馬海勇，周立發(fā)，張小剛，韓天佑，李繼宏，劉廣林

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069;2.長(zhǎng)慶油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018;3.長(zhǎng)慶油田公司勘探部，西安 710018)

姬塬地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中西部，北起鹽池，南抵耿灣，西自古峰莊，東至吳起，區(qū)域構(gòu)造橫跨伊陜斜坡和天環(huán)坳陷2個(gè)構(gòu)造單元[1－5］(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為一傾角僅半度左右的大型西傾單斜，構(gòu)造較平緩。三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段優(yōu)質(zhì)烴源巖進(jìn)入大量生、排烴階段之前，延長(zhǎng)組儲(chǔ)層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)及膠結(jié)作用，使砂巖儲(chǔ)層原生孔隙大量喪失，形成了低孔、低滲的致密儲(chǔ)層[6－9］。近年來(lái)，姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組下組合油層組勘探取得了新的突破，已從中淺層構(gòu)造油氣藏進(jìn)入到深層巖性油氣藏勘探的新階段，發(fā)現(xiàn)了延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層大型巖性油藏[10］。但研究區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8儲(chǔ)集層成巖作用和成巖相的研究還相對(duì)較薄弱。本文以鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)該區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8儲(chǔ)層的成巖作用、物性變化特征等進(jìn)行研究，揭示了成巖作用與儲(chǔ)層物性之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上劃分出有利的成巖相帶，為評(píng)價(jià)和篩選有利儲(chǔ)層提供合理的地質(zhì)依據(jù)。

圖1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)位置Fig.1 Location of Jiyuan area of Ordos Basin

1 沉積相特征

姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組沉積總厚度為75～85 m，包括兩個(gè)油層[11］，按不同級(jí)次的基準(zhǔn)面旋回特征，長(zhǎng)8油層組處于二級(jí)層序的水進(jìn)體系域，即首次洪泛面和最大洪泛面之間。沉積期構(gòu)造背景穩(wěn)定，沉積砂體展布受東北陰山古陸和西北阿拉善古陸的物源控制，各物源方向?qū)^(qū)內(nèi)長(zhǎng)8油層組砂體的發(fā)育規(guī)模、展布形態(tài)影響程度有所差異[12－14］。該區(qū)長(zhǎng)8油層組為典型的淺水三角洲沉積體系[15－16］，主要發(fā)育淺水三角洲前緣亞相沉積，沉積微相為三角洲前緣水下分流河道、河口壩，砂體單層厚度較大，一般在10～20 m，砂體在垂向上疊加期次不明顯，垂向和橫向上連續(xù)性好，屬于近物源、且物源供給充足的高能量沉積環(huán)境。分流河道砂體主要為灰綠色厚層塊狀細(xì)砂巖，基底具沖刷面，內(nèi)部具向上變細(xì)的沉積序列，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、平行層理、沙紋交錯(cuò)層理。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

圖2 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖巖石分類Fig.2 Classification of Chang8 sandstones in Jiyuan area，Ordos Basin

姬塬地區(qū)長(zhǎng)8油層組主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖(圖2)，而長(zhǎng)石砂巖和巖屑砂巖含量相對(duì)較少。碎屑石英(Q)、長(zhǎng)石(F)及巖屑(R)的平均含量分別為29.56%，27.93%，22.20%。石英以單晶石英為主，有部分多晶石英;長(zhǎng)石以斜長(zhǎng)石為主，有少量鉀長(zhǎng)石。巖屑以變質(zhì)巖巖屑(平均13.7%)和火成巖巖屑(平均8.1%)為主，沉積巖巖屑含量較少(平均0.36%)。

砂巖中填隙物主要由膠結(jié)物和雜基組成，填隙物總體平均含量為13.05%，膠結(jié)物主要為粘土礦物和碳酸鹽礦物，粘土礦物中綠泥石膜(平均4.2%)、高嶺石(平均1.35%)含量較高;碳酸鹽礦物中鐵方解石 (平均2.65%)、水云母(平均1.6%)含量較高。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，長(zhǎng)8儲(chǔ)層以細(xì)砂巖(占砂巖總量的46.5%)、中細(xì)砂巖(41.2%)為主，含少量中砂巖(3.8%)。砂巖分選性普遍為好—中等，磨圓度以次棱角狀為主。膠結(jié)類型以薄膜—孔隙型為主，其次為孔隙、薄膜、加大—孔隙型膠結(jié)，壓嵌、基底型膠結(jié)較少見(jiàn)。顆粒間以線接觸為主，其次為點(diǎn)—線接觸，少數(shù)為點(diǎn)接觸和凹凸接觸。

