馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段砂巖儲(chǔ)層特征及碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層的影響

胡 榕，王翀峘，陳 曦，雷 寧，董文娟

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

近年來(lái)，鄂爾多斯盆地馬嶺地區(qū)長(zhǎng)6 段逐漸成為勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)層段，研究區(qū)儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，在一定程度上制約了勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)展[1]。砂巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性包括沉積非均質(zhì)性和成巖非均質(zhì)性，均對(duì)勘探采集具有重大影響。碳酸鹽膠結(jié)物是導(dǎo)致研究區(qū)儲(chǔ)層非均質(zhì)性的主要因素，所以其一直是研究者的熱門(mén)話題。由于受實(shí)驗(yàn)環(huán)境和知識(shí)程度的影響，前人對(duì)于研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層特征，碳酸鹽膠結(jié)物的類(lèi)型、特征以及形成機(jī)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(duì)馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段從砂巖儲(chǔ)層沉積相特征、成巖作用特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征、碳酸鹽膠結(jié)物特征等方面進(jìn)行綜合研究，從而為馬嶺地區(qū)延長(zhǎng)組致密儲(chǔ)層的有利區(qū)預(yù)測(cè)提供可靠依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地構(gòu)造形態(tài)總體表現(xiàn)為東翼寬緩、西翼陡窄的不對(duì)稱(chēng)大向斜，盆地構(gòu)造性質(zhì)以長(zhǎng)期穩(wěn)定為特征，具有整體抬升、持續(xù)沉降、坡度寬緩、低隆起的特點(diǎn)[8]。盆地晚期經(jīng)歷了湖盆形成→擴(kuò)張→鼎盛→回返→萎縮消亡過(guò)程，其中長(zhǎng)10 段沉積期湖盆開(kāi)始形成；長(zhǎng)9-長(zhǎng)8 段沉積期湖盆發(fā)育擴(kuò)張；長(zhǎng)7段沉積期湖盆進(jìn)入演化的鼎盛期，發(fā)育一套生烴能力強(qiáng)大的優(yōu)質(zhì)烴源巖；長(zhǎng)6 段沉積期湖盆開(kāi)始逐漸收縮，該期沉積為盆地主要的儲(chǔ)油層；長(zhǎng)6-長(zhǎng)2 段沉積期為回返、萎縮階段；長(zhǎng)1 段沉積期盆地逐漸消亡，為準(zhǔn)平原化期[9]。

馬嶺地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，東至白馬、西至肖關(guān)、南至曲子、北至郝家澗一帶，區(qū)域構(gòu)造上屬于天環(huán)坳陷南部，該區(qū)域構(gòu)造相對(duì)平緩，不發(fā)育斷層。馬嶺地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組地層以內(nèi)陸湖相沉積為主，沉積格局和沉積體系的分布受長(zhǎng)期繼承性整體升降運(yùn)動(dòng)下形成的廣闊斜坡構(gòu)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(zhǎng)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(jìn)一步劃分為長(zhǎng)61、長(zhǎng)62、長(zhǎng)63三個(gè)亞段，長(zhǎng)63亞段為馬嶺地區(qū)的主力產(chǎn)層[10]。

2 沉積儲(chǔ)層特征

2.1 沉積相類(lèi)型及特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)鉆井、測(cè)井、錄井、取心資料及前人研究成果等分析，對(duì)馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段的沉積相環(huán)境進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段為湖泊沉積體系，總體發(fā)育一套以半深湖-深湖亞相為沉積背景的砂質(zhì)碎屑流、濁流沉積和半深湖-深湖泥沉積。

2.1.1 砂質(zhì)碎屑流沉積

砂質(zhì)碎屑流沉積是研究區(qū)重要的一類(lèi)儲(chǔ)層，在研究區(qū)深湖亞相中廣泛發(fā)育。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段砂質(zhì)碎屑流沉積的巖性主要為細(xì)砂巖，發(fā)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(dá)數(shù)十米，砂巖的內(nèi)部不含其他沉積構(gòu)造，也無(wú)粒序遞變層理，砂巖底部較為平坦，不具有侵蝕作用，內(nèi)部偶見(jiàn)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(huán)境下形成，屬于重力流沉積，一般以紊流的流動(dòng)狀態(tài)為特征，密度較低，沉積垂向序列常呈正遞變[11]。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段濁流沉積巖性以褐灰色細(xì)砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖與泥巖伴生，常以砂泥巖薄互層形式出現(xiàn)，構(gòu)成不完整的鮑馬序列。沉積構(gòu)造具粒度遞變，含有鮑馬序列、火焰構(gòu)造、重荷模等（圖1c—f）。

