番禺低隆起珠海組砂巖碳酸鹽膠結特征及其對儲層物性的影響

杜貴超 ，蘇 龍 ，陳國俊 ，張功成，丁 超，曹 青 ，魯岳鑫

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，西安710065；2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州730000；3.中海油研究總院有限責任公司，北京100028）

0 引言

碳酸鹽膠結是砂巖儲層中重要的膠結類型之一，常見的碳酸鹽膠結物有方解石、文石、鐵白云石、菱鐵礦及菱鎂礦等。碳酸鹽膠結的物質來源多樣，形成機制受沉積環境、沉積相、孔隙流體性質、成巖環境演化以及成巖系統的封閉性與開放性等多種因素控制［1］。研究表明，海水、地表水及流動孔隙水均能持續帶入溶解碳酸鹽，是碳酸鹽膠結的主要物質來源；同時，埋藏成巖過程中生物碎屑及碳酸鹽巖巖屑溶解、碎屑顆粒溶蝕及黏土礦物轉化等均可提供重要的物質基礎。溶解物質進入孔隙流體，并在堿性成巖環境中再沉淀［2-3］。碳酸鹽膠結與儲層物性關系密切，膠結物含量越高，儲層物性越差。正是由于碳酸鹽膠結在油氣儲層演化過程中的重要意義，其發育特征、形成演化及其對儲層物性的影響機制等一直是國內外學者研究的熱點［4-6］。

番禺低隆起是珠江口盆地重要的天然氣成藏區，截至目前，雖然在該區已有一系列油氣發現，但總體勘探程度仍較低，油氣地質特征認識仍有待加深［7］，特別是在儲層研究方面，對碎屑巖儲層發育、展布特征及物性主控因素等的研究仍相對薄弱；主要目的層珠海組為海陸過渡相三角洲平原—三角洲前緣沉積，儲層廣泛發育，但尚無油氣發現［8-9］。鑒于此，基于鉆井取心、測井及分析測試等資料，結合盆地區域構造演化及沉積背景分析，利用薄片、X射線衍射、掃描電鏡等手段，對番禺低隆起珠海組砂巖開展系統的成巖作用研究，探究目的層碎屑巖主要成巖作用特征，查明碳酸鹽膠結發育階段，刻畫碳酸鹽膠結的產狀、賦存特征、物質來源及形成機制，揭示其對研究區砂巖儲層物性的控制作用，深化研究區油氣地質特征認識，以期為該區下一步油氣勘探提供依據。

1 區域地質特征

珠江口盆地位于南海北部陸緣，是我國重要的含油氣盆地之一，截至目前，已發現油氣儲量超過10億t油當量［7］。番禺低隆起位于珠江口盆地中央隆起帶中部，北與恩平凹陷相接，南部傾沒于白云凹陷，為一在古近系基底上發育起來的“下斷上坳、下陸上海”次級隆起（圖1）。區內平均水深為200 m，是盆地內重要的天然氣聚集帶［8］。番禺低隆起天然氣成藏條件優越，主要表現在該構造帶具有充足的油氣來源、發育良好的儲蓋組合及多種有效的圈閉類型等［9-15］。截至目前，已發現 PY34-1，LH19-1 等多個油氣田，天然氣探明儲量近1 200億m3［8］。受控于盆地的構造演化，番禺低隆起經歷了早期斷陷及晚期坳陷兩大演化階段，自下而上發育始新統文昌組，漸新統恩平組、珠海組，早中新統珠江組、中中新統韓江組、晚中新統粵海組，上新統萬山組和第四系，含油氣層位主要為珠江組、珠海組及粵海組［16-17］［圖 1（c）］。

圖1 番禺低隆起構造位置（a）、沉積相（b）及地層發育特征（c）示意圖（據文獻［18］和［19］修改）Fig.1 Structural location（a），sedimentary facies（b）and stratigraphic development characteristics（c）of Panyu low-uplift

目的層漸新統珠海組為盆地由斷坳階段向坳陷階段轉化時期發育的一套低位體系域進積型淺海三角洲沉積，沉積物主要來源于古珠江三角洲。古珠江三角洲沿番禺低隆起—白云斜坡向南推進，直至白云凹陷北側［9-10］。番禺低隆起珠海組主要為三角洲平原亞相沉積，以沉積厚度較大、砂泥互層頻繁為特征，構造以斷塊及斷鼻為主，埋深為2 500～3 800 m。

