鄂尔多斯盆地陇东地区致密砂岩储层碳酸盐胶结物特征及成因机理

沈 健

（中国石油集团长城钻探工程有限公司录井公司，北京 100001）

0 引言

碳酸盐胶结物是碎屑岩中常见的自生矿物之一，对砂岩储层的储集空间具有重要影响。我国砂岩储层中常见的碳酸盐胶结物包括方解石、铁方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿及菱镁矿等［1-2］。碳酸盐胶结物物质来源多样，沉积水、外来孔隙流体以及碎屑组分的蚀变产物在成岩过程中均可作为碳酸盐胶结的物质来源［3-4］。自生碳酸盐矿物对砂岩储层物性存在双重影响：一方面作为胶结物充填粒间孔隙，导致孔隙度减小［5-7］；另一方面，早期形成的碳酸盐胶结物可使砂岩具有较强的抗压实作用，也是后期溶蚀作用的物质基础，碳酸盐胶结物溶蚀之后易形成次生孔隙［8-10］。自生碳酸盐矿物对常规砂岩储层的影响主要为充填孔隙，可降低孔隙度［11-13］，而对于低孔渗的致密储层，碳酸盐胶结物不仅占据储集空间，而且还会明显降低孔隙之间的连通性，岩石中晚期碳酸盐胶结物的含量越高，致密砂岩可动流体孔隙度越低［14］。致密储层往往需要体积压裂才能获得较好的开发效果，孔隙发育程度及其连通性是影响开发效果的重要因素［15］。因此，关于致密砂岩储层中碳酸盐胶结物的发育特征及其控制因素的研究对有利储层预测和开发方案的制定均具有重要意义。

鄂尔多斯盆地延长组长6+7 油层组是致密储层发育的主要层段，碳酸盐胶结物广泛发育，多为晚期成因，不同地区的碳酸盐胶结物在类型和含量上均存在明显差异［2，15］，目前对研究区碳酸盐胶结物平面分布的控制因素研究较少，通过选取不同物源沉积区的砂岩样品，系统分析致密砂岩储层碳酸盐胶结物特征、形成机理以及平面分布差异性等，以期预测鄂尔多斯盆地陇东地区有利储层的分布。

1 地质背景

图1 鄂尔多斯盆地陇东地区地理位置（a）和物源区带划分（b）Fig.1 Geographical location（a）and source zone division（b）of Longdong area in Ordos Basin

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，面积约为37万km2，西南部的陇东地区是致密油勘探的热点地区，在此发现了我国首个“亿吨级”储量规模的大型致密油田——新安边油田（图1）。上三叠统延长组可划分为10 个油层组，自上而下依次为长1—长10。延长组沉积期经历了湖盆形成、发展和消亡的演化过程，长7 油层组沉积时期，为湖盆范围最广、水体最深的时期，深湖、半深湖亚相沉积广泛分布，沉积了一套黑色泥页岩，是鄂尔多斯盆地中生代最重要的烃源岩［17-18］，致密储层主要为和该套半深湖—深湖亚相泥页岩互层的三角洲前缘砂岩和重力流砂岩［19-20］，岩石类型以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主［21］，根据重矿物和轻矿物在平面上的分布特征可划分出东北、西南、西部、南部以及中部等5 个物源沉积区（图1），其中西南部的秦岭地区和东北部的阴山造山带均是主要的沉积物供给区［22］。

2 岩石学特征

鄂尔多斯盆地陇东地区延长组长6+7 油层组主要发育长石砂岩、岩屑长石砂岩和部分长石岩屑砂岩等。薄片鉴定结果显示，石英含量较低，体积分数平均为33.6%，长石体积分数平均为27.7%，岩屑体积分数平均为18.1%，岩屑类型以变质岩岩屑为主，其次为沉积岩岩屑，含少量岩浆岩岩屑，填隙物中杂基的体积分数平均为9.5%，高于胶结物（体积分数平均为5.8%）。西南、南部和西部物源沉积区以石英含量高，长石、岩屑含量低为特征，主要发育长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，石英体积分数平均为34.1%～41.3%，长石含量较低，体积分数多为18.4%～25.4%，岩屑含量高于东北物源沉积区，体积分数平均为17.1%～24.9%，其中白云岩岩屑明显高于东北物源沉积区，填隙物中杂基含量高于东北物源沉积区，胶结物含量低于东北物源沉积区。平面上，东北物源沉积区的云母和长石的含量高于西南物源沉积区，而中部地区因受混源影响，各种组分的含量介于东北、西南物源沉积区之间（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地陇东地区长7 油层组致密砂岩的矿物组成Table 1 Mineral composition of Chang 7 tight sandstone in Longdong area，Ordos Basin

