董姜暢 ，王愛(ài)國(guó) ，樊志強(qiáng) ，孫勃 ，蒲磊 ，劉鵬飛 ，胡瑞 ，張衛(wèi)剛

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西 慶陽(yáng) 745100；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710069；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠，陜西 西安 710069）

0 引言

鄂爾多斯盆地是中國(guó)致密油資源最豐富的盆地，富集層位于湖盆中部延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段［1］。壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是致密儲(chǔ)層的兩大控制因素［2-4］。壓實(shí)作用在埋藏階段始終存在，與埋藏深度或上覆地層壓力正相關(guān)。膠結(jié)作用表現(xiàn)為自生成巖礦物（如碳酸鹽礦物、濁沸石）沉淀而堵塞孔隙，與儲(chǔ)層內(nèi)的成巖流體活動(dòng)有關(guān)；成巖流體的來(lái)源、性質(zhì)、活動(dòng)特征不同，對(duì)儲(chǔ)層的成巖改造也不同。

雖然前人［5］開(kāi)展了大量研究工作，但是對(duì)致密儲(chǔ)層成因的認(rèn)識(shí)仍比較薄弱。油氣充注作為盆地內(nèi)一種重要的流體活動(dòng)事件，常常伴隨或者引發(fā)一系列水巖反應(yīng)，甚至完全主導(dǎo)了儲(chǔ)層內(nèi)的成巖演化［6-8］。為此，本文以鄂爾多斯盆地鐵邊城地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段致密儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過(guò)詳細(xì)的巖礦學(xué)特征和地球化學(xué)測(cè)試結(jié)果分析，深入探討了致密儲(chǔ)層成因及控制因素。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，是我國(guó)第2大沉積盆地。上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組是一套河流相和湖泊相碎屑沉積，厚度在400～1 400 m，南厚北薄，延長(zhǎng)組沉積過(guò)程反映了湖泊形成—擴(kuò)張—收縮—消亡的全過(guò)程［9］。鐵邊城地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部，緊鄰古湖盆中心，致密油發(fā)育［10］（見(jiàn)圖 1）。 在長(zhǎng) 7段沉積期，該區(qū)為三角洲前緣亞相和濱淺湖亞相，發(fā)育水下分流河道和分流間灣等沉積。研究區(qū)地層表現(xiàn)為西傾東抬的單斜構(gòu)造，發(fā)育多條近東西向的低幅隆起。

圖1 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密油分布及研究區(qū)位置

2 分析方法

在研究區(qū)22口井巖心觀察基礎(chǔ)上，從厚度大于0.5 m的單砂體中采集92塊樣品，開(kāi)展鑄體薄片、熒光薄片觀察、圖像分析和孔滲分析。對(duì)于顯微鏡下無(wú)法識(shí)別的成巖礦物，在掃描電鏡下進(jìn)行了形態(tài)觀察和能譜分析。對(duì)于富含碳酸鹽膠結(jié)物（體積分?jǐn)?shù)大于10%）的樣品，利用陰極發(fā)光儀開(kāi)展了成巖期次觀察，并分期次進(jìn)行全巖碳氧同位素測(cè)試。所有測(cè)試均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 致密儲(chǔ)層特征及成巖演化

3.1 儲(chǔ)層特征

鏡下薄片觀察表明：砂巖碎屑成分中石英和長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)較高，分別在15%～45%，10%～40%，巖性以長(zhǎng)石砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，巖屑體積分?jǐn)?shù)在1%～20%（均值8%）；以細(xì)砂巖為主，其次為極細(xì)砂巖；顆粒分選中等或差，磨圓度以次棱角狀為主，接觸關(guān)系以線接觸占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。整體上看：儲(chǔ)層粒度細(xì)、顆粒分選中—差、顆粒間緊密接觸；儲(chǔ)層內(nèi)的填隙物由方解石、雜基、高嶺石、綠泥石、硅質(zhì)和碳質(zhì)瀝青構(gòu)成，方解石平均體積分?jǐn)?shù)最高（13.0%），其次為雜基（4.0%）和高嶺石（1.5%），其他均小于1.0%。

