楊永劍，張世華，楊映濤，朱 麗，閻麗妮，張 玲

（中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041）

碳酸鹽膠結作用是砂巖成巖過程中重要的成巖作用之一，通常也是砂巖致密化的重要因素之一[1]。致密砂巖廣泛分布于中國的多個含油氣盆地中[2]，因此對致密砂巖中碳酸鹽膠結物的研究至關重要。文獻［3］以川西豐谷地區(qū)須家河組須四段鈣屑砂巖為例，依據激光碳氧同位素分析等手段，探討了不同時期碳酸鹽膠結物發(fā)育特征及其成巖流體演化特征，并明確了“自產自銷”模式為其白云石膠結物呈較重碳氧同位素特征的主要原因。文獻［4］以鄂爾多斯盆地延長組長6段為例，依據其流體的來源與成巖期次的不同，將碳酸鹽膠結作用劃分為內源碳酸鹽膠結和外源碳酸鹽膠結2種類型。文獻［5］以查干凹陷下白堊統巴音戈壁組為例，依據碳酸鹽膠結物碳氧同位素特征，將其形成期次劃分為3期，并探討了其多期碳酸鹽膠結物的特征及成因機理，明確了Ⅱ期和Ⅲ期碳酸鹽膠結對儲集層發(fā)育的破壞性。文獻［6］依據碳酸鹽膠結物碳氧同位素等分析手段，明確了柴北緣鄂博梁構造帶古近系及新近系儲集層碳酸鹽膠結物至少存在有4種形成機制，與有機質脫羧作用有關的碳酸鹽膠結物稍晚于油氣充注，可作為油氣充注或運移的特征自生礦物。除此之外，文獻［7］—文獻［10］依據碳氧同位素特征，對不同地區(qū)儲集層碳酸鹽膠結物形成期次及其流體性質進行了研究，由此可見，碳氧同位素分析在碳酸鹽膠結作用的研究中顯得越來越重要，也是常見的手段之一。

川西坳陷中侏羅統沙溪廟組是川西地區(qū)天然氣主力產層之一，也是典型的致密砂巖儲集層。沙溪廟組儲集層廣泛發(fā)育碳酸鹽膠結物，是影響其儲集層發(fā)育的重要因素之一，其中龍門山前地區(qū)是川西坳陷沙溪廟組碳酸鹽膠結物最為發(fā)育的地區(qū)。針對該地區(qū)沙溪廟組碳酸鹽膠結作用的研究，是探討其儲集層致密化過程不可或缺的研究內容。依據薄片鏡下觀察、掃描電鏡分析、碳酸鹽碳氧同位素分析、電子探針分析等手段，本文對研究區(qū)碳酸鹽膠結物的發(fā)育特征及形成機制進行分析和探討，旨在明確其碳酸鹽膠結物形成時期及其流體特征，為其儲集層致密化過程分析提供理論支持。

1 地質背景

川西坳陷是龍門山推覆構造帶所形成的前陸盆地，位于四川盆地西部，中三疊世末期，印支運動引發(fā)了四川盆地西部龍門山造山帶的隆升，四川盆地逐漸由海相沉積轉為陸相沉積，進入侏羅紀后，盆地發(fā)育典型陸相沉積。研究區(qū)位于川西坳陷龍門山前構造帶中段，西臨龍門山斷裂帶，東接新場構造帶及成都凹陷，整個研究區(qū)位于關口斷層及彭縣斷層之間（圖1）。

研究區(qū)內侏羅系廣泛發(fā)育，自下而上依次為下侏羅統自流井組、中侏羅統千佛崖組和沙溪廟組、上侏羅統遂寧組及蓬萊鎮(zhèn)組。根據鉆井揭示，研究區(qū)內沙溪廟組厚度為700～800 m，為一套砂巖與泥巖的互層，且砂泥巖互層率高，非均質性強，局部區(qū)域發(fā)育有礫巖。研究區(qū)沙溪廟組為一套典型的近物源三角洲沉積，由于沉積區(qū)域靠近物源出山口，碎屑物質搬運距離較短，砂巖以成分成熟度較低的巖屑砂巖為主。根據薄片鑒定與統計，研究區(qū)沙溪廟組砂巖石英含量65.4%，長石3.5%，巖屑31.1%；其中74%的樣品為巖屑砂巖，次為巖屑石英砂巖。填隙物以方解石膠結物為主，其次是泥質雜基。

