沈 健

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司錄井公司，北京 100001）

0 引言

碳酸鹽膠結(jié)物是碎屑巖中常見的自生礦物之一，對砂巖儲層的儲集空間具有重要影響。我國砂巖儲層中常見的碳酸鹽膠結(jié)物包括方解石、鐵方解石、白云石、鐵白云石、菱鐵礦及菱鎂礦等［1-2］。碳酸鹽膠結(jié)物物質(zhì)來源多樣，沉積水、外來孔隙流體以及碎屑組分的蝕變產(chǎn)物在成巖過程中均可作為碳酸鹽膠結(jié)的物質(zhì)來源［3-4］。自生碳酸鹽礦物對砂巖儲層物性存在雙重影響：一方面作為膠結(jié)物充填粒間孔隙，導(dǎo)致孔隙度減?。?-7］；另一方面，早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物可使砂巖具有較強(qiáng)的抗壓實作用，也是后期溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕之后易形成次生孔隙［8-10］。自生碳酸鹽礦物對常規(guī)砂巖儲層的影響主要為充填孔隙，可降低孔隙度［11-13］，而對于低孔滲的致密儲層，碳酸鹽膠結(jié)物不僅占據(jù)儲集空間，而且還會明顯降低孔隙之間的連通性，巖石中晚期碳酸鹽膠結(jié)物的含量越高，致密砂巖可動流體孔隙度越低［14］。致密儲層往往需要體積壓裂才能獲得較好的開發(fā)效果，孔隙發(fā)育程度及其連通性是影響開發(fā)效果的重要因素［15］。因此，關(guān)于致密砂巖儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育特征及其控制因素的研究對有利儲層預(yù)測和開發(fā)方案的制定均具有重要意義。

鄂爾多斯盆地延長組長6+7 油層組是致密儲層發(fā)育的主要層段，碳酸鹽膠結(jié)物廣泛發(fā)育，多為晚期成因，不同地區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)物在類型和含量上均存在明顯差異［2，15］，目前對研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物平面分布的控制因素研究較少，通過選取不同物源沉積區(qū)的砂巖樣品，系統(tǒng)分析致密砂巖儲層碳酸鹽膠結(jié)物特征、形成機(jī)理以及平面分布差異性等，以期預(yù)測鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)有利儲層的分布。

1 地質(zhì)背景

圖1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)地理位置（a）和物源區(qū)帶劃分（b）Fig.1 Geographical location（a）and source zone division（b）of Longdong area in Ordos Basin

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，面積約為37萬km2，西南部的隴東地區(qū)是致密油勘探的熱點地區(qū)，在此發(fā)現(xiàn)了我國首個“億噸級”儲量規(guī)模的大型致密油田——新安邊油田（圖1）。上三疊統(tǒng)延長組可劃分為10 個油層組，自上而下依次為長1—長10。延長組沉積期經(jīng)歷了湖盆形成、發(fā)展和消亡的演化過程，長7 油層組沉積時期，為湖盆范圍最廣、水體最深的時期，深湖、半深湖亞相沉積廣泛分布，沉積了一套黑色泥頁巖，是鄂爾多斯盆地中生代最重要的烴源巖［17-18］，致密儲層主要為和該套半深湖—深湖亞相泥頁巖互層的三角洲前緣砂巖和重力流砂巖［19-20］，巖石類型以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主［21］，根據(jù)重礦物和輕礦物在平面上的分布特征可劃分出東北、西南、西部、南部以及中部等5 個物源沉積區(qū)（圖1），其中西南部的秦嶺地區(qū)和東北部的陰山造山帶均是主要的沉積物供給區(qū)［22］。