儲(chǔ)層滲透率小于0.5×10-3μm2，絕大部分樣品小于0.2×10-3μm2，孔隙度小于 15%，主要分布在 4%～8%，屬于超低滲致密儲(chǔ)層［11］?？v向上，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，低孔滲層和較高孔滲層交替出現(xiàn)。整體上看，砂體厚度與儲(chǔ)層物性有一定的相關(guān)性。薄層砂體（0.5～2.6 m）的物性較差，孔隙度小于8%，滲透率小于0.2×10-3μm2。厚層砂體（大于2.6 m）的孔滲高值明顯增多。鑄體薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層面孔率小于12.0%，均值1.4%，約37%的樣品鏡下觀察未見(jiàn)孔隙。

3.2 成巖特征

研究區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層經(jīng)歷了明顯的壓實(shí)、膠結(jié)和溶蝕等成巖作用，不但導(dǎo)致了儲(chǔ)層致密化，同時(shí)也記錄了流體（油氣）活動(dòng)的痕跡。

3.2.1 壓實(shí)作用

巖石在壓實(shí)作用下，可通過(guò)孔隙水排出、剛性顆粒緊密排列、塑性組分彎曲變形等減孔方式對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生破壞。碎屑顆粒的接觸關(guān)系可揭示儲(chǔ)層的壓實(shí)程度；若碎屑顆粒以線接觸為主，則揭示了儲(chǔ)層經(jīng)歷了顯著的壓實(shí)作用。顆粒分選差、雜基體積分?jǐn)?shù)高的儲(chǔ)層，壓實(shí)減孔作用最為明顯，可直接導(dǎo)致砂巖致密。

3.2.2 膠結(jié)作用

1）方解石。方解石是儲(chǔ)層內(nèi)最發(fā)育的成巖礦物，呈孔隙型或連晶型膠結(jié)，并交代碎屑顆粒和高嶺石，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)49%。陰極發(fā)光測(cè)試發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層中存在2期方解石（Ⅰ期方解石發(fā)暗紅色光，Ⅱ期方解石發(fā)亮橘色光），多數(shù)樣品中的方解石只發(fā)1種顏色光（暗紅色或亮橘色），少數(shù)樣品中的方解石同時(shí)發(fā)2種顏色光（見(jiàn)圖2）。由表1可知：Ⅰ期方解石的碳、氧同位素分別在-3.31‰～-2.10‰，-21.30‰～-20.52‰；Ⅱ期方解石的碳、氧同位素分別在-6.17‰～-5.00‰，-25.25‰～-18.64‰；同時(shí)發(fā)生2期方解石膠結(jié)的樣品的碳同位素分布于過(guò)渡區(qū)間。2期方解石的碳同位素存在明顯差異，揭示了2期自生方解石。目前，對(duì)延長(zhǎng)組方解石的成因認(rèn)識(shí)還沒(méi)有形成統(tǒng)一，有機(jī)成因方解石的碳氧同位素范圍也不確定［5，12-16］。 部分學(xué)者［12-16］認(rèn)為碳同位素小于-1‰，即為有機(jī)成因。研究區(qū)2期方解石的碳同位素均小于-1‰，形成于油氣充注之后。因此，研究區(qū)的2期方解石膠結(jié)均為有機(jī)成因。22口井陰極發(fā)光測(cè)試表明：Ⅰ期方解石分布范圍很廣，厚度0.5～24.0 m的單砂體中均有分布；Ⅱ期方解石分布相對(duì)局限，主要分布于厚度大于2.6 m的厚層砂體中（見(jiàn)圖3a）。

表1 鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層自生礦物和全巖碳氧同位素

圖2 鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段2期方解石與2期瀝青交代關(guān)系

圖3 2期方解石及2種熒光顏色的瀝青在不同厚度單砂體中的分布

2）其他膠結(jié)物。自生高嶺石多呈蠕蟲(chóng)狀、聚片狀集合體分布于粒間孔隙中，體積分?jǐn)?shù)10.0%，平均1.5%。掃描電鏡觀察和能譜分析表明，這些高嶺石已經(jīng)被瀝青浸染。硅質(zhì)膠結(jié)以石英次生加大邊的形式產(chǎn)出，充填部分孔隙或被自生高嶺石包裹，體積分?jǐn)?shù)小于3.0%，平均0.5%。自生綠泥石呈孔隙襯邊形式出現(xiàn)，是儲(chǔ)層內(nèi)最早的自生礦物，體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)9%，但分布局限，僅見(jiàn)于少量樣品中。

