劉長利，劉 欣，張莉娜，陳貞龍，李吉君，王偉明，馬 鋒

(1. 中國石化 華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，南京 210000； 2.中國石化 華東油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，南京 210000； 3.中國石油大學(xué)( 華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，青島 266580； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

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碎屑巖成巖作用及其對(duì)儲(chǔ)層的影響
——以鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)為例

劉長利1，劉 欣2，張莉娜1，陳貞龍1，李吉君3，王偉明3，馬 鋒4

(1. 中國石化 華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，南京 210000； 2.中國石化 華東油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，南京 210000； 3.中國石油大學(xué)( 華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，青島 266580； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

基于巖心觀察、鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光等測(cè)試，對(duì)鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層開展了成巖作用類型、成巖序列等研究。結(jié)果表明：(1)溶蝕孔的形成不僅有長石溶蝕的貢獻(xiàn)，而且還有長石蝕變形成沸石的二次溶蝕貢獻(xiàn)；微裂縫的形成是石英在強(qiáng)烈壓實(shí)作用下導(dǎo)致的硅質(zhì)微碎裂；晶間孔和粒間孔的形成與成巖早期形成的白云石抑制壓實(shí)作用的進(jìn)行密切相關(guān)；(2)早期形成的綠泥石膜，因成巖環(huán)境的改變，脫出大量的鐵和鎂離子，并在水解溶蝕作用下與絮凝膠體形成葉片狀綠泥石，封堵孔隙；(3)鎮(zhèn)涇地區(qū)成巖序列演化特征揭示，早期碳酸鹽膠結(jié)物自形程度比較高；綠泥石膜是成巖初期的產(chǎn)物，第二期綠泥石多呈葉片狀產(chǎn)出；早期濁沸石交代斜長石，在后期的溶蝕改造為儲(chǔ)層提供了較好的儲(chǔ)集空間；長石溶蝕形成書頁狀高嶺石。

成巖作用；成巖序列；延長組；鎮(zhèn)涇地區(qū)；鄂爾多斯盆地

成巖作用不僅影響儲(chǔ)層原生孔隙的保存，而且還控制著儲(chǔ)層次生孔隙的發(fā)育，是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)重要研究工作[1-4]。鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)位于盆地的西南部，是近年來盆地增儲(chǔ)擴(kuò)邊的主力產(chǎn)能陣地，近年來鎮(zhèn)探4、涇探2等多口井的大規(guī)模壓裂獲得較好的工業(yè)油流，更是展示了靶區(qū)延長組油層的巨大勘探潛力[4]。作為盆地邊緣區(qū)塊的重要靶區(qū)，前人已開展大量的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作，但大多是從地質(zhì)背景出發(fā)，研究了儲(chǔ)層砂體的沉積環(huán)境、分布范圍和變化規(guī)律，弄清了靶區(qū)宏觀上儲(chǔ)層的展布是受到沉積相的控制，認(rèn)為水下分流河道砂體的原始物性最好。但僅通過有利巖相尋找有利儲(chǔ)層，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今精細(xì)勘探的需要[5-7]。通過大量的巖石薄片觀察發(fā)現(xiàn)，延長組碎屑巖的成分以及微觀結(jié)構(gòu)都不同程度地發(fā)生了改變，有的被礦物溶蝕交代，有的會(huì)生成新的礦物，有的原生孔隙發(fā)生了堵塞。而有關(guān)這些復(fù)雜的成巖作用類型、成巖特征還缺少系統(tǒng)的研究，還沒有準(zhǔn)確厘定哪些是建設(shè)性作用，哪些是破壞性作用。另外，有關(guān)各種成巖作用所發(fā)生的順序、儲(chǔ)層所處的成巖作用階段也還沒有明確。鑒于此，本文利用鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡等測(cè)試手段，對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組砂巖巖石學(xué)特征、成巖作用、成巖階段進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并探討了成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響。

1 儲(chǔ)層基本概況

鄂爾多斯盆地是在古生代地臺(tái)基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的多旋回克拉通盆地，是我國主要的低滲透致密砂巖油氣產(chǎn)區(qū)之一[8-9]。上三疊統(tǒng)延長組沉積期環(huán)境主體為河流—湖泊相，沉積了一套陸源碎屑巖，縱向上可劃分為10個(gè)油層組，是整個(gè)鄂爾多斯盆地重要的油氣儲(chǔ)層[10-11]。鎮(zhèn)涇地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部(圖1)，構(gòu)造位置處于天環(huán)坳陷南部及伊陜斜坡西南邊緣，延長組在本區(qū)分布面積廣、埋藏淺，是重要的含油層系。

