周曉峰，李 景，張建欣，李書恒，于均民

1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 昌平 102249；2.油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 昌平 102249；3.中國石油玉門油田勘探開發(fā)研究院，甘肅 酒泉 735019；4.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；5.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018

引 言

研究區(qū)鄂爾多斯盆地西南部的行政區(qū)劃隸屬于甘肅省慶陽市，構造位置橫跨伊陜斜坡帶和天環(huán)拗陷帶（圖1）。三疊系延長組是一套厚逾1 000 m的河流—湖泊相碎屑巖沉積體，自下而上由長10～長1油層組組成，記錄了一次完整的湖進-湖退旋回（圖2）。環(huán)湖發(fā)育的多類型砂體，形成了大規(guī)模分布的儲集巖[1]。長7期為湖泊擴張的鼎盛時期，形成的優(yōu)質烴源巖是盆地重要的油源巖[2]。儲集砂巖和油源巖廣覆式接觸，成藏條件優(yōu)越，形成了勘探開發(fā)潛力巨大的鄂爾多斯盆地低滲透砂巖油藏[3]。

鄂爾多斯盆地延長組低滲透砂巖油藏是中國陸相低滲透油藏的典型代表，其儲層致密化與成藏的配置關系長期以來一直受到廣泛關注，雖然取得了頗豐的研究成果，但認識并不一致，主要有3種觀點：先致密后成藏[4-5]、邊致密邊成藏[6-8]和先成藏后致密[9-13]。文獻調研發(fā)現(xiàn)，學者們對成藏時間的認識基本一致，認為其主要發(fā)生在中晚侏羅世-早白堊世，因此，砂巖致密與成藏配置多樣化的根源在于對砂巖致密時間的認識不一致。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

圖2 延長組發(fā)育特征Fig.2 Stratum of Yanchang Formation

鄂爾多斯盆地延長組砂巖致密化的影響因素眾多，概括起來主要有壓實作用和膠結作用兩個方面。壓實作用是砂巖低滲透的主控因素，其導致砂巖原始孔隙度的損失率超過50%；膠結作用造成砂巖孔隙度的損失率超過10%，其是砂巖致密化的關鍵因素[14]。

根據(jù)最新的成巖階段劃分標準[15]，鄂爾多斯盆地延長組砂巖目前處在中成巖A期，經歷了壓實、膠結、溶蝕等成巖作用，（鐵）方解石是其體積最大的膠結物，方解石的膠結時間大致對應著砂巖的致密時間[6-14]。鑒于此，弄清楚方解石的膠結時間對于研究鄂爾多斯盆地延長組低滲透砂巖的成因至關重要。

以往的研究成果顯示，鄂爾多斯盆地西南部[4-7，9-11，13]及與其毗鄰的吳起地區(qū)[8]和鎮(zhèn)涇地區(qū)[12]長8油層組（長8）是研究延長組砂巖致密化與成藏配置的主要地區(qū)及層位。本文在調研和反復比對以往研究成果的基礎上，選擇鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖作為研究對象，通過鑄體薄片和帶有能譜儀的掃描電鏡融合技術尋找方解石膠結時間的新證據(jù)，進而為重新認識鄂爾多斯盆地延長組砂巖的致密時間提供思路和技術方法借鑒。

1 目前觀點

1.1 先致密后成藏

王學軍、楊偉偉等依據(jù)含氮化合物和原油物性分析認為，研究區(qū)長8砂巖致密的時間在油氣成藏之前，因此，石油進入砂巖后無法進行二次運移，致使油藏缺乏統(tǒng)一的油水界面，油水關系復雜[4-5]。由此推測，方解石膠結物主要形成于油氣成藏之前的早成巖階段。