3.2.3 溶蝕作用

長(zhǎng)7段儲(chǔ)層經(jīng)歷了較強(qiáng)的溶蝕作用，是研究區(qū)儲(chǔ)集空間形成的主要原因。在次生孔隙的貢獻(xiàn)上，長(zhǎng)石溶孔貢獻(xiàn)最大（孔隙占比0.6%），其次為雜基溶孔（孔隙占比0.5%）。此外，部分方解石膠結(jié)物也被溶蝕。

3.3 熒光特征

長(zhǎng)7段儲(chǔ)層的瀝青熒光顏色有黃色和藍(lán)白色2種（見(jiàn)圖2c，2f），并以藍(lán)白色為主。發(fā)黃色熒光的瀝青主要分布于喉道和顆粒表面，發(fā)藍(lán)白色熒光的瀝青主要充填于粒間孔、高嶺石晶間孔和微裂縫中（見(jiàn)圖2f）。因此，長(zhǎng)7段儲(chǔ)層存在2期油氣（Ⅰ期油氣發(fā)黃色熒光，Ⅱ期油氣發(fā)藍(lán)白色熒光）。

對(duì)于孔隙內(nèi)的瀝青而言，黃色與藍(lán)白色熒光瀝青具有不同的分布特征。黃色熒光瀝青分布范圍很廣，主要分布在厚度0.5～18.0 m的單砂體中；藍(lán)白色熒光瀝青分布范圍相對(duì)較窄，主要分布在厚度大于2.6 m的厚層砂體中（見(jiàn)圖3b）。瀝青的熒光顏色與方解石的期次具有明顯相關(guān)性，含Ⅰ期方解石的砂巖中多發(fā)育黃色熒光瀝青，含Ⅱ期方解石的砂巖中多發(fā)育藍(lán)白色熒光瀝青（見(jiàn)表1）。

3.4 差異成巖演化過(guò)程

成巖礦物間的交代、穿插等關(guān)系為成巖演化過(guò)程提供了證據(jù)。Ⅰ期方解石充填孔隙并交代黃色熒光瀝青浸染的高嶺石，揭示了高嶺石膠結(jié)—Ⅰ期油氣充注—Ⅰ期方解石膠結(jié)的成巖演化過(guò)程（見(jiàn)圖2a—2c）；Ⅱ期方解石充填于藍(lán)白色熒光瀝青殘留的孔隙中，揭示了Ⅱ期方解石膠結(jié)晚于Ⅱ期油氣充注的成巖演化過(guò)程（見(jiàn)圖2d—2f）。此外，Ⅰ期方解石和顆粒被溶蝕，藍(lán)白色熒光瀝青充填于溶蝕孔中，表明了Ⅱ期油氣充注晚于Ⅰ期方解石膠結(jié)。因此，確定了長(zhǎng)7段儲(chǔ)層整體的成巖演化過(guò)程為綠泥石膠結(jié)—硅質(zhì)、高嶺石膠結(jié)—Ⅰ期油氣充注—Ⅰ期方解石膠結(jié)—硅質(zhì)、高嶺石膠結(jié)—Ⅱ期方解石膠結(jié)—Ⅱ期油氣充注。

當(dāng)烴源巖排烴時(shí)，酸性流體和油氣進(jìn)入儲(chǔ)層，形成溶蝕孔隙、自生石英和高嶺石。隨著水巖反應(yīng)或脫羧作用消耗有機(jī)酸，成巖環(huán)境從酸性環(huán)境逐漸演化為堿性環(huán)境，最后富含有機(jī)碳的碳酸鹽膠結(jié)物沉淀下來(lái)并填充孔隙。由于Ⅰ期油氣充注時(shí)，方解石尚未大量膠結(jié)，儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，因此油氣能夠大范圍充注，這也充分解釋了黃色熒光瀝青大范圍分布的原因。