表1為鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層砂巖碎屑成分統(tǒng)計(jì)表，從中可以看出，陸源碎屑成分主要為石英和長石，其次為巖屑，可見少量的云母；儲(chǔ)層巖石類型主要為巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)和碳酸鹽，自生黏土礦物主要為綠泥石和高嶺石，二者主要來自西南物源的沉積體系，但前者雜基較為發(fā)育，后者碳酸鹽膠結(jié)物含量較高。

2 成巖作用類型及特征

根據(jù)成巖作用對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)的大小，可以把成巖作用分為建設(shè)性成巖作用和破壞性成巖作用[12-13]。

圖1 研究區(qū)位置

2.1 建設(shè)性成巖作用

2.1.1 溶蝕作用

長石是延長組儲(chǔ)層主要碎屑成分，又是一種易溶礦物，為溶蝕作用提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。從薄片及巖心觀察來看(圖2)，鎮(zhèn)涇地區(qū)的溶蝕作用既有有機(jī)酸溶蝕的痕跡，又有大氣淡水風(fēng)化淋濾的現(xiàn)象，均對(duì)儲(chǔ)層有較大的改善作用。大氣水淋濾溶蝕主要發(fā)生在不整合面附近，形成的溶蝕孔隙多被后期的石英次生加大和膠結(jié)作用所充填，對(duì)儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)不大；有機(jī)酸溶蝕主要是由于埋藏較深的儲(chǔ)層，發(fā)育在源儲(chǔ)互層的層系中，緊鄰的烴源巖在深埋的地質(zhì)條件下，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，進(jìn)而溶蝕長石，形成有效孔隙(圖2b)。

表1 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇區(qū)塊儲(chǔ)層砂巖陸源碎屑成分

圖2 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層溶蝕作用特征

2.1.2 沸石化作用

沸石是長石顆粒的主要蝕變產(chǎn)物，極其不穩(wěn)定，后期在水巖反應(yīng)的作用下，易形成大量的次生孔隙[15-16]，如ZT1井長6油層組由蝕變的沸石后期溶蝕形成的孔隙可達(dá)18%。研究區(qū)中部長8油層組濁沸石溶蝕較為普遍，產(chǎn)生大量次生溶蝕孔隙，改善了儲(chǔ)層物性(圖3a)。此外，與本區(qū)處于同一含油層系的P40井也發(fā)現(xiàn)大量濁沸石溶蝕孔隙(圖3b)，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的較好部位。分析認(rèn)為早期長石被濁沸石交代后，由于后期地下水成分發(fā)生變化，導(dǎo)致濁沸石被部分溶蝕形成次生孔隙，而斷裂、微裂縫發(fā)育的部位，這種現(xiàn)象更為普遍。

2.1.3 破裂作用

通過大量的鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造形成的具有一定方向性的微裂縫，表明鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組的構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較弱。強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)作用可導(dǎo)致少量的石英碎裂，這些碎裂的石英在陰極發(fā)光照射下，可明顯地看到已經(jīng)全部愈合。結(jié)合電子探針分析，這些愈合的微裂縫中的充填物成分主要為石英(圖4a)。

2.1.4 白云石化作用

白云石化作用也是鎮(zhèn)涇地區(qū)常見的一種建設(shè)性成巖作用[17]。該成巖作用時(shí)間較早，發(fā)生時(shí)間介于石英次生加大之后和晚期方解石膠結(jié)之前，是典型的淺埋環(huán)境產(chǎn)物。由于其形成時(shí)間較早，起到了支撐作用，可以抑制壓實(shí)作用的進(jìn)行，可形成大量的晶間孔隙(圖4b)。