1.2 邊致密邊成藏

羅曉容等認為，鄂爾多斯盆地西南部長8油藏屬于邊致密邊成藏油藏，晚侏羅世第一次油氣成藏時期，砂巖儲層滲透率為37.0 mD，早白堊世第二次油氣成藏時期，滲透率減小到1.5 mD左右，說明長8油藏在第一次成藏時期為相對高滲油藏，晚侏羅世末油氣充注間歇期的方解石膠結致使儲層致密化，繼而第二次成藏時期為相對致密油藏[6]。筆者早期對研究區(qū)長8油藏的研究也得出了相似的結論[7]。

陜北吳起地區(qū)與研究區(qū)毗鄰，對其延長組下組合（長7-長10）含油砂巖成巖演化過程的研究[8]認為，在3期原油充注的間歇期都發(fā)生了（鐵）方解石膠結作用，至第三期石油成藏時砂巖儲層已變?yōu)槌蜐B透儲層，方解石膠結是造成儲層致密的主要原因。

1.3 先成藏后致密

鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖先成藏后致密的直接證據(jù)有成巖作用序列[9]、方解石膠結物碳氧同位素[10]、油氣流體包裹體[11]及其組合[14]。

成巖作用序列研究發(fā)現(xiàn)，方解石膠結物充填油氣充注痕跡的剩余粒間孔，說明其形成在油氣成藏之后。碳氧同位素測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示，δ13C主要分布在-2‰～-12‰，其與有機質的脫羥基作用有關。石英、長石和方解石中的油氣流體包裹體的均一溫度測試結果對比表明，方解石膠結物內的包裹體均一溫度最高，由此推斷其是石油成藏末期的產物?？梢钥闯?，無論是單因素還是多因素分析均指示了先成藏后致密。

綜上所述，先致密后成藏的觀點認為方解石膠結物形成于早成巖階段，但這種觀點不能解釋方解石膠結物充填具有油氣充注痕跡的剩余粒間孔隙的現(xiàn)象；邊致密邊成藏或先成藏后致密的觀點則認為方解石膠結時間為中成巖A期，此觀點雖然很好地解釋了方解石膠結物與油氣充注的關系，但與砂巖的顯微結構特征矛盾，且此時的鈣質來源也是一個謎。

2 新發(fā)現(xiàn)及認識

2.1 新發(fā)現(xiàn)：方解石表面的綠泥石膜

巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，根據(jù)顏色長8砂巖可以分為灰白色和灰褐色細砂巖。滴10%的稀鹽酸時，灰白色砂巖劇烈起泡，而灰褐色砂巖起泡微弱。茜素紅-S和鐵氰化鉀混合液染色的鑄體薄片鏡下觀察顯示（圖3a），灰白色砂巖的方解石膠結物呈單一的綠松石色，具有泥微晶結構，占巖石的體積分數(shù)大于15%，浸染狀均勻分布在碎屑顆粒之中，碎屑顆粒之間線狀-點狀接觸，膠結類型多為孔隙式膠結，但半基底式或基底式膠結也較為常見。

灰褐色砂巖的方解石膠結物顯紫色、淺藍色和淡藍色等多種顏色（圖3b）。一個方解石單體可以是一種色，也可以顯多色，不同顏色之間界限模糊，過渡自然。方解石占巖石的體積分數(shù)一般小于8%，具有細-中晶結構和半自形或自形形貌，以斑塊狀或星點狀散布在碎屑顆粒之中。在方解石膠結物發(fā)育的區(qū)域，碎屑顆粒之間的接觸關系和膠結類型與灰白色砂巖相似；在方解石膠結的區(qū)域以外，骨架顆粒間點狀-線狀接觸，膠結類型主要為孔隙式膠結。方解石膠結物和碎屑顆粒之間或粒間孔隙和碎屑顆粒之間，通常發(fā)育有近似等厚的暗色環(huán)帶，厚度一般在3～8μm。

