馬嶺地區長63亞段砂巖儲層特征及碳酸鹽膠結物對儲層的影響

胡 榕，王翀峘，陳 曦，雷 寧，董文娟

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065）

近年來，鄂爾多斯盆地馬嶺地區長6 段逐漸成為勘探開發的重點層段，研究區儲層物性差，非均質性強，在一定程度上制約了勘探開發的進展[1]。砂巖儲層的非均質性包括沉積非均質性和成巖非均質性，均對勘探采集具有重大影響。碳酸鹽膠結物是導致研究區儲層非均質性的主要因素，所以其一直是研究者的熱門話題。由于受實驗環境和知識程度的影響，前人對于研究區砂巖儲層特征，碳酸鹽膠結物的類型、特征以及形成機理等方面的研究存在較大的差異和分歧[2-7]。本文利用巖石薄片、鑄體薄片、物性、壓汞等資料，對馬嶺地區長63亞段從砂巖儲層沉積相特征、成巖作用特征、孔隙結構特征、碳酸鹽膠結物特征等方面進行綜合研究，從而為馬嶺地區延長組致密儲層的有利區預測提供可靠依據。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地構造形態總體表現為東翼寬緩、西翼陡窄的不對稱大向斜，盆地構造性質以長期穩定為特征，具有整體抬升、持續沉降、坡度寬緩、低隆起的特點[8]。盆地晚期經歷了湖盆形成→擴張→鼎盛→回返→萎縮消亡過程，其中長10 段沉積期湖盆開始形成；長9-長8 段沉積期湖盆發育擴張；長7段沉積期湖盆進入演化的鼎盛期，發育一套生烴能力強大的優質烴源巖；長6 段沉積期湖盆開始逐漸收縮，該期沉積為盆地主要的儲油層；長6-長2 段沉積期為回返、萎縮階段；長1 段沉積期盆地逐漸消亡，為準平原化期[9]。

馬嶺地區位于鄂爾多斯盆地西南部，東至白馬、西至肖關、南至曲子、北至郝家澗一帶，區域構造上屬于天環坳陷南部，該區域構造相對平緩，不發育斷層。馬嶺地區三疊系延長組地層以內陸湖相沉積為主，沉積格局和沉積體系的分布受長期繼承性整體升降運動下形成的廣闊斜坡構造背景控制，屬于北邊靖邊-吳旗主河湖三角洲體系和安邊三角洲體系向南延伸部分，其中，長6 段為一套深湖-半深湖為主的陸相碎屑巖沉積體系，并可進一步劃分為長61、長62、長63三個亞段，長63亞段為馬嶺地區的主力產層[10]。

2 沉積儲層特征

2.1 沉積相類型及特征

通過對研究區鉆井、測井、錄井、取心資料及前人研究成果等分析，對馬嶺地區長63亞段的沉積相環境進行研究。結果發現，馬嶺地區長63亞段為湖泊沉積體系，總體發育一套以半深湖-深湖亞相為沉積背景的砂質碎屑流、濁流沉積和半深湖-深湖泥沉積。

2.1.1 砂質碎屑流沉積

砂質碎屑流沉積是研究區重要的一類儲層，在研究區深湖亞相中廣泛發育。馬嶺地區長63亞段砂質碎屑流沉積的巖性主要為細砂巖，發育塊狀層理（圖1a，b），砂巖的厚度一般大于0.50 m，最厚甚至可達數十米，砂巖的內部不含其他沉積構造，也無粒序遞變層理，砂巖底部較為平坦，不具有侵蝕作用，內部偶見直徑約2.00～6.00 cm 的呈懸浮狀的泥礫和泥巖碎片等。

2.1.2 濁流沉積

濁流沉積多在深湖環境下形成，屬于重力流沉積，一般以紊流的流動狀態為特征，密度較低，沉積垂向序列常呈正遞變[11]。馬嶺地區長63亞段濁流沉積巖性以褐灰色細砂巖、灰黑色粉砂質泥巖和泥質粉砂巖與泥巖伴生，常以砂泥巖薄互層形式出現，構成不完整的鮑馬序列。沉積構造具粒度遞變，含有鮑馬序列、火焰構造、重荷模等（圖1c—f）。