在成巖演化過(guò)程中，方解石膠結(jié)是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的關(guān)鍵因素。受儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響，儲(chǔ)層中不同厚度的單砂體或者砂體不同部位的方解石膠結(jié)存在明顯差異（見(jiàn)圖3a）。因此，本研究依據(jù)砂體厚度劃分了2類(lèi)成巖演化過(guò)程。

薄層砂體在壓實(shí)作用和Ⅰ期方解石膠結(jié)作用下，逐漸演化為致密砂巖。鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn)，砂巖面孔率非常低，僅發(fā)育充填喉道和粒內(nèi)孔的黃色熒光瀝青。因此，薄層砂體的成巖演化過(guò)程為壓實(shí)—高嶺石、硅質(zhì)膠結(jié)—Ⅰ期油氣充注—壓實(shí)—Ⅰ期方解石膠結(jié)。厚層砂體的成巖演化過(guò)程比較復(fù)雜，不但經(jīng)歷了薄層砂體的成巖演化過(guò)程，還在成巖早期發(fā)生了綠泥石膠結(jié)，在成巖晚期發(fā)生了Ⅱ期油氣充注與Ⅱ期方解石膠結(jié)。

需要指出的是，富軟碎屑砂巖（含高云母、雜基等塑性顆粒）在早期壓實(shí)作用下可形成致密砂巖［26］。本研究也發(fā)現(xiàn)了這種成巖演化過(guò)程，但是由于所取樣品（單砂體厚度大于0.5 m的砂巖）數(shù)量較少，未能總結(jié)出此類(lèi)砂巖的分布規(guī)律。

4 致密儲(chǔ)層成因及控制因素

4.1 成因

研究區(qū)緊鄰湖盆中心，砂巖粒徑較小，雜基體積分?jǐn)?shù)普遍較高，巖石易受壓實(shí)而迅速減孔［17］。顆粒間以線接觸占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這表明長(zhǎng)7段砂巖在埋藏過(guò)程中受到壓實(shí)作用的影響而顯著減孔。減孔作用對(duì)富含雜基的砂巖影響非常大。隨著雜基體積分?jǐn)?shù)增高，面孔率逐漸降低（見(jiàn)圖4a），表明雜基體積分?jǐn)?shù)高的砂巖經(jīng)壓實(shí)作用后減孔明顯，可直接將其改造成致密砂巖。成巖作用形成的自生礦物填充孔隙，必然對(duì)儲(chǔ)層物性造成破壞。砂巖的面孔率與方解石體積分?jǐn)?shù)呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，方解石體積分?jǐn)?shù)越高，面孔率越低（見(jiàn)圖4b）。需要注意的是，雖然高嶺石和硅質(zhì)也會(huì)占據(jù)孔隙，但是砂巖面孔率與高嶺石體積分?jǐn)?shù)呈一定的正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖4c）。當(dāng)硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí)，砂巖面孔率與硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)呈一定的正相關(guān)關(guān)系 （見(jiàn)圖4d）。研究發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象都與溶蝕作用有關(guān)，高嶺石和硅質(zhì)是溶蝕作用的伴生產(chǎn)物，溶蝕增孔作用超過(guò)了膠結(jié)減孔作用，因此高嶺石和硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)都分別與砂巖面孔率呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層面孔率與自生礦物體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

綜上所述，延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段致密儲(chǔ)層的成因主要與壓實(shí)作用和方解石膠結(jié)有關(guān)。本文結(jié)合差異成巖演化過(guò)程，將研究區(qū)砂體的致密化過(guò)程分為壓實(shí)+Ⅰ期方解石膠結(jié)致密化（薄層砂體）、壓實(shí)+2期方解石膠結(jié)致密化（厚層砂體）、壓實(shí)致密化（富軟碎屑砂巖）。

