马岭地区长63亚段砂岩储层特征及碳酸盐胶结物对储层的影响

胡 榕，王翀峘，陈 曦，雷 宁，董文娟

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065）

近年来，鄂尔多斯盆地马岭地区长6 段逐渐成为勘探开发的重点层段，研究区储层物性差，非均质性强，在一定程度上制约了勘探开发的进展[1]。砂岩储层的非均质性包括沉积非均质性和成岩非均质性，均对勘探采集具有重大影响。碳酸盐胶结物是导致研究区储层非均质性的主要因素，所以其一直是研究者的热门话题。由于受实验环境和知识程度的影响，前人对于研究区砂岩储层特征，碳酸盐胶结物的类型、特征以及形成机理等方面的研究存在较大的差异和分歧[2-7]。本文利用岩石薄片、铸体薄片、物性、压汞等资料，对马岭地区长63亚段从砂岩储层沉积相特征、成岩作用特征、孔隙结构特征、碳酸盐胶结物特征等方面进行综合研究，从而为马岭地区延长组致密储层的有利区预测提供可靠依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地构造形态总体表现为东翼宽缓、西翼陡窄的不对称大向斜，盆地构造性质以长期稳定为特征，具有整体抬升、持续沉降、坡度宽缓、低隆起的特点[8]。盆地晚期经历了湖盆形成→扩张→鼎盛→回返→萎缩消亡过程，其中长10 段沉积期湖盆开始形成；长9-长8 段沉积期湖盆发育扩张；长7段沉积期湖盆进入演化的鼎盛期，发育一套生烃能力强大的优质烃源岩；长6 段沉积期湖盆开始逐渐收缩，该期沉积为盆地主要的储油层；长6-长2 段沉积期为回返、萎缩阶段；长1 段沉积期盆地逐渐消亡，为准平原化期[9]。

马岭地区位于鄂尔多斯盆地西南部，东至白马、西至肖关、南至曲子、北至郝家涧一带，区域构造上属于天环坳陷南部，该区域构造相对平缓，不发育断层。马岭地区三叠系延长组地层以内陆湖相沉积为主，沉积格局和沉积体系的分布受长期继承性整体升降运动下形成的广阔斜坡构造背景控制，属于北边靖边-吴旗主河湖三角洲体系和安边三角洲体系向南延伸部分，其中，长6 段为一套深湖-半深湖为主的陆相碎屑岩沉积体系，并可进一步划分为长61、长62、长63三个亚段，长63亚段为马岭地区的主力产层[10]。

2 沉积储层特征

2.1 沉积相类型及特征

通过对研究区钻井、测井、录井、取心资料及前人研究成果等分析，对马岭地区长63亚段的沉积相环境进行研究。结果发现，马岭地区长63亚段为湖泊沉积体系，总体发育一套以半深湖-深湖亚相为沉积背景的砂质碎屑流、浊流沉积和半深湖-深湖泥沉积。

2.1.1 砂质碎屑流沉积

砂质碎屑流沉积是研究区重要的一类储层，在研究区深湖亚相中广泛发育。马岭地区长63亚段砂质碎屑流沉积的岩性主要为细砂岩，发育块状层理（图1a，b），砂岩的厚度一般大于0.50 m，最厚甚至可达数十米，砂岩的内部不含其他沉积构造，也无粒序递变层理，砂岩底部较为平坦，不具有侵蚀作用，内部偶见直径约2.00～6.00 cm 的呈悬浮状的泥砾和泥岩碎片等。

2.1.2 浊流沉积

浊流沉积多在深湖环境下形成，属于重力流沉积，一般以紊流的流动状态为特征，密度较低，沉积垂向序列常呈正递变[11]。马岭地区长63亚段浊流沉积岩性以褐灰色细砂岩、灰黑色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩与泥岩伴生，常以砂泥岩薄互层形式出现，构成不完整的鲍马序列。沉积构造具粒度递变，含有鲍马序列、火焰构造、重荷模等（图1c—f）。