2 儲層巖石學特征

薄片分析表明，番禺低隆起珠海組砂巖樣品以灰白、灰綠色中—細粒巖屑石英砂巖、灰白色細—中粒巖屑石英砂巖及中—粗粒巖屑石英砂巖為主，含少量中—細粒生屑鈣質石英砂巖、巖屑粉砂巖及巖屑細砂巖。砂巖中石英體積分數為80.3%～92.5%，平均為85.3%，長石體積分數為0～6%，平均為2.1%，其中鉀長石和斜長石體積分數分別為0～3.1%和0～5.3%。巖屑主要為火山巖巖屑（體積分數為5.0%～15.2%），另有少量燧石（體積分數為1.0%～5.3%）以及石英片巖和千枚巖巖屑（二者體積分數合計為0～4.5%），火山巖巖屑見輕微絹云母化。膠結物含量較高，主要為方解石（體積分數為0～15.5%）、菱鐵礦（體積分數為0～5.1%）、鐵白云石（體積分數為0～15%）、黏土礦物（體積分數為0～3.2%）及少量石英次生加大（體積分數為0～3%）。砂巖的膠結類型主要為孔隙式膠結，另有少量基底式膠結。基底式膠結主要存在于碳酸鹽膠結物含量較高的樣品，顆粒呈“懸浮狀”被早期方解石及鐵白云石包裹。砂巖顆粒分選中等—好，呈次棱角狀—次圓狀，碎屑顆粒以點—線接觸為主，粒度為0.1～0.3 mm，最大粒徑為0.6 mm。

3 主要成巖作用特征

壓實作用是導致番禺低隆起珠海組儲層物性變差的主要因素，表現為隨壓實作用增強，粒間孔隙被有效縮減。研究區珠海組砂巖整體呈中等壓實特征。珠海組頂部砂巖壓實作用相對較弱，碎屑顆粒見少量點—線接觸，云母等火山巖巖屑發生輕微變形；隨埋深增大碎屑顆粒逐漸過渡為線接觸及少量凹凸接觸，珠海組下部砂巖（埋深大于3 800 m）遭受較強機械壓實作用的改造，見塑性巖屑遭受擠壓變形，形成假雜基，進一步破壞原生粒間孔隙。

次生孔隙的形成源于火山巖巖屑及長石的溶蝕，珠海組砂巖中廣泛發育的溶蝕作用有效改善了孔隙空間及孔喉結構。珠海組砂巖面孔率為4%～20%（平均為12%），其中粒間孔面孔率為2%～16%（平均為9.3%），火山巖巖屑溶孔面孔率為2%～6%（平均為4.8%），長石溶孔面孔率為0～2%（平均為1.5%）。溶蝕作用是使研究區儲層物性改善的主要因素。隨壓實作用增強，火山巖巖屑的塑性變形往往導致儲層物性降低。總體來看，當火山巖巖屑體積分數小于10%，孔隙度及滲透率隨火山巖巖屑含量增加均呈上升趨勢，而當火山巖巖屑體積分數大于10%，孔隙度及滲透率隨火山巖巖屑含量增加均大幅度降低。當火山巖巖屑含量較低時，其溶蝕擴大了孔隙空間，改善了孔隙的連通性，而當火山巖巖屑體積分數大于10%時，其塑性變形導致儲層砂巖致密化，使儲層孔滲性降低。

硅質膠結在研究區目的層普遍發育，主要呈石英次生加大形式產出，但其含量相對較低。X射線衍射結果表明，黏土礦物膠結亦廣泛發育，膠結物質量分數為0.6%～2.7%，平均為1.6%，以伊利石為主，高嶺石及綠泥石次之，未見蒙脫石、綠/蒙混層及伊/蒙混層等。

4 碳酸鹽膠結物

4.1 碳酸鹽膠結物產狀、賦存方式及碳氧同位素特征

鏡下觀察及碳氧同位素分析等均表明，番禺低隆起珠海組砂巖共發育3期碳酸鹽膠結，早期為方解石及鐵白云石膠結，中期為方解石、鐵白云石及菱鐵礦膠結，晚期為少量方解石及鐵白云石膠結（圖2、圖3）。X射線衍射全巖分析顯示，早期方解石呈基底式膠結，質量分數為0～15.5%，平均為5%，非均質分布，見碎屑顆粒呈“懸浮狀”被方解石包裹，表明該類膠結形成于有效壓實作用發生前、碎屑顆粒與沉積底水接觸的同生成巖期，方解石在弱堿性成巖環境中從飽和流體中析出并形成團塊狀或結核狀膠結［圖 3（a）］，δ13CPDB值和 δ18OPDB值分別為-3.8‰～-3.4‰和-11.4‰～-9.1‰；中期方解石含量相對較低，質量分數為0～5%，非均質分布，呈細結核狀充填粒間孔隙［圖 3（b）］，δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為 -5.9‰～-4.8‰和 -13.5‰～-11.9‰；晚期方解石含量較低，主要呈團塊狀、細結核狀充填于粒間及溶蝕孔隙［圖3（c）］，見中—細粒巖屑石英砂巖樣品中，晚期方解石交代石英顆粒及生物碎屑顆粒，δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-9.7‰～-8.5‰和-14.0‰～-12.7‰。

