鄂尔多斯盆地东北部下三叠统刘家沟组砂岩岩石学特征研究

张志军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

鄂尔多斯盆是我国重要的化石能源富集沉积盆地，具有丰富的石油、天然气、煤炭、铝土矿、岩盐等多种能源矿产。鄂尔多斯盆地三叠系是重要的石油储层及产层之一[1-2]，是鄂尔多斯盆地内陆湖盆形成后发育的第一套生储油系[3-4]。下伏二叠系是主要天然气与致密天然气储层及产层，有巨大的勘探潜力。对于介于上部富油层与下部产气层之间的下三叠统(刘家沟组、和尚沟组)以往研究普遍认为其为一套红层建造，岩性以砂岩细砂岩为主，伊陕斜坡内部厚度展布较为稳定。但由于三叠系下统缺乏烃源岩，且距上下油气源岩较远，基本不具有化石能源蕴藏潜力，故未能引起油气勘探界的重视[5]，只有少数学者做过相关研究，且主要集中在野外露头样品的测试分析，对盆地内下三叠统研究较少。然而，近年来鄂尔多斯盆地下三叠统作为钻探防漏工艺重点关注层位与气田回注水优选层位，其地层研究价值得到重新审视，而岩石学与物性特征是地层研究中首先需要解决的基础地质问题。

1 研究区地质情况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯乌审旗呼吉尔特矿区，构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的北部偏东(图1)。伊陕斜坡是鄂尔多斯盆地中部的一级构造单元，是盆地的构造主体，整体表现为北东高、南西低的倾斜构造，局部断裂构造发育少，平均坡降为3～5m/km。在伊陕斜坡内部低幅度构造分布十分广泛，具有区域性、规模化和继承性等特点[6]。区域地层以太古界和古元古界为基底[7]，自下而上发育古生界(奥陶系上马家沟组、本溪组，石炭系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组，二叠系石千峰组)，中生界(三叠系刘家沟组、和尚沟组、二马营组、三叠系延长组、延安组、直罗组，侏罗系安定组，白垩系志丹群)，第四系，整体地层经过稳定的克拉通沉降，发育多套有利生储地层，是盆地内能源矿产最富集，储存条件最优的构造单元。

图1 研究区位置示意图

研究区下三叠统形成于印支期中晚期，物源区位于阴山-燕山造山带。现今鄂尔多斯盆地内广泛分布的下三叠统刘家沟组沉积于大华北陆相沉积盆地中部，基底和沉降都比较平缓，地层厚度展布较为均匀。后经历燕山期、喜马拉雅期等多期地质构造运动，在陕西省府谷县、山西省保德县境内有出露[8]。在伊陕斜坡内，刘家沟组地层厚度介于200～500m，埋藏深度在900～3 500m，整体上，在盆地边缘埋深较浅，中部埋深较深。

根据钻孔资料，研究区刘家沟组深度在1 840～2 256.40 m，厚416.4 m。地层实际砂岩段总厚235.72 m，占全段地层比例为55%。

2 岩石学特征

2.1 粒度特征分析

通过岩心观察、测井曲线识别及扫描电镜下观察，研究区刘家沟组砂岩整体上粒度较细，以细砂岩、粉砂岩为主。由岩心肉眼观察，刘家沟岩性粒度以灰白色、浅肉红色中细砂岩为主，可见杂色砂泥岩互层及少量泥岩(图2)；通过测井曲线统计分析，刘家沟组主要以细砂岩(24%)、中砂岩(24%)、泥岩(32%)为主，粗砂岩(7%)、粉砂岩(13%)含量较低(图3)，粗砂岩和粉砂岩主要集中在刘家沟组上段上部及下端中下部，其他岩性包括细砂岩、中砂岩及砂泥岩互层在刘家沟组各段均匀分布。通过对13组刘家沟组样品，200余张扫描电镜镜下照片观察，刘家沟组砂岩颗粒直径多为0.1～0.3mm，岩性粒度多为中细砂岩(图4)。刘家沟组岩石颗粒分选较好，绝大部分颗粒磨圆程度为次棱角状。

图2 研究区刘家沟组砂岩岩心

图3 研究区刘家沟组岩石粒度分布

2.2 储层矿物成分特征

在X衍射全岩分析的基础上，对研究区下三叠统刘家沟组岩石的碎屑成分进行统计。结果显示，刘家沟组砂岩及粉砂岩碎屑成分中，长石含量相对较高为13.1%～53.7%，平均值31.1%， 其中斜长石为3.6%～26.9%，平均值13.55%，钾长石含量普遍较高，为3.3%～31.4%， 平均值17.52%； 石英含量中等，为19.8%～55.9%，平均值40.07%(图5)。碎屑总含量较低，为32.9%～82%，平均值69.15%(图6)。在扫描电镜镜下照片可观察到大量长石及石英碎屑颗粒，岩屑颗粒少见，偶见云母(图7)。