2 碳酸鹽膠結物賦存狀態(tài)

根據研究區(qū)沙溪廟組761個樣品薄片鑒定結果統計，方解石膠結物普遍發(fā)育，含量變化也較大，平均含量為12.1%，約65%的樣品方解石膠結物含量為5.0%～15.0%，近30%樣品方解石膠結物含量高于15.0%，最高可達44.0%，大量的膠結物充填是研究區(qū)儲集層致密化的重要因素之一。

圖1 研究區(qū)構造位置

根據薄片鑒定和掃描電鏡分析，研究區(qū)方解石膠結物主要為粒間膠結物，少量為交代物或次生孔隙內填充物，常以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現（圖2a），成分主要為方解石，含少量鐵方解石。通過鏡下觀察，在部分樣品中連晶方解石多呈亮晶狀產出（圖2b），在掃描電鏡下可以觀察到方解石晶形發(fā)育較好（圖2c，圖2d），發(fā)育部分細晶—微晶方解石膠結，少量樣品中碎屑顆粒呈漂浮狀的基底式膠結，這類方解石膠結物往往形成于成巖早期，在壓實作用進行初期就已經發(fā)生了方解石膠結作用。通過陰極發(fā)光分析（圖2e，圖2f），研究區(qū)沙溪廟組以兩期方解石膠結為主，一期方解石膠結發(fā)黃色—橙色光，另一期方解石發(fā)暗橙色光。

3 碳酸鹽膠結物碳氧同位素特征

本次研究共計采集龍門山前6口鉆井沙溪廟組碳酸鹽膠結物碳氧同位素樣品32個，在縱向上和平面上均覆蓋較完整，能較完整地代表研究區(qū)方解石膠結物的發(fā)育特征。通過測試分析，研究區(qū)沙溪廟組方解石膠結物δ13CPDB為-7.69‰～-2.13‰，平均為-4.34‰，δ18OPDB為-15.34‰～-9.60‰.通過分析（表1）研究區(qū)沙溪廟組中—上部（J2s2—J2s1）樣品δ13CPDB為-5.47‰～-2.13‰，普遍大于-4.00‰，平均為-3.67‰.根據自然界碳同位素分餾機理[11]，正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結物的δ13CPDB為-4.00‰～4.00‰，屬于無機碳源，表明其成巖流體受到有機質的脫羧基作用的影響較小，其流體性質更趨近于沉積水體。而沙溪廟組下部（J2s3）樣品δ13CPDB為-7.69‰～-3.60‰，普遍小于-4.00‰，平均為-5.58‰，表明其成巖流體受到有機質的脫羧基作用的影響，這可能與沙溪廟組下部更接近生烴層（自流井組、須家河組五段）更容易受到其有機質生烴演化的影響有關。

方解石形成時的溫度可以影響其氧同位素值，形成時的溫度越高，其水體氧同位素值越低，膠結物的氧同位素值也越小，兩者之間存在函數關系[12]：

式中α方解石-水=（1+δ18O方解石/1 000）/（1+δ18O水/1 000）；

δ18O方解石——實測方解石氧同位素值；

δ18O水——現代海水氧同位素值；

T——方解石沉淀溫度，℃.

根據上述公式，在碳酸鹽膠結物成巖演化序列研究的基礎上，對研究區(qū)方解石膠結物沉淀溫度進行了統計分析（表1）。研究區(qū)方解石膠結物形成溫度為56.1～101.3℃，其中90%的樣品計算溫度小于85.0℃，根據SY/T 5477—2003碎屑巖成巖階段的劃分，其對應成巖階段主要為早成巖階段，少量樣品為中成巖階段。表明研究區(qū)內碳酸鹽膠結作用主要發(fā)生在早成巖階段，對應的時期約為晚侏羅世—早白堊世。

