鄂爾多斯盆地坪北地區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層主控成巖作用類型及平面分布

陳小虎， 楊申谷， 王青青

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100)

隨著疫情形勢(shì)的好轉(zhuǎn)，經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，中國(guó)對(duì)石油能源的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加，常規(guī)油氣的產(chǎn)量處于瓶頸狀態(tài)，非常規(guī)油氣被廣泛關(guān)注[1-2]。鄂爾多斯盆地為克拉通邊緣坳陷盆地，層系多且復(fù)雜，生儲(chǔ)蓋組合配套良好，生烴與儲(chǔ)油氣能力較強(qiáng)，因此勘探潛力較高[3]。

坪北地區(qū)長(zhǎng)6段作為的主力產(chǎn)層，平均滲透率僅為0.59×10-3μm2，屬于典型的低-超低滲透油藏[4]，因此后期勘探難度較大。成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的影響較大，其大致可以分為破壞性成巖作用與建設(shè)性成巖作用，一定程度上控制了油氣資源的運(yùn)移和存儲(chǔ)條件等，對(duì)后期儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)具有一定的影響。

羅靜蘭等[5]、Dutton等[6]認(rèn)為“源-匯”系統(tǒng)的沉積作用過(guò)程、源區(qū)母巖性質(zhì)、沉積物分散樣式?jīng)Q定的砂巖類型與巖石學(xué)組分，及其對(duì)成巖演化路徑、成巖過(guò)程中物理作用和化學(xué)作用的影響，造成儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)的不同及儲(chǔ)集層的強(qiáng)非均質(zhì)性。程濤等[7]認(rèn)為該地區(qū)長(zhǎng)6段為三角洲前緣水下分流河道-河口壩微相過(guò)渡區(qū)域，沉積物源來(lái)自研究區(qū)東北部及北部，對(duì)后期砂巖的成巖演化過(guò)程與平面分布，提供了一定的基礎(chǔ)。王建等[4]對(duì)該地區(qū)的儲(chǔ)層巖石物理相分類進(jìn)行了研究，將坪北區(qū)巖石物理相劃分為4類，能夠有效地將低孔特低滲透油藏進(jìn)一步細(xì)分,對(duì)后期的開(kāi)發(fā)調(diào)整具有一定的意義。李少華等[8]通過(guò)對(duì)該地區(qū)成巖作用的研究，認(rèn)為該地區(qū)已達(dá)到晚成巖A期，并總結(jié)出了成巖序列與孔隙演化模式，對(duì)成巖序列的劃分具有一定的借鑒作用。

綜合前人研究成果，在研究區(qū)成巖作用類型的空間分布規(guī)律與預(yù)測(cè)上沒(méi)有準(zhǔn)確的結(jié)論。長(zhǎng)期以來(lái)，成巖作用的平面分布通常是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在相控條件下進(jìn)行分析。針對(duì)該區(qū)的研究現(xiàn)狀，運(yùn)用常規(guī)物性分析等手段，對(duì)長(zhǎng)6段致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行深入研究，查明主控成巖作用類型及平面分布，為后期建立相對(duì)高滲儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)模型具有一定的指導(dǎo)作用；同時(shí)為坪北油田持續(xù)增儲(chǔ)上產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐準(zhǔn)備。

1 地質(zhì)概況

坪北油田處于延安市安塞縣境內(nèi)，位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中段坪橋鼻褶帶(圖1)，工區(qū)地層比較平緩，整體為一個(gè)西傾的單斜[9]，斷裂與構(gòu)造圈閉不發(fā)育。坪北地區(qū)在早期湖盆深陷擴(kuò)張，長(zhǎng)6時(shí)期，在湖盆周緣形成一系列大型建設(shè)性河控湖泊三角洲沉積，三角洲前緣逐漸向湖盆進(jìn)積，砂巖發(fā)育，范圍廣，厚度大，物性好，為油氣成藏提供了良好的儲(chǔ)集條件[10]，其中長(zhǎng)6段主要為三角洲平原-前緣亞相。由于不同沉積體系砂體的尖滅方向不同，儲(chǔ)層物性表現(xiàn)出強(qiáng)非均質(zhì)性特征，一方面能夠發(fā)育物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層，構(gòu)成油氣富集的有效儲(chǔ)層；另一方面會(huì)使成藏機(jī)制復(fù)雜化，對(duì)油氣的勘探和預(yù)測(cè)帶來(lái)一定難度[11]。