圖3 鄂爾多斯盆地延長組儲(chǔ)層濁沸石化作用鏡下微觀特征

圖4 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層白云石化及破裂作用微觀特征

2.2 破壞性成巖作用

2.2.1 壓實(shí)作用

機(jī)械壓實(shí)作用在延長組砂巖沉積初期就已經(jīng)開始進(jìn)行[18-19]，早期壓實(shí)作用強(qiáng)烈，顆粒發(fā)生變形、緊密堆積，造成原生孔隙大量減少。這種成巖作用是所有碎屑巖成巖都要經(jīng)歷的作用，只是壓實(shí)的程度有所不同，而且隨著壓實(shí)作用的進(jìn)行，會(huì)逐漸過渡到膠結(jié)作用。

2.2.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層常見的一種成巖作用，從膠結(jié)物的成分來看，主要有泥質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)3種類型[20]。

(1)泥質(zhì)膠結(jié)。泥質(zhì)膠結(jié)作用主要為自生黏土礦物膠結(jié)物。鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組細(xì)砂巖和粉砂巖大多是以泥晶膠結(jié)和鱗片結(jié)構(gòu)膠結(jié)為主，在遠(yuǎn)砂壩、河口壩和席狀砂環(huán)境較為發(fā)育，綠泥石薄膜結(jié)構(gòu)主要發(fā)育于水下分流河道砂體。在成巖作用早期，若能形成綠泥石薄膜(膜厚3 μm)(圖5)就能有效抑制石英、長石等的再生長，部分地段可形成二期綠泥石，多呈葉片狀充填粒間孔。

(2)碳酸鹽膠結(jié)。以方解石為主，可見少量的白云石。早期方解石通常自形程度較高，占據(jù)一部分空間，后期經(jīng)歷了選擇性溶蝕改造，可增加儲(chǔ)層的孔隙度。碳酸鹽膠結(jié)物一般會(huì)出現(xiàn)在成巖作用的中晚期，多數(shù)是以膠結(jié)、交代的形式交代碎屑巖顆粒，有些還會(huì)充填孔隙，少量基底式，含量一般1%～30%，普遍1%～7%。(圖6a)，使孔、滲進(jìn)一步降低，其分布范圍有限，一般分布于砂夾層附近。

(3)硅質(zhì)膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)在研究區(qū)僅局部地區(qū)可見。不同程度的石英次生加大現(xiàn)象在鏡下偶爾出現(xiàn)(圖6b)，硅質(zhì)的含量大多分布于0.5%～1%之間。

3 成巖作用序列特征

(1)綠泥石膜是成巖初期的產(chǎn)物，第二期綠泥石多呈葉片狀產(chǎn)出。研究區(qū)延長組沉積后，在早成巖A期，部分碎屑顆粒表面開始生長綠泥石薄膜，為第一期綠泥石(圖7a)，后期隨著地層溫度的不斷升高，成巖環(huán)境有所變化，泥巖脫水會(huì)產(chǎn)生大量的鐵和鎂離子，這些離子與絮凝的膠體在水解溶蝕作用下，導(dǎo)致砂巖孔隙流體內(nèi)的鐵、鎂離子含量大量增加，就會(huì)導(dǎo)致局部地區(qū)有二期葉片狀綠泥石的析出(圖7b)。

(2)早期碳酸鹽膠結(jié)物自形程度比較高。在成巖作用階段早期，地下水的物理和化學(xué)條件都有所改變，當(dāng)碳酸鹽溶液的濃度增加到一定程度，就會(huì)發(fā)生結(jié)晶作用，因此，一般在原始孔隙中形成，其自形程度一般比較好，碳酸鹽膠結(jié)物的形成，占據(jù)了一定空間(圖8a)，增加了巖石的抗壓實(shí)能力，也為后期溶蝕孔隙的產(chǎn)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)(圖8b)。

圖5 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組黏土類礦物微觀特征

圖6 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組碳酸鹽膠結(jié)及石英次生加大微觀特征

圖7 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組綠泥石顯微特征照片

(3)早期濁沸石交代斜長石，在后期的溶蝕改造為儲(chǔ)層提供了較好的儲(chǔ)集空間。在成巖作用早期，地層水中的堿性成分不斷增加，水下分流河道的砂體發(fā)育規(guī)模又較厚，由于巖石的粒度較粗，導(dǎo)致斜長石被大量沸石逐漸交代，占據(jù)了一部分原始孔、粒間孔，起到了一定的抗壓實(shí)作用，后期由于物化條件的改變，地下水逐漸朝酸性演化，濁沸石開始沿著解理面溶蝕，在溶蝕較弱的地方，可以看到濁沸石晶體輪廓，溶蝕強(qiáng)的地方，只剩下粒間孔、鑄?？椎雀鞣N孔隙，大大提高了儲(chǔ)層的滲透率。

