准噶尔盆地南缘古近系超高压带砂岩铁方解石胶结物的分布及形成机制

张立强

（中国石油大学 地球科学与技术学院，山东 青岛266555）

砂岩储集层中孔隙度和渗透率的分布不仅受粒度、分选、页岩夹层的分布等沉积过程的影响，而且受胶结作用等沉积后成岩作用的影响。由于碳酸盐等胶结物通常成层或透镜体而不是均匀分布，对储层的有效性及其流体的流动性影响很大［1，2］，确定砂岩中方解石等碳酸盐胶结物的分布、来源，能提高我们预测有效储层分布的能力。准噶尔盆地南缘古近系超压普遍、储层性质整体较差、平面及纵向上变化大，油气储层性质的好坏及其有效预测成为制约勘探成败的关键因素之一［3］。本文的研究目的是分析准噶尔盆地南缘古近系安集海河组砂岩中碳酸盐胶结物的分布、起源及其对储层性质的影响，对储层的演化和有利储层预测有一定的指导意义。

1 地质背景

本文的准噶尔盆地南缘属准噶尔盆地北天山山前拗陷［4］，位于乌鲁木齐以西、乌苏以东、天山以北、芳草湖以南，呈东西向展布的条形地带（图1）。准噶尔盆地是以晚古生代—中新生代陆相沉积为主的大型叠合盆地，古近纪为克拉通内盆地，新近纪—第四纪为冲断山前拗陷盆地（或陆内前陆盆地）［4，5］。在盆地演化过程中，天山北翼向盆地内上冲，强烈的构造应力使得盆地南缘沉积地层发生褶皱变形及断裂，自南向北形成3排近东西走向的背斜带及相间的宽缓向斜带［4－6］（图1）。第一排称南缘山前推举构造带，包括南安集海、清水河、齐古、喀拉扎等背斜，地层剥蚀严重，轴部出露侏罗系和白垩系。第二排包括独南、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁等背斜，各背斜南缓北陡，轴部出露古近系。第三排构造包括独山子、安集海、呼图壁等背斜，出露新近系独山子组。

图1 准噶尔盆地南缘位置及构造带划分图Fig.1 Sketch map showing the tectonic position on the south margin of Junggar Basin

第二、第三排构造带为主要勘探目标区，目的层系主要为古近系及新近系。自下而上，古近系分为紫泥泉子组（E1－2z）和安集海河组（E2－3a），新近系分为沙湾组（N1s）、塔西河组（N1t）和独山子组（N2d）。古近系及新近系为一套河湖相的碎屑沉积［4］，其中，安集海河组整体岩性较细，为准噶尔盆地南缘的重要烃源岩之一［4，6］。自下而上，安集海河组分为3个岩性段［7］：下段为砂泥岩互层段，中段为暗色泥岩夹薄层钙质砂岩、薄层灰岩，泥岩含介形虫、腹足类、鱼等化石；上段为紫色、灰色泥岩夹薄层砂岩（图2）。

2 超压及碳酸盐胶结物的分布

2.1 压力分布特征

准噶尔盆地南缘的压力分布呈现以下特点：

a.超压顶界面具有“层控”的特点。大部分井的新近系为正常压实，古近系及其下伏地层呈欠压实状态，偏离正常压实曲线的深度受古近系安集海河组顶界控制。平面上，压实异常的起始深度随着安集海河组顶界的起伏在不断变化。自西向东，独山子地区的超压顶界面深度为0.9～1.5 km、安集海背斜为2～2.5km、吐谷鲁背斜为0.3～0.9km、呼图壁背斜为2.5～3.5km，不同地区的深度变化基本对应于安集海河组的顶界，超压顶面深度在吐谷鲁背斜最浅，向西北和东南方向逐渐变深。欠压实作用是准噶尔盆地南缘古近系异常压力产生的重要原因［8－11］。

b.平面上，不同构造压力分布差异较大。准噶尔盆地南缘各构造在古近系及下伏地层都测到了较高的地层压力（压力系数高达2.4）［3，5，8－11］，但3排构造的压力分布存在明显的差异，第一排构造抬升剥蚀强烈、中生界直接出露地表，井中测得的压力普遍较低；第二、第三排构造测定的压力普遍较高（表1）。东西方向，总体呈东部压力低、西部压力高的趋势，构造带中段较东西两侧压力高。如中段西部霍尔果斯背斜的H1井，在3.07 km深度用DST方法测得的地层压力为74.5 MPa、过剩压力44.0MPa、压力系数2.5；安集海背斜安6井用RFT方法测得的安集海河组下部地层压力系数为2.4、对应的过剩压力43.0～46.7MPa。向东至玛纳斯和吐谷鲁背斜，在安集海河组下部测得的压力系数为1.8～2.05，低于西部；而东部的呼图壁背斜，安集海河组下部及以下地层内的压力接近静水压力（表1）。平面上压力的差异反映了构造应力的差异性，前人［10］认为，霍尔果斯至吐谷鲁一带是应力集中的挤压冲断带，构造挤压作用可能会对厚层塑性泥岩产生挤压，促使孔隙流体压力增加。