圖1 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)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(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 儲(chǔ)集空間類(lèi)型

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段砂巖儲(chǔ)集孔隙類(lèi)型有粒間孔、長(zhǎng)石溶孔、粒間溶孔、晶間孔和微裂隙等，其中粒間孔、長(zhǎng)石溶孔、粒間溶孔分別占儲(chǔ)層孔隙的1.23%，0.83%和0.15%，為區(qū)內(nèi)長(zhǎng)63亞段的主要儲(chǔ)集空間。

2.2.2 孔隙特征

（1）孔隙大小及形態(tài)：根據(jù)李道品等對(duì)孔隙直徑進(jìn)行細(xì)分，將孔隙分為五種類(lèi)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(qū)長(zhǎng)63亞段平均孔隙直徑為20.01 μm，以中孔隙為主。

（2）喉道類(lèi)型：喉道為連接兩個(gè)孔隙的狹窄通道，其大小與連通狀況直接影響著儲(chǔ)層的有效性和滲透性。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)特征：馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段的排驅(qū)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(jìn)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(qū)內(nèi)長(zhǎng)63亞段屬于致密砂巖油藏，具有排驅(qū)壓力較大、中值半徑小、退汞效率較高、孔喉道半徑小、儲(chǔ)層采收率相對(duì)較高的特點(diǎn)（圖3）。

圖2 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段主要喉道類(lèi)型

圖3 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力曲線特征

3 成巖作用特征

3.1 壓實(shí)作用

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段的壓實(shí)作用總體上發(fā)育程度中等，縱向上差異性較為明顯，儲(chǔ)層所受的壓實(shí)程度較強(qiáng)，在巖性偏細(xì)、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(lái)越緊密，巖屑的壓實(shí)變形現(xiàn)象較為普遍（圖4a）。

3.2 膠結(jié)作用

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層的膠結(jié)礦物有綠泥石、伊利石、碳酸鹽巖、硅質(zhì)等。由于膠結(jié)物在孔隙中達(dá)到飽和時(shí)會(huì)發(fā)生沉淀，堵塞孔隙，從而減少了儲(chǔ)層孔隙度，降低了儲(chǔ)層滲透率，進(jìn)而影響儲(chǔ)層的物性。研究區(qū)長(zhǎng)63亞段的膠結(jié)作用主要有黏土膠結(jié)作用、碳酸鹽膠結(jié)作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用。

黏土膠結(jié)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(tài)是薄膜狀黏土膜膠結(jié)，伊利石常呈片絲狀、毛發(fā)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(jié)作用在研究區(qū)碎屑巖中非常普遍，主要呈粒間膠結(jié)物、交代物或次生孔隙內(nèi)填充物形式出現(xiàn)，研究區(qū)主要以鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)為主，方解石和白云石膠結(jié)也偶有出現(xiàn)（圖4d，e）。

硅質(zhì)膠結(jié)作用在研究區(qū)砂巖中不發(fā)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(duì)另一種礦物的替代，往往造成原巖的成分類(lèi)型和結(jié)構(gòu)局部或全部變化，但是一般體積不產(chǎn)生變化，因此對(duì)孔隙的影響不大[13]。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段交代作用發(fā)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(zhǎng)石（圖4g）。

圖4 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段砂巖儲(chǔ)層中膠結(jié)物賦存狀態(tài)

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用一般貫穿于整個(gè)成巖過(guò)程，它是在一定的條件下，孔隙溶液對(duì)儲(chǔ)層中不穩(wěn)定的碎屑顆粒、膠結(jié)物等進(jìn)行溶蝕，從而改善儲(chǔ)層物性。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段主要表現(xiàn)為長(zhǎng)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(jié)特征

