鄂尔多斯盆地华庆地区长9储层成岩作用与有利成岩相

郭艳琴,余　芳,李　洋,李百强,邱雅洁

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安　710065;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安　710018)



·地球科学·

鄂尔多斯盆地华庆地区长9储层成岩作用与有利成岩相

郭艳琴1,余芳2,李洋1,李百强1,邱雅洁1

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安710065;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安710018)

对岩心薄片鉴定、扫描电镜、X衍射、物性等分析化验资料进行综合研究，以查明鄂尔多斯盆地华庆地区延长组长9油层组的主要成岩类型、成岩阶段、成岩序列及有利成岩相的分布规律。研究后认为，研究区长9储层经历了压实压溶作用、胶结作用、溶蚀作用等主要成岩作用。其中，对储层起破坏性成岩作用的有压溶压实作用和包括碳酸盐胶结、长英质胶结、自生黏土矿物胶结等的胶结作用, 起建设性成岩作用的主要有绿泥石薄膜胶结作用、 浊沸石和长石溶蚀作用。 综合研究成岩作用的组合类型和演化序列, 认为长9砂岩的成岩演化主体已进入中成岩阶段A期，成岩相可划分为5种:Ⅰ 绿泥石膜-粒间孔+浊沸石溶蚀相;Ⅱ 绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀+浊沸石胶结相;Ⅲ 铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相;Ⅳ 硅质胶结+铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相;Ⅴ 铁方解石胶结+水云母胶结+硅质胶结相。Ⅰ类成岩相物性好,Ⅱ和Ⅲ两类次之,它们成为储层发育的有利成岩相；Ⅳ和Ⅴ类物性较差,为不利成岩相。

成岩作用;有利成岩相带;长9油层组;华庆地区;鄂尔多斯盆地

华庆地区的地理位置北至张崾岘—吴起一线,南抵马岭—玄马一带,西至八珠—贺旗,东到金鼎—旦八镇；构造位置上则属鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西南部,西邻天环拗陷,南靠渭北隆起。鄂尔多斯盆地延长组是盆地持续拗陷和稳定沉降的过程中堆积起来的河流湖泊相陆源碎屑岩系[1]。研究区延长组含油层系较多,其中长4+5，长6，长8油层组为主力勘探开发层系。近年来,随着石油工业发展的需要,鄂尔多斯盆地延长组下部层位勘探得到了越来越多的重视。随着勘探的不断深入,研究区长9油层组表现出较好的油气显示,且多口探井获得了工业油流,勘探前景良好。

通过对20口井常规岩心物性资料的统计分析后可知,长9最大孔隙度16.84%,最小2.54%,平均9.94%,93.94%集中在5%～15%；渗透率最小0.007 2×10-3μm2,最大52.315 7×10-3μm-2,平均3.560 8×10-3μm-2, 81.82%小于1.8×10-3μm-2,属于低孔低渗储层。对于低孔、低渗储层至今国际上并无一个严格而明确的标准和界限。根据中国油气田的勘探和开发实际,目前比较一致意见是把孔隙度小于15%,渗透率值在(0.1～50)×10-3μm-2的储层称为低孔低渗储层[2-5]。研究区低孔低渗储层形成的原因,一方面是沉积环境、沉积相,另一方面也是较深埋藏的成岩演化对储层的改造。研究区长9油层组平均埋藏深度为2 217～2 287 m,因此,成岩作用及成岩演化较为复杂,对储层物性的影响也较大。因此，对成岩作用、成岩演化进行深入研究,从而寻找有利的综合成岩相带,为在低孔、低渗背景上寻找相对高孔、高渗的储层及石油富集区提供可靠的地质依据,对指导研究区长9油层组乃至鄂尔多斯盆地整个延长组低孔低渗储层的勘探开发具有重要的意义。

1　储层岩石学特征

1.1碎屑组成

按曾允孚[6]的砂岩分类标准,长 9 油层组以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主,其次有少量长石岩屑砂岩(见图1)。砂岩中的碎屑组成主要是长石、石英、岩屑及碎屑云母等, 成分成熟度较低,总的碎屑颗粒质量百分含量44%～97%,平均86.5%。其中长石13%～59%,平均49%;石英23%～62%,平均34%;岩屑9%～40%,平均17%,主要为变质岩岩屑,其次是岩浆岩岩屑。