圖2 研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結物發(fā)育特征

表1 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結物碳氧同位素分析

4 碳酸鹽膠結物FeO和MnO特征

本次研究共計采集研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結物電子探針樣品34件，共計測試分析點212個。通過鏡下觀察，結合該區(qū)方解石膠結物產狀，將方解石膠結物分為交代碎屑顆粒方解石、基底式方解石、連晶亮晶方解石及微晶方解石膠結物4種類型。

根據測試結果（圖3），基底式方解石膠結物及連晶亮晶方解石膠結物的FeO和MnO含量普遍偏低，基本小于1.0%，這類方解石通常形成于成巖作用早期，此時壓實作用剛剛開始，顆粒間孔隙較大，易于在孔隙中形成基底式方解石膠結與連晶亮晶方解石膠結，其成巖流體為原始沉積水體，受外部流體影響較小，表明沙溪廟組沉積期的沉積水體中Fe和Mn含量較低。

研究區(qū)交代方解石主要以交代長石顆粒為主，少量交代石英及巖屑顆粒，絕大多數交代長石顆粒的方解石FeO和MnO含量均小于1.0%，表明交代作用主要發(fā)生在早成巖階段，受后期深部富Fe和Mn流體的影響較小。

除此之外，有部分樣品FeO和MnO含量較高，這類方解石膠結物主要為少量交代碎屑顆粒方解石膠結物及微晶方解石膠結物，方解石膠結物中的FeO和MnO含量多數大于1.0%，高者MnO含量達3.5%，這類方解石的形成可能受到下部富Fe和Mn流體影響。

圖3 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結物FeO—MnO含量分布

根據以上分析結果，研究區(qū)早期形成的方解石膠結物中FeO和MnO含量普遍較低，表明其早期流體性質是低Fe和Mn的，而部分樣品中存在FeO和MnO含量較高的現象應該是受下部富Fe和Mn流體的影響，由此可知，研究區(qū)至少存在有兩期的方解石膠結。通過樣品統計來看，FeO和MnO含量大于1.0%的方解石膠結物約占測試點的14%，結合前文碳酸鹽碳氧同位素分析結果來看，研究區(qū)絕大多數方解石膠結物形成于早成巖階段。

方解石膠結物一般由顆粒邊緣向粒間孔隙內部生長，顆粒邊緣的方解石往往形成時期較早。但通過同一區(qū)域方解石膠結物電子探針分析來看，不同測試點的FeO和MnO含量存在有一定差異，無論是碎屑顆粒邊緣還是膠結物中央部分（圖4），都存在富FeO和MnO的現象。表明下部流體在儲集層中的運移通道可能主要是通過裂縫，而非殘留的孔隙喉道。晚期富Fe和Mn流體主要沿著晚期構造形成的裂縫流動，起始時期流體可能對早期方解石有一定的溶蝕作用，在部分樣品中也有觀察到方解石溶蝕的現象，隨著溶蝕作用的進行，流體中的Ca2+含量逐漸增高，當達到一定比例時，溶蝕作用逐漸減弱至停止，晚期方解石開始沉淀，形成了晚期富FeO和MnO的方解石膠結物。由于流體主要通過裂縫運移，可能在晚期富Fe和Mn流體影響下，在晚期方解石膠結物形成的同時，早期形成的方解石膠結物也在發(fā)生重結晶作用，造成了顆粒邊緣及膠結物中央部分均有富FeO和MnO的現象，以及少量連晶亮晶方解石及基底式方解石富FeO和MnO的現象。

圖4 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結物電子探針分析

5 碳酸鹽膠結物形成機制

通過對龍門山前沙溪廟組方解石膠結物微觀鏡下觀察、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、電子探針分析等綜合研究結果，研究區(qū)內方解石膠結物多為晶粒鑲嵌型及連晶狀，特別是在部分樣品中以顆粒漂浮于方解石膠結物的基底式膠結，這類膠結物通常在壓實作用初期時便已形成，方解石膠結作用先于壓實作用進行，表明此時的沉積水體中有著相對較豐富的Ca2+來源，在成巖作用早期的水體性質是偏堿性的。這可能與研究區(qū)處于龍門山前地區(qū)，河流流經龍門山，二疊系、三疊系碳酸鹽巖物源區(qū)能夠為水體提供大量的Ca2+，而且研究區(qū)屬于物源出山口的位置，以河流—三角洲沉積為主，水體相對較淺，此時富Ca2+水體尚未被大量稀釋，Ca2+含量相對較高，在富Ca2+的水體的影響下，研究區(qū)形成了大量的基底式及連晶狀方解石膠結。這可能也是川西坳陷沙溪廟組方解石膠結物在平面上自山前帶向東含量逐漸降低的主要原因。