圖1 坪北油田構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of Pingbei Oilfield

2 巖石學(xué)特征

根據(jù)坪北地區(qū)12口井216個(gè)巖石薄片鏡下鑒定分析，研究區(qū)長(zhǎng)6段以長(zhǎng)石砂巖為主(圖2)，長(zhǎng)石含量較高(45%～60%)，最高可達(dá)68%。巖屑中火成巖巖屑含量最多(5.72%)，變質(zhì)巖巖屑次之(5.67%)，沉積巖巖屑最少(1.90%)。填隙物以泥質(zhì)(4.08%)、方解石(3.60%)、鐵方解石(2.44%)為主，其次為硅質(zhì)、綠泥石，另外還含有白云石。砂巖粒徑區(qū)間為0.09～0.80 mm，以中-粗粒結(jié)構(gòu)為主，分選性中等-偏好，磨圓度較差，多為次棱-次圓，顆粒為線接觸，多為顆粒支撐，主要為薄膜-孔隙式膠結(jié)，巖石的結(jié)構(gòu)成熟度中等[12]。

圖2 坪北地區(qū)長(zhǎng)6段砂巖成分三角圖Fig.2 Sandstone composition triangle of Chang 6 member in Pingbei Area

3 成巖作用特征

根據(jù)各種礦物形成與成巖演化的相對(duì)順序，鑄體薄片中礦物之間的穿插關(guān)系，碎屑與填隙物的組構(gòu)特征與成巖作用特征進(jìn)行成巖演化序列綜合分析[13]，確認(rèn)研究區(qū)當(dāng)前成巖演化主體已進(jìn)入中成巖A期。在埋藏成巖過(guò)程中主要經(jīng)歷：壓實(shí)、膠結(jié)、交代及溶蝕等作用。壓實(shí)與膠結(jié)作用造成地層中原生孔隙大幅度降低，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度降低，屬破壞性成巖作用；溶蝕作用能形成次生孔隙，屬建設(shè)性成巖作用。

3.1 壓實(shí)作用

成巖早期，主要為壓實(shí)作用，強(qiáng)度與深度呈指數(shù)相關(guān)，地層在淺埋藏條件下主要為機(jī)械壓實(shí)，在深埋藏條件下主要為化學(xué)壓實(shí)作用[2]。當(dāng)溫壓條件達(dá)到一定界限，顆粒將會(huì)發(fā)生晶格變形與溶解，顆粒之間的接觸關(guān)系由點(diǎn)轉(zhuǎn)為線、凹凸與縫合線接觸[14][圖3(a)]，原生孔隙進(jìn)一步減少。在壓實(shí)作用下當(dāng)超過(guò)剛性顆粒(長(zhǎng)石、石英)屈服極限時(shí)將發(fā)生脆性破裂[圖3(d)]。壓實(shí)作用發(fā)生階段主要為在同生或早成巖階段，隨著膠結(jié)作用不斷增強(qiáng)，壓實(shí)作用在一定程度上受到影響[15]。坪北地區(qū)長(zhǎng)6段在受壓實(shí)、壓溶作用時(shí)，原生孔隙體積迅速減小[16]，原生粒間孔隙度損失達(dá)15%～20%，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率大幅度降低[17-18]。

3.2 膠結(jié)作用

根據(jù)216個(gè)樣品薄片鑒定資料，統(tǒng)計(jì)出坪北地區(qū)長(zhǎng)6段膠結(jié)物主要有：方解石、鐵方解石、白云石、濁沸石、石英加大、自生綠泥石、伊利石等。主控膠結(jié)作用類型以方解石、濁沸石膠結(jié)為主。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)物

主要以石英次生加大邊、孔隙式充填的形式產(chǎn)出。Ⅰ級(jí)加大式呈原始顆粒點(diǎn)接觸，加大邊薄而不平，硅質(zhì)膠結(jié)物如小丘狀生長(zhǎng)[圖3(b)]；相比于Ⅰ級(jí)加大式，Ⅱ級(jí)加大式主要呈線狀接觸，加大邊平直，發(fā)育膠結(jié)剩余粒間孔[圖3(c)]；孔隙充填式主要充填于綠泥石膜間粒間孔與石英2～3級(jí)加大粒間孔中[圖3(d)，圖3(h)]。砂巖孔隙度進(jìn)一步降低，骨架顆粒強(qiáng)度增加，壓實(shí)作用受到抑制[19]。