圖2 番禺低隆起珠海組碳酸鹽膠結物碳氧同位素組成Fig.2 Carbon and oxygen isotopecomposition of carbonatecementsof Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

圖3 番禺低隆起珠海組砂巖碳酸鹽膠結特征

X射線衍射全巖分析表明，研究區個別樣品早期鐵白云石質量分數達15%，形成于有效壓實作用之前，且膠結前的樣品面孔率達到了40%～45%［圖 3（d）］，δ13CPDB值和 δ18OPDB值分別為 -3.7‰～-3.3‰和-11.6‰～-10.2‰；中期鐵白云石主要為孔隙式膠結，呈團塊狀及細結核狀充填于粒間孔隙，質量分數一般小于6%［圖3（e）］，可見鐵白云石交代生物碎屑顆粒，輕微交代碎屑石英顆粒及石英次生加大邊，δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-7.4‰～-4.6‰和-14.9‰～-8.9‰；晚期鐵白云石質量分數一般小于1%，為孔隙式膠結，占據粒間及次生溶蝕孔隙，并強烈交代生物碎屑顆粒以及石英次生加大邊［圖3（f）—（g）］，δ13CPDB值和 δ18OPDB值分別為-11.4‰～-9.7‰和-12.3‰～-11.6‰。

菱鐵礦主要以分散晶體及結核狀產于細—中砂巖中，質量分數為0～0.6%，形成于成巖作用早期，可見菱鐵礦晶體被中期鐵白云石結核包裹，且充填粒間孔隙及次生孔隙［圖 3（h）—（i）］，表明其發育早于中期鐵白云石膠結以及火山碎屑和長石溶蝕。菱鐵礦膠結物δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-7.2‰～-5.3‰和-12.4‰～-11.4‰。

4.2 碳酸鹽膠結形成階段

薄片鑒定、掃描電鏡觀察及同位素分析等綜合研究表明，碳酸鹽膠結主要形成于同生成巖期、早成巖階段A期及晚成巖階段A1期（圖4）。同生成巖期的膠結表現為早期方解石及鐵白云石團塊包裹碎屑顆粒，碎屑顆粒呈點接觸或未接觸，被包裹顆粒未發育其他成巖現象，且該類膠結形成前碎屑顆粒粒間孔隙的體積分數達40%～45%，表明其形成早于有效壓實作用［圖 3（a），（d）］。隨著地層埋深及溫壓增大，沉積物與底水隔離，孔隙流體中方解石、鐵白云石及菱鐵礦在弱堿性環境中過飽和析出，并占據孔隙空間［圖 3（b），（e）］，還可見菱鐵礦晶體被鐵白云石包裹，表明其發育早于中期鐵白云石。到早成巖階段B期，隨著有機質熱演化過程中有機酸進入孔隙流體，成巖環境從早期的弱堿性—弱酸性轉變為酸性，碳酸鹽膠結作用停止，且早期碳酸鹽膠結物被酸性流體選擇性溶蝕。至晚成巖階段A1期的后期，隨著酸性流體的不斷消耗，成巖環境逐漸轉變為弱堿性—堿性環境，晚期方解石及鐵白云石從孔隙流體中過飽和析出，可見晚期方解石及鐵白云石充填殘余粒間孔、巖屑溶孔及生物碎屑溶孔等，均表明晚期方解石及鐵白云石的形成晚于溶蝕作用，同時，隨著地層埋深及溫壓進一步增大，晚期鐵白云石交代碎屑石英顆粒及石英次生加大邊廣泛發育［圖 3（e）—（g）］。

圖4 番禺低隆起珠海組儲層砂巖成巖階段劃分Fig.4 Diagenetic stagesof reservoir sandstoneof Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