(4)長石溶蝕，形成書頁狀高嶺石。砂層薄、泥質(zhì)含量高是鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組儲(chǔ)層的顯著特點(diǎn)，部分長石會(huì)在成巖作用過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闀摖畹母邘X石，造成晶間孔和粒間孔的比例大幅度增加。

隨著成巖演化階段的加深(成巖早期B階段—成巖晚期A階段)，地下水普遍會(huì)由堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，地下流體溶液中的硅質(zhì)成分就會(huì)增加，導(dǎo)致石英開始形成，因此在鏡下可觀察到大量石英次生加大的現(xiàn)象，使孔隙度降低。結(jié)合自生礦物及成巖事件首次出現(xiàn)的地質(zhì)時(shí)間相對(duì)順序，鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組砂巖的主要成巖序列為：早期黏土膜形成→早期白云石或方解石膠結(jié)作用→機(jī)械壓實(shí)作用→濁沸石形成→高嶺石形成→不穩(wěn)定成分長石、巖屑、方解石溶解→大氣淡水淋濾作用→斷裂帶附近微裂隙、長石、濁沸石溶蝕孔隙產(chǎn)生/石英次生加大→晚期鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)作用。鎮(zhèn)涇地區(qū)的斷裂、微裂縫較為發(fā)育，后期構(gòu)造抬升產(chǎn)生的熱液和淡水淋濾都可以形成較多的次生溶蝕孔隙。

4 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層影響

碎屑巖成巖過程中，由于濁沸石、硅質(zhì)、碳酸鹽、泥質(zhì)等膠結(jié)，使原生孔隙發(fā)育儲(chǔ)層變?yōu)榈涂住⒌蜐B儲(chǔ)層[21-22]。但濁沸石作為一種架狀的含水鋁硅酸鹽礦物，極大地改善了儲(chǔ)層物性。在干酪根大量生烴之前形成的有機(jī)酸，對(duì)鋁硅酸鹽礦物的溶解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)碳酸鹽礦物的溶解，這些有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)層，強(qiáng)烈溶蝕濁沸石膠結(jié)物，并產(chǎn)生大量濁沸石次生溶蝕孔隙，構(gòu)成了延長組砂體中的主要儲(chǔ)集空間。本次研究表明，鎮(zhèn)涇地區(qū)長6、長8砂巖中，濁沸石溶蝕孔隙占0.1%～4.2%左右。

圖8 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組早期碳酸鹽膠結(jié)物顯微特征照片

圖9 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組主要目的層段孔隙類型分布

對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)HH26、HH105等井的砂巖進(jìn)行的薄片視面孔率測(cè)試統(tǒng)計(jì)表明，延長組不同油層組、不同沉積相帶其儲(chǔ)層溶蝕作用強(qiáng)度是不同的，相應(yīng)地，次生溶蝕孔隙的發(fā)育程度也不同。延長組長6、長8油層組的溶蝕作用較為發(fā)育，尤其是研究區(qū)中東部的長6、長8砂體中溶蝕孔隙占總孔隙的比例大大增加，達(dá)到60%～80%(圖9)，儲(chǔ)層物性明顯得以改善。

