鄂爾多斯盆地黃陵地區深水砂巖中碳酸鹽膠結物特征、成因及分布規律

劉桂珍，時曉章，趙永剛

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065；3.宜賓學院 資源與環境工程學院，四川 宜賓 644000)

0 引 言

碳酸鹽膠結是碎屑巖儲層中最普遍的一種膠結，具有分布廣泛、多期形成和成因復雜等特點[1-3]。碳酸鹽膠結主要由方解石、白云石、鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦等礦物組成，其成因受到原始沉積條件和后期成巖流體的共同控制[4]，碳酸鹽膠結尤其在湖盆致密砂巖中廣泛分布，嚴重制約和影響著儲層質量，成為控制致密砂巖儲層質量的一個重要因素[5-8]。

碳酸鹽膠結物數量和形成時間對儲層質量起決定性因素。當碳酸鹽膠結小于一定數量，且在成巖早期階段沉淀，其碳酸鹽膠結對儲層起建設性的作用，壓實作用前早期碳酸鹽膠結物能夠抵抗一部分壓實作用，起到保護儲層原始孔隙的作用，而且后期碳酸鹽膠結物溶蝕可提供一定的次生孔隙空間。但是當碳酸鹽含量大于一定數量時，對儲層主要起破壞性作用，尤其對致密砂巖儲層，效果更加明顯。主要表現在：當砂巖中碳酸鹽膠結物其含量大于20%時，砂巖致密膠結，基本不發育孔隙，為無效儲層，此時稱為鈣質膠結砂巖，鈣質膠結層阻礙油氣分布及流體流動，成為油氣運移的隔擋層[9-10]；鈣質膠結層的存在對儲層在后期構造應力作用下所形成天然裂縫的形成分布具有控制作用，鈣質膠結致密砂巖具有較高的脆性指數，相同的構造應力下，鈣質層中構造裂縫發育[11]。

鄂爾多斯盆地三疊系延長組屬于典型的低孔、低滲儲集層，碳酸鹽膠結不僅在湖盆三角洲沉積儲層中廣泛分布[12-13]，在湖盆重力流成因的砂體中也普遍發育，尤其在鄂爾多斯盆地華池[14]、黃陵地區，成為影響儲層質量的主要因素。已有研究多關注河流-三角洲成因砂體中碳酸鹽膠結物的成因機理、形成演化及對儲層質量影響[12-13，15]，然而對湖盆深水重力流成因砂體內碳酸鹽膠結的成因、分布規律及控制因素不清楚。黃陵地區在長6期重力流成因砂體發育，且經歷了復雜的成巖演化，碳酸鹽膠結物含量高，且分布規律不明確，嚴重制約著油氣有效勘探開發，因此急需明確重力流儲層中碳酸鹽膠結物特征、成因和分布規律，預測優質儲層分布。文中利用巖心資料，分析化驗資料、薄片資料和測井資料分析碳酸鹽膠結物特征、成因及分布規律，揭示致密砂巖儲層內部非均質性，為湖盆深水砂巖中儲層的預測提供一定的借鑒作用，為儲層“甜點區”預測及致密油勘探開發提供地質依據。

1 地質概況

黃陵地區位于鄂爾多斯盆地東南部，區域構造位于伊陜斜坡中部。晚三疊世鄂爾多斯盆地處于內陸坳陷階段，沉積了一套河流-三角洲-湖泊沉積(圖1(a))[16]。延長組從上到下劃分為10個油層組(長1～長10)。延長組沉積時期經歷了湖盆的整個發展階段，從湖盆形成(長10～長9)、擴張(長8～長7)、萎縮(長6～長4+5)、到消亡(長3～長1)的全部過程(圖1(b))[17]。在此期間湖盆經歷了多期次湖水進退變化，長6期是湖盆達到鼎盛時期后的湖水下降期，在黃陵地區延長組長6段為湖盆重力流沉積(圖1(a))。研究區長6地層厚度110～135 m，埋藏深度400～620 m。

圖1 鄂爾多斯盆地延長組長6段沉積特征Fig.1 Sedimentary characteristics of Chang 6 member for Yanchang Formation in the Ordos Basin

黃陵地區長6期重力流沉積發育[18]，在相標志和區域沉積背景分析的基礎上，主要識別出砂質碎屑流與濁流沉積。砂質碎屑流沉積砂體具有砂層厚，連續性好，泥質含量低。而濁流沉積砂體具有砂層薄，連續性差等特征。根據礦物組合特征和前人研究成果，研究區長6物源來自盆地東北部皺褶隆起造山帶[19]。