4.3 碳酸鹽膠結物質來源

薄片鑒定及X射線衍射分析均表明，早期方解石及鐵白云石含量均較高，兩者均以基底式膠結為典型特征。該類膠結物形成時期，碎屑沉積物仍與底水接觸，壓實作用較弱，孔隙流體中的方解石及鐵白云石在弱堿性成巖條件下過飽和析出，并占據孔隙空間［圖 3（a），（d）］。同位素分析顯示早期碳酸鹽膠結物δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-3.8‰～-3.4‰和-11.4‰～-9.1‰，結合研究區珠海組淺海三角洲平原亞相沉積背景，表明早期的沉積底水為三角洲帶入的陸相地表水與海水的混合，導致碳氧同位素值偏低［20-23］。此外，分流河道在海相淺水三角洲演化過程中帶來了豐富的鐵、鈣等元素，海水中亦含有豐富的 Fe2+，Mg2+，Mn2+等離子［4-5］。在成巖作用早期的弱堿性—堿性成巖環境下，Ca2+與CO3

2-結合形成了方解石，Ca2+，Fe2+，Mg2+，Mn2+等與CO3

2-反應形成了鐵白云石，同時，未經有效壓實的碎屑沉積物為該期膠結提供了孔隙空間。

中期碳酸鹽膠結物主要形成于早成巖階段A期至早成巖階段B期早期，典型特征為方解石、鐵白云石及菱鐵礦晶體充填粒間孔隙，亦見鐵白云石輕微交代石英顆粒及石英次生加大邊、鐵白云石結核包裹菱鐵礦等現象，表明隨著珠海組碎屑沉積物與底水隔離及埋深增大，碳酸鹽礦物在弱堿性成巖環境中發生化學沉淀，并占據粒間孔隙空間。該期膠結物δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-7.4‰～-5.9‰和-14.9‰～-8.9‰，孔隙流體中碳氧同位素組成較早期膠結物偏負。綜合分析表明，偏“輕”的碳可來源于早成巖期生物化石碎屑顆粒溶解、沉積物有機質在還原環境中發生硫酸鹽的細菌還原作用等，是多因素綜合作用的反映［23-25］。中期碳酸鹽膠結所需的Ca2+，Fe2+及Mg2+等離子主要來自殘余孔隙流體，亦可來自早期生物化石骨架顆粒溶解、鋁硅酸鹽礦物的水化作用等。氧同位素組成與早期膠結區別不大，表明了早成巖期孔隙流體與早期沉積底水的繼承關系，沒有明顯特征表明演化過程中有水體蒸發及外源混合作用發生［22，26］。同時，氧同位素組成的細微變化可能由富18O的自生礦物形成等原因所致［27-29］。

晚期碳酸鹽膠結物含量相對較低，體積分數為0～3%，主要為孔隙式膠結的方解石及鐵白云石，膠結物δ13CPDB值和δ18OPDB值分別為-11.4‰～-9.7‰和-14.0‰～-11.6‰，碳同位素較早期碳酸鹽膠結進一步變輕。研究表明，干酪根熱降解過程中形成的有機酸往往具有較輕的碳氧同位素，此類碳同位素一般為 -35.0‰～-4.0‰［20］。因此，晚期碳酸鹽膠結碳同位素變輕很可能是受有機酸的影響，巖屑及長石溶蝕是有機酸進入儲集層砂巖的最直接證據［圖 3（a）—（c）］。研究表明，與研究區晚期碳酸鹽膠結緊密相關的有機碳源主要來自白云凹陷恩平組及文昌組湖相泥巖的有機質熱演化［10-13］。一方面，白云凹陷恩平組及文昌組湖相泥巖為番禺低隆起的主要烴源巖，烴源巖熱演化過程中排出的有機酸提供了物質基礎；另一方面，番禺低隆起—白云凹陷北部斜坡斷層及砂體均發育，為有機酸向上部運移進入珠海組提供了重要的通道［15-16］。火山碎屑溶蝕還為晚期膠結提供了豐富的鐵元素。鈣元素可來源于碳酸鹽巖巖屑溶蝕、黏土礦物的轉化及火山巖巖屑絹云母化蝕變等［21］。此外，鐵白云石膠結所需的鎂及錳等元素主要來自殘留粒間孔隙流體等。

5 儲層特征

5.1 孔隙發育特征

鑄體薄片觀察表明，番禺低隆起珠海組砂巖孔隙類型以粒間溶孔-粒內溶孔-粒間孔組合為主（圖5）。砂巖樣品面孔率為4%～35%，平均為15.5%，其中，粒間溶孔占3.0%～12.5%（平均為6.5%），粒內溶孔占2.0%～14.5%（平均為4.0%），粒間孔占2.0%～13.0%（平均為5.0%）。在粒間孔發育的樣品中，中—細粒巖屑石英砂巖中綠泥石黏土膜較發育［圖5（b）］。在溶蝕孔發育的樣品中，被溶組分主要為火山巖巖屑、長石及少量生物化石，孔隙連通性往往較好［圖 5（c）］。