刘家沟组上段砂岩(1 832.5～1 835m) 刘家沟组下段砂岩(2 170.74～2 172.7m)图4 刘家沟组砂岩扫描电镜下照片

图5 研究区刘家沟组全岩成分含量

图6 研究区刘家沟组岩石学组成

在岩性三角图中，根据刘家沟组岩石石英、长石和岩屑的相对含量，进行投影，结合填隙物含量，可知刘家沟组砂岩岩性以长石杂砂岩为主，长石砂岩次之，其他岩性岩石少见(图8)。刘家沟组上中下段岩石类型差别不大。本区刘家沟组砂岩成熟度Q/(F+R)中等，随深度增加呈现增长趋势(图9)。

2.3 岩石结构特征

从全岩成分测试分析实验及扫描电镜结果得知，下三叠统刘家沟组砂岩结构特征具有粒度细，分选相对较好，而磨圆相对较差的特征。

从岩石分选特征上看，刘家沟组砂岩分选整体较好。一般分选程度和粒度具有负相关性，刘家沟组砂岩整体粒度较细，以中细砂岩为主，因此绝大多数样品碎屑颗粒大小分布较均匀，分选相对较好(图10)。

a.石英矿物，MC-1，1 864.34～1 865.34m； b.斜长石，MC-1，1 872.8～1 873.56mc.钾长石，MC-1，2 170.74～2 172.7m； d.镜下云母，MC-1，1 949.95～1 952.4m图7 研究区刘家沟组岩石扫描电镜下矿物形态

图8 研究区刘家沟组岩石类型三角图

图9 研究区刘家沟组岩石成分成熟度分布

图10 研究区刘家沟组岩石结构特征

从岩石磨圆特征上看，刘家沟组上中下段特征相似，大多数样品磨圆程度为次棱角状，磨圆相对较差(图10)。

值得注意的是本次测试采样的选择上具有偏向性，虽然研究层段粉砂岩、泥质粉砂岩及泥岩皆有大量发育，但一般选择粒度相对较粗的中细砂岩段为主，而粒度更细的粉砂岩及粉砂质泥岩样品则采集相对较少。故以上数据大致反映了研究层段岩石结构特征。

2.4 储层填隙物特征

鄂尔多斯盆地下三叠统刘家沟组砂岩，整体上填隙物含量较高，均值为29%，其中黏土矿物含量较高，均值为18%，胶结物主要包括碳酸盐岩矿物、浊沸石胶结物，总含量均值为11%(图6)。图11中样品7～18埋深逐渐增加，填隙物含量有微弱上升趋势，黏土矿物含量分布较稳定为10%～20%；测试样品中胶结物含量差别较大，仅刘家沟组中部粉细砂岩互层岩样检测出方解石含量大于10%，其余己检测出的均低于10%，部分岩样未检出方解石；刘家沟组下段样品普遍检测出浊沸石，含量在0～20%。

图11 刘家沟组砂岩样品填隙物含量分布直方图

2.4.1 黏土矿物特征

鄂尔多斯盆地下三叠统刘家沟组砂岩整体上杂基含量较高，略高于三叠系其他层位[8-9]。其杂基成分主要以伊蒙混层、绿蒙混层、伊利石为主，另外包含少许绿泥石，蒙皂石、高岭石未检出(图12)。

图12 刘家沟组砂岩样品黏土矿物成分含量条形图

图13 刘家沟组岩石扫描电镜下伊蒙混层、绿蒙混层形态及能谱

刘家沟组中伊利石在扫描电镜显微镜下呈现不规则的叶片状、丝带状等，大小在微米级，为含钾黏土矿物，在能谱中氧化钾值略高。镜下观察到伊利石多贴附于颗粒表面或者充填与粒间孔隙间，片状等微晶把有效孔隙分割为许多微孔隙，使孔隙网络更为复杂，降低流体在孔隙中的渗流能力。

伊蒙混层为蒙脱石向伊利石转变的过渡期黏土矿物，镜下观察到其主要形态特征表现蜂窝状、半蜂窝状、棉絮状等，分布于颗粒表面、粒间孔隙或微裂缝间，能谱元素含量测试结果显示氧、硅、铝元素含量最高，铝元素次之，钾、钙元素为伊利石、蒙脱石矿物所含元素，检测结果有少许含量，此次测试出铁、镁元素，含量微弱(图13)。