隨著成巖作用的繼續(xù)進行，壓實作用逐漸加強，晶粒鑲嵌型的方解石膠結物開始沉淀，與此同時長石顆粒開始溶蝕，形成了方解石交代長石顆粒的現象。此時的流體性質仍然以孔隙殘留水體為主，總體是一個封閉的成巖環(huán)境，缺乏外界流體的干預，至早成巖階段晚期，方解石膠結物在孔隙內大量沉淀，使儲集空間損失殆盡，這也是造成研究區(qū)沙溪廟組儲集層致密化（平均孔隙度為4.85%，平均滲透率為0.188 mD）的主要因素之一。其中沙溪廟組下部由于受到下伏地層（自流井組、須家河組五段）烴源巖演化過程中有機質的脫羧基作用的影響，δ13CPDB相對偏負（-7.69‰～-3.60‰，平均為-5.58‰）。

在成巖作用中—后期，構造斷裂開啟，沿著構造斷裂及破裂縫溝，下部流體對早期方解石有一定的溶解性，導致了部分早期方解石的溶蝕，但是隨著溶蝕作用的進行，流體中的Ca2+含量逐漸增大，晚期方解石開始沉淀。從電子探針分析來看，下部流體富含Fe和Mn，這也導致了晚期沉淀的方解石FeO和MnO含量較高。而且在晚期方解石沉淀的同時，受下部流體的影響，同時早期形成的方解石膠結物也在發(fā)生重結晶作用，造成了顆粒邊緣及膠結物中央部分均有富FeO和MnO的現象。即使是早期的碳酸鹽發(fā)生重結晶作用，如果缺乏有效的溝通通道，下部富Fe和Mn流體對早期方解石重結晶的影響仍然較弱，因此在絕大多數連晶亮晶方解石中FeO和MnO含量均較低。

研究區(qū)方解石的溶蝕強度并不大，這可能由于前期方解石大量充填了孔隙，導致后期流體缺乏溝通通道，僅靠后期構造坡裂縫，對早期的方解石溶蝕有限；另一方面，可能是下部流體總體上呈弱酸性，且流體中原有Ca2+含量也相對較高，隨著方解石溶蝕作用的進行，Ca2+含量很快便達到了過飽和狀態(tài)，開始沉淀晚期方解石。

6 結論

（1）研究區(qū)侏羅系沙溪廟組砂巖中碳酸鹽膠結物主要以方解石膠結物為主，少量含鐵，多以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現，平均含量12.1%，主要形成于早成巖階段，對應的成巖溫度為55～85℃，地質時期為晚侏羅世—早白堊世，此外有少量方解石形成于中成巖階段。

（2）早成巖階段流體主要為沉積水體，缺乏外來流體參與，總體上δ13CPDB相對偏正（-7.69‰～-2.13‰，平均為-4.34‰），其中沙溪廟組中上部δ13CPDB相對偏正（-5.47‰～-2.13‰，平均為-3.67‰），沙溪廟組下部由于受到下伏地層（自流井組、須家河組五段）烴源巖演化過程中有機質的脫羧基作用的影響，δ13CPDB相對偏負（-7.69‰～-3.60‰，平均為-5.58‰）。

（3）在埋藏中晚期，隨著斷裂的發(fā)育，下部富Fe和Mn流體通過斷層溝通進入到沙溪廟組砂巖孔隙中，不僅造成了晚期富FeO和MnO方解石的沉淀，同時也通過重結晶作用影響到早期形成的方解石膠結物，這也是部分早期特征方解石富FeO和MnO的主要原因。但是由于早期方解石膠結非常發(fā)育，使孔隙基本損失殆盡，提供給富Fe和Mn流體的溝通通道相對不足，晚期流體對研究區(qū)早期方解石的影響較弱。