圖5 番禺低隆起PX-1井珠海組砂巖孔隙特征

碳酸鹽膠結樣品的面孔率與膠結物含量呈負相關關系，即膠結物含量越高，樣品面孔率越低。統計結果表明，碳酸鹽膠結不發育的樣品面孔率可達15%～25%，平均為18.3%，孔隙連通性較好；碳酸鹽膠結發育的樣品面孔率僅為4.5%～18.5%，平均為8%。

5.2 物性特征

物性測試結果表明，番禺低隆起珠海組砂巖孔隙度為7.2%～23.5%，平均為15.1%，滲透率為0.3～1 174.2 mD，平均為144.3 mD。未發育碳酸鹽膠結物的樣品孔隙度為10.1%～25.5%，平均為16.6%，滲透率為1.2～1 174.2 mD，平均為189.3 mD；碳酸鹽膠結物體積分數大于5%的樣品物性相對較差，孔隙度為7.9%～15.7%，平均為12.5%，滲透率為0.3～304.6 mD，平均為95.7 mD；碳酸鹽膠結物體積分數為0.1%～5.0%的樣品物性相對較好，孔隙度為6.9%～21.7%，平均為14.8%，滲透率為0.8～605.5 mD，平均為 125 mD（圖 6）。

圖6 番禺低隆起珠海組砂巖物性特征Fig.6 Measured porosity and permeability of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

5.3 碳酸鹽膠結對儲層物性的影響

實測孔、滲數據表明，番禺低隆起珠海組砂巖具有中孔、中滲特征，碳酸鹽膠結是導致儲層砂巖物性變差的主要原因之一。碳酸鹽膠結物體積分數大于5%的樣品實測平均孔隙度和平均滲透率分別較未膠結樣品低25%和49.3%；碳酸鹽膠結物體積分數為0.1%～5.0%的樣品實測平均孔隙度和平均滲透率分別較未膠結樣品低11.2%和34.0%。

圖7 番禺低隆起珠海組砂巖儲層孔隙度（a）、滲透率（b）與碳酸鹽膠結物含量的關系Fig.7 Relationshipsof carbonatecementswith porosity（a）and permeability（b）of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

X射線衍射及鏡下觀察亦表明，儲層砂巖孔隙度、滲透率與碳酸鹽膠結物含量均呈負相關關系（圖7）。早期碳酸鹽膠結物體積分數一般大于5%，以基底式膠結形式產出，膠結物完全充填粒間孔隙，此類砂巖樣品孔隙度一般低于15%［參見圖3（a），（b）］；中晚期碳酸鹽膠結物以孔隙式膠結為主，呈條帶狀或團塊狀充填粒間孔隙［參見圖3（h）］；晚期碳酸鹽膠結物主要為方解石及鐵白云石，其體積分數一般小于3%，膠結物充填粒間孔隙及粒間溶孔，并交代碎屑顆粒。鐵白云石包裹中期菱鐵礦、鐵白云石交代碎屑石英顆粒及石英次生加大邊等，均使砂巖進一步致密化，進而破壞儲層物性［參見圖 3（f），（g）］。

6 結論

（1）番禺低隆起珠海組砂巖發育同生成巖期、早成巖階段A期及晚成巖階段A1期共3期碳酸鹽膠結，同生成巖期發育方解石及鐵白云石膠結，早成巖階段A期發育方解石、鐵白云石及菱鐵礦膠結，晚成巖階段A1期發育少量方解石及鐵白云石膠結。

（2）早期碳酸鹽膠結主要呈基底式產出，其形成、演化主要受沉積環境和物源條件影響，與該時期孔隙流體在弱堿性成巖環境中過飽和析出有關；中、晚期碳酸鹽膠結主要呈孔隙式膠結，此2期膠結物沉淀受控于孔隙流體的運移及演化。膠結物物質來源呈多來源特征，包括生物化石骨架顆粒的溶解、鋁硅酸鹽礦物的水化作用、早期殘余孔隙流體物質等。

（3）碳酸鹽膠結是導致目的層儲層物性變差的主要因素之一，膠結物含量越高，儲層物性越差。早期碳酸鹽膠結物包裹碎屑顆粒，充填粒間孔隙，極大地破壞了儲層物性；中期和晚期碳酸鹽膠結物充填粒間孔隙及粒間溶孔，并交代碎屑石英顆粒及石英次生加大邊等，使砂巖進一步致密化，破壞了儲層物性。

致謝：在項目完成過程中，陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院的張麗霞和胡雙全給予了悉心指導，在此表示感謝！