下页岩油储层成岩作用与储集特征

3.1 Ⅰ型砂-泥岩组合

3.1.1 砂岩薄夹层成岩作用与储集特征

该组合砂岩压实作用强烈。溶蚀作用极弱，仅见钾长石部分溶蚀(图4)，溶孔的面孔率平均仅有0.02%。胶结作用很弱，见少量的铁方解石和蠕虫状高岭石，平均约为0.4%，多充填长石溶孔(图4)。砂岩薄夹层储集空间不发育，储集能力弱。

3.1.2 泥岩成岩作用与储集性能特征

泥岩成岩作用简单，主要是压实作用和黏土矿物转化作用，偶见莓状黄铁矿发育(图3、4)。储集空间主要是黏土矿物和黄铁矿晶间孔(图4)，储集性能极差。

图4 Ⅰ型砂-泥岩组合中成岩作用特征Fig.4 Diagenesis characteristics in type I sandstone-mudstone combination

3.2 Ⅱ型砂-泥岩组合

3.2.1 砂岩薄夹层成岩作用与储集性能特征

该组合砂岩压实作用中等—强，可见少量原生孔隙(图5)。溶蚀作用弱，溶孔的面孔率平均为0.13%，以长石溶孔为主(图5)。胶结作用相对较弱，以方解石和铁白云石胶结为主，平均体积分数为3.3%(图5)；伊利石和伊蒙混层普遍充填孔隙和喉道，在少量长石溶孔中也观察到蠕虫状高岭石(图5)。砂岩储集空间主要是长石溶孔和少量原生粒间孔，储集能力中等。

3.2.2 页岩成岩作用与储集性能特征

A类页岩的粉砂级长英质纹层内长石溶蚀强烈，部分粉砂级长英质纹层中发育少量的碳酸盐胶结物，溶孔内充填高岭石(图5)。富有机质纹层伊利石化明显，纹层内凝灰质团块靠近有机质处发育大量黄铁矿，而有机质靠近凝灰质团块处发育大量的条带状石英(图3、5)。该石英阴极发光下颜色极暗(图5)，明显区别于粉砂级长英质纹层和砂岩中石英碎屑，为成岩过程中形成的自生石英。页岩内长石溶孔提供大量储集空间，溶孔内可见原油充注(图5)，同时黏土矿物与黄铁矿晶间孔也在一定程度上改善页岩的储集性能。

3.3 Ⅲ型砂-泥岩组合

Ⅲ型砂-泥岩组合，由于物源不同，砂岩薄夹层有异重流和砂质碎屑流2种成因类型，并且B类页岩钙质含量有明显差异，与异重流成因砂岩组合的页岩中基本不含钙质成分，而与砂质碎屑流成因砂岩组合的页岩中钙质含量较高。

3.3.1 异重流成因砂岩与B类页岩组合

(1)砂岩薄夹层成岩作用与储集性能特征。该组合砂岩压实作用弱—中等，保留大量的原生孔隙，并发生强烈的原油充注(图6)；胶结作用和溶蚀作用很弱，见少量长石和岩屑边缘溶蚀。胶结物含量低，普遍小于1.0%，仅部分原油充注较弱的样品中发育方解石胶结。砂岩储集空间主要是原生粒间孔，储集能力好，含油性好。

(2)页岩成岩作用与储集性能特征。该类页岩富凝灰质纹层中发育莓球状黄铁矿，蒙脱石伊利石化明显。富有机质纹层中靠近富凝灰质纹层的部位可见断续分布的自生硅质(图3、6)。页岩储层空间不发育，主要为黏土矿物与黄铁矿晶间孔(图3、6)，储集性能差。

图6 Ⅲ型异重流成因砂-泥岩组合成岩作用特征Fig.6 Diagenesis characteristics in type Ⅲ hyperpycnal flow deposited sandstone-mudstone combination

3.3.2 砂质碎屑流成因砂岩与B类页岩组合

(1)砂岩薄夹层成岩作用与储集性能特征。该组合砂岩压实作用中等—较强，粒间孔隙保存较少(图7)。砂-泥接触界面附近方解石胶结强烈，其体积分数最高可达8.77%。砂体中部溶蚀作用较强，溶蚀的面孔率可达6.3%(图7)；在溶孔附近发育少量石英加大边，部分溶孔中见铁方解石和高岭石充填(图7)。砂岩薄夹层储集空间主要是长石溶孔，砂体边缘储集性能较差，中部储集性能较好。