圖1 馬嶺地區長63亞段巖心沉積特征

2.1.3 半深湖-深湖泥沉積

半深湖-深湖泥沉積一般形成于浪基面以下水體較深部位，其沉積主要為灰色和灰黑色泥巖。

2.2 儲層孔隙結構特征

2.2.1 儲集空間類型

馬嶺地區長63亞段砂巖儲集孔隙類型有粒間孔、長石溶孔、粒間溶孔、晶間孔和微裂隙等，其中粒間孔、長石溶孔、粒間溶孔分別占儲層孔隙的1.23%，0.83%和0.15%，為區內長63亞段的主要儲集空間。

2.2.2 孔隙特征

（1）孔隙大小及形態：根據李道品等對孔隙直徑進行細分，將孔隙分為五種類型：大孔隙直徑大于40.00 μm、中孔隙直徑20.00～40.00 μm、小孔隙直徑4.00～20.00 μm、微孔隙直徑0.05～4.00 μm、吸附孔直徑小于0.05 μm[12]。馬嶺地區長63亞段平均孔隙直徑為20.01 μm，以中孔隙為主。

（2）喉道類型：喉道為連接兩個孔隙的狹窄通道，其大小與連通狀況直接影響著儲層的有效性和滲透性。馬嶺地區長63亞段的主要喉道有縮頸型喉道、彎片狀喉道和孔隙縮小型喉道（圖2）。（3）孔喉結構特征：馬嶺地區長63亞段的排驅壓力為0.50～5.50 Mpa，平均為2.03 Mpa；中值半徑為0.02～0.65 μm，平均為0.13 μm；最大進汞飽和度為68.31%～97.97%，平均為83.37%；退汞飽和率為14.10%～39.86%，平均為26.70%；平均喉道半徑為0.32 μm，總體反映區內長63亞段屬于致密砂巖油藏，具有排驅壓力較大、中值半徑小、退汞效率較高、孔喉道半徑小、儲層采收率相對較高的特點（圖3）。

圖2 馬嶺地區長63亞段主要喉道類型

圖3 馬嶺地區長63亞段儲層毛細管壓力曲線特征

3 成巖作用特征

3.1 壓實作用

馬嶺地區長63亞段的壓實作用總體上發育程度中等，縱向上差異性較為明顯，儲層所受的壓實程度較強，在巖性偏細、塑性巖屑偏高的砂巖中，碎屑的定向排列隨著埋藏深度逐漸增大，顆粒接觸越來越緊密，巖屑的壓實變形現象較為普遍（圖4a）。

3.2 膠結作用

馬嶺地區長63亞段儲層的膠結礦物有綠泥石、伊利石、碳酸鹽巖、硅質等。由于膠結物在孔隙中達到飽和時會發生沉淀，堵塞孔隙，從而減少了儲層孔隙度，降低了儲層滲透率，進而影響儲層的物性。研究區長63亞段的膠結作用主要有黏土膠結作用、碳酸鹽膠結作用和硅質膠結作用。

黏土膠結作用主要以綠泥石和伊利石為主，綠泥石在成巖作用早期主要的賦存狀態是薄膜狀黏土膜膠結，伊利石常呈片絲狀、毛發狀等附著于顆粒表面或充填于碎屑顆粒之間（圖4b，c）。

碳酸鹽膠結作用在研究區碎屑巖中非常普遍，主要呈粒間膠結物、交代物或次生孔隙內填充物形式出現，研究區主要以鐵方解石和鐵白云石膠結為主，方解石和白云石膠結也偶有出現（圖4d，e）。

硅質膠結作用在研究區砂巖中不發育，且其含量較少，一般為1%～2%，主要以自生石英加大充填孔隙（圖4f）。

3.3 交代作用

交代作用是一種礦物對另一種礦物的替代，往往造成原巖的成分類型和結構局部或全部變化，但是一般體積不產生變化，因此對孔隙的影響不大[13]。馬嶺地區長63亞段交代作用發育程度不高，多為碳酸鹽礦物交代碎屑顆粒，主要為鐵方解石交代長石（圖4g）。

圖4 馬嶺地區長63亞段砂巖儲層中膠結物賦存狀態

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用一般貫穿于整個成巖過程，它是在一定的條件下，孔隙溶液對儲層中不穩定的碎屑顆粒、膠結物等進行溶蝕，從而改善儲層物性。馬嶺地區長63亞段主要表現為長石等鋁硅酸鹽礦物的溶蝕、碳酸鹽巖屑的溶解等，溶蝕后多形成次生的孔隙空間（圖4h，i）。