掃描電鏡下進一步觀察發(fā)現(xiàn)，包裹著方解石膠結物的暗色環(huán)帶是生長在其表面的綠泥石黏土礦物薄膜（圖3c）。由圖3c可以看出，綠泥石晶體小，一般在3～5μm，晶形差，集晶相互黏連成膜。圖3d為圖3c的局部放大，可以清晰地看到，綠泥石晶體與寄主方解石之間呈“無根”的自然過渡（紅色箭頭所指處）、“有根”（藍色箭頭所指處）和“懸浮”（黑色箭頭所指處）等現(xiàn)象。向著方解石膠結物，膜中綠泥石晶體變大，晶形變好，集晶變稀疏，晶間孔增多。方解石膠結物的表面嚴重齒化，標示其溶蝕現(xiàn)象具有普遍性。

圖3e和圖3f為粒間孔隙和碎屑顆粒之間的暗色環(huán)帶，可見，暗色環(huán)帶是生長在碎屑顆粒表面的綠泥石膜，膜中晶體大，晶形好，垂直顆粒表面近平行排列；向著顆粒表面，晶體變差，集晶密度增加，晶間孔減少。

由上述分析可知，碎屑顆粒與方解石膠結物表面的綠泥石膜的賦存狀態(tài)明顯不同。

圖3 長8砂巖的典型微觀圖像Fig.3 Typical microphotos in Chang 8 sandstones

表1為能譜儀測定的綠泥石膜的化學組成數(shù)據(jù)（測點位置見圖3e，圖3f），可知，方解石膠結物表面綠泥石膜的化學組分中有豐富的鈣質（以氧化鈣表述），而骨架顆粒表面的綠泥石膜中未檢測出鈣元素，說明這兩種綠泥石膜可能形成于不同的成巖環(huán)境。

表1 長8砂巖中綠泥石膜的化學組成Tab.1 Chemistry compositions of chlorite films in Chang 8 sandstones

傳統(tǒng)觀點認為，方解石膠結物和碎屑顆粒之間或粒間孔隙和碎屑顆粒之間的暗色環(huán)帶均為骨架顆粒表面的綠泥石膜遭受油氣浸染所致[4-13，15]。本文通過掃描電鏡的進一步觀察證實，這兩種暗色環(huán)帶是不同賦存方式的綠泥石膜，碎屑顆粒表面的綠泥石膜即就是文獻中所指的綠泥石膜[16-17]，而方解石膠結物表面的綠泥石膜是一種新類型的綠泥石膜，目前國內外尚無相關報道。

2.2 新認識

2.2.1 砂巖致密的時間為早成巖A期

浸染狀均勻分布方解石膠結物的砂巖的碎屑顆粒間接觸關系和膠結類型（圖3a），指示了這些方解石膠結物形成于早成巖A期的壓實作用過程中。

富含鈣質組分的綠泥石膜生長在方解石膠結物表面的成巖現(xiàn)象充分說明，方解石膠結在先，綠泥石膜出現(xiàn)在后。進一步推斷，富含鈣質組分的綠泥石膜出現(xiàn)之前，孔隙中是被方解石全填充的。將砂巖恢復到富含鈣質組分的綠泥石膜出現(xiàn)之前時，在方解石膠結物斑塊狀或星點狀分布的區(qū)域，碎屑顆粒之間線狀-點狀接觸；但在方解石膠結的區(qū)域之外，殘余粒間孔隙發(fā)育，顆粒間點狀 線狀接觸，壓實程度強于方解石膠結的區(qū)域。即使是在目前狀態(tài)下，方解石膠結物充填的粒間孔隙仍普遍大于殘余粒間孔隙（圖3b）。兩個區(qū)域的結構差異表明，這種方解石膠結物形成于早成巖A期的壓實作用過程中。

由此可見，無論是灰白色砂巖中的浸染狀方解石膠結物，還是灰褐色含油砂巖中的斑塊狀或星點狀方解石膠結物，它們都形成于早成巖A期的壓實作用過程中，也就是說，砂巖致密的時間為早成巖A期，其與成藏的配置關系為“先致密后成藏”。