4.2 控制因素

由上述分析可知，研究區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層在形成致密儲(chǔ)層的過(guò)程中，除了壓實(shí)作用，儲(chǔ)層內(nèi)的成巖作用幾乎均與油氣充注有關(guān)。油氣充注時(shí)，伴隨著酸性流體對(duì)儲(chǔ)層溶蝕改造，形成了硅質(zhì)和高嶺石，出現(xiàn)了次生溶孔；油氣充注后，成巖環(huán)境由酸性環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性環(huán)境，有機(jī)碳以方解石的形式固化下來(lái)，將部分儲(chǔ)層改造成致密儲(chǔ)層。這種油氣充注主導(dǎo)的成巖演化很可能與研究區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層緊鄰烴源巖有關(guān)（見(jiàn)圖1）。

另外，單砂體厚度不同，儲(chǔ)層致密化過(guò)程和模式也不同。在薄層砂體中（見(jiàn)圖5a），取樣點(diǎn)b的樣品粒徑較小，顆粒分選差，雜基體積分?jǐn)?shù)較高（大于8%），成巖早期受壓實(shí)作用易致密，高嶺石、方解石和溶孔均不發(fā)育，受油氣充注影響較弱；取樣點(diǎn)a，d，e的樣品粒徑較大，受早期油氣充注影響，經(jīng)歷了壓實(shí)—溶蝕—Ⅰ期油氣充注—Ⅰ期方解石膠結(jié)的成巖過(guò)程。油氣充注后，砂巖是否含油又導(dǎo)致了隨后的差異成巖作用，含水砂巖遭受Ⅰ期方解石的強(qiáng)烈膠結(jié)變得致密，而含油砂巖由于原油對(duì)方解石膠結(jié)有抑制作用，雖然受壓實(shí)作用而致密化，但是巖石中仍殘留一些溶孔。

在厚層砂體中（見(jiàn)圖5b），取樣點(diǎn)樣品粒徑較粗，雜基體積分?jǐn)?shù)較低，經(jīng)歷了2期油氣充注，具有異于薄層砂體的致密化過(guò)程。Ⅰ期油氣充注成藏后，油水界面在取樣點(diǎn)e附近，上部油層抑制方解石膠結(jié)，下部水層發(fā)生Ⅰ期方解石膠結(jié)。Ⅱ期油氣充注成藏后，油水界面上移至取樣點(diǎn)c附近，上部油層抑制方解石膠結(jié)，下部水層發(fā)生Ⅱ期方解石膠結(jié)。由于厚層砂體上部為2期油氣聚集段，下部為油水界面變化段，因此呈現(xiàn)出上部油層發(fā)育，只存在少量方解石膠結(jié)，下部油水互層，方解石膠結(jié)較強(qiáng)烈的成巖特征。由于Ⅱ期油水界面上移，因此，Ⅱ期方解石膠結(jié)層淺于Ⅰ期方解石膠結(jié)層。

圖5 鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段地質(zhì)特征綜合柱狀圖

綜上所述，油氣充注對(duì)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層的致密化具有重要影響，不但導(dǎo)致了2期方解石膠結(jié)，而且控制了方解石膠結(jié)層的分布?？紤]到壓實(shí)作用和薄層砂體、厚層砂體的差異成巖作用，鄂爾多斯盆地鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段致密儲(chǔ)層的形成與分布受控于沉積作用、壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和油氣充注。

5 結(jié)論

1）鐵邊城地區(qū)長(zhǎng)7段砂巖粒徑較小，雜基體積分?jǐn)?shù)較高，顆粒間呈線接觸，壓實(shí)減孔作用顯著，砂巖受壓實(shí)易致密。研究區(qū)方解石較發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)49%，導(dǎo)致長(zhǎng)7段砂巖致密。

2）方解石成因與油氣充注有關(guān)，方解石分布受控于單砂體厚度和油水分布。薄層砂體致密化主要受壓實(shí)作用和早期油氣充注影響，而厚層砂體主要受2期油氣充注影響。

3）研究區(qū)砂體的致密化過(guò)程可分為壓實(shí)+Ⅰ期方解石膠結(jié)致密化（薄層砂體）、壓實(shí)+2期方解石膠結(jié)致密化（厚層砂體）、壓實(shí)致密化（富軟碎屑砂巖）。儲(chǔ)層致密化的控制因素為沉積作用、壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和油氣充注。