4 碳酸鹽膠結特征

4.1 主要類型及產狀特征

馬嶺地區長63亞段儲層中膠結物種類豐富，其中伊利石占填隙物總量的38.31%、碳酸鹽膠結物占32.61%、綠泥石填隙物占11.23%、綠泥石膜占7.60%等（圖5）。在偏光顯微鏡下對181 個含有明顯碳酸鹽膠結物的薄片進行統計，配合掃描電鏡、電子探針、陰極發光、鐵氰化鉀和茜素紅染色等手段綜合分析發現，馬嶺地區的碳酸鹽膠結物中鐵白云石的含量最高，占自生碳酸鹽含量的43.34%。鐵方解石與白云石含量相近，分別占碳酸鹽含量的26.16%和24.18%；方解石含量最低，占自生碳酸鹽含量的6.32%。

圖5 馬嶺地區長63亞段儲層膠結物成分及含量

研究區長63亞段方解石形成于早期，晶粒較小，常呈微晶或者中-細晶的泥晶形態，在砂巖中往往呈薄層狀，不含鐵，在氰化鉀染色后顏色不發生變化，后期不發生溶蝕作用。而含鐵方解石賦存狀態多為連晶狀，鏡下可見晶粒粗大且潔凈。鐵白云石和鐵方解石為晚期成巖作用的產物，薄片中常見連晶含鐵方解石交代長石、碳酸鹽巖屑等粒間物質或充填儲層原生孔隙或長石溶蝕孔隙。

4.2 碳酸鹽膠結物來源及形成機理

碳酸鹽膠結物的物質來源多種多樣，且具有多期次性，所以其形成過程和形成模式相對較復雜，碳酸鹽膠結物的物質來源研究一般從砂巖儲層水介質中碳離子和鈣離子的物質來源方面進行探討[14]。研究區碳酸鹽物質來源和形成機制主要有以下幾種：

4.2.1 直接沉淀形成的碳酸鹽

湖水處于常溫常壓狀態時，孔隙水中碳酸鹽類物質會不斷被溶解，而達到飽和狀態后，碳酸鹽物質將會通過孔隙水而直接沉淀出來。該期膠結物的產生往往發生在壓實作用前，而形成局部致密無孔隙的砂巖儲層。研究認為，區內該形成機制早期沉淀的碳酸鹽膠結物增強了砂巖儲層的抗壓能力，能夠有效地改善儲層的孔隙度，一定程度上也能反映巖石的流體性質。

4.2.2 碳酸鹽巖屑的溶解作用

該形成過程中烴源層有機質已逐步成熟，其干酪根在水中進行熱演化生烴作用，從而生成更多的CO2和有機酸，使得地層水中pH 值越來越低，含有酸性的水會造成埋藏環境條件下難溶的碳酸鹽巖屑的不斷溶解，這也是碳酸鹽物質形成的重要來源[15]。這種機制形成的膠結物主要為鐵白云石，其保留了碳酸鹽巖屑的微量元素和同位素的特征。研究區馬嶺地區長63亞段白云石（鐵白云石）碳酸鹽膠結物含量高，較為常見，薄片中可見溶解，形成的膠結物Na 元素、Ba 元素和Sr 元素以及與碳酸鹽中白云巖有著相似的同位素特征，表明該過程與砂巖儲層中白云巖巖屑的溶解再沉淀有一定的關系。

4.2.3 黏土礦物的轉化作用

馬嶺地區的巖石薄片鑒定統計發現，長63亞段砂巖中高嶺石含量極低，僅占黏土礦物含量的1.03%，而伊利石（水云母）和綠泥石的含量卻相對較高，分別占黏土礦物的38.22%和11.21%，由此可以推斷碳酸鹽膠結物成巖過程中大量消耗了高嶺石、蒙脫石，而轉化形成高含量的伊利石、水云母、鈉長石等，轉化過程反應如下[16]：

4.5K++8Al3++ 蒙脫石→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

由上述反應過程可知，黏土礦物可以經過轉化作用生成碳酸鹽膠結物，尤其在轉化過程中能為鐵白云石和鐵方解石的形成提供Ca2+、Fe3+、Mg2+、Si4+等物質來源，這也可能是造成研究區鐵白云石和鐵方解石占碳酸鹽膠結物總含量比較高的原因。