長石、濁沸石的溶蝕是鎮(zhèn)涇地區(qū)延長組最常見的溶蝕作用，在弱溶蝕作用的地質(zhì)條件下，鏡下可見長石顆粒邊緣模糊呈彎曲狀；長6、長8儲(chǔ)層中較為普遍存在的碳酸鹽溶蝕作用也影響著儲(chǔ)層物性。早期膠結(jié)作用形成的方解石顆粒，由于后期溫壓、物化條件的變化發(fā)生溶解，導(dǎo)致粒間溶蝕孔隙、粒內(nèi)溶蝕孔隙的增加。此外，還有巖屑顆粒等的溶蝕現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)延長組儲(chǔ)層視溶蝕孔率分布范圍大致在25%～60%，反映了溶蝕作用有一定的差距。當(dāng)視溶蝕孔率大于60%時(shí)，儲(chǔ)層孔隙以直徑較大的粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔和鑄?？诪橹?，表現(xiàn)為孔隙連通性較好；視溶蝕率介于25%～60%時(shí)，儲(chǔ)層孔隙以直徑較小的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主，極少見到鑄?？?，孔隙連通性較差；當(dāng)視溶蝕孔率小于25%時(shí)，儲(chǔ)層孔隙基本上以直徑很小、零星分布的粒間溶孔為主，反映溶蝕作用很弱。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯鎮(zhèn)涇地區(qū)成巖作用復(fù)雜，形成了多種類型的儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間，其中溶蝕孔、微裂縫、晶間孔、粒間孔是主要的3種類型。溶蝕孔的形成不僅是長石在有機(jī)酸和地層水的溶蝕貢獻(xiàn)，還有由長石蝕變交代形成的沸石所發(fā)生的二次溶蝕貢獻(xiàn)；微裂縫主要是石英在強(qiáng)烈的壓實(shí)作用下所形成的硅質(zhì)微碎裂；晶間孔和粒間孔的形成與成巖早期的壓實(shí)作用密不可分。

(2)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是鎮(zhèn)涇地區(qū)主要的破壞性成巖作用。尤其是綠泥石的多期形成對(duì)儲(chǔ)層孔隙有一定的封堵作用，其形成機(jī)理主要是早期形成的綠泥石膜受成巖環(huán)境溫壓的改變，脫出大量的鐵和鎂離子，并在水解溶蝕作用下與絮凝膠體形成二期葉片狀綠泥石。

(3)從成巖演化特征來看，鎮(zhèn)涇地區(qū)成巖序列明顯具有以下特征：綠泥石膜是成巖初期的產(chǎn)物，第二期綠泥石多呈葉片狀產(chǎn)出；早期碳酸鹽膠結(jié)物自形程度比較高；早期濁沸石交代斜長石，在后期的溶蝕改造為儲(chǔ)層提供了較好的儲(chǔ)集空間；長石溶蝕，形成書頁狀高嶺石。

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(編輯 徐文明)

Clastic rock diagenesis and its influence on reservoirs: A case study of Zhenjing area in the Ordos Basin

Liu Changli1, Liu Xin2, Zhang Lina1, Chen Zhenlong1, Li Jijun3, Wang Weiming3, Ma Feng4

(1.ResearchInstituteofExploration&Development,SINOPECEastChinaCompany,Nanjing,Jiangsu210000,China; 2.EngineeringDesign&ResearchInstitute,SINOPECEastChinaCompany,Nanjing,Jiangsu210000,China; 3.ResearchInstituteofUnconventionalPetroleumandRenewableEnergy,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China; 4.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,PetroChina,Beijing100083,China)

The diagenetic types and diagenetic sequences of the Yanchang Formation in Zhenjing area of the Ordos Basin were studied based on core observation, casting thin section, scanning electron microscopy and catho-doluminescence. (1) Dissolution pores were not only from feldspar dissolution, but also the secondary dissolution of the feldspar alteration to form zeolite. Microfractures are siliceous microcracks caused by the strong compaction of quartz. The formation of intracrystalline pores and intergranular pores was closely related to the inhibition of compaction by dolomite formed early in diagenesis. (2) Due to the change of diagenetic environment, the early formed chlorite membranes released a large number of iron and magnesium ions, forming leaf-like chlorites during hydrolytic dissolution, which blocked pores. (3) The evolution characteristics of the diagenetic sequence in Zhenjing area reveal that the early carbonate cement has a high degree of self-formation. Chlorite membranes are the products of initial diagenesis, and leaf-like chlorites generated during the secondary diagenesis. Zeolites replaced plagioclases during the early phase, and then, the dissolution of zeolites provided better reservoir space. Feldspar dissolution yielded page-like kaolinites.

diagenesis; diagenetic sequence; Yanchang Formation; Zhenjing area; Ordos Basin

1001-6112(2017)03-0348-07

10.11781/sysydz201703348

2017-01-12；

2017-03-23。

劉長利(1962—)，男，高級(jí)工程師，從事儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方面的科研工作。E-mail:czlneo@163.com。

國家自然科學(xué)基金(41672125，41472105)和國家油氣重大專項(xiàng)(2011ZX05035，2016ZX05029002)資助。

TE122.21

A