張立強

（中國石油大學 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島266555）

砂巖儲集層中孔隙度和滲透率的分布不僅受粒度、分選、頁巖夾層的分布等沉積過程的影響，而且受膠結(jié)作用等沉積后成巖作用的影響。由于碳酸鹽等膠結(jié)物通常成層或透鏡體而不是均勻分布，對儲層的有效性及其流體的流動性影響很大［1，2］，確定砂巖中方解石等碳酸鹽膠結(jié)物的分布、來源，能提高我們預測有效儲層分布的能力。準噶爾盆地南緣古近系超壓普遍、儲層性質(zhì)整體較差、平面及縱向上變化大，油氣儲層性質(zhì)的好壞及其有效預測成為制約勘探成敗的關(guān)鍵因素之一［3］。本文的研究目的是分析準噶爾盆地南緣古近系安集海河組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的分布、起源及其對儲層性質(zhì)的影響，對儲層的演化和有利儲層預測有一定的指導意義。

1 地質(zhì)背景

本文的準噶爾盆地南緣屬準噶爾盆地北天山山前拗陷［4］，位于烏魯木齊以西、烏蘇以東、天山以北、芳草湖以南，呈東西向展布的條形地帶（圖1）。準噶爾盆地是以晚古生代—中新生代陸相沉積為主的大型疊合盆地，古近紀為克拉通內(nèi)盆地，新近紀—第四紀為沖斷山前拗陷盆地（或陸內(nèi)前陸盆地）［4，5］。在盆地演化過程中，天山北翼向盆地內(nèi)上沖，強烈的構(gòu)造應力使得盆地南緣沉積地層發(fā)生褶皺變形及斷裂，自南向北形成3排近東西走向的背斜帶及相間的寬緩向斜帶［4－6］（圖1）。第一排稱南緣山前推舉構(gòu)造帶，包括南安集海、清水河、齊古、喀拉扎等背斜，地層剝蝕嚴重，軸部出露侏羅系和白堊系。第二排包括獨南、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯?shù)缺承保鞅承蹦暇彵倍?，軸部出露古近系。第三排構(gòu)造包括獨山子、安集海、呼圖壁等背斜，出露新近系獨山子組。

圖1 準噶爾盆地南緣位置及構(gòu)造帶劃分圖Fig.1 Sketch map showing the tectonic position on the south margin of Junggar Basin

第二、第三排構(gòu)造帶為主要勘探目標區(qū)，目的層系主要為古近系及新近系。自下而上，古近系分為紫泥泉子組（E1－2z）和安集海河組（E2－3a），新近系分為沙灣組（N1s）、塔西河組（N1t）和獨山子組（N2d）。古近系及新近系為一套河湖相的碎屑沉積［4］，其中，安集海河組整體巖性較細，為準噶爾盆地南緣的重要烴源巖之一［4，6］。自下而上，安集海河組分為3個巖性段［7］：下段為砂泥巖互層段，中段為暗色泥巖夾薄層鈣質(zhì)砂巖、薄層灰?guī)r，泥巖含介形蟲、腹足類、魚等化石；上段為紫色、灰色泥巖夾薄層砂巖（圖2）。

2 超壓及碳酸鹽膠結(jié)物的分布

2.1 壓力分布特征

準噶爾盆地南緣的壓力分布呈現(xiàn)以下特點：

a.超壓頂界面具有“層控”的特點。大部分井的新近系為正常壓實，古近系及其下伏地層呈欠壓實狀態(tài)，偏離正常壓實曲線的深度受古近系安集海河組頂界控制。平面上，壓實異常的起始深度隨著安集海河組頂界的起伏在不斷變化。自西向東，獨山子地區(qū)的超壓頂界面深度為0.9～1.5 km、安集海背斜為2～2.5km、吐谷魯背斜為0.3～0.9km、呼圖壁背斜為2.5～3.5km，不同地區(qū)的深度變化基本對應于安集海河組的頂界，超壓頂面深度在吐谷魯背斜最淺，向西北和東南方向逐漸變深。欠壓實作用是準噶爾盆地南緣古近系異常壓力產(chǎn)生的重要原因［8－11］。