2.2 碳酸盐胶结物的分布特征

碳酸盐胶结作用在安集海河组砂岩中较为普遍，铁方解石为主，质量分数为0%～35%，局部可达40%以上，＞10%的称为钙质胶结层。在岩心及薄片观察的基础上，对A6井等进行了古近系砂岩碳酸盐胶结层的测井解释，砂岩胶结层具有较高电阻率（RT）、低中子孔隙度（CNL）、低声波时差（AC）、低伽马（GR）的特征。以A6井为例，结合薄片分析及测井特征，解释出安集海河组碳酸盐胶结层有3段、7层：a段（深度2 260～2 275m、2 453～2 490m）、b段（2 610～2 625m、2 265～2 270m、2 900～2 910m）、c段（3 245～3 275m、3 326～3 340m）。岩性上，胶结层多和披覆泥岩相邻，或者在位于泥岩下部的砂岩段的顶部，或者在位于泥岩上部的砂岩段底部，许多胶结层中的方解石已经部分溶蚀。

表1 准噶尔盆地南缘典型井古近系实测压力数据表Table 1 Measured pressure data of Paleogene in typical wells on the south margin of Junggar Basin

纵向上，胶结层的分布主要有以下类型：（1）超压带顶界之上近200～250m、超压顶界之下近100～150m的区域内，碳酸盐胶结物的质量分数相对较高，部分砂层为10%～30%（图2中的第1、第2层）。（2）超压带厚层泥岩下部的砂岩段顶部，如A6井深度为3.2～3.34km（图2中的第6、第7层），紧邻上覆厚层泥岩，碳酸盐胶结物的质量分数为20%～30%。（3）超压带厚层泥岩中的砂岩薄夹层，如A6井深度为2.6～3.2km井段中的第3、第4、第5层，单层厚度＜5m（图2）。

对于单砂层，碳酸盐胶结物在砂岩的顶部和底部均可出现，但在泥质杂基含量低、相对粗粒、高渗、连通性好的砂岩中，碳酸盐胶结物含量更高些（图3）。砂岩边缘附近往往是大部分酸性地层水流入砂岩的地方，方解石胶结物优先沉淀。其他没有分布在砂岩体边缘的方解石胶结区域可能和粒度的变化有关，粒度变化在流体流动方面有控制作用［12］。

3 铁方解石胶结物的特征及其对储层物性的影响

3.1 岩石学特征

准噶尔盆地南缘具有近物源、多物源的沉积特点，安集海河组砂岩的粒度及岩石组分在平面上波动范围较大。南部山前阿尔钦沟、南安集海河等露头剖面的砂岩以岩屑砂岩为主，岩屑的质量分数达70%～85%，向北岩屑含量降低。第二、第三排构造带井下安集海河组砂岩的粒度普遍较细，以长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩为主，东西向差异较大。西部，独深1井为中粒或不等粒长石岩屑砂岩，石英的质量分数低（平均36%）；向东，A4井为中粗砂岩或含砾砂岩，A6井以细粒砂岩为主，主要粒径为0.1～0.25mm，分选中等。A6井的砂岩各组分的质量分数分别为：石英40%～55%、长石12%～25%、岩屑15%～40%，岩屑以变质岩为主。东部，Hu01井以粉、细粒岩屑长石砂岩为主，石英含量较高（质量分数＞55%），粒径0.01～0.1mm，分选中－好。

胶结物和交代矿物在砂岩中的体积分数为5%～48%，其中亮晶铁方解石和伊蒙混层黏土矿物是含量最多的自生矿物。染色薄片中，铁方解石呈紫色，在安集海河组砂岩中的质量分数为0%～45%，以充填粒间孔和长石溶蚀孔隙为主，纵向差异较大。铁方解石胶结物的产状主要有3种类型：（1）连晶铁方解石胶结，为准噶尔盆地南缘安集海河组砂岩碳酸盐胶结层的主要胶结类型，表现为对长石和岩屑等颗粒的胶结和交代，孔隙不发育。（2）粒状铁方解石胶结，胶结物呈半自形粒状充填孔隙或充填于溶孔中，见铁方解石交代方解石。（3）残余连晶状铁方解石胶结，粒间溶孔发育，在颗粒边缘见溶蚀残余方解石。胶结层内部及层间砂岩发育次生孔隙。

图2 安集海河背斜A6井的压力结构及碳酸盐胶结带的分布Fig.2 Distribution of the pressure and carbonate cements in A6well on the south margin of Junggar Basin