Ⅰ 石英砂岩；Ⅱ 长石石英砂岩；Ⅲ 岩屑石英砂岩；Ⅳ 长石砂岩；Ⅴ 岩屑长石砂岩；Ⅵ 长石岩屑砂岩；Ⅶ 岩屑砂岩图1　华庆地区长9砂岩分类图Fig.1　Triangular diagram showing classification of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

1.2填隙物类型及含量

研究区长9填隙物质量百分含量为3.5%～54%,大部分样品在7%～16%,平均 10.8%。其中杂基很少,主要是胶结物。胶结物中以浊沸石、伊利石、铁方解石和绿泥石为主,其次为硅质和长石质(见图2)。浊沸石胶结物分布极不均匀,质量百分含量为0～13%,平均为5.8%;硅质胶结物和长石质胶结物含量也不均匀,一般为0～5%,分别表现为石英的次生加大边和孔隙内的自生石英晶体、长石的自生加大和充填孔喉。

1.3结构特征

薄片粒度统计分析,华庆地区长9砂岩粒度最大为0.8 mm,主要集中在0.25～0.50 mm,为中砂级,少量为细砂级,分选好,磨圆较好,大部分为次棱角状,少量为次圆状,结构成熟度较高。颗粒间的接触方式有线、点以及点—线接触。胶结类型主要有孔隙式胶结、薄膜式胶结、薄膜—孔隙式胶结和孔隙—加大式胶结等。孔隙类型主要有长石溶蚀孔、浊沸石溶孔、粒间孔、粒内孔、裂隙孔和少量铸模孔,总的看,面孔率、粒间孔和溶孔长92要好于长91。长91面孔率为0.5%～8.2%,平均为2.5%,长92面孔率为0.3%～11.1%,平均为3.94%(见图3)。

2　主要成岩作用类型及其特征

影响储集砂岩成岩作用的因素有沉积时碎屑组分、粒度、分选等岩石学特征,还有盆地埋藏史和液态烃注入史[7]。

岩心物性资料统计显示,研究区孔隙度最大为16.84%,最小只有2.54%,平均为9.94%,多数集中在5%～15%,占样品数的93.94%；渗透率变化很大,最小0.007 2×10-3μm2,最大52.315 7×10-3μm2,平均3.560 8×10-3μm2,渗透率值低,多数值小于1.8×10-3μm2,占样品数的81.82%,是典型的低孔低渗储集岩。经铸体薄片、扫描电镜、阴极发光等资料综合分析,华庆长9储集层埋藏过程中经历了机械压实、胶结、交代、溶蚀等多种成岩作用。研究区成岩作用的类型复杂,埋藏成岩过程中各种成岩作用很大程度上影响着砂岩原生孔隙的保存和破坏以及次生孔隙的发育,因此,在储层评价和预测方面,研究砂岩的成岩作用具有重要意义。

图2　华庆地区长9砂岩胶结物直方图Fig.2　Cement Histogram of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

图3　华庆地区长9砂岩孔隙类型直方图Fig.3　Pore types of Chang 9 sandstone in Huaqing Area

2.1破坏性成岩作用的主要类型及特征

2.1.1压实压溶作用研究区不仅发育化学压实作用，还发育机械压实作用,深埋藏主要为化学压实作用,浅埋藏则以机械压实作用为主,压实强度与深度之间呈指数关系[8]。根据镜下的观察,华庆地区长9储层内部压实作用主要有以下2种表现形式:① 颗粒的塑性变形,因压实而导致柔性碎屑颗粒(如云母、泥质岩屑)等弯曲、假杂基化[9](见图4A，B)。② 压溶。常表现为石英、长石的次生加大,区内储层碎屑颗粒以线接触为主,并见凹凸或缝合接触[10]。

2.1.2胶结作用储层内随着胶结物含量的增加,岩石孔隙度会降低。胶结作用是华庆地区长9油层组储集岩内主要的成岩作用之一,也是使储层物性变差的最主要原因。部分或大部分孔隙空间被自生黏土矿物、碳酸盐胶结物和长英质充填,这就使得原生孔隙度大大降低,也会导致渗透率的大大降低。