b.平面上，不同構(gòu)造壓力分布差異較大。準噶爾盆地南緣各構(gòu)造在古近系及下伏地層都測到了較高的地層壓力（壓力系數(shù)高達2.4）［3，5，8－11］，但3排構(gòu)造的壓力分布存在明顯的差異，第一排構(gòu)造抬升剝蝕強烈、中生界直接出露地表，井中測得的壓力普遍較低；第二、第三排構(gòu)造測定的壓力普遍較高（表1）。東西方向，總體呈東部壓力低、西部壓力高的趨勢，構(gòu)造帶中段較東西兩側(cè)壓力高。如中段西部霍爾果斯背斜的H1井，在3.07 km深度用DST方法測得的地層壓力為74.5 MPa、過剩壓力44.0MPa、壓力系數(shù)2.5；安集海背斜安6井用RFT方法測得的安集海河組下部地層壓力系數(shù)為2.4、對應的過剩壓力43.0～46.7MPa。向東至瑪納斯和吐谷魯背斜，在安集海河組下部測得的壓力系數(shù)為1.8～2.05，低于西部；而東部的呼圖壁背斜，安集海河組下部及以下地層內(nèi)的壓力接近靜水壓力（表1）。平面上壓力的差異反映了構(gòu)造應力的差異性，前人［10］認為，霍爾果斯至吐谷魯一帶是應力集中的擠壓沖斷帶，構(gòu)造擠壓作用可能會對厚層塑性泥巖產(chǎn)生擠壓，促使孔隙流體壓力增加。

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物的分布特征

碳酸鹽膠結(jié)作用在安集海河組砂巖中較為普遍，鐵方解石為主，質(zhì)量分數(shù)為0%～35%，局部可達40%以上，＞10%的稱為鈣質(zhì)膠結(jié)層。在巖心及薄片觀察的基礎上，對A6井等進行了古近系砂巖碳酸鹽膠結(jié)層的測井解釋，砂巖膠結(jié)層具有較高電阻率（RT）、低中子孔隙度（CNL）、低聲波時差（AC）、低伽馬（GR）的特征。以A6井為例，結(jié)合薄片分析及測井特征，解釋出安集海河組碳酸鹽膠結(jié)層有3段、7層：a段（深度2 260～2 275m、2 453～2 490m）、b段（2 610～2 625m、2 265～2 270m、2 900～2 910m）、c段（3 245～3 275m、3 326～3 340m）。巖性上，膠結(jié)層多和披覆泥巖相鄰，或者在位于泥巖下部的砂巖段的頂部，或者在位于泥巖上部的砂巖段底部，許多膠結(jié)層中的方解石已經(jīng)部分溶蝕。

表1 準噶爾盆地南緣典型井古近系實測壓力數(shù)據(jù)表Table 1 Measured pressure data of Paleogene in typical wells on the south margin of Junggar Basin

縱向上，膠結(jié)層的分布主要有以下類型：（1）超壓帶頂界之上近200～250m、超壓頂界之下近100～150m的區(qū)域內(nèi)，碳酸鹽膠結(jié)物的質(zhì)量分數(shù)相對較高，部分砂層為10%～30%（圖2中的第1、第2層）。（2）超壓帶厚層泥巖下部的砂巖段頂部，如A6井深度為3.2～3.34km（圖2中的第6、第7層），緊鄰上覆厚層泥巖，碳酸鹽膠結(jié)物的質(zhì)量分數(shù)為20%～30%。（3）超壓帶厚層泥巖中的砂巖薄夾層，如A6井深度為2.6～3.2km井段中的第3、第4、第5層，單層厚度＜5m（圖2）。

對于單砂層，碳酸鹽膠結(jié)物在砂巖的頂部和底部均可出現(xiàn)，但在泥質(zhì)雜基含量低、相對粗粒、高滲、連通性好的砂巖中，碳酸鹽膠結(jié)物含量更高些（圖3）。砂巖邊緣附近往往是大部分酸性地層水流入砂巖的地方，方解石膠結(jié)物優(yōu)先沉淀。其他沒有分布在砂巖體邊緣的方解石膠結(jié)區(qū)域可能和粒度的變化有關(guān)，粒度變化在流體流動方面有控制作用［12］。