图3 安集海河背斜A6井安集海河组砂岩（3320～3332m）泥质杂基与铁方解石含量关系图Fig.3 Crossplot of ferrocalcite and clay content of sandstone of A6well on the south margin of Junggar Basin

对岩石结构观察表明，铁方解石胶结砂岩的平均粒间体积（IGV）为20%～30%，基本上和缺少胶结的砂岩相似。表明安集海河组砂岩经压实作用，IGV达到25%左右，方解石胶结之前已经达到约1.5km的埋深，少量的石英胶结物的沉淀早于铁方解石。砂岩成岩序列大致为：压实作用－颗粒黏土化－早期碳酸盐胶结－黏土矿物演化（无序伊蒙间层矿物到部分有序伊蒙间层矿物、高岭石析出）－硅质胶结－早期胶结物及长石等溶蚀－晚期碳酸盐胶结交代（铁方解石为主）－铁方解石胶结物及部分长石溶蚀［13］。

安集海河组砂岩中的铁白云石自生矿物不发育，仅在紫泥泉子剖面、西部独山子背斜及独南背斜D1井、Ds1井见铁白云石胶结物，为半自形粒状白云石充填孔隙。Ds1井铁白云石胶结物平均质量分数为7%。

超压带内安集海河组砂岩的铁白云石自生矿物不发育，可能与安集海河组超压发育、超压对成岩作用具有抑制作用有一定关系。根据油田测试数据统计，准噶尔盆地南缘第二、第三排构造带安集海河组埋深一般为1.5～3.5km，古地温＞85℃，泥岩镜质体反射率为0.5%～0.8%，个别井＞1.0%（Tu1井），对应于中成岩A期［14］；但泥岩中的黏土矿物及石英加大等自生矿物的演化与成岩阶段不相符合。南缘第二、三排构造带安集海河组泥岩或粉砂质泥岩中的黏土矿物70%～80%为伊蒙间层矿物，混层比45%～70%；而上覆塔西河组泥岩的黏土矿物中伊蒙间层矿物含量相对较低、伊利石含量相对较高。如A4井深度2.224～2.230km的安集海河组泥岩I／S质量分数为50%～65%，I为20%～38%；深度1.3～1.7km的上覆塔西河组泥岩I／S质量分数为38%～52%，I为29%～52%。另外，安集海河组砂岩中石英加大不发育，多为一级加大，质量分数为0.5%～1%［13］；平面上，石英加大向东部呼图壁、西部独山子逐渐加强，其变化规律与超压系数的变化规律相反。

3.2 铁方解石胶结物的形成机制

在对砂岩铁方解石胶结物岩石学分析的基础上，选取Tu1井、H1井、塔西河剖面、紫泥泉子剖面等安集海河组的20多个砂岩样品进行碳氧同位素和包裹体均一温度的测试，来解释碳酸盐胶结物的形成机制。同位素分析测试工作由中国石油勘探开发研究院实验中心利用Finnigan MAT252型稳定同位素质谱仪和正磷酸法协助完成，所测同位素比值以PDB标准的千分率偏差给出，氧碳同位素分析精度为0.02‰，分析结果如表2。在铁方解石胶结物中没有找到可供均一化温度测试的包裹体，我们利用莱卡偏光显微镜和英国Lin Kam公司DSG600地质冷热台对砂岩中石英颗粒裂缝或加大边中的包裹体进行了均一温度的测试。

Tu1井及H1井等盆地南缘古近系安集海河组铁方解石胶结物的δ13CPDB分布范围大多为－3‰～－10‰，δ18OPDB值介于－4‰～－15‰之间。Tu1井δ18OPDB分布相对集中，多在－11.3‰～－14.5‰之间（表2）。根据碳酸盐的碳、氧同位素组成分布图［15，16］，前人将碳酸盐分为埋藏较浅时与硫酸盐还原作用有关的碳酸盐（Ⅰ区）、与甲烷细菌活动生成生物气有关的碳酸盐（Ⅱ区）和与有机酸脱羧作用有关的碳酸盐（Ⅲ区）。Tu1井及H1井等安集海河组砂岩中铁方解石胶结物的同位素组成多分布在Ⅲ区（图4），属于与有机质有关的碳酸盐，在形成过程中受到成岩作用的影响。随着埋藏加深，有机质在热催化作用下脱羧并产生烃类和CO2，CO2具有高负值特征，氧同位素组成因18O的消耗而呈高负值［15］。

表2 铁方解石胶结物碳氧同位素分析结果Table 2 The results of O／C isotope analysis of ferrocalcite cements

图4 安集海河组铁方解石胶结物碳、氧同位素分布Fig.4 The plot of carbon and oxygen isotopes for ferrocalcite cements