绿蒙混层为蒙脱石向绿泥石过渡期的黏土矿物，同时具备蒙脱石和绿泥石的形态特征，镜下观察其主要表现为蜂窝状、片状等，通常铁、 镁含量略高。镜下绿蒙混层多分布在颗粒的表面，并占据有限的孔隙空间，有研究表明，绿蒙混层包括矿物可阻止石英次生加大边及长石胶结物的形成，有利于粒间孔隙的保存，并在一定程度上，能够增加砂岩的抗压强度[10]。

2.4.2 胶结物特征

1)碳酸盐胶结物。研究区内刘家沟砂岩赋存的胶结物成分主要包括各类碳酸盐矿物、硅质胶结和浊沸石等，其中碳酸盐岩胶接最为常见，尤其是方解石胶结。在研究地层中部，粉细砂岩互层岩样中检测出方解石含量较高，多大于10%，其余样品检测出的方解石含量均低于10%，部分岩样未检出方解石。在镜下观察到方解石多成基底式胶结(图14)，且后期溶蚀改造少，对刘家沟组的物性产生了较大影响。

图14 刘家沟组砂岩镜下方解石胶结充填

2)浊沸石胶结物。浊沸石是鄂尔多斯盆地陕北地区独有的胶结物，其通常形成于SiO2和Ca2+富集程度相对较高、水环境呈碱性(pH值9～10)的水体环境，形成温度范围广，在50～150℃均可析出，因此在适宜条件下，浊沸石胶结在碎屑岩早成岩期到晚成岩A1期均可发育[11-16]。

研究区刘家沟组下部浊沸石胶结物发育，早期沉积由于物源影响提供大量的Ca2+, Mg2+等离子，在水动力条件下析出，伴随碎屑颗粒埋藏沉淀；成岩过程伊蒙混层、绿蒙混层的形成同样提供了大量Ca2+，为浊沸石的形成提供了适宜的离子环境，在适宜的温度及碱性条件下，可胶结形成了大量浊沸石胶结物。由于刘家沟组砂岩碎屑中长石含量丰富，在温度小于100℃，埋藏深度小于1 000m的早成岩期及中成岩早期，斜长石的钠长石化普遍发育[16]。在镜下可观察到长石与浊沸石晶体共生现象，这间接证明了斜长石的钠长石化对浊沸石的形成起到了重要作用(图15)。研究区浊沸石胶结主要为孔隙式胶结，其存在对岩层物性起到了负面的影响，使岩石的孔喉空间减小，渗透性能变差。

图15 研究区刘家沟组砂岩镜下长石与浊沸石晶体共生

3 孔隙结构特征

3.1 孔隙类型

根据扫描电镜下孔隙的几何形状，结合研究区砂岩的孔隙成因及碎屑、填隙物特点，将储集空间分为粒间孔、粒内溶孔、晶间孔和微裂隙四种类型。

1)粒间孔。粒间孔大小范围在纳米-微米级之间，以微米级孔隙居多，研究区样品镜下识别粒间孔最大可达20μm，孔隙大小不一，发育形态不规则，如图16a所示，从扫描电镜上其形态与碎屑颗粒大小、排列方式、压实程度、填隙物的分布有关。

2)粒内溶孔。溶孔孔径范围在纳米-微米级之间，以纳米级孔隙居多，多为长石溶孔、石英溶孔少见，呈现椭圆形、不规则多边形等形状。如图16b所示，部分溶孔与粒间孔、微裂隙相沟通，成为有效孔隙。溶蚀孔的分布范围差异性性较大，与孔隙流体、孔隙结构和碎屑成分有关。

3)晶间孔。晶间孔以纳米级孔隙居多，多为黏土矿物晶间孔隙(图16c)，其中伊利石、伊蒙混层晶间孔较为发育，呈现蜂窝状、椭球状及不规则形状。晶间孔由于孔径小，有效连通性差，故提供的储集空间有限。

4)微裂缝。研究区下三叠统刘家沟组微裂隙范围在纳米-微米级之间，以微米级裂隙居多，形态不规则，既有与矿物节理平行的粒内裂隙(图16d)，也有穿颗粒、 呈凹凸状或弧状等粒间微裂隙。微裂隙受到地层地应力作用发育而形成，因长石脆性大，镜下观察到粒内微裂隙多出现在长石颗粒中，反应地层受应力作用明显，微裂缝可为流体运移提供有利空间和通道。

图16 刘家沟组镜下孔隙发育情况

3.2 孔喉特征

对研究区下三叠统刘家沟组砂岩进行压汞测试，选取中砂岩、细砂岩、粉砂岩及泥岩组成13组实验样品。根据试验数据，研究区刘家沟组比孔容范围为0.006 4～0.041 4cm3/g，均值为0.02cm3/g；比表面积值为0.05～2.02m2/g，均值为2.474 6m2/g；孔隙平均孔径为32.07～587nm，均值为152.28nm；总孔隙度为1.61%～9.75%，平均为4.83%；孔径<10μm的孔隙度为0.29%～7.71%，平均值为3.14%。