3 鐵方解石膠結(jié)物的特征及其對儲層物性的影響

3.1 巖石學特征

準噶爾盆地南緣具有近物源、多物源的沉積特點，安集海河組砂巖的粒度及巖石組分在平面上波動范圍較大。南部山前阿爾欽溝、南安集海河等露頭剖面的砂巖以巖屑砂巖為主，巖屑的質(zhì)量分數(shù)達70%～85%，向北巖屑含量降低。第二、第三排構(gòu)造帶井下安集海河組砂巖的粒度普遍較細，以長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖為主，東西向差異較大。西部，獨深1井為中粒或不等粒長石巖屑砂巖，石英的質(zhì)量分數(shù)低（平均36%）；向東，A4井為中粗砂巖或含礫砂巖，A6井以細粒砂巖為主，主要粒徑為0.1～0.25mm，分選中等。A6井的砂巖各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為：石英40%～55%、長石12%～25%、巖屑15%～40%，巖屑以變質(zhì)巖為主。東部，Hu01井以粉、細粒巖屑長石砂巖為主，石英含量較高（質(zhì)量分數(shù)＞55%），粒徑0.01～0.1mm，分選中－好。

膠結(jié)物和交代礦物在砂巖中的體積分數(shù)為5%～48%，其中亮晶鐵方解石和伊蒙混層黏土礦物是含量最多的自生礦物。染色薄片中，鐵方解石呈紫色，在安集海河組砂巖中的質(zhì)量分數(shù)為0%～45%，以充填粒間孔和長石溶蝕孔隙為主，縱向差異較大。鐵方解石膠結(jié)物的產(chǎn)狀主要有3種類型：（1）連晶鐵方解石膠結(jié)，為準噶爾盆地南緣安集海河組砂巖碳酸鹽膠結(jié)層的主要膠結(jié)類型，表現(xiàn)為對長石和巖屑等顆粒的膠結(jié)和交代，孔隙不發(fā)育。（2）粒狀鐵方解石膠結(jié)，膠結(jié)物呈半自形粒狀充填孔隙或充填于溶孔中，見鐵方解石交代方解石。（3）殘余連晶狀鐵方解石膠結(jié)，粒間溶孔發(fā)育，在顆粒邊緣見溶蝕殘余方解石。膠結(jié)層內(nèi)部及層間砂巖發(fā)育次生孔隙。

圖2 安集海河背斜A6井的壓力結(jié)構(gòu)及碳酸鹽膠結(jié)帶的分布Fig.2 Distribution of the pressure and carbonate cements in A6well on the south margin of Junggar Basin

圖3 安集海河背斜A6井安集海河組砂巖（3320～3332m）泥質(zhì)雜基與鐵方解石含量關(guān)系圖Fig.3 Crossplot of ferrocalcite and clay content of sandstone of A6well on the south margin of Junggar Basin

對巖石結(jié)構(gòu)觀察表明，鐵方解石膠結(jié)砂巖的平均粒間體積（IGV）為20%～30%，基本上和缺少膠結(jié)的砂巖相似。表明安集海河組砂巖經(jīng)壓實作用，IGV達到25%左右，方解石膠結(jié)之前已經(jīng)達到約1.5km的埋深，少量的石英膠結(jié)物的沉淀早于鐵方解石。砂巖成巖序列大致為：壓實作用－顆粒黏土化－早期碳酸鹽膠結(jié)－黏土礦物演化（無序伊蒙間層礦物到部分有序伊蒙間層礦物、高嶺石析出）－硅質(zhì)膠結(jié)－早期膠結(jié)物及長石等溶蝕－晚期碳酸鹽膠結(jié)交代（鐵方解石為主）－鐵方解石膠結(jié)物及部分長石溶蝕［13］。

安集海河組砂巖中的鐵白云石自生礦物不發(fā)育，僅在紫泥泉子剖面、西部獨山子背斜及獨南背斜D1井、Ds1井見鐵白云石膠結(jié)物，為半自形粒狀白云石充填孔隙。Ds1井鐵白云石膠結(jié)物平均質(zhì)量分數(shù)為7%。

超壓帶內(nèi)安集海河組砂巖的鐵白云石自生礦物不發(fā)育，可能與安集海河組超壓發(fā)育、超壓對成巖作用具有抑制作用有一定關(guān)系。根據(jù)油田測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，準噶爾盆地南緣第二、第三排構(gòu)造帶安集海河組埋深一般為1.5～3.5km，古地溫＞85℃，泥巖鏡質(zhì)體反射率為0.5%～0.8%，個別井＞1.0%（Tu1井），對應于中成巖A期［14］；但泥巖中的黏土礦物及石英加大等自生礦物的演化與成巖階段不相符合。南緣第二、三排構(gòu)造帶安集海河組泥巖或粉砂質(zhì)泥巖中的黏土礦物70%～80%為伊蒙間層礦物，混層比45%～70%；而上覆塔西河組泥巖的黏土礦物中伊蒙間層礦物含量相對較低、伊利石含量相對較高。如A4井深度2.224～2.230km的安集海河組泥巖I／S質(zhì)量分數(shù)為50%～65%，I為20%～38%；深度1.3～1.7km的上覆塔西河組泥巖I／S質(zhì)量分數(shù)為38%～52%，I為29%～52%。另外，安集海河組砂巖中石英加大不發(fā)育，多為一級加大，質(zhì)量分數(shù)為0.5%～1%［13］；平面上，石英加大向東部呼圖壁、西部獨山子逐漸加強，其變化規(guī)律與超壓系數(shù)的變化規(guī)律相反。