利用氧同位素平衡温度法［17］

（式中t为氧同位素平衡温度）计算安集海河组砂岩铁方解石胶结物的氧同位素平衡温度，结果介于85～120℃，为晚期成因［18］。

安集海河组包裹体均一温度分析结果显示，石英裂缝或加大边中的包裹体均一温度主要分布区间为110～160℃（图5），气相成分包括CO2、烃类和H2S。应用经验公式［17］

图5 安集海河组石英裂缝胶结物中包裹体均一温度分布Fig.5 The homogeneous temperature distribution of inclusion enclave in quartz cement（样品数为15个）

推测Ro为1.05%～1.3%，与 Tu1井深度1.72～1.77km 的 安 集 海 河 组 实 测 Ro（1.25% ～1.30%，数据来源于新疆油田，2003）相近。

借助于自生石英的包裹体均一化温度和石英与铁方解石之间的占位关系，假定铁方解石的沉淀温度在130～150℃之间（按接近于石英包裹体均一化温度主要温度范围考虑）。根据包裹体均一温度与氧同位素组成投点图（图6），大多数的铁方解石胶结物的沉积流体的盐度都高于现今海水和古近纪海水，它们主要是中－深埋藏成岩过程中形成的［19］。铁方解石胶结物的碳源构成中存在更多的有机碳，与铁方解石胶结物占据长石溶解空间的结构特征一致，即铁方解石的沉淀时间主要分布在有机质脱羧基产生大量有机酸和长石溶解之后。

图6 铁方解胶结物中流体包裹体均一温度和氧同位素组成图Fig.6 The plot of inclusion homogenization temperatures and oxygen isotope composition of the ferrocalcite cements of Paleogene in Junggar Basin

3.3 铁方解石胶结物对储集物性的影响

图7为Tu1井安集海河组（深度1 596～1 620m）粉细砂岩孔隙度与铁方解石胶结物含量之间的散点图，在粒度变化不大且黏土碎屑含量较低的粉细砂岩中，铁方解石胶结物的含量对孔隙度、渗透率有非常大的控制作用，铁方解石胶结物的含量和孔隙度、渗透率在统计学上有着非常显著的负相关关系。当碳酸盐在胶结物中的质量分数＜10%时，孔隙度为10%～25%；方解石的质量分数＞10%时，一般孔隙度＜10%，铁方解石胶结物对储层孔隙的破坏作用明显，而在铁方解石胶结程度弱的层段及地区可能发育有利储层。

图7 Tu1井安集海河组粉细砂岩中铁方解石胶结物含量与孔隙度之间的关系Fig.7 Relationship between porosity and content of the ferrocalcite cement in Tu1well

储层中铁方解石胶结物的碳、氧同位素组成变化与孔隙度之间的关系十分明显。孔隙度大的层段（或含油层段的样品）δ18OPDB及δ13CPDB值的负值较大；在孔隙度较小（或干层）井段δ18OPDB和δ13CPDB相对较大（图4）。干层中胶结物的δ13CPDB为－4‰～－6.5‰，含油层碳酸盐胶结物的δ13CPDB值介于－6‰～－10‰，贫δ13CPDB的CO2与HCO－3极有可能来自于有机质热脱羧反应的产物。在强超压盆地，厚层泥岩段超压明显，包含酸性物质的超压流体向上、下地层运移和排放，在紧邻厚层超压泥岩顶、底部的砂岩中压力释放，碳酸盐胶结物大量沉淀形成胶结层或胶结带，之间的砂岩由于易溶矿物质的溶解产生较多的储集空间，同时受到超压的支撑被保存下来。

4 结论

a.准噶尔盆地南缘超压带顶部及内部存在多个碳酸盐胶结带，砂岩碳酸盐胶结带主要分布在超压带顶界面上下、超压带内紧邻厚层高压泥岩的砂岩富集带或砂岩体边缘、超压带内厚层泥岩中的砂岩薄夹层，铁方解石胶结物优先沉淀在砂岩边缘附近。

b.受超压对成岩抑制作用的影响，安集海河组超压带砂岩胶结物主要为连晶状铁方解石，铁白云石及石英加大少见。

c.铁方解石胶结物形成于成岩晚期，受有机质演化及其流体运移的影响，δ13CPDB大多为－10‰～－2‰，δ18OPDB多为－15‰～－10‰，铁方解石进入砂岩的附近区域长石缓冲酸性地层水，导致铁方解石在砂岩边缘附近区域富集。

d.碳酸盐胶结物对孔隙度的影响较大。在黏土碎屑含量较低的砂岩中，铁方解石胶结物含量和砂岩孔隙度、渗透率存在负相关关系，δ13CPDB负偏移的井段对应于与有机酸溶蚀形成的次生孔隙发育带。

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