4.2.4 長石等鋁硅酸鹽礦物的水化作用

馬嶺地區長63亞段中碳酸鹽膠結物形成過程中的另一個重要物質來源是長石等鋁硅酸鹽礦物溶解的水化作用，例如鈣長石水化溶解反應如下[17]：

CaAl2Si2O8（鈣長石）+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+Ca2+

該溶解過程中長石不斷提供Ca2+使得其在孔隙中直接沉淀形成碳酸鹽膠結物。馬嶺地區長63亞段砂巖儲層中長石含量高，可以為碳酸鹽膠結物的形成提供充足的物質來源，長石在后期溶解過程中形成次生孔隙空間，隨著Ca2+與CO32-的結合不斷形成碳酸鹽沉淀，而形成的碳酸鹽又不斷充填次生孔隙，致使砂巖儲層的孔隙度降低。

5 成巖作用對儲層物性的影響

馬嶺地區長63亞段儲層成巖作用對儲層物性具有多重影響，既可破壞原生孔隙，使原生孔隙分布規律發生變化，影響儲層的儲集能力，同時又能促進次生孔隙的形成，改善儲層的物性，形成有利的儲集空間。

由圖6 可知，馬嶺地區長63亞段膠結作用是區內砂巖儲層物性變差的一個重要原因。

圖6 馬嶺地區長63亞段粒間體積-膠結物含量關系

研究區膠結作用總體上會使得儲層的物性變差，但是早期的膠結作用能夠降低壓實作用對儲層的破壞強度，同時后期的溶蝕作用能夠改善儲層的孔隙度和滲透率。黏土礦物能夠減緩壓實作用對儲層的影響，但當含量過高時又會堵塞孔隙，使得孔隙度減少，滲透率變差。硅質膠結主要是石英次生加大，隨著儲層深度加深，次生加大石英充填孔隙，導致儲層致密，孔隙度減少，滲透率降低；由圖7a 可知，硅質膠結物與面孔率大體呈負相關，即硅質膠結物總體上對儲層物性具消極影響。

碳酸鹽膠結物在研究區儲層中含量高，它也是砂巖儲層中含量最高的一種自生礦物。研究區在成巖過程中一直伴隨著儲層碳酸鹽膠結物的不斷形成和富集，該過程往往會充填砂巖儲層中的原生孔隙和次生孔隙，形成分割儲層的致密鈣質層，導致儲層的孔隙度、滲透率降低，從而增強儲層的非均質性。由圖7b 可知，馬嶺地區長63亞段碳酸鹽膠結物與面孔率大體呈負相關，分析認為晚期碳酸鹽膠結物是使馬嶺地區長63亞段儲層物性變差的另一個重要原因。

圖7 馬嶺地區長63亞段硅質膠結物、碳酸鹽膠結物與面孔率的相關性

6 結論

（1）馬嶺地區長63亞段為湖泊沉積體系，發育一套以半深湖-深湖亞相為沉積背景的砂質碎屑流、濁流沉積和半深湖-深湖泥沉積。儲層孔隙類型主要為粒間孔、長石溶孔、粒間溶孔，以及少量的晶間孔和微裂隙。

（2）影響馬嶺地區長63亞段儲層物性的主要成巖作用類型是壓實作用、膠結作用、交代作用、溶蝕作用，其中壓實作用和膠結作用能夠破壞儲層物性，交代作用對儲層的物性影響不明顯，而溶蝕作用能在一定程度上改善儲層物性。

（3）區內碳酸鹽膠結物主要有鐵白云石、鐵方解石、白云石和方解石4 種類型，探討其形成機理認為主要為碳酸鹽直接沉淀、巖屑溶解、長石等鋁硅酸鹽礦物的水化及黏土礦物的轉化。

（4）碳酸鹽膠結物多充填于溶蝕粒間孔和粒內溶孔中，早期能夠增強儲層的抗壓實能力，對儲層物性具有積極作用；后期溶解作用較弱，使得砂巖儲層變得致密，增強了儲層的非均質性，所以晚期的碳酸鹽膠結物對儲層的物性具有消極影響。