2.2.2 方解石膠結物的原地溶解-沉淀反應

通過對方解石膠結物的巖石學特征的解剖和對其表面綠泥石膜的化學組分的分析認為，暗色環(huán)帶包裹的方解石膠結物為斑塊狀或星點狀方解石膠結物經原地溶解-沉淀反應形成。

為了論述方便，文中將浸染狀方解石膠結物稱之為I型方解石膠結物，將表面生長綠泥石膜的方解石膠結物稱之為II型方解石膠結物，將II型方解石膠結物的前身稱之為II0型方解石膠結物。

I型和II0型方解石膠結物發(fā)育在早成巖階段A期，它們具有相似的賦存狀態(tài)，但唯一的、也是決定后期差異變化的因素是所處環(huán)境不一樣。I型方解石膠結物浸染狀均勻分布在孔隙中，導致砂巖致密，流體難以進入，后期無法對其進行改造。II0型方解石膠結物斑塊狀或星點狀散布在砂巖中，圍巖為富含流體的多孔介質，一旦流體性質發(fā)生改變，方解石膠結物就可能發(fā)生原地溶解-沉淀反應。

溶解-沉淀反應包括原巖固相、溶解物液相和結晶沉淀形成新固相的三相變化[18]。鄂爾多斯盆地延長組砂巖中的方解石膠結物溶解-沉淀反應中，II0型方解石膠結物是原巖固相，為改造對象；溶解物液相是中成巖A期隨油氣一起進入砂巖的有機酸和無機酸混合流體，因為它是自早成巖A期方解石膠結物形成以來出現(xiàn)大規(guī)模酸性環(huán)境的唯一機會，已經被成巖作用過程和油氣成藏史研究所證實[4-13，15，17]。結晶沉淀形成的新固相即為II型方解石膠結物。

中成巖A期，油氣攜帶酸性流體進入II0型方解石膠結物發(fā)育的砂巖，原巖固相“浸泡”在溶解物液相中而發(fā)生溶解反應。此時，砂巖的滲流能力差，流體流動緩慢，引起溶蝕流體的消耗速度大于補充速度，同時溶蝕而來的鐵、鈣等陽離子不能快速運移出溶蝕區(qū)，于是，溶解物液相中酸性物質銳減，金屬陽離子濃度驟然增加，導致溶解的方解石膠結物周緣迅速轉化為堿性微域，溶解作用停止，代之以方解石再次沉淀，形成II型方解石膠結物，鈣質參與的綠泥石膜隨之生長。由于溶解-沉淀的非均質性，造成II型方解石膠結物的組成多變，這是茜素紅-S和鐵氰化鉀混合液染色的方解石在光學顯微鏡下呈多種顏色的根本原因。

溶解-沉淀反應過程中，方解石膠結物“粒緣”溶孔為綠泥石膜的生長提供了空間。溶蝕初期由于空間狹窄，為綠泥石膜提供的生長空間有限，形成的綠泥石晶體小，晶形差，集晶雜亂堆積。隨著反應的持續(xù)進行，溶孔增大，綠泥石晶體隨之增大，晶形變好，晶間孔增多。加之溶解物液相為油水兩相，對綠泥石晶體的生長速度有一定的抑制作用[19]，這對綠泥石膜的增大以及集合體變稀疏有一定的貢獻[20]。由此可知，綠泥石膜向著方解石膠結物生長，伴生“有根”、“無根”和“懸浮”等現(xiàn)象。伴隨著這種綠泥石膜的形成，溶解物液相中的原油吸附在其表面和晶間孔中。

3 討 論

3.1 中成巖A期形成的方解石膠結物有限

已有研究成果表明，砂巖中方解石膠結物的物質來源可以分為外源和內源兩大類，外源包括濃縮的海（湖）水[21]、泥巖壓釋水[21-24]、碳酸鹽巖層的溶解[25]和斷裂溝通的富碳酸鈣流體[26]等，內源為生物碎屑[27]、火山灰填隙物[28]、碳酸鹽巖屑[29]和先期方解石膠結物[30]等。