3.2.2 碳酸鹽膠結(jié)物

根據(jù)薄片觀察統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)主要為方解石，其次為含鐵方解石。各井方解石膠結(jié)物平均含量0.50%～35.00%，平均值為3.55%。以充填粒間孔為主，其次為與貼粒縫共生或殘存于溶孔中[圖3(e)～圖3(k)]。研究區(qū)長(zhǎng)石砂巖中可觀察到方解石交代石英及雜基，使石英顆粒邊緣呈港灣狀、鋸齒狀并充填，因此屬于破壞性成巖作用[20]。

3.2.3 濁沸石膠結(jié)物

由于濁沸石膠結(jié)與方解石膠結(jié)不共生，濁沸石膠結(jié)作用發(fā)育的區(qū)域，其他膠結(jié)作用不發(fā)育，在研究區(qū)濁沸石含量在0.50%～17.00%，平均含量6.29%，主要充填于綠泥石膜間孔或殘余在粒間溶孔中或與貼粒縫共生，可能是綠泥石膜溶蝕所致[圖3(l)～圖3(m)]。

3.2.4 自生黏土礦物膠結(jié)

X射線衍射結(jié)果表明：研究區(qū)自生黏土礦物主要為伊利石、綠泥石、伊/蒙混層(表1)。伊利石主要呈孔隙式、薄膜式膠結(jié)[圖3(n)]，主要發(fā)育于巖屑砂巖和雜基含量較高的巖屑石英砂巖中，石英砂巖中不發(fā)育。綠泥石主要在成巖早期以環(huán)邊狀薄膜的形式出現(xiàn)，由于綠泥石膜的存在，巖石抗機(jī)械壓實(shí)的能力增加，原生孔隙得到一定保護(hù)[21-22]。

表1 坪北地區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層黏土礦物X射線衍射分析Table 1 X-ray diffraction analysis of clay minerals in Chang 6 reservoir in Pingbei Area

圖3 坪北地區(qū)長(zhǎng)6段巖樣薄片圖Fig.3 Thin section of rock sample of Chang 6 member in Pingbei Area

3.3 交代作用

長(zhǎng)6段顆粒蝕變明顯，常見(jiàn)的交代蝕變作用主要為長(zhǎng)石巖屑顆粒的方解石化[圖3(o)]、濁沸石化、伊利石化。鉀長(zhǎng)石伊利石化后，碎屑顆粒發(fā)生變形，抗壓性變差而使砂巖致密化。濁沸石化是研究區(qū)的一類重要的成巖作用類型，表現(xiàn)為濁沸石對(duì)中性斜長(zhǎng)石的交代[圖3(p)]。總的來(lái)看，雖然交代作用導(dǎo)致巖石致密化，但為后期的蝕變作用奠定了基礎(chǔ)。

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用能夠擴(kuò)大儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間、改善儲(chǔ)層性能，屬建設(shè)性成巖作用[23]。前人在研究中未深入研究溶蝕機(jī)理，主要根據(jù)溶孔發(fā)育在什么客體下就直接定為什么類型的物質(zhì)的溶蝕。根據(jù)前人觀點(diǎn)，本區(qū)主要發(fā)育長(zhǎng)石溶蝕作用、巖屑溶蝕作用與粒間溶蝕作用[24-25]。

圖4 坪北地區(qū)長(zhǎng)6段成巖作用序列圖Fig.4 Sequence diagram of Yanchang compositional rocks in Pingbei Area

通過(guò)對(duì)研究區(qū)的薄片觀察，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)石溶蝕與交代，巖屑溶蝕的位置可觀察到方解石溶蝕殘余[圖3(q)]，據(jù)此可以推斷，長(zhǎng)石及巖屑溶孔的形成，實(shí)質(zhì)上是方解石化后，方解石遭受溶蝕作用而形成次生孔隙；在粒間溶孔中可見(jiàn)濁沸石殘余[圖3(r)]，這一特征可能揭示粒間溶孔實(shí)際上是基底式或孔隙連晶式方解石膠結(jié)物溶蝕和濁沸石溶蝕的結(jié)果。