图1 马岭地区长63亚段岩心沉积特征

2.1.3 半深湖-深湖泥沉积

半深湖-深湖泥沉积一般形成于浪基面以下水体较深部位，其沉积主要为灰色和灰黑色泥岩。

2.2 储层孔隙结构特征

2.2.1 储集空间类型

马岭地区长63亚段砂岩储集孔隙类型有粒间孔、长石溶孔、粒间溶孔、晶间孔和微裂隙等，其中粒间孔、长石溶孔、粒间溶孔分别占储层孔隙的1.23%，0.83%和0.15%，为区内长63亚段的主要储集空间。

2.2.2 孔隙特征

（1）孔隙大小及形态：根据李道品等对孔隙直径进行细分，将孔隙分为五种类型：大孔隙直径大于40.00 μm、中孔隙直径20.00～40.00 μm、小孔隙直径4.00～20.00 μm、微孔隙直径0.05～4.00 μm、吸附孔直径小于0.05 μm[12]。马岭地区长63亚段平均孔隙直径为20.01 μm，以中孔隙为主。

（2）喉道类型：喉道为连接两个孔隙的狭窄通道，其大小与连通状况直接影响着储层的有效性和渗透性。马岭地区长63亚段的主要喉道有缩颈型喉道、弯片状喉道和孔隙缩小型喉道（图2）。（3）孔喉结构特征：马岭地区长63亚段的排驱压力为0.50～5.50 Mpa，平均为2.03 Mpa；中值半径为0.02～0.65 μm，平均为0.13 μm；最大进汞饱和度为68.31%～97.97%，平均为83.37%；退汞饱和率为14.10%～39.86%，平均为26.70%；平均喉道半径为0.32 μm，总体反映区内长63亚段属于致密砂岩油藏，具有排驱压力较大、中值半径小、退汞效率较高、孔喉道半径小、储层采收率相对较高的特点（图3）。

图2 马岭地区长63亚段主要喉道类型

图3 马岭地区长63亚段储层毛细管压力曲线特征

3 成岩作用特征

3.1 压实作用

马岭地区长63亚段的压实作用总体上发育程度中等，纵向上差异性较为明显，储层所受的压实程度较强，在岩性偏细、塑性岩屑偏高的砂岩中，碎屑的定向排列随着埋藏深度逐渐增大，颗粒接触越来越紧密，岩屑的压实变形现象较为普遍（图4a）。

3.2 胶结作用

马岭地区长63亚段储层的胶结矿物有绿泥石、伊利石、碳酸盐岩、硅质等。由于胶结物在孔隙中达到饱和时会发生沉淀，堵塞孔隙，从而减少了储层孔隙度，降低了储层渗透率，进而影响储层的物性。研究区长63亚段的胶结作用主要有黏土胶结作用、碳酸盐胶结作用和硅质胶结作用。

黏土胶结作用主要以绿泥石和伊利石为主，绿泥石在成岩作用早期主要的赋存状态是薄膜状黏土膜胶结，伊利石常呈片丝状、毛发状等附着于颗粒表面或充填于碎屑颗粒之间（图4b，c）。

碳酸盐胶结作用在研究区碎屑岩中非常普遍，主要呈粒间胶结物、交代物或次生孔隙内填充物形式出现，研究区主要以铁方解石和铁白云石胶结为主，方解石和白云石胶结也偶有出现（图4d，e）。

硅质胶结作用在研究区砂岩中不发育，且其含量较少，一般为1%～2%，主要以自生石英加大充填孔隙（图4f）。

3.3 交代作用

交代作用是一种矿物对另一种矿物的替代，往往造成原岩的成分类型和结构局部或全部变化，但是一般体积不产生变化，因此对孔隙的影响不大[13]。马岭地区长63亚段交代作用发育程度不高，多为碳酸盐矿物交代碎屑颗粒，主要为铁方解石交代长石（图4g）。

图4 马岭地区长63亚段砂岩储层中胶结物赋存状态

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用一般贯穿于整个成岩过程，它是在一定的条件下，孔隙溶液对储层中不稳定的碎屑颗粒、胶结物等进行溶蚀，从而改善储层物性。马岭地区长63亚段主要表现为长石等铝硅酸盐矿物的溶蚀、碳酸盐岩屑的溶解等，溶蚀后多形成次生的孔隙空间（图4h，i）。