4.1 主要類(lèi)型及產(chǎn)狀特征

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層中膠結(jié)物種類(lèi)豐富，其中伊利石占填隙物總量的38.31%、碳酸鹽膠結(jié)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(duì)181 個(gè)含有明顯碳酸鹽膠結(jié)物的薄片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，配合掃描電鏡、電子探針、陰極發(fā)光、鐵氰化鉀和茜素紅染色等手段綜合分析發(fā)現(xiàn)，馬嶺地區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)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(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層膠結(jié)物成分及含量

研究區(qū)長(zhǎng)63亞段方解石形成于早期，晶粒較小，常呈微晶或者中-細(xì)晶的泥晶形態(tài)，在砂巖中往往呈薄層狀，不含鐵，在氰化鉀染色后顏色不發(fā)生變化，后期不發(fā)生溶蝕作用。而含鐵方解石賦存狀態(tài)多為連晶狀，鏡下可見(jiàn)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(chǎn)物，薄片中常見(jiàn)連晶含鐵方解石交代長(zhǎng)石、碳酸鹽巖屑等粒間物質(zhì)或充填儲(chǔ)層原生孔隙或長(zhǎng)石溶蝕孔隙。

4.2 碳酸鹽膠結(jié)物來(lái)源及形成機(jī)理

碳酸鹽膠結(jié)物的物質(zhì)來(lái)源多種多樣，且具有多期次性，所以其形成過(guò)程和形成模式相對(duì)較復(fù)雜，碳酸鹽膠結(jié)物的物質(zhì)來(lái)源研究一般從砂巖儲(chǔ)層水介質(zhì)中碳離子和鈣離子的物質(zhì)來(lái)源方面進(jìn)行探討[14]。研究區(qū)碳酸鹽物質(zhì)來(lái)源和形成機(jī)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(tài)時(shí)，孔隙水中碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)會(huì)不斷被溶解，而達(dá)到飽和狀態(tài)后，碳酸鹽物質(zhì)將會(huì)通過(guò)孔隙水而直接沉淀出來(lái)。該期膠結(jié)物的產(chǎn)生往往發(fā)生在壓實(shí)作用前，而形成局部致密無(wú)孔隙的砂巖儲(chǔ)層。研究認(rèn)為，區(qū)內(nèi)該形成機(jī)制早期沉淀的碳酸鹽膠結(jié)物增強(qiáng)了砂巖儲(chǔ)層的抗壓能力，能夠有效地改善儲(chǔ)層的孔隙度，一定程度上也能反映巖石的流體性質(zhì)。

4.2.2 碳酸鹽巖屑的溶解作用

該形成過(guò)程中烴源層有機(jī)質(zhì)已逐步成熟，其干酪根在水中進(jìn)行熱演化生烴作用，從而生成更多的CO2和有機(jī)酸，使得地層水中pH 值越來(lái)越低，含有酸性的水會(huì)造成埋藏環(huán)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(zhì)形成的重要來(lái)源[15]。這種機(jī)制形成的膠結(jié)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(qū)馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段白云石（鐵白云石）碳酸鹽膠結(jié)物含量高，較為常見(jiàn)，薄片中可見(jiàn)溶解，形成的膠結(jié)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(guò)程與砂巖儲(chǔ)層中白云巖巖屑的溶解再沉淀有一定的關(guān)系。

4.2.3 黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用

馬嶺地區(qū)的巖石薄片鑒定統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)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(duì)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(jié)物成巖過(guò)程中大量消耗了高嶺石、蒙脫石，而轉(zhuǎn)化形成高含量的伊利石、水云母、鈉長(zhǎng)石等，轉(zhuǎn)化過(guò)程反應(yīng)如下[16]：

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

由上述反應(yīng)過(guò)程可知，黏土礦物可以經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化作用生成碳酸鹽膠結(jié)物，尤其在轉(zhuǎn)化過(guò)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(zhì)來(lái)源，這也可能是造成研究區(qū)鐵白云石和鐵方解石占碳酸鹽膠結(jié)物總含量比較高的原因。