1)碳酸盐胶结作用。研究区长9碳酸盐胶结物质量含量极不均匀,为0.5%～54%,平均为3.71%,主要是铁方解石。此外,X衍射数据中还显示少量白云石胶结物的存在。该类胶结主要为孔隙式胶结,其次以交代长石和岩屑的形式存在,还有部分以连晶方式出现,形成钙质砂岩(见图4C)。

2)自生黏土矿物的胶结作用。长9砂岩中的自生黏土矿物胶结物以绿泥石为主,其次是伊利石以及伊蒙混层,此外个别样品中含有高岭石胶结物(见图4D)。自生黏土矿物对储集层物性既有建设性的影响也有破坏性的影响。建设性影响体现在黏土膜对残余粒间孔的保护上,但是孔隙式充填的自生黏土矿物又常常挤占有效孔隙空间，降低储集层的物性，体现了其破坏性[11]。

2.2建设性成岩作用的主要类型及特征

次生孔隙是华庆地区长9储集层主要的孔隙类型之一,且砂岩储集层中多种类型的次生孔隙是由溶解作用形成的。尤其是溶蚀孔隙对改善砂岩储层的储集性能起到建设性的作用。根据显微镜观察和扫描电镜分析,发现研究区主要是长石颗粒的表面以及内部发生溶蚀作用,其次发生溶蚀的是浊沸石胶结物。而颗粒的溶解有以下两种:一种是岩屑、长石这些不稳定的颗粒直接溶解并形成溶蚀粒内孔;第二种则是岩屑和长石颗粒先为浊沸石矿物或者碳酸盐交代,然后交代物会发生溶解,使颗粒间接被溶,从而形成溶蚀粒间孔和溶蚀粒内孔。

3　成岩阶段划分与演化序列

3.1成岩阶段划分

根据岩石学、古温度和有机质成熟度、砂岩中自生矿物、溶解作用和孔隙类型等特征，中国石油行业把碎屑岩的成岩阶段划分为4部分,即同生成岩阶段、早成岩阶段、晚成岩阶段和表生成岩阶段,其中早成岩阶段又划分为早成岩A期和B期,中成岩阶段也划分为中成岩A期和中成岩B期。

华庆地区长9砂岩中普遍能观察到Ⅱ级石英次生加大,在薄片下进行观察,大多数石英及部分的长石具次生加大(见图4E),发育自形晶面,有的见石英小晶体。通过扫面电镜分析,较完整的自形晶面包裹着多数的颗粒表面,有些自生晶体向着孔隙空间生长(见图4F),交错相嵌,使得孔隙堵塞。据前人研究,鄂尔多斯盆地延长组古地温为90℃～120℃[12],镜质体反射率为0.57%～0.98%,平均为0.75%[13]；铸体薄片镜下观察表明,长9岩石中普遍存在方解石充填,常见浊沸石溶蚀现象(见图4G)；矿物颗粒及胶结物溶解形成大量分布的次生孔隙(见图4H)；碳酸盐矿物以铁方解石为主,含少量铁白云石,且自生浊沸石胶结明显,这些现象均表明华庆地区长9砂岩成岩作用已普遍进入中成岩A期。研究区目的层的扫描电镜和X衍射分析显示，长9砂岩的黏土矿物胶结物含量变化较大,总黏土质量百分含量为6.7%～33.8%,其中以绿泥石和伊利石及伊/蒙间层为主,其次为少量伊利石,个别样品中可见高岭石。依据混层伊利石/蒙皂石对成岩温度的判别标准得出，研究区延长组所经历的最大古地温为100℃～120℃。结合自生黏土矿物特征可以判定，华庆地区成岩作用已普遍进入中成岩A期。