4 碳酸盐胶结特征

4.1 主要类型及产状特征

马岭地区长63亚段储层中胶结物种类丰富，其中伊利石占填隙物总量的38.31%、碳酸盐胶结物占32.61%、绿泥石填隙物占11.23%、绿泥石膜占7.60%等（图5）。在偏光显微镜下对181 个含有明显碳酸盐胶结物的薄片进行统计，配合扫描电镜、电子探针、阴极发光、铁氰化钾和茜素红染色等手段综合分析发现，马岭地区的碳酸盐胶结物中铁白云石的含量最高，占自生碳酸盐含量的43.34%。铁方解石与白云石含量相近，分别占碳酸盐含量的26.16%和24.18%；方解石含量最低，占自生碳酸盐含量的6.32%。

图5 马岭地区长63亚段储层胶结物成分及含量

研究区长63亚段方解石形成于早期，晶粒较小，常呈微晶或者中-细晶的泥晶形态，在砂岩中往往呈薄层状，不含铁，在氰化钾染色后颜色不发生变化，后期不发生溶蚀作用。而含铁方解石赋存状态多为连晶状，镜下可见晶粒粗大且洁净。铁白云石和铁方解石为晚期成岩作用的产物，薄片中常见连晶含铁方解石交代长石、碳酸盐岩屑等粒间物质或充填储层原生孔隙或长石溶蚀孔隙。

4.2 碳酸盐胶结物来源及形成机理

碳酸盐胶结物的物质来源多种多样，且具有多期次性，所以其形成过程和形成模式相对较复杂，碳酸盐胶结物的物质来源研究一般从砂岩储层水介质中碳离子和钙离子的物质来源方面进行探讨[14]。研究区碳酸盐物质来源和形成机制主要有以下几种：

4.2.1 直接沉淀形成的碳酸盐

湖水处于常温常压状态时，孔隙水中碳酸盐类物质会不断被溶解，而达到饱和状态后，碳酸盐物质将会通过孔隙水而直接沉淀出来。该期胶结物的产生往往发生在压实作用前，而形成局部致密无孔隙的砂岩储层。研究认为，区内该形成机制早期沉淀的碳酸盐胶结物增强了砂岩储层的抗压能力，能够有效地改善储层的孔隙度，一定程度上也能反映岩石的流体性质。

4.2.2 碳酸盐岩屑的溶解作用

该形成过程中烃源层有机质已逐步成熟，其干酪根在水中进行热演化生烃作用，从而生成更多的CO2和有机酸，使得地层水中pH 值越来越低，含有酸性的水会造成埋藏环境条件下难溶的碳酸盐岩屑的不断溶解，这也是碳酸盐物质形成的重要来源[15]。这种机制形成的胶结物主要为铁白云石，其保留了碳酸盐岩屑的微量元素和同位素的特征。研究区马岭地区长63亚段白云石（铁白云石）碳酸盐胶结物含量高，较为常见，薄片中可见溶解，形成的胶结物Na 元素、Ba 元素和Sr 元素以及与碳酸盐中白云岩有着相似的同位素特征，表明该过程与砂岩储层中白云岩岩屑的溶解再沉淀有一定的关系。

4.2.3 黏土矿物的转化作用

马岭地区的岩石薄片鉴定统计发现，长63亚段砂岩中高岭石含量极低，仅占黏土矿物含量的1.03%，而伊利石（水云母）和绿泥石的含量却相对较高，分别占黏土矿物的38.22%和11.21%，由此可以推断碳酸盐胶结物成岩过程中大量消耗了高岭石、蒙脱石，而转化形成高含量的伊利石、水云母、钠长石等，转化过程反应如下[16]：