3.2 鐵方解石膠結(jié)物的形成機制

在對砂巖鐵方解石膠結(jié)物巖石學分析的基礎上，選取Tu1井、H1井、塔西河剖面、紫泥泉子剖面等安集海河組的20多個砂巖樣品進行碳氧同位素和包裹體均一溫度的測試，來解釋碳酸鹽膠結(jié)物的形成機制。同位素分析測試工作由中國石油勘探開發(fā)研究院實驗中心利用Finnigan MAT252型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀和正磷酸法協(xié)助完成，所測同位素比值以PDB標準的千分率偏差給出，氧碳同位素分析精度為0.02‰，分析結(jié)果如表2。在鐵方解石膠結(jié)物中沒有找到可供均一化溫度測試的包裹體，我們利用萊卡偏光顯微鏡和英國Lin Kam公司DSG600地質(zhì)冷熱臺對砂巖中石英顆粒裂縫或加大邊中的包裹體進行了均一溫度的測試。

Tu1井及H1井等盆地南緣古近系安集海河組鐵方解石膠結(jié)物的δ13CPDB分布范圍大多為－3‰～－10‰，δ18OPDB值介于－4‰～－15‰之間。Tu1井δ18OPDB分布相對集中，多在－11.3‰～－14.5‰之間（表2）。根據(jù)碳酸鹽的碳、氧同位素組成分布圖［15，16］，前人將碳酸鹽分為埋藏較淺時與硫酸鹽還原作用有關(guān)的碳酸鹽（Ⅰ區(qū)）、與甲烷細菌活動生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽（Ⅱ區(qū)）和與有機酸脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽（Ⅲ區(qū)）。Tu1井及H1井等安集海河組砂巖中鐵方解石膠結(jié)物的同位素組成多分布在Ⅲ區(qū)（圖4），屬于與有機質(zhì)有關(guān)的碳酸鹽，在形成過程中受到成巖作用的影響。隨著埋藏加深，有機質(zhì)在熱催化作用下脫羧并產(chǎn)生烴類和CO2，CO2具有高負值特征，氧同位素組成因18O的消耗而呈高負值［15］。

表2 鐵方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析結(jié)果Table 2 The results of O／C isotope analysis of ferrocalcite cements

圖4 安集海河組鐵方解石膠結(jié)物碳、氧同位素分布Fig.4 The plot of carbon and oxygen isotopes for ferrocalcite cements

利用氧同位素平衡溫度法［17］

（式中t為氧同位素平衡溫度）計算安集海河組砂巖鐵方解石膠結(jié)物的氧同位素平衡溫度，結(jié)果介于85～120℃，為晚期成因［18］。

安集海河組包裹體均一溫度分析結(jié)果顯示，石英裂縫或加大邊中的包裹體均一溫度主要分布區(qū)間為110～160℃（圖5），氣相成分包括CO2、烴類和H2S。應用經(jīng)驗公式［17］

圖5 安集海河組石英裂縫膠結(jié)物中包裹體均一溫度分布Fig.5 The homogeneous temperature distribution of inclusion enclave in quartz cement（樣品數(shù)為15個）

推測Ro為1.05%～1.3%，與 Tu1井深度1.72～1.77km 的 安 集 海 河 組 實 測 Ro（1.25% ～1.30%，數(shù)據(jù)來源于新疆油田，2003）相近。