2 巖石學(xué)特征

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組長6+7 油層組主要發(fā)育長石砂巖、巖屑長石砂巖和部分長石巖屑砂巖等。薄片鑒定結(jié)果顯示，石英含量較低，體積分?jǐn)?shù)平均為33.6%，長石體積分?jǐn)?shù)平均為27.7%，巖屑體積分?jǐn)?shù)平均為18.1%，巖屑類型以變質(zhì)巖巖屑為主，其次為沉積巖巖屑，含少量巖漿巖巖屑，填隙物中雜基的體積分?jǐn)?shù)平均為9.5%，高于膠結(jié)物（體積分?jǐn)?shù)平均為5.8%）。西南、南部和西部物源沉積區(qū)以石英含量高，長石、巖屑含量低為特征，主要發(fā)育長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，石英體積分?jǐn)?shù)平均為34.1%～41.3%，長石含量較低，體積分?jǐn)?shù)多為18.4%～25.4%，巖屑含量高于東北物源沉積區(qū)，體積分?jǐn)?shù)平均為17.1%～24.9%，其中白云巖巖屑明顯高于東北物源沉積區(qū)，填隙物中雜基含量高于東北物源沉積區(qū)，膠結(jié)物含量低于東北物源沉積區(qū)。平面上，東北物源沉積區(qū)的云母和長石的含量高于西南物源沉積區(qū)，而中部地區(qū)因受混源影響，各種組分的含量介于東北、西南物源沉積區(qū)之間（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7 油層組致密砂巖的礦物組成Table 1 Mineral composition of Chang 7 tight sandstone in Longdong area，Ordos Basin

3 碳酸鹽膠結(jié)物特征

3.1 碳酸鹽膠結(jié)物類型及含量

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7 油層組致密油砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物普遍發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)為0～40%，平均為4.2%，膠結(jié)類型以含鐵方解石和含鐵白云石為主（圖2），少量為方解石、白云石膠結(jié)。鐵方解石染色薄片下呈紫紅色，體積分?jǐn)?shù)平均為1.9%，鐵白云石染色薄片下呈藍(lán)色，體積分?jǐn)?shù)平均為2.1%，此外還有少量方解石，體積分?jǐn)?shù)平均為0.2%，以及極少量的白云石膠結(jié)。

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物在平面上表現(xiàn)為鐵方解石在東北、中部混積區(qū)發(fā)育程度明顯高于西部、西南和南部物源沉積區(qū)（表2）。其中東北物源沉積區(qū)體積分?jǐn)?shù)平均為3.7%，西部、西南和南部物源沉積區(qū)體積分?jǐn)?shù)分別為1.4%，1.5%和1.4%。鐵白云石膠結(jié)物平面分布特征與鐵方解石相反，平面上主要發(fā)育于西部、西南和南部物源沉積區(qū)，以慶陽—環(huán)縣一帶最為發(fā)育，東北和中部混積區(qū)發(fā)育程度低。其中長7 油層組西部、西南及南部物源沉積區(qū)平均體積分?jǐn)?shù)分別為1.9%，2.4% 和2.4%，東北物源沉積區(qū)體積分?jǐn)?shù)平均為0.3%。

據(jù)已有資料統(tǒng)計，縱向上，延長組長3—長9 油層組的膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)平均為4.5%～9.2%，其中長9 油層組膠結(jié)物最為發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)平均為9.2%，長7 油層組總膠結(jié)物含量最低，體積分?jǐn)?shù)平均為4.5%，不同層段的膠結(jié)物含量差異明顯（圖3）。各層段的碳酸鹽膠結(jié)物含量則較為接近，除長9 油層組體積分?jǐn)?shù)為2.2%外，其他層段體積分?jǐn)?shù)平均為2.9%～3.5%，并未有明顯差異。

圖2 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7 油層組鐵方解石和鐵白云石電鏡特征及其膠結(jié)物典型能譜特征（a）鐵方解石膠結(jié)物電鏡特征，H191 井，1 952.1 m；（b）鐵白云石膠結(jié)物電鏡特征，B12 井，1 836.2 m；（c）鐵方解石膠結(jié)物能譜特征，位置見（a）；（d）鐵白云石膠結(jié)物能譜特征，位置見（b）Fig.2 Characteristics of SEM and typical energy spectrum of ferrocalcite and ankerite cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

表2 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7 油層組碳酸鹽膠結(jié)物含量Table 2 Carbonate cement content of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組各油層組總膠結(jié)物及碳酸鹽膠結(jié)物含量［15，23-24］Fig.3 Content of total cements and carbonate cements of each member of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin

3.2 碳酸鹽膠結(jié)產(chǎn)狀及期次

薄片分析顯示，研究區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)發(fā)生于各個成巖階段，但不同階段碳酸鹽膠結(jié)物的類型、含量和產(chǎn)狀均存在一定差異：早期的碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石，含量低，常以交代顆粒或基底式膠結(jié)形式出現(xiàn)［圖4（a）］，該時期壓實作用較弱，顆粒接觸不緊密。晚期鐵方解石膠結(jié)物常以孔隙式膠結(jié)形式出現(xiàn)［圖4（b）］，也可附著于被方解石部分交代的顆粒邊緣生長或直接交代顆粒［圖4（c）］。早期白云石膠結(jié)物常以菱形自形晶、半自形晶產(chǎn)出于孔隙中［圖4（d）］，而鐵白云石膠結(jié)物既可呈加大邊形式沿著白云巖巖屑或早期白云石膠結(jié)物邊緣生長［圖4（d）—（e）］，也可呈自形晶充填于粒間孔和顆粒溶孔中［圖4（f）］。整體上，方解石膠結(jié)物形成于成巖早期，鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物形成時間較晚，多發(fā)生于溶蝕作用之后。

3.3 流體包裹體特征

圖4 隴東地區(qū)長7 油層組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的微觀特征（a）早期方解石基底式膠結(jié)，Z191 井，1 500.2 m；（b）晚期鐵方解石孔隙式膠結(jié)，紫紅色，H191 井，1 952.1 m；（c）粒間晚期鐵方解石膠結(jié)，包裹體均一溫度為113 ℃，Z191 井，1 504.0 m；（d）具有鐵白云石加大邊的早期白云石膠結(jié)物，富含包裹體，均一溫度為87 ℃，X233 井，1 979.2 m；（e）鐵白云石以加大邊和孔隙充填形式膠結(jié)，B12 井，1 836.2 m；（f）粒間晚期鐵白云石膠結(jié)物，L17 井，1 769.2 mFig.4 Microscopic characteristics of carbonate cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

利用LINKAM THMS600 型冷熱臺對15 個致密油砂巖樣品的碳酸鹽膠結(jié)物包裹體進(jìn)行分析，累計測點143 個。結(jié)果表明，碳酸鹽膠結(jié)物中發(fā)育豐富的流體包裹體。主要呈成群、成線/帶狀分布，類型包括氣液烴包裹體、含烴鹽水包裹體和液烴包裹體，形態(tài)較規(guī)則，大小為：（1 μm×3 μm）—（10 μm×12 μm），氣液比小于5 %。液烴包裹體占20% 左右，氣液烴包裹體占80%左右。包裹體中的液烴呈淡黃色、淺黃色、淺褐黃色，顯示強(qiáng)淺黃色、淺黃白及淺藍(lán)色熒光，氣烴呈灰色，液烴光學(xué)特征顯示包裹體的捕獲處于中高成熟油階段，即膠結(jié)物的形成時間較晚。含烴鹽水包裹體均一溫度分布于87～126 ℃，峰值為101～110 ℃（圖5）。結(jié)合碳酸鹽膠結(jié)物的產(chǎn)狀，研究區(qū)致密儲層中碳酸鹽膠結(jié)物形成時代較晚，為晚期成巖作用的產(chǎn)物。

圖5 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7 油層組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物均一溫度分布Fig.5 Homogenization temperature distribution of carbonate cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

4 碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育控制因素

4.1 鈣離子來源

成巖過程中，自生碳酸鹽膠結(jié)物形成時所需的鈣離子可以通過多種途徑獲得：砂巖孔隙原始沉積水、長石溶解、黏土礦物轉(zhuǎn)化、鋁硅酸鹽礦物的水化作用、碳酸鹽巖巖屑的溶解再沉淀作用、相鄰泥巖富鈣的排出水等。長7 油層組沉積時期，沉積水體偏淡水環(huán)境［25］，水體鹽度較低，因此原始沉積水對鈣離子的貢獻(xiàn)較低。鏡下觀察顯示，長7 油層組致密砂巖長石礦物溶解普遍，同時富含黏土和云母礦物，可為晚期碳酸鹽沉淀提供所需的鈣離子。

長7 油層組水礦化度總體較高，屬于鹽水—鹵水地層水類型［26］，反映了致密砂巖中孔隙系統(tǒng)較為封閉，流體交換緩慢困難，隨著成巖作用進(jìn)行孔隙水不斷濃縮，也促進(jìn)了碳酸鹽的沉淀。造成孔隙系統(tǒng)較封閉的主要原因包括：①長7 油層組粒度細(xì)，塑性組分含量高，在沉積之后快速埋藏過程中，容易被壓實形成極細(xì)的孔喉［22，27］，導(dǎo)致孔隙流體鈣離子、鋁離子等金屬陽離子和CO32-，SiO44-等陰離子排出困難。②致密油砂巖黏土含量普遍較高，在壓實過程中，黏土半滲透膜效應(yīng)使得粒徑較大的鈣離子很難隨粒徑小的水分子排出，因此成巖過程中，孔隙流體礦化度不斷增加，鈣離子不斷沉淀。巖石學(xué)統(tǒng)計顯示，研究區(qū)延長組中長7 油層組黏土礦物最為發(fā)育，高黏土含量是長7 油層組晚期碳酸鹽膠結(jié)的原因之一。