4.5K++8Al3++ 蒙脱石→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

由上述反应过程可知，黏土矿物可以经过转化作用生成碳酸盐胶结物，尤其在转化过程中能为铁白云石和铁方解石的形成提供Ca2+、Fe3+、Mg2+、Si4+等物质来源，这也可能是造成研究区铁白云石和铁方解石占碳酸盐胶结物总含量比较高的原因。

4.2.4 长石等铝硅酸盐矿物的水化作用

马岭地区长63亚段中碳酸盐胶结物形成过程中的另一个重要物质来源是长石等铝硅酸盐矿物溶解的水化作用，例如钙长石水化溶解反应如下[17]：

CaAl2Si2O8（钙长石）+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+Ca2+

该溶解过程中长石不断提供Ca2+使得其在孔隙中直接沉淀形成碳酸盐胶结物。马岭地区长63亚段砂岩储层中长石含量高，可以为碳酸盐胶结物的形成提供充足的物质来源，长石在后期溶解过程中形成次生孔隙空间，随着Ca2+与CO32-的结合不断形成碳酸盐沉淀，而形成的碳酸盐又不断充填次生孔隙，致使砂岩储层的孔隙度降低。

5 成岩作用对储层物性的影响

马岭地区长63亚段储层成岩作用对储层物性具有多重影响，既可破坏原生孔隙，使原生孔隙分布规律发生变化，影响储层的储集能力，同时又能促进次生孔隙的形成，改善储层的物性，形成有利的储集空间。

由图6 可知，马岭地区长63亚段胶结作用是区内砂岩储层物性变差的一个重要原因。

图6 马岭地区长63亚段粒间体积-胶结物含量关系

研究区胶结作用总体上会使得储层的物性变差，但是早期的胶结作用能够降低压实作用对储层的破坏强度，同时后期的溶蚀作用能够改善储层的孔隙度和渗透率。黏土矿物能够减缓压实作用对储层的影响，但当含量过高时又会堵塞孔隙，使得孔隙度减少，渗透率变差。硅质胶结主要是石英次生加大，随着储层深度加深，次生加大石英充填孔隙，导致储层致密，孔隙度减少，渗透率降低；由图7a 可知，硅质胶结物与面孔率大体呈负相关，即硅质胶结物总体上对储层物性具消极影响。

碳酸盐胶结物在研究区储层中含量高，它也是砂岩储层中含量最高的一种自生矿物。研究区在成岩过程中一直伴随着储层碳酸盐胶结物的不断形成和富集，该过程往往会充填砂岩储层中的原生孔隙和次生孔隙，形成分割储层的致密钙质层，导致储层的孔隙度、渗透率降低，从而增强储层的非均质性。由图7b 可知，马岭地区长63亚段碳酸盐胶结物与面孔率大体呈负相关，分析认为晚期碳酸盐胶结物是使马岭地区长63亚段储层物性变差的另一个重要原因。

图7 马岭地区长63亚段硅质胶结物、碳酸盐胶结物与面孔率的相关性

6 结论

（1）马岭地区长63亚段为湖泊沉积体系，发育一套以半深湖-深湖亚相为沉积背景的砂质碎屑流、浊流沉积和半深湖-深湖泥沉积。储层孔隙类型主要为粒间孔、长石溶孔、粒间溶孔，以及少量的晶间孔和微裂隙。

（2）影响马岭地区长63亚段储层物性的主要成岩作用类型是压实作用、胶结作用、交代作用、溶蚀作用，其中压实作用和胶结作用能够破坏储层物性，交代作用对储层的物性影响不明显，而溶蚀作用能在一定程度上改善储层物性。

（3）区内碳酸盐胶结物主要有铁白云石、铁方解石、白云石和方解石4 种类型，探讨其形成机理认为主要为碳酸盐直接沉淀、岩屑溶解、长石等铝硅酸盐矿物的水化及黏土矿物的转化。

（4）碳酸盐胶结物多充填于溶蚀粒间孔和粒内溶孔中，早期能够增强储层的抗压实能力，对储层物性具有积极作用；后期溶解作用较弱，使得砂岩储层变得致密，增强了储层的非均质性，所以晚期的碳酸盐胶结物对储层的物性具有消极影响。