4.2.4 長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的水化作用

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段中碳酸鹽膠結(jié)物形成過(guò)程中的另一個(gè)重要物質(zhì)來(lái)源是長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物溶解的水化作用，例如鈣長(zhǎng)石水化溶解反應(yīng)如下[17]：

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

該溶解過(guò)程中長(zhǎng)石不斷提供Ca2+使得其在孔隙中直接沉淀形成碳酸鹽膠結(jié)物。馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石含量高，可以為碳酸鹽膠結(jié)物的形成提供充足的物質(zhì)來(lái)源，長(zhǎng)石在后期溶解過(guò)程中形成次生孔隙空間，隨著Ca2+與CO32-的結(jié)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(chǔ)層的孔隙度降低。

5 成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層成巖作用對(duì)儲(chǔ)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(guī)律發(fā)生變化，影響儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力，同時(shí)又能促進(jìn)次生孔隙的形成，改善儲(chǔ)層的物性，形成有利的儲(chǔ)集空間。

由圖6 可知，馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段膠結(jié)作用是區(qū)內(nèi)砂巖儲(chǔ)層物性變差的一個(gè)重要原因。

圖6 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段粒間體積-膠結(jié)物含量關(guān)系

研究區(qū)膠結(jié)作用總體上會(huì)使得儲(chǔ)層的物性變差，但是早期的膠結(jié)作用能夠降低壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層的破壞強(qiáng)度，同時(shí)后期的溶蝕作用能夠改善儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率。黏土礦物能夠減緩壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層的影響，但當(dāng)含量過(guò)高時(shí)又會(huì)堵塞孔隙，使得孔隙度減少，滲透率變差。硅質(zhì)膠結(jié)主要是石英次生加大，隨著儲(chǔ)層深度加深，次生加大石英充填孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)層致密，孔隙度減少，滲透率降低；由圖7a 可知，硅質(zhì)膠結(jié)物與面孔率大體呈負(fù)相關(guān)，即硅質(zhì)膠結(jié)物總體上對(duì)儲(chǔ)層物性具消極影響。

碳酸鹽膠結(jié)物在研究區(qū)儲(chǔ)層中含量高，它也是砂巖儲(chǔ)層中含量最高的一種自生礦物。研究區(qū)在成巖過(guò)程中一直伴隨著儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物的不斷形成和富集，該過(guò)程往往會(huì)充填砂巖儲(chǔ)層中的原生孔隙和次生孔隙，形成分割儲(chǔ)層的致密鈣質(zhì)層，導(dǎo)致儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率降低，從而增強(qiáng)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。由圖7b 可知，馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段碳酸鹽膠結(jié)物與面孔率大體呈負(fù)相關(guān)，分析認(rèn)為晚期碳酸鹽膠結(jié)物是使馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層物性變差的另一個(gè)重要原因。

圖7 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段硅質(zhì)膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物與面孔率的相關(guān)性

6 結(jié)論

（1）馬嶺地區(qū)長(zhǎng)63亞段為湖泊沉積體系，發(fā)育一套以半深湖-深湖亞相為沉積背景的砂質(zhì)碎屑流、濁流沉積和半深湖-深湖泥沉積。儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型主要為粒間孔、長(zhǎng)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(qū)長(zhǎng)63亞段儲(chǔ)層物性的主要成巖作用類(lèi)型是壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶蝕作用，其中壓實(shí)作用和膠結(jié)作用能夠破壞儲(chǔ)層物性，交代作用對(duì)儲(chǔ)層的物性影響不明顯，而溶蝕作用能在一定程度上改善儲(chǔ)層物性。

（3）區(qū)內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)物主要有鐵白云石、鐵方解石、白云石和方解石4 種類(lèi)型，探討其形成機(jī)理認(rèn)為主要為碳酸鹽直接沉淀、巖屑溶解、長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的水化及黏土礦物的轉(zhuǎn)化。

（4）碳酸鹽膠結(jié)物多充填于溶蝕粒間孔和粒內(nèi)溶孔中，早期能夠增強(qiáng)儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力，對(duì)儲(chǔ)層物性具有積極作用；后期溶解作用較弱，使得砂巖儲(chǔ)層變得致密，增強(qiáng)了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，所以晚期的碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層的物性具有消極影響。