4.2 鐵、鎂離子來源

致密油砂巖中，碳酸鹽礦物主要為晚期的鐵方解石和鐵白云石，因此鐵和鎂來源至關(guān)重要。由于大部分的含鐵碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)階段較晚，此時致密油砂巖已經(jīng)較為致密，很難出現(xiàn)大規(guī)?；钴S的孔隙流體交換，因此鐵、鎂離子可能來源于砂巖內(nèi)部。從礦物化學(xué)組成來看，鐵、鎂離子來源可能包括以下3 個方面。

（1）云母類礦物，長7 油層組云母含量豐富，在延長組各個層段均含量較高，云母蝕變可釋放大量鐵、鎂離子。以黑云母為例，其化學(xué)式為K（Mg，F(xiàn)e）3［AlSi3O10］（HO，F(xiàn)）2，在成巖過程中容易發(fā)生水化蝕變作用形成蛭石、蒙脫石、黏土礦物等多種礦物，蝕變過程中可釋放出鉀、鐵、鎂等離子［28-29］。

（2）凝灰質(zhì)蝕變，除了云母類礦物外，凝灰質(zhì)蒙脫石化蝕變以及黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化也是重要的鐵、鎂離子來源。秦嶺地區(qū)印支運動中期在長7 油層組沉積期表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，導(dǎo)致大量凝灰物質(zhì)沉淀，凝灰?guī)r夾層主要分布于湖盆中央地區(qū)，厚度一般為0.1～10.0 cm，局部可達(dá)1～2 m。長7 砂巖中殘余凝灰質(zhì)在延長組中也最為發(fā)育（表3）［30］，大量凝灰物質(zhì)的沉淀對后期成巖環(huán)境具有明顯的改造作用［31］。凝灰質(zhì)向蒙皂石以及蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化均會釋放鐵、鎂離子（式3）［32］，促進(jìn)含鐵碳酸鹽的沉淀。

表3 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組黏土礦物和凝灰質(zhì)含量（15，23-24，27）Table 3 Clay mineral and tuffaceous components content of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin

（3）白云巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑溶蝕轉(zhuǎn)化。白云巖巖屑在西南、南部以及西部沉積區(qū)普遍發(fā)育，變質(zhì)巖巖屑在研究區(qū)均有分布，在成巖過程中，受到有機(jī)酸影響，這類巖屑發(fā)生溶蝕作用也可釋放一定的鐵、鎂離子［2］，為后期含鐵碳酸鹽膠結(jié)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。王琪等［33］研究顯示，鐵白云石膠結(jié)物碳同位素較重，與白云巖巖屑碳同位素組成相似，也從另一方面證明了白云巖巖屑可為鐵白云石膠結(jié)物提供一定的物質(zhì)來源。

4.3 白云巖巖屑控制了含鐵碳酸鹽的差異沉淀

綜上所述，致密油砂巖本身即可提供鐵碳酸鹽膠結(jié)物形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，但并不能解釋為何鐵白云石膠結(jié)物主要出現(xiàn)于研究區(qū)西南物源沉積區(qū)，而鐵方解石主要發(fā)育于東北物源沉積區(qū)。膠結(jié)物的微觀特征觀察及大量薄片統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鐵白云石和鐵方解石的差異分布與白云巖巖屑的含量及分布密切相關(guān)。

微觀上，鐵白云石多以白云巖巖屑的次生加大邊形式產(chǎn)出，原因為以次生加大形式沉淀鐵白云石比直接在孔隙中沉淀自生鐵白云石晶體更為容易，因此白云巖巖屑含量高的地區(qū)鐵白云石膠結(jié)更為發(fā)育，而不含白云巖巖屑的地區(qū)，如研究區(qū)東北物源沉積區(qū)則多形成鐵方解石膠結(jié)（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)白云巖巖屑與鐵白云石膠結(jié)物含量Fig.6 Content of dolomite debris and ankerite cement in Longdong area，Ordos Basin