3 碳酸盐胶结物特征

3.1 碳酸盐胶结物类型及含量

鄂尔多斯盆地陇东地区长7 油层组致密油砂岩的碳酸盐胶结物普遍发育，体积分数为0～40%，平均为4.2%，胶结类型以含铁方解石和含铁白云石为主（图2），少量为方解石、白云石胶结。铁方解石染色薄片下呈紫红色，体积分数平均为1.9%，铁白云石染色薄片下呈蓝色，体积分数平均为2.1%，此外还有少量方解石，体积分数平均为0.2%，以及极少量的白云石胶结。

研究区碳酸盐胶结物在平面上表现为铁方解石在东北、中部混积区发育程度明显高于西部、西南和南部物源沉积区（表2）。其中东北物源沉积区体积分数平均为3.7%，西部、西南和南部物源沉积区体积分数分别为1.4%，1.5%和1.4%。铁白云石胶结物平面分布特征与铁方解石相反，平面上主要发育于西部、西南和南部物源沉积区，以庆阳—环县一带最为发育，东北和中部混积区发育程度低。其中长7 油层组西部、西南及南部物源沉积区平均体积分数分别为1.9%，2.4% 和2.4%，东北物源沉积区体积分数平均为0.3%。

据已有资料统计，纵向上，延长组长3—长9 油层组的胶结物体积分数平均为4.5%～9.2%，其中长9 油层组胶结物最为发育，体积分数平均为9.2%，长7 油层组总胶结物含量最低，体积分数平均为4.5%，不同层段的胶结物含量差异明显（图3）。各层段的碳酸盐胶结物含量则较为接近，除长9 油层组体积分数为2.2%外，其他层段体积分数平均为2.9%～3.5%，并未有明显差异。

图2 鄂尔多斯盆地陇东地区长7 油层组铁方解石和铁白云石电镜特征及其胶结物典型能谱特征（a）铁方解石胶结物电镜特征，H191 井，1 952.1 m；（b）铁白云石胶结物电镜特征，B12 井，1 836.2 m；（c）铁方解石胶结物能谱特征，位置见（a）；（d）铁白云石胶结物能谱特征，位置见（b）Fig.2 Characteristics of SEM and typical energy spectrum of ferrocalcite and ankerite cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

表2 鄂尔多斯盆地陇东地区长7 油层组碳酸盐胶结物含量Table 2 Carbonate cement content of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地陇东地区延长组各油层组总胶结物及碳酸盐胶结物含量［15，23-24］Fig.3 Content of total cements and carbonate cements of each member of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin

3.2 碳酸盐胶结产状及期次

薄片分析显示，研究区的碳酸盐胶结发生于各个成岩阶段，但不同阶段碳酸盐胶结物的类型、含量和产状均存在一定差异：早期的碳酸盐胶结物主要为方解石，含量低，常以交代颗粒或基底式胶结形式出现［图4（a）］，该时期压实作用较弱，颗粒接触不紧密。晚期铁方解石胶结物常以孔隙式胶结形式出现［图4（b）］，也可附着于被方解石部分交代的颗粒边缘生长或直接交代颗粒［图4（c）］。早期白云石胶结物常以菱形自形晶、半自形晶产出于孔隙中［图4（d）］，而铁白云石胶结物既可呈加大边形式沿着白云岩岩屑或早期白云石胶结物边缘生长［图4（d）—（e）］，也可呈自形晶充填于粒间孔和颗粒溶孔中［图4（f）］。整体上，方解石胶结物形成于成岩早期，铁方解石和铁白云石胶结物形成时间较晚，多发生于溶蚀作用之后。

3.3 流体包裹体特征

图4 陇东地区长7 油层组砂岩中碳酸盐胶结物的微观特征（a）早期方解石基底式胶结，Z191 井，1 500.2 m；（b）晚期铁方解石孔隙式胶结，紫红色，H191 井，1 952.1 m；（c）粒间晚期铁方解石胶结，包裹体均一温度为113 ℃，Z191 井，1 504.0 m；（d）具有铁白云石加大边的早期白云石胶结物，富含包裹体，均一温度为87 ℃，X233 井，1 979.2 m；（e）铁白云石以加大边和孔隙充填形式胶结，B12 井，1 836.2 m；（f）粒间晚期铁白云石胶结物，L17 井，1 769.2 mFig.4 Microscopic characteristics of carbonate cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

利用LINKAM THMS600 型冷热台对15 个致密油砂岩样品的碳酸盐胶结物包裹体进行分析，累计测点143 个。结果表明，碳酸盐胶结物中发育丰富的流体包裹体。主要呈成群、成线/带状分布，类型包括气液烃包裹体、含烃盐水包裹体和液烃包裹体，形态较规则，大小为：（1 μm×3 μm）—（10 μm×12 μm），气液比小于5 %。液烃包裹体占20% 左右，气液烃包裹体占80%左右。包裹体中的液烃呈淡黄色、浅黄色、浅褐黄色，显示强浅黄色、浅黄白及浅蓝色荧光，气烃呈灰色，液烃光学特征显示包裹体的捕获处于中高成熟油阶段，即胶结物的形成时间较晚。含烃盐水包裹体均一温度分布于87～126 ℃，峰值为101～110 ℃（图5）。结合碳酸盐胶结物的产状，研究区致密储层中碳酸盐胶结物形成时代较晚，为晚期成岩作用的产物。