根據(jù)大量巖心物性的分析資料，姬塬地區(qū)長(zhǎng)8砂巖的實(shí)測(cè)平均孔隙度為9.5%，平均滲透率為0.66 mD，屬于低滲、特低滲型儲(chǔ)集層。根據(jù)鑄體薄片觀察與統(tǒng)計(jì)，結(jié)合掃描電鏡研究，研究區(qū)長(zhǎng)8砂巖儲(chǔ)層的面孔率平均為2.38% ，主要由剩余原生粒間孔(占面孔率的 42.4%)、長(zhǎng)石溶孔(46.6%)、巖屑內(nèi)溶孔(4.2%)、沸石內(nèi)溶孔(2.1%)和晶間孔(4.2%)構(gòu)成，局部地區(qū)發(fā)育微裂縫。

3 成巖作用特征

3.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是造成姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組砂巖原生孔隙喪失的主要原因，長(zhǎng)8砂巖經(jīng)歷了較強(qiáng)的壓實(shí)作用，由壓實(shí)作用造成的平均孔隙度喪失為26.8%。通過(guò)砂巖原始孔隙體積與壓實(shí)后的粒間體積進(jìn)行對(duì)比，得出研究區(qū)巖石的視壓實(shí)率為68%，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)8砂巖屬于中強(qiáng)壓實(shí)為主(圖3a)。砂巖中抗壓作用較強(qiáng)的石英含量較低，而抗壓較弱的塑性碎屑如長(zhǎng)石、泥巖巖屑、特別是云母類的含量較高，這些塑性碎屑在埋藏壓實(shí)作用過(guò)程中發(fā)生塑性變形、水化膨脹和蝕變，并形成假雜基擠入粒間孔隙中，造成鄰近孔隙喉道的堵塞，從而使較多原生粒間孔隙喪失[17－19］。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是孔隙溶液中某種物質(zhì)達(dá)到過(guò)飽和而在孔隙中發(fā)生沉淀，使沉積物固結(jié)起來(lái)的作用。研究區(qū)長(zhǎng)8砂巖中的主要的膠結(jié)物包括碳酸鹽、粘土礦物和硅質(zhì)等，它們對(duì)儲(chǔ)層砂巖的儲(chǔ)集性能的影響各有不同。

3.2.1 碳酸鹽膠結(jié)

碳酸鹽膠結(jié)是造成低孔、低滲的主要原因。在研究區(qū)長(zhǎng)8砂巖中碳酸鹽膠結(jié)作用普遍存在，膠結(jié)物主要是鐵方解石(平均2.65%)、方解石(平均0.65%)，還有少量的白云石、鐵白云石。碳酸鹽膠結(jié)主要呈粒間膠結(jié)物、交代物或溶蝕孔隙內(nèi)填充物形式出現(xiàn)，常見(jiàn)微晶狀、晶粒狀或連晶狀產(chǎn)出，并有明顯的多期次形成特征，可分為早、中、晚三期。

早期碳酸鹽主要以孔隙充填的形式出現(xiàn)，以泥晶團(tuán)塊或灰泥基質(zhì)形式充填在顆粒之間，常溫常壓條件下孔隙水中CaCO3在堿性條件下達(dá)到過(guò)飽和直接沉淀出來(lái)。早期碳酸鹽膠結(jié)主要發(fā)生在早成巖階段主要壓實(shí)期以前，一般不交代碎屑顆粒，可提高砂巖抗壓實(shí)能力，為后期溶蝕作用的發(fā)生提供溶蝕物質(zhì)。

隨著埋深加大，溫度升高、pH值增大、CO2分壓降低，溶解的碳酸鹽發(fā)生重結(jié)晶作用，形成自形的細(xì)晶方解石膠結(jié)物。這類中期碳酸鹽膠結(jié)物多呈斑狀、分散晶粒狀充填在顆粒之間，呈線接觸，成分多為(含鐵)方解石，可見(jiàn)交代或包裹早期泥微晶碳酸鹽膠結(jié)物的現(xiàn)象，形成時(shí)間在主壓實(shí)期之后和油氣侵入之前，成巖階段主要在早成巖階段B期。