A 胶状水的灰云母充填孔隙(S126井,2 100.79 m,长92);B 粒间孔,长石及浊沸石溶孔,绿泥石膜(B481井,2 237 m,长92);C 钙质砂岩(G40井,2 182.1 m,长91);D 蜂窝状的伊蒙混层胶结物(W91井,2171.01 m,长92);E 孤立分布的长石溶孔及长英质加大,泥铁矿化的黑云母(G84井,2 168.96 m,长91);F 孔隙中自生石英晶体(B407井,2 298.2 m,长92);G 浊沸石强溶蚀(W39井,2 301.58 m,长91)；H 硅质加大,长石溶孔及粒间孔(W66井,2 108.6 m,长92)图4　华庆地区长9砂岩铸体薄片和扫描电镜照片Fig.4　Cast body sheet and scanning electron ofChang 9 sandstone in Huaqing area

3.2成岩演化序列

在成岩阶段划分的基础上,综合薄片观察、扫描电镜、自生矿物成因及地层埋藏热史模拟结果等资料,总结出研究区的成岩演化序列大致如下:机械压实→黏土膜(绿泥石膜)形成→早期方解石胶结、浊沸石胶结→早期伊蒙混层、高岭石→石英次生加大→孔隙充填水云母和绿泥石形成→晚期浊沸石胶结→早期溶烛开始(长石)→大量有机酸进入→溶蚀作用强烈进行(长石、岩屑和浊沸石溶孔)→晚期石英沉淀→铁方解石、铁白云交代或充填(见图5)。

图5　华庆地区长9储层成岩阶段及成岩序列图Fig.5　Diagenetic stage and diagenetic array of Chang 9 reservior in Huaqing area

4　成岩相类型与有利成岩相带

成岩相是指在构造和成岩等作用下,沉积物经历一定的成岩作用和演化阶段的产物,包括岩石颗粒、胶结物、组构、孔洞缝等综合特征。 不同成岩相组合控制了不同的储层孔隙发育特征和储集物性,所以成岩相的划分有助于储层的区域评价和预测[14-16]。

根据研究区不同区块的孔隙类型、胶结物含量以及主要成岩作用类型,结合储层物性资料将研究区长9成岩相划分为，绿泥石膜-粒间孔+浊沸石溶蚀相、绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀+浊沸石胶结相、铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相、硅质胶结+铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相、铁方解石胶结+水云母胶结+硅质胶结相5种成岩相(见图6)。

1)Ⅰ绿泥石膜-粒间孔+浊沸石溶蚀相:砂岩填隙物中有大于4%的绿泥石膜胶结物质量百分含量较高;孔隙类型主要是粒间孔,占到总面孔率大约50%,浊沸石溶孔含量次之。在长9储层砂岩中这种成岩相分布广泛,主要分布在多期叠置的水下分流河道中部。储层砂岩孔隙度一般大于9%,渗透率一般大于0.7×10-3μm2,物性好,为最有利成岩相。

2)Ⅱ绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀+浊沸石胶结相:砂岩填隙物中绿泥石膜胶结物含量高,质量百分含量一般大于5%,其次为浊沸石胶结物,质量百分含量为2%～4%,浊沸石微溶;孔隙类型主要为粒间孔,占到总面孔率的60%～70%,其次是长石溶孔。该种成岩相主要位于多期叠置的水下分流河道中部,在长9储层砂岩中广泛分布。储层砂岩孔隙度大多数在9%～10%,渗透率通常为(0.5～0.7)×10-3μm2,物性较好,为有利成岩相。

3)Ⅲ铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相:该成岩相储集砂岩中胶结物以铁方解石为主,质量百分含量一般大于4%,其次为绿泥石膜胶结物;孔隙类型以粒间孔和长石溶蚀孔为主,面孔率一般为1%～5%。主要分布于水下分流河道的前端或边部,储层孔隙度一般为7%～9%,渗透率一般为(0.3～0.5)×10-3μm2,物性较好,为较有利成岩相。

4)Ⅳ硅质胶结+铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相:储集砂岩表现为强压实压溶作用,石英次生加大表现为Ⅱ级,硅质胶结物质量百分含量一般为3%～5%,铁方解石胶结物质量百分含量较高,一般为2%～9%,其次为绿泥石膜胶结物,质量百分含量为1%～4%;孔隙类型主要为粒间孔和长石溶孔,其中粒间孔含量较高,占总面孔率的50%以上；主要分布在水下分流河道边部靠近水体较深的位置,该成岩相砂岩孔隙度一般为6%～8%,渗透率的范围在(0.1～0.3)×10-3μm2,物性较差,为不利成岩相。