長6段砂巖主要為灰色長石砂巖(圖2(a))，巖屑以變質巖巖屑及中酸性巖漿巖巖屑為主。主要膠結物為碳酸鹽膠結(方解石和白云石)、黏土礦物(綠泥石和伊利石)、硅質膠結(圖2(b))，其中碳酸鹽占膠結物含量的70%以上。砂巖以細砂巖和極細砂巖為主，分選中等-好，磨圓以次棱角-次圓為主。

長6儲層孔隙度為4.8%～16.0%，平均孔隙度10.5%，滲透率(0.042～1.5)×10-3μm2，平均滲透率為0.158×10-3μm2，為典型致密砂巖儲層。其經歷了多樣的成巖作用和復雜成巖演化。顆粒間以線和凹凸接觸為主。孔隙類型主要為殘余粒間孔和粒內溶孔。

2 碳酸鹽膠結物特征及成因

2.1 碳酸鹽膠結物微觀特征

黃陵地區長6儲層中含有大量碳酸鹽膠結物，含量從0～25%均有分布。根據礦物學特征，研究區碳酸鹽膠結物具有多期性和多樣性特征，其碳酸鹽膠結物主要以方解石、含鐵方解石、白云石和鐵白云石組成，分別劃分為早期方解石、白云石膠結和中期鐵方解石膠結和晚期鐵白云石膠結。

1)早期碳酸鹽膠結物：研究區長6碳酸鹽膠結物早期主要有方解石、白云石。方解石的含量占巖石總含量的0.3%～23.8%，平均為15.4%(表1)。產出狀態分為2類，第1類方解石呈微晶，孔隙充填式膠結；第2類方解石呈鑲嵌、連晶基底式膠結(圖3(a)，圖3(b)，圖3(c)，圖3(d))，碎屑顆粒呈“漂浮”狀。從產出的狀態和分布樣式，早期碳酸鹽形成早于機械壓實作用之前。

圖2 長6油層組巖石礦物組分Fig.2 Sand composition of the Chang 6 member

表1 黃陵地區長6油層組砂巖的X衍射分析結果

2)中期碳酸鹽膠結物：中期碳酸鹽膠結物主要是鐵方解石，占巖石總含量為1%～6%，平均為4%。顆粒干凈粗大，晶型較好，充填于孔隙中，并常見交代長石、巖屑(圖3(e)，圖3(f)，圖3(g))，根據產狀形成于長石溶蝕之后。

3)晚期碳酸鹽膠結物主要為鐵白云石，占巖石總含量為1.2%～9.2%，平均為5.6%。白云石晶體晶型好，干凈，充填于孔隙中(圖3(h)，圖3(i))。

2.2 成因分析

近年來，碳酸鹽膠結物來源引起了學者們的關注[20]。根據碳酸鹽膠結作用中流體來源于砂體之內和之外，劃分為內源和外源成因[13，21]。然而，根據礦物巖石學特征，碳酸鹽膠結物的形成具有多期性和階段性，其形成貫穿于整個沉積成巖中，在成巖演化階段，其碳源和鈣源都有可能存在外源補充。

圖3 黃陵地區延長組碳酸鹽膠結物微觀特征Fig.3 Micro-characteristics of carbonate cements of Yanchang Formation in Huangling area

鈣源來源也可以劃分為2部分，一部分為壓實過程中泥巖釋放的Ca2+，Mg2+和黏土礦物轉化過程中釋放的Ca2+，Mg2+，Fe2+等離子，屬于外源成因。另外一部分為內源成因，砂巖中長石顆粒溶蝕，碳酸鹽巖屑后溶解再沉淀和鋁硅酸鹽水化作用等。成巖過程中碳酸鹽沉淀是內源和外源綜合作用的過程和結果。研究區，根據外觀特征，碳酸鹽膠結物劃分為3期，主要為方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石等。方解石和白云石膠結屬于成巖作用早期或同生作用時期，碎屑顆粒常“漂浮”在膠結物中，呈現基底式膠結，為早期大氣淡水作用保存在孔隙中的水過飽和沉淀，為內源成因，前人認為鄂爾多斯盆地深水砂巖中存在大氣淡水的溶蝕作用也證實了這點[22]。而鐵方解石和鐵白云石膠結主要為外源和內源綜合成因，在成巖的過程中，鈣離子主要來自于長石的溶解、黏土礦物的轉化提供。而其碳源主要為有機酸，來源于砂體以外富含有機質的暗色泥巖熱演化成熟的有機酸，屬于外源流體。