在成巖晚期，特別是在晚成巖階段A期，由于地層埋藏深度增大，溫度和壓力增高，在高溫缺氧的還原環(huán)境下，孔隙水中由粘土礦物或黑云母轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的Ca2+、Fe2+、Mg2+等離子與烴源巖中有機(jī)質(zhì)成熟時(shí)產(chǎn)生的CO2發(fā)生反應(yīng)，形成了鐵方解石和少量的鐵白云石，多呈潔凈、大晶粒狀[17］。

3.2.2 硅質(zhì)膠結(jié)

硅質(zhì)膠結(jié)也是長(zhǎng)8油層組砂巖中主要的膠結(jié)方式，硅質(zhì)膠結(jié)物平均含量為1.85%，主要以石英次生加大和充填孔隙膠結(jié)為主(圖3b)。硅質(zhì)膠結(jié)中的SiO2主要來(lái)自粘土礦物演化釋放硅離子以及長(zhǎng)石溶解使孔隙流體中游離硅離子增加并造成硅質(zhì)膠結(jié)物沉淀。通過(guò)對(duì)鑄體薄片的大量觀察，發(fā)現(xiàn)本區(qū)長(zhǎng)8砂巖儲(chǔ)層自生硅質(zhì)膠結(jié)物出現(xiàn)在相對(duì)深埋地層中，大多數(shù)砂巖中自生石英沉淀作用都發(fā)生在壓實(shí)作用使得顆粒間關(guān)系基本固定之后，提高了巖石的機(jī)械強(qiáng)度和抗壓實(shí)能力;其沉淀作用造成的巖石機(jī)械強(qiáng)度增加對(duì)巖石孔隙的保持沒(méi)有實(shí)際意義，其占據(jù)的孔隙空間使巖石孔隙度進(jìn)一步降低，因而被認(rèn)為是破壞性的成巖作用[20－21］。

圖3 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖中的典型成巖現(xiàn)象Fig.3 Microphotographs showing typical diagenesis of Chang8 sandstones in Jiyuan area，Ordos Basin

3.2.3 粘土礦物膠結(jié)

粘土礦物膠結(jié)在本區(qū)普遍發(fā)育，尤其是綠泥石和高嶺石，其平均含量分別為4.2%和1.35%，伊利石、伊、蒙混層含量較低。綠泥石的膠結(jié)形式主要為綠泥石薄膜和充填于孔隙中的自生綠泥石。綠泥石薄膜在本區(qū)很常見(jiàn)(圖3c)，綠泥石多呈針狀和針頁(yè)狀集合體沿碎屑顆粒呈環(huán)狀分布(圖3d)，形成薄膜式膠結(jié)。環(huán)邊綠泥石的沉淀開(kāi)始于壓實(shí)作用已進(jìn)行到顆粒目前接觸關(guān)系的早成巖階段早期。這種綠泥石環(huán)邊均勻地包繞在碎屑顆粒外面，阻礙碎屑顆粒與孔隙接觸，抑制石英次生加大邊的形成，減少了其他膠結(jié)物的沉淀[22－24］。但在埋藏成巖過(guò)程中，這些綠泥石仍然繼續(xù)定向生長(zhǎng)，并持續(xù)到自生石英沉淀以后，不斷增加巖石的機(jī)械強(qiáng)度，并平衡埋藏成巖過(guò)程中不斷增加的上覆載荷，從而使砂巖的原生粒間孔隙和次生溶蝕孔隙得以保存[25］。另外，還有一些綠泥石呈葉片狀充填于粒間孔、殘余粒間孔，部分充填溶蝕孔隙，這部分綠泥石形成時(shí)間較晚，為晚成巖A期的產(chǎn)物。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用可以將致密砂巖改造成儲(chǔ)層，是形成儲(chǔ)層最重要的建設(shè)性成巖作用之一[26］。研究區(qū)長(zhǎng)8砂巖被溶蝕的物質(zhì)主要是長(zhǎng)石顆粒，還有少量巖屑顆粒以及方解石膠結(jié)物。長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生次生孔隙占面孔率的46.6%，可形成粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？?。晚期成巖作用階段，烴源巖由于溫度的熱催化和Fe3+的無(wú)機(jī)氧化脫羧形成大量有機(jī)酸和CO2[27］，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸進(jìn)入砂巖，導(dǎo)致孔隙流體pH值的大幅降低，使成巖早期形成的不穩(wěn)定自生礦物及長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物發(fā)生較大規(guī)模的溶解，釋放出大量的Si4+、Al3+等離子。由于有機(jī)酸對(duì)Al3+有較強(qiáng)的絡(luò)合能力，因此這些離子以絡(luò)合物的形式隨孔隙流體遷移，保證了長(zhǎng)石的繼續(xù)溶解，并形成了大量的次生孔隙(圖3e)。由于這些絡(luò)合離子的不穩(wěn)定性，Al3+經(jīng)過(guò)短距離搬運(yùn)便沉淀下來(lái)，形成了自生高嶺石[28］。長(zhǎng)8砂巖中高嶺石平均含量1.35%，多呈分散質(zhì)點(diǎn)式充填粒間孔隙，部分充填于長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔中，從儲(chǔ)層演化角度來(lái)說(shuō)，高嶺石通常是長(zhǎng)石溶解和次生孔隙發(fā)育的指示礦物。