根據(jù)以上結(jié)果，可以推斷研究區(qū)溶蝕作用實(shí)質(zhì)上僅有兩種：方解石膠結(jié)物或交代物的溶蝕作用[圖3(q)]和濁沸石膠結(jié)物的溶蝕作用[圖3(r)]。

4 成巖序列及成巖體系劃分

4.1 成巖序列

在儲(chǔ)層的研究和預(yù)測(cè)中碎屑巖成巖階段的劃分具有重要的作用。根據(jù)薄片鑒定結(jié)果，結(jié)合自生黏土礦物、有機(jī)質(zhì)成熟度等相關(guān)資料，依據(jù)陸相盆地碎屑巖成巖作用階段劃分方案[26]，坪北地區(qū)長(zhǎng)6段平均鏡質(zhì)體反身摔RO為0.78%，處于0.5～1.3，因此，目前處于中成巖A期(圖4)，該階段干酪根早成熟，轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，有機(jī)酸排出導(dǎo)致水介質(zhì)為弱酸性，溶蝕作用發(fā)育，顆粒呈長(zhǎng)線接觸，為次生孔隙發(fā)育階段。

早成巖A期，沉積物處于淺埋藏階段，此時(shí)有機(jī)質(zhì)處于未熟階段。隨著沉積物埋深的增加，壓實(shí)作用持續(xù)增強(qiáng)，原生孔隙大幅度減少，約15%，此階段，綠泥石、綠泥石薄膜式膠結(jié)，濁沸石膠結(jié)開(kāi)始顯現(xiàn)。其中綠泥石膠結(jié)對(duì)原生孔隙起到了一定的保護(hù)作用。此階段顆粒主要以點(diǎn)接觸為主。

早成巖B期，有機(jī)質(zhì)處于半熟階段(RO為0.37%～0.48%)，根據(jù)有機(jī)酸產(chǎn)生時(shí)間，將早成巖B期細(xì)分為B1、B2期，早成巖B1期，綠泥石薄膜式膠結(jié)轉(zhuǎn)換成孔隙式膠結(jié)，同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)石英孔隙式膠結(jié)，孔隙進(jìn)一步減小。進(jìn)入早成巖B2期，有機(jī)質(zhì)開(kāi)始產(chǎn)生有機(jī)酸，溶蝕作用開(kāi)始進(jìn)行；方解石膠結(jié)作用減弱，出現(xiàn)含鐵方解石膠結(jié)；濁沸石膠結(jié)交代作用停止；石英顆粒出現(xiàn)Ⅱ級(jí)加大邊，顆粒以短線接觸為主，但整體上孔隙依舊減小。

中成巖A期，鏡質(zhì)體反射率RO=0.58%～0.78%。隨著地層溫壓持續(xù)升高，當(dāng)溫壓條件達(dá)到生烴門限，大量的酸性有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生，地層水pH降低，碳酸鹽發(fā)生溶解，次生孔隙發(fā)育。此階段石英顆粒出現(xiàn)Ⅲ級(jí)加大邊，充填孔隙；同時(shí)由于壓溶作用，顆粒之間由短線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)線接觸。但總的來(lái)看孔隙在一定程度上有所增加。

綜上所述，坪北地區(qū)長(zhǎng)6段成巖作用序列為：早期壓實(shí)→早期綠泥石薄膜形成→方解石膠結(jié)交代作用→石英次生加大開(kāi)始→濁沸石膠結(jié)交代作用→有機(jī)流體注入→溶蝕作用。

4.2 成巖體系

根據(jù)成巖作用類型、成巖作用相互關(guān)系分析及成巖序列分析可知，成巖作用是由一定的反應(yīng)碎屑物質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物組成的化學(xué)平衡過(guò)程，這樣的化學(xué)平衡過(guò)程分步發(fā)生，產(chǎn)生了不同時(shí)代的成巖作用過(guò)程。結(jié)合有機(jī)質(zhì)成熟導(dǎo)致的流體酸度的變化，歸納出成巖過(guò)程，并根據(jù)成因，將成巖過(guò)程劃分為5個(gè)成巖體系(表2)。

這五個(gè)成巖體系，發(fā)育順序總體上由上向下進(jìn)行，從而形成由早到晚的成巖順序是：綠泥石膜、濁沸石膠結(jié)、方解石交代與膠結(jié)/石英Ⅰ級(jí)加大、濁沸石交代與膠結(jié)、鐵方解石交代與膠結(jié)、貼粒縫/濁沸石溶孔/方解石溶孔。