X衍射定量分析顯示(表1)，碳酸鹽膠結含量大于20%的砂巖中，斜長石的含量為25.4%～31.7%，小于斜長石的平均含量33.2%，鉀長石的含量基本持平。這說明碳酸鹽膠結物沉淀同時與斜長石的溶解有一定的關系。

3 碳酸鹽膠結物分布及控制因素

根據碳酸鹽的含量，將碳酸鹽膠結物含量大于20%為碳酸鹽膠結層或鈣質砂巖，此類砂巖，孔隙度小于5%，面孔率小于0.8%。把碳酸鹽膠結物含量10%～20%為含碳酸鹽膠結的砂巖，此類砂巖孔隙度小于5%～8%，面孔率小于1.2%。

3.1 分布規律

3.1.1 巖心分布

鈣質膠結砂巖在巖心上極易識別，顏色有差異，比較淺，比重比較大，滴稀鹽酸強烈起泡。通過對5口井的巖心觀察，鈣質膠結層一般厚度約20 cm～1 m(圖4)，主要分布在砂巖與深湖泥巖相接觸段。從顯微鏡下觀察，鈣質膠結層多為方解石膠結和交代，這與四川盆地須家河組須二段和須四段砂巖中鈣質膠結層特征相似[9]。

根據薄片標定巖心，巖性標定測井，在測井顯示上，鈣質膠結層自然伽瑪值低于滲透性砂巖，一般介于30～55 API，聲波時差低于滲透性砂巖，一般小于220 us/m，呈尖峰狀，微梯度、微電位顯示高電阻尖子(圖4)和高密度等特征。

圖4 黃陵地區長6段S205井鈣質砂巖在測井、取心段及薄片顯示 Fig.4 Well logging，core intervals and thin sections of calcareous sandstones of Chang 6 member in well S205 of Huangling area

3.1.2 單井上分布

鈣質膠結層在單井上的分布可歸納為砂體底部、砂體頂部和厚層砂體中部3種形式，其中根據砂體成因，鈣質砂巖一般發育在濁流沉積砂體的頂部，而在砂質碎屑流的成因砂體底部和中部(圖5)。

3.1.3 聯井剖面

聯井剖面顯示，鈣質層分布在薄層砂巖中延伸較短，在厚層砂巖中延伸較長，尤其厚層砂巖底部鈣質層延伸較遠，一般300～500 m以上，但厚層砂體內部鈣質膠結層具有隨機性，延伸較短(圖6)。

3.2 分布控制因素

碳酸鹽膠結是碎屑巖中分布最廣泛的膠結物，鈣質砂巖分布受沉積相的控制，主要分布在河流、三角洲、濁積扇相帶中砂體厚度較大、原生孔隙發育的部位[23]。砂巖附近的湖相泥巖對砂巖中的碳酸鹽膠結物具有控制作用，碳酸鹽膠結物在砂泥巖界面處發育[21，24]。此外，湖盆中碳酸鹽膠結物的形成與基準面旋回、埋深、構造位置等因素也有一定的相關性[25-26]。

根據對研究區碳酸鹽膠結物分布規律分析，主要受沉積作用及成巖作用控制。

3.2.1 沉積作用

1)基準面旋回。鄂爾多斯盆地上三疊統延長組湖盆經歷了3次比較大的基準面升降，形成以長9李家畔油頁巖、長7張家灘油頁巖和長4+5泥巖為標志的三期大規模湖侵。長61底為三級層序界面，長7上部一長62為三級基準面下降半旋回[26]。通過統計分析長6段鈣質層分布密度，在長61油層中，平均0.13條/m，長62～長64油層中，平均0.27條/m，鈣質層在下降半旋回中較上升半旋回發育(圖7)。主要原因為基準面下降階段，其蒸發作用主要發生在湖(海)平面持續下降期，氣候干旱，蒸發作用較強，易形成含鈣化合物沉淀[20]。長6時期鄂爾多斯盆地屬于半咸水的沉積環境[27]，有利于鈣質膠結沉淀。

圖5 黃陵地區長6段砂巖中鈣質層垂向分布樣式Fig.5 Vertical disstribution patterns of calcareous sandstones layers of Chang 6 member in Huangling area

圖6 延長組長6段砂巖中鈣質層分布特征Fig.6 Distribution of calcareous sandstones layers of Chang 6 reservoir in Huangling area