3.4 交代作用

研究區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層主要的交代作用是膠結(jié)物交代碎屑，后期形成的膠結(jié)物交代早期形成的膠結(jié)物，主要的交代現(xiàn)象有高嶺石粘土充填交代巖屑、方解石交代巖屑和碳酸鹽對(duì)長(zhǎng)石、巖屑等碎屑顆粒的交代及早期方解石膠結(jié)物被晚期鐵方解石交代(圖3f)。純粹的礦物交代對(duì)儲(chǔ)層物性影響不大，但對(duì)儲(chǔ)層的潛在敏感性有重要影響。

3.5 成巖階段劃分

根據(jù)裘懌楠等[29－30］成巖階段劃分方案對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)8砂巖成巖階段進(jìn)行了劃分。成巖階段以自生礦物的形成及其生成順序、粘土礦物組合、巖石結(jié)構(gòu)特征、有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)、結(jié)合包裹體測(cè)溫等依據(jù)進(jìn)行劃分，將成巖作用分為2個(gè)階段:早期成巖作用階段、晚期成巖作用階段(圖4)。

該區(qū)長(zhǎng)8段成巖強(qiáng)度較為強(qiáng)烈，早期成巖期主要有微弱的機(jī)械壓實(shí)作用，形成石英次生加大邊;之后為綠泥石薄膜包圍碎屑顆粒，且塑性云母、巖屑發(fā)生變形，剛性顆粒發(fā)生斷裂，顆粒發(fā)生調(diào)整;早成巖B期晚期至晚成巖A期，排出大量有機(jī)酸，長(zhǎng)石溶蝕孔隙非常發(fā)育，其形成時(shí)間基本一致;充填孔隙的自生綠泥石、伊利石、伊蒙混層等生成;隨著埋深的加大、成巖作用的增強(qiáng)，鐵離子逐漸剩余，鐵方解石、鐵白云石等碳酸鹽礦物生成。

圖4 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8儲(chǔ)層成巖序列Fig.4 Diagenetic array of Chang8 reservoir in Jiyuan area，Ordos Basin

4 成巖相劃分及特征

成巖相是一定成巖環(huán)境形成的巖石礦物及其組合特征的綜合反映，決定了儲(chǔ)集層性能和油氣富集規(guī)律[31－33］。碎屑巖儲(chǔ)層中油氣的富集程度主要受沉積相、成巖相控制，沉積環(huán)境通過(guò)沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、礦物組分等要素對(duì)成巖特征有不同程度的控制和影響，而不同的成巖相在沉積微相中的分布也存在一定的規(guī)律性[34］。

本文成巖相分析采用單因素分析、多因素綜合的方法[35］，分析影響儲(chǔ)層物性的主要成巖作用類型和特征，并結(jié)合沉積背景將研究區(qū)成巖相劃分為壓實(shí)成巖相、綠泥石膜—粒間孔成巖相、長(zhǎng)石溶蝕成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相等4種類型(圖5)，其中壓實(shí)成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相為破壞性成巖相，對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育不利;長(zhǎng)石溶蝕成巖相、綠泥石膜—粒間孔成巖相為建設(shè)性成巖相，有利于儲(chǔ)集空間的形成[36］。