图5 鄂尔多斯盆地陇东地区长7 油层组砂岩碳酸盐胶结物均一温度分布Fig.5 Homogenization temperature distribution of carbonate cements of Chang 7 reservoir in Longdong area，Ordos Basin

4 碳酸盐胶结物发育控制因素

4.1 钙离子来源

成岩过程中，自生碳酸盐胶结物形成时所需的钙离子可以通过多种途径获得：砂岩孔隙原始沉积水、长石溶解、黏土矿物转化、铝硅酸盐矿物的水化作用、碳酸盐岩岩屑的溶解再沉淀作用、相邻泥岩富钙的排出水等。长7 油层组沉积时期，沉积水体偏淡水环境［25］，水体盐度较低，因此原始沉积水对钙离子的贡献较低。镜下观察显示，长7 油层组致密砂岩长石矿物溶解普遍，同时富含黏土和云母矿物，可为晚期碳酸盐沉淀提供所需的钙离子。

长7 油层组水矿化度总体较高，属于盐水—卤水地层水类型［26］，反映了致密砂岩中孔隙系统较为封闭，流体交换缓慢困难，随着成岩作用进行孔隙水不断浓缩，也促进了碳酸盐的沉淀。造成孔隙系统较封闭的主要原因包括：①长7 油层组粒度细，塑性组分含量高，在沉积之后快速埋藏过程中，容易被压实形成极细的孔喉［22，27］，导致孔隙流体钙离子、铝离子等金属阳离子和CO32-，SiO44-等阴离子排出困难。②致密油砂岩黏土含量普遍较高，在压实过程中，黏土半渗透膜效应使得粒径较大的钙离子很难随粒径小的水分子排出，因此成岩过程中，孔隙流体矿化度不断增加，钙离子不断沉淀。岩石学统计显示，研究区延长组中长7 油层组黏土矿物最为发育，高黏土含量是长7 油层组晚期碳酸盐胶结的原因之一。

4.2 铁、镁离子来源

致密油砂岩中，碳酸盐矿物主要为晚期的铁方解石和铁白云石，因此铁和镁来源至关重要。由于大部分的含铁碳酸盐胶结物出现阶段较晚，此时致密油砂岩已经较为致密，很难出现大规模活跃的孔隙流体交换，因此铁、镁离子可能来源于砂岩内部。从矿物化学组成来看，铁、镁离子来源可能包括以下3 个方面。

（1）云母类矿物，长7 油层组云母含量丰富，在延长组各个层段均含量较高，云母蚀变可释放大量铁、镁离子。以黑云母为例，其化学式为K（Mg，Fe）3［AlSi3O10］（HO，F）2，在成岩过程中容易发生水化蚀变作用形成蛭石、蒙脱石、黏土矿物等多种矿物，蚀变过程中可释放出钾、铁、镁等离子［28-29］。

（2）凝灰质蚀变，除了云母类矿物外，凝灰质蒙脱石化蚀变以及黏土矿物之间的转化也是重要的铁、镁离子来源。秦岭地区印支运动中期在长7 油层组沉积期表现最为强烈，导致大量凝灰物质沉淀，凝灰岩夹层主要分布于湖盆中央地区，厚度一般为0.1～10.0 cm，局部可达1～2 m。长7 砂岩中残余凝灰质在延长组中也最为发育（表3）［30］，大量凝灰物质的沉淀对后期成岩环境具有明显的改造作用［31］。凝灰质向蒙皂石以及蒙皂石向伊利石的转化均会释放铁、镁离子（式3）［32］，促进含铁碳酸盐的沉淀。

表3 鄂尔多斯盆地陇东地区延长组黏土矿物和凝灰质含量（15，23-24，27）Table 3 Clay mineral and tuffaceous components content of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin

（3）白云岩岩屑、变质岩岩屑溶蚀转化。白云岩岩屑在西南、南部以及西部沉积区普遍发育，变质岩岩屑在研究区均有分布，在成岩过程中，受到有机酸影响，这类岩屑发生溶蚀作用也可释放一定的铁、镁离子［2］，为后期含铁碳酸盐胶结提供物质基础。王琪等［33］研究显示，铁白云石胶结物碳同位素较重，与白云岩岩屑碳同位素组成相似，也从另一方面证明了白云岩岩屑可为铁白云石胶结物提供一定的物质来源。