通过进汞曲线形态及限值，探讨不同孔径孔隙对于孔隙率的贡献量。以埋深1 941.05～1 941.27m粉砂岩样品为例，进汞初期进汞体积稳步增加，大于10μm大孔隙优先被充填，占据孔隙度约1%；随后进汞体积加速上升，孔径介于1～10μm的孔隙被充填，占据约1.6%的孔隙度；继续加压，进汞体积增速变缓，小于1μm孔隙进一步被充填，直至进汞体积达到饱和(4.14%)停止加压，小于1μm孔隙贡献1.54%的孔隙度，随后进行退汞实验。

由图17可知，中部孔径在1～10μm的孔隙数量最集中，对孔隙率贡献最大；大于10μm的大孔隙和小于1μm 分布相对较少，对孔隙率贡献有限。

图17 研究区刘家沟组砂岩进退汞曲线与孔隙贡献分布曲线(埋深1 941.05～1 941.27m粉砂岩)

4 岩石学特征对成岩作用的影响

岩石学特征对其沉积埋藏过程中的孔隙演化及成岩作用有着重要的影响。原始沉积中，若砂岩、粉砂岩成分含有大量杂基或其他塑性岩屑，会大大降低岩石整体的抗压强度，在压实过程中易发生颗粒挤压变形，形成假杂基堵塞孔隙，本次研究中可观察到云母压实变形，充填孔隙，堵塞颗粒间原始孔隙的现象。 此外， 岩石碎屑颗粒成分也直接影响了孔隙流体的化学性质，如火成岩碎屑、云母碎屑等可提供大量阴阳离子，为后期胶结、溶蚀作用提供离子条件及水化学条件。

颗粒成分、孔隙流体及地层温压等多重条件共同影响岩层的溶蚀、胶结作用。在成岩过程中，溶蚀、胶结作用同时抑或交替发生，溶蚀作用为胶结作用提供了物质条件及可用空间，胶结作用改变地层水环境及孔隙结构，对溶蚀作用产生多重影响。如pH值降低利于长石溶蚀，大量离子析出后导致pH值逐渐升高，石英发生溶蚀交代，同时浊沸石等其他矿物沉淀胶结，同时水化学环境在不断发生变化，离子与矿物之间的转化持续进行，颗粒、填隙物及流体间持续寻求相对平衡的状态。

此外，岩石碎屑粒度不同，成岩作用也呈现不同趋势及特征。中细粒砂岩相对于粉砂岩具有较强的抗压性，因此与粉砂岩相比可保存更多的原生孔隙，但同时胶结作用也较强；但其中的碳酸盐胶结物可为后期的溶蚀形成次生孔隙提供了条件；碎屑粒度较细的粉砂岩、泥质粉砂岩在早期快速压实中，原生孔隙很快损失，流体渗流不畅胶结及溶蚀也较弱，原生与次生孔隙均不发育，物性普遍较差。因此，基于上述分析认为，研究区岩石粒度较细，以细砂岩为主，填隙物含量较高，其中杂基黏土矿物含量占比大，故研究层位整体物性较差，成岩作用中，压实作用、长石溶蚀、方解石、浊沸石胶结现象多见，降低了整体物性和抗压强度。

5 结论

1)研究区下三叠统刘家沟组砂岩整体上粒度较细，以中细砂岩、粉砂岩为主。砂岩岩性以长石杂砂岩为主，长石砂岩次之，其他岩性岩石少见。具粒度细，分选相对较好，磨圆相对较差的特征。

2)下三叠统刘家沟组砂岩，整体上填隙物含量较高，均值为29%，其中黏土矿物含量较高，均值为18%，成分主要以伊蒙混层、绿蒙混层、伊利石为主；胶结物主要包括碳酸盐岩矿物、浊沸石胶结物，总含量均值为11%。

3)结合研究区砂岩的孔隙成因及碎屑、填隙物特点，将储集空间分为粒间孔、粒内溶孔、晶间孔和微裂隙四种类型。其中粒间孔、微裂缝为流体运移提供有利空间和通道，粒内溶孔、晶间孔为流体渗流贡献微弱。孔径在1～10μm的孔隙数量最集中，对孔隙率贡献最大。

4)研究区岩石学特征对沉积埋藏过程中的孔隙演化及成岩作用影响较大。总体来说粒度细、填隙物含量较高且填隙物中杂基黏土矿物含量高，多重因素决定了研究层位整体物性条件差。在成岩作用中，压实作用、长石溶蚀及方解石、浊沸石胶结现象多见，虽在某些成岩历史时期物性有局部改善，但总体上刘家沟组砂岩属于低孔低渗致密砂岩。