4.1 壓實(shí)成巖相

主要分布于三角洲前緣水下分流河道、河道側(cè)翼的薄砂層和分流間灣沉積區(qū)，其主要的巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等(圖5)。砂巖中含有較多的黑云母、千枚巖、板巖等塑性碎屑和碎屑石英，顆粒以線狀和凹凸?fàn)罱佑|，地層物性差，不具備儲(chǔ)層性能。結(jié)合區(qū)域特征，壓實(shí)成巖相地層在測(cè)井曲線上的響應(yīng)特征表現(xiàn)為高自然伽馬(80～120 API)、高中子(大于15%)、高密度(大于2.6 g/cm3)。

圖5 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8儲(chǔ)層成巖相分布Fig.5 Distribution of diagenetic facies of Chang8 reservoir in Jiyuan area，Ordos Basin

4.2 碳酸鹽膠結(jié)成巖相

研究區(qū)長(zhǎng)8段主要發(fā)育鐵方解石膠結(jié)成巖相，在三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道中都有發(fā)育，經(jīng)常出現(xiàn)在三角洲分流河道等較厚砂體的頂部和底部(圖5)。鐵方解石膠結(jié)成巖相砂巖很致密，鐵方解石呈基底式、孔隙式致密膠結(jié)，使有效孔隙消失，形成致密型孔隙組合關(guān)系，不利于孔隙的保存，幾乎完全喪失了儲(chǔ)集性能。測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為高自然伽馬(小于80 API)、高中子(小于15%)、聲波時(shí)差(小于220 μs/m)、高密度(大于2.6 g/cm3)。

4.3 綠泥石膜—粒間孔成巖相

綠泥石膜—粒間孔成巖相受沉積微相控制，主要分布于劉卯塬—堡子灣、馬坊一帶的三角洲前緣水下分流河道主河道的有利沉積微相發(fā)育區(qū)(圖5)。綠泥石膜膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層物性保護(hù)起了積極的作用，提高了砂巖的抗壓實(shí)能力，使原生粒間孔較完整地保存下來(lái)[37］，平均孔隙度一般為 11.3%，平均滲透率為0.68 mD，測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為低自然伽馬(小于80 API)、低密度(小于 2.6 g/cm3)，屬于超低滲儲(chǔ)層相對(duì)高滲的有利成巖相帶。這類成巖相主要位于多期水下分流河道相互疊置的厚砂層中，是原油富集的最主要地區(qū)之一。

4.4 長(zhǎng)石溶蝕成巖相

主要分布于馮地坑、小澗子、澇池口一帶三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道多條河道交匯處的有利沉積微相發(fā)育區(qū)(圖5)。在后期成巖作用過(guò)程中，烴源巖產(chǎn)生的有機(jī)酸、CO2等酸性流體進(jìn)入砂巖中使長(zhǎng)石等礦物發(fā)生溶蝕，形成的次生孔隙對(duì)喉道有擴(kuò)大作用，有效地改善了孔隙的連通性和滲透性，該成巖相的平均孔隙度為9.5%，平均滲透率為0.32 mD。長(zhǎng)石溶蝕成巖相對(duì)有利儲(chǔ)集層的形成和油氣的聚集具有建設(shè)性的作用。

5 結(jié)論

1)姬塬地區(qū)長(zhǎng)8砂巖目前處于晚成巖階段A期，主要經(jīng)歷的成巖作用有:壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用。機(jī)械壓實(shí)作用是造成砂巖原生孔隙消亡的主要原因;受酸性成巖環(huán)境影響，長(zhǎng)石類不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生的溶蝕孔隙擴(kuò)大了儲(chǔ)集空間，使孔隙間的連通性得以改善。長(zhǎng)8砂巖成巖強(qiáng)度比較大，但成巖早期形成的綠泥石粘土膜非常發(fā)育，保留大量原生粒間孔，從而保持了較好的儲(chǔ)層物性。

2)根據(jù)成巖作用和沉積背景特征，姬塬地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層可劃分出4種主要成巖相類型，壓實(shí)成巖相、碳酸鹽膠結(jié)成巖相為破壞性成巖相，對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育不利;長(zhǎng)石溶蝕成巖相和綠泥石膜—粒間孔成巖相為建設(shè)性成巖相，有利于儲(chǔ)集空間的形成。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要受控于長(zhǎng)石溶蝕成巖相和綠泥石膜—粒間孔成巖相，分布于劉卯塬—堡子灣、馬坊一帶的三角洲前緣水下分流河道沉積微相發(fā)育區(qū)，以及馮地坑、小澗子、澇池口一帶三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道多條河道交匯處砂體發(fā)育區(qū)。

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