借助于自生石英的包裹體均一化溫度和石英與鐵方解石之間的占位關(guān)系，假定鐵方解石的沉淀溫度在130～150℃之間（按接近于石英包裹體均一化溫度主要溫度范圍考慮）。根據(jù)包裹體均一溫度與氧同位素組成投點圖（圖6），大多數(shù)的鐵方解石膠結(jié)物的沉積流體的鹽度都高于現(xiàn)今海水和古近紀海水，它們主要是中－深埋藏成巖過程中形成的［19］。鐵方解石膠結(jié)物的碳源構(gòu)成中存在更多的有機碳，與鐵方解石膠結(jié)物占據(jù)長石溶解空間的結(jié)構(gòu)特征一致，即鐵方解石的沉淀時間主要分布在有機質(zhì)脫羧基產(chǎn)生大量有機酸和長石溶解之后。

圖6 鐵方解膠結(jié)物中流體包裹體均一溫度和氧同位素組成圖Fig.6 The plot of inclusion homogenization temperatures and oxygen isotope composition of the ferrocalcite cements of Paleogene in Junggar Basin

3.3 鐵方解石膠結(jié)物對儲集物性的影響

圖7為Tu1井安集海河組（深度1 596～1 620m）粉細砂巖孔隙度與鐵方解石膠結(jié)物含量之間的散點圖，在粒度變化不大且黏土碎屑含量較低的粉細砂巖中，鐵方解石膠結(jié)物的含量對孔隙度、滲透率有非常大的控制作用，鐵方解石膠結(jié)物的含量和孔隙度、滲透率在統(tǒng)計學上有著非常顯著的負相關(guān)關(guān)系。當碳酸鹽在膠結(jié)物中的質(zhì)量分數(shù)＜10%時，孔隙度為10%～25%；方解石的質(zhì)量分數(shù)＞10%時，一般孔隙度＜10%，鐵方解石膠結(jié)物對儲層孔隙的破壞作用明顯，而在鐵方解石膠結(jié)程度弱的層段及地區(qū)可能發(fā)育有利儲層。

圖7 Tu1井安集海河組粉細砂巖中鐵方解石膠結(jié)物含量與孔隙度之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between porosity and content of the ferrocalcite cement in Tu1well

儲層中鐵方解石膠結(jié)物的碳、氧同位素組成變化與孔隙度之間的關(guān)系十分明顯。孔隙度大的層段（或含油層段的樣品）δ18OPDB及δ13CPDB值的負值較大；在孔隙度較?。ɑ蚋蓪樱┚桅?8OPDB和δ13CPDB相對較大（圖4）。干層中膠結(jié)物的δ13CPDB為－4‰～－6.5‰，含油層碳酸鹽膠結(jié)物的δ13CPDB值介于－6‰～－10‰，貧δ13CPDB的CO2與HCO－3極有可能來自于有機質(zhì)熱脫羧反應的產(chǎn)物。在強超壓盆地，厚層泥巖段超壓明顯，包含酸性物質(zhì)的超壓流體向上、下地層運移和排放，在緊鄰厚層超壓泥巖頂、底部的砂巖中壓力釋放，碳酸鹽膠結(jié)物大量沉淀形成膠結(jié)層或膠結(jié)帶，之間的砂巖由于易溶礦物質(zhì)的溶解產(chǎn)生較多的儲集空間，同時受到超壓的支撐被保存下來。

4 結(jié)論

a.準噶爾盆地南緣超壓帶頂部及內(nèi)部存在多個碳酸鹽膠結(jié)帶，砂巖碳酸鹽膠結(jié)帶主要分布在超壓帶頂界面上下、超壓帶內(nèi)緊鄰厚層高壓泥巖的砂巖富集帶或砂巖體邊緣、超壓帶內(nèi)厚層泥巖中的砂巖薄夾層，鐵方解石膠結(jié)物優(yōu)先沉淀在砂巖邊緣附近。

b.受超壓對成巖抑制作用的影響，安集海河組超壓帶砂巖膠結(jié)物主要為連晶狀鐵方解石，鐵白云石及石英加大少見。

c.鐵方解石膠結(jié)物形成于成巖晚期，受有機質(zhì)演化及其流體運移的影響，δ13CPDB大多為－10‰～－2‰，δ18OPDB多為－15‰～－10‰，鐵方解石進入砂巖的附近區(qū)域長石緩沖酸性地層水，導致鐵方解石在砂巖邊緣附近區(qū)域富集。

d.碳酸鹽膠結(jié)物對孔隙度的影響較大。在黏土碎屑含量較低的砂巖中，鐵方解石膠結(jié)物含量和砂巖孔隙度、滲透率存在負相關(guān)關(guān)系，δ13CPDB負偏移的井段對應于與有機酸溶蝕形成的次生孔隙發(fā)育帶。

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