(2)页岩成岩作用与储集性能特征。该类泥岩富有机质纹层中钙质碎屑富集，碳酸盐重结晶作用明显，部分裂缝中充填方解石(图7)，富凝灰质纹层中发育莓状黄铁矿。页岩储集空间主要为黏土矿物与黄铁矿晶间孔，储集性能差。

图7 Ⅲ型砂质碎屑流成因砂-泥岩组合成岩作用特征Fig.7 Diagenesis characteristics in type Ⅲ sandy debris flow deposited sandstone-mudstone combination

4 页岩层系内砂-泥协同成岩作用

4.1 Ⅰ型砂-泥组合协同成岩作用

Ⅰ型砂泥组合，块状泥岩成分相对简单，纵向变化稳定。泥岩中可动元素与不可动元素的比率随深度变化关系，可以表征泥岩物质迁移及传输规律[15-17]，利用常量元素Ca、Fe、Al、Si与不可动元素Zr的比值[16]，对泥岩元素迁移特征进行分析。块状泥岩元素在不同深度上变化不大。不可动元素w(Al2O3)/w(Zr)和w(SiO)/w(Zr)随深度增加未发生明显变化，并且可动元素w(CaO)/w(Zr)和w(Fe2O3)/w(Zr)在不同深度上变化也不明显(图8(a)～(d))，表明泥岩中元素迁移能力弱。块状泥岩主要发育压实作用和黏土转化作用，泥岩黏土转化相关的Al、Si、Ca、Fe等离子并未发生迁移，对砂岩影响有限。结合前文分析，该组合下砂质夹层，主要的成岩演化序列为压实作用—少量长石溶蚀—自生高岭石/铁方解石胶结。低密度浊流砂体厚度小，粒度细，富含黏土杂基，孔隙早期就被压实作用破坏，砂岩中期流体活动偏弱，导致后面成岩作用也较弱，仅发育少量铁方解石胶结和高岭石充填。此外块状泥岩有机质含量极低，产生的有机酸有限，在相对封闭的页岩层系中，有机质演化生成的有机酸是溶蚀作用的主要的流体来源[18]，因此块状泥岩生烃演化对砂岩薄夹层溶蚀作用的影响也十分局限，仅见少量溶蚀。并且由于孔喉封闭，溶蚀后产物如高岭石无法被带出，直接充填溶孔，加上少量方解石充填(图4)，造成该组合砂岩储集物性与含油性很差。

4.2 Ⅱ型砂-泥组合协同成岩作用

A类页岩富有机质纹层中沥青反射率分布在0.82～1.08，平均为0.96，砂岩薄夹层中沥青反射率介于0.82～1.03，平均为0.94，页岩经历大规模生酸阶段，但砂岩中溶蚀作用并不发育。页岩中临近富有机质纹层的粉砂级长英质纹层含有大量钾长石，并且溶蚀强烈(图5)，说明页岩演化过程中，富有机质层产生的有机酸就近溶解粉砂级长英质纹层中的钾长石，导致有机酸在内部就被消耗[7]。泥岩排出到砂岩中有机酸有限，造成砂岩夹层中溶蚀作用弱。A类泥岩难迁移元素w(Al2O3)/w(Zr)和w(SiO)/w(Zr)纵向上并未发生明显变化，并且较易迁移的元素w(CaO)/w(Zr)、w(Fe2O3)/w(Zr)在不同深度上也相对稳定，表明A类泥岩中元素同样也未发生迁移(图8(e)～(h))。粉砂级长英质纹层中长石溶孔内常伴有高岭石生成(图3、5)，临近溶蚀层的富有机质层中，富含伊利石并发育大量条带状自生石英(图3、5)，说明页岩中成岩过程中产生的离子可能被内部反应消耗掉。粉砂级长英质纹层中钾长石溶蚀的产生的物质，直接提供高岭石形成的物质来源，并且释放的钾离子参与富有机质层中伊利石化过程，形成大量微晶石英沉淀。该类页岩演化过程中，和砂岩间离子交换较弱，对砂岩胶结作用影响同样很弱。砂质夹层主要的成岩演化序列为压实作用—早期方解石胶结—长石溶蚀—油气充注—铁白云石胶结。砂岩由于早期强压实作用，导致后期胶结作用也很弱。一方面该组合下页岩生油时间比较晚，砂岩中充油也比较晚，砂岩夹层经历早期压实，原生孔隙被破坏；另一方面有机质演化生成的酸，被大套页岩中粉砂级长英质纹层消耗，有机酸对砂层有一定的改善，但是作用效果有限，所以该组合下砂岩储集物性与含油性都比较一般。