2)砂巖與深湖泥巖組合。從巖心觀察，與深湖相泥巖相接觸的砂巖鈣質層更發育(圖7)，分析其原因，在壓實作用過程中，泥巖更易于壓實，隨著泥巖壓實作用的增強，富含碳酸氫鈣孔隙水釋放并潛入與泥巖相接觸的砂巖中，并在一定物理化學條件下，使含鈣化合物沉淀并大量富集[20]，因此在砂體頂、底鈣質層發育。根據研究區深水重力流成因砂體中鈣質層分布，濁流成因的砂體中，鈣質層一般分布在砂體頂面，砂質碎屑流沉積砂體中，鈣質層發育在砂體中部和底部。分析可能原因是研究區濁流沉積多數為薄層濁積扇砂體，頂部砂巖滲透性較好，易于流體流動且與深湖泥巖接觸，容易形成頂部鈣質層。砂質碎屑流成因的砂體厚，多為塊狀砂巖，緊鄰深水泥頁巖，厚層泥頁巖成巖熱演化中釋放大量高濃度碳酸鹽流體，隨著地層壓力的下降也加速了其擴散，當其擴散至相鄰砂體時，易沿著構型界面進入砂體發生沉淀[28]。同時，砂體中部長石溶孔較為發育，長石溶蝕越劇烈，釋放礦物離子越多，擴散能力越強，其在砂體界面較粗位置易形成鈣質層且厚度大[29]，因此一般在砂體中部和底部形成鈣質層。

圖7 黃陵地區長6段基準面旋回內鈣質層分布Fig.7 Distribution of carbonate-cemented layers in different base-level cycles sandstone of Chang 6 member in Huangling area

3.2.2 成巖作用

成巖作用是影響儲層非均質性的一個重要原因[30-31]，砂巖埋藏后發生的一系列成巖作用對儲層非均質性的影響極為顯著，包括成巖作用類型和強度及時間加大了原始沉積作用造成的非均質性[32]，由于成巖作用造成的厚層砂巖內膠結物分布不均對儲層物性也有明顯的影響[33-34]。成巖演化順序差異形成儲層質量差異[35-36]，造成含油氣性差異。研究區長6段發育碳酸鹽膠結的致密砂巖，是影響儲層非均質性的主要原因。

根據巖石薄片顯微鏡下自生礦物的類型、產狀及其相互關系與形成序列，孔隙類型及其分布特征等微觀特征的分析，結合前人的盆地熱演化史和埋藏史，建立研究區成巖演化順序為綠泥石膜-早期方解石膠結-機械壓實-溶蝕作用-次生石英+石英次生加大-溶蝕作用-綠泥石-中期鐵方解石膠結-晚期鐵白云石膠結-溶蝕作用。根據礦物的組合特征、鏡質體反射率及伊蒙混層比，表明研究區儲層處于中成巖A期(圖8)。

研究區致密砂巖是被碳酸鹽膠結致密且很少遭受溶蝕的砂巖，從成巖演化順序看，早期的方解石膠結占據有大量的原生孔隙，呈孔隙到基底式膠結，使砂巖快速致密；在第1期烴類充注前已經致密，沒有足夠的空間使得烴類充注和流動，因而即使有較少的長石礦物溶解，同樣在原地形成鐵方解石和鐵白云石沉淀。因此碳酸鹽砂巖經歷的成巖作用相對簡單，其成巖演化序列為：綠泥石膜-早期方解石膠結-機械壓實-烴類充注-溶蝕作用-鐵方解石-烴類充注-溶蝕作用-鐵白云石。因此成巖早期方解石膠結是鈣質層形成的主要原因，后期中成巖階段鐵方解石和鐵白云石膠結進一步疊加使儲層致密。

圖8 鄂爾多斯盆地南部黃陵地區埋藏史和成巖序列Fig.8 Burial history and diagenesis evoulation history of triassic Yanchang Formation in Huangling area

4 結 論

1)長6層中碳酸鹽膠結主要類型有方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石，有三期成因，早期主要為方解石和白云石膠結。主要成因為內源成因，中期和晚期主要為外源和內源共同作用的結果。

2)砂巖中鈣質層的分布主要有3種形式：砂體的頂部、底部和中部，其砂體頂部和底部鈣質層延伸較遠，中部鈣質層延伸距離短，且規模小。頂部鈣質層主要分布在濁流成因砂體中，而底部和中部鈣質層主要分布在砂質碎屑流成因砂體中。

3)砂巖中鈣質層分布明顯受沉積和成巖作用控制。鈣質層在基準面下降半旋回發育密度高于基準面上升半旋回，與深湖相泥巖相匹配的砂巖易于形成鈣質層，差異成巖演化影響著鈣質層分布。