鄂爾多斯盆地延長期為一個淡水湖[31-32]，湖水中鈣質極為有限。砂巖中，碳酸鹽巖屑、生物碎屑、泥質內碎屑等內源物質少見[33]。延長組及其上下地層均為砂泥巖地層，因此，沒有碳酸鹽巖向砂巖提供碳酸鈣流體。中生代以來，盆地構造穩(wěn)定，盆內缺乏斷裂，不可能出現(xiàn)大規(guī)模垂向流動的富碳酸鈣流體。根據(jù)鄂爾多斯盆地延長組的具體地質情況推斷，I型和II0型方解石膠結物的物質來源于相鄰泥巖壓釋水。在砂泥巖互層的地層中，這種觀點已被人們普遍接受[22-24]。

中成巖A期，地層壓實作用已經基本結束，相鄰泥巖已不可能再向砂巖中提供足夠的壓釋水，要形成方解石膠結物需要其他的鈣質和碳源。此階段碳源可由有機質脫羥基提供，因此，能否形成方解石膠結物取決于鈣源的富足程度。早期的方解石膠結物可以提供鈣源，但I型方解石膠結物缺少溶解物液相而不可能發(fā)生大規(guī)模溶解，II0型方解石膠結物經溶解-沉淀反應轉化為II型方解石膠結物也不可能提供大量的鈣質。鈣長石溶解可向孔隙流體中提供豐富的鈣源，然而，鄂爾多斯盆地延長組砂巖中鈣長石極為有限，且掃描電鏡下偶爾觀察到的鈣長石溶蝕作用并不強烈，那么，其溶蝕向孔隙流體貢獻的鈣源極為有限。蒙皂石向伊利石轉化的過程中可釋放出大量的鈣質，但砂巖中缺乏蒙皂石雜基[34-35]。因此，由于缺乏鈣源，中成巖A期從孔隙水直接沉淀的方解石膠結物有限。

3.2 碳氧同位素數(shù)據(jù)應慎用

鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖中方解石膠結物的碳氧同位素測試數(shù)據(jù)顯示（表2），I型方解石膠結物中，δ13C在-6.6‰～-1.6‰，平均值為-4.3‰，δ18O 在-22.9‰～-19.5‰，平均值為-20.9‰；II型方解石膠結物中，δ13C、δ18O 分別在-7.2‰～-2.2‰和-22.0‰～-17.4‰，平均值分別為-4.9‰和-19.7‰。結合圖4可以看出，I型和II型方解石膠結物碳氧同位素的分布區(qū)間和頻率相似。這就是說，經歷了溶解-沉淀反應，方解石碳氧同位素變化并不大，因此，穩(wěn)定同位素不能有效地確定方解石膠結物成因。

表2 長8砂巖中方解石膠結物δ13C和δ18O組成[10]Tab.2 δ13C and δ18O compostions of calcite cements in Chang 8 sandstones

王大銳[36]在對大量文獻調研的基礎上，強調低滲透巖石的方解石膠結物經歷溶解-沉淀反應后碳氧同位素未發(fā)生明顯變化的情況并不少見，但這種現(xiàn)象目前仍未找到令人信服的解釋。因此，應用穩(wěn)定同位素資料研究方解石膠結物的成因需要慎重。

圖4 長8砂巖中方解石膠結物δ13C和δ18O的相關性Fig.4 δ13C and δ18O relationship of calcite cements in Chang 8 sandstones

3.3 流體包裹體均一溫度數(shù)據(jù)應慎用

流體包裹體是礦物生長過程中被捕獲在礦物晶格內并未與外界發(fā)生物質交換的那一部分古流體，其作為一個獨立的地球化學系統(tǒng)，能夠真實地反映成巖成礦時的流體性質，包括溫度、壓力、pH值等，在成藏史和成巖作用研究等油氣地質領域得到了廣泛應用[37]。

鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖經歷了多期油氣流體活動，每期油氣活動將使孔隙流體變?yōu)樗嵝越橘|環(huán)境。方解石膠結物作為一種弱堿性成巖礦物，在每期油氣活動過程中，都會發(fā)生溶解-沉淀反應。溶解-沉淀反應過程中，溶解反應使早期方解石溶解，同時早期的油氣包裹體也將被破壞；沉淀反應使方解石再次淀出，并在礦物晶格中捕獲油氣形成新的包裹體。多次油氣活動，就會發(fā)生多期方解石的溶解-沉淀反應，相應地，油氣包裹體也處于不斷破壞與形成的平衡中。成藏結束時，酸性環(huán)境消失，發(fā)生了多期溶解-沉淀反應的II型方解石膠結物得以保存，其礦物晶格中的包裹體也隨之保存下來。由于早期的包裹體不斷遭到破壞，保留下來的包裹體通常是油氣成藏中后期的產物，體現(xiàn)在具有高包裹體均一溫度上[11]。因此，包裹體均一溫度僅僅說明方解石膠結物發(fā)生過化學變化，并不代表其是從孔隙水中沉淀，具體情況需要結合巖石學證據(jù)。

綜上所述，雖然研究區(qū)砂巖中方解石膠結物在成巖過程中變化復雜，但仍保留了豐富的早成巖時期的巖石學證據(jù)，如碎屑顆粒間的接觸關系、膠結類型、方解石膠結物表面的綠泥石膜等，通過這些證據(jù)能夠很好地恢復方解石膠結的過程。而地球化學參數(shù)和包裹體資料可以作為輔助手段，它們的應用必須服從于巖石顯微結構特征[20]。

3.4 方解石膠結物的形成過程

通過對鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖方解石膠結物的物質來源、形成時間以及成因的剖析，研究方解石膠結物的形成過程。I型方解石膠結物形成于早成巖A期，至目前的中成巖A期，其再沒有發(fā)生過明顯的成巖變化。II型方解石膠結物的形成過程可以分為3個階段，依次為II0型方解石膠結物發(fā)育階段、碎屑顆粒表面綠泥石膜形成階段、II型方解石膠結物發(fā)育階段（圖5）。

圖5 長8砂巖中II型方解石膠結物的形成過程Fig.5 Development process of II-type calcite cement in Chang 8 sandstones

第一階段為II0型方解石膠結物發(fā)育階段。早成巖A期，泥巖壓釋的過飽和碳酸鈣流體進入相鄰砂巖，在粒間孔隙中形成斑塊狀或星點狀散布的方解石膠結物。

第二階段為碎屑顆粒表面綠泥石膜形成階段。早成巖B期，在富鐵、鎂的堿性流體作用下，粒間孔隙的顆粒表面沉淀綠泥石膜，不同顆粒表面的綠泥石膜相互銜接起來，形成孔隙的綠泥石環(huán)邊。

第三階段為II型方解石膠結物發(fā)育階段。中成巖A期伊始，酸性流體隨油氣一起排入砂巖，在酸性流體作用下，II0型方解石膠結物發(fā)生原地溶解-沉淀反應轉化為II型方解石膠結物，同時在其表面沉淀富鈣質組分的綠泥石膜。

4 結 論

（1）鄂爾多斯盆地西南部長8砂巖的致密時間為早成巖A期，這是由方解石膠結物的形成時間決定的。

（2）方解石膠結物有兩種基本類型，I型為與碎屑顆粒直接接觸的浸染狀均勻分布的方解石膠結物，II型為暗色環(huán)帶包裹的方解石膠結物，其是由斑塊狀或星點狀散布的II0型方解石膠結物經溶解-沉淀反應轉化而來，暗色環(huán)帶為其表面的綠泥石膜遭受油氣浸染所致。

（3）方解石膠結物碳氧同位素和流體包裹體信息的應用要慎重，它們應服從于方解石膠結物的顯微結構特征。

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