4.4 碳酸鹽膠結(jié)物對致密儲層預(yù)測的啟示

致密儲層物性特征是大地構(gòu)造背景、沉積條件、巖石學(xué)特征、埋藏過程及成巖作用等多因素共同作用的結(jié)果。大量研究顯示，低能環(huán)境、細(xì)粒富雜基、快速埋藏、強(qiáng)烈壓實、后期膠結(jié)、弱溶蝕等均是導(dǎo)致物性損失的主要原因［1，15，20，22］。

圖7 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物含量與面孔率關(guān)系Fig.7 Relationship between carbonate cement content and surface porosity in Longdong area，Ordos Basin

碳酸鹽膠結(jié)物含量與面孔率的散點圖（圖7）顯示，碳酸鹽含量與面孔率變化關(guān)系呈如下特征：當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)小于2%時，碳酸鹽含量與面孔率相關(guān)性差，即在該范圍內(nèi)，面孔率變化極大（0～10%），說明此時碳酸鹽膠結(jié)物含量對孔隙發(fā)育的影響非常??；當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)為2%～7%時，隨著碳酸鹽含量增加，相當(dāng)一部分樣品孔隙度呈現(xiàn)快速減小的趨勢，說明對于這類樣品，碳酸鹽膠結(jié)物是導(dǎo)致面孔率差異性的主要原因，而當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)大于7%時，致密油砂巖孔隙較為穩(wěn)定，面孔率大多小于1%，說明對于這類砂巖，體積分?jǐn)?shù)為7%的碳酸鹽膠結(jié)物即可將孔隙基本充填。由于鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)物在孔隙中產(chǎn)狀相似，因此二者含量與面孔率散點圖的變化趨勢較為一致。

碳酸鹽膠結(jié)是晚期致密油砂巖孔隙損失的重要因素，致密油砂巖強(qiáng)烈壓實作用之后的殘余孔隙數(shù)量較少，且隨著碳酸鹽膠結(jié)物形成會被逐漸充填，當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物含量達(dá)到一定數(shù)量之后，膠結(jié)減孔速率明顯，直至孔隙被基本充填。雖然大部分樣品分布于強(qiáng)烈壓實區(qū)域，但碳酸鹽膠結(jié)對壓實后孔隙的差異演化仍至關(guān)重要，碳酸鹽膠結(jié)物越少，對晚期孔隙保存越有利。

5 結(jié)論

（1）致密油砂巖巖石類型主要包括長石砂巖、巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖等。受物源影響，不同地區(qū)的砂巖組分不同：西南地區(qū)碎屑以石英含量高、巖屑少，且富含白云巖巖屑為特征，填隙物中雜基含量高于東北物源沉積區(qū)。東北物源沉積區(qū)碎屑以富含長石為特征，云母含量高。

（2）致密油砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物以含鐵方解石和含鐵白云石為主，方解石、白云石少。在平面上表現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律，鐵方解石在各個物源沉積區(qū)均有發(fā)育，但以東北物源沉積區(qū)含量最高，鐵白云石則主要發(fā)育于西部、西南和南部物源沉積區(qū)。

（3）致密油砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)階段較晚，以孔隙充填式或加大邊形式出現(xiàn)，流體包裹體均一溫度主要為100～110 ℃。長石礦物溶解、黏土和云母礦物轉(zhuǎn)化可為碳酸鹽膠結(jié)物提供鈣離子，云母類礦物、凝灰質(zhì)以及白云巖、變質(zhì)巖巖屑等是后期鐵方解石和鐵白云石中鐵、鎂離子的主要來源。長7 油層組粒度細(xì)，塑性組分含量高，容易被壓實形成極細(xì)的孔喉，加之黏土含量普遍較高，黏土半滲透膜效應(yīng)明顯，造成離子半徑較大的鈣離子不易排出，也促進(jìn)了孔隙水的濃縮和碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀。

（4）平面上，只有富含云母同時富含白云巖巖屑的地區(qū)，鐵白云石才會大量發(fā)育，而不含白云巖巖屑的地區(qū)，多形成鐵方解石膠結(jié)。樣品統(tǒng)計結(jié)果顯示，白云巖巖屑含量高的樣品，鐵白云石發(fā)育，而東北部樣品，富云母而缺白云巖巖屑，碳酸鹽膠結(jié)物多以鐵方解石為主。