图8 长73亚段不同类型泥岩元素变化特征Fig.8 Element variation characteristics of different shales in Chang 73 sub-member

4.3 Ⅲ型砂-泥组合协同成岩作用

4.3.1 异重流砂体与页岩协同成岩作用

B类页岩富有机质纹层中沥青反射率较低，分布在0.51%～0.68%，平均为0.62%，并且砂岩薄夹层中沥青反射率也很低，介于0.46%～0.69%，平均为0.59%，说明该组合下有机质生烃和原油充注可能在一个较低的温度下就已经发生。B类页岩富含火山凝灰质，发育大量黄铁矿。黄铁矿和凝灰质蕴含的大量过渡族元素，可以催化页岩在较低温度下快速生成油气[10,19-20]。因此B类页岩在埋藏阶段早期，就能快速生成大量油气，充注于还未经压实的砂岩薄夹层粒间孔隙内[7]。夹层砂岩主要的成岩作用序列为：压实作用—少量长石溶蚀—早期原油充注—方解石胶结。早期原油充注会导致超压[21]，可以增强砂岩的抗压能力，并且原油充注能抑制后期的胶结作用[22]，使砂岩压实作用、胶结作用都很弱，保留大量的原生孔隙(图6)，砂岩储集物性与含油性都很好。

4.3.2 砂质碎屑流砂体与页岩协同成岩作用

图9 碳酸盐胶结物含量与砂泥岩界面距离的关系Fig.9 Correlation between carbonate cement content and distance to interface of sandstones and mudstones

由于物源差异，与砂质碎屑流成因砂岩组合的B类页岩钙质含量明显较高。对于该组合页岩，Al2O3和SiO2的含量随深度变化不明显，而CaO与FeO的含量会随着埋深的增加而减少(图8(i)～(l))，指示页岩演化过程中的Al和Si基本不流失，而Ca和Fe元素存在的流失与移动现象。这可能与离子的迁移能力有关，Al和Si是难迁移的元素，而Ca和Fe元素相对较容易迁移[23]。泥页岩中Ca和Fe等元素可以向砂岩中迁移，为砂岩中碳酸盐胶结物提供物质来源[8-9,23]。该组合下页岩富有机质层中富含钙质碎屑，普遍发生重结晶作用(图7)。页岩中钙质碎屑在有机酸作用下会发生溶解重结晶[24]，在该页岩中观察到裂缝中方解石充填与烃类伴生现象(图7)，说明页岩中溶解有大量碳酸盐的孔隙流体也可以与烃类流体一起向邻近砂岩排放[19]。该组合下的砂岩夹层边缘方解石胶结作用强烈，并且砂岩中碳酸盐胶结的含量随距砂泥界面的距离增大而减小(图9)，这也证实砂体中方解石胶结主要来自泥岩的Ca和Fe迁移。因此该组合下泥岩中富钙流体迁移进入砂岩储层，是砂体边缘强方解石胶结的主要原因。该组合主要的成岩作用序列为：压实作用—早期方解石胶结—长石溶蚀作用—铁方解石/铁白云石胶结。砂质碎屑流砂体厚度较大，粒度也相对较粗，抗压实能力较强，砂岩压实作用有所降低。页岩中富含有机质，会生成大量有机酸，造成砂体中钾长石、岩屑等强烈溶蚀，而页岩中富钙流体造成砂体边缘强烈的碳酸盐胶结，导致砂岩中部储集物性与含油性都很好，但砂体边缘储集性能很差。

5 结 论

(1)鄂尔多斯盆地延长组长73亚段主要发育3类砂-泥岩的垂向组合：Ⅰ型即块状泥岩与低密度浊流砂体组合；Ⅱ型即“富有机质+粉砂级长英质”二元纹层页岩与异重流砂体组合；Ⅲ型即“富有机质+富凝灰质”二元纹层页岩与异重流砂体或砂质碎屑流砂体组合。

(2)Ⅰ型砂-泥组合，泥岩演化过程中对砂岩薄夹层影响很小；Ⅱ型砂-泥组合，一方面页岩中粉砂级长英质纹层消耗有机酸，另一方面页岩演化产物在纹层之间消耗，对砂岩薄夹层影响有限；Ⅲ型砂-泥组合，当B类页岩与砂质碎屑流砂体组合时，页岩中有机酸和富钙流体向夹层砂岩排放，造成砂体中部强烈溶蚀，边缘方解石强烈胶结；与异重流砂体组合时，页岩中富集的凝灰质和黄铁矿催化有机质早期生烃，充注于夹层砂岩中，抑制后期压实和胶结作用。