4.3 白云岩岩屑控制了含铁碳酸盐的差异沉淀

综上所述，致密油砂岩本身即可提供铁碳酸盐胶结物形成的物质基础，但并不能解释为何铁白云石胶结物主要出现于研究区西南物源沉积区，而铁方解石主要发育于东北物源沉积区。胶结物的微观特征观察及大量薄片统计数据显示，铁白云石和铁方解石的差异分布与白云岩岩屑的含量及分布密切相关。

微观上，铁白云石多以白云岩岩屑的次生加大边形式产出，原因为以次生加大形式沉淀铁白云石比直接在孔隙中沉淀自生铁白云石晶体更为容易，因此白云岩岩屑含量高的地区铁白云石胶结更为发育，而不含白云岩岩屑的地区，如研究区东北物源沉积区则多形成铁方解石胶结（图6）。

图6 鄂尔多斯盆地陇东地区白云岩岩屑与铁白云石胶结物含量Fig.6 Content of dolomite debris and ankerite cement in Longdong area，Ordos Basin

4.4 碳酸盐胶结物对致密储层预测的启示

致密储层物性特征是大地构造背景、沉积条件、岩石学特征、埋藏过程及成岩作用等多因素共同作用的结果。大量研究显示，低能环境、细粒富杂基、快速埋藏、强烈压实、后期胶结、弱溶蚀等均是导致物性损失的主要原因［1，15，20，22］。

图7 鄂尔多斯盆地陇东地区碳酸盐胶结物含量与面孔率关系Fig.7 Relationship between carbonate cement content and surface porosity in Longdong area，Ordos Basin

碳酸盐胶结物含量与面孔率的散点图（图7）显示，碳酸盐含量与面孔率变化关系呈如下特征：当碳酸盐胶结物体积分数小于2%时，碳酸盐含量与面孔率相关性差，即在该范围内，面孔率变化极大（0～10%），说明此时碳酸盐胶结物含量对孔隙发育的影响非常小；当碳酸盐胶结物体积分数为2%～7%时，随着碳酸盐含量增加，相当一部分样品孔隙度呈现快速减小的趋势，说明对于这类样品，碳酸盐胶结物是导致面孔率差异性的主要原因，而当碳酸盐胶结物体积分数大于7%时，致密油砂岩孔隙较为稳定，面孔率大多小于1%，说明对于这类砂岩，体积分数为7%的碳酸盐胶结物即可将孔隙基本充填。由于铁方解石、铁白云石胶结物在孔隙中产状相似，因此二者含量与面孔率散点图的变化趋势较为一致。

碳酸盐胶结是晚期致密油砂岩孔隙损失的重要因素，致密油砂岩强烈压实作用之后的残余孔隙数量较少，且随着碳酸盐胶结物形成会被逐渐充填，当碳酸盐胶结物含量达到一定数量之后，胶结减孔速率明显，直至孔隙被基本充填。虽然大部分样品分布于强烈压实区域，但碳酸盐胶结对压实后孔隙的差异演化仍至关重要，碳酸盐胶结物越少，对晚期孔隙保存越有利。

5 结论

（1）致密油砂岩岩石类型主要包括长石砂岩、岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩等。受物源影响，不同地区的砂岩组分不同：西南地区碎屑以石英含量高、岩屑少，且富含白云岩岩屑为特征，填隙物中杂基含量高于东北物源沉积区。东北物源沉积区碎屑以富含长石为特征，云母含量高。

（2）致密油砂岩中碳酸盐胶结物以含铁方解石和含铁白云石为主，方解石、白云石少。在平面上表现出明显的分布规律，铁方解石在各个物源沉积区均有发育，但以东北物源沉积区含量最高，铁白云石则主要发育于西部、西南和南部物源沉积区。

（3）致密油砂岩中碳酸盐胶结物出现阶段较晚，以孔隙充填式或加大边形式出现，流体包裹体均一温度主要为100～110 ℃。长石矿物溶解、黏土和云母矿物转化可为碳酸盐胶结物提供钙离子，云母类矿物、凝灰质以及白云岩、变质岩岩屑等是后期铁方解石和铁白云石中铁、镁离子的主要来源。长7 油层组粒度细，塑性组分含量高，容易被压实形成极细的孔喉，加之黏土含量普遍较高，黏土半渗透膜效应明显，造成离子半径较大的钙离子不易排出，也促进了孔隙水的浓缩和碳酸盐胶结物的沉淀。

（4）平面上，只有富含云母同时富含白云岩岩屑的地区，铁白云石才会大量发育，而不含白云岩岩屑的地区，多形成铁方解石胶结。样品统计结果显示，白云岩岩屑含量高的样品，铁白云石发育，而东北部样品，富云母而缺白云岩岩屑，碳酸盐胶结物多以铁方解石为主。