5 成巖分異及主控成巖作用類型平面分布

在成巖作用平面分布分析中，由于沒(méi)有準(zhǔn)確的結(jié)論預(yù)測(cè)成巖作用類型的空間分布規(guī)律，長(zhǎng)期以來(lái)，成巖作用的平面分布只能是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在相控條件下進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)成巖序列和成巖體系綜合分析，發(fā)現(xiàn)在同一體系下的成巖作用類型相互迭置，互為反應(yīng)物和產(chǎn)物的前后聯(lián)系的成巖作用類型也相互迭置，因此，對(duì)于這一體系的成巖作用，無(wú)法單獨(dú)成圖；反之，在不共生(濁沸石與方解石膠結(jié)作用)的成巖體系中，成巖產(chǎn)物在砂體體系中如果有規(guī)律的分布，將可以進(jìn)行平面分布分析與預(yù)測(cè)。

在一個(gè)薄片區(qū)內(nèi)顯示碳酸鹽化及膠結(jié)區(qū)與硅酸鹽膠結(jié)區(qū)，由于微區(qū)碎屑組分不同而分布于不同的區(qū)域(圖5)。微觀碎屑組分的差異可造成微區(qū)成巖作用類型的差異，沉積分異規(guī)律可造成微觀碎屑組分的差異，因此，在成巖體系條件下，沉積分異可造成成巖分異。

圖5 膠結(jié)作用微觀分異圖Fig.5 Microscopic differentiation of cementation

表2 坪北地區(qū)延長(zhǎng)組成巖體系表Table 2 Yanchang composition rock system in Pingbei Area

根據(jù)沉積分異規(guī)律，在順直河道中，石英和正長(zhǎng)石相對(duì)富集；分岔前緣，正長(zhǎng)石和中酸性斜長(zhǎng)石相對(duì)富集；分岔處，基性斜長(zhǎng)石相對(duì)富集，正長(zhǎng)石和中酸性斜長(zhǎng)石次之。次級(jí)分流河道中，在尖滅端，長(zhǎng)石和凝灰質(zhì)相對(duì)富集。這一組分的分布，通過(guò)成巖過(guò)程，將造成成巖作用類型的分異(圖6)。這一沉積碎屑組分決定成巖組分分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，稱為成巖分異規(guī)律。

以成巖分異規(guī)律為指導(dǎo)，在相控條件的約束下，對(duì)膠結(jié)作用進(jìn)行平面分布刻畫(圖7～圖10)，在河道順直處，濁沸石含量高，方解石含量低。研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)6段主力油層的溶蝕作用以濁沸石溶蝕作用為主，因此在河道分岔處為儲(chǔ)層相對(duì)發(fā)育區(qū)。

圖6 成巖分異示意圖Fig.6 Schematic diagram of diagenetic differentiation

圖7 長(zhǎng)濁沸石分布平面圖Fig.7 Distribution plan of Chang laumontite

圖8 長(zhǎng)方解石分布平面圖Fig.8 Distribution plan of chang calcite

圖9 長(zhǎng)濁沸石分布平面圖Fig.9 Distribution plan of Chang laumontite

圖10 長(zhǎng)方解石分布平面圖Fig.10 Distribution plan of long calcite

6 結(jié)論

(1)坪北地區(qū)長(zhǎng)6段成巖作用序列為：早期壓實(shí)→早期綠泥石薄膜形成→方解石膠結(jié)交代作用→石英次生加大開(kāi)始→濁沸石膠結(jié)交代作用→有機(jī)流體注入→溶蝕作用。

(2)根據(jù)成巖作用類型、成巖作用相互關(guān)系分析及成巖序列分析，將成巖過(guò)程劃分為5個(gè)成巖體系。凝灰質(zhì)水解、基性斜長(zhǎng)石碳酸鹽化、中酸性斜長(zhǎng)石濁沸石化、含鐵礦物碳酸鹽化及碳酸鹽溶蝕。

(3)由于沉積分異→沉積碎屑組分分布差異→微觀碎屑組分分布差異→微區(qū)成巖分異，因此沉積分異可造成成巖分異。在河道分岔處，濁沸石充填砂巖孔隙，含量較高，后期酸性物質(zhì)導(dǎo)致濁沸石溶蝕形成次生孔隙，因此河道分岔處為儲(chǔ)層有利區(qū)。