图6　华庆地区长9油层组成岩相图Fig.6　The diagenetic facies maps of Chang 9 reservior in Huaqing area

5)Ⅴ铁方解石胶结+水云母胶结+硅质胶结相:铁方解石胶结物的质量百分含量高,通常在3%以上,最高可达54%～15%,其次为水云母胶结物,质量百分含量一般大于3%,硅质胶结物含量相对较少,一般为1%～3%。该种成岩相面孔率为0;主要位于纵向上大套砂岩的顶底部位和分流河道的边部靠近湖水较深的地方,孔隙度一般为5%～7%,渗透率为小于0.1×10-3μm2,储层致密,为不利成岩相。

5　结　论

1)研究区长9主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩,填隙物含量极不均匀,质量百分含量为4%～54%,平均11.2%,其中以胶结物为主,主要为铁方解石、浊沸石和伊利石,其次绿泥石、硅质和长石质;华庆地区长9砂岩发育残余粒间孔、溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔和浊沸石溶孔,具有良好的连通性。

2)在埋藏成岩过程中,华庆地区长9砂岩储集层发生的成岩作用主要为溶解作用、胶结作用及压实压溶作用;压实作用是研究区储层砂岩最为重要的破坏性成岩作用,其次为碳酸盐、硅质、浊沸石和黏土矿物胶结作用。建设性成岩作用主要为自生绿泥石环边胶结,其次为溶蚀作用和破裂作用;研究区成岩作用已普遍进入中成岩A期。

3)成岩相划分为绿泥石膜-粒间孔+浊沸石溶蚀相、绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀+浊沸石胶结相、铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相、硅质胶结+铁方解石胶结+绿泥石膜-粒间孔+长石溶蚀相和铁方解石胶结+水云母胶结+硅质胶结相5种，其中前三者为有利成岩相,后二者为不利成岩相。

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(编辑雷雁林)

Diagenesis and favorable diagenetic facies of Chang 9 reservoir in Huaqing Area of Ordos Basin

GUO Yan-qin1, YU Fang2, LI Yang1, LI Bai-qiang1,QIU Ya-jie1

(1.School of Earth Sciences and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China; 2.Petroleum Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi′an 710018， China)

To identify the main diagenetic types, diagenetic stage, diagenetic sequence and the distribution of favorable diagenetic facies of Chang 9 reservoir of Yanchang formation in the Ordos Basin Huaqing Area. Comprehensive study of chemical analysis data was done, such as core slice identification, scanning electron microscopy, X-diffraction, physical property,etc. The Chang 9 reservoir experienced the main diagenesis, such as compaction pressure dissolution, cementation, dissolution and so on. Among them, destructive diagenesis are compaction by carbonate cementation, felsic cementation and clay mineral cementation. Constructive diagenesis are chlorite cementation, laumontite and feldspar dissolution. According to the types and evolutionary sequences of diagenesis, it is regarded that the diagenetic evolution of Chang 9 sandstone has already been in stage A of the middle diagenetic stage. It is divided into five kinds of diagenetic facies, as follows: Ⅰ. chlorite membrane-intergranular pore+laumonite dissolution phase Ⅱ.chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution+laumonite cementation phase Ⅲ.ferrocalcite cement+chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution phase Ⅳ.siliceous cement+ferrocalcite cement+chlorite membrane-intergranular pore+feldspar dissolution phaseⅤ.ferrocalcite cement+hydromica cement+siliceous cement phase. The typeⅠdiagenetic facies have good physical properties, the tpyes Ⅱand Ⅲ are secondary to the former phase, and they are favorable diagenetic facies of reservoir. While, the tpyes Ⅳ and Ⅴ phase have bad physical properties, they are adverse diagenetic facies of reservoir.

diagenesis； favorable diagenetic facies； Chang 9 reservoir formation； Huaqing Area； Ordos Basin

2015-07-23

国家自然科学重点基金资助项目 (41330315；41502107)；中国地质调查局地质调查计划基金资助项目(12120114009201)；陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2013JQ5009)

郭艳琴，女，陕西佳县人，副教授，从事沉积学和储层地质学研究。

TE122.2

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-018